JP5883730B2 - Optical line monitoring device - Google Patents
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Description
本発明は、光線路監視装置に関し、特に、光ファイバによって構成される光線路内に存在する破断位置、光線路周辺のひずみ、および温度変化を監視する光線路監視装置に関する。 The present invention relates to an optical line monitoring apparatus, and more particularly, to an optical line monitoring apparatus that monitors a break position, distortion around an optical line, and temperature change existing in an optical line constituted by optical fibers.
これまで、光線路内に発生する損失や破断点を検出するために、OTDR(Optical time domain Reflectometer)が使用されてきた(特許文献1)。特許文献1に開示されている方式は、光パルスを光線路内に出力し、破断点や接続点で発生する反射戻り光強度と伝搬時間を計測し反射位置を観測する方式である。
Until now, OTDR (Optical time domain Reflectometer) has been used in order to detect a loss and a break point generated in an optical line (Patent Document 1). The method disclosed in
従来の汎用的なパルス式OTDRの概略を図7に示す。パルス式OTDR100から出力された出力光パルスは、被監視光線路200内を伝播し、反射点P1およびP2において反射された後、後方へ伝播し、OTDR100に戻り光として入射する。OTDR100と反射点P1、およびOTDR100と反射点P2の間の距離は、OTDR100から出力光パルスが出力されOTDR100に戻り光として入射するまでの時間と、被監視光線路200の実行屈折率とから計算される。
An outline of a conventional general-purpose pulse OTDR is shown in FIG. The output light pulse output from the
この様な光パルス方式(図7)では、空間分解能はパルス幅や後方散乱光の影響度に依存し、光線路内に複数の反射点が存在し、これらの反射点とパルス源との距離差が小さい場合は、高精度に反射位置を識別することが困難である。反射位置を高精度に測定するために、反射点間に存在する共振モードの周波数スペクトルを計測し、それから反射点間距離を算出する方法が提案されている。 In such an optical pulse method (FIG. 7), the spatial resolution depends on the pulse width and the influence of backscattered light, and there are a plurality of reflection points in the optical line, and the distance between these reflection points and the pulse source. When the difference is small, it is difficult to identify the reflection position with high accuracy. In order to measure the reflection position with high accuracy, a method has been proposed in which the frequency spectrum of the resonance mode existing between the reflection points is measured and the distance between the reflection points is calculated therefrom.
光線路内の共振周波数スペクトルから反射位置を高精度に測定するとともに、反射位置が既知である光線路において、その周波数スペクトルから該当位置に発生するひずみや温度変化を計測する。 The reflection position is measured with high accuracy from the resonance frequency spectrum in the optical line, and in the optical line whose reflection position is known, strain and temperature change generated at the corresponding position are measured from the frequency spectrum.
上記目的を達成するために、本発明の光線路監視装置は、被監視光線路内の1または複数の所定の位置を算出し、かつ1または複数の所定の位置において発生するひずみや温度変化を測定する光線路監視装置であって、任意の発振波長を選択可能な半導体レーザと、半導体レーザの出力光を伝搬する第一の光線路と、第二の光線路と、第三の光線路と、第一の光線路の伝搬光を、被監視光線路と第二の光線路とに分波し、被監視光線路の伝搬光を第一の光線路と第三の光線路に分波する光分波器と、第一の光線路と被監視光線路と、これらを結ぶ光路内の任意の位置に設けられた偏波制御器と、第二の光線路の伝搬光を電気信号に変換する受光器と、電気信号の周波数スペクトラムを出力する電気スペクトラムアナライザと、第三の光線路の伝搬光の周波数スペクトラムを出力する光スペクトラムアナライザとから構成され、被監視光線路の1または複数の所定の位置のそれぞれに、所定の間隔で周期的な屈折率変化が形成されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the optical line monitoring apparatus of the present invention calculates one or a plurality of predetermined positions in the monitored optical line, and generates strains and temperature changes generated at the one or more predetermined positions. An optical line monitoring apparatus for measuring, a semiconductor laser capable of selecting an arbitrary oscillation wavelength, a first optical line for propagating output light of the semiconductor laser, a second optical line, and a third optical line, The propagation light of the first optical line is demultiplexed into the monitored optical line and the second optical line, and the propagation light of the monitored optical line is demultiplexed into the first optical line and the third optical line. Optical demultiplexer, first optical line and monitored optical line, polarization controller provided at an arbitrary position in the optical path connecting these, and the propagation light of the second optical line is converted into an electrical signal Receiver, an electrical spectrum analyzer that outputs the frequency spectrum of the electrical signal, and a third optical line And an optical spectrum analyzer that outputs a frequency spectrum of the carried light, wherein a periodic refractive index change is formed at predetermined intervals in each of one or more predetermined positions of the monitored optical line. And
以上説明したように、本発明の光線路監視装置は、光線路内の共振周波数スペクトルから反射位置を高精度に測定するとともに、反射位置が既知である光線路において、その周波数スペクトルから該当位置に発生するひずみや温度変化を計測することができる。 As described above, the optical line monitoring apparatus of the present invention measures the reflection position with high accuracy from the resonance frequency spectrum in the optical line, and in the optical line whose reflection position is known, the frequency spectrum is changed to the corresponding position. Strain and temperature changes that occur can be measured.
[実施例]
図1に、本発明の本実施例にかかる光線路監視装置を示す。本発明の光線路監視装置は、任意の発振波長を選択可能な半導体レーザ1、偏波制御器2、光分波器3、受光器5、電気スペクトルアナライザ(ESA)6、光スペクトルアナライザ(OSA)7、およびファイバブラッググレーティング(FBG1、FBG2)8、9から構成される。本実施例では、半導体レーザとして波長可変半導体レーザダイオード(TLD)1を、光分波器として光カップラ3を、受光器としてPIN-フォトダイオード(PD)5を用いた。光部品間は、シングルモードファイバで接続し、電気部品間は、同軸線路で接続する。光カップラ3は1:1の入出力分波比を有し、port1は偏波制御器2、port2はOSA7、port3はPD5、port4は被監視光線路4に各々接続されている。ファイバブラッググレーティング8、9は、被監視光線路4の所定の位置に形成されている。
[Example]
FIG. 1 shows an optical line monitoring apparatus according to this embodiment of the present invention. The optical line monitoring apparatus of the present invention includes a
被監視光線路内の所定の位置に発生するひずみや温度変化を測定する原理を説明する。被監視光線路は、決められた間隔で周期的な屈折率変化が形成されているファイバとする。本実施例では、屈折率変化が、ファイバブラッググレーティング(FBG)で与えられる場合を説明する。図2に、FBGの原理を示す。グレーティングの周期をΔ、ファイバの実効屈折率をneff、グレーティング長をLgとする。FBGは、入射光に対して、Δに比例したブラッグ波長と呼ばれる特定の波長のみを反射する性質をもつ。ブラッグ波長λbは、一般的に、式1.1で表わされる。図3は、λbとΔの関係を示すグラフである(neff=1.45)。 The principle of measuring strain and temperature change occurring at a predetermined position in the monitored optical line will be described. The monitored optical line is a fiber in which a periodic refractive index change is formed at a predetermined interval. In this embodiment, the case where the refractive index change is given by a fiber Bragg grating (FBG) will be described. FIG. 2 shows the principle of FBG. Assume that the grating period is Δ, the effective refractive index of the fiber is neff, and the grating length is Lg. FBG has a property of reflecting only a specific wavelength called a Bragg wavelength proportional to Δ with respect to incident light. The Bragg wavelength λ b is generally expressed by the formula 1.1. Figure 3 is a graph showing a relationship between lambda b and Δ (neff = 1.45).
FBG反射スペクトルの帯域幅Δλbは、ファイバコア屈折率からの増加量ΔnとLgに依存する。Δλ bは、一般的に、式1.2で表わされる(n: ファイバコア屈折率、α:伝搬光割合係数)。 The bandwidth Δλ b of the FBG reflection spectrum depends on the increments Δn and Lg from the fiber core refractive index. Δλ b is generally expressed by Expression 1.2 (n: fiber core refractive index, α: propagation light ratio coefficient).
図4は、ΔλbとΔnの関係を示す(Lg=3.5, λb=1.55, neff=1.45, α=1.0)。 FIG. 4 shows the relationship between Δλ b and Δn (Lg = 3.5, λ b = 1.55, neff = 1.45, α = 1.0).
Δ、Lg、Δnは、グレーティング周囲の応力や温度に応じて変化する。すなわち、Δに依存するλb、および、Δ、Lg、Δnに依存するΔλbはグレーティング周囲の応力や温度に応じて変化する。λbのシフト量やΔλbの変化を解析することにより、グレーティング周囲の歪みや温度変化を計測することができる。 Δ, Lg, and Δn vary according to the stress and temperature around the grating. That is, λ b depending on Δ and Δλ b depending on Δ, Lg, and Δn vary depending on the stress and temperature around the grating. By analyzing the change in the lambda b of the shift amount and [Delta] [lambda] b, it is possible to measure the strain and temperature changes in ambient grating.
図5は、被監視光線路のグレーティング構成例を示す。被監視光線路上には、予め決められた位置に、決められたグレーティング周期のFBGが複数形成されている。図5に示す例では、TLDとFBG間の距離をそれぞれ、L1、L2、グレーティング周期をΔ1、Δ2とし、TLDは、各ブラッグ波長λb1、λb2で選択的に発振可能とする。また、ファイバの歪みや温度変化とΔλ bの関係は既知であるとする。TLDの発振波長をλb1とすると、位置L1からのFBG反射光スペクトルがOSAで観測される。図6に、FBG反射光スペクトルの例を示す。FBG反射スペクトル変化を解析することで、位置L1周辺の歪みや温度変化を計測できる。位置L2に対しては、TLDの発振波長をλb2とすれば、同様に計測可能である。
FIG. 5 shows a grating configuration example of the monitored optical line. On the monitored optical line, a plurality of FBGs having a determined grating period are formed at predetermined positions. In the example shown in FIG. 5, the distances between the TLD and the FBG are L1 and L2, the grating periods are Δ1 and Δ2, respectively, and the TLD can selectively oscillate at the
尚、FBGとTLD反射端の間には共振器が形成され、共振スペクトルをESAで観測することができる。そのスペクトルの周波数間隔から、共振器長、すなわちFBGとTLD反射端の間の長さを算出することができる。関係式は、一般的に式1.3で表わされる。(Δf:共振スペクトルの周波数間隔、L:共振器長、neff:被監視光線路の実効屈折率、c:真空中の光速度) A resonator is formed between the FBG and the TLD reflection end, and the resonance spectrum can be observed by ESA. From the frequency interval of the spectrum, the resonator length, that is, the length between the FBG and the TLD reflection end can be calculated. The relational expression is generally represented by Expression 1.3. (Δf: frequency interval of resonance spectrum, L: resonator length, neff: effective refractive index of monitored optical line, c: speed of light in vacuum)
共振スペクトル強度は、偏波制御器によって調整する。 The resonance spectrum intensity is adjusted by the polarization controller.
1 波長可変半導体レーザ
2 偏波制御器
3 光カップラ
4、200 被監視光線路
5 PIN-フォトダイオード
6 電気スペクトルアナライザ
7 光スペクトルアナライザ
8、9 ファイバブラッググレーティング
100 パルス型OTDR
DESCRIPTION OF
Claims (4)
任意の発振波長を選択可能な半導体レーザと、
前記半導体レーザの出力光を伝搬する第一の光線路と、
第二の光線路と、
第三の光線路と、
前記第一の光線路の伝搬光を、前記被監視光線路と前記第二の光線路とに分波し、前記被監視光線路の伝搬光を前記第一の光線路と前記第三の光線路に分波する光分波器と、
前記第一の光線路と前記被監視光線路と、これらを結ぶ光路内の任意の位置に設けられた偏波制御器と、
前記第二の光線路の伝搬光を電気信号に変換する受光器と、
前記電気信号の周波数スペクトラムを出力する電気スペクトラムアナライザと、
前記第三の光線路の伝搬光の周波数スペクトラムを出力する光スペクトラムアナライザと
から構成され、前記被監視光線路の前記1または複数の所定の位置のそれぞれに、所定の間隔で周期的な屈折率変化が形成されていることを特徴とする光線路監視装置。 An optical line monitoring device that calculates one or a plurality of predetermined positions in a monitored optical line, and measures strain or temperature change that occurs at the one or more predetermined positions,
A semiconductor laser capable of selecting an arbitrary oscillation wavelength; and
A first optical line for propagating output light of the semiconductor laser;
A second optical line,
A third optical line,
The propagation light of the first optical line is split into the monitored optical line and the second optical line, and the propagation light of the monitored optical line is divided into the first optical line and the third light beam. An optical demultiplexer that demultiplexes the road,
A polarization controller provided at an arbitrary position in the optical path connecting the first optical line and the monitored optical line;
A light receiver that converts the propagation light of the second optical line into an electrical signal;
An electrical spectrum analyzer that outputs the frequency spectrum of the electrical signal;
An optical spectrum analyzer that outputs a frequency spectrum of the propagation light of the third optical line, and each of the one or more predetermined positions of the monitored optical line has a periodic refractive index at predetermined intervals. An optical line monitoring device characterized in that a change is formed.
前記被監視光線路の前記h個の所定の位置のそれぞれに、所定の間隔Δi(1≦i≦h)で周期的な屈折率変化を形成するステップと、
任意の発振波長を選択可能な半導体レーザから、前記被監視光線路内に、波長λiの入力光を入力するステップであって、前記波長λiはλi=2neff・Δiを満たす(neffは前記被監視光線路の実行屈折率)ステップと、
前記半導体レーザと、i番目の前記h個の所定の位置との間に形成される共振器の共振スペクトルの周波数間隔Δfiを測定し、Δfiと共振器長Liの関係
i番目の前記h個の所定の位置からの反射スペクトルの帯域幅Δλiを測定し、Δλiの変化からi番目の前記h個の所定の位置における周囲の応力変化および/または温度変化を算出するステップと
を含むことを特徴とする被監視光線路の監視方法。 A monitoring method for a monitored optical line that calculates h predetermined positions in the monitored optical line, and measures strain and temperature changes generated at the h predetermined positions,
Forming a periodic refractive index change at a predetermined interval Δ i (1 ≦ i ≦ h) in each of the h predetermined positions of the monitored optical line;
A step of inputting an input light having a wavelength λ i from a semiconductor laser capable of selecting an arbitrary oscillation wavelength into the monitored optical line, wherein the wavelength λ i satisfies λ i = 2neff · Δ i (neff Is the effective refractive index of the monitored optical line) step;
The frequency interval Δf i of the resonance spectrum of the resonator formed between the semiconductor laser and the i th predetermined position is measured, and the relationship between Δf i and the resonator length L i is measured.
The bandwidth Δλ i of the reflection spectrum from the i th predetermined position is measured, and the surrounding stress change and / or temperature change at the i th predetermined position is calculated from the change in Δλ i. A monitoring method for a monitored optical line, comprising the steps of:
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