JP3749646B2 - 偏波モード分散測定装置および偏波モード分散測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送用ファイバの分散特性のうち、特に偏波モード分散を測定する偏波モード分散測定装置および偏波モード分散測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
長距離光通信の分野では、伝送速度の高速化に伴なって、光伝送用ファイバの分散特性の管理が重要な課題になっている。分散の要因の一つに偏波モード分散(ＰＭＤ：Polarization Mode Dispersion)があり、これは直交する２つの偏波モード間の群遅延によるものである。
通常の光通信で用いられる光ファイバは、熱、張力、圧力といった様々な外部応力によりコア径が理想的な円形から崩れ、コア内部に複屈折性が存在し、ＰＭＤが生じる。ＰＭＤは高速光通信において伝送容量制限の要因になるため、ＰＭＤの管理の必要性が近年高まってきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＰＭＤ測定には、大きく分けて時間領域による測定と、周波数領域による測定方法があり、前者には干渉法、後者には固定アナライザ法およびポラリメトリック法(ポアンカレ球法、ジョーンズマトリクス（ＪＭＥ）法、ＳＯＰ(State of Polarization)法等がある。しかし、これらの測定方法では、被測定光ファイバの出力端に光検出系を配置する必要があるため、既設の光通信網での測定は困難であり、さらに測定系も複雑になる傾向がある。
【０００４】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な手法で高感度にＰＭＤ測定を行うことが可能な偏波モード分散測定装置および偏波モード分散測定方法を提供することにある。また、本発明は、ＰＭＤ値が小さい場合にも、発生するビート信号がＤＣ成分の中に埋もれることなく、偏波モード分散測定を十分可能とすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の第１の解決手段によると、
周波数が時間に比例して変化する周波数チャープ光を生成するチャープ光生成手段と、
前記チャープ光生成手段により生成された周波数チャープ光に対して、直交する２つの直線偏光成分に分岐して、両直線偏光成分に光路差を与えるオフセット手段と、
前記オフセット手段からの周波数チャープ光の直線偏光方向を所定の角度回転させる波長板と、
前記波長板を通過した周波数チャープ光が被測定光ファイバに伝搬した後に、測定に必要な偏光成分を透過する検光子と、
前記検光子を透過した光波を検波し、検波された光波のビート信号に基づいて、被測定光ファイバの偏波モード分散値を検出する検波手段と
を備えた偏波モード分散測定装置を提供する。
【０００６】
また、本発明の第２の解決手段によると、
周波数が時間に比例して変化する周波数チャープ光を生成するステップと、
生成された周波数チャープ光に対して、直交する２つの直線偏光成分に分岐して、両直線偏光成分に光路差を与えるステップと、
周波数チャープ光の直線偏光方向を所定の角度回転させるステップと、
光路差を与えられた周波数チャープ光を被測定光ファイバに伝搬するステップと、
周波数チャープ光が被測定光ファイバに伝搬した後に、測定に必要な偏光成分を透過するステップと、
透過した後の光波を検波し、検波された光波のビート信号に基づいて、被測定光ファイバの偏波モード分散値を検出するステップと
を備えた偏波モード分散測定方法を提供する。
【０００７】
また、本発明では、偏波モード分散により生ずる被測定光ファイバの速波軸および遅波軸を伝搬する各光波間の群遅延時間を、各光波間で生ずるビート信号の周波数より算出するため、感度よく偏波モード分散を算出できる。また、本発明では、被測定光ファイバの速波軸および遅波軸に対して略４５度の角度に設定した検光子を設けるため、速波軸および遅波軸を伝搬する各光波から測定に必要な偏光成分を取り出すことができる。
【０００８】
また、本発明では、ドップラー効果により周波数シフトされた１次回折光を帰還させて周波数チャープ光を生成することで、線形性に優れた周波数チャープ光を生成できる。また、本発明では、所定の利得媒質、所定の励起光源、波長分割用光結合器、出力カプラ、偏波制御素子、光アイソレータ、および周波数シフト素子をリング状に接続したリング共振器により周波数チャープ光を生成することで、リング共振器一周回ごとに、所定の周波数幅だけ高感度に周波数をシフトさせることができる。
【０００９】
また、本発明では、オフセット手段で光路差を与えた２つの光波のビート周波数の変動量に基づいて偏波モード分散値を検出するため、簡易かつ高感度に偏波モード分散値を検出できる。また、本発明では、オフセット手段を透過した後の光波の入射角度によりビートスペクトル波形が異なることを考慮に入れ、入射角度に対するビートスペクトル強度に基づいてビート周波数の変化量を測定することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る偏波モード分散測定装置および偏波モード分散測定方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１１】
本発明は、特に光周波数領域リフレクトメトリ(ＯＦＤＲ：Optical Frequency Domain Reflectometry)を用いてＰＭＤ測定を行うようにした。具体的には、主に、ＰＭＤによって生じる伝搬時間の偏波状態依存性をビート周波数より求めるものである。光源には、本出願人が開発した周波数シフト帰還型レーザ(ＦＳＦレーザ：Frequency-Shifted Feedback laser)を使用し、被測定光ファイバの片側端面のみでＰＭＤ測定が可能でかつ簡便な偏波モード分散測定装置を用いるようにした。以下、本発明に係る偏波モード分散測定装置及びその方法について詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係る偏波モード分散測定装置のＰＭＤ測定原理を説明する図であり、図１（ａ）は、光ファイバ１内を伝搬する光波の瞬時周波数成分を模式的に示し、図１（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、光ファイバ１内に入射する周波数チャープ光の瞬時周波数、及び、光ファイバ１内に伝播する周波数チャープ光の瞬時周波数を示している。ここで、周波数チャープ光とは、周波数が時間に応じて変化する光波をいう。
【００１３】
光ファイバ１がＰＭＤをもつ場合には、光ファイバ１の速波軸および遅波軸を伝搬する各光波間に伝搬時間差が生じ、光ファイバ１の伝搬後には図１（ｃ）のような特性になる。これら２つの光波は互いに直交しているので、これら光波から測定に必要な偏光成分を取り出すために、被測定光ファイバ（ＦＵＴ）１の出射側に、速波軸および遅波軸に対して45度（又は略45度）の角度に設定した検光子２を配置し、周波数チャープ光が被測定光ファイバ１を伝搬後に、さらに検光子２を透過した後の光波を検波する。このときに得られる自己ビート信号により、ＰＭＤ値を検出することができる。
【００１４】
このようなＰＭＤ値の測定手法では、周波数チャープ光源の線形性が重要であり、線形性に優れたＦＳＦレーザを使用することで、高精度のＰＭＤ測定が可能となる。
ここで、周波数チャープ光のチャープレートをγ、ＯＦＤＲにより生じるビート周波数をｆBとするとき、ＰＭＤ値τは（１）式で与えられる。
τ＝ｆB／γ （１）
ここで、γ＝νFS /τRT
（τRTは共振器の周回時間、νFSは共振器の周回当たりの周波数シフト量）
【００１５】
図２は、本発明に係る偏波モード分散測定装置の一実施形態の全体構成を示すブロック図である。同図の偏波モード分散測定装置は、周波数チャープ光を生成するＦＳＦレーザ(ＦＳＦＬ：チャープ光生成手段)３と、偏波制御素子(P.C.：Polarization Contoroller)４と、周波数チャープ光を増幅する光増幅器（ＡＭＰ）５と、周波数チャープ光の直交する２つの直線偏光成分に光路差を与える二個の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６ａ及び６ｂをもつマッハツェンダー干渉計等により構成されるオフセット回路（オフセット手段）７と、λ／２板８と、光路を切り替えるビームスプリッタ（ＢＳ）９と、被測定光ファイバ１の速波軸および遅波軸に対して所定の角度を有し、被測定光ファイバ１を伝搬後の各光波が透過して、測定に必要な偏光成分を取り出すようにした検光子２と、検光子２を透過した光波を集束させるレンズ１０と、レンズ１０を透過した光波を検出する光検出器（ＰＤ）１１と、光波のスペクトル波形を観測するＲＦスペクトルアナライザ(ＲＦＳＡ：検波手段)１２と、ＲＦＳＡ１２の観測結果に基づいてＰＭＤを検出するコンピュータ（ＰＣ）１４とを備えている。なお、被測定光ファイバ１の出口端（ＢＳ９と反対側の端子）又はその近傍には、反射鏡を設けるようにしてもよい。
【００１６】
このような構成において、光源であるＦＳＦレーザ３から出力された周波数チャープ光（測定光）は、偏波制御素子４、ＡＭＰ５を経て、オフセット回路７に入射される。オフセット回路７では、ＰＢＳ６ａにより、ＦＳＦレーザ３からの周波数チャープ光のうち互いに直交する直線偏光のうち１方向の直線偏光光はＰＢＳ６ａを直進させ、他方向の直線偏光光は反射させることで、直交する２つの直線偏光成分に分岐するとともに、両者に光路差を与える。このような光路差を与えた２つの光波を、オフセット回路７内のもう一方のＰＢＳ６ｂにより再び結合させた後、λ／２板８により各直線偏光成分の偏光方向が所定の偏光角度となり、被測定光ファイバ１に入射される。被測定光ファイバの出口端又は出口近傍に設けられた鏡等で反射され、その反射光は、被測定光ファイバ１の入射端から出射され、ＢＳ９を経て、検光子２を透過することにより測定に必要な偏光成分が取り出されPD11により受光され、各直線偏光成分間におけるビート信号を受信する。受信されたビート信号により、ＰＭＤ値が算出される（詳細は後述）。
【００１７】
ここで、周波数チャープ光を発生するためのＦＳＦレーザ３について詳説する。
図２におけるＦＳＦレーザ３は、共振器内部に周波数シフト素子である音響光学変調器(ＡＯＭ：Acoust-Optic Modulator)を挿入し、ドップラー効果によって周波数シフトされた1次回折光を帰還させて発振するレーザである。
【００１８】
本出願人は、ＦＳＦレーザ３の出力の瞬時周波数成分が時間とともにチャープする複数の成分(チャープ周波数コム)からなることを理論的・実験的に解明している。このような共振器では、定在波は存在できず、その瞬時周波数νｉ（ｔ）は（２）式で与えられる。
【００１９】
【数１】
【００２０】
（２）式において、ここで、τＲＴは共振器の周回時間（１／τＲＴは共振器の縦モード周波数）、νＦＳは共振器の周回当たりの周波数シフト量、ｑは整数である。
【００２１】
ＦＳＦレーザ３で用いられる周波数シフト帰還型の共振器では、ある瞬間に許される瞬時周波数は共振器縦モード周波数（1/τRT）間隔毎に存在し、かつそれぞれの瞬時周波数成分（周波数コム成分）は、共振器周回当りの周波数シフト量に等しい割合（γ＝νFS /τRT）で連続に周波数チャープを受けている。また、周波数チャープ幅νBWは利得媒質のスペクトル形状によりある一定の幅に制限され、各周波数成分は利得のスペクトル形状に従って強度変化しながら周波数チャープする。
【００２２】
図３は、ＦＳＦレーザ３の出力の瞬時周波数成分を模式的に表した図である。図中グレー階調はその強度変化を示している。また、チャープレートγは、νFS
/τRTとなっている。
【００２３】
図４は、ＦＳＦレーザ３の詳細構成を示すブロック図である。ＦＳＦレーザ１は、周波数シフト素子であるＡＯＭ(伝搬媒質は、例えば、TeO2)２１を用いて、リング状のレーザ共振器を構成している。このレーザ共振器内には、光ファイバとの整合性に優れたエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ：例えば、Er3+ドープ量900ppm、ファイバ長15m）２２と、励起光源である半導体レーザ(ＬＤ:例えば、1.48μm帯、最大励起電力67mW)が入射される波長分割用光結合器(ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing coupler)２３と、光アイソレータ(ＯＩ：Optical Isolator )２４と、出力カプラ(Output Coupler、分岐比は、例えば、９０：１０（10dB）)２５と、偏波制御素子(ＰＣ：Polarization Contoroller)２６と、コリメータ２７と、バンドパスフィルタ(ＢＰＦ)２８とＡＯＭ２１を駆動する信号発生器（ＳＧ）２９と、を備える。
【００２４】
ＡＯＭ２１は一対のコリメータ２７の間に挿入されており、その回折効率を含む光結合効率は、例えば25％である。共振器一周回当りの周波数シフト量νFSは、ＡＯＭ２１の駆動周波数に等しく、例えば120MHzであり、共振器縦モード周波数1/τRTは、例えば9.38MHzである。これにより、周波数が変化する速さを表すチャープレートγ=νFS /τRTは1.13PHz/sとなる。
【００２５】
図５は、図４のＦＳＦレーザ３の発振スペクトルを光スペクトラムアナライザで観測した結果を示す図である。この例では、発振スペクトルの半値全幅より、周波数チャープ幅νBWは110GHzである。また、発振の中心波長は1.556μmである。
【００２６】
なお、周波数シフト素子としてＡＯＭの代わりに音響光学波長可変フィルタ(Acousto-Optic Tunable Filter：ＡＯＴＦ)を用いるようにしてもよい。ＡＯＴＦは、狭帯域な波長透過特性をもつ周波数シフト素子である。ＡＯＴＦにより、発振波長の電子同調が可能となるので、共振器内のＢＰＦが不要となり、装置構成の簡素化が可能となる。
【００２７】
つぎに、ＦＳＦレーザを用いたＰＭＤ測定について詳述する。
図６は、検波時の瞬時周波数成分を示す図である。ＦＳＦレーザ３からの周波数チャープ光が被測定光ファイバ１を伝搬し、さらに検光子２を透過した後に検波すると、遅延時間ｔoffsetに比例したビート信号（ｆBoffset：以下、オフセット周波数と呼ぶ）の両側に、ＰＭＤの遅延時間に依存するビート信号ｆB1，ｆB2が生じる。これら３つのビート信号ｆBoffset，ｆB1，ｆB2の信号強度は、光波の被測定光ファイバ１への入射角度ならびに検光子２の角度に依存する。
ここで、検波時におけるビート信号強度は以下の行列式で与えられる。
【００２８】
【数２】
【００２９】
図７は、オフセット回路における光波及び検光子の透過成分についての説明図である。図８は、光波の入射角度とビート強度との関係を示す図である。
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、（３）式および（４）式におけるαはオフセット回路７のpath2成分と被測定光ファイバ１の遅波軸とのなす角、βは検光子２と遅波軸とのなす角を表している。
【００３０】
（３）式の各行列成分は左からそれぞれ、検光子２、被測定光ファイバ１のＰＭＤτ、レーザ出力光の入射角度ならびにオフセット回路７の遅延時間toffsetの効果を示している。ここで、検光子２の角度が理想的にβ＝45degに設定されている場合、ビート周波数は（５）式で与えられる。
ｆB＝ｆBoffset＋cos２αγτ ・・・（５）
【００３１】
図８（ａ），（ｂ），（ｃ）は被測定光ファイバ１への光波の入射角度αとビート成分との関係を示す図である。α＝０degすなわちpath1成分と速波軸が一致している場合、全体の遅延時間はtoffset＋τ となるため、図８（ａ）に示すように、ビートスペクトルはオフセット周波数よりも高周波側(fB1)に生じる。
【００３２】
逆に、α=90degの場合はpath2成分と速波軸が一致し、全体の遅延時間はtoffset−τ となるため、図８（ｂ）に示すように、ビートスペクトルはオフセット周波数より低周波側(fB2)に生じる。
一方、αが０degと90degの中間付近では、図８（ｃ）に示すように、fB1およびfB2のそれぞれのビートスペクトルが存在するが、ＰＭＤが小さい場合は、２つのスペクトルが重なる。そこで、これらのスペクトルを、(4)式の理論式でフィッティングすることでビート周波数を求めている。
【００３３】
以上より、入射角度を変化させた際のビート周波数の変化量をΔｆBとすると、ＰＭＤ値τは以下の式で求められる。
ΔｆB＝（ｆB1−ｆB2）／２ ・・・（６）
τ＝ΔｆB／γ ・・・（７）
【００３４】
本実施の形態では、λ／２板８を用いて計測用光の偏光方向を制御し、その回転角度θをパラメータとしてビート信号の中心周波数を測定し、その結果のピーク・ツー・ピーク値ΔｆBよりＰＭＤ値が求められる。より詳細には、まず、検光子２を被測定光ファイバ１の速波軸及び遅波軸に対して４５度に設定する。そのためには、λ／２板８を180度ずつ回転させてビートスペクトル強度がフラットになる条件に固定することにより、設定することができる。つぎに、λ／２板８を半回転させて、ビート中心周波数のピーク・ツー・ピークの値を読み取る。この値が２ΔｆBとなるので、（７）式よりＰＭＤ値を求めることができる。
【００３５】
また、本実施の形態においては、周波数チャープ光が光ファイバ１を伝搬後、さらに検光子２を透過した後で検波し、ビート周波数の変化量を測定して（７）式によりＰＭＤ値を求めるため、簡易かつ高感度にＰＭＤ値を求めることができる。また、本実施の形態は、既設の光通信網におけるＰＭＤ測定も可能であり、測定系の構成が複雑になるおそれもない。
【００３６】
次に、本発明の偏波モード分散測定装置により測定した結果について説明する。まず、偏波面保存光ファイバ(ＰＭＦ)を用いた原理実証実験として、光ファイバ内部の複屈折性が高く、偏波モード結合の存在しないＰＭＦの測定結果を示す。
【００３７】
図９（ａ）はオフセット回路７を透過した後の光波の入射角度とビートスペクトル強度との関係を示す図、図９（ｂ）はオフセット回路７を透過した後の光波の入射角度とビート周波数との関係を示す図である。なお、各図は、検光子の角度βをパラメータとして測定したものであり、それぞれ実線は理論計算結果を表し、破線は測定結果を表している。
【００３８】
図９（ａ）の結果より、ビートスペクトル強度がほぼ一定の値になる状態は、検光子２の角度がβ＝45degに設定されている場合である。また、図９（ｂ）より、このときのビート周波数の変化量は２ΔｆB＝400Hzである。この結果から、ＰＭＤ値τは0.18ps(1.51ps/m)と求められた。
【００３９】
次に、実際に光通信に用いられる単一モード光ファイバ(ＳＭＦ)の測定結果を示す。ここでは、通常の光通信を想定し、光ファイバ内部で偏波モード結合が存在する場合として、単一モードファイバ(この例では、ファイバ長L=20km)を使用して、ＰＭＤ測定を行った結果を示す。
【００４０】
図１０（ａ）は入射角度とビートスペクトル強度との関係を示す図、図１０（ｂ）は入射角度とビート周波数との関係を示す図である。なお、実線は理論計算結果を示している。図１０（ａ）より、上述した原理実証実験結果と同様に、ビートスペクトル強度は入射角度によらず、ほぼ一定の強度を保つ状態が検光子２の角度βが45度の場合である。図１０（ｂ）より、ビート周波数の変化量は２ΔｆB=390Hzである。この結果から、この例では、ＰＭＤ値τは、0.17ps(0.04ps/√km)と求められた。
【００４１】
また、図１１は光ファイバ長とＰＭＤとの関係を示す図である。図示のように、ＰＭＤ値τが光ファイバ１長の平方根に比例して増大している様子がわかる。なお、ここで、今回のＰＭＤ測定における測定精度は、上述した(6)式よりビート周波数の読取精度に起因する。
【００４２】
図１２はビート周波数の読取精度を評価した結果を示す図である。同図の結果より、ＦＳＦレーザ３を用いたＰＭＤ測定精度は、ｄτ=±0.01psであることが求められる。測定精度は、レーザー出力光の周波数チャープ幅およびスペクトラムアナライザの読取精度に依存する。したがって、より高精度の測定を行うには、周波数チャープ幅を広帯域にし、かつ、周波数カウンタを用いてビート周波数の測定を行う必要がある。
【００４３】
つぎに、本発明の他の実施の形態を説明する。
図１３に、本発明に係る偏波モード分散測定装置の第２の実施の形態の全体構成を示すブロック図を示す。
この実施の形態では、上述の構成のほかに、駆動部１０１，１０２、制御部１０３、バンドパスフィルタ１１０、周波数カウンタ(Frequency Counter)１１１、パワーメータ(Power meter)１１２を備える。
【００４４】
ＰＭＤ測定を行う上で重要となる検光子の角度の最適条件は入射角度によらず、ビートスペクトル強度が一定の状態を保つ条件を満たせば良いことから、λ／２板８および検光子２をモーター等の駆動部１０１、１０２およびモータードライバ等の制御部１０３により自動制御することで、これまで手動でおこなってきた測定作業を全自動にすることが可能となる。
【００４５】
詳細には、まず、駆動部１０２を制御部１０３で制御して、検光子２を被測定光ファイバ１の速波軸及び遅波軸に対して４５度に設定する。そのためには、λ／２板８を180度ずつ回転させてビートスペクトル強度がフラットになる条件に固定することにより、設定することができる。つぎに、駆動部１０１を制御部１０３で制御して、λ／２板８を半回転させて、ビート中心周波数のピーク・ツー・ピークの値を読み取る。この値が微小変動量２ΔｆBとなるので、（１）式に代入することによりＰＭＤ値を求めることができる。
【００４６】
また、ビート周波数の測定には、現在使用しているＲＦスペクトルアナライザ(Real Time Spectrum Analyzer)の代わりに、周波数カウンタ１１１、パワーメータ１１２およびバンドパスフィルタ(BPF)１１０を用いることで、より簡素な装置構成が可能である。
【００４７】
以下に、チャープ光生成手段の他の実施の形態を示す。これらのチャープ光生成手段は、上述の測定装置におけるＦＳＦレーザ３に置換され得る構成である。
【００４８】
図１４に、チャープ光生成手段の他の実施の形態２の構成図を示す。図４における周波数チャープ素子として音響光学波長可変フィルタ（ＡＯＴＦ）２００を用い、ＢＰＦ２８を省略したものである。駆動信号源である信号発生器２９をＰＣ１４で制御することで、発振波長を電子制御できる。
【００４９】
図１５に、チャープ光生成手段の他の実施の形態３の構成図を示す。図４における周波数チャープ素子として、媒体に光ファイバを用いた全ファイバ構成の音響光学素子（All-fiber AOM）３００を用い、コリメータ２７を省略したものであるり、測定装置を全ファイバ構成にできる。
【００５０】
なお、周波数チャープ光源は、時間に対して発振周波数がシフトするような光源であれば、適宜のものを採用することができる。また、以上のべたように、被測定光ファイバ１の入射側で測定する場合のほかに、出口側に測定系を設けるようにしても良い。また、上述の実施の形態の全体構成において、挿入損失の低減のため、ビームスプリッタ９の代わりにサーキュレータを用いるようにしてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、周波数チャープ光が光ファイバを伝搬後、さらに検光子を透過した後で検波し、このとき得られる自己ビート信号に基づいて偏波モード分散を測定するため、簡易な構成で高感度に偏波モード分散を測定することができる。また、本発明によれば、ＰＭＤ値が小さい場合にも、発生するビート信号がＤＣ成分の中に埋もれることなく、偏波モード分散測定を十分可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る偏波モード分散測定装置のＰＭＤ測定原理を説明する図。
【図２】本発明に係る偏波モード分散測定装置の第１の実施形態の全体構成を示すブロック図。
【図３】ＦＳＦレーザ出力の瞬時周波数成分を模式的に表した図。
【図４】ＦＳＦレーザの詳細構成を示すブロック図。
【図５】図４のＦＳＦレーザの発振スペクトルを光スペクトラムアナライザで観測した結果を示す図。
【図６】検波時の瞬時周波数成分を示す図。
【図７】オフセット回路における光波及び検光子の透過成分についての説明図。
【図８】光波の入射角度とビート強度との関係を示す図。
【図９】（ａ）オフセット回路を透過した後の光波の入射角度とビートスペクトル強度との関係を示す図、及び、（ｂ）オフセット回路を透過した後の光波の入射角度とビート周波数との関係を示す図。
【図１０】（ａ）入射角度とビートスペクトル強度との関係を示す図、及び、（ｂ）入射角度とビート周波数との関係を示す図。
【図１１】光ファイバ長とＰＭＤとの関係を示す図。
【図１２】ビート周波数の読取精度を評価した結果を示す図。
【図１３】本発明に係る偏波モード分散測定装置の第２の実施形態の全体構成を示すブロック図。
【図１４】チャープ光生成手段の第２の実施の形態の構成図を示す。
【図１５】チャープ光生成手段の第３の実施の形態の構成図を示す。
【符号の説明】
１ 被測定光ファイバ（ＦＵＴ）
２ 検光子
３ ＦＳＦレーザ(ＦＳＦＬ)
４ 偏波制御素子(P.C.)
５ 光増幅器（ＡＭＰ）
６ａ，６ｂ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
７ オフセット回路
８ λ／２板
９ ビームスプリッタ（ＢＳ）
１０ レンズ
１１ 光検出器（ＰＤ）
１２ ＲＦスペクトルアナライザ(ＲＦＳＡ)
１４ コンピュータ（ＰＣ）
２１ 音響光学素子（ＡＯＭ）
２２ エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）
２３ 波長分割用光結合器（ＷＤＭ）
２４ 光アイソレータ（ＯＩ）
２５ 出力カプラ
２６ 偏波制御素子（ＰＣ）
２７ コリメータ
２８ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
２９ 信号発生器（ＳＧ）
１０１ モーター１
１０２ モーター２
１０３ モーター駆動装置
１１０ バンドパスフィルタ
１１１ 周波数カウンタ(Frequency Counter)
１１２ パワーメータ(Power meter)
２００ 音響光学波長可変フィルタ（ＡＯＴＦ）
３００ 全ファイバ構成音響光学素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送用ファイバの分散特性のうち、特に偏波モード分散を測定する偏波モード分散測定装置および偏波モード分散測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
長距離光通信の分野では、伝送速度の高速化に伴なって、光伝送用ファイバの分散特性の管理が重要な課題になっている。分散の要因の一つに偏波モード分散(ＰＭＤ：Polarization Mode Dispersion)があり、これは直交する２つの偏波モード間の群遅延によるものである。
通常の光通信で用いられる光ファイバは、熱、張力、圧力といった様々な外部応力によりコア径が理想的な円形から崩れ、コア内部に複屈折性が存在し、ＰＭＤが生じる。ＰＭＤは高速光通信において伝送容量制限の要因になるため、ＰＭＤの管理の必要性が近年高まってきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＰＭＤ測定には、大きく分けて時間領域による測定と、周波数領域による測定方法があり、前者には干渉法、後者には固定アナライザ法およびポラリメトリック法(ポアンカレ球法、ジョーンズマトリクス（ＪＭＥ）法、ＳＯＰ(State of Polarization)法等がある。しかし、これらの測定方法では、被測定光ファイバの出力端に光検出系を配置する必要があるため、既設の光通信網での測定は困難であり、さらに測定系も複雑になる傾向がある。
【０００４】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な手法で高感度にＰＭＤ測定を行うことが可能な偏波モード分散測定装置および偏波モード分散測定方法を提供することにある。また、本発明は、ＰＭＤ値が小さい場合にも、発生するビート信号がＤＣ成分の中に埋もれることなく、偏波モード分散測定を十分可能とすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の第１の解決手段によると、
周波数が時間に比例して変化する周波数チャープ光を生成するチャープ光生成手段と、
前記チャープ光生成手段により生成された周波数チャープ光に対して、直交する２つの直線偏光成分に分岐して、両直線偏光成分に光路差を与えるオフセット手段と、
前記オフセット手段からの周波数チャープ光の直線偏光方向を所定の角度回転させる波長板と、
前記波長板を通過した周波数チャープ光が被測定光ファイバに伝搬した後に、測定に必要な偏光成分を透過する検光子と、
前記検光子を透過した光波を検波し、検波された光波のビート信号に基づいて、被測定光ファイバの偏波モード分散値を検出する検波手段と
を備えた偏波モード分散測定装置を提供する。
【０００６】
また、本発明の第２の解決手段によると、
周波数が時間に比例して変化する周波数チャープ光を生成するステップと、
生成された周波数チャープ光に対して、直交する２つの直線偏光成分に分岐して、両直線偏光成分に光路差を与えるステップと、
周波数チャープ光の直線偏光方向を所定の角度回転させるステップと、
光路差を与えられた周波数チャープ光を被測定光ファイバに伝搬するステップと、
周波数チャープ光が被測定光ファイバに伝搬した後に、測定に必要な偏光成分を透過するステップと、
透過した後の光波を検波し、検波された光波のビート信号に基づいて、被測定光ファイバの偏波モード分散値を検出するステップと
を備えた偏波モード分散測定方法を提供する。
【０００７】
また、本発明では、偏波モード分散により生ずる被測定光ファイバの速波軸および遅波軸を伝搬する各光波間の群遅延時間を、各光波間で生ずるビート信号の周波数より算出するため、感度よく偏波モード分散を算出できる。また、本発明では、被測定光ファイバの速波軸および遅波軸に対して略４５度の角度に設定した検光子を設けるため、速波軸および遅波軸を伝搬する各光波から測定に必要な偏光成分を取り出すことができる。
【０００８】
また、本発明では、ドップラー効果により周波数シフトされた１次回折光を帰還させて周波数チャープ光を生成することで、線形性に優れた周波数チャープ光を生成できる。また、本発明では、所定の利得媒質、所定の励起光源、波長分割用光結合器、出力カプラ、偏波制御素子、光アイソレータ、および周波数シフト素子をリング状に接続したリング共振器により周波数チャープ光を生成することで、リング共振器一周回ごとに、所定の周波数幅だけ高感度に周波数をシフトさせることができる。
【０００９】
また、本発明では、オフセット手段で光路差を与えた２つの光波のビート周波数の変動量に基づいて偏波モード分散値を検出するため、簡易かつ高感度に偏波モード分散値を検出できる。また、本発明では、オフセット手段を透過した後の光波の入射角度によりビートスペクトル波形が異なることを考慮に入れ、入射角度に対するビートスペクトル強度に基づいてビート周波数の変化量を測定することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る偏波モード分散測定装置および偏波モード分散測定方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１１】
本発明は、特に光周波数領域リフレクトメトリ(ＯＦＤＲ：Optical Frequency Domain Reflectometry)を用いてＰＭＤ測定を行うようにした。具体的には、主に、ＰＭＤによって生じる伝搬時間の偏波状態依存性をビート周波数より求めるものである。光源には、本出願人が開発した周波数シフト帰還型レーザ(ＦＳＦレーザ：Frequency-Shifted Feedback laser)を使用し、被測定光ファイバの片側端面のみでＰＭＤ測定が可能でかつ簡便な偏波モード分散測定装置を用いるようにした。以下、本発明に係る偏波モード分散測定装置及びその方法について詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係る偏波モード分散測定装置のＰＭＤ測定原理を説明する図であり、図１（ａ）は、光ファイバ１内を伝搬する光波の瞬時周波数成分を模式的に示し、図１（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、光ファイバ１内に入射する周波数チャープ光の瞬時周波数、及び、光ファイバ１内に伝播する周波数チャープ光の瞬時周波数を示している。ここで、周波数チャープ光とは、周波数が時間に応じて変化する光波をいう。
【００１３】
光ファイバ１がＰＭＤをもつ場合には、光ファイバ１の速波軸および遅波軸を伝搬する各光波間に伝搬時間差が生じ、光ファイバ１の伝搬後には図１（ｃ）のような特性になる。これら２つの光波は互いに直交しているので、これら光波から測定に必要な偏光成分を取り出すために、被測定光ファイバ（ＦＵＴ）１の出射側に、速波軸および遅波軸に対して45度（又は略45度）の角度に設定した検光子２を配置し、周波数チャープ光が被測定光ファイバ１を伝搬後に、さらに検光子２を透過した後の光波を検波する。このときに得られる自己ビート信号により、ＰＭＤ値を検出することができる。
【００１４】
このようなＰＭＤ値の測定手法では、周波数チャープ光源の線形性が重要であり、線形性に優れたＦＳＦレーザを使用することで、高精度のＰＭＤ測定が可能となる。
ここで、周波数チャープ光のチャープレートをγ、ＯＦＤＲにより生じるビート周波数をｆBとするとき、ＰＭＤ値τは（１）式で与えられる。
τ＝ｆB／γ （１）
ここで、γ＝νFS /τRT
（τRTは共振器の周回時間、νFSは共振器の周回当たりの周波数シフト量）
【００１５】
図２は、本発明に係る偏波モード分散測定装置の一実施形態の全体構成を示すブロック図である。同図の偏波モード分散測定装置は、周波数チャープ光を生成するＦＳＦレーザ(ＦＳＦＬ：チャープ光生成手段)３と、偏波制御素子(P.C.：Polarization Contoroller)４と、周波数チャープ光を増幅する光増幅器（ＡＭＰ）５と、周波数チャープ光の直交する２つの直線偏光成分に光路差を与える二個の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６ａ及び６ｂをもつマッハツェンダー干渉計等により構成されるオフセット回路（オフセット手段）７と、λ／２板８と、光路を切り替えるビームスプリッタ（ＢＳ）９と、被測定光ファイバ１の速波軸および遅波軸に対して所定の角度を有し、被測定光ファイバ１を伝搬後の各光波が透過して、測定に必要な偏光成分を取り出すようにした検光子２と、検光子２を透過した光波を集束させるレンズ１０と、レンズ１０を透過した光波を検出する光検出器（ＰＤ）１１と、光波のスペクトル波形を観測するＲＦスペクトルアナライザ(ＲＦＳＡ：検波手段)１２と、ＲＦＳＡ１２の観測結果に基づいてＰＭＤを検出するコンピュータ（ＰＣ）１４とを備えている。なお、被測定光ファイバ１の出口端（ＢＳ９と反対側の端子）又はその近傍には、反射鏡を設けるようにしてもよい。
【００１６】
このような構成において、光源であるＦＳＦレーザ３から出力された周波数チャープ光（測定光）は、偏波制御素子４、ＡＭＰ５を経て、オフセット回路７に入射される。オフセット回路７では、ＰＢＳ６ａにより、ＦＳＦレーザ３からの周波数チャープ光のうち互いに直交する直線偏光のうち１方向の直線偏光光はＰＢＳ６ａを直進させ、他方向の直線偏光光は反射させることで、直交する２つの直線偏光成分に分岐するとともに、両者に光路差を与える。このような光路差を与えた２つの光波を、オフセット回路７内のもう一方のＰＢＳ６ｂにより再び結合させた後、λ／２板８により各直線偏光成分の偏光方向が所定の偏光角度となり、被測定光ファイバ１に入射される。被測定光ファイバの出口端又は出口近傍に設けられた鏡等で反射され、その反射光は、被測定光ファイバ１の入射端から出射され、ＢＳ９を経て、検光子２を透過することにより測定に必要な偏光成分が取り出されPD11により受光され、各直線偏光成分間におけるビート信号を受信する。受信されたビート信号により、ＰＭＤ値が算出される（詳細は後述）。
【００１７】
ここで、周波数チャープ光を発生するためのＦＳＦレーザ３について詳説する。
図２におけるＦＳＦレーザ３は、共振器内部に周波数シフト素子である音響光学変調器(ＡＯＭ：Acoust-Optic Modulator)を挿入し、ドップラー効果によって周波数シフトされた1次回折光を帰還させて発振するレーザである。
【００１８】
本出願人は、ＦＳＦレーザ３の出力の瞬時周波数成分が時間とともにチャープする複数の成分(チャープ周波数コム)からなることを理論的・実験的に解明している。このような共振器では、定在波は存在できず、その瞬時周波数νｉ（ｔ）は（２）式で与えられる。
【００１９】
【数１】
（２）式において、ここで、τＲＴは共振器の周回時間（１／τＲＴは共振器の縦モード周波数）、νＦＳは共振器の周回当たりの周波数シフト量、ｑは整数である。
【００２１】
ＦＳＦレーザ３で用いられる周波数シフト帰還型の共振器では、ある瞬間に許される瞬時周波数は共振器縦モード周波数（1/τRT）間隔毎に存在し、かつそれぞれの瞬時周波数成分（周波数コム成分）は、共振器周回当りの周波数シフト量に等しい割合（γ＝νFS /τRT）で連続に周波数チャープを受けている。また、周波数チャープ幅νBWは利得媒質のスペクトル形状によりある一定の幅に制限され、各周波数成分は利得のスペクトル形状に従って強度変化しながら周波数チャープする。
【００２２】
図３は、ＦＳＦレーザ３の出力の瞬時周波数成分を模式的に表した図である。図中グレー階調はその強度変化を示している。また、チャープレートγは、νFS
/τRTとなっている。
【００２３】
図４は、ＦＳＦレーザ３の詳細構成を示すブロック図である。ＦＳＦレーザ１は、周波数シフト素子であるＡＯＭ(伝搬媒質は、例えば、TeO2)２１を用いて、リング状のレーザ共振器を構成している。このレーザ共振器内には、光ファイバとの整合性に優れたエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ：例えば、Er3+ドープ量900ppm、ファイバ長15m）２２と、励起光源である半導体レーザ(ＬＤ:例えば、1.48μm帯、最大励起電力67mW)が入射される波長分割用光結合器(ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing coupler)２３と、光アイソレータ(ＯＩ：Optical Isolator )２４と、出力カプラ(Output Coupler、分岐比は、例えば、９０：１０（10dB）)２５と、偏波制御素子(ＰＣ：Polarization Contoroller)２６と、コリメータ２７と、バンドパスフィルタ(ＢＰＦ)２８とＡＯＭ２１を駆動する信号発生器（ＳＧ）２９と、を備える。
【００２４】
ＡＯＭ２１は一対のコリメータ２７の間に挿入されており、その回折効率を含む光結合効率は、例えば25％である。共振器一周回当りの周波数シフト量νFSは、ＡＯＭ２１の駆動周波数に等しく、例えば120MHzであり、共振器縦モード周波数1/τRTは、例えば9.38MHzである。これにより、周波数が変化する速さを表すチャープレートγ=νFS /τRTは1.13PHz/sとなる。
【００２５】
図５は、図４のＦＳＦレーザ３の発振スペクトルを光スペクトラムアナライザで観測した結果を示す図である。この例では、発振スペクトルの半値全幅より、周波数チャープ幅νBWは110GHzである。また、発振の中心波長は1.556μmである。
【００２６】
なお、周波数シフト素子としてＡＯＭの代わりに音響光学波長可変フィルタ(Acousto-Optic Tunable Filter：ＡＯＴＦ)を用いるようにしてもよい。ＡＯＴＦは、狭帯域な波長透過特性をもつ周波数シフト素子である。ＡＯＴＦにより、発振波長の電子同調が可能となるので、共振器内のＢＰＦが不要となり、装置構成の簡素化が可能となる。
【００２７】
つぎに、ＦＳＦレーザを用いたＰＭＤ測定について詳述する。
図６は、検波時の瞬時周波数成分を示す図である。ＦＳＦレーザ３からの周波数チャープ光が被測定光ファイバ１を伝搬し、さらに検光子２を透過した後に検波すると、遅延時間ｔoffsetに比例したビート信号（ｆBoffset：以下、オフセット周波数と呼ぶ）の両側に、ＰＭＤの遅延時間に依存するビート信号ｆB1，ｆB2が生じる。これら３つのビート信号ｆBoffset，ｆB1，ｆB2の信号強度は、光波の被測定光ファイバ１への入射角度ならびに検光子２の角度に依存する。
ここで、検波時におけるビート信号強度は以下の行列式で与えられる。
【００２８】
【数２】
図７は、オフセット回路における光波及び検光子の透過成分についての説明図である。図８は、光波の入射角度とビート強度との関係を示す図である。
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、（３）式および（４）式におけるαはオフセット回路７のpath2成分と被測定光ファイバ１の遅波軸とのなす角、βは検光子２と遅波軸とのなす角を表している。
【００３０】
（３）式の各行列成分は左からそれぞれ、検光子２、被測定光ファイバ１のＰＭＤτ、レーザ出力光の入射角度ならびにオフセット回路７の遅延時間toffsetの効果を示している。ここで、検光子２の角度が理想的にβ＝45degに設定されている場合、ビート周波数は（５）式で与えられる。
ｆB＝ｆBoffset＋cos２αγτ ・・・（５）
【００３１】
図８（ａ），（ｂ），（ｃ）は被測定光ファイバ１への光波の入射角度αとビート成分との関係を示す図である。α＝０degすなわちpath1成分と速波軸が一致している場合、全体の遅延時間はtoffset＋τ となるため、図８（ａ）に示すように、ビートスペクトルはオフセット周波数よりも高周波側(fB1)に生じる。
【００３２】
逆に、α=90degの場合はpath2成分と速波軸が一致し、全体の遅延時間はtoffset−τ となるため、図８（ｂ）に示すように、ビートスペクトルはオフセット周波数より低周波側(fB2)に生じる。
一方、αが０degと90degの中間付近では、図８（ｃ）に示すように、fB1およびfB2のそれぞれのビートスペクトルが存在するが、ＰＭＤが小さい場合は、２つのスペクトルが重なる。そこで、これらのスペクトルを、(4)式の理論式でフィッティングすることでビート周波数を求めている。
【００３３】
以上より、入射角度を変化させた際のビート周波数の変化量をΔｆBとすると、ＰＭＤ値τは以下の式で求められる。
ΔｆB＝（ｆB1−ｆB2）／２ ・・・（６）
τ＝ΔｆB／γ ・・・（７）
【００３４】
本実施の形態では、λ／２板８を用いて計測用光の偏光方向を制御し、その回転角度θをパラメータとしてビート信号の中心周波数を測定し、その結果のピーク・ツー・ピーク値ΔｆBよりＰＭＤ値が求められる。より詳細には、まず、検光子２を被測定光ファイバ１の速波軸及び遅波軸に対して４５度に設定する。そのためには、λ／２板８を180度ずつ回転させてビートスペクトル強度がフラットになる条件に固定することにより、設定することができる。つぎに、λ／２板８を半回転させて、ビート中心周波数のピーク・ツー・ピークの値を読み取る。この値が２ΔｆBとなるので、（７）式よりＰＭＤ値を求めることができる。
【００３５】
また、本実施の形態においては、周波数チャープ光が光ファイバ１を伝搬後、さらに検光子２を透過した後で検波し、ビート周波数の変化量を測定して（７）式によりＰＭＤ値を求めるため、簡易かつ高感度にＰＭＤ値を求めることができる。また、本実施の形態は、既設の光通信網におけるＰＭＤ測定も可能であり、測定系の構成が複雑になるおそれもない。
【００３６】
次に、本発明の偏波モード分散測定装置により測定した結果について説明する。まず、偏波面保存光ファイバ(ＰＭＦ)を用いた原理実証実験として、光ファイバ内部の複屈折性が高く、偏波モード結合の存在しないＰＭＦの測定結果を示す。
【００３７】
図９（ａ）はオフセット回路７を透過した後の光波の入射角度とビートスペクトル強度との関係を示す図、図９（ｂ）はオフセット回路７を透過した後の光波の入射角度とビート周波数との関係を示す図である。なお、各図は、検光子の角度βをパラメータとして測定したものであり、それぞれ実線は理論計算結果を表し、破線は測定結果を表している。
【００３８】
図９（ａ）の結果より、ビートスペクトル強度がほぼ一定の値になる状態は、検光子２の角度がβ＝45degに設定されている場合である。また、図９（ｂ）より、このときのビート周波数の変化量は２ΔｆB＝400Hzである。この結果から、ＰＭＤ値τは0.18ps(1.51ps/m)と求められた。
【００３９】
次に、実際に光通信に用いられる単一モード光ファイバ(ＳＭＦ)の測定結果を示す。ここでは、通常の光通信を想定し、光ファイバ内部で偏波モード結合が存在する場合として、単一モードファイバ(この例では、ファイバ長L=20km)を使用して、ＰＭＤ測定を行った結果を示す。
【００４０】
図１０（ａ）は入射角度とビートスペクトル強度との関係を示す図、図１０（ｂ）は入射角度とビート周波数との関係を示す図である。なお、実線は理論計算結果を示している。図１０（ａ）より、上述した原理実証実験結果と同様に、ビートスペクトル強度は入射角度によらず、ほぼ一定の強度を保つ状態が検光子２の角度βが45度の場合である。図１０（ｂ）より、ビート周波数の変化量は２ΔｆB=390Hzである。この結果から、この例では、ＰＭＤ値τは、0.17ps(0.04ps/√km)と求められた。
【００４１】
また、図１１は光ファイバ長とＰＭＤとの関係を示す図である。図示のように、ＰＭＤ値τが光ファイバ１長の平方根に比例して増大している様子がわかる。なお、ここで、今回のＰＭＤ測定における測定精度は、上述した(6)式よりビート周波数の読取精度に起因する。
【００４２】
図１２はビート周波数の読取精度を評価した結果を示す図である。同図の結果より、ＦＳＦレーザ３を用いたＰＭＤ測定精度は、ｄτ=±0.01psであることが求められる。測定精度は、レーザー出力光の周波数チャープ幅およびスペクトラムアナライザの読取精度に依存する。したがって、より高精度の測定を行うには、周波数チャープ幅を広帯域にし、かつ、周波数カウンタを用いてビート周波数の測定を行う必要がある。
【００４３】
つぎに、本発明の他の実施の形態を説明する。
図１３に、本発明に係る偏波モード分散測定装置の第２の実施の形態の全体構成を示すブロック図を示す。
この実施の形態では、上述の構成のほかに、駆動部１０１，１０２、制御部１０３、バンドパスフィルタ１１０、周波数カウンタ(Frequency Counter)１１１、パワーメータ(Power meter)１１２を備える。
【００４４】
ＰＭＤ測定を行う上で重要となる検光子の角度の最適条件は入射角度によらず、ビートスペクトル強度が一定の状態を保つ条件を満たせば良いことから、λ／２板８および検光子２をモーター等の駆動部１０１、１０２およびモータードライバ等の制御部１０３により自動制御することで、これまで手動でおこなってきた測定作業を全自動にすることが可能となる。
【００４５】
詳細には、まず、駆動部１０２を制御部１０３で制御して、検光子２を被測定光ファイバ１の速波軸及び遅波軸に対して４５度に設定する。そのためには、λ／２板８を180度ずつ回転させてビートスペクトル強度がフラットになる条件に固定することにより、設定することができる。つぎに、駆動部１０１を制御部１０３で制御して、λ／２板８を半回転させて、ビート中心周波数のピーク・ツー・ピークの値を読み取る。この値が微小変動量２ΔｆBとなるので、（１）式に代入することによりＰＭＤ値を求めることができる。
【００４６】
また、ビート周波数の測定には、現在使用しているＲＦスペクトルアナライザ(Real Time Spectrum Analyzer)の代わりに、周波数カウンタ１１１、パワーメータ１１２およびバンドパスフィルタ(BPF)１１０を用いることで、より簡素な装置構成が可能である。
【００４７】
以下に、チャープ光生成手段の他の実施の形態を示す。これらのチャープ光生成手段は、上述の測定装置におけるＦＳＦレーザ３に置換され得る構成である。
【００４８】
図１４に、チャープ光生成手段の他の実施の形態２の構成図を示す。図４における周波数チャープ素子として音響光学波長可変フィルタ（ＡＯＴＦ）２００を用い、ＢＰＦ２８を省略したものである。駆動信号源である信号発生器２９をＰＣ１４で制御することで、発振波長を電子制御できる。
【００４９】
図１５に、チャープ光生成手段の他の実施の形態３の構成図を示す。図４における周波数チャープ素子として、媒体に光ファイバを用いた全ファイバ構成の音響光学素子（All-fiber AOM）３００を用い、コリメータ２７を省略したものであるり、測定装置を全ファイバ構成にできる。
【００５０】
なお、周波数チャープ光源は、時間に対して発振周波数がシフトするような光源であれば、適宜のものを採用することができる。また、以上のべたように、被測定光ファイバ１の入射側で測定する場合のほかに、出口側に測定系を設けるようにしても良い。また、上述の実施の形態の全体構成において、挿入損失の低減のため、ビームスプリッタ９の代わりにサーキュレータを用いるようにしてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、周波数チャープ光が光ファイバを伝搬後、さらに検光子を透過した後で検波し、このとき得られる自己ビート信号に基づいて偏波モード分散を測定するため、簡易な構成で高感度に偏波モード分散を測定することができる。また、本発明によれば、ＰＭＤ値が小さい場合にも、発生するビート信号がＤＣ成分の中に埋もれることなく、偏波モード分散測定を十分可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る偏波モード分散測定装置のＰＭＤ測定原理を説明する図。
【図２】本発明に係る偏波モード分散測定装置の第１の実施形態の全体構成を示すブロック図。
【図３】ＦＳＦレーザ出力の瞬時周波数成分を模式的に表した図。
【図４】ＦＳＦレーザの詳細構成を示すブロック図。
【図５】図４のＦＳＦレーザの発振スペクトルを光スペクトラムアナライザで観測した結果を示す図。
【図６】検波時の瞬時周波数成分を示す図。
【図７】オフセット回路における光波及び検光子の透過成分についての説明図。
【図８】光波の入射角度とビート強度との関係を示す図。
【図９】（ａ）オフセット回路を透過した後の光波の入射角度とビートスペクトル強度との関係を示す図、及び、（ｂ）オフセット回路を透過した後の光波の入射角度とビート周波数との関係を示す図。
【図１０】（ａ）入射角度とビートスペクトル強度との関係を示す図、及び、（ｂ）入射角度とビート周波数との関係を示す図。
【図１１】光ファイバ長とＰＭＤとの関係を示す図。
【図１２】ビート周波数の読取精度を評価した結果を示す図。
【図１３】本発明に係る偏波モード分散測定装置の第２の実施形態の全体構成を示すブロック図。
【図１４】チャープ光生成手段の第２の実施の形態の構成図を示す。
【図１５】チャープ光生成手段の第３の実施の形態の構成図を示す。
【符号の説明】
１ 被測定光ファイバ（ＦＵＴ）
２ 検光子
３ ＦＳＦレーザ(ＦＳＦＬ)
４ 偏波制御素子(P.C.)
５ 光増幅器（ＡＭＰ）
６ａ，６ｂ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
７ オフセット回路
８ λ／２板
９ ビームスプリッタ（ＢＳ）
１０ レンズ
１１ 光検出器（ＰＤ）
１２ ＲＦスペクトルアナライザ(ＲＦＳＡ)
１４ コンピュータ（ＰＣ）
２１ 音響光学素子（ＡＯＭ）
２２ エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）
２３ 波長分割用光結合器（ＷＤＭ）
２４ 光アイソレータ（ＯＩ）
２５ 出力カプラ
２６ 偏波制御素子（ＰＣ）
２７ コリメータ
２８ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
２９ 信号発生器（ＳＧ）
１０１ モーター１
１０２ モーター２
１０３ モーター駆動装置
１１０ バンドパスフィルタ
１１１ 周波数カウンタ(Frequency Counter)
１１２ パワーメータ(Power meter)
２００ 音響光学波長可変フィルタ（ＡＯＴＦ）
３００ 全ファイバ構成音響光学素子
Claims (8)
- 周波数が時間に比例して変化する周波数チャープ光を生成するチャープ光生成手段と、
前記チャープ光生成手段により生成された周波数チャープ光に対して、直交する２つの直線偏光成分に分岐して、両直線偏光成分に光路差を与えて再び結合するオフセット手段と、
前記オフセット手段からの周波数チャープ光の直線偏光方向を所定の角度回転させる波長板と、
被測定光ファイバの入射端に設けられたビームスプリッタと、
前記波長板及び前記ビームスプリッタを通過した周波数チャープ光が被測定光ファイバの前記入射端に入射されて伝搬し、出口端又は出口近傍で反射されて前記被測定光ファイバを伝搬した後に前記入射端から出射された光波を、前記ビームスプリッタを介して入射し、測定に必要な偏光成分を透過する検光子と、
前記検光子を透過した光波を検波し、スペクトル波形を測定する検波手段と、
前記検光子及び前記波長板の回転角度を制御する駆動部と、
前記駆動部を制御し、前記検波手段からの出力により偏波モード分散値τを求めるコンピュータと
を備え、
前記検光子の被測定光ファイバの速波軸又は遅波軸に対する角度を固定し、
前記波長板の回転角度をパラメータとして変化させたときのビート信号の中心周波数を測定し、
測定されたビート中心周波数のピーク・ツー・ピーク値 ２Δｆ Ｂ を求め、偏波モード分散値τを、
τ＝Δｆ Ｂ ／γ、
γ＝ν ＦＳ ／τ ＲＴ
（τ ＲＴ は共振器の周回時間、ν ＦＳ は共振器の周回当たりの周波数シフト量）
により算出するようにした
偏波モード分散測定装置。 - 前記検光子は、
被測定光ファイバの速波軸および遅波軸に対して略４５度の角度となるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の偏波モード分散測定装置。 - 前記チャープ光生成手段は、
周波数をシフトするための周波数シフト素子を有し、周波数シフトされた回折光を帰還させて周波数チャープ光を生成することを特徴とする請求項１又は２に記載の偏波モード分散測定装置。 - 前記チャープ光生成手段は、
バンドパスフィルタをさらに備え、
周波数チャープ光の発振波長を同調させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の偏波モード分散測定装置。 - 前記チャープ光生成手段は、
周波数シフト素子として音響光学波長可変フィルタを用い、その駆動周波数により発振波長を同調させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の偏波モード分散測定装置。 - 前記チャープ光生成手段は、
周波数シフト素子として媒体に光ファイバを用いた全ファイバ構成の音響光学素子を用い、測定装置を全ファイバ構成にできることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の偏波モード分散測定装置。 - 前記チャープ光生成手段は、
時間に対して発振周波数がシフトするような光源を備えるようにしたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の偏波モード分散測定装置。 - 周波数が時間に比例して変化する周波数チャープ光を生成するステップと、
生成された周波数チャープ光に対して、直交する２つの直線偏光成分に分岐して、両直線偏光成分に光路差を与えて再び結合するステップと、
周波数チャープ光の直線偏光方向を所定の角度回転させるステップと、
光路差を与えられた周波数チャープ光を被測定光ファイバに伝搬するステップと、
周波数チャープ光が前記被測定光ファイバの入射端に入射されて伝搬し、出口端又は出口近傍で反射されて前記被測定光ファイバを伝搬した後に前記入射端から出射された光波を入射し、測定に必要な偏光成分を透過するステップと、
透過した後の光波を検波し、スペクトル波形を測定するステップと
を含み、
さらに、
前記被測定光ファイバの前記入射端から出射された光波から、測定に必要な偏光成分を透過するように、被測定光ファイバの速波軸又は遅波軸に対する角度を固定するステップと、
前記被測定光ファイバに入射される直線偏光方向を所定の角度回転させ、その回転角度をパラメータとして変化させたときのビート信号の中心周波数を測定するステップと、
測定されたビート中心周波数のピーク・ツー・ピーク値 ２Δｆ Ｂ を求め、偏波モード分散値τを、
τ＝Δｆ Ｂ ／γ、
γ＝ν ＦＳ ／τ ＲＴ
（τ ＲＴ は共振器の周回時間、ν ＦＳ は共振器の周回当たりの周波数シフト量）
により算出するステップと
を含む偏波モード分散測定方法。
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