JP4791010B2

JP4791010B2 - 光ケーブル化後の光ファイバの偏波モード分散の測定方法

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Publication number: JP4791010B2
Application number: JP2004193008A
Authority: JP
Inventors: 龍一郎後藤; 庄二谷川; 昌一郎松尾; 邦治姫野
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: JP2006017477A

Description

本発明は、光通信分野等で用いられる光ケーブル化後の光ファイバの偏波モード分散の測定方法に関する。

近年、光通信の伝送速度の高速化、伝送距離の長距離化が進むにつれて、伝送路である光ファイバには、偏波モード分散（以下、「ＰＭＤ」と略記する。）の低減が求められている。
光ファイバのＰＭＤは、光ファイバのコア形状の非真円性や、コアに生じる応力の非対称性などに起因して、光ファイバ内を伝搬する、直交する２つの固有偏波成分に群速度差が生じることによって起こるモード分散である。

偏波モード分散を決定するパラメータとしては、２つのものが挙げられる。一方は光ファイバの局所的な複屈折の大きさであり、他方は光ファイバの複屈折軸の方向が光ファイバの長手方向にどのように変化しているかを表す偏波モード結合である。

光ファイバの局所的な複屈折の大きさは、ビート長（以下、「ＬＢ」と略す。）を用いて定量化することができる。このＬＢは、光ファイバ内に入射した任意の偏光状態が再び入射時の偏光状態に戻るまでの伝搬距離のことである。
また、光ファイバの局所的な複屈折を表すもう１つのパラメータとしては、モード複屈折率Ｂが挙げられる。このモード複屈折率ＢとＬＢとの間には、下記の式（１）で表される関係が成り立っている。

前記の式（１）において、λは光の波長である。
光ファイバの長さが短い場合には、偏波モード結合は存在しないとみなすことができ、ＰＭＤは光速Ｃと光ファイバの長さＬの関数として、下記の式（２）で表される。

前記の式（２）から、ＰＭＤは光ファイバの長さＬに比例して増加することが分かる。
一方、光ファイバの長さＬが長い場合には、ＰＭＤは下記の式（３）で表される。

前記の式（３）から、ＰＭＤは光ファイバの長さＬの平方根に比例して増加することが分かる。
前記の式（３）において、ＬＣは平均結合長と呼ばれ、偏波モード結合の大きさを表すパラメータであり、偏波モード結合が大きいほど小さくなるものである。偏波モード結合の大きさは、主に光ファイバの捻じれや外部から加わる力などによって決定される。
光ファイバの長さＬがＬＣよりも短い場合には、前記の式（２）を用いてＰＭＤを表すことができる。一方、光ファイバの長さＬがＬＣよりも長い場合には、前記の式（３）を用いてＰＭＤを表すことができる。

前記の式（２）、（３）よりＬＢが短いほど、また、ＬＣが長いほど、ＰＭＤが大きくなることが分かる。

通常、光ファイバは、ボビンに巻き付けられた状態で、光ケーブル化工程に移送されるか、または、光ファイバ単体として出荷、輸送される。そのため、光ファイバは、ボビンに巻き付けられた状態でＰＭＤを測定できることが望ましい。
F. Corsi, A. Galtarossa, and L. Palmieri,"Polarization Mode Dispersion Characterization of Single-Mode Optical Fiber Using Backscattering Technique", Journal of Lightwave Technology, Vol.16, No.10, Oct. 1998, pp.1832-1843 M. Wuilpart, G. Ravet, P. Megret, and M. Blondel,"PMD measurement with a polarization-OTDR", ECOC2002 R. Ulrich, S. C. Rashleigh, and W. Eickhoff,"Bending-induced birefringence in single-mode fibers", Optics letters, Vol.5, No.6, June 1980, pp.273-275

しかしながら、光ファイバをボビンに巻き付けることにより、光ファイバには曲げや側圧、捻じれなどの外乱が生じ、ＬＢやＬＣが変化するため、ＰＭＤは変動する。したがって、同一の光ファイバにおいて、輸送用のボビンに巻き付けられた光ファイバのＰＭＤと、光ケーブル化後の光ファイバのＰＭＤとでは、全く異なる値を示す。これにより、光ケーブル化後の光ファイバのＰＭＤが増加し、規格によって定められたＰＭＤの上限を超えてしまうことがあり、問題となっていた。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、巻線状態で光ケーブル化後のＰＭＤを正確に測定可能な光ケーブル化後の光ファイバのＰＭＤ測定方法の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、外的要因により誘起される複屈折の大きさが、延線時に光ファイバが有している内部の複屈折Ｂ´の大きさよりも小さくなり、かつ下記の数式（４）を満たすように光ファイバが束状態もしくはボビンに巻き付けられた状態に配置された状態で、該光ファイバのビート長を測定し、該測定された光ファイバのビート長と、該光ファイバと同種の光ファイバを光ケーブル化したときのビート長と偏波モード分散の関係から得られる平均結合長を用いて前記光ファイバの光ケーブル化後の偏波モード分散を算出することを特徴とする光ケーブル化後の光ファイバの偏波モード分散の測定方法を提供する。

（式中、ｎは光ファイバの屈折率、ｐ_１１とｐ_１２はポッケルス係数、ｖはポアソン比、ｒは光ファイバの半径、Ｒは光ファイバが束状態もしくはボビンに巻き付けられた状態での半径をそれぞれ表す。）

本発明の光ケーブル化後の光ファイバの偏波モード分散の測定方法において、ボビンに巻かれた光ファイバの巻き張力を一時的に緩めた状態で複屈折を測定することが好ましい。

本発明の光ケーブル化後の光ファイバの偏波モード分散の測定方法において、一時的に光ファイバへの巻き張力を緩めるボビンに光ファイバを巻き付けて複屈折を測定することが好ましい。

本発明の光ケーブル化後の光ファイバの偏波モード分散の測定方法において、光ファイバの長手方向に複屈折の分布を測定することが好ましい。

本発明の光ケーブル化後の光ファイバの偏波モード分散の測定方法において、偏波ＯＴＤＲを用いて光ファイバの複屈折を測定することが好ましい。

本発明の光ケーブル化後の光ファイバの偏波モード分散の測定方法において、分解能が光ファイバのビート長よりも短い偏波ＯＴＤＲを用いて複屈折を測定することが好ましい。

本発明によれば、光ファイバを実際に光ケーブルとする以前に、光ケーブル化後のＰＭＤが規格を満たすかどうかを知ることができる。
また、光ファイバを実際に光ケーブルとする以前に、光ケーブル化後のＰＭＤを知ることができる。
また、光ファイバが分割されて光ケーブルとなった際に、すべての光ケーブルのＰＭＤを良好に保つことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
ルースチューブケースに代表されるように、光ケーブルは光ファイバにできるだけ外力がかからないような構造となっているので、光ファイバの測定を行う際は、理想的には、光ファイバに外力がかからないよう、延線した状態で測定を行うことが好ましい。

しかし、現実的には、場所の制約があったり、また、一旦延線してしまうとケーブル化工程に送ることが不可能になってしまうので、ボビンに巻いたり、ファイバ束としたりして測定を行う。しかし、前述のように、そのような状態で測定されたＰＭＤは光ケーブル化後のＰＭＤと異なるという問題が発生する。

そこで、ボビンに巻いたり、ファイバ束としたりするなど、測定時に外力による外乱が加わったときのＬＢが、延線時のＬＢとどのように異なるか、光ファイバ内部の複屈折と、外部から誘起された複屈折との関係から考える。ボビンに巻いたり、ファイバ束としたりするなどにより、外部から誘起される複屈折は曲げや側圧によるものが多いため、その向きはほぼ径方向である。それに対して、光ファイバ内部の複屈折軸の角度はあらゆる角度を取る。

そのため、外部から複屈折が誘起されたときの光ファイバの平均複屈折は、光ファイバ内部の複屈折軸を基準とすると、外力による複屈折が様々な角度から誘起され得た場合の平均と考えることができる。
図１に、様々な大きさの内部の複屈折を持つ光ファイバに外部から力を加えて複屈折を誘起していった場合の、外部から複屈折が誘起された後の平均複屈折を計算した結果を示す。図１から分かるように、内部の複屈折よりも外部から誘起される複屈折の大きさが小さい場合には、平均の複屈折は殆ど変化せず、外部から誘起される複屈折の大きさの方が大きくなると、平均の複屈折は外部から誘起される複屈折の大きさとほぼ等しくなる。

しかし、外力が加わることにより、外部から複屈折が誘起された後の平均の複屈折が、内部の複屈折よりも小さくなることはない。したがって、外部から複屈折が誘起されることにより、平均のＬＢは必ず短くなる。

よって、外部から誘起された複屈折の大きさが、内部の複屈折の大きさよりも小さい場合には、測定時のＬＢと、光ケーブル化後のＬＢはほぼ同じと考えることができる。また、内部の複屈折よりも大きな複屈折が外部から誘起された状態で測定したＬＢは、光ケーブル化後のＬＢの最悪値と考えられる。

一方、ＬＣは、ファイバの曲げ、重なり、側圧、、ケーブルの種類、ケーブル化工程等に大きく依存する。そのため、外部から複屈折が誘起された状態のＬＣと、光ケーブル化後のＬＣは通常全く異なる値である。しかし、光ケーブル化後のＬＣは、主に、光ファイバ内部の複屈折と、光ファイバにかかる外力による外乱との大小関係によって決定されるため、ＬＣはＬＢの関数で表され、具体的な関数は、光ケーブルの構造により決定することができる。

よって、光ケーブル化後のＬＢに関する情報を得ることができれば、ＬＣはＬＢの関数であるので、光ケーブル化後のＰＭＤに関する情報を得ることができる。

ここで、測定時に外力により複屈折が誘起されているが、誘起された複屈折が、光ファイバの規格上許される内部の複屈折より小さい場合を考える。外部から複屈折が誘起された状態で測定したＬＢは、光ケーブル化後のＬＢの最悪値であるため、測定したＬＢが光ファイバの規格上許される内部の複屈折の最大値は、定められたＰＭＤの上限値と、光ケーブルの平均結合長から、前述した式（１），（３）を用いて算出することができる。

また、測定時に外力により誘起された複屈折が、内部の複屈折より小さい場合には、前述のように、測定時の複屈折は光ケーブル化後の複屈折と殆ど変わらない。よって、測定時のＬＢは、光ケーブル化後のＬＢとほぼ等しい。したがって、光ケーブル化後のＰＭＤを知ることができる。

以上のことから、外部から複屈折が誘起された状態で光ファイバを測定する場合、ケーブル化後のＰＭＤに関する情報を得るためには、ＰＭＤを直接測定するのではなく、ＬＢを測定項目とすることが本質的であるということができる。

光ファイバは通常ボビンに巻かれることが多いため、ボビンの状態で測定を行うことが好ましい。その際、ボビンに巻いたことにより誘起される複屈折が、光ファイバの規格上許される内部の複屈折より小さければ、前述のように、光ケーブル化後にＰＭＤの規格を満たすかどうかを判定することができる。また、誘起された複屈折が、内部の複屈折より小さい場合には、前述のように、光ケーブル化後のＰＭＤを知ることができる。

光ファイバをボビンに巻いて測定を行う際、ボビンに巻き取る張力を一時的に緩めることができれば、張力により誘起される複屈折の影響を取り除くことができ、好ましい。具体的には、ボビンの構造を、一時的に張力を緩められる構造にすることが挙げられるが、それに限定されない。

次に、好ましいボビン径について説明する。非特許文献３（Ｒ．Ｕｌｒｉｃｈ，Ｓ．Ｃ．Ｒａｓｈｌｅｉｇｈ，ａｎｄＷ．Ｅｉｃｋｈｏｆｆ，“Ｂｅｎｄｉｎｇ−ｉｎｄｕｃｅｄｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅｉｎｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅｆｉｂｅｒｓ”,Ｏｐｔｉｃｓｌｅｔｔｅｒｓ,Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．６，Ｊｕｎｅ１９８０，ｐｐ．２７３−２７５）によれば、光ファイバをボビンに巻いた際の曲げにより誘起される複屈折Ｂは、ｎを光ファイバの屈折率ｐ_１１及びｐ_１２をポッケルス係数、ｖをポアソン比、ｒを光ファイバの半径、Ｒをボビンの半径として、次式（５）によって求められる。

そのため、曲げにより誘起される複屈折の大きさＢが、光ファイバの規格上許される内部の複屈折Ｂ′より小さければ、ボビンに巻いた状態での測定で、光ケーブル化後にＰＭＤの規格を満たすかどうかを判定することができる。よって、ボビンの半径Ｒと光ファイバの規格上許される内部の複屈折Ｂ′は、次式（６）に示す関係を満たすことが好ましい。

また、曲げにより誘起される複屈折の大きさＢが、光ファイバの内部の複屈折Ｂ′より小さければ、ボビンに巻いた状態での測定で、光ケーブル化後のＰＭＤの値を知ることができる。よって、ボビンの半径Ｒと光ファイバの内部の屈折率Ｂ′は、式（６）の関係を満たすことが好ましい。

次に、長手方向にＬＢを測定した光ファイバについて説明する。光ファイバは通常１０〜１００ｋｍの長さで光ケーブル化工程へと出荷されるが、光ケーブル化工程で１〜５ｋｍ程度の長さに分割され、光ケーブルとなる。よって、局所的にＬＢの短い光ファイバが存在すると、あるケーブルのみＰＭＤが高くなる場合があり、問題である。そのため、被測定光ファイバのＬＢを長手方向に測定を行うことが重要である。

具体的には、偏波ＯＴＤＲを用いて、被測定光ファイバのＬＢを長手方向に測定することができる。例えば、非特許文献１（F. Corsi, A. Galtarossa, and L. Palmieri,“Polarization Mode Dispersion Characterization of Single-Mode Optical Fiber Using Backscattering Technique”, Journal of Lightwave Technology, Vol.16, No.10, Oct. 1998, pp.1832-1843）や非特許文献２（M. Wuilpart, G. Ravet, P. Megret, and M. Blondel,“PMD measurement with a polarization-OTDR”, ECOC2002）に記載されているような手法を用いることができる。

図２は、偏波ＯＴＤＲを用いて実際に得られた波形の一例を示すグラフである。前記非特許文献１，２によれば、ＬＢの算出方法の一つに、偏波ＯＴＤＲ波形を取得した区間長Ｌの中に波形の極値がＮ個あるとき、ＬＢを次式（７）によって算出する方法がある。

この光ファイバの場合、１００ｍの区間において極値を取る点が１９個あるため、ＬＢは２１ｍであることがわかる。このように、偏波ＯＴＤＲを用いてＬＢを測定することができる。なお、ここではＬＢを算出する方法として式（７）を用いたが、ＬＢの算出方法はこの限りではなく、他の方法を用いてもよい。

次に、被測定光ファイバのＬＢと、測定に使用するＯＴＤＲの分解能との関係について述べる。非偏波保持型光ファイバにおいては、ＬＢは通常１０ｃｍ以上であるため、ＯＴＤＲの分解能が１０ｃｍよりも短ければ、どのようなシングルモードファイバであっても、ＬＢを測定することができる。このような用途においては、例えば、フォトンカウンティングＯＴＤＲといった技術を用いれば、１ｃｍ以下の分解能を得ることができるため、あらゆる非偏波保持型光ファイバのＬＢを測定することができる。なお、シングルモードファイバに限らず、マルチモードファイバについても、測定の対象となるモードのみを選択的に励振、受光する手段を用いることで、測定を行うことができる。
本発明の光ファイバは、前述したように測定した光ケーブル化後のＰＭＤ値、又は光ファイバの複屈折を表示してあることを特徴としている。この表示としては、例えば光ファイバに添付又は同梱されるラベル、タグ、使用説明書などに印刷する形態でよく、光ファイバの包装形態等に応じて適宜選択することができる。

［実施例１］
光ファイバを用いて、光ケーブルを作製した。４０ＧＢ／ｓ伝送においては、光ケーブルのＰＭＤは０．１ｐｓ／√ｋｍ以下であることが望ましいが、この光ケーブルの構造の場合、光ケーブル化後のＬＢとＰＭＤの関係は図３に示すようになっており、光ケーブル化後にＬＢが７ｍ以上であれば、その光ケーブルは、０．１ｐｓ／√ｋｍ以下のＰＭＤとなることが以前の結果から分かっている。
そこで、式（１）,（６）の関係を用い、光ファイバの検査工程において、外力により誘起される複屈折によるＬＢが２０ｍ程度になるよう、直径１６ｃｍのファイバ束として測定を行った。
長さ３０００ｍの光ファイバＡを直径１６ｃｍのファイバ束とした後、偏波ＯＴＤＲを用いてＬＢを測定したところ、ＬＢは２０ｍであった。この光ファイバを延線して光ケーブルとしたところ、光ケーブル化後のＰＭＤは０．０２ｐｓ／√ｋｍであり、確かに０．１ｐｓ／√ｋｍよりも小さかった。

また、長さ３０００ｍの光ファイバＢを直径１６ｃｍのファイバ束とした後、偏波ＯＴＤＲを用いてＬＢを測定したところ、ＬＢは５ｍであった。この光ファイバを光ケーブルとしたところ、光ケーブル化後のＰＭＤは０．１５ｐｓ／√ｋｍであり、確かに０．１ｐｓ／√ｋｍよりも大きかった。

［実施例２］
実施例１の光ファイバＡと同じ光ファイバ母材から得られた光ファイバＣを、直径４０ｃｍの束として、偏波ＯＴＤＲを用いてＬＢを測定したところ、ＬＢは４０ｍであった。
直径４０ｃｍの曲げにより誘起される複屈折によるＬＢは、式（１）,（６）によれば、１２０ｍであるため、測定時のＬＢが４０ｍであれば、光ケーブル化後のＬＢもほぼ４０ｍである。そのため、測定時のＬＢと図３の関係を用いて、光ケーブル化後のＰＭＤを知ることができる。図３から、ＬＢが４０ｍの時にはＰＭＤは０．０１ｐｓ／√ｋｍ程度であるが、光ケーブル化後にＰＭＤを測定したところ、確かに０．０１ｐｓ／√ｋｍであった。

［実施例３］
実施例１の光ファイバと同じ光ファイバ母材から得られた光ファイバＤを、直径３０ｃｍのボビンに、張力４０ｇで巻き取った。このボビンは、一時的に光ファイバへの張力を緩められるような構成となっている。偏波ＯＴＤＲを用いてＬＢを測定したところ、張力を緩めない場合のＬＢは３０ｍであり、張力を緩めた場合のＬＢは４０ｍであった。
式（１）,（６）によれば、直径３０ｃｍの曲げにより誘起される複屈折によるＬＢは７０ｍであるため、張力を緩めた状態での測定のＬＢが４０ｍであれば、光ケーブル化後のＬＢもほぼ４０ｍである。張力をかけた状態でのＬＢが３０ｍと短くなっているのは、張力により光ファイバに側圧がかかり、ＬＢが３０ｍとなる程度の複屈折が誘起されているためである。
そのため、張力をかけた状態で測定されたＬＢと図３の関係を用いて、光ケーブル化後のＰＭＤが０．０３ｐｓ／√ｋｍ以下であることがわかり、また張力を緩めた状態で測定されたＬＢと図３の関係を用いて、光ケーブル化後のＰＭＤが０．０１ｐｓ／√ｋｍであることがわかる。光ケーブル化後にＰＭＤを測定したところ、確かにＰＭＤは０．０１ｐｓ／√ｋｍであった。

［比較例１］
実施例１の光ファイバＡと同じ光ファイバ母材から得られた光ファイバＤを，直径８ｃｍのボビンに、張力４０ｇで巻き取った。このボビンは、一時的に光ファイバへの張力を緩められるような構成となっている。張力を緩めた後、偏波ＯＴＤＲを用いてＬＢを測定したところ、ＬＢは５ｍであった。
よって、ケーブル化後のＰＭＤの最悪値は図３より０．１５ｐｓ／√ｋｍとなる。光ケーブルとしたところ、実際にはＰＭＤは０．０２ｐｓ／√ｋｍであり、規格を満たしていた。つまり、直径８ｃｍのボビンに巻いた状態での測定では、光ケーブル化後にＰＭＤの規格を満たすかどうかを判定することができなかった。

［実施例４］
実施例１の光ファイバＡを得るのに用いた光ファイバ母材には、光ファイバ長にして約２０００ｍ程度、母材の真円度が非常に悪い部分が存在した。その部分を含めて２０ｋｍを、直径３０ｃｍのボビンに張力４０ｇで巻き取り、偏波ＯＴＤＲにより長手方向のＬＢの測定を行った。その結果、ＯＴＤＲの入射端から約１１ｋｍから約１３ｋｍの区間においてはＬＢが４ｍであり、その他の区間ではＬＢは３０ｍであった。このように、偏波ＯＴＤＲを用いて、光ケーブル化工程で分割された時にＰＭＤが悪くなる部分を判別することができた。

異なる大きさの内部の複屈折を有する２つの光ファイバに、外部から力を加えて、大きさの異なる複屈折を誘起した際に、平均複屈折の大きさを計算した結果を示すグラフである。偏波ＯＴＤＲを用いて実際に測定されたレーリー散乱光強度の波形の一例を示すグラフである。光ケーブル化後のビート長とＰＭＤとの関係の一例を示すグラフである。

Claims

外的要因により誘起される複屈折の大きさが、延線時に光ファイバが有している内部の複屈折Ｂ´の大きさよりも小さくなり、かつ下記の数式を満たすように光ファイバが束状態もしくはボビンに巻き付けられた状態に配置された状態で、該光ファイバのビート長を測定し、該測定された光ファイバのビート長と、該光ファイバと同種の光ファイバを光ケーブル化したときのビート長と偏波モード分散の関係から得られる平均結合長を用いて前記光ファイバの光ケーブル化後の偏波モード分散を算出することを特徴とする光ケーブル化後の光ファイバの偏波モード分散の測定方法。

（式中、ｎは光ファイバの屈折率、ｐ_１１とｐ_１２はポッケルス係数、ｖはポアソン比、ｒは光ファイバの半径、Ｒは光ファイバが束状態もしくはボビンに巻き付けられた状態での半径をそれぞれ表す。）
ボビンに巻かれた光ファイバの巻き張力を一時的に緩めた状態で複屈折を測定することを特徴とする請求項１に記載の光ケーブル化後の光ファイバの偏波モード分散の測定方法。
一時的に光ファイバへの巻き張力を緩めるボビンに光ファイバを巻き付けて複屈折を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の光ケーブル化後の光ファイバの偏波モード分散の測定方法。
光ファイバの長手方向に複屈折の分布を測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ケーブル化後の光ファイバの偏波モード分散の測定方法。
偏波ＯＴＤＲを用いて光ファイバの複屈折を測定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ケーブル化後の光ファイバの偏波モード分散の測定方法。
分解能が光ファイバのビート長よりも短い偏波ＯＴＤＲを用いて複屈折を測定することを特徴とする請求項５に記載の光ケーブル化後の光ファイバの偏波モード分散の測定方法。