(57)【要約】【課題】Ｄ−ＯＴＤＲ法において光ファイバに対する光パルスの結合の際に生じる光損失をきわめて低雑音な光増幅器で補償し、光ファイバからの後方散乱光を低雑音に光増幅する光パルス試験装置を提供すること。【解決手段】光パルス光源１１０、位相感応増幅器１２０、光方向性結合器１４０、光ファイバ１５０を伝播してきた反射光信号を受信する受光器１６０を備える。また、受光器１６０の受光信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器１７０、ＡＤ変換器１７０から出力されるディジタル信号を処理する信号処理装置１８０、信号処理装置１８０で処理されたデータを解析するコンピュータ１９０を備える。尚、光方向性結合器１４０と被測定光ファイバ線路３００とは、光コネクタ２００で接続されている。【選択図】図１
2015219160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する光信号増幅装置であって、
直線偏光を出射するＣＷ光源と、前記ＣＷ光源からＣＷ光が入射される入力端ならびに第１および第２の出力端を有する第１の光分岐回路と、前記第１の出力端に接続された光スイッチとを含む光パルス光源であって、前記第１の出力端から出射された前記ＣＷ光から前記光スイッチにより光パルスを生成する、光パルス光源と、
接続された被測定光ファイバに前記光パルスを出力し、前記被測定光ファイバにおける前記光パルスに対する後方散乱光が入力される光方向性結合器と、
前記光方向性結合器から出力された前記後方散乱光が入力される受光器と、
前記受光器から出力される電気信号を処理する信号処理装置と、
前記第１の光分岐回路の第２の出力端から出力されたＣＷ光から第２高調波を生成し、前記第２高調波を励起光として前記光パルス又は前記後方散乱光をパラメトリック増幅する位相感応増幅器と、
を備え、前記位相感応増幅器が、前記光パルス光源と前記光合分波器との間、前記光合分波器と前記被測定光ファイバ線路との間、および前記光合分波器と前記受光器との間のうち、少なくとも１箇所以上に設置されたことを特徴とする光パルス試験装置。
【請求項２】
前記位相感応増幅器が、前記光パルス光源と前記光合分波器との間、および前記光合分波器と前記被測定光ファイバ線路との間のうち、少なくとも１箇所以上に設置された場合において、前記位相感応増幅器は、
前記ＣＷ光が入射されて第２高調波を発生する第１の２次非線形光学結晶と、
前記第１の２次非線形光学結晶から出射される前記ＣＷ光および前記第２高調波から、前記第２高調波を分離する第１のフィルタと、
前記光パルスと、前記第二高調波とを合波する合波器と、
前記合波器で合波された合波光が入射され、前記第２高調波を励起光として前記光パルスに対しパラメトリック増幅を行う第２の２次非線形光学結晶と、
前記第２の２次非線形光学素子から出力される増幅された前記合波光から、増幅された前記光パルスを分離する第２のフィルタと、
増幅された前記光パルスに基づき、前記光パルスの位相と前記第２高調波の位相とを同期する位相同期手段と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の光パルス試験装置。
【請求項３】
前記位相同期手段は、
増幅された前記光パルスの一部を分岐する第２の光分岐回路と、
前記第２の光分岐回路で分岐された増幅された前記光パルスの一部を受光する第２の受光器と、
前記第１の光分岐回路の第２の出力端から出力された前記ＣＷ光の位相を、印加されたバイアス電圧に基づき変調する位相変調器と、
前記位相変調器と前記第１の２次非線形光学結晶との間の光路長を、印加されたバイアス電圧に基づき調節する光学長伸長器と、
前記受光器から出力される電気信号の変動を検出して、前記電気信号に基づき出力電気前記位相変調器および前記光学長伸長器のバイアス電圧を調節する位相同期ループ回路と、
を含むことを特徴とする請求項２に記載の光パルス試験装置。
【請求項４】
前記位相感応増幅器が、前記光合分波器と前記被測定光ファイバ線路との間、および前記光合分波器と前記受光器との間のうち、少なくとも１箇所以上に設置された場合において、前記位相感応増幅器は、
前記ＣＷ光が入射されて第２高調波を発生する第１の２次非線形光学結晶と、
前記第１の２次非線形光学結晶から出射される前記ＣＷ光および前記第２高調波から、前記第２高調波を分離する第１のフィルタと、
前記後方散乱光と、前記第二高調波とを合波する合波器と、
前記合波器で合波された合波光が入射され、前記第２高調波を励起光として前記後方散乱光に対しパラメトリック増幅を行う第２の２次非線形光学結晶と、
前記第２の２次非線形光学素子から出力される増幅された前記合波光から、増幅された前記後方散乱光を分離する第２のフィルタと、
増幅された前記後方散乱光に基づき、前記後方散乱光の位相と前記第２高調波の位相とを同期する位相同期手段と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の光パルス試験装置。
【請求項５】
前記位相同期手段は、
増幅された前記後方散乱光の一部を分岐する第２の光分岐回路と、
前記第２の光分岐回路で分岐された増幅された前記後方散乱光の一部を受光する第２の受光器と、
前記第１の光分岐回路の第２の出力端から出力された前記ＣＷ光の位相を、印加されたバイアス電圧に基づき変調する位相変調器と、
前記位相変調器と前記第１の２次非線形光学結晶との間の光路長を、印加されたバイアス電圧に基づき調節する光学長伸長器と、
前記受光器から出力される電気信号の変動を検出して、前記電気信号に基づき出力電気前記位相変調器および前記光学長伸長器のバイアス電圧を調節する位相同期ループ回路と、
を含むことを特徴とする請求項４に記載の光パルス試験装置。
【請求項６】
前記前記位相感応増幅器に入射する前記後方散乱光の偏波を揃える偏波ダイバーシティをさらに備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の光パルス試験装置。
【請求項７】
前記第１および第２非線形光学結晶は、周期分極反転構造を有する導波路型ニオブ酸リチウムであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光パルス試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長距離の光伝送路の伝送損失特性の評価を可能とする超高感度を有する光パルス試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通信需要の高まりにより、光による通信が一般的となっている。最近ではＦＴＴｘなど、自宅まで光ファイバが敷設されるようになってきた。現場では、光ファイバの敷設工事が日々実施されており、光通信システムを安定した運用のためには敷設工事の実施確認、光ファイバの保守点検が重要な作業となっている。
【０００３】
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、破断位置を標定するために光パルス線路監視装置が用いられる。光パルス線路監視装置は、光が光線路内を伝播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、光線路に光パルス（試験光）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が発生し続け、試験光と同じ波長の戻り光が入力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点を標定することができる。この原理に基づく測定装置では、ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）が代表的である。
【０００４】
ＯＴＤＲには複数種類がある。従来、光ファイバ伝送路の損失測定及び線路の監視には簡便な直接検波方式の光パルス試験装置Ｄ−ＯＴＤＲがよく使用される。Ｄ−ＯＴＤＲは簡便であるが、半導体レーザを光源として用いて数１０ｋｍもの長尺の光ファイバの障害点探索が可能であるため広く用いられている。
【０００５】
図５に、従来のＤ−ＯＴＤＲの基本的な構成例を示す。Ｄ−ＯＴＤＲ５００は、光パルス光源５１０、光方向性結合器５２０、光パルス光源５１０と光方向性結合器５２０を接続する光ファイバ５３０、被測定光ファイバ線路７００から光方向性結合器５２０に反射してきた反射光信号を伝播する光ファイバ５４０、光ファイバ５４０を伝播してきた反射光信号を受信する受光器５５０を備える。また、受光器５５０の受光信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器５６０、ＡＤ変換器５６０から出力されるディジタル信号を処理する信号処理装置５７０、信号処理装置５７０で処理された信号を解析するコンピュータ５８０を備える。光方向性結合器５２０と被測定光ファイバ線路７００とは、光コネクタ６００で接続されている。
【０００６】
これを動作させるには、光パルス光源５１０を点灯し、光パルス信号を、光方向性結合器５２０を介して、光ファイバ線路７００に入射する。入射された光パルス信号は、光ファイバを構成するガラスにより散乱（主にレイリー散乱）を受け、その一部は光ファイバ線路７００を逆に反転伝播し光方向性結合器５２０に戻ってくる。この散乱光強度は、光ファイバの各位置での伝播光強度に比例するため、散乱光強度の時間軸上での分布を計測することにより、光ファイバの伝送損失の距離依存性を、光ファイバを破壊することなく測定することができる。
【０００７】
図５において、光方向性結合器５２０に戻った散乱光は、光ファイバ５４０に導かれ、受光器５５０で受信され、信号処理装置５７０で信号処理した後、コンピュータ５８０でグラフ化され出力波形が表示される。
【０００８】
ここで、光方向性結合器５２０としては様々な形態のものを適用可能であるが、一般的には光カップラー型のものが使用される。光方向性結合器５２０は入力に対して３ｄＢのカップラーとなっている。そのため入力に−３ｄＢ、後方散乱光の受光に−３ｄＢの合計６ｄＢの損失が存在する。
【０００９】
以上に述べたように、従来の簡便なＤ−ＯＴＤＲにおいては光パルス光源からの光パルスを被測定単一モード光ファイバに入射される場合に少なくとも３ｄＢ程度光レベルの低下が存在した。しかもまた、同様のことは光検出器において微弱な後方レイリー散乱信号を受光する場合にも存在し、被測定ファイバへの結合損失を取り除くことは不可避であった。そのため、これら結合損失により装置のダイナミックレンジが制限されていた。
【００１０】
ダイナミックレンジを確保する方法として散乱光信号の加算平均を十分に行う方法もあるが、この方法では保守・点検施工には時間がかかるという課題がある。そのため、ダイナミックレンジの拡大を図る現実的手段として、入力パワーを大きくすればダイナミックレンジを拡大することができるため、光パルス光源に高出力光源が用いられてきた。
【００１１】
高出力光源としては、例えば、単一モード光ファイバ線路で中継間隔が４０ｋｍ以上の場合、レーザダイオード（ＬＤ）のような半導体レーザ光源では光パルス信号出力が不十分であるため、Ｑスイッチ付ＹＡＧレーザの様な大出力光パルスレーザが用いられてきた。
【００１２】
しかしながら、この様な大出力のレーザを使用することは、光パルス試験装置（ＯＴＤＲ）が大型になることや取り扱い者の安全性の点からも、装置の改良が望まれていた。
【００１３】
そこで、この問題に対してＥＤＦＡなどのレーザ増幅を基本とする光増幅器の適用が検討されている。ＥＤＦＡの適用によってＯＴＤＲのダイナミックレンジＳＷＤＲ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｗａｙ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｇｅ）が拡大することが知られている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】古川他著、「光ファイバ増幅器によるOTDR高性能化の検討」、電子情報通信学会論文誌 B-I、通信I-情報通信システム・理論 = The transactions of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers 75(5), 304-313, 1992-05-25
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、ＥＤＦＡには自然放出光雑音（ＡＳＥ）の影響が比較的大きくダイナミックレンジ拡大に限界があった。これまではＡＳＥの影響を抑制するため、ＡＳＥをカットするための音響光学型の光スイッチを光パルスに同期するよう動作させてＡＳＥをカットする手法がとられるが、増幅器以外にＡＳＥカット用同期回路などが必要で装置が煩雑化するという課題がある。
【００１６】
さらにＥＤＦＡの場合、２準位系で不可避な緩和時間や利得飽和に起因する過渡応答により、増幅光パルスにオーバーシュート・アンダーシュートが生じることに起因する波形劣化が存在するという課題がある。光パルスの波形劣化は、正確な測定を阻害するため、波形劣化の少なく、低雑音な光増幅器が望まれていた。
【００１７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、Ｄ−ＯＴＤＲ法において光ファイバに対する光パルスの結合の際に生じる光損失をきわめて低雑音な光増幅器で補償し、光ファイバからの後方散乱光を低雑音に光増幅する光パルス試験装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、本発明は、非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する光信号増幅装置であって、直線偏光を出射するＣＷ光源と、前記ＣＷ光源からＣＷ光が入射される入力端ならびに第１および第２の出力端を有する第１の光分岐回路と、前記第１の出力端に接続された光スイッチとを含む光パルス光源であって、前記第１の出力端から出射された前記ＣＷ光から前記光スイッチにより光パルスを生成する、光パルス光源と、接続された被測定光ファイバに前記光パルスを出力し、前記被測定光ファイバにおける前記光パルスに対する後方散乱光が入力される光方向性結合器と、前記光方向性結合器から出力された前記後方散乱光が入力される受光器と、前記受光器から出力される電気信号を処理する信号処理装置と、前記第１の光分岐回路の第２の出力端から出力されたＣＷ光から第２高調波を生成し、前記第２高調波を励起光として前記光パルス又は前記後方散乱光をパラメトリック増幅する位相感応増幅器と、を備え、前記位相感応増幅器が、前記光パルス光源と前記光合分波器との間、前記光合分波器と前記被測定光ファイバ線路との間、および前記光合分波器と前記受光器との間のうち、少なくとも１箇所以上に設置されたことを特徴とする。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の光パルス試験装置において、前記位相感応増幅器が、前記光パルス光源と前記光合分波器との間、および前記光合分波器と前記被測定光ファイバ線路との間のうち、少なくとも１箇所以上に設置された場合において、前記位相感応増幅器は、前記ＣＷ光が入射されて第２高調波を発生する第１の２次非線形光学結晶と、前記第１の２次非線形光学結晶から出射される前記ＣＷ光および前記第２高調波から、前記第２高調波を分離する第１のフィルタと、前記光パルスと、前記第二高調波とを合波する合波器と、前記合波器で合波された合波光が入射され、前記第２高調波を励起光として前記光パルスに対しパラメトリック増幅を行う第２の２次非線形光学結晶と、前記第２の２次非線形光学素子から出力される増幅された前記合波光から、増幅された前記光パルスを分離する第２のフィルタと、増幅された前記光パルスに基づき、前記光パルスの位相と前記第２高調波の位相とを同期する位相同期手段と、を含むことを特徴とする。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光パルス試験装置において、前記位相同期手段は、増幅された前記光パルスの一部を分岐する第２の光分岐回路と、前記第２の光分岐回路で分岐された増幅された前記光パルスの一部を受光する第２の受光器と、前記第１の光分岐回路の第２の出力端から出力された前記ＣＷ光の位相を、印加されたバイアス電圧に基づき変調する位相変調器と、前記位相変調器と前記第１の２次非線形光学結晶との間の光路長を、印加されたバイアス電圧に基づき調節する光学長伸長器と、前記受光器から出力される電気信号の変動を検出して、前記電気信号に基づき出力電気前記位相変調器および前記光学長伸長器のバイアス電圧を調節する位相同期ループ回路と、を含むことを特徴とする。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、請求項１記載の光パルス試験装置において、前記位相感応増幅器が、前記光合分波器と前記被測定光ファイバ線路との間、および前記光合分波器と前記受光器との間のうち、少なくとも１箇所以上に設置された場合において、前記位相感応増幅器は、前記ＣＷ光が入射されて第２高調波を発生する第１の２次非線形光学結晶と、前記第１の２次非線形光学結晶から出射される前記ＣＷ光および前記第２高調波から、前記第２高調波を分離する第１のフィルタと、前記後方散乱光と、前記第二高調波とを合波する合波器と、前記合波器で合波された合波光が入射され、前記第２高調波を励起光として前記後方散乱光に対しパラメトリック増幅を行う第２の２次非線形光学結晶と、前記第２の２次非線形光学素子から出力される増幅された前記合波光から、増幅された前記後方散乱光を分離する第２のフィルタと、増幅された前記後方散乱光に基づき、前記後方散乱光の位相と前記第２高調波の位相とを同期する位相同期手段と、を含むことを特徴とする。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光パルス試験装置において、前記位相同期手段は、増幅された前記後方散乱光の一部を分岐する第２の光分岐回路と、前記第２の光分岐回路で分岐された増幅された前記後方散乱光の一部を受光する第２の受光器と、前記第１の光分岐回路の第２の出力端から出力された前記ＣＷ光の位相を、印加されたバイアス電圧に基づき変調する位相変調器と、前記位相変調器と前記第１の２次非線形光学結晶との間の光路長を、印加されたバイアス電圧に基づき調節する光学長伸長器と、前記受光器から出力される電気信号の変動を検出して、前記電気信号に基づき出力電気前記位相変調器および前記光学長伸長器のバイアス電圧を調節する位相同期ループ回路と、を含むことを特徴とする。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の光パルス試験装置において、前記前記位相感応増幅器に入射する前記後方散乱光の偏波を揃える偏波ダイバーシティをさらに備えることを特徴とする。
【００２４】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光パルス試験装置において、前記第１および第２非線形光学結晶は、周期分極反転構造を有する導波路型ニオブ酸リチウムであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、Ｄ−ＯＴＤＲ法において光ファイバに対する光パルスの結合の際に生じる光損失をきわめて低雑音な光増幅器で補償し、光ファイバからの後方散乱光を低雑音に光増幅することにより、ＯＴＤＲ法のダイナミックレンジを拡大する効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る光パルス試験装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る光パルス試験装置の位相感応増幅器の構成を示す図である。
【図３】ＰＳＡとＥＤＦＡとによる増幅のそれぞれのＳＷＤＲ改善量を計算した結果を示す図である。
【図４】本発明の光パルス試験装置を使用して観測した被測定光ファイバ線路の後方散乱光波形を示す図である。
【図５】従来のＤ−ＯＴＤＲの基本的な構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
ＥＤＦＡのようなレーザ増幅を基本とした光増幅には、非線形光学現象を利用した光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）がある。ＯＰＡの特徴の１つとして、入力光と位相を同期した励起光と光混合することにより極めて低雑音な増幅、すなわち位相感応増幅（ＰＳＡ）が可能である。またＯＰＡは、非線形光学効果が電子の応答を基本とする現象のため、レーザ増幅を基本とした光増幅で避けることのできない波形劣化が無視できるなどの特徴がある。そのためＯＴＤＲにＯＰＡを適用すれば大幅にＳＷＤＲを向上させることができる。
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２９】
図１に、本発明の一実施形態に係る光パルス試験装置の構成を示す。本発明の光パルス試験装置は、光パルス光源１１０、位相感応増幅器１２０、光方向性結合器１４０、位相感応増幅器１２０と光方向性結合器１４０を接続する光ファイバ１５０−１、受光器１６０、受光器１６０と光方向性結合器１４０を接続する光ファイバ１５０−２を備える。
【００３０】
光パルス光源１１０から出射された光パルスは、位相感応増幅器１２０で位相感応増幅され、光方向性結合器１４０を介して被測定光ファイバ線路３００に入射される。被測定光ファイバ線路３００に光パルスを入射すると、反射又は後方散乱により反射光信号が発生し、その反射光信号は光方向性結合器１４０、光ファイバ１５０−２を介して受光器１６０に入射する。
【００３１】
光パルス光源１１０は、波長１．６５μｍの直線偏光を出射するＣＷ光源１１１と、ＣＷ光源１１１のＣＷ光からパルス幅１００ｎｓｅｃ〜１μｓｅｃの光パルス信号を生成するＡＯ型の光スイッチ１１２と、ＣＷ光を分岐して光スイッチ１１２および位相感応増幅器１２０にＣＷ光を出力する光スプリッタ１１３とから構成される。
【００３２】
また、本発明の光パルス試験装置は、受光器１６０の受光信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器１７０、ＡＤ変換器１７０から出力されるディジタル信号を処理する信号処理装置１８０、信号処理装置１８０で処理されたデータを解析するコンピュータ１９０を備える。尚、光方向性結合器１４０と被測定光ファイバ線路３００とは、光コネクタ２００で接続されている。
【００３３】
図２に、本発明の一実施形態に係る光パルス試験装置の位相感応増幅器の構成を示す。本発明の光パルス試験装置は、光パルス信号を位相感応増幅器１２０により増幅する点で従来型のＤ−ＯＴＤＲ構成と異なっている。
【００３４】
位相感応増幅器１２０は、非線形光学素子１２１、１２７、光スプリッタ１３２、光検出器１３３、位相同期ループ（ＰＬＬ）回路１３４、位相変調器１３５、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器１３６から構成される。非線形光学素子１２１、１２７は、光パラメトリック媒質であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）である光導波路型非線形光学結晶１２４、１２９を備え、それぞれ直接接合法により形成された周期分極反転構造を有し、波長１．６５μｍの導波光に対して位相整合条件を満足している。
【００３５】
位相感応増幅器１２０には、光パルス光源１１０から出射された光パルス信号と、光スプリッタ１１３で分岐されたＣＷ光源１１１のＣＷ光の一部とが入力される。光パルス信号は非線形光学素子１２１に入射され、ＣＷ光は非線形光学素子１２７に入射される。
【００３６】
非線形光学素子１２７は、ＣＷ光が入射されると第２高調波を発生する。この第２高調波を、非線形光学素子１２１で光パルス信号を位相感応増幅するための励起光として利用する。
【００３７】
本実施形態に係る光パルス試験装置を動作させるには、先ずＣＷ光源１１１を点灯させ、光スイッチ１１２をくり返し１ｋＨｚで駆動し、出力−１８ｄＢｍの光パルス信号を発生させる。光パルス信号は、集光レンズ１２２、ダイクロイックミラー１２３を介して、非線形光学素子１２１に入射する。同時に、光スイッチ１１２の前でタップされたＣＷ光は、集光レンズ１２８を介してもう１つの非線形光学素子１２７に入射し、第２高調波を発生させる。非線形光学素子１２７は、ＣＷ光と第２高調波とをダイクロイックミラー１３１で分離し、第２高調波のみを非線形光学素子１２１に出射する。
【００３８】
非線形光学素子１２１は、光パルス信号と非線形光学素子１２７から入射された第２高調波とをダイクロイックミラー１２３で合波し、第２高調波を励起光として光パルス信号の縮退パラメトリック増幅を行う。非線形光学素子１２１は、増幅された光パルス信号と第２高調波とをダイクロイックミラー１２６で分離し、集光レンズ１２５を介して光パルス信号のみを出射する。
【００３９】
非線形光学素子１２１における位相感応増幅では、光パルス信号と励起光である第２高調波との位相を同期させることが必要である。本実施形態では出力した増幅光パルス信号の一部を光スプリッタ１３２で分岐して光検出器１３３で受光する。光検出器１３３とＰＬＬ回路１３４で出力変動を検出し、位相同期ループ（ＰＬＬ）回路１３４により位相変調器１３５のバイアス電圧と光ファイバ伸長器１３６の駆動電圧とにフィードバックを行うことで、光ファイバ部品の振動や温度変動による光位相の変動を吸収して位相同期し、安定的に位相感応増幅ができるようにしている。
【００４０】
本実施形態では、励起光と信号光の位相を同期させる手段として、ＰＺＴ５０６にフィードバックを行う方法を用いたが、同期手段の構成はこれに限定されず、他の同期手段を用いることもできる。例えば、信号光を光スプリッタ１１３で分岐して位相変調器１３５に入力して励起光をとする代わりに、別途半導体レーザ光源を用意し、その光を位相変調器１３５に入力して励起光をとし、ＰＬＬ回路１３４によってその半導体レーザ光源の駆動電流にフィードバックを与える方法でも位相同期を行うことができる。その場合は、光ファイバ伸長器１３６は不要になる。
【００４１】
光パルス信号は、このようにして非線形光学素子１２１内において励起光である第２高調波と位相が同期した状態を保持しながら、光混合され縮退パラメトリック増幅過程により増幅され、光方向性結合器１４０に出射されて被測定光ファイバ線路３００に結合される。
【００４２】
本実施形態では、位相感応増幅器１２０を光パルス光源１１０と光方向性結合器１４０との間に配置したが、位相感応増幅器１２０は、光方向性結合器１４０と被測定光ファイバ線路３００との間、又は光方向性結合器１４０と受光器１６０との間に配置しても良い。また、位相感応増幅器１２０を光方向性結合器１４０よりも後段に配置することで、後方散乱光も増幅可能となる。尚、後方散乱光を増幅する場合は、位相感応増幅器１２０の後方散乱光が入射する側に偏波ダイバーシティ等を配置して、後方散乱光の偏波を揃えることで増幅効率を高めることが望ましい。
【００４３】
また、位相感応増幅器１２０は、上記３箇所のうちのいずれか１箇所に設置すれば良いが、２箇所以上に複数設置しても良い。
【００４４】
ここで位相感応増幅器１２０の低雑音増幅特性がダイナミックレンジへ与える影響について説明する。先ず、増幅器を適用しない場合のＯＴＤＲの信号雑音比を考える。この場合の信号雑音比ＳＮＲｄは次式で求められる。
【００４５】
ＳＮＲｄ＝（Ｉｓｄ２／Ｉｎｄ２）      ・・・（１）
Ｉｓｄ２＝Ｐｓ２・ｒ２・Ｍ２      ・・・（２）
Ｉｎｄ２＝（２ｅＭ（２＋ｘ）（Ｐｓ・ｒ＋ｉｄ）＋４ＦｋＴ／ＲＬ）Ｂ  ・・・（３）
ｒ＝ηｅ／ｈν      ・・・（４）
【００４６】
ここで、Ｉｓｄ２、Ｉｎｄ２は信号および雑音の平均２乗電流、Ｐｓはレイリー後方散乱光もしくは反射による戻り信号光パワー、ηは受光器の量子効率、ｅは電荷、ｈはプランク定数、νは光周波数、Ｍはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の増倍率、ｙは過剰雑音指数、ｉｄは暗電流、Ｆは受信機の雑音指数、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、ＲＬは負荷抵抗、Ｂは受信系の帯域幅である。
【００４７】
利得ｇの位相感応増幅器を入射光パルス増幅用アンプとして用いる本発明においては、被測定光ファイバ線路３００への入射パワーがｇ倍となるため、戻り信号光パワーもｇ倍となる。ここでＰＳＡでの雑音要因である自然放出光、すなわちパラメトリック蛍光も、試験光ファイバ３００で反射して受光器１６０で受信されるため雑音も増加する。これはＥＤＦＡのようなレーザ増幅を基本とする光増幅器を適用する場合と同様であるが、本願発明ではその雑音量が極めて小さい。光増幅器を適用する場合の時のＳＮＲｐｏは次式で求められる。
【００４８】
ＳＮＲｐｏ＝（Ｉｓｐｏ２／Ｉｎｐｏ２）      ・・・（５）
Ｉｓｐｏ２＝ｇ２・Ｉｓｄ２      ・・・（６）
Ｉｎｐｏ２＝Ｉｎｄ＋（４ｅＭ（２＋ｘ）（Ｐｓｐ＿ｐｏ・Δν・ｒ＋Ｐｓｐ＿ｐｏ・Ｐｓ・ｒ２＋Ｐｓｐ＿ｐｏ２・Δν・ｒ２））Ｂ      ・・・（７）
ここで、Ｐｓｐ＿ｐｏは試験ファイバに入射したパラメトリック蛍光が戻ってきて受信される光パワーであり次式で表される。
【００４９】
Ｐｓｐ＿ｐｏ＝Ｔ１２・Ｔ２・ｐｓｐ＿ｐ      ・・・（８）
ｐｓｐ＿ｐ＝１／４（（ｇ−１）＋（１／ｇ−１））ｈν      ・・・（９）
但し、Ｔ１は試験光ファイバとの入出力カップラーの透過率、Ｔ２は試験光ファイバからの反射率、ｇは増幅器利得、Δνは光フィルタを含んだ光増幅器の光周波数帯域幅である。
【００５０】
ＰＳＡを用いることによりＯＴＤＲのＳＷＤＲ改善量ＳＮＩＲｄは
ＳＮＩＲｄ＝５・ｌｏｇ１０（ＳＮＲｐｏ／ＳＮＲｄ）（１／２）      ・・・（１０）
で求められる。上式は光レベルへの変換とＯＴＤＲ表示上の片道損失への変換を考慮している。
【００５１】
図３に、諸定数を用いて、ＰＳＡとＥＤＦＡとによる増幅のそれぞれのＳＷＤＲ改善量を計算した結果を示す。但し簡単化のため受光器１６０の暗電流を０Ａとした。図３に示すように、ＰＳＡを適用することにより、ＥＤＦＡを増幅器に用いるＯＴＤＲ構成に比べてＳＷＤＲが大きく改善されており、増幅器利得に比例してＳＷＤＲ改善量が増加する。一方、ＥＤＦＡでは、利得が大きくなるに従ってＳＷＤＲ改善量の増加率が低下して飽和的傾向を示している。これはＥＤＦＡを増幅器に用いるＯＴＤＲ構成では反転分布因子μなどの影響を受けるのに対し、ＰＳＡを用いる構成ではそれらの影響は少ないためである。
【００５２】
図４に、本発明の光パルス試験装置を使用して観測した被測定光ファイバ線路の後方散乱光波形を示す。試験光ファイバは全長２０ｋｍで、途中２箇所で２分岐光カップラーを用いた高損失部を有している。ＰＳＡの増幅器利得は１２ｄＢであり、被測定光ファイバ線路への入力パルスパワーはパルス幅５０ｎｓのとき、２０ｄＢｍである。光パルスの繰り返し周期は０．４ｍｓ、波形のＳＮＲ向上のための加算平均回数は２１６である。
【００５３】
後方散乱光波形における雑音レベルと被測定光ファイバ線路近端の信号レベルの差からＳＷＤＲを算出した。その結果、ＰＳＡを用いることでパルス幅５０ｎｓの場合、ＳＷＤＲは３０．４ｄＢを達成し、ＥＤＦＡを増幅器に用いる構成に比べＳＷＤＲを１５ｄＢ向上することに成功した。
【００５４】
本発明の光パルス試験装置は、レーザダイオード等の比較的低出力の光源を使い、光スイッチと効率よく低雑音に光増幅するパラメトリック増幅器を適宜効果的に配置しているため、被測定光ファイバ線路には高出力の出力パルス信号を出力可能なほか、被測定光ファイバ線路から反射されてくる反射光信号をも効率良く光増幅受信できる機能を有することができる。
【００５５】
そのため、本発明の光パルス試験装置においては、出力光パルスの増幅機能並びに受信パルスの増幅機能を有するため、高感度にして、長距離の伝送路の損失評価を可能にするものである。また、レーザダイオード等の小型の光源を使用しているため装置の大幅な小形化が可能になり、測定時に光コネクタ等に損傷を与えることなく、光ファイバ線路の安定な保守管理を実現できる。
【符号の説明】
【００５６】
１００、５００  光パルス試験装置
１１０、５１０  光パルス光源
１１１  ＣＷ光源
１１２  光スイッチ
１１３、１３２  光スプリッタ
１２０  位相感応増幅器
１２１、１２７  非線形光学素子
１２２、１２５、１２８、１３０  集光レンズ
１２３、１２６、１３１  ダイクロイックミラー
１２４、１２９光導波路型非線形光学素子
１３３  受光器
１３４  位相同期ループ（ＰＬＬ）回路
１３５  位相変調器
１３６  光ファイバ伸長器
１４０、５２０  光方向性結合器
１５０、５３０、５４０  光ファイバ
１６０、５５０  受光器
１７０、５６０  ＡＤ変換器
１８０、５７０  信号処理装置
１９０、５８０  コンピュータ
２００、６００  光コネクタ
３００、７００  被測定光ファイバ線路
【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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