JP2019105531A - 光ファイバ群遅延時間測定方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定光ファイバ長の計測を不要としながら、高精度かつ簡便に光ファイバの単位長当たりの群遅延時間を測定可能な光ファイバ群遅延時間測定方法およびその測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る光ファイバ群遅延時間測定方法およびその測定装置は、被測定光ファイバにおける後方ブリルアン散乱光の周波数シフト量の周波数依存性を取得し、周波数シフト量の周波数依存性から伝搬定数の周波数依存性を算出し、波数と伝搬定数との傾きから光ファイバの単位長当たりの群遅延時間を取得することとした。【選択図】図５

Description

本開示は、光ファイバの光学特性測定方法に関する。

近年、ネットワーク利用の多様化に伴い、伝送遅延への要求が高まっている。特に分散コンピューティングやマシン間通信では伝送遅延の低減が強く求められている。最近では、従来検討されてきた伝送装置内で発生する遅延に加えて、長距離伝送路では伝送線路における遅延低減も課題となっており、近年敷設された海底線路では敷設距離を最適化することで伝送線路の遅延低減が図られている。

光ファイバの遅延時間の測定手法は、任意の長さの光ファイバと光パルスを用いたインパルス応答法と、インコヒーレント光源を用いて空間伝搬光と被測定光ファイバ伝搬光を干渉させる手法の二つを用いることができる。両測定法では被測定光ファイバを伝搬する時間を測定し、被測定光ファイバの長さでその時間を除することにより単位長さ当たりの遅延時間を得ることができる。

特開２０１５−１６９５２５号公報

Ｙ． Ｋｏｙａｍａｄａ， Ｓ． Ｓａｔｏ， Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ， Ｈ． Ｓａｔｏｂａｙａｓｈｉ ａｎｄ Ｗ． Ｃｈｕｊｏ， "Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｇａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｉｎ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒｓ"， Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ．２２， Ｎｏ．２， ｐｐ． ６３１−６３９， Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００４

しかしながら、上述の手法では遅延時間の測定毎に被測定光ファイバ長を計測する必要がある。インパルス応答法は一般的に数ｋｍの光ファイバが必要であり、その光ファイバ長を正確に計測する事は容易ではない、という課題があった。また、干渉法では短尺の光ファイバで遅延時間を測定する事ができるが、光ファイバ長の計測精度は群遅延の測定精度に直接的に影響するといった課題があった。

そこで、本発明は、前記課題を解決するために、被測定光ファイバ長の計測を不要としながら、高精度かつ簡便に光ファイバの単位長当たりの群遅延時間を測定可能な光ファイバ群遅延時間測定方法およびその測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光ファイバ群遅延時間測定方法およびその測定装置は、被測定光ファイバにおける後方ブリルアン散乱光の周波数シフト量の周波数依存性を取得し、周波数シフト量の周波数依存性から伝搬定数の周波数依存性を算出し、波数と伝搬定数との傾きから光ファイバの単位長当たりの群遅延時間を取得することとした。

具体的には、本発明に係る光ファイバ群遅延時間測定方法は、
任意の周波数νの試験光を被測定光ファイバの一端に入射する光入射手順と、
前記被測定光ファイバを伝搬する前記試験光により発生するブリルアン散乱現象で周波数が前記試験光より周波数シフト量ν_Ｂだけ変化した後方散乱光を前記被測定光ファイバの前記一端で受光する受光手順と、
前記後方散乱光の周波数シフト量ν_Ｂを測定し、前記被測定光ファイバにおける音響波の縦波の速度ｖ_Ａを用いて数１で伝搬定数βを算出する伝搬定数算出手順と、
前記試験光の周波数νを変えて前記光入射手順、前記受光手順、及び前記伝搬定数算出手順を任意の回数だけ繰り返し、伝搬定数βの試験光周波数依存性を取得する周波数依存性取得手順と、
前記周波数依存性取得手順で取得した伝搬定数βの試験光周波数依存性を用いて数２で前記被測定光ファイバの単位長あたりの群遅延時間τを算出する群遅延時間算出手順と、
を行う。

また、本発明に係る光ファイバ群遅延時間測定装置は、
任意の周波数νの試験光を被測定光ファイバの一端に入射する光入射部と、
前記被測定光ファイバを伝搬する前記試験光により発生するブリルアン散乱現象で周波数が前記試験光より周波数シフト量ν_Ｂだけ変化した後方散乱光を前記被測定光ファイバの前記一端で受光する受光部と、
前記光入射部に、前記試験光の周波数νを任意の回数だけ変えさせる制御部と、
周波数ν毎に、前記後方散乱光の周波数シフト量ν_Ｂを測定して前記被測定光ファイバにおける音響波の縦波の速度ｖ_Ａを用いて数１で伝搬定数βを算出し、伝搬定数βの試験光周波数依存性を取得し、数２で前記被測定光ファイバの単位長あたりの群遅延時間τを算出する計算機と、
を備える。

本発明は、後方ブリルアン散乱光の周波数シフト量の周波数依存性を利用して波数と伝搬定数との傾きから光ファイバの単位長当たりの群遅延時間を取得しており、被測定光ファイバ長を計測する必要がない。さらに、複数の周波数の試験光で計測するため、ノイズ等が平均化され測定精度も向上する。従って、本発明は、被測定光ファイバ長の計測を不要としながら、高精度かつ簡便に光ファイバの単位長当たりの群遅延時間を測定可能な光ファイバ群遅延時間測定方法およびその測定装置を提供することができる。

ここで、本発明に係る光ファイバ群遅延時間測定方法は、前記試験光の周波数νが、前記被測定光ファイバの論理遮断波長以上となる周波数であることが好ましい。また、本発明に係る光ファイバ群遅延時間測定装置の前記制御部は、前記光入射部に、前記被測定光ファイバの論理遮断波長以上となる周波数νの前記試験光を前記被測定光ファイバに入射させることが好ましい。ブリルアン散乱現象は光ファイバを伝搬するすべてのモードに対して発生するため、複数モードの周波数シフトにより周波数シフトスペクトルが歪み測定誤差となる。このため、試験光を論理遮断波長以上の周波数とすることで被測定光ファイバを単一モードで伝搬させること測定誤差が低減して測定精度が向上する。

ここで、本発明に係る光ファイバ群遅延時間測定方法は、前記試験光を任意のパルス幅を持つパルス光とすることができる。また、本発明に係る光ファイバ群遅延時間測定装置の前記制御部は、前記光入射部に、任意のパルス幅を持つパルス光の前記試験光を前記被測定光ファイバに入射させることができる。試験光をパルス化することで、被試験光ファイバの所望の位置の群遅延時間を測定できる。

本発明は、被測定光ファイバ長の計測を不要としながら、高精度かつ簡便に光ファイバの単位長当たりの群遅延時間を測定可能な光ファイバ群遅延時間測定方法およびその測定装置を提供することができる。

本発明に係る群遅延時間測定方法の原理を説明する概略図である。 本発明に係る群遅延時間測定方法で測定したブリルアン周波数シフトの周波数依存性を示す特性図である。 本発明に係る群遅延時間測定方法で測定した伝搬定数の周波数依存性を示す特性図である。 本発明に係る群遅延時間測定方法で測定した単位長さあたりの群遅延時間とインパルス応答法で測定した単位長さあたりの群遅延時間とを比較する表である。 本発明に係る群遅延時間測定方法を説明するフロー図である。 本発明に係る群遅延時間測定装置を説明する概略図である。 本発明に係る群遅延時間測定装置を説明する概略図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。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。

図１に、本発明の単位長さ当たりの遅延時間測定法の概念図を示す。光源から任意の周波数を有する試験光を被測定光ファイバに入射することで、光ファイバ中のブリルアン散乱現象によって周波数がν_Ｂ変化した後方散乱光が発生し、光ファイバの入射端へ伝搬する。特許文献１よりブリルアン散乱による周波数シフト量ν_Ｂは入射光の伝搬定数βと光ファイバ中を伝搬する音響波の速度ｖ_Ａによって次の様に表される。

試験光の伝搬定数βは、光ファイバの屈折率分布と試験光の周波数で決まり、同一屈折率分布の光ファイバでは、ブリルアン散乱による周波数シフト量ν_Ｂは試験光の周波数に依存する。（数１）の関係式よりブリルアン散乱による周波数シフト量ν_Ｂの試験光周波数依存性を測定することにより、被測定光ファイバにおける伝搬定数βの試験光周波数依存性を求めることができる。伝搬定数βの試験光周波数依存性を用いることで、光ファイバの単位長さ当たりの群遅延時間τは下記の式によって計算できる。

ここで、ｃは真空を伝搬する光の速度であり、ｋは試験光の波数で、光の周波数νを用いてｋ＝２πν／ｃで表される。

図２及び図３には汎用の単一モード光ファイバを被測定光ファイバとし、本発明の測定法による基本モードに関する測定結果を示す。試験光の周波数を１９３．５１ＴＨｚから１９３．６５ＴＨｚとした。図２にはブリルアン散乱による周波数シフトの試験光周波数依存性の測定結果を示す。試験光周波数に対してブリルアン周波数シフト量が単調に増大していることを確認できる。

また（数１）の音響波の縦波の速度ｖ_Ａは光ファイバの媒質によって決定され、純石英ガラスおよびＧｅＯ_２もしくはＦを添加した石英ガラスをコアに持つ光ファイバでは、縦波の速度を非特許文献１による以下の式で見積もることができる。

ここでｗ_ＧｅＯ２およびｗ_Ｆはそれぞれ純石英ガラスに添加されたＧｅＯ_２およびＦの質量パーセント濃度を表す。本測定に使用した被測定光ファイバでは、コア領域における音響波の縦波の速度ｖ_Ａ＝５７６８ｍ／ｓであった。

図３に測定結果を用いて（数１）の計算により求めた伝搬定数βの試験光周波数依存性を示す。また、図中の直線はフィッティング直線であり、
ｙ＝−０．０６９＋１．４６８ｘ
となった。

図４の表に示す通り、測定結果のフィッティング直線から（数２）によって求めた単位長さ当たりの群遅延時間τは４．８９３μｓ／ｋｍであった。また図４の表には比較のために、被測定光ファイバの屈折率分布から数値計算によって得られる伝搬定数を用いて計算できる単位長さ当たりの群遅延時間の計算値も示す。周波数１９３．５５ＴＨｚにおける単位長さ当たりの群遅延時間を計算すると４．８９７μｓ／ｋｍであり、本発明の測定結果４．８９３μｓ／ｋｍが計算値とよく一致することが分かる。

図５は、本発明の単位長さ当たりの群遅延時間測定法を実現する測定手法を示す。
本光ファイバ群遅延時間測定方法は、
任意の周波数νの試験光を被測定光ファイバの一端に入射する光入射手順と、
前記被測定光ファイバを伝搬する前記試験光により発生するブリルアン散乱現象で周波数が前記試験光より周波数シフト量ν_Ｂだけ変化した後方散乱光を前記被測定光ファイバの前記一端で受光する受光手順と、
前記後方散乱光の周波数シフト量ν_Ｂを測定し、前記被測定光ファイバにおける音響波の縦波の速度ｖ_Ａを用いて数１で伝搬定数βを算出する伝搬定数算出手順と、
前記試験光の周波数νを変えて前記光入射手順、前記受光手順、及び前記伝搬定数算出手順を任意の回数だけ繰り返し、伝搬定数βの試験光周波数依存性を取得する周波数依存性取得手順と、
前記周波数依存性取得手順で取得した伝搬定数βの試験光周波数依存性を用いて数２で前記被測定光ファイバの単位長あたりの群遅延時間τを算出する群遅延時間算出手順と、
を行う。
図５において、光入射手順はステップＳ０３、受光手順はステップＳ０４、伝搬定数算出手順はステップＳ０５〜Ｓ０７、周波数依存性取得手順はステップＳ０２〜Ｓ０９、群遅延時間算出手順はステップＳ１０である。

本光ファイバ群遅延時間測定方法は、複数の周波数の光波を発振できる光源から試験光を被測定光ファイバに入射する（ステップＳ０１〜Ｓ０３）。被測定光ファイバから後方散乱光を受光し（ステップＳ０４）、試験光の周波数におけるブリルアン周波数シフト量を測定し（ステップＳＳ０５〜Ｓ０６）、（数３）により試験光の周波数における伝搬定数を求める（ステップＳ０７）。具体的には、被測定光ファイバの伝搬定数測定手法は、生成した試験光から参照光を分岐し、試験光による被測定光ファイバのブリルアン後方散乱光を参照光と合波することで、ブリルアン周波数シフト量を周波数解析によって求め、（数３）および（数５）の関係式により伝搬定数を計算する。そして、試験光の周波数を変更して所定数の伝搬定数を取得する（ステップＳ０２〜Ｓ０９）。取得したこれらの伝搬定数の周波数依存性から（数４）より群遅延時間を計算する（ステップＳ１０）。

ブリルアン散乱現象はファイバ中を伝搬するすべてのモードに対して発生するため、複数モードの周波数シフトにより周波数シフトスペクトルが歪み測定誤差となる。そこで、試験光の周波数νを、前記被測定光ファイバの論理遮断波長以上となる周波数とする。試験光の波長を論理遮断波長以上（周波数を論理遮断周波数以下）とすることで、試験光は被測定光ファイバを単一モードで伝搬するため測定精度が向上し、好ましい。

図６は、本発明の単位長さ当たりの群遅延時間測定法を実現する光ファイバ群遅延時間測定装置３０１を説明する図である。光ファイバ群遅延時間測定装置３０１は、
任意の周波数νの試験光を被測定光ファイバ５０の一端に入射する光入射部Ａと、
被測定光ファイバ５０を伝搬する前記試験光により発生するブリルアン散乱現象で周波数が前記試験光より周波数シフト量ν_Ｂだけ変化した後方散乱光を被測定光ファイバ５０の前記一端で受光する受光部Ｃと、
光入射部Ａに、前記試験光の周波数νを任意の回数だけ変えさせる制御部（不図示）と、
周波数ν毎に、前記後方散乱光の周波数シフト量ν_Ｂを測定して被測定光ファイバ５０における音響波の縦波の速度ｖ_Ａを用いて数１で伝搬定数βを算出し、伝搬定数βの試験光周波数依存性を取得し、数２で被測定光ファイバ５０の単位長あたりの群遅延時間τを算出する計算機１８と、
を備える。

光入射部Ａは試験光生成部Ａ１と送信部Ａ２を有する。試験光生成部Ａ１は、光源１１で生成された任意の周波数の光を取り出す、もしくは光源１１で生成された複数の周波数の光から周波数選択装置１２で任意の周波数の光を取り出す。例えば、光源１１として周波数１９３．５１ＴＨｚから１９３．６５ＴＨｚの光を出力できるレーザを用いる。送信部Ａ２は、試験光生成部Ａ１から出射された光を光カプラ１３へ入射し、参照光と試験光に分岐し、試験光を光サーキュレータ１４を透過後、被測定光ファイバ５０へ入射する。

被測定光ファイバ５０中で試験光によりブリルアン後方散乱光が発生する。ブリルアン後方散乱光は試験光入射端に向かって伝搬し、光サーキュレータ１４を介して合波部Ｂに結合され、光カプラ１５によって参照光と合波されて受信部Ｃへ入射される。受信部Ｃは、受光器１６で合波部Ｂからの光信号を電気信号に変換し、周波数解析装置１７で周波数解析を行い、ブリルアン散乱による周波数シフト量を得る。

制御部（不図示）は、周波数選択装置１２に取り出す試験光の周波数を掃引させる。試験光の周波数が変化することで、受信部Ｃは周波数シフト量の試験光周波数依存性を取得できる。信号処理部Ｄの計算機１８は、（数３）および（数４）の計算により単位長さ当たりの遅延時間を得る。

図７は、本発明の単位長さ当たりの群遅延時間測定法を実現する光ファイバ群遅延時間測定装置３０２を説明する図である。
前記制御部は、光入射部Ａに、任意のパルス幅を持つパルス光の前記試験光を被測定光ファイバ５０に入射させてもよい。例えば、図７に示すように、パルス発生器２１で生成される任意のパルス幅の信号により、試験光生成部Ａ１から出射される光を任意のパルス幅のパルス光に変換する変調器１２を送信部Ａ２が備えていてもよい。パルスの試験光を用いることで、被測定光ファイバ５０の任意の点における単位長さ当たりの群遅延時間を測定できる。

本発明は、光ファイバの単位長さ当たりの群遅延時間試験に用いることができる。

１１：光源
１２：周波数選択装置
１３：光カプラ
１４：光サーキュレータ
１５：光カプラ
１６：受光器
１７：周波数解析装置
１８：計算機
２１：パルス発生器
２２：変調器
５０：被測定光ファイバ
３０１、３０２：光ファイバ群遅延時間測定装置

Claims (6)

1. 任意の周波数νの試験光を被測定光ファイバの一端に入射する光入射手順と、
   前記被測定光ファイバを伝搬する前記試験光により発生するブリルアン散乱現象で周波数が前記試験光より周波数シフト量ν_Ｂだけ変化した後方散乱光を前記被測定光ファイバの前記一端で受光する受光手順と、
   前記後方散乱光の周波数シフト量ν_Ｂを測定し、前記被測定光ファイバにおける音響波の縦波の速度ｖ_Ａを用いて数１で伝搬定数βを算出する伝搬定数算出手順と、
   前記試験光の周波数νを変えて前記光入射手順、前記受光手順、及び前記伝搬定数算出手順を任意の回数だけ繰り返し、伝搬定数βの試験光周波数依存性を取得する周波数依存性取得手順と、
   前記周波数依存性取得手順で取得した伝搬定数βの試験光周波数依存性を用いて数２で前記被測定光ファイバの単位長あたりの群遅延時間τを算出する群遅延時間算出手順と、
   を行う光ファイバ群遅延時間測定方法。
   

   

   

   ただし、ｃは真空中の光の伝搬速度、ｋは試験光の波数２πν／ｃである。
2. 前記試験光の周波数νが、前記被測定光ファイバの論理遮断波長以上となる周波数であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ群遅延時間測定方法。
3. 前記試験光は、任意のパルス幅を持つパルス光であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ群遅延時間測定方法。
4. 任意の周波数νの試験光を被測定光ファイバの一端に入射する光入射部と、
   前記被測定光ファイバを伝搬する前記試験光により発生するブリルアン散乱現象で周波数が前記試験光より周波数シフト量ν_Ｂだけ変化した後方散乱光を前記被測定光ファイバの前記一端で受光する受光部と、
   前記光入射部に、前記試験光の周波数νを任意の回数だけ変えさせる制御部と、
   周波数ν毎に、前記後方散乱光の周波数シフト量ν_Ｂを測定して前記被測定光ファイバにおける音響波の縦波の速度ｖ_Ａを用いて数１で伝搬定数βを算出し、伝搬定数βの試験光周波数依存性を取得し、数２で前記被測定光ファイバの単位長あたりの群遅延時間τを算出する計算機と、
   を備える光ファイバ群遅延時間測定装置。
   

   

   

   ただし、ｃは真空中の光の伝搬速度、ｋは試験光の波数２πν／ｃである。
5. 前記制御部は、前記光入射部に、前記被測定光ファイバの論理遮断波長以上となる周波数νの前記試験光を前記被測定光ファイバに入射させることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ群遅延時間測定装置。
6. 前記制御部は、前記光入射部に、任意のパルス幅を持つパルス光の前記試験光を前記被測定光ファイバに入射させることを特徴とする請求項４又は５に記載の光ファイバ群遅延時間測定装置。

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