JP2007518365A - Ｃｏｔｄｒを用いた稼動中の局所的な海底光学伝達装置のモニタのための方法および装置 - Google Patents

Abstract

光学伝動経路に関して状態情報を得る方法および装置が提供される。方法は、規定された波長を有しているＣＯＴＤＲ調査信号を生成し、局所の海底の需要の適用において使用されるものに対応する長さを有する光学伝動経路（３０６）上に光学トラフィック信号およびＣＯＴＤＲ調査信号を伝達することから始める。ＣＯＴＤＲ調査信号の規定された波長は、光学交通信号が少なくとも所定の保護周波数帯に等しい距離に位置する波長から分離される。光学経路に関する状態情報が具体化されるＣＯＴＤＲ調査信号の後方散乱および／または反射された部分は、光学経路を通じて受け取られる。ＣＯＴＤＲ調査信号の後方散乱および／または反射された部分は、状態情報を得るために検出される。

Description

関連出願の記載

本出願は、２００４年１月７日に出願され、「ライン障害位置アルゴリズム」と名称を与えられた米国暫定特許出願Ｎｏ．６０／５３５，１３５に優先権の利点を請求する。

本出願は、「稼動中の光学伝送線に関して状態情報を得るための方法と装置」と名称を与えられ、２００４年３月５日に出願された米国特許出願Ｎｏ．１０／７９４，１７８に関連する。

本出願はまた、「統一設計の光増幅器を持つ海底光学伝送」と名称を与えられ、２００４年６月１７日に出願された米国特許出願Ｎｏ．１０／８７０，３２７にも関連する。

本発明は光学伝達装置に概して関連があり、特にファイバおよび光増幅器の多数のスパンから構成される光学動力伝達装置の光学伝動経路において障害を検出するために用いる干渉性光学時間領域反射率計法（ＣＯＴＤＲ）を可能にする配置の使用に関する。

代表的な長距離光学伝達装置は、反対方向において進行している光信号を支持する一対の一方向性光ファイバを含む。光学信号は、長距離にわたって減衰される。それゆえに、光学伝送線は、一般的にファイバ減衰のために失われた信号の力を復元し、互いに適切な距離で伝送線に沿って間隔を置かれた自動中継装置を含む。自動中継装置は、光増幅器を含む。自動中継装置もまた、単一の方向に光学信号の伝播を制限する光アイソレ−タを含む。

長距離の光学伝送線において、システムの健康をモニタすることは重要である。例えば、モニタは、光ファイバーケーブルの障害または遮断、ケーブルの鋭利な曲がり角による減衰の局所的な増加、または光学部品の性能低下を検出することができる。増幅器性能もまた、モニタされなければならない。長距離海底のケーブルのため、稼動中のモニタのための２つの基本アプローチが存在する：遠隔測定チャネルを経て陸地ステーションに送信される結果を有して自動中継装置によって実行されるモニタ、および、特別信号がラインを送信され、受容され、性能データのために分析される陸地ベースのモニタ。干渉性光学時間領域反射率測定（ＣＯＴＤＲ）は、遠隔で光学伝達装置の障害を検出するために用いる一つの陸地ベースの技術である。ＣＯＴＤＲにおいて、光パルスは光学ファイバに放たれ、発射端部に戻る後方散乱信号はモニタされる。ファイバの障害または接着のような不連続がある場合、後方散乱の量は概して変化し、このような変化はモニタされた信号において検出される。後方散乱および反射もカプラのような不連続な要素から発生し、それは独特な署名を作成する。リンクの健康または性能は、モニタされたＣＯＴＤＲを参照記録と比較することによって決定される。モニタされた信号レベルの新規なピークおよび他の変化は、通常障害を示すファイバ経路における変化を表す。

個別のスパンが自動中継装置によって連結される複数のスパン伝送線においてＣＯＴＤＲが使われる場合、各々の自動中継装置の下流に位置する光アイソレ−タは、後方散乱信号が光パルスにより最初に放たれる同じファイバに沿って戻されるのを妨げるという複雑化の要因が発生する。この問題を解決するため、各々の自動中継装置は、その自動中継装置を反対側に延長しているファイバにおいて類似したカプラに連結している双方向性カプラを含み、したがって、後方散乱光のために光学経路を提供するので、ＣＯＴＤＲユニットに戻されることができる。このような復路を使う大部分のＤＷＤＭリンクにおいて、そのカプラのすぐ後にフィルタがまた存在するので、ＣＯＴＤＲ信号だけが戻り経路に連結され、したがって、一方のファイバからの信号が戻り経路ファイバ上へ連結された場合、発生する干渉を避ける。このように、後方散乱によって生成される信号および一方のファイバに放たれるＣＯＴＤＲパルスの反射は、分析のためにＣＯＴＤＲユニットに戻される反対側に延長しているファイバ上へ連結される。

パルス発射および後方散乱信号の受容の間の時間は、後方散乱の供給源へファイバに沿った距離と比例し、したがって障害の配置を可能にする。それに応じて、明白なリターン信号を得るため、パルスの負荷サイクルは、伝送線の個別の往復の移動時間のそれらより大きくなければならない。高い空間分解能を得るために、良好なＳＮ比を得るようにパルスは一般的に継続時間が短く（例えば、数マイクロおよび数十マイクロ秒の間）、輝度は高い（例えば、数十ミリワットの最大出力）。

動力伝達装置が稼動中である場合（すなわち、それがカスタマー・トラフィックを担持している場合）、強力かつ低い負荷サイクルであるＣＯＴＤＲパルスの前に言及された２つの特徴は、概してＣＯＴＤＲの使用を容認できないようにする。この理由は、強力なＣＯＴＤＲパルスは、４波混合（ＦＷＭ）またはクロス位相変調（ＸＰＭ）を経たトラフィックを支えているチャネルと相互作用することができるからである。さらに、カスタマー・トラフィック・チャネルからのＸＰＭは、元々の信号帯域幅からそのエネルギの有意な量を除去するのに十分なＣＯＴＤＲパルス幅を広げることができる。ＣＯＴＤＲ受信器が相当な狭帯域幅を有するので、それが受信器を横切るとＣＯＴＤＲ信号のいくつかの力は失われ、このことによりその光学ＳＮ比（ＯＳＮＲ）を下げ、かなりＣＯＴＤＲ感度を損なう。ＦＷＭおよびＸＰＭによって生じる問題は、最も近い信号波長から十分に遠くにある波長にＣＯＴＤＲの位置を決めることによって軽減されることができる。適切な分離は、概して分散マップ、システム長およびカスタマー交通信号レベルの詳細次第である。

稼動中のＣＯＴＤＲの使用に問題を含む他の理由は、ＣＯＴＤＲパルスが、光学増幅器の一時的な挙動を生じるゲイン変動を引き起こすことである。これは、交替で信号担持チャネルを生じる。この効果は、一般にクロスゲイン連結として公知である。光学増幅器は、ゲインを供給する能動素子として概してエルビウムを使用する。ＣＯＴＤＲパルスの負荷サイクル（現実的な長さのいかなる伝送スパンの）は、増幅器の特性応答時間を定義する励起状態においてエルビウム・イオンの寿命より長いので、光学増幅器は一時的現象としてＣＯＴＤＲパルスを処理する。（ラマン光増幅器または半導体光増幅器が使われる場合、それらがそれぞれフェムト秒およびナノ秒の特性寿命を有するので、このような一時的な挙動はまた発生する。）例えば、５００ｋｍの伝送スパンのＣＯＴＤＲパルスの往復の走時は、ほぼ５ミリ秒であり、一方、エルビウムの寿命はほぼ３００マイクロ秒である。ＣＯＴＤＲパルス間の時間は、光学増幅器の応答時間より非常に大きいので、トラフィックと一緒のＣＯＴＤＲパルスの存在によって増幅器の一時的な挙動が生じる。ＣＯＴＤＲパルスによって生じる光学増幅器の一時的な挙動は、システム効率に悪影響を与えるゲインの低減およびゲイン傾斜の変化としてそれ自体を表す。

本発明によれば、光学伝動経路に関して状態情報を得るために方法と装置は提供される。方法は、規定された波長を有し、光学交通信号を伝達するＣＯＴＤＲ調査信号、および、局所の海底における需要での適用において使用されるものに対応する長さを有する光学伝動経路の上のＣＯＴＤＲ調査信号を生成することから始める。ＣＯＴＤＲ調査信号の規定された波長は、光学交通信号が少なくとも所定の保護周波数帯に等しい距離によって位置する波長から分離される。光学経路に関する状態情報が具体化したＣＯＴＤＲ調査信号の後方散乱および／または反映された部分は、光学経路を通じて受容される。ＣＯＴＤＲ調査信号の後方散乱および／または反映された部分は、状態情報を得るために検出される。

本発明の一態様によれば、光学伝動経路の長さは、約５,０００ｋｍより少ない。

本発明の別の態様によれば、所定の保護周波数帯は、約２００ＧＨｚに等しい、またはそれ以上である。

本発明のまた別の態様によれば、ＣＯＴＤＲ調査信号は、パルス信号である。

本発明のさらに別の態様によれば、ＣＯＴＤＲ調査信号は、ゲイン調整を減らすために飽和信号を含む。

本発明の発明者は、ＣＯＴＤＲ技術は、動力伝達装置がいわゆる局所の海底の需要に導かれるタイプである場合、システムが稼動中である一方、海底の光学動力伝達装置において使われる可能性があることを認識した。局所の海底の需要は、「自動中継装置のない」近距離（別名「フェストゥーン」マーケットとして知られる）および長距離海外の中継装置のある需要の間でほぼ位置する。近距離または自動中継装置のないシステムは、電力を供給されたインライン増幅のないリンクを使う（それゆえに、中継器に「ない」という用語が使われる）。近距離のリンクは一般的に、ラインのいかなる固有の損失をも克服するために陸地からの高い光学信号発射動力に依存する。自動中継装置のないシステムは、概して長さ約２５０ｋｍのリンクに限られている。４００−４５０ ｋｍの最大上限は、距離に比例するライン損失が利用できるライン・ゲイン、より多くの動力をラインに放つ能力、および受容された光信号を分解するシステムの能力を追い越すので実際に観察される。比べると、約５,０００ｋｍ以上のシステム長を含む長距離海底の需要の取引部分は、帯域幅容量およびシステム領域を最大にするため、きわめて精巧な透過法を使う。

本発明は、稼動中のＣＯＴＤＲモニタが実行される状態が特に局所の海底の需要において使用されるものに対応するシステム長と互換性を持つと認識することによって従来のＣＯＴＤＲ配置の上述した問題および制限を克服する。稼動中のＣＯＴＤＲを使う場合に通常生じる主要な問題点は、克服されることができる。上記したように、これらの問題は、スペクトル拡幅およびコヒーレンスの必然的な損失を与える非線形効果の結果として、トラフィック担持信号によるＣＯＴＤＲ信号の低下を含む。加えて、ＣＯＴＤＲ信号の存在は、光学信号対雑音比および／またはゲイン調整効果による損害によりトラフィック担持信号を弱める。

本発明のＣＯＴＤＲモニタが稼動中に使用されることができるので、ケーブル切断および自動中継装置障害のように送達の損失において生じる障害と同様に、ポンプ低下、ケーブルにおいて増加する局所化されたファイバ損失、ファイバ老化およびループ後部破損のような障害の位置を決めることができる。通常のモニタを通じて、伝動経路におけるファイバおよび自動中継装置の両方の性能をモニタすることが可能でなければならない。また通常のモニタを通じて、それらが発生する前に潜在性障害を識別または予測する目的のため、傾向を観察することもまた可能でなければならない。自動中継装置遠隔測定がポンプ破損の位置決めおよび増幅器性能をモニタするために必要とされないので、海底の設備の複雑さは減少される。さらに、発明のＣＯＴＤＲモニタ技術は、自動中継装置遠隔測定から得られないファイバ性能について、追加的な情報を提供することという利点を有する。

図１は、本発明の高密度波長分割多重方式（ＤＷＤＭ）を使う例示的な局所の海底の光学動力伝達装置の簡略化されたブロック図を示す。動力伝達装置は、互いに関して遠隔に位置する端末３１０および３２０間で一対の一方向性光ファイバ３０６および３０８上で複数の光学チャネルを伝達するのに役立つ。端末３１０および３２０は各々送受信ユニット（図示せず）を含む。伝達ユニットは概して、波長分割マルチプレクサに連結される一連の符号器およびデジタル送信器を含む。各々のＤＷＤＭチャネルのために、符号器は、交替で波長分割マルチプレクサに連結される光学供給源に連結される。同様に、受信ユニットは、一連の復号器、デジタル受信器および波長分割デマルチプレクサを含む。各々の端末３１０および３２０は、それぞれＣＯＴＤＲユニット３０５および３０７を含む。

光増幅器３１２は、それらが伝動経路に沿って伝播すると光学信号を増幅するようにファイバ３０６および３０８に沿って位置する。光学増幅器は、例えばゲイン媒体としてエルビウムを使用するエルビウムがドープされたファイバ増幅器のように、希土類がドープされた光学増幅器である。図１で示されたように、対向して移動する信号を支持する希土類がドープされた光学増幅器の対は、自動中継装置３１４として公知である単一のユニットにおいてしばしば収容される。光ファイバ３０６‐３０８からなる伝動経路は、自動中継装置３１４によって連結される伝送スパン３３０ _１‐３３０ _４に分割される。３つの自動中継装置３１４だけが議論の明瞭さのために図１において表される一方、本発明は、このような自動中継装置の多くの追加的な（またはより少ない）集合を有するすべての長さの伝動経路の適用を発見することは当業者によりよく理解されなければならない。光アイソレ−タ３１５は、後方の伝播している光を取り除き、多数の経路干渉を取り除くために光学増幅器２２０の下流に位置する。

各々の自動中継装置３１４は、ＣＯＴＤＲ用に光学経路を提供しているカプラ配置を含む。特に、隣接した自動中継装置の間でファイバ３０６上の調査信号の反射および散乱によって生成される信号は、カプラ３１８に入り、カプラ３２２を経た反対側に延長しているファイバ３０８上へ連結される。ＣＯＴＤＲ信号は、それから光ファイバ３０８に関するデータとともに進行する。ＣＯＴＤＲ ３０７は、ファイバ上に反射および散乱されるＣＯＴＤＲ信号を生成するために同様の方法で機能するので、それらは、光ファイバ３０６に沿ってＣＯＴＤＲ ３０７に戻される。ＣＯＴＤＲに戻った信号は、それから各々のスパンの損失特性についての情報を提供するために用いられる。

図２は、ＣＯＴＤＲユニット３０５および３０７の一実施例を示す。示されるように、ＣＯＴＤＲユニット４００は、ＣＯＴＤＲ調査信号ジェネレータ４０２、光ホモダイン検出タイプ光レシーバ４０４および信号処理器４０６を含む。光ホモダイン検出タイプ光レシーバ４０４は、光学ファイバーカプラ４１０、光学受信器４１２、電気増幅器４１４およびローパスフィルタ４１６を含む。光学ファイバーカプラ４１０のブランチポートおよび光学ファイバーカプラ４１８のブランチポートは、互いに連結される。

動作において、後方散乱および反射されたＣＯＴＤＲ信号は、光学ファイバ３０６または３０８（図１に示す）のいずれかで受信され、ＣＯＴＤＲ ４００に供給され、光ホモダイン検出タイプ光レシーバ４１０によって受け取られる。光ホモダイン検出タイプ光レシーバ４１０において、後方に散乱する調査光は、光学ファイバーカプラ４１８によって、調査信号ジェネレータ４０２から分岐する発振光と光学ファイバーカプラ４１０によって混合され、光学受信器４１２によって正方形原理検出を受けさせられ、調査パルス上の輝度情報を有するベースバンド信号に変換される。調査信号から導かれた光電子的に変換されたベースバンド信号は、電気的な増幅器４１４によって増幅され、ローパスフィルタ４１６によってそのノイズ内容が減らされる。それから、信号処理器４０６はホモダイン検出信号の到着時間から光学ファイバ上の調査信号の反射位置、および、ホモダイン検出信号のレベルから光学ファイバの損失特性を計算する。調査光信号を使用して光学ファイバを測定する方法は、干渉的な方法による光学時間領域反射率計（ＣＯＴＤＲ）の方法である。

次にＣＯＴＤＲ信号への低下を参照すると、ＣＯＴＤＲ信号が受信器で干渉的に検出され、電気的なフィルタを通過するので、信号チャネルとの非線形相互作用によるスペクトル拡幅（すなわちトラフィック）は、明瞭なＣＯＴＤＲ信号の弱体化を生じさせる。ＣＯＴＤＲ信号の最も重大な低下は、クロス位相変調（ＸＰＭ）から起こり、それによって信号チャネルは、ＣＯＴＤＲ信号上の段階調整を誘導する。ティン‐クワンチャン他による「分散的なファイバのクロス位相変調：調整周波数の影響の理論上のおよび実験的な調査」（ＩＥＥＥ光通信学技術会報６，１９９４）によると誘発された位相ΔΦ_ＸＰＭは、妨害チャネルのΔλである波長分離に対する依存を明白に示すために書かれることができる。

ここでαはファイバ損失であり、Ｄは分散であり、Ωは妨害信号の変調速度であり、ΔΦ_０は、妨害チャネルおよびシステム長Ｌの動力Ｐ次第である誘発された位相の成分である。この関係を使用すると、ＣＯＴＤＲ信号およびＤＷＤＭ信号の間で必要とされる保護周波数帯が推定されることができる。分散または保護周波数帯（Δλ）を増加させることは、クロス位相変調の不利な条件を減らし、信号動力またはシステム長を増加させることは、不利な条件を増加させることに注意するべきである。

図１は、１４００ｋｍのシステムのための最も近いＤＷＤＭ信号への保護周波数帯の機能として測定されたＣＯＴＤＲ信号の不利な条件を示す。１０００‐２０００ ｋｍのシステムのために、２００ＧＨｚの間隔の保護周波数帯は十分であり、より長いシステムのため、より大きい保護周波数帯が必要とされる。

ＤＷＤＭ信号チャネルの低下を参照すると、ＣＯＴＤＲ信号は、光学信号対雑音比、ゲイン調整効果および非線形相互作用の低減を通じてＤＷＤＭ信号を弱める。

ＣＯＴＤＲ信号の添加はＤＷＤＭ信号に利用可能な総動力を効果的に減らし、それゆえに、ＯＳＮＲに不利な条件を生じさせる。測定は、非常にささやかなＣＯＴＤＲ動力が十分であり、この不利な条件はそれゆえに小さいことを示す。

ＣＯＴＤＲ信号によって生じるＤＷＤＭ信号チャネルの非線形低下は、近くのＤＷＤＭ信号の存在により生じるＣＯＴＤＲのそれより非常に小さい。これは、ＣＯＴＤＲによって使われる干渉性の検出は、ＤＷＤＭ信号のために使用される直接的な検出方法より非線形位相の歪みに感受性があるためである。

ゲイン調整効果は非常に重大であり、システム長が増加する。外に向かう経路のパルスされたＣＯＴＤＲ信号がＥＤＦＡ増幅器のゲインを調整するので、これは発生する。ＣＯＴＤＲ信号レベルを減らすことにより、低下を制御することができる。残念なことに、より少ないＣＯＴＤＲ動力が必要とされるより短いシステム（＜１０００ｋｍ）のためだけに、これは作用する。より長いシステムのため、ＣＯＴＤＲゲイン調整を取り除く方法を使用する必要がある。

図２は、パルスされたＣＯＴＤＲおよびゲイン調整を取り除く飽和信号を有するＣＯＴＤＲのためのＣＯＴＤＲ信号によって生じるＤＷＤＭチャネルあたりの平均的なＱの不利な条件を示す。下で示される結果は、８５０ｋｍのシステムのものである。

これらの結果は、パルスされたＣＯＴＤＲがＤＷＤＭ送達チャネルに大きく不利となる条件を引き起こすことを示す。この場合、ＣＯＴＤＲ動力が下げられない限り、ＣＯＴＤＲを使用している稼動中のモニタが使われることができなかった。飽和信号が含まれる場合、パルスされたＣＯＴＤＲからのゲイン調整効果は去り、稼動中のＣＯＴＤＲ動作のためのシステムにおける不利な条件は無視してよい。

本発明のＣＯＴＤＲ配置を使う動力伝達装置の簡略化されたブロック図を示す。 本発明によって構成されるＣＯＴＤＲ配置の一実施例を示すブロック図である。 １４００ｋｍのシステム長の最も近いデータ・チャネルに対するＣＯＴＤＲのパフォーマンスに不利な条件を示すグラフである。 システムＱの不利な条件においてパルスするＣＯＴＤＲの効果を示すグラフである。

Claims (16)

1. 光学伝動経路に関して状態情報を得る方法であって、前記方法は規定された波長を有しているＣＯＴＤＲ調査信号の生成；局所の海底の需要での適用において使用するものに対応する長さを有している光学伝動経路の上での光学トラフィック信号およびＣＯＴＤＲ調査信号の伝達であって、ここにおいて、前記ＣＯＴＤＲ調査信号の規定された波長が、光学トラフィック信号が少なくとも所定の保護周波数帯に等しい距離で位置する波長から分離される；前記光学経路に関する状態情報が具体化された前記ＣＯＴＤＲ調査信号の後方散乱および／または反射された部分の前記光学経路を通じた受容；および、前記状態情報を得るため前記ＣＯＴＤＲ調査信号の前記後方散乱および／または反射された部分の検出ステップからなる方法。
   
2. 請求項１の方法であって、前記光学伝送経路の長さは約５，０００ｋｍ未満である方法。
   
3. 請求項１の方法であって、前記所定の保護周波数帯は約２００ＧＨｚ以上である方法。
   
4. 請求項１の方法であって、前記ＣＯＴＤＲ調査信号はパルス信号である方法。
   
5. 請求項１の方法であって、前記ＣＯＴＤＲ調査信号はゲイン調整を減らすために飽和信号を含む方法。
   
6. 請求項４の方法であって、前記トラフィック信号が、ＦＷＭおよびＸＰＭ減らすため、前記cw調査信号によって占められる周波帯から十分に離れた１つまたはそれ以上の波長に位置するので、前記光学トラフィック信号の前記品質およびＣＯＴＤＲ感度の両方は許容可能なレベルに維持される方法。
   
7. 請求項１の方法であって、前記伝送経路はその中に位置する少なくとも１つの光学増幅器を含む方法。
   
8. 少なくとも１つの自動中継装置をその中に有している少なくとも第１および第２の一方向性光学伝動経路で相互に連結した第１および第２の端末を含む双方向性光学動力伝達装置を有するＣＯＴＤＲを使用する方法であって、前記方法は、規定された波長を有しているＣＯＴＤＲ調査信号の生成；前記第１の光学伝動経路の上での光学トラフィック信号および前記ＣＯＴＤＲ調査信号の伝達であって、前記第１および第２の光学伝動経路は、局所の海底の需要での適用において使用されるそれらに対応する長さを各々有し、ここにおいて、前記光学トラフィック信号が少なくとも所定の保護周波数帯に等しい距離によって位置する波長から前記ＣＯＴＤＲ調査信号の前記規定された波長は分離される；前記第１の光学経路に関する状態情報が具体化される前記ＣＯＴＤＲ調査信号の後方散乱および／または反射された部分の前記第２の光学経路を通じた受容；および、前記状態情報を得るために前記ＣＯＴＤＲ調査信号の前記後方散乱および／または反射された部分の検出ステップからなる方法。
   
9. 請求項８の方法であって、前記少なくとも１つの自動中継装置は、前記光学調査信号がそれを通じて伝達される希土類がドープされた光学増幅器を含む方法。
   
10. 請求項８の方法であって、前記第１の光学経路から光学経路上で前記第２の光学折り返し経路まで前記戻されたＣＯＴＤＲ信号を伝達するステップをさらに備える方法。
    
11. 請求項１０の方法であって、前記光学折り返し経路は前記自動中継装置に位置する方法。
    
12. 請求項８の方法であって、前記状態情報が光学減衰を引き起こす不連続を前記第１の光学経路に含む方法。
    
13. 請求項８の方法であって、前記光学伝送経路の長さは約５,０００ｋｍ未満である方法。
    
14. 請求項８の方法であって、前記所定の保護周波数帯は約２００ＧＨｚ以上である方法。
    
15. 請求項８の方法であって、前記ＣＯＴＤＲ調査信号はパルス信号である方法。
    
16. 請求項８の方法であって、前記ＣＯＴＤＲ調査信号はゲイン調整を減らすための飽和信号を含む方法。
    

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