JP2014153116A - マルチモード光ファイバ用モード結合測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチモード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装置を提供する。
【解決手段】Ｎ個のモードを１本のＮモードファイバに結合するモード合波器を用いて、１台のＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）装置から１つのモードを励振する。そして後方散乱される光をモード分波器を用いてＮ個のモードに分け、それぞれのモードをＮ台のＯＴＤＲ受信部に入力してモード結合を測定する。入射光と同じモードの散乱光パワーＰ_１とその他のパワーとの比率により、入射したモードから他モード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。特に、Ｎ台のＯＴＤＲ装置を同期動作させることにより、任意のモード間での結合係数の大きさとその長手方向の分布を一括して測定することが出来る。
【選択図】図２

Description

本発明は、１本の光ファイバで複数の導波モードが伝搬可能なマルチモード光ファイバにおける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装置に関するものである。

現在用いられている単一コア・単一モード光ファイバ伝送路においては、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（非特許文献１）。このような限界は光通信の容量拡大において大きな障害となっている。これを打破するために、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分割多重、ならびにマルチモードファイバによるモード分割多重などの新たな伝送技術に高い関心が寄せられている。

モード分割多重伝送においては、通常の単一モードファイバに比べて規格化周波数Ｖ値を大きくする（具体的にはＶ＞２．４とする）ことにより、最低次モードであるＬＰ_０１に加えてＬＰ_１１，ＬＰ_０２などの高次モードを導波可能なマルチモードファイバが用いられる。ここで規格化周波数Ｖ値は、
で定義され、ａはコア径、ｎ_１，ｎ_２はそれぞれコアとクラッドの屈折率である。即ちＶ値を大きくするためには、コア径ａやコアとクラッドの屈折率差Δを拡大すればよい。

例えば２．４＜Ｖ＜３．８の範囲では、ＬＰ_０１，ＬＰ_１１の２つのモードが伝搬する。ＬＰ_１１はその電界強度分布の向きによってＬＰ_１１ａ，ＬＰ_１１ｂの２種類が定義される。ＬＰ_０１，ＬＰ_１１ａ，ＬＰ_１１ｂの各モードの電界強度分布を図１に示す。Ｘ，Ｙそれぞれの偏波を考慮すると、このＶ値の範囲では全部で６個のモードを定義することができる。これらの各モードに情報を乗せることにより、伝送容量を６倍拡大することが可能である。このように比較的少数のモードのみを導波可能なファイバは「数モードファイバ」（ＦＭＦ：Ｆｅｗ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）とも呼ばれている。

また最近では、マルチモード伝送用コアを１本のファイバに複数設けたマルチコア・マルチモードファイバの開発も進められている。このようなファイバを用いれば、空間多重とモード多重を組み合わせることが出来、ファイバ１本あたりの伝送容量をさらに飛躍的に拡大させることが可能となる。

特開２０１２−２０２８２７号公報

中沢正隆、鈴木正敏、盛岡敏夫（編著）、「光通信技術の飛躍的高度化−光通信の新たな挑戦−」、オプトロニクス社（２０１２） Ｍ．Ｎａｋａｚａｗａ，Ｍ．Ｔｏｋｕｄａ，ａｎｄ Ｙ．Ｎｅｇｉｓｈｉ，"Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｌｏｎｇ ａ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｕｓｉｎｇ ａ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，" Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．８，ｎｏ．１０，ｐｐ．５４６−５４８，Ｏｃｔｏｂｅｒ １９８３．

マルチモードファイバを用いたモード分割多重伝送においては、異なるモード間の結合によるクロストークが伝送性能劣化の主要な要因となることが指摘されている。モード結合は、送受信端における合分波、ファイバの曲げや応力による歪み、あるいはファイバどうしの接続点などにおいて発生する。

従来のクロストーク測定においては、送信端で１つのモードを励振して、受信端で各モードの出力パワーを測定し、そのパワーの比率によりクロストークの評価を行っていた。そのため、これらの方法ではファイバの長手方向にわたるモード結合分布を測ることが出来ず、モード結合がファイバの製造過程に起因するものなのか、あるいは外的要因によるものなかど、その原因を特定することが困難であった。

モード結合を光学的に測定する代わりに、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ， Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）と呼ばれるディジタル信号処理を用いてファイバ長手方向のモード結合とその分布を推定する方法も提案されている。しかしながら、ＭＩＭＯ演算を行うには、モード間の遅延差（ＤＧＤ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｇｒｏｕｐ Ｄｅｌａｙ）に相当する時間分の波形データを蓄積する必要があり、その計算量は一般に極めて膨大なものとなる。さらにこの方法も、前述の光学的方法と同様、モード多重数の増加とともに測定規模が著しく増大する。また、モード結合を長手方向に高い空間分解能で測定するにも膨大な計算量を要する。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、マルチモード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簡便に且つ高い精度で測定する装置を提供することを目的とする。

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、ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）装置からの出力光パルスを、モード合波器を介してＮモードファイバに任意の１つのモードで結合する。そして被測定ファイバ中での伝搬とともにモード変換された後方散乱光を、モード分波器を用いてＮ個のモードに分け、それぞれのモードをＮ台のＯＴＤＲ受信部に入力してモード結合を測定する。

具体的には、Ｎ個のモードに変換された後方散乱光をモードごとにＮ台のＯＴＤＲ受信部に入力してそれらのパワーＰ_１、Ｐ_２、・・・、Ｐ_Ｎを測定し、入射光と同じモードの散乱光パワーＰ_１とその他のパワーＰ_２、Ｐ_３、・・・、Ｐ_Ｎとの比率Ｐ_２／Ｐ_１，Ｐ_３／Ｐ_１，・・・Ｐ_Ｎ／Ｐ_１を求める。これにより、入射したモードから他モード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。

さらに、Ｍ本の単一コア・マルチモードファイバを１本のＭコア・マルチモードファイバに結合するファンイン・ファンアウト光デバイスを用いて、各コアにＮ個のモードを励振することにより、異なるコア間でのモード結合（例えばコアｍのＬＰ_０１モードとコアｎのＬＰ_１１ａモードなど）を全ての組み合わせで一括して同時に測定することが可能となる。

本発明によりモード多重伝送において異なるモードどうしが伝送中にどのように結合するかを高い空間分解能で且つ非破壊で測定することが出来る特徴がある。その結果、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出来る。また、異なるファイバや伝送路の条件で測定を重ねることにより、ファイバの製造過程、もしくはファイバの応力や温度変化、ケーブル化の状態など、モード結合の要因を特定することが可能となる。このように本発明は高性能なマルチモードファイバの作製ならびにモード多重伝送における伝送性能評価に重要な知見を与えることが出来る。

マルチモードファイバにおける導波モードの電界強度分布の一例 マルチモードファイバ用モード結合測定装置の構成の一例 モード変換・合分波器の構成の一例 本実施例によるモード結合の測定原理の説明 後方散乱光パワーの比率とモード結合係数の関係 本発明で想定しているモード変換過程の一例 ２段階以上の高次のモード変換過程の一例 マルチコア・マルチモードファイバ用モード結合測定装置の構成の一例 ２段階以上の高次のコア・モード結合過程の一例

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態を図２に示す。Ｎ台のＯＴＤＲ装置のうち１台から、シングルモードファイバ２ならびにモード変換・合波器３を介して、任意の１モードを有する光パルスを被測定マルチモードファイバ４に入射し、その導波モードの１つを励振する。ＯＴＤＲ装置１の構成は、従来の単一モード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からなる受信部を備える。

モード変換・合波器３の構成の一例を図３に示す。同図はＬＰ_０１，ＬＰ_１１ａ，ＬＰ_１１ｂの３つのモードを生成しマルチモードファイバに結合する様子を示している。３本のシングルモードファイバからＬＰ_０１モードの信号光が入射され、そのうち１つは位相マスク５ａにより、もう１つは位相マスク５ｂにより、それぞれ空間位相変調が付加される。これら３つの光を２台のビームスプリッタを介して合波し、レンズを介してマルチモードファイバ４へ結合させている。位相マスク５ａ，５ｂにより位相変調された光は、マルチモードファイバにおいてそれぞれＬＰ_１１ａ，ＬＰ_１１ｂモードへ結合される。

なお、マルチモードファイバ４からＬＰ_０１，ＬＰ_１１ａ，ＬＰ_１１ｂの３つのモードが後方散乱光として本素子へ入力されたときは、本素子は逆にモード分波器として動作する。即ち、分離されたＬＰ_０１，ＬＰ_１１ａ，ＬＰ_１１ｂモードが個々にＬＰ_０１モードに変換され、３本のシングルモードファイバから出力される。

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Ｎ台のうちの１台のＯＴＤＲ装置から、パワーＰ_０、パルス幅Δτの光パルスをいずれかのモードＬＰ_ｉｊで（ｉ，ｊは整数。同図ではｉ＝０，ｊ＝１即ちＬＰ_０１モード）マルチモードファイバに入射する。このときファイバ中を伝搬する光は、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、入射時と同一モードで入力端に戻る。加えて、入射モードの一部がモード結合により他のモード（同図ではＬＰ_１１ａ，ＬＰ_１１ｂ）に変換されながらファイバ中を伝搬し、さらにその後方散乱光はモード変換を生じて入力端に戻る。入力端に戻った散乱光をモードごとに分岐し、そのパワー（Ｐ_１，Ｐ_２，・・・）をそれぞれＮ台のＯＴＤＲ受信部で測定する。

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／ｖ_ｇ，ｋｌにより決定される。ただしｖ_ｇ，ｋｌはＬＰ_ｋｌモードの群速度である。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。その場合は必要に応じて光増幅器により光パルスのパワーを増加させる。

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。Ｐ_１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＝ｖ_ｇ，ｋｌｔ／２へ換算すれば、長手方向の損失が測定できる。一般にモードによって群速度は異なるため、ｖ_ｇ，ｋｌは励振モードに応じた値を用いる。

一方、Ｐ_２，Ｐ_３・・・は伝搬中に他モードに変換された散乱光のパワーであり、この大きさがモード結合を反映している。すなわち、入射モードの散乱光パワーＰ_１との比Ｐ_２／Ｐ_１、Ｐ_３／Ｐ_１・・・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。

散乱光パワーＰ_１，Ｐ_２，Ｐ_３・・・からモード結合係数ｈ_ｎ，ｍを求める方法は、非特許文献２ならびに特許文献１に詳述されている。その導出には電力結合方程式を用いる。

モードｍとモードｎの結合を記述する電力結合方程式は
で与えられる。ここでｈ_ｎ，ｍはモード結合係数、α_ｍ，α_ｎは各モードの損失係数である。

上記文献の解析結果より、パワーＰ_ｍ，Ｐ_ｎ、モード結合係数ｈ_ｎ，ｍ、ならびにファイバ長Ｌは、
で関係付けられる。ここで右辺第１項の係数２は光パルスの往復に伴うものである。モード結合係数ｈ_ｎ，ｍは、２つのモードの電界分布Ｅ_ｎ，Ｅ_ｍの重なり積分、ファイバの屈折率揺らぎの非対角項ｆ（ｚ）とそのパワースペクトルΓ（Δｋ）を用いて
と表される。また、式（２）の定数Ｋは、
で与えられる。ここでα_Ｒはレイリー散乱係数、Ｓは後方散乱係数、＜ｇ（ｒ）ｇ（ｒ−ｒ’）＞〜＜ｇ（ｚ）ｇ（ｚ−ｚ’）＞は比誘電率テンソル（屈折率揺らぎ）の対角項に関する自己相関関数である。すなわちＫは比誘電率テンソルの非対角項のパワースペクトルと対角項のパワースペクトルの比を表す。

式（２）より、ｈ_ｎ，ｍはパワーの比Ｐ_ｍ／Ｐ_ｎをＬの関数として描いたときの直線の傾きより求めることが出来る。またその切片が定数Ｋに相当する。ｈ_ｎ，ｍが距離に依らず一定であればＰ_ｍ／Ｐ_ｎはＬに対して線形であるが、局所的なモード結合が存在すると（例えばマルチモードファイバの接続点など）、その部分で直線に変化が生じる。それらの様子を図５（ａ）に示す。以上より、Ｐ_ｍ／Ｐ_ｎの測定結果からモード結合係数の大きさと長手方向の局所的なモード結合の分布を同時に評価することが出来る。

さらに、ファイバの製造過程やケーブル化（例えば線引時における外径の緩やかな変化やファイバの捩れなど）に起因して長手方向に緩やかな構造揺らぎが存在し、それによってモード結合が誘発されている場合は、Ｐ_ｍ／Ｐ_ｎのグラフにわずかなうねりが観測される。その様子を図５（ｂ）に示す。このように本測定法は長手方向の緩やかなモード結合係数も測定することが可能である。これは製造ファイバの性能評価にあたって重要な指針を与えるものである。

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、Ｐ_２／Ｐ_１、Ｐ_３／Ｐ_１・・・、Ｐ_Ｎ／Ｐ_１を同時に測定することが出来る。その結果、１つのモードを励振したとき他のＮ−１個のモードとの結合が１回の測定で一括して評価できる。その結果、マルチモードファイバのモード結合測定の効率が大幅に向上する。

さらに、Ｎ台のＯＴＤＲ装置から１つずつ光パルスを出力し、それぞれＮ個の異なるモードに変換してマルチモードファイバに入射することにより、任意のモード間の結合ｈ_ｎ，ｍを一括して測定することができる。

なお、式（１）に基づく上述の測定原理は、信号光の順方向の伝搬過程および後方散乱光の逆方向の伝搬過程において、一度生じたモード変換からさらに別のモードへ再変換される成分（元のモードへの逆変換も含む）は十分小さいことから、２段階以上のモード変換過程は無視することが出来る。本発明で想定しているモード変換過程の一例を図６に示す。同図（ａ）はＬＰ_０１モードで励振された光が伝搬中にＬＰ_１１ａモードに変換された後ｚ＝Ｌで後方散乱されている様子を、同図（ｂ）はＬＰ_０１モードで励振された光が後方散乱され、その後ＬＰ_１１ａモードに変換されてファイバ入射端に戻ってきている様子をそれぞれ示している。それに対し、図７は２段階以上のモード変換過程の一例を示している。同図（ａ）は、ＬＰ_０１モードが伝搬中にＬＰ_１１ａモードに変換された後ｚ＝Ｌで後方散乱され、その後再びＬＰ_０１モードに変換されてファイバ入射端に戻ってきている様子を示している。また同図（ｂ）では、図（ａ）においてｚ＝Ｌで後方散乱された光がＬＰ_１１ｂモードに変換されている。図７のように２回以上のモード変換を経た後方散乱光パワーは十分小さいとして、本測定では無視している。実際のモード多重伝送においても、２段階以上のモード変換の効率は非常に小さいことから、上記の仮定は実用上十分妥当であると言える。また、モード結合が１００％発生するようなマルチモードファイバでは安定な情報伝達が出来ないため、測定自体に意味がない。伝送用マルチモードファイバ中でのモード結合は小さいことが重要である。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態を図８に示す。Ｍ×Ｎ台のＯＴＤＲ装置のうち１台から、シングルモードファイバ２ならびにモード変換・合波器３を介して、光パルスをマルチモードファイバ４に入射し、その導波モードの１つを励振する。さらに、Ｍ本の単一コア・マルチモードファイバ４を１本のＭコア・マルチモードファイバ９に結合するファンイン光デバイス８を介して、ファイバ９のコアの１つに入射する。入力端に戻った後方散乱光をファンアウト光デバイス８を用いてコアごとにＭ本のファイバに分岐し、さらにモード分波器３でモードごとに分岐し、そのパワーをそれぞれＭ×Ｎ台のＯＴＤＲ受信部で測定する。

図８の表記に従って、ＯＴＤＲｍ，ｎ（但し１≦ｍ≦Ｍ，１≦ｎ≦Ｎ）は、マルチコア・マルチモードファイバ９におけるｍ番目のコアをｎ番目のモードで励振するものとする。例えばＯＴＤＲ_１，１から光パルスをパワーＰ_０で発生させ、その後方散乱光をＭ×Ｎ台のＯＴＤＲ装置で測定する。ＯＴＤＲｍ，ｎで受信する散乱光パワーをＰ_ｍ，ｎとすると、Ｐ_ｍ，ｎ／Ｐ_１，１より入射光と他コア・他モードを伝搬する光とのモード結合を測定することが出来る。具体的には、Ｐ_１，ｎ／Ｐ_１，１から同一コア内の異なるモード間の結合が、Ｐ_ｍ，１／Ｐ_１，１から異なるコアどうしでの同一モード間の結合が、その他からは異なるコアどうしの異なるモード間の結合が、それぞれ測定される。その結果、コア・モードの全ての組み合わせに対し、それらのモード結合を一括して同時に測定することができる。

なお本実施形態においても、一度他コアへモードが結合したとしても、そのモードが移行後のコアで別のモードへ変換されるような高次の結合過程は十分小さいことを前提としている。その一例を図９に示す。同図（ａ）のように、別のコアに結合した光が後方散乱され、その後そのコア内で別のモードに変換されたり、同図（ｂ）のようにモード変換された光が後方散乱され、その後別のコアに結合して入射端に戻ってくるような２段階以上の結合過程は無視することが出来る。

以上詳細に説明したように、複数の同期したＯＴＤＲ装置を用いることにより、マルチモードファイバにおける異なるモード間の結合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高い空間分解能で且つ非破壊で測定できることが最大の特徴である。その結果、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出来るため、モード結合の要因の特定に大変有効である。また、本装置で得られた結果をもとに、モード結合の小さいマルチモードファイバの作製も可能になる。さらに本手法はマルチコア・マルチモードファイバにも容易に拡張可能である。本測定装置および方法は、空間分割多重ならびにモード分割多重における伝送性能評価に重要な知見を与えることが出来、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。

１ ＯＴＤＲ装置
２ シングルモードファイバ
３ モード変換・合分波器
４ マルチモードファイバ
５ 位相マスク
６ ビームスプリッタ
７ レンズ
８ ファンイン・ファンアウト光デバイス
９ マルチコア・マルチモード光ファイバ

Claims (7)

1. ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）装置の出力部において、被測定マルチモード光ファイバを任意の１つのモードで励振し、該光ファイバから入射端に後方散乱されてくるモード変換後の光を用いて、該被測定マルチモード光ファイバ中でのモード間の結合の長さ依存性を測定することを特徴とするモード結合測定装置。
2. 請求項１において、ＯＴＤＲ装置の出力部は、ＬＰ_０１モード（ガウスモード）をＮ通りのモードに変換するモード変換器、ならびにＮ通りのモードを１本のＮモードファイバに結合するモード合波器を備えることを特徴とするモード結合測定装置。
3. 請求項１において、被測定ファイバの入射端に戻るモード変換後の後方散乱光をモード分波器を介してＮ個のモードに分け、それぞれのモードをＮ台のＯＴＤＲ受信部で受信してそのパワーＰ_１、Ｐ_２、・・・、Ｐ_Ｎを測定し、入射モードとモード変換された散乱光パワーの比率Ｐ_２／Ｐ_１，Ｐ_３／Ｐ_１，・・・Ｐ_Ｎ／Ｐ_１により、Ｐ_１からＰ_２，・・・，Ｐ_Ｎへのモード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ことを特徴とするモード結合測定装置。
4. 請求項１において、Ｎ台のＯＴＤＲ装置を同期して動作させることにより、任意のモード間での結合係数の大きさとその長手方向の分布を一括して測定することを特徴とするモード結合測定装置。
5. Ｍ個のマルチモードコアを有する被測定マルチコア光ファイバに対して、任意の１つのコアを１つのモードで励振し、Ｍ個のコアの入射端に後方散乱されてくるモード変換後の光を用いて、コア間でのモード結合の状態を測定することを特徴とするモード結合測定装置。
6. 請求項５において、ＯＴＤＲ装置の出力部は、Ｎ個のモードを１本のＮモードファイバに結合または分離するモード合分波器、ならびにＭ本のファイバをＭ個のコアを有するマルチコアファイバの各コアに結合または分離するファンイン・ファンアウト光デバイス備えることを特徴とするモード結合測定装置。
7. 請求項５において、ファイバの入射端に戻るモード変換後の後方散乱光をファンアウト光デバイスを用いてコアごとにＭ本のファイバに分岐し、さらにモード分波器を介してＮ個のモードに分け、それぞれのモードをＭ×Ｎ台のＯＴＤＲ受信部で受信してそのパワーＰ_１，１、Ｐ_１，２、・・・、Ｐ_Ｎ，Ｎを測定し、入射モードとモード変換された散乱光パワーの比率Ｐ_１，２／Ｐ_１，１，Ｐ_１，３／Ｐ_１，１，・・・Ｐ_Ｍ，Ｎ／Ｐ_１，１により、モード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ことを特徴とするモード結合測定装置。