JP2008292239A - 光パルス試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光パルス試験装置のダイナミックレンジを拡大すること。
【解決手段】試験光源としての半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）を複数備え、これらＤＦＢ−ＬＤ２−１〜２−Ｎの出力波長を互いに異ならせる。また、ＤＦＢ−ＬＤ２−１〜２−Ｎの出力光強度を、被試験ファイバ１８において誘導ブリルアン散乱を生じない程度にまで抑えるとともに、各出力光（試験光）を波長多重することでトータルの試験光パルスの強度を増加させる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、光信号を伝達する光線路の特性、特にその損失分布を試験する光パルス試験装置に関する。

経済的な光通信システムを構築するためには、光をできる限り長い距離にわたり通信させることが望ましい。そこで、光線路の途中に光増幅器を設置して、通信光を光のままアナログ的に増幅する方法が用いられる。このほか、通信線路に１Ｗ級の励起光を入射して光線路に分布ラマン増幅域を形成させることで、光線路そのものを増幅媒体として作用させて通信光を増幅するといった方法もある（特許文献１を参照）。このような技術によって長距離の光通信システムが実用化されている。

長距離光通信システムの線路品質を確認する手段として、光パルス試験装置（以後、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）と称する）が用いられる。そのＯＴＤＲの測定可能距離（以後、ダイナミックレンジと称する）を拡大する検討が従来からなされている（非特許文献１を参照）。

ダイナミックレンジを拡大するためには、被試験光ファイバへ送出する試験光パルスの強度を大きくする方法と、レーリ後方散乱光の受信感度を向上させる方法とが、主に用いられる。試験光パルスの強度を大きくするにはＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）による光増幅技術が用いられる。受信感度を向上させるには、ヘテロダインもしくはホモダイン検波といったコヒーレント検波技術が用いられる。

ＯＴＤＲに光増幅技術とコヒーレント検波技術とを組み合わせることで４５ｄＢ以上のダイナミックレンジを実現でき、この技術（以後、光増幅コヒーレントＯＴＤＲと称する）は既に実用化されている。これとは別に、光増幅技術にファイバレーザ、受信方法に直接検波方式を用いるＯＴＤＲもあり、そのダイナミックレンジは３８ｄＢ程度である。要求条件に応じて、通常、いずれかの方法が用いられる。
特許第２７１４６１１号明細書 電子情報通信学会論文誌：B-I:Vol.J75-B-I No.5 pp. 304-313「光ファイバ増幅器によるＯＴＤＲ高性能化の検討」

ＯＴＤＲのダイナミックレンジを稼ぐために試験光パルスの強度を高めようにも、ラマン散乱やブリルアン散乱といった非線形現象の発生を避けるために、試験光パルスの強度には一定の制限がある。特にブリルアン散乱は、試験光パルス幅が１０μｓ程度で、試験光パルス強度が約１８ｄＢｍを超えるあたりから発生しはじめる。現行のＯＴＤＲでは既に制約リミットまでのものを使用していることから更なる強度増大は望めない。

受信感度を向上させる方法も、ヘテロダイン検波技術により約−１１０ｄＢｍのショットノイズリミットが達成されており、こちらもほぼ限界にある。このような理由から、如何に光増幅コヒーレントＯＴＤＲであっても、現在のところ約４５ｄＢのダイナミックレンジに止まっており、これ以上ダイナミックレンジを拡大するには技術的ブレイクスルーを待たねばならない。

さらに、コヒーレント検波技術を用いるＯＴＤＲではダイナミックレンジ拡大のため試験光のコヒーレント長を長くする必要があり、当該線幅を数ｋＨｚオーダにまで狭線幅化している。しかし狭線幅化は、被試験光ファイバにおいて誘導ブリルアン散乱をより低強度から誘発し易くさせてしまう。つまりダイナミックレンジ拡大のため狭線幅化すると被試験光ファイバヘの入力パワーを小さくしなければならならず、結局、頭打ちになる。すなわち狭線幅化は試験光パルスパワーの増大と「相反する関係」にあり、結果としてダイナミックレンジ向上の決め手にはならない。

この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、光パルス試験装置のダイナミックレンジを拡大することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の一態様によれば、互いに出力波長の異なる複数の光源を有する光源部と、前記複数の光源の出力光を波長多重して多重光を生成する多重部と、前記多重光を外部変調して試験光パルスを生成するパルス化部と、前記試験光パルスを増幅する光増幅部と、前記試験光パルスを光線路に入射し、当該光線路を介して到来する前記試験光パルスの戻り光を取り出す光結合部と、この分結合部から取り出された前記戻り光を用いて前記光線路の損失分布を計測する計測部とを具備することを特徴とする光パルス試験装置が提供される。

このような手段を講じることにより、各光源の出力光強度を各波長において誘導ブリルアン散乱を生じない程度にまで抑えておきながら、しかも各光源からの出力光を波長多重して得た多重光から試験光パルスを生成しているので、光線路には各光源の出力光強度の和に相当するパワーの試験光パルスが入射される。よってダイナミックレンジを拡大できるようになる。

この発明によれば、ダイナミックレンジを拡大し、より長距離の通信線路を片側から試験することの可能な光パルス試験装置を提供することができる。

［第１の実施形態］
図１は、この発明に係わる光パルス試験装置の第１の実施の形態を示す機能ブロック図である。この実施形態では（ＥＤＦＡによる光増幅技術）に（直接検波方式）を組み合わせる形態を開示する。
図１において、半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）２−１〜２−Ｎは、それぞれ駆動回路１−１〜１−Ｎにより駆動されて互いに波長の異なる試験光を出力する。各試験光はＮ×１合波器６において波長多重され、生成された波長多重光（符号ａ）は音響光学スイッチ８に入射される。Ｎ×１合波器６には、数十ＭＨｚ程度の線幅を持つ半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）２−１〜２−Ｎを合波できる、波長依存性のあるＡＷＧ回路を用いることができる。

音響光学スイッチ（ＡＯスイッチ）８はスイッチング作用により波長多重光ａを外部変調し、一定周期の光パルスを生成する。この光パルスはＥＤＦＡ９により任意の利得で増幅されて試験光パルスとなり、光カプラ１０を介して被試験光ファイバ１８に入射される。

被試験光ファイバ１８において生じた反射光や後方散乱光（符号ｃ）は、光カプラ１０を介して直接検波受光器１３に到達する。直接検波受光器１３は反射光や後方散乱光ｃ（以下、戻り光と総称する）を光／電変換したのち検波してこれらの強度に応じた強度信号を電気信号処理部１４に出力する。電気信号処理部１４は図示しない低周波数通過電気フィルタ（以後、ＬＰＦと称する）などにより、強度信号から不要成分を除去する。ＬＰＦの遮断周波数が図１の光パルス試験装置の受信帯域になる。

電気信号処理部１４はＬＰＦを通過したベースバンド信号をサンプリングしてディジタル変換し、自乗変換したうえで規定の周期でこの自乗変換された信号を加算する。さらに、この加算処理された信号からオフセット電力値（雑音電力値）を差し引いて対数変換するなどの処理を行う。このような処理によりＳＮ（Signal/Noise）比改善などの効果を得られる。

これらの処理を経て、強度信号から、被試験光ファイバ１８の伝播方向に対する戻り光の分布データ、すなわち反射光および後方散乱光ｃの長手方向の強度分布（以後、ＯＴＤＲ波形と称する）を得ることができる。このＯＴＤＲ波形は波形表示部１５によりグラフなどの形で表示される。
このほか図１の装置は、試験光ａを一定の周期でパルス化したり加算処理するためのタイミングを発生させるタイミング回路１６、および、駆動回路１−１〜１−Ｎやタイミング回路１６、ＥＤＦＡ９などを制御する主制御部１７を備える。

図１において、ＥＤＦＡ９は例えば１．５５μｍ帯を増幅する。半導体レーザ２−１〜２−Ｎは、光多重回路によく用いられるブラッグ回折格子（ＡＷＧ回路）の透過帯域を考慮し、数１０ＭＨｚ程度の狭線幅スペクトルの光を発生する特性を持つことが必要である。そこでこの実施形態では分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）を用いる。

駆動回路１−１〜１−Ｎは、各ＤＦＢ−ＬＤ２−１〜２−Ｎの出力強度を個別に制御する。これによりシステム要求に柔軟に対応できる。

以後、ＤＦＢ−ＬＤ２−１〜２−Ｎから出力される試験光の波長をλ１〜λＮ（光周波数領域では、ｆ１〜ｆＮ）とし、隣接波長間隔をΔλ１〜ΔλＮ（光周波数領域では、Δｆ１〜ΔｆＮ）とし、当該波長に対応する出力強度をＰ（λ１）〜Ｐ（λＮ）と表記する。次に、図１の光パルス試験装置の動作につき説明する。

図２は、各ＤＦＢ−ＬＤ２−１〜２−Ｎからの試験光がＮ×１合波器６で光重畳され、次いで音響光学スイッチ８でパルス化された様子を示す模式図である。図２（ａ）に示すように各試験光１９は時間軸上で波長多重され、多重試験光２０となる。多重試験光２０は音響光学スイッチ８により図２（ｂ）のようにパルス化される。音響光学スイッチ８のパルス駆動時間をＷとし、パルス駆動する周期をＴとすると、パルス駆動時間Ｗの期間だけ波長λ１〜λＮの試験光が重畳され、これが周期Ｔで繰り返されて試験光パルス２１を得る。なお主制御部１７により、駆動回路１−１〜１−ＮとＥＤＦＡ９を制御して試験光パルス２１の強度を変化させることができる。

音響光学スイッチ８を通過した試験光パルス２１は、当然ながら波長λ１〜λＮ（光周波数領域では、ｆ１〜ｆＮ）の成分を有する。
この実施形態では、各試験光パルスの波長ごとの出力強度Ｐ（λ１）〜Ｐ（λＮ）を、各々、誘導ブリルアン散乱を発生させない強度に設定する。その条件を次式（１）に示す。

式（１）のＡ_effは被試験光ファイバ１８の有効コア断面積を示す。ｂは試験光パルスの偏光を示す値であり、無偏光であれば２になる。Ｇは誘導ブリルアン増幅係数、Ｌ_effは試験光パルスの幅Ｗのときの有効長ＷＣ／２ｎ（Ｃは光速、ｎはコアの屈折率）である。

このように、波長ごとに条件式（１）に従って強度を抑えつつ波長多重することで、各波長においては被試験ファイバ１８内に非線形現象を生じさせることなく、しかもトータルではＰ（λ１）＋Ｐ（λ２）＋…＋Ｐ（λＮ）の強度を持つ試験光パルスを被試験ファイバ１８に入射することができる。その試験光パルスを被試験ファイバ１８に入射すると、各試験光の強度に応じた反射光や後方散乱光ｃを含む戻り光が戻ってくる。

直接検波型のＯＴＤＲでは、直接検波受光器１３の受光帯域が広い（数百ｎｍ）ので、被試験光ファイバ１８からの反射光・後方散乱光ｃを全て信号として検知することができる。異なる波長の試験光同士間の干渉についてはコヒーレント検波方式よりもフェージングノイズを低減させる方向に働くので、光干渉によるＯＴＤＲ波形への悪影響もむしろ低減できる。

以上説明したようにこの実施形態では、試験光源としての半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）を複数備え、これらＤＦＢ−ＬＤ２−１〜２−Ｎの出力波長を互いに異ならせる。また、ＤＦＢ−ＬＤ２−１〜２−Ｎの出力光強度を、被試験ファイバ１８において誘導ブリルアン散乱を生じない程度にまで抑えるとともに、各出力光（試験光）を波長多重することでトータルの試験光パルスの強度を増加させるようにしている。

例えば、１つのＤＦＢ−ＬＤ２−１をもつ光増幅直接検波型ＯＴＤＲは、試験光パルスの幅が１０μｓの場合に約３５ｄＢのダイナミックレンジを達成している。この実施形態で開示した手法に基づき、３つのＤＦＢ−ＬＤ２−１、２−２、２−３を用いるとすると試験光パルスのトータル強度を３倍にできる。これをＯＴＤＲのダイナミックレンジに換算すると、１つのＤＦＢ−ＬＤ２−１を用いるのに比べて約２．４ｄＢ（＝５・ｌｏｇ［３］）拡大することが予想できる。

図３は、この実施形態において得られる効果を既存技術と比較して示す図である。このグラフは被試験光ファイバ１８の長さを横軸に、反射光および後方散乱の強度を縦軸として得られるＯＴＤＲ波形である。符号２４はＤＦＢ−ＬＤが１個のＯＴＤＲ波形を示し、２５はＤＦＢ−ＬＤを３個用いた時のＯＴＤＲ波形を示す。図３から、被試験光ファイバ１８の損失係数を０．２ｄＢ／ｋｍとすると、測定可能距離が約１２ｋｍ拡大することがわかる。
［第２の実施形態］
図４は、この発明に係わる光パルス試験装置の第２の実施の形態を示す機能ブロック図である。図４において図１と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。この実施形態では（ＥＤＦＡによる光増幅技術）に（コヒーレント検波方式）を組み合わせる形態を開示する。

図４において、ＤＦＢ−ＬＤ２−１〜２−Ｎからの各試験光は、それぞれ１ｋｍ程度の長さの狭線幅化用光ファイバ３−１〜３−Ｎに入射されて、その後方散乱光を利用して個別に狭線幅化を実現する。その出射側には光アイソレータ４−１〜４−Ｎが設けられ、装置内のいずれかの場所で生じた反射光がＤＦＢ−ＬＤ２−１〜２−Ｎに戻ることを防止している。

光アイソレータ４−１〜４−Ｎからの各試験光はそれぞれ偏波制御器５−１〜５−Ｎを介してＮ×１合波器６に入射され、波長多重される。波長多重光、すなわち光重畳されたローカル光（符号ｂ）は光カプラ７で２分岐され、一方は音響光学スイッチ８へ、他方は光アッテネータ１２により強度調整されて光カプラ１１に導かれる。

被試験光ファイバ１８の入射端の光カプラ１０から取り出された戻り光は、光カプラ１１に入射されてローカル光ｂと合波される。このとき両光は干渉し、生じたビート信号光ｄはヘテロダイン受光器１３′に入射される。

ヘテロダイン受光器１３′はビート信号光ｄを光／電変換してヘテロダイン検波し、ビート信号を電気信号処理部１４に出力する。電気信号処理部１４はビート信号をベースバンド信号に変換し、ＬＰＦ（図示せず）によりその高周波成分を除去する。ＬＰＦの遮断周波数が図４のＯＴＤＲの受信帯域になる。

電気信号処理部１４において、ＬＰＦを通過したビート信号のベースバンド成分に上記と同様の処理を施すことで、反射光および後方散乱光ｃのＯＴＤＲ波形を得ることができる。このＯＴＤＲ波形は波形表示部１５に表示される。
このほか図４の装置はタイミング回路１６および主制御部１７を備える。図４の主制御部１７は偏波制御器５−１〜５−Ｎの各偏波面回転量、光アッテネータ１２の減衰量なども制御する。

図４において、半導体レーザ２−１〜２−Ｎは、コヒーレント検波のため数１０ｋＨｚ以下といった狭線幅スペクトルの光を発生可能な特性を要する。これを実現するために２−１〜２−Ｎの光源には分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）を用い、線幅を１０ｋＨｚ以下とする。

光アイソレータ４−１〜４−Ｎは、この実施形態では試験光間の干渉性が強くなるので、光学系内の反射光を防止するために用いられる。偏波制御器５−１〜５−Ｎは、各試験光の試験光（波長λ１〜λＮ）に対してそれぞれ異なる偏波面を割り当てる。これによりコヒーレント検波特有のフェージングノイズを低減させることができる。さらにこの実施形態では、音響光学スイッチ８の光周波数変調を８０ＭＨｚ程度とする。

この実施形態においても、式（１）の条件下でＤＦＢ−ＬＤ２−１〜２−Ｎを駆動する。特にこの実施形態では、偏波制御器５−１〜５−Ｎにより試験光を特定の方向に偏光させているので、式（１）における試験光パルスの偏光を示す値ｂが、１になる。

この実施形態においても、各波長においては被試験ファイバ１８内に非線形現象を生じさせることなく、しかもトータルではＰ（λ１）＋Ｐ（λ２）＋…＋Ｐ（λＮ）の強度を持つ試験光パルスを被試験ファイバ１８に入射することができる。試験光パルスを被試験ファイバ１８に入射すると、各試験光の強度に応じた反射光や後方散乱光ｃを含む戻り光が戻ってくる。

図５は、各波長の戻り光が光カプラ１１でローカル光ｂと合波されるときの組み合わせを示す模式図である。各試験光の光周波数を各々ｆ１〜ｆＮとし、音響光学スイッチ８を通過した後の光周波数シフトをΔｆとすると、被試験光ファイバ１８に送出される波長多重光に含まれる各試験光パルスの周波数は、（ｆｉ＋Δｆ：ｉ＝１，２，…，Ｎ）と示される。その戻り光（ｆｉ＋Δｆ：ｉ＝１，２，…，Ｎ）とローカル光ｂ（ｆ１〜ｆＮ）とが光カプラ１１で合波され、ビート信号を得る。

この実施形態ではこのビート信号の生成に関して次式（２）の条件を課す。

式（２）のＢは、図４のＯＴＤＲの受信帯域である。

一般にコヒーレント検波（ヘテロダイン検波）では、ＭＨｚオーダの光周波数の差によって生じる干渉光を利用し、それを信号として検出する。この実施形態では各試験光の波長の差はｎｍオーダであり、光周波数の差に換算すると１００ＧＨｚ程度となる。従って異なる光源（半導体レーザ）から送出された光の間で干渉が生じても、光パルス試験装置の受信側の受信帯域外となるので無視することができる。

すなわち、光パルス試験装置の受信側で検出されるビート信号が生じる組み合わせは、同じ半導体レーザから送出された光どうしになる。つまりｉ＝ｊである。図５においては実線の太い矢印で示す組み合わせになり、これらの組み合わせはいずれも周波数Δｆにビート信号を発生させる。

さらにこの実施形態では、偏波制御器５−１〜５−Ｎにより、各試験光の偏波面が一致しないように予め制御する。このようにして、戻り光およびローカル光ｂの偏波面の偏りに起因する、コヒーレント検波特有のフェージングノイズを低減させるようにする。

以上述べたようにこの実施形態でも、誘導ブリルアン散乱が発生しない条件下で出力した各試験光を波長多重し、トータルの試験光パルスの強度を増加させるようにしているのでＯＴＤＲのダイナミックレンジを拡大することができる。しかもこの実施形態では、直接検波方式よりもダイナミックレンジの広いコヒーレント検波方式に基づく装置を実現できることから、これらの効果が相俟って、最大限のダイナミックレンジを得ることが可能になる。

しかも複数の波長を用いることは、その偏波面をずらしておくことにより、コヒーレント検波技術の一つの課題であるフェージングノイズを低減する効果も生む。これらのことから、光パルス試験装置のダイナミックレンジを拡大することが可能となり、ひいては長距離通信システムにおける光線路の信頼性向上が期待できる。

この発明に係わる光パルス試験装置の第１の実施の形態を示す機能ブロック図。 図１のＤＦＢ−ＬＤ２−１〜２−Ｎからの試験光がＮ×１合波器６で光重畳されたのち音響光学スイッチ８でパルス化された様子を示す模式図 この発明の実施形態において得られる効果を既存技術と比較して示す図。 この発明に係わる光パルス試験装置の第２の実施の形態を示す機能ブロック図。 各波長の戻り光が光カプラ１１でローカル光ｂと合波されるときの組み合わせを示す模式図。

符号の説明

１−１〜１−Ｎ…駆動回路、２−１〜２−Ｎ…半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）、３−１〜３−Ｎ…狭線幅化用光ファイバ、４−１〜４−Ｎ…光アイソレータ、５−１〜５−Ｎ…偏波制御器、６…Ｎ×１合波器、７…光カプラ、８…音響光学スイッチ、９…ＥＤＦＡ、１０，１１…光カプラ、１２…光アッテネータ、１３…直接検波受光器、１３′…ヘテロダイン受光器、１４…電気信号処理部、１５…波形表示部、１６…タイミング回路、１７…主制御部、１８…被試験光ファイバ、１９…試験光、２０…多重試験光、２１…音響光学スイッチ通過後の試験光パルス、２２…光重畳されたローカル光、２４…ＤＦＢ−ＬＤ１個のＯＴＤＲ波形、２５…ＤＦＢ−ＬＤ３個のＯＴＤＲ波形、ａ…光重畳された試験光、ｂ…光重畳されたローカル光、ｃ…反射光および後方散乱光、ｄ…ビート信号光

Claims (7)

1. 互いに出力波長の異なる複数の光源を有する光源部と、
   前記複数の光源の出力光を波長多重して多重光を生成する多重部と、
   前記多重光を外部変調して試験光パルスを生成するパルス化部と、
   前記試験光パルスを増幅する光増幅部と、
   前記試験光パルスを光線路に入射し、当該光線路を介して到来する前記試験光パルスの戻り光を取り出す光結合部と、
   この分結合部から取り出された前記戻り光を用いて前記光線路の損失分布を計測する計測部とを具備することを特徴とする光パルス試験装置。
2. 前記複数の光源は、それぞれその出力波長で前記光線路において誘導ブリルアン散乱を生じない強度の出力光を出力することを特徴とする請求項１に記載の光パルス試験装置。
3. さらに、前記複数の光源ごとにその出力光の強度を個別に制御する出力光強度制御部を具備することを特徴とする請求項１に記載の光パルス試験装置。
4. 前記光増幅部は、前記試験光パルスの前記光線路への入射強度を制御することを特徴とする請求項１に記載の光パルス試験装置。
5. 前記計測部は、
   前記戻り光を光／電変換したのち検波して強度信号を出力する直接検波受光器と、
   前記強度信号から、前記光線路の伝播方向に対する前記戻り光の分布データを得る信号処理部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の光パルス試験装置。
6. さらに、前記複数の光源の出力光の線幅をそれぞれの光源ごとに狭線幅化する狭線幅化部と、
   前記複数の光源の出力光の偏波面を互いに異ならせる偏波制御部とを具備し、
   前記計測部は、
   前記多重光を前記戻り光に合波して干渉光を生成する合波部と、
   前記干渉光を光／電変換したのち検波して干渉成分の強度信号を出力するヘテロダイン受光器と、
   前記強度信号から、前記光線路の伝播方向に対する前記戻り光の分布データを得る信号処理部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の光パルス試験装置。
7. さらに、前記分布データを表示する表示部を具備することを特徴とする請求項５および６のいずれか１に記載の光パルス試験装置。

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