JP5521118B2 - 光線路特性解析装置及びその解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＰＯＮ（Passive Optical Network）型の光線路において、光スプリッタで分岐された各光分岐線路の特性を個別に測定する光線路特性解析装置とその解析方法に関する。

光ファイバなどの光線路を使用する光通信システムでは、光線路の破断を検出し、または破断位置を特定するために、光パルス線路監視装置が用いられる。この光パルス線路監視装置は、光が光線路内を伝搬するに伴い、その光と同じ波長の後方散乱光が生じて逆方向に伝搬することを利用する。

すなわち、光線路に試験光として光パルスを入射すると、この光パルスが破断点に到達するまで後方散乱光を発生し続け、試験光と同じ波長の戻り光が光パルスを入射した光線路の端面から出射される。この後方散乱光の継続時間を測定することにより、光線路の破断位置を特定することができる。この原理に基づく監視装置としては、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）が代表的である。

しかしながら、ＰＯＮ（Passive Optical Network）型の光分岐線路については、光パルス線路監視装置で光スプリッタからユーザ装置側に位置する分岐光ファイバに対して、あるいは光デバイス（反射型フィルタ）、スプリッタやファイバ接続部品など光線路に接続されている光装置の状態に対して、個別に識別することは困難である。

例えば、通信事業者設備ビルから延設される幹線光ファイバでは、光スプリッタにより複数の光ファイバに分岐されており、試験光も光スプリッタによって分岐された各光ファイバ（以下、「分岐光ファイバ」）に一様に分配される。この場合、各分岐光ファイバ心線からの戻り光が幹線光ファイバの入射端に戻る際に光スプリッタで重なり合ってしまう。このため、入射端で観測されるＯＴＤＲ波形からは、どの分岐光ファイバに破断が生じているかを識別できなくなる。

このように、既存の光パルス線路監視装置は基本的に１本の光線路に対してのみ有効であり、光分岐線路に対してはそのまま適用することができない。そこで、光分岐線路に対する光パルス線路監視装置の適用を可能とするための技術が提案されている。（非特許文献１、特許文献１参照）
非特許文献１では、試験光を反射する光フィルタをターミネーションフィルタとしてユーザ装置の手前に設置し、各ユーザ装置からの反射光の強度を高分解能なＯＴＤＲ装置により測定するという手法が提案されている。そして、この手法によれば、光スプリッタより下流の分岐光ファイバにおける距離分解能として２ｍの精度を得られることが報告されている。

しかしながら、この手法では、故障心線の特定と、ユーザ装置か光線路のどちらが故障しているかといった故障位置の切り分けが可能であるというレベルにとどまっており、分岐光ファイバのどの位置で故障が発生しているかを特定することができない。

一方、特許文献１では、光スプリッタとして、光の多光束干渉を利用するアレイ導波路による回折格子型の波長合分波器を用い、波長可変光源により試験光の波長を切り替えて被試験光線路を選択するという提案がなされている。この提案の方法によれば、波長可変光源の波長を掃引し、反射光の波長を光反射処理部で検出し、その波長を基準に試験光の波長を設定することで、試験光の波長に対応付けて各光線路の個別監視を実現することができる。

しかしながら、アレイ導波路の回折格子型の波長合分波器に代表される、波長ルーティング機能を持つ光分岐装置は一般的に高価であり、多くの加入者を収容するアクセス系光システムに用いることはコスト面で難しい。さらには、このような光部品は温度依存性が大きく、温度調整機能を付加する必要もあるため、システムを構築する際に必要となるコストが多大になってしまう。

特開平７-８７０１７号公報

Y. Enomoto et al., "Over 31.5dB dynamic range optical fiber line testing system with optical fiber fault isolation function 32dB-branched PON", OFC2003 Technical Digest, paper ThAA3(2003), pp. 608-610

以上述べたように、従来のＯＴＤＲによる解析では、入射端からの距離を、試験光を入射してから光受信器で受光するまでの時間により求めている。この解析方法を、ＰＯＮ型光線路の測定に用いた場合には、複数存在する分岐光線路からの反射光が重なってしまい、分岐線路毎の反射光の分離が困難である。そこで、光分岐装置をアクセス系光システムに用いる技術が提案されているが、この技術を実現するには既設の所外光設備の構成を変更する必要があり、莫大なコストがかかる。

本発明は、上記の事情に着目してなされたもので、既存の所外設備を取り替えることなく、低コストで精密に分岐光線路の特性を個別に解析することのできる光線路特性解析装置及びその解析方法を提供することを目的とする。

本発明に係る光線路特性解析装置は、以下のような態様の構成とする。

（１）基幹光ファイバの一方端を光分岐器によって複数系統に分岐し、前記光分岐器の分岐端部それぞれに分岐光ファイバの一方端を光結合してなる被試験光線路の特性を解析する光線路特性解析装置であって、波長の異なる第１及び第２試験光を発生し、当該第１及び第２試験光から互いに任意の時間差をもって第１及び第２試験光パルスを生成し合成する試験光パルス生成手段と、前記被試験光線路の複数の分岐光ファイバそれぞれの他方端に配置され、前記第１及び第２試験光の波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過する複数の光反射フィルタと、前記試験光パルス生成手段で生成される試験光パルスを前記被試験光線路の基幹光ファイバに入射し、当該基幹光ファイバの入射端から出射される戻り光を抽出する光サーキュレータと、前記戻り光から誘導ブリルアン（Brillouin）後方散乱光を抽出する光フィルタと、前記光フィルタで抽出された散乱光を受光して電気信号に変換する光受信器と、前記電気信号をデジタル信号に変換する変換手段と、前記デジタル信号から前記誘導ブリルアン後方散乱光を測定して前記被試験光線路の特性を解析する演算処理装置とを具備し、前記演算処理装置は、前記試験光パルス生成手段で生成される第１及び第２試験光パルスの時間差を変化させつつ、前記誘導ブリルアン後方散乱光を測定する態様とする。

（２）（１）の装置において、前記第１及び第２試験光の周波数差は前記被測定光線路内で誘導ブリルアン後方散乱光が生じるブリルアン周波数シフト量に相当する態様とする。

（３）（１）の装置において、前記光分岐器による分岐点から前記光反射フィルタまでの分岐光ファイバの長さの差の最小値をΔL、光速をc、被測定光線路の屈折率をnとするとき、前記試験光パルスのパルス幅τを2nΔL/cより狭くする態様とする。

（４）（１）の装置において、前記演算処理装置は、前記第１及び第２試験光パルスによる誘導ブリルアン散乱の測定と、前記複数の分岐光ファイバそれぞれの距離に対するブリルアン散乱光分布の測定と、前記複数の分岐光ファイバそれぞれの誘導ブリルアン散乱光が前記光受信器に到達する時間の測定とを行い、それらの測定結果から前記複数の分岐光ファイバにおける個別の損失分布を解析する態様とする。

（５）（１）の装置において、前記演算処理装置は、前記第１及び第２試験光パルスの時間差を指定し、前記第１及び第２試験光パルスを生成するためのデジタル信号を待機し、前記第１試験光パルスによるデジタル信号の入力があった場合には、その到達時間からどの分岐光ファイバから反射された試験光パルスのデジタル信号であるかを特定し、得られたデジタル信号から誘導ブリルアン散乱光を解析した後、その解析結果を出力する解析処理を実行し、最長の分岐光ファイバからの第２試験光パルスが到達するまで待機した後、前記第１及び第２試験光パルスの時間差を変更して、前記解析処理を繰り返し、最長の分岐光ファイバ長Ｌ、光速をｃとするとき、前記第１及び第２試験光パルスの入射時間差が2nL/cと等しいと判断された場合には、一連の解析処理を終了する態様とする。

また、本発明に係る光線路特性解析方法は、以下のような態様の構成とする。
（６）基幹光ファイバの一方端を光分岐器によって複数系統に分岐し、前記光分岐器の分岐端部それぞれに分岐光ファイバの一方端を光結合してなる被試験光線路の特性を解析する光線路特性解析方法であって、波長の異なる第１及び第２試験光から互いに任意の時間差をもって生成される第１及び第２試験光パルスを合成して試験光パルスを生成し、前記被試験光線路の複数の分岐光ファイバそれぞれの他方端に、前記第１及び第２試験光の波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過する複数の光反射フィルタを配置し、前記第１及び第２試験光パルスを前記被試験光線路の基幹光ファイバに入射し、当該基幹光ファイバの入射端から出射される戻り光を抽出し、前記戻り光から誘導ブリルアン（Brillouin）後方散乱光を抽出し、前記抽出された散乱光を受光して電気信号に変換し、前記電気信号をデジタル信号に変換し、前記第１及び第２試験光パルスの時間差を変化させつつ、前記デジタル信号から前記誘導ブリルアン後方散乱光を測定し、その測定結果に基づいて前記光線路の特性を解析する態様とする。

（７）（６）の方法において、前記第１及び第２試験光の周波数差は前記被測定光線路内で誘導ブリルアン後方散乱光が生じるブリルアン周波数シフト量に相当する態様とする。

（８）（６）の方法において、前記光分岐器による分岐点から前記光反射フィルタまでの分岐光ファイバの長さの差の最小値をΔL、光速をc、被測定光ファイバの屈折率をnとするとき、前記試験光パルスのパルス幅τを2nΔL/cより狭くする態様とする。

以上のように、本発明は、光スプリッタの分岐点で複数系統に分岐された各分岐光ファイバの長さの差ΔLを利用し、波長の異なる二種の試験光を用意し、パルス化した後に二種のパルス試験光に入射時間差を与えて被測定光線路に入射することにより、先に入射したパルス試験光（第一試験光）の反射光と、後に入射したパルス試験光（第二試験光）が対向伝搬することにより発生した誘導ブリルアン（Brillouin）後方散乱光を光受信器で受信し、光受信器の出力電流を2nΔL/c（ｃは光速）よりも高い時間分解能で解析することで、第１〜第Ｎのどの分岐光ファイバからの誘導ブリルアン散乱かを特定することが可能となり、分岐光ファイバ毎の特性分布が求められる。

したがって、本発明によれば、既存の所外設備を取り替えることなく、低コストで精密に分岐光線路の特性を個別に測定することのできる光線路特性測定装置及びその測定方法を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る光線路特性解析装置の構成を示すブロック図である。 図２Ａは、図１に示す解析装置の光パルス化器と入射時間制御器を併せた２系統の構成の一例と、各系統に与える駆動パルス信号のタイミング関係を示す図である。 図２Ｂは、図１に示す解析装置の光パルス化器と入射時間制御器を併せた２系統の構成の一例と、各系統に与える駆動パルス信号のタイミング関係を示す図である。 図２Ｃは、図１に示す解析装置の光パルス化器と入射時間制御器を併せた２系統の構成の一例と、各系統に与える駆動パルス信号のタイミング関係を示す図である。 図３Ａは、図１に示す解析装置の被測定光回路と第一試験光パルスの光受信器に到達する時間の関係を示す図である。 図３Ｂは、図１に示す解析装置の被測定光回路と第一試験光パルスの光受信器に到達する時間の関係を示す図である。 図４は、図１に示す演算処理装置の処理内容を示すフローチャートである。 図５Ａは、上記実施形態で用いられる誘導ブリルアン散乱解析による損失測定法の基本的な概念を示す図である。 図５Ｂは、上記実施形態で用いられる誘導ブリルアン散乱解析による損失測定法の基本的な概念を示す図である。 図６は、上記実施形態において、故障のある分岐光ファイバの分岐心線識別法を説明するための図である。 図７は、図６に示す状態に続く状況を示す図である。 図８は、図７に示す状態に続く状況を示す図である。 図９は、図８に示す状態に続く状況を示す図である。 図１０は、図９に示す状態に続く状況を示す図である。 図１１は、図１０に示す状態に続く状況Ａ，図２Ｂ，図２Ｃを示す図である。 図１２は、図１１に示す状態に続いて、分岐心線にてポンプ光パルスとの衝突により誘導ブリルアン散乱を受けたプローブ光パルスが光スプリッタから光受信器に出力される状況を示す図である。 図１３Ａは、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差を除去に広げる変更を行うことで、衝突の位置を走査する様子を示す図である。 図１３Ｂは、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差を除去に広げる変更を行うことで、衝突の位置を走査する様子を示す図である。 図１４Ａは、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差を除去に広げる変更を行うことで、衝突の位置を走査する様子を示す図である。 図１４Ｂは、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差を除去に広げる変更を行うことで、衝突の位置を走査する様子を示す図である。 図１５Ａは、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差を除去に広げる変更を行うことで、衝突の位置を走査する様子を示す図である。 図１５Ｂは、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差を除去に広げる変更を行うことで、衝突の位置を走査する様子を示す図である。 図１６Ａは、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差を除去に広げる変更を行うことで、衝突の位置を走査する様子を示す図である。 図１６Ｂは、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差を除去に広げる変更を行うことで、衝突の位置を走査する様子を示す図である。 図１７Ａは、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差を除去に広げる変更を行うことで、衝突の位置を走査する様子を示す図である。 図１７Ｂは、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差を除去に広げる変更を行うことで、衝突の位置を走査する様子を示す図である。 図１８は、上記の手法で得られたチャンネル別の個別損失分布波形を示す波形図である。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る光線路特性解析装置の構成を示すブロック図である。図１において、１１は光周波数f₀の連続光を発生する光源であり、この光源１１から出力された連続光は分岐素子１２により２系統に分岐される。分岐された連続光の一方を第１試験光（プローブ光）、他方を第２試験光（ポンプ光）とする。第１試験光は、光周波数制御器１３に入射され、光周波数f₀が一定周波数f_Bだけシフトされる。この光周波数制御器１３は、具体的には、正弦波発生器１４で発生される正弦波の信号周波数に応じて変調側波帯の周波数を変化させる機能を持つ外部変調器を用いることができる。また、LiNbO₃を用いた位相変調器、振幅変調器やSSB変調器でもよい。

第１試験光及び第２試験光は、いずれも光パルス化器１５，１６により2nΔL/c以下でパルス化される。ここで、ΔLは後述のＮ分岐光ファイバそれぞれの長さの差の最小値であり、cは真空中の光伝送速度（光速）、nは被測定光ファイバの屈折率である。光パルス化器１５，１６は、具体的には音響光学素子をパルス駆動するようにした音響光学スイッチによる音響光学変調器、またはLiNbO₃を用いた電気光学素子をパルス駆動するようにした導波路スイッチによるLiNbO₃変調器で構成される。

ここで、光パルス化器１５，１６に対し、入射時間制御器１７，１８により、それぞれ第１試験光パルスと第２試験光パルスを後段の被測定光回路１００に入射する時間に時間差を与える。

具体的には、入射時間制御器１７，１８は、第１試験光と第２試験光を光パルス化する光パルス化器１５，１６において、駆動する電気パルスの変調時間を任意に可変制御する構成とする。つまり、光パルスを得るために、上記音響光学変調器またはLiNbO₃変調器による光デバイス（光パルス化器）を電気パルスで変調し、この電気パルスで変調した時間で入射された連続光をパルス化する。そして、光デバイスを変調するタイミングを変化させることで、光パルスになるタイミングを制御するようにしている。

上記のようにしてタイミング制御された第１試験光と第２試験光の光パルスは、合波素子１９で合波され、これによって入射時間、光周波数（波長）の異なる２つの光パルスによる試験光を生成することができる。

図２Ａに光パルス化器１５と入射時間制御器１７、光パルス化器１６と入射時間制御器１８をそれぞれ併せた構成の一例を示す。図２Ａにおいて、光源モジュールＡ１は、図１に示す光パルス化器１５，１６に入射する２波長の連続光を出力するものとする。

上記光源モジュールＡ１から出力される一対の連続光はそれぞれLiNbO₃を用いたマッハツェンダー型の振幅変調器（ＭＺ−ＬＮ）Ａ２，Ａ３に入力し、これらのＭＺ−ＬＮ Ａ２，Ａ３を駆動する信号を電気パルスにすることで連続光がパルス化される。また、被測定光回路１００への入射時間差は、信号発生器Ａ４，Ａ５で発生される駆動パルス信号のタイミングを制御することで与えられる。図２Ｂ，図２Ｃにそれぞれ信号発生器Ａ４，Ａ５で発生される駆動パルス信号のタイミングの一例を示す。

上記合波素子１９により合波された第１試験光と第２試験光の光パルスは、光増幅器２０で光パワーを増幅した後、光サーキュレータ２１を通過して被測定光線路１００の基幹光ファイバＦ₀に入射される。

被測定光線路１００は、基幹光ファイバＦ₀と、この基幹光ファイバＦ₀に入射された信号光をＮ系統の分岐経路に分配する光スプリッタＳＰと、光スプリッタＳＰで分配された信号光をユーザ端末等の光通信装置に伝送する分岐下部の光ファイバ（以下、分岐光ファイバ）Ｆ₁〜Ｆ_Nと、分岐光ファイバＦ₁〜Ｆ_Nの終端に設置される光反射フィルタＲ₁〜Ｒ_Nにより構成される。

上記光スプリッタＳＰでＮ分岐された第１試験光と第２試験光による合波光パルスは、分岐光ファイバＦ₁〜Ｆ_N中でインタラクションし、誘導ブリルアン散乱の後方散乱光が発生する。各分岐光ファイバＦ₁〜Ｆ_Nで発生した誘導ブリルアン後方散乱光を含む光信号は光サーキュレータ２１に戻された後、当該光サーキュレータ２１により光フィルタ２２に導かれ、ここで誘導ブリルアン後方散乱光成分のみが抽出され、光受信器２３で受光され電流信号に変換されて出力される。

光受信器２３から出力される電流信号は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器２４でデジタル信号に変換された後、演算処理装置２５に入力される。演算処理装置２５は入力された電流値に対して以下に説明するような演算処理と入射時間制御器１７，１８に対する入射時間制御処理を行い、距離に対する損失分布を求める。

次に、上記構成による本実施形態の光線路特性解析装置の動作について説明する。

上記光周波数制御器１３、光パルス化器１５，１６、光受信器２３には次の条件を満足させる。
（条件１）光周波数制御器１３による周波数シフト量（第１試験光と第２試験光との周波数差）は、ブリルアン周波数シフト量と等しいこと。
（条件２）光パルス化器１５，１６のパルス幅τは、分岐光ファイバＦ₁〜Ｆ_Nの終端からの戻り光の時間差2nΔL/cの最小値より狭いこと。
（条件３）光受信器２３の帯域及びＡ／Ｄ変換器２４の帯域は、パルス幅τを受光可能な帯域であること。

ここで、条件１〜３は次のような意味を持っている。

条件１は、第１試験光と第２試験光が誘導ブリルアン散乱を起こすために必要となる条件である。
条件２は、光パルス化器１５，１６のパルス幅τが各分岐光ファイバＦ₁〜Ｆ_Nの終端からの戻り光の時間差の最小値2nΔL/cより広いと、心線毎の誘導ブリルアン散乱光が重なり、時間的に切り分けることができなくなるため、これを回避するために必要となる条件である。ここで、ΔLは上記の各分岐光ファイバＦ₁〜Ｆ_Nの長さの差の最小値である。

条件３は、パルス幅τの光パルスを精確に測定するためには、光受信器２３の帯域、Ａ／Ｄ変換器２４の帯域を1/τより広くする必要がある。

上記の条件１〜３を満足する場合の本実施形態を用いた被測定光線路１００の特性解析方法を以下に説明する。

ここでは、波長の異なる二つの試験光（第１試験光、第２試験光）をそれぞれパルス化して用いる。第１試験光はプローブ光であり、光周波数f₀-f_Bとする。第２試験光はポンプ光であり、光周波数f₀とする。ここで、f₀はポンプ光の光周波数、f_Bはブリルアン後方散乱による光周波数シフト量とする。

まず、第１試験光による光パルス（以下、第１試験光パルス）を被測定光回路１００の基幹光ファイバＦ₀に入射し、第１試験光パルスを入射してからt₁秒後に第２試験光による光パルス（以下、第２試験光パルス）を基幹光ファイバＦ₀に入射する。第１試験光パルスと第２試験光パルスは、光スプリッタＳＰによりＮ分岐され、それぞれ分岐光ファイバＦ₁〜Ｆ_Nに出力される。

(i)第１及び第２試験光パルスによる誘導ブリルアン散乱の測定
第１試験光(プローブ光)と第２試験光(ポンプ光)の周波数がf_Bだけ差がある場合、第１試験光パルスと第２試験光パルスが対向伝搬すると、誘導ブリルアン散乱が発生し、第１試験光パルスは式(1)で表される増幅を受ける。

分岐光ファイバＦ_i（１≦ｉ≦Ｎの整数）の心線#iの損失をα_i、分岐光ファイバＦ_iの心線#iを往復する場合の全損失を1/D_iとすると、終端の光反射フィルタＲ_iで反射された後、分岐光ファイバＦ_iの入射端での第１試験光パルスの強度I_probe(2L_i)は、式(2)で表される。

式（2）より、分岐光ファイバＦ_iの入射端での第１試験光パルスの強度I_probe(2L_i)は、I_pump(z)のみの関数となる。ここで、I_pump(z)は、式(3)で表される。

よって、式(2)は、式(3)を用いると式(4)として表される。

式（4）より、ブリルアン散乱光のゲインスペクトル強度を解析することにより、対向伝搬した場所までの損失のパルス幅で積分した値

を取得することができる。

上記の各分岐光ファイバＦ_iからの戻り光I_probe(2L_i)は、光スプリッタＳＰから光受信器２３までの光ファイバにより同じ損失を受ける。よって、誘導ブリルアン散乱光の特性を解析すれば、線路損失を測定することができる。

(ii)分岐光ファイバの距離に対するブリルアン散乱光分布の測定
被測定光回路１００の入射端から分岐光ファイバＦ_iの終端までの長さをL_iとする。第１試験光パルスは、分岐光ファイバＦ_iの終端に設置された光反射フィルタＲ_iにより反射される。ここで、分岐光ファイバＦ_iの終端からの距離をl、被測定光回路１００に用いられる被測定光ファイバの屈折率をn、真空中の光速度をcとすると、反射された第１試験光パルスはt₁/2秒後にl=c/n×t₁/2だけ進む。このことから、入射端からの距離をl_x1とすると、

となる。また、第１試験光パルスは被測定光線路１００に入射されると、光スプリッタＳＰにより分岐され、分岐光ファイバＦ_iの終端に配置された光反射フィルタＲ_iで反射される。この場合、入射端からの距離l_x1に到達する時間tは、

である。

第２試験光パルスを光線路１００に入射する時刻は、第１試験光パルスを入射してからt₁秒後とする。ここで、第２試験光パルスがt₁秒後に到達する入射端からの距離をl_x2とすると、式(7)で表される。

式(5)、式(7)より、l_x1=l_x2の位置で第１試験光パルスと第２試験光パルスは対向伝搬する。また、対向伝搬する時間は、被測定分岐光ファイバＦ_iの終端の光反射フィルタＲ_iで反射された時間からt₁/2秒後である。つまり、第１試験光パルスと第２試験光パルスを被測定分岐光ファイバＦ_iに入射する時間差t₁を変化させることにより、第１試験光パルスと第２試験光パルスが対向伝搬する位置を制御できるため、距離に対する誘導ブリルアン散乱の特性分布を求めることができる。

(iii)分岐光ファイバＦ_aの心線#a（1≦a≦Nの整数）の誘導ブリルアン散乱光が入射端の光受信器２３に到達する時間の測定
第１試験光パルスが光受信器２３に到達する時間をt_daとする。第１試験光パルスは、分岐光ファイバＦａの終端の光反射フィルタＲａにより反射され、光受信器２３に伝送されるので、到達時間は、式(8)で表される。

ここで、他の分岐光ファイバＦ_bの心線#b（1≦b≦Nの整数）から戻ってきた第１試験光パルスが光受信器２３に到達する時間t_dbは、式(9)で表される。

よって、光受信器２３に到達する時間差は、式(10)で表される。

L_a ≠ L_bのとき、光受信器２３に到達する時間が異なる。

ここで、第１試験光パルスのパルス幅をτとすると、

のとき（条件２）、各分岐光ファイバから戻った第１試験光パルスは光スプリッタＳＰで重ならず、光受信器２３の到達時間を測定することで、どの心線からの第１試験光パルスであるかを時間的に切り分けることができる。

図３Ａ，図３Ｂに、被測定光回路１００の各分岐光ファイバＦ₁〜Ｆ_Nの長さと第１試験光パルスの光受信器２３に到達する時間の関係を示す。ここでは、分岐光ファイバが３心（３系統）の場合を示している。今、３心の分岐光ファイバの長さに、式(12)の関係がある場合を想定する。

すると、第１試験光パルスの光受信器２３に到達する時間は、式(13)の関係が成り立つ。

上記(i)〜(iii)の各測定結果と条件１〜４を満たした場合、本実施形態によりＰＯＮ型光線路の分岐下部の光ファイバにおける個別の損失分布測定が、既設所外設備（光スプリッタと分岐光ファイバと分岐光ファイバ終端に設置された光反射フィルタ）の構成のみで測定可能である。

上記演算処理装置２５では、上記の測定を踏まえ、図４に示すフローチャートに従って演算処理を行う。
まず、入射時間制御器１７，１８に対し、被測定光回路１００への第１試験光パルス及び第２試験光パルスの入射時間差tをt_１に設定する（ステップＳ１）。第１試験光パルス及び第２試験光パルスの入力を待機し（ステップＳ２，Ｓ３）、第１試験光パルスの入力があった場合には、その到達時間からどの分岐光ファイバから反射された試験光パルスのデジタル信号であるかを特定し（ステップＳ４）、得られたデジタル信号から誘導ブリルアン散乱光を解析した後（ステップＳ５）、その解析結果を出力する（ステップＳ６）。最長の分岐光ファイバからの第２試験光パルスが到達したか判断し（ステップＳ７）、到達した場合には、入射時間差t＝t₁ ＋Δtが2nL/cに等しいか判断し（ステップＳ８）、等しくない場合には、入力時間差t＝t₁ ＋Δtを設定して（ステップＳ９）、ステップＳ１に戻り、上記ステップＳ１〜Ｓ８の処理を繰り返す。ステップＳ９で入射時間差t＝t₁ ＋Δtが2nL/cに等しいと判断された場合には、一連の解析処理を終了する。

以上の本実施形態の測定手順を列記すると以下のようになる。

1．二種の波長の試験光を用意し、時間差t₁を指定してパルス化し、第１試験光パルス及び第２試験光パルスを生成する。
2．時間差t₁を持って第１試験光パルスと第２試験光パルスを被測定光回路１００に入射する。

3．異なる時刻に到達する各分岐光ファイバＦ₁〜Ｆ_Nからの第１試験光パルス（ブリルアン散乱光含む）を受光して電流信号に変換し、デジタル信号に変換する。

4．得られたデジタル信号の光受信器２３への到達時間からどの分岐光ファイバに入射された試験光のデジタル信号であるのかを特定し、誘導ブリルアン散乱光を解析する。

5．第２試験光パルスが光受信器２３に到達するまで待ち、第２試験光パルス到達時には処理１に戻って時間差t₁を調整し、上記処理２〜５を繰り返し実行する。入射時間差が2nL/cのときは、一連の処理を終了する。
上記の処理１〜５は全てコンピュータで制御する。

このように、本実施形態によれば、光スプリッタＳＰの分岐点でＮ心に分岐された各分岐光ファイバＦ_iの長さにΔL以上の差を設け、互いに波長の異なる第１及び第２試験光パルスをファイバ長の差ΔLに基づいて設定した入射時間差を与えて被測定光回路１００に入射し、先に入射した第１試験光パルスの反射光と後に入射した第２試験光パルスが対向伝搬することにより誘導ブリルアン（Brillouin）後方散乱光を発生する。そして、その散乱光を光受信器２３で受信し、光受信器２３の出力電流を2nΔL/cよりも高い時間分解能で解析することで、第１〜第Ｎのどの分岐光ファイバからの誘導ブリルアン散乱かを特定することが可能となり、分岐光ファイバ毎の特性分布が求められる。

以下、本実施形態について、さらに具体例をあげて説明する。

図５Ａ，図５Ｂは、上記実施形態で用いられる誘導ブリルアン散乱解析による損失測定法の基本的な概念を示すもので、図５Ａは分岐光ファイバに故障がない場合、図５Ｂは分岐光ファイバに故障がある場合を示している。

先に分岐光ファイバに入射された第１試験光（以下、プローブ光）のパルスは、その終端に配置される光反射フィルタＲによって反射され、後から入射される第２試験光（以下、ポンプ光）のパルスと途中で衝突する。

このとき、分岐光ファイバに故障がなければ、図５Ａに示すように、戻りのプローブ光のパルスは衝突したときのポンプ光のパルスの強度に応じた誘導ブリルアン散乱（ブリルアン増幅）を受ける。これに対し、分岐光ファイバに故障があると、図５Ｂに示すようにプローブ光、ポンプ光のパルスはいずれも故障位置で減衰する。このため、すでに減衰されている戻りのプローブ光のパルスは、減衰されたポンプ光の強度で誘導ブリルアン散乱を受ける。この誘導ブリルアン散乱を受けたプローブ光のパルスは故障部分によってさらに損失を受けるため、取り出されるプローブ光の光強度は故障がない場合と比較して極めて小さいものとなる。したがって、誘導ブルリアン散乱による利得を解析すれば、衝突位置までにポンプ光のパルスが受けた損失を測定することかできる。

次に、故障のある分岐光ファイバの分岐心線識別法について、図６乃至図１２を参照して説明する。

図６は、プローブ光パルスとポンプ光パルスを、時間差Δｔを与えて第１乃至第３の分岐光ファイバの分岐心線（１），（２），（３）に入射した場合に、プローブ光パルスの戻り時間差により故障のある分岐心線を識別する場合を想定した構成を示している。各分岐心線（１），（２），（３）の長さはＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３（Ｌ_１＜Ｌ_２＜L_３）とする。また、プローブ光とポンプ光にはブリルアン周波数差を有する互いに異なる波長を選択し、個々のパルス幅は分岐心線長差の2倍よりも小さくなるように設定する。

図７は、図６に示す状態に続いて、プローブ光パルスＰＵが光スプリッタＳＰにより各分岐心線（１），（２），（３）に入射された状況を示している。
図８は、図７に示す状態に続いて、上記光スプリッタＳＰにより分岐され第１の分岐心線（１）に入射されたプローブ光パルスＰＵがその終端にある光反射フィルタＲ_１によって反射され、一方で、ポンプ光パルスＰＯが光スプリッタＳＰにより各分岐心線（１），（２），（３）に入射された状況を示している。

図９は、図８に示す状態に続いて、第１の分岐心線（１）内で反射されたプローブ光パルスＰＵが分岐されたポンプ光パルスと衝突する状況を示している。このとき、第１の分岐心線（１）のプローブ光パルスＰＵは衝突のときのポンプ光パルスＰＯの強度に応じた誘導ブリルアン散乱（ブリルアン増幅）を受けることになる。

図１０は、図９に示す状態に続いて、第１の分岐心線（１）にて誘導ブリルアン散乱を受けたプローブ光パルスが光スプリッタＳＰに戻り、第２の分岐心線（２）に入射されたポンプ光パルスＰＯが光反射フィルタＲ_２によって反射されたプローブ光パルスＰＵと衝突し、第３の分岐心線（３）にて光反射フィルタＲ_３でプローブ光パルスＰＵが反射する状況を示している。このとき、第２の分岐心線（２）のプローブ光パルスＰＵは衝突のときのポンプ光パルスＰＯの強度に応じた誘導ブリルアン散乱（ブリルアン増幅）を受けることになる。

図１１は、図１０に示す状態に続いて、第１の分岐心線（１）ではプルーブ光パルスＰＵが光スプリッタＳＰから光受信器２３に出力され、第２の分岐心線（２）ではプルーブ光パルスＰＵが衝突を終え、第３の分岐心線（３）では第２の分岐心線（２）に入射されたポンプ光パルスＰＯが光反射フィルタＲ２によって反射されたプローブ光パルスＰＵと衝突している状況を示している。このとき、第３の分岐心線（３）のプローブ光パルスＰＵは衝突のときのポンプ光パルスＰＯの強度に応じた誘導ブリルアン散乱（ブリルアン増幅）を受けることになる。

図１２は、図１１に示す状態に続いて、第１、第２、第３の分岐心線（１），（２），（３）にてそれぞれポンプ光パルスＰＯとの衝突により誘導ブリルアン散乱を受けたプローブ光パルスＰＵが光スプリッタＳＰから光受信器２３に出力される状況を示している。

以上の図６〜図１２から明らかなように、プローブ光パルスの戻り光の時間差により分岐心線を容易に認識することができる。

続いて、距離に対する誘導ブリルアン散乱光の分布の測定について、図１３乃至図１８を参照して説明する。

図１３Ａ、図１３Ｂ、図１４Ａ、図１４Ｂ、図１５Ａ、図１５Ｂ、図１６Ａ、図１６Ｂ、乃至図１７Ａ、図１７Ｂは、図６に示した構成において、プローブ光パルスＰＵとポンプ光パルスＰＯとの入射時間差を徐々に広げる変更を行うことで、衝突の位置を走査する様子を示している。

図１３Ａは、入力時間差ｔをｔ＝０にした場合を示している。このとき、第１乃至第３の分岐心線（１）、（２）、（３）に入射されたプローブ光パルスＰＵは、分岐心線の終端に位置する光反射フィルタＲ_１，Ｒ_２，Ｒ_３によって反射直後にポンプ光パルスＰＯの衝突を受け、図１３Ｂに示すように、距離Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３の位置でブリルアン利得が得られる。

図１４Ａは、入力時間差ｔをｔ＝ｔ_１にした場合を示している。この場合、入力時間差の変更分に相当する距離の位置で衝突が生じるため、図１４Ｂに示すように、距離Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３の手前の位置でブリルアン利得が得られる。

図１５Ａは、入力時間差ｔをｔ＝ｔ_１＋2Δｔにした場合を示している。この場合も、入力時間差の変更分に相当する距離の位置で衝突が生じるため、図１５Ｂに示すように、距離Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３のさらに手前の位置でブリルアン利得が得られる。

図１６Ａは、入力時間差ｔをｔ＝ｔ_１＋3Δｔにした場合を示している。この場合も、入力時間差の変更分に相当する距離の位置で衝突が生じるため、図１６Ｂに示すように、距離Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３のさらに手前の位置でブリルアン利得が得られる。

最終的に、図１７Ａに示すように、プローブ光ＰＵとポンプ光ＰＯの入射時間差を最長距離Ｌ１の倍相当とする。これにより、図１７Ｂに示すように、分岐心線（１），（２），（３）それぞれの距離に対するブリルアン利得特性が得られる。この特性を利用することで、分岐心線それぞれについて個別の損失分布を取得することができる。

図１８は、空間分解能を10ｍ、分岐心線数を８チャンネル＃１〜＃８とし、上記の手法で得られたチャンネル別の個別損失分布波形を示している。この図から、チャンネル＃３，＃６に生じている３dB，５dBの損失を測定することができ、その他の心線では損失の影響なくブリルアン利得を測定できることがわかる。

したがって、本実施形態によれば、既存の所外設備を取り替えることなく、低コストで精密に分岐された光線路の特性を個別に測定することができる。
上記誘導ブリルアン散乱は、光媒質内の光減衰・温度・曲げなどによる歪みを測定することが可能であり、ここでの光線路特性とは距離に対する光減衰量、反射ピークの位置、曲げ障害の位置、曲げの程度、断線障害の位置、距離に対する温度変化量である。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成を削除してもよい。さらに、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…光源、１２…分岐素子、１３…光周波数制御器、１４…正弦波発生器、１５，１６…光パルス化器、１７，１８…入射時間制御器、１００…被測定光回路、１９…合波素子、Ａ１…光源モジュール、Ａ２，Ａ３…マッハツェンダー型の振幅変調器（ＭＺ−ＬＮ）、Ａ４，Ａ５…信号発生器、２０…光増幅器、２１…光サーキュレータ、Ｆ₀…基幹光ファイバ、ＳＰ…光スプリッタ、Ｆ₁〜Ｆ_N…分岐光ファイバ、Ｒ₁〜Ｒ_N…光反射フィルタ、２２…光フィルタ、２３…光受信器、２４…Ａ／Ｄ変換器、２５…演算処理装置。

Claims (8)

1. 基幹光ファイバの一方端を光分岐器によって複数系統に分岐し、前記光分岐器の分岐端部それぞれに分岐光ファイバの一方端を光結合してなる被試験光線路の特性を解析する光線路特性解析装置であって、
   波長の異なる第１及び第２試験光を発生し、当該第１及び第２試験光から互いに任意の時間差をもって第１及び第２試験光パルスを生成し合成する試験光パルス生成手段と、
   前記被試験光線路の複数の分岐光ファイバそれぞれの他方端に配置され、前記第１及び第２試験光の波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過する複数の光反射フィルタと、
   前記試験光パルス生成手段で生成される試験光パルスを前記被試験光線路の基幹光ファイバに入射し、当該基幹光ファイバの入射端から出射される戻り光を抽出する光サーキュレータと、
   前記戻り光から誘導ブリルアン（Brillouin）後方散乱光を抽出する光フィルタと、
   前記光フィルタで抽出された散乱光を受光して電気信号に変換する光受信器と、
   前記電気信号をデジタル信号に変換する変換手段と、
   前記デジタル信号から前記誘導ブリルアン後方散乱光を測定して前記被試験光線路の特性を解析する演算処理装置と
   を具備し、
   前記演算処理装置は、前記試験光パルス生成手段で生成される第１及び第２試験光パルスの時間差を変化させつつ、前記誘導ブリルアン後方散乱光を測定することを特徴とする光線路特性解析装置。
2. 前記第１及び第２試験光の周波数差は前記被測定光線路内で誘導ブリルアン後方散乱光が生じるブリルアン周波数シフト量に相当することを特徴とする請求項１記載の光線路特性解析装置。
3. 前記光分岐器による分岐点から前記光反射フィルタまでの分岐光ファイバの長さの差の最小値をΔL、光速をc、被測定光ファイバの屈折率をnとするとき、前記試験光パルスのパルス幅τを2nΔL/cより狭くすることを特徴とする請求項１記載の光線路特性解析装置。
4. 前記演算処理装置は、
   前記第１及び第２試験光パルスによる誘導ブリルアン散乱の測定と、前記複数の分岐光ファイバそれぞれの距離に対するブリルアン散乱光分布の測定と、前記複数の分岐光ファイバそれぞれの誘導ブリルアン散乱光が前記光受信器に到達する時間の測定とを行い、
   それらの測定結果から前記複数の分岐光ファイバにおける個別の損失分布を解析することを特徴とする請求項１記載の光線路特性解析装置。
5. 前記演算処理装置は、
   前記第１及び第２試験光パルスの時間差を指定し、
   前記第１試験光パルス及び第２試験光パルスを生成するためのデジタル信号を待機し、
   前記第１試験光パルスによるデジタル信号の入力があった場合には、その到達時間からどの分岐光ファイバから反射された試験光パルスのデジタル信号であるかを特定し、得られたデジタル信号から誘導ブリルアン散乱光を解析した後、その解析結果を出力する解析処理を実行し、
   最長の分岐光ファイバからの第２試験光パルスが到達するまで待機した後、前記第１及び第２試験光パルスの時間差を変更して、前記解析処理を繰り返し、最長の分岐光ファイバ長Ｌ、光速をｃ、被測定光ファイバの屈折率をnとするとき、前記第１及び第２試験光パルスの入射時間差が2nＬ/cと等しいと判断された場合には、一連の解析処理を終了することを特徴とする請求項１記載の光線路特性解析装置。
6. 基幹光ファイバの一方端を光分岐器によって複数系統に分岐し、前記光分岐器の分岐端部それぞれに分岐光ファイバの一方端を光結合してなる被試験光線路の特性を解析する光線路特性解析方法であって、
   波長の異なる第１及び第２試験光から互いに任意の時間差をもって生成される第１及び第２試験光パルスを合成して試験光パルスを生成し、
   前記被試験光線路の複数の分岐光ファイバそれぞれの他方端に、前記第１及び第２試験光の波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過する複数の光反射フィルタを配置し、
   前記第１及び第２試験光パルスを前記被試験光線路の基幹光ファイバに入射し、
   当該基幹光ファイバの入射端から出射される戻り光を抽出し、
   前記戻り光から誘導ブリルアン（Brillouin）後方散乱光を抽出し、
   前記抽出された散乱光を受光して電気信号に変換し、
   前記電気信号をデジタル信号に変換し、
   前記第１及び第２試験光パルスの時間差を変化させつつ、前記デジタル信号から前記誘導ブリルアン後方散乱光を測定し、その測定結果に基づいて前記光線路の特性を解析することを特徴とする光線路特性解析方法。
7. 前記第１及び第２試験光の周波数差は前記被測定光線路内で誘導ブリルアン後方散乱光が生じるブリルアン周波数シフト量に相当することを特徴とする請求項６記載の光線路特性解析方法。
8. 前記光分岐器による分岐点から前記光反射フィルタまでの分岐光ファイバの長さの差の最小値をΔL、光速をc、被測定光ファイバの屈折率をnとするとき、前記試験光パルスのパルス幅τを2nΔL/cより狭くすることを特徴とする請求項６記載の光線路特性解析方法。

Images