JP5748934B2 - 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、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、一般に光パルスの立上がりあるいは/及び立下りが急峻な程、またパルス幅が狭い程向上する。
従来の光パルス発生器には、スイッチング用トランジスタと電圧源とレーザダイオードとを閉ループ状に接続し、スイッチング用トランジスタをパルス状の制御信号でＯＮ／ＯＦＦ駆動するものが採用されており、このような構成においてスイッチング用トランジスタにスイッチング動作が高速な高速スイッチング用トランジスタを用いる、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立上がりや立下り急峻にしたり、あるいはパルス幅を狭幅化するものであったが、十分なものではなかった。
また、従来の光パルス発生器には、光パルスの波高値が小さく、これによって光パルスのダイナミックレンジが狭いという問題もある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、光パルスの立上がり及び立下りが従来よりも急峻で、光パルスのパルス幅が従来よりも狭く、また光パルスのダイナミックレンジが従来よりも広い光パルス発生器及び空間分解能が従来よりも高い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、前記レーザダイオードに逆バイアス電圧を印加する逆バイアス回路を備え、該逆バイアス回路によって逆バイアス電圧が印加されたレーザダイオードに順バイアス電圧を印加して駆動電流を通電し、前記逆バイアス回路は、前記レーザダイオードのアノード端子にカソード端子が接続されて前記レーザダイオードのカソード端子にアノード端子が接続されたダイオードと、該ダイオードの一端に接続された抵抗器と、該抵抗器を介して前記ダイオードに順バイアス電圧を印加する電圧源とを備える、という手段を採用する。
光パルス発生器に係る第２の解決手段として、上記第１の手段において、前記逆バイアス回路は、レーザダイオードと並列に接続されたダイオードに通電するバイアス電流を所定値以上に可変設定するバイアス電流設定手段を具備する、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または第２の手段において、前記逆バイアス回路は、レーザダイオードへの逆バイアス電圧の印加をＯＮ／ＯＦＦするスイッチを備える、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、逆バイアス回路によって逆バイアス電圧が印加されたレーザダイオードに順バイアス電圧を印加して駆動電流を通電するので、この結果として、レーザダイオードが発する光パルスの立ち上がり及び立下りを従来よりも急峻にすることができると共に、波高値を高くしてダイナミックレンジを広くすることができる。
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、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、本発明の一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、本光パルス試験器は、光パルス発生器１、方向性結合器２、受光部３、増幅部４、Ａ／Ｄ変換部５及び表示部６から構成されている。

光パルス発生器１は、測定光としての光パルスを発生して方向性結合器２に出射する。この光パルス発生器１は、本光パルス試験器の特徴的構成要件であり、図２に示すような詳細構成を有する。すなわち、光パルス発生器１は、制御信号源１ａ、駆動トランジスタ１ｂ、定電流源１ｃ、定電圧源１ｄ、レーザダイオード１ｅ及び逆バイアス回路１ｆから構成されている。これら構成要件のうち、制御信号源１ａ、駆動トランジスタ１ｂ、定電流源１ｃ、定電圧源１ｄ及び逆バイアス回路１ｆは、レーザダイオード１ｅを駆動するための駆動手段を構成している。

制御信号源１ａは、制御信号を発生して駆動トランジスタ１ｂのベース端子に供給する。この制御信号源１ａが発生する制御信号は、数ｎｓｅｃ程度の極めて狭いパルス幅のパルス信号である。駆動トランジスタ１ｂ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）に直列接続された定電圧源１ｄとレーザダイオード１ｅとが接続されており、また入力側（ベース端子）には上記制御信号源１ａから制御信号が入力され、さらにエミッタ端子には定電流源１ｃが接続されている。

定電流源１ｃは、駆動トランジスタ１ｂ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。定電圧源１ｄは、上記駆動トランジスタ１ｂの出力側及びレーザダイオード１ｅを順バイアスするためのものであり、正極がレーザダイオード１ｅのアノード端子に接続されている。また、レーザダイオード１ｅは、カソード端子が駆動トランジスタ１ｂのコレクタ端子に接続されている。

逆バイアス回路１ｆは、図示するようにバイアスダイオード１ｇ、定電圧源１ｈ及び抵抗器１ｉから構成されている。バイアスダイオード１ｇは、カソード端子が上記レーザダイオード１ｅのアノード端子及び定電圧源１ｈの負極に、またアノード端子が上記レーザダイオード１ｅのカソード端子及び抵抗器１ｉの一端にそれぞれ接続されている。定電圧源１ｈは、正極が抵抗器１ｉの他端に接続されている。すなわち、この逆バイアス回路１ｆは、バイアスダイオード１ｇ、定電圧源１ｈ及び抵抗器１ｉが閉ループ回路を構成すると共に、バイアスダイオード１ｇがレーザダイオード１ｅに対して逆極性で接続されたものである。

方向性結合器２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３に向けて出射する。受光部３は、上記戻り光を電気信号（受光信号）に光電変換して増幅部４に出力する。増幅部４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５に出力する。Ａ／Ｄ変換部５は、上記増幅部４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６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６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の動作、特に本光パルス試験器の特徴である光パルス発生器１の動作を説明する。

図３は、光パルス発生器１におけるレーザダイオード１ｅの印加電圧を示す波形図である。この図において、ＯＮ期間は、駆動トランジスタ１ｂが制御信号源１ａから供給された制御信号に基づいてＯＮ状態にある期間を示し、ＯＦＦ期間は、駆動トランジスタ１ｂが制御信号に基づいてＯＦＦ状態にある期間を示している。

この波形図に示すように、駆動トランジスタ１ｂがＯＦＦ状態にある場合、レーザダイオード１ｅは、逆バイアス回路１ｆから（つまり、定電圧源１ｈから抵抗器１ｉを介して）逆バイアス電圧が印加されている。この逆バイアス電圧は、レーザダイオード１ｅに並列接続されているバイアスダイオード１ｇの順方向電圧（一般のシリコンダイオードの場合には０．６Ｖ程度）である。

このような状態において、制御信号によって駆動トランジスタ１ｂがＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移すると、レーザダイオード１ｅには上記逆バイアス電圧を越える順方向バイアス電圧が定電圧源１ｄから印加され、定電圧源１ｄから注入される駆動電流によってレーザダイオード１ｅが光パルスを発生する。

図４は、制御信号のパルス幅を１０ｎｓｅｃとした場合の光パルスの波形図であり、（ａ）は本第１実施形態における光パルスの波形図、（ｂ）は従来（逆バイアス回路１ｆがない場合）における光パルスの波形図である。両者を比較するとわかるように、本第１実施形態の光パルスは、立上がり及び立下りが従来の光パルスよりも極めて急峻である。また、波高値が従来よりも２倍程度あり、したがってダイナミックレンジが従来よりも６ｄＢ程度広くなっている。

また、図５は、制御信号のパルス幅を５ｎｓｅｃとした場合の第１実施形態における光パルスの波形図である。この図５は、図４の場合に対して制御信号のパルス幅を半分にしたパルス信号の波形図を示すものであるが、立上がり及び立下りが従来の光パルスよりも急峻であり、また波高値も従来の光パルスよりも高いものとなっている。

このような光パルス発生器１で発生した光パルスは方向性結合器２に入射し、当該方向性結合器２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ス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２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２に入射する。

そして、このような戻り光は、方向性結合器２を介して受光部３に受光され、当該受光部３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４で増幅された後、Ａ／Ｄ変換部５によって受光データ（時系列データ）に変換されて表示部６に入力される。そして、表示部６は、図６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、本光パルス試験器では、光パルス発生器１が従来よりも立上がり及び立下りが急峻で、かつ波高値の高い光パルスを発生することができるので、上記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。

〔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。
なお、本光パルス試験器は上述した光パルス試験器に対して光パルス発生器の構成のみが相違する。したがって、以下では本光パルス試験器における光パルス発生器１Ｂについて詳しく説明する。

図７は、光パルス発生器１Ｂの詳細構成を示す回路図である。この図６と上記図２とを比較すると分かるように、光パルス発生器１Ｂは、逆バイアス回路１ｊの構成が第１実施形態の逆バイアス回路１ｆとは異なる。本第２実施形態における光パルス発生器１Ｂの逆バイアス回路１ｊは、第１実施形態の逆バイアス回路１ｆにおける定電圧源１ｈを可変電圧源１ｋに変更したものである。

この可変電圧源１ｋは、本第２実施形態における逆バイアス設定手段であり、出力電圧を可変設定することにより逆バイアス回路１ｊに流れる逆バイアス電流Ｉr（バイアスダイオード１ｇにとっては順バイアス電流であるが、レーザダイオード１ｅにとっては逆バイアス電流となる。）を所定値以上に可変設定するものである。また、この場合の逆バイアス電流Ｉrは、可変電圧源１ｋの出力電圧Ｅ、抵抗器の抵抗値Ｒ、及びバイアスダイオード１ｇの順方向電圧Ｅdとすると、Ｉr＝（Ｅ−Ｅd）／Ｒとなる。

このような光パルス発生器１Ｂでは、図８（ａ）に示すように、光パルスの立ち上がりタイミングが制御信号の立上がりタイミングに対して遅延する。この遅延量（発光遅延量Δｔ2）は、図８（ｂ）に示すように、逆バイアス電流Ｉrを所定値以上（図８（ｂ）の場合には約１７ｍＡ以上）に設定することにより有意な値となり、また逆バイアス電流Ｉrが増加するに従って増加する傾向を有する。

すなわち、このような光パルス発生器１Ｂによれば、逆バイアス電流Ｉrに応じて光パルスのパルス幅を狭幅化することができる。したがって、このような光パルス発生器１Ｂを用いる光パルス試験器によっても、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、見方を変えると、本第２実施形態における光パルス発生器１Ｂは、逆バイアス電流Ｉrに応じて光パルスのパルス幅を可変設定することが可能な光パルス発生器である。この光パルス発生器１Ｂによれば、逆バイアス電流Ｉrに応じて光パルスの立上がりタイミングを可変することができるので、例えば光パルス発生器におけるパルス幅のばらつきを容易に調整することができる。

なお、本発明は、上記各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が考えられる。
（１）上記各実施形態では、光パルス発生器１，１Ｂ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、光パルス試験器への適用のみに限定されるものではなく、光パルスの立上がり及び立下りの急峻性、高波高値あるいは/及び狭幅化が要求される各種アプリケーションに適用することが可能である。

（２）上記各実施形態では、逆バイアス回路１ｆ，１ｊを電圧源（定電圧源１ｈあるいは可変電圧源１ｋ）と抵抗器１ｉとバイアスダイオード１ｇとによって構成したが、本発明はこれに限定されるものではない。逆バイアス回路１ｆ，１ｊではレーザダイオード１ｅに印加する逆バイアス電圧は、バイアスダイオード１ｇの順方向電圧となり、バイアスダイオード１ｇにシリコンダイオードを用いたときには０．６Ｖ程度である。
この逆バイアス電圧は、レーザダイオード１ｅの逆降伏電圧以下に設定する必要があるが、逆バイアス回路は、逆バイアス電圧を上記逆降伏電圧以下に設定し得るものであれば他の構成でも良い。例えば、バイアスダイオード１ｇにゲルマニウムダイオード、あるいは定電圧ダイオードを用いて、逆バイアス電圧を変更することが考えられる。

（３）上記第２実施形態では可変電圧源１ｋを逆バイアス設定手段としたが、逆バイアス設定手段はこれに限定されない。例えば抵抗器１ｉを可変抵抗器として逆バイアス設定手段としても良い。
（４）上記第２実施形態は光パルスの立上がり及び立下りの急峻性、高波高値あるいは／及び狭幅化に加えて、パルス幅の可変が要求される各種アプリケーションに適用することができる。このようなアプリケーションとしては、例えばパルス幅変調器、パルス幅調整器、立上がり遅延が要求される可変トリガ装置が考えられる。

〔追加実施形態〕
次に、追加実施形態に係る光パルス試験器について説明する。
なお、本光パルス試験器は上述した光パルス試験器に対して光パルス発生器の構成のみが相違する。したがって、以下では本光パルス試験器における光パルス発生器１Ｃについて詳しく説明する。

図９は、光パルス発生器１Ｃの詳細構成を示す回路図である。この図９と上記図２とを比較すると分かるように、光パルス発生器１Ｃは、逆バイアス回路１ｋの構成が第１実施形態の逆バイアス回路１ｆとは異なる。本追加実施形態における光パルス発生器１Ｃの逆バイアス回路１ｋは、第１実施形態の逆バイアス回路１ｆに開閉スイッチ１ｍを付加したものである。

開閉スイッチ１ｍは、具体的にはフォトダイオードによってフォトＭＯＳＦＥＴをＯＮ/ＯＦＦさせることにより一対の端子を開閉するフォトＭＯＳリレーである。本光パルス試験器では、上記フォトＭＯＳリレーを開閉スイッチ１ｍとして用いることにより、開閉スイッチ１ｍを制御するデジタル回路と光パルス発生器１Ｃとの電気的なアイソレーションを確立し、デジタル回路から光パルス発生器１Ｃにデジタルノイズが侵入すること防止している。

このような開閉スイッチ１ｍを備えた光パルス発生器１Ｃは、パルス幅を狭幅化する必要がある場合、例えば狭パルス幅の光パルスを発生させる必要がある場合は、開閉スイッチ１ｍを閉状態にしてレーザダイオード１ｅに逆バイアス電流を流し、一方、パルス幅を狭幅化する必要がない場合、例えば比較的広いパルス幅の光パルスを発生させる場合には、開閉スイッチ１ｍを開状態としてレーザダイオード１ｅに逆バイアス電流を流さないようにする。

ところで、比較的広いパルス幅の光パルスを用いて光ファイバＦの特性を試験する場合、光パルスの立上がり及び立下りを急峻にする必要はない。光パルスの立上がり及び立下りを急峻にする必要がある場合は、狭パルス幅の光パルスを用いて光ファイバＦの特性を試験する場合である。また、比較的広いパルス幅の光パルスにおいて、当該光パルスの立上り及び立下りを急峻にすると、立上り部においてオーバーシュートやリンギングが生じ、このオーバーシュートやリンギングに起因して、図６に示した測定画面において光パルスの反射を示す光強度の突発的な変化の立上りあるいは立下りが乱れて急峻ではなくなり、空間分解能が低下するという問題がある。

しかしながら、本追加実施形態に係る光パルス試験器では、比較的広いパルス幅の光パルスを用いる場合に、開閉スイッチ１ｍを開状態として上記オーバーシュートやリンギングの発生を抑制することができるので、空間分解能の低下を抑制することができる。

なお、本追加実施形態では、開閉スイッチ１ｍとしてフォトＭＯＳリレーを採用したが、開閉スイッチ１ｍは、フォトＭＯＳリレーに限定されることなく各種方式のスイッチを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１の詳細構成を示す回路図である。 本発明の第１実施形態におけるレーザダイオード１ｅの印加電圧を示す波形図である。 本発明の第１実施形態において、制御信号のパルス幅を１０ｎｓｅｃとした場合の光パルスの波形図及び従来の波形図である。 本発明の第１実施形態において、制御信号のパルス幅を５ｎｓｅｃとした場合の光パルスの波形図である。 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実施形態における光パルス発生器１Ｂの詳細構成を示す回路図である。 本発明の第２実施形態における発光遅延を示す波形図及び特性図である。 本発明の追加実施形態における光パルス発生器１Ｃの詳細構成を示す回路図である。

符号の説明

１，１Ｂ，１Ｃ…光パルス発生器、１ａ…制御信号源、１ｂ…駆動トランジスタ、１ｃ…定電流源、１ｄ…定電圧源、１ｅ…レーザダイオード、１ｆ，１ｊ…逆バイアス回路、１ｇ…バイアスダイオード、１ｈ…定電圧源、１ｉ…抵抗器、１ｋ…可変電圧源、１ｍ…開閉スイッチ、２…方向性結合器、３…受光部、４…増幅部、５…Ａ／Ｄ変換部、６…表示部

Claims (4)

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、前記レーザダイオードに逆バイアス電圧を印加する逆バイアス回路を備え、該逆バイアス回路によって逆バイアス電圧が印加されたレーザダイオードに順バイアス電圧を印加して駆動電流を通電し、
   前記逆バイアス回路は、
   前記レーザダイオードのアノード端子にカソード端子が接続されて前記レーザダイオードのカソード端子にアノード端子が接続されたダイオードと、
   該ダイオードの一端に接続された抵抗器と、
   該抵抗器を介して前記ダイオードに順バイアス電圧を印加する電圧源と
   を備えることを特徴とする光パルス発生器。
2. 前記逆バイアス回路は、レーザダイオードと並列に接続されたダイオードに通電するバイアス電流を所定値以上に可変設定するバイアス電流設定手段を具備することを特徴とする請求項１記載の光パルス発生器。
3. 前記逆バイアス回路は、
   レーザダイオードへの逆バイアス電圧の印加をＯＮ／ＯＦＦするスイッチを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光パルス発生器。
4. 請求項１〜３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ことを特徴とする光パルス試験器。

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