JPH0778462B2 - 光ファイバ測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバの障害点検出
に利用する。特に、被測定光ファイバに光パルスを入射
し、その入射端に現れる反射光を時系列に測定するＯＴ
ＤＲ測定装置(Optical Time Domain Reflectometer) に
関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は従来例のＯＴＤＲ測定装置を示す
構成図である。

【０００３】この測定装置は半導体レーザ６１、音響光
学変調器６３、音響光学変調器駆動回路６６および受光
回路６８を備え、半導体レーザ６１と受光回路６８とが
それぞれ光ファイバ６２、６７を介して音響光学変調器
６３に接続される。音響光学変調器６３にはさらに、光
ファイバ６４を介して被測定光ファイバ６５が接続され
る。受光回路６８は、受光素子としてアバランシェフォ
トダイオード（以下「ＡＰＤ」という）を備える。

【０００４】音響光学変調器６３をオフにして半導体レ
ーザ６１をパルス発振させると、その出力光パルスは光
ファイバ６２、音響光学変調器６３および光ファイバ６
４を介して被測定光ファイバ６５に入射する。この入射
光パルスにより被測定光ファイバ６５内ではレイリー散
乱により後方散乱光が発生し、また、破断点や端面では
反射光が発生する。これらの光は、被測定光ファイバ６
５中の伝搬距離によって生じる伝搬遅延時間の後に入射
端に達する。したがって、入射端で反射光を時系列に観
測すれば、その被測定光ファイバ６５の破断の位置を知
ることができる。また、後方散乱光の変化を観測すれ
ば、破断よりも小さな障害の位置を知ることができる。

【０００５】そこで、半導体レーザ６１からの光パルス
が被測定光ファイバ６５に入射した直後に音響光学変調
器６３をオンにし、被測定光ファイバ６５の入射端に現
れた光を光ファイバ６４、音響光学変調器６３および光
ファイバ６７を経由して受光回路６８内のＡＰＤに入射
させる。

【０００６】ここで、被測定光ファイバ６５に破断があ
ったとする。その場合には破断点で光パルスが反射し、
受光回路６８には大きな光パルスが入射することにな
る。このような場合には受光回路６８が飽和し、それが
回復するまでの時間に対応する長さ部分については測定
不能となってしまう。

【０００７】そこで、測定を２回に分けて行う。すなわ
ち、１回目の測定で受光回路６８の飽和があった場合に
はそのタイミングを記憶しておき、２回目の測定ではそ
のタイミングの前後に音響光学変調器６３をオフにす
る。これにより受光回路６８の飽和が防止され、破断点
付近の測定が可能となる。ただし、音響光学変調器６３
がオフとなっている間はやはり測定不能である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ここで問題となるの
は、音響光学変調器の応答時間が100ns 程度と遅いこと
である。例えばコア屈折率が1.5 の光ファイバでは、10
0ns の間に光が20ｍも伝搬してしまう。このため、破断
点の近傍については数十ｍにわたり測定できないことに
なる。

【０００９】本発明は、このような課題を解決し、さら
に破断点に近い部分までの測定が可能な光ファイバ測定
装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバ測定
装置は、発光素子の発生した光パルスを被測定光ファイ
バの入射端に導くとともにこの入射端に現れる反射光を
受光素子に導く光回路として光結合器を備え、被測定光
ファイバの入射端と受光素子との間に光路上に光増幅素
子が挿入され、この光増幅素子の利得を制御して被測定
光ファイバの破断点で反射された光パルスによる受光回
路の飽和を防止する制御手段を備えたことを特徴とす
る。

【００１１】制御手段は、一つの光パルスによる測定時
に受光回路が飽和したとき、その光パルスが被測定光フ
ァイバに入射されてからその受光回路が飽和するまでの
時間を記憶する記憶手段と、その後の光パルスによる測
定時に、その光パルスが被測定光ファイバに入射されて
から記憶手段に記憶された時間が経過する直前に光増幅
素子の利得を一時的に低下させる手段とを含むことがで
きる。

【００１２】これとは別に、制御手段は、受光回路の受
光出力を監視し、被測定光ファイバに破断があった場合
でも受光回路が飽和しないように光増幅素子の利得を制
御する帰還手段を含むこともできる。

【００１３】さらに別の構成として、制御手段は、被測
定光ファイバの入射端に現れる光の強度がその伝搬距離
とともに低下することに対応して、その被測定光ファイ
バに破断があった場合でも受光回路が飽和しない程度
に、光増幅素子の利得を時間的に増加させる手段、すな
わちフィードフォワード手段を含むことができる。

【００１４】受光素子として、ＰＩＮフォトダイオード
を用いることができる。発光素子、光結合器、光増幅素
子および受光素子の二以上を同一半導体基板上に集積す
ることが望ましく、すべてを同一半導体基板上に集積す
ることがさらに望ましい。

【００１５】

【作用】受光素子の前段に光増幅素子を配置し、この光
増幅素子の利得を制御することにより、受光素子を含む
受光回路の飽和を防止する。光増幅素子としては半導体
レーザ構造を用いた素子を用いることができる。このよ
うな光増幅素子は応答時間が非常に短く、高々ns程度と
考えられる。したがって、従来と同様に２回にわけて測
定し、２回目には光増幅素子の利得を制御する場合で
も、測定不能の領域を大幅に削減できる。また、光増幅
素子の利得を帰還制御またはフィードフォワード制御し
た場合には、受光回路を飽和させることなく１回で測定
が完了し、破断点があった場合でも測定不能領域がなく
なる。

【００１６】また、受光素子の前段に光増幅素子を配置
するため、受光素子として高感度ではあるが動作電圧の
高いＡＰＤを用いる必要はなく、低電圧動作が可能なＰ
ＩＮフォトダイオードを用いることができる。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の第一実施例を示す構成図であ
る。

【００１８】この装置は、光パルスを発生する発光素子
として半導体レーザ１を備え、受光素子を含む受光回路
７を備え、半導体レーザ１の発生した光パルスを被測定
光ファイバ３の入射端に導くとともに、この入射端に現
れる反射光を受光回路７内の受光素子に導く光回路とし
て、ファイバ方向性結合器２を備える。

【００１９】ここで本実施例の特徴とするところは、フ
ァイバ方向性結合器２と受光回路７内の受光素子との間
に光増幅素子５が挿入され、この光増幅素子５の利得を
制御して被測定光ファイバ３の破断点で反射された光パ
ルスによる受光回路７の飽和を防止する制御手段とし
て、制御回路８、計数回路９およびメモリ１０を備えた
ことにある。受光回路７内の受光素子としては、ＰＩＮ
フォトダイオードを用いる。

【００２０】ここでは、半導体レーザ１および光増幅素
子５にはレーザ発振素子に加えてその駆動回路を含むも
のとする。

【００２１】光増幅素子５は、被測定光ファイバ３から
の光信号を増幅する。この光信号は半導体レーザ１の出
力した光パルスが散乱または反射されたものである。

【００２２】制御回路８は、半導体レーザ１および光増
幅素子５の動作タイミングを制御するとともに、受光回
路７の出力を監視する。

【００２３】図２および図３は第一実施例の動作例を示
すタイムチャートであり、図２は１回目の測定、図３は
２回目の測定を示す。

【００２４】１回目の測定では、制御回路８の制御によ
り半導体レーザ１から光パルスを出力させ、その光パル
スをファイバ方向性結合器２を介して被測定光ファイバ
３に入射する。これと同時に制御回路８は、計数回路９
にクロックの計数を開始させる。半導体レーザ１の出力
光パルスは、この実施例では常に被測定光ファイバ３に
供給される。したがって、半導体レーザ１が光パルスを
出力した時点をその光パルスが被測定光ファイバ３に入
射された時点と見なすことができる。

【００２５】被測定光ファイバ３の入射端では光パルス
が反射され、その反射光がファイバ方向性結合器２を介
して光増幅素子５に達する。しかし、その時点では光増
幅素子５は利得をもたず、反射光は吸収される。

【００２６】光パルスが被測定光ファイバ３に入射され
た後、図２（ｂ）に示すように、制御回路８の制御によ
り光増幅素子５を駆動する。これにより、被測定光ファ
イバ３からの光信号が増幅され、受光回路７内のＰＩＮ
フォトダイオードに供給される。

【００２７】被測定光ファイバ３に破断があると、その
位置に対応する時点で大きな光パルスがＰＩＮフォトダ
イオードに入射し、図２（ｃ）に示すように受光回路７
が飽和する。このため、その破断点の位置を知ることは
できるが、飽和中の時間Ｔ１に相当する被測定光ファイ
バ３の長さ部分については測定が不能となる。制御回路
８は、受光回路７の飽和を検出すると、計数回路９の計
数値を読み取ってメモリ１０に記憶する。

【００２８】２回目の測定では、制御回路８の制御よ
り、メモリ１０に記憶された時間が経過する直前に光増
幅素子５の動作を一時的に停止させる。これにより、破
断点からの反射光は光増幅素子５で吸収され、受光回路
７の飽和が防止される。メモリ１０に記憶された時間が
経過した後は、再び光増幅素子５を駆動して利得をもた
せる。

【００２９】この動作は、基本的には従来例に示したも
のと同等である。しかし、最終的な測定不能領域が光増
幅素子５の応答時間により決まり、その時間はns程度と
非常に短い。したがって、測定不能となる時間Ｔ２を従
来例に比較して大幅に短縮できる。

【００３０】図４は本発明の第二実施例を示す構成図で
ある。

【００３１】この装置は、発光素子としての半導体レー
ザ素子１２、光結合器としてのＹ形光結合器１３、光増
幅素子１４および受光素子としてのＰＩＮフォトダイオ
ード１５が同一半導体基板１１上に集積されたことを構
造上の特徴とする。半導体レーザ素子１２には半導体レ
ーザ素子駆動回路１７が接続され、光増幅素子１４には
光増幅素子駆動回路１９が接続され、ＰＩＮフォトダイ
オード１５には受光回路１８が接続される。半導体レー
ザ素子駆動回路１７、受光回路１８および光増幅素子駆
動回路１９は制御回路２０に接続される。

【００３２】半導体レーザ素子駆動回路１７は半導体レ
ーザ素子１２を駆動し、光パルスを出力させる。受光回
路１８はＰＩＮフォトダイオード１５に入射した光信号
を電気信号に変換し、これを制御回路２０に出力する。
光増幅素子駆動回路１９は光増幅素子１４にバイアス電
流を供給し、その利得を制御する。制御回路２０は受光
回路１８からの受光出力を監視し、半導体レーザ素子駆
動回路１７を介して半導体レーザ素子１２の発光タイミ
ングを制御するとともに、光増幅素子駆動回路１９を介
して光増幅素子１４の動作タイミングおよびその利得を
制御する。全体としての動作は第一実施例と同等であ
る。

【００３３】図５は上述した実施例の別の動作例を示す
タイムチャートである。図２、図３に示したタイムチャ
ートでは、光増幅素子５または１４のオン、オフを制御
していた。これに対し図５に示す動作例では、光増幅素
子５、１４の利得についても制御する。この動作につい
て、図４に示した第二実施例を参照して説明する。

【００３４】まず、図５（ａ）に示すように、制御回路
２０の制御により半導体レーザ素子１２から光パルスを
出力させる。その光パルスは、Ｙ形光結合器１３を介し
て被測定光ファイバ１６に入射する。このとき、入射端
からの反射光がＹ形光結合器１３を通って光増幅素子１
４に入射するが、この時点では光増幅素子１４にはバイ
アス電流が供給されていないので、その入射光は吸収さ
れる。

【００３５】これに続いて制御回路２０は、光増幅素子
駆動回路１９を介して光増幅素子１４にバイアス電流を
供給し、さらに、その電流を調整して光増幅素子１４の
利得を制御する。被測定光ファイバ１６からの光信号
は、Ｙ形光結合器１３を通って光増幅素子１４に伝搬
し、そこで増幅されてＰＩＮフォトダイオード１５に入
射する。

【００３６】光増幅素子１４の利得を制御する方法とし
ては、二つの方法がある。第一の方法は帰還制御であ
り、受光回路１８の受光出力を監視し、被測定光ファイ
バ１６に破断があった場合でも受光回路１８が飽和しな
いように、光増幅素子１４の利得を制御する。このため
には、通常の後方散乱光と破断点からの反射光との比が
光ファイバによりほぼ一定と考えられるから、通常の後
方散乱光による受光レベルが一定となるように、光増幅
素子１４のバイアス電流を制御すればよい。具体的に
は、破断点からの光パルス幅より十分に長い時定数をも
つ積分回路で受光回路１８の出力を積分し、その値が一
定となるように光増幅素子１４のバイアス電流を制御す
る。

【００３７】第二の方法はフィードフォワード制御であ
り、被測定光ファイバ１６の入射端に現れる光の強度が
その伝搬距離とともに低下することに対応して、被測定
光ファイバ１６に破断があった場合でも受光回路１８が
飽和しない程度に光増幅素子１４の利得を時間的に増加
させる。被測定光ファイバ１６の損失が既知であれば、
光増幅素子１４に入射する破断点からの光パルス強度Ｐ
〔ｍＷ〕は、 Ｐ＝Ｐ_０・Ａ・ｒ・１０^{−α・υ・ｔ／１０} で表される。ここで、 Ｐ₀ ：半導体レーザ素子１２の出力光パルス強度〔ｍ
Ｗ〕 Ａ ：半導体レーザ素子１２−被測定光ファイバ１６−
光増幅素子１４の結合損 ｒ：破断点の反射率 α：被測定光ファイバ１６の単位長あたりの損失〔ｄＢ
／ｍ〕 υ：被測定光ファイバ１６中の光速度〔ｍ／ｓ〕 ｔ：半導体レーザ素子１２が光パルスを発生してからの
時間〔ｓ〕 である。したがって、制御回路２０に必要なデータを入
力しておき、予想される破断点からの光パルスで受光回
路１８が飽和しないように、時間ｔにおける光増幅素子
１４のバイアス電流を制御する。

【００３８】どちらの制御方法を用いた場合でも、図５
（ｂ）に示すように光増幅素子１４の利得が時間と共に
増加し、図５（ｃ）に示すように破断点があった場合で
も、受光回路１８の出力の飽和が防止される。

【００３９】図６は本発明の第三実施例を示す構成図で
ある。

【００４０】この実施例は、光増幅素子が光結合器と被
測定光ファイバとの間に挿入され、光結合器として導波
路方向性結合器を用いたことが第二実施例と異なる。光
結合器としての導波路方向性結合器２３、光増幅素子２
４および受光素子としてのＰＩＮフォトダイオード２５
が同一半導体基板２１上に集積され、半導体レーザ素子
２２には半導体レーザ素子駆動回路２７が接続され、光
増幅素子２４には光増幅素子駆動回路２９が接続され、
ＰＩＮフォトダイオード２５には受光回路２８が接続さ
れる。半導体レーザ素子駆動回路２７、受光回路２８お
よび光増幅素子駆動回路２９は制御回路３０に接続され
る。

【００４１】この構成によれば、光パルス出力の増幅が
可能となり、測定可能なファイバ長を延長できる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光ファイ
バ測定装置は、応答特性の速い光増幅器を用いるため、
破断点近傍の測定が可能となる。また、音響光学変調器
を用いていないため、装置の小型化が可能であり、光学
的軸合わせも容易になる。

【００４３】受光素子としてＰＩＮフォトダイオードを
用いた場合には、ＡＰＤのように数百Ｖにおよぶ高い動
作電圧が不要となる。

【００４４】発光素子、光結合器、光増幅素子および受
光素子を同一半導体基板上に集積した場合には、小型化
され、素子間の軸合わせも不要となり、操作性を高める
ことができる。

【００４５】光増幅素子の利得を制御して受光回路の飽
和を防止する場合には、１回の測定で全測定を終了で
き、破断点による測定不可能領域も生じない。

【００４６】本発明は、測定装置を小型かつ低電圧化で
き、電池駆動の可搬形測定装置を実現できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例を示す構成図。

【図２】動作例を示すタイムチャートであり、１回目の
測定を示す図。

【図３】動作例を示すタイムチャートであり、２回目の
測定を示す図。

【図４】本発明の第二実施例を示す構成図。

【図５】図３、４とは別の動作例を示すタイムチャー
ト。

【図６】本発明の第三実施例を示す構成図。

【図７】従来例のＯＴＤＲ測定装置を示す構成図。

【符号の説明】 １、６１ 半導体レーザ ２ ファイバ方向性結合器 ３、１６、２６、６５ 被測定光ファイバ ５、１４、２４ 光増幅素子 ７、１８、２８、６８ 受光回路 ８、２０、３０ 制御回路 ９ 計数回路 １０ メモリ １１、２１ 半導体基板 １２、２２ 半導体レーザ素子 １３ Ｙ形光結合器 ２３ 導波路方向性結合器 １５、２５ ＰＩＮフォトダイオード １７、２７ 半導体レーザ素子駆動回路 １９、２９ 光増幅素子駆動回路 ６２、６４、６７ 光ファイバ ６３ 音響光学変調器 ６６ 音響光学変調器駆動回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光パルスを発生する発光素子と、 受光素子を含む受光回路と、 前記発光素子の発生した光パルスを被測定光ファイバの
   入射端に導くとともに、この入射端に現れる反射光を前
   記受光素子に導く光結合器と、 前 記被測定光ファイバの入射端と前記受光素子との間の
   光路上に挿入された光増幅素子と、 この光増幅素子の利得を制御して被測定光ファイバの破
   断点で反射された光パルスによる前記受光回路の飽和を
   防止する制御手段と を備えた光ファイバ測定装置において、 前記制御手段は、被測定光ファイバの入射端に現れる光
   の強度がその伝搬距離とともに低下することに対応し
   て、その被測定光ファイバに破断があった場合でも受光
   回路が飽和しない程度に光増幅素子の利得を時間的に増
   加させる手段を含む ことを特徴とする光ファイバ測定装置。
2. 【請求項２】 発光素子、光結合器、光増幅素子および
   受光素子が同一半導体基板上に集積された請求項１記載
   の光ファイバ測定装置。