JP5189435B2 - 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、過大な背景光が重畳された戻り光を受光して損失分布特性を解析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、入射された光パルス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。

しかしながら、従来の光パルス試験器では、光海底ケーブルシステム、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信システム等をインサービスで測定する場合、これらのシステムに使用されているエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Erbium Doped Fiber Amplifier）で発生した自然放出光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）雑音および通信光の戻り光等が、過大な背景光として光パルス試験器の受光器に受光されるという問題があった。

すなわち、光パルス試験器の受光器は光パルスＰの戻り光と背景光との合波光を電気信号に変換するが、この電気信号は、後段の増幅器においてＤＣ結合により増幅されるため、背景光が過大である場合には飽和しやすくなる。このため、増幅器において大きなゲインを設定できないという問題があった。また、背景光が過大である場合には、増幅された合波光の電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器のオフセットレベルを適切に設定できないという問題もあった。

そこで、光パルスＰの戻り光が受光されていない期間の受光器からの出力信号をサンプリングすることにより、過大な背景光を受光した場合においても、Ａ／Ｄ変換器のオフセットレベルを一定とするようなフィードバック処理を実行する光パルス試験器が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
特開２００８−３００８号公報（［００３３］、図２） 特許第４０３７８４０号明細書（［００２３］〜［００２５］、図１）

しかしながら、上記提案に係る光パルス試験器では、オフセットレベルの調整はソフトウェア処理によって実行されており、適正なオフセットレベルの範囲の絞り込みに長時間を要する、あるいは、背景光のレベルが変動した場合はオフセットレベルを設定できず、信号を適正に増幅できないという課題があった。

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、背景光が過大である場合においてもオフセット処理を適正に行うことができるとともに、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。

上記課題を解決するために、本発明の光パルス試験器は、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受光器と、前記受光器によって変換された電気信号を増幅する増幅器と、前記増幅器によって増幅された電気信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、を備え、前記Ａ／Ｄ変換器によって変換されたデジタル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解析する光パルス試験器において、前記パルス光源から前記光パルスを出射させるための第１のタイミング信号を出力するとともに、前記光パルスの戻り光が前記受光器に受光されていない期間に第２のタイミング信号を出力するタイミング発生器と、前記受光器と前記増幅器との間に設けられ、前記受光器によって変換された電気信号の電圧レベルを前記第２のタイミング信号に従って保持し、前記保持された電圧レベルを有する電気信号を出力するサンプルホールド回路と、前記サンプルホールド回路と前記増幅器との間に設けられ、前記サンプルホールド回路から出力された電気信号を反転増幅する反転増幅器と、前記受光器と前記増幅器との間に設けられ、前記受光器によって変換された電気信号と前記反転増幅器によって反転増幅された電気信号とを加算する加算器と、を備える構成を有している。

この構成により、本発明の光パルス試験器は、光パルスの戻り光を受光している期間の受光器の出力信号から光パルスの戻り光を受光していない期間の受光器の出力信号を減算するため、背景光が過大である場合においてもオフセット処理を適正に行うことができるとともに、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、背景光が過大である場合においてもオフセット処理を適正に行うことができるとともに、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、本発明の実施形態の光パルス試験器について、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１に示すように光パルス試験器１は、被測定光ファイバ１０に光パルスＰを出射するパルス光源１１と、被測定光ファイバ１０からの光パルスＰの戻り光の光パワーレベルを電気信号に変換する受光器１２と、を備える。

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第１のタイミング信号としてのパルスタイミング信号Ｅ_Pを出力するとともに、光パルスＰの戻り光が受光器１２に受光されていない期間に第２のタイミング信号としてのサンプルホールドタイミング信号Ｅ_SHを出力するタイミング発生器１３と、受光器１２によって変換された電気信号の電圧レベルをサンプルホールドタイミング信号Ｅ_SHに従って保持し、保持された電圧レベルを有する電気信号を出力するサンプルホールド回路１４と、サンプルホールド回路１４から出力された電気信号を反転増幅する反転増幅器１５と、受光器１２によって変換された電気信号と反転増幅器１５によって反転増幅された電気信号とを加算する加算器１６と、をさらに備える。

また、光パルス試験器１は、タイミング発生器１３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１７と、パルス光源１１から出射された光パルスＰを被測定光ファイバ１０に送出するとともに、被測定光ファイバ１０からの戻り光を受光器１２に送出する光サーキュレータ１８と、受光器１２によって変換された電気信号を増幅する増幅器１９と、増幅器１９によって増幅された電気信号の低周波成分を透過させるローパスフィルタ（ＬＰＦ）２０と、加算器１６によって加算された信号を増幅する増幅器２１と、増幅器２１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２２と、Ａ／Ｄ変換器２２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２３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１０の損失分布特性を算出する損失分布特性算出部２４と、波形メモリ２３に記憶された波形データおよび被測定光ファイバ１０の損失分布特性を表示する表示部２５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１３、駆動回路１７、Ａ／Ｄ変換器２２、損失分布特性算出部２４、表示部２５を制御する制御部２６を備える。

被測定光ファイバ１０は、例えば光海底ケーブルシステムに用いられる場合、数千ｋｍ〜１万ｋｍの長さを有する。被測定光ファイバ１０には所定の距離（例えば５０ｋｍ）ごとに、ＥＤＦＡなどの光増幅器と、上り線路と下り線路とを結ぶ光パスと、を設けた光増幅中継器が配置されている。

なお、一般に、光増幅器は、発振防止のために光アイソレータを内蔵しているために、逆方向に光を伝搬しない。このため、光パルス試験器から光パルスＰが光海底ケーブルシステムの上り線路に入射されると、フレネル反射光や後方散乱光は、光パスを経由して下り線路から光パルス試験器に入射される。

タイミング発生器１３は、図２に示すように、典型的なパルス周期が１００ミリ秒（ｍｓ）程度かつパルス幅が１０マイクロ秒（μｓ）程度のパルスタイミング信号Ｅ_Pを駆動回路１７へ出力するとともに、光パルスＰの戻り光が受光器１２に受光されていない期間にパルス幅が数１０μｓ程度（例えば３０μｓ）のサンプルホールドタイミング信号Ｅ_SHをサンプルホールド回路１４へ出力する。

なお、光パルスＰの戻り光が受光器１２に受光されていない期間は、パルスタイミング信号Ｅ_Pのタイミングおよび被測定光ファイバ１０の線路長に基づいて予め決定されている。

駆動回路１７は、タイミング発生器１３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、例えば、所定波長の連続光（コヒーレント光）を生成する図示しない分布帰還型半導体レーザと、パルスタイミング信号Ｅ_Pに従って分布帰還型半導体レーザから出射された連続光をパルス化して光パルスＰを生成する図示しないパルス変調器と、を含む。

サンプルホールド回路１４は、タイミング発生器１３から出力されるサンプルホールドタイミング信号Ｅ_SHに従って、受光器１２によって電気信号に変換された後の戻り光の電圧レベルを抽出し、次のサンプルホールドタイミングまで保持するとともに、抽出された電圧レベルを有する電気信号を出力する。

損失分布特性算出部２４は、パルスタイミング信号Ｅ_Pがタイミング発生器１３から出力されるごとに、Ａ／Ｄ変換器２２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１３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２３に記憶させる記憶処理と、波形メモリ２３に記憶された波形データに基づいて被測定光ファイバ１０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２５は、波形メモリ２３に記憶された波形データおよび損失分布特性算出部２４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２６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。
タイミング発生器１３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１７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１８を介して被測定光ファイバ１０に出射され、戻り光となって光サーキュレータ１８を介して受光器１２に受光される。

戻り光は、受光器１２によって電気信号に変換され、増幅器１９によって増幅されてサンプルホールド回路１４およびＬＰＦ２０に出力される。ここで、増幅器１９から出力された直後のＡ点における戻り光の電気信号の電圧レベルを図３の（ａ）に模式的に示す。

図３（ａ）に示すように、時刻０から時刻ｔ₁の期間および時刻ｔ₂から時刻ｔ₃の期間においては、被測定光ファイバ１０からの光パルスＰの戻り光が受光器１２で受光されておらず、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂の期間および時刻ｔ₃から時刻ｔ₄の期間においては、被測定光ファイバ１０からの光パルスＰの戻り光が受光器１２で受光される状況を想定する。

図中のＡ点における電気信号の電圧レベルは、時刻０から時刻ｔ₁の期間および時刻ｔ₂から時刻ｔ₃の期間において、それぞれほぼ一定の電圧レベルを維持している。すなわち、時刻０から時刻ｔ₁の期間および時刻ｔ₂から時刻ｔ₃の期間においては、受光器１２は背景光のみを受光している。また、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂の期間および時刻ｔ₃から時刻ｔ₄の期間においては、受光器１２は背景光が重畳された戻り光を受光している。

一方、サンプルホールド回路１４に出力された背景光の電気信号は、サンプルホールド回路１４によって、時刻０から時刻ｔ₁の期間のうち、タイミング発生器１３から出力されるサンプルホールドタイミング信号Ｅ_SHに従った期間（例えば３０μｓ程度）の電圧レベルを平均化した値（以下、オフセット電圧レベルと記す）Ｖ₁を抽出される。時刻ｔ₂から時刻ｔ₃の期間についても同様にオフセット電圧レベルＶ₂が抽出される。

さらに、戻り光の電気信号は、サンプルホールド回路１４によって抽出されたオフセット電圧レベルＶ₁、Ｖ₂を有する電気信号に変換されて反転増幅器１５に出力される。ここで、反転増幅器１５によって反転増幅された直後のＢ点における電気信号の電圧レベル、および、Ｃ点におけるサンプルホールドタイミング信号Ｅ_SHの電圧レベルを図３の（ｂ）に模式的に示す。

図中のＢ点における電気信号の電圧レベルは、時刻０から時刻ｔ₅（ｔ₅＜ｔ₁）までの期間においてはサンプルホールド回路１４によるオフセット電圧レベルの抽出が完了していないためゼロであるが、時刻ｔ₅から時刻ｔ₆（ｔ₆＜ｔ₃）までの期間においては−Ｖ₁である。同様に、時刻ｔ₆以降は−Ｖ₂である。

そして、反転増幅器１５によって反転増幅された電気信号と、ＬＰＦ２０によって高周波成分をカットされた信号とが加算器１６によって加算される。ここで、加算器１６から出力された直後のＤ点における戻り光の電気信号の電圧レベルを図３の（ｃ）に模式的に示す。

図３（ｃ）に示すように、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂の期間および時刻ｔ₃から時刻ｔ₄の期間において、背景光の成分が除去された光パルスＰの戻り光の電気信号が取り出される。

加算器１６によって加算された信号は、適正にオフセット処理されているため、増幅器２１によって好適なゲインで増幅され、Ａ／Ｄ変換器２２によって適正にデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器２２から出力されたデジタル信号は損失分布特性算出部２４に入力され、損失分布特性算出部２４によって、波形データおよび被測定光ファイバ１０の損失分布特性が算出される。波形データおよび損失分布特性は表示部２５に表示される。

以上説明したように、本発明に係る光パルス試験器は、光パルスの戻り光を受光している期間の受光器の出力信号から光パルスの戻り光を受光していない期間の受光器の出力信号を減算するため、背景光が過大である場合においてもオフセット処理を適正に行うことができる。

また、本発明に係る光パルス試験器は、光パルスの戻り光を受光している期間の受光器の出力信号から光パルスの戻り光を受光していない期間の受光器の出力信号を減算するため、増幅器のゲインを従来よりも大きく設定することができ、より微弱な試験光の戻り光を検出することができる。

本発明の実施形態の光パルス試験器を示すブロック図 パルスタイミング信号Ｅ_P、サンプルホールドタイミング信号Ｅ_SHを示す模式図 本発明の実施形態の光パルス試験器のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ点における電気信号の電圧レベルと時間の関係を示すグラフ

符号の説明

１ 光パルス試験器
１０ 被測定光ファイバ
１１ パルス光源
１２ 受光器
１３ タイミング発生器
１４ サンプルホールド回路
１５ 反転増幅器
１６ 加算器

Claims (1)

1. 被測定光ファイバ（１０）に光パルス（Ｐ）を出射するパルス光源（１１）と、
   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受光器（１２）と、
   前記受光器によって変換された電気信号を増幅する増幅器（２１）と、
   前記増幅器によって増幅された電気信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器（２２）と、を備え、
   前記Ａ／Ｄ変換器によって変換されたデジタル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解析する光パルス試験器において、
   前記パルス光源から前記光パルスを出射させるための第１のタイミング信号（Ｅ_P）を出力するとともに、前記光パルスの戻り光が前記受光器に受光されていない期間に第２のタイミング信号（Ｅ_SH）を出力するタイミング発生器（１３）と、
   前記受光器と前記増幅器との間に設けられ、前記受光器によって変換された電気信号の電圧レベルを前記第２のタイミング信号に従って保持し、前記保持された電圧レベルを有する電気信号を出力するサンプルホールド回路（１４）と、
   前記サンプルホールド回路と前記増幅器との間に設けられ、前記サンプルホールド回路から出力された電気信号を反転増幅する反転増幅器（１５）と、
   前記受光器と前記増幅器との間に設けられ、前記受光器によって変換された電気信号と前記反転増幅器によって反転増幅された電気信号とを加算する加算器（１６）と、を備える光パルス試験器。

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