JP2008009036A - 単一モード光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数の評価方法及び評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一モード光ファイバで構成される光ファイバ伝送路において単一モード光ファイバの実効ラマン利得係数を片端から、かつ簡単に評価できる単一モード光ファイバの実効ラマン利得係数評価装置を提供することにある。
【解決手段】単一モード光ファイバ伝送路１６に波長λpの励起光パワーＰ_P1と波長λのＯＴＤＲ光をＷＤＭカップラーで合波して入射したときに、単一モード光ファイバ１６の任意の位置ｚでの後方散乱光強度Ｓ１（λ，ｚ，Ｐ_p1）と、励起パワーをＰ_P２に変化させた場合の後方散乱光強度Ｓ２（λ，ｚ，Ｐ_p2）とを測定する後方散乱光強度測定器１１とそれらの後方散乱光強度差と励起光波長λpでの損失係数、励起光パワーの差（Ｐp1−Ｐp2）を用い、単一モード光ファイバ１６の実効ラマン利得係数を演算する解析装置及び／又は調整用コンピュータ装置とを有するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は単一モード光ファイバの実効ラマン利得係数の評価法及び評価装置に関し、特に、接続された複数の光ファイバで構成される光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数の評価法、及び装置に関する。

昨今、インターネットサービスの急速な普及により、トラフィック量が急増しており、そのトラフィックを処理するために波長多重技術（ＷＤＭ）が用いられている。また、低損失光ファイバ、低損失波長帯を利用した波長域の開拓及び増幅技術の開発に伴い、光ファイバによる長距離伝送化が、さらに低コストで効率的な伝送を行うための低損失無中継伝送システムが検討され、光ファイバ伝送路を増幅媒体とする広帯域な光増幅技術の適用も考検討されている。

このような単一モード光ファイバ伝送路を用いた通信システムにおいて、分布ラマン増幅（Distributed Raman Amplifier：DRA）技術の開発が進んでいる。ラマン増幅とは石英ガラスで構成される光ファイバに信号光と、信号光より周波数が高い励起光とを同時に入力すると、石英ガラス中の誘導ラマン散乱現象により、励起光のエネルギーの一部が信号光に移る、即ち信号光が増幅される現象である。

分布ラマン増幅とは、光ファイバ伝送路自体を増幅媒体として用い、その伝送路に励起光を入射することによりラマン増幅効果を得る方法である。分布ラマン増幅を適用した光ファイバ伝送システムでは、伝送路の伝搬損失がラマン増幅で補償されるため、伝送可能距離を伸すことができる。

以下、従来の光伝送システムにおける測定方法について説明する。ラマン利得係数とは、各ファイバについて送信光のパワー１Ｗに対し、受信側で得られた利得を示すパラメータとして用いられる。

従来の実効ラマン利得係数の評価技術について説明する。伝送路自体を増幅媒体とする分布ラマン増幅のラマン利得係数の測定は、従来は、図６のような構成で行われてきた。図６は、従来のラマン利得係数測定方法例の構成図である。ここでは、ラマン利得係数の測定に用いられる信号光をテスト光と呼ぶ。伝送路の一方の端にテスト光源３１を備え、他方の端に励起光波長とテスト光波長を合分波するＷＤＭ(wavelength division multiplexer)カプラ３２を備える。ＷＤＭカプラ３２の励起光波長ポートに励起光源３３を備え、テスト光波長ポートにはテスト光パワーを測定するための受光器３４を備える。

受光器３４としては、たとえば光スペクトラムアナライザ、光パワーメータ等を用いる。テスト光を伝送路３６に入力し、励起光源出力を停止した状態で受光器にて検出されるテスト光パワーＰ１を測定する。次に励起光源を出力させた状態で受光器にて検出されるテスト光パワーＰ２を測定する。Ａは測定端３５を示す。デシベル表示でＰ２からＰ１を減算することで、テスト光が受けたラマン利得を求める。この利得を励起光出力パワーおよび実効断面積で除算することで、実効ラマン利得係数を算出する。

図７は、特許文献１に示されている実効ラマン利得係数を測定する別の方法を示す。
特許文献１では、光ファイバ伝送路４７に分布ラマン増幅を適用し信号光を増幅伝送する工程と、前記光ファイバ伝送路への励起光の出力を調整する励起光調整工程と、前記励起光を出力および停止した状態について前記光ファイバの伝播損失を時間領域光反射法（ＯＴＤＲ４５）によるテスト光によって測定する測定工程と、前記二状態における伝播損失の差分をもとに前記光ファイバのラマン利得を算出する算出工程を備える。

この方法は、光ファイバの一端に励起光が供給された前記光ファイバのラマン利得を測定する測定装置において、前記励起光を出力した状態における第１の戻り光パワーと、前記励起光を停止した状態における第２の戻り光パワーとの比が一定となる、前記光ファイバの他端を除く点における前記第１及び第２の戻り光パワーに基づいて、前記光ファイバの全長で生じるラマン利得を測定することを特徴とした方法である。尚、４１は励起光源、４２はＷＤＭ、４３は波長フィルタ、４４は光アッテネータ、Ａは測定端４６である。

しかしながら、この方法では、励起光のパワーを調整することが必要となり、測定におけるあいまいさがあり、また、任意の点での実効ラマン利得係数の分布が評価できない。
特開２００４−２４０４６１号公報

実効ラマン利得係数測定の際、従来手法では、伝送路の両端に測定器、光源、及び作業者を配置して作業をしなければならないので、作業性が悪かった。このため、伝送路の一方の端での作業のみで実効ラマン利得係数を簡便に測定する手段が求められていた。

また、ＯＴＤＲを用いた片端で測定する方法も提案されているが、その評価法においては、励起光を入れた場合と入れない場合において、戻り光パワーが一定になるように励起光入力を調整する必要があり、測定精度の向上が求められていた。

主な第１の解決手段は、励起光パワーＰ_p1が供給された単一モード光ファイバ伝送路の任意の位置ｚからの後方散乱光Ｓ１(λ,z,P_p1) (単位はdB)と、励起光パワーＰ_p2の場合の前記位置ｚからの後方散乱光Ｓ２(λ,z,P_p２)との差値と、前記励起光の波長λ_pにおける損失係数α_pの値との相関において、実効ラマン利得係数ｇ_Ｒ/Ａ_eff (ｇ_R：ラマン利得、Ａ_eff：実効断面積)として評価することを特徴とする単一モード光ファイバ伝送路の実効的ラマン利得係数の評価方法とする。

更には、波長λ_pの励起光パワーＰ_p1が供給された単一モード光ファイバ伝送路の任意の位置ｚからの後方散乱光Ｓ１(λ,z,P_p1)、励起光パワーＰ_p2の場合の前記位置ｚからの後方散乱光Ｓ２(λ,z,P_p２)および前記励起光の波長λ_pにおける損失係数α_pの値を用い、当該単一モード光ファイバ伝送路の任意の位置ｚにおける実効ラマン利得係数ｇ_Ｒ/Ａ_eff 式（１）に示す関係式より評価することにより、前記課題を解決する手段としている。

主な第２の解決手段は、実効ラマン利得係数ｇ_Ｒ/Ａ_eff とを評価する際、波長λ_pの励起光パワーＰ_p1が供給された単一モード光ファイバ伝送路の任意の位置ｚからの後方散乱光Ｓ１(λ,z,P_p1)と励起光パワーＰ_p2の場合の前記位置ｚからの後方散乱光Ｓ２(λ,z,P_p２)が相互作用長Ｌ_effが式（２）で示す関係式により記述できることより、この比例定数を求めることによって実効ラマン利得係数ｇ_Ｒ(z)/Ａ_eff を求めることを、課題を解決する手段としている。

また、測定装置としても、ＯＴＤＲ装置、励起光源、信号光と励起光とを合波するＷＤＭ合分波器、波形解析装置及び／又はこれらを調整するコンピュータから構成される、きわめて簡単な装置構成で、前記課題を解決することができる。

本発明によれば、従来評価不可能であった敷設後の複数の光ファイバで構成される単一モード光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数を片端からかつ短時間に評価できるといった効果を奏する。

また、本発明を用いることにより、現場（中継点又は工場など）での位置で、実効ラマン利得係数が測定可能であり、機能としても簡易化されているので持ち運びなど利便性があり、簡単な装置構成で、簡単な評価法で実効ラマン利得係数を測定できる。

以下に本発明の第１実施例について、図を用いて説明する。

（実施例１）
本発明の第１の実施例では、単一モード光ファイバもしくは光伝送路の任意の位置ｚにおける実効ラマン利得係数の評価手順について説明する。
図１は本発明による単一モード光ファイバ伝送路１６の実効ラマン利得係数の評価装置の構成を示す概略図である。本発明による単一モード光ファイバ伝送路１６の実効ラマン利得係数の評価装置は、後方散乱光強度測定装置１１、後方散乱光強度波形解析装置１２、励起用光源１３、光合分波器１４により構成される。

また、図２は、コンピュータを装備した場合の本発明１実施例装置の概略図である。普通には、図１の後方散乱光強度波形解析装置１２に演算機能を装備しているが、さらに、コンピュータ１７を設置し、測定した数値の記録、演算式による演算機能、各装置の調整機能を備える装置とすることもできる。

後方散乱光強度測定装置１１は、通常のＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）と同様の機能を有し、少なくとも１波長以上の測定光源を有する。後方散乱光強度測定装置１１では、長さＬｋｍの被測定単一モード光ファイバ、もしくは光ファイバ伝送路に波長λの測定パルス光を、測定端Ａに入射し、また、同時に、波長λpの連続光の励起光Ｐp(W)を入射し、該単一モード光ファイバもしくは単一モード光ファイバ伝送路の位置ｚからの後方散乱光強度、Ｓ(λ,z,P_p)（単位：dB）を測定する。

一方、後方散乱光強度波形解析装置では、以下に示す手順により、当該単一モード光ファイバ、もしくは単一モード光ファイバ伝送路の位置ｚにおける実効ラマン利得係数を評価する。散乱光までの距離ｚの位置は、ＯＴＤＲからの信号光である光パルスを被測定光ファイバに入射させ、各散乱点から戻ってくる反射光をＯＴＤＲで検出し、入射光と反射光の時間差から評価する。

まず、入射端から距離ｚにおける信号光パワーＰ_s(z)は次式の結合方程式を解くことによって求めることができる。

ここで、Ａ_effは励起光と信号光とが相互作用する実効的な断面積であり、ｇ_Rはラマン利得係数である。また、α_pおよびα_sはそれぞれ励起波長および信号波長における損失係数を表している。境界条件としてＰ_P(0)＝Ｐ_Pを与えて、式（４）を解くと

式（５）を式（４）に代入して、境界条件としてP_s(0)=P_sを与えて、実効ラマン係数ｇ_R/Ａ_effが定数であると仮定して、信号光パワーＰ_s(z)を求めると、

ここで、

は相互作用長を表しており、式（７）のように距離ｚの関数として定義されている。

したがって、式（６）は、

式（８）は、任意の距離ｚにおける励起光に増幅された信号光のパワーを表す。

さて、ここで、ＯＴＤＲの測定原理に戻って距離ｚから後方に散乱される信号光について考える。
ｚ＝ｚでの信号光パワーＰs(z)は後方にαsＢ(z)Ｐs(z)分だけ散乱されるが、その散乱パワーと励起光とが相互作用をすることにより、式（８）と同様な増幅作用を経験しながら、入射端のほうに散乱パワーは増幅されながら伝搬する。したがって、任意の位置ｚから後方に散乱される後方散乱光パワーＰ_s(z)は次式で記述できる。

ここで、αは散乱係数、Ｂ(z)は次式で定義される捕獲率を示す。

また、励起光がない場合には、式（９）でＰ_p(0)＝0とおくと、よく知られた方程式が得られる。

そこで、これらの関係式を利用した実効ラマン利得係数を求める方法を述べる。励起波長λ_pの励起パワーＰ_p1を供給した単一モード光ファイバあるいは単一モード光ファイバ伝送路にＯＴＤＲで、励起光と同じ片端から測定された後方散乱光強度をＳ１(λ,z,P_p1) (=10log(P(z))，単位：dB)とすると次式で表せる。

一方、励起光がパワーをＰ_p2と変化させた場合、測定される後方散乱光強度をＳ２(λ,z,P_p２)は、

したがって、式（１２）と式（１３）より、励起パワーを変化させた場合の後方散乱光強度を測定することにより、次式より実効ラマン利得係数をもとめることができる。

したがって、実効ラマン利得係数は次式で求めることができる。

式（１５）より、励起パワーを変化させて測定した後方散乱光と励起波長λ_pでの損失係数α_pを測定することにより実効ラマン利得係数を評価することができる。

また、一方、式（１４）から、励起光パワーを変化させた場合の後方散乱光強度の差（Ｓ１(λ,z,P_p1)−Ｓ２(λ,z,P_p２)）は相互作用長Ｌ_effに正比例することがわかる。したがって、後方散乱光強度の差と相互作用長Ｌ_effの関係から、比例定数Ｋは最小二次近似法を用いて次式で求めることができる。

これより、実効ラマン利得係数は、次式から簡単に求めることができる。

（実施例２）
以下では、本発明による単一モード光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数の評価例について図表を用いて説明する。
後方散乱光強度測定装置は波長１５５５ｎｍの測定光源を有する。本実施では長さ２２ｋｍの１．３μｍ帯零分散ファイバ（ファイバＡ）と長さ２２ｋｍのノンゼロ分散シフトファイバ（ファイバＢ）を用いた。

図３に、ファイバＢに対して、励起光を入射した場合としない場合についての後方散乱光波形を示す。測定した光ファイバのパラメータは表１に示す。また、測定波長は１５５５ｎｍで、ＯＴＤＲは計の平均化時間は５分である。図３の破線は、励起光を入射していない場合の波形である。また、実線は、励起光を入射した場合の波形で、励起パワーがＰ_P2＝２４ｍＷとＰ_P1＝３３ｍＷの場合について示す。図からわかるように、励起光を入射していない場合には、後方散乱光強度はファイバ長とともに対数的に直線的に減少しているのがわかる。一方、励起光を入射すると、ＯＴＤＲ波形が変化しているのが明確に観測できる。この差が、ラマン散乱の影響である。

この時の、波長λ＝１５５５ｎｍにおける、測定端Ａからの後方散乱光強度波形、それぞれＳ１(λ,ｚ,P_p1)及びＳ２(λ,ｚ,P_P2)を測定し、後方散乱光強度波形解析装置を用い、実施例１に記載の手順により被測定光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数を評価した。

表１に、図１に示した評価系で用いた各単一モード光ファイバの特性を示す。尚、表中の特性は、各単一モード光ファイバを接続前に、従来技術により当該光ファイバの一端、もしくは全長の平均値として評価した値を示す。

図４にファイバＡおよびファイバＢに対して波長λ＝１５５５ｎｍにおける実効ラマン利得係数を、前記、関係式（１６）を用いて評価した結果を示す。図４より、ファイバＡ及びＢの実効ラマン利得係数は、従来技術による評価結果と良く一致していることが分かる。

図３よりわかるように、ファイバＡとファイバＢとの実効ラマン利得係数にちがいがあることが明確に分かる。これは、ファイバＢの方が、比屈折率差ΔがファイバＡに比べて大きくかつモードフィールド径が小さいことによる。また、ここで評価された値は、Ｓｔｕａｒｔ Ｇｒａｙによる研究発表(Stuart Gray; Raman gain measurements in optical fibers, SOFM, pp. 151-154, September 2000）で示されている値とよく一致しているのがわかる。

図５は、横軸（ｘ）に相互作用長（L_eff）と縦軸（ｙ）に後方散乱パワー差との相関関係を示し、ファイバＢに関して、関係式（１４）に基づいて、Ｓ１(λ,z,P_p1)−Ｓ２(λ,z,P_p２)とＬ_effの関係を示す。この図の傾きＫは式（１６）で与えられるので、式（１７）から実効ラマン係数を求めることができる。この図では、直線状を形成し、次の一次方程式が成り立つ。
ｙ＝−０．４４０３２＋０．１４１０７ｘ (１８)

上記のように、本発明によれば、従来評価不可能であった敷設後の複数の光ファイバで構成される単一モード光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数を片端からかつ短時間に評価でき、また、本発明を用いることにより、現場（中継点又は工場など）での位置で、実効ラマン利得係数が測定可能であり、機能としても簡易化されているので持ち運びなど利便性があり、簡単な装置構成で、簡単な評価法で実効ラマン利得係数を測定できる。

本発明による単一モード光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数評価装置の構成を示す概略図である。 単一モード光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数評価装置にコンピュータを備えた本発明の第１実施例の装置の概略図である。 本発明の第２実施例におけるファイバＢの、励起光パワーＰpを３３ｍＷ、２６ｍＷおよび０ｍＷの場合の後方散乱光波形を示す図である。 本発明の第２実施例におけるファイバＡおよびファイバＢの実効ラマン利得係数の評価結果を示す図である。 本発明の第２実施例におけるファイバＢのラマン利得係数の評価法を示す図である。 従来のラマン利得及びラマン利得効率測定方法例の構成図である。 従来の別のラマン利得及びラマン利得効率測定方法例の構成図である。

符号の説明

１１ 後方散乱光強度測定装置
１２ 後方散乱光強度波形解析装置
１３ 励起用光源
１４ ＷＤＭカップラー
１５ 測定端Ａ
１６ 被測定単一モード光ファイバもしくは光ファイバ伝送路
１７ コンピュータ
３１ テスト光源
３２ 励起用光源
３３ ＷＤＭカップラー
３４ 受光器
３５ 測定端Ａ
３６ 被測定単一モード光ファイバもしくは光ファイバ伝送路

Claims (8)

1. 励起光パワーＰ_p1が供給された単一モード光ファイバ伝送路の任意の位置ｚからの後方散乱光Ｓ１(λ,z,P_p1) (単位はdB)と、励起光パワーＰ_p2の場合の前記位置ｚからの後方散乱光Ｓ２(λ,z,P_p２)とを測定し、その差分値を計測し、前記励起光の波長λ_pにおける損失係数α_pの値との相関において、実効ラマン利得係数ｇ_Ｒ/Ａ_eff (ｇ_R：ラマン利得、Ａ_eff：実効断面積)として評価することを特徴とする単一モード光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数の評価方法。
2. 励起光パワーＰ_p1が供給された単一モード光ファイバ伝送路の任意の位置ｚからの後方散乱光Ｓ１(λ,z,P_p1) (単位はdB)、励起光パワーＰ_p2の場合の前記位置ｚからの後方散乱光Ｓ２(λ,z,P_p２)とを計測し、その差分値を計測し、および前記励起光の波長λ_pにおける損失係数α_pの値を入力し、
   

   

   を用いて演算し、実効ラマン利得係数ｇ_Ｒ/Ａ_eff (ｇ_R：ラマン利得、Ａ_eff：実効断面積)を評価することを特徴とする請求項１記載の単一モード光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数の評価方法。
3. 請求項２において、実効ラマン利得係数ｇ_Ｒ/Ａ_effと励起光パワーＰ_p1が供給された単一モード光ファイバ伝送路の任意の位置Ｚ₀からの後方散乱光Ｓ１(λ,z,P_p1)と励起光パワーＰ_p2の場合の前記位置Ｚ₀からの後方散乱光Ｓ２(λ,z,P_p２)の差分値Ｓ１(λ,z,P_p1)−Ｓ２(λ,z,P_p２)が相互作用長Ｌ_effに比例する数（２）の関係から比例定数を求めて演算し、その値から実効ラマン利得係数ｇ_Ｒ/Ａ_effを評価することを特徴とする単一モード光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数の評価方法。
   

   
4. 波長λ_pの励起光パワーＰ_pを供給した単一モード光ファイバ伝送路の位置ｚにおける波長λでの後方散乱光強度Ｓ(λ,z,P_p)を測定する機能と、該後方散乱光強度波形の演算処理を行なう機能とを有し、励起光パワーＰ_p1が供給された単一モード光ファイバ伝送路の任意の位置ｚからの後方散乱光Ｓ１(λ,z,P_p1) (単位はdB)と、励起光パワーＰ_p2の場合の前記位置ｚからの後方散乱光Ｓ２(λ,z,P_p２)とを計測し、その差分値を測定し、前記励起光の波長λ_pにおける損失係数α_pの値との相関において演算し、実効ラマン利得係数ｇ_Ｒ/Ａ_eff (ｇ_R：ラマン利得、Ａ_eff：実効断面積)として評価することを特徴とする単一モード光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数の評価装置。
5. 波長λ_pの励起光パワーＰ_pを供給した単一モード光ファイバ伝送路の位置ｚにおける波長λでの後方散乱光強度Ｓ(λ,z,P_p)を測定する機能と、該後方散乱光強度波形の演算処理を行なう機能とを有し、
   励起光パワーＰ_p1が供給された単一モード光ファイバ伝送路の任意の位置ｚからの後方散乱光Ｓ１(λ,z,P_p1) (単位はdB)、励起光パワーＰ_p2の場合の前記位置ｚからの後方散乱光Ｓ２(λ,z,P_p２)を測定する工程および前記励起光の波長λ_pにおける損失係数α_pの値を入力して
   

   

   を用いて演算する工程を備え、実効ラマン利得係数ｇ_Ｒ/Ａ_eff (ｇ_R：ラマン利得、Ａ_eff：実効断面積)を評価することを特徴とする単一モード光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数の評価装置。
6. 波長λ_pの励起光パワーＰ_pを供給した単一モード光ファイバ伝送路の位置ｚにおける波長λでの後方散乱光強度Ｓ(λ,z,P_p)を測定する機能と、該後方散乱光強度波形の演算処理を行なう機能とを有し、
   励起光パワーＰ_p1が供給された単一モード光ファイバ伝送路の任意の位置ｚからの後方散乱光Ｓ１(λ,z,P_p1) (単位はdB)、励起光パワーＰ_p2の場合の前記位置ｚからの後方散乱光Ｓ２(λ,z,P_p２)を測定する工程および前記励起光の波長λ_pにおける損失係数α_pの値を入力し、相互作用長Ｌ_effに比例する数（４）の関係から比例定数を求めて演算し、その値から実効ラマン利得係数ｇ_Ｒ/Ａ_effを評価することを特徴とする単一モード光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数の評価装置。
   

   
7. 請求項３を実施するために、前記励起波長λ_pにおける損失係数α_pを測定するため手段として、波長λ_pの後方散乱光強度を測定する機能と、該後方散乱光強度波形の演算処理を行なう機能とを有することを特徴とする単一モード光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数の評価装置。
8. 請求項３を実施するために、ＯＴＤＲ装置、励起光源、信号と励起光とを合波するＷＤＭ合分波器、波形解析装置及びこれらを調整するコンピュータとからなる単一モード光ファイバ伝送路の実効ラマン利得係数の評価装置。
   

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