JP2015206594A

JP2015206594A - 光ファイバ試験装置及び光ファイバ試験方法

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Publication number: JP2015206594A
Application number: JP2014085108A
Authority: JP
Inventors: 松井　隆; Takashi Matsui; 隆松井; 中島　和秀; Kazuhide Nakajima; 和秀中島; 山本　文彦; Fumihiko Yamamoto; 文彦山本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2015-11-19
Anticipated expiration: 2034-04-17
Also published as: JP5852693B2

Abstract

【課題】数モード光ファイバでの個々の伝搬モードに対する損失測定精度を向上できる光ファイバ試験装置及び光ファイバ試験方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る光ファイバ試験装置は、複数の伝搬モードを伝搬可能な被測定光ファイバの一端に、前記被測定光ファイバのカットオフ波長より短い波長のパルス光を、１つ又は複数の伝搬モードで入射する送信部と、前記パルス光の伝搬で前記被測定光ファイバに発生するブリルアン散乱による後方散乱光を受光器で受光し、所望の伝搬モードに対応するブリルアン散乱光の光周波数に対する光強度を検出する受信部と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、空間多重用の数モード光ファイバにおける伝搬損失を測定する光ファイバ試験装置及び光ファイバ試験方法に関する。

複数のコア領域を有するマルチコア光ファイバや複数の伝搬モードを伝搬可能な数モード光ファイバが、空間多重技術を用いることによる飛躍的な伝送容量拡大に向け、活発に検討されている。特に複数の伝搬モードを用いたモード多重伝送は、伝搬可能なモード数分だけ伝送容量を向上させることができることから、新たな大容量伝送方式として注目を集めている。

ここで光通信システムにおいて、光ファイバの伝搬損失はシステム設計に直接的に関係する重要なパラメータであり、従来の単一モード光ファイバおよび数モード光ファイバにおいては様々な方法が確立され、使用されている。数モード光ファイバにおいても任意のモードを選択的に励振することで、従来の伝搬損失測定方法（例えば、レイリー散乱光を利用した測定方法）を利用して損失測定が行われている。また非特許文献１では、伝搬モード間の曲げ損失差を用いて、１次モードの伝搬損失測定を可能としている。

Ｍ．Ｏｈａｓｈｉ，Ｋ．Ｋｉｔａｙａｍａ，Ｔ．ＫｏｂａｙａｓｈｉａｎｄＹ．Ｉｓｈｉｄａ，"ＬＰ１１ｍｏｄｅｌｏｓｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｉｎｔｈｅｔｗｏ−ｍｏｄｅ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓ"，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．９，ｐｐ．３０３−３０５，Ｊｕｌｙ１９８４

従来のレイリー散乱光を利用した測定方法で任意のモードを選択的に励振し伝搬損失を測定する場合、次のような課題があった。まず、接続点や光ファイバ伝搬中でモード変換が生じるとレイリー散乱光の受光パワーの増減が発生してしまうことがある。また、選択的にモード励振を行っても他のモード成分のレイリー散乱光も発生し、これらは同一の周波数成分を有するので、伝搬モード間で干渉して受光パワーに時間的な変動が生じることがある。すなわち、従来のレイリー散乱光を利用した測定方法には、個々の伝搬モードに対する損失測定精度に課題があった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、数モード光ファイバでの個々の伝搬モードに対する損失測定精度を向上できる光ファイバ試験装置及び光ファイバ試験方法を提供することを目的とする。

本発明は、光ファイバ中で生じるブリルアン散乱特性が伝搬モードごとに異なることを利用し、個々の伝搬モードに対応するブリルアン散乱の長手方向での変化量を検出することとした。

具体的には、本発明に係る光ファイバ試験装置は、複数の伝搬モードを伝搬可能な被測定光ファイバの一端に、前記被測定光ファイバのカットオフ波長より短い波長のパルス光を、１つ又は複数の伝搬モードで入射する送信部と、前記パルス光の伝搬で前記被測定光ファイバに発生するブリルアン散乱による後方散乱光を受光器で受光し、所望の伝搬モードに対応するブリルアン散乱光の光周波数に対する光強度を検出する受信部と、を備える。

また、本発明に係る光ファイバ試験方法は、複数の伝搬モードを伝搬可能な被測定光ファイバの一端に、前記被測定光ファイバのカットオフ波長より短い波長のパルス光を、１つ又は複数の伝搬モードで入射する送信手順と、前記パルス光の伝搬で前記被測定光ファイバに発生するブリルアン散乱による後方散乱光を受光器で受光し、所望の伝搬モードに対応するブリルアン散乱光の光周波数に対する光強度を検出する受信手順と、を行う。

本発明では、光ファイバ中で生じるブリルアン散乱光を利用する。数モード光ファイバに入力した試験光（パルス光）が同じ光周波数であっても、ブリルアン散乱光の光周波数は試験光の伝搬モード毎に異なる。このため、測定対象伝搬モード以外の伝搬モードのブリルアン散乱光が発生しても各伝搬モードのブリルアン散乱光間で干渉せず受光パワーに時間的な変動が生じない。また、接続点や光ファイバ伝搬中にモード変換が生じればブリルアン散乱光の光周波数が変化するので、試験作業者はモード変換が生じたことを容易に判断できる。

具体的な測定手法は、次のとおりである。まず、所望の伝搬モードの試験光で生じた後方散乱光について、光ファイバの任意位置における光周波数に対する光強度の周波数特性を取得し、周波数特性に存在するピーク位置（光周波数）を検出する。当該ピークの光周波数の光が所望伝搬モードの試験光で発生したブリルアン散乱光である。この光周波数について光ファイバの長さ方向に対する光強度のデータから所望伝搬モードでの伝搬損失を取得することができる。

従って、本発明は、数モード光ファイバでの個々の伝搬モードに対する損失測定精度を向上できる光ファイバ試験装置及び光ファイバ試験方法を提供することができる。

本発明に係る光ファイバ試験装置の前記受信部は、前記受光器の出力と所定の発振周波数の電気信号とで電気ヘテロダイン検波する電気ヘテロダイン検波器を備え、
１つの発振周波数の前記電気信号を前記電気ヘテロダイン検波器に入力して前記被測定光ファイバの位置に対する前記後方散乱光の光強度のデータを取得する伝搬損失測定を、異なる発振周波数の前記電気信号で繰り返し行い、前記周波数特性を取得することを特徴とする。

本発明に係る光ファイバ試験方法の前記受信手順では、前記受光器の出力と１つの発振周波数の電気信号との電気ヘテロダイン検波で、前記被測定光ファイバの位置に対する前記後方散乱光の光強度のデータを取得する伝搬損失測定を行い、前記伝搬損失測定を異なる発振周波数の前記電気信号で繰り返し行うことで前記周波数特性を取得することを特徴とする。

受光器は、光ファイバで伝搬する全ての伝搬モードの散乱光を受光することになる。本発明では、ある周波数の電気信号と受光器の出力とで電気ヘテロダイン検波する。まず、当該周波数で光ファイバの長さ方向に対する光強度のデータ（ＯＴＤＲ波形）を取得する。続いて異なる周波数で光ファイバの長さ方向に対する光強度のデータ（ＯＴＤＲ波形）を取得する。これを繰り返し、複数の周波数で取得したデータを使い、光ファイバの任意の位置における周波数に対する光強度のデータ、すなわち前記周波数特性を得ることができる。

本発明に係る光ファイバ試験装置の前記送信部は、連続光から前記パルス光を生成しており、前記受信部の前記受光器は、前記連続光を用いて光ヘテロダイン検波を行うことを特徴とする。また、本発明に係る光ファイバ試験方法の前記送信手順では、連続光から前記パルス光を生成しており、前記受信手順では、前記連続光を用いて光テロダイン検波を行うことを特徴とする。光ヘテロダイン検波を行う際に、連続光の光強度を上げることで受信器の出力の信号対雑音比を改善できる。

本発明に係る光ファイバ試験装置の前記被測定光ファイバの他端から波長λｃの参照光を入力する参照光源をさらに備えることを特徴とする。また、本発明に係る光ファイバ試験方法は、前記被測定光ファイバの他端から波長λｃの参照光を入力する参照光源入力手順をさらに行うことを特徴とする。ただし、所望の前記後方散乱光の波長をλｍとしたとき、λｃはλｍと等しい。参照光により所望のブリルアン散乱光の強度を高くすることができる。

本発明は、数モード光ファイバでの個々の伝搬モードに対する損失測定精度を向上できる光ファイバ試験装置及び光ファイバ試験方法を提供することができる。

本発明に係る光ファイバ試験方法の原理を表す概略図である。伝搬モードによりブリルアン散乱光の光周波数が異なることを説明する図である。ブリルアン散乱光の周波数特性を説明する図である。光ファイバの位置に対するブリルアン散乱光の光強度のデータを説明する図である。本発明に係る光ファイバ試験装置の構成を説明する図である。本発明に係る光ファイバ試験装置の構成を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図５は、本実施形態の光ファイバ試験装置３０１を説明する構成図である。光ファイバ試験装置３０１は、
複数の伝搬モードを伝搬可能な被測定光ファイバ５０の一端に、被測定光ファイバ５０のカットオフ波長より短い波長のパルス光を、１つ又は複数の伝搬モードで入射する送信部１００と、
前記パルス光の伝搬で被測定光ファイバ５０に発生するブリルアン散乱による後方散乱光を受光器で受光し、所望の伝搬モードに対応するブリルアン散乱光の光周波数に対する光強度を検出する受信部２００と、
を備える。
光ファイバ試験装置３０１は、入射光の伝搬モードによりブリルアン散乱光の光周波数が異なるブリルアン散乱特性を利用して被測定光ファイバ５０における伝搬モード毎の損失を測定する。

図１は、光ファイバ試験装置３０１の伝搬損失測定方法を説明する概念図である。モード合分波器１１は、入力される基本モードのパルス光を任意の伝搬モードへ変換して被測定光ファイバ５０へ入射するとともに、被測定光ファイバ５０からの任意の伝搬モードを基本モードへ変換する。光周波数νの光波（パルス光）がモード合分波器１１に入射され、モード合分波器１１において任意の伝搬モードとして励振され、被測定光ファイバ５０を伝搬する。ここで、所望の伝搬モードのパルス光を生成して当該伝搬モード単独で被測定光ファイバ５０に入射してもよいし、複数の伝搬モードを同時に被測定光ファイバ５０に入射してもよい。なお、所望の伝搬モードのパルス光を入射する場合は、モード合分波器の代替としてモード変換器でもよい。

励振された伝搬モードは被測定光ファイバ５０中のブリルアン散乱現象により、光波の周波数が一定の値だけシフトし入射側へ伝搬する散乱光が生じる。ここでブリルアン散乱による光波の周波数シフト量は、被測定光ファイバ５０における伝搬光の伝搬定数β、および被測定光ファイバ５０の材料定数によって決まる。数モード光ファイバの場合、材料定数は伝搬モードによらず一定だが、βは伝搬モードにより異なる。そのため伝搬する伝搬モードにより、図２のようにブリルアン散乱による周波数シフト量は異なる。

図３は波長１．５５μｍにおいて２モード伝搬が可能な光ファイバにおいて、基本モード（ＬＰ０１モード）および１次モード（ＬＰ１１モード）を励振したときの、ブリルアン散乱光のスペクトル波形である。ＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードに対して、それぞれ中心周波数が異なっていることが確認できる。

したがって、被測定光ファイバ５０に対しモード合分波器を用いて任意の伝搬モードを励振し、励振した伝搬モードに対応するブリルアン周波数シフト量におけるブリルアン散乱光強度を長手方向に沿って取得することで、その傾きから励振した伝搬モードに対する伝搬損失を得ることができる。また、所望の伝搬モードのパルス光を入射しても所望の伝搬モード以外の伝搬モードのブルリアン散乱光が発生することがあるが、各伝搬モードのブルリアン散乱光間で干渉しないため、受光パワーに時間的な変動が生じず、精度の高い損失測定ができる。

また、複数の伝搬モードを被測定光ファイバ５０に同時に入射する場合であっても、ブリルアン散乱光の光周波数が伝搬モード毎に異なるため、伝搬モード間の干渉による測定の時間変動が生じず（他の伝搬モードによる影響を受けず）、短時間で精度の高い損失測定が可能である。なお、同時に複数の伝搬モードの損失測定を行う場合、後方散乱光を光周波数で各伝搬モードのブリルアン散乱光に分離あるいは選択して測定することができる。また、基本モードのパルス光に対するブリルアン散乱光は基本モードであり、１次モードのパルス光に対するブリルアン散乱光は１次モードであり、・・・・、ｎ次モードのパルス光に対するブリルアン散乱光はｎ次モードであるから、モード分波器でブリルアン散乱光を各伝搬モードへ分離して測定してもよい。

図４は、光ファイバ試験装置３０１で行った伝搬損失測定の結果の一例である。ここで被測定光ファイバ５０は１．５５μｍで２モード伝搬が可能な光ファイバであり、モード合分波器１１を用いてＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードを個々に励振し、測定を行った。図中の実線は各モードの励振時における、ファイバ中の任意の位置におけるブリルアン散乱光の受光パワーであり、測定周波数はそれぞれのモードに対して最も大きな散乱光が得られた周波数（ＬＰ０１モードに対して１０．３５ＧＨｚ、ＬＰ１１モードに対して１０．３８ＧＨｚ）とした。それぞれのモードに対して受光パワーは伝搬損失により、入射位置から離れるほど小さくなることが確認できる。ここで各波形に対して直線近似を行ったものを破線で示している。近似直線の傾きが伝搬損失に対応し、ＬＰ０１モードに対して０．２４ｄＢ／ｋｍ、ＬＰ１１モードに対して０．２５２ｄＢ／ｋｍと求められる。同一の被測定光ファイバに対して、それぞれの伝搬モードを励振した際の透過パワーから求めた伝搬損失は、ＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードに対してそれぞれ、０．２５３ｄＢ／ｋｍおよび０．２６２ｄＢ／ｋｍであり、非常によく一致していることがわかる。

続いて、光ファイバ試験装置３０１の構成を説明する。図５の光ファイバ試験装置３０１は最も基本的な構成である。送信部１００は光源１２から出射される光波を変調器１４により任意のパルス幅および送出周期であるパルス光に変調し、モード合分波器１１により任意のモードとして励振し、被測定光ファイバ５０へ入射する。被測定光ファイバ５０に入射されたパルス光は光ファイバ中でブリルアン散乱により後方散乱光を発生しながら伝搬する。この後方散乱光は、モード合分波器１１で基本モードへ変換され、方向性結合器１５で受信部２００へ入射される。

受信部２００は、当該後方散乱光を受光器２１で受光して電気信号に変換する。その後得られた電気信号と発信器２２からの所定の周波数の電気信号をミキサ２３でミキシングを行う。そして、平均化処理部２４は、ミキシングされた電気信号の時間波形に対して２乗平均処理を行い、光波の伝搬時間ｔと伝搬距離Ｌの関係がＬ＝Ｖｇｔ／２であることを利用して、被測定光ファイバ５０の任意の位置における後方散乱光強度を取得する。ここでＶｇは光波の群速度であり、石英系光ファイバでは約２．０×１０^８ｍ／ｓである。

受光器２１は、複数の伝搬モードでの同時測定でも、任意の伝搬モードでの単独測定でも、被測定光ファイバ５０を伝搬している全てのモードの散乱光成分を持つ光信号を受光することになる。受信部２００は受光した光信号から所望の伝搬モードの情報のみ取り出すことができる。その手法を以下に説明する。

受信部２００は、受光器２１の出力と発振器２２からの所定の発振周波数の電気信号とで電気ヘテロダイン検波する。受信部２００は、１つの発振周波数の電気信号をミキサ２３に入力して被測定光ファイバ５０の位置に対する後方散乱光の光強度のデータを取得する伝搬損失測定を、異なる発振周波数の電気信号で繰り返し行い、周波数特性を取得する。

受信部２００は、所望の伝搬モードに対応するブリルアン散乱光の周波数である電気信号(一般的に正弦波)を発振器２２から発し、ミキサ２３において受光器２１からの信号と電気信号を掛け合わせることで、受光した信号のうち所望の光周波数成分（所望の伝搬モードによるブリルアン散乱光の情報）を取り出す。つまり、受信部２００は、光学機器で光周波数の選択は行わず、電気ヘテロダイン検波によって所望の光周波数の成分を取り出す。なお、発振器２２とミキサ２３が前記電気ヘテロダイン検波器に相当する。

また、受信部２００は、発信器２２における周波数を任意の周波数帯でスイープすることにより、被測定光ファイバ５０の任意の位置におけるブリルアン散乱光に対する周波数特性を得ることができる。具体的には、受信部２００は、発振器２２をある周波数に設定してＯＴＤＲ（ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）波形を取得し、発振器２２を次の周波数に設定してＯＴＤＲ波形の取得し、、、という作業を繰り返し行う。

この周波数特性において受光パワーが最も大きくなる（ピーク）周波数を選択することで励振した伝搬モードに対するブリルアン散乱周波数シフト量を得ることができ、当該周波数またはその近傍において受光パワーの長手方向に対する特性を取得し、その傾きを計算することで伝搬損失を得ることができる。

周波数特性は光ファイバの構造と伝搬モードと波長が決まれば一意に決まるので、被測定光ファイバ５０の位置に依らず一定であるが、被測定光ファイバ５０中の一部で歪が加わると、その位置だけピークが横にずれた特性となる。

ここで、光源１２の出射光の一部を方向性結合器１３を用いて参照光として分波し、参照光と散乱光を受光器２１にて合波し、光ヘテロダイン検波を行ってもよい。参照光の信号強度を上げることで受光信号の信号対雑音比を改善でき好ましい。

（実施形態２）
図６は、本実施形態の光ファイバ試験装置３０２を説明する構成図である。光ファイバ試験装置３０２は、図５の光ファイバ試験装置３０１に被測定光ファイバ５０の他端から波長λｃの参照光を入力する参照光源６０をさらに備える。ただし、所望の前記後方散乱光の波長をλｍとしたとき、λｃはλｍと等しい。

図６に示すように、被測定光ファイバ５０の送信側と対向する側に連続光を出力する光源６０を設置することで、ブリルアン散乱によって発生した任意の周波数の散乱光を強めることができる。ここで送信部の光波の波長をλ、対向側の光源の波長をλｃ、観測したい散乱光の波長をλｍとすると、λｃ＝λｍとする。このとき波長λｍの散乱光強度が強まり、受光信号の信号対雑音比を改善でき好ましい。

本発明は、空間多重伝送を行う数モード光ファイバにおける、各伝搬モードに対する伝搬損失試験に用いることができる。

１１：モード合分波器
１２：光源
１３：方向性結合器
１４：変調器
１５：方向性結合器
１６：パルス発生器
２１：受光器
２２：発振器
２３：ミキサ
２４：平均化処理部
２５：表示部
５０：被測定光ファイバ
６０：参照光源
１００：送信部
２００：受信部
３０１、３０２：光ファイバ試験装置

Claims

複数の伝搬モードを伝搬可能な被測定光ファイバの一端に、前記被測定光ファイバのカットオフ波長より短い波長のパルス光を、１つ又は複数の伝搬モードで入射する送信部と、
前記パルス光の伝搬で前記被測定光ファイバに発生するブリルアン散乱による後方散乱光を受光器で受光し、所望の伝搬モードに対応するブリルアン散乱光の光周波数に対する光強度を検出する受信部と、
を備える光ファイバ試験装置。
前記受信部は、
前記受光器の出力と所定の発振周波数の電気信号とで電気ヘテロダイン検波する電気ヘテロダイン検波器、
を備え、
１つの発振周波数の前記電気信号を前記電気ヘテロダイン検波器に入力して前記被測定光ファイバの位置に対する前記後方散乱光の光強度のデータを取得する伝搬損失測定を、異なる発振周波数の前記電気信号で繰り返し行い、前記周波数特性を取得することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ試験装置。
前記送信部は、連続光から前記パルス光を生成しており、
前記受信部の前記受光器は、前記連続光を用いて光ヘテロダイン検波を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ試験装置。
前記被測定光ファイバの他端から波長λｃの参照光を入力する参照光源をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバ試験装置。
ただし、所望の前記後方散乱光の波長をλｍとしたとき、λｃはλｍと等しい。
複数の伝搬モードを伝搬可能な被測定光ファイバの一端に、前記被測定光ファイバのカットオフ波長より短い波長のパルス光を、１つ又は複数の伝搬モードで入射する送信手順と、
前記パルス光の伝搬で前記被測定光ファイバに発生するブリルアン散乱による後方散乱光を受光器で受光し、所望の伝搬モードに対応するブリルアン散乱光の光周波数に対する光強度を検出する受信手順と、
を行う光ファイバ試験方法。
前記受信手順では、
前記受光器の出力と１つの発振周波数の電気信号との電気ヘテロダイン検波で、前記被測定光ファイバの位置に対する前記後方散乱光の光強度のデータを取得する伝搬損失測定を行い、
前記伝搬損失測定を異なる発振周波数の前記電気信号で繰り返し行うことで前記周波数特性を取得することを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ試験方法。
前記送信手順では、連続光から前記パルス光を生成しており、
前記受信手順では、前記連続光を用いて光テロダイン検波を行うことを特徴とする請求項５又は６に記載の光ファイバ試験方法。
前記被測定光ファイバの他端から波長λｃの参照光を入力する参照光源入力手順をさらに行うことを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の光ファイバ試験方法。
ただし、所望の前記後方散乱光の波長をλｍとしたとき、λｃはλｍと等しい。