JP4364780B2 - Optical fiber characteristic evaluation method and apparatus - Google Patents
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本発明は、ラマン光増幅という光ファイバのもつ非線形効果により生じた信号光の時間的波形変化を解析し、光ファイバの長手方向にわたるラマン光増幅特性等の分布を評価する方法および、そのための装置に関するものである。 The present invention analyzes a temporal waveform change of signal light caused by a nonlinear effect of an optical fiber called Raman light amplification, and evaluates the distribution of Raman light amplification characteristics and the like over the longitudinal direction of the optical fiber, and an apparatus therefor It is about.
ブロードバンドサービスの増加による伝送容量拡大の需要に伴い、ラマン光増幅効果を用いて信号品質の劣化を抑制し、光信号を長距離伝送するシステムが検討されている。ラマン光増幅は励起する光の波長を変化させることで、増幅する波長帯を自由に選択することができるため、複数の波長を用いて光信号を伝送するWDM(波長多重)システムにこの増幅効果を適用することが検討されている。これをWDMシステムに適用するためには光線路の波長に対する光ファイバのラマン利得特性を評価することが重要となる。このラマン光増幅による利得特性を測定する方法として、下記の特許文献1「光ファイバの特性評価方法および装置」および特許文献2「光ファイバの特性評価方法および装置」にて、波長に対してラマン利得特性の光ファイバ長手方向にわたる分布を測定する方法および装置が示されている。
Along with the demand for an increase in transmission capacity due to an increase in broadband services, a system for transmitting optical signals over long distances by suppressing degradation of signal quality using the Raman light amplification effect is being studied. Since Raman light amplification can freely select the wavelength band to be amplified by changing the wavelength of pumping light, this amplification effect is applied to WDM (wavelength multiplexing) systems that transmit optical signals using multiple wavelengths. Is being considered. In order to apply this to a WDM system, it is important to evaluate the Raman gain characteristics of the optical fiber with respect to the wavelength of the optical line. As a method of measuring the gain characteristic by the Raman light amplification, the following Patent Document 1 “Optical Fiber Characteristic Evaluation Method and Device” and
特許文献1および特許文献2に述べられている特性評価装置の構成を図5に、測定波形の模式図を図6に示す。この特性評価装置では、第1光源1からのパルス光を被測定光ファイバ3の第1端末8−1から被測定光ファイバ3へ入射させ、被測定光ファイバ3のもう一端である第2端末8−2から第2光源2からのCW光(連続光)を入射させて、前記被測定光ファイバ中で前記CW光を前記パルス光と対向させることにより、ラマン光増幅を生じさせる。そして、前記ラマン光増幅を受けた第2光源2からのCW光は光カプラ4を介して光検出器5にて電気信号に変換され、この電気信号が信号処理装置7で信号処理される。このラマン光増幅された第2光源2からのCW光パワーの時間的波形変化は図6のようになり、これを解析することにより被測定光ファイバ3の持つラマン利得特性の分布が測定できる。
FIG. 5 shows a configuration of the characteristic evaluation apparatus described in Patent Document 1 and
なお、特許文献1と特許文献2の違いは、特許文献1では図6に示す増幅成分および直流成分と被測定光ファイバ3に入射したパルス光のパワー、さらに被測定光ファイバ3の損失分布の個々の測定項目を測定し、ラマン利得特性の分布を測定する方法であるのに対して、特許文献2ではラマン利得特性が既知である参照光ファイバを被測定光ファイバ3と接続し、参照光ファイバと被測定光ファイバ3のラマン利得特性の比率から被測定光ファイバ3のラマン利得特性の分布を算出することで、増幅成分のみを測定すれば良く、上記の測定項目を削減し、簡易化された点にある。
The difference between Patent Document 1 and
しかし、特許文献1および特許文献2に述べられている測定方法および装置構成では被測定光ファイバ3の両端にそれぞれ第1光源1、第2光源2を設置する必要があり、測定作業が煩雑になり、かつ多くの労力を必要とするという課題がある。
However, in the measurement method and apparatus configuration described in Patent Document 1 and
そこで本発明の目的は、光源、光カプラ、光波長フィルタまたは分光器、光検出器および信号処理装置の全ての装置を被測定光ファイバの一方の端末側に設置することで、前記課題を解決し、利便性が高い測定方法および装置構成を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problem by installing all devices of a light source, an optical coupler, an optical wavelength filter or spectroscope, a photodetector and a signal processing device on one terminal side of an optical fiber to be measured. It is another object of the present invention to provide a highly convenient measurement method and apparatus configuration.
本発明は前記課題を解決するために、第1光源からのパルス光と、前記第1光源からのパルス光に対して時間遅延を設けた第2光源からのパルス光とを用いて、被測定光ファイバ中で前記第1光源からのパルス光の後方散乱光とそれと対向する前記第2光源からのパルス光の相互作用によってラマン光増幅した第1光源からのパルス光の後方散乱光を検出し、この検出信号を信号処理した波形の時間的変化を解析することで被測定光ファイバのラマン利得特性の分布測定を可能とする方法および装置である。 In order to solve the above problems, the present invention uses a pulsed light from a first light source and a pulsed light from a second light source provided with a time delay with respect to the pulsed light from the first light source. In the optical fiber, the back scattered light of the pulse light from the first light source amplified by Raman light is detected by the interaction of the back scattered light of the pulse light from the first light source and the pulse light from the second light source facing it. This is a method and apparatus that enables the distribution measurement of the Raman gain characteristics of the optical fiber to be measured by analyzing the temporal change of the waveform obtained by signal processing of the detection signal.
即ち、第1発明の光ファイバの特性評価方法は、第1光源からのパルス光と、前記第1光源からのパルス光と波長が異なり、かつ前記第1光源からのパルス光に対して時間遅延を設けた第2光源からのパルス光とを、第1光カプラにて合波し、被測定光ファイバの一端から前記被測定光ファイバへ入射させ、前記被測定光ファイバ中で前記第1光源からのパルス光の後方散乱光と前記第2光源からのパルス光との間の相互作用によりラマン光増幅を生じさせ、第2光カプラと、前記被測定光ファイバ中で前記第2光源からのパルス光により発生する後方散乱光を除去し前記第1光源からのパルス光の後方散乱光のみを透過させる光波長フィルタとを介して、前記ラマン光増幅された前記第1光源からのパルス光の後方散乱光のパワーを光検出器にて検出し、この検出信号を信号処理して波形を解析することにより、前記被測定光ファイバの長さ方向のラマン利得特性を測定することを特徴とする。 In other words, the optical fiber characteristic evaluation method according to the first aspect of the present invention is different in wavelength from the pulsed light from the first light source and the pulsed light from the first light source, and has a time delay with respect to the pulsed light from the first light source. The first light coupler combines the pulsed light from the second light source provided with the first optical coupler, enters the measured optical fiber from one end of the measured optical fiber, and the first light source in the measured optical fiber. The Raman light amplification is caused by the interaction between the backscattered light of the pulsed light from the second light source and the pulsed light from the second light source, and the second optical coupler and the second optical source from the second light source are measured in the optical fiber to be measured. The pulsed light from the first light source amplified by the Raman light is passed through an optical wavelength filter that removes the backscattered light generated by the pulsed light and transmits only the backscattered light of the pulsed light from the first light source. Light detection of backscattered light power Detected by, by analyzing the waveform of the detection signal signal processing to, and measuring the Raman gain characteristics in the length direction of the optical fiber to be measured.
また、第2発明の光ファイバの特性評価方法は、第1発明の方法において、前記被測定光ファイバの代わりに、ラマン利得特性について既知の光ファイバを参照光ファイバとして一本または複数本の被測定光ファイバと接続させた光ファイバを用いて波形を測定し、参照光ファイバのラマン利得特性と被測定光ファイバのラマン利得特性の比率を求めることにより、被測定光ファイバの長さ方向のラマン利得特性を算出することを特徴とする。 The optical fiber characteristic evaluation method according to the second aspect of the invention is the method of the first aspect of the invention, wherein one or a plurality of optical fibers having a known Raman gain characteristic is used as a reference optical fiber instead of the optical fiber to be measured. The waveform is measured using an optical fiber connected to the measurement optical fiber, and the ratio of the Raman gain characteristic of the reference optical fiber to the Raman gain characteristic of the optical fiber to be measured is obtained. The gain characteristic is calculated.
また、第3発明の光ファイバの特性評価装置は、光パルスを送出する第1光源と、前記第1光源からの光パルスと波長が異なり、かつ前記第1光源からのパルス光に対して時間遅延を設けた光パルスを送出する第2光源と、第1光カプラ及び第2光カプラと、光波長フィルタまたは分光器と、光検出器と、信号処理装置とを被測定光ファイバの一端側に配置した構成であって、前記第1光源からのパルス光と前記第2光源からのパルス光とを前記第1光カプラにて合波し、前記被測定光ファイバの一端から前記被測定光ファイバに入射させ、前記被測定光ファイバ中で前記第1光源からのパルス光の後方散乱光と前記第2光源からのパルス光との間の相互作用により、ラマン光増幅を生じさせ、前記第2光カプラと、前記被測定光ファイバ中で第2光源からのパルス光により発生する後方散乱光を遮断するための光波長フィルタまたは分光器とを介して、前記ラマン光増幅された前記第1光源からのパルス光の後方散乱光を検出する前記光検出器および前記信号処理装置を配置したことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the optical fiber characteristic evaluation apparatus, wherein the wavelength of the first light source that transmits the light pulse is different from that of the light pulse from the first light source, and the time of the pulse light from the first light source is long. One end side of the optical fiber to be measured includes a second light source that transmits an optical pulse with a delay, a first optical coupler and a second optical coupler, an optical wavelength filter or spectrometer, a photodetector, and a signal processing device. The pulsed light from the first light source and the pulsed light from the second light source are combined by the first optical coupler, and the measured light is transmitted from one end of the measured optical fiber. The light is incident on a fiber, and Raman light amplification is caused by the interaction between the backscattered light of the pulsed light from the first light source and the pulsed light from the second light source in the optical fiber to be measured. Two optical couplers in the optical fiber to be measured A backscattered light of the pulsed light from the first light source amplified by the Raman light is detected through an optical wavelength filter or a spectroscope for blocking backscattered light generated by the pulsed light from the second light source. The photodetector and the signal processing device are arranged.
また、第4発明の光ファイバの特性評価装置は、第3発明の装置において、前記被測定光ファイバの代わりに、ラマン利得特性について既知の光ファイバを参照光ファイバとして一本または複数本の被測定光ファイバと接続させた光ファイバを用いたことを特徴とする。 An optical fiber characteristic evaluation apparatus according to a fourth aspect of the invention is the apparatus according to the third aspect of the invention, wherein one or a plurality of optical fibers having a known Raman gain characteristic is used as a reference optical fiber instead of the optical fiber to be measured. An optical fiber connected to the measurement optical fiber is used.
本発明による測定方法および測定装置を用いることで、被測定光ファイバの片端側に全ての測定装置を設置することができ、被測定光ファイバの長さ方向にわたるラマン利得特性を測定する上で、測定稼動を削減し、利便性を向上させることができる。特に被測定光ファイバが敷設された長距離の光ファイバ伝送路の場合、光ファイバ伝送路の両側に測定装置を設置する必要が無く、簡単にラマン利得特性を測定できるため、より一層の利便性の向上を図ることができ、有効である。 By using the measuring method and measuring device according to the present invention, all measuring devices can be installed on one end side of the optical fiber to be measured, and when measuring the Raman gain characteristics over the length direction of the optical fiber to be measured, Measurement operation can be reduced and convenience can be improved. In particular, in the case of a long-distance optical fiber transmission line in which the optical fiber to be measured is laid, there is no need to install measuring devices on both sides of the optical fiber transmission line, and Raman gain characteristics can be measured easily, making it even more convenient Can be improved and is effective.
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[実施例]
図1には本発明の実施例に係る光ファイバの特性評価装置の構成を示す。図1に示すように、本特性評価装置は、光パルスを送出する第1光源1と、第1光源1からの光パルスと波長が異なり、かつ第1光源1からのパルス光に対して時間遅延を設け光パルスを送出する第2光源2と、第1光カプラ4−1及び第2光カプラ4−2と、光波長フィルタ5と、光検出器6と、表示装置を備えた平均化処理装置7とを被測定光ファイバの一端側(片端側)に配置している。即ち、特性評価を行うための(特性評価装置を構成するための)全て測定装置が、被測定光ファイバ3の片端側にのみ配置されている。
[Example]
FIG. 1 shows the configuration of an optical fiber characteristic evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, this characteristic evaluation apparatus is different in wavelength from the first light source 1 that transmits an optical pulse, and the optical pulse from the first light source 1, and has a time relative to the pulsed light from the first light source 1. Averaging provided with a
第1光源1と第2光源2は第1光カプラ4−1の入力側に接続され、第1光カプラ4−1の出力側と被測定光ファイバ3の入射端末8−1との間には第2光カプラ4−2が介設され、第2光カプラ4−2の出力側に波長フィルタ5と光検出器6と平均化処理装置7とが順に接続されている。そして、第1光源1からのパルス光と第2光源2からのパルス光とを第1光カプラ4−2にて合波し、被測定光ファイバ3の一端の入射端末8−1から被測定光ファイバ3に入射させ、被測定光ファイバ3で第1光源1からのパルス光の後方散乱光と第2光源2からのパルス光との間の相互作用により、ラマン光増幅を生じさせ、第2光カプラ4−2と、被測定光ファイバ3で第2光源2からのパルス光により発生する後方散乱光を遮断するための光波長フィルタ6とを介して、前記ラマン光増幅された第1光源1からのパルス光の後方散乱光を光検出器6で検出し、この検出信号を信号処理装置7で信号処理して波形を解析することにより、被測定光ファイバ3の長さ方向のラマン利得特性を測定する。また、信号処理装置7で得られたゲイン分布の波形などは信号処理装置7に備えた表示装置に表示される。
The first light source 1 and the
なお、第2光源からのパルス光の後方散乱光を遮断する手段としては光波長フィルタ6に限定するものではなく、分光器を用いてもよい。この場合には分光器によって第1光源1からのパルス光の後方散乱光と第2光源2からのパルス光の後方散乱光とを分光して(即ち第2光源からのパルス光の後方散乱光を遮断して)、第1光源からの後方散乱光のみを光検出器6へ送出する。
The means for blocking the back scattered light of the pulsed light from the second light source is not limited to the
また、信号処理装置7では平均化処理も行う。即ち、第1光源1及び第2光源2から送出される1回のパルス光に基づいて光検出器6で得られる検出信号の波形は変動の多い(ギザギザとした)ものであり、これでは精度のよい特性評価を行うことができない。そこで、第1光源1及び第2光源2からはパルス光を所定の周期で複数回送出し、信号処理装置7では、これら複数回のパルス光に基づいて光検出器6で得られる複数の検出信号を平均化処理(加算平均)して得た波形を解析することにより、精度のよい被測定光ファイバ3の長さ方向のラマン利得特性の測定を行う。
The signal processing device 7 also performs an averaging process. That is, the waveform of the detection signal obtained by the
ここで本評価装置(評価方法)について更に詳述すると、第1光源1からのパルス光と、第1光源1からのパルス光と波長が異なり、かつ第1光源1からのパルス光に対して時間遅延を設けた第2光源2からのパルス光は、第1光カプラ4−1にて合波され、入射端末8−1から被測定光ファイバ3に入射し、被測定光ファイバ3中を同一方向に伝搬する。第1光源1と第2光源2からそれぞれ出射するパルス光に時間遅延を設けるためには、(1)第1光源1および第2光源2に時間遅延を設けたパルス駆動電流を加える電気段(電気的手段)による方法と、(2)第1光源1または第2光源2の出射端に任意の長さの光ファイバを接続して光路長を変化させる(即ち第1光源1から第1光カプラ4−1までの光路長と第2光源2から第1光カプラ4−1までの光路長とに差を設ける)光段(光学的手段)による方法がある。
Here, the evaluation apparatus (evaluation method) will be described in more detail. The pulse light from the first light source 1 is different from the pulse light from the first light source 1 in wavelength, and the pulse light from the first light source 1 is different. The pulsed light from the second
ここで被測定光ファイバ3の入射端末8−1から出射端末8−2にむけてz軸座標とする。vを被測定光ファイバ3中の光の伝搬速度、tを第1光源1からのパルス光が入射端末8−1から被測定光ファイバ3に入射した時から第2光源2からのパルス光が入射する時までの遅延時間とすると、被測定光ファイバ3の任意の位置zで発生した第1光源1から出射されたパルス光の後方散乱光は、遅れて出射した第2光源2からのパルス光と対向して被測定光ファイバ3中を伝搬し、被測定光ファイバ3の位置z−vt/2において第2光源2からのパルス光との間の相互作用によりラマン光増幅される。このラマン光増幅された第1光源1から出射されたパルス光の後方散乱光が、第2光カプラ4−2および第2光源2からのパルス光の後方散乱光を除去するための光波長フィルタ5または分光器を介して、光検出器6にて検出される時の光パワーPs(z)は以下の式(1)で表される。
ここで、Ps(0) は入射端末8−1における第1光源1から出射されたパルス光のパワー、R(z) は後方散乱係数、Wsは第1光源1から出射されたパルス光のパルス幅、αs(z)は第1光源1から出射されたパルス光の波長に対するファイバ損失分布、Cは第2光カプラ4−2および光波長フィルタ5の透過率、G(z) はラマン光増幅によるゲイン分布を示す。一方、第2光源2からのパルス光が無い時、式(1)は以下の式(2)のように与えられる。
すなわち、G(z) は式(1)と式(2)の比、すなわち、第2光源2からのパルス光がある時とない時における光検出器6にて検出されるパワーの比で与えられる。vt/2≦z≦Lの場合、G(z) は以下の式(3)で表される。
ここで、kは位置zに依存しない定数、γ(z+vt/2)およびPp(z+vt/2)は、それぞれ位置z+vt/2における被測定光ファイバ3のラマン利得率および第2光源2からのパルス光のパワーを示す。図2は本実施例におけるG(z)の測定波形の模式図を示す。本発明では、第1光源1からのパルス光と第2光源2のパルス光の間には、被測定光ファイバ3に入射する時間差が設けられているため、ラマン光増幅は第1光源1からのパルス光と第2光源2からのパルス光の間の位置で生じる。したがって、図2に示すように、位置zからvt/2だけずれた位置の被測定光ファイバ3のラマン利得率および第2光源2からのパルス光のパワーを反映したゲイン分布G(z)が、信号処理装置7の表示装置に表示される。ここで式(3)をz軸上でvt/2だけ平行移動すると、0≦z≦L−vt/2の範囲において以下の式(4)のようになる。
ここで、αp(z) は第2光源2から出射されたパルス光の波長に対するファイバ損失分布を示す。したがって、位置zにおける被測定光ファイバ3のラマン利得率は以下の式(5)で与えられる。式(5)において、ゲイン分布G(z)は前述のように第2光源2からのパルス光がある時とない時における光検出器7にて検出される第1光源1からのパルス光の後方散乱光パワーの比で与えられる。第2光源2からのパルス光の波長に対する損失分布αp(z)は第2光源2と同じ波長のパルス光源を持つOTDR(optical time domain reflectmeter)を用いて容易に測定することができる。また、入射端末8−1(z=0)における第2光源2からのパルス光のパワーPp(0)は、出射端末8−2における第2光源2からのパルス光のパワーPp(L)(このパワーはパワーメータで容易に測定することができる)と、第2光源2からのパルス光の波長に対する損失分布αp(z)とに基づいて下式(6)から求めることができる。
更に、ここで0≦z≦L−vt/2の範囲において、任意の一点z=zoにおけるラマン利得率γ(zo)が既知であると仮定し、γ(zo)で式(5)を正規化すると、以下の式(7)で与えられる。
ここで、mは位置zに依存しない定数である。式(7)より、正規化されたラマン利得率は、G(z) とαp(z)、すなわちラマン光増幅によるゲイン分布と第2光源2からのパルス光の波長に対する損失分布で与えられる。前述のように、ゲイン分布G(z)は第2光源2からのパルス光がある時とない時における光検出器7にて検出される第1光源1からのパルス光の後方散乱光パワーの比で与えられる。また、第2光源2からのパルス光の波長に対する損失分布αp(z)は第2光源2と同じ波長のパルス光源を持つOTDRを用いて容易に測定することができる。そして得られた正規化されたラマン利得率より、任意の一点zoにおけるラマン利得率γ(zo)が既知であるので、その他の位置zにおけるラマン利得率を算出することが可能である。
Here, m is a constant independent of the position z. From Expression (7), the normalized Raman gain factor is given by G (z) and α p (z), that is, gain distribution due to Raman light amplification and loss distribution with respect to the wavelength of the pulsed light from the second
図3はラマン利得率が既知である参照光ファイバ9を用いた特性評価装置の構成を示す。このような構成において、少なくとも任意の一点においてラマン利得率が既知である参照光ファイバ9と接続された一本または複数本(直列接続)の被測定光ファイバ3のラマン利得率の分布を測定することが可能である。
FIG. 3 shows a configuration of a characteristic evaluation apparatus using a reference optical fiber 9 having a known Raman gain factor. In such a configuration, the distribution of the Raman gain factor of one or a plurality of (in series connection)
以下では本発明の実施例として、1kmの分散シフト光ファイバ(DSF)を参照光ファイバ9として被測定光ファイバ3としての2kmの分散補償ファイバ(DCF)と接続した、2本の光ファイバにより構成される合計3kmの長さを持つ被測定対象の分布特性評価を行った例を示す。ここでは、第1光源1からのパルス光の波長およびパルス幅を1.55μm、4×10-6秒とし、第2光源2からのパルス光の波長およびパルス幅を1.45μm、2×10-6秒とした。また、第1光源1からのパルス光が前記被測定対象の入射端末8−1から前記被測定対象に入射した時から第2光源2からのパルス光が入射する時までの遅延時間を5×10-6秒と設定した。
In the following, as an embodiment of the present invention, a 1 km dispersion-shifted optical fiber (DSF) is constituted by two optical fibers connected as a reference optical fiber 9 and a 2 km dispersion compensating fiber (DCF) as an
図4にその測定結果を示す。図4に示すように被測定光ファイバ3であるDCFは、参照光ファイバ9であるDSFに対して約2.8倍のラマン利得率を持ち、光ファイバ内でほぼ一定に分布していることが分かる。この結果は、従来技術である特許文献2に示す方法を用いて、同じ被測定対象の測定を行った結果と良い一致を示していた。しかも、本実施例の特性評価装置では被測定光ファイバの片端側に全ての測定装置を設置することができるため、測定作業が簡単で利便性が向上し、特に長距離伝送光ファイバの測定を行う場合においては利便性が飛躍的に向上する。なお、前述のように、ラマン利得率の分布は0≦z≦L−vt/2の範囲において得られるため、図4中に示されるように位置L−vt/2=2.5km以上(光ファイバ中の光速を2×108m/sと仮定)がデッドゾーンになっていることが分かる。これについては、第1光源1からのパルス光のパルス幅、また第1光源1からのパルス光が入射端末8−1から被測定対象に入射した時から第2光源2からのパルス光が入射する時までの遅延時間を小さく設定することでデッドゾーンを小さくすることが可能である。
FIG. 4 shows the measurement results. As shown in FIG. 4, the DCF that is the optical fiber to be measured 3 has a Raman gain factor of about 2.8 times that of the DSF that is the reference optical fiber 9, and is distributed almost uniformly in the optical fiber. I understand. This result was in good agreement with the result of measuring the same object to be measured using the method shown in
1 第1光源
2 第2光源
3 被測定光ファイバ
4−1 第1光カプラ
4−2 第2光カプラ
5 波長フィルタ
6 光検出器
7 信号処理装置(表示装置)
8−1 入射端末
8−2 出射端末
9 参照光ファイバ
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8-1 Incident terminal 8-2 Emission terminal 9 Reference optical fiber
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