JP2004333336A - Polarization mode dispersion measuring device of optical fiber and measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバの偏波モード分散を簡単な構成で短時間に測定するための技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
情報を高速に伝送するための媒体として光ファイバが用いられているが、近年では、インターネット利用者等の急増により、通信速度の高速化がさらに要求されている。
【0003】
このような高速化の要求に対して、光ファイバの偏波モード分散(以下、PMDと記す)が無視できなくなっている。
【0004】
PMDは、光ファイバの光を伝送するためのコア部の断面形状が製造時に完全な真円になっていないことや、外部からの圧力を受けて歪むことに起因して生じ、内部を伝搬する光の偏波方向に対して屈折率が異なってしまい、偏波成分毎に伝搬時間に差が生じる現象である。
【0005】
このPMDの影響によって、例えば、図7に示すように、光ファイバ1の一端に光パルスPを入射したときに、光ファイバ1の他端から出射される光パルスP′の波形が双峰形となりパルス幅が広くなってしまい、このパルス幅の広がり広がりによって、通信速度の上限が決定されてしまう。
【0006】
このため、光ファイバの製造時や敷設済みの光ファイバのメンテナンスを行う際には、その光ファイバのPMDの測定が必要となる。
【0007】
PMDの測定方法はこれまで多くの方法が提案されているが、その中でも、測定精度が高く、測定の自動化が可能なものとして、ジョーンズマトリクス法によるものがよく知られている。
【0008】
ジョーンズマトリクス法は、任意の波長に対する直交2偏波成分の群遅延の平均値Δτを光デバイスのPMDとして求める測定方法であり、被測定デバイスの一端側に所定波長の直線偏波光を入射し、被測定デバイスの他端側から出射された光の異なる偏波方向の強度を求めるという処理を、入射光の波長を変え、さらに偏波方向を0度(基準)、45度、90度に変化させて行い、得られた強度のデータから光ファイバの両端間の入出力特性を表すジョーンズマトリクスを2つの波長について計算し、PMD演算子を用いてPMDを算出する(例えば、非特許文献1参照)。
【0009】
【非特許文献1】
Teruhiko Kudo, Midori Iguchi, Masaru Masuda, and Takeshi Ozeki “Theoretical Basis of Polarization Mode Dispersion Equalization up to the Second Order.”Journal of LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.18 NO.4 APRIL 2000 pp.614−617.
【0010】
しかし、このように、光ファイバの一端側に測定用の光を入射し、光ファイバの他端側から出射された光の偏波成分の強度を測定してPMDを求める方法では、例えば、敷設済みの光ファイバを測定対象とする場合にその両端に測定のための機器を設置しなければならず不便である。
【0011】
また、光ファイバの一端側から他端側までの全長についてのPMDの値しか求めることができず、その間のPMDを知ることができない。
【0012】
これを解決するために、本願出願人は、光ファイバの一端側に直線偏波の光パルスを入射し、その入射された光パルスに対する光ファイバの後方散乱光を光ファイバの一端側で受け、その後方散乱光の各偏波成分の強度変化特性から、光ファイバの任意の区間毎のPMD、即ちPMD分布を測定する方法および装置を提案している(特許文献1)。
【0013】
この方法によれば、被測定光ファイバの片端からの測定で、光ファイバのPMDの分布を求めることができ、例えば敷設済みの光ファイバに対する位置毎のPMDを正確に把握することができる。
【0014】
【特許文献1】特開2002−48680公報
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献1で提案したPMD測定方法および装置は、散乱体を考慮していないため、正確な区間毎の測定ができなかった。また、前記したジョーンズマトリクス法に従っているため、入射光の波長が2通り、入射光の偏光状態が各波長毎にそれぞれ3通り必要で、その組合せ毎に4種類ずつの偏波成分の測定データを取得する必要があった。
【0016】
即ち、2×3×4=24種類の測定データの取得とそれに対する演算処理を必要としていた。
【0017】
本発明は、この点を考慮し、より少ない波形データと演算処理で光ファイバのPMDを測定できるようにした。即ち、散乱体のデポーラリゼーションを考慮に入れ、従来の3つの入射直線偏光を1つの入射直線偏光にし、ファイバのモデルに波長成分を考慮にいれて、従来の2波長以上の測定から1波長で測定できるようにした光ファイバのPMD測定装置および測定方法を提供することを目的としている。
【0018】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の請求項1の光ファイバの偏波モード分散測定装置は、
所定波長で直線偏光の光パルスを出射する光パルス発生部(21)と、
前記光パルスを被測定光ファイバの一端側に入射し、該入射した光パルスに対して前記被測定光ファイバの一端側から出射される後方散乱光を前記光パルスの入射光路と異なる光路から出射させる方向性結合器(25)と、
前記方向性結合器から出射された後方散乱光を受けて、前記被測定光ファイバの区間毎の4つのストークスパラメータを測定するストークスパラメータ測定手段(26、31)と、
波長依存性を有するパラメータを含み3つのパラメータからなる伝達関数行列と少なくとも1つのパラメータからなる散乱ミュラー行列とで定義される前記被測定光ファイバのモデル式と、前記4つのストークスパラメータとに基づいて、前記伝達関数行列の要素に含まれる3つのパラメータと前記散乱ミュラー行列の要素に含まれる少なくとも1つのパラメータを区間毎に算出するパラメータ算出手段(32)と、
前記パラメータ算出手段によって算出されたパラメータに基づいて、区間毎の第1のジョーンズマトリクスを求める第1のジョーンズマトリクス算出手段(33)と、
前記パラメータ算出手段によって算出されたパラメータに基づいて、前記所定波長と異なる波長における区間毎の第2のジョーンズマトリクスを求める第2のジョーンズマトリクス算出手段(34)と、
前記第1のジョーンズマトリクスと前記第2のジョーンズマトリクスとに基づいて、前記被測定光ファイバの任意の区間の偏波モード分散を算出する偏波モード分散算出手段(35)とを備えている。
【0019】
また、本発明の請求項2の光ファイバの偏波モード分散測定方法は、
所定波長で直線偏波の光パルスを被測定光ファイバの一端側に入射し、該光パルスに対して前記被測定光ファイバが前記一端側から出射する後方散乱光から区間毎の4つのストークスパラメータを測定する段階(S1)と、
波長依存性を有するパラメータを含み3つのパラメータからなる伝達関数行列と少なくとも1つのパラメータからなる散乱ミュラー行列とで定義される前記被測定光ファイバのモデル式と、前記4つのストークスパラメータとに基づいて、前記被測定光ファイバの任意の区間の前記所定波長における前記伝達関数行列の要素に含まれる3つのパラメータと前記散乱ミュラー行列の要素に含まれる少なくとも1つのパラメータを算出する段階(S2)と、
前記算出されたパラメータに基づいて、区間毎の第1のジョーンズマトリクスを求める段階(S3)と、
前記算出されたパラメータに基づいて、前記所定波長と異なる波長における区間毎の第2のジョーンズマトリクスを求める段階(S4)と、
前記第1のジョーンズマトリクスと前記第2のジョーンズマトリクスとに基づいて、前記被測定光ファイバの任意の区間の偏波モード分散を算出する段階(S5)とを含んでいる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
始めに、図1にしたがって本発明の実施形態のPMD測定方法を説明する。
【0021】
図1のフローチャートは、前記した特許文献1と同様に、光パルスを用いた片端測定で、被測定光ファイバのPMDを測定するための手順を示したものであり、始めに、所定波長λで直線偏波の光パルスPを被測定光ファイバの一端側に入射し、その光パルスに対して被測定光ファイバが一端側から出射する後方散乱光に含まれる偏波成分から、被測定光ファイバの区間毎の4つのストークスパラメータを求める(S1)。
【0022】
ここで、各区間毎のストークスパラメータは、後方散乱光から基準となる0度の偏波成分I0、I0に対して90度の角度をもつ偏波成分I90、I0に対して45度の角度をもつ偏波成分I45および円偏波成分ICを、被測定光ファイバに光パルスPが入射されたタイミングから、例えば、その光パルスが被測定光ファイバの遠端に到達して、その遠端からの後方散乱光が入射端に戻るのに必要に時間が経過するまで観測し、その観測結果に基づいて算出する。
【0023】
そして、求めた区間毎のストークスパラメータと、波長依存性を有するパラメータを含み3つのパラメータからなる伝達関数行列と少なくとも1つのパラメータからなる散乱ミュラー行列とで定義される光ファイバのモデル式とに基づいて、被測定光ファイバの任意の区間の所定波長λにおける伝達関数行列の3つのパラメータおよび散乱ミュラー行列の少なくとも1つのパラメータを算出する(S2)。
【0024】
なお、この散乱ミュラー行列のパラメータは、上記ストークスパラメータの精度を上げることにより、複数のパラメータを算出することが可能である。ここでは、パラメータが1つの場合について説明するが、複数のパラメータを算出して使用してもよい。
【0025】
以下、上記処理S1、S2について説明する。
図2のように、被測定光ファイバ1のある長さZの区間1′を仮定し、その入射端(図2では左端)から散乱点(右端)までの片道の伝達関数行列をTzとすると、これをミュラー(muller)行列に変換した行列をMz、転置行列Tztに対応するミュラー行列をMz′とし、さらに散乱行列をRzとおけば、往復のミュラー行列Fzは、次のように表すことができる。
【0026】
Fz=Mz′・Rz・Mz ……(1)
【0027】
ここで、光の角周波数ωにおける伝達関数行列T(ω)は、3つのパラメータΦ、Θ、Ψを用いて次式(2)のように表す。
【0028】
【数1】
【0029】
即ち、伝達関数行列T(ω)は、3つのパラメータΦ、Θ、Ψの自由度をもつ伝達関数で表現される。
【0030】
ここで、パラメータΦは伝搬する光の直交2偏波間の初期位相差を表し、パラメータΘは伝搬する光の直交2偏波の主軸に対する回転角を表し、パラメータΨは、伝搬する光の直交2偏波間の位相差を表している。
【0031】
また、レーリー散乱行列Rは、散乱体が対称面を持った粒子の集合体であると仮定すると、次式(3)のミュラー行列で表される。
【0032】
【数2】
【0033】
したがって、散乱行列(ミュラー)は、2つのパラメータa1、a2の自由度を持っている(ただし、後述するようにパラメータa1は、測定データから既知となる)。
【0034】
散乱行列は、入射光の4つのストークスパラメータ(I,Q,U,V)と出射光のストークスパラメータ(I′,Q′,U′,V′)で表現され、観測によって得られた波形と比較することができる。そのときの関係式は次式(4)となる。
【0035】
【数3】
【0036】
また、ストークスパラメータ(I,Q,U,V)と、各偏波成分の強度I0〜ICとは、次式(5)のように関係付けられる。ただし、Ex、Eyは直交成分の振幅、記号*は共役を示す。
【0037】
【数4】
【0038】
また、式(4)により、次式(6)、(7)が得られる。
【0039】
I′=a1・I, Q′=a2・Q ……(6)
【0040】
【0041】
上記式(7)の関係から、前記式(4)は、次式(8)のように表すことができる(R′は散乱行列)。
【0042】
【数5】
【0043】
ここで、入射光は直線偏光なので、I0=1、I90=I45=IC=0となり、式(7)から、a1=I0′+I90′で測定データから既知となり、散乱行列R′は、結局a2の自由度となる。
【0044】
以上により、4種類の偏波成分の測定データのうち、入射端から距離Zだけ離れた地点から戻る散乱光についての測定データに対して、伝達関数行列Tの3つのパラメータ(Φ,Θ,Ψ)と散乱ミュラー行列Mの1つのパラメータa2が決定できれば、前記した伝達関数行列T(ω)を計算できる。
【0045】
ただし、伝達関数行列T(ω)は2行2列であるのに対し、散乱行列R′は4行4列であるため、このままの形では計算できない。
【0046】
そこで、次式(9)のように、伝達関数行列Tを4行4列のミュラー行列Mに置き換える。
【0047】
【数6】
【0048】
このように置き換えた場合、伝達関数行列Tと散乱ミュラー行列Mの要素は、次の各式(10−1)〜(10−16)の関係を満たす。
【0049】
M11=(|T11|2+|T12|2+|T21|2+|T22|2)/2……(10−1)
【0050】
M12=(|T11|2−|T12|2+|T21|2−|T22|2)/2……(10−2)
【0051】
M13=−Re(T11・T12*+T22・T21*) ……(10−3)
【0052】
M14=−Im(T11・T12*−T22・T21*) ……(10−4)
【0053】
M21=(|T11|2+|T12|2−|T21|2−|T22|2)/2……(10−5)
【0054】
M22=(|T11|2−|T12|2−|T21|2+|T22|2)/2……(10−6)
【0055】
M23=−Re(T11・T12*−T22・T21*) ……(10−7)
【0056】
M24=−Im(T11・T12*+T22・T21*) ……(10−8)
【0057】
M31=−Re(T11・T21*+T22・T12*) ……(10−9)
【0058】
M32=−Re(T11・T21*−T22・T12*) ……(10−10)
【0059】
M33=Re(T11・T22*+T12・T21*) ……(10−11)
【0060】
M34=−Im(T11・T22*+T21・T21*) ……(10−12)
【0061】
M41=−Im(T21・T11*+T22・T12*) ……(10−13)
【0062】
M42=−Im(T21・T11*−T22・T12*) ……(10−14)
【0063】
M43=Im(T22・T11*−T12・T12*) ……(10−15)
【0064】
M44=Re(T22・T11*−T12・T21*) ……(10−16)
【0065】
この行列Mを用いて前記式(1)を表せば、次式(11)のようになる。
【0066】
Fz=Mz′・Rz′・Mz ……(11)
【0067】
この式(11)を、前記式(8)、(9)を用いて書き直すと、以下の式(12)となる。
【0068】
【数7】
【0069】
上記式(12)が、被測定光ファイバ1について定義されたモデル式となり、これを計算することで、4つの未知のパラメータ(Φ,Θ,Ψ,a2)を算出することができる。なお、詳述しないが、このパラメータの算出にはマーカット(marquatd)法を用いている。
【0070】
これにより、被測定光ファイバ1の区間1′における片道の伝達関数行列Tの3つのパラメータと散乱行列R′の1つのパラメータが決定する。
【0071】
また、図3に示すように、被測定光ファイバ1の全長を単位長区間に分け、入力端からm−1番目の区間までの伝達関数行列をTm−1、m番目の区間までの伝達関数行列をTmとし、m番目の区間の伝達関数行列をtmとすれば、次の関係が成り立つ。
【0072】
Tm=tm・Tm−1, tm=Tm・Tm−1 −1 ……(13)
【0073】
つまり、m−1番目までの伝達関数行列Tm−1と、m番目までの伝達関数行列Tmとが求まれば、上記式(13)からm番目の区間の伝達関数行列tmを算出できる。
【0074】
m番目の区間のパラーメータをΦm、Θm、Ψmを用いて伝達関数行列tを表すと以下の式(14)となる。
【0075】
【数8】
【0076】
したがって、任意のn番目の区間までの伝達関数行列Tnは、次式(15)で表すことができる。
【0077】
【数9】
【0078】
上記演算により、被測定ファイバ1の任意の区間の伝達関数行列および任意の区画までの伝達関数行列を計算することができる。
【0079】
次に、波長が異なる光に対する伝達関数行列の要素に含まれるパラメータを演算によって求める(S3)。
【0080】
即ち、伝達関数行列Tの要素を決定する3種類のパラメータΦm、Ψm、Θmのうち、Θm以外の2つのパラメータΦm、Ψmは波長依存性を持っており、入射光の角周波数ωについて、それぞれ以下のように表されることが知られている。
【0081】
Φm=k1,m・ω, Ψm=k2,m・ω ……(16)
ただし、k1、k2は、位相と角周波数とを関係付ける係数
【0082】
したがって、m番目の第1ジョーンズマトリクスTm(ω)は、以下の式(17)のように表される。
【0083】
【数10】
【0084】
また、ωをΔω変化させたω+Δωを用いて式(17)により、第2ジョーンズマトリクスT(ω+Δω)を各区間毎に算出する(S4)。
【0085】
そして、PMDを前記非特許文献1と同様に、次式(18)で示すPMD演算子D(ω)を用いて算出する(S5)。
【0086】
【数11】
【0087】
なお、被測定光ファイバ1の全長にわたるPMDの分布を求める場合には、全ての区間毎のPMDを求める。
【0088】
次に、上記方法に基づくPMD測定装置の実施形態について説明する。
図4は、本発明を適用したPMD測定装置20の構成を示している。
【0089】
図4において、光パルス発生部21は、半導体レーザ22をパルス発生器23から出力されるパルス信号Epによって励起して、波長および幅が一定の光パルスPを出射させ、その光パルスPを偏光子24に入射して、偏波方向が一定の直線偏光の光パルスP′を出射する。
【0090】
方向生結合器25は、光パルス発生部21から出射された光パルスP′を端子20aを介して被測定光ファイバ1の一端側に入射し、その入射した光パルスP′に対して被測定光ファイバ1の一端側から出射される後方散乱光Psを光パルスP′の入射光路と異なる光路から出射させる。
【0091】
この後方散乱光Psは、例えば、図5に示すように、時間(光パルスの進行距離)の経過とともに減衰(一部で反射して強度が増大する場合もある)し、光ファイバの遠端で大きく減衰する。
【0092】
偏波受光部26は、後述するストークスパラメータ取得手段31とともにこの実施形態のストークスパラメータ測定手段を構成するものであり、方向性結合器25から出射された後方散乱光Psを受けて、その後方散乱光Psに含まれる異なる複数の偏波成分を抽出し、各偏波成分の時間毎の強度をそれぞれ測定する。
【0093】
この偏波受光部26は、例えば図6に示しているように、方向性結合器22から出射された後方散乱光Psを偏波分離器27で受けて前記した4種類の偏波成分I0〜ICを光学的に分離抽出し、その各偏波成分I0〜ICをそれぞれ受光器28a〜28dで受光して、その受光信号をそれぞれA/D変換器29a〜29dによって所定周期でサンプリングしてディジタル値に変換し、これを各偏波成分の強度を表す信号I0(k)〜IC(k)(都合上偏波成分と同一記号を用いる)として演算処理部30に時系列に出力する(k=1,2,…)。
【0094】
コンピュータ構成の演算処理部30は、ストークスパラメータ取得手段31、、パラメータ算出手段32、第1のジョーンズマトリクス算出手段33、第2のジョーンズマトリクス算出手段34およびPMD算出手段35を有している。
【0095】
ストークスパラメータ取得手段31は、光パルス発生部21が光パルスP′を出射したタイミングから所定時間が経過するまでの間に、偏波受光部26から出力される偏波成分毎の強度信号I0(k)〜IC(k)を取得して、取得した信号から、前記式(5)にしたがって、被測定光ファイバ1の各区間(前記サンプリング周期に対応した長さを最小とする区間)毎のストークスパラメータ(I,Q,U,V)を求める。
【0096】
なお、実際の演算で必要なパラメータは、前記式(8)、(12)で示しているように、測定値I0、I90を含む4つのパラメータ(I0,I90,U,V)であり、ここでは、この測定値を含む4つのパラメータもストークスパラメータと呼ぶ。
【0097】
また、この信号取得時間は測定対象区間に応じて任意であるが、被測定光ファイバ1の全長にわたるPMDを測定する場合には、被測定光ファイバ1に入射された光パルスが遠端に到達し、その遠端からの後方散乱光が入射端に到達するのに必要な時間までとする。
【0098】
パラメータ算出手段32は、波長依存性を有するパラメータを含み3つのパラメータ(Φ,Ψ,Θ)からなる伝達関数行列Mと少なくとも1つのパラメータ(a2)からなる散乱ミュラー行列R′とで定義される被測定光ファイバの前記モデル式(12)と、ストクースパラメータ取得手段31によって取得された4つのストークスパラメータとに基づいて、伝達関数行列Tの3つのパラメータと散乱ミュラー行列の少なくとも1つのパラメータとを区間毎に算出する。
【0099】
即ち、前記したPMDの測定方法で示したモデル式(12)に関わる計算を行なって、4つのパラメータ(Φ,Ψ,Θ,a2)を各区間毎に求める。
【0100】
第1のジョーンズマトリクス算出手段33は、パラメータ算出手段32によって得られたパラメータに基づいて、所定波長λ、つまり角周波数ωについての第1ジョーンズマトリクスTm(ω)を前記式(17)にしたがって、区間毎に算出する。
【0101】
また、第2のジョーンズマトリクス算出手段34は、パラメータ算出手段32によって算出されたパラメータのうち、前記式(16)で示した波長依存性をもつパラメータの角周波数ω+Δωにおける値を求めて、そのパラメータについての第2ジョーンズマトリクスTm(ω+Δω)を前記式(17)にしたがって区間毎に算出する。
【0102】
PMD算出手段35は、第1のジョーンズマトリクス算出手段33および第2のジョーンズマトリクス算出手段34によって得られた第1のジョーンズマトリクスTm(ω)と第2ジョーンズマトリクスTm(ω+Δω)について、例えば、前記非特許文献1と同様に、前記式(18)で示したPMD演算子D(ω)を用いて、被測定光ファイバの任意の区間あるいは任意の区間までの偏波モード分散PMD(Δτ)を算出する。なお、このPMDの算出方法は上記のようにPMD演算子D(ω)を用いた方法以外に他の周知の方法を用いることもできる。
【0103】
このように、実施形態のPMD測定装置および測定方法では、光ファイバについて散乱体のデポーラリゼーションを考慮するとともに、単一波長で且つ単一の入射偏光に対する後方散乱光から得られる4種類のストークスパラメータと関連付けされたモデル式を定義し、そのモデル式と測定データから得られたストークスパラメータとに基づいて、光の角周波数ωにおける光ファイバ1の伝達関数行列を決定するパラメータを算出し、その算出されたパラメータに基づいて角周波数ωにおける第1のジョーンズマトリクスTm(ω)を求め、光の角周波数ω+Δωについてのパラメータを演算で求めて、それについての第2のジョーンズマトリクスTm(ω+Δω)を求め、得られた2つのジョーンズマトリクスから光ファイバのPMDを算出している。
【0104】
つまり、光ファイバ1を、散乱体のデポーラリゼーションを考慮して正確にモデル化しているので、単一波長で且つ単一の入射偏光で必要なパラメータを算出することができ、測定のための時間が従来(特許文献1)の1/6で済み、短時間に且つ精度よく光ファイバの任意の区間のPMDを測定することができる。
【0105】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の偏波モード分散測定装置および測定方法では、光ファイバについて散乱体のデポーラリゼーションを考慮するとともに、単一波長で且つ単一の入射偏光に対する後方散乱光から得られる4種類のストークスパラメータと関連付けされたモデル式を定義し、そのモデル式と測定データから得られたストークスパラメータとに基づいて、光の角周波数ωにおける光ファイバの伝達関数行列を決定するパラメータを区間毎に算出し、その算出されたパラメータに基づいて角周波数ωにおける第1のジョーンズマトリクスを区間毎に求め、光の角周波数ω+Δωについてのパラメータを演算で求めて、それについての第2のジョーンズマトリクスを区間毎に求め、得られた2つのジョーンズマトリクスから光ファイバの任意の区間のPMDを算出している。
【0106】
このように散乱体のデポーラリゼーションを考慮して光ファイバを正確にモデル化しているので、単一波長で且つ単一の入射偏光のみで必要なパラメータを算出することができ、このため、光ファイバの任意の区間の偏波モード分散を短時間に且つ精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の偏波モード分散測定方法の手順を示すフローチャート
【図2】光ファイバをモデル化した図
【図3】任意区間の偏波モード分散を求める方法を説明するための図
【図4】本発明の実施形態の偏波モード分散測定装置の構成を示す図
【図5】後方散乱光の時間に対する強度変化の一例を示す図
【図6】実施形態の要部の構成例を示す図
【図7】偏波モード分散の影響を説明するための図
【符号の説明】
1……被測定光ファイバ、20……偏波モード分散(PMD)測定装置、21……光パルス発生部、25……方向性結合器、26……偏波受光部、30……演算処理部、31……ストークスパラメータ取得手段、32……パラメータ算出手段、33……第1のジョーンズマトリクス算出手段、34……第2のジョーンズマトリクス算出手段、35……偏波モード分散(PMD)算出手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for measuring polarization mode dispersion of an optical fiber in a short time with a simple configuration.
[0002]
[Prior art]
An optical fiber is used as a medium for transmitting information at high speed. In recent years, however, a rapid increase in the number of Internet users and the like has further demanded a higher communication speed.
[0003]
In response to such a demand for high speed, the polarization mode dispersion (hereinafter referred to as PMD) of an optical fiber cannot be ignored.
[0004]
The PMD is generated due to the fact that the cross-sectional shape of the core portion for transmitting light of the optical fiber is not completely round at the time of manufacturing, or is distorted by pressure from the outside, and propagates inside. This is a phenomenon in which the refractive index differs in the polarization direction of light, and the propagation time differs for each polarization component.
[0005]
Due to the influence of the PMD, for example, as shown in FIG. 7, when the optical pulse P is incident on one end of the
[0006]
Therefore, when manufacturing an optical fiber or performing maintenance on an optical fiber that has already been laid, it is necessary to measure the PMD of the optical fiber.
[0007]
Many methods of measuring the PMD have been proposed so far, and among them, the method using the Jones matrix method is well known as having high measurement accuracy and capable of automating the measurement.
[0008]
The Jones matrix method is a measurement method for obtaining an average value Δτ of group delay of orthogonal two polarization components for an arbitrary wavelength as PMD of an optical device, in which linearly polarized light of a predetermined wavelength is incident on one end side of a device to be measured, The process of determining the intensity of light emitted from the other end of the device under measurement in different polarization directions is performed by changing the wavelength of the incident light and further changing the polarization direction to 0 degree (reference), 45 degrees, and 90 degrees. A Jones matrix representing input / output characteristics between both ends of the optical fiber is calculated for the two wavelengths from the obtained intensity data, and the PMD is calculated using the PMD operator (for example, see Non-Patent Document 1). ).
[0009]
[Non-patent document 1]
Teruhiko Kudo, Midori Iguchi, Masaru Masada, and Takeshi Ozeki “Theoretical Basis of Polarization Mode of Disp. 18 NO. 4 APRIL 2000 pp. 614-617.
[0010]
However, in the method of measuring the polarization component of the light emitted from one end of the optical fiber and measuring the intensity of the polarization component of the light emitted from the other end of the optical fiber to obtain the PMD, for example, When measuring an already-used optical fiber as an object to be measured, instruments for measurement must be installed at both ends, which is inconvenient.
[0011]
Further, only the PMD value for the entire length from one end to the other end of the optical fiber can be obtained, and the PMD during that period cannot be known.
[0012]
In order to solve this, the applicant of the present application incident a linearly polarized light pulse on one end of an optical fiber, and received backscattered light of the optical fiber for the incident light pulse on one end of the optical fiber, A method and an apparatus for measuring PMD, that is, a PMD distribution for each section of an optical fiber from an intensity change characteristic of each polarization component of the backward scattered light have been proposed (Patent Document 1).
[0013]
According to this method, the distribution of the PMD of the optical fiber can be obtained by measurement from one end of the optical fiber to be measured, and for example, the PMD for each position with respect to the installed optical fiber can be accurately grasped.
[0014]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-48680
[Problems to be solved by the invention]
However, the PMD measurement method and apparatus proposed in
[0016]
That is, acquisition of 2.times.3.times.4 = 24 types of measurement data and calculation processing on the data are required.
[0017]
In consideration of this point, the present invention can measure the PMD of the optical fiber with less waveform data and arithmetic processing. In other words, taking into account the depolarization of the scatterer, the conventional three incident linearly polarized lights are converted into one incident linearly polarized light, and the wavelength component is taken into account in the fiber model. It is an object of the present invention to provide an optical fiber PMD measuring apparatus and a measuring method which can be measured by the above method.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an optical fiber polarization mode dispersion measuring apparatus according to
An optical pulse generator (21) for emitting a linearly polarized optical pulse at a predetermined wavelength;
The light pulse is incident on one end of the optical fiber to be measured, and backscattered light emitted from one end of the optical fiber to be measured is emitted from an optical path different from the incident optical path of the optical pulse with respect to the incident optical pulse. A directional coupler (25) for causing
Stokes parameter measuring means (26, 31) for receiving backscattered light emitted from the directional coupler and measuring four Stokes parameters for each section of the measured optical fiber;
Based on a model equation of the measured optical fiber defined by a transfer function matrix including three parameters including a parameter having wavelength dependence and a scattering Mueller matrix including at least one parameter, and based on the four Stokes parameters Parameter calculating means (32) for calculating, for each section, three parameters included in the elements of the transfer function matrix and at least one parameter included in the elements of the scattering Mueller matrix;
First Jones matrix calculating means (33) for obtaining a first Jones matrix for each section based on the parameters calculated by the parameter calculating means;
A second Jones matrix calculating means (34) for obtaining a second Jones matrix for each section at a wavelength different from the predetermined wavelength based on the parameters calculated by the parameter calculating means;
A polarization mode dispersion calculating means (35) for calculating a polarization mode dispersion of an arbitrary section of the measured optical fiber based on the first Jones matrix and the second Jones matrix.
[0019]
Further, the method for measuring the polarization mode dispersion of an optical fiber according to
A linearly polarized optical pulse having a predetermined wavelength is incident on one end of an optical fiber to be measured, and four Stokes parameters for each section from the backscattered light emitted from the one end by the optical fiber to be measured with respect to the optical pulse. Measuring (S1);
Based on a model equation of the measured optical fiber defined by a transfer function matrix including three parameters including a parameter having wavelength dependence and a scattering Mueller matrix including at least one parameter, and based on the four Stokes parameters Calculating three parameters included in the elements of the transfer function matrix and at least one parameter included in the elements of the scattering Mueller matrix at the predetermined wavelength in an arbitrary section of the measured optical fiber (S2);
Obtaining a first Jones matrix for each section based on the calculated parameters (S3);
Obtaining a second Jones matrix for each section at a wavelength different from the predetermined wavelength based on the calculated parameters (S4);
Calculating a polarization mode dispersion of an arbitrary section of the measured optical fiber based on the first Jones matrix and the second Jones matrix (S5).
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a PMD measurement method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0021]
The flowchart of FIG. 1 shows a procedure for measuring the PMD of the optical fiber to be measured by one-end measurement using an optical pulse, as in
[0022]
Here, the Stokes parameters for each section, 45 relative to the polarization component I 90, I 0 the relative polarization component I 0, I 0 of 0 degree as a reference from the back-scattered light having an angle of 90 degrees The polarization component I 45 and the circular polarization component I C having an angle of degree are converted from the timing at which the optical pulse P is incident on the optical fiber to be measured, for example, when the optical pulse reaches the far end of the optical fiber to be measured. Then, observation is performed until the time required for the backscattered light from the far end to return to the incident end elapses, and calculation is performed based on the observation result.
[0023]
Then, based on the obtained Stokes parameter for each section, an optical fiber model formula defined by a transfer function matrix including three parameters including a parameter having wavelength dependence and a scattering Mueller matrix including at least one parameter. Then, three parameters of the transfer function matrix and at least one parameter of the scattering Mueller matrix at a predetermined wavelength λ in an arbitrary section of the measured optical fiber are calculated (S2).
[0024]
Note that a plurality of parameters of the scattering Mueller matrix can be calculated by increasing the accuracy of the Stokes parameter. Here, the case where there is one parameter will be described, but a plurality of parameters may be calculated and used.
[0025]
Hereinafter, the processes S1 and S2 will be described.
As shown in FIG. 2, assuming a section 1 'of a certain length Z of the
[0026]
Fz = Mz ′ · Rz · Mz (1)
[0027]
Here, the transfer function matrix T (ω) at the angular frequency ω of light is represented by the following equation (2) using three parameters Φ, Θ, and Ψ.
[0028]
(Equation 1)
[0029]
That is, the transfer function matrix T (ω) is represented by a transfer function having three parameters Φ, Θ, and 自由.
[0030]
Here, the parameter Φ represents the initial phase difference between the two orthogonal polarizations of the propagating light, the parameter 表 し represents the rotation angle of the orthogonal two polarizations of the propagating light with respect to the main axis, and the parameter Ψ represents the orthogonal 2 polarization of the propagating light. It represents the phase difference between the polarized waves.
[0031]
The Rayleigh scattering matrix R is represented by the following Mueller matrix assuming that the scatterer is an aggregate of particles having a symmetry plane.
[0032]
(Equation 2)
[0033]
Therefore, the scattering matrix (Muller) has two degrees of freedom of parameters a 1 and a 2 (however, as will be described later, the parameter a 1 is known from measurement data).
[0034]
The scattering matrix is expressed by four Stokes parameters (I, Q, U, V) of the incident light and Stokes parameters (I ', Q', U ', V') of the outgoing light. Can be compared. The relational expression at that time is the following expression (4).
[0035]
[Equation 3]
[0036]
Further, the Stokes parameters (I, Q, U, V) and the intensities I 0 to I C of the respective polarization components are related as in the following equation (5). Here, Ex and Ey indicate the amplitude of the orthogonal component, and the symbol * indicates conjugate.
[0037]
(Equation 4)
[0038]
Further, the following equations (6) and (7) are obtained from the equation (4).
[0039]
I ′ = a 1 · I, Q ′ = a 2 · Q (6)
[0040]
[0041]
From the relationship of the above equation (7), the above equation (4) can be expressed as the following equation (8) (R ′ is a scattering matrix).
[0042]
(Equation 5)
[0043]
Here, since the incident light is linearly polarized light, I 0 = 1, I 90 = I 45 = I C = 0, and from equation (7), a 1 = I 0 ′ + I 90 ′, which is known from the measured data, and is scattered. matrix R 'is, after all the freedom of a 2.
[0044]
As described above, of the four types of polarization component measurement data, three parameters (Φ, Θ, Ψ) of the transfer function matrix T are used for the measurement data of the scattered light returning from the point away from the incident end by the distance Z. ) and if one parameter a 2 is determined in the scattered Mueller matrix M, it can be calculated the the transfer function matrix T (omega).
[0045]
However, while the transfer function matrix T (ω) has 2 rows and 2 columns, the scattering matrix R ′ has 4 rows and 4 columns, and therefore cannot be calculated as it is.
[0046]
Therefore, as shown in the following equation (9), the transfer function matrix T is replaced with a 4-by-4 Mueller matrix M.
[0047]
(Equation 6)
[0048]
When replaced in this way, the elements of the transfer function matrix T and the scattering Mueller matrix M satisfy the following equations (10-1) to (10-16).
[0049]
M11 = (| T11 | 2 + | T12 | 2 + | T21 | 2 + | T22 | 2) / 2 ...... (10-1)
[0050]
M12 = (| T11 | 2 − | T12 | 2 + | T21 | 2 − | T22 | 2 ) / 2 (10-2)
[0051]
M13 = −Re (T11 · T12 * + T22 · T21 * ) (10-3)
[0052]
M14 = −Im (T11 · T12 * −T22 · T21 * ) (10-4)
[0053]
M21 = (| T11 | 2 + | T12 | 2 - | T21 | 2 - | T22 | 2) / 2 ...... (10-5)
[0054]
M22 = (| T11 | 2 - | T12 | 2 - | T21 | 2 + | T22 | 2) / 2 ...... (10-6)
[0055]
M23 = −Re (T11 · T12 * −T22 · T21 * ) (10-7)
[0056]
M24 = −Im (T11 · T12 * + T22 · T21 * ) (10-8)
[0057]
M31 = −Re (T11 · T21 * + T22 · T12 * ) (10-9)
[0058]
M32 = −Re (T11 · T21 * −T22 · T12 * ) (10-10)
[0059]
M33 = Re (T11 · T22 * + T12 · T21 * ) (10-11)
[0060]
M34 = −Im (T11 · T22 * + T21 · T21 * ) (10-12)
[0061]
M41 = −Im (T21 · T11 * + T22 · T12 * ) (10-13)
[0062]
M42 = −Im (T21 · T11 * −T22 · T12 * ) (10-14)
[0063]
M43 = Im (T22 · T11 * −T12 · T12 * ) (10-15)
[0064]
M44 = Re (T22 · T11 * −T12 · T21 * ) (10-16)
[0065]
If the above equation (1) is expressed using this matrix M, the following equation (11) is obtained.
[0066]
Fz = Mz ′ · Rz ′ · Mz (11)
[0067]
When this equation (11) is rewritten using the above equations (8) and (9), the following equation (12) is obtained.
[0068]
(Equation 7)
[0069]
The above equation (12) is a model equation defined for the
[0070]
Thus, three parameters of the one-way transfer function matrix T and one parameter of the scattering matrix R 'in the section 1' of the measured
[0071]
Further, as shown in FIG. 3, the total length of the optical fiber under
[0072]
T m = t m · T m -1, t m = T m · T m-1 -1 ...... (13)
[0073]
That is, if the transfer function matrix T m-1 up to the m-1th and the transfer function matrix T m up to the mth are obtained, the transfer function matrix tm of the mth section is calculated from the above equation (13). it can.
[0074]
The parameter contains the m th interval [Phi m, theta m, the following equation to represent the transfer function matrix t using [psi m (14).
[0075]
(Equation 8)
[0076]
Therefore, the transfer function matrix T n up to an arbitrary n-th section can be expressed by the following equation (15).
[0077]
(Equation 9)
[0078]
By the above calculation, a transfer function matrix of an arbitrary section of the measured
[0079]
Next, parameters included in the elements of the transfer function matrix for light having different wavelengths are obtained by calculation (S3).
[0080]
That is, the transfer
[0081]
Φ m = k 1, m · ω, m m = k 2, m · ω (16)
Here, k 1 and k 2 are coefficients relating the phase and the angular frequency.
Therefore, the m-th first Jones matrix Tm (ω) is represented by the following equation (17).
[0083]
(Equation 10)
[0084]
Further, the second Jones matrix T (ω + Δω) is calculated for each section by the equation (17) using ω + Δω obtained by changing ω by Δω (S4).
[0085]
Then, similarly to
[0086]
(Equation 11)
[0087]
When the distribution of PMD over the entire length of the
[0088]
Next, an embodiment of a PMD measuring apparatus based on the above method will be described.
FIG. 4 shows a configuration of a
[0089]
In FIG. 4, an optical pulse generator 21 excites a semiconductor laser 22 by a pulse signal Ep output from a
[0090]
The
[0091]
For example, as shown in FIG. 5, the backscattered light Ps is attenuated (in some cases, the intensity is increased due to partial reflection) with the passage of time (the traveling distance of the light pulse), and the far end of the optical fiber Greatly attenuates at
[0092]
The
[0093]
For example, as shown in FIG. 6, the polarization
[0094]
The
[0095]
The Stokes parameter acquiring unit 31 outputs the intensity signal I 0 for each polarization component output from the polarization
[0096]
The parameters required for the actual calculation are four parameters (I 0 , I 90 , U, V) including the measured values I 0 , I 90 as shown in the equations (8) and (12). Here, the four parameters including the measured value are also called Stokes parameters.
[0097]
The signal acquisition time is arbitrary depending on the section to be measured. However, when measuring the PMD over the entire length of the
[0098]
The parameter calculating means 32 is defined by a transfer function matrix M including three parameters (Φ, Ψ, Θ) including a parameter having a wavelength dependence, and a scattering Mueller matrix R ′ including at least one parameter (a 2 ). Based on the model equation (12) of the optical fiber to be measured and the four Stokes parameters acquired by the Stokes parameter acquisition means 31, at least one parameter of the transfer function matrix T and at least one parameter of the scattering Mueller matrix Is calculated for each section.
[0099]
That is, the calculation relating to the model equation (12) shown in the above-described PMD measurement method is performed, and four parameters (Φ, Ψ, Θ, a 2 ) are obtained for each section.
[0100]
The first Jones matrix calculating unit 33 calculates the first Jones matrix Tm (ω) for the predetermined wavelength λ, that is, the angular frequency ω, based on the parameters obtained by the parameter calculating unit 32 according to the above equation (17). It is calculated for each section.
[0101]
Further, the second Jones matrix calculating means 34 calculates a value at the angular frequency ω + Δω of the parameter having the wavelength dependence shown in the equation (16) among the parameters calculated by the parameter calculating means 32, and calculates the parameter. The second Jones matrix Tm (ω + Δω) is calculated for each section according to the equation (17).
[0102]
The
[0103]
As described above, in the PMD measuring apparatus and the measuring method of the embodiment, while considering the depolarization of the scatterer in the optical fiber, the four types of Stokes obtained from the backscattered light at a single wavelength and for a single incident polarized light are used. Define a model equation associated with the parameter, calculate a parameter for determining a transfer function matrix of the
[0104]
That is, since the
[0105]
【The invention's effect】
As described above, in the polarization mode dispersion measuring apparatus and the measuring method of the present invention, the depolarization of the scatterer in the optical fiber is taken into consideration, and the optical fiber is obtained from the backscattered light at a single wavelength and for a single incident polarization. A model expression associated with the four types of Stokes parameters is defined, and a parameter for determining a transfer function matrix of the optical fiber at the angular frequency ω of light is defined based on the model expression and a Stokes parameter obtained from measurement data. The first Jones matrix at the angular frequency ω is calculated for each section based on the calculated parameters, the parameter for the angular frequency ω + Δω of light is calculated, and the second Jones for the matrix is calculated. A matrix is obtained for each section, and an arbitrary optical fiber is obtained from the two Jones matrices obtained. PMD of the section is calculated.
[0106]
Since the optical fiber is accurately modeled in consideration of the depolarization of the scatterer, necessary parameters can be calculated with only a single wavelength and only a single incident polarization. The polarization mode dispersion in an arbitrary section of the fiber can be accurately measured in a short time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a procedure of a polarization mode dispersion measuring method according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram modeling an optical fiber. FIG. 3 is a diagram for explaining a method for obtaining polarization mode dispersion in an arbitrary section. FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a polarization mode dispersion measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a change in intensity of backscattered light with respect to time. FIG. FIG. 7 is a diagram showing a configuration example. FIG. 7 is a diagram for explaining the influence of polarization mode dispersion.
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記光パルスを被測定光ファイバの一端側に入射し、該入射した光パルスに対して前記被測定光ファイバの一端側から出射される後方散乱光を前記光パルスの入射光路と異なる光路から出射させる方向性結合器(25)と、
前記方向性結合器から出射された後方散乱光を受けて、前記被測定光ファイバの区間毎の4つのストークスパラメータを測定するストークスパラメータ測定手段(26、31)と、
波長依存性を有するパラメータを含み3つのパラメータからなる伝達関数行列と少なくとも1つのパラメータからなる散乱ミュラー行列とで定義される前記被測定光ファイバのモデル式と、前記4つのストークスパラメータとに基づいて、前記伝達関数行列の要素に含まれる3つのパラメータと前記散乱ミュラー行列の要素に含まれる少なくとも1つのパラメータを区間毎に算出するパラメータ算出手段(32)と、
前記パラメータ算出手段によって算出されたパラメータに基づいて、区間毎の第1のジョーンズマトリクスを求める第1のジョーンズマトリクス算出手段(33)と、
前記パラメータ算出手段によって算出されたパラメータに基づいて、前記所定波長と異なる波長における区間毎の第2のジョーンズマトリクスを求める第2のジョーンズマトリクス算出手段(34)と、
前記第1のジョーンズマトリクスと前記第2のジョーンズマトリクスとに基づいて、前記被測定光ファイバの任意の区間の偏波モード分散を算出する偏波モード分散算出手段(35)とを備えた光ファイバの偏波モード分散測定装置。An optical pulse generator (21) for emitting a linearly polarized optical pulse at a predetermined wavelength;
The light pulse is incident on one end of the optical fiber to be measured, and backscattered light emitted from one end of the optical fiber to be measured is emitted from an optical path different from the incident optical path of the optical pulse with respect to the incident optical pulse. A directional coupler (25) for causing
Stokes parameter measuring means (26, 31) for receiving backscattered light emitted from the directional coupler and measuring four Stokes parameters for each section of the measured optical fiber;
Based on a model equation of the measured optical fiber defined by a transfer function matrix including three parameters including a parameter having wavelength dependence and a scattering Mueller matrix including at least one parameter, and based on the four Stokes parameters Parameter calculating means (32) for calculating, for each section, three parameters included in the elements of the transfer function matrix and at least one parameter included in the elements of the scattering Mueller matrix;
First Jones matrix calculating means (33) for obtaining a first Jones matrix for each section based on the parameters calculated by the parameter calculating means;
A second Jones matrix calculating means (34) for obtaining a second Jones matrix for each section at a wavelength different from the predetermined wavelength based on the parameters calculated by the parameter calculating means;
An optical fiber comprising: a polarization mode dispersion calculating means (35) for calculating a polarization mode dispersion of an arbitrary section of the measured optical fiber based on the first Jones matrix and the second Jones matrix. Polarization mode dispersion measuring device.
波長依存性を有するパラメータを含み3つのパラメータからなる伝達関数行列と少なくとも1つのパラメータからなる散乱ミュラー行列とで定義される前記被測定光ファイバのモデル式と、前記4つのストークスパラメータとに基づいて、前記被測定光ファイバの任意の区間の前記所定波長における前記伝達関数行列の要素に含まれる3つのパラメータと前記散乱ミュラー行列の要素に含まれる少なくとも1つのパラメータを算出する段階(S2)と、
前記算出されたパラメータに基づいて、区間毎の第1のジョーンズマトリクスを求める段階(S3)と、
前記算出されたパラメータに基づいて、前記所定波長と異なる波長における区間毎の第2のジョーンズマトリクスを求める段階(S4)と、
前記第1のジョーンズマトリクスと前記第2のジョーンズマトリクスとに基づいて、前記被測定光ファイバの任意の区間の偏波モード分散を算出する段階(S5)とを含む光ファイバの偏波モード分散測定方法。A linearly polarized optical pulse having a predetermined wavelength is incident on one end of an optical fiber to be measured, and four Stokes parameters for each section from the backscattered light emitted from the one end by the optical fiber to be measured with respect to the optical pulse. Measuring (S1);
Based on a model equation of the measured optical fiber defined by a transfer function matrix including three parameters including a parameter having wavelength dependence and a scattering Mueller matrix including at least one parameter, and based on the four Stokes parameters Calculating three parameters included in the elements of the transfer function matrix and at least one parameter included in the elements of the scattering Mueller matrix at the predetermined wavelength in an arbitrary section of the measured optical fiber (S2);
Obtaining a first Jones matrix for each section based on the calculated parameters (S3);
Obtaining a second Jones matrix for each section at a wavelength different from the predetermined wavelength based on the calculated parameters (S4);
Calculating a polarization mode dispersion of an arbitrary section of the optical fiber under test based on the first Jones matrix and the second Jones matrix (S5). Method.
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