光を伝送する導波路として機能する光ファイバーは、光による情報伝送の安価で効率的な方法として、通信や生物医学分野で広く普及しています。しかし、他のケーブルと同様に、ファイバーも摩耗や損傷を受けやすく、光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。ファイバーの正確な伝送特性を把握するためには、通常、長さ測定によってファイバーを校正する必要があります。光ファイバーの精密な校正に対する強いニーズがあるにもかかわらず、従来の校正プロセスでは、コストまたは精度のどちらかに大きな妥協が必要でした。この問題に対処するため、教授の研究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
光ファイバーの長さ測定には現在、大きく分けて2つの方法があり、それぞれに明確な利点があります。1つは光時間領域反射率測定法（OTDR）で、被測定ファイバー（FUT）に一連の光パルスを送り、反射強度を時間関数として測定します。市販のOTDR装置は、長距離測定において費用対効果が高く効率的ですが、精度は数センチメートル程度に制限されます。もう1つの方法は光周波数領域反射率測定法（OFDR）で、掃引光源と干渉計を用いて、収集データの時間分解能を大幅に向上させます。市販のOFDR装置は高価で設置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有用です。残念ながら、OFDRとOTDRはどちらも優れた用途がありますが、光ファイバーの長さが数センチメートルから数十メートルに及ぶ一般的な光ラボには、どちらの方法も理想的ではありません。この範囲では、OTDRは必要なサブミリメートル精度を提供できず、OFDR装置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。そのため、アムステルダム大学医療センターの研究グループは、彼らが関心を持つ範囲の光ファイバーを正確かつ簡便に特性評価する方法を開発したいと考えました。
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の技術とは対照的に、このセットアップではFUTを通過する伝送を測定し、ビーム経路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 位相計入力のPLL（位相同期ループ）により、Mokuは変調周波数範囲全体にわたって変化を追跡し、位相差をマイクロラジアン精度で監視します。Mokuのこの独自の機能により、ローカルオシレーター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、データを収集します。 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・ズトフェン同グループの論文の筆頭著者である彼は、この成果はMokuプラットフォームが他のシステム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てくれる」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は、このプロットの傾きから抽出され、その後、ファイバー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、グループは20時間にわたって1本のファイバーを測定しました。温度の変化は、レーザーシステムの安定性に影響を与え、ファイバーの屈折率を変化させ、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（約数百μm）、さらに、図2に示すように、長さの特性評価は、0.2～1.8mの範囲で正確さを維持しました。低いRMS誤差により、このシステムはこれらの短いファイバーの長さを高精度（<1mm）で測定でき、他の方法に比べて安価で高精度な代替手段となります。ファイバーの長さを正確に特性評価す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、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。
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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）。