JP5500344B2

JP5500344B2 - 光パルス試験器

Info

Publication number: JP5500344B2
Application number: JP2009262946A
Authority: JP
Inventors: 靖古川
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2029-11-18
Also published as: JP2011106991A

Description

本発明は、光パルスを光ファイバに向けて射出するパルス発生部と、前記光パルスに基づくレイリー後方散乱光に含まれるフォトンを検出するフォトン検出部と、フォトン検出部で検出されたフォトンをカウントするフォトンカウント部とを備える光パルス試験器に関する。

光ファイバの特性を測定する装置として、フォトンカウンティング方式を用いたＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）が知られている。この装置では、レーザパルスを光ファイバに照射し、そのレイリー後方散乱光（ＲＢＳ；Rayleigh Backscatter Signal）に含まれるフォトンをアバランシェ・フォトダイオードで検出することで光ファイバの特性を測定している。アバランシェ・フォトダイオードはゲート信号が印加されたときにガイガーモードで動作し、ゲート信号が印加されたときのみフォトンを検出する。ゲート信号を印加するタイミングを少しずつ変えながら、そのときに検出されたフォトンをカウントすることでファイバの距離とフォトンのカウント数との関係を得ている。

米国特許公開第２００８／０２３１８４２号明細書

上記装置ではレーザパルスを１回照射するたびにゲート信号を１回ずつ印加している。このため、長い光ファイバを充分なダイナミックレンジで測定するためには、レーザパルスを多数回照射する必要があり、測定に長時間を要するという問題がある。

本発明の目的は、測定時間を短縮することができる光パルス試験器を提供することにある。

本発明の光パルス試験器は、光パルスを光ファイバに向けて射出するパルス発生部と、前記光パルスに基づくレイリー後方散乱光に含まれるフォトンを検出するフォトン検出部と、フォトン検出部で検出されたフォトンをカウントするフォトンカウント部とを備え、前記フォトン検出部における検出を有効とするゲート信号を前記フォトン検出部に印加するタイミングを変えながら前記フォトンカウント部でのカウントを行うことで前記光ファイバの距離とフォトンのカウント数との関係を求める光パルス試験器において、前記パルス発生部から前記光パルスを１回射出するたびに、前記ゲート信号を前記フォトン検出部に前記光ファイバの距離に対して離散的なタイミングで複数回印加するように、前記パルス発生部、前記フォトン検出部および前記フォトンカウント部を制御する制御手段を備え、前記パルス発生部から前記光パルスを１回射出した後、次の前記光パルスの照射前に、前記ゲート信号の前記フォトン検出部への印加と、当該ゲート信号に基づいて検出されたフォトンの前記フォトンカウント部でのカウントとが、複数回繰り返され、前記フォトン検出部における検出が有効な期間は、前記ゲート信号が前記フォトン検出部に印加されている期間に対応し、前記光ファイバの距離の測定範囲に隙間および重複が生じないように、前記ゲート信号の前記フォトン検出部への印加のタイミングが前記パルス発生部からの前記光パルスの射出ごとにずらされることを特徴とする。
この光パルス試験器によれば、パルス発生部から光パルスを１回射出するたびに、ゲート信号をフォトン検出部に複数回印加するので、測定時間を短縮することができる。

前記ゲート信号の前記フォトン検出部への印加と、当該ゲート信号に基づいて検出されたフォトンの前記フォトンカウント部でのカウントとが交互に実行されてもよい。

本発明の光パルス試験器によれば、パルス発生部から光パルスを１回射出するたびに、ゲート信号をフォトン検出部に複数回印加するので、測定時間を短縮することができる。

一実施形態の光パルス試験器の構成を示すブロック図。光パルス試験器の動作を示すフローチャート。測定動作を示すタイミングチャートであり、（ａ）は本実施形態の光パルス試験器の動作を示す図、（ｂ）は従来の装置の動作を示す図。測定終了後における測定結果の表示例を示す図。

以下、本発明による光パルス試験器の一実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の光パルス試験器の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の光パルス試験器１は、レーザパルスを被試験体である光ファイバ２に向けて射出するパルス発生部１１と、アバランシェ・フォトダイオードにより構成され、光ファイバ２から戻るレイリー後方散乱光に含まれるフォトンを検出するフォトン検出部１２と、フォトン検出部１２におけるフォトンの検出カウント数を測定区間と対応付けてヒストグラムメモリ１３ａに格納することで、フォトンをカウントするフォトンカウント部１３と、フォトンカウント部１３におけるカウント数に基づく測定結果を表示する表示部１４と、測定のダイナミックレンジの値を保存するダイナミックレンジ・パラメータ保存部１５と、測定開始位置から測定終了位置までの各区間距離の値を保存する測定距離パラメータ保存部１６と、フォトン検出部１２に与えるゲート信号の時間幅（ゲート幅）の値を保存するゲート幅パラメータ保存部１７と、測定条件の選択を受け付ける測定条件設定部１９と、パルス発生部１１、フォトン検出部１２、フォトンカウント部１３、表示部１４、ダイナミックレンジ・パラメータ保存部１５、測定距離パラメータ保存部１６、ゲート幅パラメータ保存部１７、測定時間演算部１８および測定条件設定部１９を制御する制御部２０と、を備える。

測定時には、ダイナミックレンジ・パラメータ保存部１５、測定距離パラメータ保存部１６およびゲート幅パラメータ保存部１７からそれぞれ与えられる測定のダイナミックレンジの値、測定開始位置から測定終了位置までの各区間距離の値およびフォトン検出部１２に与えるゲート信号の時間幅（ゲート幅）の値に基づき、パルス発生部１１におけるレーザパルスの射出タイミング、フォトン検出部１２におけるフォトンの検出タイミングが制御される。

フォトン検出部１２を構成するアバランシェ・フォトダイオードはゲート信号が印加されたときにガイガーモードで動作し、ゲート信号が印加されたときのみフォトンを検出する。ゲート信号を印加するタイミング（レーザパルス射出からの経過時間）を少しずつ変えながら、そのときに検出されたフォトンをフォトンカウント部１３でカウントすることでファイバの距離とフォトンのカウント数との関係を得ることができる。

本実施形態の光パルス試験器は、パルス発生部１１からレーザパルスを１回照射するたびに、複数回のゲート信号をフォトン検出部１２に印加する点を特徴としている。

ゲート信号の印加タイミングおよび印加回数ｎは、ダイナミックレンジ・パラメータ保存部１５、測定距離パラメータ保存部１６およびゲート幅パラメータ保存部１７からそれぞれ与えられる測定のダイナミックレンジの値、測定開始位置から測定終了位置までの各区間距離の値およびフォトン検出部１２に与えるゲート信号の時間幅（ゲート幅Ｔ／５）の値に基づき制御部２０において測定に先だって算出され、ゲート信号情報として保存される。また、制御部２０はそのゲート信号情報に従ってゲート信号の印加タイミングおよび印加回数ｎを制御する。

図２は本実施形態の光パルス試験器の動作を示すフローチャート、図３（ａ）は本実施形態の光パルス試験器の動作を示すタイミングチャートである。

図２に示す処理は、制御部２０の制御に従って行われる光パルスの照射、ゲート信号の印加およびフォトンのカウントに関するものであり、パルス発生部１１からレーザパルスが照射されるごとに、ステップＳ２〜ステップＳ７の手順が繰り返し実行される。

図２のステップＳ０では、所定のタイミング（周期Ｔ０）でパルス発生部１１から光パルスを１回射出する。

次に、ステップＳ１では、ゲート信号の印加回数のカウント数ｋをゼロに設定する。

次に、ステップＳ２では、カウント数ｋに１を加算する。次に、ステップＳ３では、ゲート信号の印加開始のタイミングになったか否か判断する。ここでは、保存されている上記ゲート信号情報に基づき、現在時刻がｋ回目のゲート信号の印加開始時刻になったか否かを判断し、判断が肯定されるのを待って、ステップＳ４へ進む。

ステップＳ４では、フォトン検出部１２に対するゲート信号の印加を維持し、ステップＳ５へ進む。ここでは、フォトンカウント部１３におけるフィトンのカウント数が測定区間と対応付けられてヒストグラムメモリ１３ａに格納される。

ステップＳ５では、ゲート信号の印加終了のタイミングになったか否か判断する。ここでは、上記ゲート信号情報に基づき、現在時刻がｋ回目のゲート信号の印加を終了すべき時刻になったか否かを判断し、判断が肯定されればステップＳ６へ進み、判断が否定されればステップＳ４へ戻る。

ステップＳ６では、ゲート信号の印加を停止してフォトンの検出を終了する。

次に、ステップＳ７では、上記ゲート信号情報に基づき、カウント数ｋがゲート信号の印加回数ｎに等しいか否か判断し、判断が肯定されればステップＳ８へ進み、判断が否定されればステップＳ２へ戻る。

ステップＳ８では、測定が終了したか否か判断し、判断が肯定されれば処理を終了し、判断が否定されればステップＳ０へ戻る。

図３（ａ）に示すように、上記の動作において、光パルスＰはパルス発生部１１から周期Ｔ０で射出される（ステップＳ０）。光パルスＰの射出後、次の光パルスＰが射出されるまでの間に、１周目のゲートパルスＰＡ１，ＰＡ２，・・・ＰＡｎによって印加回数ｎにわたりゲート印加され、繰り返しフォトンの検出およびカウントが行われる（ステップＳ２〜ステップＳ７）。

図３（ａ）の例では、ゲートパルスＰＡ１，ＰＡ２，・・・ＰＡｎの周期Ｔに対し、ゲートパルスＰＡ１，ＰＡ２，・・・ＰＡｎのパルス幅をＴ／５としている。これは、１回のゲート印加に対してフォトンを検出した場合、検出回数を記憶しているヒストグラムメモリ１３ａからデータを読み出し、検出回数に１を加算して再びメモリ１３ａに書き込むという一連の処理（ステップＳ４）に要する時間を確保するため、周期（Ｔ）をパルス幅（Ｔ／５）よりも長く設定する必要があるためである。

１周目のゲート印加（ステップＳ２〜ステップＳ７）が、上記ゲート信号情報に従って測定のダイナミックレンジの値に応じた回数繰り返された後、２周目のゲート印加に移行する。

２周目のゲート印加では、ゲートパルスＰＢ１，ＰＢ２，・・・ＰＢｎによって印加回数ｎにわたりゲート印加され、繰り返しフォトンの検出およびカウントが行われる（ステップＳ２〜ステップＳ７）。図３（ａ）に示すように、ゲートパルスＰＢ１，ＰＢ２，・・・ＰＢｎのタイミングは、ゲートパルスＰＡ１，ＰＡ２，・・・ＰＡｎのタイミングよりもそれぞれのパルス幅に相当するＴ／５ずつ遅れており、測定範囲に隙間や重複が生じないようにされている。

２周目のゲート印加（ステップＳ２〜ステップＳ７）が、上記ゲート信号情報に従って測定のダイナミックレンジの値に応じた回数繰り返された後、３周目のゲート印加に移行する。

以降、３周目〜５周目のゲート印加が同様に実行される。図３（ａ）に示すように、３周目のゲート印加におけるゲートパルスＰＣ１，ＰＣ２，・・・ＰＣｎ、４周目のゲート印加におけるゲートパルスＰＤ１，ＰＤ２，・・・ＰＤｎ、５周目のゲート印加におけるゲートパルスＰＥ１，ＰＥ２，・・・ＰＥｎのタイミングは、順次、直前の周回のゲート印加よりもそれぞれのパルス幅に相当するＴ／５ずつ遅れている。このため、５周分のゲート印加により、測定範囲Ｔｍについて隙間や重複が生じることなく、フォトンをカウントすることができる。このため、測定範囲全体についてフォトンの頻度を正確に検出することが可能となる。

図４は、測定終了後における測定結果の表示例を示す図である。

測定終了時には、ヒストグラムメモリ１３ａにフィトンのカウント数が測定区間と対応付けて格納されており、制御部２０はヒストグラムメモリ１３ａのデータを読み込み、表示部１４に測定結果を表示する。

図４に示すように、表示部１４の画面上の領域１４ａには、フォトンカウント部１３でのカウント数に従って、カウントファイバの距離とフォトンのカウント数との関係を示すグラフが測定結果として表示される。このグラフでは横軸に光ファイバ２の距離（測定位置）が、縦軸にフォトンのカウント数に基づくレイリー後方散乱光の強度が、それぞれ示される。横軸に示す光ファイバ２の距離は、パルス発生部１１によるレーザパルス射出からフォトン検出部１２におけるフォトンの検出時（ゲート信号を印加するタイミング）までの経過時間に対応している。

このように、本実施形態では、１回の光パルスＰの射出に対して、複数回、ゲート印加を行うので、測定時間を短縮できる。

一方、図３（ｂ）は、従来の装置におけるゲート印加のタイミングを例示している。ここでは、ゲート印加のゲート幅を図３（ａ）と同様のゲート幅（Ｔ／５）とした場合を示している。図３（ｂ）に示すように、従来の装置では、１回の光パルスＰの射出に対して１回ずつゲート印加を行っている。このような従来の装置において、例えば、２０ｋｍ長の光ファイバの全体を測定する場合には、以下の計算により測定時間が求められる。

ファイバ端面の２次反射を抑制するためには、レーザパルスの繰り返し周期は２０ｋｍの２倍以上に相当する０．４ｍｓ以上に設定する必要がある。ゲート信号の幅を４０ｎｓとすると、２０ｋｍ長のファイバは１０^４の区間に区切られる。測定のダイナミックレンジを２０ｄＢ（５log_１０表示）とすると、１つの区間当たり１０^４回のゲート印加回数が必要となる。したがって、測定時間は、ゲート印加回数（１０^４）×レーザ周期（０．４ｍｓ）×区間数（１０^４）＝４×１０^４秒と算出され、１１時間を越えることになる。

これに対し、本実施形態の光パルス試験器によれば、ヒストグラムメモリ１３ａの加算処理時間等として２００ｎｓ（＝５クロック×４０ｎｓ）が必要だとすると、レーザパルスの繰り返し周期０．４ｍｓ（周期Ｔ０）の間に２００ｎｓ間隔で２０００個のゲート印加が行われる。この場合、図３（ａ）に示すように、ゲート位置をずらしながら５回測定することでファイバ全体を測定することができる。したがって、測定時間は、ゲート印加回数（ｎ＝１０^４）×周期Ｔ０（０．４ｍｓ）×区間数（１０^４÷２０００）＝２０秒と算出され、従来の装置に比べて測定時間を大幅に短縮できる。

上記実施形態では、ゲート印加の周期とパルス幅の比率を５：１としているが、この比率は必要な処理に要する時間に応じて適宜、選択できる。通常であれば、ロジック回路のシステムクロックに同期してゲートを生成するため、この比率は自然と整数比となる。

また、ゲート印加のタイミングのずらし方は任意であり、図３（ａ）に示す手順に限定されない。測定開始から測定終了までの間に、測定範囲が網羅できるようにゲート印加のタイミングを設定すればよい。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、光パルスを光ファイバに向けて射出するパルス発生部と、前記光パルスに基づくレイリー後方散乱光に含まれるフォトンを検出するフォトン検出部と、フォトン検出部で検出されたフォトンをカウントするフォトンカウント部とを備える光パルス試験器に対し、広く適用することができる。

１１パルス発生部
１２フォトン検出部
１３フォトンカウント部
２０制御部（制御手段）

Claims

光パルスを光ファイバに向けて射出するパルス発生部と、前記光パルスに基づくレイリー後方散乱光に含まれるフォトンを検出するフォトン検出部と、フォトン検出部で検出されたフォトンをカウントするフォトンカウント部とを備え、前記フォトン検出部における検出を有効とするゲート信号を前記フォトン検出部に印加するタイミングを変えながら前記フォトンカウント部でのカウントを行うことで前記光ファイバの距離とフォトンのカウント数との関係を求める光パルス試験器において、
前記パルス発生部から前記光パルスを１回射出するたびに、前記ゲート信号を前記フォトン検出部に前記光ファイバの距離に対して離散的なタイミングで複数回印加するように、前記パルス発生部、前記フォトン検出部および前記フォトンカウント部を制御する制御手段を備え、
前記パルス発生部から前記光パルスを１回射出した後、次の前記光パルスの照射前に、前記ゲート信号の前記フォトン検出部への印加と、当該ゲート信号に基づいて検出されたフォトンの前記フォトンカウント部でのカウントとが、複数回繰り返され、
前記フォトン検出部における検出が有効な期間は、前記ゲート信号が前記フォトン検出部に印加されている期間に対応し、
前記光ファイバの距離の測定範囲に隙間および重複が生じないように、前記ゲート信号の前記フォトン検出部への印加のタイミングが前記パルス発生部からの前記光パルスの射出ごとにずらされることを特徴とする光パルス試験器。
前記ゲート信号の前記フォトン検出部への印加と、当該ゲート信号に基づいて検出されたフォトンの前記フォトンカウント部でのカウントとが交互に実行されることを特徴とする請求項１に記載の光パルス試験器。