JP2017191046A - 光パルス試験装置および光パルス試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２モード動作する波長で被試験光ファイバに入射した光パルスの戻り光のＬＰ１１モードに対する受信感度を改善できる光パルス試験装置および光パルス試験方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る光パルス試験装置は、戻り光のＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモードを個別に受光及び解析し、各モード成分に対する強度分布を取得する。本光パルス試験装置は、さらに戻り光のＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂモードを個別に受光した信号を加算し解析することで、ＬＰ１１モード成分の受信感度を向上させることができる。【選択図】図１

Description

本開示は、光ファイバの特性を検出するための光パルス試験装置および光パルス試験方法に関する。

光通信サービスの普及から十年以上が経過し、光設備の経年劣化による故障発生が懸念されている。その中で光線路においては、光ファイバの曲げや接続部が故障の発生しやすい箇所となっている。故障を未然に防ぐために、定期的な試験を行うなどにより、光ファイバに生じる異常箇所を早期に発見することが重要である。

光ファイバの試験方法としては、光パルス試験装置（Ｏｐｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ、以後ＯＴＤＲ）が著名である。ＯＴＤＲは、パルス化された試験光を被試験光ファイバ（Ｆｉｂｅｒ Ｕｎｄｅｒ Ｔｅｓｔ、以後ＦＵＴ）に入射し、光ファイバ内を伝搬する試験光パルスに由来するレイリー散乱光の後方散乱光やフレネル反射光の強度とラウンドトリップ時間に基づき分布データ（ＯＴＤＲ波形）を取得する方法および装置である。この技術は、光ファイバの破断や損失増加などの異常箇所を検出し、その位置を特定するために用いることができる。

非特許文献１では、曲げによる光ファイバの異常を汎用的なＯＴＤＲよりも高感度に検知可能な技術として、汎用的なシングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ、以後ＳＭＦ）が２モード動作する波長の試験光とモード合分波器を用いて、後方散乱光の第一高次モード（ＬＰ１１モード）を測定する技術（１μｍ帯モード検出ＯＴＤＲ）が開示されている。さらに、非特許文献２では、１μｍ帯モード検出ＯＴＤＲで測定される後方散乱光の基本モード（ＬＰ０１モード）およびＬＰ１１モードに生じる損失の比率を評価することで、光ファイバに生じる損失要因を識別する手法が開示されている。

Ａ． Ｎａｋａｍｕｒａ， Ｋ． Ｏｋａｍｏｔｏ， Ｙ． Ｋｏｓｈｉｋｉｙａ， Ｔ． Ｍａｎａｂｅ， Ｍ． Ｏｇｕｍａ， Ｔ． Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ ａｎｄ Ｍ． Ｉｔｏｈ， "Ｈｉｇｈ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｂｅｎｄｓ： １−μｍ−ｂａｎｄ ｍｏｄｅ−ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ＯＴＤＲ"， Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ． ３３， ｎｏ． ２３， ｐｐ． ４８６２−４８６９， ２０１５． Ａ．Ｎａｋａｍｕｒａ， Ｋ． Ｏｋａｍｏｔｏ， Ｙ． Ｋｏｓｈｉｋｉｙａ， Ｔ． Ｍａｎａｂｅ， Ｍ． Ｏｇｕｍａ， Ｔ． Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ， ａｎｄ Ｍ． Ｉｔｈｏ， "Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｓｓ ｆａｃｔｏｒｓ ｂｙ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｍｏｄａｌ ｌｏｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈ １−μｍ−ｂａｎｄ ｍｏｄｅ−ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ＯＴＤＲ"， ｉｎ Ｐｒｏｃ．Ｏｐｔ． Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎ．， Ｌｏｓ Ａｎｇｅｌｅｓ， ＣＡ， Ｍａｒ． ２０１５， ｐａｐｅｒ Ｗ４Ｉ．１． Ｎｏｂｕｔｏｍｏ Ｈａｎｚａｗａ， Ｋｕｎｉｍａｓａ Ｓａｉｔｏｈ， Ｔａｉｊｉ Ｓａｋａｍｏｔｏ， Ｋｙｏｕｚｏ Ｔｓｕｊｉｋａｗａ， Ｔａｋｕｉ Ｕｅｍａｔｓｕ， Ｍａｓａｎｏｒｉ Ｋｏｓｈｉｂａ ａｎｄ Ｆｕｍｉｈｉｋｏ Ｙａｍａｍｏｔｏ， "Ｔｈｅｒｅ−ｍｏｄｅ ＰＬＣ−ｔｙｐｅ ｍｕｌｔｉ／ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｆｏｒ ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"， ＥＣＯＣ２０１３， Ｔｕ．１．Ｂ．３， ２０１３．

ところで、光ファイバにおけるＬＰ１１モードは直交する２つの空間モードが存在し、その強度と位相の分布によってＬＰ１１ａモードおよびＬＰ１１ｂモードの２種類に分類される。ここで、非特許文献１および２の手法においては、後方散乱光のＬＰ０１モードとＬＰ１１モード成分をモード合分波器で分離しているが、モード合分波器の性質上、一般的に直交する２つのＬＰ１１モードは同時にＬＰ１１ａモードおよびＬＰ１１ｂモードに分離される。すなわち、ＬＰ１１ａモードおよびＬＰ１１ｂモードを個別の光受信器で受光または一方のみを光受信器で受光するため、ＬＰ１１モードを一括で受光する場合に比べて受信感度が劣化するという課題があった。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、２モード動作する波長で被試験光ファイバに入射した光パルスの戻り光のＬＰ１１モードに対する受信感度を改善できる光パルス試験装置および光パルス試験方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の光パルス試験方法は、戻り光の全てのモード成分について強度分布を取得することとした。

具体的には、本開示の光パルス試験方法は、
被試験光ファイバを基本モードと第１高次モードで伝搬可能な波長の試験光パルスを生成する生成手順と、
前記生成手順で生成した前記試験光パルスを任意のモードで前記被試験光ファイバに入射する入射手順と、
前記入射手順で前記被試験光ファイバに入射した前記試験光パルスの戻り光を基本モード及び直交する２つの第１高次モードの３成分に分離するモード分波手順と、
前記モード分波手順で分離した前記戻り光の３成分それぞれを光電変換し、前記被試験光ファイバの距離に対する前記戻り光の３成分それぞれの強度分布を取得する演算処理手順と、
を行う。

本光パルス試験方法は、戻り光の全てのモード成分について強度分布を取得しており、戻り光の情報を全て演算処理に使用することができる。つまり、ＬＰ１１ａモードの強度分布とＬＰ１１ｂモードの強度分布の双方の情報を使用することで、ＬＰ１１モードの受信感度を改善することができる。

具体的には、本開示の光パルス試験方法の前記演算処理手順では、光電変換した前記戻り光の３成分の信号のうち前記戻り光の基本モード成分から前記被試験光ファイバの距離に対する前記戻り光の基本モード成分の強度分布、及び光電変換した前記戻り光の３成分の信号のうち第１高次モードの２成分の信号を加算して前記被試験光ファイバの距離に対する前記戻り光の第１高次モード成分の強度分布を取得することが好ましい。

ＬＰ１１ａモードの強度分布とＬＰ１１ｂモードの強度分布を加算することでＬＰ１１モードの受信感度を改善することができる。このような光パルス試験方法を実現できる光パルス試験装置は次の通りである。

本開示の光パルス試験装置は、
被試験光ファイバを基本モードと第１高次モードで伝搬可能な波長の試験光パルスを生成する生成部と、
前記生成部が生成した前記試験光パルスを任意のモードで前記被試験光ファイバに入射し、かつ前記試験光パルスからの戻り光を基本モード及び直交する２つの第１高次モードの３成分に分離するモード合分波部と、
前記モード合分波部が分離した前記戻り光の３成分それぞれを光電変換する受光部と、
前記受光部が出力する前記戻り光の３成分の信号のうち前記戻り光の基本モード成分から前記被試験光ファイバの距離に対する前記戻り光の基本モード成分の強度分布、及び前記受光部が出力する前記戻り光の３成分の信号のうち第１高次モードの２成分の信号を加算して前記被試験光ファイバの距離に対する前記戻り光の第１高次モード成分の強度分布を取得する演算処理部と、
を備える。

本光パルス試験装置は、戻り光のＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモードを個別に受光及び解析し、各モード成分に対する強度分布を取得する。本光パルス試験装置は、さらに戻り光のＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂモードを個別に受光した信号を加算し解析することで、ＬＰ１１モード成分の受信感度を向上させることができる。

本発明は、２モード動作する波長で被試験光ファイバに入射した光パルスの戻り光のＬＰ１１モードに対する受信感度を改善できる光パルス試験装置および光パルス試験方法を提供することができる。

本発明に係る光パルス試験装置を説明する図である。 本発明に係る光パルス試験方法で被試験光ファイバの距離に対するＬＰ１１モードの強度分布を取得する手法を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１は、実施形態に係わる光パルス試験装置１０１の構成例を説明するための図である。光パルス試験装置１０１は、ＯＴＤＲの原理に基づいて、被試験光ファイバ１０からの戻り光のラウンドトリップ時間に対する強度分布を解析して被試験光ファイバ１０の特性を算出する。ここで、光パルス試験装置１０１は、被測定光ファイバ１０に実効遮断波長より短い波長の光パルスを入力する。実効遮断波長より短い波長の光は被測定光ファイバ１０をマルチモード伝搬することができる。

光パルス試験装置１０１は、
被試験光ファイバ１０を基本モード（ＬＰ０１）と第１高次モード（ＬＰ１１）で伝搬可能な波長の試験光パルスを生成する生成部Ａと、
生成部Ａが生成した試験光パルスを任意のモードで被試験光ファイバ１０に入射し、かつ試験光パルス１０からの戻り光を基本モード及び直交する２つの第１高次モード（ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂ）の３成分に分離するモード合分波部Ｂと、
モード合分波部Ｂが分離した前記戻り光の３成分それぞれを光電変換する受光部Ｃと、
受光部Ｃが出力する前記戻り光の３成分の信号のうち前記戻り光の基本モード成分から被試験光ファイバ１０の距離に対する前記戻り光の基本モード成分の強度分布、及び受光部Ｃが出力する前記戻り光の３成分の信号のうち第１高次モードの２成分の信号を加算して被試験光ファイバ１０の距離に対する前記戻り光の第１高次モード成分の強度分布を取得する演算処理部Ｄと、
を備える。

生成部Ａは、被試験光ファイバ１０を基本モードと第１高次モードで伝搬可能な波長の試験光パルスを生成する生成手順を行う。
モード合分波部Ｂは、前記生成手順で生成した前記試験光パルスを任意のモードで被試験光ファイバ１０に入射する入射手順と、前記入射手順で被試験光ファイバ１０に入射した前記試験光パルスの戻り光を基本モード及び直交する２つの第１高次モードの３成分に分離するモード分波手順を行う。
受光部Ｃは、前記モード分波手順で分離した前記戻り光の３成分それぞれを光電変換する。
演算処理部Ｄは、被試験光ファイバ１０の距離に対する前記戻り光の３成分それぞれの強度分布を取得するとともに、光電変換した前記戻り光の３成分の信号のうち前記戻り光の基本モード成分から被試験光ファイバ１０の距離に対する前記戻り光の基本モード成分の強度分布、及び光電変換した前記戻り光の３成分の信号のうち第１高次モードの２成分の信号を加算して被試験光ファイバ１０の距離に対する前記戻り光の第１高次モード成分の強度分布を取得する演算処理手順を行う。

生成部Ａは、光源１１、パルス発生器１２及び光強度変調器１３を有する。光源１１から出力される連続光は、パルス発生器１２の信号に従って光強度変調器１３でパルス化される。光強度変調器１３は、例えば音響光学素子をパルス駆動するようにした音響光学スイッチを備える、音響光学変調器である。本実施形態では、光源１１から出力される連続光の波長を、被試験光ファイバ１０が２モード動作する波長である場合を例にとって説明する。

モード合分波部Ｂは、光サーキュレータ１４及びモード合分波器１５を有する。光強度変調器１３で生成された試験光パルスは、光サーキュレータ１４を介してモード合分波器１５に入射される。モード合分波器１５は、例えば非特許文献３に記載されるような平面光波回路で構成された方向性結合器を備える、モード合分波器である。試験光パルスは、モード合分波器１５で任意のモードに変換されて被試験光ファイバ１０に入射される。
試験光パルスが被試験光ファイバ１０を伝搬する際に発生した戻り光は、モード合分波器１５に再入射される。このとき戻り光のＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード、ＬＰ１１ｂモード成分はモード合分波器１５で分離される。

受光部Ｃは、３つの光受信器（１６、１７、１８）を有する。モード合分波器１５でモード毎に分離された戻り光のうち、１のモード成分（例えばＬＰ０１）は光サーキュレータ１４を経由して光受信器１６に、他のモード成分（例えばＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂ）は光受信器１７、１８に入射され、光電変換される。

演算処理部Ｄは、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器１９、信号処理回路２１及び演算処理回路２１を有する。光受信器１６、１７および１８からの電気信号は、Ａ／Ｄ変換器１９でデジタルデータに変換される。前記デジタルデータは信号処理回路２１に入力される。
信号処理回路２１は、戻り光のＬＰ０１、ＬＰ１１ａおよびＬＰ１１ｂモード成分に対する強度分布Ｓ_１（ｚ）、Ｓ_２（ｚ）およびＳ_３（ｚ）を取得する。さらに、演算処理回路２１は、戻り光のＬＰ１１ａおよびＬＰ１１ｂモード成分に対する強度分布Ｓ_２（ｚ）およびＳ_３（ｚ）を加算し、ＬＰ１１モード成分の強度分布Ｓ_４（ｚ）を取得する。図２は戻り光のＬＰ１１ａおよびＬＰ１１ｂモード成分に対する強度分布（（Ａ）と（Ｂ））と、それらを加算後のＬＰ１１モード成分に対する強度分布（Ｃ）を概略的に示した図である。

以下、ＬＰ１１モード成分の強度分布Ｓ_４（ｚ）を取得することによる受信感度の改善について説明する。

戻り光におけるＬＰ１１ａおよびＬＰ１１ｂモード成分の強度をＰ_２（ｚ）およびＰ_３（ｚ）とし、それぞれが受光される光受信器におけるノイズをσ_２およびσ_３とする。このとき、戻り光のＬＰ１１ａおよびＬＰ１１ｂモード成分に対する強度分布Ｓ_２（ｚ）およびＳ_３（ｚ）は以下の式で表される。

したがって、ＬＰ１１モード成分の強度分布Ｓ_４（ｚ）は以下の式で表される。

さらに、戻り光の距離に対する強度分布を取得する際、信号対雑音強度比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ、以後ＳＮＲ）を改善するために、Ｎ回加算平均処理を行う。Ｎ回加算平均処理後の戻り光のＬＰ１１ａおよびＬＰ１１ｂモード成分に対する強度分布Ｓ_２（ｚ、Ｎ）およびＳ_３（ｚ、Ｎ）は以下の式で表される。

また、Ｎ回加算平均処理後の戻り光におけるＬＰ１１モード成分の強度分布Ｓ_４（ｚ、Ｎ）は以下の式で表される。

σ＝σ_２＝σ_３とすると、式（４）〜（６）より、Ｓ_２（ｚ、Ｎ）、Ｓ_３（ｚ、Ｎ）およびＳ_４（ｚ、Ｎ）のＳＮＲは以下の式で表される。

式（７）〜（９）より、ＳＮＲ_２およびＳＮＲ_３に対するＳＮＲ_４の比は、Ｐ_２（ｚ）＝Ｐ_３（ｚ）のときに最大値√２となることがわかる。すなわち、最大で受信感度を１．５ｄＢ改善可能である。

以上のように、光パルス試験器１０１は、戻り光のＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂモード成分の信号を加算し、前記加算した信号を解析することで、戻り光のＬＰ１１モードに対する受信感度を向上させることができる。

（他の実施形態）
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。要するにこの発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０：被測定光ファイバ
１１：光源
１２：パルス発生器
１３：光強度変調器
１４：光サーキュレータ
１５：モード合分波器
１６、１７、１８：光受信器
１９：Ａ／Ｄ変換器
２０：信号処理回路
２１：演算処理回路
１０１：光パルス試験装置

Claims (3)

1. 被試験光ファイバを基本モードと第１高次モードで伝搬可能な波長の試験光パルスを生成する生成部と、
   前記生成部が生成した前記試験光パルスを任意のモードで前記被試験光ファイバに入射し、かつ前記試験光パルスからの戻り光を基本モード及び直交する２つの第１高次モードの３成分に分離するモード合分波部と、
   前記モード合分波部が分離した前記戻り光の３成分それぞれを光電変換する受光部と、
   前記受光部が出力する前記戻り光の３成分の信号のうち前記戻り光の基本モード成分から前記被試験光ファイバの距離に対する前記戻り光の基本モード成分の強度分布、及び前記受光部が出力する前記戻り光の３成分の信号のうち第１高次モードの２成分の信号を加算して前記被試験光ファイバの距離に対する前記戻り光の第１高次モード成分の強度分布を取得する演算処理部と、
   を備える光パルス試験装置。
2. 被試験光ファイバを基本モードと第１高次モードで伝搬可能な波長の試験光パルスを生成する生成手順と、
   前記生成手順で生成した前記試験光パルスを任意のモードで前記被試験光ファイバに入射する入射手順と、
   前記入射手順で前記被試験光ファイバに入射した前記試験光パルスの戻り光を基本モード及び直交する２つの第１高次モードの３成分に分離するモード分波手順と、
   前記モード分波手順で分離した前記戻り光の３成分それぞれを光電変換し、前記被試験光ファイバの距離に対する前記戻り光の３成分それぞれの強度分布を取得する演算処理手順と、
   を行う光パルス試験方法。
3. 前記演算処理手順では、
   光電変換した前記戻り光の３成分の信号のうち前記戻り光の基本モード成分から前記被試験光ファイバの距離に対する前記戻り光の基本モード成分の強度分布、及び光電変換した前記戻り光の３成分の信号のうち第１高次モードの２成分の信号を加算して前記被試験光ファイバの距離に対する前記戻り光の第１高次モード成分の強度分布を取得することを特徴とする請求項２に記載の光パルス試験方法。

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