(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被監視光線路の破断点を検出するための光線路監視装置であって、
任意の波長で発振する半導体レーザと、
前記半導体レーザの出力光を伝搬する第１の監視用光線路と、
第２の監視用光線路と、
前記第１の監視用光線路の伝搬光を、前記被監視光線路と前記第２の監視用光線路とに分波する光分波器と、
前記第１の監視用光線路と前記被監視光線路とを結ぶ光路内の任意の位置に設けられ、前記半導体レーザの出力光の偏波状態を制御する偏波制御器と、
前記第２の監視用光線路の伝搬光を電気信号に変換する第１の光電変換器と、
前記第１の光電変換器で得られた電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
前記Ａ／Ｄ変換部からの出力信号の周波数スペクトラムを算出して、該周波数スペクトラムの任意の周波数区間におけるスペクトラム強度を検出して、前記偏波状態が最適な偏波状態であることを示す所定のスペクトラム強度となったか否かを判定して、その結果に基づいて制御信号を生成する演算部と、
前記演算部で生成した制御信号に基づいたアナログ電気信号を出力するＤ／Ａ変換部と、
前記Ｄ／Ａ変換部で変換されたアナログの制御信号に基づいて前記偏波制御器を駆動制御して前記半導体レーザの出力光の偏波状態を変化させる偏波制御器駆動部と、
前記被監視光線路から前記半導体レーザに向けて伝搬する戻り光強度を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器の出力光を電気信号に変換する第２の光電変換器と、
該第２の光電変換器の出力信号を受信して、前記光増幅器の出力光を所定のパワー以上に保持するように、前記光増幅器の利得を制御する光増幅器制御部と
を備え、
前記演算部は、所定のスペクトラム強度となったと判定した場合に、前記算出した周波数スペクトラムのスペクトル間隔に基づいて破断点の位置を演算することを特徴とする光線路監視装置。
【請求項２】
被監視光線路の破断点を検出するための光線路監視装置の制御方法であって、
前記光線路監視装置は、任意の波長で発振する半導体レーザと、前記半導体レーザの出力光を伝搬する第１の監視用光線路と、第２の監視用光線路と、前記第１の監視用光線路の伝搬光を、前記被監視光線路と前記第２の監視用光線路とに分波する光分波器と、前記第１の監視用光線路と前記被監視光線路とを結ぶ光路内の任意の位置に設けられ、前記半導体レーザの出力光の偏波状態を制御する偏波制御器と、前記第２の監視用光線路の伝搬光を電気信号に変換する第１の光電変換器と、前記第１の光電変換器で得られた電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部からの出力信号の周波数スペクトラムを算出し、制御信号を生成する演算部と、前記演算部で生成した制御信号に基づいたアナログ電気信号を出力するＤ／Ａ変換部と、前記Ｄ／Ａ変換部で変換されたアナログの制御信号に基づいて前記偏波制御器を駆動制御して前記半導体レーザの出力光の偏波状態を変化させる偏波制御器駆動部と、前記被監視光線路から前記半導体レーザに向けて伝搬する戻り光強度を増幅する光増幅器と、前記光増幅器の出力光を電気信号に変換する第２の光電変換器と、該第２の光電変換器の出力信号を受信して前記光増幅器の利得を制御する光増幅器制御部とを備え、
前記光増幅器制御部が、前記光増幅器の出力光を所定のパワー以上に保持するように、前記光増幅器の利得を制御するステップと、
前記演算部は、前記算出した周波数スペクトラムの任意の周波数区間におけるスペクトラム強度を検出するステップと、
前記検出したスペクトラム強度が、前記偏波状態が最適な偏波状態であることを示す所定のスペクトラム強度となったか否かを判定するステップと、
前記所定のスペクトラム強度となっていないと判定した場合に、
前記偏波制御器駆動部によって前記偏波制御器を駆動制御して前記半導体レーザの出力光の偏波状態を変化させるステップと、
前記演算部で、前記周波数スペクトラムを算出しスペクトラム強度を検出して前記所定のスペクトラム強度となったか否かを判定するステップに戻るステップと、
前記所定のスペクトラム強度となったと判定した場合に、
前記算出した周波数スペクトラムのスペクトル間隔に基づいて破断点の位置を演算するステップとを含むことを特徴とする光線路監視装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光線路監視装置およびその制御方法に関し、詳細には、通信媒体として光ファイバによって構成される光線路内に存在する破断点を監視し、その破断点の位置を提供するための光線路監視装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光線路内に発生する損失や破断点を検出するＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）が使用されている（特許文献１）。特許文献１には、光パルスを光線路内に出力し、破断点や接続点で発生する反射戻り光強度と伝搬時間を計測し反射位置を観測する方式が記載されている。
【０００３】
この様な光パルス方式（図６）では、空間分解能はパルス幅や後方散乱光の影響度に依存し、光線路内に複数の反射点が存在し、それらの反射点とパルス源との距離差が小さい場合は、高精度に反射位置を識別することが困難である。反射位置を高精度に測定するために、反射点間に存在する共振モードの周波数間隔を計測し、それから反射点間距離を算出する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１７４６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、反射点間の共振状態は、伝搬光の偏波状態や強度に依存するので、安定な共振状態を維持するためには、その偏波状態や強度を最適に制御する必要がある。
【０００６】
本発明は以上の問題に鑑みなされたものであって、光線路内を伝搬する偏波状態及び戻り光強度を制御して、光線路内に安定に存在可能な共振モードを維持し、光線路内の破断点を高精度に自動測定することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、被監視光線路の破断点を検出するための光線路監視装置であって、任意の波長で発振する半導体レーザと、前記半導体レーザの出力光を伝搬する第１の監視用光線路と、第２の監視用光線路と、前記第１の監視用光線路の伝搬光を、前記被監視光線路と前記第２の監視用光線路とに分波する光分波器と、前記第１の監視用光線路と前記被監視光線路とを結ぶ光路内の任意の位置に設けられ、前記半導体レーザの出力光の偏波状態を制御する偏波制御器と、前記第２の監視用光線路の伝搬光を電気信号に変換する第１の光電変換器と、前記第１の光電変換器で得られた電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部からの出力信号の周波数スペクトラムを算出して、該周波数スペクトラムの任意の周波数区間におけるスペクトラム強度を検出して、前記偏波状態が最適な偏波状態であることを示す所定のスペクトラム強度となったか否かを判定して、その結果に基づいて制御信号を生成する演算部と、前記演算部で生成した制御信号に基づいたアナログ電気信号を出力するＤ／Ａ変換部と、前記Ｄ／Ａ変換部で変換されたアナログの制御信号に基づいて前記偏波制御器を駆動制御して前記半導体レーザの出力光の偏波状態を変化させる偏波制御器駆動部と、前記被監視光線路から前記半導体レーザに向けて伝搬する戻り光強度を増幅する光増幅器と、前記光増幅器の出力光を電気信号に変換する第２の光電変換器と、該第２の光電変換器の出力信号を受信して、前記光増幅器の出力光を所定のパワー以上に保持するように、前記光増幅器の利得を制御する光増幅器制御部とを備え、前記演算部は、所定のスペクトラム強度となったと判定した場合に、前記算出した周波数スペクトラムのスペクトル間隔に基づいて破断点の位置を演算することを特徴とする光線路監視装置である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、被監視光線路の破断点を検出するための光線路監視装置の制御方法であって、前記光線路監視装置は、任意の波長で発振する半導体レーザと、前記半導体レーザの出力光を伝搬する第１の監視用光線路と、第２の監視用光線路と、前記第１の監視用光線路の伝搬光を、前記被監視光線路と前記第２の監視用光線路とに分波する光分波器と、前記第１の監視用光線路と前記被監視光線路とを結ぶ光路内の任意の位置に設けられ、前記半導体レーザの出力光の偏波状態を制御する偏波制御器と、前記第２の監視用光線路の伝搬光を電気信号に変換する第１の光電変換器と、前記第１の光電変換器で得られた電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部からの出力信号の周波数スペクトラムを算出し、制御信号を生成する演算部と、前記演算部で生成した制御信号に基づいたアナログ電気信号を出力するＤ／Ａ変換部と、前記Ｄ／Ａ変換部で変換されたアナログの制御信号に基づいて前記偏波制御器を駆動制御して前記半導体レーザの出力光の偏波状態を変化させる偏波制御器駆動部と、前記被監視光線路から前記半導体レーザに向けて伝搬する戻り光強度を増幅する光増幅器と、前記光増幅器の出力光を電気信号に変換する第２の光電変換器と、該第２の光電変換器の出力信号を受信して前記光増幅器の利得を制御する光増幅器制御部とを備え、前記光増幅器制御部が、前記光増幅器の出力光を所定のパワー以上に保持するように、前記光増幅器の利得を制御するステップと、前記演算部は、前記算出した周波数スペクトラムの任意の周波数区間におけるスペクトラム強度を検出するステップと、前記検出したスペクトラム強度が、前記偏波状態が最適な偏波状態であることを示す所定のスペクトラム強度となったか否かを判定するステップと、前記所定のスペクトラム強度となっていないと判定した場合に、前記偏波制御器駆動部によって前記偏波制御器を駆動制御して前記半導体レーザの出力光の偏波状態を変化させるステップと、前記演算部で、前記周波数スペクトラムを算出しスペクトラム強度を検出して前記所定のスペクトラム強度となったか否かを判定するステップに戻るステップと、前記所定のスペクトラム強度となったと判定した場合に、前記算出した周波数スペクトラムのスペクトル間隔に基づいて破断点の位置を演算するステップとを含むことを特徴とする光線路監視装置の制御方法である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明にかかる光線路監視装置の一例を示す図である。
【図２】共振周波数スペクトルの例を示す図である。
【図３】モード間隔と反射端間距離の関係を示す図である。
【図４】共振周波数スペクトル強度制御フローを示す図である。
【図５】複合共振周波数スペクトルの例を示す図である。
【図６】従来の光線路監視装置（パルス型ＯＴＤＲ）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１３】
図１に、本発明にかかる光線路監視装置の一例を示す。図１に示すように光線路監視装置は、分布帰還型半導体レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）１と、偏波制御器（PC: polarization controller）２と、光カップラ３と、２つのＰＩＮ−フォトダイオード（PD: photo detector）５、１１と、Ａ／Ｄ変換器（ADC: A/D converter）６と、ＦＰＧＡ（CPU: computing circuit）８と、制御端末（CRM: control terminal）１９と、Ｄ／Ａ変換器（DAC:D/A converter）７と、偏波制御器駆動回路（PC_DRV: polarization controller driver）９と、制御スイッチ（SW: polarization controller control switch）１０と、ファイバアンプ（FA: fiber amp.）１４と、２つのサーキュレータ（CIR: optical circulator）１７、１８と、２つのアイソレータ（ISO: optical isolator）１５、１６と、光増幅器制御回路（OPA_CTR: fiber amp. control  circuit）１２と、光増幅器駆動回路(OPA_DRV: fiber amp. Driver)１３とを備えて構成される。光線路監視装置の光部品間は、シングルモードファイバで接続され、電気部品間は、同軸線路で接続されている。
【００１４】
ＤＦＢ−ＬＤ１は、破断点等を調べるために被監視光線路４に入力する光パルスを生成する任意の波長で発振する半導体レーザである。ＤＦＢ−ＬＤ１等の半導体レーザは、理想的には単一波長で発振するが、厳密にはある程度の幅を持った波長帯で発振するので、本明細書では、このようなレーザを任意の波長で発振する半導体レーザと定義している。偏波制御器２は、光線路を介してＤＦＢ−ＬＤ１に接続されており、生成された光パルスを偏波して光カップラ３のｐｏｒｔ１に入力する。偏波制御器２は、回転式の１／２波長板と１／４波長板とを用いて構成され、透過光の偏波状態を調整することができる。
【００１５】
光カップラ３は、ＤＦＢ−ＬＤ１の伝搬光を被監視光線路４に入力される光と偏波状態監視用の光とに分波するための手段であり、例えば１：１の入出力分波比を有する、いわゆる−３ｄＢカプラを用いることができる。光カップラ３は、２×２の４つのポートを有し、ｐｏｒｔ１には偏波制御器２を介してＤＦＢ−ＬＤ１が接続され、ｐｏｒｔ２にはＰＤ１１が接続され、ｐｏｒｔ３にはＰＤ５が接続され、ｐｏｒｔ４にはＣＩＲ１７が接続されている。また、光カップラ３では、ＰＤ５、ＰＤ１１端面からＤＦＢ−ＬＤ１及び被監視光線路４方向への伝搬光を遮断するため、ファイバ間は斜め研磨で接続する等、アイソレーションに配慮する。
【００１６】
ｐｏｒｔ４には、ＣＩＲ１７、１８を介して被監視光線路４を接続することができる。ここで被監視光線路４内の破断点が反射点Ｐ１、Ｐ２とし、ＤＦＢ−ＬＤ１における反射点をＰ０とする。ＤＦＢ−ＬＤ１から出力される単一モード（任意の波長モード）の発振光は、偏波制御器２と光カップラ３とを経由して被監視光線路４に入力されると、被監視光線路４内を伝搬し、被監視光線路４内の反射点Ｐ１において反射した後、後方へ伝搬する（この伝搬光を反射戻り光と呼ぶ）。すなわち、ＤＦＢ−ＬＤの反射点Ｐ０と被監視光線路４内の反射点Ｐ１との間には、互いに進行方向が異なる２つの光波が存在し、これらは反射を繰り返し、いくつかの特定の周波数を持つ光波が安定に存在する（共振する）ことを許される。
【００１７】
ｐｏｒｔ３に接続されたＰＤ５は、ＡＤＣ６とＣＰＵ８とＤＡＣ７とが直列に接続されている。ＣＰＵ８は、ＰＤ５で観測した値をＦＦＴ変換するＦＦＴ変換部８ａと変換したデータを処理するデータ処理部８ｂとを有している。また、ＣＰＵ８は、外部のＴＲＭ１９と必要に応じて通信可能に構成されている。ＰＤ５では、共振状態となった入力光パルスと戻り光を観測できる。ＰＤ５に接続されたＣＰＵ８は、かかる観測結果に応じて、偏波制御器２に接続された偏波制御器駆動回路９の制御スイッチ１０のオン・オフを制御して、光パルスの偏波状態を制御する。例えばＣＰＵ８は、ＰＤ５で光電変換された信号の周波数スペクトラムを算出して、該周波数スペクトラムの任意の周波数区間におけるスペクトラム強度を検出して、前記偏波状態が最適な偏波状態であることを示す所定のスペクトラム強度となったか否かを判定してオン・オフの制御信号を生成することができる。
【００１８】
ｐｏｒｔ２に接続されたＰＤ１１は、光増幅器制御回路１２と、光増幅器駆動回路１３とが接続されている。この光増幅器制御回路１２と、光増幅器駆動回路１３は、２つのＣＩＲ１７、１８を介してｐｏｒｔ４に接続された２つのアイソレータ１５、１６に挟まれたファイバアンプ１４を駆動する。ＰＤ１１では、共振状態となった戻り光を観測する。ＰＤ５に接続された光増幅器制御回路１２は、かかる観測結果に応じて、戻り光が所定の閾値（観測に必要な信号強度）となるように光増幅器駆動回路１３を制御して戻り光の増幅を行う。
【００１９】
ここで被監視光線路４内の反射点が１点の場合に、反射点間距離を測定する原理を説明する。図２は、共振状態における周波数スペクトル例を示す。共振周波数の間隔Δｆ（モード間隔）は、反射点間の距離（共振器長）Ｌと一定の関係がある。関係式は、一般的に式１で表わされる。
Δｆ＝ｃ／（２Ｌ・ｎｅｆｆ）  ・・・（式１）
【００２０】
式１において、Δｆ：モード間隔、Ｌ：反射点間距離、ｎｅｆｆ：被監視光線路の実効屈折率、ｃ：真空中の光速度である。ｎｅｆｆは、既知とする。図３にモード間隔Δｆと反射点間距離Ｌとの関係を示す。プロットは実測であり、実線は式１に基づく理論値を示す。両者は良く一致し、モード間隔を測定することにより、反射点位置を測定できることがわかる。
【００２１】
被監視光線路４内の反射点が複数の場合も、１点の場合と同様の原理で、共振モード間隔を測定することが可能である。この場合、各反射点ごとに共振状態を満たす偏波状態が異なるため、偏波を調整して、各反射点に対応する共振スペクトルを単独で取得し、複数の反射点を特定することができる。
【００２２】
光線路監視装置における光線路内を伝搬する偏波の制御例を説明する。ＤＦＢ−ＬＤ１の発振光は、主にＴＥ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ）波に偏光している。被監視光線路４方向への進行波と反射戻り光のＴＥ波成分の結合率が最大となる時に、共振スペクトルの強度が最大となる。したがって、偏波制御器２によって、ＴＥ波間の結合率を制御し、共振スペクトル強度を最適化している。偏波制御器２の波長板は、モータにより制御し、制御スイッチ１０を介して偏波制御器駆動回路９でモータを駆動する。モータは、制御スイッチ１０がＯＮの時、波長板が所定の角度回転するように動作し、ＯＦＦの時は、停止している。
【００２３】
図４は、ＣＰＵ８において所定のスペクトル強度を得て測定を行うまでの制御フローを示す。周波数スペクトルの算出は、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）によって行う（Ｓ１）。例えば、周波数レンジを１００ＭＨｚ、中心周波数を７ＧＨｚとし、最大スペクトル強度比Ｆｍａｘ（ｐｅａｋ  ｔｏ  ｐｅａｋ）をデータ処理により検出する（Ｓ２）。検出したＦｍａｘが基準レベルＦｒｅｆ（２０ｄＢ程度）以下か否かを判定する（Ｓ３）。このとき、基準レベルＦｒｅｆとして用いられる値は、被監視光線路４方向への進行波と反射戻り光のＴＥ波成分の結合率が最大値近傍となることを示すものである。
【００２４】
Ｆｍａｘが基準レベルＦｒｅｆ（２０ｄＢ程度）以下であれば、偏波制御器２の制御スイッチ１０をＯＮにしてモータ９を駆動し（Ｓ４）、１／４波長板を所定の角度Δθだけ回転する（Ｓ５）。Δθは、測定時間や精度に応じて任意に設定可能にしておく。また、１／２波長板は本例では固定されているが、必要な偏波消光比に応じて制御しても良い。波長板を回転した後、制御スイッチをＯＦＦにする（Ｓ６）。
【００２５】
上記のループを、ＦｍａｘがＦｒｅｆ以上になるまで繰り返し、Ｆｍａｘが基準レベルＦｒｅｆ（２０ｄＢ程度）以下でないと判断されたら、波長板をそのままの状態で制御スイッチをＯＦＦにする（Ｓ７）。この状態がＴＥ波成分の最適な状態であることを示すので、モード間隔Δｆを検出する（Ｓ８）。さらに、式１を用いて共振器長Ｌをデータ処理により求める（Ｓ９）。ＦＦＴ及びデータ処理含む演算機能は、ＦＰＧＡ８等で実装する。ＦＰＧＡ８は、外部に設けられた制御端末９と通信し、制御、演算した結果を制御端末９に出力することができる。また、反射点が複数存在する複合共振スペクトル（図５）の場合は、偏波状態ごとに共振モード間隔を解析し記憶する機能を演算回路に持たせることにより、それら反射点を特定することが可能である。
【００２６】
次に、戻り光強度の制御例について図１を用いて説明する。被監視光線路４内の反射減衰量が大きい場合、上記共振スペクトル強度が小さくなり、計測感度が低下する。これを回避するため、光カップラ３のｐｏｒｔ４と被監視光線路４の間に設置されたファイバ増幅器１４により戻り光の強度を増幅する。これは、図４のフローの前に行われるのが好ましい。図１に示すように、サーキュレータ１７、１８をファイバ増幅器１４の入出力端に設置し、異なる二つの進行波を分離し、アイソレータ１５、１６により戻り光のみを分離してファイバ増幅器１４で増幅できる構成にする。ファイバ増幅器１４の利得は、光出力が所定値以上になるように、フィードバック制御する。図１に示す例では、ファイバ増幅器１４の出力光をＰＤ５で受光し、その受光電流を基準値と比較増幅して電圧出力する。その比較増幅電圧をＰＩＤ（比例、積分、微分回路）に入力し、そのＰＩＤ出力を、ファイバ増幅器の駆動電流に変換して利得制御する。以上により、戻り光強度を所定値以上に保持し、常に高感度に共振スペクトル強度を得ることができる。
【００２７】
以上の実施形態では、４ポートを備える光カップラを用いた場合を例に挙げて説明したがこれに限定されない。例えば、図１に示すような４ポートの光カップラ３に代えて、３ポートの光カップラを用いることができる。この場合、ｐｏｒｔ２に接続されていた戻り光を検出するＰＤ１１は、ＣＩＲ１７とＩＳＯ１５との間に挿入することによって設けることができる。
【００２８】
以上の実施形態では、図１に示すように偏波制御器２は、ＤＦＢ−ＬＤ１と光カップラ３のｐｏｒｔ１との間に設けられた例を示したが、ＤＦＢ−ＬＤ１と被監視光線路４との間に存在する光線路内の任意の位置に設けてもよい。
【００２９】
また、以上の実施形態では、光源としてＤＦＢ−ＬＤ１を用いた場合を例に挙げて説明しているが、任意の波長で発振する半導体レーザであれば任意のものを使用できる。
【００３０】
以上の実施形態の光線路監視装置によれば、光線路内を伝搬する偏波状態及び戻り光強度を制御して、光線路内の共振モードを安定に維持し、モード間隔を算出することにより、光線路内の破断点を高精度に自動測定することが可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１      分布帰還型半導体レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）
２      偏波制御器（PC）
３      光カップラ
５、１１    ＰＩＮ−フォトダイオード(PD)
６      Ａ／Ｄ変換器（ADC）
８      ＦＰＧＡ（CPU）
１９    制御端末（CRM）
７      Ｄ／Ａ変換器（DAC）
９      偏波制御器駆動回路（PC_DRV）
１０    制御スイッチ（SW）
１４    ファイバアンプ（FA）
１７、１８    サーキュレータ（CIR）
１５、１６    アイソレータ（ISO）
１２          光増幅器制御回路（OPA_CTR）
１３          光増幅器駆動回路(OPA_DRV)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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