JP3306815B2 - Optical frequency domain reflectometer - Google Patents
Optical frequency domain reflectometerInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバー通信線路
における反射光及び後方散乱光の発生箇所を高い距離分
解能で同定し、故障箇所、異常箇所を発見するための測
定装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a measuring apparatus for identifying locations where reflected light and backscattered light occur in an optical fiber communication line with high distance resolution, and for finding faulty and abnormal locations.
【０００２】[0002]
【従来の技術】高い距離分解能で、光部品または光ファ
イバーからの反射光及び後方散乱光の強度分布を測定す
ることが可能な分布型光センサーとして、Ｃ−ＯＦＤＲ
（Coherent Optical Frequency Domain Reflectometry
）が知られている。2. Description of the Related Art As a distributed optical sensor capable of measuring the intensity distribution of reflected light and backscattered light from an optical component or an optical fiber with high distance resolution, C-OFDR is known.
(Coherent Optical Frequency Domain Reflectometry
)It has been known.
【０００３】Ｃ−ＯＦＤＲでは、周波数が時間に対して
直線的に繰り返し掃引されたコヒーレントな光を用いる
ことにより、光周波数領域における反射光及び後方散乱
光の強度分布測定を可能にしている。具体的には、図５
に示すように、光源Ｌからの直線周波数掃引された光を
信号光Ａと参照光Ｂとに分けた後、信号光Ａを被測定光
部品、例えば光ファイバー１００に入射し、反射、又は
後方散乱された反射光Ｃと参照光Ｂとの間のビート周波
数信号を受信器Ｄで受信し、スペクトラムアナライザー
Ｅで解析している。このとき、両光の周波数差は、その
遅延時間差に比例するため、反射光強度分布を光周波数
領域で測定することができる。特に距離分解能が高い場
合には、受信帯域幅を狭く設定することができるため、
低雑音で測定が行なえるという方式上の利点を有する。
このときの周波数掃引波形図を図６ａに、測定波形を図
６ｂに示した。図６ａの縦軸ｆは光周波数、横軸ｔは時
間を表し、図６ｂの縦軸Ｉは強度、横軸Δｆは周波数差
を表す。[0003] In C-OFDR, the intensity distribution of reflected light and backscattered light in the optical frequency domain can be measured by using coherent light whose frequency is repeatedly swept linearly with respect to time. Specifically, FIG.
As shown in (2), after the linear frequency swept light from the light source L is divided into the signal light A and the reference light B, the signal light A is incident on the optical component to be measured, for example, the optical fiber 100, and is reflected or backscattered. The beat frequency signal between the reflected light C and the reference light B is received by the receiver D and analyzed by the spectrum analyzer E. At this time, the frequency difference between the two lights is proportional to the delay time difference, so that the reflected light intensity distribution can be measured in the optical frequency domain. Especially when the distance resolution is high, the reception bandwidth can be set narrow,
The method has an advantage in that measurement can be performed with low noise.
The frequency sweep waveform diagram at this time is shown in FIG. 6A, and the measured waveform is shown in FIG. 6B. The vertical axis f in FIG. 6A represents the optical frequency, the horizontal axis t represents time, the vertical axis I in FIG. 6B represents the intensity, and the horizontal axis Δf represents the frequency difference.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｃ−Ｏ
ＦＤＲにおける周波数掃引には、極めて高精度な線形性
が要求され、且つ周波数掃引速度として、１〜１００Ｔ
Ｈｚ／秒程度の高い値が必要とされる。また反射光と参
照光との干渉によるビード信号を継続的に得るために
は、それらの間の光路長差が光の可干渉距離内に入って
いなければならない。しかしながら半導体レーザーを光
源として用い、注入電流制御により周波数を掃引する場
合には、可干渉距離が短いために測定可能範囲を広くと
れないという問題、及び線形周波数掃引が難しく充分な
測定精度がとれないという問題があり、充分な長さを有
する光ファイバーの測定は不可能であった。However, C-O
Frequency sweeping in FDR requires extremely high-precision linearity, and the frequency sweeping speed is 1 to 100 T
High values on the order of Hz / sec are required. Also, in order to continuously obtain a bead signal due to interference between the reflected light and the reference light, the difference in optical path length between them must be within the coherence length of the light. However, when a semiconductor laser is used as a light source and the frequency is swept by injection current control, the measurable range cannot be widened due to a short coherence distance, and linear frequency sweep is difficult and sufficient measurement accuracy cannot be obtained. Therefore, it is impossible to measure an optical fiber having a sufficient length.
【０００５】またコヒーレント光源としてＹＡＧレーザ
ー等の狭帯域幅光源を用い、外部変調器により光周波数
を掃引する方式では、外部変調器により１０〜数１０Ｇ
Ｈｚ周波数を変調掃引するが、変調時における０次成分
及び高次変調成分の除去が難しく測定を困難にしてい
た。In a system in which a narrow-bandwidth light source such as a YAG laser is used as a coherent light source and the optical frequency is swept by an external modulator, the external modulator uses 10 to several tens G.
Although the modulation frequency sweeps the Hz frequency, it is difficult to remove the zero-order component and the high-order modulation component at the time of modulation, which makes the measurement difficult.
【０００６】本発明は、以上の問題点を解決し、広い範
囲にわたって、高い距離分解能が可能になる光周波数領
域反射測定装置を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above problems and to provide an optical frequency domain reflection measuring device capable of achieving high distance resolution over a wide range.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、１）極めてコヒーレントな光を発生する
レーザー光源と、２）該光源より生じた光の強度もしく
は位相に周波数変調をかけるための高速外部変調器と、
３）該高速部変調器からの出力光の周波数変調成分の中
から、０次光及び高次変調成分を除去し、１次変調成分
のみを取り出すための光フィルターと、４）該光フィル
ターからの出力光を２波に分波するための第１の光方向
性結合器と、５）該第１の光方向性結合器の片方の出力
光を被測定光ファイバーに導き、且つ該被測定光ファイ
バーからの反射もしくは後方散乱光を取り出すための第
２の光方向性結合器と、６）該第２の光方向性結合器を
介して取り出された反射光、及び後方散乱光を、前記第
１の光方向性結合器の残りの出力ポートより出力される
光波と合波しヘテロダイン検波するためのヘテロダイン
受信器と、７）ヘテロダイン受信器からの電気信号を周
波数解析するためのスペクトラムアナライザーと、８）
該スペクトラムアナライザーの測定値を加算平均化する
ための信号処理系と、９）光フィルターの共振線を光周
波数に合わせて同期制御するための同期制御系とから測
定系を構成し、前記高速外部変調器により光の周波数を
時間に対して直線的に掃引することにより、被測定光フ
ァイバーからの反射光及び後方散乱光の強度分布を高い
距離分解能で測定することを可能にした。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, the present invention provides: 1) a laser light source that generates extremely coherent light; and 2) frequency modulation of the intensity or phase of the light generated by the light source. A high-speed external modulator for applying
3) an optical filter for removing the zero-order light and the high-order modulation component from the frequency modulation components of the output light from the high-speed modulator and extracting only the primary modulation component; 5) a first optical directional coupler for splitting the output light into two waves, 5) guiding one output light of the first optical directional coupler to an optical fiber to be measured, and A second light directional coupler for extracting reflected or backscattered light from the second light directional coupler, and 6) the reflected light and the backscattered light extracted via the second light directional coupler for the first light directional coupler. A heterodyne receiver for multiplexing and heterodyne detection with an optical wave output from the remaining output port of the optical directional coupler, 7) a spectrum analyzer for frequency analysis of an electric signal from the heterodyne receiver, and 8 )
The measurement system comprises a signal processing system for adding and averaging the measured values of the spectrum analyzer and 9) a synchronization control system for synchronously controlling the resonance line of the optical filter in accordance with the optical frequency. By sweeping the frequency of the light linearly with respect to time by the modulator, the intensity distribution of the reflected light and the backscattered light from the measured optical fiber can be measured with high distance resolution.
【０００８】[0008]
【作用】基本的な構成を図１に示す。極めてコヒーレン
トな光を発生するレーザー光源１により生じた光は、高
速外部変調器２により振幅、もしくは位相変調を受け、
その光周波数は時間に対して繰り返し直線掃引される。
変調時に生じた０次変調成分及び高次変調成分は、鋭い
共振ピークを有する光フィルター３により除去され、１
次変調成分だけが取り出される。FIG. 1 shows a basic configuration. Light generated by a laser light source 1 that generates extremely coherent light is subjected to amplitude or phase modulation by a high-speed external modulator 2,
The optical frequency is repeatedly linearly swept over time.
The zero-order modulation component and the high-order modulation component generated during the modulation are removed by the optical filter 3 having a sharp resonance peak, and
Only the next modulation component is extracted.
【０００９】次に、光フィルターを透過した１次変調光
成分は、第１の光方向性結合器４により、信号光と参照
光とに分波され、信号光は第２の光方向性結合器５を介
して被測定光ファイバー１００に導かれる。被測定光フ
ァイバー１００からの反射または後方散乱光は、第２の
光方向性結合器を介して取り出され、第１の光方向性結
合器で分波された参照光と合波され、ヘテロダイン受信
器６によりヘテロダイン検波される。ヘテロダイン受信
器の出力信号はスペクトラムアナライザー７により周波
数解析され、更に信号処理装置８により加算平均化され
る。９は高速外部変調器と光フィルターとを同期制御す
るための同期制御系であり、光フィルターの共振線が１
次変調光の光周波数に追従するように制御する。Next, the primary modulated light component transmitted through the optical filter is split into signal light and reference light by the first light directional coupler 4, and the signal light is converted into the second light directional coupler. The optical fiber 100 is guided to the measured optical fiber 100 via the device 5. The reflected or backscattered light from the measured optical fiber 100 is extracted through the second optical directional coupler, multiplexed with the reference light demultiplexed by the first optical directional coupler, and received by the heterodyne receiver. 6 is heterodyne detected. The output signal of the heterodyne receiver is frequency-analyzed by a spectrum analyzer 7 and further averaged by a signal processor 8. Reference numeral 9 denotes a synchronous control system for synchronously controlling the high-speed external modulator and the optical filter.
Control is performed so as to follow the optical frequency of the next modulated light.
【００１０】このようにして、可干渉距離の長いコヒー
レント光の周波数を極めて正確に線形掃引し、且つ他の
０次及び高次変調成分を除去することが可能になるた
め、高距離分解能、及び広い測定範囲を有する光周波数
領域反射測定装置を構成することができる。In this way, it becomes possible to linearly sweep the frequency of coherent light having a long coherent distance very accurately and to remove other zero-order and high-order modulation components. An optical frequency domain reflection measurement device having a wide measurement range can be configured.
【００１１】[0011]
【実施例】図１は、本発明の実施例の構成を示す図であ
る。１は極めてコヒーレントな光を発生するレーザー光
源（例えばＹＡＧレーザー）であり、その可干渉距離は
１０数ｋｍ程度であるとする。２は、レーザー光源１か
ら生じた光の振幅もしくは位相に変調をかけ周波数変調
するための高速外部変調器（具体的にはＬｉＮｂＯ 3 変
調素子等）であり、光周波数は一定値Ｆ［Ｈｚ］を基準
変調周波数として、時間Ｔの間に、Ｆ＋Δｆ［Ｈｚ］ま
で時間に対して直線掃引される。図２に、周波数変調の
様子を図示する。ここで周波数掃引速度はΔｆ／Ｔで表
される。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an embodiment of the present invention.
You. 1 is a laser beam that generates extremely coherent light
Source (eg, a YAG laser) whose coherence length is
It is assumed that the distance is about 10 km. 2 is the laser light source 1
Frequency modulation by modulating the amplitude or phase of the light generated
High-speed external modulator (specifically, LiNbO ThreeStrange
Optical frequency is based on a constant value F [Hz].
As a modulation frequency, during time T, F + Δf [Hz]
Is swept linearly with time. FIG. 2 shows the frequency modulation
The situation is illustrated. Here, the frequency sweep speed is expressed as Δf / T.
Is done.
【００１２】３は鋭い共振ピークを有する光フィルター
（具体的にはファブリーペロー干渉計）であり、変調時
に生じた０次変調成分及び高次変調成分を除去し、１次
変調成分だけを取り出す。ここでファブリーペロー干渉
計の共振線Ｒの位置は１次変調成分の変調周波数に追随
して同期掃引される。図３にこの模様を示した。同図で
Ｇ（−１），Ｇ（０），Ｇ（＋１）はそれぞれ、−１次
光、０次光、１次光を示す。このような外部制御且つ高
速制御可能なファブリーペロー干渉計の具体例として
は、ＬｉＮｂＯ3 素子を用いたものがあり、ミリ秒以下
で１０数ＧＨｚの共振線のシフトが可能である。更に、
図４に示すように、共振線のシフトに伴う、０次または
高次変調成分のクロストークを避けるために、共振線間
隔が異なる複数の高速制御可能なファブリーペロー干渉
計を重ね合わせて使用する。同図でＫ（１）及びＫ
（２）はそれぞれ第１及び第２のファブリーペロー干渉
計の透過特性を示し、Ｆ（１）は１次光変調周波数を示
す。このようにして、可干渉距離の長いコヒーレント光
の周波数を極めて正確に線形掃引し、且つ他の０次及び
高次変調成分を除去することが可能になる。これはＣ−
ＯＦＤＲにおける理想周波数掃引光である。Reference numeral 3 denotes an optical filter (specifically, a Fabry-Perot interferometer) having a sharp resonance peak, which removes the zero-order modulation component and the high-order modulation component generated during modulation, and extracts only the first-order modulation component. Here, the position of the resonance line R of the Fabry-Perot interferometer is synchronously swept following the modulation frequency of the primary modulation component. FIG. 3 shows this pattern. In the figure, G (-1), G (0), and G (+1) indicate -1st order light, 0th order light, and 1st order light, respectively. As a specific example of such a Fabry-Perot interferometer capable of external control and high-speed control, there is one using a LiNbO 3 element, which can shift the resonance line by more than 10 GHz in milliseconds or less. Furthermore,
As shown in FIG. 4, a plurality of Fabry-Perot interferometers having different resonance line intervals and capable of high-speed control are superimposed on each other in order to avoid crosstalk of zero-order or higher-order modulation components due to the shift of the resonance line. . In the figure, K (1) and K
(2) shows the transmission characteristics of the first and second Fabry-Perot interferometers, respectively, and F (1) shows the primary optical modulation frequency. In this way, it is possible to linearly sweep the frequency of the coherent light having a long coherent distance very accurately, and to remove other zero-order and high-order modulation components. This is C-
This is ideal frequency sweep light in OFDR.
【００１３】４は第１の光方向性結合器であり、ファブ
リーペロー干渉計を透過した光を信号光と参照光とに分
波する。信号光は第２の光方向性結合器５を介して被測
定光ファイバー１００に導かれ、被測定光ファイバー１
００からの反射または後方散乱光は、第２の光方向性結
合器を介して取り出され、第１の光方向性結合器で分波
された参照光と合波され、ヘテロダイン受信器６により
ヘテロダイン検波される。ヘテロダイン受信器６の出力
信号はスペクトラムアナライザー７により周波数解析さ
れ、更に信号処理装置８により加算平均化される。９は
高速外部変調器とファブリーペロー干渉計とを同期制御
するための同期制御系であり、ファブリーペロー干渉計
の共振線が、１次変調光の光周波数に追従するように制
御する。Reference numeral 4 denotes a first optical directional coupler, which splits light transmitted through the Fabry-Perot interferometer into signal light and reference light. The signal light is guided to the measured optical fiber 100 via the second optical directional coupler 5 and is measured.
The reflected or backscattered light from the first light directional coupler is extracted through the second optical directional coupler, multiplexed with the reference light demultiplexed by the first optical directional coupler, and heterodyned by the heterodyne receiver 6. It is detected. The output signal of the heterodyne receiver 6 is frequency-analyzed by a spectrum analyzer 7 and further averaged by a signal processor 8. Reference numeral 9 denotes a synchronization control system for synchronously controlling the high-speed external modulator and the Fabry-Perot interferometer, and controls the resonance line of the Fabry-Perot interferometer to follow the optical frequency of the primary modulated light.
【００１４】ここで周波数掃引時間Ｔ＝１０ｍｓ、周波
数掃引範囲ｆ＝１０ＧＨｚ、基準変調周波数１５ＧＨｚ
とすると、共振線間隔が〜１０ＧＨｚと、〜１５ＧＨｚ
の二つの異なるファブリーペロー干渉計を組み合わせて
用いることにより０次及び高次変調成分の低減、除去が
可能になる。更に周波数掃引速度は１ＴＨｚ／秒であ
り、距離１ｍに対する割り当て周波数は５ｋＨｚとな
り、Ｃ−ＯＦＤＲとしては充分である。また周波数掃引
周期に起因する周期振幅変調成分の周波数も〜１００Ｈ
ｚ程度であり、割り当て周波数は５ｋＨｚに対して充分
小さな値である。Here, frequency sweep time T = 10 ms, frequency sweep range f = 10 GHz, reference modulation frequency 15 GHz
Then, the resonance line interval is 〜１０10 GHz and １５15 GHz.
By using the two different Fabry-Perot interferometers in combination, it is possible to reduce and eliminate zero-order and high-order modulation components. Further, the frequency sweep speed is 1 THz / sec, and the assigned frequency for a distance of 1 m is 5 kHz, which is sufficient for C-OFDR. Further, the frequency of the periodic amplitude modulation component caused by the frequency sweep period is also up to 100H.
z, and the assigned frequency is a sufficiently small value for 5 kHz.
【００１５】以上、実施例に述べた構成、パラメータ設
定に基づいて、高距離分解能、広い測定範囲を有する光
周波数領域反射測定装置を構成することができる。As described above, based on the configuration and parameter setting described in the embodiment, it is possible to configure an optical frequency domain reflection measuring device having a high distance resolution and a wide measuring range.
【００１６】[0016]
【発明の効果】以上説明したように、本発明における光
周波数領域反射測定装置は、高距離分解能と、極めて広
い測定可能距離を同時に実現することが可能であるとい
う点で従来の方法とは全く異なる新規高性能な測定装置
であり、実用に供して極めて優れた効果を奏するもので
ある。As described above, the optical frequency domain reflection measuring apparatus according to the present invention is completely different from the conventional method in that it can realize a high distance resolution and an extremely wide measurable distance at the same time. This is a new and high-performance measuring device that is different from the conventional one and has an extremely excellent effect in practical use.
【図１】本発明における光周波数領域反射測定装置の実
施例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of an optical frequency domain reflection measuring device according to the present invention.
【図２】高速外部変調器による変調周波数掃引を説明す
る図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a modulation frequency sweep by a high-speed external modulator.
【図３】ファブリーペロー干渉計による１次変調成分の
取り出しを説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating extraction of a primary modulation component by a Fabry-Perot interferometer.
【図４】ファブリーペロー干渉計の重ね合わせによる１
次変調成分の取り出しと、０次変調成分、高次変調成分
の除去を説明する図である。FIG. 4 shows a superposition of a Fabry-Perot interferometer.
FIG. 9 is a diagram illustrating extraction of a next-order modulation component and removal of a zero-order modulation component and a high-order modulation component.
【図５】従来のＣ−ＯＦＤＲの概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram of a conventional C-OFDR.
【図６】ａは周波数掃引波形を示す図、ｂは測定波形を
示す図である。6A is a diagram illustrating a frequency sweep waveform, and FIG. 6B is a diagram illustrating a measurement waveform.
１ レーザー光源 ２ 高速外部変調器 ３ ファブリーペロー干渉計 ４ 第１の光方向性結合器 ５ 第２の光方向性結合器 ６ ヘテロダイン受信器 ７ スペクトラムアナライザー ８ 信号処理系 ９ 同期制御系 Reference Signs List 1 laser light source 2 high-speed external modulator 3 Fabry-Perot interferometer 4 first optical directional coupler 5 second optical directional coupler 6 heterodyne receiver 7 spectrum analyzer 8 signal processing system 9 synchronization control system
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−322699（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−118954（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−248434（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−230073（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01M 11/00 - 11/08 Continuation of front page (56) References JP-A-5-322699 (JP, A) JP-A-5-118954 (JP, A) JP-A-4-248434 (JP, A) JP-A-62-230073 (JP) , A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01M 11/00-11/08
Claims (2)
レーザー光源と、 ２）該光源より生じた光の強度もしくは位相に周波数変
調をかけるための高速外部変調器と、 ３）該高速外部変調器からの出力光の周波数変調成分の
中から、０次光及び高次変調成分を除去し、１次変調成
分のみを取り出すための鋭い共振ピークを有する光フィ
ルターと、 ４）該光フィルターからの出力光を２波に分波するため
の第１の光方向性結合器と、 ５）該第１の光方向性結合器の片方の出力光を被測定光
ファイバーに導き、且つ該被測定光ファイバーからの反
射もしくは後方散乱光を取り出すための第２の光方向性
結合器と、 ６）該第２の光方向性結合器を介して取り出された反射
光及び後方散乱光を、前記第１の光方向性結合器の残り
の出力ポートより出力される光波と合波しヘテロダイン
検波するための平衡型ヘテロダイン受信器と、 ７）該平衡型ヘテロダイン受信器からの電気信号を周波
数解析するためのスペクトラムアナライザーと、 ８）該スペクトラムアナライザーの測定値を加算平均化
するための信号処理系と、 ９）前記光フィルターの共振線を光周波数に合わせて同
期制御するための同期制御系とから構成され、 前記高速外部変調器により光の周波数を時間に対して直
線的に掃引するように構成したことを特徴とする光周波
数領域反射測定装置。1. A laser light source that generates extremely coherent light, 2) a high-speed external modulator for frequency-modulating the intensity or phase of light generated by the light source, 3) the high-speed external modulator An optical filter having a sharp resonance peak for removing the zero-order light and the higher-order modulation components from the frequency modulation components of the output light from the optical filter and extracting only the first-order modulation components; 4) output from the optical filter A first optical directional coupler for splitting light into two waves; 5) guiding one output light of the first optical directional coupler to an optical fiber to be measured, and A second light directional coupler for extracting reflected or backscattered light, and 6) the reflected light and the backscattered light extracted via the second light directional coupler for the first light direction. Out of the remaining output ports of the A balanced heterodyne receiver for multiplexing with the lightwave to be subjected to heterodyne detection, 7) a spectrum analyzer for frequency analysis of an electric signal from the balanced heterodyne receiver, and 8) a measured value of the spectrum analyzer. 9) a signal processing system for averaging, and 9) a synchronization control system for synchronously controlling the resonance line of the optical filter in accordance with the optical frequency, wherein the high-speed external modulator converts the frequency of light into time. An optical frequency domain reflection measuring device characterized in that the optical frequency domain reflection measuring device is configured to sweep linearly.
置において、前記光フィルターが複数の光フィルターを
組み合わせて構成されたことを特徴とする光周波数領域
反射測定装置。2. An optical frequency domain reflection measuring device according to claim 1, wherein said optical filter is constituted by combining a plurality of optical filters.
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| JP30931193A JP3306815B2 (en) | 1993-12-09 | 1993-12-09 | Optical frequency domain reflectometer |
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| JP2907350B2 (en) * | 1991-02-04 | 1999-06-21 | 日本電信電話株式会社 | Optical line remote testing equipment |
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1993
- 1993-12-09 JP JP30931193A patent/JP3306815B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JPH07159281A (en) | 1995-06-23 |
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