JP4383200B2

JP4383200B2 - 群遅延時間差測定方法及び装置

Info

Publication number: JP4383200B2
Application number: JP2004039546A
Authority: JP
Inventors: 嘉規井上; 晃充中園; 宣柴田; 博坪谷
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2024-02-17
Also published as: JP2005233646A

Description

この発明は、測定対象物である光ファイバの群遅延時間差を測定する群遅延時間差測定方法及び装置に関するものである。

光ファイバにおいては、コアの楕円化や偏芯によって、複屈折を発生させる原因となる非軸対称性が生じる。これにより、複屈折軸（遅相軸と進相軸）が生じ、各複屈折軸に対する伝搬定数が異なる。そのため、複屈折軸に沿って移動する光パルスに群遅延時間差が生じる。群遅延時間差から求まる偏波モード分散はパルスの広がりを定量的に表す量であり、伝送特性に大きな影響を与える。そのため、群遅延時間差を高精度で測定し偏波分散を求める必要がある。

従来の群遅延時間差測定方法では、光源出力光を偏光子により直線偏波状態とした上で、上記２軸に対して均等な角度、例えば複屈折軸が直交する場合には４５度の所定の角度で測定対象物の光入口（光ファイバ一端）に入射する。測定対象物の光出口（光ファイバ他端）からの射出光を検光子で任意の偏光面について透過させ、その透過光の波長に対する強度を任意の波長毎に光検出器で測定する。光源としてＥＤＦＡ（Ｅｒ（エルビウム）ドープトファイバアンプ）、ＬＥＤなどの広帯域光源や半導体レーザが用いられている。（特許文献１参照。）

この種の測定方法では、１回の測定によって得られる測定ポイント数が光源の光スペクトル帯域幅によって決まる。したがって、光スペクトル幅の広い光を発生する上述した広帯域光源を使用した場合には、１回の測定によっ多数の測定ポイントでの測定は可能であるが、光源の出力レベルが小さいため、光ファイバ長が大きい場合には偏波モード分散の波長依存性の測定精度が低く成らざるをえない。

これに対し、出力レベルは大きいが、光スペクトル幅の狭い光を発生する狭帯域光源を使用した場合には、測定対象の波長毎に光源を用意し、波長に対して断続的に測定することが行われるので、広い波長領域に対しての測定を行おうとした場合には波長帯域の異なる光源が複数必要となる。このため波長毎に測定条件が異なったものとなるという問題がある。また、光源の数に比例して測定回数も増えることにもなる。

そこで、広波長領域に対して、一度で群遅延時間差を測定することが可能な方法及び装置が求められている。
特開平６−３４４４６号公報

よって、本発明は、上述した現状に鑑み、広波長領域に対して、光ファイバの偏波モード分散である群遅延時間差を一度で測定することが可能な群遅延時間差測定方法及び装置を提供することを課題としている。

上記第１の課題を解決するためなされた請求項１記載の発明は、偏波面を任意の方向に調整したレーザ光を測定対象物である光ファイバに対し入射させ、該レーザ光の入射によって前記光ファイバから出射される出射光を任意の偏波面について透過させ、該透過した光の波長に対する強度の隣り合う極値の間隔を求め、該求めた間隔に基づいて光ファイバの偏波モード分散である群遅延時間差を測定する群遅延時間差測定方法において、前記レーザ光として短パルスレーザ光を使用し、前記光ファイバが有する非線形光学効果により、前記短パルスレーザの入射によって前記光ファイバ内に発生する広帯域光を前記出射光として出射させるようにしたことを特徴とする群遅延時間差測定方法に存する。

請求項２記載の発明は、レーザ光を発生するレーザと、該レーザが発生するレーザ光の偏波面を調整する偏光制御素子とを有し、該偏光制御素子によって偏波面を任意の方向に調整したレーザ光を出力して測定対象物である光ファイバに入射する光源と、前記レーザ光の入射によって前記である光ファイバから出射される出射光を任意の偏波面について透過させる検光子と、該検光子を透過した光の波長に対する強度を任意の波長毎に測定する光検出器とを備え、前記光検出器により測定した前記強度の隣り合う極値の間隔に基づいて光ファイバの偏波モード分散である群遅延時間差を測定する群遅延時間差測定装置において、前記光源が有するレーザが短パルスレーザ光を発生する短パルスレーザであり、前記光ファイバに対する前記短パルスレーザ光の入射によって当該光ファイバが有する非線形光学効果により当該光ファイバ内に発生する広帯域光を前記出射光として出射させることを特徴とする群遅延時間差測定装置に存する。

請求項１記載の方法によれば、レーザ光として短パルスレーザ光を使用し、測定対象物である光ファイバが有する非線形光学効果により、短パルスレーザの入射によって光ファイバ内に発生する広帯域光を出射光として出射させ、光ファイバから出射される出射光を任意の偏波面について透過させ、該透過した光の波長に対する強度の隣り合う極値の間隔を求め、該求めた間隔に基づいて光ファイバの偏波モード分散である群遅延時間差を測定しているので、光ファイバが非線形光学効果を有するものである場合、光ファイバに入射するレーザ光を発生する光源に狭スペクトル幅のレーザ光を発生するレーザを用いても、一回の測定で広波長領域にわたり高精度の群遅延時間差の測定を行うことができる。

請求項２記載の装置によれば、光源が有する短パルスレーザが発生する短パルスレーザ光をその偏波面を偏光制御素子によって任意の方向に調整して測定対象物に入射し、測定対象物に対する短パルスレーザ光の入射によって測定対象物である光ファイバが有する非線形光学効果により当光ファイバ内に発生し出射される広帯域光を検光子によって任意の偏波面について透過させ、該透過した光の波長に対する強度を光検出器によって任意の波長毎に測定し、光ファイバの非線形光学効果により光ファイバ内に発生して光ファイバを伝搬した広帯域光について測定した光の波長に対する強度の隣り合う極値の間隔に基づいて光ファイバの偏波モード分散である群遅延時間差を測定ているので、測定対象物に入射するレーザ光を発生する光源に狭スペクトル幅のレーザ光を発生するレーザを用いても、一回の測定で広波長領域にわたり高精度の群遅延時間差の測定を行うことができる。

以上のように、請求項１又は２記載の発明によれば、短パルスレーザ光の入射によって測定対象物である光ファイバ内で発生した広帯域光を利用しているので、広波長領域に対して、光ファイバの偏波モード分散である群遅延時間差を一度で測定することが可能な群遅延時間差測定方法及び装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。第１図は第１の発明の群遅延時間差測定法を実施する群遅延時間差測定装置の実施形態を示す。

図１において、群遅延時間差測定装置は、短パルスレーザ光を発生する短パルスレーザ１１１と直線偏波状態とした上で偏波面を制御する偏光制御素子１１２とを有する光源１１と、検光子１５と、光検出器としての光スペクトルアナライザ１７とを備える。装置が測定対象とする測定対象物１９は、非線形光学効果を有する光ファイバであるフォトニック結晶ファイバである。フォトニック結晶ファイバは直交する２つの偏光軸（ｘ，ｙ）を有し、光源１１と検光子１５との間にこれらの光軸に対する偏波面の位置合わせが可能にかつ着脱自在に装着される。

光源１１が有する偏光制御素子１１２としては、偏光子又は波長板、或いはこれらの両方を組合せた構成が、短パルスレーザ１１１の種類に応じて使い分けられる。短パルスレーザ１１１が直線偏波のレーザ光を発生するものである場合には、１／２波長板からなる検光子によって偏波面を任意の方向に調整して入射すればよいが、短パルスレーザ１１１が楕円偏波のレーザ光を発生するものである場合には、偏光子で直線偏波状態とした上で１／２波長板からなる検光子で偏波面を任意の方向に調整して入射することが必要となる。

検光子１５は、測定対象物から出射する出射光を任意の偏波面について透過させる。光スペクトルアナライザ１７は、任意波長の光のみを透過させる分光器と、分光器を透過した光を受光して電気信号に変換するフォトデテクタとを有し、検光子１５を透過した光の波長に対する強度を任意の波長毎に測定して表示画面に表示させることができる。

測定対象物に伝搬定数の異なる複屈折軸が存在すると、検光子１５を透過した特定の偏波面の光の波長に対する光強度に極値（山と谷）が発生する。この極値の隣り合う山と山又は谷と谷の波長間隔は、伝搬定数の相違によって発生する群遅延時間の差に対応しているので、この波長間隔を波長に対する透過光強度の測定結果を表示する光スペクトルアナライザの表示画面から求めることにより、群遅延時間差を測定することができる。

本実施の形態では、光源１１が有する短パルスレーザ１１１としては、高出力の短パルスレーザ光を発生することができる例えばチタンサファイアレーザによって構成されている。短パルスレーザ１１１からの短パルスレーザ光は、偏光制御子１１２によって直線偏波状態にした上で偏波面が任意の方向に調整される。この調整は、測定対象物の複屈折軸に対する偏波面の方向を調整することで、極値の差が最大になるように行われる。なお、具体的には、光スペクトルアナライザ１７の表示画面を見ながら行われ、表示されている極値の差が最大になるように調整が行われる。このことにより、偏波面が任意の方向に調整され、測定対象物１９の複屈折軸に対して所定の角度で短パルスレーザ光が入射されるようにすることができる。上述のように、短パルスレーザ光は偏光子によって直線偏波状態にされた後偏波面が調整される結果として、複屈折軸に対する偏波面の方向は、偏波面の成分がフォトニック結晶ファイバの２つの複屈折軸に対して均等に入射される角度となる。因みに、複屈折軸が直交する場合には４５度の角度となる。

フォトニック結晶ファイバからなる測定対象物１９に短パルスレーザ光を入射することによって、短パルスレーザ光は、フォトニック結晶ファイバが有する非線形光学効果によって広帯域化されて測定対象物１９を伝搬され、その出力端からは広帯域光が出射される。この出射光は任意の偏波面を透過させる検光子１５に入射される。検光子１５を透過された光の波長に対する光強度の極値は、検光子１５の偏波面の方向が上述した偏光制御子１１２によって調整された偏波面と同一となったとき、又は直交して、この結果、複屈折軸に対する検光子１５の偏波面の関係も所定の角度になったときに、極値の差が最大になる。したがって、検光子１５の偏波面の調整も、光スペクトルアナライザ１７の表示画面を見ながら行われる。

フォトニック結晶ファイバから出射される広帯域光は、フォトニック結晶ファイバの非軸対称性に起因して複屈折が生じることによって、２つの複屈折軸（遅相軸と進相軸）に対する偏波モードの伝搬定数が異なり、２つの複屈折軸に沿って移動する光パルスに群遅延時間差が生じる。群遅延時間差が生じている場合、光スペクトルアナライザ１７による測定結果（後述する図３参照）より、波長に対する周期関数の極値と極値の間隔（光強度の山と山あるいは谷と谷のピーク間隔：Δλ）を位相差２πとすることにより、測定対象物の偏波分散値τ_pを以下に示す式（１）によって求めることができる。

τ_p＝−λ²／ｃＬΔλ ・・・（１）
式中、τ_pは偏差分散、λは波長、ｃは光速、Ｌはファイバ長である。なお、式（１）の成り立ちを以下に説明する。

いま、光ファイバのｘ軸方向の伝搬定数をβｘ、ｙ軸方向の伝搬定数をβｙ、波長をλ、ファイバ長をＬとすると、伝搬定数差Δβは
Δβ＝βｘ−βｙ＝ｋＢ
と表される。式中、ｋは波数で、
ｋ＝２π／λ
と表され、Ｂは複屈折で、
Ｂ＝（βｘ−βｙ）／ｋ
と表される。

そして、位相φ（λ）は
φ（λ）＝ｋＢ（λ）Ｌ・・・（２）
式（１）より、位相差Δφは
Δφ＝φ（λ＋Δλ）−φ（λ）
＝［２π・Ｂ（λ＋Δλ）／（λ＋Δλ）］−２πＬ・Ｂ（λ）
＝−（Δλ／λ²）・２πＬ・［Ｂ（λ）−λ（ｄＢ／ｄλ）］・・・（３）
と表される。

また、偏差分散τｐは
τｐ＝（１／ｃ）・［ｄ（βｘ−βｙ）／ｄｋ］
＝（１／ｃ）・［ｄ（ｋＢ）／ｄｋ］
＝（１／ｃ）・［Ｂ−λ・（ｄＢ／ｄλ）］・・・（４）
上記式（３）及び（４）より、
Δφ＝２πｃＬ・（Δλ／λ²）・τ_p
が得られる。Δφ＝２πとなるように調整して整理すると、上記式（１）の関係が得られる。

図１の実施形態のように、短パルスレーザとしてチタンサファイアレーザを、測定対象物としてフォトニック結晶ファイバをそれぞれ用いた時には、光ファイバ内の非線形光学現象によって、８５０ｎｍのレーザ光の入射に対してファイバ出射光のスペクトルは、図２に示すように、６倍近い広がりを示すようになる。なお、同図においては、横軸は波長、縦軸は両者のピークを１として正規化した光強度を示している。

図３は、図２に示した波形のファイバ出射光を、ファイバの複屈折軸に対して任意の角度となるように偏波面が調整されて配置された検光子１５を透過させ、この透過光を光スペクトルアナライザ１７によって光の波長に対する強度を任意の波長毎に測定して表示させた波形を示したものである。横軸は波長、縦軸は受光光強度を示している。この表示結果より、透過光の光強度に極値（山谷）が周期的に発生した波形が観測され、周期関数の谷と谷或いは山と山の波長間隔（Δλ）を算出することができる。

図４は、図３の結果より求めたΔλを用いて上式（１）より偏波分散値を求め、波長に対してプロットしたものである。同図より、光非線形効果により広がった光スペクトル幅に対応した波長間（およそ８２０ｎｍ〜８６０ｎｍ）の偏波分散値（丸点）を求めている。同図には、干渉計を用いた従来技術によって測定した偏波分散値（角点）も一緒にプロットしている。図からは、２つの測定方法で求めた偏波分散の値がよく一致していることが分かる。

上述した実施の形態では、短パルスレーザとしてチタンサファイアレーザを、測定対象物１９としてフォトニック結晶ファイバをそれぞれ用いているが、短パルスレーザとしては、立ち上がりが急峻である高出力の短パルスレーザ光を発生するものであれば、チタンサファイアレーザ以外の他のレーザ、例えばモードロックファイバレーザとＥＤＦＡ（エリビウムドープトファイバアンプ）の組合せなどを使用することができ、測定対象物１９としても、立ち上がりが急峻で高出力の短パルスレーザ光が入射されることによって広帯域光を発生する非線形光学効果を有するものであれば、フォトニック結晶ファイバ以外の、例えば分散フラット／減少ファイバなども対象とすることができる。

上述した実施形態のように、フォトニック結晶ファイバを測定対象物１９とした場合、ファイバ出力光を光スペクトルアナライザで測定すると、図５に広帯域光として示すようになる。同図に比較のために示した例えばハロゲンランプのような白色光源及びスーパールミネセンスダイオード（ＳＬＤ）のようなＬＥＤ光源の出力光の光スペクトルアナライザによる測定結果と見比べてみて明らかなように、本実施形態の場合のファイバ出力が最も大きく、波長領域もＳＬＤに比べて広帯域となっている。また、同図に一緒に示す、光伝送に使用される波長領域と対比しても分かるように、群遅延時間差の測定のために、ＳＬＤでは波長の異なる複数の光源を使用しなければならないのに対し、本実施形態では一つの使用波長領域を一度で測定することが可能となっている。なお、他の使用波長領域の測定には、中心波長の異なる短波パルスレーザのを使用することによって、上述したと同様に対象波長領域の測定を一回で済ませることができる。

光非線形効果を有するフォトニクス結晶ファイバに高出力の短パルスレーザ光を入射すると、出射するレーザ光の光スペクトルが広がるという現象が生じる。この現象は、光ファイバ内の１０μｍ程度の狭いコア領域に高強度の光が閉じ込められると、実効的に強度密度が高くなり、自己位相変調という非線形光学現象が起きることによって生じる。

自己位相変調は、高出力かつ短パルス（急峻な立ち上がり立ち下がり特性）の短パルスレーザ光を光媒体に入射した場合などに発生し、電界強度に比例した屈折率変化（光力−効果）によって短パルスレーザ光に位相変調が生じる現象である。

第１の発明の群遅延時間差測定法を実施する装置の実施形態を示す図である。ファイバの非線形光学効果によって生じる短パルスの広帯域化現象を説明するための波長−光強度を示すグラフである。図１の装置における光スペクトルアナライザ観察波形を示すグラフである。図１の装置によって求めた分散と従来技術によって求めた分散との一致性を説明するためのグラフである。フォトニック結晶ファイバ出力光を光スペクトルアナライザで測定した結果を従来光源の出力光と比較して示すグラフである。

符号の説明

１１光源
１１１短パルスレーザ
１１２偏光制御素子
１５検光子
１７光検出器
１９測定対象物

Claims

偏波面を任意の方向に調整したレーザ光を測定対象物である光ファイバに対し入射させ、該レーザ光の入射によって前記光ファイバから出射される出射光を任意の偏波面について透過させ、該透過した光の波長に対する強度の隣り合う極値の間隔を求め、該求めた間隔に基づいて光ファイバの偏波モード分散である群遅延時間差を測定する群遅延時間差測定方法において、
前記レーザ光として短パルスレーザ光を使用し、前記光ファイバが有する非線形光学効果により、前記短パルスレーザの入射によって前記光ファイバ内に発生する広帯域光を前記出射光として出射させるようにした
ことを特徴とする群遅延時間差測定方法。
レーザ光を発生するレーザと、該レーザが発生するレーザ光の偏波面を調整する偏光制御素子とを有し、該偏光制御素子によって偏波面を任意の方向に調整したレーザ光を出力して測定対象物である光ファイバに入射する光源と、前記レーザ光の入射によって前記光ファイバから出射される出射光を任意の偏波面について透過させる検光子と、該検光子を透過した光の波長に対する強度を任意の波長毎に測定する光検出器とを備え、前記光検出器により測定した前記強度の隣り合う極値の間隔に基づいて光ファイバの偏波モード分散である群遅延時間差を測定する群遅延時間差測定装置において、
前記光源が有するレーザが短パルスレーザ光を発生する短パルスレーザであり、
前記光ファイバに対する前記短パルスレーザ光の入射によって当該光ファイバが有する非線形光学効果により当該光ファイバ内に発生する広帯域光を前記出射光として出射させる
ことを特徴とする群遅延時間差測定装置。