JP3388497B2 - 単一モード光ファイバの特性評価方法 - Google Patents

単一モード光ファイバの特性評価方法

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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、光通信等に用いら
る単一モード光ファイバ特性評価方法に関し、さら
に詳しくは、後方レーリー散乱光波形を含む単一モード
光ファイバの長手方向のモードフィールド径の情報を光
源の波長および被測定ファイバの両方向から後方レーリ
ー散乱光を測定することにより評価するものである。 【0002】 【従来の技術】近年、光ファイバアンプの急速な発展に
伴う入力光レベルの向上により、光ファイバにおける光
非線形効果の影響が顕著となっている。光ファイバにお
ける光非線形効果は、光ファイバ入射端から出射端に向
けて順次、発生・累積される。そのため、光非線形効果
の影響を十分に理解するには、光ファイバパラメータで
あるモードフィールド径の長手方向の分布特性を把握す
ることが必要不可欠となっている。 【0003】上記単一モード光ファイバのモードフィー
ルド径2Wは、遠視野の界分布をΦとすると、次式
(7)で定義される。 【0004】 【数7】 【0005】ただし、pは波数kおよび放射角θを用い
て次式(8)で表される。 【0006】 【数8】 【0007】従来の単一モード光ファイバのモードフィ
ールド径を測定する方法としてはファーフィールドパタ
ーン法が知られている。ファーフィールドパターン法で
は、遠視野の光強度分布を測定することにより、上記
(7)式の定義に従って光ファイバ一端のモードフィー
ルド径を評価する。 【0008】またさらに、単一モード光ファイバの長手
方向のモードフィールド径分布を測定する手法として
は、光ファイバの両端から異なる2波長以上の波長を入
射して測定した後方散乱光強度S1 およびS2 を求める
方法がある。 【0009】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ファーフィールドパターン法によるモードフィールド径
測定は、光ファイバ一端のモードフィールド径しか測定
できないので、被測定光ファイバの長手方向でのモード
フィールド径の変動を測定するためには、光ファイバを
切断して測定する必要がある。従って、この方法では測
定した光ファイバを使用できなくなるという問題があっ
た。 【0010】またさらに、破壊測定のかかる問題を解決
するために、光ファイバの両端から異なる2波長以上の
波長を入射して測定した後方散乱光強度S1 およびS2
を用いてモードフィールド径の長手方向の変動を測定す
る方法が開発されている。しかし、この方法では、被測
定ファイバ長手方向の散乱係数の変動は、モードフィー
ルド径の変動に比べて十分に小さいと仮定しているた
め、複数の単一モード光ファイバで構成される光ファイ
バでは、ファイバ間の散乱係数の変化に伴い、モードフ
ィールド径分布の測定値に誤差を生じるという解決すべ
き課題があった。 【0011】本発明は、このような事情に鑑み、単一モ
ード光ファイバの任意の波長λ における長手方向のモ
ードフィールド径分布を、非破壊で、かつファイバ間の
散乱係数の変化を考慮に入れ、1波長での測定により
便かつ非破壊で評価することを可能にした単一モード光
ファイバの特性評価方法を提供することを目的とする。 【0012】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、1端におけるモードフィールド径の波
長依存性2W(λi)が既知である単一モード光ファイ
バと、任意の1波長λにおける任意の1端でのモードフ
ィールド径が既知である被測定単一モード光ファイバで
構成される光ファイバの両端から、任意の1波長λの光
源を用いて後方散乱波形を測定し、散乱係数寄与分Kw
を求め、任意の複数波長λ における被測定単一モード
光ファイバのモードフィールド径分布特性を非破壊で評
価する。 【0013】本発明に係る単一モード光ファイバの特性
評価方法は、具体的には次の通りである。 【0014】本発明の測定法では、1端におけるモード
フィールド径の波長依存性2W(λ )が既知である単
一モード光ファイバと、任意の1波長λにおける任意の
1端でのモードフィールド径が既知である被測定単一モ
ード光ファイバで構成される任意の長さLの光ファイバ
の一方側から波長λのパルス光を入射したときの該光フ
ァイバの位置zにおける後方散乱光強度S(λ,z)
(単位:dBm)と、該光ファイバの他方側から同様に
波長λのパルス光を入射したときの後方散乱強度S
(λ,L-z)(単位:dBm)とを測定し、このよう
に両端から測定した後方散乱光強度の相加平均強度I
(λ,z)を次の関係式(1)により求め、 【0015】 【数9】 【0016】さらに、前記光ファイバの任意の一端の位
置z0 での相加平均強度I(λ,z0 )でI(λ,z)
を規格化した次式(2)に示す任意の波長λでの規格化
相加平均強度In (λ,z)を求め、 【0017】 【数10】 【0018】前記(1)式の相加平均強度と次式(3)
及び(4)を用いて、任意の位置zおよびzにおける
定数成分a(z)およびa(z)を求め、 【0019】 【数11】 【0020】 【数12】 【0021】前記関係式(3)および(4)を用いて、
位置z0 と位置zの間の散乱係数の違いが前記(2)式
の規格化相加平均強度に及ぼす寄与分Kw (z)を以下
の関係式(5)により求め、 【0022】 【数13】 【0023】前記位置z0 で任意の波長λi のモードフ
ィールド径2W(λi ,z0 )を測定することによっ
て、単一モード光ファイバの任意の波長λi における長
手方向のモードフィールド径を前記(2)式および前記
(5)式と次の関係式(6)を用いて評価する。 【0024】 【数14】 【0025】以上のように、本発明では、1端における
モードフィールド径の波長依存性2W(λ )が既知で
ある単一モード光ファイバと、任意の1波長λにおける
任意の1端でのモードフィールド径2W(λ)が既知で
ある被測定単一モード光ファイバで構成される光ファイ
バにおいて、接続されている光ファイバの任意の一端で
のモードフィールド径を用い、両端から測定した1波長
の後方散乱波形を所定の関係式を用いて数値処理するこ
とにより、任意の波長のモードフィールド径の長手方向
の分布特定を非破壊で評価することができる。このよう
な長手方向での分布特性は伝送システムを設計する際に
重要となる。また、本発明は、1波長のみの測定から評
価を行うため、測定が非常に簡便に行えると同時に、接
続されている光ファイバ間の散乱係数の変化を考慮して
いるので、モードフィールド径の測定精度を向上できる
という利点を有している。 【0026】 【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。 【0027】図1は本発明による光ファイバの長手方向
のモードフィールド径の分布特性の測定方法の実施形態
を示す工程図である。同図に示すように、本発明は非破
壊で1端におけるモードフィールド径の波長依存性2W
(λ )が既知である単一モード光ファイバと、任意の
1波長λにおける任意の1端でのモードフィールド径2
W(λ)が既知である被測定単一モード光ファイバで構
成される光ファイバの長手方向のモードフィールド径特
性を測定するために、公知のOTDR(後方散乱光測定
装置)を用いて1波長の後方散乱光を被測定光ファイバ
の両方向から測定することにより、接続されているファ
イバの任意の一端zでのモードフィールド径を知り、こ
れから任意の波長のモードフィールド径分布を評価す
る。以下に、本発明の詳細を説明する。 【0028】長手方向のモードフィールド径の特性を評
価する方法については、例えば、文献[M. S. O'Sulliva
n and R. S. Lowe, "Interpretation of SM fiber OTDR
signatures"、 Proceeding SPIE '86, Optical Testing
and Metrology, vol.661, pp.171-176, 1986]に述べら
れている。 【0029】単一モード光ファイバの入射端から位置z
での波長λの後方散乱光強度P(z)は次式(9)で表
される。ただし、P0 は光ファイバに励起された波長λ
での入射光強度、αs (z)は位置zでの散乱係数、B
(λ,z)は位置zでの波長λの後方散乱光の捕獲率、
またγ(z)は位置zでの損失係数を表す。 【0030】 【数15】 【0031】1端におけるモードフィールド径の波長依
存性2W(λ )が既知である単一モード光ファイバ
と、任意の1波長λにおける任意の1端でのモードフィ
ールド径2W(λ)が既知である被測定単一モード光フ
ァイバで構成される長さ(全長)Lの光ファイバの両端
から測定された位置zでの後方散乱光強度をS1(λ,
z)、S2(λ,L−z)(単位:dBm)とすると、
これらはそれぞれ次式(10)、(11)で表わされ
る。 【0032】 【数16】 【0033】 【数17】 【0034】また、両端から測定した散乱光強度S
1 (λ,z)、S2 (λ,L−z)の相加平均強度I
(λ,z)は、次式(12)で表される。 【0035】 【数18】 【0036】ただし、a1 は次式(13)で表され、z
に依存しない定数である。 【0037】 【数19】 【0038】上式(12)から、I(λ,z)はzでの
散乱係数αs (z)および捕獲率B(λ,z)に比例す
ることが分る。捕獲率B(λ,z)は次式(14)で表
される。ただし、nはコアの屈折率、2W(λ,z)は
位置zでの波長λにおけるモードフィールド径を示す。 【0039】 【数20】 【0040】従って、I(λ,z)はa2 が位置zに依
存しない定数として次式(15)で表される。 【0041】 【数21】 【0042】上式(15)を任意の点z=z0 のI
(λ,z0 )の値で規格化すると、次式(16)に書き
直すことができる。 【0043】 【数22】 【0044】ここで、上式(16)の右辺の第1項は散
乱係数αs およびコアの屈折率nに依存する。複数の光
ファイバが接続されている場合には、光ファイバ間での
散乱係数とコアの屈折率の変化が生じるため、この第1
項をファイバが接続されたときに必要とされる補正項K
w (z)として定義する。 【0045】このファイバ間の散乱係数の変化に伴う補
正項Kw (z)は波長λでの任意の位置z0 におけるモ
ードフィールド径2W(λ,z0 )および接続されてい
る光ファイバの任意の一端の位置zにおけるモードフィ
ールド径2W(λ,z)を用いて求めることができる。
すなわち、波長λでの任意の位置z0 におけるモードフ
ィールド径2W(λ,z0 )を求め、かつ接続されてい
る光ファイバの任意の一端の位置zにおけるモードフィ
ールド径2W(λ,z)が既知である場合、前記(1
2)式の相加平均強度と次式(17)および(18)を
用いて位置z0 およびzにおける定数成分a1 (z0
およびa1 (z)を求め、 【0046】 【数23】 【0047】 【数24】 【0048】上記関係式(17)および(18)を用い
て、位置z0 と位置zの間の散乱係数の違いに伴う補正
項Kw (z)は次式(19)で表される。 【0049】 【数25】 【0050】従って、ファイバの一端での位置z=z0
で、任意の波長λi (i=1,2,3,…,n)のモー
ドフィールド径2W(λi ,z0 )を測定すると、任意
の波長λi でのモードフィールド径分布2W(λi
z)は上記(19)式のKw (z)を用いて次式(2
0)で評価できる。 【0051】 【数26】 【0052】 【実施例】本発明の一実施例では、1端におけるモード
フィールド径の波長依存性2W(λ )が既知である分
散シフトファイバと、1端における波長λでのモードフ
ィールド径が既知である1.3μm帯零分散単一モード
光ファイバで構成される光ファイバの両方向から測定し
た波長1.55μmでの後方散乱波形から、分散シフト
ファイバおよび1.3μm零分散単一モードファイバ
波長λiにおける任意位置で測定されたモードフィー
ルド径2W(λ,z)を用いて長手方向のモードフ
ィールド径分布を評価した。 【0053】本実施例の処理手順は図1に示す通りであ
る。即ち、まず、分散シフトファイバの1端でモードフ
ィールド径の波長依存性2W(λ )を既存のファーフ
ィールドパターン法等を用いて測定する(ステップS
1)。次に、1.3μm帯零分散ファイバの一端で波長
λにおけるモードフィールド径2W(λ)を既存のファ
ーフィールドパターン法等を用いて測定する(ステップ
S2)。続いて、分散シフトファイバと1.3μm帯零
分散ファイバで構成される光ファイバの両端から、任意
の1波長λで後方散乱光強度S (z)及びS (L−
z)を測定する(ステップS3)。次にステップS1及
びステップS2で求めたモードフィールド径を用いて、
上式(19)の補正項(寄与分)Kw(z)を評価する
(ステップS4)。 【0054】最後に、上記K(z)のデータを用い
て、上式(20)により、分散シフトファイバと1.3
μm帯零分散ファイバで構成される光ファイバの長手方
向のモードフィールド径分布を評価する(ステップ
)。 【0055】図2は1.55μmでの分散シフトファイ
バと、1.3μm零分散単一モードファイバで構成され
る光ファイバ約20kmの後方散乱波形の両端から測定
した結果の図である。この図から式(16),(19)
および(20)を用いて、1.53μm、1.55μm
および1.57μmのモードフィールド径の長手方向の
特性を評価したところ、図3に示す結果が得られた。な
お、2W(λi ,z0)には分散シフトファイバの一端
でのモードフィールド径を用いた。 【0056】 【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、
端におけるモードフィールド径の波長依存性2W
(λ )が既知である単一モード光ファイバと、任意の
1波長λにおける任意の1端でのモードフィールド径2
W(λ)が既知である被測定単一モード光ファイバで構
成される光ファイバにおいて、1波長でその光ファイバ
の両端からの後方散乱波形を測定し、光ファイバ長手方
向の特性を非破壊で評価することができるという効果を
奏する。また、本発明は、1波長だけの測定であるため
測定時間を短縮できると同時に、接続されている光ファ
イバ間の散乱係数の変化を考慮しているので、モードフ
ィールド径の測定精度を向上できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の一実施例の処理手順の工程を示す工程
図である。 【図2】本発明実施例における1.55μmでの後方散
乱波形の測定結果を示す特性図である。 【図3】本発明実施例における1.53μm、1.55
μmおよび1.57μmでの長手方向のモードフィール
ド径の評価結果を表す特性図である。

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 1端におけるモードフィールド径の波長
    依存性2W(λ )が既知である単一モード光ファイバ
    と、任意の1波長λにおける任意の1端でのモードフィ
    ールド径が既知である被測定単一モード光ファイバで構
    成される任意の長さLの光ファイバの一方側から波長λ
    のパルス光を入射したときの該光ファイバの位置zにお
    ける後方散乱光強度S(λ,z)(単位:dBm)
    と、該光ファイバの他方側から同様に波長λのパルス光
    を入射したときの後方散乱強度S(λ,L-z)(単
    位:dBm)とを測定し、このように両端から測定した
    後方散乱光強度の相加平均強度I(λ,z)を次の関係式
    (1)により求め、 【数1】 さらに、前記光ファイバの任意の一端の位置zでの相
    加平均強度I(λ,z)でI(λ,z)を規格化した次式
    (2)に示す任意の波長λでの規格化相加平均強度I
    (λ,z)を求め、 【数2】 前記(1)式の相加平均強度と次式(3)及び(4)を
    用いて、任意の位置zおよびzにおける定数成分a
    (z)およびa(z)を求め、 【数3】【数4】 前記関係式(3)および(4)を用いて、任意の位置z
    と位置zの間の散乱係数の違いが前記(2)式の規格
    化相加平均強度に及ぼす寄与分K(z)を以下の関係
    式(5)により求め、 【数5】 KW(z)=a1(z)-a1(z0) (5) 前記位置zで任意の波長λのモードフィールド径2
    W(λ,z)を測定することによって、単一モード
    光ファイバの任意の波長λにおける長手方向のモード
    フィールド径分布を前記(2)式及び前記(5)式と次
    の関係式(6)を用いて評価することを特徴とする単一
    モード光ファイバの特性評価方法。 【数6】
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