JP5148420B2 - Optical fiber testing equipment - Google Patents
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Description
本発明は、光ネットワーク監視を行うための光ファイバの試験装置において、長距離光ファイバにおける遠端でのフレネル反射を簡素な構成で且つ高い距離分解能で観測できるようにするための技術に関する。 The present invention relates to a technique for enabling Fresnel reflection at a far end in a long-distance optical fiber to be observed with a simple configuration and high distance resolution in an optical fiber test apparatus for optical network monitoring.
光ファイバの破断や損失を測定する装置として、ＯＴＤＲ(Optical Time Domain Refl
ectmetry)およびＯＦＤＲ(Optical Frequency Domain Reflectmetry)が一般的である。
OTDR (Optical Time Domain Refl) is a device for measuring the breakage and loss of optical fibers.
ectmetry) and OFDR (Optical Frequency Domain Reflectmetry) are common.
ＯＴＤＲは、光ファイバに光パルスを入射し、光ファイバ内で生じるレイリー後方散乱光やフレネル反射光が往復して戻ってくるまでの時間とその光強度から光ファイバの損失や反射位置を測定する。 OTDR measures the loss and reflection position of an optical fiber from the time it takes for a light pulse to enter an optical fiber and the Rayleigh backscattered light and Fresnel reflected light that occur in the optical fiber return and return. .
ＯＴＤＲの距離分解能は、入射する光パルスの幅に依存し、光パルス幅を狭くして受信系の帯域幅を広くすることによって改善することができるが、１本の光ファイバを分岐して複数のユーザーで共有するＰＯＮ（Passive Optical
Network）システムのように分岐損失が大きい場合や長距離光ファイバの場合には、光パルス幅の狭窄化に伴う反射光レベルの低下および受信系の広帯域化に伴う雑音の増加による受光感度の劣化によって、ＯＴＤＲの高距離分解能化にも限界がある。
The distance resolution of OTDR depends on the width of the incident optical pulse and can be improved by narrowing the optical pulse width and widening the bandwidth of the receiving system. PON (Passive Optical) shared with other users
In the case of large branching loss and long-distance optical fibers as in the Network) system, the received light sensitivity deteriorates due to the decrease in the reflected light level due to the narrowing of the optical pulse width and the increase in noise due to the wider bandwidth of the receiving system. Therefore, there is a limit to increasing the resolution of OTDR.
一方、高距離分解能測定を可能にする技術としてＯＦＤＲが提案されている。この方法は光源の光周波数を時間に対して直線的に変化させ、その光を信号光（プローブ光ともいう）と参照光とに分岐し、信号光を被測定光ファイバに入射させ、その被測定光ファイバから戻ってくる反射光を参照光と合波してヘテロダイン検波するものである。ここで、反射光と参照光との光周波数差と、両光路長差とは比例関係にあるため、光周波数差（周波数領域における反射光強度分布）を測定することにより、反射位置を特定することができる。 On the other hand, OFDR has been proposed as a technique that enables high-range resolution measurement. In this method, the optical frequency of the light source is linearly changed with respect to time, the light is branched into signal light (also referred to as probe light) and reference light, and the signal light is incident on the optical fiber to be measured. The reflected light returning from the measurement optical fiber is combined with the reference light for heterodyne detection. Here, since the optical frequency difference between the reflected light and the reference light is proportional to the optical path length difference, the reflection position is specified by measuring the optical frequency difference (reflected light intensity distribution in the frequency domain). be able to.
この方法における距離分解能は周波数分解能に依存し、受信系の帯域幅を狭くすることによって高距離分解能を実現することができる。また、帯域幅の狭窄化によって、同時に受信感度も改善することができ、高感度かつ高距離分解能の反射測定が可能となる。 The distance resolution in this method depends on the frequency resolution, and a high distance resolution can be realized by narrowing the bandwidth of the receiving system. Further, by narrowing the bandwidth, the reception sensitivity can be improved at the same time, and reflection measurement with high sensitivity and high distance resolution becomes possible.
しかし、この方法にも問題があり、信号光と参照光との光路長差が光源のコヒーレンス長より短ければ、干渉信号のパワースペクトルはデルタ関数形状のピークとなり周波数分解能は良好であるが、光路長差がコヒーレンス長よりも長いと次第にノイズフロアが上昇して最終的にはローレンツ形状となり、光源のスペクトル線幅の２倍にまで周波数分解能を悪化し、その結果、長尺光ファイバにおけるＯＦＤＲの距離分解能が悪化する。 However, this method also has a problem. If the optical path length difference between the signal light and the reference light is shorter than the coherence length of the light source, the power spectrum of the interference signal becomes a peak of the delta function shape, and the frequency resolution is good. If the length difference is longer than the coherence length, the noise floor gradually rises and eventually becomes a Lorentz shape, and the frequency resolution deteriorates to twice the spectral line width of the light source. As a result, the OFDR of the long optical fiber Distance resolution deteriorates.
また、光路長差がコヒーレンス長よりも長い場合、干渉強度が低下することにより検出信号レベルが低下し、損失の大きな光ファイバの測定ができなくなる。 Further, when the optical path length difference is longer than the coherence length, the detection signal level is lowered due to the reduction of the interference intensity, making it impossible to measure an optical fiber with a large loss.
この問題を解決するための技術として、次の特許文献１には、参照光を分岐して、その一方に周波数シフトと遅延を与えて他方と合波する光学手段を多段に設けて、高い距離分解能を保ちつつ、比較的広い距離範囲にわたる測定を可能にする技術が開示されている。
As a technique for solving this problem, the following
しかしながら、上記のように一方の参照光に周波数シフトと遅延を与えて他方と合波する光学手段を多段に設ける構成では、光ファイバの長さが長くなるにつれて、その光学手段の段数を増加させなくてはならず、構成が非常に膨大化するという問題があった。 However, in the configuration in which the optical means for giving a frequency shift and delay to one reference light and combining with the other is provided in multiple stages as described above, the number of stages of the optical means is increased as the length of the optical fiber becomes longer. There is a problem that the configuration becomes very large.
本発明は、この問題を鑑み、ＰＯＮシステム等のように分岐損失が大きく、しかも長尺光ファイバであっても、簡易な構成で、高距離分解能かつ高感度に測定ができる光ファイバ試験装置を提供することを目的とする。 In view of this problem, the present invention provides an optical fiber test apparatus that has a large branching loss, such as a PON system, and can measure with a simple configuration, high distance resolution and high sensitivity even with a long optical fiber. The purpose is to provide.
前記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の光ファイバ測定装置は、
コヒーレントな光でその光周波数が時間とともに変化する周波数掃引光を出射する可変波長光源（２１）と、
前記周波数掃引光をプローブ光と参照光に分岐し、該プローブ光を被測定光ファイバ（１）の一端側に入射するとともに該プローブ光に対して前記被測定光ファイバの一端側に戻ってくる戻り光を前記参照光と異なる光路へ出射する光カプラ（３０）と、
前記参照光を受けてオンオフする第１のパルス変調器（３１）と、
前記第１のパルス変調器から出力された参照光パルスを第１の方向性結合器（３２）の一方の入力ポートで受けて二つの出力ポートに分岐し、その一方の出力ポートから出射された参照光パルスを、該参照光パルス長以上のループ状光路を伝搬させて前記第１の方向性結合器の他方の入力ポートに入射して前記ループ状光路を周回させるとともに、該周回中の参照光パルスを前記第１の方向性結合器の他方の出力ポートから出射させる光ループ遅延器（３３）と、
前記光ループ遅延器の前記ループ状光路内に挿入され、該光ループ遅延器内の損失を補償する第１の光増幅器（３４）と、
前記光ループ遅延器の前記ループ状光路内に挿入され、該光ループ遅延器内の参照光パルスをオンオフする第１の光スイッチ（３５）と、
前記光ループ遅延器の出射光を受け、前記光ループ遅延器に入射されてから所望の周回分遅延した参照光パルスを取り出す光ゲート（３６）と、
前記光ゲートから出射される参照光パルスと前記戻り光とを合波する光合波器（４０）と、
被測定光ファイバの距離に応じて前記光ゲートが取り出す参照光パルスの周回数を設定する制御部（５０）と、
前記光合波器によって合波された光を光電変換する受光器（４１）とを備え、
前記受光器の出力信号と前記光ゲートが取り出す参照光パルスの周回数とに基づいて前記被測定光ファイバの反射位置を特定することを特徴とする。
In order to achieve the above object, an optical fiber measuring device according to
A variable wavelength light source (21) that emits frequency-swept light whose optical frequency changes with time by coherent light;
The frequency sweep light is branched into probe light and reference light, and the probe light is incident on one end side of the optical fiber to be measured (1) and returns to one end side of the optical fiber to be measured with respect to the probe light. An optical coupler (30) for emitting return light to a different optical path from the reference light;
A first pulse modulator (31) that receives and turns on and off the reference light;
The reference light pulse output from the first pulse modulator is received by one input port of the first directional coupler (32), branched into two output ports, and emitted from the one output port. The reference light pulse propagates through the loop optical path longer than the reference light pulse length and enters the other input port of the first directional coupler to circulate the loop optical path, and the reference during the circulation An optical loop delay (33) for emitting an optical pulse from the other output port of the first directional coupler;
A first optical amplifier (34) inserted in the looped optical path of the optical loop delay device to compensate for the loss in the optical loop delay device;
A first optical switch (35) inserted into the loop-shaped optical path of the optical loop delayer, for turning on and off a reference optical pulse in the optical loop delayer;
An optical gate (36) for receiving the light emitted from the optical loop delay device and extracting a reference light pulse delayed by a desired number of times after being incident on the optical loop delay device;
An optical multiplexer (40) for combining the reference light pulse emitted from the optical gate and the return light;
A control unit (50) for setting the number of rotations of the reference light pulse taken out by the optical gate according to the distance of the optical fiber to be measured;
A light receiver (41) that photoelectrically converts the light combined by the optical multiplexer;
The reflection position of the optical fiber to be measured is specified based on the output signal of the light receiver and the number of rotations of the reference light pulse taken out by the optical gate.
また、本発明の請求項２の光ファイバ測定装置は、請求項１記載の光ファイバ測定装置において、
前記可変波長光源（２１）は、
コヒーレントな光を出力するコヒーレント光源（２１ａ）と、
前記コヒーレント光源の出力光周波数を時間とともに変化させる光周波数ランプ発生器（２１ｂ）とにより構成されていることを特徴とする。
An optical fiber measuring device according to
The variable wavelength light source (21)
A coherent light source (21a) that outputs coherent light;
An optical frequency ramp generator (21b) that changes the output optical frequency of the coherent light source with time is provided.
また、本発明の請求項３の光ファイバ測定装置は、請求項２記載の光ファイバ測定装置において、
前記光周波数ランプ発生器は、
前記コヒーレントな光を受けてオンオフする第２のパルス変調器（２３）と、
前記第２のパルス変調器から出射されるパルス光を第２の方向性結合器（２５）の一方の入力ポートで受けて二つの出力ポートに分岐し、その一方の出力ポートから出射された光パルスを、該光パルス長に等しい長さのループ状光路を伝搬させて前記第２の方向性結合器の他方の入力ポートに入射して前記ループ状光路を周回させるとともに、該周回中の参照光パルスを前記第２の方向性結合器の他方の出力ポートから出射させるリング共振器（２６）と、
前記リング共振器の前記ループ状光路内に挿入され、入力する光パルスの光周波数をシフトさせる光周波数シフタ（２７）と、
前記リング共振器の前記ループ状光路内に挿入され、該リング共振器内の損失を補償する第２の光増幅器（２８）と、
前記リング共振器の前記ループ状光路内に挿入され、リング共振器内の光をオンオフする第２の光スイッチ（２９）とにより構成されていることを特徴とする。
Moreover, the optical fiber measuring device of
The optical frequency ramp generator is
A second pulse modulator (23) that receives and turns on and off the coherent light;
Light emitted from the second pulse modulator is received by one input port of the second directional coupler (25), branched into two output ports, and light emitted from the one output port A pulse propagates through a loop-shaped optical path having a length equal to the optical pulse length and enters the other input port of the second directional coupler to circulate the loop-shaped optical path, and a reference during the circulation A ring resonator (26) for emitting an optical pulse from the other output port of the second directional coupler;
An optical frequency shifter (27) that is inserted into the loop optical path of the ring resonator and shifts the optical frequency of the input optical pulse;
A second optical amplifier (28) inserted in the looped optical path of the ring resonator and compensating for the loss in the ring resonator;
The second optical switch (29) is inserted into the loop-shaped optical path of the ring resonator and turns on and off the light in the ring resonator.
また、本発明の請求項４の光ファイバ測定装置は、請求項３記載の光ファイバ試験装置において、
前記光周波数シフタは、
＋１次回折光と任意の第１駆動周波数（ｆ１）で駆動される第１のＡＯ型周波数シフタ（２７ａ）と、−１次回折光と前記第１駆動周波数と異なる第２駆動周波数（ｆ２）で駆動される第２のＡＯ型周波数シフタ（２７ｂ）により形成され、前記２つのＡＯ型周波数シフタを通過した光の周波数が、前記第１駆動周波数と第２駆動周波数の差分ずつ変化して出力光周波数を時間とともに変化させることを特徴とする。
An optical fiber measuring device according to
The optical frequency shifter is
A first AO type frequency shifter (27a) driven at the + 1st order diffracted light and an arbitrary first drive frequency (f1), and a -1st order diffracted light and a second drive frequency (f2) different from the first drive frequency. The frequency of light formed by the second AO type frequency shifter (27b) that has passed through the two AO type frequency shifters is changed by the difference between the first driving frequency and the second driving frequency, and the output optical frequency Is characterized by changing with time.
また、本発明の請求項５の光ファイバ測定装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバ試験装置において、
前記光カプラが、
前記可変波長光源（２１）からの出力光をプローブ光と参照光に分岐する第１分岐器（３０ａ）と、該第１分岐器によって分岐されたプローブ光を被測定光ファイバ（１）の一端側に入射するとともに該プローブ光に対して前記被測定光ファイバの一端側に戻ってくる戻り光を前記参照光と異なる光路へ出射する第２分岐器（３０ｂ）とにより構成されていることを特徴とする。
Moreover, the optical fiber measuring device according to
The optical coupler is
A first branching device (30a) for branching output light from the variable wavelength light source (21) into probe light and reference light, and probe light branched by the first branching device is one end of the optical fiber to be measured (1). And a second branching device (30b) that emits return light that enters the optical fiber and returns to one end of the optical fiber to be measured with respect to the probe light. Features.
上記のように構成されているので、本発明の光ファイバ測定装置では、被測定光ファイバの距離レンジに応じて、光ゲートを開くタイミングを変えることで、任意のループ周回数の参照光、すなわち任意の遅延量の参照光を取り出すことができる。従って、簡易な構成で、光源のコヒーレンス長を超える被測定光ファイバであっても、干渉光強度が低下せず、高距離分解能で高感度の測定が可能となる。 Since it is configured as described above, in the optical fiber measurement device of the present invention, by changing the timing of opening the optical gate according to the distance range of the optical fiber to be measured, the reference light having an arbitrary number of loop turns, that is, An arbitrary amount of reference light can be extracted. Therefore, even with an optical fiber to be measured that has a simple configuration and exceeds the coherence length of the light source, the interference light intensity does not decrease, and high-sensitivity measurement with high distance resolution becomes possible.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
先ず始めに、ＯＦＤＲの原理について簡単に説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the principle of OFDR will be briefly described.
ＯＦＤＲは、光周波数を鋸波状に変調した光（光周波数掃引されているレーザ光源）を、参照光路と被測定光ファイバに入射し、被測定光ファイバから反射する光（信号光またはプローブ光という）と参照光路の光（参照光）とのビート信号を解析し、反射位置を検出する。 In the OFDR, light (laser light source that has been swept in an optical frequency) whose optical frequency is modulated in a sawtooth shape is incident on the reference optical path and the optical fiber to be measured, and is reflected from the optical fiber to be measured (signal light or probe light). ) And the light of the reference light path (reference light) are analyzed to detect the reflection position.
このビート周波数は、参照光と信号光との時間遅延、即ち、参照光と信号光との光路差に比例しているので、そのビート周波数から反射位置を特定することができる。また、ビート周波数の強度から反射率も求めることができる。 Since this beat frequency is proportional to the time delay between the reference light and the signal light, that is, the optical path difference between the reference light and the signal light, the reflection position can be specified from the beat frequency. Also, the reflectance can be obtained from the intensity of the beat frequency.
ここで、レーザ光の光周波数ｆ０［Ｈｚ］を基準変調周波数として、時間（ｔ）でｆ０＋α・ｔ［Ｈｚ］の周波数ランプ掃引（αは時間に対する周波数の変化量を示す）を行うと、合波されるプローブ光と参照光の光周波数差（ビート周波数）Δｆは、（１）式で表される。 Here, when a frequency ramp sweep of f0 + α · t [Hz] is performed at time (t) using the optical frequency f0 [Hz] of the laser light as a reference modulation frequency, α indicates the amount of change in frequency with respect to time. The optical frequency difference (beat frequency) Δf between the probe light to be waved and the reference light is expressed by equation (1).
Δｆ＝２ｎ・ΔＬ・α／ｃ ……（１）
ここで、ｎは光ファイバの屈折率、ｃは光速［ｍ／ｓｅｃ］、ΔＬはプローブ光と参照光の片道分の光路差［ｍ］
Δf = 2n · ΔL · α / c (1)
Here, n is the refractive index of the optical fiber, c is the speed of light [m / sec], and ΔL is the optical path difference of one way between the probe light and the reference light [m].
上記（１）式から、合波されるプローブ光と参照光の光周波数差（ビート周波数）Δｆは、プローブ光と参照光の片道分の光路差ΔＬと比例関係にあることがわかる。そして、光ファイバの屈折率ｎ、光速ｃ、周波数の変化量αは既知であるから、ビート周波数Δｆから片道分の光路差ΔＬが算出でき、参照光の光路も装置として既知であるから、プローブ光の光路長、即ち被測定光ファイバの反射位置がわかる。 From the above equation (1), it can be seen that the optical frequency difference (beat frequency) Δf between the probe light and the reference light to be combined is proportional to the optical path difference ΔL for one way between the probe light and the reference light. Since the refractive index n, light speed c, and frequency change amount α of the optical fiber are known, the optical path difference ΔL for one way can be calculated from the beat frequency Δf, and the optical path of the reference light is also known as the device. The optical path length of light, that is, the reflection position of the optical fiber to be measured is known.
次に、本発明の第１の実施形態を、図１を用いて説明する。
可変波長光源２１は、コヒーレントな光でその光周波数が時間とともに変化する周波数掃引光Ｐｂを出射するものであり、その構成については種々考えられるが、周波数掃引特性のバラツキが測定精度に直接影響するので、その周波数掃引特性に安定度および再現性が高い方式が要求される。その一例としてここでは、半導体レーザ等からなるコヒーレント光源２１ａから出射されたコヒーレントな光Ｐａを、光周波数ランプ発生器２１ｂに入射して、その光周波数を時間とともに直線的に変化させる構成を採用している。
Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The variable wavelength
光周波数ランプ発生器２１ｂは、光Ｐａを受けてその光周波数が時間とともに直線的に変化する光周波数掃引光Ｐｂを発生させ、光カプラ３０に入射する。
The optical frequency ramp generator 21 b receives the light Pa, generates an optical frequency swept light Pb whose optical frequency changes linearly with time, and enters the
ここで、光周波数ランプ発生器２１ｂは、例えば図２に示すように、コヒーレントな光Ｐａを受け一定周期で一定時間だけオンするパルス変調器２３と、ファイバーループ型の周波数掃引部２４により構成されている。 Here, for example, as shown in FIG. 2, the optical frequency ramp generator 21 b includes a pulse modulator 23 that receives coherent light Pa and is turned on for a fixed time in a fixed period, and a fiber loop type frequency sweep unit 24. ing.
周波数掃引部２４は、そのパルス変調器２３から出射されるパルス光Ｐａ１を方向性結合器２５の一方の入力ポートに入射し、Ｐａ２（＝Ｐｂ）、Ｐａ３に分岐して二つの出力ポートから出射し、その一方の光パルスＰａ３を、その光パルス長に相当する光路長をもつファイバによるループ状光路に入射し、これを伝搬した光を方向性結合器２５の他方の入力ポートに入射して周回させるリング共振器２６と、リング共振器２６のループ状光路に内に挿入され、光パルスＰａ３の光周波数をシフトする光周波数シフタ２７と、ループ状光路に内に挿入され、光周波数シフタ２７の出力光Ｐａ４を増幅してリング共振器２６内の損失を補償する光増幅器２８と、ループ状光路に内に挿入され、リング共振器２６内の光、この場合光増幅器２８の出力光Ｐａ４′をオンオフし、その出力光Ｐａ５を方向性結合器２５に戻す光スイッチ２９とにより構成されている。
The frequency sweep unit 24 enters the pulsed light Pa1 emitted from the pulse modulator 23 into one input port of the
なお、特許請求の範囲では、パルス変調器２３を第２のパルス変調器、方向性結合器２５を第２の方向性結合器、光増幅器２８を第２の光増幅器、光スイッチ２９を第２の光スイッチと記載し、後述のパルス変調器３１、方向性結合器３２、光増幅器３４、光スイッチ３５をそれぞれ第１のパルス変調器、第１の方向性結合器、第１の光増幅器、第１の光スイッチと記載して両者を区別しているが、以下の説明では符号により両者を区別するものとする。
In the claims, the pulse modulator 23 is the second pulse modulator, the
このように、光リング共振器２６と光周波数シフタ２７を用いる方式の場合、図３の（ａ）のように、光スイッチ２９がオンしている状態で、リング導波路のループ長と等しい長さの入射光パルスＰａ１を図３の（ｂ）のように光リング共振器２６に与えることで、図３の（ｃ）のようにループを周回する光が途切れないで連続した状態となり、しかも光周波数シフタ２７により周回ごとに所定の周波数シフトΔｆｓが与えられて、図３の（ｄ）に示しているように、光スイッチ２９がオンしている間、光周波数が時間軸上でシフト周波数Δｆｓずつステップ状に変化する等価的な連続光が出力されることになり、光スイッチ２９がオフすると光の出射が停止し、リング内で光が消滅してから再び光スイッチ２９がオン状態となって、光パルスＰａ１が入射されると、前記したランプ状に光周波数が変化する光Ｐｂが出射されることになる。
Thus, in the case of the method using the
ここで、光周波数シフタ２７には、２つのＡＯ型周波数シフタ（ＡＯＦＳ：Acoust Optic
Frequency Shifter）２７ａ、２７ｂを用いている。
Here, the
Frequency Shifter) 27a and 27b are used.
光通信波長帯におけるＡＯ型周波数シフタのシフト周波数は、概ね３０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度であるが、この構成のように、例えば駆動周波数ｆ１の１段目のＡＯＦＳ２７ａの＋１次回折光に対し、１段目と異なる駆動周波数ｆ２で駆動された２段目のＡＯＦＳ２７ｂで−１次の回折を与えることで、両ＡＯＦＳ２７ａ、２７ｂの駆動周波数ｆ１、ｆ２の差分であるシフト周波数Δｆｓを得ることができる。光リング共振器２６の分岐等による損失は光増幅器２８で補償している。
The shift frequency of the AO type frequency shifter in the optical communication wavelength band is about 30 MHz to about 100 MHz. As in this configuration, for example, with respect to the + 1st order diffracted light of the first stage AOFS 27a with the driving frequency f1, A shift frequency Δfs, which is the difference between the drive frequencies f1 and f2 of the two AOFSs 27a and 27b, can be obtained by giving the −1st order diffraction by the second-stage AOFS 27b driven at a different drive frequency f2. Loss due to branching of the
このように光周波数ランプ発生器２１ｂによってランプ状に光周波数が変化する出力光Ｐｂは、光カプラ３０に入射され、プローブ光Ｐｃと参照光Ｐｄに分岐される。ここで、プローブ光Ｐｃと参照光Ｐｄは、図４の（ａ）に示しているように一定時間高い強度で出射され、短時間オフ状態となる動作が繰り返され、一定時間高い強度で出射されている間、光周波数が図４の（ｂ）のように時間に対してｆ０〜ｆｍａｘに直線的に変化する。
Thus, the output light Pb whose optical frequency changes in a lamp shape by the optical frequency ramp generator 21b is incident on the
プローブ光Ｐｃは、例えばＰＯＮシステムに用いられる被測定光ファイバ１の一端１ａ側に入射される。そして、このプローブ光Ｐｃに対して被測定光ファイバ１の一端１ａ側に戻ってくる戻り光Ｐｅは、光カプラ３０により参照光Ｐｄと異なる光路へ出射される。
The probe light Pc is incident on the one end 1a side of the
参照光Ｐｄはパルス変調器３１に入射されて、所定のタイミングにオンされて、光ループ遅延器３３の一部を形成する方向性結合器３２に入射される。
The reference light Pd is incident on the pulse modulator 31, turned on at a predetermined timing, and incident on the
即ち、光ループ遅延器３３は、パルス変調器３１がオンしている間に方向性結合器３２の一方の入力ポートに入射した参照光パルスＰｆを方向性結合器３２により２分岐させ二つの出力ポートから出射させ、その一方の出力ポートから出射された参照光パルスを、方向性結合器３２の一方の出力ポートと他方の入力ポートの間を結び、参照光パルス長以上の長さを有するループ状光路に入射させ、参照光パルスを周回させる。
That is, the optical loop delay device 33 causes the reference light pulse Pf incident on one input port of the
ここで、ループ状光路（実際には方向性結合器３２の光路も含む）は、参照光パルス長以上であるので、ループ遅延器３３内において前後する周回光、例えば図の例でｎ周回目の参照光パルスＰｆ（ｎ）とその前の（ｎ−１）周回目の参照光パルスＰｆ（ｎ−１）は時間的に重なることはない（ループ状光路が参照光パルス長に等しいとき途切れなく連続する）。 Here, since the loop-shaped optical path (in fact, including the optical path of the directional coupler 32) is longer than the reference optical pulse length, the circulating light traveling back and forth in the loop delay device 33, for example, the n-th circuit in the example shown in the figure. The reference light pulse Pf (n) and the previous reference light pulse Pf (n-1) of the (n-1) -th turn do not overlap in time (discontinuous when the loop optical path is equal to the reference light pulse length) Not continuous).
この光ループ遅延器３３のループ状光路内には、光ループ遅延器３３内の損失を補償する光増幅器３４と、光ループ遅延器内の参照光パルスをオンオフする光スイッチ３５が設けられている。
An
したがって、光スイッチ３５が、図４の（ｃ）のようにオンした直後に、パルス変調器３１を例えば図４の（ｄ）のように光周波数の１掃引時間分だけオンさせることで、参照光パルスＰｆを光ループ遅延器３３に入射させることができ、この入射された参照光パルスＰｆは、光スイッチ３５がオンしている間周回する。参照光パルス長と光ループ遅延器３３のループ長が等しい場合、図４の（ｅ）のように、参照光パルスＰｆが途切れない状態となっている。なお、参照光パルス長に対して光ループ遅延器３３のループ長が長くなっている場合、周回する参照光パルスＰｆの間に隙間（光が出射されない期間）が生じるが、その期間は既知であり、この既知の期間を考慮して遅延時間を求めれば問題ない。 Therefore, immediately after the optical switch 35 is turned on as shown in FIG. 4C, the pulse modulator 31 is turned on for one sweep time of the optical frequency as shown in FIG. The optical pulse Pf can enter the optical loop delay device 33, and the incident reference light pulse Pf circulates while the optical switch 35 is on. When the reference light pulse length is equal to the loop length of the optical loop delay device 33, the reference light pulse Pf is not interrupted as shown in FIG. Note that when the loop length of the optical loop delay device 33 is longer than the reference light pulse length, a gap (a period during which light is not emitted) is generated between the circulating reference light pulses Pf, but this period is known. There is no problem if the delay time is obtained in consideration of this known period.
この周回光は、方向性結合器３２の他方の出力ポートから光ゲート３６へ送られており、制御部５０の制御によって例えば図４の（ｆ）のように、参照光パルスＰｆが光ループ遅延器３３に入射されてから所望の周回分（ｊ回）遅延した参照光パルスＰｆ（ｊ）を取り出すようにゲートが開かれる。この光ゲート３６が開くタイミングは、被測定光ファイバ１の距離に応じて制御部５０によって制御される。
This circulating light is sent from the other output port of the
一方、プローブ光Ｐｃを受けた被測定光ファイバ１からは、例えば図４の（ｈ）のような戻り光Ｐｅが光カプラ３０を介して、光ゲート３６から出射される参照光パルスＰｆ（ｊ）ととともに光合波器４０に入射されて合波され、光合波器４０によって合波された光は受光器４１に入射され光電変換される。
On the other hand, from the measured
このとき、戻り光Ｐｅと参照光パルスＰｆ（ｊ）との間に図４の（ｉ）のような周波数差Δｆがあると、その周波数差Δｆのビート信号成分が受光器４１から出力され、ＢＰＦ４２を通過して、図４の（ｊ）のような信号Ｅ′が出力される。 At this time, if there is a frequency difference Δf as shown in (i) of FIG. 4 between the return light Pe and the reference light pulse Pf (j), the beat signal component of the frequency difference Δf is output from the light receiver 41, A signal E ′ as shown in (j) of FIG. 4 is output through the BPF 42.
ここで、プローブ光を受けてから戻り光Ｐｅが入射されるまでの時間は、ビート信号を生じる参照光パルスの周回数と、その周波数差Δｆにより決定される。また、戻り光の強度は、ビート信号の振幅の大小として現れる。したがって、このビート信号成分を検波器４３で検波してその検波出力Ｄを調べることで戻り光の強度が把握できる。また、ビート信号成分の周波数を求めることで被測定光ファイバ１の反射位置を特定することができる。
Here, the time from when the probe light is received until the return light Pe is incident is determined by the number of laps of the reference light pulse that generates the beat signal and its frequency difference Δf. The intensity of the return light appears as the magnitude of the beat signal amplitude. Therefore, the intensity of the return light can be grasped by detecting this beat signal component with the detector 43 and examining the detection output D thereof. Further, the reflection position of the
この実施形態では、ビート信号成分と検波出力とをＡ／Ｄ変換器４４によりデジタル値に変換し、データ処理部４５により前記反射位置とその反射率とを把握している。 In this embodiment, the beat signal component and the detection output are converted into digital values by the A / D converter 44, and the reflection position and the reflectance thereof are grasped by the data processing unit 45.
ここで、制御部５０は、パルス変調器３１や光スイッチ３５の動作タイミングを制御するとともに、データ処理部４５で被測定光ファイバの反射位置を特定できる状態となるように光ゲート３６の開くタイミングを変化せる。
Here, the
ここで、光周波数ランプ発生器２１ｂの周波数変化のタイミングに対して、任意のループ周回数の参照光パルスの発生タイミングをずらし、光周波数ランプ発生器２１ｂのあらゆる周波数における参照光とビート信号を発生させるようにすれば、そのヘテロダイン検波信号を周波数解析することにより被測定光ファイバ１の反射位置を特定することができる。
Here, the generation timing of the reference light pulse having an arbitrary number of loop turns is shifted with respect to the timing of the frequency change of the optical frequency ramp generator 21b, and the reference light and the beat signal at all frequencies of the optical frequency ramp generator 21b are generated. By doing so, the reflection position of the
つまり、被測定光ファイバ１の距離レンジに応じて、光ゲート３６を開くタイミングを変えれば、任意のループ周回数の参照光、すなわち任意の遅延量の参照光を取り出すことができる。
That is, if the timing at which the
従って、光源のコヒーレンス長を超える被測定光ファイバであっても、干渉光強度が低下せず、高距離分解能で高感度の測定が可能となる。 Therefore, even if the optical fiber to be measured exceeds the coherence length of the light source, the interference light intensity does not decrease, and high-sensitivity measurement with high distance resolution becomes possible.
なお、ここでは、光カプラ３０として２入力２出力型の光カプラで構成していたが、図５に示す光カプラ３０のように、可変波長光源２１からの出力光Ｐｂをプローブ光Ｐｃと参照光Ｐｄに分岐する第１分岐器３０ａと、その第１分岐器３０ａによって分岐されたプローブ光Ｐｃを被測定光ファイバ１の一端１ａ側に入射するとともに被測定光ファイバ１からの戻り光を参照光Ｐｄと異なる光路へ出射するサーキュレータ型の第２分岐器３０ｂとによって構成してもよい。
Here, the
なお、ＯＦＤＲにおける距離分解能は周波数分解能に依存するため、距離分解能は前に述べた光周波数ランプ発生器２１ｂのリング導波路２６のループ長以外にも、干渉信号のパワースペクトル（光源のコヒーレンス長）にも依存する。
Since the distance resolution in OFDR depends on the frequency resolution, the distance resolution is not limited to the loop length of the
プローブ光と参照光の光路長差が光源のコヒーレンス長より短ければ、干渉信号のパワースペクトルは、図６の（ａ）のデルタ関数形状のピークとなり、周波数分解能は良好であるが、光路長差がコヒーレンス長よりも長いと次第にノイズフロアが上昇し、最終的には図６の（ｂ）のようなローレンツ形状の光源のスペクトル線幅の２倍となり、周波数分解能は悪化する。さらに干渉強度が低下して感度も悪化してしまう。 If the optical path length difference between the probe light and the reference light is shorter than the coherence length of the light source, the power spectrum of the interference signal becomes the peak of the delta function shape of FIG. 6A and the frequency resolution is good, but the optical path length difference Is longer than the coherence length, the noise floor gradually rises, and finally becomes twice the spectral line width of the Lorentz-shaped light source as shown in FIG. 6B, and the frequency resolution deteriorates. Further, the interference intensity is lowered and the sensitivity is also deteriorated.
光源のコヒーレンス長ｌc は、コヒーレンス時間τc を距離に換算したものであり、（２）式で与えられる。 The coherence length lc of the light source is obtained by converting the coherence time τc into a distance, and is given by equation (2).
ｌc ＝（ｃ／ｎ）τc
≒（ｃ／ｎ）（２／Δｆc） ……（２）
ここで、Δｆc は光源のスペクトル線幅（ＦＷＨＭ）
l c = (c / n) τ c
≒ (c / n) (2 / Δfc) (2)
Here, Δfc is the spectral line width (FWHM) of the light source.
例えば、光源のスペクトル線幅をΔｆc
＝４０ｋＨｚとした場合には、コヒーレンス長ｌc ＝１０ｋｍとなり、これより長い光ファイバの場合には距離分解能がスペクトル線幅の２倍の８０ｋＨｚに悪化してくることになる。
For example, if the spectral line width of the light source is Δfc
= 40 kHz, the coherence length l c = 10 km, and in the case of an optical fiber longer than this, the distance resolution deteriorates to 80 kHz, which is twice the spectral line width.
これに対して、本発明では、光ループ遅延器３３で参照光を遅延させた後、光ゲート３６で任意のループ周回数分の遅延量を与えた光パルスを参照光にしている。
On the other hand, in the present invention, after the reference light is delayed by the optical loop delay device 33, an optical pulse to which a delay amount corresponding to an arbitrary number of loop turns is given by the
従って、簡易な構成で、プローブ光と参照光の光路差を小さくすることができ、光源のコヒーレンス長が短くても（レーザ線幅が広くても）、長距離ファイバ測定時の干渉強度の低下による影響を抑えることができる。 Therefore, the optical path difference between the probe light and the reference light can be reduced with a simple configuration, and even if the coherence length of the light source is short (even if the laser line width is wide), the interference intensity when measuring long distance fibers is reduced. Can reduce the effects of.
以下に、光周波数ランプ発生器２１ｂと光ループ遅延器３３について、数値例を挙げてさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the optical frequency ramp generator 21b and the optical loop delay device 33 will be described in more detail with numerical examples.
光周波数ランプ発生器２１ｂのリング導波路のループ長（光パルスのパルス長）は距離分解能を左右するため、高分解能を得るためには光周波数の掃引ステップを小さくすることが必要である。 Since the loop length of the ring waveguide of the optical frequency ramp generator 21b (pulse length of the optical pulse) affects the distance resolution, it is necessary to reduce the optical frequency sweep step in order to obtain high resolution.
例えば、光周波数ランプ発生器２１ｂのリング導波路のループ長を５０ｃｍとし、ＡＯ型周波数シフタのシフト周波数を１００ｋＨｚとした場合には、２．５ｎｓｅｃ毎に１００ｋＨｚ周波数が変化する時間対周波数の直線性が極めて良好な光周波数ランプ掃引が実現可能となる。この場合の時間に対する光周波数の変化率(α)は、４×１０１３［Ｈｚ／ｓｅｃ］となり、この変化率で光周波数ステップ１００ｋＨｚに相当する距離分解能は２５ｃｍである。 For example, when the loop length of the ring waveguide of the optical frequency ramp generator 21b is 50 cm and the shift frequency of the AO type frequency shifter is 100 kHz, the linearity of time vs. frequency in which the 100 kHz frequency changes every 2.5 nsec. However, a very good optical frequency lamp sweep can be realized. In this case, the change rate (α) of the optical frequency with respect to time is 4 × 10 13 [Hz / sec], and the distance resolution corresponding to the optical frequency step of 100 kHz is 25 cm at this change rate.
この光信号を用いて、例えば１ｍの光ファイバを測定する場合、光ファイバ１ｍ（参照光とプローブ光の光路差）を光が往復する時間は、
ｔ１＝２ｎ／ｃ≒１×１０−８［ｓｅｃ］
であるから、時間ｔ１でのビート周波数は前記（１）式から、
Δｆ１＝α×１×１０−８＝４×１０５［Ｈｚ］＝４００ｋＨｚ
となる。なお、屈折率ｎは１．５としている。
For example, when measuring an optical fiber of 1 m using this optical signal, the time for the light to reciprocate through the optical fiber 1 m (the optical path difference between the reference light and the probe light) is:
t1 = 2n / c≈1 × 10 −8 [sec]
Therefore, the beat frequency at time t1 is from the above equation (1),
Δf1 = α × 1 × 10 −8 = 4 × 10 5 [Hz] = 400 kHz
It becomes. The refractive index n is 1.5.
従って、１ｍの距離分解能を実現するためには、データ処理部４５において、４００ｋＨｚ以下の周波数分解能で周波数解析をすれば良いことになる。 Therefore, in order to realize a distance resolution of 1 m, the data processor 45 may perform frequency analysis with a frequency resolution of 400 kHz or less.
また、１０ｋｍの光ファイバ（参照光とプローブ光の光路差）でのビート周波数は、４ＧＨｚとなり、両ビート周波数とも十分に周波数解析可能な範囲の値である。 In addition, the beat frequency in the 10 km optical fiber (the optical path difference between the reference light and the probe light) is 4 GHz, and both beat frequencies are values within a range where frequency analysis can be sufficiently performed.
次に、光ループ遅延器３３のループ長を１０ｋｍとした場合について説明する。
光ループ遅延器３３のループ長を１０ｋｍ、パルス変調器３１で発生させる光パルス幅（Ｔ）を５０μｓｅｃとし、その光パルスを光ゲート３６で取り出して参照光とする。図７の（ａ）のようにパルス化した参照光のスペクトルは、図７の（ｂ）のように、１／Ｔ＝１／５０μｓｅｃ＝２０ｋＨｚの周波数拡がりが発生する。光周波数の変化率(α)が４×１０１３［Ｈｚ／ｓｅｃ］時の２０ｋＨｚの周波数拡がりは、距離分解能５ｃｍ程度となり、問題ない。
Next, a case where the loop length of the optical loop delay device 33 is 10 km will be described.
The loop length of the optical loop delay device 33 is 10 km, the optical pulse width (T) generated by the pulse modulator 31 is 50 μsec, and the optical pulse is taken out by the
例えば、線幅が４０ｋＨｚ（コヒーレンス長１０ｋｍ）のレーザ光を用い、光遅延ループ３３を１０ｋｍとして遅延量を０〜９ループ周回分（０ｋｍ、１０ｋｍ、２０ｋｍ、…、９０ｋｍ）から選択できるようにし、被測定光ファイバ１が１０ｋｍでは遅延量０ｋｍ、被測定光ファイバ１が２０ｋｍでは遅延量１０ｋｍ、…、被測定光ファイバ１が１００ｋｍでは遅延量９０ｋｍに切替えるようすれば、レーザの干渉性は悪化せず、高分解能しかも高感度の測定が可能となる。
For example, using a laser beam having a line width of 40 kHz (coherence length 10 km), the optical delay loop 33 is set to 10 km, and the delay amount can be selected from 0 to 9 loops (0 km, 10 km, 20 km,..., 90 km), If the measured
２０……光ファイバ測定装置、２１……可変波長光源、２１ａ……コヒーレント光源、２１ｂ……光周波数ランプ発生器、２３……パルス変調器、２４……光周波数掃引部、３０……光カプラ、３１……パルス変調器、３２……方向性結合器、３３……光ループ遅延器、３４……光増幅器、３５……光スイッチ、３６……光ゲート、４０……光合波器、４１……受光器、４２……ＢＰＦ、４３……検波器、４４……Ａ／Ｄ変換器、４５……データ処理部、５０……制御部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記周波数掃引光をプローブ光と参照光に分岐し、該プローブ光を被測定光ファイバ（１）の一端側に入射するとともに該プローブ光に対して前記被測定光ファイバの一端側に戻ってくる戻り光を前記参照光と異なる光路へ出射する光カプラ（３０）と、
前記参照光を受けてオンオフする第１のパルス変調器（３１）と、
前記第１のパルス変調器から出力された参照光パルスを第１の方向性結合器（３２）の一方の入力ポートで受けて二つの出力ポートに分岐し、その一方の出力ポートから出射された参照光パルスを、該参照光パルス長以上のループ状光路を伝搬させて前記第１の方向性結合器の他方の入力ポートに入射して前記ループ状光路を周回させるとともに、該周回中の参照光パルスを前記第１の方向性結合器の他方の出力ポートから出射させる光ループ遅延器（３３）と、
前記光ループ遅延器の前記ループ状光路内に挿入され、該光ループ遅延器内の損失を補償する第１の光増幅器（３４）と、
前記光ループ遅延器の前記ループ状光路内に挿入され、該光ループ遅延器内の参照光パルスをオンオフする第１の光スイッチ（３５）と、
前記光ループ遅延器の出射光を受け、前記光ループ遅延器に入射されてから所望の周回分遅延した参照光パルスを取り出す光ゲート（３６）と、
前記光ゲートから出射される参照光パルスと前記戻り光とを合波する光合波器（４０）と、
被測定光ファイバの距離に応じて前記光ゲートが取り出す参照光パルスの周回数を設定する制御部（５０）と、
前記光合波器によって合波された光を光電変換する受光器（４１）とを備え、
前記受光器の出力信号と前記光ゲートが取り出す参照光パルスの周回数とに基づいて前記被測定光ファイバの反射位置を特定することを特徴とする光ファイバ試験装置。 A variable wavelength light source (21) that emits frequency-swept light whose optical frequency changes with time by coherent light;
The frequency sweep light is branched into probe light and reference light, and the probe light is incident on one end side of the optical fiber to be measured (1) and returns to one end side of the optical fiber to be measured with respect to the probe light. An optical coupler (30) for emitting return light to a different optical path from the reference light;
A first pulse modulator (31) that receives and turns on and off the reference light;
The reference light pulse output from the first pulse modulator is received by one input port of the first directional coupler (32), branched into two output ports, and emitted from the one output port. The reference light pulse propagates through the loop optical path longer than the reference light pulse length and enters the other input port of the first directional coupler to circulate the loop optical path, and the reference during the circulation An optical loop delay (33) for emitting an optical pulse from the other output port of the first directional coupler;
A first optical amplifier (34) inserted in the looped optical path of the optical loop delay device to compensate for the loss in the optical loop delay device;
A first optical switch (35) inserted into the loop-shaped optical path of the optical loop delayer, for turning on and off a reference optical pulse in the optical loop delayer;
An optical gate (36) for receiving the light emitted from the optical loop delay device and extracting a reference light pulse delayed by a desired number of times after being incident on the optical loop delay device;
An optical multiplexer (40) for combining the reference light pulse emitted from the optical gate and the return light;
A control unit (50) for setting the number of rotations of the reference light pulse taken out by the optical gate according to the distance of the optical fiber to be measured;
A light receiver (41) that photoelectrically converts the light combined by the optical multiplexer;
An optical fiber test apparatus characterized in that a reflection position of the optical fiber to be measured is specified based on an output signal of the light receiver and the number of times of a reference light pulse taken out by the optical gate.
コヒーレントな光を出力するコヒーレント光源（２１ａ）と、
前記コヒーレント光源の出力光周波数を時間とともに変化させる光周波数ランプ発生器（２１ｂ）とにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ試験装置。 The variable wavelength light source (21)
A coherent light source (21a) that outputs coherent light;
The optical fiber test apparatus according to claim 1, wherein the optical fiber test apparatus comprises an optical frequency ramp generator (21b) that changes an output optical frequency of the coherent light source with time.
前記コヒーレントな光を受けてオンオフする第２のパルス変調器（２３）と、
前記第２のパルス変調器から出射されるパルス光を第２の方向性結合器（２５）の一方の入力ポートで受けて二つの出力ポートに分岐し、その一方の出力ポートから出射された光パルスを、該光パルス長に等しい長さのループ状光路を伝搬させて前記第２の方向性結合器の他方の入力ポートに入射して前記ループ状光路を周回させるとともに、該周回中の参照光パルスを前記第２の方向性結合器の他方の出力ポートから出射させるリング共振器（２６）と、
前記リング共振器の前記ループ状光路内に挿入され、入力する光パルスの光周波数をシフトさせる光周波数シフタ（２７）と、
前記リング共振器の前記ループ状光路内に挿入され、該リング共振器内の損失を補償する第２の光増幅器（２８）と、
前記リング共振器の前記ループ状光路内に挿入され、リング共振器内の光をオンオフする第２の光スイッチ（２９）とにより構成されていることを特徴とする請求項２記載の光ファイバ試験装置。 The optical frequency ramp generator is
A second pulse modulator (23) that receives and turns on and off the coherent light;
Light emitted from the second pulse modulator is received by one input port of the second directional coupler (25), branched into two output ports, and light emitted from the one output port A pulse propagates through a loop-shaped optical path having a length equal to the optical pulse length and enters the other input port of the second directional coupler to circulate the loop-shaped optical path, and a reference during the circulation A ring resonator (26) for emitting an optical pulse from the other output port of the second directional coupler;
An optical frequency shifter (27) that is inserted into the loop optical path of the ring resonator and shifts the optical frequency of the input optical pulse;
A second optical amplifier (28) inserted in the looped optical path of the ring resonator and compensating for the loss in the ring resonator;
3. The optical fiber test according to claim 2, comprising a second optical switch (29) inserted into the loop optical path of the ring resonator and for turning on and off the light in the ring resonator. apparatus.
＋１次回折光と任意の第１駆動周波数（ｆ１）で駆動される第１のＡＯ型周波数シフタ（２７ａ）と、−１次回折光と前記第１駆動周波数と異なる第２駆動周波数（ｆ２）で駆動される第２のＡＯ型周波数シフタ（２７ｂ）により形成され、前記２つのＡＯ型周波数シフタを通過した光の周波数が、前記第１駆動周波数と第２駆動周波数の差分ずつ変化して出力光周波数を時間とともに変化させることを特徴とする請求項３記載の光ファイバ試験装置。 The optical frequency shifter is
A first AO type frequency shifter (27a) driven at the + 1st order diffracted light and an arbitrary first drive frequency (f1), and a -1st order diffracted light and a second drive frequency (f2) different from the first drive frequency. The frequency of light formed by the second AO type frequency shifter (27b) that has passed through the two AO type frequency shifters is changed by the difference between the first driving frequency and the second driving frequency, and the output optical frequency 4. The optical fiber testing apparatus according to claim 3, wherein the value is changed with time.
前記可変波長光源（２１）からの出力光をプローブ光と参照光に分岐する第１分岐器（３０ａ）と、該第１分岐器によって分岐されたプローブ光を被測定光ファイバ（１）の一端側に入射するとともに該プローブ光に対して前記被測定光ファイバの一端側に戻ってくる戻り光を前記参照光と異なる光路へ出射する第２分岐器（３０ｂ）とにより構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバ試験装置。 The optical coupler is
A first branching device (30a) for branching output light from the variable wavelength light source (21) into probe light and reference light, and probe light branched by the first branching device is one end of the optical fiber to be measured (1). And a second branching device (30b) that emits return light that enters the optical fiber and returns to one end of the optical fiber to be measured with respect to the probe light. The optical fiber test apparatus according to claim 1, wherein the optical fiber test apparatus is characterized.
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