JP2020056904A - 後方散乱光増幅装置、光パルス試験装置、後方散乱光増幅方法、及び光パルス試験方法 - Google Patents

後方散乱光増幅装置、光パルス試験装置、後方散乱光増幅方法、及び光パルス試験方法 Download PDF

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Abstract

【課題】複数の伝搬モードが存在する被測定光ファイバにおいて、後方レイリー散乱光の所望の伝搬モードを誘導ラマン散乱によって所望の利得で増幅させる後方散乱光増幅装置、光パルス試験装置、後方散乱光増幅方法、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】本発明に係る後方散乱光増幅装置は、被測定光ファイバにプローブパルスを所望の伝搬モードで入力した後、複数の伝搬モードでポンプパルスを入射するときに、伝搬モード毎にポンプパルスのパワー、入射タイミング、およびパルス幅を個別に制御することとした。【選択図】図１

Description

本開示は、光ファイバの特性を検出するための光パルス試験における後方散乱光を増幅する後方散乱光増幅装置と後方散乱光増幅方法、及びそれを利用する光パルス試験装置と光パルス試験方法に関する。
光ファイバの試験技術として、光パルス試験方法（Ｏｐｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ、以後ＯＴＤＲ）がよく知られている。ＯＴＤＲは、パルス化された試験光を被測定光ファイバ（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）を取得する方法および装置である。この技術は、光ファイバの破断や損失増加などの異常箇所を検出し、その位置を特定するために用いることができる。
非特許文献１では、一般的なシングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ、以後ＳＭＦ）が２モード動作する波長領域を利用し、後方散乱光の第一高次モード（ＬＰ１１モード）を抽出することで、汎用的なＯＴＤＲよりも高感度に光ファイバ曲げを検知する技術（１μｍ帯モード検出ＯＴＤＲ）が開示されている。さらに、非特許文献２では、１μｍ帯モード検出ＯＴＤＲにおいて後方散乱光の基本モード（ＬＰ０１モード）およびＬＰ１１モードの双方を測定し、これらに生じる損失の比率を評価することで、光ファイバに生じる損失要因を識別する手法が開示されている。
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， Ｔ． Ｍａｎａｂｅ， Ｍ． Ｏｇｕｍａ， Ｔ． Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ， ａｎｄ Ｍ． Ｉｔｈｏ， "Ｌｏｓｓ Ｃａｕｓｅ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｂｙ Ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｍｏｄａｌ Ｌｏｓｓ Ｒａｔｉｏ Ｏｂｔａｉｎｅｄ Ｗｉｔｈ １−μｍ−Ｂａｎｄ Ｍｏｄｅ−Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ＯＴＤＲ"， Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ． ３４， ｎｏ． １５， ｐｐ． ３５６８−３５７６， ２０１６． Ｄ． Ｍ． Ｓｐｉｒｉｔ ａｎｄ Ｌ． Ｃ． Ｂｌａｎｋ， "Ｒａｍａｎ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｌｏｎｇ−ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ，" Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． ２５， ｐｐ． １６８７−１６８９， Ｄｅｃ． １９８９． Ｃｈｒｉｓｔｅｎｓｅｎ ＥＮ， Ｋｏｅｆｏｅｄ ＪＧ， Ｆｒｉｉｓ ＳＭＭ， Ｃａｓｔａｎｅｄａ ＭＡＵ， Ｒｏｔｔｗｉｔｔ Ｋ． "Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒａｍａｎ ｏｖｅｒｌａｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｏｄｅ−ｇｒｏｕｐｓ，" Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ． ２０１６；６：３４６９３． ｄｏｉ：１０．１０３８／ｓｒｅｐ３４６９３．
非特許文献３では、ＯＴＤＲ測定における測定距離の拡大手法として、ＦＵＴ中を伝搬するプローブパルスによって発生した後方散乱光をラマン周波数シフトだけ高い周波数（短い波長）のポンプ光を用いてＦＵＴ中で分布的に増幅させる手法が提案されている。
しかし、ＦＵＴが複数の伝搬モードが存在するフューモード光ファイバや一般的なＳＭＦの２モード領域であった場合、誘導ラマン散乱による増幅利得は、相互作用する２つの光の伝播モードによって異なることが知られている（非特許文献４）。このため、フューモード光ファイバや一般的なＳＭＦの２モード領域のＯＴＤＲ測定において、後方散乱光の所望の伝搬モードを誘導ラマン散乱を介して所望の利得で増幅させる手法が不明であるという課題がある。
そこで、本発明は、従来技術の上記課題を解決すべく、複数の伝搬モードが存在する被測定光ファイバにおいて、後方レイリー散乱光の所望の伝搬モードを誘導ラマン散乱によって所望の利得で増幅させる後方散乱光増幅装置、光パルス試験装置、後方散乱光増幅方法、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、本発明に係る後方散乱光増幅装置は、被測定光ファイバにプローブパルスを任意の伝搬モードで入力した後、複数の伝搬モードでポンプパルスを入射するときに、伝搬モード毎にポンプパルスのパワー、入射タイミング、およびパルス幅を個別に制御することとした。
具体的には、本発明に係る後方散乱光増幅装置は、
プローブパルスを所望の伝搬モードで被測定光ファイバの一端に入射するプローブパルス入射手段と、
前記プローブパルス入射手段が前記プローブパルスを前記被測定光ファイバに入射した後、前記プローブパルスの光周波数を含む光周波数範囲にラマン利得スペクトルを発生させるポンプパルスを複数の伝搬モードで前記被測定光ファイバの前記一端に入射するポンプパルス入射手段と、
前記被測定光ファイバを伝搬する前記プローブパルスで発生した複数の伝搬モードの後方散乱光のうち、前記被測定光ファイバの所望の地点より遠方で発生した所望の伝搬モードの後方散乱光に所望のラマン増幅利得を与えるように、伝搬モード間の前記ポンプパルスのパワー比、各伝搬モードの前記ポンプパルスの長さ、及び前記被測定光ファイバに入射する前記プローブパルスと各伝搬モードの前記ポンプパルスとの相対的時間差を設定する制御手段と、
を備える。
また、本発明に係る後方散乱光増幅方法は、
プローブパルスを所望の伝搬モードで被測定光ファイバの一端に入射するプローブパルス入射手順と、
前記プローブパルス入射手順で前記プローブパルスを前記被測定光ファイバに入射した後、前記プローブパルスの光周波数を含む光周波数範囲にラマン利得スペクトルを発生させるポンプパルスを複数の伝搬モードで前記被測定光ファイバの前記一端に入射するポンプパルス入射手順と、
前記ポンプパルス入射手順において、前記被測定光ファイバを伝搬する前記プローブパルスで発生した複数の伝搬モードの後方散乱光のうち、前記被測定光ファイバの所望の地点より遠方で発生した所望の伝搬モードの後方散乱光に所望のラマン増幅利得を与えるように、伝搬モード間の前記ポンプパルスのパワー比、各伝搬モードの前記ポンプパルスの長さ、及び前記被測定光ファイバに入射する前記プローブパルスと各伝搬モードの前記ポンプパルスとの相対的時間差を設定する制御手順と、
を行う。
伝搬モード毎にポンプパルスのパワー、入射タイミング、およびパルス幅を個別に制御することで、プローブパルスにより発生した後方散乱光の所望の伝搬モードに対して任意のラマン増幅利得を任意の地点（被測定光ファイバの長手方向の地点）から与えることができる。
従って、本発明は、複数の伝搬モードが存在する被測定光ファイバにおいて、後方レイリー散乱光の所望の伝搬モードを誘導ラマン散乱によって所望の利得で増幅させる後方散乱光増幅装置、及び後方散乱光増幅方法を提供することができる。
本発明に係る後方散乱光増幅装置は、前記被測定光ファイバの前記一端に戻ってきた前記後方散乱光を伝搬モード毎に分離するモード分波手段をさらに備える。
また、本発明に係る後方散乱光増幅方法は、前記被測定光ファイバの前記一端に戻ってきた前記後方散乱光を伝搬モード毎に分離するモード分波手順をさらに行う。
本発明に係る光パルス試験装置は、前記後方散乱光増幅装置と、
前記被測定光ファイバの前記一端に戻る後方散乱光から前記被測定光ファイバの長さ方向の光強度分布を伝搬モード毎に取得する演算処理装置と、
を備える光パルス試験装置であって、
前記演算処理装置は、
前記後方散乱光増幅装置を動作させて、前記プローブパルスと前記ポンプパルスを前記被測定光ファイバに入射したときの第１光強度分布を取得し、
前記後方散乱光増幅装置の前記ポンプパルス入射手段及び前記モード分波手段を動作させて、前記ポンプパルスのみを前記被測定光ファイバに入射したときの第２光強度分布を取得し、
伝搬モード毎に、第１光強度分布から第２光強度分布を減算し、前記プローブパルスのみを前記被測定光ファイバに入射したときに発生するであろう第３光強度分布を取得することを特徴とする。
本発明に係る光パルス試験方法は、前記後方散乱光増幅方法と、
前記被測定光ファイバの前記一端に戻る後方散乱光から前記被測定光ファイバの長さ方向の光強度分布を伝搬モード毎に取得する演算処理方法と、
を行う光パルス試験方法であって、
前記後方散乱光増幅方法と前記演算処理方法とで、前記プローブパルスと前記ポンプパルスを前記被測定光ファイバに入射したときの第１光強度分布を取得し、
前記後方散乱光増幅方法の前記ポンプパルス入射手順及び前記モード分波手順と前記演算処理方法とで、前記ポンプパルスのみを前記被測定光ファイバに入射したときの第２光強度分布を取得し、
伝搬モード毎に、第１光強度分布から第２光強度分布を減算し、前記プローブパルスのみを前記被測定光ファイバに入射したときに発生するであろう第３光強度分布を取得することを特徴とする。
本後方散乱光増幅装置及びその方法は、ノイズ成分となるポンプパルスの後方散乱光の成分を除外し、所望の伝搬モードの後方散乱光を観測することができる。
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
本発明は、複数の伝搬モードが存在する被測定光ファイバにおいて、後方レイリー散乱光の所望の伝搬モードを誘導ラマン散乱によって所望の利得で増幅させる後方散乱光増幅装置、光パルス試験装置、後方散乱光増幅方法、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構成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。 本発明に係る後方散乱光増幅装置による誘導ラマン増幅を説明する図である。 本発明に係る後方散乱光増幅装置による誘導ラマン増幅を説明する図である。 本発明に係る後方散乱光増幅装置による各光の光周波数配置を説明する図である。 本発明に係る光パルス試験方法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を説明する図である。なお、本実施形態では、被測定光ファイバが基本モードと第一高次モードの２つの伝搬モードのみを伝搬し、かつ伝搬する光は単一偏波状態であるとして説明する。本光パルス試験装置は、後方散乱光増幅装置１０と、被測定光ファイバＦＵＴの一端に戻る後方散乱光から被測定光ファイバＦＵＴの長さ方向の光強度分布を伝搬モード毎に取得する演算処理装置２０と、を備える。
後方散乱光増幅装置１０は、
プローブパルスＰ０を所望の伝搬モードで被測定光ファイバＦＵＴの一端に入射するプローブパルス入射手段１１と、
プローブパルス入射手段１1がプローブパルスＰ０を被測定光ファイバＦＵＴに入射した後、プローブパルスＰ０の光周波数を含む光周波数範囲にラマン利得スペクトルを発生させるポンプパルス（Ｐ１、Ｐ２）を複数の伝搬モードで被測定光ファイバＦＵＴの前記一端に入射するポンプパルス入射手段１２と、
被測定光ファイバＦＵＴを伝搬するプローブパルスＰ０で発生した複数の伝搬モードの後方散乱光のうち、被測定光ファイバＦＵＴの所望の地点より遠方で発生した所望の伝搬モードの後方散乱光に所望のラマン増幅利得を与えるように、伝搬モード間のポンプパルスのパワー比、各伝搬モードのポンプパルスの長さ、及び被測定光ファイバＦＵＴに入射するプローブパルスＰ０と各伝搬モードのポンプパルスとの相対的時間差（ΔＴ１、ΔＴ２）を設定する制御手段１３と、
を備える。
後方散乱光増幅装置１０は、被測定光ファイバＦＵＴの前記一端に戻ってきた前記後方散乱光を伝搬モード毎に分離するモード分波手段（モード合分波器１−１３）をさらに備える。
図１において、１−１は光周波数ν１の光を出射する第１の光源、１−２は第１の光源から出射された光をパルス化しプローブパルスを生成する第１の光パルス化器、１−３は光周波数ν２の光を出射する第２の光源、１−４は前記第２の光源から出射された光を所望の比率で分岐する可変光分岐器、１−５および１−６は前記可変光分岐器で分岐した光をパルス化し第１および第２のポンプパルスを生成する第２および第３の光パルス化器、１−７、１−８および１−９は第１、第２および第３の光パルス化器にて各々に入力された光を変調するための電気パルスを生成する電気パルス発生器、１−１０はプローブパルスと第１のポンプパルスを合波する光合波器、１−１１は後方散乱光の基本モード成分を分離する第１の光サーキュレータ、１−１２は後方散乱光の第１高次モード成分を分離する第２の光サーキュレータ、１−１３は多重化されたプローブパルスと第１のポンプパルス、および第２のポンプパルスをそれぞれ基本モードおよび第１高次モードで被測定光ファイバに入射し、かつ被測定光ファイバからの後方散乱光を基本モード成分と第１高次モード成分に分離するモード合分波器、１−１４および１−１５は後方散乱光の中から第１および第２のポンプパルスによって発生した後方散乱光を除去する光バンドパスフィルタ、１−１６および１−１７は光検出器、１−１８および１−１９はＡ／Ｄ変換器、１−２０は演算処理器を表す。
プローブパルス入射手段１１は、第１の光源１−１、第１の光パルス化器１−２、電気パルス発生器１−７、光合波器１−１０、第１の光サーキュレータ１−１１、及びモード合分波器１−１３である。
ポンプパルス入射手段１２は、第２の光源１−３、可変光分岐器１−４、第２の光パルス化器１−５、第３の光パルス化器１−６、電気パルス発生器１−８、電気パルス発生器１−９、光合波器１−１０、第１の光サーキュレータ１−１１、第２の光サーキュレータ１−１２、及びモード合分波器１−１３である。
制御手段１３は、可変光分岐器１−４、電気パルス発生器１−７、電気パルス発生器１−８、及び電気パルス発生器１−９を制御する。
演算処理装置２０は、光バンドパスフィルタ（１−１４、１−１５）、光検出器（１−１６、１−１７）、Ａ／Ｄ変換器（１−１８、１−１９）、及び演算処理器１−２０である。
なお、誘導ラマン散乱による利得帯域幅は比較的広いことから、本光パルス試験装置では、プローブパルスの後方レイリー散乱光はスペクトル線幅が広くても十分な増幅利得を受けるため、プローブパルス光源である第１の光源１−１には汎用的なＤＦＢレーザ等を用いることができる。この場合、ヘテロダイン検波は使用できないため、直接検波を使用することになる。
後方散乱光増幅装置１０において、プローブパルスによって発生する後方散乱光の所望の伝搬モードに対して、第１および第２のポンプパルスによって発生する誘導ラマン散乱の利得を制御し増幅できることを理論的に説明する。
第１の光源１−１から出射された光周波数ν１を有する光は、電気パルス発生器１−７生成された電気信号をもとに光パルス化器１−２にてパルス化され、プローブパルスが生成される。一方、第２の光源１−３から出射された光周波数ν２を有する光は、可変光分岐器１−４によって所望の比率で分岐され、各々電気パルス発生器１−８および１−９で生成された電気信号をもとに光パルス化器１−５および１−６にてパルス化され、第１、第２のポンプパルスが生成される。プローブパルスの光周波数ν１と第１、第２ポンプパルスの光周波数ν２の周波数差Δν＝ν２−ν１は、被測定光ファイバのラマン利得帯域に一致するように設定する。
第１のポンプパルスはプローブパルスと光合波器１−１０で多重化され、第１の光サーキュレータ１−１１を通り、モード合分波器１−１３へと入力される。第２のポンプパルスは第２の光サーキュレータ１−１２を通り、モード合分波器１−１３へと入力される。
モード合分波器１−１３は、例えば、図２に示すように、ポート１に入力されたＬＰ０１モードをＬＰ０１モードのままポート３に出力し、ポート２に入力されたＬＰ０１モードをＬＰ１１モードに変換しポート３から出力する。また、ポート３に入力されたＬＰ０１モードとＬＰ１１モードを、ＬＰ０１モードはＬＰ０１モードのままポート１に出力し、ＬＰ１１モードはＬＰ０１モードに変換しポート２に出力する。このようなモード合分波器１−１３を後方散乱光増幅装置１０に用いた場合、ポート１に第１の光サーキュレータ１−１１を接続し、ポート２に第２の光サーキュレータ１−１２を接続することにより、前述のように、多重化されたプローブパルスと第１のポンプパルスはＬＰ０１モードで、第２のポンプパルスはＬＰ１１モードでそれぞれ被測定光ファイバＦＵＴに入射することができる。また、ポート１に第２の光サーキュレータ１−１２を接続し、ポート２に第１の光サーキュレータ１−１１を接続することにより、前述とは逆に、多重化されたプローブパルスと第１のポンプパルスはＬＰ１１モードで、第２のポンプパルスはＬＰ０１モードでそれぞれ被測定光ファイバＦＵＴに入射することができる。
多重化されたプローブパルスと第１のポンプパルス、および第２のポンプパルスを被測定光ファイバＦＵＴの一端より入力する。プローブパルスが時間的に先に入射され、続いて時間遅延ΔＴ１が与えられた第１のポンプパルス、時間遅延ΔＴ２が与えられた第２のポンプパルスが入射される。プローブパルス、第１および第２ポンプパルスのパルス幅、プローブパルスと第１および第２ポンプパルスとの相対的な時間遅延ΔＴ１およびΔＴ２は電気パルス発生器１−７、１−８および１−９によって調整可能である。
図３に示すように、被測定光ファイバＦＵＴに上記プローブパルスと第１および第２のポンプパルスを入射すると、まず先行して入射されたプローブパルスにより後方散乱光が発生する。例えば、プローブパルスの波長が一般的なシングルモード光ファイバのカットオフ波長以下の２モード領域（基本モードと第１高次モードが伝搬可能）であった場合、後方散乱光は基本モードと第１高次モードに結合し被測定光ファイバＦＵＴの入力端側へと伝搬される。なお、レイリー散乱は弾性散乱のため散乱過程による光周波数の変化は起こらず、発生した後方散乱光とプローブパルスは同じ光周波数ν１を持つ。
続いて、プローブパルスを追いかける形で第１および第２のポンプパルスが被測定光ファイバＦＵＴを伝搬する。プローブパルスにより発生した後方散乱光がポンプパルスと出会い、後方散乱光がポンプパルスによって発生するラマン増幅利得帯域内に存在する場合、ポンプパルスから後方散乱光に誘導ラマン増幅が起こり、後方散乱光は増幅される。
図４に示すように、被測定光ファイバＦＵＴが複数の伝搬モードが存在する光ファイバ、もしくは各パルスが複数の伝搬モードが伝搬する波長領域である場合、後方散乱光の基本モードはＬＰ０１モードで入力されたポンプパルス（第１のポンプパルス）とＬＰ１１モードで入力されたポンプパルス（第２のポンプパルス）の両方から所定のラマン増幅利得を受ける。また、後方散乱光のＬＰ１１モードもＬＰ０１モードで入力されたポンプパルス（第１のポンプパルス）とＬＰ１１モードで入力されたポンプパルス（第２のポンプパルス）の両方から所定のラマン増幅利得を受けることになる。
被測定光ファイバＦＵＴの入射端へと戻ってきた後方散乱光の基本モードと第１高次モードをモード合分波器１−１３で分離した後、サーキュレータ１−１１および１−１２を介して後方散乱光を抽出し、光バンドパルスフィルタ１−１４および１−１５によって第１および第２のポンプパルスに発生した後方散乱光を除去した後、光検出器１−１６および１−１７により電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換器１−１８および１−１９で数値化され、演算処理器１−２０により解析される。
被測定光ファイバＦＵＴの入力端（一端）をｚ＝０としたとき、地点ｚにおけるプローブパルスによって発生した後方散乱光のＬＰ０１モードとＬＰ１１モードのパワーＰ０１（ｚ）及びＰ１１（ｚ）は、
Figure 2020056904
 および
Figure 2020056904
 で表される。ここで、Ｐ０（０）はプローブパルスの入射端での光パワー、α０１は被測定光ファイバＦＵＴのＬＰ０１モードの損失係数、Ｒ０１−０１およびＲ０１−１１はプローブパルスのＬＰ０１モードが後方散乱光のＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードに結合する割合である。
入力端へと戻ってくる後方散乱光のＬＰ０１モードは、第１（ＬＰ０１モード）および第２（ＬＰ１１モード）のポンプパルスより以下のようなラマン増幅Ｇ０１を受ける。
Figure 2020056904
 ここで、γ０１−０１およびγ１１−０１は後方散乱光のＬＰ０１モードが第１（ＬＰ０１モード）および第２（ＬＰ１１モード）のポンプパルスから誘導ラマン散乱により利得をうけるモード依存利得効率を表す。ηは可変光分岐器１−４の分岐比、すなわち第１および第２のポンプパルスのパワーの比率である。
Figure 2020056904
 は地点ｚ−Δｚ１における第１（ＬＰ０１モード）のポンプパルスの光パワーであり、
Figure 2020056904
 は地点ｚ−Δｚ２における第２（ＬＰ１１モード）のポンプパルスの光パワーである。
ΔＬ１およびΔＬ２はプローブパルスの後方散乱光が第１および第２のポンプパルスにより誘導ラマン増幅される相互作用長であり、ポンプパルスのパルス幅によって調整可能である。
また、後方散乱光のＬＰ１１モードは、第１（ＬＰ０１モード）および第２（ＬＰ１１モード）のポンプパルスより以下のようなラマン増幅Ｇ１１を受ける。
Figure 2020056904
 ここで、γ０１−１１およびγ１１−１１は後方散乱光のＬＰ１１モードが第１（ＬＰ０１モード）および第２（ＬＰ１１モード）のポンプパルスから誘導ラマン散乱により利得をうけるモード依存利得効率を表す。
なお、モード依存利得効率、すなわち異なるモード間のラマン増幅効率は、モードｎおよびｍの断面強度分布Ｉの重なり積分となり、次式で表される。
Figure 2020056904
 これは被測定光ファイバＦＵＴの屈折率プロファイルによって一意に決定される。
プローブパルスの後方散乱光が発生した位置から第１および第２のポンプパルスと出会うそれぞれの位置までの距離（パルス間隔の１／２）Δｚ１およびΔｚ２は、時間遅延ΔＴ１およびΔＴ２を用いて次式で表される。
Figure 2020056904
 および
Figure 2020056904
 ここで、ｃは被測定光ファイバＦＵＴ中の光速度を表す。
プローブパルスとポンプパルスの時間間隔ΔＴ１およびΔＴ２を制御することで任意の地点からプローブ光の増幅が可能となる。なお、被測定光ファイバＦＵＴ中の光速度は伝搬モードによって僅かに変化するが、通常、ポンプパルスのパルス幅（後方散乱光との相互作用長）が１０ｋｍ以上であるのに対して、各モードの光速度の違いによって生じるΔｚ１およびΔｚ２の変化は１０ｍ未満であるため、モード毎の光速度の違いは無視して構わない。
時刻ｔに本装置の受信部（ｚ＝０）で観測されるプローブパルスによって発生した後方散乱光のＬＰ０１モードのパワーＰ０１（ｔ）は、以下のように表される。
Figure 2020056904
 一方、後方散乱光のＬＰ１１モードのパワーＰ１１（ｔ）は、以下のように表される。
Figure 2020056904
 ここで、α１１は被測定光ファイバＦＵＴのＬＰ１１モードの損失係数である。また、
Figure 2020056904
 である。
式（８）、（９）に示すように、第１および第２のポンプパルスのパワー比η、プローブパルスと第１および第２のポンプパルスとの相互作用長ΔＬ１、ΔＬ２、プローブパルスと第１および第２のポンプパルスとの相対的な時間差ΔＴ１およびΔＴ２を制御することによって、プローブパルスの後方散乱光の任意のモードに対して、任意のラマン増幅利得を任意の地点から与えることができる。
図５に、プローブパルス、ポンプパルス、各々のパルスによって発生する後方散乱光、およびポンプパルスによって発生するラマン利得スペクトルの周波数配置関係を模式的に示す。
プローブパルスによって生じる後方レイリー散乱光はプローブパルスと同じ光周波数ν１を有する。光周波数ν２を有するポンプパルスに対して、ラマン利得スペクトルは被測定光ファイバＦＵＴのラマン周波数シフトνｒだけダウンシフトしたν２−νｒを中心とする。プローブパルスの周波数ν１がラマン利得スペクトル内にあるとき、プローブパルスの後方散乱光は被測定光ファイバＦＵＴ中でラマン増幅される。
図６は、演算処理器１−２０における波形解析手順を説明するフローチャートである。
まず、ステップＳ０１において、プローブパルスおよび第１および第２のポンプパルスを入力した状態で後方散乱光のＬＰ０１モード波形ｂ１およびＬＰ１１モード波形ｂ２を取得する。このとき観測される波形ｂ１及びｂ２をそれぞれＦＧ ０１（ｚ）およびＦＧ １１（ｚ）とする。
次に、ステップＳ０２において、第１および第２のポンプパルスのみを入力した状態でポンプパルスのみによって発生する誘導成分のない後方ラマン散乱光のＬＰ０１モード波形ｂ３およびＬＰ１１モード波形ｂ４を取得する。このとき観測される波形をそれぞれＦＰ ０１（ｚ）およびＦＰ １１（ｚ）とする。
最後に、ステップＳ０３において、これらの波形の差分ｂ１−ｂ３およびｂ２−ｂ４をとることで、増幅されたプローブパルスの後方レイリー散乱光のＬＰ０１モード波形ＦＲ ０１（ｚ）およびＬＰ１１モード波形ＦＲ １１（ｚ）を取得し、解析することができる。
なお、式（８）及び（９）を被測定光ファイバＦＵＴの長さ方向ｚの関数としたものがそれぞれ波形ＦＲ ０１（ｚ）及び波形ＦＲ １１（ｚ）である。
［付記］
以下は、本発明に係る光パルス試験装置を説明したものである。
（課題）
光ファイバ内を伝搬する複数の伝搬モードの後方散乱光を誘導ラマン散乱によって個別に増幅することを可能とすること。
（手段）
上記課題を解決するために、本光パルス試験装置は、
被測定光ファイバＦＵＴの基本モードと第１高次モードで伝搬可能な波長を持つプローブ光を出力する第１の光源と、
前記プローブ光をパルス化しプローブパルスを生成するパルス化器と、
前記プローブ光よりもラマン周波数シフトだけ短波長にシフトさせた波長を持つポンプ光を出力する第２の光源と、
前記ポンプ光を所望の分岐比で分岐する可変光分岐器と、
前記可変光分岐器で分岐されたポンプ光をパルス化し第１および第２のポンプパルスを生成する第２および第３のパルス化器と
前記第１、第２および第３のパルス化器を制御するための電気パルス列を生成する信号発生器と、
前記プローブパルスと第１のポンプパルスを合波する光合波器と、
被測定光ファイバＦＵＴからの後方散乱光の基本モード成分を分離するための第１の光サーキュレータと、
被測定光ファイバＦＵＴからの後方散乱光の第１高次モードを分離するための第２の光サーキュレータと、
前記合波されたプローブパルスと第１のポンプパルスを基本モードおよび第１高次モードのいずれか一方で、第２のポンプパルスを基本モードおよび第１高次モードのいずれか他方でそれぞれ被測定光ファイバＦＵＴに入射し、かつ被測定光ファイバＦＵＴからの後方散乱光を基本モードおよび第１高次モードに分離するモード合分波器と、
前記第１の光サーキュレータで分離された前記後方散乱光の基本モードからポンプパルスの後方散乱光を除去する第１の光バンドパスフィルタと、
前記第２の光サーキュレータで分離された前記後方散乱光の第１高次モードからポンプパルスの後方散乱光を除去する第２の光バンドパスフィルタと、
前記第１および第２の光バンドパスフィルタを通過した後方散乱光をそれぞれ光電変換する第１および第２の光検出器と、
前記第１および第２の光検出器から出力された光電流をそれぞれ電圧に変換する第１および第２のＡ／Ｄ変換器と、
前記被測定光ファイバＦＵＴの距離に対する前記後方散乱光の基本モード成分の強度分布、及び前記被想定光ファイバの距離に対する前記戻り光の第１高次モード成分の強度分布を取得する演算処理部と、
を備える。
前記ポンプ光はプローブパルスよりもラマン周波数シフトだけ短波長にシフトさせた波長を持っており、前記可変光分岐器、第２および第３のパルス化器およびモード合分波器によって、モード選択的に励振されるポンプパルスを任意の光パワー比率、パルス幅、プローブパルスとの相対時間遅延に制御し、被測定光ファイバＦＵＴに先に入射されるプローブパルスの後方レイリー散乱光の基本モードおよび第１高次モードを所望の地点から所望の利得で増幅することを特徴とする。
前記演算処理器は、第１の測定において、前記プローブパルスと前記第１および第２のポンプパルスが被測定光ファイバＦＵＴに入射した状態で後方散乱光波形を取得し、
第２の測定において、前記プローブパルスを前記被測定光ファイバＦＵＴに入射しない状態で前記第１および第２のポンプパルスの後方散乱光波形を取得し、
前記第１の測定において取得された波形と前記第２の測定において取得された波形との差分からプローブパルスの後方レイリー散乱光波形を算出することを特徴とする。
（発明の効果）
本発明による光パルス試験装置および光パルス試験方法によれば、複数の伝搬モードが存在する光ファイバ、もしくは各パルスが複数の伝搬モードが伝搬する波長領域において、入力するポンプ光の条件（入力モード、入力パワー、入力タイミング、パルス幅）を制御することで、誘導ラマン散乱を用いて、後方レイリー散乱光の所望の伝搬モードを所望の利得で所望の地点より増幅させることができる。
なお、本実施形態では、被測定光ファイバが基本モードと第一高次モードの２つの伝搬モードのみを伝搬し、かつ伝搬する光は単一偏波状態であるとして説明したが、被測定光ファイバが３以上の伝搬モードを伝搬でき、かつ伝搬する光は単一偏波状態であっても、同様に入力するポンプ光の条件を制御することで後方レイリー散乱光の所望の伝搬モードを所望の利得で所望の地点より増幅させることができる。
１−１： 第１の光源
１−２： 第１のパルス化器
１−３： 第２の光源
１−４： 可変光分岐器
１−５、１−６： 第２、第３のパルス化器
１−７〜１−９： 電気パルス発生器
１−１０： 光合波器
１−１１、１−１２： 光サーキュレータ
１−１３： モード合分波器
１−１４、１−１５： 光バンドパルフィルタ
１−１６、１−１７： 光検出器
１−１８、１−１９： Ａ／Ｄ変換器
１−２０： 演算処理器第
１０：後方散乱光増幅装置
１１：プローブパルス入射手段
１２：ポンプパルス入射手段
１３：制御手段
２０：演算処理装置

Claims (6)

  1. プローブパルスを所望の伝搬モードで被測定光ファイバの一端に入射するプローブパルス入射手段と、
    前記プローブパルス入射手段が前記プローブパルスを前記被測定光ファイバに入射した後、前記プローブパルスの光周波数を含む光周波数範囲にラマン利得スペクトルを発生させるポンプパルスを複数の伝搬モードで前記被測定光ファイバの前記一端に入射するポンプパルス入射手段と、
    前記被測定光ファイバを伝搬する前記プローブパルスで発生した複数の伝搬モードの後方散乱光のうち、前記被測定光ファイバの所望の地点より遠方で発生した所望の伝搬モードの後方散乱光に所望のラマン増幅利得を与えるように、伝搬モード間の前記ポンプパルスのパワー比、各伝搬モードの前記ポンプパルスの長さ、及び前記被測定光ファイバに入射する前記プローブパルスと各伝搬モードの前記ポンプパルスとの相対的時間差を設定する制御手段と、
    を備える後方散乱光増幅装置。
  2. 前記被測定光ファイバの前記一端に戻ってきた前記後方散乱光を伝搬モード毎に分離するモード分波手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の後方散乱光増幅装置。
  3. 請求項２に記載の後方散乱光増幅装置と、
    前記被測定光ファイバの前記一端に戻る後方散乱光から前記被測定光ファイバの長さ方向の光強度分布を伝搬モード毎に取得する演算処理装置と、
    を備える光パルス試験装置であって、
    前記演算処理装置は、
    前記後方散乱光増幅装置を動作させて、前記プローブパルスと前記ポンプパルスを前記被測定光ファイバに入射したときの第１光強度分布を取得し、
    前記後方散乱光増幅装置の前記ポンプパルス入射手段及び前記モード分波手段を動作させて、前記ポンプパルスのみを前記被測定光ファイバに入射したときの第２光強度分布を取得し、
    伝搬モード毎に、第１光強度分布から第２光強度分布を減算し、前記プローブパルスのみを前記被測定光ファイバに入射したときに発生するであろう第３光強度分布を取得することを特徴とする光パルス試験装置。
  4. プローブパルスを所望の伝搬モードで被測定光ファイバの一端に入射するプローブパルス入射手順と、
    前記プローブパルス入射手順で前記プローブパルスを前記被測定光ファイバに入射した後、前記プローブパルスの光周波数を含む光周波数範囲にラマン利得スペクトルを発生させるポンプパルスを複数の伝搬モードで前記被測定光ファイバの前記一端に入射するポンプパルス入射手順と、
    前記ポンプパルス入射手順において、前記被測定光ファイバを伝搬する前記プローブパルスで発生した複数の伝搬モードの後方散乱光のうち、前記被測定光ファイバの所望の地点より遠方で発生した所望の伝搬モードの後方散乱光に所望のラマン増幅利得を与えるように、伝搬モード間の前記ポンプパルスのパワー比、各伝搬モードの前記ポンプパルスの長さ、及び前記被測定光ファイバに入射する前記プローブパルスと各伝搬モードの前記ポンプパルスとの相対的時間差を設定する制御手順と、
    を行う後方散乱光増幅方法。
  5. 前記被測定光ファイバの前記一端に戻ってきた前記後方散乱光を伝搬モード毎に分離するモード分波手順をさらに行うことを特徴とする請求項４に記載の後方散乱光増幅方法。
  6. 請求項５に記載の後方散乱光増幅方法と、
    前記被測定光ファイバの前記一端に戻る後方散乱光から前記被測定光ファイバの長さ方向の光強度分布を伝搬モード毎に取得する演算処理方法と、
    を行う光パルス試験方法であって、
    前記後方散乱光増幅方法と前記演算処理方法とで、前記プローブパルスと前記ポンプパルスを前記被測定光ファイバに入射したときの第１光強度分布を取得し、
    前記後方散乱光増幅方法の前記ポンプパルス入射手順及び前記モード分波手順と前記演算処理方法とで、前記ポンプパルスのみを前記被測定光ファイバに入射したときの第２光強度分布を取得し、
    伝搬モード毎に、第１光強度分布から第２光強度分布を減算し、前記プローブパルスのみを前記被測定光ファイバに入射したときに発生するであろう第３光強度分布を取得することを特徴とする光パルス試験方法。
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