JP7086335B2 - 偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延の測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は光ファイバ時間遅延測定の分野に属し、具体的に、偏波保持光ファイバ主軸差分
時間遅延の測定装置に関する。
偏波保持光ファイバは光ファイバ通信センシング分野で幅広く応用されており、伝送素子
とすることも可能で、センシング素子とすることも可能であり、伝送素子として、それが
良好な偏波保持能力を示し、センシング素子として、それが分散型応力センサー、光ファ
イバジャイロ、光ファイバ変流器などの光ファイバセンシング分野に幅広く応用されてお
り、その伝送、センシング特性を研究することは重要な意義があり、一方で、その伝送、
センシング特性は通常、時間遅延量の変化として現れる。
光ファイバのテスト、光ケーブルの敷設、故障点検などの各方面において、何れも光ファ
イバの時間遅延の測定に関わり、各種類の光ファイバの実験及び工事においても、光ファ
イバの時間遅延の測定にも関わる。正確な光ファイバの時間遅延の測定は、ほとんど全て
の光ファイバ通信及び光ファイバセンシングシステムにおいて極めて重要であると言える
。
従来の光ファイバ時間遅延測定方法としては、光時間領域反射原理（ＯＴＤＲ）、低コヒ
ーレンス反射原理（ＯＬＣＲ）と光周波数領域反射測定原理（ＯＦＤＲ）などがある。
ＯＴＤＲは光ファイバの長さの測定、光ケーブルの破断点位置の検出などのために、光フ
ァイバネットワーク通信の分野に広く応用されているが、方法自体の誤差の影響により、
テストの精度はマイクロ秒レベルにしかなれない。
ＯＬＣＲのテスト精度が高く、精度はフェムト秒レベルに達することができ、しかも構造
が簡単で、ポータブルな計器として製造するのが便利である。しかしながら、ＯＬＣＲの
ダイナミックレンジが比較的小さく、最大の測定範囲は数センチメートルしかなく、同時
に干渉計の両アームから反射されてくる偏波状態が整合することが要求され、そうでなけ
れば、ＯＬＣＲの測定の正確度に影響してしまう。
ＯＦＤＲの測定精度がＯＴＤＲより高く、ピコ秒レベルに達することが可能で、測定範囲
がＯＬＣＲより大きく、数キロメートルに達することが可能で、比較的高い実用性を有す
る。しかしながら、この方法によれば、一つの固定長さの光ファイバを参照用光路とする
必要があり、温度の影響を受けて測定の正確度が低下しやすい。
上記に鑑みて、本発明は偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延の測定装置を提案する。こ
の測定装置によれば、ピコ秒レベルの測定精度とキロメートルレベルのダイナミックレン
ジに達することが可能になる。
本発明の技術案は以下になる。
偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延の測定装置は偏波保持光ファイバサニャック干渉計
、信号発生器、マイクロ波検出器、マイクロコントローラーを含み、
前記偏波保持光ファイバサニャック干渉計は順に接続されたレーザー、電気光学変調器、
偏波保持光ファイバカプラーを含み、さらに、偏波保持光ファイバカプラーの二つの出力
側に設置された光ファイバインターフェースＪ１、光ファイバインターフェースＪ２、光
ファイバインターフェースＪ１、光ファイバインターフェースＪ２の間に設置された測定
待ち偏波保持光ファイバ、及び偏波保持光ファイバカプラーのもう一つの出力側に設置さ
れた光検出器を含み、レーザーが発する低コヒーレンス直線偏光が電気光学変調器により
無線周波数信号が載せられてから、偏波保持光ファイバカプラーにより２ウェイに分けて
出力され、偏波保持光ファイバカプラーのファースト軸に沿って出力される１ウェイの光
が光ファイバインターフェースＪ１を通って測定待ち偏波保持光ファイバに入って、引き
続きファースト軸に沿って伝搬し、偏波保持光ファイバカプラーのファースト軸に沿って
出力されるもう１ウェイの光は光ファイバインターフェースＪ２を通って測定待ちの偏波
保持光ファイバのスロー軸にカプリングされて、異なる軸にある二つの光ビームが対向し
て伝搬し、測定待ち偏波保持光ファイバのファースト軸上の光が測定待ち偏波保持光ファ
イバの他端に伝播すると今度は光ファイバインターフェースＪ２を通って偏波保持光ファ
イバカプラーのスロー軸にカプリングされて、測定待ち偏波保持光ファイバのスロー軸上
の光が測定待ち偏波保持光ファイバの他端に伝搬すると光ファイバインターフェースＪ１
を通って伝搬軸を変えずに偏波保持光ファイバカプラーのスロー軸に入って、二つの光ビ
ームが重ね合わせられて出力され、光検出器により光信号から電気信号に変換され、
前記信号発生器がスイープ周波数無線周波数信号を発生して、このスイープ周波数無線周
波数信号が電気光学変調器により変調されて光信号に載せられ、
前記マイクロ波検出器は光検知器の出力側に設置されて、光検知器に出力される無線周波
数信号のパワーを検出するためのものであり、
前記マイクロコントローラーは前記マイクロ波検出器と接続されて、前記マイクロ波検出
器の出力信号に基づいて偏波保持光ファイバが発生させた光の時間遅延を計算するための
ものである。
前記マイクロコントローラーは下記の式により計算で偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅
延量を得る。
Figure 0007086335000001
但し、
Figure 0007086335000002
と
Figure 0007086335000003
は隣り合う、マイクロ波検出器の出力される電圧が０である周波数値である。
この装置は、光が偏波保持光ファイバのファースト軸とスロー軸とで異なる伝搬定数を有
する時に時間遅延差が発生することを利用して、この測定待ち光ファイバの長さを測定し
、サニャック干渉計の構造を採用し、参照用光路を必要せず、温度が測定正確度への影響
を減少させた。それとともに、マイクロ波フォトニクス技術に基づいた時間遅延測定方法
を組み合わせて、ピコ秒レベルの測定精度とキロメートルレベルのダイナミックレンジに
達することが可能になる。
本発明の実施例及び従来技術の技術案をより明確に説明するため、以下では、実施例或い
は従来技術の説明に必要とされる添付図面を簡単に説明する。下記説明における添付図面
は本発明のいくつかの実施例に過ぎないことは明らかであって、当業者にとって、創造的
な労働を行わないことを前提に、これらの添付図面により他の添付図面を得ることができ
る。
本発明の偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延の測定装置のシステム模式図である。 偏波保持光ファイバの構造模式図である。 光ファイバインターフェースの構造模式図であり、図３（ａ）は光ファイバインターフェースＪ２で保証すべき接続方式で、図３（ｂ）は光ファイバインターフェースＪ１で保証すべき接続方式である。
本発明の目的、技術案及び利点をより明らかにするために、以下では、添付図面及び実施
例を組み合わせて本発明をさらに詳しく説明する。ここで説明する具体的な実施態様は本
発明を解釈するためのものだけであって、本発明の保護範囲を限定するためのものではな
いことは、理解しておくべきである。
図１に示すように、本発明が提案する偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延の測定装置は
：レーザー（ＤＦＢ）１、信号発生器（Ｓｉｇｎａｌ Ｓｏｕｒｃｅ）２、電気光学変調
器（ＭＺＭ）３、偏波保持光ファイバカプラー（ＯＣ）４、光ファイバインターフェース
Ｊ１、光ファイバインターフェースＪ２、測定待ち偏波保持光ファイバ５、光検出器（Ｐ
Ｄ）６、マイクロ波検出器（Ｒａｄｉｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）７とマイクロコントローラ
ー（ＭＣＵ）８を含む。
レーザー１、電気光学変調器３、偏波保持光ファイバカプラー４、光ファイバインターフ
ェースＪ１、光ファイバインターフェースＪ２、光検出器６及び測定待ち偏波保持光ファ
イバ５で偏波保持光ファイバサニャック干渉計を構成する。図２に示すように、測定待ち
偏波保持光ファイバ５は二つの伝送軸を有し、その一つがファースト軸であり、もう一つ
はファースト軸と垂直なスロー軸である。図３（ａ）と図３（ｂ）に示すように、光ファ
イバインターフェースＪ１と光ファイバインターフェースＪ２は偏波保持光ファイバカプ
ラー４と測定待ち偏波保持光ファイバ５とを接続するためのものである。光ファイバイン
ターフェースＪ１では、接続された二つの光ファイバのファースト軸とファースト軸を正
確に合わせて、スロー軸とスロー軸を正確に合わせることを保証する必要がある。光ファ
イバインターフェースＪ２では、接続された二つの光ファイバのファースト軸とスロー軸
を正確に合わせて、スロー軸とファースト軸を正確に合わせることを保証する必要がある
。
具体的に、レーザー１はコヒーレンス長が３０μｍより短い広帯域光源を採用し、そのコ
ヒーレンス長は偏波保持光ファイバのファースト軸とスロー軸の伝搬定数が異なることに
よって引き起こされた光路差より遥かに小さい。しかも、レーザー１が直線偏光を発する
。
具体的に、偏波保持光ファイバカプラー４は２×２ ３ｄＢ偏波保持光ファイバカプラー
であり、かつ偏波保持光ファイバカプラー４の光ファイバインターフェースＪ１、光ファ
イバインターフェースＪ２に接続される二つの偏波保持光ファイバの長さが等しい。
作動時、レーザー１が発する低コヒーレンス直線偏光は電気光学変調器３により無線周波
数信号を載せられてから、偏波保持光ファイバカプラー４により２ウェイに分かれて出力
される。偏波保持光ファイバカプラーｂポートでファースト軸に沿って出力される１ウェ
イの光は光ファイバインターフェースＪ１を通って測定待ちの偏波保持光ファイバ５に入
って、依然としてファースト軸に沿って伝搬し、偏波保持光ファイバカプラーｃポートで
ファースト軸に沿って出力されるもう１ウェイの光は光ファイバインターフェースＪ２を
通って測定待ちの偏波保持光ファイバ５のスロー軸にカプリングされて、異なる軸にある
二つの光ビームは対向して伝搬することになる。測定待ち偏波保持光ファイバ５のファー
スト軸上の光が測定待ち偏波保持光ファイバ５の他端に伝播すると今度は光ファイバイン
ターフェースＪ２を通って偏波保持光ファイバカプラー４のスロー軸にカプリングされて
、測定待ち偏波保持光ファイバ５のスロー軸上の光が測定待ち偏波保持光ファイバ５の他
端に伝搬すると光ファイバインターフェースＪ１を通って伝搬軸を変えずに偏波保持光フ
ァイバカプラー４のスロー軸に入って、二つの光ビームが重ね合わせられて出力され、光
検出器６により光信号から電気信号に変換される。
信号発生器２が発生した一組のスイープ周波数無線周波数信号が変調されて光に載せられ
てから偏波保持光ファイバサニャック干渉計に入って、測定待ち偏波保持光ファイバのフ
ァースト軸とスロー軸の伝搬定数が異なるので、出力側に到達した時に二つの軸上の光に
時間遅延差があり、重ね合わせられて出力された光信号が光検出器により電気信号に変換
されるとその振幅が時間遅延情報を持つことになり、マイクロ波検出器７とマイクロコン
トローラー８により、測定待ち偏波保持光ファイバ６に生じた光の時間遅延が算出される
。
上記偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延の測定装置の動作原理は以下になる。
信号発生器２が発生する無線周波数信号は以下のように表すことが可能である。
Figure 0007086335000004
（１）
但し、
Figure 0007086335000005
は無線周波数信号の振幅値を示し、
Figure 0007086335000006
は無線周波数信号の周波数を示す。
電気光学変調器に印加されるバイアス電圧は以下になる。
Figure 0007086335000007
（２）
生じる光の位相変化は以下になる。
Figure 0007086335000008
（３）
但し、
Figure 0007086335000009
は電圧安定化直流電源が供給する直流電圧であり、
Figure 0007086335000010
は電気光学変調器の半波長電圧である。式（３）の第一部分は直流バイアスによって生じ
た位相変化であり、第二部分は変調の信号によって生じた位相変化である。初期位相が
Figure 0007086335000011
にあり、かつ入力信号が小信号である場合、レーザー光パワーの変化は直線状態に近づく
。従って、通常の場合では、電気光学変調器のバイアス点は半波長電圧に設定され、即ち
Figure 0007086335000012
＝
Figure 0007086335000013
であるので、こうして、製品で利用される一次電気信号利得を最大値にするとともに、高
次高調波信号を良好に抑えることができる。
マイクロ波変調を経たレーザー光の電気光学変調器出力側における表現式は以下になる。
Figure 0007086335000014
（４）
但し、
Figure 0007086335000015
が電気光学変調器のロス、
Figure 0007086335000016
がレーザーから入力される光強度、
Figure 0007086335000017
が電気光学変調器から出力される光強度であり、一つの２×２の３ｄＢ偏波保持光ファイ
バカプラーを通って二つの光ビームに分けられて、１ウェイの光が偏波保持光ファイバの
ファースト軸に沿って伝搬し、もう１ウェイが偏波コントローラを通して偏波保持光ファ
イバのスロー軸にカプリングされる。偏波保持光ファイバのファースト軸とスロー軸の中
の光信号はそれぞれ以下のように示すことが可能である。
Figure 0007086335000018
（５）
Figure 0007086335000019

Figure 0007086335000020
（６）
Figure 0007086335000021
但し、
Figure 0007086335000022
は無線周波数信号がファースト軸において生じた位相の変化量で、
Figure 0007086335000023
は無線周波数信号がスロー軸において生じた位相の変化量であり、
Figure 0007086335000024
は無線周波数信号のファースト軸おける時間遅延で、
Figure 0007086335000025
は無線周波数信号のスロー軸おける時間遅延である。レーザーが低コヒーレンス光源であ
るので、以下の条件を満たす。
Figure 0007086335000026
（７）
但し、
Figure 0007086335000027
は無線周波数信号の周波数、Ｌは測定待ち偏波保持光ファイバのビート長、
Figure 0007086335000028
は光が測定待ち偏波保持光ファイバのファースト軸とスロー軸で伝搬する時に生じる時間
遅延差である。したがって、ファースト軸とスロー軸に沿って伝搬する二つの光ビームが
偏波保持光ファイバカプラーで重ね合わせられて出力され、出力される光信号が光検出器
に入って、直流成分を無視すると、一次信号出力の電流が以下になることを得られる。
Figure 0007086335000029
（８）
＝
Figure 0007086335000030
但し、
Figure 0007086335000031
は電気光学変換効率で、
Figure 0007086335000032
は電気光学変調器のロスである。光検出器から出力される信号が増幅されてからマイクロ
波検出器に入力されて、出力信号が得られる。
Figure 0007086335000033
（９）
これにより分かるように、出力電圧Ｖｏｕｔの大きさとｆＲＦが余弦の関係を満たす。余
弦関数の周期は
Figure 0007086335000034
の値に関係する。隣り合う二つのＶｏｕｔが０である周波数ｆＲＦ０とｆＲＦ１さえ測定
すれば、時間遅延量を得られる。
Figure 0007086335000035
（１０）
本偏波保持光ファイバ主軸差分時間延長測定の方法や装置は、光が偏波保持光ファイバの
ファースト軸とスロー軸とで異なる伝搬定数を有する時に時間遅延差が発生することを利
用して、この測定待ち光ファイバの長さを測定し、サニャック干渉計の構造を採用し、参
照用光路を必要とせず、温度が測定正確度への影響を減少させた。それとともに、マイク
ロ波フォトニクス技術に基づいた時間遅延測定方法を組み合わせて、ピコ秒レベルの測定
精度とキロメートルレベルのダイナミックレンジに達することが可能になる。
以上に述べた具体的な実施態様により、本発明の技術案及び有益な効果を詳しく説明した
。以上に述べたのは本発明の最も好ましい実施例に過ぎず、本願を制限するためのもので
はなく、本発明の原則の範囲内で行われた任意の修正、補足、及び均等物による置換等は
、いずれも本発明の保護範囲内に含まれるべきであることは、理解できるであろう。

Claims (6)

  1. 偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延の測定装置であって、偏波保持光ファイバサニャッ
    ク干渉計、信号発生器、マイクロ波検出器、マイクロコントローラーを含み、
    前記偏波保持光ファイバサニャック干渉計は順に接続されたレーザー、電気光学変調器、
    偏波保持光ファイバカプラーを含み、さらに、偏波保持光ファイバカプラーの二つの出力
    側に設置された光ファイバインターフェースＪ１、光ファイバインターフェースＪ２、光
    ファイバインターフェースＪ１、光ファイバインターフェースＪ２の間に設置された測定
    待ち偏波保持光ファイバ、及び偏波保持光ファイバカプラーのもう一つの出力側に設置さ
    れた光検出器を含み、
    レーザーが発する低コヒーレンス直線偏光が電気光学変調器により無線周波数信号を載せ
    られてから、偏波保持光ファイバカプラーにより２ウェイに分けて出力され、偏波保持光
    ファイバカプラーのファースト軸に沿って出力される１ウェイの光が光ファイバインター
    フェースＪ１を通って測定待ち偏波保持光ファイバに入って、引き続きファースト軸に沿
    って伝搬し、偏波保持光ファイバカプラーのファースト軸に沿って出力されるもう１ウェ
    イの光は光ファイバインターフェースＪ２を通って測定待ちの偏波保持光ファイバのスロ
    ー軸にカプリングされて、異なる軸にある二つの光ビームが対向して伝搬し、測定待ち偏
    波保持光ファイバのファースト軸上の光が測定待ち偏波保持光ファイバの他端に伝播する
    と今度は光ファイバインターフェースＪ２を通って偏波保持光ファイバカプラーのスロー
    軸にカプリングされて、測定待ち偏波保持光ファイバのスロー軸上の光が測定待ち偏波保
    持光ファイバの他端に伝搬すると光ファイバインターフェースＪ１を通って伝搬軸を変え
    ずに偏波保持光ファイバカプラーのスロー軸に入って、二つの光ビームが重ね合わせられ
    て出力され、光検出器により光信号から電気信号に変換され、
    前記信号発生器がスイープ周波数無線周波数信号を発生して、このスイープ周波数無線周
    波数信号が電気光学変調器により変調されて光信号に載せられ、
    前記マイクロ波検出器は光検知器の出力側に設置されて、光検知器に出力される無線周波
    数信号のパワーを検出するためのものであり、
    前記マイクロコントローラーは前記マイクロ波検出器と接続されて、前記マイクロ波検出
    器の出力信号に基づいて偏波保持光ファイバが発生させた光の時間遅延を計算するための
    ものである
    ことを特徴とする偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延の測定装置。
  2. 前記レーザーはコヒーレンス長が３０μｍより短い広帯域光源を採用し、そのコヒーレン
    ス長は偏波保持光ファイバのファースト軸とスロー軸の伝搬定数が異なることによって引
    き起こされた光路差より遥かに小さい
    ことを特徴とする請求項１に記載の偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延の測定装置。
  3. 前記レーザーが直線偏光を発する
    ことを特徴とする請求項２に記載の偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延の測定装置。
  4. 前記偏波保持光ファイバカプラーは２×２ ３ｄＢの偏波保持光ファイバカプラーである
    ことを特徴とする請求項１に記載の偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延の測定装置。
  5. 前記偏波保持光ファイバカプラーの光ファイバインターフェースＪ１、光ファイバインタ
    ーフェースＪ２に接続される二つの偏波保持光ファイバの長さが等しい
    ことを特徴とする請求項４に記載の偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延の測定装置。
  6. 前記マイクロコントローラーが式
    Figure 0007086335000036
    により計算で偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延量を得て、但し、
    Figure 0007086335000037
    と
    Figure 0007086335000038
    は隣り合う、二つのマイクロ波検出器の出力される電圧が０である周波数値である
    ことを特徴とする請求項１に記載の偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延の測定装置。
JP2021514965A 2019-03-28 2020-01-21 偏波保持光ファイバ主軸差分時間遅延の測定装置 Active JP7086335B2 (ja)

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