JP2018189600A - 光パルス試験装置及び光パルス試験方法 - Google Patents

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【課題】後方散乱光のLP11aおよびLP11bモード成分のOTDR波形の揺らぎを低減できる光パルス試験装置及び光パルス試験方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る光パルス試験装置は、被試験光ファイバの任意の地点で生成される後方散乱光のLP11モード成分の電界分布を意図的に変化させることで、異なるLP11モードの電界分布状態に対する測定波形を取得し、さらにそれらに加算平均処理を施すことにより、LP11モードの電界分布状態に起因した波形揺らぎを低減することとした。【選択図】図1

Description

本開示は、光ファイバの特性を測定するための光パルス試験装置及び光パルス試験方法に関する。
光パルス試験法(Optical Time Domain Reflectometry、以後OTDR)は、パルス化した試験光を被試験光ファイバ(Fiber Under Test、以後FUT)に入射し、光ファイバ内を伝搬する試験光パルスに由来するレイリー散乱光の後方散乱光やフレネル反射光の強度とラウンドトリップ時間に基づき分布データ(OTDR波形)を取得する方法である。この技術は、光ファイバの損失分布の測定や故障箇所の特定、光ファイバの伝送特性の測定ができるため、敷設光ファイバの保守運用や光ファイバ特性評価に用いられている。
近年、汎用的なSMFの保守運用の高度化や数モードファイバ(Few−mode Fiber、以後FMF)の伝送特性測定のために、光ファイバの基本モード(LP01モード)に加えて高次モードを測定するOTDR法が提案されている。例えば、非特許文献1および非特許文献2ではシングルモードファイバ(Single−mode Fiber、以後SMF)の2モード領域を利用し、光ファイバに生じる異常な曲げやマイクロベンドを高感度に検出する方法が開示されている。また、非特許文献3および非特許文献4では、FMFのモードフィールド径やモード結合係数の分布を測定する方法が開示されている。これらの手法では、後方散乱光におけるLP01モードと直交する二つの第一高次モード(LP11aモードおよびLP11bモード、総称してLP11モード)の強度成分をモード合分波器で分離し個別に測定を実施している。
A. Nakamura, K. Okamoto, Y. Koshikiya, T. Manabe, M. Oguma, T. Hashimoto, and M. Itoh, "High−sensitivity detection of fiber bends: 1−μm−band mode−detection OTDR", J. Lightw. Technol., vol. 33, no. 23, pp. 4862−4869, 2015. A. Nakamura, K. Okamoto, Y. Koshikiya, H. Watanabe, and T. Manabe, "Highly sensitive detection of microbending in single−mode fibers and its applications", Opt. Express, vol. 25, no. 5, pp. 5742−5748, 2017. A. Nakamura, K. Okamoto, Y. Koshikiya, and T. Manabe, "Effective mode field diameter for LP11 mode and its measurement technique", IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 28, no. 20, pp. 2553−2556, 2016. M. Nakazawa, M. Yoshida, and T. Hirooka, "Measurement of mode coupling distribution along a few−mode fiber using a synchronous multichannel OTDR", Opt. Express, vol. 22, no. 25, pp. 31299−31309, 2014. N. Hahzawa, K. Saitoh, T. Sakamoto, K. Tsujikawa, T. Uematsu, M. Koshiba, "There−mode PLC−type multi/demultiplexer for mode−division multiplexing transmission", ECOC2013, Tu.1.B.3, 2013.
光ファイバにおけるLP11モードは、厳密には伝搬定数がほぼ等しい固有モードであるTE01、TM01、HE21a、及びHE21bモードの重ねあわせで構成される。これら固有モードの伝搬定数はわずかに異なるため、伝搬に伴いそれらの相対的な位相差は変化する。その結果、LP11モードの電界分布は伝搬距離に応じて変化する。
非特許文献1〜4のようなLPモードの強度を分離して個別に測定するOTDR法においては、後方散乱光のLP11モード成分をモード合分波器においてLP11aおよびLP11bモード成分の強度に分離して測定を行うため、LP11aおよびLP11bモード成分の強度は後方散乱光がモード合分波器まで戻ってきたときのLP11モードの電界分布変化状態に依存する。このため非特許文献1〜4のようなOTDRには後方散乱光のLP11aとLP11bモード成分のOTDR波形が揺らいで損失測定分解能が劣化するという課題がある。
本発明は、上記課題を解決するために、後方散乱光のLP11aおよびLP11bモード成分のOTDR波形の揺らぎを低減できる光パルス試験装置及び光パルス試験方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、被試験光ファイバの任意の地点で生成される後方散乱光のLP11モード成分の電界分布を意図的に変化させることで、異なるLP11モードの電界分布状態に対する測定波形を取得し、さらにそれらに加算平均処理を施すことにより、LP11モードの電界分布状態に起因した波形揺らぎを低減することとした。
具体的には、本発明に係る光パルス試験装置は、試験光パルスを被試験光ファイバに入射し、前記試験光パルスによる前記被試験光ファイバからの戻り光から前記被試験光ファイバの距離方向の分布データを取得する光パルス試験装置であって、
前記被試験光ファイバを基本モードと第一高次モードで伝搬可能な波長かつ偏波状態を任意に変化させた試験光パルスを繰り返し生成する生成部と、
前記生成部が生成した前記試験光パルスを任意のモードで前記被試験光ファイバに入射し、かつ前記被試験光ファイバからの前記戻り光を基本モードおよび直交する2つの第一高次モードの3成分に分離するモード合分波部と、
前記モード合分波部が分離した前記戻り光の3成分それぞれを光電変換する受光部と、
前記戻り光の3成分それぞれの、前記被試験光ファイバの距離に対する強度分布を繰り返し取得し、前記戻り光の3成分それぞれで前記強度分布を加算平均する処理を行う演算処理部と、
を備える。
また、本発明に係る光パルス試験方法は、試験光パルスを被試験光ファイバに入射し、前記試験光パルスによる前記被試験光ファイバからの戻り光から前記被試験光ファイバの距離方向の分布データを取得する光パルス試験方法であって、
前記被試験光ファイバを基本モードと第一高次モードで伝搬可能な波長かつ偏波状態を任意に変化させた試験光パルスを繰り返し生成する生成手順と、
前記生成手順で生成した前記試験光パルスを任意のモードで前記被試験光ファイバに入射する入射手順と、
前記被試験光ファイバからの前記戻り光を基本モードおよび直交する2つの第一高次モードの3成分に分離するモード分波手順と、
前記モード分波手順で分離した前記戻り光の3成分それぞれを光電変換する受光手順と、
前記戻り光の3成分それぞれの、前記被試験光ファイバの距離に対する強度分布を繰り返し取得し、前記戻り光の3成分それぞれで前記強度分布を加算平均する処理を行う演算処理手順と、
を行う。
本発明は、被試験光ファイバに入射する試験光パルスの偏波状態を任意に変化させる。測定毎に試験光パルスの偏波状態がランダムに変化するので被試験光ファイバの任意地点におけるLP11モードの電界状態もランダムとなる。このようなランダムなLP11モードの電界状態に対する測定波形を加算平均することで揺らぎを緩和することができる。
従って、本発明は、後方散乱光のLP11aおよびLP11bモード成分のOTDR波形の揺らぎを低減できる光パルス試験装置及び光パルス試験方法を提供することができる。
本発明に係る光パルス試験装置の前記モード合分波部は、前記演算処理部が繰り返して前記強度分布を取得する間に、前記試験光パルスの直交する2つの第一高次モードの入射強度比率を変化させる分岐比可変カプラを有することを特徴とする。
また、本発明に係る光パルス試験方法の前記入射手順では、前記試験光パルスを第一高次モードで入射する場合、前記演算処理手順で繰り返して前記強度分布を取得する間に、前記試験光パルスの直交する2つの第一高次モードの入射強度比率を変化させることを特徴とする。
LP11aモードとLP11bモードの試験光パルスの光強度比率を変化させることでさらに後方散乱光のLP11aおよびLP11bモード成分のOTDR波形の揺らぎを低減できる。
本発明は、後方散乱光のLP11aおよびLP11bモード成分のOTDR波形の揺らぎを低減できる光パルス試験装置及び光パルス試験方法を提供することができる。
本発明に係る光パルス試験装置を説明する図である。 本発明に係る光パルス試験装置が備えるモード合分波器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。
図1は、本実施形態の光パルス試験装置101の構成を説明する図である。光パルス試験装置101は、試験光パルスを被試験光ファイバ10に入射し、試験光パルスによる被試験光ファイバ10からの戻り光から被試験光ファイバ10の距離方向の分布データを取得する光パルス試験装置であって、
被試験光ファイバ10を基本モード(LP01)と第一高次モード(LP11)で伝搬可能な波長かつ偏波状態を任意に変化させた試験光パルスを繰り返し生成する生成部Aと、
生成部Aが生成した試験光パルスを任意のモードで被試験光ファイバ10に入射し、かつ被試験光ファイバ10からの戻り光を基本モードおよび直交する2つの第一高次モード(LP11aとLP11b)の3成分に分離するモード合分波部Bと、
モード合分波部Bが分離した戻り光の3成分それぞれを光電変換する受光部Cと、
戻り光の3成分それぞれの、被試験光ファイバ10の距離に対する強度分布を繰り返し取得し、戻り光の3成分それぞれで強度分布を加算平均する処理を行う演算処理部Dと、
を備える。
光パルス試験装置101は、OTDRの原理に基づいて、被試験光ファイバ10からの戻り光のラウンドトリップ時間に対する強度分布を解析して被試験光ファイバ10の特性を算出する。ここで、光パルス試験装置101は、被試験光ファイバ10の実効遮断波長より短い波長の光パルスを入力する。実効遮断波長より短い波長の光は、被測定光ファイバ10において、基本モードのみならず高次モードも伝搬することができる。
生成部Aは、被試験光ファイバ10を基本モードと第一高次モードで伝搬可能な波長かつ偏波状態を任意に変化させた試験光パルスを繰り返し生成する生成手順を行う。
モード合分波部Bは、生成手順で生成した試験光パルスを任意のモードで被試験光ファイバ10に入射する入射手順と、被試験光ファイバ10からの戻り光を基本モードおよび直交する2つの第一高次モードの3成分に分離するモード分波手順を行う。
受光部Cは、モード分波手順で分離した戻り光の3成分それぞれを光電変換する受光手順を行う。
演算処理部Dは、戻り光の3成分それぞれの、被試験光ファイバ10の距離に対する強度分布を繰り返し取得し、戻り光の3成分それぞれで強度分布を加算平均する処理を行う演算処理手順を行う。
生成部Aは、光源11、偏波スクランブラ12、パルス発生器13および光強度変調器14を有する。光源11から出力される連続光は、偏波スクランブラ12で偏波状態をランダムに変動させ、その後パルス発生器13の信号に従って、光強度変調器14でパルス化される。ここで偏波スクランブラ12は、演算処理回路25からの制御信号に従ってスクランブル速度を制御するか、もしくは予め指定した通りに測定中に自動で偏波状態をスクランブルする。光強度変調器14は、例えば音響光学素子をパルス駆動するようにした音響光学スイッチを備える、音響光学変調器である。本実施形態では、光源11から出力される連続光の波長は、被試験光ファイバ10が2モード動作する波長である。
モード合分波部Bは、光スイッチ15、光サーキュレータ16、分岐比可変カプラ17、光サーキュレータ18、19およびモード合分波器20を有する。分岐比可変カプラ17は、前記演算処理部が繰り返して前記強度分布を取得する間に、前記試験光パルスの直交する2つの第一高次モード(LP11aとLP11b)の入射強度比率を変化させる。
光強度変調器14で生成された試験光パルスは、光スイッチ15により被試験光ファイバ10に入射するモードを決定される。この光スイッチ15は、所望のモードで試験光パルスを入射できるように、測定を開始する直前に切り替えを行う。また、その切り替えは演算処理回路25からの制御信号または手動で制御される。LP01モードで入射する場合は、光サーキュレータ16を介してモード合分波器20に入射される。また、LP11モードで入射する場合は分岐比可変カプラ17を介して光サーキュレータ18および19を通過し、モード合分波器20に入射される。分岐比可変カプラ17は、演算処理回路25からの制御信号、または手動で分岐比を制御するか、もしくは予め指定した通りに測定中に自動で分岐比を変化させる。
モード合分波器20は、例えば非特許文献5に記載されるような平面光波回路で構成された方向性結合器を備える、モード合分波器である。図2に、モード合分波器20の概要を示す。生成部A側に3つのポートを、被試験光ファイバ10側に1つのポート有する。また、LP01モード、LP11aモード、LP11bモード成分は生成部A側の3ポートを選択することで所望のモードを合分波できる。試験光パルスは、モード合分波器20で所望のモードに変換されて被試験光ファイバ10に入射される。
試験光パルスが被試験光ファイバ10を伝搬する際に発生した戻り光は、モード合分波器20に再入射される。このとき戻り光のLP01モード、LP11aモード、LP11bモード成分はモード合分波器20で分離される。
受光部Cは、3つの光受信器(21、22、23)を有する。モード合分波器20でモード毎に分離された戻り光のうち、LP01、LP11aおよびLP11bモードの強度成分はそれぞれ、光サーキュレータ16、18および19を経由して光受信器21、22および23に入射され、光電変換される。
演算処理部Dは、A/D(アナログ/デジタル)変換器24および演算処理回路25を有する。光受信器21、22および23からの電気信号は、A/D変換器24でデジタルデータに変換される。前記デジタルデータは演算処理回路25に入力される。演算処理回路25は、戻り光のLP01モード、LP11aモードおよびLP11bモード成分に対する強度分布を取得し、加算平均処理を行う。
ここで、演算処理部Dはコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
光パルス試験装置101は、異なるLP11モードの電界分布状態に対する測定波形に加算平均処理を施すことで、LP11モードの電界分布変化に起因した波形揺らぎを低減する。このため、光パルス試験装置101は、散乱地点で生成される後方散乱光について異なるLP11モードの電界分布状態を生成させるように動作する。異なるLP11モードの電界分布状態を生成する原理について、試験光パルスをLP01およびLP11モードそれぞれで入射する場合に分けて補足の説明をする。
まず、試験光パルスをLP11モードで入射する場合を考える。散乱地点において生成される後方散乱光の電界分布は、その地点における試験光パルスの電界分布によって決定される。一定の強度および偏波状態を持つ電界分布で繰り返し試験光パルスを被試験光ファイバに入射すると、ある散乱地点において生成される後方散乱光の電界分布は入射電界状態に対応して毎回同じになる。
そこで光パルス試験装置101は、繰り返し試験光パルスを入射する間に、偏波スクランブラ12を用いて試験光パルスの偏波状態を変化させつつ、かつ分岐比可変カプラ17を用いてLP11aおよびLP11bモードの強度も変化させる。すなわち、偏波スクランブラ12および分岐比可変カプラ17を用いることで、繰り返し測定毎に偏波および強度分布がランダムに変化するLP11モードを被試験光ファイバに入射することができる。
繰り返し測定ごとに入射端においてランダムなLP11モードの電界状態を作ることができれば、それに対応して任意の地点におけるLP11モードの電界状態も繰り返し測定ごとにランダムとなる。したがって、これらの状態に対する測定波形に加算平均処理を施すことで、ランダムに変化させたLP11モードの電界状態に対して平均的な測定波形を得ることが可能となる。
一方、試験光パルスをLP01モードで入射する場合は、試験光パルスの強度分布は一定なので偏波状態を繰り返し測定ごとに変化させるのみで、任意の地点でレイリー散乱によって生成される後方散乱光のLP11モードの電界状態を繰り返し測定ごとにランダムにすることができる。
以上のように、光パルス試験装置101は、偏波状態がランダムに変化する試験光パルスをLP01またはLP11モードで被試験光ファイバ10に入射し、さらにLP11モードで入射する場合はLP11aおよびLP11bモードの強度比率を変化させることで、任意の地点で生成される後方散乱光のLP11モードの電界分布状態を変化させた際の強度分布波形を取得し、それらの強度分布波形に加算平均処理を施すことによって、伝搬に伴うLP11モードの電界分布変化に起因した波形揺らぎを低減した測定波形を取得することができる。
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。
要するにこの発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
A:生成部
B:モード合分波部
C:受光部
D:演算処理部
10:被試験光ファイバ
11:光源
12:偏波スクランブラ
13:パルス発生器
14:光強度変調器
15:光スイッチ
16、18、19:光サーキュレータ
17:分岐比可変カプラ
20:モード合分波器
21、22、23:光受信器
24:A/D(アナログ/デジタル)変換器
25:演算処理回路
101:光パルス試験装置

Claims (4)

  1. 試験光パルスを被試験光ファイバに入射し、前記試験光パルスによる前記被試験光ファイバからの戻り光から前記被試験光ファイバの距離方向の分布データを取得する光パルス試験装置であって、
    前記被試験光ファイバを基本モードと第一高次モードで伝搬可能な波長かつ偏波状態を任意に変化させた試験光パルスを繰り返し生成する生成部と、
    前記生成部が生成した前記試験光パルスを任意のモードで前記被試験光ファイバに入射し、かつ前記被試験光ファイバからの前記戻り光を基本モードおよび直交する2つの第一高次モードの3成分に分離するモード合分波部と、
    前記モード合分波部が分離した前記戻り光の3成分それぞれを光電変換する受光部と、
    前記戻り光の3成分それぞれの、前記被試験光ファイバの距離に対する強度分布を繰り返し取得し、前記戻り光の3成分それぞれで前記強度分布を加算平均する処理を行う演算処理部と、
    を備える光パルス試験装置。
  2. 前記モード合分波部は、前記演算処理部が繰り返して前記強度分布を取得する間に、前記試験光パルスの直交する2つの第一高次モードの入射強度比率を変化させる分岐比可変カプラを有することを特徴とする請求項1に記載の光パルス試験装置。
  3. 試験光パルスを被試験光ファイバに入射し、前記試験光パルスによる前記被試験光ファイバからの戻り光から前記被試験光ファイバの距離方向の分布データを取得する光パルス試験方法であって、
    前記被試験光ファイバを基本モードと第一高次モードで伝搬可能な波長かつ偏波状態を任意に変化させた試験光パルスを繰り返し生成する生成手順と、
    前記生成手順で生成した前記試験光パルスを任意のモードで前記被試験光ファイバに入射する入射手順と、
    前記被試験光ファイバからの前記戻り光を基本モードおよび直交する2つの第一高次モードの3成分に分離するモード分波手順と、
    前記モード分波手順で分離した前記戻り光の3成分それぞれを光電変換する受光手順と、
    前記戻り光の3成分それぞれの、前記被試験光ファイバの距離に対する強度分布を繰り返し取得し、前記戻り光の3成分それぞれで前記強度分布を加算平均する処理を行う演算処理手順と、
    を行う光パルス試験方法。
  4. 前記入射手順では、前記試験光パルスを第一高次モードで入射する場合、前記演算処理手順で繰り返して前記強度分布を取得する間に、前記試験光パルスの直交する2つの第一高次モードの入射強度比率を変化させることを特徴とする請求項3に記載の光パルス試験方法。
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