海底ケーブル

光ファイバ試験コヒーレントOTDR

・ 保守の効率化を実現する
R&D 海底光システム建設
光周波数多重型コヒーレントOTDR技術
NTTアクセスサービスシステム研究所
い い だひろゆき

飯田 裕之とげ

くにひろ/ 戸毛 邦弘

い と う

ふみひこ

/ 伊藤 文彦

海底光システム建設 ・ 保守の効率化を実現する，世界最高レベルの感度を有するコヒーレント光時間領域反射測定技術を開発しました．本技術は，光周波数多重による平均化効果を用いることで，建設 ・ 保守時の評価における試験時間を大幅に短縮することができます．ここでは，NTTアクセスサービスシステム研究所が開発した光周波数多重型コヒーレントOTDR技術の概要とその特徴を紹介します．

海底光システムの建設 ・ 保守と評価技術

従来のC-OTDRの課題

増幅中継器では，光出力を一定のレベルに制御する機能が使用されており，こ最近の海底光システムの技術動向との方法は用いることができません．そこ

近年，急増する通信トラフィックの需して，伝送装置や光増幅中継器の高出で，開発した光周波数多重型コヒーレ

要に対応して，基幹伝送網である海底力化や低損失光ファイバの採用が進み，ントOTDR（FDM-OTDR: Frequency

光システムの新規構築およびデジタル経済的なシステムを実現するために無(2)Division Multiplexing coherent-OTDR）

コヒーレント光伝送といった新伝送方式

中継伝送距離や光増幅中継間隔の長延では，通常C-OTDRで用いられているへのアップグレードがなされています．

化が図られています．C-OTDRは，い単一パルス光の代わりに周波数でコー

海底光システムには，数100 kmの無中わゆる光受信器のショット雑音限界＊ 4ド化された光パルス列を用いています．

継 伝 送システムから大 陸間をつなぐに近い感度を誇る成熟した技術ですが，光周波数でコード化された光パルス列

1 万 km超の有中継伝送システムまで存

このような海底光システムの全体にわを用いる測定の概要を図 ２ に示します．

在します．海底光ケーブル建設時や建たって評価を行うには，非常に多くの平従来の単一パルス光による測定に比べ，設後の確認，運用中の故障診断等のさ均化処理を行って信号対雑音比を改善

光周波数の異なるN個のパルス光を光まざまなケースにおいて，長距離に及ぶする必要があり，測定時間が数時間にファイバに入射すれば， １ 回のパルス光ファイバの状態を把握する必要があ及ぶ場合があります（図 １ ）．このよう光入射当りでN倍の波形を取得することり，このような超長距離光ファイバの評な長時間の測定は，海底光システム建ができます．これは，波形の信号対雑価にはコヒーレント光時間領域反射測設時の設備使用時間や試験工程稼働負音比が定 (C-OTDR: Coherent-Optical Time担になるだけでなく，システム運用中のています．言い換えると，同じ結果を得Domain Reflectometry) 技術(1)が用いら障害発生時の迅速な故障点の特定にもれています．C-OTDRは，試験対象の支障をきたす場合があります．このため，光ファイバの一端からパルス光を入射

海底光システムの建設 ・ 運用コスト低し，光ファイバ中で発生する後方散乱減や高品質なシステム運用を行ううえ＊1およびフレで，C-OTDRの測定時間短縮を目的とネル反射光）を受光 ・ 解析することでした高感度化に取り組むことには大き光ファイバの損失や故障を評価する技な意味があります．

光（レイリー後方散乱光術です．また，この技術は後方散乱光の受信にコヒーレント検波方式＊ 2 を採用することで，優れた受光感度と，海C-OTDRの 感 度を向 上させるには，＊3＊4

底伝送路内の光増幅中継器から出力さ入射するパルス光のパワーを大きくすることがもっとも簡単な方法です．しかしを実現しています．

ながら，海底光システムに用いられる光NTT技術ジャーナル 2014.7＊2C-OTDRの感度向上手法

れる自然放出光雑音＊ 3 の効率的な除去

50＊1倍に改善されることを意味しレイリー後方散乱光：光ファイバに本質的に存在する屈折率の揺らぎ（光の波長に比べて十分小さなスケールでのランダムな密度 ・ 組成揺らぎ等が原因）による散乱光．
従来から光ファイバの光損失測定や破断点検出に利用されています．
コヒーレント検波方式：光周波数が信号光と同じ（ホモダイン検波），あるいは若干異なる（ヘテロダイン検波）参照光を信号光に混合し，両者により発生する干渉信号（ビート信号）を検出する方法．
自然放出光雑音：光増幅器で発生する光の雑音の一種．
ショット雑音限界：量子力学で記述される光の粒子（光子）としての性質に由来した雑音（ショット雑音）により決まる，光受信器の本質的な信号対雑音比限界．

Ｒ ＆Ｄホットコーナー

光増幅中継器

パルス光

光ファイバ
上り心線

C-OTDR

後方散乱光
経路

下り心線
光増幅器

後方散乱光（dB）
25

雑音により観測できない区間

20

後方散乱光強度

15

10

50050

図1100

150
距離200300 （km）

250

海底光システムの構成とC-OTDRによる光ファイバ試験の概要

f1 f2 fN
光周波数コード
パルス列

単一周波数の後方散乱光

単一パルス光

C-OTDR

複数周波数の後方散乱光
時間

FDM-OTDR

時間（dB）

繰り返し測定の平均時間（dB）

後方散乱光強度

後方散乱光強度（a） C-OTDR

図2るための測定時間がN分の 1 に短縮され

図₂

繰り返し測定＋周波数多重の平均雑音レベル

画像のタイトル表記（b）

10log N dB

FDM-OTDRC-OTDRとFDM-OTDRの測定原理比較

つ高速に制御するデバイス，受信側でせんでした．そこで我々は，この課題をることを意味しています．このような方周波数多重数分の電気回路を構成する克服するための開発に取り組みました．

式は，古くからNTTより提案されてい必要があり，性能面および装置規模 ・たものの(3)，送信側で光周波数を精密かコストの観点から実用化には至っていま
NTT技術ジャーナル 2014.751Digital）変換した後，デジタル信号処

エ ン コ ー ド 処 理 は， 光SSB（Single理を用いて周波数分離を行う仕組みとSide Band）変調器＊ ５ を用いて，kHz以我々が開発したFDM-OTDRの基本構なっています．そのため，FDM-OTDR下の光周波数精度で行っています（図成を図 ₃ に示します．FDM-OTDRでは，の 基 本 的 な 装 置 の 構 成 は， 従 来 の₄）．光SSB変調器は，＋ 1 次（もしくFDM-OTDR技術

1 台の狭線幅光源から出力される連続C-OTDRと変わらないため，C-OTDRと光の光周波数を外部変調器によって制ほぼ等しい装置規模 ・ コストで実現で御します．また，受信側では，複数周きる点が特徴です．

波数の後方散乱光を 1 台のコヒーレン■光周波数コードパルス列の生成
送信部における光パルス列の周波数

ト光受信器で一括受信 ・ A/D（Analog/f 1 f2fN

＊5

光SSB変調器： ₂ つのサブマッハツェンダ（MZ: Mach-Zenhnder）導波路がメインのMZ導波路の各アームに並列に配置された構造の変調器．入力した電気信号の周波数分だけ光信号の周波数をシフトさせる機能を持ちます．

光ファイバ
時間

フーリエ変換

光SSB
変調器

挟線幅
光源

コヒーレント
光受信器

A/D変換器とPC

ローカル光

外部変調器による
光周波数コード生成

1台の連続波光源

図3

デジタル信号処理によるリアルタイム周波数分離（１台の受信器）

FDM-OTDRの構成

搬送波+1次サイドバンド

f1（γ＋）

f2

f3

f1

f2

f3

光周波数

γ

挟線幅
光源

光パルス列

時間

光SSB
変調器
変調信号

各周波数の持続時間＝パルス幅に対応

変調周波数

任意波形発生器

隣接周波数
間隔

f3
f2
f1
123
時間

図452

NTT技術ジャーナル 2014.7

光周波数コードパルス列の生成あると，光増幅中継器手前の区間や反により，空間 分 解 能を維 持 できる十を加え，それ以外のキャリア周波数成分，射点といった急峻な反射率変化が発生

分なレベルまで 周 波 数チャネル間ク

高次側波帯成分を抑圧するようにバイするイベントにおいて，図 ５ のような波ロストークを抑圧できるようになってアス制御されます．光SSB変調器は設形歪みが発生します．このような波形います．

定したパルス幅（測定する距離分解能

歪みは，光ファイバの損失分布を観測に対応）の時間ごとに電気信号の周波できない区間（デッドゾーン）が広がり，数を段階的に変えることで，光周波数もしくは光ファイバ上の位置を特定する

FDM-OTDRの基本性能
次に，開発した40波（40周波数）多でエンコードしたパルス列を生成しま

空間分解能という点で，性能劣化とな

重FDM-OTDRを用いて得られる測定結す．FDM-OTDRにおける周波数多重数ります．このような影響を周波数チャネ

果の一例を紹介します．

は，受信帯域によって制限され，また後ル間クロストークと呼び，この抑圧が従来技術としてC-OTDR（周波数多述する周波数チャネル間クロストークのFDM-OTDRを設計するうえで非常に重重なし）の場合と比較した測定結果を影響を受けるため，受信帯域の範囲内要です．我々が開発したFDM-OTDRで図 ６ に示します．同じ条件（213回の平で最適化された周波数多重数と隣接周は，受信時のデジタル信号処理におい均化回数，1 kmの空間分解能）で測定を波数間隔を設計しています．て適切なデジタルフィルタを用いて個々■デジタル信号処理による周波数分離の周波数成分の信号に含まれるサイド光ファイバに光周波数コードパルス列を入射すると，複数周波数の後方散＊6ローブ＊6を低減する工夫や，適切な隣接周波数間隔を設計しています．これサイドローブ：信号の周波数特性のうち，もっともピークの大きい主要部をメインローブといいます. サイドローブはそれ以外の減衰域にあたる領域を指します.

乱光が混在して検出されます．コヒーレ
ント検波された後方散乱光のビート信号は，A/D変換後のデジタル信号処理によってサンプリング間隔ごとにフーリ（a） 周波数チャネル間クロストークが許容レベル以下の場合
光増幅
中継器

エ変換され，各々の周波数成分の時間列を光ファイバに入射する繰り返し時

波形歪み
後方散乱光強度測定，すなわち光周波数コードパルス

後方散乱光強度波形を取得します．この処理を １ 回の（b） 周波数チャネル間クロストークが許容レベルを超えた場合反射点間内にリアルタイムで実施し，多重数分距の時間波形を平均化します．
したがって，離距

前述のとおり，FDM-OTDRでは， １ 回正常なOTDR波形の測定で得られる信号対雑音比を

図5倍

離中継器手前や反射点で歪んだOTDR波形

周波数チャネル間クロストークによる波形歪みの影響に改善が可能なため，同じ品質のOTDR波形を得る場合には，少ない平均化回数で測定時間を大きく短縮することができるようになっています．

（dB）
20

周波数チャネル間のクロストーク設計のC-OTDRにない課題として，周波数チャネル間クロストークによる波形歪みの影響を設計することが重要になりま

40波多重FDM-OTDR
0

後方散乱光強度

FDM-OTDRは，前述のように光周波数多重 ・ 分離を行っているため，従来

C-OTDR‑20‑40す．その波形歪みの概略図を図 ５ に示
価では，光増幅中継器の利得（dB）の‑600100２ 倍程度の急峻な反射率のレベル差が想定されます．このレベル差において，7.8 dB

波長：1550 nmします．一般に，海底光システムの評

200300距

図6400500 （km）

離FDM-OTDRの測定結果例

周波数チャネル間クロストークの影響がNTT技術ジャーナル 2014.753

Ｒ ＆Ｄホットコーナー

は－ １ 次）の変調側波帯に周波数変調

C-OTDR
40波多重FDM-OTDR
光増幅中継器（dB）

フレネル反射点（dB）301020後方散乱光強度

後方散乱光強度

036‑10‑20‑30

3 dB分解：< 1 km100‑10‑40320330

340

350
距

360380（km）

370‑20396398

400（a） 光増幅中継器の地点

では，40波多重FDM-OTDRの基本性能の信号対雑音比の改善が達成されていについて紹介しましたが，本技術は特ます．これは，40周波数多重の場合のに装置構成を変えることなく周波数多理論値である約 ₈ dBとほぼ一致してい重数の拡大を容易に行うことができまます．また，FDM-OTDRを用いることす． 研 究 段 階 で は200 波多重 FDM-

で従来技術の約40分の 1 の測定時間でOTDRも 実 現 し て い ま す (4) ．FDM-

同じ結果を得られることを意味していま

OTDRの性能，すなわち周波数多重数す．光増幅中継器手前の反射率が急激の拡大は，A/Dコンバータの受信帯域に変化する地点の拡大図を図 ₇（a）に示やデジタル信号処理に要する時間に大します．FDM-OTDRによる測定波形は，きく依存します．近年では，広帯域なC-OTDRによる波形と比較すると，もっA/DコンバータやFPGA（Field Progra-とも低い反射率レベルでわずかにクロ

mmable Gate Array）等のハードウェアストークの影響がみられるものの，周波FFT（Fast Fourier Transform）処理を数チャネル間のクロストークの影響は，高速に行うモジュールの進歩が速く，本36 dB以上抑圧されています．ファイバ技術を取り入れていくことで測定時間を遠端のフレネル反射点を図 ₇（b）に示し数百分の 1 に短縮することも可能であます．これより，クロストークによってり，今後のさらなる性能向上が期待され位置精度が劣化することなく測定できます．

OTDR技術は，C-OTDR技術の空間分解能を維持したまま，測定時間を大幅に短縮できます．

今後の展望
海底光システムの建設 ・ 保守時の試験稼働を大幅に削減可能であるFDMOTDR技術について概説しました．ここ

54

NTT技術ジャーナル 2014.7406

408

410（km）

測定波形の拡大図行った場合，従来技術に対して約₇.₈ dB以上のように，我々が開発したFDM-404
離（b） ファイバ遠端のフレネル反射点

図7ます．

402
距離■参考文献（1） 泉田：“コヒーレントOTDR技術，” O plus E ,Vol.24，No.₉，pp.₉₇4-₉₇₉，2002．
（2） H. Iida, Y. Koshikiya, F. Ito, and K. Tanaka:“High-Sensitivity Coherent Optical Time
Domain Reflectometry Employing FrequencyDivision Multiplexing，” J. Lightw. Technol．
，
Vol.30, No.₈, pp.1121-1126, 2012．
（3） M. Sumida: “Optical time domain reflectometry
using an M-ary FSK probe and coherent
detection，” J. Lightw. Technol., Vol.14，No.11，pp.24₈3-24₉1, 1₉₉6．
（4） H. Iida，K. Toge，and F. Ito: “200-subchannel
Ultra-High-Density Frequency Division

Multiplexed Coherent OTDR with Nonlinear
Effect Suppression，” in Proc. Opt. Fiber
Commun., Anaheim, CA, U.S.A., March 2013.

（左から）伊藤戸毛文彦/ 飯田裕之/邦弘

光ファイバ網の保守 ・ 運用の稼働削減につながる新技術の研究開発を，今後も進めていきます．

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