JP2012202827A - Mode coupling measuring method and measuring device for multi-core optical fiber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、1本の光ファイバに複数のコアを設けたマルチコア光ファイバにおけるコア間のモード結合の大きさ、ならびにその長手方向の分布を測定する方法および装置に関するものである。 The present invention relates to a method and apparatus for measuring the size of mode coupling between cores in a multi-core optical fiber in which a plurality of cores are provided in one optical fiber, and the distribution in the longitudinal direction thereof.
グローバルな大容量情報通信インフラを支える今日の光ファイバ伝送路においては、近年の情報トラフィックの急増による入力光パワーの増大に伴い、過剰光パワーによる熱破壊(光ファイバフューズ)や非線形光学効果をはじめとする物理的な限界が指摘されている。今日世界中の基幹系光通信インフラに使用されている光ファイバは、1本のファイバに1つのコアが標準である。しかし最近では、既存の光ファイバの物理的限界を打破するために、1本の光ファイバに複数のコアを設けたマルチコアファイバによる空間多重伝送に高い関心が寄せられている。 In today's optical fiber transmission lines that support global high-capacity information and communication infrastructures, with the increase in input optical power due to the rapid increase in information traffic in recent years, thermal destruction (optical fiber fuse) due to excess optical power and nonlinear optical effects have been introduced. The physical limitations are pointed out. The optical fiber used in the backbone optical communication infrastructure around the world today is standard with one core per fiber. Recently, however, in order to overcome the physical limitations of existing optical fibers, there is a great interest in spatial multiplexing transmission using a multi-core fiber in which a plurality of cores are provided on one optical fiber.
マルチコアファイバの一例として7コアファイバの断面を図1(a),(b)に示す。いずれも中心コアの周りに6つのコアを六角形状に対称に配置した形状となっている。その構造は、図1(a)に示すように同一のクラッド内にGeO2を添加した高屈折率のコアを複数設けたもの(ソリッドコア型マルチコアファイバ)、ならびに図1(b)に示すようにファイバ断面内に空孔クラッドに対し複数のシリカコア(空孔のない部分)を設けたもの(マルチコアフォトニック結晶ファイバ)の2種類がある。 As an example of the multi-core fiber, a cross section of a 7-core fiber is shown in FIGS. All have a shape in which six cores are symmetrically arranged in a hexagonal shape around the central core. As shown in FIG. 1A, the structure includes a plurality of high-refractive-index cores in which GeO 2 is added in the same clad (solid core type multi-core fiber), as shown in FIG. 1B. There are two types (multi-core photonic crystal fiber) in which a plurality of silica cores (portions having no holes) are provided in the fiber cross section in the fiber cross section.
マルチコアファイバを用いた空間多重伝送においては、異なるコア間のモード結合を如何に抑制するかが最も重要な課題である。すなわち、各コアの導波モードはその界分布の裾野がクラッドに浸み出している(エバネセント成分と呼ばれる)ため、これが他コアの界分布と重なると両コアの間でモード結合が生じる。その結果、多数のコアを高密度に設けると、異なるコアを伝搬する信号の間でクロストークが生じてしまう。これがマルチコアファイバの高密度化にとって大きな障害となっている。 In spatial multiplexing transmission using a multicore fiber, the most important issue is how to suppress mode coupling between different cores. That is, since the waveguide mode of each core has its field distribution base oozing into the clad (called an evanescent component), when this overlaps with the field distribution of other cores, mode coupling occurs between the two cores. As a result, when many cores are provided at high density, crosstalk occurs between signals propagating through different cores. This is a major obstacle to increasing the density of multi-core fibers.
コア間のクロストークはマルチコアファイバの重要な評価項目として、これまで多くの報告がある。最近の研究によれば、長手方向に各コアの形状や配置の揺らぎが存在したり、あるいはファイバに曲げを与えると、クロストークが著しく増大することが報告されている(非特許文献1、2)。そのため、コア間のモード結合の大きさと同時にその長手方向の分布を測定することが出来れば、ファイバの基礎伝送特性として極めて有益な知見を得ることが出来る。
There have been many reports on crosstalk between cores as an important evaluation item for multicore fibers. According to recent research, it has been reported that crosstalk significantly increases when fluctuations in the shape and arrangement of the cores exist in the longitudinal direction or when the fiber is bent (Non-Patent
しかしながら、従来のクロストークの測定においては、1つのコアに光を入力して、その出力端において各コアからの出力光パワーを測定し、入力コアから他コアに移行するパワーの大きさからクロストークの評価を行なっていた。そのため、Nコアファイバにおいては、一つのコアに対してN−1回、1芯全体ではN×(N−1)回のクロストークの測定が必要であり、測定が煩雑になるという問題があった。 However, in the conventional crosstalk measurement, light is input to one core, the output optical power from each core is measured at the output end, and the crossing is performed from the magnitude of the power transferred from the input core to the other core. The talk was being evaluated. For this reason, N-core fibers require N-1 times for one core and N × (N-1) times of crosstalk measurement for the entire core, which makes measurement complicated. It was.
さらに、長手方向にわたるモード結合係数の分布を評価するためには、ファイバを各点で切断し、コアごとに入出力光パワーを逐一測定してモード結合比を求める必要があった。そのためモード結合の長手方向の分布を一括して、しかも非破壊で測定することは困難であった。 Furthermore, in order to evaluate the distribution of the mode coupling coefficient over the longitudinal direction, it is necessary to cut the fiber at each point and measure the input / output optical power for each core to obtain the mode coupling ratio. Therefore, it has been difficult to measure the longitudinal distribution of mode coupling in a batch and nondestructively.
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、マルチコアファイバにおけるモード結合係数の大きさと長手方向の分布を一括して且つ非破壊で測定する方法および装置を提供することを目的とする。 The present invention is intended to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a method and an apparatus for collectively and nondestructively measuring the size of the mode coupling coefficient and the distribution in the longitudinal direction in a multicore fiber. .
かかる目的を達成するために、本発明のモード結合測定装置では、N本の単一コア光ファイバ(SCF)を1本のNコアMCFに結合する光コンバイナを用いて、1台のOTDR(Optical Time Domain Reflectometer)装置からMCFの1つのコアに光パルスを入射する。そしてN個のコアに後方散乱される光をN台のOTDR装置に入力して、コア間のモード結合を測定する。 In order to achieve such an object, in the mode coupling measurement apparatus of the present invention, an optical combiner that couples N single-core optical fibers (SCF) to one N-core MCF is used to provide one OTDR (Optical). A light pulse is incident on one core of the MCF from a time domain (Reflectometer) device. Then, the light back scattered by the N cores is input to N OTDR devices, and the mode coupling between the cores is measured.
具体的には、MCFの1つのコアに光パルスを入射し、入射端の各コアに戻る光を該光コンバイナを介してN本のSCFに分岐する。それらをN台のOTDR装置に入力してパワーP1、P2、・・・、PNを測定し、入射コアの散乱光パワーP1とその他のパワーP2、P3、・・・、PNとの比率P2/P1,P3/P1,・・・PN/P1を求める。これにより、入射コアから他コアへの結合係数の大きさおよびその長手方向の分布を測定する。
Specifically, an optical pulse is incident on one core of the MCF, and light returning to each core at the incident end is branched into N SCFs via the optical combiner. These are input to N OTDR devices to measure the powers P 1, P 2, ..., PN, and the scattered light power P 1 of the incident core and the other powers P 2, P 3 ,. the ratio of the P N P 2 / P 1, P 3 /
特に、N台のOTDR装置を同期動作させることにより、任意の2つコアに対してモード結合係数の大きさとその長手方向の分布を同時に測定することが出来る。 In particular, by synchronously operating N OTDR devices, the magnitude of the mode coupling coefficient and the distribution in the longitudinal direction can be measured simultaneously for any two cores.
本発明によりマルチコアファイバにおけるモード結合の長手方向の様子が、複数コアに対して同時に且つ非破壊で測定することが出来る。その結果、製造したファイバのクロストーク特性を容易に且つ効率よく評価することが可能となる。さらに、実際のマルチコアファイバ伝送において、ファイバの応力や温度変化などの外的要因によりコア間のクロストークが生じた場合に、ファイバ中のどの位置でモード結合が生じているかを容易に特定することが可能になる。以上のことから本発明はマルチコアファイバの伝送性能評価に重要な知見を与えることが出来る。 According to the present invention, the longitudinal state of mode coupling in a multi-core fiber can be measured simultaneously and non-destructively for a plurality of cores. As a result, it is possible to easily and efficiently evaluate the crosstalk characteristics of the manufactured fiber. Furthermore, in actual multi-core fiber transmission, when crosstalk between cores occurs due to external factors such as fiber stress and temperature change, it is easy to identify the position where mode coupling occurs in the fiber. Is possible. From the above, the present invention can provide important knowledge for evaluating the transmission performance of multi-core fibers.
本発明の実施形態の一例を図2に示す。N台のOTDR装置のうち1台から、単一コアファイバ2ならびに光コンバイナ3を介して光パルスを被測定マルチコアファイバ4のコアの1つに入射する。OTDR装置1の構成は、従来の単一コアファイバの測定に用いられているものと同じで、パルス光源、受光器ならびに信号処理部を備える。
An example of an embodiment of the present invention is shown in FIG. From one of the N OTDR devices, an optical pulse is incident on one of the cores of the
光コンバイナ3の一例を図3に示す。同図に示すように、N本の単一コアファイバの各コアが、マルチコアファイバのN個のコアに結合される。また逆に、マルチコアファイバのN個のコアに戻る散乱光をN本の単一コアファイバに分岐するのにも用いられる。 An example of the optical combiner 3 is shown in FIG. As shown in the figure, each core of N single-core fibers is coupled to N cores of a multi-core fiber. Conversely, the scattered light returning to the N cores of the multi-core fiber is also used to branch into N single core fibers.
本実施形態によるモード結合の測定原理を図4を用いて説明する。いま1台のOTDR装置から、パワーP0、パルス幅Δτの光パルスをマルチコアファイバ4のコアの一つ(同図ではコア1)に入射する。このときコア1中を伝搬する光は、その一部がファイバ中のレイリー散乱により後方へ散乱され、入力端に戻る。さらに、コア1からモード結合により他のコア(同図ではコア2〜7)に光が漏れ込むと、その後方散乱光が各コアの入力端に戻る。入力端に戻った散乱光をコアごとに分岐し、そのパワー(P1,P2,…)をそれぞれN台のOTDR装置で測定する。
The measurement principle of mode coupling according to this embodiment will be described with reference to FIG. Now, from one OTDR device, an optical pulse with power P 0 and pulse width Δτ is incident on one of the cores of the multi-core fiber 4 (
ここで、光パルスの時間幅Δτは、モード結合の空間測定分解能ΔLに応じて、Δτ=2ΔL/vgにより決定される。ただしvgはファイバ中の光パルスの群速度である。パルス幅を細くすることにより空間分解能を向上させることが出来るが、狭いパルス幅に対してはパワーが小さくなるため、ダイナミックレンジを確保できないというトレードオフがある。従ってパルス幅は空間分解能と測定長に応じて適切な値に設定する必要がある。 Here, the time width .DELTA..tau of light pulses, in accordance with the spatial measurement resolution ΔL of mode coupling is determined by Δτ = 2ΔL / v g. However v g is the group velocity of the light pulse in the fiber. Although the spatial resolution can be improved by narrowing the pulse width, there is a trade-off in that the dynamic range cannot be secured because the power is reduced for a narrow pulse width. Therefore, it is necessary to set the pulse width to an appropriate value according to the spatial resolution and the measurement length.
N台のOTDR装置で散乱光パワーを時間を追って測定した様子を模式的に図5に示す。P1は入射コアにおける散乱光パワーであり、従来のOTDR測定と同様にその時間変化からコア1の伝搬に伴う長手方向の損失を評価することが出来る。すなわち、光パルスを入射してからの測定時間tを長さL=vgt/2へ換算すれば、長手方向の損失が測定できる。
FIG. 5 schematically shows how the scattered light power is measured over time with N OTDR devices. P 1 is the scattered light power in the incident core, and the loss in the longitudinal direction accompanying the propagation of the
一方、P2,P3・・・は他コアにおける散乱光パワーであり、この大きさがモード結合を反映している。すなわち、入射コアへの散乱光パワーP1との比P2/P1、P3/P1・・・の長手方向の変化から、被測定ファイバのモード結合を非破壊で測定することが出来る。 On the other hand, P 2 , P 3 ... Are scattered light powers in other cores, and this magnitude reflects mode coupling. That is, the mode coupling of the measured fiber can be measured nondestructively from the change in the longitudinal direction of the ratios P 2 / P 1 , P 3 / P 1 ... With the scattered light power P 1 to the incident core. .
例えば、コア1とコアmのモード結合は、電力結合方程式
非特許文献3の解析結果より、パワーP1,Pm、モード結合係数h1,m、ならびにファイバ長Lは、
h1,mが距離に依らず一定であればPm/P1はLに対して線形であるが、h1,mが局所的に変化しているとPm/P1が線形から外れる。その直線からの変化量から、長手方向にわたるモード結合の分布の様子を評価することが出来る。このようにOTDRによりモード結合係数の大きさのみならずその長手方向の変化も測定できることが本手法の大きな特徴である。 P m / P 1 is linear with respect to L if h 1, m is constant regardless of distance, but P m / P 1 deviates from linear when h 1, m changes locally. . From the amount of change from the straight line, the mode coupling distribution in the longitudinal direction can be evaluated. As described above, the major feature of this method is that not only the magnitude of the mode coupling coefficient but also the change in the longitudinal direction can be measured by OTDR.
本発明では、N台のOTDR装置を同期して動作させることにより、P2/P1、P3/P1・・・、PN/P1を同時に測定することが出来る。その結果、コア1とコア2〜Nとのモード結合が1回の測定で一括して評価できる。その結果、マルチコアファイバのモード結合測定の効率が大幅に向上する。
In the present invention, P 2 / P 1 , P 3 / P 1 ..., P N / P 1 can be measured simultaneously by operating N OTDR devices in synchronization. As a result, the mode coupling between the
さらに、図7に示すように、N台のOTDR装置から1つずつ光パルスを時間間隔Tを空けてマルチコアファイバに入射することにより、任意のコア間のモード結合hm,nを一括して測定することが可能となる。間隔Tは、1つの光パルスが被測定ファイバを1往復するのに要する時間よりも長く設定すればよい。 Furthermore, as shown in FIG. 7, mode coupling hm , n between arbitrary cores is collectively performed by inputting optical pulses from N OTDR devices one by one to the multi-core fiber with a time interval T. It becomes possible to measure. The interval T may be set longer than the time required for one optical pulse to make one round trip through the measured fiber.
モード結合係数hm,nが得られれば、各コアを光パワーPm(z)(m=1,2,・・・,N)の信号が同時に伝搬する様子は、
式(4)を行列で表示すると以下の方程式が得られる。
もしHがzによらない定数行列であれば、式(5)の解析解は、行列Hの固有値λ1,λ2,・・・,λNならびに固有ベクトルs1,s2,・・・,sNを用いて求めることが出来る。行列Hの固有値は、特性方程式
モード結合係数が長手方向に変化している場合など、行列Hがzの関数である場合は、逐次近似法や差分化による数値解析法を用いることで解P(z)を求めることが出来る。 If the matrix H is a function of z, such as when the mode coupling coefficient changes in the longitudinal direction, the solution P (z) can be obtained by using a numerical approximation method such as a successive approximation method or a difference.
以上の計算によりP(z)が得られれば、コアmとコアnのモード結合の大きさ(クロストーク)が
このように、行列Hには被測定ファイバのモード結合に関する全ての情報が含まれており、ファイバ伝送路として利用するにあたり極めて有益な知見を与えることが出来る。 As described above, the matrix H includes all the information related to the mode coupling of the fiber to be measured, and can provide extremely useful knowledge for use as a fiber transmission line.
以上詳細に説明したように、N台のOTDR装置を用いることにより、マルチコアファイバにおけるコア間のモード結合係数を簡便な形で評価することが出来る。本発明は特にモード結合の長手方向の分布を非破壊で測定できることが最大の特徴であり、製造ファイバの性能評価にあたって重要な指標を与えることが出来る。また適切なタイミングで各コアへ光ファイバを入射することにより任意のコア間のモード結合を一括して測定することが出来るため、ファイバの特性を短時間で効率よく評価することが可能となる。本測定に基づきクロストークの小さいマルチコアファイバを実現することが出来れば、光ファイバの空間多重伝送が可能となり、光通信システムの大容量化に大きく貢献することが出来る。 As described in detail above, by using N OTDR devices, the mode coupling coefficient between cores in a multi-core fiber can be evaluated in a simple manner. The present invention is particularly characterized in that the longitudinal distribution of mode coupling can be measured nondestructively, and can provide an important index for evaluating the performance of the manufactured fiber. Moreover, since the mode coupling between arbitrary cores can be collectively measured by injecting an optical fiber into each core at an appropriate timing, it is possible to efficiently evaluate the characteristics of the fiber in a short time. If a multi-core fiber with low crosstalk can be realized based on this measurement, spatial multiplexing transmission of the optical fiber becomes possible, which can greatly contribute to the increase in capacity of the optical communication system.
1 OTDR装置
2 単一コアファイバ
3 光コンバイナ
4 マルチコアファイバ
1 OTDR device 2 Single core fiber 3
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