JP5118601B2 - 光パルス試験器 - Google Patents

Description

本発明は、被測定光ファイバに光パルスを出射し、出射された光パルスの戻り光に基づいて被測定光ファイバの損失分布特性を解析する光パルス試験器に関し、特に、周辺温度の変化に起因する損失分布特性の測定誤差を補正する光パルス試験器に関する。

光パルス試験器は、被測定光ファイバに試験光としての光パルスＰを繰り返し入射して、光パルスＰの戻り光（フレネル反射光および後方散乱光）とその遅延時間を検出することにより、被測定光ファイバの障害点の特定や損失分布測定等の試験を行う装置である。

光パルス試験器の受光器としてはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche Photodiode）が用いられることが多いが、ＡＰＤの増倍率には温度依存性があるため、周辺温度に応じて損失分布特性を補正する必要がある。

そこで、損失分布特性の測定誤差を補正する光パルス試験器として、試験器内に備えられたダミーファイバの任意の位置における戻り光の光パワーレベルと予め設定されている初期値との差分値を、被測定光ファイバの戻り光の測定値に加算（または減算）することにより、損失分布特性を補正するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、被測定光ファイバの戻り光の測定値と初期値とのレベル差β、ダミーファイバの戻り光の測定値と初期値とのレベル差αをそれぞれ算出し、レベル差βからレベル差αを減算することにより、光パルス試験器に起因するレベル変動分を除いた被測定光ファイバの特性変化に伴う真のレベル変化量を算出するものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−２０７４１３号公報（［００３０］、図４） 特許第３０２５０２２号明細書（第７頁、図３、図４）

一般に、ＡＰＤにおいては、一定の周辺温度の下では逆バイアス電圧の増加に伴いその増倍率が増加し、一定の逆バイアス電圧の下では増倍率が周辺温度の増加に伴い増加する。このため、特許文献１および特許文献２に開示された従来の光パルス試験器は、周辺温度が低下した場合にはＡＰＤの増倍率が所望値よりも低下してしまうため、微弱な試験光の戻り光を検出することができないという課題があった。

そこで、使用温度範囲において一定の高い増倍率を用いるために、ＡＰＤの周辺温度をモニタすることにより逆バイアス電圧を周辺温度に応じて可変とすることが考えられるが、ＡＰＤの増倍率およびその温度傾斜には個体差があるため、逆バイアス電圧およびその温度傾斜をそれぞれのＡＰＤに合わせて個別調整する必要がある。

このため、個々のＡＰＤに対して、光パルス試験器への搭載前に温度特性を測定し、その結果を光パルス試験器に内蔵されたメモリに記憶させておき、周辺温度に合わせて逆バイアス電圧を設定することが考えられる。しかしながら、温度特性の評価には多大な時間を要するので、搭載される全てのＡＰＤについて温度特性の評価を実施すると製品コストの上昇を招いてしまう。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、ＡＰＤの個別調整を省略できるとともに、より微弱な試験光の戻り光を検出することができる光パルス試験器を提供することを目的とする。

本発明の光パルス試験器は、ダミー光ファイバを介して被測定光ファイバに光パルスを出射するパルス光源と、前記ダミー光ファイバおよび前記被測定光ファイバからの前記光パルスの戻り光を電気信号に変換するアバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードに逆バイアス電圧を印加するバイアス印加部と、を備え、前記アバランシェフォトダイオードによって変換された電気信号に基づいて前記被測定光ファイバの損失分布特性を測定する光パルス試験器において、前記アバランシェフォトダイオードの周辺温度を検出する温度センサと、前記アバランシェフォトダイオードを所定温度において所望の増倍率で動作させるための逆バイアス電圧および予め定められた逆バイアス電圧の温度傾斜を記憶する逆バイアス電圧温度特性メモリと、前記温度センサで検出された周辺温度、ならびに、前記逆バイアス電圧温度特性メモリに記憶された逆バイアス電圧および温度傾斜に基づいて、前記アバランシェフォトダイオードに印加される逆バイアス電圧の暫定値を算出して前記バイアス印加部に設定する暫定バイアス設定部と、前記暫定バイアス設定部で算出された逆バイアス電圧が前記バイアス印加部によって前記アバランシェフォトダイオードに印加された状態における前記ダミー光ファイバからの戻り光の電気信号に基づいて、前記アバランシェフォトダイオードを前記所望の増倍率で動作させるための逆バイアス電圧の補正値を算出して前記バイアス印加部に設定する補正バイアス設定部と、を備えた構成を有している。

この構成により、本発明の光パルス試験器は、ＡＰＤに印加される逆バイアス電圧の粗調整後に微調整を行って増倍率を一定に保つため、ＡＰＤの個別調整を省略できるとともに、より微弱な試験光の戻り光を検出することができる。

本発明は、ＡＰＤの個別調整を省略できるとともに、より微弱な試験光の戻り光を検出することができるという効果を有する光パルス試験器を提供するものである。

以下、本発明に係る光パルス試験器の実施形態について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明に係る光パルス試験器１を示すブロック図である。図２はアバランシェフォトダイオードの逆バイアス電圧温度特性、および本発明による補正の様子を表した模式的なグラフであり、実線はＡＰＤの暫定的な温度特性、点線は実際の温度特性を示す。

図１に示すように光パルス試験器１は、被測定光ファイバ５０および被測定光ファイバ５０に光学的に接続されたダミー光ファイバ１０へ光パルスＰを出射するパルス光源１１と、被測定光ファイバ５０およびダミー光ファイバ１０からの光パルスＰの戻り光を電気信号に変換するＡＰＤ１２と、ＡＰＤ１２に逆バイアス電圧Ｖ_Aを印加するバイアス印加部１３と、を備える。

また、光パルス試験器１は、ＡＰＤ１２の周辺温度Ｔを検出する温度センサ１４と、ＡＰＤ１２を所定温度Ｔ₀において所望の増倍率で動作させるための逆バイアス電圧Ｖ_A（Ｔ₀）および予め定められた逆バイアス電圧の温度傾斜を記憶する逆バイアス電圧温度特性メモリ１５と、温度センサ１４で検出された周辺温度Ｔ、ならびに、逆バイアス電圧温度特性メモリ１５に記憶された逆バイアス電圧Ｖ_A（Ｔ₀）および温度傾斜に基づいて、ＡＰＤ１２に印加される逆バイアス電圧（以下、暫定逆バイアス電圧と記す）Ｖ₀（Ｔ）を算出してバイアス印加部１３に設定する暫定バイアス設定部１６と、暫定バイアス設定部１６で算出された暫定逆バイアス電圧Ｖ₀（Ｔ）がバイアス印加部１３によってＡＰＤ１２に印加された状態におけるダミー光ファイバ１０からの戻り光の電気信号に基づいて、ＡＰＤ１２を所望の増倍率で動作させるための逆バイアス電圧の補正値（以下、補正逆バイアス電圧と記す）Ｖ（Ｔ）を算出してバイアス印加部１３に設定する補正バイアス設定部１７と、をさらに備える。

また、光パルス試験器１は、パルス光源１１から光パルスＰを出射させるためのパルスタイミング信号Ｅ_Pを出力するタイミング発生器１８と、タイミング発生器１８から出力されたパルスタイミング信号Ｅ_Pに従って、パルス光源１１から光パルスＰを出射させる駆動回路１９と、パルス光源１１から出射された光パルスＰをダミー光ファイバ１０および被測定光ファイバ５０に送出するとともに、ダミー光ファイバ１０および被測定光ファイバ５０からの戻り光をＡＰＤ１２に送出する光サーキュレータ２０と、ダミー光ファイバ１０と被測定光ファイバ５０とを光結合させる光コネクタ２１と、をさらに備える。

また、光パルス試験器１は、ＡＰＤ１２によって変換された電気信号を増幅する増幅器２２と、増幅器２２によって増幅された信号をサンプリングしてデジタル化するＡ／Ｄ変換器２３と、Ａ／Ｄ変換器２３によってデジタル化された信号に対して加算平均化処理等を行うことにより生成した波形データを波形メモリ２４に記憶させるとともに、波形データに基づいて被測定光ファイバ５０の損失分布特性を算出する損失分布特性算出部２５と、波形メモリ２４に記憶された波形データおよび被測定光ファイバ５０の損失分布特性を表示する表示部２６と、をさらに備える。

さらに、光パルス試験器１は、タイミング発生器１８、駆動回路１９、Ａ／Ｄ変換器２３、損失分布特性算出部２５、表示部２６を制御する制御部２７を備える。

ダミー光ファイバ１０は、光コネクタ２１を介して被測定光ファイバ５０に接続されており、損失分布特性等が予め既知であり、例えば５０ｍ程度の長さを有する。

タイミング発生器１８は、典型的なパルス周期が５０マイクロ秒（μｓ）程度かつパルス幅が５ナノ秒（ｎｓ）程度のパルスタイミング信号Ｅ_Pを駆動回路１９へ出力する。

駆動回路１９は、タイミング発生器１８から出力されるパルスタイミング信号Ｅ_Pを検出すると、光パルスＰの出射タイミング、光パワーレベル、波長などの情報を含む信号をパルス光源１１に出力する。パルス光源１１は、直接変調にて光パルスＰを生成する半導体レーザである。

逆バイアス電圧温度特性メモリ１５は、所定温度Ｔ₀（＝２５℃）においてＡＰＤ１２を所望の増倍率で動作させるための逆バイアス電圧Ｖ_A（２５℃）および典型的な温度傾斜を予め記憶している。一般に、逆バイアス電圧の温度傾斜はＡＰＤごとに異なるが、逆バイアス電圧温度特性メモリ１５は、例えば図２の実線で示されるような逆バイアス電圧Ｖ_A（２５℃）が６０ＶであるＡＰＤの逆バイアス電圧Ｖ_Aの温度傾斜−０．１２Ｖ／℃を記憶している。

損失分布特性算出部２５は、パルスタイミング信号Ｅ_Pがタイミング発生器１８から出力されるごとに、Ａ／Ｄ変換器２３によってサンプリングされたデータを一連の波形データとして取得する波形データ取得処理と、パルスタイミング信号Ｅ_Pがタイミング発生器１８から所定回数出力されるごとに、波形データ取得処理において取得された波形データを加算し平均化する平均化処理と、平均化処理において平均化された波形データを波形メモリ２４に記憶させる記憶処理と、波形メモリ２４に記憶された波形データに基づいて被測定光ファイバ５０の損失分布特性を評価する損失分布特性評価処理と、を実行する。

表示部２６は、波形メモリ２４に記憶された波形データおよび損失分布特性算出部２５によって算出された損失分布特性を表示するものであり、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）やＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などで構成される。

制御部２７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、演算処理結果を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）とを含む。

次に、本実施形態の光パルス試験器１の動作について説明する。
図３は、光パルス試験器１の処理手順の一例を示すフローチャートである。以下、このフローチャートと前述した図２の温度特性にしたがって光パルス試験器１の動作をその処理手順にしたがって説明する。処理手順は、ＡＰＤ１２に印加される逆バイアス電圧Ｖ_Aの粗調整段階（ステップＳ１、Ｓ２）および微調整段階（ステップＳ３〜Ｓ８）からなる校正段階と、被測定光ファイバ５０の測定段階（ステップＳ９）と、を含む。

まず、ＡＰＤ１２の周辺温度Ｔが温度センサ１４によって測定される（ステップＳ１）。

ステップＳ１で測定された周辺温度Ｔ、逆バイアス電圧温度特性メモリ１５に予め記憶された逆バイアス電圧Ｖ_A（２５℃）および温度傾斜−０．１２Ｖ／℃に基づいて、ＡＰＤ１２に対する暫定逆バイアス電圧Ｖ₀（Ｔ）が、暫定バイアス設定部１６によって算出され、バイアス印加部１３に設定される（ステップＳ２）。ここで、暫定逆バイアス電圧Ｖ₀（Ｔ）は［数１］によって求められる。

バイアス印加部１３によって逆バイアス電圧Ｖ_Aとして暫定逆バイアス電圧Ｖ₀（Ｔ）が設定されることにより、ＡＰＤ１２に暫定逆バイアス電圧Ｖ₀（Ｔ）が印加される（ステップＳ３）。

タイミング発生器１８からパルスタイミング信号Ｅ_Pが出力されると、駆動回路１９によって駆動されたパルス光源１１から光パルスＰが出射される。パルス光源１１から出射された光パルスＰは、光サーキュレータ２０を介してダミー光ファイバ１０に出射され、ダミー光ファイバ１０を透過した光パルスＰは、光コネクタ２１を介して被測定光ファイバ５０に出射される（ステップＳ４）。

ダミー光ファイバ１０および被測定光ファイバ５０に出射された光パルスＰは、戻り光となって光サーキュレータ２０を介してＡＰＤ１２に受光されて電気信号に変換される。ＡＰＤ１２によって変換された戻り光の電気信号は、増幅器２２によって増幅された後にＡ／Ｄ変換器２３によってサンプリングされてデジタル信号に変換される。

Ａ／Ｄ変換器２３から出力されたデジタル信号は、損失分布特性算出部２５に入力され、パルスタイミング信号Ｅ_Pがタイミング発生器１８から出力されるごとに一連の波形データとして波形メモリ２４に記憶される。さらに、パルスタイミング信号Ｅ_Pがタイミング発生器１８から所定回数出射されるごとに、波形メモリ２４に記憶された波形データは加算されて平均化された後に再び波形メモリ２４に記憶される。これにより、ダミー光ファイバ１０からの戻り光の光パワーレベルＬが取得される（ステップＳ５）。

ここで、波形メモリ２４に記憶された平均化処理後の波形データを図４に模式的に示す。実線はＡＰＤ１２が所望の増倍率で動作している際に予め測定された、ダミー光ファイバ１０からの戻り光の光パワーレベルの初期データＬ₀を示している。一方、一点鎖線は周辺温度Ｔが２５℃よりも低く、ＡＰＤ１２の増倍率が所望の増倍率よりも低下した状態で測定されたダミー光ファイバ１０からの戻り光の光パワーレベルＬを示している。

図４に示すように、光サーキュレータ２０とダミー光ファイバ１０との接続点におけるフレネル反射光Ｒ_F1に続き、ダミー光ファイバ１０の光導波路中の屈折率の揺らぎなどに起因する後方散乱光Ｓ_RがＡＰＤ１２に受光される。後方散乱光Ｓ_Rに続いて、ダミー光ファイバ１０と光コネクタ２１との微小なずれにより生じるフレネル反射光Ｒ_F2がＡＰＤ１２に受光される。

補正バイアス設定部１７によって、後方散乱光Ｓ_Rが受光された区間の任意の距離における戻り光の光パワーレベルＬが、該距離における初期データの光パワーレベルＬ₀と所定の範囲内（例えば±１％）で一致しているか否かが判定される（ステップＳ６）。

戻り光の光パワーレベルＬが該距離における初期データの光パワーレベルＬ₀と所定の範囲内で一致していないと判定された場合には、補正バイアス設定部１７によって、逆バイアス電圧Ｖ_Aを刻みα（例えば±０．１Ｖ）で変化させた値がバイアス印加部１３に設定され、ステップＳ３の処理に戻る（ステップＳ７）。ここで、周辺温度Ｔが２５℃よりも低い場合にはα＞０、周辺温度Ｔが２５℃よりも高い場合にはα＜０である。

戻り光の光パワーレベルＬが該距離における初期データの光パワーレベルＬ₀と所定の範囲内で一致していると判定された場合には、そのときＡＰＤ１２に印加されている逆バイアス電圧が補正逆バイアス電圧Ｖ（Ｔ）として決定され、バイアス印加部１３に設定される（ステップＳ８）。

バイアス印加部１３によって逆バイアス電圧Ｖ_Aとして補正逆バイアス電圧Ｖ（Ｔ）が設定されることにより、ＡＰＤ１２に補正逆バイアス電圧Ｖ（Ｔ）が印加される。ダミー光ファイバ１０に対して行われたステップＳ４、ステップＳ５の処理と同様に、損失分布特性算出部２５によって波形データが算出される。さらに、損失分布特性算出部２５によって被測定光ファイバ５０の損失分布特性が算出され、波形データおよび損失分布特性が表示部２６に表示される（ステップＳ９）。

以上説明したように、本実施形態の光パルス試験器は、予め定められた逆バイアス電圧の温度傾斜を用いてＡＰＤに印加される逆バイアス電圧の粗調整を行った後に微調整を行って増倍率を一定に保つため、ＡＰＤの個別調整を省略できるとともに、より微弱な試験光の戻り光を検出することができる。

また、本実施形態によれば、例えばペルチェ素子を用いた温度制御により周辺温度を一定にする必要がないため、低コストで光パルス試験器を提供することができる。

本発明の実施形態の光パルス試験器を示すブロック図 本発明の実施形態の光パルス試験器におけるアバランシェフォトダイオードの逆バイアス電圧温度特性およびその補正を示す図 本発明の実施形態の光パルス試験器の処理手順の一例を示すフローチャート ダミー光ファイバからの戻り光の光パワーレベルを示す模式図

符号の説明

１ 光パルス試験器
１０ ダミー光ファイバ
１１ パルス光源
１２ アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）
１３ バイアス印加部
１４ 温度センサ
１５ 逆バイアス電圧温度特性メモリ
１６ 暫定バイアス設定部
１７ 補正バイアス設定部
５０ 被測定光ファイバ

Claims (1)

1. ダミー光ファイバ（１０）を介して被測定光ファイバ（５０）に光パルス（Ｐ）を出射するパルス光源（１１）と、
   前記ダミー光ファイバおよび前記被測定光ファイバからの前記光パルスの戻り光を電気信号に変換するアバランシェフォトダイオード（１２）と、
   前記アバランシェフォトダイオードに逆バイアス電圧を印加するバイアス印加部（１３）と、を備え、
   前記アバランシェフォトダイオードによって変換された電気信号に基づいて前記被測定光ファイバの損失分布特性を測定する光パルス試験器において、
   前記アバランシェフォトダイオードの周辺温度を検出する温度センサ（１４）と、
   前記アバランシェフォトダイオードを所定温度において所望の増倍率で動作させるための逆バイアス電圧および予め定められた逆バイアス電圧の温度傾斜を記憶する逆バイアス電圧温度特性メモリ（１５）と、
   前記温度センサで検出された周辺温度、ならびに、前記逆バイアス電圧温度特性メモリに記憶された逆バイアス電圧および温度傾斜に基づいて、前記アバランシェフォトダイオードに印加される逆バイアス電圧の暫定値を算出して前記バイアス印加部に設定する暫定バイアス設定部（１６）と、
   前記暫定バイアス設定部で算出された逆バイアス電圧が前記バイアス印加部によって前記アバランシェフォトダイオードに印加された状態における前記ダミー光ファイバからの戻り光の電気信号に基づいて、前記アバランシェフォトダイオードを前記所望の増倍率で動作させるための逆バイアス電圧の補正値を算出して前記バイアス印加部に設定する補正バイアス設定部（１７）と、を備えることを特徴とする光パルス試験器。

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