JP2006343226A

JP2006343226A - 光ファイバの波長分散測定方法及び装置

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Publication number: JP2006343226A
Application number: JP2005169587A
Authority: JP
Inventors: Fumihiko Ito; 文彦伊藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2025-06-09
Also published as: JP4568177B2

Abstract

【課題】本発明の課題は、レイリー後方散乱光を観測し、非破壊で光ファイバの波長分散を距離の関数として求めることにより、高出力な光源を必要とせず、コスト性に優れた光ファイバの波長分散測定方法及び装置を提供することにある。
【解決手段】本発明は、光ファイバの波長分散の長さ方向に対する分布の測定を行う波長分散測定方法であって、光ファイバの一端より光パルスを入射しレイリー後方散乱光強度を入力端からの距離の関数として観測し、観測したレイリー後方散乱光強度の各距離における統計的な平均と分散を算出し、算出したレイリー後方散乱光強度の各距離における統計的な平均と分散から、光ファイバの各距離における波長分散を算出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバの波長分散の長さ方向に対する分布の測定を行う波長分散測定方法及び装置に関するものである。

光ファイバや光導波路を用いた光通信システムにおいて、光ファイバの分散は伝播時の信号波形のひずみを招くなど光通信システムの特性に大きな影響を与えるため、測定によって光ファイバ等の分散を知ることは通信システム設計上欠かせない事項である。特に、実際のシステム運用や試験時においては、光ケーブルを設置した状態で、光ファイバの分散の長さ方向に対する分布の測定を行うことが必要になるケースが多い。このように、非破壊で光ファイバの分散の長さ方向に対する分布の測定を行う手法としては、従来例えば非特許文献１において記載されている、光ファイバ中の４光波混合を利用した方法がある。しかしながら、この従来の手法は、光ファイバ内の非線形光学効果を利用する必要があることから、大きな強度のレーザ光を必要とすること（上記非特許文献１では１Ｗ程度のレーザ光により測定系が構築されている）、などの欠点を有していた。

L.F.Mollenauer et al."Method for facile and accurate measurement of optical fiber dispersion maps",OPTICS LETTERS,VOL.21,NO.21,pp.1724-1726(November 1996)

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、レイリー後方散乱光を観測し、非破壊で光ファイバの波長分散を距離の関数として求めることにより、高出力な光源を必要とせず、コスト性に優れた光ファイバの波長分散測定方法及び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は、光ファイバの波長分散の長さ方向に対する分布の測定を行う波長分散測定方法であって、光ファイバの一端より光パルスを入射しレイリー後方散乱光強度を入力端からの距離の関数として観測するレイリー後方散乱光強度観測ステップと、前記レイリー後方散乱光強度観測ステップで観測したレイリー後方散乱光強度の各距離における統計的な平均と分散を算出する平均及び分散算出ステップと、前記平均及び分散算出ステップで算出したレイリー後方散乱光強度の各距離における統計的な平均と分散から、光ファイバの各距離における波長分散を算出する波長分散算出ステップとを有することを特徴とする。

また本発明は、前記した光ファイバの波長分散測定方法であって、レイリー後方散乱光強度の各距離における統計的な平均と分散から、光ファイバの所定の距離までの累積的な波長分散を算出する累積的波長分散算出ステップと、前記累積的波長分散算出ステップで算出した累積的な波長分散を距離に対して微分することにより、各距離における波長分散を求める微分ステップとを有することを特徴とする。

また本発明は、光ファイバの波長分散の長さ方向に対する分布の測定を行う波長分散測定装置であって、光ファイバの一端より光パルスを入射しレイリー後方散乱光強度を入力端からの距離の関数として観測するレイリー後方散乱光強度観測手段と、前記レイリー後方散乱光強度観測手段で観測したレイリー後方散乱光強度の各距離における統計的な平均と分散を算出する平均及び分散算出手段と、前記平均及び分散算出手段で算出したレイリー後方散乱光強度の各距離における統計的な平均と分散から、光ファイバの各距離における波長分散を算出する波長分散算出手段とを有することを特徴とするものである。

また本発明は、前記した光ファイバの波長分散測定装置であって、レイリー後方散乱光強度の各距離における統計的な平均と分散から、光ファイバの所定の距離までの累積的な波長分散を算出する累積的波長分散算出手段と、前記累積的波長分散算出手段で算出した累積的な波長分散を距離に対して微分することにより、各距離における波長分散を求める微分手段とを有することを特徴とするものである。

本発明は、公知の技術であるＯＴＤＲ（ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｒｅｃｔｍｅｔｒｙ）技術をベースとする。即ち、光パルスを光ファイバに入力し、光ファイバで生じるレイリー散乱光（反射光）を観測する。観測されるレイリー散乱光は、光ファイバの材料の特性や入力される光パルス幅等によって決定される統計的な強度揺らぎを有する。本発明は、この統計的な強度揺らぎと、光パルスが光ファイバへ入力された後に経験した波長分散量との関係を定量的に明らかにすることにより、レイリー散乱光の統計的揺らぎを観測することによって光ファイバの波長分散分布を決定する手法を与えることを特徴とする。

本発明は、レイリー後方散乱光を観測することにより、光ファイバの波長分散を距離の関数として求めることが出来る。従来の手法のような４光波混合を光ファイバ内で生じせしめる方法が１Ｗ程度の光入力を必要としていたのに対して、本発明は、一般に数ｍＷから数十ｍＷの入力光でも十分に観測が可能であり、高出力な光源を必要としないコスト性に優れた分散測定方法及び装置を提供する。

本発明は、従来の方法とは根本的に原理の異なる方法により、非破壊で光ファイバの分散の長さ方向に対する分布の測定を行う手法を新たに提供する。

以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態例に係る光ファイバの波長分散測定装置を示す構成説明図である。図１において、１は光パルス発生装置でありパルス幅Ｔ_０なるコヒーレントな光パルスを発生する。例えばＴ_０＝５０ｐｓ（ピコ秒），波長λ＝１．５５μｍ，スペクトル広がり０．２ｎｍ程度の光パルスを発生する。光パルス発生装置１として具体的に採用可能な装置は数多くあり、例えばモードロックレーザにより発生される光パルスにより実現可能であり、または連続発信する半導体レーザ光を変調することにより実現することも可能である。光パルス発生装置１は、トリガ発生装置１０によって制御され、トリガが到着するたびに１つの光パルスを発生する。２は本実施形態例装置により波長分散を測定する被測定光ファイバである。３は光サーキュレータであり、被測定光ファイバ２において生じたレイリー後方散乱光（入力光パルスとは逆方向に進む反射光）を分離してフォトディテクタ４に導く。フォトディテクタ４は、光パルス幅Ｔ_０と同等の帯域を有し、瞬時時刻のレイリー後方散乱光の電界振幅の二乗に比例する電流を出力する。光サーキュレータ３は、この部分における光損失を許容すれば、単に光カプラによって代替することも可能である。５はフォトディテクタ４からの出力電気信号を増幅する増幅器であり、６は適切な帯域幅をもつバンドパスフィルタであり、例えば、光パルス幅Ｔ_０が５０ｐｓ（ピコ秒）程度のときには帯域２０ＧＨｚ程度である。５，６は本発明に必須の構成要素ではないが、電気信号の信号対雑音比が適切になるように選択されることが望ましい。

７はデータサンプリング装置であり、トリガ発生装置１０により光パルス発生装置１と同期が取られる。すなわち、データサンプリング装置７は、光パルス発生装置１によって生じた光パルスが被測定光ファイバ２の入射端に達した時刻よりサンプリング動作を開始し、瞬時時刻のレイリー後方散乱光強度を時間の関数としてサンプリングし、データとして蓄積する。光パルスが被測定光ファイバ２の入射端に達した時刻からの時間ｔは、被測定光ファイバ２内での光の速度をｖとすると、被測定光ファイバ２の入射端からの距離ＬとＬ＝ｖｔなる関係があり、従ってデータサンプリング装置７は、レイリー後方散乱光強度を被測定光ファイバ２の入射端からの距離の関数としてテーブル化し保持することになる。なお、この時のデータサンプリング装置７におけるサンプリング周期は、光パルス幅Ｔ_０と同程度かそれよりも大きくする。レイリー後方散乱光の強度は理論的に光パルス幅Ｔ_０よりも速く変動することはないため、サンプリング周期を光パルス幅Ｔ_０よりも小さくすることは意味がないからである。

以上の観測は繰り返し行われる。すなわち、トリガ発生装置１０は、被測定光ファイバ２のもう一方の端に光パルスが到達するのを待ってから繰り返しトリガを生成し、繰り返し同様の観測を行い、データサンプリング装置７は、その都度レイリー後方散乱光強度を被測定光ファイバ２の入力端からの距離を関数としてテーブル化し保存する。

８は、前記観測により収集したレイリー後方散乱光の強度データの、各距離における統計的な平均と分散を求める計算装置である。

９は、計算装置８によって求めたレイリー後方散乱光強度の各距離における統計的な平均と分散を用いて、被測定光ファイバ２の所定距離までの累積的な波長分散を算出する計算装置である。

１１は、計算装置９によって求めた所定距離までの累積的な波長分散を距離に対して微分することによって、各距離における被測定光ファイバ２の波長分散を求める計算装置である。

このように収集されたレイリー後方散乱光の強度情報から、光ファイバの各距離における波長分散を求めるにあたっては、以下に示す知見を必要とする。

第１の知見は、レイリー後方散乱光の統計的性質に関するものである。パルス幅（半値全幅）がＴ_０であり、ピークにおける振幅が１なる光パルス

を光ファイバに入射した場合に、入射端の近くで観測されるレイリー後方散乱光の電界振幅の平均μ並びに分散σ^２は次式で与えられる。（単に「分散」と表記した場合は、統計学上において標準偏差の２乗として定義される量を表し、「波長分散」とは区別する。）

第２の知見は、光ファイバの波長分散が非零であるときには、光パルスが入射端から進行するにしたがって、光パルス幅が増大することに関するものである。この時のパルス幅Ｔ（Ｌ）は、距離ｘにおける光ファイバの伝播定数βの２次微分

と以下の関係にある。

β_２（ｘ）と波長分散Ｄ（ｘ）は、

なる関係があるので、式（４）は以下のようになる。

この場合のレイリー後方散乱光強度の統計的な分散は、以下であらわされる。

式（２）と式（６）から、

Ｌ＝０においては、

であるから、式（７），式（８）より、

式（９）に式（５）を代入し

について解くことにより、

を得る。以上により、レイリー後方散乱光強度に関する統計的なパラメータである平均強度や分散と、距離Ｌにおける光ファイバの累積波長分散

との関係が明らかとなった。

以上の関係式は、入力光パルスが式（１）で与えられるようなガウシアン波形である場合に近似的に成り立つものであり、一定の精度で光ファイバの波長分散を計算することが出来る。光パルスが厳密なガウシアン波形ではない場合にも多くの場合は利用することが出来るが、更に厳密な数式的考察により、任意の光パルス波形についてより精度が高い計算式を導出することも可能である。

以上の知見から、データサンプリング装置７によって収集された光ファイバ内の各距離に対応したレイリー後方散乱光強度を用いて、以下のステップを踏むことにより、各距離における波長分散を求めることが出来る。

（１）各距離に対応したレイリー後方散乱光強度の平均と分散を算出するステップ
（２）距離Ｌにおいて算出された平均と分散を用いて、距離Ｌまでの累積波長分散を算出するステップ
（３）距離Ｌまでの累積波長分散をＬに対して微分することにより、距離Ｌにおける波長分散を求めるステップ

なお、本発明は、上記実施形態例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の実施形態例に係る光ファイバの波長分散測定装置を示す構成説明図である。

符号の説明

１…光パルス発生装置、２…被測定光ファイバ、３…光サーキュレータ、４…フォトディテクタ、５…増幅器、６…バンドパスフィルタ、７…データサンプリング装置、８…各距離における統計的な平均と分散を求める計算装置、９…累積波長分散を算出する計算装置、１０…トリガ発生装置、１１…累積波長分散を微分する微分装置。

Claims

光ファイバの波長分散の長さ方向に対する分布の測定を行う波長分散測定方法であって、
光ファイバの一端より光パルスを入射しレイリー後方散乱光強度を入力端からの距離の関数として観測するレイリー後方散乱光強度観測ステップと、
前記レイリー後方散乱光強度観測ステップで観測したレイリー後方散乱光強度の各距離における統計的な平均と分散を算出する平均及び分散算出ステップと、
前記平均及び分散算出ステップで算出したレイリー後方散乱光強度の各距離における統計的な平均と分散から、光ファイバの各距離における波長分散を算出する波長分散算出ステップと
を有することを特徴とする光ファイバの波長分散測定方法。
請求項１に記載の光ファイバの波長分散測定方法であって、
レイリー後方散乱光強度の各距離における統計的な平均と分散から、光ファイバの所定の距離までの累積的な波長分散を算出する累積的波長分散算出ステップと、
前記累積的波長分散算出ステップで算出した累積的な波長分散を距離に対して微分することにより、各距離における波長分散を求める微分ステップと
を有することを特徴とする光ファイバの波長分散測定方法。
光ファイバの波長分散の長さ方向に対する分布の測定を行う波長分散測定装置であって、
光ファイバの一端より光パルスを入射しレイリー後方散乱光強度を入力端からの距離の関数として観測するレイリー後方散乱光強度観測手段と、
前記レイリー後方散乱光強度観測手段で観測したレイリー後方散乱光強度の各距離における統計的な平均と分散を算出する平均及び分散算出手段と、
前記平均及び分散算出手段で算出したレイリー後方散乱光強度の各距離における統計的な平均と分散から、光ファイバの各距離における波長分散を算出する波長分散算出手段と
を有することを特徴とする光ファイバの波長分散測定装置。
請求項３に記載の光ファイバの波長分散測定装置であって、
レイリー後方散乱光強度の各距離における統計的な平均と分散から、光ファイバの所定の距離までの累積的な波長分散を算出する累積的波長分散算出手段と、
前記累積的波長分散算出手段で算出した累積的な波長分散を距離に対して微分することにより、各距離における波長分散を求める微分手段と
を有することを特徴とする光ファイバの波長分散測定装置。