JP5470891B2 - 測定装置 - Google Patents
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Description
なお、アバランシェフォトダイオードは、ブレークダウン電圧以下の逆バイアスを印加するガイガーモードで用いることによって、光子を受光した場合に大幅に増幅した電流パルスを受光信号として出力するものである。
このようなガイガーモードのアバランシェフォトダイオードは、光子を受光したときのみ受光信号を出力する。このため、アバランシェフォトダイオードを用いることによって光子レベルで戻り光の有無を検出することができる。
これに対して、フォトンカウンティング法によるOTDRは、光子の検出回数というデジタル値を用いたデジタル処理によって戻り光の強度と被測定光ファイバの測定対象位置との関係を示す測定波形を得るため、いわゆる裾引きが発生せずに距離分解能が非常に高いという利点を有する。
一方で、周知のように戻り光の強度は、例えば被測定光ファイバにおけるコネクタに相当する箇所で急激に変化する。これは、例えばコネクタにおいて発生したフレネル反射による光が戻り光に含まれているためである。
実際には、戻り光の強度の調整は、バリアブルアッテネータを設置し、当該バリアブルアッテネータにおける測定光あるいは戻り光の減衰量を光電変換素子において戻り光の検出が可能となるまで徐々に変化させることによって行われる。
しかしながら、特に戻り光の強度の変化量が大きい場合には、バリアブルアッテネータの減衰量を変化させる工程と、戻り光を検出する工程とを光電変換素子において戻り光の検出が可能となる減衰量に辿り着くまで、多数繰り返す必要があり、戻り光の強度調整に非常に時間がかかることとなる。
特に、ガイガーモードに設定されたアバランシェフォトダイオードを用いて戻り光の検出を行うフォトンカウンディング法によるOTDRでは、アバランシェフォトダイオードにおいて検出可能な戻り光の強度範囲が極めて狭く、頻繁に戻り光の強度がアバランシェフォトダイオードの検出可能範囲を外れるため、頻繁に戻り光の強度を調節する必要が生じ、非常に長い測定時間を必要とする。
特に、本発明は、フォトンカウンディング法によるOTDRを用いて被測定光伝送媒体から射出される戻り光に基づいて被測定光伝送媒体の特性を測定する測定装置において、測定時間を短縮すること目的とする。
第2の発明は、上記第1の発明において、上記特性測定手段が、上記強度プロファイルに基づいて上記戻り光を光子レベルで検出可能と推定される上記戻り光の強度調節量を算出し、当該強度調節量に応じて上記戻り光の強度を調節するという構成を採用する。
第3の発明は、上記第2の発明において、上記特性測定手段が、上記強度調節量に応じて強度が調節された上記戻り光が上記光子レベルで検出不能である場合に、上記強度調節量を初期値として上記戻り光が上記光子レベルで検出可能な強度調節量を探索するという構成を採用する。
第4の発明は、上記第1〜3いずれかの発明において、上記強度プロファイル取得手段が、上記戻り光の受光強度に基づいて上記強度プロファイルを取得するという構成を採用する。
第5の発明は、上記第1〜第4いずれかの発明において、上記強度プロファイル取得手段及び上記特性測定手段が、上記戻り光を光電変換するアバランシェフォトダイオードを共有するという構成を採用する。
ここで、戻り光の調節量は、戻り光の強度に依存する。このため、強度プロファイルから被測定光伝送媒体のある測定対象位置からの戻り光を検出する場合における戻り光の調節量を推定することができる。
したがって、本発明によれば、強度プロファイルに基づいて素早く戻り光の強度を調節することが可能となり、被測定光伝送媒体の特性の測定時間を短縮することが可能となる。
この図に示すように、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Sは、レーザ光源1と、ドライバ2と、バリアブルアッテネータ3と、光カプラ4と、アバランシェフォトダイオード(APD)5と、パルスカウンタ6と、トランスインピーダンスアンプ7と、A/Dコンバータ8と、信号処理部9と、制御部10と、表示部11とを備えている。
ドライバ2は、レーザ光源1を駆動するものであり、制御部10と電気的に接続され、制御部10からの指令に基づいてレーザ光源1を駆動する。
バリアブルアッテネータ3は、レーザ光源1から射出された測定光L1を減衰させるものであり、制御部10の制御により測定光L1の減衰量を調節可能に構成されている。
光カプラ4は、測定光L1を被測定光ファイバFの一端から内部に入射させると共に、被測定光ファイバFの一端から射出された戻り光L2を測定光L1と別経路で射出するものであり、被測定光光ファイバFの一端に接続されている。なお、光カプラ4の代わりに光サーキュレータを設置しても良い。
なお、戻り光L2には、測定光L1が被測定光ファイバFの内部においてレイリー散乱することによって発生するレイリー散乱光や、測定光L1が被測定光ファイバFの端面においてフレネル反射することによって発生する反射光が含まれている。
このアバランシェフォトダイオード5は、増倍度が低いものの受光する戻り光L2の強度(受光強度)と出力電流とが比例するリニアモードと、受光強度と出力電流とが比例しないものの増倍度が非常に高くて光子レベルで戻り光L2を検出可能なガイガーモードとに設定可能とされている。なお、光子レベルで戻り光L2を検出可能とは、入射される戻り光L2の強度が光子数個程度であっても電流信号S1を出力可能な状態を意味する。
そして、アバランシェフォトダイオード5は、制御部10によって、ブレークダウン電圧より高い逆バイアスが印加されることによってリニアモードに設定され、ブレークダウン電圧以下の逆バイアスが印加されることによってガイガーモードに設定される。
A/Dコンバータ8は、トランスインピーダンスアンプ7から入力される電圧信号S3をデジタル信号S4に変換して出力するものである。
そして、この信号処理部9は、強度プロファイル作成部9aと、強度プロファイル記憶部9bと、測定波形作成部9cとを備えている。
なお、A/Dコンバータ8から入力されるデジタル信号S4は、リニアモードに設定されたアバランシェフォトダイオード5から出力される電流信号S1に基づいて生成されるものである。ここで、リニアモードに設定されたアバランシェフォトダイオード5から出力される電流信号S1の強度はアバランシェフォトダイオード5に入射される戻り光L2の強度と比例する。このため、A/Dコンバータ8から強度プロファイル作成部9aに入力されるデジタル信号S4には、戻り光L2の強度を示すデータが含まれている。したがって強度プロファイル作成部9aは、デジタル信号S4から被測定光ファイバFの長さ方向における戻り光2の強度プロファイルを作成することができる。
また、強度プロファイル作成部9aは、作成した強度プロファイルを強度プロファイル記憶部9bに記憶させると共に表示部11に入力して表示させる。なお、必ずしも強度プロファイルを表示部11において表示させる必要はない。
ただし、強度プロファイルは、リニアモードに設定されたアバランシェフォトダイオード5から出力される電流信号S1に基づいて作成されるため、短時間で作成可能であるものの、図2に示すように、パルス形状部分の後端が長引く、いわゆる裾引き領域Rを有するものとなる。
なお、パルスカウンタ6から入力されるデジタル信号S2は、ガイガーモードに設定されたアバランシェフォトダイオード5から出力される電流信号S1に基づいて生成されるものである。ここで、ガイガーモードに設定されたアバランシェフォトダイオード5から出力される電流信号S1は、アバランシェフォトダイオード5に光子が入射された場合に出力されるものであるため、パルスカウンタ6から測定波形作成部9cに入力されるデジタル信号S2には、光子の検出回数を示すデータが含まれている。そして、測定波形作成部9cは、被測定光ファイバFの長さ方向の測定対象位置に応じて繰り返し入力されるデジタル信号S2から、被測定光ファイバFの長さ方向の各測定対象位置における光子の検出回数を統計値として取得する。被測定光ファイバFの各測定対象位置における光子の検出回数は、各測定対象位置からの戻り光の強度に比例する。このため、測定波形作成部9cは、当該統計値から被測定光ファイバFにおける長さ方向の位置と戻り光L2の強度との関係(特性)を示す測定波形を生成することができる。
また、測定波形作成部9cは、作成した測定波形を被測定光ファイバFの特性を示す測定値として表示部11において表示させる。
ここで、測定波形は、ガイガーモードに設定されたアバランシェフォトダイオード5から出力される電流信号S1に基づいて作成される。すなわち、いわゆるフォトンカウンティング法を用いたOTDRによって測定波形が形成される。このため、図3に示すように、測定波形は、強度プロファイルが有するような裾引き領域がなくなったものとなる。
より詳細には、例えば制御部10は、予め戻り光L2の強度と、アバランシェフォトダイオード5において光子レベルで戻り光L2が検出可能となるバリアブルアッテネータ3の減衰量(戻り光の強度調節量)とが関連付けられた第1テーブルを記憶している。例えば第1テーブルとしては、図4に示すように、予め設定された強度A1〜ANの各々に対して減衰量a1〜aNが対応付けられたテーブルであり、実験結果やバリアブルアッテネータ3の特性に基づく演算に基づいて得られる。このような第1テーブルは、後述する第2テーブル(被測定光ファイバFの長さ方向における位置と上記減衰量との関係を示すテーブル)を作成する際に参照されるものである。なお、当該第1テーブルに代えて上記強度と上記減衰量との関係式を記憶しても良い。
ここで、強度プロファイル作成部9aで作成された強度プロファイルは、被測定光ファイバFの長さ方向の位置と戻り光L2の強度とが関連付けられたものであり、例えば、図5に示すように、被測定光ファイバFの長さ方向の位置と戻り光L2の強度とが関連付けられたテーブルとして考えることができる。そして、制御部10は、上記第1テーブルと上記強度プロファイルとを用いて、被測定光ファイバFの長さ方向における位置と上記減衰量とが関連付けられた第2テーブルを作成する。具体的には、例えば図5に示すテーブルの強度を、図4に示す第1テーブルを用いて減衰量に置き換えることによって図6に示すような第2テーブルを作成する。なお、当該第2テーブルに代えて上記位置と上記減衰量との関係式を記憶しても良い。また、被測定光ファイバFの位置は、戻り光L2の検出タイミングによって特定される。このため、第1テーブル及び第2テーブルにおいて被測定光ファイバFの位置を、戻り光L2の検出タイミングに置き換えられて記憶することもできる。
そして、制御部10は、上記第2テーブルを用いてアバランシェフォトダイオード5に入射する戻り光Lの強度を調節する。つまり、制御部10は、被測定光ファイバFのある測定対象位置からの戻り光L2をアバランシェフォトダイオード5にて検出する場合に第2テーブルから当該測定対象位置に対応するバリアブルアッテネータ3の減衰量を取得(算出)し、当該減衰量に基づいてバリアブルアッテネータ3の調節を行うことで、アバランシェフォトダイオード5に入射する戻り光L2の強度を調節する。
バリアブルアッテネータ3の減衰量を探索する場合には、制御部10は、パルスカウンタ6を介して信号処理部9に光子の検出回数を示すデジタル信号S2に光子の検出回数(電流パルスの検出回数)を示すデータが含まれているかを監視し、上記第2テーブルを用いてバリアブルアッテネータ3の調節を行った結果、光子の検出回数を示すデータがデジタル信号S2に含まれていない場合には、第2テーブルが示す減衰量を初期値として光子の検出回数を示すデータがデジタル信号S2に含まれるまでバリアブルアッテネータ3の減衰量を一定値ずつ変化させる。
なお、上記第2テーブルを用いてバリアブルアッテネータ3の調節を行った結果、アバランシェフォトダイオード5において光子レベルで戻り光L2が検出不能となるということは、実際の戻り光L2の強度が強度プロファイルに示す値とずれていることを示している。一方で、このような実際の戻り光L2の強度の強度プロファイルからのずれは、強度プロファイルの上記裾引き領域において発生しやすい。そして、一般的に裾引き領域における実際の戻り光L2の強度は、強度プロファイルが示す強度よりも小さな値となる。このため、上述のように、バリアブルアッテネータ3の減衰量を一定値ずつ変化させる場合には、減衰量を減少させる方向に変化させることによって、短時間で探索を完了することが可能となる。
具体的には、制御部10は、ドライバ2及び信号処理部9へ起動指令を入力すると共に、アバランシェフォトダイオード5をリニアモードに設定する。ここで、制御部10は、バリアブルアッテネータ3が機能しない状態、すなわちバリアブルアッテネータ3の減衰量をゼロに調整しておく。
具体的には、制御部10は、ドライバ2に測定光L1の射出指令を入力する。この射出指令がドライバ2に入力されると、ドライバ2によってレーザ光源1が駆動され、パルス化されたレーザ光が測定光L1としてレーザ光源1から射出される。
レーザ光源1から射出された測定光L1は、バリアブルアッテネータ3に入射するが、バリアブルアッテネータ3の減衰量がゼロとなるように調節されているため、バリアブルアッテネータ3を通過し、さらに光カプラ4を介して被測定光ファイバFの一端から被測定光ファイバFの内部に入射する。
ここでアバランシェフォトダイオード5は、リニアモードに設定されている。このため、アバランシェフォトダイオード5からは、戻り光L2の強度を示す電流信号S1が出力される。アバランシェフォトダイオード5から出力された出流信号S1は、トランスインピーダンスアンプ7にて増幅されると共に電圧信号S3に変換され、さらにA/Dコンバータ8によってデジタル信号S4に変換された後、信号処理部9に入力する。
なお、強度プロファイルは、一回のみ被測定光ファイバFに測定光L1を入射し、その戻り光L2をリニアモードに設定されたアバランシェフォトダイオード5で検出することによって作成することができるため、極めて高速に作成することができる。このため、例えば、2のべき乗回の加算平均化を行ってノイズの低減を図ることが好ましい。2の8乗から2の11乗程度の加算回数であれば、ほぼリアルタイムに強度プロファイルを作成することができる。
そして、このようにして作成された強度プロファイルが信号処理部9の強度プロファイル記憶部9bに記憶されることで、強度プロファイルの取得が完了する。
レーザ光源1から射出された測定光L1は、バリアブルアッテネータ3に入射する。ここで制御部10は、測定したい被測定光ファイバFの測定対象位置からの戻り光L2が存在する場合には、その戻り光L2がアバランシェフォトダイオード5において光子数個程度となるようにバリアブルアッテネータ3の減衰量を調節する必要がある。そして、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Sにおいて制御部10は、バリアブルアッテネータ3の減衰量を、第2テーブルを参照して調節する。この結果、バリアブルアッテネータ3の減衰量を探索することなく、戻り光L2の強度が調節される。
この結果、バリアブルアッテネータ3に入射した測定光L1が減衰され、測定したい被測定光ファイバFの測定対象位置からの戻り光L2が存在する場合には、その強度がアバランシェフォトダイオード5に光子数個程度が入射する。そして、アバランシェフォトダイオード5に戻り光L2が入射された場合にはアバランシェフォトダイオード5から電流信号S1(電流パルス)が出力される。
そして、制御部10の制御の下、繰り返し所定回数測定光L1が射出され、パルスカウンタ6が電流信号S1の入力回数を計数し、アバランシェフォトダイオード5における光子の検出回数を含むデジタル信号S2がパルスカウンタ6から出力される。このデジタル信号S2が信号処理部9に入力し、測定波形作成部9cにおいて被測定光ファイバFの測定対象位置における光子の検出回数として記憶される。
そして、上記動作を被測定光ファイバFの長さ方向における全ての位置において行うことによって測定波形生成部9cに被測定光ファイバFの長さ方向における全ての位置における光子の検出回数が統計値として記憶される。そして、測定波形生成部9cにおいて当該統計値から測定波形が作成され、このように作成された測定波形が表示部11に表示されることによって測定波形の取得が完了する。
ここで、戻り光の強度調節量(すなわちバリアブルアッテネータ3の減衰量)は、戻り光L2の強度に依存して設定されるものである。このため、強度プロファイルから被測定光ファイバFのある測定対象位置からの戻り光L2を検出する場合におけるバリアブルアッテネータ3の減衰量を推定することができる。
そして、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Sにおいては、推定されたバリアブルアッテネータ3の減衰量に応じて実際のバリアブルアッテネータ3の減衰量を調節する。
したがって、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Sによれば、強度プロファイルに基づいて素早く戻り光の強度を調節することが可能となり、被測定光ファイバFの特性の測定時間を短縮することが可能となる。
このため、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Sによれば、被測定光ファイバFの全長に亘って確実に光子レベルで戻り光L2を検出することが可能となり、被測定光ファイバFの特性を正確に測定することが可能となる。
なお、バリアブルアッテネータ3の減衰量を探索する際に、第2テーブルから得られる減衰量を初期値として用いる。この初期値は、強度プロファイルに基づくものであり、アバランシェフォトダイオード5において光子レベルで戻り光L2が検出可能なバリアブルアッテネータ3の減衰量と近い値である。このため、素早くバリアブルアッテネータ3の減衰量を探索することが可能となる。
したがって、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Sによれば、短時間で強度プロファイルを取得することが可能となる。
また、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Sにおいては、レーザ光源1と、ドライバ2と、バリアブルアッテネータ3と、光カプラ4と、アバランシェフォトダイオード5と、パルスカウンタ6と、信号処理部9と、制御部10と、表示部11とによって強度プロファイルに基づいて戻り光L2の強度を調節し、当該調節された戻り光L2に基づいて被測定光ファイバFの特性を測定した。すなわち、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Sにおいては、当該構成によって特性測定手段が構成されている。
つまり、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Sにおいては、レーザ光源1と、ドライバ2と、バリアブルアッテネータ3と、光カプラ4と、アバランシェフォトダイオード5と、信号処理部9と、制御部10とが強度プロファイル取得手段及び特性測定手段に共有されている。したがって、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Sによれば、装置サイズをコンパクトにすることができる。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、光カプラ4とアバランシェフォトダイオード5との間にバリアブルアッテネータ3を設置し、バリアブルアッテネータ3によって戻り光L2の強度を直接調節する構成を採用することもできる。
Claims (4)
- 被測定光伝送媒体から射出される戻り光に基づいて前記被測定光伝送媒体の特性を測定する測定装置であって、
前記被測定光伝送媒体の長さ方向における前記戻り光の強度プロファイルを取得する強度プロファイル取得手段と、
前記戻り光の強度と前記戻り光が光子レベルで検出可能となる前記戻り光の強度調整量とが関連づけられた第1テーブルと前記強度プロファイルとを用いて、前記被測定光伝送媒体の長さ方向における位置と前記戻り光の強度調整量とが関連づけられた第2テーブルを作成し、該第2テーブルを参照して前記戻り光の強度を調節し、当該調節された戻り光に基づいて前記被測定光伝送媒体の特性を測定する特性測定手段と
を備えることを特徴とする測定装置。 - 前記特性測定手段は、前記強度調節量に応じて強度が調節された前記戻り光が前記光子レベルで検出不能である場合に、前記強度調節量を初期値として前記戻り光が前記光子レベルで検出可能な強度調節量を探索することを特徴とする請求項1記載の測定装置。
- 前記強度プロファイル取得手段は、前記戻り光の受光強度に基づいて前記強度プロファイルを取得することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の測定装置。
- 前記強度プロファイル取得手段及び前記特性測定手段は、前記戻り光を光電変換するアバランシェフォトダイオードを共有することを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載の測定装置。
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