(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の（ａ）〜（ｆ）を含むことを特徴とする、光学式時間領域反射率計：
（ａ）一般に０．１から５０ｋＨｚの範囲の繰り返し率で、パルス幅がナノ秒からマイクロ秒の範囲の光パルスを、テストを受ける光学コンポーネントに入射するパルス発生器；
（ｂ）テストを受ける前記光学コンポーネントの後方散乱信号を受信し、前記後方散乱信号の第１の電気信号と第１のノイズ信号を発生する、特定の帯域幅を備えた受信器；
（ｃ）前記第１の電気信号及び前記第１のノイズ信号を増幅する増幅器；
（ｄ）増幅された前記第１の電気信号及び増幅された前記第１のノイズ信号に重ね合わせられる第２のノイズ信号を発生し、前記第２のノイズ信号は前記第１のノイズ信号との総振幅レベルがσ≒１のｒｍｓ値になるようなレベルを有するノイズ源；
（ｅ）重ね合わせられた前記信号を第１のデジタル・データに変換するための手段を備えた、あるサンプリング周波数ｆｓを有するアナログ・デジタル変換器；
（ｆ）デジタル信号処理手段及び前記第１のデジタル・データの平均化手段。
【請求項２】
前記第２のノイズ信号にフィルタリングを施すための通過帯域を備え中心周波数ｆｃがおよそｆｓ／２である第１の帯域フィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載の光学式時間領域反射率計。
【請求項３】
前記第１の帯域フィルタによりフィルタリングを施された前記第２のノイズ信号が、正規分布する信号もしくは帯域制限された信号、または、正規分布し帯域制限された信号であることを特徴とする請求項２に記載の光学式時間領域反射率計。
【請求項４】
前記第２のノイズ信号のデジタル・データを除去する低域フィルタを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学式時間領域反射率計。
【請求項５】
前記低域フィルタがソフトウェアで実施される低域フィルタであることを特徴とする請求項４に記載の光学式時間領域反射率計。
【請求項６】
前記第１の電気信号に影響を与えずに、アナログ・デジタル変換後に付加ノイズ信号を簡単に除去するために、前記サンプリング周波数ｆｓを前記受信器の前記帯域幅より高くしていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の光学式時間領域反射率計。
【請求項７】
前記ノイズ源が、独立して設定することが可能な振幅レベルを有していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光学式時間領域反射率計。
【請求項８】
前記低域フィルタが、前記受信器の前記帯域幅より上に位置し前記第１の帯域フィルタの前記通過帯域より十分に下に位置するコーナー周波数を有することを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の光学式時間領域反射率計。
【請求項９】
以下の（１）から（６）のステップを含むことを特徴とする、時間領域反射率測定方法：
（１）テストを受ける光学コンポーネントの後方散乱光信号を受信させ、前記後方散乱信号の第１の電気信号及び第１のノイズ信号を発生させる第１のステップと、
（２）前記第１の電気信号及び前記第１のノイズ信号を増幅させる第２のステップと、
（３）前記第１のノイズ信号との総振幅レベルがσ≒１のｒｍｓ値になるようなレベルを有する第２のノイズ信号を発生させ、これを増幅させた前記第１の電気信号及び増幅させた前記第１のノイズ信号に重ね合わせる第３のステップと、
（４）重ね合わせられた前記信号をある周波数ｆｓでサンプリングし、第１のデジタル・データに変換する第４のステップと、
（５）前記第１のデジタル・データを平均化する第５のステップと、
（６）前記第２のノイズ信号のデジタル・データを前記第１のデジタル・データから除去する第６のステップ。
【請求項１０】
前記第２のノイズ信号の中心周波数ｆｃがおよそｆｓ／２であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信ネットワークの分野のテスト装置に関するものであり、とりわけ、光ファイバのような光学装置をテストするための光学式時間領域反射計及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光通信システムには、光ファイバのような光学コンポーネントをテストするための光学式時間領域反射率計及び方法が用いられている。実際には、光ファイバの減衰、均一性、接続損失、破断、及び長さに関する特性を表す必要はない。既知の光学式時間領域反射率計（以下、ＯＴＤＲと称する）構成の場合、パルス発生器がレーザ・ダイオードを駆動し、レーザ・ダイオードが、テストを受ける光ファイバに光パルス（１０ｍＷ以上）を入射させる。パルス幅は、１ＫＨｚ（長いファイバ長の場合）から２０ＫＨｚ（短いファイバ長の場合）までの繰り返し率で、ナノ秒〜マイクロ秒の範囲にわたる。繰り返し率は、光ファイバから戻る信号が重ならないように選択される。戻り信号は、ツイスト・ペア・カプラまたは偏向ビーム・スプリッタのような方向性結合器によって送り出される信号から分離される。検出器またはＯＴＤＲ受信器として、アバランシェ・フォトダイオードが用いられる場合が多い。その信号は、増幅器及びデジタイザに送られる。通常、ボックス・カー平均化装置によってＳ／Ｎ比が改善される。信号は、対数形式で表示される。
【０００３】
テストを受ける光学コンポーネントによって後方散乱する信号は弱いので、信号処理を必要とする。ＯＴＤＲの場合は一般に、これはデジタル・データ領域で実施される。デジタル・データは、アナログ信号を入力値に最も近い量子化振幅値を表す２進コードに変換するアナログ・デジタル変換器（以下、ＡＤＣと称する）を利用することによって得られる。変換は瞬時ではないので、ＡＤＣの出力は、離散時間データ・シーケンスである。従って、周期的サンプリングに関連した定理は、例えば、１９８９年にニュージャージ州Prentice Hallから刊行された、A.V. Oppenheim、R.W. SchaferによるDiscrete-Time Signal Processingに開示されているように、ＡＤＣ出力データに適用される。
【０００４】
結果として、一般に、デジタル・データは真のアナログ・データとは異なっている。振幅差は、量子化エラーと呼ばれる。この量子化エラーのため、ＯＴＤＲの測定結果がかなり劣化し、測定可能な最低信号レベルが制限される。
【０００５】
例えば、１９８８年１２月のヒューレット・パッカード・ジャーナルにおけるF. Sischka、S.A. Newton、M. NazarathyによるComplementary Correlation Optical Time-Domain Reflectometryから分かるように、１対の別個の測定が実施され、デジタル結果から平均値が計算される場合、ＡＤＣのアナログ入力にディザー信号を加えると、量子化エラーが減少する。十分な平均化がなされた後、周知のＡＤＣの鋸歯エラー関数が、正弦関数に平滑化され、振幅が急激に小さくなる。共通する全てのＯＴＤＲによって実施されるこうした平均化プロセスには、２つの利点がある。例えば、１９９３年２月のヒューレット・パッカード・ジャーナルにおける、J. BellerによるA High-Performance Signal Processing System for the HP8146A Optical Time Domain Reflectometerに開示のように、第１の利点として、量子化エラーが減少すること、第２の利点として、測定結果のＳ／Ｎ比が向上することがあげられる。
【０００６】
一般に、ＯＴＤＲ受信器の電子回路は一定量のノイズを発生し、これは標準的なＯＴＤＲにおいて用いられ、既述のディザー信号として働く。増幅器はＡＤＣの量子化のステップに関連し、ＡＤＣ入力におけるノイズ・レベルにスケーリングを施して、適合するレベルにするために用いられる。高利得であれば、ノイズの振幅が大きくなり、量子化エラーが回避され、結果として、線形性が向上する。しかし、信号はノイズも加えて増幅されるので、高利得の場合、ＡＤＣの変換範囲が制限される、すなわち、低利得の場合よりも低い信号レベルにおいてクリッピングが生じることにもなる。従って、ＡＤＣの信号変換が、上側の最大レベルと下側のノイズ・レベルによって制限される。従って、ノイズ・レベルは、Ｓ／Ｎ比（測定結果のダイナミック・レンジ）と線形性の両方に影響する。このトレード・オフによって、設計者はダイナミック・レンジの向上と良好な線形性に関して妥協せざるを得なくなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、広いダイナミック・レンジと良好な線形性を備えた、光ファイバのような光学コンポーネントをテストするための光学式時間領域反射率計（ＯＴＤＲ）及び時間領域反射率測定方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
基本的に、本発明による光学式時間領域反射率計は、
一般に０．１〜５０ＫＨｚの範囲の繰り返し率で、パルス幅の範囲がナノ秒〜マイクロ秒の光パルスをテストを受ける光学コンポーネントに射ち込むパルス発生器と、
テストを受ける前記光学コンポーネントの後方散乱信号を受信し、前記後方散乱信号の第１の電気信号と第１のノイズ信号を発生する、特定の帯域幅を備えた、アバランシェ・フォトダイオード検出器のような受信器と、
前記第１の電気信号及び前記第１のノイズ信号を増幅する増幅器と、
増幅された第１の電気信号及び増幅された第１のノイズ信号に重ね合わせられる第２のノイズ信号を発生するノイズ源と、
重ね合わせられた信号を第１のデジタル・データに変換するための手段、及び、平均化するための手段を備えた、サンプリング周波数ｆｓを有するアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）と、
前記第１のデジタル・データのデジタル信号処理手段と
を備えている。
【０００９】
本発明の核心をなすのは、追加ノイズ信号を発生させることと、アナログ・デジタル変換器によって変換される前に、追加ノイズ信号と、ＯＴＤＲ受信器によって発生した増幅電気信号を重ね合わせることである。追加ノイズ信号は、振幅レベルが別個に設定可能なノイズ源によって発生し、アナログ・デジタル変換器の入力における総ノイズ・レベルが、σ≒１のｒｍｓ値（自乗平均値の平方根）に調整される。ノイズ・レベルが別個に調整可能であり、ＯＴＤＲ受信器信号と共に増幅されなければ、良好な線形性と相伴って、ダイナミック・レンジの向上が実現可能である。
【００１０】
本発明の第１の実施例によれば、ＯＴＤＲは、追加ノイズ源によって発生する第２のノイズ信号にフィルタリングを施す帯域フィルタを備える。フィルタリングを施された信号は、テストを受ける光学コンポーネントの後方散乱信号を電気信号に変換するＯＴＤＲ受信器の増幅された電気信号と重ね合わせられる。Ａ／Ｄ変換後、追加ノイズ信号を容易に除去できるようにするために、帯域フィルタは、ＯＴＤＲ受信器の増幅され、測定されたノイズ信号に一定の追加ノイズ信号を加える。
【００１１】
本発明の第２の実施例によれば、追加ノイズ信号は、中心周波数が約ｆｃ＝ｆｓ／２の、特に正規分布した、帯域が制限されたディザー信号から構成される。実際には、時間離散データによるエイリアシング及びスペクトル周波数の周期性のため、帯域フィルタの中心周波数ｆｃをｆｓ／２に設定した場合に、最適な結果が得られた。この設計規則によれば、残留ノイズの影響が受信器の通過帯域内に及ぶことはなく、従って、Ｓ／Ｎ比は低下しない。
【００１２】
本発明の第３の実施例によれば、デジタル信号処理手段は、追加ノイズ信号によるデジタル・データを除去するための手段から構成される。特に、ソフトウェアで実施される低域フィルタが除去に用いられる。
【００１３】
本発明の第４の実施例によれば、テストを受ける光学コンポーネントの後方散乱光信号を電気信号に変換する受信器の帯域幅よりかなり高いサンプリング周波数ｆｓを有するＡＤＣが用いられる。これによって、変換プロセスが済んだ後で追加ノイズを簡単に除去することが可能になる。
【００１４】
本発明の第５の実施例によれば、追加ノイズ信号が、ＯＴＤＲ受信器の帯域幅より高く、追加ノイズ信号のための帯域フィルタの通過帯域より十分に低いコーナー周波数を備えているため、デジタル・データの除去には低域フィルタが用いられる。こうした低域フィルタによって、そのコーナー周波数を超える全てのスペクトル成分が除去される。
【００１５】
本発明の上述の核心はＯＴＤＲ用途に限定されるものではなく、アナログ・デジタル変換器の正確度及び線形性の向上にも利用することが可能であることは理解できよう。
【００１６】
明らかであるが、特に言及しておきたいのは、本発明は単独であれ、あるいは他のいかなる任意の組み合わせであれ、上述の特徴の有効かつ新規の組み合わせの全てに関連しているということである。さらに、列挙された全ての利点は、本発明によって完全に解決される対象とみなすことができる。
【００１７】
【実施例】
図１には、ＯＴＤＲ受信器１０１によって発生する電気信号の信号経路が示されている。従来の信号経路は、ＯＴＤＲ受信器１０１、増幅器１０２、アナログ・デジタル変換器１０３、及び、デジタル信号プロセッサ１０４から構成される。アナログ・デジタル変換器は、クロック１０５によって駆動される。本発明によるＯＴＤＲは、さらに、図１に点線で示すように、ノイズ源１０６、帯域フィルタ１０７、加算器１０８、及びデジタル低域フィルタ１０９から構成される。
【００１８】
テストを受ける光ファイバの後方散乱信号が、アバランシェ・フォトダイオードから構成される光検出器のようなＯＴＤＲ受信器１０１の入力に加えられる。ＯＴＤＲ受信器１０１は、後方散乱光信号を第１の電気信号に変換し、また、第１のノイズ信号を発生する。第１の電気信号及び第１のノイズ信号は、増幅器１０２によって増幅される。増幅器１０２の出力信号は、加算器１０８の第１の入力に加えられる。ノイズ源１０６は、第２のノイズ信号を発生し、そのレベルは、別個に調整可能である。ノイズ源１０６によって発生した第２のノイズ信号は、中心周波数ｆｃがアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１０３のサンプリング周波数ｆｓの約半分、すなわち、ｆｃ＝ｆｓ／２である帯域フィルタ１０７の入力に加えられる。帯域フィルタ１０７の出力において、第１のフィルタリングを施した信号が発生する。この信号は、中心周波数がｆｃ＝ｆｓ／２で正規分布し、帯域が制限されたディザー信号である。第１のフィルタリングを施した信号は、次に、加算器１０８の第２の入力に加えられる。加算器１０８の出力において、増幅された第１の電気信号、増幅された第１のノイズ信号、及び第１のフィルタリングを施された信号が重ね合わせられる。ＡＤＣ１０３による変換プロセスが済んだ後でこの追加ノイズを簡単に取り除けるようにするため、ＯＴＤＲ受信器の帯域幅よりかなり高いサンプリング周波数ｆｓを有するＡＤＣが選択される。従来の信号経路と比較すると、増幅器１０２の利得は低く保たれるので、ＡＤＣ１０３のクリッピング・レベルが高くなり、従って、ＡＤＣの変換範囲が拡大される。ＡＤＣの入力における総ノイズ・レベルは、２つの独立したノイズ源１０１及び１０６／１０７によって生じる。線形性をよくするため、受信器１０１によって発生する第１のノイズ信号及びノイズ源１０６によって発生する第２のノイズ信号による総ノイズ・レベルは、σ≒１のｒｍｓ値に調整される（ｒｍｓ値σ＝１はＡＤＣ１０３の量子化ステップに対応する）。ｒｍｓ値σによって、無限数の平均化の後の残留線形性エラーが決まる。
【００１９】
アナログ・デジタル変換器１０３は、重ね合わせられた信号を、デジタル信号プロセッサ１０４によって処理される離散時間依存信号に変換する。処理された信号は、受信器の帯域幅より高く、コーナー周波数より高い全てのスペクトル成分を除去する帯域フィルタ１０７の通過帯域より十分に低いコーナー周波数を有する低域フィルタ１０９に加えられる。便宜上の理由から、低域フィルタ１０９は、ソフトウェア・フィルタとして実施される。
【００２０】
図２には、ＡＤＣ入力におけるノイズ信号のパワー対周波数が示されている。受信器のノイズは２０１で示され、第１のフィルタリングを施した信号は２０２で示されている。第１のフィルタリングを施した信号２０２は、中心周波数がｆｃ＝ｆｓ／２で正規分布し、帯域が制限されたディザー信号である。ＡＤＣ１０３の高サンプリング周波数ｆｓによって、スペクトルがあまり重ならないようにして、周波数帯域が制限された追加ノイズ源１０６／１０７を考慮に入れるのに十分な広さの周波数スパンが開くことになる。この結果、量子化ノイズはもっと広い周波数帯域にわたって広がっているので、デジタル化データに加えられる量子化ノイズの量も減少することになる。
【００２１】
図３には、ＡＤＣ出力におけるノイズ信号のパワー・スペクトルが示されている。ＡＤＣ出力は、ＡＤＣ入力におけるノイズ信号のパワー・スペクトルに加えて、量子化ノイズ信号３０１、及びＡＤＣ１０３の変換のための周波数ｆｓに中心がくる受信器ノイズ２０１から構成される。
【００２２】
図４には、デジタル低域フィルタ１０９の伝達関数が示されている。コーナー周波数（４０１で表示）が受信器の帯域幅より高く、フィルタ１０７の通過帯域より十分に低い低域フィルタ１０９によって、図５に示すように、そのコーナー周波数より高い全てのスペクトル成分が除去される。図５と図３（ＡＤＣ出力におけるノイズ）を比較すると、低域フィルタ１０９によるフィルタ処理後は、ノイズ源１０６／１０７からのごくわずかな残留量５０１だけしか残っていないことが分かる。最適な結果が得られるように、帯域フィルタの中心周波数ｆｃは、時間離散データによるエイリアシング及びスペクトル周波数の周期性のため、ｆｓ／２に設定される。この設計規則によれば、残留ノイズの影響が受信器の通過帯域内に及ぶことはなく、従って、Ｓ／Ｎ比は低下しない。実際のテストの設定では、サンプリング・レートの１／２に対して中心周波数ｆｃのアライメントがとられた場合、追加ノイズ源による劣化を測定することができなかった。ＡＤＣ入力における総ノイズ・レベルを十分に高く設定すると（σ＞１）、データ平均化プロセスによって、ＡＤＣの量子化レベル未満での信号分解能が向上し、線形性が向上する。
【００２３】
【実施態様】
なお、本発明の実施態様の例を以下に示す。
【００２４】
〔実施態様１〕
以下の（ａ）〜（ｆ）を含むことを特徴とする、光学式時間領域反射率計：
（ａ）一般に０．１〜５０ＫＨｚの範囲の繰り返し率で、パルス幅がナノ秒〜マイクロ秒の範囲の光パルスを、テストを受ける光学コンポーネントに入射するパルス発生器；
（ｂ）テストを受ける前記光学コンポーネントの後方散乱信号を受信し、前記後方散乱信号の第１の電気信号と、第１のノイズ信号を発生する、特定の帯域幅を備えた、アバランシェ・フォトダイオード検出器のような受信器（１０１）；
（ｃ）前記第１の電気信号及び前記第１のノイズ信号を増幅する増幅器（１０２）；
（ｄ）増幅された第１の電気信号及び増幅された第１のノイズ信号に重ね合わせられる第２のノイズ信号を発生するノイズ源（１０６）；
（ｅ）重ね合わせられた信号を第１のデジタル・データに変換するための手段を備えた、あるサンプリング周波数ｆｓを有するアナログ・デジタル変換器（１０３）；
（ｆ）デジタル信号処理手段（１０４）及び前記第１のデジタル・データの平均化手段。
【００２５】
〔実施態様２〕
前記第２のノイズ信号にフィルタリングを施すための通過帯域を備えた第１の帯域フィルタ（１０７）を含み、前記第１の増幅された電気信号及び前記第１の増幅されたノイズ信号に重ね合わせられた第１のフィルタリングを施された信号を発生することを特徴とする、実施態様１に記載の光学式時間領域反射率計。
【００２６】
〔実施態様３〕
前記第１の帯域フィルタ（１０７）の中心周波数ｆｃがおよそｆｓ／２であることを特徴とする、実施態様１または実施態様２に記載の光学式時間領域反射率計。
【００２７】
〔実施態様４〕
前記第１のフィルタリングを施された信号が、正規分布し、帯域が制限された信号であることを特徴とする、実施態様２または実施態様３に記載の光学式時間領域反射率計。
【００２８】
〔実施態様５〕
前記第２のノイズ信号のデジタル・データを除去する低域フィルタ（１０９）を含むことを特徴とする、実施態様１または実施態様２に記載の光学式時間領域反射率計。
【００２９】
〔実施態様６〕
前記低域フィルタ（１０９）がソフトウェアで実施される低域フィルタであることを特徴とする、実施態様５に記載の光学式時間領域反射率計。
【００３０】
〔実施態様７〕
前記第１の電気信号に影響を与えずに、アナログ・デジタル変換後に付加ノイズ信号を簡単に除去するために、前記ＡＤＣ（１０３）の前記サンプリング周波数ｆｓを前記受信器（１０１）の前記帯域幅よりかなり高くしていることを特徴とする、実施態様１に記載の光学式時間領域反射率計。
【００３１】
〔実施態様８〕
前記ノイズ源（１０６）が、独立して設定することが可能な振幅レベルを有していることを特徴とする、実施態様１または実施態様２に記載の光学式時間領域反射率計。
【００３２】
〔実施態様９〕
前記低域フィルタ（１０９）が、前記受信器（１０１）の前記帯域幅より上で、前記第１の帯域フィルタ（１０７）の前記通過帯域より十分に下に位置する折点周波数を有することを特徴とする、実施態様１または実施態様２に記載の光学式時間領域反射率計。
【００３３】
〔実施態様１０〕
前記ノイズ源（１０６）の前記独立して設定することが可能な振幅レベルは、前記アナログ・デジタル変換器（１０３）の入力における前記第１と第２のノイズ信号の総振幅レベルがδ≒１のｒｍｓ値（自乗平均値の平方根）になるようなレベルに設定されることを特徴とする、実施態様８に記載の光学式時間領域反射率計。
【００３４】
〔実施態様１１〕
以下の（１）〜（６）のステップを含むことを特徴とする、時間領域反射率測定方法：
（１）テストを受ける光学コンポーネントの後方散乱光信号を受信させ、前記後方散乱信号の第１の電気信号及び第１のノイズ信号を発生させる第１のステップ；
（２）前記第１の電気信号及び前記第１のノイズ信号を増幅させる第２のステップ；
（３）第２のノイズ信号を発生させ、これを増幅させた第１の電気信号及び増幅させた第１のノイズ信号に重ね合わせる第３のステップと、
（４）重ね合わせられた信号をある周波数ｆｓでサンプリングし、第１のデジタル・データに変換する第４のステップと、
（５）前記第１のデジタル・データを平均化する第５のステップと、
（６）前記第２のノイズ信号のデジタル・データを前記第１のデジタル・データから除去する第６のステップ。
【００３５】
〔実施態様１２〕
前記第２のノイズ信号の中心周波数ｆｃがおよそｆｓ／２であることを特徴とする、実施態様１１に記載の方法。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、光学式時間領域反射率計において、アナログ・デジタル変換器の量子化エラーを防止するためのノイズを増幅器の後に加えることによって、増幅器のゲインを上げてもアナログ・デジタル変換器の変換範囲が制限されることがなくなるので、高いＳ／Ｎ比と良好な線形性を実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＯＴＤＲと改良されたＯＴＤＲの信号経路に関するブロック図である。
【図２】図１のＡＤＣ入力におけるノイズ信号のパワー・スペクトルを示す図である。
【図３】図１のＡＤＣ出力におけるノイズ信号のパワー・スペクトルを示す図である。
【図４】図１のデジタル低域フィルタの伝達関数を示す図である。
【図５】図１の処理後における残留ノイズのパワー・スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１０１：ＯＴＤＲ受信器
１０２：増幅器
１０３：アナログ・デジタル変換器
１０４：デジタル信号プロセッサ
１０５：クロック
１０６：ノイズ源
１０７：帯域フィルタ
１０８：加算器
１０９：デジタル低域フィルタ
【図１】
0003644513.tif 000002
【図２】
0003644513.tif 000003
【図３】
0003644513.tif 000004
【図４】
0003644513.tif 000005
【図５】
0003644513.tif 000006