JP6736518B2 - 光伝送路の監視システム、光通信装置、及び、光伝送路の監視方法 - Google Patents

光伝送路の監視システム、光通信装置、及び、光伝送路の監視方法 Download PDF

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Description

本発明は、光通信システムにおける光伝送路の監視技術に関する。
光通信システムの光受信装置として、信号光(変調光)と局所光を混合して混合光とし、この混合光を電気信号に変換して復調・復号するコヒーレント光受信装置が使用されている。コヒーレント光受信装置においては、通常、アナログ領域の電気信号をデジタル領域の信号に変換した後、デジタル領域にて等化・補償処理を行う。このため、信号光の偏波状態が緩やかに変化しても、通信に大きな影響はない。
一方、光通信システムにおいて、光伝送路を構成する光ファイバは、光通信ケーブル内に収容され、光通信ケーブルは、例えば、道路の下に埋められた管路内に敷設される。また、橋等において、光通信ケーブルは、例えば、橋に取り付けられた管路内に敷設される。これら、光通信ケーブル及びその内部の光ファイバは、道路や橋を車両等が通過する際に生じる振動により圧力を受けることがある。光ファイバに圧力が加わると、圧力が加えられた位置での複屈折率が変化し、偏波状態が急激に変動し得る。現在のコヒーレント光受信装置は、その様な急激な偏波状態の変動を等化・補償できず、よって、光通信システムの瞬断の原因となる。
例えば、交通量の変化、発生した地震の影響等により、光通信ケーブルが敷設されている経路のある地点の環境が変化すると、その地点において、繰り返し光ファイバに何らかの力が加わる様になり、よって、偏波状態の急激な変動が繰り返し生じる場合がある。この場合、光通信システムにおいては、瞬断の発生として観測されるが、偏波状態の急激な変動がどこで生じているかを特定することはできない。このため、光伝送路で生じる偏波状態の急激な変動の発生位置を検出することが望まれている。
特許文献1及び2は、落石や侵入者を検知するために光ファイバを使用する構成を開示している。具体的には、外部からの力が加わらない様に敷設した第1光ファイバの第1端部と、落石や侵入者を検知するため、外部からの力が加わる様に敷設した第2光ファイバの第1端部を接続する。そして、第1光ファイバの第2端部から入力され、第1光ファイバ及び第2光ファイバを伝搬して第2光ファイバの第2端部から出力される光(第1光)の偏波状態を観測する。同時に、第2光ファイバの第2端部から入力され、第2光ファイバ及び第1光ファイバを伝搬して第1光ファイバの第2端部から出力される光(第2光)の偏波状態を観測する。第2光ファイバに衝撃等が加わると、第1光及び第2光の偏波状態は共に変化するが、観測点における第1光の偏波状態が変化するタイミングと第2光の偏波状態が変化するタイミングの差は、衝撃が加わった第2光ファイバの位置に応じて変化する。特許文献1及び2は、このタイミングの差により、落石が生じた位置や、侵入者による侵入位置を特定している。
特開2000−048269号公報 特開2008−203239号公報
しかしながら、特許文献1及び2は、外部からの力が加わらない様に敷設する第1光ファイバと、位置検出のために外部からの力が加わる様に敷設する第2光ファイバを必要とする。上述した様に、光通信ケーブルは、本来的には外部からの力ができるだけ加わらない様に敷設するものであるが、環境等の変動により外部からの力が加わる様な状態に変化することで上述した問題が生じるものである。つまり、通信用の光伝送路は、本来的には、特許文献1及び2における第1光ファイバのみであり、環境の変化等により特許文献1及び2における第1光ファイバのある区間が第2光ファイバに変化し得るものである。よって、力が加わらないことを前提とする第1光ファイバと、力が加わることを前提とする第2光ファイバを明確に区別して敷設しなければならない特許文献1及び2の構成を、光通信システムに適用することはできない。
本発明は、光通信システムの光伝送路を伝搬する光信号の偏波状態の変化位置を検出できる技術を提供するものである。
本発明の一態様によると、光通信システムの光伝送路の監視システムは、前記光伝送路の第1端部に監視光を出力する出力手段と、前記光伝送路の前記第1端部とは異なる第2端部から出力される前記監視光を前記光伝送路に向けて折り返す折り返し手段と、前記光伝送路の前記第1端部から出力される、前記折り返し手段で折り返された前記監視光の偏波状態の変化を監視して、前記監視光の偏波状態が変化した前記光伝送路の位置を検出する監視手段と、を備え、前記監視手段は、前記監視光の偏波状態の時間による変化を測定して測定波形を生成し、前記測定波形と、前記測定波形を時間的に反転させた反転波形との相関が最も高くなる前記測定波形と前記反転波形との相対的な時間シフト値に基づき、前記監視光の偏波状態が変化した2つの時間的に異なるタイミングの時間差を求め、前記時間差により前記監視光の偏波状態が変化した前記光伝送路の位置を検出することを特徴とする。
本発明によると、光通信システムの光伝送路を伝搬する光信号の偏波状態の変化位置を検出することができる。
一実施形態による監視システムの構成図。 一実施形態による偏波状態の変化位置判定の説明図。 一実施形態による偏波状態の変化位置判定の説明図。 一実施形態による監視システムの構成図。 一実施形態による監視システムの構成図。 図1の置換形態を示す図。 図1の置換形態を示す図。 図1の置換形態を示す図。
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態は例示であり、本発明を実施形態の内容に限定するものではない。また、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については図から省略する。
<第一実施形態>
図1は、本実施形態による監視システムの構成図である。サーキュレータ2は、光源1が射出する光を光伝送路である光ファイバ4の第1端部に出力し、光ファイバ4の第1端部から入力される光を監視部3に出力する様に配置される。光源1は、所定波長かつ所定偏波の連続光を生成してサーキュレータ2に出力する。なお、以下の説明において、光源1が射出する連続光を監視光と呼ぶ。サーキュレータ2が光ファイバ4に出力した監視光は、光ファイバ4を伝播し、光ファイバ4のサーキュレータ2とは異なる側の第2端部に接続されたミラー5で反射される。ミラー5で反射した監視光は、サーキュレータ2を介して監視部3に出力される。ミラー5は、ファラデーローテータミラーとすることができる。また、ミラー5は、金属蒸着薄膜、光学多層膜にて高反射コート(High Reflector Coating:HRコート)したのものであっても良い。
監視部3は、例えば、偏波アナライザであり、監視光の偏波状態を示すストークスベクトルの変化を監視する。通常、管路内等に敷設される光ファイバに、車両等が通過することによる力が加わっても、その位置で大きな損失を与えるような曲げを光ファイバに生じさせることはない。したがって、サービスに使用されている光ファイバに何らかの力が加わることで、監視光の偏波状態が変化し得るが、強度はそれほど変動しない。よって偏波アナライザは常に監視光を受光できるため、監視光の偏波状態の変化によりストークスベクトルがポアンカレ球上の表面を時間変動する状態を、連続的に監視できる。
光ファイバ4には、サーキュレータ2からミラー5に向けて伝搬している監視光と、ミラー5からサーキュレータ2に向けて伝搬している監視光が存在している。したがって、図1に示す、ミラー5から距離Lの位置41に何らかの力が短時間だけ加わると、この2つの異なる方向に伝搬している監視光の偏波状態が共に変化する。より詳しくは、力が加わることで定常時の監視光の偏波状態が他の状態に変化し、力が加わらなくなることで定常時の偏波状態に戻る。この場合、監視部3は、図2に示す様なストークスベクトルの変動を検出する。なお、図2は、説明の簡略化のため、変動量をその振幅(スカラー値)で示しているが、実際には、変動量は、変化後のストークスベクトルと変化前のストークスベクトルの差で表されるベクトルである。
図2において、偏波状態の最初の変動は、位置41において、ミラー5からサーキュレータ2に向けて伝搬している監視光が受けた偏波状態の変動に対応する。また、2回目の変動は、位置41において、サーキュレータ2からミラー5に向けて伝搬している監視光が受けた偏波状態の変動に対応する。したがって、光ファイバ4内の監視光の伝搬速度(群速度)がgであるとすると、2つの変動の時間差Δtと、距離Lとの関係は、以下の式で表される。
2L=g×Δt (1)
したがって、距離Lは、以下の式(2)で判定できる。
L=(g×Δt)/2 (2)
以上、本実施形態では、光通信システムにおいて、偏波状態の変化と、その変化位置を検出することができる。
なお、図2に示す様に、光ファイバ4のどこかの位置で1回だけ力が加わることにより監視光の偏波状態が変化すると、監視部3は、偏波状態の変化を2回(1組)検出する。したがって、光ファイバ4の異なるN個の位置において、ほぼ同時に力が加わると、監視部3は、監視光の偏波状態の変化を2N回(N組)検出する。この場合、そのN個の位置の判定には、偏波状態の変化のN個の組を判定する必要がある。図3は、N=2の場合の2つの組の判定の説明図である。
図3の上段の波形は、監視部3が測定した波形(測定波形)であり、測定開始時を時刻0としている。なお、本例の測定波形において、偏波状態の変動量は、変化後のストークスベクトルと変化前のストークスベクトルの差の絶対値、つまり、スカラー量とする。図3の下段の波形は、上段の測定波形を時間的に反転させた波形(時間反転波形)である。まず、監視部3は、測定波形と時間反転波形の相対的な時間位置をずらしながら、2つの波形の相関を求め、相関が最も強くなる相対位置を判定する。図3は、相関が最も強くなる相対位置となる様に2つの波形を並べた状態を示している。図3においては、測定波形と時間反転波形を時間tshiftだけずらした位置において相関が最も強くなっている。この場合、測定波形の時刻t1の変動と同じ組となる変動は、測定波形の測定終了時刻より、時間tshift+t1だけ早い時刻の変動であると判定することができる。なお、図3では、説明の簡略化のため、測定波形の4回の変動が明確に判定できるように表示し、この場合には、上記のような計算を行うことなく偏波状態の2つの変動の組を容易に見つけることができるが、実際の測定波形は、図3に示すものより不明瞭であり、上記の様な判定を行うことで、同時に複数の位置で力が加わったとしても、各位置の精度よく判定することができる。
図4は、偏波状態の変動及びその位置をインサービスで監視する構成を示している。波長多重分離部12は、異なる波長の信号を多重して光ファイバ4に送信する。波長多重分離部12が多重する波長の1つは、サーキュレータ2が出力する監視光であり、その他の波長は、実際の通信に使用され、データを搬送する光信号(信号光)である。波長多重分離部13は、光ファイバ4から受信する光波長多重信号を分離して各信号光及び監視光を個別に出力する。各信号光は、例えば、コヒーレント受信機に接続される。波長多重分離部13が出力する監視光は、ミラー5で反射され、再度、波長多重分離部13を介して、光ファイバ4に出力される。波長多重分離部12は、光ファイバ4から受信するミラー5で反射した監視光を、サーキュレータ2に出力する。このように、波長多重分離部12及び13は、異なる波長の合波分離部として機能する。なお、波長多重分離部12と、光源1と、サーキュレータ2と、監視部3は、1つの光通信装置として構成できる。また、波長多重分離部12と、光源1と、サーキュレータ2と、監視部3と、信号光を生成して波長多重分離部12に出力する送信機と、を1つの光通信装置として構成できる。さらに、波長多重分離部13と、ミラー5とを、1つの光通信装置として構成できる。さらに、波長多重分離部13と、ミラー5と、各信号光を受信して復調するコヒーレント受信機と、を1つの光通信装置として構成できる。
図5は、偏波状態の変動及びその位置をインサービスで監視する他の構成を示している。図4は、波長多重装置間(波長多重分離部12及び波長多重分離部13)を直接接続する無中継方式の構成であったが、本構成は、波長多重装置間に、光通信装置である光中継器を設けた中継方式に適用する構成である。波長多重分離部12が光ファイバ41に出力した光波長多重信号は、光中継器14の波長選択フィルタ141に出力される。波長選択フィルタ141は、監視光をミラー5に出力する。ミラー5で反射された監視光は、波長選択フィルタ141を介して、再度、光ファイバ41に出力され、波長多重分離部12を介してサーキュレータ2に出力される。一方、波長選択フィルタ141は、光波長多重信号から監視光を除いた信号光を増幅部142に出力し、増幅部142は、信号光を増幅して波長選択フィルタ143に出力する。光中継装置14は、光源1、サーキュレータ2、監視部3を有し、光中継装置14のサーキュレータ2は、監視光を波長選択フィルタ143に出力する。波長選択フィルタ143は、増幅部142からの信号光と光中継器2内のサーキュレータ2からの監視光を多重して光ファイバ42に出力する。光ファイバ42に出力された監視光は、光ファイバ42の他の端部で折り返され、光中継装置14の波長選択フィルタ143及びサーキュレータ2を介して、光中継装置14の監視部3に入力される。このように、波長選択フィルタ141及び143は、それぞれ、信号光と監視光の合波分離部として機能する。この構成により、波長多重装置と光中継器との間の区間、光中継器間の区間毎に、偏波状態の変動とその位置を監視することできる。なお、波長選択フィルタ141及びミラー5の機能を、1つのFBG(Fiber Bragg Grating)で実現することもできる。
なお、本実施形態において、監視部3は、受信する監視光の偏波状態を監視してストークスベクトルの変動を検出するものとした。しかしながら、監視部3は、所定の偏波面の偏波成分を通過させる偏光子(偏波フィルタ)と、当該偏光子を通過した監視光のパワーを測定するパワーメータとすることもできる。偏光子は、所定の偏波成分を通過させるため、監視光の偏波状態が変化することで、偏光子を通過した後の監視光のパワーも変化する。よって、偏波状態そのものは監視できないが、偏波状態の変動が生じたことは検出でき、偏波状態の変動位置を特定することができる。
<第二実施形態>
続いて、第二実施形態について第一実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、第一実施形態のサーキュレータ2を、図6に示す様に、アイソレータ21及び光カップラ22に置き換える。光カップラ2は、ポート#1及びポート#2から入力された光をポート#3に出力し、ポート#3から入力された光をポート#1及びポート#2に出力する。アイソレータ21は、光源1からの監視光を光カップラ22に出力するが、光カップラ22からの監視光を阻止して、光源1に向けて出力しない。したがって、アイソレータ21及び光カップラ22により、サーキュレータ2と同様に機能させることができる。
<第三実施形態>
続いて、第三実施形態について第一実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、図7に示す様に、第一実施形態のミラー#5を、サーキュレータ6と光ファイバ7に置き換える。サーキュレータ6は、ポート#1に入力された光をポート#2に出力し、ポート#3に入力された光をポート#1に出力する。光ファイバ7は、サーキュレータ6のポート#2から出力された監視光をサーキュレータ6のポート#3に出力する。したがって、光ファイバ4からの監視光は、再度、光ファイバ4に出力される。
例えば、図1に示す、力が加わる位置41のミラー5側からの距離Lが小さい場合、2つの変動の時間差が小さくなりすぎ、変化位置を精度よく検出できなくなる。よって、光ファイバ7を所定距離だけ挿入することで、2つの変動の時間差が小さくなりすぎることを防ぎ、検出精度の劣化を防ぐことができる。なお、監視光の折り返しのためのサーキュレータ6は、通信局舎内に設置されるため、光フィアバ7には、力が加わらない様にすることができる。
<第四実施形態>
続いて、第四実施形態について第一実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、図8に示す様に、第一実施形態のミラー5を、偏波分離多重部8と、半波長板9と、偏波保持光ファイバ10及び11に置き換える。偏波分離多重部8のポート#3は、光ファイバ4に接続される。また、偏波分離多重部8のポート#1及びポート#2は、それぞれ、偏波保持光ファイバ10及び11に接続される。また、偏波保持光ファイバ10及び11の他の端部は、それぞれ、半波長板9の2つの異なるポートに接続される。
偏波分離多重部8は、光ファイバ4からポート#3に入力された監視光を偏波分離し、水平偏波成分を偏波保持光ファイバ10に出力し、水平偏波成分と直交する垂直偏波成分を偏波保持光ファイバ11に出力する。半波長板9は、偏波保持光ファイバ10から入力される水平偏波成分を垂直偏波成分に変換して偏波保持光ファイバ11に出力する。一方、半波長板9は、偏波保持光ファイバ11から入力される垂直偏波成分を水平偏波成分に変換して偏波保持光ファイバ10に出力する。そして、偏波分離多重部8は、偏波保持光ファイバ10から入力される水平偏波成分と、偏波保持光ファイバ11から入力される垂直波成分を偏波多重して光ファイバ4に出力する。
本実施形態でも、第三実施形態と同様に、偏波保持光ファイバ10及び11を所定距離だけ挿入することで、2つの変動の時間差が小さくなりすぎることを防ぎ、変化位置の検出精度の劣化を防ぐことができる。
1:光源、2:サーキュレータ、3:監視部、4:光ファイバ、5:ミラー

Claims (15)

  1. 光通信システムの光伝送路の監視システムであって、
    前記光伝送路の第1端部に監視光を出力する出力手段と、
    前記光伝送路の前記第1端部とは異なる第2端部から出力される前記監視光を前記光伝送路に向けて折り返す折り返し手段と、
    前記光伝送路の前記第1端部から出力される、前記折り返し手段で折り返された前記監視光の偏波状態の変化を監視して、前記監視光の偏波状態が変化した前記光伝送路の位置を検出する監視手段と、
    を備え
    前記監視手段は、前記監視光の偏波状態の時間による変化を測定して測定波形を生成し、前記測定波形と、前記測定波形を時間的に反転させた反転波形との相関が最も高くなる前記測定波形と前記反転波形との相対的な時間シフト値に基づき、前記監視光の偏波状態が変化した2つの時間的に異なるタイミングの時間差を求め、前記時間差により前記監視光の偏波状態が変化した前記光伝送路の位置を検出することを特徴とする監視システム。
  2. 前記監視光を生成する光源をさらに備えており、
    前記出力手段は、前記光源からの前記監視光を前記光伝送路の前記第1端部に出力し、前記光伝送路の前記第1端部から入力される、前記折り返し手段で折り返された前記監視光を前記監視手段に出力することを特徴とする請求項1に記載の監視システム。
  3. 前記出力手段は、サーキュレータであることを特徴とする請求項2に記載の監視システム。
  4. 前記出力手段は、
    阻止手段と、
    光カップラと、
    を備えており、
    前記阻止手段は、
    前記光源からの前記監視光を前記光カップラに出力し、前記光カップラから受信する前記折り返し手段で折り返された前記監視光を阻止し、
    前記光カップラは、前記阻止手段から受信する前記監視光を前記光伝送路の前記第1端部に出力し、前記光伝送路の前記第1端部から入力される、前記折り返し手段で折り返された前記監視光を前記監視手段及び前記阻止手段に出力することを特徴とする請求項2に記載の監視システム。
  5. 前記折り返し手段は、ミラーであることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の監視システム。
  6. 前記折り返し手段は、
    第1ポート、第2ポート及び第3ポートを有するサーキュレータと、
    前記第2ポート及び前記第3ポートを接続する光ファイバと、を含み、
    前記光伝送路の前記第2端部は、前記第1ポートに接続され、
    前記サーキュレータは、前記光伝送路の前記第2端部から前記第1ポートに入力される前記監視光を、前記第2ポートを介して前記光ファイバに出力し、前記光ファイバを介して前記第3ポートに入力される前記監視光を、前記第1ポートを介して前記光伝送路の前記第2端部に出力する、ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の監視システム。
  7. 前記折り返し手段は、
    第1偏波の光を入出力する第1ポートと、前記第1偏波とは直交する第2偏波の光を入出力する第2ポートと、第3ポートと、を有し、前記第3ポートに入力された光を偏波分離して前記第1ポート及び前記第2ポートそれぞれから出力し、前記第1ポートに入力される前記第1偏波の光と前記第2ポートに入力される前記第2偏波の光とを偏波多重して前記第3ポートから出力する偏波分離多重手段と、
    第1入出力ポートと第2入出力ポートを有し、前記第1入出力ポートに前記第1偏波の光が入力されると、前記第2偏波の光に変換して前記第2入出力ポートから出力し、前記第2入出力ポートに前記第2偏波の光が入力されると、前記第1偏波の光に変換して前記第1入出力ポートから出力する変換手段と、
    前記偏波分離多重手段の前記第1ポートと、前記変換手段の前記第1入出力ポートとを接続する第1偏波保持光ファイバと、
    前記偏波分離多重手段の前記第2ポートと、前記変換手段の前記第2入出力ポートとを接続する第2偏波保持光ファイバと、
    を備え、
    前記光伝送路の前記第2端部から出力される前記監視光は、前記偏波分離多重手段の前記第3ポートに入力されることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の監視システム。
  8. 前記監視手段は、
    前記光伝送路の前記第1端部から出力される、前記折り返し手段で折り返された前記監視光の所定の偏波成分を通過させる通過手段と、
    前記通過手段が出力する前記監視光の前記所定の偏波成分のパワーを測定する測定手段と、
    を含むことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の監視システム。
  9. 前記出力手段が出力する前記監視光は、第1合波分離手段を介して前記光伝送路の第1端部に出力され、
    前記光伝送路の前記第2端部から出力される前記監視光は、第2合波分離手段を介して前記折り返し手段に出力されることを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の監視システム。
  10. 前記第1合波分離手段は、前記監視光と、データを搬送する少なくとも1つの信号光とを合波した光波長多重信号を前記光伝送路の第1端部に出力することを特徴とする請求項に記載の監視システム。
  11. 前記第2合波分離手段は、前記光伝送路の前記第2端部から出力される前記光波長多重信号に含まれる前記監視光及び前記少なくとも1つの信号光のそれぞれを、個別に出力することを特徴とする請求項10に記載の監視システム。
  12. 前記第2合波分離手段は、前記光伝送路の前記第2端部から出力される前記光波長多重信号から前記監視光を分離し、前記監視光と、前記光波長多重信号から前記監視光を除いた光信号を出力することを特徴とする請求項10に記載の監視システム。
  13. 第1監視光を生成する光源と、
    前記第1監視光と信号光を合波して第1光伝送路の第1端部に出力する出力手段と、
    前記第1光伝送路の前記第1端部とは異なる第2端部で折り返され、前記第1光伝送路の前記第1端部から出力された前記第1監視光の偏波状態の変化を監視して、前記第1監視光の偏波状態が変化した前記第1光伝送路の位置を検出する監視手段と、
    を備え
    前記監視手段は、前記第1監視光の偏波状態の時間による変化を測定して測定波形を生成し、前記測定波形と、前記測定波形を時間的に反転させた反転波形との相関が最も高くなる前記測定波形と前記反転波形との相対的な時間シフト値に基づき、前記第1監視光の偏波状態が変化した2つの時間的に異なるタイミングの時間差を求め、前記時間差により前記第1監視光の偏波状態が変化した前記第1光伝送路の位置を検出することを特徴とする光通信装置。
  14. 第2光伝送路から前記信号光と第2監視光とを含む光波長多重信号を受信し、前記第2監視光と、前記信号光を出力する分離手段と、
    前記分離手段が出力する前記第2監視光を前記分離手段に向けて折り返し、前記分離手段を介して前記第2光伝送路に出力する折り返し手段と、
    前記分離手段が出力する前記信号光を増幅する増幅手段と、
    を備えており、
    前記出力手段は、前記第1監視光と前記増幅手段による増幅後の前記信号光を合波することを特徴とする請求項13に記載の光通信装置。
  15. 光通信システムの光伝送路の監視方法であって、
    前記光伝送路の第1端部に監視光を出力する出力ステップと、
    前記光伝送路の前記第1端部とは異なる第2端部で折り返され、前記光伝送路の第1端部から出力される前記監視光の偏波状態の変化を監視して、前記監視光の偏波状態が変化した前記光伝送路の位置を検出する検出ステップと、
    を含み、
    前記検出ステップは、
    前記監視光の偏波状態の時間による変化を測定して測定波形を生成するステップと、
    前記測定波形と、前記測定波形を時間的に反転させた反転波形との相関が最も高くなる前記測定波形と前記反転波形との相対的な時間シフト値に基づき、前記監視光の偏波状態が変化した2つの時間的に異なるタイミングの時間差を求めるステップと、
    前記時間差により前記監視光の偏波状態が変化した前記光伝送路の位置を検出するステップと、
    を含むことを特徴とする監視方法。
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