JP4858055B2 - 光パルス発生器及び光パルス試験器 - Google Patents

Description

本発明は、光パルス発生器及びこれを用いた光パルス試験器に関する。

光パルス試験器は、周知のように光パルスを試験対象である光ファイバに入射し、当該光ファイバから得られる後方散乱光を検出することにより光ファイバの特性（伝送損失や障害点の位置等）を試験する装置であり、光ファイバ試験装置あるいはＯＴＤＲ（Opticai Time Domain Reflect Meter）とも呼ばれている。光パルス試験器では、レーザダイオードを所定の駆動回路で駆動することにより上記光パルスを発生させる光パルス発生器が用いられる。そして、このような光パルス試験器及び光パルス発生器については、例えば下記特許文献に詳細が開示されている。
特開２０００−２８３８８４号公報 特開平６−２０１４８２号公報

ところで、上記光パルス試験器の重要な性能項目に空間分解能がある。この空間分解能は、周知のように光パルス試験器を基準とした光ファイバ上の散乱発生位置（つまり光ファイバ上における光パルス試験器からの距離）の識別性能であり、一般に光パルスのパルス幅が狭い程向上する。従来の光パルス発生器では、駆動回路に高速半導体デバイスを用いる、あるいはピーキング回路を用いる等によって光パルスのパルス幅の狭幅化を計っていたが、十分なものではなかった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりもさらにパルス幅が狭い光パルス発生器を提供すること、またこのような光パルス発生器を用いた光パルス試験器を提供すること、を目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、光パルス発生器に係る第１の解決手段として、所定の駆動手段を用いてレーザダイオードにパルス状の駆動電流を通電することにより光パルスを発生する光パルス発生器であって、前記駆動手段は、誘導発光を引き起こすレベルを下回る予備駆動電流を前記駆動電流に先行して前記レーザダイオードに通電する、という手段を採用する。
光パルス発生器に係る第２の解決手段として、上記第１の手段において、前記駆動手段は、前記レーザダイオードに所定の駆動信号に基づいて前記駆動電流を通電するレーザ駆動部と、前記駆動信号を生成して前記レーザ駆動部に供給する駆動信号生成部と、前記レーザダイオードに所定の予備駆動信号に基づいて予備駆動電流を通電する予備駆動部と、前記予備駆動信号を生成して前記予備駆動部に供給する予備駆動信号生成部とを備える、という手段を採用する。
光パルス発生器に係る第３の解決手段として、上記第１の手段において、前記駆動手段は、所定の駆動信号に基づいて前記駆動電流を、また所定の予備駆動信号に基づいて前記予備駆動電流を前記レーザダイオードにそれぞれ通電するレーザ駆動部と、前記駆動信号を生成して前記レーザ駆動部に供給する駆動信号生成部と、前記予備駆動信号を生成して前記レーザ駆動部に供給する予備駆動信号生成部とを備える、という手段を採用する。
また、本発明では、光パルス試験器に関る解決手段として、上記第１〜第３のいずれかに記載の光パルス発生器で発生した光パルスを試験対象である光ファイバに供給し、当該光ファイバから得られる戻り光に基づいて光ファイバの特性を測定する、という手段を採用する。

本発明に係る光パルス発生器によれば、駆動手段が誘導発光を引き起こすレベルを下回る予備駆動電流を駆動電流に先行してレーザダイオードに通電するので、予備駆動電流によってレーザダイオードの微分抵抗が低下した状態で駆動電流によってレーザダイオードが誘導発光する。この結果として、レーザダイオードが発する光パルスのパルス幅を従来（予備駆動電流が通電されない状態）よりも狭幅化すること、また立ち上がりを急峻にすることができる。
このような光パルス発生器を用いた光パルス試験器によれば、試験対象である光ファイバに供給する光パルスが狭幅化されるので、空間分解能を向上させることができる。また、光パルスの立ち上がりが急峻になることによって、さらに空間分解能を向上させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る光パルス試験器の機能構成を示すブロック図である。この図に示すように、本光パルス試験器Ａは、駆動信号生成部１、レーザ駆動部２、予備駆動信号生成部３、予備駆動部４、レーザ素子５、方向性結合器６、受光部７、増幅部８、Ａ／Ｄ変換部９及び表示部１０から構成されている。なお、これら構成要素のうち、駆動信号生成部１、レーザ駆動部２、予備駆動信号生成部３、予備駆動部４及びレーザ素子５は、本実施形態における光パルス発生器ＬＳaを構成し、また駆動信号生成部１、レーザ駆動部２、予備駆動信号生成部３及び予備駆動部４は本第１実施形態における駆動手段を構成している。

駆動信号生成部１は、光パルスの発光タイミングを指定するパルス信号を生成し、当該パルス信号を駆動信号としてレーザ駆動部２に出力するパルス発生回路である。レーザ駆動部２は、上記駆動信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦすることによりレーザ素子５を駆動する回路である。予備駆動信号生成部３は、予備駆動信号としてのパルス信号を上記駆動信号生成部１に同期して生成するパルス発生回路である。

詳細は後述するが、この予備駆動信号生成部３が生成する予備駆動信号（パルス信号）は、上記駆動信号生成部１が生成する駆動信号（パルス信号）に対して一定の時間差を有する。予備駆動部４は、上記予備駆動信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦすることにより、上記レーザ駆動部２と協働してレーザ素子５を駆動する回路である。また、レーザ素子５は、レーザダイオードであり、上記レーザ駆動部２及び予備駆動部４によって駆動電流が注入されることにより短パルス幅の光パルスを発生して方向性結合器６に出射する。

図２は、上記レーザ駆動部２、予備駆動部４及びレーザ素子５の詳細を示す回路図である。この図に示すように、レーザ駆動部２は、駆動トランジスタ２ａ、定電流源２ｂ及び直流電源２ｃから構成され、予備駆動部４は、駆動トランジスタ４ａ及び定電流源４ｂから構成されている。

駆動トランジスタ２ａは、エミッタ接地されたＮＰＮトランジスタであり、出力側（コレクタ端子）に直列接続されたレーザ素子５と直流電源２ｃとが接続されており、また入力側（ベース端子）には上記駆動信号生成部１から駆動信号が入力され、さらにエミッタ端子には定電流源２ｂが接続されている。

定電流源２ｂは、駆動トランジスタ２ａのエミッタ電流（当該エミッタ電流に略等しいコレクタ電流）を所定の電流値に設定するために設けられており、その電流値はレーザ素子５が発光を引き起こすのに十分なレベルに設定されている。直流電源２ｃは、レーザ駆動部２及び駆動トランジスタ２ａの出力側及びレーザ素子５（レーザダイオード）を正バイアスするためのものであり、正極がレーザ素子５のアノード端子に接続されている。また、レーザ素子５は、カソード端子が駆動トランジスタ２ａのコレクタ端子に接続されている。

駆動トランジスタ４ａは、レーザ駆動部２の駆動トランジスタ２ａと同様にエミッタ接地されたＮＰＮトランジスタであり、出力側（コレクタ端子）がレーザ駆動部２の駆動トランジスタ２ａの出力側（コレクタ端子）と共通接続されている。また、駆動トランジスタ４ａの入力側（ベース端子）には予備駆動信号生成部３から予備駆動信号が入力され、エミッタ端子には定電流源４ｂが接続されている。

定電流源４ｂは、駆動トランジスタ４ａのエミッタ電流（当該エミッタ電流に略等しいコレクタ電流）を所定の電流値に設定するために設けられている。なお、定電流源４ｂの電流値は、上述したレーザ駆動部２の定電流源２ｂの電流値とは異なり、レーザ素子５が発光を引き起こすために必要なレベルを下回るレベル、例えばレーザ素子５がＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移するためのしきい値電流を多少下回るレベルに設定されている。

方向性結合器６は、上記光パルスを試験対象である光ファイバＦに向けて透過させると共に、該光ファイバＦから入射される戻り光を受光部７に向けて出射する。受光部７は、上記戻り光を電気信号（受光信号）に光電変換して増幅器８に出力する。増幅部８は、上記受光信号を所定の増幅度で電圧増幅してＡ／Ｄ変換部９に出力する、Ａ／Ｄ変換部９は、上記増幅部８から入力された受光信号（アナログ信号）を所定のタイムインターバルでサンプリングすることによりデジタル信号（受光データ）に信号変換して表示部１０に出力する。すなわち、上記受光データは、戻り光の強度変化を示す時系列データである。

表示部１０は、上記Ａ／Ｄ変換部９から時系列データとして順次入力される受光データに所定の信号処理を施すことにより表示データに変換し、該表示データに基づいて測定画面を表示する。この測定画面は、後述するように、戻り光の強度変化（時間変化）を本光パルス試験器Ａを基点とした光ファイバＦの距離に換算して示すものである。

次に、このように構成された本光パルス試験器Ａの動作、特に本光パルス試験器Ａの特徴である光パルス発生器ＬＳaの動作について説明する。

図３は、光パルス発生器ＬＳaにおける各部波形を示す波形図である。この図に示すように、駆動信号生成部１がレーザ駆動部２（駆動トランジスタ２ａ）に出力する駆動信号は、所定のパルス幅Ｔw-iopを有するパルス信号であり、これに対して予備駆動信号生成部３が予備駆動部４の駆動トランジスタ４ａに出力する予備駆動信号は、上記駆動信号よりも時間幅Ｔw-preだけ先行して立ち上がるパルス信号である。
なお、上記駆動信号及び予備駆動信号は、このように立ち上がりタイミングが異なるが、予備駆動信号の立ち下がりタイミングは、図示するように駆動信号の立ち下がりタイミングに一致するように設定されている。

レーザ駆動部２の駆動トランジスタ２ａは、このような駆動信号のＬ（ロー）レベル時にＯＦＦ状態となり、Ｈ（ハイ）レベル時にＯＮ状態となり、これによってレーザ素子５を同様にＯＮ／ＯＦＦさせる。一方、予備駆動部４の駆動トランジスタ４ａは、上記予備駆動信号のＬ（ロー）レベル時にＯＦＦ状態となり、Ｈ（ハイ）レベル時にＯＮ状態となるので、上記駆動トランジスタ２ａよりも時間幅Ｔw-preだけ先行してＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移する。

この結果、レーザ素子５には、図示する駆動電流波形に示すような駆動電流が直流電源２ｃから供給される。すなわち、レーザ素子５には、誘導発光を引き起こすレベルのパルス状の発光注入電流Ｉop（駆動信号に起因するパルス幅Ｔw-iopの注入電流）が流れると共に、当該発光注入電流Ｉopに先行して予備駆動信号に起因する微小な先行注入電流Ｉpre（誘導発光を引き起こすレベルを下回る注入電流）が流れる。なお、発光注入電流Ｉopは、上記レーザ駆動部２の定電流源２ｂによって設定された発光を引き起こすために必要なレベルの電流値であり、一方、先行注入電流Ｉpreは、予備駆動部４の定電流源４ｂによって設定された発光を引き起こすために必要なレベルを下回る電流値である。

そして、レーザ素子５が発生する光パルスは、このような先行注入電流Ｉpreを発光注入電流Ｉopに先行してレーザ素子５に注入することにより、図示する光パルス波形に示すように先行注入電流Ｉpreを注入しない場合（従来）よりも狭幅化されると共に、立ち上がりが従来よりも急峻になる。また、パルス幅Ｔw-iopが小さい場合、従来は光パルスが立ち上がりきる前に駆動電流が注入されなくなってしまうが、本実施形態では立ち上がりが従来よりも急峻なので、図示するように従来よりも光パルスの波高値が大きくなる。

周知のようにレーザダイオードの微分抵抗は、駆動電流に対して非線形性を有しており、レーザダイオードがＯＦＦ状態（自然放出光を発光するが、誘導発光を行わない状態）からＯＮ状態（誘導発光状態）に遷移するためのしきい値以下の駆動電流の領域では、駆動電流が増えるに従って抵抗値が大幅に低下する一方、駆動電流がしきい値を越えると駆動電流が変化しても抵抗値の変化は比較的少ない。

本光パルス試験器Ａの光パルス発生器ＬＳaでは、先行注入電流Ｉpreがレーザ素子５（レーザダイオード）がＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移するためのしきい値を多少下回るレベルに設定されており、このような先行注入電流Ｉpreを発光注入電流Ｉopに先行してレーザ素子５に通電することにより当該レーザ素子５の抵抗値が低減された状態において、引き続き発光注入電流Ｉopがレーザ素子５に注入されるので、レーザ素子５が発生する光パルスが狭幅化、かつ立ち上がりが急峻になるものと思われる。

さて、このようにして光パルス発生器ＬＳaで発生された光パルスは方向性結合器６に入射し、当該方向性結合器６を介して光ファイバＦに入射される。この結果、光ファイバＦ中では光パルスの伝搬位置において散乱光が順次発生し、当該散乱光のうち光パルの伝搬方向とは反対方向に散乱した後方散乱光が光ファイバＦ中を伝搬して、戻り光として方向性結合器６に入射する。また、光ファイバＦにおいて接続器等の反射要素が存在する位置においては光パルスの反射光が発生し、当該反射光も戻り光として方向性結合器６に入射する。

そして、このような戻り光は、方向性結合器６を介して受光部７に受光され、当該受光部７によって受光信号（電気信号）に変換される。そして、この受光信号は、増幅部８で増幅された後、Ａ／Ｄ変換部９によって受光データ（時系列データ）に変換されて表示部１０に入力される。そして、表示部１０は、図４に示すような測定画面を受光データに基づいて生成・表示する。

この測定画面において、光強度の全体的な傾きは光ファイバＦの伝送損失を示しており、また距離Ｌaにおける光強度の突発的な変化は反射の発生を示している。空間分解能は、このような反射の発生位置つまり距離Ｌaの識別能力を示すものであるが、本光パルス試験器Ａでは、光パルス発生器ＬＳaが従来よりも狭幅化された光パルスを発生することができるので、このような空間分解能を従来の光パルス試験器よりも向上させることができる。また、光パルスの立ち上がりが急峻になることによって、空間分解能をさらに向上させることができる。

また、レーザ素子５（レーザダイオード）では、当該レーザ素子５の発光しきい値に該当する注入電流値と予備駆動信号による注入電流との関係に応じた強度のＡＳＥ光（自然放出光）が発生する。光パルス試験器は、光ファイバＦから入射される戻り光の強度が微弱なため、測定精度を向上させるためには光パルスのピークレベルとノイズレベルとのダイナミックレンジを大きく、戻り光のＳ／Ｎ比を向上させる必要があるが、上記ＡＳＥ光は、このＳ／Ｎ比を低下させる。
しかしながら、本実施形態では、予備駆動信号の立ち下がりタイミングが駆動信号の立ち下がりタイミングと一致しているので、光パルスの出力後にＡＳＥ光が発生することがなく、よってＳ／Ｎ比を低下させることがない。

また、光パルス試験器はバッテリ駆動することが多いので消費電力を抑えることが要求されるが、予備駆動信号の立ち下がりタイミングを駆動信号の立ち下がりタイミングに一致させることにより、予備駆動信号による余計な電力消費を抑制することが可能であり、よってバッテリを長持ちさせることができる。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態に係る光パルス試験器について説明する。
図５は、第２実施形態に係る光パルス試験器Ｂの機能構成を示すブロック図である。本光パルス試験器Ｂは、図示するように光パルス発生器ＬＳbの構成のみが第１実施形態の光パルス発生器ＬＳaと相違する。図５では、第１実施形態に係る光パルス試験器Ａと同一の構成要素については同一符号を付している。

すなわち、本光パルス試験器Ｂにおける光パルス発生器ＬＳbは、駆動信号生成部１から出力された駆動信号及び予備駆動信号生成部３Ｂから出力された予備駆動信号を何れもレーザ駆動部２の駆動トランジスタ２ａのベース端子に印加するもの、つまり駆動信号と予備駆動信号とを合成した合成駆動信号で駆動トランジスタ２ａを駆動するものである。なお、駆動信号生成部１、レーザ駆動部２及び予備駆動信号生成部３Ｂは、本第２実施形態における駆動手段を構成している。

ここで、上述した第１実施形態の予備駆動信号生成部３が出力する予備駆動信号は、駆動トランジスタ４ａをＯＮ／ＯＦＦさせるのに十分なレベルのパルス信号であるが、本光パルス試験器Ｂにおける予備駆動信号生成部３Ｂは、図６に示すように上記予備駆動信号生成部３の予備駆動信号よりも小さなレベルのパルス信号、つまり駆動トランジスタ４ａを活性領域で作動させるものである。このような予備駆動信号と駆動信号とを合成して得られる合成駆動信号は、図６に示すように階段波状のパルス信号となる。
なお、この第２実施形態の場合も、光パルスの出力後にＡＳＥ光が発生することを防止するために、駆動信号及び予備駆動信号の立ち下がりタイミングは同一タイミングとなるように設定されている。

この合成駆動信号では、予備駆動信号のレベルに相当する波形部分Ｓ1によって、図３の波形図に示した先行注入電流Ｉpre（発光を引き起こすために必要なレベルを下回る注入電流）が設定され、駆動信号及び予備駆動信号の合計レベルに相当する波形部分Ｓ2によって、発光注入電流Ｉop（駆動信号に起因するパルス幅Ｔw-iopの注入電流）が設定される。
したがって、本第２実施形態によれば、上述した第１実施形態と同様にレーザ素子５が発生する光パルスを従来よりも狭幅化することができると共に、立ち上がりを従来よりも急峻にすることができる。

なお、本発明は上各記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上各記実施形態では駆動信号の立ち下がりタイミングと予備駆動信号の立ち下がりタイミングとを同一タイミングとしたが、駆動信号が立ち下がるより前のタイミングで駆動信号が立ち下がるようにしても良い。
また、上述したＡＳＥ光による戻り光のＳ／Ｎ比の低下を無視することができるような場合（例えば、光パルス発生器を光パルス試験器以外のアプリケーションに適用する場合）には、予備駆動信号を常時Ｈ（ハイ）レベルとしても良い。
さらには、駆動信号の立ち下がった後、所定時間が経過した時点で予備駆動信号が立ち下がるようにしても良い。
（２）上各記実施形態では光パルス発生器を光パルス試験器に適用した場合について説明したが、本発明に係る光パルス発生器は、光パルス試験器以外の各種アプリケーションに適用することができる。

本発明の第１実施形態に係わる光パルス試験器Ａの機能構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態における光パルス発生器ＬＳaの詳細構成を示す回路図である。 本発明の第１実施形態の光パルス発生器ＬＳaにおける各部波形を示す波形図である。 本発明の第１実施形態における測定画面の模式図である。 本発明の第２実施形態に係わる光パルス試験器Ｂの機能構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態の光パルス発生器ＬＳbにおける各部波形を示す波形図である。

符号の説明

Ａ，Ｂ…光パルス試験器、ＬＳa，ＬＳb…光パルス発生器、１…駆動信号生成部、２…レーザ駆動部、３，３Ｂ…予備駆動信号生成部、４…予備駆動部、５…レーザ素子、６…方向性結合器、７…受光部、８…増幅部、９…Ａ／Ｄ変換部、１０…表示部、Ｆ…光ファイバ

Claims (2)

1. 所定の駆動手段を用いてレーザダイオードにパルス状の駆動電流を通電することにより光パルスを発生する光パルス発生器であって、
   前記駆動手段は、
   所定の駆動信号に基づいて駆動トランジスタをＯＮ／ＯＦＦさせることにより前記駆動電流を前記レーザダイオードに通電し、また所定の予備駆動信号に基づいて前記駆動トランジスタを活性領域で作動させることにより誘導発光を引き起こすレベルを下回る予備駆動電流を前記レーザダイオードに通電するレーザ駆動部と、
   前記駆動信号を生成して前記駆動トランジスタに供給する駆動信号生成部と、
   前記予備駆動信号を生成して前記駆動トランジスタに供給する予備駆動信号生成部とを備え、
   前記予備駆動電流を前記駆動電流に先行して前記レーザダイオードに通電することを特徴とする光パルス発生器。
2. 請求項１記載の光パルス発生器で発生した光パルスを試験対象である光ファイバに供給し、当該光ファイバから得られる戻り光に基づいて光ファイバの特性を測定することを特徴とする光パルス試験器。

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