JP2014228277A - 光ファイバの偏波モード分散測定装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より短い時間に光ファイバのＰＭＤを精度よく測定する。【解決手段】コヒーレント光をＭ系列のパターン信号で変調して得られた変調光を被測定光ファイバに入射し（Ｓ１）、その後方散乱光に対してコヒーレント光を用いて同相／直交の位相分離および水平／垂直の偏波分離を行い、分離成分に対してバランスド受光器による光電変換を行い、後方散乱光の水平偏波の実部Ｒｅ（Ｅｘ）、虚部Ｉｍ（Ｅｘ）の成分および垂直偏波の実部Ｒｅ（Ｅｙ）、虚部Ｉｍ（Ｅｙ）の成分を求め（Ｓ２）、その各成分のデータとＭ系列のパターン信号との相関処理により、被測定光ファイバの各区間からの後方散乱光の電界ベクトルを求め（Ｓ３）、その電界ベクトルと各区間におけるジョーンズマトリクスのモデル式とに基づいて、モデル式に含まれるパラメータを区間毎に算出し（Ｓ４）、所望区間のＰＭＤを算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバの偏波モード分散を測定するための技術に関し、簡単な構成で短時間に且つ距離が長い光ファイバであっても精度よく測定できるようにするための技術に関する。

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。

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。

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。

このＰＭＤの影響によって、送信信号が劣化し、伝送品質に悪影響を及ぼし、伝送速度を制限する要因となっている。

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。一般に、ＰＭＤの測定は、光ファイバの両端に測定のための機器を設置しなければならず、不便であった。

これを解決する技術として、本願出願人は、光ファイバの一端側から光パルスを入射し、その後方散乱光を測定することでＰＭＤを測定する方法を、特許文献１で提案している。この方法によれば、距離の長い光ファイバであっても、ＰＭＤを精度よく測定することができる。

特開２００８−９６１４７号公報

上記特許文献１の技術では、直線偏波の光を光ファイバに入射し、その後方散乱光からストークスパラメータを高精度に測定するために多くの平均化処理が必要であり、測定時間が長く必要となるという新たな課題があった。

本発明は、この課題を解決して、より短い時間に光ファイバのＰＭＤを精度よく測定できる光ファイバの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。

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、
所定波長で直線偏波のコヒーレント光を出射する光源（２１）と、
前記光源から出射されたコヒーレント光を分岐する分岐手段（２２）と、
Ｍ系列のパターン信号を出力するパターン信号発生器（２３）と、
前記分岐手段で分岐された第１のコヒーレント光を前記パターン信号で位相変調する光変調器（２４）と、
前記光変調器から出射された変調光を、被測定光ファイバの一端側に入射し、該入射した変調光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変調光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と、前記分岐手段で分岐された第２のコヒーレント光とを受けて同相／直交位相分離および水平／垂直偏波分離処理を行ない、互いに同相で水平偏波の２成分、互いに同相で垂直偏波の２成分、互いに直交位相で水平偏波の２成分、互いに直交位相で垂直偏波の２成分に分離する偏波多重光ハイブリッド（２７）と、該偏波多重光ハイブリッドで分離された４組の各２成分を、それぞれ互いに直列接続された受光素子対で受けてその接続点から入射光強度に対応した大きさの電気信号に変換する４組のバランスド受光器（２８Ａ〜２８Ｄ）とからなり、前記後方散乱光の水平偏波の実部Ｒｅ（Ｅｘ）、虚部Ｉｍ（Ｅｘ）の成分および垂直偏波の実部Ｒｅ（Ｅｙ）、虚部Ｉｍ（Ｅｙ）の成分を出力するホモダイン検波部（２６）と、
前記パターン信号で変調された変調光を前記被測定光ファイバの一端側に入射したタイミングから一定時間の間に前記ホモダイン検波部から出力される各成分のデータを記憶し、該記憶した各成分のデータと前記パターン信号との相関演算をそれぞれ行い、前記被測定光ファイバを長さ方向に沿って複数に区分けしたときの各区間からの後方散乱光の電界ベクトルを求める相関演算手段（３０）と、
前記相関演算手段で求められた各区間の後方散乱光の電界ベクトルと、前記被測定光ファイバの前記各区間におけるジョーンズマトリクスのモデル式とに基づいて、該モデル式に含まれるパラメータを区間毎に算出するパラメータ算出手段（３１）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（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、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（３３）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（３４）とを備えたことを特徴としている。

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装置は、請求項１記載の光ファイバの偏波モード分散測定装置において、
前記光変調器と前記方向性結合器の間に光増幅器（５０）を挿入するとともに、
前記パターン信号発生器が、前記Ｍ系列のパターン信号を、該Ｍ系列のパターン信号と非相関で且つ符号長が長いダミー信号の間に挿入して出力する構成としたことを特徴とする。

また、本発明の請求項３の光ファイバの偏波モード分散測定装置は、請求項１または請求項２記載の光ファイバの偏波モード分散測定装置において、
前記第１のジョーンズマトリクス算出手段および第２のジョーンズマトリクス算出手段は、算出対象の区間のジョーンズマトリクスを、該区間の近隣の区間のジョーンズマトリクスと相関係数を用いて補正することを特徴とする。

また、本発明の請求項４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コヒーレント光を分岐し、その分岐した第１のコヒーレント光をＭ系列のパターン信号で変調し、該変調光を被測定光ファイバの一端側に入射する段階（（Ｓ１）と、
前記入射した変調光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と、分岐された第２のコヒーレント光とで、同相／直交の位相分離および水平／垂直の偏波分離処理を行ない、互いに同相で水平偏波の２成分、互いに同相で垂直偏波の２成分、互いに直交位相で水平偏波の２成分、互いに直交位相で垂直偏波の２成分に分離し、該分離した４組の各２成分を、それぞれバランスド受光器の互いに直列接続された受光素子対で受けてその接続点から入射光強度に対応した大きさの電気信号に変換し、前記後方散乱光の水平偏波の実部Ｒｅ（Ｅｘ）、虚部Ｉｍ（Ｅｘ）の成分および垂直偏波の実部Ｒｅ（Ｅｙ）、虚部Ｉｍ（Ｅｙ）の成分を出力する段階（Ｓ２）と、
前記パターン信号で変調された変調光を前記被測定光ファイバの一端側に入射したタイミングから一定時間の間に出力される前記各成分のデータを記憶し、該記憶した各成分のデータと前記パターン信号との相関演算をそれぞれ行い、前記被測定光ファイバを長さ方向に沿って複数に区分けしたときの各区間からの後方散乱光の電界ベクトルを求める段階（Ｓ３）と、
前記各区間の後方散乱光の電界ベクトルと、前記被測定光ファイバの前記各区間におけるジョーンズマトリクスのモデル式とに基づいて、該モデル式に含まれるパラメータを区間毎に算出する段階（Ｓ４）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（Ｓ５）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段階（Ｓ６）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（Ｓ７）とを含むことを特徴としている。

また、本発明の請求項５の光ファイバの偏波モード分散測定方法は、請求項４記載の光ファイバの偏波モード分散測定方法において、
前記光変調器の出射光を光増幅器（５０）で増幅して前記被測定光ファイバの一端に入射するとともに、
前記光変調器に対して、前記Ｍ系列のパターン信号を、該Ｍ系列のパターン信号と非相関で且つ符号長が長いダミー信号の間に挿入して与えることを特徴とする。

また、本発明の請求項６の光ファイバの偏波モード分散測定方法は、請求項４または請求項５記載の光ファイバの偏波モード分散測定方法において、
前記第１のジョーンズマトリクスおよび第２のジョーンズマトリクスを算出する段階は、算出対象の区間のジョーンズマトリクスを、該区間の近隣の区間のジョーンズマトリクスと相関係数を用いて補正する段階を含んでいることを特徴とする。

以上のように、本発明では、光源から出射されたコヒーレント光をＭ系列のパターン信号で変調して得られた変調光を被測定光ファイバに入射し、その後方散乱光に対してコヒーレント光を用いて同相／直交の位相分離および水平／垂直の偏波分離を行い、分離成分に対してバランスド受光器による光電変換を行い、後方散乱光の水平偏波の実部Ｒｅ（Ｅｘ）、虚部Ｉｍ（Ｅｘ）の成分および垂直偏波の実部Ｒｅ（Ｅｙ）、虚部Ｉｍ（Ｅｙ）の成分を求める処理を、変調光を被測定光ファイバに入射したタイミングから一定時間行い、その成分のデータとＭ系列のパターン信号との相関処理により、被測定光ファイバを長さ方向に沿って複数に区分けしたときの各区間からの後方散乱光の電界ベクトルを求め、その電界ベクトルと、被測定光ファイバの各区間におけるジョーンズマトリクスのモデル式とに基づいて、モデル式に含まれるパラメータを区間毎に算出し、所望区間のＰＭＤを算出している。

このように、Ｍ系列のパターン信号で変調された変調光を被測定光ファイバに入射し、その後方散乱光に対してコヒーレント光によるホモダイン検波を行い、各検波出力に対してパターン信号との相関演算を行なうことで、ジョーンズマトリクスのパラメータ算出に必要な後方散乱光の電界ベクトルを求めている。

このため、従来の短パルスよりも大きな電力の光信号を時間分散して被測定光ファイバに入射することができ、しかもその後方散乱光に対する相関演算により、時間分散していた光電力を集約させることができる。

したがって、従来のように数千回、数万回のパルス入射と平均化処理で得られたデータについてパラメータ算出を行なってＰＭＤを求めるものに比べて、格段に短い時間（極端にいえば平均化無し）で精度よくパラメータおよびＰＭＤを求めることができる。

また、Ｍ系列のパターン信号を、そのパターン信号と非相関で符号長が長いダミー信号に挿入して光変調をかけるようにすれば、光変調器の出力を光増幅で増幅しても、Ｍ系列のパターン信号に対応した変調光の前後の光成分が光増幅器の過渡応答による歪みを受けるだけで済み、しかも非相関なダミー信号で変調された光の後方散乱光は相関演算瀬処理に影響を与えないため、さらに高いＳ／Ｎで検波処理が行なえ、より短時間に精度よくパラメータおよびＰＭＤを求めることができる。

本発明の第１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 光ファイバをモデル化した図 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 相関処理を説明するための図 相関処理で得られたレーレー散乱係数の測定結果 ＰＭＤの測定結果 他の実施形態を説明するための図 パターン信号をダミー信号に挿入した状態を示す図

（第１の実施形態）
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。

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で直線偏波のコヒーレント光を分岐し、その一方のコヒーレント光をＭ系列のパターン信号で位相変調（例えばＢＰＳＫ）し、それによって得られた変調光を被測定光ファイバの一端側に入射する（Ｓ１）。ここでＭ系列のパターン信号としては、擬似ランダムパターンを用いることができる。

そして、この入射した変調光に対して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、分岐された他方のコヒーレント光でホモダイン検波して、同相／直交の位相分離および水平／垂直の偏波分離処理を行ない、互いに同相で水平偏波の２成分、互いに同相で垂直偏波の２成分、互いに直交位相で水平偏波の２成分、互いに直交位相で垂直偏波の２成分に分離し、該分離した４組の各２成分を、それぞれバランスド受光器の互いに直列接続された受光素子対で受けてその接続点から入射光強度に対応した大きさの電気信号に変換し、前記後方散乱光の水平偏波の実部Ｒｅ（Ｅｘ）、虚部Ｉｍ（Ｅｘ）の成分および垂直偏波の実部Ｒｅ（Ｅｙ）、虚部Ｉｍ（Ｅｙ）の成分を出力する（Ｓ２）。

なお、上記偏波分離および位相分離の処理は、偏波分離を行なうためのＰＢＳと位相分離を行なうためのハイブリッドとを組合せた偏波多重光ハイブリッドと呼ばれる素子によって行なうことができる。この偏波多重光ハイブリッドは、例えば、次の非特許文献１に開示されているものや、次の特許文献２に開示されているものが使用できる。

ＮＴＴ技術ジャーナル ２０１１．３ Ｐ６４「石英系ＰＬＣで１チップに集積したデジタルコヒーレント用受信回路（ＤＰＯＨ）」

特表２００９−５４０７６１号公報

そして、パターン信号で変調された変調光を被測定光ファイバの一端側に入射したタイミングから一定時間（変調光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以上）に出力される各成分Ｒｅ（Ｅｘ）、Ｉｍ（Ｅｘ）、Ｒｅ（Ｅｙ）、Ｉｍ（Ｅｙ）のデータを記憶し、その記憶した各成分のデータとパターン信号との相関演算をそれぞれ行い、被測定光ファイバを長さ方向に沿って複数に区分けしたときの各区間からの後方散乱光の電界ベクトルＥｍを求める（Ｓ３）。

次に、上記のようにして求めた各区間の後方散乱光の電界ベクトルＥｍと、被測定光ファイバの各区間におけるジョーンズマトリクスのモデル式とに基づいて、そのモデル式に含まれるパラメータを区間毎に算出する（Ｓ４）。

そして、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（Ｓ５）、所定波長λと異なる波長λ′における区間毎の第２のジョーンズマトリクスを求め（Ｓ６）、最後に、第１のジョーンズマトリクスと第２のジョーンズマトリクスとに基づいて、被測定光ファイバの任意の区間の偏波モード分散ＰＭＤを算出する（Ｓ７）。

上記処理では、図２に示すように、被測定ファイバ１を長さ方向に複数等分し、各区間のみのジョーンズマトリクスをｊｍとし、入射端からｍ番目の区間までのジョーンズマトリクスをＪｍと表し、その関係が次式（１）で表されるものとする（モデル化）。

Ｊｍ＝_ｋ＝０Π^ｍｊｋ ……（１）
ただし、記号_ｋ＝０Π^ｍは、ｋ＝０〜ｍまでの総積を示すものとする。

そして、各区間のジョーンズマトリクスが以下の式（２）で表されるものとする。

上式（２）で、パラメータＱm,0 は、回転接続角（区間ＰＭＤの基本パラメータの角周波数αに相当）、パラメータＱm,1 は、区間ＤＧＤ（区間ＰＭＤの基本パラメータの角周波数βに相当）を表す。なお、区間毎のＰＭＤパラメータ（αｉ、βｉ）は、前記特許文献１におけるパラメータΘ、Φのテーラ展開一次係数に相当しており、それぞれ、次のように表すことができる。

αｉ＝Ｑｉ,0／ωｃ
βｉ＝Ｑｉ,1／ωｃ

また、被測定光ファイバに入射する変調光の電界ベクトルをＥ０（既知とする）としたとき、入射端からｍ番目の区間までの間を往復する光について考えると、入射端で受信されるｍ番目の区間からの後方散乱光の電界ベクトルＥｍは、以下の式（３）で表されることになる。

ここで、パラメータＱm,2 は散乱点をｍ区間目とする受信散乱波電界ベクトルとローカル光（第２のコヒーレント光Ｐ２）の電界ベクトルとの相対位相差、パラメータＱm,3
はレーレー散乱係数を表す。

したがって、処理Ｓ３で得られた４種類の既知成分からなる電界ベクトルＥｍを、入射端側から式（３）に順番に代入していけば、ジョーンズマトリクスＪｍを特定する２種類の未知のパラメータＱm,0 、Ｑm,1 と、２種類の未知のパラメータＱm,2 、Ｑm,3 を順次算出することができる（これら４つのパラメータの算出は、特許文献１と同様にマーカット法を用いている）。

そして、算出したパラメータＱm,0 、Ｑm,1 から、区間毎のジョーンズマトリクスｊｍを特定することができる。このジョーンズマトリクスｊｍは所定波長λについて得られた第１のジョーンズマトリクスであるが、パラメータＱm,1
の波長依存性を考慮して、この波長λとは異なる波長λ′に関する第２のジョーンズマトリクスを求める。

即ち、前記基本パラメータβであるＱm,1 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、以下のように表されることが知られている。
Ｑm,1 ＝Φ−Ψ＝ｋ_１・ω−ｋ_２・ω＝Δｋ・ω
ただし、ωは波長λに対応した角周波数、Φは伝搬する光の直交２偏波間の初期位相差で、Ψは伝搬する光の直交２偏波間の位相差、ｋ_１、ｋ_２は、Φ、Ψそれぞれの位相と角周波数とを関係付ける係数

したがって、ｍ番目の第１ジョーンズマトリクスｊｍ（ω）は、以下の式（４）のように表される。

また、上記式（４）で、波長λ′に対応した角周波数ω＋Δωを用いて、第２のジョーンズマトリクスｊｍ（ω＋Δω）を区間毎に算出する。

上記演算により、被測定ファイバ１の任意の区間のジョーンズマトリクスを計算することができ、これらを用いて任意の区間の偏波モード分散ＰＭＤを算出することができる。なお、ＰＭＤは、次式（５）で示すＰＭＤ演算子Ｄ（ω）を用いて算出する（ｄは微分演算子）。
Ｄ（ω）＝（ｄｊｍ（ω）／ｄω）・ｊｍ（ω）^−１……（５）

なお、このＰＭＤの演算精度をより高くするために、特許文献１と同様に補正処理を行なうこともできる。

この補正処理は、隣接する区間のジョーンズマトリクスの相関性を考慮していないことで発生すると予想される誤差に対するものであり、その相関性を考慮した補正演算を行うことで、距離の長い光ファイバであっても高い精度で偏波モード分散を算出できるようにしている。

前記演算で区間毎に得られたパラメータから求められるジョーンズマトリクスｊ_ｍ（ω）に対して、パラメータＱm,0 は符号の違いによる解が２つ存在する。このとき、ｍ＋１、ｍ、ｍ−１、ｍ−２番目の区間までのジョーンズマトリクスと相関の強さを表す相関係数ｇとを用いて、次の補正モデル式（６）において、誤差εが最小となるパラメータＱm,0′を定める。

ε＝｜Ｊ_ｍ（ω）−ｊ_ｍ（ω）Ｊ_ｍ−１（ω）｜^２
＋ｇ｜Ｊ_ｍ＋１（ω）−ｊ_ｍ（ω）Ｊ_ｍ（ω）｜^２
＋ｇ｜Ｊ_ｍ−１（ω）−ｊ_ｍ（ω）Ｊ_ｍ−２（ω）｜^２ ……（６）

このようにして定めたパラメータＱm,0′と、他のパラメータとを前記式（４）に用いて、次式（７）のように、補正された第１のジョーンズマトリクスＪ_ｍ（ω）′を求める。

また、第２のジョーンズマトリクスＪ_ｍ（ω＋Δω）に対しても同様に、次の補正モデル式（８）により、誤差εが最小となるＱm,0′を定める。

ε＝｜Ｊ_ｍ（ω＋Δω）−ｊ_ｍ（ω＋Δω）Ｊ_ｍ−１（ω＋Δω）｜^２
＋ｇ｜Ｊ_ｍ＋１（ω＋Δω）−ｊ_ｍ（ω＋Δω）Ｊ_ｍ（ω＋Δω）｜^２
＋ｇ｜Ｊ_ｍ−１（ω＋Δω）−ｊ_ｍ（ω＋Δω）Ｊ_ｍ−２（ω＋Δω）｜^２
……（８）

このようにして定めたパラメータＱm,0′と、他のパラメータとを前記式（４）に用いて、次式（９）のように、補正された第２ジョーンズマトリクスＪ_ｍ（ω＋Δω）′を求める。

ここで、相関係数ｇは、偏波モード分散の値が既知の長い光ファイバを測定して決められた値であり、この補正モデル式を用いて各区間のジョーンズマトリクスを補正することで、偏波モード分散の値が未知の長い光ファイバを精度よく測定できることを確認している。

そして、ＰＭＤを前記同様に、次式（１０）で示すＰＭＤ演算子Ｄ（ω）を用いて算出する（ｄは微分記号）。

Ｄ（ω）＝（ｄｊｍ（ω）′／ｄω）・ｊｍ（ω）′^−１……（１０）

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。

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３は、本発明を適用したＰＭＤ測定装置２０の構成を示している。

図３において、光源２１は半導体レーザ等で構成され、所定波長λで直線偏波のコヒーレント光Ｐｃを分岐手段２２に出射する。

一方、パターン信号発生器２３から出力されるＭ系列のパターン信号Ｓｐ（例えば１ビット当り１０ｎｓの４段シフト構成でパターン長１５ビット）の分岐手段２２で分岐された第１のコヒーレント光Ｐｃ１とともに光変調器２４に入力される。

光変調器２４は、第１のコヒーレント光Ｐｃ１をパターン信号Ｓｐで位相変調し、偏波方向が一定の直線偏光の変調光Ｐｍを生成して、方向性結合器２５に出射する。

方向性結合器２５は、光変調器２４から出射された変調光Ｐｍを、被測定光ファイバ１の一端側に入射し、その入射した変調光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Ｐｒを変調光Ｐｍ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から出射された後方散乱光Ｐｒと、分岐手段２２で分岐された第２のコヒーレント光Ｐｃ２は、ホモダイン検波部２６に入射される。

ホモダイン検波部２６は、第２のコヒーレント光Ｐｃ２をローカル光として、後方散乱光Ｐｒに対する同相／直交位相分離および水平／垂直偏波分離処理を行ない、互いに同相で水平偏波の２成分、互いに同相で垂直偏波の２成分、互いに直交位相で水平偏波の２成分、互いに直交位相で垂直偏波の２成分に分離する前述の偏波多重光ハイブリッド２７と、その偏波多重光ハイブリッド２７で分離された４組の各２成分を、それぞれ互いに直列接続された受光素子対で受けてその接続点から入射光強度に対応した大きさの電気信号を出力する４組のバランスド受光器２８Ａ〜２８Ｄとからなり、後方散乱光Ｐｒの水平偏波の実部Ｒｅ（Ｅｘ）、虚部Ｉｍ（Ｅｘ）の成分および垂直偏波の実部Ｒｅ（Ｅｙ）、虚部Ｉｍ（Ｅｙ）の成分を出力する。

これら各成分の信号はそれぞれＡ／Ｄ変換器２９Ａ〜２９Ｄによってデジタルのデータ列に変換されて、相関演算手段３０に入力される。

相関演算手段３０は、変調光Ｐｍが被測定光ファイバ１の一端側に入射されたタイミングから一定時間（変調光Ｐｍが被測定光ファイバ１の遠端に達してその後方散乱光が一端に戻って来るまでの時間以上）が経過するまで、ホモダイン検波部２６から出力される各成分のデータを記憶し、その記憶した各成分のデータとパターン信号Ｓｐとの相関演算をそれぞれ行い、被測定光ファイバ１を長さ方向に沿って複数に区分けしたときの各区間からの後方散乱光の電界ベクトルＥｍを求める。

ここで、電界ベクトルＥｍの一つの成分のサンプリングデータをＥｆ１_ｊ、パターン信号ＳｐのサンプリングデータをＭＳｊとすると、相関関数は次式となる。
ＥＥ１_ｉ＝_{ｊ＝ｉ・ｑ}Σ^{ｉ・ｑ＋ｒ−１}Ｅｆ１_ｊ・ＭＳ_{ｊ−ｉ・ｑ}
ただし、記号_{ｊ＝ｉ・ｑ}Σ^{ｉ・ｑ＋ｒ−１}は、ｊ＝ｉ・ｑ〜ｉ・ｑ＋ｒ−１までの総和を示し、ｑは、基本パルス幅（例として１０ｎｓ）×サンプリング速度（例として１０ＧＳａ／ｓ）＝１００、ｒは相関利得で例えば１５００である。また、ｉはモデル化されたファイバの区間を表す。

この相関演算処理を、例えば上記４つの成分のうちの特定成分について簡単に説明する。Ｍ系列のパターン信号Ｓｐを仮に（１０１１０）とし、時刻ｔ０に被測定光ファイバ１の一端側の最初の区間１から戻って来る後方散乱光の特定成分が図４の（ａ）、時刻ｔｍにファイバの中間付近の区間ｍから戻って来る後方散乱光の特定成分が図４の（ｂ）、さらに時刻ｔｎにファイバの遠端に近い区間ｎから戻って来る後方散乱光の特定成分が図４の（ｃ）とする。なお、実際の検波出力はより細かい時間で区切られた各時間成分が互い重畳した複雑な波形となっている。

この特定成分の波形は、パターン信号の各ビットに対応して強度変化し、基本的にファイバの一端から遠い区間からの成分ほど平均的な強度が低下する。なお、実際にはＰＭＤの影響で単調減少変化とはならない場合がある。

これらの各時間成分に対して図４の（ｄ）に示すＭ系列のパターン信号Ｓｐによる相関処理（データ同士の積の総和を求める演算）を行い、各時間についての相関値ＥＥ０、ＥＥｍ、ＥＥｎを求める。この相関値をより短い時間間隔（前記各区間に対応した時間間隔）で求めれば、図４の（ｅ）のように特性データが得られる。これら各相関値は、ビット数分時間的に分散されていた後方散乱光強度を集約させてものであるから、パターン信号のビット数と１ビット幅の積に応じた高Ｓ／Ｎの成分検出が行なえ、従来の短パルスを用いてＳ／Ｎを維持するために数１０００〜数１００００回の平均化処理を行なう方法に比べて、短時間で高Ｓ／Ｎのデータが得られる。

この相関演算処理を、他の３種類の成分について行なうことで、各区間の後方散乱光の電界ベクトルＥｍの各成分を求めることができる。

パラメータメータ算出手段３１は、相関演算手段３０で求められた各区間の後方散乱光の電界ベクトルＥｍと、被測定光ファイバ１の各区間におけるジョーンズマトリクスのモデル式とに基づいて、前記した方法により、そのモデル式に含まれるパラメータを区間毎に算出する。

そして、第１のジョーンズマトリクス算出手段３２は、パラメータ算出手段３１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、第２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３１によって算出されたパラメータに基づいて、所定波長λと異なる波長λ′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。

偏波モード分散算出手段３４は、算出された第１のジョーンズマトリクスと第２のジョーンズマトリクスとに基づいて、被測定光ファイバ１の任意の区間の偏波モード分散ＰＭＤを算出する。

上記構成のＰＭＤ測定装置により、ＰＭＤ特性既知の１０００ｍのパンダファイバを実際に測定した結果の一部を図５、図６に示す。図５は、受信電界ベクトルＥｍのうち、相関処理で得られたレーレー散乱係数Ｑm,3 の変化を示す図であり、図６は、このパラメータメータと他の３つのパラメータＱm,1 、Ｑm,2 、Ｑm,4 とを用いて上記方法にしたがって求めたＰＭＤを示す図である。

図６の測定結果は、１０００ｍまでほぼルート関数で増加しており、メーカ測定結果とよく一致していることから本発明の測定方法の有益性を確認することができた。

なお、前記したように、第１のジョーンズマトリクス算出手段３２および第２のジョーンズマトリクス算出手段３３において、算出対象の区間のジョーンズマトリクスを、その区間の近隣の区間のジョーンズマトリクスと相関係数ｇを用いて補正するようにすれば、より高精度な測定が行なえる。

また、このように後方散乱光の偏波状態を観測することでＰＭＤを測定する方式では、変調光Ｐｍを光増幅器で増幅して被測定光ファイバ１に入射すれば、その分だけ後方散乱光の平均的なレベルが高くなり、高いＳ／Ｎでより高精度な測定が可能となるが、Ｍ系列のパターン信号で変調された変調光のみをバースト状に光増幅器に入射すると、光増幅器の過渡特性により、出力される変調光に歪みが生じて、測定を正しく行なえない。

このようにより高いＳ／Ｎが要求される場合、図７のように、光変調器２４と方向性結合器２５の間に光増幅器５０を挿入するとともに、パターン信号発生器２３が、例えば図８のように、Ｍ系列のパターン信号Ｓｐを、それとパターンが非相関（望ましくは直交性をもつ）で且つ符号長が長いダミー信号Ｓｄ１、Ｓｄ２の間に挿入して出力するようにすればよい。

このように非相関なダミー信号の間にＭ系列のパターン信号Ｓｐを挿入して変調することで、光変調器２４からは、Ｍ系列のパターン信号Ｓｐで変調された変調光の前後にダミー信号で変調された変調光が存在するので、これを光増幅器５０に入力した場合、その出力光のうち、ダミー信号で変調された変調光成分には歪過渡応答による歪みが生じてもその間のパターン信号で変調された変調光成分に歪みが生じない。

そして、パターン信号と非相関なダミー信号で変調された変調光に対する後方散乱光は相関演算処理に影響が出ないため、光増幅器５０で増幅された分だけ、パターン信号で変調された変調光に対する検波効率が向上し、さらに高いＳ／Ｎで各区間の電界ベクトルＥｍの成分を求めることができ、平均化処理を省略あるいは大幅に少なくできて、短時間に正確なＰＭＤを求めることができる。なお、パターン信号Ｓｐとダミー信号Ｓｄのパターンが直交性を持っていれば、相関演算の際にダミー信号に対する相関値が０となり、より確実な相関値が得られる。

このように、実施形態のＰＭＤ測定装置および測定方法では、Ｍ系列のパターン信号Ｓｐで変調された変調光を被測定光ファイバ１に入射し、その後方散乱光に対してコヒーレント光によるホモダイン検波を行い、各検波出力に対してＭ系列のパターン信号との相関演算を行なうことで、ジョーンズマトリクスのパラメータ算出に必要な後方散乱光の電界ベクトルを求めている。

このため、従来用いている短パルスよりも大きな電力の光信号を時間分散して被測定光ファイバに入射することができ、しかもその後方散乱光に対する相関演算により、時間分散していた光電力を集約させることができる。

したがって、従来のように数１０００回、数１００００回の短パルス入射と平均化処理で得られたデータについてパラメータ算出を行なってＰＭＤを求めるものに比べて、格段に短い時間（極端にいえば平均化無し）で精度よくパラメータおよびＰＭＤを求めることができる。

２０……偏波モード分散測定装置、２１……光源、２２……分岐手段、２３……パターン信号発生器、２４……光変調器、２５……方向性結合器、２６……ホモダイン検波部、２７……偏波多重光ハイブリッド、２８Ａ〜２８……バランスド受光器、３０……相関演算手段、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……偏波モード分散算出手段、５０……光増幅器

Claims (6)

1. 所定波長で直線偏波のコヒーレント光を出射する光源（２１）と、
   前記光源から出射されたコヒーレント光を分岐する分岐手段（２２）と、
   Ｍ系列のパターン信号を出力するパターン信号発生器（２３）と、
   前記分岐手段で分岐された第１のコヒーレント光を前記パターン信号で位相変調する光変調器（２４）と、
   前記光変調器から出射された変調光を、被測定光ファイバの一端側に入射し、該入射した変調光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変調光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と、前記分岐手段で分岐された第２のコヒーレント光とを受けて同相／直交位相分離および水平／垂直偏波分離処理を行ない、互いに同相で水平偏波の２成分、互いに同相で垂直偏波の２成分、互いに直交位相で水平偏波の２成分、互いに直交位相で垂直偏波の２成分に分離する偏波多重光ハイブリッド（２７）と、該偏波多重光ハイブリッドで分離された４組の各２成分を、それぞれ互いに直列接続された受光素子対で受けてその接続点から入射光強度に対応した大きさの電気信号に変換する４組のバランスド受光器（２８Ａ〜２８Ｄ）とからなり、前記後方散乱光の水平偏波の実部Ｒｅ（Ｅｘ）、虚部Ｉｍ（Ｅｘ）の成分および垂直偏波の実部Ｒｅ（Ｅｙ）、虚部Ｉｍ（Ｅｙ）の成分を出力するホモダイン検波部（２６）と、
   前記パターン信号で変調された変調光を前記被測定光ファイバの一端側に入射したタイミングから一定時間の間に前記ホモダイン検波部から出力される各成分のデータを記憶し、該記憶した各成分のデータと前記パターン信号との相関演算をそれぞれ行い、前記被測定光ファイバを長さ方向に沿って複数に区分けしたときの各区間からの後方散乱光の電界ベクトルを求める相関演算手段（３０）と、
   前記相関演算手段で求められた各区間の後方散乱光の電界ベクトルと、前記被測定光ファイバの前記各区間におけるジョーンズマトリクスのモデル式とに基づいて、該モデル式に含まれるパラメータを区間毎に算出するパラメータ算出手段（３１）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（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、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（３３）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（３４）とを備えたことを特徴とする光ファイバの偏波モード分散測定装置。
2. 前記光変調器と前記方向性結合器の間に光増幅器（５０）を挿入するとともに、
   前記パターン信号発生器が、前記Ｍ系列のパターン信号を、該Ｍ系列のパターン信号と非相関で且つ符号長が長いダミー信号の間に挿入して出力する構成としたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバの偏波モード分散測定装置。
3. 前記第１のジョーンズマトリクス算出手段および第２のジョーンズマトリクス算出手段は、算出対象の区間のジョーンズマトリクスを、該区間の近隣の区間のジョーンズマトリクスと相関係数を用いて補正することを特徴とする請求項１または請求項２記載の光ファイバの偏波モード分散測定装置。
4. 所定波長で直線偏波のコヒーレント光を分岐し、その分岐した第１のコヒーレント光をＭ系列のパターン信号で変調し、該変調光を被測定光ファイバの一端側に入射する段階（（Ｓ１）と、
   前記入射した変調光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と、分岐された第２のコヒーレント光とで、同相／直交の位相分離および水平／垂直の偏波分離処理を行ない、互いに同相で水平偏波の２成分、互いに同相で垂直偏波の２成分、互いに直交位相で水平偏波の２成分、互いに直交位相で垂直偏波の２成分に分離し、該分離した４組の各２成分を、それぞれバランスド受光器の互いに直列接続された受光素子対で受けてその接続点から入射光強度に対応した大きさの電気信号に変換し、前記後方散乱光の水平偏波の実部Ｒｅ（Ｅｘ）、虚部Ｉｍ（Ｅｘ）の成分および垂直偏波の実部Ｒｅ（Ｅｙ）、虚部Ｉｍ（Ｅｙ）の成分を出力する段階（Ｓ２）と、
   前記パターン信号で変調された変調光を前記被測定光ファイバの一端側に入射したタイミングから一定時間の間に出力される前記各成分のデータを記憶し、該記憶した各成分のデータと前記パターン信号との相関演算をそれぞれ行い、前記被測定光ファイバを長さ方向に沿って複数に区分けしたときの各区間からの後方散乱光の電界ベクトルを求める段階（Ｓ３）と、
   前記各区間の後方散乱光の電界ベクトルと、前記被測定光ファイバの前記各区間におけるジョーンズマトリクスのモデル式とに基づいて、該モデル式に含まれるパラメータを区間毎に算出する段階（Ｓ４）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（Ｓ５）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段階（Ｓ６）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（Ｓ７）とを含むことを特徴とする光ファイバの偏波モード分散測定方法。
5. 前記光変調器の出射光を光増幅器（５０）で増幅して前記被測定光ファイバの一端に入射するとともに、
   前記光変調器に対して、前記Ｍ系列のパターン信号を、該Ｍ系列のパターン信号と非相関で且つ符号長が長いダミー信号の間に挿入して与えることを特徴とする請求項４記載の光ファイバの偏波モード分散測定方法。
6. 前記第１のジョーンズマトリクスおよび第２のジョーンズマトリクスを算出する段階は、算出対象の区間のジョーンズマトリクスを、該区間の近隣の区間のジョーンズマトリクスと相関係数を用いて補正する段階を含んでいることを特徴とする請求項４または請求項５記載の光ファイバの偏波モード分散測定方法。

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