JP2013190348A

JP2013190348A - 光線路監視装置

Info

Publication number: JP2013190348A
Application number: JP2012057225A
Authority: JP
Inventors: Jun Endo; 潤遠藤; Toshio Ito; 敏夫伊藤; Kota Asaka; 航太浅香; Mikio Yoneyama; 幹夫米山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2032-03-14
Also published as: JP5694979B2

Abstract

【課題】光線路内に存在する反射点の位置を高精度に測定することができる光線路監視装置を提供する。
【解決手段】単一波長で発振する半導体レーザ５と、半導体レーザ５の出力光が被測定光線路内の反射位置からの反射戻り光との位相を調整する位相調整器６と、半導体レーザの出力光を被測定光線路１６と監視用光線路１２に分岐する光分波器７と、監視用光線路１２の伝搬光の周波数スペクトルを観測する周波数スペクトル観測器９とから構成され、半導体レーザ５の出力光と反射戻り光が互いに共振し、複数の周波数においてモードが生じ、周波数スペクトルの前記モード間隔から被測定光線路内の反射位置を特定する機能を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバによって構成される光線路内に存在する反射点を監視し、反射点の位置を提供するための装置に関する。

これまで、光線路内に発生する損失や破断点を検出するために、ＯＴＤＲ（ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）が使用されてきた（特許文献１）。特許文献１に開示されている方式は、光パルスを光線路内に出力し、破断点や接続点で発生する反射戻り光強度と光パルスの伝搬時間を計測し反射位置を観測する方式である。従来の汎用的なパルス式ＯＴＤＲの概略を図１に示す。パルス式ＯＴＤＲ１から出力光パルス２を被測定光線路３内に出力する。出力された出力光パルス２は被測定光線路３内を伝搬し、反射端（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｐｏｉｎｔ）４において反射された後、後方へ伝搬し、ＯＴＤＲ１に戻り光として入射する。ＯＴＤＲ１と反射端４との間の距離Ｌ₀は、パルス型ＯＴＤＲ１から出力光パルス２が出力されＯＴＤＲ１に戻り光として入射するまでの時間と、被測定光線路３の実効屈折率とから計算される。

この様な光パルス方式においては、空間分解能はパルス幅や後方散乱光の影響度に依存する。

特開０７−１７４６６６号公報

図１に示すような、従来のパルス式ＯＴＤＲでは、出力光パルスのパルス幅は１０^-9ｓｅｃ程度であり、空間分解能は数十ｃｍ程度に留まり、これ以下のレンジを正確に測定することは不可能である。また、後方散乱の影響範囲内に反射点が存在する等、一般的な系では、観測される反射戻り光強度の時間波形は、大小様々な曲率を含んでいるため、高精度に反射位置を特定することが難しい。

上記目的を達成するために、本発明は、単一波長で発振する半導体レーザと、半導体レーザと光線路を介して接続された位相調整器であって、半導体レーザの出力光と、被測定光線路内の反射位置において半導体レーザの出力光が反射した反射戻り光との位相を調整する位相調整機能を有する、位相調整器と、位相調整器と光線路を介して接続され、さらに被測定光線路と監視用光線路に接続され、半導体レーザの出力光を被測定光線路と監視用光線路に分岐する光分波器と、光分波器と監視用光線路を介して接続され、監視用光線路の伝搬光の周波数スペクトルを観測する周波数スペクトル観測器とから構成される光線路監視装置であって、半導体レーザの出力光と、反射戻り光とは、複数の特定の位相を有する場合互いに共振し、周波数スペクトルの複数の周波数においてモードが生じ、周波数スペクトルの前記モード間隔から被測定光線路内の反射位置を特定する機能を有する。

以上説明したように、本発明の光線路監視装置は、光線路内に存在する反射点の位置を、パルス式ＯＴＤＲよりも高精度に測定することができる。

従来の光線路監視装置であるパルス型ＯＴＤＲの概略図である。本発明の実施例１にかかる光路線監視装置の構成図である。本発明の実施例１にかかる、観測される半導体レーザの周波数スペクトルを示すグラフである。本発明の実施例１にかかる、モード間隔と反射端間距離の関係を示すグラフである。本発明の実施例２にかかる光路線監視装置の構成図である。

[実施例１]
図２に、本発明の実施例１にかかる光線路監視装置を示す。本発明の光線路監視装置は、半導体レーザ５、位相調整器６、光分波器７、受光器８、スペクトルアナライザ９から構成される。本実施例では、半導体レーザ５として分布帰還型半導体レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）を、位相調整器６として偏波コントローラ（ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ、ＰＣ）を、光分波器７として光カップラを、受光器８としてＰＩＮ−フォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）を、スペクトルアナライザ９として電気スペクトラムアナライザ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＳｐｅｃｔｒｕｍＡｎａｌｙｚｅｒ、ＥＳＡ）を用いた。これらのうち光部品間は、シングルモードファイバ１０、１１、１２、１３で接続し、ＰＩＮ−フォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）８と電気スペクトラムアナライザ（ＥＳＡ）９との間は、同軸ケーブル１４で接続する。光カップラ７は１：１の入出力分岐比を有し、ポート１はＤＦＢ−ＬＤ５側、ポート２は無反射終端（Ｔｅｒｍｉｎａｔｏｒ、ＴＭ）１５、ポート３はＰＩＮ−ＰＤ８側、ポート４は被測定光線路１６に各々接続されている。光カップラ７のポート３とＰＩＮ−ＰＤ８の間の光線路内には、ＤＦＢ−ＬＤ５側へのＰＩＮ−ＰＤ８およびＥＳＡ９からの戻り光を遮断するため、光アイソレータを挿入することが望ましい。偏波コントローラ６は、回転式の１／２波長板と１／４波長板から構成され、透過光の偏波状態を調整することができる。光カップラ７においては、ＤＦＢ−ＬＤ５及び被測定光線路１６方向の光アイソレーションに配慮する必要がある。光カップラ７のポート２は、パワーモニタ等、任意の光測定器に置換しても良い。

以下に、被測定光線路１６内の反射端４の位置を測定する原理を説明する。ＤＦＢ−ＬＤ５の出力端をＰ１、被測定光線路内に存在する反射端をＰ２とする。ＤＦＢ−ＬＤ５から出力する単一波長の発振光は、偏波コントローラ６、光カップラ７、被測定光線路１６内を伝搬し、Ｐ２において反射した後、後方へ伝搬し、ＤＦＢ−ＬＤ５に戻り光として入射する。Ｐ１−Ｐ２間には、互いに進行方向が異なる2つの光波が存在し、これらはＰ１およびＰ２における反射を繰り返し、いくつかの特定の位相を持つ光波が安定に存在する（共振する）ことが許される。この共振状態をモードと呼ぶ。この状態のとき、ＤＦＢ−ＬＤ５の出力光は、モード間隔Δｆの周波数で振動しており、ＥＳＡで観測すると、図３の様な周波数スペクトルが得られる。共振周波数の間隔Δｆ（スペクトルのモード間隔）は、ＤＦＢ−ＬＤ５の出力端Ｐ１と反射端Ｐ２との間の距離をＬとすると、Ｌと一定の関係がある。ここで、ΔλとＬの関係式は一般的に式１で表わされる。ただし、Δλはモード間隔、λは発振波長、Ｌは反射端間距離、ｎ_effは実効屈折率（被測定光線路の実効屈折率）であり、
Δλ＝λ²／（２・ｎ_eff・Ｌ）（式１）
である。λ、およびｎ_effは既知であり、ｎ_effは、大部分がファイバ線路として、１．４５とする。スペクトルのモード間隔Δfは、式1のΔλに対応し、スペクトルのモード間隔Δｆから、反射端間距離Ｌを算出することができる。図４に、スペクトルから計測されるモード間隔Δｆと算出された反射端間距離Ｌの関係の例を示す。このときのｎ_effの値は１．４５とする。図４のグラフの実線は、式１に基づく理論値であり、プロットは、計測値を示す。測定可能な反射端間距離Ｌのレンジと精度は、ＥＳＡの受信帯域に比例して拡大することが可能である。本実施例では、ＥＳＡの受信帯域は、３０Ｈｚから２６．５ＧＨｚであり、１０^-5ｍから１０⁵ｍのオーダーで反射端間距離を測定することが可能である。

また、偏波コントローラ６によって、偏波コントローラを透過する光波の偏波状態を制御することができる。光線路内を伝搬する光波の偏波が結合すると、共振ピークが、ＥＳＡ９で観測される。ここで、これらのピークレベルを検出し、検出値を、位相と偏波面を制御する偏波コントローラにフィードバックし、ＤＦＢ−ＬＤ５の出力光の発振周波数に相当するピークを除いた任意のピークレベルが最大となるように偏波の位相状態を制御することで、常に共振モードを維持することが可能である。この偏波の位相状態を制御する機能を、図２に偏波調整機能として示す。

[実施例２]
図５に、本発明の実施例２にかかる光線路監視装置を示す。本実施例では、実施例１の光線路監視装置の光線路１６内にファイバ増幅器１７を挿入する。

反射減衰量が大きい場合（例えば１４ｄＢ以上）、上記共振ピークが小さくなり、計測感度が低下する。その場合、ファイバ増幅器の利得を調整し、反射減衰量を所定の値（例えば９ｄＢ）以下にすることで、共振ピークレベルを高め、計測感度を向上させる。尚、光カップラのポート２に光パワーモニタ１８を設置して反射戻り光強度を検出し、その検出値をファイバ増幅器にフィードバックすることにより、利得の制御が可能である。この機能を、図５に光強度調整機能として示す。

１パルス型ＯＴＤＲ
２出力光パルス
３被測定光線路
４反射端（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｐｏｉｎｔ）
５分布帰還型半導体レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）
６偏波コントローラ
７光カップラ
８ＰＩＮ−フォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）
９電気スペクトラムアナライザ（ＥＳＡ）
１０、１１、１２、１３シングルモードファイバ
１４同軸ケーブル
１５無反射終端（ＴＭ）
１６被測定光線路
１７ファイバ増幅器
１８光パワーモニタ

Claims

単一波長で発振する半導体レーザと、
前記半導体レーザと光線路を介して接続された位相調整器であって、前記半導体レーザの出力光と、被測定光線路内の反射位置において前記半導体レーザの出力光が反射した反射戻り光との位相を調整する位相調整機能を有する、位相調整器と、
前記位相調整器と光線路を介して接続され、さらに前記被測定光線路と監視用光線路に接続され、前記半導体レーザの出力光を前記被測定光線路と前記監視用光線路に分岐する光分波器と、
前記光分波器と前記監視用光線路を介して接続され、前記監視用光線路の伝搬光の周波数スペクトルを観測する周波数スペクトル観測器と
から構成され、前記半導体レーザの出力光と、前記反射戻り光とは、複数の特定の位相を有する場合互いに共振し、前記周波数スペクトルの複数の周波数においてモードが生じ、前記周波数スペクトルの前記モード間隔から被測定光線路内の反射位置を特定する機能を有することを特徴とする光線路監視装置。
前記周波数スペクトル観測器は、前記監視用光線路の伝搬光を光電気変換する受光器と、前記モード間隔を測定可能な周波数分解能を有するスペクトルアナライザとから構成されることを特徴とする請求項１に記載の光線路監視装置。
前記位相調整器は、光線路内を伝搬する光の偏波状態を変化させる偏波制御器から構成されることを特徴とする請求項１に記載の光線路監視装置。
前記被測定光線路内に存在する前記反射戻り光の強度を増幅する光増幅器を備えることを特徴とする請求項１に記載の光線路監視装置。
前記位相調整機能は、前記周波数スペクトル観測器で観測される前記周波数スペクトルにおいて、前記半導体レーザの発振周波数に相当するピークを除いた任意のピークのレベルが最大となるように、前記位相調整器を透過する光波の位相を制御する機能であることを特徴とする請求項１に記載の光線路監視装置。
前記光増幅器は、前記被測定光線路内に存在する前記反射戻り光の光強度が所定の強度以上となるように、前記光増幅器の増幅率を制御する機能を備えることを特徴とする請求項４に記載の光線路監視装置。