JP2017003338A - モード結合比率分布測定方法及びモード結合比率分布測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のモードを多重するモード多重光ファイバ伝送路において、片端に測定手段を集約し、従来手法よりもダイナミックレンジに優れた測定を行うことができ、異種の光ファイバ同士が接続されたモード変換点におけるモード結合比率をも正確に把握することが可能となるモード結合比率分布測定装置を提供する。
【解決手段】モード結合比率分布測定装置３０１は、複数のモードを多重する数モード光ファイバである被測定光ファイバ２５０の一端に、被測定光ファイバ２５０のブリルアン周波数シフトに相当する周波数差を有し、かつ所定の時間遅延が付与されたプローブ光パルスとポンプ光パルスとを所定のモード励起比率で入射し、被測定光ファイバ２５０の一端から出力される、ポンプ光でブリルアン増幅されたプローブ光パルスの後方レイリー散乱光をモード選択して受光する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に数モード光ファイバ（以下、ＦＭＦと称する）やそれを用いた光伝送システムにおいて、光ファイバおよび伝送路の特性を非破壊に評価するための測定方法とその装置に関する。

近年、基幹通信網のトラフィック量の増加はめざましく、将来的にはＰｂｐｓ／１心級の大容量伝送が必要であると言われている。このような大容量化に対応するため、現在の光ファイバ伝送路で用いられているシングルモード光ファイバの容量限界を打破する光ファイバとして、複数のモードを伝搬するＦＭＦを用いたモード分割多重伝送が大きな注目を集めている。

ＦＭＦを用いた光伝送システムを実現するためには、光ファイバ伝送路を構成するモード合分波デバイスの他に、接続点や光ケーブル内における光ファイバの曲げ等があり、複数のモード変換点が存在する。その各々において発生するモード間の結合比率を知り、光ファイバ伝送路全体におけるモード結合量を適正以下に設計・制御する必要がある。

非特許文献１では、複数チャネルを有する光時間領域反射計（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ、以下ＯＴＤＲと称する）を用いて、任意のモード、例えばＬＰ０１をＦＭＦに励振し、ＦＭＦを伝搬する際に生じた当該モードの光による後方レイリー散乱光と、励振したモードとは別のモード、例えばＬＰ１１モードに結合した光による後方レイリー散乱光のパワー比率より、ＬＰ０１とＬＰ１１のモード間における結合比率を分布的に評価する手法が提案されている。

非特許文献２では、ブリルアン時間領域反射計（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ、以下ＢＯＴＤＲと称する）を用いた手法が提案されている。非特許文献１に記載の方法と異なり、入射した光の周波数に対して、各モードにおける伝搬定数の違いから、発生する自然ブリルアン散乱光のブリルアン周波数シフトが異なることを利用している。

中沢ほか、「マルチチャネルＯＴＤＲを用いたフューモードファイバ中におけるモード結合量の長手分布測定」、電子情報通信学会総合大会、２０１４年、Ｂ−１３−９ Ａｎ Ｌｉ ｅｔ ａｌ， "Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｍｏｄｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｉｎ ａ ｆｅｗ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｕｓｉｎｇ ａ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ＯＴＤＲ" Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ． ３９， ｎｏ． ２２， ｐ． ６４１８ （２０１４） Ｔ．Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ， "ＢＯＴＤＡ−ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｕｓｉｎｇ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ： Ｔｈｅｏｒｙ"， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｖｏｌ． ７， Ｎｏ． ８， ｐｐ． １１７０−１１７６ （１９８９）

非特許文献１に記載の方法では、入射光の後方レイリー散乱光を用いているため、測定対象で発生する強いフレネル反射が測定に影響し、これを除去するための特別な手段が必要になる。また、光ファイバ伝送路上のあるモード変換点に対して、入射光の伝搬方向に透過する際と、前記入射光の後方レイリー散乱光が入射方向に戻ってくる際に再び通過するため、後方レイリー散乱によって生じるモード結合は、被測定光ファイバの長さ方向に渡って均一であるという前提が無いと、ＯＴＤＲから得られる各モードのパワー比率からだけでは、あるモード変換点においてモード間の結合状態を特定することができないといった課題がある。

非特許文献２に記載の方法は、各モードにおける自然ブリルアン散乱光のパワー比率を入射した光と周波数軸上で分解することができるため、非特許文献１に記載の方法におけるフレネル反射光の課題に対して有効であるが、一般的な石英型光ファイバにおいては、自然ブリルアン散乱光は、レイリー散乱光に比べて約−２０ｄＢ程度の微弱な散乱光であるため、測定のダイナミックレンジの観点から、光ファイバ伝送路のように多数の接続点で構成される損失の大きい被測定対象に対して不利であるという課題がある。

一般に、ＢＯＴＤＲより測定ダイナミックレンジに優れた方法として、例えば非特許文献３に記載のように、被測定対象ファイバの両端からそれぞれパルス化されたポンプ光と連続光からなるプローブ光を対向伝搬させて、誘導ブリルアン散乱、いわゆるブリルアン増幅現象を発生させ、プローブ光が得たブリルアン利得の時間変化より、分布的にブリルアン散乱光の強度を知る手法、いわゆるブリルアン時間領域解析法（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ、以下ＢＯＴＤＡと称する）が知られているが、本目的のように、モード間の結合比率を分布的に知りたい場合においては、対向伝搬するポンプ光とプローブ光の衝突時間に至るまでポンプ光およびプローブ光の各々が経験したモード変換の履歴を解析することは容易ではない。

さらに、非特許文献２に記載の方法は、周波数軸上で分解した各モード間における自然ブリルアン散乱光スペクトルのピーク振幅の長さ方向分布を算出し、被測定光ファイバの長さ方向における前記ピーク振幅比の分布を対数軸上にプロットし、その傾きの半分をモード結合比率としているため、あるモード変換点前後において、ブリルアン利得特性の異なる光ファイバが用いられた時、モード変換点前後でのオフセット量が異なり、正確なモード結合状態を測定できないといった課題がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、複数のモードを多重するモード多重光ファイバ伝送路において、その両端から光を入射することなく、片端に測定手段を集約し、従来手法よりもダイナミックレンジに優れた測定を行うことができ、異種の光ファイバ同士が接続されたモード変換点におけるモード結合比率をも正確に把握することが可能となるモード結合比率分布測定方法及びモード結合比率分布測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係るモード結合比率分布測定方法及びモード結合比率分布測定装置は、複数のモードを多重する数モード光ファイバである被測定光ファイバに対し、該光ファイバのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差を有し、かつ所定の時間遅延が付与されたプローブ光パルスとポンプ光パルスとを所定のモード励起比率で入射し、該光ファイバにおいてブリルアン増幅されたプローブ光パルスの後方レイリー散乱光をモード選択して受信し、各モード毎に後方レイリー散乱光強度の信号を時間領域で取得し、各周波数における後方レイリー散乱光の強度比を各時間毎に求めることにより、被測定光ファイバの長さ方向にわたるモード結合（励起）比率分布を算出することとした。

具体的には、本発明に係るモード結合比率分布測定方法は、
複数のモードを多重する数モード光ファイバである被測定光ファイバの一端に、コヒーレント光から生成された、前記被測定光ファイバのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差を有し、かつ所定の時間遅延が付与されたプローブ光パルスとポンプ光パルスとを所定のモード励起比率で入射する試験光入射手順と、
前記被測定光ファイバの前記一端から出力される、前記被測定光ファイバにおいて前記ポンプ光でブリルアン増幅されたプローブ光パルスの後方レイリー散乱光をモード選択して受光する散乱光受光手順と、
を行う。

また、本発明に係るモード結合比率分布測定装置は、
複数のモードを多重する数モード光ファイバである被測定光ファイバの一端に、コヒーレント光から生成された、前記被測定光ファイバのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差を有し、かつ所定の時間遅延が付与されたプローブ光パルスとポンプ光パルスとを所定のモード励起比率で入射する試験光入射手段と、
前記被測定光ファイバの前記一端から出力される、前記被測定光ファイバにおいて前記ポンプ光でブリルアン増幅されたプローブ光パルスの後方レイリー散乱光をモード選択して受光する散乱光受光手段と、
を備える。

本発明は、プローブ光の後方レイリー散乱によるモード変換状態を示す要素が相殺されるため、非特許文献１と異なり、後方レイリー散乱によって生じるモード結合が被測定光ファイバ全体に渡って均一であるという前提条件が不要となる。
本発明は、自然ブリルアン散乱光より光強度が強いレイリー散乱光を測定するため、ダイナミックレンジを大きく改善でき、損失の大きい被測定対象に対しても測定が可能である。
本発明は、被測定光ファイバの一端からポンプ光及びプローブ光を入力するので、非特許文献３のように解析な困難な区間が存在しない。
本発明は、同位置におけるレイリー散乱によるモード結合特性やブリルアン利得特性が相殺されるため、伝送路にブリルアン利得特性の異なる光ファイバが用いられていてもモード結合比率分布測定が可能である。

従って、本発明は、複数のモードを多重するモード多重光ファイバ伝送路において、その両端から光を入射することなく、片端に測定手段を集約し、従来手法よりもダイナミックレンジに優れた測定を行うことができ、異種の光ファイバ同士が接続されたモード変換点におけるモード結合比率をも正確に把握することが可能となるモード結合比率分布測定方法及びモード結合比率分布測定装置を提供することができる。

本発明は、次のような構成とすることができる。
前記モード結合比率分布測定方法の前記試験光入射手順は、
コヒーレント光を生成するレーザ光発生ステップと、
前記レーザ光発生ステップで生成された前記コヒーレント光を２分岐する光分岐ステップと、
前記光分岐ステップで２分岐された一方の前記コヒーレント光の光周波数を前記被測定光ファイバのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差分だけ変化させる光周波数制御ステップと、
前記光分岐ステップで２分岐された他方の前記コヒーレント光をパルス化してプローブ光とし、前記光周波数制御ステップで光周波数を変化させられた前記コヒーレント光をパルス化してポンプ光とする光パルス化ステップと、
前記光パルス化ステップにおいて前記ポンプ光に前記所定の時間遅延が付与するパルス発生制御ステップと、
前記光パルス化ステップで発生させた前記プローブ光と前記ポンプ光を合波する合波ステップと、
前記合波ステップで合波された前記プローブ光と前記ポンプ光を所定のモード励起比率で前記被測定光ファイバの前記一端に入射するモード選択入射ステップと、
を行い、
前記散乱光受光手順は、
前記被測定光ファイバの前記一端に到達する後方レイリー散乱光のうち任意のモードの後方レイリー散乱光を選択して出力部へ出力するモード選択分波ステップと、
前記前記光周波数制御ステップで光周波数を変化させられた前記コヒーレント光と前記モード選択分波ステップで前記出力部から出力される後方レイリー散乱光とを合波して受光する受光ステップと、
を行うことを特徴とする。

前記モード結合比率分布測定装置の前記試験光入射手段は、
コヒーレント光を生成するレーザ光発生器と、
前記レーザ光発生器が生成した前記コヒーレント光を２分岐する光分岐器と、
前記光分岐器が２分岐した一方の前記コヒーレント光の光周波数を前記被測定光ファイバのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差分だけ変化させる光周波数制御器と、
前記光分岐器が２分岐した他方の前記コヒーレント光をパルス化してプローブ光とし、前記光周波数制御器が光周波数を変化させた前記コヒーレント光をパルス化してポンプ光とする光パルス化回路と、
前記光パルス化回路を制御し、前記ポンプ光に前記所定の時間遅延が付与するパルス発生制御器と、
前記光パルス化回路が発生した前記プローブ光と前記ポンプ光を合波する合波器と、
前記合波器が合波した前記プローブ光と前記ポンプ光を所定のモード励起比率で前記被測定光ファイバの前記一端に入射するモード選択入射器と、
を備え、
前記散乱光受光手段は、
前記被測定光ファイバの前記一端に到達する後方レイリー散乱光のうち任意のモードの後方レイリー散乱光を選択して出力部へ出力するモード選択分波器と、
前記光周波数制御器が光周波数を変化させた前記コヒーレント光と前記モード選択分波器が前記出力部から出力した後方レイリー散乱光とを合波して受光する受光器と、
を備えることを特徴とする。

前記モード結合比率分布測定方法は、前記散乱光受光手順で受光した後方レイリー散乱光強度の信号を各モード毎に時間領域で取得し、各周波数における後方レイリー散乱光の強度比を各時間毎に求め、前記被測定光ファイバの長さ方向にわたるモード結合比率分布を算出する演算手順を、さらに行う。

前記モード結合比率分布測定装置は、前記散乱光受光手段が受光した後方レイリー散乱光強度の信号を各モード毎に時間領域で取得し、各周波数における後方レイリー散乱光の強度比を各時間毎に求め、前記被測定光ファイバの長さ方向にわたるモード結合比率分布を算出する演算手段を、さらに備える。

本発明は、複数のモードを多重するモード多重光ファイバ伝送路において、その両端から光を入射することなく、片端に測定手段を集約し、従来手法よりもダイナミックレンジに優れた測定を行うことができ、異種の光ファイバ同士が接続されたモード変換点におけるモード結合比率をも正確に把握することが可能となるモード結合比率分布測定方法及びモード結合比率分布測定装置を提供することができる。

本発明に係るモード結合比率分布測定装置を説明するブロック構成図である。 本発明に係るモード結合比率分布測定装置が被測定光ファイバの一端より入射するプローブ光パルスとポンプ光パルスの時間波形を模式的に説明する図である。 光ファイバ伝送路モデルを説明する図である。 本発明に係るモード結合比率分布測定方法で測定した被測定光ファイバの任意点における後方レイリー散乱スペクトルの観測例である（ポンプ光のＬＰ０１モードにおける振幅ａ０によるブリルアン増幅によって得られる後方レイリー散乱スペクトル。）。 本発明に係るモード結合比率分布測定方法で測定した被測定光ファイバの任意点における後方レイリー散乱スペクトルの観測例である（ポンプ光のＬＰ１１モードにおける振幅ａ１によるブリルアン増幅によって得られる後方レイリー散乱スペクトル。）。

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。

図１は、本実施形態のモード結合比率分布測定装置３０１の構成を説明するブロック構成図である。モード結合比率分布測定装置３０１は、
複数のモードを多重する数モード光ファイバである被測定光ファイバ２５０の一端に、コヒーレント光から生成された、被測定光ファイバ２５０のブリルアン周波数シフトに相当する周波数差を有し、かつ所定の時間遅延が付与されたプローブ光パルスとポンプ光パルスとを所定のモード励起比率で入射する試験光入射手段１０１と、
被測定光ファイバ２５０の前記一端から出力される、被測定光ファイバ２５０において前記ポンプ光でブリルアン増幅されたプローブ光パルスの後方レイリー散乱光をモード選択して受光する散乱光受光手段１０２と、
を備える。

より詳細には、試験光入射手段１０１は、
コヒーレント光を生成するレーザ光発生器１１と、
レーザ光発生器１１が生成した前記コヒーレント光を２分岐する光分岐器１２と、
光分岐器１２が２分岐した一方の前記コヒーレント光の光周波数を被測定光ファイバ２５０のブリルアン周波数シフトに相当する周波数差分だけ変化させる光周波数制御器１３と、
光分岐器１２が２分岐した他方の前記コヒーレント光をパルス化してプローブ光とし、光周波数制御器１３が光周波数を変化させた前記コヒーレント光をパルス化してポンプ光とする光パルス化回路（１４、１５）と、
光パルス化回路（１４、１５）を制御し、前記ポンプ光に前記所定の時間遅延が付与するパルス発生制御器１６と、
光パルス化回路（１４、１５）が発生した前記プローブ光と前記ポンプ光を合波する合波器１７と、
合波器１７が合波した前記プローブ光と前記ポンプ光を所定のモード励起比率で被測定光ファイバ２５０の前記一端に入射するモード選択入射器と、
を備え、
散乱光受光手段１０２は、
被測定光ファイバ２５０の前記一端に到達する後方レイリー散乱光のうち任意のモードの後方レイリー散乱光を選択して出力部１８ａへ出力するモード選択分波器と、
光周波数制御器１３が光周波数を変化させた前記コヒーレント光と前記モード選択分波器が出力部１８ａから出力した後方レイリー散乱光とを合波して受光する受光器１９と、
を備える。
なお、モード結合比率分布測定装置３０１は、モード選択入射器とモード選択分波器を一台のモード選択合分波器１８で行っている。

モード結合比率分布測定装置３０１は、散乱光受光手段１０２が受光した後方レイリー散乱光強度の信号を各モード毎に時間領域で取得し、各周波数における後方レイリー散乱光の強度比を各時間毎に求め、被測定光ファイバ２５０の長さ方向にわたるモード結合比率分布を算出する演算手段１０３を、さらに備える。

モード結合比率分布測定装置３０１は、光出力端Ａに接続した被測定光ファイバ２５０におけるモード結合比率を一端より分布的にかつ非破壊に評価することができるものである。

図１において、コヒーレントな光を発生させるレーザ光発生器１１から出力された光が分岐され、分岐された光の一方は、いわゆるＯＴＤＲで用いる光パルスのように、被測定対象において後方レイリー散乱光を発生させるためのプローブ光として用いられる。分岐された光のもう一方は、光周波数制御器１３によって被測定対象光ファイバのブリルアン周波数シフトに相当する約１０〜１１ＧＨｚ程度の周波数差を付与されたのちに、再び分岐され、一方は光パルス化回路１５にてパルス化され、再びプローブ光と合波する。この光は前記プローブ光の後方散乱光との間でブリルアン増幅を生じさせるためのポンプ光として用いられる。他方は、受光時の局発光として用いられる。

図２は、光出力端Ａより出力されるプローブ光パルスとポンプ光パルスの時間波形を模式的に示した図である。まずプローブ光パルスが被測定対象に入射され、ポンプ光パルスは入射時間にτだけ遅延を設けて遅れて入射される。この制御は、図１のパルス発生制御器１６において行われる。プローブ光とポンプ光は合波した後、図１のモード選択合分波器１８によって任意のモード励起状態において、被測定光ファイバ２５０に入射される。

被測定対象の任意の位置において、プローブ光パルスは伝搬しながら後方レイリー散乱光を発生させ、後方レイリー散乱光は、遅延τだけ遅れて入射し伝搬してきたポンプ光との間の相互作用により、ブリルアン増幅を受け再び図１のモード選択合分波器１８によって任意のモードが選択される。選択された後方レイリー散乱光は、局発光と合波され、光受光器１９で受光され、電気信号に変換される。受光器１９は、例えば、バランス型光受信器である。

受信された電気信号は、プローブ光の後方レイリー散乱光と局発光（およびポンプ光）との間の光周波数差の帯域を有するビート信号である。後段のフィルタアンプ２１は、当該電気信号から直流成分近傍となるポンプ光の光周波数成分を除去してプローブ光の後方レイリー散乱光周波数成分のみを取り出し、適宜増幅する。数値化処理器２２は、当該プローブ光の後方レイリー散乱光周波数成分を数値化する。数値演算器２３は、数値化された後方レイリー散乱光周波数成分を平均化処理し、ブリルアン増幅を受けたプローブ光の後方レイリー散乱分布を演算する。なお、信号タイミング制御器２４は、数値化処理器２２での処理を行うため、受光器１９が受光する後方レイリー散乱光とプローブ光パルス及びポンプ光パルスの出力とのタイミングを制御している。

図１における前記光周波数制御器１３にて、プローブ光とポンプ光の間の周波数差を適宜変えて同様の後方レイリー散乱分布を得ることで、被測定対象の任意の位置におけるブリルアンスペクトルを取得することができる。

なお、本構成は一例であり、同様にブリルアン周波数シフトに相当する光周波数差および入射時間差をポンプ光パルスとプローブ光パルス間に与え、任意のモードを選択して励起してブリルアン増幅された後方レイリー散乱光強度の信号を時間領域で取り出すことのできる装置構成であれば、手段は問わない。

なお、分布測定における空間分解能は、ポンプ光のパルス幅によって与えられる。光ファイバ伝送路における接続点は一般に数１００ｍ以上の間隔であり、接続点におけるモード結合状態を測定することを考えた場合、１００ｍ、すなわち１００ｎｓ程度か、それ以下に設定すれば十分である。これは一般的なＦＭＦの群遅延差に対して十分小さい。

ところで、ＦＭＦにおける誘導ブリルアン散乱現象を考えると、任意のモードにおけるブリルアン周波数シフトν_ｂは、

と与えられる。ここで、ｎ_ｉは当該モードの実効屈折率、Ｖ_ａは音響波の実効速度、λは波長である。

すなわち、ＦＭＦにおいては、伝搬するモードによりブリルアン周波数シフトが異なることを意味しており、得られる各モードにおける任意の位置でのブリルアンスペクトル情報が、モード毎にピークを有する。本発明はこれを利用するものである。

さらに言えば、簡単のために２つのモードで伝搬するＦＭＦを考えた場合、ポンプ光、プローブ光の各々がＬＰ０１およびＬＰ１１モードの双方で振幅を有する場合には、
ν_{０１−０１}（ＬＰ０１同士のポンプ、プローブ成分間の相互作用）、
ν_{０１−１１}（ＬＰ０１のポンプ成分とＬＰ１１のプローブ成分間、およびＬＰ１１のポンプ成分とＬＰ０１のプローブ成分間の相互作用）、
ν_{１１−１１}（ＬＰ１１同士のポンプ、プローブ成分間の相互作用）
の３つのスペクトルピークを有する。

ここで、本実施形態の重要な仮定として、ＦＭＦの同経路を伝搬し、任意の位置の測定点に至るまでに受けるモード変換や伝搬損失は、ポンプ光とプローブ光の周波数差は約１０〜１１ＧＨｚ程度であり、光の波長としてはほとんど変わらないため、ポンプ光とプローブ光の間で同じであるとしている。

本実施形態の説明のため、図３に示すような光ファイバ伝送路モデルを考える。伝送路途中に結合行列がＭなるモード変換点が含まれているとする。今、簡単のため近端における入射パワーをポンプ、プローブ間で同じとし、測定点の位置におけるＬＰ０１、ＬＰ１１モードのポンプ光のパワーをａ_０、ａ_１とすると、前述の仮定により、測定点の位置におけるプローブ光の後方散乱光パワーｂ_０、ｂ_１は以下で与えられる。

なお、ここでｒ_ｉｊは後方レイリー散乱時におけるモード変換行列を表す。

さらに説明のために、測定点においてポンプ光がＬＰ０１モードのみ振幅を有する状態を考える。この時、測定点におけるポンプ光はａ_０、プローブ光の後方レイリー散乱光は、ＬＰ０１、ＬＰ１１モードにおいてそれぞれ、

と与えられる。

測定点においてポンプ光によりブリルアン増幅を受けたプローブ光の後方レイリー散乱光は、結合行列Ｍによってモード変換を生じ、ＬＰ０１、ＬＰ１１モードとして近端に到着する。ａ_０とｂ_０の間の相互作用を考えると、近端でＬＰ０１モードで観測されるプローブ光の後方レイリー散乱光強度は、モード変換点以外の損失を無視すると、数式３を用いて、

となる。ここで、Ｇ_{０１−０１}（ν）は、ν_{０１−０１}にピークを持つ利得プロファイルであり、ｍ_ｉｊは結合行列Ｍの要素である。同様に、近端でＬＰ１１モードで観測されるプローブ光の後方レイリー散乱光強度は、

となる。
したがって、近端で観測される後方レイリー散乱光強度の総和は、数式４と５より、

となる。

同様に、ａ_０とｂ_１の間の相互作用を考えると、近端でＬＰ０１モードで観測されるプローブ光の後方レイリー散乱光強度は、

近端でＬＰ１１モードで観測されるプローブ光の後方レイリー散乱光強度は、

となる。したがって、近端で観測される後方レイリー散乱光強度の総和は、数式７と８より、

となる。

したがって、測定点におけるポンプ光のＬＰ０１モードにおける振幅ａ_０によるブリルアン増幅によって得られるスペクトルは数式６と数式９であり、図４のようになる。

以上と同様にして、今度は、測定点においてポンプ光がＬＰ１１モードのみ振幅を有する状態を考える。この時、測定点におけるポンプ光はａ_１、プローブ光の後方レイリー散乱光は、ＬＰ０１、ＬＰ１１モードにおいてそれぞれ、

と与えられる。

同様に、測定点においてポンプ光によりブリルアン増幅を受けたプローブ光の後方レイリー散乱光は、結合行列Ｍによってモード変換を生じ、ＬＰ０１、ＬＰ１１モードとして近端に到着する。ａ_１とｂ_０の間の相互作用を考えると、近端でＬＰ０１モードで観測されるプローブ光の後方レイリー散乱光強度は、モード変換点以外の損失を無視すると、数式１０を用いて、

となる。同様に、近端でＬＰ１１モードで観測されるプローブ光の後方レイリー散乱光強度は、

したがって、近端で観測される後方レイリー散乱光強度の総和は、数式１１と１２より、

同様に、ａ_１とｂ_１の間の相互作用を考えると、近端でＬＰ０１モードで観測されるプローブ光の後方レイリー散乱光強度は、

近端でＬＰ１１モードで観測されるプローブ光の後方レイリー散乱光強度は、

となる。したがって、近端で観測される後方レイリー散乱光強度の総和は、数式１４と１５より、

となる。

したがって、測定点におけるポンプ光のＬＰ１１モードにおける振幅ａ_１によるブリルアン増幅によって得られるスペクトルは数式１３と数式１６であり、図５のようになる。

実際には、測定点において、ポンプ光はａ_０、ａ_１双方の振幅を持つことになるため、測定を行うと図４と図５のスペクトルの和が得られることになる。前述のように、ν_{０１−０１}、ν_{０１−１１}、ν_{１１−１１}という３つのスペクトルピークを持つこととなり、数式６がν_{０１−０１}にてピークを持つ利得プロファイル、数式１６がν_{１１−１１}にてピークを持つ利得プロファイルをそれぞれ示し、数式９および１３はν_{０１−１１}にてピークを持つ利得プロファイルが周波数軸上で重なることを意味している。

今ここで、３つのスペクトルピークのうち、周波数軸上で分解できる特徴を利用して、ν_{０１−０１}、ν_{１１−１１}の振幅のみに着目すると、図１に示すモード選択・合分波手段にて受信側でＬＰ０１モードのみを選択した場合には、測定点の位置をｚ_１とすると、以下の２つが得られる。

同様に、受信側でＬＰ１１モードのみを選択した場合には、以下の２つが得られる。

Ａ（ｚ_１）とＣ（ｚ_１）の比、Ｂ（ｚ_１）とＤ（ｚ_１）の比に着目すると、接続点におけるモード結合行列の要素以外の項はすべて相殺され、

が得られる。

すなわち、数式２１はＬＰ０１モードがモード変換点を通過する際のＬＰ０１モードに対するＬＰ１１モードの結合比率、数式２２はＬＰ１１モードが接続点を通過する際のＬＰ１１モードに対するＬＰ０１モードの結合比率を示していることが分かる。したがってモード変換点における結合状態を把握することができる。

以上のとおり、光ファイバの途中に例えば接続点のようなモード変換点が存在する場合は、モード変換点より遠端側での誘導ブリルアン散乱現象を用いてその影響を受けた後方レイリー散乱光を前述の通り解析することで、モード結合状態を知ることが出来る。被測定光ファイバ伝送路の長さ方向に渡って分布的に結合状態を知るためには、前述のモード結合Ｍが無数に長さ方向に連続的に発生するモデル（Ｍ１、Ｍ２，・・・Ｍｎ）ととらえることができ、被測定光ファイバ伝送路の入射端におけるモード励起状態、モード選択・合分波手段におけるモード結合比率が既知であれば、被測定光ファイバ伝送路全体に渡る結合状態の分布を評価することが可能となる。

本実施形態は２つのモードを有するモード多重伝送路を対象としたが、３以上のモード多重伝送路でもよく、式の数が増えるだけで、同様の手段でモード結合状態を把握することができる。

本発明の特徴をまとめると以下のようになる。
まず、数式２１および２２からわかるように、プローブ光の後方レイリー散乱によるモード変換状態を示すｒ_ｉｊ（ｚ）は相殺されるため知る必要は無く、非特許文献１と異なり、被測定光ファイバ全体に渡って均一であるという前提条件も無い。

また、非特許文献１とは異なり、誘導ブリルアン散乱によって周波数軸上でモード間の現象を分解できるため、被測定対象のフレネル反射光などの影響を受けず、これを除去するための特別な手段が不要である。この点は非特許文献２と共通の利点を有する。

さらに、非特許文献１および２の方法は、被測定ファイバの長さ方向にわたるモード結合比率を把握するために、得られた各モードの後方レイリー散乱光、および各モード間の自然ブリルアン散乱光スペクトルのピーク振幅比を対数軸上にプロットし、その傾きの半分をモード結合比率としており、例えば、

となる。ここで、ηはモード間の検出パワーの比、ｈは結合比率、Ｋは定数である。ここでＫは対数軸上でのオフセット値となるが、例えば接続点の前後などレイリー散乱によるモード結合特性やブリルアン利得特性の異なる光ファイバが接続された場合においては、接続点の前後でオフセット値が異なることとなり、接続点におけるモード結合状態を正確に測定することができない。実際の光ファイバ伝送路では、接続点の前後で製造メーカが異なっていたり、ケーブル構造や敷設環境等が異なり、温度やひずみによってブリルアン利得特性が異なる光ファイバ同士が接続されることの方が容易に想像でき、それによりオフセット値Ｋによる誤差を生むという課題がある。

それに対して本発明では、例えば数式１７と１９、数式１８と２０を比較して分かるように、同位置におけるレイリー散乱によるモード結合特性やブリルアン利得特性が相殺されるために、この影響を受けない。したがって、実際の光ファイバ伝送路のように、異種光ファイバが接続された接続点におけるモード結合状態を正確に把握することが可能となる。

最後に、非特許文献２では自然ブリルアン散乱光のブリルアン周波数シフトを測定するが、自然ブリルアン散乱光の強度は、本発明で観測されるレイリー散乱光の強度よりも２０ｄＢ程度小さい。従って本発明によれば非特許文献２に対して測定のダイナミックレンジを大きく改善できる可能性があり、数十ｋｍ以上に及ぶ中継光ファイバケーブルの測定には特に有用である。

［付記］
以下は、本実施形態のモード結合比率分布測定方法を説明したものである。
複数のモードを多重する数モード光ファイバの長さ方向にわたるモード結合比率分布の評価手法であって、
被対象光ファイバのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差および被測定光ファイバへの入射時間遅延をプローブ光パルスとポンプ光パルス間に付与しそれを制御する周波数制御手段およびタイミング制御手段と、
被対象光ファイバの近端において、既知となるモード励起比率を付与する手段と、
被対象光ファイバにおいてブリルアン増幅された前記プローブ光パルスの後方レイリー散乱光をモード選択して光受信するモード選択受信手段と、
前記周波数制御手段およびモード選択受信手段により得られた各々のモード毎に観測される後方レイリー散乱光スペクトルを時間領域で解析する解析手段を具備し、
前記解析手段において、被測定光ファイバの任意の位置において、前記各々のモード毎に観測される前記後方レイリー散乱光スペクトルより同周波数上で得られる前記後方レイリー散乱光の強度比よりモード結合比率を算出することを特徴とするモード結合比率分布の評価手法。

本発明によれば、複数のモードを多重するモード多重光ファイバ伝送路において、その両端から光を入射することなく、片端に測定手段を集約し、従来手法よりもダイナミックレンジに優れた測定を行うことができ、異種の光ファイバ同士が接続されたモード変換点におけるモード結合比率をも正確に把握することが可能となる。

１１：レーザ光発生器
１２：光分岐器
１３：光周波数制御器
１４、１５：光パルス化回路
１６：パルス発生制御器
１７：合波器
１８：モード選択合分波器
１８ａ：出力部
１９：受光器
２１：フィルタアンプ
２２：数値化処理器
２３：数値演算器
２４：信号タイミング制御器
１０１：試験光入射手段
１０２：散乱光受光手段
１０３：演算手段
２５０：被測定光ファイバ
３０１：モード結合比率分布測定装置

Claims (6)

1. 複数のモードを多重する数モード光ファイバである被測定光ファイバの一端に、コヒーレント光から生成された、前記被測定光ファイバのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差を有し、かつ所定の時間遅延が付与されたプローブ光パルスとポンプ光パルスとを所定のモード励起比率で入射する試験光入射手順と、
   前記被測定光ファイバの前記一端から出力される、前記被測定光ファイバにおいて前記ポンプ光でブリルアン増幅されたプローブ光パルスの後方レイリー散乱光をモード選択して受光する散乱光受光手順と、
   を行うモード結合比率分布測定方法。
2. 前記試験光入射手順は、
   コヒーレント光を生成するレーザ光発生ステップと、
   前記レーザ光発生ステップで生成された前記コヒーレント光を２分岐する光分岐ステップと、
   前記光分岐ステップで２分岐された一方の前記コヒーレント光の光周波数を前記被測定光ファイバのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差分だけ変化させる光周波数制御ステップと、
   前記光分岐ステップで２分岐された他方の前記コヒーレント光をパルス化してプローブ光とし、前記光周波数制御ステップで光周波数を変化させられた前記コヒーレント光をパルス化してポンプ光とする光パルス化ステップと、
   前記光パルス化ステップにおいて前記ポンプ光に前記所定の時間遅延が付与するパルス発生制御ステップと、
   前記光パルス化ステップで発生させた前記プローブ光と前記ポンプ光を合波する合波ステップと、
   前記合波ステップで合波された前記プローブ光と前記ポンプ光を所定のモード励起比率で前記被測定光ファイバの前記一端に入射するモード選択入射ステップと、
   を行い、
   前記散乱光受光手順は、
   前記被測定光ファイバの前記一端に到達する後方レイリー散乱光のうち任意のモードの後方レイリー散乱光を選択して出力部へ出力するモード選択分波ステップと、
   前記前記光周波数制御ステップで光周波数を変化させられた前記コヒーレント光と前記モード選択分波ステップで前記出力部から出力される後方レイリー散乱光とを合波して受光する受光ステップと、
   を行うことを特徴とする請求項１に記載のモード結合比率分布測定方法。
3. 前記散乱光受光手順で受光した後方レイリー散乱光強度の信号を各モード毎に時間領域で取得し、各周波数における後方レイリー散乱光の強度比を各時間毎に求め、前記被測定光ファイバの長さ方向にわたるモード結合比率分布を算出する演算手順を、
   さらに行う請求項１又は２に記載のモード結合比率分布測定方法。
4. 複数のモードを多重する数モード光ファイバである被測定光ファイバの一端に、コヒーレント光から生成された、前記被測定光ファイバのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差を有し、かつ所定の時間遅延が付与されたプローブ光パルスとポンプ光パルスとを所定のモード励起比率で入射する試験光入射手段と、
   前記被測定光ファイバの前記一端から出力される、前記被測定光ファイバにおいて前記ポンプ光でブリルアン増幅されたプローブ光パルスの後方レイリー散乱光をモード選択して受光する散乱光受光手段と、
   を備えるモード結合比率分布測定装置。
5. 前記試験光入射手段は、
   コヒーレント光を生成するレーザ光発生器と、
   前記レーザ光発生器が生成した前記コヒーレント光を２分岐する光分岐器と、
   前記光分岐器が２分岐した一方の前記コヒーレント光の光周波数を前記被測定光ファイバのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差分だけ変化させる光周波数制御器と、
   前記光分岐器が２分岐した他方の前記コヒーレント光をパルス化してプローブ光とし、前記光周波数制御器が光周波数を変化させた前記コヒーレント光をパルス化してポンプ光とする光パルス化回路と、
   前記光パルス化回路を制御し、前記ポンプ光に前記所定の時間遅延が付与するパルス発生制御器と、
   前記光パルス化回路が発生した前記プローブ光と前記ポンプ光を合波する合波器と、
   前記合波器が合波した前記プローブ光と前記ポンプ光を所定のモード励起比率で前記被測定光ファイバの前記一端に入射するモード選択入射器と、
   を備え、
   前記散乱光受光手段は、
   前記被測定光ファイバの前記一端に到達する後方レイリー散乱光のうち任意のモードの後方レイリー散乱光を選択して出力部へ出力するモード選択分波器と、
   前記光周波数制御器が光周波数を変化させた前記コヒーレント光と前記モード選択分波器が前記出力部から出力した後方レイリー散乱光とを合波して受光する受光器と、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載のモード結合比率分布測定装置。
6. 前記散乱光受光手段が受光した後方レイリー散乱光強度の信号を各モード毎に時間領域で取得し、各周波数における後方レイリー散乱光の強度比を各時間毎に求め、前記被測定光ファイバの長さ方向にわたるモード結合比率分布を算出する演算手段を、
   さらに備える請求項４又は５に記載のモード結合比率分布測定装置。

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