JP2012501124A - 光ネットワークにおけるファイバの監視方法 - Google Patents

Abstract

光ファイバを監視する方法（２００）は、トラフィック信号で光信号を変調するステップ（２１０）と、インコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）試験信号でその光信号を変調するステップ（２２０）と、その２重に変調された光信号をファイバの第１の終端から光ファイバの上に送信するステップ（２３０）と、ファイバの第１の終端からの後方散乱光出力を検出するステップ（２４０）と、インコヒーレント光周波数領域反射測定法を使用して後方散乱光を解析し、光ファイバの中の破断箇所までの距離を判定するステップ（２５０）を備える。本方法を実行するための適切な装置とともに、本方法を使用する光通信ネットワークもまた記述される。

Description

本願は、光ネットワークにおけるファイバの監視に関する。また特に、光ネットワークの中のファイバ破断の検出および破断位置判定に対する装置と方法とに関するが、これに限定されるものではない。

光ネットワークは、通常、「スパン」として知られる長さの光ファイバで互いに接続された複数のノードから構成される。典型的な光ネットワークは図１に示される。このネットワーク５０は、ファイバスパン３０によって接続された複数のノード２０を備える。明確にするために３つのノード２０だけを示している。しかしながら、ネットワークは通常はもっと多くのノードを含むと理解されるであろう。各スパンは２つの（またはそれ以上の）ファイバを備えることができる。例えば、ノードから外に通信トラフィック（変調された光信号の形をしている）を搬送するアウトバウンドファイバ、およびノードに向かってトラフィックを搬送する戻りファイバである。図示したスパンは２つの隣接したノードを接続しているが、介入ノードがあって、２つの隣接していないノードの間の接続も同様に「スパン」と呼ぶことができると理解されるであろう。

ネットワーク５０は、多くの異なるタイプのノードを含むことができ、各ノードは１つ以上の機能を有する。例えば、ノード２０ａおよび２０ｃは、アッド／ドロップノード（ａｄｄ／ｄｒｏｐ ｎｏｄｅ）であり、これらのノードで、光トラフィック信号がネットワーク５０から追加、またはネットワーク５０へ抽出される。このようなノードは、レーザ光放射源と復調装置とを備える。レーザ光放射源の出力は電気信号により変調されてトラフィック信号を生成する。また、復調装置は受信した光放射から電気信号の形をした情報を再生することができる。ノード２０ｂは、リピータノードであり、これはネットワーク５０から信号を追加、またはネットワーク５０へ信号をドロップすることはしない。しかしその代わりに、通常はさらなる増幅を行って信号電力を増大することにより、受信した光信号を次のノードに転送する。他のノードは、それらのノード機能の両方を実行することができ、トラフィックから信号を取り出す／除去すること、さらには、受信したトラフィック信号を増幅して再び送信することができる。

信号の送信は、ネットワーク全体にわたって中央局４０から制御される。中央局４０はネットワーク内部の信号ルーティングおよび障害検出を監督する。

ネットワークの内部の光ファイバが破断した場合には、通常は、破断が生じたスパンを検出することが可能である。これは、受信機ノード／受信機増幅器が遠隔の送信機ノード（時には送信増幅器（ｌａｕｎｃｈ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）とも呼ばれる）からのいずれの光出力も受信できないという事実から検出する。「破断」という用語を使用する場合、それは、ファイバが損傷を受けて、光信号は光信号の源から遠隔にある受信機へ、ファイバの全長にわたっては伝達できないということを意味する。

ネットワークの内部の各スパンは数１０キロメートルにもなる（通常は１００ｋｍまでである）。従って、ファイバ破断が生じた場合には、適切な精度でスパンに沿ってファイバ破断の位置を検出し、その障害を修復しなければならない作業員に対して破断の位置に関する極力精度よい情報を与えることにより、破断に対してスパン全体を探索する必要を回避することが望ましい。しかしながら、上記で議論したように、どのファイバスパンが損傷を受けているかを判定することは極めて単純ではあるが、ファイバのどこが破断しているかを正確に検出することは容易ではない。

ファイバ破断の位置判定に対する最も共通的な従来の技術による方法は、影響を受けているスパンの片方の終端から光出力を送信し、そして後方散乱信号（散乱放射光）を処理するという方法である。いくつかの方法は、光時間領域反射率計（ＯＴＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）を使用する。これは、種々の異なる様式で通信システムの中に統合されている場合もあり、または作業員が操作するスタンドアロン機器として使用される。光時間分割反射測定法（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｉｍｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）では、試験対象のファイバの中に高出力で継続時間の短いパルスの放射を供給し、ファイバの中の破断または欠陥から後方散乱される信号を検出することが必要である。破断箇所までの距離は、公知の方法で信号を処理することにより判定することができる。

このようなＯＴＤＲの方法は、サービス提供中のシステムに対して適切な方法とサービス停止中のシステムだけに対して適切な方法とに分類することができる。例えば、送信増幅器の直後にアッド／ドロップノードを備え、アッド／ドロップノードの後に破断が存在するシステムを考える。アッド／ドロップノードのところでドロップするトラフィックは、破断の影響を受けていないであろう。しかし、破断の位置判定をしようと試みる送信増幅器から実行されるいずれかの診断試験によっては影響を受ける可能性がある。サービス提供中試験の場合には、ドロップするトラフィックは（実質的には）試験の影響を受けることはないであろう。しかしながら、サービス停止中試験の場合には、ドロップするトラフィックは激しく途絶する可能性があり、そして、試験が実行されている間はトラフィックが一時的に休止していなければ、アッド／ドロップノードおよび他の装置、さらにそのダウンストリームでは損傷を受ける可能性がある。

サービス停止中システムの場合には、ＯＴＤＲ信号は、影響を受けているファイバリンクの中に、トラフィックを搬送する波長で送信される。この信号はファイバの破断位置で後方散乱され、そして適切な方法で検出されて処理される。このようなシステムは、全リンクが双方向にサービス停止中であると考えられる場合だけに使用することができる。これは、帯域内信号（すなわちトラフィックと同一、または同様の波長の信号）を使用することは、今問題にしているスパンの上、およびダウンストリームスパンの上に存在するトラフィックに干渉を与えてそれを途絶させる可能性があるからである。ＯＴＤＲ信号によって受信機光部品を焼失することを回避するように注意を払わなければならない。これは、帯域内ＯＴＤＲ信号は、トラフィックチャネルにおけると同一の様式で光リピータによって増幅され、従って、多重分離（デマルチプレクス）されて高価でかつ繊細な受信機光部品に送信されてしまうという危険があるからである。

サービス提供中システムは、トラフィックとは異なる波長における試験信号を使用することにより、これらの問題を克服する。例えば、ＯＴＤＲ信号に対して、帯域外トーン、または光監視チャネル（従って、このような信号は増幅されること、または多重分離化されることはないであろう）を使用する。しかしながら、このようなシステムは、ファイバ試験を実行するための更なる装置が必要となるので、より高価になる。追加的な送信増幅器の形の更なる装置、また時には、追加的な「予備」ファイバまでもが必要になる。

各ノードでインストールするべき高価な追加的装置に対する要求条件は、スタンドアロンＯＴＤＲ機器を使用することにより克服することができる。しかしながら、これは人的な作業員を使用する必要があるという欠点を有し、この場合には、最初にファイバの片方の終端から破断の位置を検出し、ファイバ破断の箇所まで移動してその破断を修復しなければならない。結果としては、より高い労働コストを必要とし、作業員はリンクの局／ノードの中で装置を扱わなければならないという事実のために、更なる障害が発生する可能性が生ずる。

本発明の目的は、上記の問題点のいくつかまたは全てを軽減することである。

本発明の第１の視点に従えば、光ファイバを監視する方法が提供される。本方法は、トラフィック信号で光信号を変調するステップと、インコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）試験信号で光信号を変調するステップと、この２重に変調した光信号をファイバの第１の終端から光ファイバの上で送信するステップと、ファイバの第１の終端から出力された後方散乱光を検出するステップと、検出した後方散乱光を、インコヒーレント光周波数領域反射測定法を使用して解析し、光ファイバの中の破断箇所までの距離を判定するステップとを備える。

このような方法を使用すれば、ファイバの上またはダウンストリームファイバの上のトラフィックを中断することなく、また、ダウンストリーム受信機の光部品を損傷の危険にさらすことなく、ファイバを使用中にファイバ破断の位置を判定することができる。

通常は、光信号は、ある規定された波長または波長範囲を有するであろう。その波長範囲は１５５０ｎｍを中心とすることができる。

ＩＯＦＤＲ信号は、増幅器の利得媒体をポンピングするために使用するレーザの出力を変調することにより、増幅器のところで光信号の上に載せることが望ましい。この様式では、ＩＯＦＤＲ信号は、トラフィック信号を増幅および／または発出するために使用する増幅器と同一の増幅器を使用して、トラフィック信号と同一の波長で、光信号の上に載せることができる。従って、トラフィック信号とＩＯＦＤＲ信号との両方を生成するために、ただ１つの増幅器／レーザを必要とするだけである。

トラフィック信号は、ＩＯＦＤＲ試験信号の前に、光信号を変調することにより光信号の上に載せることができる（これは例えば、入力してくる光信号を増幅し、増幅したその光信号を再び送信するよう動作可能なリピータ増幅器があって、ＩＯＦＤＲがこのリピータ増幅器のところで光信号に導入されるといった場合である）。あるいは、トラフィック信号はＩＯＦＤＲ試験信号の後に光信号を変調することにより光信号の上に載せることもできるであろうということが理解されるであろう（例えば、ＩＯＦＤＲ試験信号を含む光信号が送信増幅器／レーザによって生成され、引き続いてその信号がトラフィック信号で変調される場合である）。

ＩＯＦＤＲ信号は、既知の周波数と振幅とを有する正弦波信号であってよい。レーザ出力を変調するステップと、２重に変調した光信号を送信するステップと、後方散乱光を検出するステップとは、複数回繰り返すことができ、これらの回数のうち少なくとも１回はＩＯＦＤＲ試験信号の周波数を変更することができる。そして、複数の回数のそれぞれにおいて、最初の回から最後の回へと、段階的に周波数を増加させることが望ましい。

検出した後方散乱光を解析するステップは、検出した後方散乱光を２重に変調した光信号と比較するステップを備えることができる。この比較は、検出した散乱信号を２重に変調した光信号の位相をシフトしたコピーと合成して合成信号を生成するステップと、この合成信号を低域通過フィルタでフィルタリングするステップとを含む。上記の処理は、これを実行して合成信号の振幅の最大値に対応する周波数（ｆ＿ｍａｘ）を決定することができる。

検出した後方散乱光を解析するステップは、周波数（ｆ＿ｍａｘ）における反射に関連した１つのファイバ長、または１組のファイバ長を判定するステップを更に含むことができる。１組のファイバ長が周波数（ｆ＿ｍａｘ）に対応する場合には、解析するステップは、ファイバ破断箇所までの真の距離をその１組の長さの内から判別するステップを更に含むことができる。

１つのファイバ長または１組のファイバ長は、方程式
［数１］

を解くことにより判定することが望ましい。

１組のファイバ長が周波数（ｆ＿ｍａｘ）に対応する場合には、ファイバ破断箇所までの真の距離を１組の長さから判別するために、方程式ｆ（Ｌ）に対する解で、以下の式の絶対最大値に関係ない解は破棄することができる。
［数２］

光ファイバを監視する方法は、第２のインコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）試験信号で第２の光信号を変調するステップと、変調した第２の光信号を、光ファイバまたは関連した光ファイバの上に、それらの光ファイバの第２の終端から送信するステップと、それらの光ファイバの第２の終端から出力される第２の後方散乱光を検出するステップと、インコヒーレント光周波数領域反射測定法を使用して、第２の後方散乱光を第１の後方散乱光と共に解析し、光ファイバの中の破断箇所までの距離を判定するステップとを更に備えることができる。

「関連したファイバ」は、第１の光ファイバと同一の物理的ルートに従うファイバを意味する。これは、例えば、第１のファイバと同一の管路またはダクトの中に設置されたファイバである。関連したファイバの１つの例は、２つのネットワークノードの間に張られた１対のファイバであり、その対は、ノード間のトラフィックを第１の方向に運ぶためのアウトバウンドファイバ（ｏｕｔｂｏｕｎｄ ｆｉｂｒｅ）と、ノード間のトラフィックを第１の方向と反対の第２の方向に運ぶための戻りファイバ（ｒｅｔｕｒｎ ｆｉｂｒｅ）とを備える。

このような変形した方法では、本発明の第１の視点の方法を、ファイバの反対の終端からと、２回実行することが実効的に必要となる。この変形した方法を使用すれば、特により長いファイバの場合に、ファイバ破断の位置をより正確に判定することができる可能性がある。特に、解析するステップは、第１の後方散乱光から判定した１組の可能性のある破断箇所までの距離と第２の後方散乱光から判定した１組の可能性のある破断箇所までの距離とを比較して、破断箇所までの真の距離を判定するステップを備えることができる。

検出した散乱信号は、フィルタリングして信号の雑音成分を低減することができる。

本発明の第２の視点に従えば、光通信ネットワークに対する増幅器が提供される。この増幅器は、第１の光ファイバの出力から受信した、トラフィック信号で変調された光信号を増幅し、増幅した信号を第２の光ファイバの第１の終端から再び送信するよう動作することができる。この増幅器は、変調器と第１の検出器とを備え、変調器は光信号をインコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）試験信号で更に変調するよう動作可能であり、第１の検出器は第２の光ファイバの第１の終端または第１の光ファイバの出力の内の少なくとも１つから受信した後方散乱光を検出するよう動作可能である。

本発明の第３の視点に従えば、光通信ネットワークに対する送信機が提供される。この送信機は、光源と第１の変調器と第２の変調器と検出器とを備え、光源は光ファイバの第１の終端から送信するための光信号を生成するよう動作可能であり、第１の変調器はインコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）試験信号で光信号を変調するよう動作可能であり、第２の変調器はトラフィック信号で光信号を更に変調するよう動作可能であり、検出器は光ファイバの第１の終端から受信した後方散乱光を検出するよう動作可能である。光源はレーザおよび／または増幅器であってよい。

第２または第３の視点のどちらかに従ったデバイスを使用すれば、第２の視点に従った場合には、トラフィック信号を増幅するために使用する装置と同一の物理的装置を使用してＩＯＦＤＲ試験信号を送信することができ、また第３の視点に従った場合には、トラフィック信号を適用するべき光信号を生成する装置と同一の物理的装置を使用してＩＯＦＤＲ試験信号を送信することができる。この構成によって、ファイバ破断の位置を判定するための手段を提供することに関わる複雑さが低減され、従って、その費用が低減される。ＩＯＦＤＲ信号は、トラフィック信号を中断することなく、トラフィック信号と同時に送信することができる。ＩＯＦＤＲ信号は、トラフィック信号と同一の波長で（例えば、１５５０ｎｍの波長またはその付近で）送信されることが望ましい。

変調器（または第１の変調器）は、増幅器のポンピングレーザを備え、ＩＯＦＤＲ信号をトラフィック信号と同一の光信号に適用するようにすることができる。

増幅器／送信機は、増幅器／送信機が送信するべき信号を検出するよう動作可能な第２の検出器を更に備えることができる。この信号はＩＯＦＤＲ試験信号で変調されている。信号はまた、トラフィック信号で変調することもできる。

これらの検出器からの出力は、インコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）アナライザに対して供給することもできる。このインコヒーレント光周波数領域反射測定法アナライザは、インコヒーレント光周波数領域反射測定法を使用してこれらの検出器の出力を解析することにより、光ファイバの中の破断箇所までの距離を判定するよう動作可能である。このアナライザは、第１の検出器の出力を第２の検出器の第２の出力の位相シフトしたコピーと合成して合成信号を生成し、その合成信号を低域通過（ローパス）フィルタでフィルタリングするよう動作可能である。

増幅器／送信機は、ポンピングレーザの動作を制御するようにプログラムされたマイクロプロセッサを更に備えることができる。マイクロプロセッサは上記で述べたアナライザを備えることができる。

本発明の第２の視点の場合には、増幅器は、第１の光ファイバの出力から受信した後方散乱光を検出するよう動作可能な第３の検出器を更に備えることができる。これによって、増幅器は第１の光ファイバ（すなわち、増幅器が増幅するべき信号をそのファイバから受信する）の中の破断箇所を検出することができ、さらに（または代替として）増幅器は第２の光ファイバ（すなわち、増幅器が増幅した光信号を送信するファイバ）の中の破断箇所を検出することができる。

本発明の第５の視点に従えば、光通信ネットワークに対する増幅器が提供される。この増幅器は、増幅器の利得媒体のポンピングに使用するよう動作可能なポンピングレーザと、増幅器の動作を制御するためのマイクロプロセッサとを備える。ここで、マイクロプロセッサは、ポンピングレーザの出力をインコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）試験信号で変調するよう動作可能である。また増幅器は、増幅器のところで受信した後方散乱光を検出するよう動作可能な検出器を更に備える。この放射はＩＯＦＤＲ試験信号で変調されている。

増幅器は、増幅するべき光信号を受信するための入力コネクタを更に備えることができる。ここで検出器は入力コネクタのところで受信した後方散乱光を検出するよう動作可能である。

本発明の別の視点に従えば、本発明の第２、第３、または第４の視点のいずれか１つの増幅器および／または送信機を備える光通信ネットワークが提供される。

光通信ネットワークは、光ファイバの第１の終端のところに位置した、第１のこのような増幅器／送信機と、この光ファイバ、または関連した光ファイバ（上記で定義されている）の第２の終端のところに位置した第２の増幅器／送信機とを備えることができる。光通信ネットワークは、ネットワークマネージャを更に備えることができ、ネットワークマネージャは、第１および第２の増幅器／送信機の検出器からデータを受信し、第１および第２の増幅器／送信機によって提供されたデータを、インコヒーレント光周波数領域反射測定法を使用して解析することにより、１つまたは複数の光ファイバの中の破断箇所までの距離を判定するよう動作可能である。

光ネットワークを表す図である。 本発明に従った増幅器の１つの実施形態を示す図である。 本発明の１つの実施形態において光ファイバの中の破断の位置を判定する方法のステップを開示するフローチャートである。 本発明の代替の実施形態において光ファイバの中の破断の位置を判定する方法のステップを開示するフローチャートである。 本発明に従った送信機の１つの実施形態を示す図である。 （１）理論データと、（２）測定データと、（３）測定データをフィルタリングしたデータとに対する事後処理した光出力を周波数に対してプロットした図である。 式１をプロットした図である。 （ａ）関数ｆ（Ｌ）（式２）のスプリアス解および有効解を示した図、および（ｂ）グラフ（ａ）の詳細を示す拡大図であり、ファイバ長が４０ｋｍから１００ｋｍまでに対して示した図である。 （ａ）種々のファイバ減衰係数に対する、最大後方散乱光出力が検出された周波数とファイバ破断箇所までの距離との間の関係、および（ｂ）減衰係数に対する距離閾値Ｘの変化を示す図である。 光通信ネットワークの部分を示す図である。 散乱信号（図２ａのステップに従って処理された後）の振幅と周波数との間の関係を２つの選定した距離に対して示した図である。 関数ｆ（Ｌ）のスプリアス解および有効解を示す図５と同様のグラフである。 スプリアス解および／または複数の有効解から真の解を判別する１つの方法を示すフローチャートである。 図６と同様のグラフであり、１つの実施形態に従って本発明を実行することができる最大ファイバスパンを種々の異なる光ファイバ減衰係数に対して示した図である。 散乱光信号の更なる解析を行わずにファイバ破断箇所までの距離を確定することが不可能な「デッドポイント」を示す図である。

本発明は光周波数領域反射測定法、特にインコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）を使用してファイバ破断の存在を検出し、破断箇所までの距離を測定することにより破断の位置判定を行う。本方法はサービス提供中システムおよびサービス停止中システムの両方に対して動作する。

本明細書において使用するＩＯＦＤＲでは、ＩＯＦＤＲ試験信号がある範囲の周波数で光ファイバに沿って送信される。送信されるＩＯＦＤＲ信号の光出力を各周波数に対して検出する（または、例えば、もしレーザがＥＤＦＡのように出力電力の中に位相シフトを導入しない単純なレーザであれば、ポンピングレーザを駆動するところの電力から判定する）と共に、後方散乱した（ファイバの残りの全スパンに沿って反射されてファイバから戻る）光出力も検出する。ファイバ破断それ自身が反射する光出力は僅かである（従ってもし破断がなければ、ＩＯＦＤＲの方法は、破断していないファイバの全スパンの長さを検出するであろう）。後方散乱した光出力は通常は入射光出力よりも４０〜４５ｄＢ程度低い。

上記の測定値は電気信号に変換されて事後処理される。これは以下で詳細に記述する。ファイバの減衰係数およびファイバの実効屈折率がわかっていれば、増幅器から破断箇所までの距離に関する情報は、送信した信号の電力と後方散乱信号の電力との間の位相差の測定から抽出することができる。

以下で議論する本発明の実施形態においては、ＩＯＦＤＲ試験信号は非常に小さな振幅変調指数（また変調の深さ（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ）として知られる）の正弦波信号である。ＩＯＦＤＲ信号は、トラフィック信号と同一の波長で送信される。これはトラフィック信号を生成するために使用するレーザと同一のレーザを使用することが望ましい。試験信号は、トラフィック信号の小さな変調の形で、トラフィック信号と同時に送信される。

信号の正弦波の形は、後方散乱信号もまた正弦波である（しかしながら、もとのＩＯＦＤＲ信号と比較して位相はシフトしている）ことを保証する。これはもし、ＩＯＦＤＲが異なった（非正弦波の）形を有しているとすれば当てはまらないであろう。「小さな」変調指数であるということは、変調指数が「トランスポンダまたは受信機光部品によるトラフィック信号の受信に擾乱を与えないほどに十分に小さい」ということを意味する。例えば、約１０〜２ＯｄＢｍの出力を有する典型的な増幅器の場合には、適切な小さな変調指数は、ピークツーピークで０．５ｄＢの変動を持つ信号であればよいであろう。スパンがサービス停止中である時に本方法を使用することを意図する実施形態においては、上記の「小さな」変調の深さに対する上記の要求条件はこれに従う必要はないと理解されるであろう。

図２は、増幅器１の内部構成を示す。増幅器１は光ネットワーク内部のノードの中にインストールされたカード１０の上に設置することができる。この実施例においては、ノードはノード２０ｂとして図１に示したタイプのリピータノードである。このようなリピータノード２０ｂでは、増幅器１は、増幅器の入力コネクタ２１のところで第１の光ファイバ１２から受信した光信号１９を増幅し、その後に出力コネクタ２３を介して第２の光ファイバ１１の上にその増幅した信号を再び送信するよう動作することができる。

増幅器１は能動利得媒体３を備える。能動利得媒体３は、マイクロプロセッサ７が制御するポンピングレーザ５でポンピングされたエルビウムドープファイバ等である。入力コネクタ２１のところで受信したいずれの信号１９も利得媒体３の中で増幅され、信号（例えば、トラフィック信号）の上に存在するいずれの変調も増幅された出力信号の中に保存される。

増幅器は、図２の中でそれぞれ９、１５、および１７と番号付けした第１、第２、および第３の光スプリッタと、それぞれ８、１４、および１８と番号付けした第１、第２、および第３のフォト検出器（例えば、フォトダイオード）を更に備える。第３のスプリッタおよび第３のフォト検出器は、第２のスプリッタおよび第２のフォト検出器に対する代替、または追加であってよい。

能動利得媒体３からの増幅された光出力の僅かな部分（例えば、１ないし１０％の間）は、第１のスプリッタ９によって第１のフォトダイオード８に導かれる。従って、第１のフォトダイオード８は、増幅器から出力される増幅された信号の光出力に比例した電気信号を生成する。この電気信号はマイクロプロセッサ７に供給される。

同様に、ファイバ１１から後方散乱された、実質的に全ての光は、第２のスプリッタ１５によって第２のフォトダイオード１４に導かれ、第２のフォトダイオードは後方散乱した光の光出力に比例した電気信号を生成する。その第２のフォトダイオード１４からの出力もまたマイクロプロセッサ７に供給される。

第３のスプリッタ１７が存在する場合には、第３のスプリッタ１７は増幅器に入力してくる光の僅かな部分（例えば、１％、５％、１０％）を第３のフォトダイオード１８に導き、第３のフォトダイオードの出力をマイクロプロセッサ７に供給する。

ファイバ１１から後方散乱した光出力は、主としてレーリー後方散乱によるものである。スプリッタ１５の方向性（ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ）は、ファイバのリターンロス（これは通常、ファイバ製造業者によって規定されている）に依存して選定されなければならない。一般的に、スプリッタの方向性とファイバのリターンロスとの間の差は、少なくとも１０ｄＢはあるべきである。例えば、Ｇ６５２ファイバ（これは現在この分野で共通的に使用されている）に対しては、リターンロスは約３０ｄＢであるので、方向性に対する適切な値は少なくとも４０ｄＢである。同じ理由によって、ファイバの破断のリターンロスが約４０ｄＢであっても、本方法は正しく動作する。これは、通信に使用する全ての種類のファイバに当てはまる（破断の表面は不規則であるので反射する能力には乏しい）。ただし、２つのファイバのスプライシングのために使用する非常に鋭く堅い刃による切断の場合にはこの限りではない。しかしこの場合には、しばしば技術者は既にファイバ破断のところにいて、それを修復しているので、その場合にはしばしば、破断箇所までの距離を測定する理由はない。

実際に使用する場合には、ポンピングレーザ５は、能動媒体３をポンピングする連続波（ＣＷ）信号を生成する。増幅器入力コネクタ２１のところで受信した光信号１９は、能動媒体３の内部で増幅され、増幅器出力コネクタ２３を通してファイバ１１の上に送信される。上記で議論したように、通信システムが情報を伝送している時には、光信号１９は、その信号に変調が施された形のトラフィックを備えるであろう。従来の増幅器におけると同じ様式で信号が増幅された場合には、その変調は保存されるであろう。

しかしながら、従来の増幅器とは異なり、マイクロプロセッサは、ポンピングレーザを制御して、ＣＷ信号に正弦波の変調を導入する。従って、（いずれのトラフィック信号も存在しない場合には）第１のフォトダイオード８のところで測定した増幅器出力電力は、正規のＣＷ成分に０．５ｄＢ程度の正弦波信号が加わった形を有するであろう。信号が実際にトラフィックを備える場合には、増幅器１からの信号出力は増幅されたトラフィック信号を備え、また付加的な正弦波の試験信号（ＩＯＦＤＲ試験信号）を備える。

図２ｃに示された代替的実施形態においては、本発明は送信機（増幅器）１０２に使用され、トラフィック信号の前にＩＯＦＤＲ信号で光信号が変調される。送信機１０２は、光ファイバ１０６の第１の終端から送信するための光信号を生成する光源１０４と、ＩＯＦＤＲ試験信号で光信号を変調する第１の変調器１０８とを備える。送信機１０２はまた、トラフィック信号で光信号を更に変調する第２の変調器１１０と、光ファイバ１０６の第１の終端から受信した後方散乱光を検出するための検出器１１２とを備える。

本発明に従ったＩＯＦＤＲの方法２００は図２ａに示されている。本方法は、トラフィック信号で光信号を変調するステップ（ステップ２１０）と、インコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）試験信号で光信号を変調するステップ（ステップ２２０）とを含む。トラフィック信号と光信号とはどちらも同一の光信号の上に載せられ、従って双方の信号は同一のチャネルの上でネットワークの中に送信される。ステップ２１０およびステップ２２０は任意の順序で実行することができるであろう。すなわち、ＩＯＦＤＲ信号は、トラフィック信号で既に変調された光信号を変調することができるであろう（上記で議論したように）。または、代替として、ＩＯＦＤＲは「ブランクな」光信号を変調することもできるであろう。そしてそれに引き続いてトラフィック信号が、ＩＯＦＤＲ信号で変調されたその信号をＩＯＦＤＲ信号に重ねて変調することもできるであろう。

その２重に変調された光信号は、その後、ファイバの第１の終端から光ファイバの上に送信される（ステップ２３０）。ステップ２４０において、ファイバの第１の終端からの出力である放射を検出する。ファイバの中に破断がある場合には、受信した後方散乱光の量は、破断箇所までの距離（残りのファイバのスパン長）を示すものであろう。最後に、ステップ２５０において、検出した後方散乱光を、インコヒーレント光周波数領域反射測定法を使用して解析し、光ファイバの中の破断箇所までの距離を判定する。

図２ｂに示した好適な実施形態における本方法２００は、第２のＩＯＦＤＲ試験信号で第２の光信号を変調するステップ２６０と、変調した第２の光信号を光ファイバ、または関連した光ファイバの上に、その光ファイバの第２の終端から送信するステップ２７０とを更に備える。ステップ２８０において、光ファイバの第２の終端から出力される第２の後方散乱光が検出され、そして最後のステップで、この実施形態は、第２の後方散乱光を解析するステップ２９０を備える。結果として、第１および第２の後方散乱光の双方はインコヒーレント光周波数領域反射測定法を使用して解析され、光ファイバの中の破断箇所までの距離が判定される。

ＩＯＦＤＲの方法、および後方散乱信号をどのように処理してファイバ破断の位置を判定するかを、図を参照して以下でより詳細に記述する。

ファイバ破断の位置に関する情報を得るために、実行するべき（ディジタル的にまたはそれと等価なアナログ回路によって、増幅器のところのマイクロプロセッサで、または中央局等の遠隔の場所で）操作は以下の通りである。
（１）出力する信号（第１のフォトダイオード８において測定した信号）に９０度位相シフトを施す。これは、考慮している周波数範囲において明確に測定可能な後方散乱最大電力を得るために必要である。
（２）点（１）の位相シフトした信号に第２のフォトダイオード１４の読み（後方散乱した光出力を表す）を乗算する。その結果を低域通過フィルタでフィルタリングし（例えば、帯域幅１００Ｈｚ）、乗算（復調）に由来するいずれの２倍周波数成分も除去する。
（３）点（１）および点（２）における操作は、異なる周波数の正弦波試験信号を使用して、適切な周波数範囲の中で適切な周波数ステップ（例えば１００Ｈｚ）間隔で繰り返して行う（例えば、３００Ｈｚから１００００Ｈｚまで増加させる、またはその逆である）。変調の深さと試験信号の電力とは、各異なる周波数に対して一定に保つ。
（４）点（３）における操作の結果を図３に示す（スパン長２５ｋｍに対して）。図３においては、ステップ（２）に従って処理した後の受信光出力の理論データ（プロット「１」）および測定データ（プロット「２」）の双方を、送信周波数に対してプロットしている。プロット「３」は、プロット「２」の測定データを適切な低域通過フィルタに通して測定データから雑音成分を除去し、最大値をより明確にしたデータを示す。

後方散乱した電力の振幅はスパン長によってどのくらいかの変化を示すが、それは検出するには非常に小さな値である。上記の点（１）および（２）における数値処理は、後方散乱した電力の位相変化をもまた（そして、これは特に）考慮に入れて行われる。残りのスパン長に関わるこれらの変化はどちらも、図３の測定可能な最大値を作り出すことに寄与している。

この最大光出力が現れるところの周波数（ｆ＿ｍａｘ）は、破断箇所までの距離と、ファイバの実効屈折率と、残りのスパンのファイバの減衰係数に依存する。ファイバの減衰係数および実効屈折率が知られている場合には（これらは通常、所与のファイバタイプに対して規定されている、またはこれらは従来の様式で実験的に求めることができるであろう）、ｆ＿ｍａｘが求められたとすれば、残りのファイバ長（すなわち破断箇所までの距離）を算出することが可能である。
（５）残りのスパン長を算出するために、試験信号の周波数、後方散乱光出力、およびスパン長の間に存在する関係を利用する。その関係は以下の式に支配され、それは図４に３次元で示されている。
［数３］

（式１）
ここでＧ（ｆ，Ｌ，ａ）は正規化した後方散乱光出力であり、Ｌはファイバ破断箇所までの距離、ａは減衰係数（ネーパ／ｋｍ）であり、またｋは正弦波のＩＯＦＤＲ信号の周波数に対応した波数ベクトル（ｗａｖｅ ｖｅｃｔｏｒ）である（ｋは公知のように周波数ｆに関係しており、ｋ＝２πｆ／ｖという関係である。ここでｖは試験信号の位相速度である）。

破断箇所までの距離を見いだすためには、振幅最大周波数ｆ＿ｍａｘに対応する距離を見いだす必要がある。これを行うために、以下の非線形関数のゼロ点を見いだす。
［数４］

（式２）
ここでｋｍａｘは図３の最大値の周波数ｆ＿ｍａｘに対応した波数ベクトルである。

この関数ｆ（Ｌ）は、Ｌおよびａを固定値としたときの、図４に示した３次元関数Ｇ（ｆ，Ｌ，ａ）の周波数軸に関する１次導関数に比例している。

方程式ｆ（Ｌ）＝０をＬに対して解くことにより破断箇所までの距離（または以下で議論するように、１組の可能な距離）が得られるであろう。

関数ｆ（Ｌ）のゼロ点（これは図３に示した事後処理した受信光出力の最大値に対応する）は、残りのスパン長が減少するにつれてより高い周波数に向かって移動するという点に注意すべきである。これは、増幅器によって判定することができる残りのスパン長Ｌには最小値が存在することを意味し、その増幅器によっては破断箇所を検出することができない、増幅器に近接した「デッドゾーン」が存在することを意味する。デッドゾーンの範囲は増幅器のダイナミックレンジ（これは一般的に、数１０ｋＨｚに限定される）およびファイバパラメータに依存する。例えば、振幅最大周波数を１０ｋＨｚとすれば、デッドゾーンは２、３キロメートルになる。破断がデッドゾーンの中で生じた場合には、その破断の位置は、そのスパンに接続された別の増幅器から（例えば、スパンの反対の終端における増幅器から）判定することができる可能性がある。

距離測定の精度はまた、測定中の光および電気の雑音によって限定される。しかしながら、２つの低域通過フィルタ（１つをステップ２の乗算器の後に使用し、別の１つで図３に示した１組の測定値をフィルタリングする）を使用すること、および複数の周波数を使用することにより、理にかなった程度によい精度でファイバ破断箇所までの距離の測定を行うことができる。

測定は増幅器の全出力電力に対して独立である（従って、必要に応じて、ＩＯＦＤＲ信号はトラフィック信号の電力よりも低くてもよい）。また正弦波信号の変調の深さからも独立である。１つの周波数掃引から別の周波数掃引を行った場合（すなわち、同一の試験の中ではなくて、１つの試験から別の試験に移った場合）には、正弦波信号または全光出力の振幅は変化し、その結果、図３に示した図は縦軸に沿って移動する。しかし、図の形、従って最大値を与える周波数は同じままであるので、上記の方法を使用して破断の位置を判定することはそれでも可能である。しかしながら、１回の周波数掃引の中（すなわち、上記の点（３）の操作の間）では、変調の深さおよび電力は一定に保持されなければならない。これは、図３に示したグラフの形に歪を与えることを回避するために、また特に、他の最大値がそのグラフの中に現れるかもしれない可能性を回避するために必要である。他の最大値がそのグラフの中に現れる場合には、破断の位置の判定を混同させる可能性があるであろう。

上記で説明した方法では、関数ｆ（Ｌ）はただ１つのゼロ点を有すると仮定している。しかし実際には、この仮定は常には当てはまらない。これまでは、所与のファイバに対して閾値距離「Ｘ」が存在し、閾値距離「Ｘ」はファイバの減衰係数に依存しているとしてきた。閾値Ｘより下では、関数ｆ（Ｌ）は１つのだけのゼロ点を有する。しかしながら、閾値Ｘより上では、関数ｆ（Ｌ）は２つ以上のゼロ点を有することができる。従って、ｆ（Ｌ）＝０を解くことにより、しばしば２つ以上の解が得られるであろう。Ｘより下では１つの解、およびＸより上では１つ以上の解が得られるであろう。

図５（ａ）は、各ｆ＿ｍａｘに対する方程式ｆ（Ｌ）＝０の全ての解（縦軸）を示す。これらの解は２つの組に分類することができる。有効解（実線５５で示してある）および有効でない解（またはスプリアス解、実線の外にある点であり円６０で示してある）。スプリアス解は検出されて除去されなければならない。なぜならば、それらはいずれの物理的な有効性も有していないからである。さらに、所与のｆ＿ｍａｘに対して、有効解の組（それぞれは破断箇所までの真の距離としての可能性がある解に対応している）は、常に一義ではなく、時にはそれは２つ以上の解を含む。これは、その下のサブプロット（ｂ）に示したように、いくつかの周波数ｆ＿ｍａｘに対しては、破断箇所までの有効距離として２つ以上の解が存在し得る可能性があるということを意味している。

閾値Ｘは図６に示されている。閾値Ｘはｆ（Ｌ）の有効なゼロ点の図が最小値を有する点（図６（ａ）の中の線７０で示されている）を取ることにより求められる。

無論のことながら、破断箇所までの距離は未知であり、従って、この方法を使用して破断箇所までの距離を確実に判定することができるのは、全スパン長がＸよりも短い場合だけである。このような場合では、全スパン長が図６に示した閾値Ｘよりも短く、単に最小値の解（Ｌ＿ｍｉｎ）を取ることでよい。これは、その解だけがＸよりも小さいであろうという理由からである。すなわち、その解だけが物理的に可能であろう。これは、いずれのスプリアス解（なぜならば、それらは長さがＬ＿ｍｉｎよりも長い）も自動的に除去し、そしてまた、有効解が２つ以上存在する場合の曖昧さを自動的に解消する（図６に示したように、全スパン長がＸよりも短い場合には、ｆ（Ｌ）は１つだけの有効解を有するという意味において）ものである。

スパンの全長が閾値Ｘよりも長い場合には、関数ｆ（Ｌ）＝０は２つ以上の有効解を有する可能性があるということを仮定しなければならない。その場合には、変形した方法を適用して、方程式ｆ（Ｌ）＝０の、可能性がある２つの有効解の間の判定を行うこと、および／またはスプリアス解を取り除くことにより、正しい残りのスパン長を一義的に判定することが必要である。これに関しては以下で記述する。

全スパン長が閾値Ｘよりも長い場合には、最小長さという規準は信頼性が高い解を与えるためには十分ではなく、スプリアス解を検出し有効解の間を判別するための何か他の規準が必要である。これに関しては以下で説明する。例えば図６を見ると、この限界は、減衰係数ａ＝０．２ｄＢ／ｋｍのファイバに対しては、閾値Ｘは約５０ｋｍであることを意味し、これは、その唯一の解を安全に算出するためには、最大全スパンは約５０ｋｍより短くなければならないということを意味する。

この限界を克服するために、変形した方法を、以下に示す３方法のうちの少なくとも１つ以上に従って実施することができる。
（ａ）一般的に、光リンクは双方向であり、すなわち、１本の単一ケーブルの中に設置された２本の関連したファイバ（各１本のファイバが１つの方向だけに対応する）によって構成される。従って、もしこのような１本のファイバの上でファイバ破断が生じたとすれば、ケーブル全体が破断して、従って両方のファイバが破断したという可能性が非常に高い。これは図７に示されている。

改善した方法は、可能性がある、破断箇所までの距離をスパンの両側において（すなわち、図７に示すように送信増幅器１および増幅器４によって測定した距離を）算出するステップと、そしてそれらの２つの組の測定距離を比較して破断箇所の実際の位置を判定するステップとを備える。この方法では、減衰係数が０．２ｄＢ／ｋｍのファイバに対して、全スパンとして１００ｋｍ以上（そしてそれより低い減衰係数のファイバに対しては、１４０〜１５０ｋｍまで）をカバーすることが可能であり、然してただ１つの解が得られるだけである。

閾値Ｘよりも長い全スパン長で本方法を実施するためには、方程式ｆ（Ｌ）＝０に関して、第１にスプリアス解を検出し、第２に有効解の間を判別することが必要である。次の２つのステップにおいて、これが行われるであろう。

スプリアス解を検出するためには、それらが生ずる原因を理解する必要がある。上記で述べたように、方程式ｆ（Ｌ）＝０を解くことにより、結果として、関数Ｇ（ｆ，Ｌ，ａ）（図４に示す）のスライスｆ＝一定＝ｆ＿ｍａｘの１次導関数がゼロである全ての点が求められる。そしてこれらの点は、全ての極大値と極小値、および絶対最大値と絶対最小値を含む。スプリアス解が生ずる原因の１つの例が図８に与えられている。図８では、破断箇所までの２つの距離（１１ｋｍおよび３５ｋｍ）に対して、上記で述べた５ステップの方法の中で記述した手順に従って求めた２つの理論図が示されている。８０と記された点線の場合（３５ｋｍ）では、最大ｆ＿ｍａｘの周波数は３７００Ｈｚである。方程式ｆ（Ｌ，ｆ＿ｍａｘ，ａ）＝０の解は、結果としてＬ＝３５ｋｍを与える。しかしまたＬ＝１１ｋｍも解である。なぜならば１１ｋｍの図（９０と記された実線で示す）は周波数３７００Ｈｚにおいて極大値を有するからである。従って、探している最大値は関数Ｇ（ｆ，Ｌ，ａ）のそれぞれのスライスｆ（Ｌ）＝一定の絶対最大値であることに注意をすることにより、このスプリアス解は検出して除去することができる。更に、この絶対最大値は、最小周波数において現れるという性質もまた有している。これは図８および図９の両方に示されている。

実際には、図１０のフローチャートに示すように、Ｌ＝Ｌ（ｘ）（ｘ＝１，２，３，．．．）が１組の全ての解を表すとすれば、スプリアス解は、同一の式ｆ（Ｌ，ｆ＿ｍａｘ，ａ）＝０を解くことにより容易に見いだすことができる。この場合には、Ｌは固定値であり（ａとともに）周波数ｆが未知数である。各Ｌ（ｘ）に対する解は、ｆ＿ｍａｘ（ｘ，ｙ）（ｙ＝１，２，３，．．．）で示される１つのまたは２つ以上の周波数であってもよいであろう。ｙ＝１として、周波数ｆ＿ｍａｘ（ｘ，１）が真の、測定した、ｆ＿ｍａｘに等しくない場合には、解Ｌ（ｘ）は破棄する。ｙ＞１で、１組のｆ＿ｍａｘ（ｘ，ｙ）の中にｆ＿ｍａｘより低い周波数が存在する場合には、Ｌ（ｘ）は破棄する（このことは、ｆ＿ｍａｘが関数Ｇ（ｆ，Ｌ，ａ）のスライスＬ（ｘ）＝一定に対する極小値または極大値であるということを意味するからである）。このように、スプリアス解は所在位置を判定してそれを破棄することができる。

例えば、残りのスパンが真に３５ｋｍである場合には、上記で議論したＩＯＦＤＲの方法を実行することにより、事後処理した受信光出力の最大値が送信周波数ｆ＝ｆ＿ｍａｘ＝３７００Ｈｚに対応すると判定されるであろう。しかしながら、方程式ｆ（Ｌ，ｆ＿ｍａｘ，ａ）＝０を解くと、解としては３５ｋｍばかりでなく１１ｋｍも見いだされる。従って、この場合は、可能な解の組は３５ｋｍおよび１１ｋｍである。これらの解の内のどちらが正しい解であるかを判定するために、方程式ｆ（３５ｋｍ，ｆ，ａ）＝０およびｆ（１１ｋｍ，ｆ，ａ）＝０を解く。この場合の未知数は周波数ｆである。第１の方程式に対しては、解としてｆ＝ｆ＿ｍａｘ＝３７００Ｈｚおよびｆ＝１０ｋＨｚが見いだされる。一方で、第２の方程式に対しては、３つの解ｆ＝１４００Ｈｚ、ｆ＝ｆ＿ｍａｘ＝３７００Ｈｚ、およびｆ＝７１００Ｈｚが見いだされる。第１の方程式（ｆ（３５ｋｍ，ｆ，ａ）＝０）に対しては、ｆ＝ｆ＿ｍａｘが最小周波数での解であるので、１１ｋｍはスプリアス解であるに違いないと分かって破棄することができる。

第２の問題は、ｆ（Ｌ）＝０が２つ以上の有効解を有する場合に真の解を判別することである。しかしながら、これを行う前に本方法が適用可能な範囲を議論することにする。

長さＬがある値を超えた場合には関数ｆ（Ｌ）は変化しないという点に注意することができる（例えば、図６において）。すなわち、この距離を超えた場合には、スパン状態に関する情報は何も得られないということである。例えば、ａ＝０．２ｄＢ／ｋｍのファイバに対しては、Ｌが約７０〜８０ｋｍより長ければｆ（Ｌ）は変化しない。さらに、図６を見ると、Ｌおよびｆ＿ｍａｘに対して適切な範囲を見いだすことが可能であり、この範囲では関数ｆ（Ｌ）は１つまたは２つまでの有効解を有する。この範囲は図１１に示されている。そして、この範囲はファイバから情報が戻ってこなくなる範囲よりもほんの僅かだけ低いところにあるので、図１１に示した閾値を各測定に対する有効な適用範囲として規定するのが便利である。従って、１つの解を得るべく本方法を使用することできるスパンの全長は、図６に示したファイバ破断箇所の最大距離を２倍するだけで求めることできる。また、１つの増幅器から測定可能な破断箇所までの最大距離は図１１に示されている。この選択は、重複ゾーンにおいて、有効解が２つ以上存在する場合に真の解を識別することを保証するものであるという点に注意を要する（以下で記述する）。

これらの範囲の内部には、２つまでの有効解しかあり得ない（図１０に示したステップに従ってスプリアスは検出されて除去されている）という点に注意を要する。３つの可能な場合がある。その３つの場合は以下の通りである。
１）適用範囲の内部にただ１つの有効解が存在する。
２）適用範囲の内部に２つの有効解が存在する。
３）１つまたは２つの有効解が適用範囲を超えたところに存在する。
明らかに、破断距離が有効範囲の外であれば、ＩＯＦＤＲ測定もまた、範囲から外れるであろう。従ってこの場合には、オプション３）は即座に除外することができる。この場合には、１つのまたは２つまでの有効距離があり得るだろう。従って、可能な２つの解の間を判別するために、スパンの全長に関して反対側に位置し、互いに補完し合う２つの増幅器からの測定を正しい測定と見なすことにする。この様式では、この手順によって破断距離として１つの値（どちらかの増幅器からの）が得られる。

例えば、図７を見ると、もし、ａ＝０．２ｄＢ／ｋｍ、スパンの全長が１００ｋｍ、そしてファイバ破断が増幅器１から７０ｋｍのところで生じているとすれば、増幅器１は、破断箇所までの２つの可能な有効距離として５０ｋｍおよび７０ｋｍと測定するであろう。ケーブルの他方の終端の増幅器（例えば、増幅器４）は、破断箇所までの有効距離として３０ｋｍおよび９０ｋｍと測定するであろう。双方の増幅器によって行われた測定を比較することにより、距離５０ｋｍおよび９０ｋｍは容易に除外することができる。なぜならば、これらは全スパン長１００ｋｍを補完し合わないからである。

この改善された手順によって、真のスパン長を判定することができる。しかしながら、この場合には、これら２つの増幅器と遠隔のエンティティとの間で何らかの通信を行う必要がある。これは例えば、これら増幅器のマイクロプロセッサの内の少なくとも１つによって測定を合成することができるように、互いに通信しあう必要がある。代替として、または追加として、各増幅器は、その測定結果（またはそのセンサ読みだけでも）を中央局に提供し、中央局が破断の位置を判定することもできるであろう。

上記の手順はそれ自体では破断の位置を判定するための十分な情報を提供しないという状況が存在する。それは、１つの増幅器によって判定された２つの解の和がスパン長に等しいという場合である（もう一方の増幅器も同一の２つの解を得ると考えられるから、それらの間の判別を行うは不可能である）。すなわち、Ｚ＝（Ａ＋Ｂ）に等しい全長のスパンに対して、破断が確かに２つの点ＡまたはＢの内の１つで生じているとしても、双方の増幅器によって判定された２つの解は、正確に同一のもの（ＡおよびＢ）である。したがって、この場合には、以前の改善された方法は失敗する。明らかに、この全スパン長Ｚは、図６で示した既に述べた閾値Ｘよりも長い（閾値Ｘよりも短ければ、ｆ（Ｌ）は物理的に可能なただ１つの有効解を有するであろう）。

例えば、図１２および図７を見ると、６０ｋｍおよび４０ｋｍは１００ｋｍ長のスパンに対して判別不可能な点である。もし、ファイバ破断が増幅器１から４０ｋｍのとこで生じていて、全スパン長が１００ｋｍであるとすれば、増幅器１は、方程式ｆ（Ｌ）＝０の有効解として、４０ｋｍおよび６０ｋｍと測定するであろう。そして、増幅器４もまた、同一の２つの解を測定するであろう（破断箇所は増幅器４から６０ｋｍのところにあるので）。

破断が正確にこれら判別不可能な点の内の１つで生ずるであろうという確率は非常に小さい。しかしながら、必要な場合には、後方散乱信号の振幅を解析することにより、この限界を克服し、破断箇所の正しい距離を見いだすことも可能である。これは、もし図７の増幅器１および４が正確に同じ光出力を送信し、２つの残りのスパンＡおよびＢに対してレーリー後方散乱係数が同じであるとすれば、図３の最大値のところでの後方散乱光出力は、より短い残りのスパンに対してより高くなる。これにより、システムはどちらの増幅器が破断箇所により近いかを判定することができる（一方の増幅器はより多くの散乱電力を受信するので）。従って、２つの解の間の判別をすることができる。しかしながら、この変形は、より複雑な測定システムとなり、より高いコストを伴う。

（ｂ）２つの有効解の間を判別する代替の方法は、単一の光ファイバ（例えば、図７の増幅器１および２の間のファイバ）の上で測定を行うことにより達成することができる。従って、この方法は、一方向性ファイバにおいても実施することができる。

多くの増幅器は、増幅された自然放出（ＡＳＥ：ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の形でどのくらいかの光出力を、入力コネクタ（図２の中の番号２１）から出力するであろう。その光出力の一部は増幅器に先行して存在するいずれか破断から後方散乱されるであろうから、第３のフォトダイオード１８（図２参照）を使用して増幅器においてそれを検出することができる。ＡＳＥもまた、わずかな変調成分としてＩＯＦＤＲ試験信号含むであろうという点に注意することにより、増幅器の入力コネクタから出てくるその残りの電力を利用することが可能である。なぜならば、ＡＳＥは増幅器の内部で生成され、増幅器は、ＩＯＦＤＲ試験信号で変調されたレーザによってポンピングされているからである。

従って、上記で議論した手順と正確に同一の手順を適用し、破断の位置を判定することができる。しかしこの場合は、増幅器４の第２のフォトダイオード１４を使用して測定を行うのではなくて、増幅器２の第３のフォトダイオード１８使用して測定を行う。上記で示した手順に対して更なる変更は必要ではない。

測定は、障害を起こしているスパンの２つの終端から、すなわち送信増幅器１の出力コネクタからと、受信機増幅器２の入力コネクタからと同時に行う。この場合には、ファイバの破断箇所に関して何も仮定しない。これは、この場合には、本方法は、点（ａ）で議論した方法のようにケーブルの中の両方のファイバが破断していることが要求される場合ではなく、ケーブルの中のファイバの内の１つのファイバだけにある破断の場合に有効であるという意味である。

以下のことが注記されるであろう。すなわち、スパンが閾値Ｘよりも短い場合には、上記で議論したように、ファイバ破断箇所までの距離は入力コネクタから放出されるＡＳＥを利用して判定することができるであろうということと、従って、ファイバ破断箇所までの距離は、増幅器の内部に存在する増幅器マイクロプロセッサ自身によって判定することができるであろうということと、増幅器マイクロプロセッサを使用する場合には、増幅器は中央局等の通信システムの中の別のエンティティと通信を行う必要はないということである。１つの増幅器には第２および第３のフォトダイオードの両方を設備することができて、それにより増幅器は、それ自身のアップストリームおよびダウンストリームの両方のファイバ破断箇所を検出することも可能であろう。または、第２または第３のフォトダイオードの内の１つだけを設備することも可能であろう。

（ｃ）本方法の別の変形は、増幅器の構成を変更して、どのくらいかの個別の光出力電力（ＡＳＥとは対照的に）が入力コネクタから放出されるようにすることも可能であろう。再び、上記の点（ａ）に対して考慮した全ての事柄は、この点（ｃ）に対しても有効である。この場合は、送信増幅器４を受信機増幅器２（図７参照）に置き換えて考える。点（ｂ）における場合と同様に、ファイバの破断箇所に関しは何も仮定を設けない。これは、この場合には、ケーブルのファイバの内の１つのファイバだけの破断の場合に本方法が有効であるという意味である。

上記で記述した方法は、光ネットワークにおけるファイバ破断箇所の検出および測定に対して経費的に有利でかつ非常に低い荷重の解決策を提供する。本方法は、サービス提供中システムおよびサービス停止中システムの両方に対して使用することができる。基本的な実施形態の場合（問題とするスパンが閾値Ｘよりも短い場合）には、単一の増幅器でファイバ破断箇所までの距離を求めることができる。変形（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の中で議論した、スパンが閾値Ｘよりも長い場合には、問題にしているスパンの互いに反対の終端に位置する２つの増幅器からの測定が必要である。

上記で記述したいずれの本方法においても、ファイバ破断箇所までの距離は、ネットワークノード自身のところで判定する必要はなく、中央局またはネットワーク管理装置（マネージャ）等の別のシステムエンティティによって判定することができるということが理解されるであろう。

上記で記述したように、本発明では、ＩＯＦＤＲ試験信号（すなわち、正弦波状の振幅変調）を１つのチャネル（すなわち、１つの波長または１組の複数の波長）の上でファイバに沿って送信する必要がある。このチャネルもまたトラフィック信号（例えば、ＷＤＭトラフィック信号またはＴＤＭトラフィック信号）で変調されている。しかしながら、当業者は、本発明を実行する上ではトラフィック信号は必要ではないと理解するであろう。すなわち、例えば、ＩＯＦＤＲ信号で搬送波信号を変調することでもよいであろう。または、情報を伝達しない「保持（ｈｏｌｄｉｎｇ）」信号であってもよく、その信号を送信している増幅器が動作していることを確認できるだけでよい。いくつかの場合には、ＩＯＦＤＲ信号は、トラフィック信号とは異なる波長の上でトラフィック信号に加えてファイバに沿って送信することもできるであろう。しかしながら、これは、上記で議論した従来の技術と同様に、試験信号を搬送するために個別のチャネルを使用する必要があり、検出システムの費用が増加するので不利である。

上記で議論したように、ＩＯＦＤＲ試験信号は、全く信号を受信しない増幅器のポンピングレーザの出力を変調することもできるであろう。その場合にはＩＯＦＤＲ試験信号は、増幅器のＡＳＥ（増幅された自然放出）の変調として存在するであろう。ＡＳＥは、多くの増幅器では、信号を増幅していない場合にも、その増幅器がポンピングされている限り増幅器の内部で生成される。ＡＳＥは増幅器の出力コネクタから（上記で議論した（ｂ）の場合には、入力コネクタからも）放出されるであろうと理解されるであろう。従ってこのような変調されたＡＳＥを使用して、また第２のフォトダイオード１４のところで記録された後方散乱光出力を初期に議論した場合と同じ様式で使用することにより、増幅器のダウンストリームにおける破断箇所までの距離を判定することも可能であろう。これは、トラフィック信号がない場合も可能であろう。これは、異なるスパンの上に複数のファイバ破断があって、増幅器に対してトラフィックを送信することができない場合に役立つ可能性がある。

増幅器１は、リピータノードの中ではなくて、アッド／ドロップノード２０ａ、２０ｃ等のような送信機ノードの中に含めることも可能であると理解されるであろう。その場合には、増幅器は、既知の波長の光を放射するレーザ等の光源の形をとることができ、このレーザをトラフィック信号で変調することができる。以前述べたように、このような光源のポンピングレーザを小さな振幅の正弦波試験信号で変調することにより、僅かな振幅変調を有する、本質的には連続波である出力信号を生成することができる。トラフィック信号は次に、変調器（図示せず）により、従来の方法でその出力信号を変調することができる。あるいは、ポンピングレーザは、トラフィック信号および試験信号の両方で、直接に変調することもできるであろう。どちらの場合にも、ノードからの信号出力は、トラフィック信号および正弦波のＩＯＦＤＲ試験信号で変調された搬送波を備えるであろう。

本発明は主としてＷＤＭネットワーク（または一般的にＥＤＦＡ（エルビウムドープファイバ増幅器）をリピータ増幅器として使用する他の光ネットワーク）に関連して記述されたが、本発明はまた、他のタイプの光ネットワークの中で使用することもできると理解されるであろう。例えば、本発明は、半導体増幅器等の別のタイプ増幅器を使用することにより、受動光ネットワーク（ＰＯＮ：ｐａｓｓｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ）またはメトロ光ネットワークの中で使用することもできるであろう。実に、本発明は、トラフィックを搬送する光信号を送信するためにレーザを使用する任意の光ネットワークの中で使用することも可能であろうと考えられる。

Claims (30)

1. 光ファイバを監視する方法であって、
   トラフィック信号で光信号を変調するステップと、
   インコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）の試験信号で前記光信号を変調するステップと、
   前記トラフィック信号と前記試験信号とで２重に変調された前記光信号を光ファイバの第１の終端から前記光ファイバで送信するステップと、
   前記光ファイバの前記第１の終端から出力される後方散乱光を検出するステップと、
   前記検出した後方散乱光を、インコヒーレント光周波数領域反射測定法を使用して解析し、前記光ファイバの中の破断箇所までの距離を判定するステップと
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記光信号は、所定の波長または所定の波長帯域の光信号であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記トラフィック信号は、前記試験信号が前記光信号を変調する前に、前記光信号を変調することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 増幅器の利得媒体をポンピングするために使用するレーザの出力を変調することにより、前記増幅器において前記試験信号が前記光信号を変調することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記レーザの前記出力は、既知の周波数と振幅の正弦波信号で変調されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記光信号を変調するステップ、前記２重に変調された光信号を送信するステップ、および、前記後方散乱光を検出するステップは、複数回にわたり繰り返し実行されるステップであり、
   前記試験信号の周波数は、前記複数回のうちで少なくとも１回は変更されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記試験信号の周波数は、前記複数回において毎回変更され、
   前記周波数は、初回から最終回まで段階的に増加されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記後方散乱光を解析するステップは、
   前記検出した後方散乱光を前記２重に変調された光信号と比較するステップを含むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記比較のステップは、
   前記検出した後方散乱光と、前記２重に変調された光信号の位相をシフトして生成された光信号とを合成して合成信号を生成するステップと、
   前記合成信号をローパスフィルタによりフィルタリングするステップと
   を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記後方散乱光を解析するステップは、
    前記合成信号における振幅の最大値に対応した送信周波数（ｆ＿ｍａｘ）を判別するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記後方散乱光を解析するステップは、
    前記送信周波数（ｆ＿ｍａｘ）に関連付けられたファイバ長または複数のファイバ長のセットを判別するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 複数のファイバ長のセットは前記送信周波数（ｆ＿ｍａｘ）に対応しており、
    前記後方散乱光を解析するステップは、
    前記複数のファイバ長のセットから、前記光ファイバの破断箇所までの実際の距離を判別するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記ファイバ長または複数のファイバ長のセットは、次の式
    ［数１］
    

    

    を計算することにより判別されることを特徴とする請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記式ｆ（Ｌ）の複数の解のうち、次の式
    ［数２］
    

    

    の絶対最大値に関連していない解は除外されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. インコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）の第２の試験信号で第２の光信号を変調するステップと、
    前記変調された第２の光信号を前記光ファイバまたは前記光ファイバに関連した他の光ファイバの第２の終端から該光ファイバで送信するステップと、
    前記第２の終端から出力される第２の後方散乱光を検出するステップと、
    前記検出した第２の後方散乱光と、前記検出した第１の後方散乱光とを、インコヒーレント光周波数領域反射測定法を使用して解析し、前記光ファイバの中の前記破断箇所までの距離を判定するステップと
    をさらに有することを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記後方散乱光を解析するステップは、
    前記第１の後方散乱光から判別された前記破断箇所までの距離の候補のセットと、前記第２の後方散乱光から判別された前記破断箇所までの距離の候補のセットとを比較して、前記破断箇所までの実際の距離を判別するステップを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記後方散乱光の光信号をフィルタリングして、該後方散乱光の光信号に含まれている雑音成分を低減することを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 光通信ネットワークにおいて用いられ、第１の光ファイバの出力部から受信されたトラフィック信号により変調された光信号を増幅し、前記増幅した光信号を第２の光ファイバの第１の終端から再送信する増幅器であって、
    インコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）の試験信号で前記光信号をさらに変調する変調器と、
    前記第１の光ファイバの前記出力部と、前記第２の光ファイバの前記第１の終端とのうち少なくとも一方から受信された後方散乱光を検出する第１の検出器と
    を備えたことを特徴とする増幅器。
19. 前記光信号は、所定の波長または所定の波長帯域の光信号であることを特徴とする請求項１８に記載の増幅器。
20. 前記変調器は、前記増幅器のポンピングレーザを備えていることを特徴とする請求項１８または１９に記載の増幅器。
21. 前記試験信号は、既知の周波数と振幅の正弦波信号であることを特徴とする請求項１８ないし２０のいずれか１項に記載の増幅器。
22. 前記トラフィック信号と前記試験信号との両方により変調された光信号であって、前記増幅器による送信対象の光信号を検出する第２の検出器をさらに備えることを特徴とする請求項１８ないし２１のいずれか１項に記載の増幅器。
23. 前記第１の検出器は、前記第２の光ファイバの前記第１の終端からの後方散乱光を検出する検出器であり、
    前記増幅器は、
    前記第１の光ファイバの前記出力部から受信した後方散乱光を検出する第３の検出器をさらに備えることを特徴とする請求項１８ないし２２のいずれか１項に記載の増幅器。
24. 前記検出器または複数の前記検出器からの出力信号は、インコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）による解析器に供給され、前記解析器は、インコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）を使用して、前記出力信号を解析して、前記光ファイバにおける破断箇所までの距離を判別することを特徴とする請求項１８ないし２３のいずれか１項に記載の増幅器。
25. 前記解析器は、前記第１の検出器によって検出された信号と、前記第２の検出器によって検出された信号の位相をシフトして生成された信号とを合成して合成信号を生成し、前記合成信号をローパスフィルタによりフィルタリングすることを特徴とする請求項２２に従属した請求項２４に記載の増幅器。
26. 前記ポンピングレーザの動作を制御するマイクロプロセッサをさらに備え、
    前記プロセッサは、請求項２４または２５に記載された前記解析器を備えることを特徴とする請求項２０または請求項２０に従属した請求項２１ないし２５のいずれか１項に記載の増幅器。
27. 光通信ネットワークにおいて用いられる送信機であって、
    光ファイバの第１の終端から送信される光信号を生成する光源と、
    インコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）の試験信号で前記光信号を変調する第１の変調器と、
    前記光信号をさらにトラフィック信号により変調する第２の変調器と、
    前記光信号の前記第１の終端から受信した後方散乱光を検出する検出器と
    を備えることを特徴とする送信機。
28. 光通信ネットワークにおいて用いられる増幅器であって、
    前記増幅器の利得媒体をポンピングするために使用されるポンピングレーザと、
    前記増幅器の動作を制御するマイクロプロセッサと、
    増幅対象の光信号を受信する入力コネクタと
    を備え、
    前記マイクロプロセッサは、前記ポンピングレーザからの出力信号に対してインコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）の試験信号を変調し、
    前記増幅器は、
    前記入力コネクタにおいて受信した後方散乱光を検出する検出器をさらに備え、
    前記後方散乱光は前記試験信号により変調された光信号であることを特徴とする増幅器。
29. 請求項１８ないし２６のいずれか１項または請求項２８に記載された増幅器を備えたことを特徴とする光通信ネットワーク。
30. 光ファイバの第１の終端に設けられた、請求項１８ないし２６のいずれか１項もしくは請求項２８に記載された第１の増幅器、または、請求項２７に記載された送信機と、
    前記光ファイバまたは該光ファイバに関連した他の光ファイバの第２の終端に設けられた、請求項１８ないし２６のいずれか１項もしくは請求項２８に記載された第２の増幅器、または、請求項２７に記載された送信機と、
    前記第１の増幅器および前記第２の増幅器に備えられた検出器からデータを受信し、インコヒーレント光周波数領域反射測定法（ＩＯＦＤＲ）を使用して前記データを解析することによって前記光ファイバにおける破断箇所までの距離を判別するネットワーク管理装置と
    を備えることを特徴とする請求項２９に記載の光通信ネットワーク。

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