JP7609268B2

JP7609268B2 - 光モニタデバイス及び光強度測定方法

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Publication number: JP7609268B2
Application number: JP2023523915A
Authority: JP
Inventors: 良小山; 宜輝阿部; 和典片山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2025-01-07
Anticipated expiration: 2041-05-28
Also published as: JPWO2022249456A1; WO2022249456A1

Description

本開示は光モニタデバイスに関し、特に光伝送装置などにあって光の強度を検出しその検出結果を他の部品にフィードバックするための光モニタデバイスに関する。

近年、インターネットトラフィックの増大に伴い、通信システムにおいては通信容量を増大することが強く求められている。これを実現するため、通信局舎とユーザ宅間のアクセスネットワークや通信局舎同士を結ぶコアネットワークでは光ファイバを用いた通信システムが使われている。光ファイバ通信では通信の制御や設備の健全性の確認のために光ファイバを伝搬する光強度の検出がしばしば用いられる。例えば、アクセスネットワークでは、光ファイバに試験光を伝搬させ、その光強度検出から光ファイバの損失や健全性、心線対象や繋がりの確認などを行なっている。また、コアネットワークで用いられるＷＤＭ（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送ではフィードバック制御のため光強度のモニタリングが必要である。

アクセスネットワークの光強度モニタリングでは、例えば特許文献１に記載のような技術が使われている。特許文献１には２本の平行導波路によって光を一定の分岐比で分岐する技術が記載されており、これによりアクセスネットワークにおける光信号の強度や伝搬損失の測定などが行なえる。

ＷＭＤ伝送での光強度モニタリングでは、例えば特許文献２の技術が使われている。特許文献２には１次元に配列された光ファイバと誘電体多層膜との組み合わせにより複数の光ファイバの光信号の強度を同時にモニタリングする技術が記載されている。

しかし、従来のような配置構成とした光モニタデバイスにおいては、まだ以下に示すような課題がある。

光通信が普及し、光設備／光ケーブルの光ファイバ心数が多心化していく中で、まず、光ファイバ１心毎に光カプラを用いる光モニタデバイスの場合は多心化に応じてコストとサイズが増大する。光ファイバと光強度センサを１次元のアレイ状に配置した光モニタデバイスの場合も、光ファイバのアレイ配置には限界があり、それよりも光ファイバの心数が増大すれば、心数に応じてコストとサイズが増大する。

また、光ファイバと光強度センサが１対１に対応しており、センサと光ファイバを同じピッチで配置する必要がある。さらに、光ファイバの光がセンサに入射するよう精度よく位置決めする必要がある。

特許第３４５０１０４号（古河電気工業）特開２００４－２１９５２３（富士通、取下）

本開示はこのような点に鑑みてなされたものであり、数十心といった心数の光モニタデバイスを低コストで作製することができ、かつ、小型に提供することを目的とする。

本開示の光モニタデバイスは、
複数の光ファイバを伝搬する光の強度を検出する光モニタデバイスにおいて、
前記複数の光ファイバからの入射光の一部を第１の方向へ、残りを第２の方向へ一定の分岐比で分岐し、出射する光学部品と、
前記光学部品からの第２の方向への出射光を受光する受光部と、
を備え、
前記受光部は、
前記光学部品から前記第２の方向への出射光の全てを受光可能な大きさの受光面を有し、
前記受光面に、前記光ファイバの数よりも多い受光素子が２次元に配列されている。

本開示の光強度測定方法は、
本開示の光モニタデバイスを用いて複数の光ファイバを伝搬する光の強度を一括で測定する光強度測定方法であって、
前記複数の光ファイバから光ファイバごとに出射したときの各受光素子での受光強度を測定することで、前記複数の光ファイバと各受光素子との対応関係を予め取得し、
前記複数の光ファイバが強度測定対象となる光を伝搬している状態で、前記受光部で受光した各受光素子の光強度を検出し、
前記対応関係に基づいて、前記複数の光ファイバごとの、
（ｉ）前記受光部で受光した光強度、
（ｉｉ）前記複数の入射側光ファイバから入射した入射光の光強度、
（ｉｉｉ）前記複数の出射側光ファイバに出射される出射光の光強度、
の少なくともいずれかを測定する。

本開示によれば、受光面に光ファイバの数よりも多い受光素子が２次元に配列されている受光部を用いて受光するため、数十心といった多心数の光ファイバ用の光モニタデバイスを小型かつ低コストに実現することができる。また、本開示によれば、受光素子の高精度な位置決めが不要となる。

本開示の光モニタデバイスの実施形態例を示す。入射側光ファイバの配置例を示す。受光部における受光素子の配置例を示す。空間光学系を伝搬する光の一例を示す。本開示の光モニタデバイスの実施形態例を示す。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（第１の実施形態例）
本実施形態の光モニタデバイスは、図１に例示する構成を備える。
本実施形態の光モニタデバイスは、複数の入射側光ファイバ１１を伝搬する光の強度を検出する光モニタデバイスにおいて、
入射側光ファイバ１１からの各入射光に対し、入射光の大部分を特定の第１の方向へ、残りを別の特定の第２の方向へと一定の分岐比で分岐し、各分岐光を出射する空間光学系３０と、
前記空間光学系３０に光を入射するように２次元配列状に配置された、複数の入射側光ファイバ１１と、
前記空間光学系３０から出射される大部分の光４２を受光するように配置された、複数の出射側光ファイバ１２と、
前記空間光学系３０から出射される一部の光４３を受光するように配置された受光部５と、
前記空間光学系３０と前記入射側光ファイバ１１の間に配置され、入射側光ファイバ１１から空間光学系３０への各入射光を平行光とする入射側光学レンズ２１と、
前記空間光学系３０と前記出射側光ファイバ１２の間に配置され、空間光学系３０からの各出射光を、入射側光ファイバ１１に対応する出射側光ファイバ１２に効率よく結合する出射側光学レンズ２２と、
を有する。

図１では、特定の角度が４５度であり、反射光の方向が９０度である例を示すが、反射光の方向は９０度固定ではなく、必要に応じて変えることが可能である。又、空間光学系３０は、空間系に限らず、方向の異なる２つの光に分岐可能な分岐面を備える任意の光学部品を用いることができる。

図１に例示する光モニタデバイスによれば、入射側光ファイバ１１から光は入射側光学レンズ２１で平行光となり、拡散により損失することが防がれる。さらに空間光学系３０によって大部分の光４２が出射側光学レンズ２２に導かれる。出射側光学レンズ２２は空間光学系３０を通過した光を集光し、出射側光ファイバ１２に結合する。このように、入射側光ファイバ１１から出た大部分の光４２を損失が少ない状態で出射側光ファイバ１２に導くことができる。

一方、空間光学系３０によって分岐された一部の光４３は前記大部分の光４２とは別の方向に配置された受光部５に導かれる。受光部５は、空間光学系３０からの出射光４３の全てを受光可能な大きさの受光面を有する。受光部５の受光面には、入射側光ファイバ１１の数よりも多い受光素子が２次元に配列されている。これにより、入射側光ファイバ１１から出射側光ファイバ１２に伝搬する光の一部の強度を測定できる。

図２は入射側光ファイバ１１の配置を、図３は受光部５の受光面における受光素子の配置を例示したものである。Ｍ本の入射側光ファイバＦ１～ＦＭが、４本ずつ一定のピッチで２次元配列されている。Ｎ個の受光素子Ｍ１～ＭＮが、一定のピッチで２次元配列されている。本開示では入射側光ファイバＦ１～ＦＭのピッチと受光素子Ｍ１～ＭＮのピッチは合っておらず、特段の調心も行わないので、入射側光ファイバＦ１から入射光４１が入射した場合、受光部５の受光面上では、例えば図３のように、入射側光ファイバＦ１の出射光４３の像ができる。このとき、受光素子Ｍ２～Ｍ５、Ｍ１５～Ｍ１８、Ｍ２８～Ｍ３１、Ｍ４１～Ｍ４４で出射光４３が検出される。受光部５は、受光素子Ｍ２～Ｍ５、Ｍ１５～Ｍ１８、Ｍ２８～Ｍ３１、Ｍ４１～Ｍ４４で検出された光強度の総和を、入射側光ファイバＦ１の出射光４３の光強度として検出する。

そこで、本開示では、入射側光ファイバＦ１から基準強度Ｐｒの光が出射された時の各受光素子Ｍ１～ＭＮの光強度を予め測定し、記録する。これにより、入射側光ファイバＦ１と受光素子Ｍ１～ＭＮとの対応関係Ｏｒ_１１～Ｏｒ_１Ｎを取得することができる。同様に入射側光ファイバＦ２～ＦＭについても、入射側光ファイバＦ２～ＦＭと受光素子Ｍ１～ＭＮとの対応関係Ｏｒ_２１～Ｏｒ_ＭＮを記録する。

入射側光ファイバＦ１～ＦＭと受光素子Ｍ１～ＭＮとの対応関係は、以下で表すことができる。

ここで、Ｏｒ_ｉｊは、入射側光ファイバＦ１～ＦＭのうちのｉ番目の光ファイバから光が出射されたときに、受光部５に備わるｊ番目の受光素子が受光した光強度である。

次に入射側光ファイバＦ１～ＦＭからそれぞれ基準強度Ｐｒのｋ_１～ｋ_Ｍ倍の光が入射したとすると、各受光素子Ｍ１～ＭＮで検出される光強度Ｏ_１～Ｏ_Ｎは各光ファイバＦ１～ＦＭから入射した光の和となるので式２のようにあらわされる。

そこで、各光ファイバＦ１～ＦＭから受光部５に入射する光強度は式３で表される。

空間光学系３０の分岐比が一定であるので、例えばそれがＫ：１であるとすると、入射側光ファイバ１１から入射した光強度は式４、出射側光ファイバ１２に伝搬した光強度は式５であると推定することができる。

本開示の光強度測定方法は、
式１で表される対応関係を予め取得し、
入射側光ファイバ１１が強度測定対象となる光を伝搬している状態で、式３を用いて受光部５で光強度を測定し、
式４を用いて入射側光ファイバ１１から入射した光強度を測定し、
式５を用いて出射側光ファイバ１２に伝搬した光強度を測定する。

受光部５での光強度の測定は、入射側光ファイバ１１ごとに出射したときの各受光素子での受光強度を検出することで行う。本実施形態では、入射側光ファイバ１１と各受光素子との対応関係を予め取得している。このため、前記対応関係に基づいて、入射側光ファイバ１１を伝搬する光の強度を一括で測定することができる。

さらに、本実施形態の光モニタデバイスでは、図４に示すように、空間光学系３０が、一様な屈折率の材料で構成される入射側部材３０Ａと出射側部材３０Ｂとの間に設けられた別の一様な屈折率を持つ単層膜３３を備え、その単層膜３３が入射光４１の光軸と特定の角度（図では４５度）をもって設けられている。これにより、単層膜３３と入射側部材３０Ａとの第１の屈折率界面３３Ａ及び単層膜３３と出射側部材３０Ｂとの第２の屈折率界面３３Ｂが、それぞれ入射光の光軸と特定の角度をもって設けられている。

入射側部材３０Ａと出射側部材３０Ｂが同じ屈折率の場合、単層膜３３では波長が異なる光４２Ｂ１及び４２Ｂ２は異なる方向に進む。このため、波長の異なる光４２Ｂ１及び４２Ｂ２の屈折率界面３３Ｂへの入射位置は異なる。一方で、屈折率界面３３Ｂから入射した光は、単層膜３３と出射側部材３０Ｂの間の屈折により、入射側部材３０Ａと同じ方向に進む。このため、各出射側光ファイバ１２の入射端面での光軸を平行に配置しても、波長に依らず透過光を出射側光ファイバ１２に結合させることができる。

このように、本開示では、単層膜３３において波長に応じた屈折率界面３３Ｂへの入射位置の違いが生じる。そのため、出射光４３Ｂ１及び４３Ｂ２の波長が異なる場合、屈折率界面３３Ｂでの反射位置が出射光４３Ｂ１及び４３Ｂ２で異なる。そこで、本開示では、式１で表される対応関係を、波長ごとに取得してもよい。

また、出射側光学レンズ２２の位置は、入射光４１の中心波長、屈折角及び単層膜３３の厚みＳに応じて定められている。さらに、出射側光学レンズ２２に到達する光の幅は、入射光４１の波長幅と単層膜３３の厚みＳに主に依存する。出射側光学レンズ２２の径に対して出射側光学レンズ２２に到達する光の幅が小さいと光損失が小さく、一方でこの幅が大きいと光損失が大きくなる。そのため、出射側光学レンズ２２の径を、入射光４１の波長幅と単層膜３３の厚みＳに応じて定める値以上とすることで、光損失を小さくすることができる。一方、出射側光学レンズ２２の径が前記入射側ファイバの設置間隔以上となると隣のレンズとぶつかるため、出射側光学レンズ２２の径は前記入射側ファイバの設置間隔以下であることが必要である。

（本開示の効果）
図１に例示する光モニタデバイスによれば、入射側光ファイバ１１と出射側光ファイバ１２は２次元に配列されており、空間光学系３０によって２次元配列の光束を分岐する。これにより単心毎の光モニタデバイスや光ファイバが１次元に配列された光モニタデバイスを用いるよりも小型化が可能という効果がある。また、構成する部品が少ないことから低コスト化が容易という効果がある。

（第２の実施形態例）
図５に本開示の第２の実施形態例を示す。入射側部材３０Ａ及び出射側部材３０Ｂは例えば石英ガラスなどの透明な材料で作ることができる。単層膜３３は、入射側部材３０Ａ及び出射側部材３０Ｂの間に一様な所定の厚さのスペーサ３４を配置し、隙間を開けることで空気層を利用することができる。入射側光学レンズ２１及び出射側光学レンズ２２は、光コネクタなどで使用される角形フェルールにＧＲＩＮ（ＧＲａｄｅｄＩＮｄｅｘ）ファイバを内蔵したコリーメータで実現することができる。入射側光ファイバ１１及び出射側光ファイバ１２も、入射側光学レンズ２１及び出射側光学レンズ２２と同様に、角形のフェルール２３及び２４に内蔵し、光コネクタと同様ガイドピン２５とガイド穴を用いて入射側光ファイバ１１、入射側光学レンズ２１、出射側光ファイバ１２、出射側光学レンズ２２の光軸を調心することができる。受光部５は市販の光イメージセンサで実現できる。単層膜３３以外の接続部に屈折率整合材を充填することで、余計なフレネル反射を抑制できる。

以上、実施形態例だが、これに制限されるものではない。例えば、本開示では単層膜３３が空気層である例を示したが、単層膜３３は入射側部材３０Ａ及び出射側部材３０Ｂよりも屈折率の低いガラスであってもよい。また、空間光学系３０は立方形状に限らず、直方体などの任意の形状でありうる。また受光部５の配置についても、空間光学系３０で分岐された光を受光可能な任意の位置に配置することができる。例えば、受光部５は空間光学系３０の内部に埋設されていてもよい。

また本開示の光モニタデバイスは、光伝送システムにおいて伝送される任意の光のモニタリングに用いることが可能である。例えば、送信装置、受信装置又は中継装置などの光伝送システムに用いられる任意の装置に本開示の光モニタデバイスを搭載し、受光部５での測定結果を装置内又は装置外での任意の部品へのフィードバック又はフィードフォワードに用いることができる。また、光伝送システムにおける伝送線路の途中に本開示の光モニタデバイスを挿入し、伝送線路における光信号の強度や伝搬損失の測定を行うことができる。

本開示は情報通信産業に適用することができる。

５：受光部
１１：入射側光ファイバ
１２：出射側光ファイバ
２１：入射側光学レンズ
２２：出射側光学レンズ
２３、２４：フェルール
２５：ガイドピン
３０：空間光学系
３０Ａ：入射側部材
３０Ｂ：出射側部材
３３：単層膜
３４：スペーサ
４１：入射光
４２：大部分の出射光
４３：一部の出射光

Claims

複数の光ファイバを伝搬する光の強度を検出する光モニタデバイスにおいて、
前記複数の光ファイバからの入射光の一部を第１の方向へ、残りを第２の方向へ一定の分岐比で分岐し、出射する光学部品と、
前記光学部品からの第２の方向への出射光を受光する受光部と、
を備え、
前記受光部は、
前記光学部品から前記第２の方向への出射光の全てを受光可能な大きさの受光面を有し、
前記受光面に、前記光ファイバの数よりも多い受光素子が２次元に配列されており、
前記受光部のうち１つ以上の前記受光素子が、前記複数の光ファイバのうち２つ以上の光ファイバからの入射光を受光し、
同時に入射される前記複数の光ファイバの各光強度を一括で測定する、
光モニタデバイス。
前記光学部品が、
一様な厚さを有し、前記入射光の一部を前記第１の方向へ、残りを前記第２の方向へ一定の分岐比で分岐する単層膜と、
前記単層膜の入射側に設けられ、前記単層膜と異なる屈折率を有する入射側部材と、
前記単層膜の出射側に設けられ、前記入射側部材と同じ屈折率を有する出射側部材と、
を備え、
前記単層膜と前記入射側部材との第１の屈折率界面及び前記単層膜と前記出射側部材との第２の屈折率界面が、それぞれ入射光の光軸と特定の角度をもって設けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載の光モニタデバイス。
前記複数の光ファイバは、前記光学部品に光を入射するように２次元配列されている複数の入射側光ファイバであり、
前記光学部品からの前記第１の方向への各出射光をそれぞれ受光するように２次元配列されている複数の出射側光ファイバと、
前記光学部品と前記入射側光ファイバの間に配置され、前記光学部品への各入射光を平行光とする入射側光学レンズと、
前記光学部品と前記出射側光ファイバの間に配置され、前記光学部品からの各出射光を前記出射側光ファイバに結合させる出射側光学レンズと、
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モニタデバイス。
前記光学部品における前記第１の方向と前記第２の方向との分岐比がＫ：１であり、
Ｍ本の前記複数の光ファイバから基準強度Ｐｒの光が出射された時の、Ｎ個の各受光素子で受光される光強度との対応関係は式Ｃ１１で表され、
Ｍ本の前記複数の光ファイバのうちの少なくともいずれかの光ファイバから前記基準強度Ｐｒのｋ倍の光が入射した際の、前記複数の光ファイバごとの、前記受光部で受光した光強度を、式Ｃ１２を用いて測定する、
請求項１から３のいずれかに記載の光モニタデバイス。

ただし、Ｏｒ_ｉｊは、前記複数の光ファイバのうちのｉ番目の光ファイバから光強度Ｐｒの光が出射されたときに前記受光部に備わるｊ番目の受光素子が受光した光強度である。また、Ｏ_ｊは、Ｍ本の前記複数の光ファイバのうちのｉ番目の光ファイバから前記基準強度Ｐｒのｋ_ｉ倍の光が入射した際に、ｊ番目の受光素子で検出された光強度である。
前記光学部品における前記第１の方向と前記第２の方向との分岐比がＫ：１であり、
Ｍ本の前記複数の光ファイバから基準強度Ｐｒの光が出射された時の、Ｎ個の各受光素子で受光される光強度との対応関係は式Ｃ２１で表され、
Ｍ本の前記複数の光ファイバのうちの少なくともいずれかの光ファイバから前記基準強度Ｐｒのｋ倍の光が入射した際の、前記複数の光ファイバごとの前記入射光の光強度を、式Ｃ２２を用いて測定する、
請求項１から３のいずれかに記載の光モニタデバイス。

ただし、Ｏｒ_ｉｊは、前記複数の光ファイバのうちのｉ番目の光ファイバから光強度Ｐｒの光が出射されたときに前記受光部に備わるｊ番目の受光素子が受光した光強度である。また、Ｏ_ｊは、Ｍ本の前記複数の光ファイバのうちのｉ番目の光ファイバから前記基準強度Ｐｒのｋ_ｉ倍の光が入射した際に、ｊ番目の受光素子で検出された光強度である。
前記光学部品における前記第１の方向と前記第２の方向との分岐比がＫ：１であり、
Ｍ本の前記複数の光ファイバから基準強度Ｐｒの光が出射された時の、Ｎ個の各受光素子で受光される光強度との対応関係は式Ｃ３１で表され、
Ｍ本の前記複数の光ファイバのうちの少なくともいずれかの光ファイバから前記基準強度Ｐｒのｋ倍の光が入射した際の、前記複数の光ファイバごとの、前記出射光の光強度を、式Ｃ３２を用いて測定する、
請求項１から３のいずれかに記載の光モニタデバイス。

ただし、Ｏｒ_ｉｊは、前記複数の光ファイバのうちのｉ番目の光ファイバから光強度Ｐｒの光が出射されたときに前記受光部に備わるｊ番目の受光素子が受光した光強度である。また、Ｏ_ｊは、Ｍ本の前記複数の光ファイバのうちのｉ番目の光ファイバから前記基準強度Ｐｒのｋ_ｉ倍の光が入射した際に、ｊ番目の受光素子で検出された光強度である。
請求項１から６のいずれかに記載の光モニタデバイスを用いて複数の光ファイバを伝搬する光の強度を一括で測定する光強度測定方法であって、
前記複数の光ファイバから光ファイバごとに出射したときの各受光素子での受光強度を測定することで、前記複数の光ファイバと各受光素子との対応関係を予め取得し、
前記複数の光ファイバが強度測定対象となる光を伝搬している状態で、前記受光部で受光した各受光素子の光強度を検出し、
前記対応関係に基づいて、前記複数の光ファイバごとの、
（ｉ）前記受光部で受光した光強度、
（ｉｉ）前記入射光の光強度、
（ｉｉｉ）前記出射光の光強度、
の少なくともいずれかを測定する、
光強度測定方法。