光ファイバーは、光が伝わる導波管として機能し、光を介して情報を伝送する安価で効率的な方法として、通信や生物医学の分野で広く利用されています。しかし、他のケーブルと同様に、光ファイバーも摩耗や損傷を受け、光学システムに位相遅延、歪み、反射を引き起こす可能性があります。光ファイバーは、正確な伝送特性を知るために、通常は長さ測定によって校正する必要があります。光ファイバーの正確な校正の必要性が高まっているにもかかわらず、このプロセスでは、従来、コストや精度を大幅に犠牲にしてきました。
この問題に対処するために、教授のグループの研究者たちは ザビエル・アテンドゥ at アムステルダムUMC オランダの研究者らは、光ファイバーの長さを特性評価するための効率的で低コストな方法を開発しました。その結果は、 光学レター【1]これを達成するために、彼らは統合しました Moku:Lab 他の電子機器と一緒にMokuを導入しました 位相計 他の商用システムと比較してコストと複雑さを軽減するプラグアンドプレイファイバー測定システムを作成するための機器です。
Moku:Lab は、FPGAのデジタル信号処理能力と、汎用性の高い低ノイズのアナログ入力および出力を組み合わせた再構成可能なハードウェアプラットフォームです。ソフトウェア定義の機能により、Moku:Labはテストおよび測定機器の完全なスイートを提供できます。 マルチインストゥルメントモード、ユーザーは機器のペアを組み合わせて、ロスレス相互接続で同時に実行できます。
課題
現在、ファイバーの長さを測定する一般的な方法が 2 つあり、それぞれに明確な利点があります。1 つの方法である光時間領域反射率測定法 (OTDR) では、一連の光パルスをテスト対象ファイバー (FUT) に送信し、反射の強度を時間の関数として測定します。市販の OTDR 機器は、長距離の測定にコスト効率が高く効率的ですが、精度はセンチメートル単位に制限されます。
2 つ目の技術は光周波数領域反射率測定 (OFDR) と呼ばれ、掃引光源と干渉計を使用して、収集されたデータの時間分解能を大幅に向上させます。市販の OFDR セットアップはコストがかかり、セットアップに時間がかかりますが、フォトニック チップなどの短距離光ネットワークには非常に役立ちます。
残念ながら、OFDR と OTDR はどちらも強力な使用例がありますが、光ファイバーが数センチから数十メートルに及ぶ一般的な光学実験室には、どちらのソリューションも理想的ではありません。この範囲では、OTDR では必要なサブミリメートルの精度が得られず、OFDR のセットアップは必要な測定の種類に対して過度に複雑になる可能性があります。このため、アムステルダム UMC のグループは、対象範囲で光ファイバーを特性評価するための正確でシンプルな方法を開発したいと考えていました。
ソリューション
このグループのファイバー測定システムは概念的にはOFDRセットアップに似ています。 任意波形発生器 AWG（Analysis of Optical Wavelength Division Multiplexing）は、搬送波をRF周波数で変調し、10分間かけて110MHzから50MHzまで掃引します。次に、図50に示すように、1/XNUMXファイバーカプラが干渉計のXNUMXつのアームに電力を分配します。下側のアームは基準として機能し、下側のアームは被試験ファイバー（FUT）です。両方のアームはフォトダイオード（PD）によって監視され、Mokuに直接フィードバックされます。 位相計.
OFDRとOTDRの両方の技術とは対照的に、このセットアップはFUTを介した伝送を測定し、ビームパスのアームに時間遅延を導入します。この時間遅延は、PDによって収集された周期信号間の位相差として現れます。Moku位相計は、入力信号の周波数と位相を監視し、それらの間の位相差を計算します。自己補正機能を利用して、 フェーズロックループ 位相計入力に PLL を使用すると、Moku は変調周波数範囲全体にわたって変化を追跡し、マイクロラジアンの精度で位相差を監視します。この Moku 独自の機能により、ローカル発振器を継続的に調整する必要なく、測定シーケンス全体を 2 分で実行できます。
グループはシステムを制御し、 もくPython API 完全な自動化が可能で、記録された位相差は測定PCに直接報告されます。大学院生 ロビン・ファン・ズトフェングループの論文の筆頭著者である氏は、この成果は Moku プラットフォームがセットアップの残りの部分とシームレスに統合できる能力によるものだと述べている。
「Moku は操作が簡単で、比較的安価であり、その役割を十分に果たします」と彼は語った。
図 1: 実験のセットアップ。任意波形発生器 (AWG) は、干渉計を通過するレーザーの RF 強度変調を提供します。次に、FUT は位相遅延を導入し、Moku:Lab 位相計によって記録されます。セットアップはホスト PC によって監視および同期されます。
結果
データ収集後、実験でしばしば生じる非線形性やその他の周波数依存の挙動を除去するために、いくつかの後処理が必要です。補正後、ファイバーの位相差は変調周波数の関数としてプロットされます。遅延時間tFUTこのプロットの傾きから繊維の長さが抽出され、繊維の長さに変換されます。
システムの安定性と再現性をテストするために、研究グループは 20 時間にわたって 0.2 本のファイバーを測定しました。温度の変動はレーザー システムの安定性に影響を及ぼし、ファイバーの屈折率を変え、熱膨張を引き起こす可能性があります。このような日中の温度変動があっても、測定値の標準偏差は低く (およそ数百 µm) なっています。さらに、長さの特性評価は、図 1.8 に示すように、2 ～ 1 m の範囲で正確さを維持しています。RMS 誤差が低いため、このシステムはこれらの短いファイバーの長さを正確に (<XNUMX mm) 測定でき、他の方法に代わる安価で正確な方法を提供します。
ファイバーの長さを正確に特徴付けるためのシンプルで費用対効果の高い方法を実証した後、研究グループは他のMokuハードウェアも組み込みました。 Moku:Go 狭い周波数範囲内では良好に動作し、750 m のファイバーで誤差は約 2 µm でした。Moku:Pro は、位相ロック ループの帯域幅が大幅に高くなったため、FPGA の速度が向上し、測定がはるかに高速化 (5 秒) されました。この速度の向上により、2 分間の長い測定期間中に実験にもたらされる可能性のある環境の影響を軽減できたと研究グループは述べています。
図 2: 測定値と公称長さの比較。距離測定の誤差が低いことを示しています。挿入図は、特定の長さを繰り返し測定した場合のばらつきを示しています。
ご質問がある場合
ナレッジベースのFAQから回答を見つけてください
デバイスの機能や機器の機能について質問がある場合は、当社の広範な情報を確認してください。 ナレッジベース 探している答えを見つけるために。また、人気の記事をすぐに確認したり、製品やトピックごとに検索を絞り込んだりすることもできます。
ユーザーフォーラムに参加してください
新しい機能をリクエストしたいですか?共有できるサポートのヒントがありますか?使用例から新機能の発表など、 ユーザーフォーラム 製品のアップデートだけでなく、Liquid Instruments や当社のグローバル ユーザー コミュニティとのつながりも提供するワンストップ ショップです。
参考情報
[1] Robin van Zutphen、Paul R. Bloemen、Ton G. van Leeuwen、Xavier Attendu、「光ファイバーの長さを測定するためのシンプルでコスト効率の高い方法」、Opt. Lett. 50、329-332（2025）。
