JPH06509172A - 光学系における故障位置の決定 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光学系における故障位置の決定 本発明は、光通信システムにおける故障の位置の決定に関し、特に海中システム に関する。

光海中システムは、通常約５０ｋｍの適当な間隔が隔てられる中継器を含むケー ブルを具備する。各ケーブルは、通信トラフィックを伝送する例えば６本または ８本の複数の光ファイバを含む。ファイバに加えて、ケーブルは中継器に電力を 供給するための導体および機械的強度を増加し、ファイバを保護するための強度 素子、例えば張力に耐えるワイヤを含む。通常、耐張カワイヤは、ワイヤが電流 の搬送に助力できるように導体と接触している。構造全体は通常ポリエチレンの 防水シースで囲まれており、電気的絶縁を行っている。通常、ケーブルは、電気 的導体および耐張力素子によって囲まれた中央部にファイバを有し、外側にシー スを有する環状構造を有している。寸法の考を与えるため、典型的なケーブルは ２５ｍｍの全体の直径を有し、シースの厚さは５ｍｍであり、全ファイバを含む 中央コアの厚さは通常約２ｍｍである。

浅い水中において、ケーブルは漁業および錨の投下のような海上動作によって損 傷しやすく、上記された構造は内部鎧装が含まれている。

中継器はファイバが信号を減衰させるために必要とされ、適当な距離で増幅か要 求される。本発明は、特に増幅がファイバ増幅器によって行われる中継器に関す る。通常、ファイバ増幅器は希土類元素のようなレーザ用添加剤を含む例えば１ 乃至２０ｍの適当な長さのファイバを具備する。ファイバ増幅器はポンプ、例え ば１４８０ｎｍで動作するレーザを含み、それはレーザ添加物のエネルギ状態に おける集群反転を生成し、それによって光信号はレーザ作用によって増幅される 。通常、ファイバ増幅器は増幅された信号の強度を監視する自動利得制御装置（ ＡＧＣ）を含む。増幅器は、出力で一定の信号レベルを保持するためにポンプレ ーザにおけるパワーを調整する制御手段を含む。ＡＧＣの性能を改善する１つの 方法は、光信号に制御音を供給することである。ＡＧＣは制御音を険出し、一定 値で振幅を保持する。この技術は、例えばポンプからの光学的雑音を保護し、Ａ ＧＣの性能に影響を及ぼす。

上記光ケーブルが損傷を受ける可能性があるので、ファイバが損傷を受けるとき に採用される故障モードを有するシステムを設けることは望ましい。ファイバの 破断は、信号がファイバにおける破断のため伝送されず、故障後の増幅器が人力 を受信しないことを明瞭に意味する。これは、増幅された出力が存在しないこと 、あるいは増幅された出力がしきい値レベルより低下することを含む。制御音が 使用される場合、制御音はしきい値レベルより低下する。低い出力が検出される か、あるいは出力が検出されないとき、システムは故障状況にある。導体および ファイバがケーブルの中央の小さなフィラメントを表すので、何等かの素子が損 傷を受ける場合、通常全素子は損傷を受けることに注意すべきである。したがっ て、破断はそれ自体異常であるが、破断が生じるとき通常ケーブルの全システム に影響を及ぼす。欧州特許第０．３３１．２０４号明細書（ブリティッシュ　テ レコミュニケーション社）には信号を増幅し、ケーブルにおける故障の存在を検 出するためにＡＧＣ（自動利得制御）を使用した手段が記載されている。その明 細書において、ＡＧＣ回路は、異なるデータ信号と周波数で伝送された制御音に 応答する。制御音が予め定められたしきい値より低下する場合、中継器は事故モ ードに切替わる。これは、光ファイバにおける破断あるいは増幅器の故障のどち らかを示す。

特願昭６０−１７７２３８号明細書（三菱電機株式会社）には、データ音と異な る周波数で制御音を伝送する方法が記載されている。制御音およびデータ信号の レベルは、受信局で比較器手段によって比較される。ファイバの故障は、受信さ れた信号の強度の低下によって検出される。

ケーブルが故障するとき、以下詳細に説明されるように通常の故障システムは、 故障点に隣接した中継器の識別を可能にする。しかしながら、中継器が例えば５ ０ｋｍ以上の実際的な距離が隔てられるとき、再生および修正作業は中継器間に 生ずる故障の位置を決定する海上動作を行う必要性によって長時間を要する。中 継器から故障点までの距離が設定される場合、海上動作は容易である。海上の再 生および修正動作が例えば５乃至１０ｋｍまでの実際的な長さのケーブルを含む ため、良好な正確度は必要でなく、故障が最も近い距離（例えば±（、）、５ｋ ｍのエラー）で位置決定されるならば十分である。これは、隣接した中継器から 故障点に光パルスを送信することによって達成される。破断点はパルスを中継器 に反射し、故障した破断点までの距離が評価されることを可能にする総合時間を 測定する。パルスがファイバ中に送信され、反射した信号が測定され時間が決定 される技術は、通常０ＴＤＲと略される光学的時間ドメイン反射計測として知ら れている。それは、故障位置を決定するために中継器に０ＴＤＲを使用すること が提案された。本発明は光増幅器を含む中継器に対する０ＴＤＲの適用に関し、 本発明の目的の１つはハードウェアを簡単にすることである。

本発明によれば、通常の動作中のファイバ増幅器に対してポンプとして使用され るレーザは、例えば故障モード中に０ＴＤＲのパルス発生器として使用される。

０ＴＤＲを実行する中継器中に通常存在する別の装置を使用することも可能であ る。

本発明の別の観点によれば、動作モードおよび故障モードを有する光信号用のプ ロセッサ手段を提供し、前記動作モードは光信号の増幅を行う。前記故障モード はファイバの破断の距離をＭ１定するために光学的時間ドメイン反射計測手段を 提供し、前記光学的時間ドメイン反射計測手段は故障の推測されたファイバに先 パルスを送信する手段および前記ファイバから反射された放射の強度および前記 パルスの送信時から経過した時間を記録する手段を具備し、前記プロセッサ手段 はレーザ動作によって光信号を増幅するファイバ増幅器および前記動作モードを 駆動するために前記ファイバ増幅器にポンプ放射を供給するポンプレーザを具備 し、前記ポンプレーザは前記光学的時間ドメイン反射計測手段を駆動するために 前記ファイバにパルスを供給するように構成されている。

上記装置に加えて、０ＴＤＲは適当な制御手段を必要とする。これはファイバ増 幅器を含んでいる中継器中に通常存在する制御手段の一部分として含まれている が、例えば付加的なプログラミングおよび、または付加的な回路のような装置の 性能向上が必要とされる。

本発明の別の実施例によれば、光フアイバ通信システムにおける故障の位置を決 定する方法は動作モードにおいて増幅された光データ信号の強度を検出する中継 器手段の使用を含み、このような信号の強度が故障モードに切替わる予め定めら れたしきい値レベルより低下するとき、前記故障モードは光学的時間ドメイン反 射計測光パルスを送信するパルスレーザを使用し、反射された光学的時間ドメイ ン反射計測パルスを検出し、それらの強度および送信時から経過した時間を測定 し、それによってファイバにおける故障点の位置を決定する。

本発明は、本発明による０ＴＤＲ装置を含んでいるファイバ増幅器を示す添付図 面を参照にして実施例によって説明されている。

図１は、本発明による信号プロセッサを示す。これは以下の動作を行う。

（１）例えば１５００ｎｍの動作波長で光トラフイ・ツク信号を増幅する動作モ ード。

（２）例えば１４８０ｎｍの別の波長で実行される０ＴＤＲを含む故障モード。

信号プロセッサは、例えば２５ｍのエルビウムでドープされたファイバのファ・ イバ増幅器１０を含み、入力ポート１１および出力ポート１２を有する。使用に おいて、入力ポート１１はプロセッサに減衰された信号を伝える伝送ファイバ（ 図示されていない）に接続される。同様に、出力ポート１２は増幅された信号の 前方向伝送用の伝送ファイバ（図示されていない）に接続される。

ポンプレーザ１３は、ファイバｌＯに別の波長でポンプ放射を供給するために波 長分割マルチプレクサＷＤＭ２２を介してファイバ増幅器ＩＯに接続される。分 割器２３は、ＷＥＭ２２と出力ポート１２との間に位置される。この分割器２３ は、出力ポート１２に増幅された信号の９０％を通過させ、ＡＧＣ検出器１４に 増幅された信号の１０％を通過させるように構成される。マイクロプロセッサの ような制御装置２ｏは、一定の光パワーでファイバ増幅器１０の出力を維持する ために自動利得制御を行うようにポンプレーザ１３およびＡＧＣ検出器１４に接 続されている。上記された部品はＡＧＣを有する通常のファイバ増幅器を構成し 、その動作モードが通常のものであることが認識されるであろう。

０ＴＤＲを行うため、図１に示された信号プロセッサは別の波長を検出する光検 出器１５を含む。検出器１５がアナログ積分手段を含むことは好ましい。光検出 器１５は分割器２１を介して入力ポート１１に接続される。分割器２１は波長感 応性であるので、検出器１５は別の波長を受信するが、正常動作時の波長は減衰 （減衰のないのが好ましい）を実質的に生じる分割器２１によってファイバ増幅 器ｌＯに送られる。検出器１５からの出力はＡ／Ｄ変換器１７、クロック１８お よび記憶手段１９を含む制御装置２０に接続されている。以下さらに詳細に説明 されるように、記憶手段１９は複数の別々の記憶位置を含み、特定の時間スロッ トに関するデジタル化された信号の強度を記憶するようにそれぞれ構成されてい る。

事故情報を送信するため、信号プロセッサはＷＤＭ２４を介して出力ポート１２ に接続される事故送信機１６を含む。事故送信機１６は、少なくともその出力の 一部分が送信用の最適な波長に整合されることを保証するように広帯域ＬＥＤ　 （発光ダイオード）であることが好ましい。制御装置２ｏは、制御装置２０がシ ステムを通って事故情報を送信することができるようにＬＥＤ＋６に接続される 。信号をトラフィックの規格と一致させることは好ましく、それによって下流信 号プロセッサは故障が出力ポート１２から上流に存在することを効果的に通報さ れる。

０ＴＤＲは、中継器間の５０ｋｍの距離および約±０．　５ｋｍに故障点の位置 を決定する要求を仮定してさらに詳細に説明されている。５０ｋｍは中継器間の 実際的な距離であり、中継器間の距離が基礎的な技術および動作上の要求によっ て決定されることが認められる。０ＴＤＲは、いかなる中継器間隔か選択されて も動作しなければならない。±０．　５ｋｍの正確度は、故障の場合にケーブル を浚渫するために海上動作の要求によって設定される。図は海上動作の正確度に 基づいているが、０ＴＤＲは良好な正確度を与えることができる。

それ故、通常、最小値が達成されることを確実にするために高い標準値を採用す る。低い標準値は大抵の情況に適合することが認められる。

上記された高い標準値は、中継器間の距離をそれぞれ０゜２５ｋｍの長さの概念 的なセグメントに分割したものとして考えられる。これは、５０ｋｍの間隔にお いて、ファイバがこのような２００の概念的なセグメントに分割されることを意 味する。それは、これらの概念的なセグメントの１つにおける故障点の位置を決 定するための０ＴＤＲの機能である。

ガラスの屈折率を考慮すると、光が中継器間を移動するために約２５０マイクロ 秒が必要である。０ＴＤＲは反射を利用するので、もとの位置に戻す反射のため に必要な時間は、５０ｋｍの距離に対して約５００マイクロ秒である。２００の 概念的なセグメントが存在するので、０ＴＤＲはそれぞれ２゜５マイクロ秒の持 続時間の２００の時間スロットを使用する。

（２，５マイクロ秒の持続時間は光が約２５０ｍのファイバを往復するために必 要な時間にほぼ一致している。１．４の屈折率に関して２．５マイクロ秒の時間 スロットに対応している正確な距離は２６８ｍである。） 本発明の０ＴＤＲは、制御装置２０の制御下で実行される。

このように、制御装置２０はポンプレーザ１３に別の波長で２マイクロ秒のパル スを放射させる。このパルスは、ＷＤＭ２２によってファイバ増幅器１０中、分 割器２１．および入力ポート１１に送信される。パルスが（動作モードにおける 連続した動作と比較して）短いため、ポンプレーザ１３は例えば１５０Ｗの高い パワーで動作される。別の波長は０ＴＤＲおよびファイバ増幅器１０におけるエ ルビウムのポンピングの両方に使用されるから、ファイバ増幅器１０はパルスを ある程度吸収する。

さらに、分割器２１もまた実質的な減衰を生ずる。しかしながら、パルスは高い パワーを有するため、十分なパワーは入力ポート１１に送られる。所望ならば、 ０ＴＤＲ検出器１５は外部パルスが通過するときにディスエーブルされてもよい 。

パルスは、入力ポート１１に接続される伝送ファイバに移り、このファイバに沿 って伝播する。パルスが通常のトラフィックと反対方向に移動することに注意す べきである。０ＴＤＲパルスがトラフィックを受信するのに通常使用されるポー トから出力することに注意すべきである。それ故、パルスは伝送ファイバにおけ る上流に伝送され、全形式のファイバにおいて存在する様々な不規則部分および 接合部から反射される。

ファイバが切断された場合（および０ＴＤＲがファイバの切断点の位置を決定す るために通常使用される）場合、切断点を越えた位置からの反射は存在せず（雑 音だけであり）、切断点は比較的高い強度でパルスを反射する。

伝送ファイバにおいて生ずる反射は入力ポートＩＬおよび０ＴＤＲ検出器１５に 分割器２１を介して戻る放射の反射を生じる。分割器２１は、方向および波長選 択特性を有する。このように、０ＴＤＲパルスは入力ポート１１に外部方向に移 動する。

しかしながら、反射方向では反射された信号は小さな減衰を有するあるいは減衰 のない０ＴＤＲ検出器に伝送される。分割器２１は波長選択式であるため、上記 説明は別の波長に適用する。正常動作の波長に関して、入力ポート１１で受信さ れた信号は、実質的に減衰なくファイバレーザ１０に送られる。

０ＴＤＲ検出器１５によって受信された信号は制御装置２０に伝送され、そこに おいてＡ／Ｄ変換器Ｉ７においてデジタル化され、クロック１８によって２．５ マイクロ秒毎に制御され、サンプルは記憶手段１９に記憶される。０ＴＤＲ検出 器１５はアナログ積分器を含み、各時間スロットにおける積分値が記録される。

積分器は、各時間スロットにおいてクリアにされなければならない。クロック１ ８は、０ＴＤＲパルスが送信され、各デジタル化されたサンプルが受信時間に対 応している記憶位置に記憶されるときに開始される。このように、前記各記憶位 置は、伝送ファイバが分割される概念的なセグメントの１つに対応する。出力ポ ート１２と故障点との間の概念的なセグメントに対応している記憶位置は、セグ メントの反射特性に対応しているデジタル化された信号値を含む。故障点より人 力ボート１１から離れている概念的なセグメントに対応している記憶位置の場合 における記憶された数値はゼロとなるべきてあり、数値がある場合でもそれは光 学系において非常に低い雑音を表す。

記憶位置の１つは、切断した故障点が０ＴＤＲパルスを反射するために切断の故 障が発生した概念的なセグメントに対応し記憶位置は実質的な数値を含む。信号 値が記憶手段１９に記憶されると、制御装置２０は各記憶位置をアドレスし、最 も離れたセグメントに対応している記憶位置で始めることによって故障位置を決 定できる。位置決定された第１の実質的な数値は故障点の位置を明らかにし、制 御装置２０は事故ＬＥＤ１６を使用してこの情報を送信できる。代りに、制御装 置２０は０ＴＤＲ動作を数回反復し、それによって平均値が各記憶位置に記憶さ れる。これは僅かに動作を複雑にするが、０ＴＤＲの正確度を改善する。反復は 全ての反復時間を見込むように間隔が空けられなければならない。例えば、０Ｔ ＤＲパルス間の時間は５００マイクロ秒より大きくしなければならない。

通常の特性を含んでいる信号処理の完全な動作を簡単に説明する。通常の動作に おいて、ポンプレーザはレーザ作用に必要とされる反転を生ずるためにファイバ 増幅器ｌＯに別の波長でポンプ放射を連続的に供給する。トラフィック信号は入 力ポート１１で受信され、通常のシステムが使用されることを仮定する。それに おいてトラフィック信号はトラフィックを伝送するために使用されるオン／オフ パルスによってだけでなく、例えば１０ｋＨｚの周波数の正弦波の制御音によっ ても変調される。伝送ファイバを通る通路によって減衰されるこれらの信号は実 質的に減衰なしに０ＴＤＲ分割器２１を介してファイバ増幅器１０に移動し、通 常のレーザ付勢によって増幅される。増幅された信号の約９０％は出力ポート１ ２に伝送され、伝送ファイバに供給される。増幅された信号の残りの１０％は、 ＡＧＣ分割器２３によってＡＧＣ検出器１４に送られる。制御音は分離され、そ の強度が測定される。制御装ｆｉｆ２０は制御音定数のレベルを維持するように ポンプレーザ１３のパワーを調節し、これはシステムの（通常の）ＡＧＣを構成 する。（ポンプ波長に制御音は存在しない。これは、ポンプ波長がＡＧＣに影響 を及ぼさないことを意味する。）故障の場合、例えば、人力ボート１１に接続さ れた伝送ファイバが切断されて故障した場合、ＡＧＣ検出器１４に制御音は存在 しない。

制御音のこのレベルがしきい値より低下するとき、制御装置２０は故障モードに 切替わる。制御装置は、増幅器の回路が正常な状態であることを確かめるために 任意のプログラムされた検査を最初に実行し、故障点の位置が決定される場合、 故障の性質を示すコードは事故送信機１６によって送信される。

故障が発見されない場合（あるいは検査プログラムが供給されない場合）、制御 装置２０は上記された０ＴＤＲ手順を開始し、故障点位置は事故送信機１６を介 して送信される。

１０ｋＨｚ制御音は事故送信機１６によって送信される信号に重畳され、これは 下流増幅器が動作モードのままであることを意味する。制御装置２０によって送 られる事故信号は、メツセージのソースを識別するデジタルコードを含む。した がって、送信された信号は、識別された送信機の数キロメートル上流に距離を置 くことによって故障を識別するため、故障点の正確な位置を決定することを可能 にする。

何等かの故障、例えば全トラフィックの全消失が故障点の後方に位置された装置 によってのみ検出されることができるため・０ＴＤＲがトラフィックの流れと反 対の方向で実行されることを理解することは重要なことである。伝送が故障点を 横切ることができないため、事故情報が故障点から離れて送信されなければなら ないことも明らかである。さらに、１つのシステムが故障した場合、全システム が故障すると想定されなければならない。それ故、０ＴＤＲパルスは入力ポート に供給され、事故ＬＥＤは出力ポートに接続される。

上記信号処理手段は、通信海中中継器に使用されることを意図している。通常、 海中ケーブルは例えば６本あるいは８本のファイバチャンネルを具備し、それ故 、各中継器は複数、すなわち各ファイバに１個ずつの増幅器を含む。さらに、各 中継器は海中ケーブルの導体に接続されるパワー装置を含む。

このパワー装置は、中継器中に位置された全装置にパワーを供給スる。ファイバ チャンネルの１つに０ＴＤＲを供給することだけが必要であるが、故障の独立し た測定が得られ、複数の独立した測定の存在が結果の信頼を増加するように各チ ャンネルに０ＴＤＲを供給することは好ましい。さらに、任意の１つのチャンネ ルは単方向性であるが、複数のチャンネルが両方向に通信を提供し、０ＴＤＲ測 定が故障点の反対側に位置された２つの異なる中継器から得られることが理解さ れる。測定が結局中継器の距離まで加算されるという事実は、０ＴＤＲが正確に 動作している付加的な確証を提供する。

通信事故情報の好ましい方法は、上記された事故ＬＥＤ１６によるものである。

しかしながら、当業者は通信事故情報の多くの異なる方法があり、本発明の０Ｔ ＤＲがこれらの方法を使用することができることに気付くであろう。この事故、 遠隔測定遠隔制御情報を通信する別の方法は、供給電力に重畳された変調された 電気信号を含む。この方法は本発明による０ＴＤＲと共に使用される。

本発明による０ＴＤＲがＡＧＣおよび事故信号送信の幾つかの手段を含んでいる 通常のファイバ増幅器と比較してハードウェアについて極僅かに余分なものが必 要であることに注意すべきである。余分の特別な装置は、０ＴＤＲ検出器１５お よびプロセッサ２０における余分な記憶装置だけである。特に、各時間スロット が記憶位置の設備を必要とするのみであるので、使用される時間スロットの数は あまり重要ではない。情報処理は各時間スロットに対して同じであるので、時間 スロットおよび記憶装置位置の増加はプログラムにあまり影響を及ぼさない。重 要な相違はループが何度も反復されることであるだけであり、これはさらに複雑 になることはない。したがって、本発明による０ＴＤＥは、海中中継器における 装置の容認できないような複雑さを増加することなしにファイバの故障点のさら に正確な位置決定の便利な手段を提供する。

補正嘗の翻訳文提出ｉＦ（特許法第１８４粂の８）平成６年１月１７日　ｄ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．動作モードおよび故障モードを有する光信号用プロセッサ手段において、 前記動作モードにおいて光信号に増幅を行い、前記故障モードにおいてファイバ 故障点までの距離の測定のための光学的時間ドメイン反射計測を行い、光学的時 間ドメイン反射計測の手段は故障が推測されたファイバに光パルスを送信する手 段、および前記ファイバから反射された放射の強度および前記パルスの送信から 経過した時間を記憶する手段を具備し、前記プロセッサはレーザ動作によって光 信号を増幅するファイバ増幅器および前記動作モードを駆動するために前記ファ イバ増幅器にポンプ放射を供給するポンプレーザを具備し、前記ポンプレーザが 前記光学的時間ドメイン反射計測手段を駆動するために前記ファイバにパルスを 供給するように構成されているプロセッサ手段。
2. ２．増幅された光信号の強度を測定する自動利得制御（ＡＧＣ）検出器および反 射された光学的時間ドメイン反射計測放射の強度を測定する光学的時間ドメイン 反射計測検出器を含み、前記ファイバ増幅器が前記ＡＧＣ検出器と前記光学的時 間ドメイン反射計測検出器との間に位置され、前記プロセッサ手段が動作上前記 ＡＧＣ検出器および前記ポンプレーザに接続されて前記ポンプレーザに供給され るパワーを調節することによって自動利得制御を行う制御装置を含み、増幅され た信号の強度がしきい値より低下するときに前記制御装置が故障モードに切替わ るように構成され、前記故障モードにおいて、前記制御装置が光学的時間ドメイ ン反射計測パルスを前記ポンプレーザに送信させ、前記制御装置が前記光学的時 間ドメイン反射計測検出器によって測定される反射した信号の強度および検出の 時間を監視するように構成されている請求項１記載のプロセッサ手段。
3. ３．前記ポンプレーザがデータ送信に使用される高い周波数で光学的時間ドメイ ン反射計測パルスを送信する請求項２記載のプロセッサ手段。
4. ４．請求項１乃至３のいずれか１項記載の少なくとも１つの信号プロセッサを含 む海中中継器。
5. ５．半分が１方向における信号を処理し、もう半分が反対方向における信号を処 理する偶数の前記信号プロセッサを含む請求項４記載の海中中継器。
6. ６．請求項４または５記載の中継器の縦続接続を含む海中ケーブルシステム。
7. ７．通信システムの光ファイバ形成部分における故障の位置を決定する方法にお いて、中継器手段を使用し、この中継器手段は、動作モードにおいて増幅された 光データ信号の強度を検出し、このような信号強度が予め定められたしきい値よ り低下するときに故障モードに切替わり、故障モードが光学的時間ドメイン反射 計測光パルスを送信するためにポンプレーザを使用し、反射された光学的時間ド メイン反射計測パルスを検出し、強度およびそれらの送信から経過した時間を測 定し、それによってファイバにおける故障の位置を決定する方法。
8. ８．データ信号の送信に通常使用されるポンプレーザが故障モードで動作するこ とが可能であり、データ送信モード時よりも非常に高いパワーで動作する請求項 ７記載の方法。
9. ９．海中ケーブルにおける故障の位置を決定するために使用される請求項７また は８記載の方法。