JP5509001B2 - 二重化光線路の光路長差検出調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバにより構成される本線路と迂回線路の二重化光線路の光路長差を検出し調整することの可能な光路長差検出調整装置に関する。

近年、光ファイバ回線の支障移転工事等において、通信サービスを途絶させることなく、現用回線から移転先回線に移転させることを可能とするサービス無瞬断切替技術が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。
本技術は、光ファイバによる現用通信回線の光線路（以下、現用光線路）に対して光ファイバによる迂回通信回線の光線路（以下、迂回光線路）を用意し、２つの波長無依存カプラ（以下、ＷＩＣ：Wavelength Independent Coupler）を用いて現用光線路と迂回光線路とを結合させることで光線路の一時的な二重化を行った後、通信光を迂回光線路のみに伝送するように切り替えることにより、通信サービスを途絶えさせることなく現用光線路の工事を可能とするものである。その際、通信サービスを維持しながら光線路を二重化するには、現用光線路と迂回光線路の光路長差を規定の誤差範囲内に収め、通信に影響が出ないようにする必要がある。このため、迂回光線路に現用光線路との光路長差を正確に検出し、両者の光路長が一致するように調整するための手段が不可欠となる。

このような光路長差の検出及びその調整の一手法として、光ファイバを伝搬する光信号を一対のコリメータにより空間伝搬させる光空間光学系を構成し、コリメータ間の距離を連続的に変化させて光路長を調整する手法が提案されている。
この提案では、現用光線路及び迂回光線路の任意の２箇所をそれぞれＷＩＣで結合し、一方のＷＩＣで伝送装置に接続されていない空きポートから試験光チャープパルスを入力し、他方のＷＩＣの空きポートからチャープパルスの遅延差と干渉状態をオシロスコープで観測して光路長差を検出し、迂回光線路に設けられた光路長調整装置で光路長が一致するように調整する手法を採用する（例えば、非特許文献２参照）。

すなわち、上記の光路長差検出調整手法では、チャープパルス光源による試験パルス光の遅延差により光路差の粗調整を行った後、二重化線路による光の干渉に伴うビート波形の周波数解析に基づく微調整を行うようにしている。これは、試験光パルスが線形のチャープ特性を持つ場合、二重化線路の光路長差に比例して干渉によるビート周波数が観測されることを利用したものである。しかしながら、この光路長調整手法では、光路長が一致した場合には、干渉によるビート周波数が零となるため、観測信号の直流成分との弁別が困難であるという問題があった。また、コリメータやオシロスコープによる観測によって行う光路長差の調整は、その動作時間と共に、光路長一致の判別のためのさらなる計測等を要するために光路長調整に時間を要するといった問題もあった。

一方、一致点を挟んだ対称な光路長差（±ΔＬ）においてはビート周波数が一致することから、その中間点を光路長の一致点とする手法も提案されている。しかしながら、この手法では正確な一致点であることを確認することが極めて困難であった。

東、他：光アクセス媒体切り替え方式の基礎検討−サービス無瞬断光媒体切り替えシステム−，信学技法OFT2008-52, pp.27-31, 2008. Tanaka, et. al., Frame-loss-free Optical Line Switching Method for In-service Optical Network, J. Lightw. Technol., vol. 28, no. 4, pp.539-546, 2010.

以上のように、従来の二重化光線路の光路長差検出調整装置では、光路長の一致点を正確に求めることが困難であり、通信サービスを維持しながら回線を二重化するような状況において、規定の誤差範囲内に収めることが困難であった。
本発明は、上記の事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、二重化光線路の光路長差を安定的に検出することができ、これによって各光線路間の光路長を互いに一致するように正確に調整することのできる二重化光線路の光路長差検出調整装置を提供することにある。

本発明に係る二重化光線路の光路差検出調整装置は以下のような態様の構成とする。
（１）伝送装置間を結ぶ光ファイバによる本線路に対して光ファイバによる副線路の両端部を波長無依存型の一対のカプラにより光結合して形成される二重化光線路に用いられ、前記一対のカプラの内の一方のカプラの空きポートからチャープパルス光を試験光として入力して前記本線路及び副線路に分配伝送させるチャープパルス光源と、前記一対のカプラの内の他方のカプラの空きポートから当該他方のカプラの合波光を取り込み、当該合波光の波形を観測してパルス遅延差と干渉によるビート信号の周波数を求める観測装置と、前記副線路に介在され、前記試験光の光周波数をシフトする光周波数シフタと、前記副線路に介在され、空間光学系を用いて空間の伝送距離を調整することで前記副線路の光路長を調整する光路長調整装置と、前記観測装置の観測結果が前記光周波数シフタによってシフトされる光周波数に相当する値となるように前記光路長調整装置の調整を制御する制御装置とを具備し、前記制御装置は、前記観測装置で観測される前記パルス遅延差が一定範囲に収まるように前記光路長調整装置の光路長を粗調整し、前記観測装置で観測されるビート信号の周波数が前記光周波数のシフト量に対応するビート周波数となるように前記光路長調整装置の光路長を微調整する態様とする。

（２）（１）の構成において、前記観測装置は、前記カプラの合波光から前記光周波数シフト量に相当する周波数を有するビート信号の強度／振幅レベルを抽出するためのＩＦ（Intermediate Frequency）レベル検出器であって、前記光路長調整装置は、光路長差がｎ（ｎは２以上の自然数）のべき乗に比例したｎ個の光ファイバの組が複数段直列に配置され、それぞれの組における光信号の通過経路を光スイッチによって選択可能な光スイッチ式であり、前記制御装置は、前記観測装置で得られたＩＦレベルの値が一定の閾値を超えるように前記光スイッチ式の光路長調整装置の各段の光スイッチを選択制御する態様とする。

本発明は、副線路中に試験光用の光周波数シフタを備えたことを特徴としている。光周波数シフトを行うことにより、光路長差ゼロの際のビート周波数が光周波数のシフト量に一致するため、光路長差検出精度を向上させることが可能となる。
また、光路長差の検出と調整の自動化／高速化を実現するために、従来の光路長調整装置に代え、光路長差がｎ（ｎは２以上の自然数）のべき乗に比例したｎ個の光ファイバの組が複数段直列に配置され、それぞれの組における光信号の通過経路を光スイッチによって選択可能な光スイッチ式の調整装置を用い、また、観測装置として、ビート信号波形の強度／振幅レベルを検出するためのＩＦ(Intermediate Frequency)レベル検出器を用いることも特徴とする。この特徴により、スイッチの切替による光路長調整と高速スキャンによる光路長差の自動検出／調整が可能となる。

要するに本発明の構成によれば、二重化光線路の光路長差を安定的に検出することができ、これによって各光線路間の光路長を互いに一致するように正確に調整することのできる二重化光線路の光路長差検出調整装置を提供することができる。本技術は、例えば光ファイバによる現用通信回線に対して迂回回線を用意し、一時的に回線の二重化を行うことにより、サービスを途絶させることなく現用回線の工事を実行できる手段を提供する際に、現用回線と迂回回線の光路長差を調整して通信に影響が出ないようにするための光線路保守システム等に適用することが可能である。

本発明に係る二重化光線路の光路長差検出調整装置を用いた光伝送システムの第１の実施形態を示すブロック図。 本発明に係る二重化光線路の光路長差検出調整装置を用いた光伝送システムの第２の実施形態を示すブロック図。 図２に示すＩＦレベル検出器の具体的な構成を示すブロック図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明に係る二重化光線路の光路長差検出調整装置を用いた光伝送システムの一実施形態を示すブロック図である。図１において、伝送装置１１，１２間に光接続される現用光線路（本線路）１３に対して迂回光線路（副線路）１４を用意し、現用光線路１３の任意の２箇所で、それぞれ第１及び第２のＷＩＣ（波長無依存カプラ）１５，１６によって上記迂回光線路１４の両端部を光結合させる。第１のＷＩＣ１５の空きポートにはチャープパルス光源１７で発生されるチャープパルス光が試験光として入射され、第２のＷＩＣ１６の空きポートから被測定光が取り出されて波形観測装置（オシロスコープ）１８に送られる。

上記迂回光線路１４には、上記試験光の周波数を一定量シフトさせる光周波数シフタ１９と、光路長を自在に調整して伝送光を遅延させる光路長調整装置２０が介在される。光路長調整装置２０は、一組のファイバコリメータ２０１，２０２により伝送光を空間伝搬させる光空間光学系を構成し、ファイバコリメータ２０１，２０２間の距離を指示に従って連続的に変化させることで光路長を調整する。

上記第１のＷＩＣ１５に入射されたチャープパルス光（試験光）は、現用光線路１３及び迂回光線路１４で分配伝送され、第２のＷＩＣ１６で合波されて波形観測装置１８に送られる。その間、迂回光線路１４で伝送されるチャープパルス光は光周波数シフタ１９によって一定周波数シフトされ、光路長調整装置２０によって遅延されるため、第２のＷＩＣ１６で合波される段階で両者は遅延差と干渉が生じる。上記波形観測装置１８は、上記第２のＷＩＣ１６で合波されたチャープパルス光の遅延差及び干渉状態を波形から観測するオシロスコープによる装置である。この波形観測装置１８で得られるチャープパルス光の遅延差と干渉状態の観測結果は制御装置２１に送られる。この制御装置２１は、入力された観測結果に基づいて光路長調整装置２０に光路長の調整を指示する。

すなわち、上記構成による光路長差検出調整装置は、現用光線路１３に対して迂回光線路１４の両端をそれぞれＷＩＣ１５，１６で光結合し、第１のＷＩＣ１５で伝送装置１１に接続されていない空きポートから試験光であるチャープパルス光を入力し、第２のＷＩＣ１６の空きポートからチャープパルス光の遅延差と干渉状態を波形観測装置１８で観測し、制御装置２１で波形観測結果から光路長差を検出し、迂回光線路１４に設けられた光路長調整装置２０で光路長が一致するように調整する。

以下、上記構成による光路長差検出調整装置の処理動作について説明する。
図１において、一組の伝送装置１１，１２が二重化光線路を介して光通信を行うとき、現用光線路１３と迂回光線路１４に光路長差が存在する場合は、通常安定的な通信は実現できない。例えば1Gbpsの伝送レートを有するＧＥ−ＰＯＮ（Giga-bit Ether-Passive Optical Network）では、数cmの光路長差が伝送品質に影響を及ぼすことが知られている（非特許文献１参照）。このため、二重化光線路の光路長差を検出し、迂回光線路１４に挿入された光路長調整装置２０によりこれを補償する必要が生ずる。

光路長調整装置２０は、例えば一組のファイバコリメータ２０１，２０２により、光ファイバを伝搬する信号光を一度空間光に変換して再びファイバに結合させる空間光学系を構成して、コリメータ間の距離を変化させることにより実現できる。光路長差の検出法として、通信波長とは異なる波長の試験光を用いたチャープパルス光により光の干渉を利用する手法が提案されている。

図１に示すように、第１のＷＩＣ１５の伝送装置１２側の空きポートにチャープパルス光源１７を接続してパルス試験光を入力し、第２のＷＩＣ１６の空きポートに接続された波形観測装置１８により合波波形を観測する。ここで、現用光線路１３と迂回光線路１４の光路長差に応じたパルスの遅延差が観測され、これを基に光路長調整装置２０による光路長差の粗調整を行うことができるが、必ずしも十分な精度が得られるとは限らない。

一方、光路長差が一定のレベルを下回っていれば、波形観測装置２０上に干渉によるビート波形が観測される。これは、二重化光線路１３，１４に光路長差が存在する場合、チャープパルス光源１７から発射されたパルス試験光の到達時間に差があるため、波形観測装置１８で受光される試験光の光周波数が現用光線路経由と迂回光線路経由では異なるからである。

ただし、光路長差が大き過ぎれば光周波数の差も大きくなり、波形観測装置１８の観測可能な帯域を越えると干渉波形を観測することはできなくなる。このような場合、光路長調整装置２０により光路長差を微調整すれば、光周波数の差も小さくなってビート周波数はゼロに近づく。このため、例えば、チャープパルス光源１７が1.65μm帯のＤＦＢ−ＬＤ（Distributed Feedback-Laser Diode）パルス光源を用いた場合、光路長の一致をサブmmのオーダーで確認する手段となりえる（非特許文献１参照）。しかしながら、観測波形には直流成分が含まれているため、周波数解析によるビート周波数ゼロの判断を直接的に行うことは困難である。

そこで、図１に示すように、迂回光線路１４中に光周波数シフタ１９を配置して試験光に一定量の周波数シフトを行う。このようにすれば、波形観測装置１８で観測される迂回光線路経由の試験光の光周波数変化特性には一定のオフセットが加わることになるため、光路長差ゼロの際のビート周波数は光周波数のシフト量に一致することになる。光路長差がゼロでない場合は、これに対応した光源１７のチャープ特性に基づく光周波数差がシフト量に加わるため、周波数解析により光路長差がゼロではないことを判別することができる。

ここで、二重化光線路１３，１４の偏波変動によりビート波形の振幅が変動しても、光周波数シフタ１９によるシフト量が安定していれば、波形の周波数解析により安定的に光路長の一致点を検出することができる。一方、周波数シフトを与えない場合はビート周波数がゼロとなるため、パルス波形の平坦性からこれを判別する波形解析の手法を用いると偏波変動などの信号の揺らぎによる影響を受けやすくなる。また、本手法は、低コヒーレンス光源を用いて光路差を検出する方法に比べ、ＤＦＢ−ＬＤのようにスペクトル幅が狭い光源を用いることが可能であるため、損失の大きな迂回光線路１４であっても広帯域の光増幅を行う必要がない。

次に、上記の測定原理に基づいた光路長差の高速自動検出／調整法について説明する。これは、従来のコリメータやオシロスコープによる観測によって行う光路差調整では、その動作時間等のために光路調整に時間を要していたという問題点を解決するものである。

図２は本発明に係る二重化光線路の光路長差検出調整装置を用いた光伝送システムの第２の実施形態を示すブロック図である。図２において、光路長調整装置２２として、２種類の光路長を有する一対の光ファイバペアを選択可能な光スイッチ２２１〜２２ＮがＮ段直列に接続されている。２種類のファイバの一方は固定長、もう一方はこれに対し２のべき乗に比例した光路長差を有しており、各光スイッチのON/OFFにより２進法の原理でファイバ長差2^0=1（記号^はべき乗を表す）を最小単位とした光路長の表現が可能になっている。光スイッチ２２１〜２２Ｎは、スイッチドライバーにより並列駆動されるため、コントローラ２１による目標光路長を高速に実現することができる。

また、波形観測装置１８の代わりにビート波形の強度／振幅レベルを検出するためのＩＦ（Intermediate Frequency）レベル検出器２３が設置されている。これは、例えば図３に示すように、入射光を光電変換器２３１で受光して電気信号に変換し、光周波数のシフト量に対応した周波数をピーク周波数に持つ狭帯域のバンドパスフィルタ２３２により試験パルス光の干渉波形からビート波形を抽出した後、ダイオードの非線形特性を利用した自乗検波回路２３３と移動平均回路２３４によってビート波形の振幅レベルを反映した出力を得ること等によって構成される。

上記の構成において、迂回光線路１４を最小光路差毎に逐次延伸／伸縮させた時のＩＦレベル検出器２３の出力を光スイッチによる光路長調整装置２２がカバーする光路長差レンジでスキャンすれば、最大出力を与える迂回光線路の光路長（スイッチングパターン）が二重化光線路の光路長差ゼロに対応することになる。ＩＦレベル検出器２３からの出力をＡＤコンバータ（図示せず）によりコントローラ２１に取り込み、当該コントローラ２１からパラレルインターフェースにより光スイッチによる光路長調整装置２２に走査駆動指令を与えるといった構成にすれば、高速スキャンによる光路長差の自動検出／調整が可能となる。このとき、光路長差の検出時には迂回光線路１４の通信波長は遮断しておいて、試験光により光路長の一致が確認された後に通信光を導通させれば、光通信の二重化が完了する。

なお、光スイッチによるパスの切替に伴って迂回光線路１４の偏波状態が変化する場合には、ＩＦレベル検出器２３の出力の変化が光路長差によるものか偏波状態の変化によるものかの判断が困難となる。この場合、迂回光線路１４に偏波スクランブラーを挿入して偏波によるＩＦレベルの変化を均一化することが一つの解決手段となり得る。或いは、現用光線路１３における偏波状態の変動が少ない場合には、迂回光線路１４の光スイッチ式光路長調整装置２２の後に自動偏波コントローラを挿入してもよい。光スイッチによる光路長の調整後、偏波コントローラにより一定の偏波状態に変換してＩＦレベルの検出を行えばよい。

なお、本実施携帯では２進法をベースとした光スイッチによる光路長調整装置２２を用いているが、実際はこれに限らず、例えば３進法等のｎ進法をベースとしてｎ種類の光ファイバを光スイッチにより選択する方法も同様に構成可能である。
以上説明したように、本発明に係る実施形態によれば、光の干渉を利用した二重化光線路の光路長差検出を安定的に実行できる。本手法は異なる光路を通過し合波されるチャープパルス光が光路長差に応じたビート信号波形を生成することを利用しているが、一方の光路に光周波数シフタを挿入することにより、光路長差ゼロの状態においてシフト量と同一のビート周波数を観測することが可能なため、偏波変動による合波波形のゆらぎ等の影響を受けにくい。光周波数のシフトを行わない場合にビート周波数ゼロの状態を判別するための特別な波形解析処理も不要となる。また、光スイッチなどの高速な光路長調整手段を用いれば、光路長差の自動高速検出／調整が可能になる。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成を削除してもよい。さらに、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１，１２…伝送装置、１３…現用光線路、１４…迂回光線路、１５…第１のＷＩＣ、１６…第２のＷＩＣ、１７…チャープパルス光源、１８…波形観測装置（オシロスコープ）、１９…光周波数シフタ、２０…光路長調整装置、２０１，２０２…ファイバコリメータ、２１…制御装置、２２…光路長調整装置、２２１〜２２Ｎ…光スイッチ、２３…ＩＦレベル検出器、２３１…光電変換器、２３２…バンドパスフィルタ、２３３…自乗検波回路、２３４…移動平均回路。

Claims (2)

1. 伝送装置間を結ぶ光ファイバによる本線路に対して光ファイバによる副線路の両端部を波長無依存型の一対のカプラにより光結合して形成される二重化光線路に用いられ、
   前記一対のカプラの内の一方のカプラの空きポートからチャープパルス光を試験光として入力して前記本線路及び副線路に分配伝送させるチャープパルス光源と、
   前記一対のカプラの内の他方のカプラの空きポートから当該他方のカプラの合波光を取り込み、当該合波光の波形を観測してパルス遅延差と干渉によるビート信号の周波数を求める観測装置と、
   前記副線路に介在され、前記試験光の光周波数をシフトする光周波数シフタと、
   前記副線路に介在され、空間光学系を用いて空間の伝送距離を調整することで前記副線路の光路長を調整する光路長調整装置と、
   前記観測装置の観測結果が前記光周波数シフタによってシフトされる光周波数に相当する値となるように前記光路長調整装置の調整を制御する制御装置と
   を具備し、
   前記制御装置は、前記観測装置で観測される前記パルス遅延差が一定範囲に収まるように前記光路長調整装置の光路長を粗調整し、前記観測装置で観測されるビート信号の周波数が前記光周波数のシフト量に対応するビート周波数となるように前記光路長調整装置の光路長を微調整する
   ことを特徴とする二重化光線路の光路長差検出調整装置。
2. 前記観測装置は、前記カプラの合波光から前記光周波数シフト量に相当する周波数を有するビート信号の強度／振幅レベルを抽出するためのＩＦ（Intermediate Frequency）レベル検出器であって、
   前記光路長調整装置は、光路長差がｎ（ｎは２以上の自然数）のべき乗に比例したｎ個の光ファイバの組が複数段直列に配置され、それぞれの組における光信号の通過経路を光スイッチによって選択可能な光スイッチ式であり、
   前記制御装置は、前記観測装置で得られたＩＦレベルの値が一定の閾値を超えるように前記光スイッチ式の光路長調整装置の各段のスイッチを選択制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の二重化光線路の光路長差検出調整装置。

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