JP5133139B2

JP5133139B2 - Ｐｍｄ測定方法および装置

Info

Publication number: JP5133139B2
Application number: JP2008147692A
Authority: JP
Inventors: 岳川崎; 俊哉松田; 明那賀; 伸治松岡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2028-06-05
Also published as: JP2009294068A

Description

本発明は、光ファイバを含む複屈折媒質の偏波モード分散（Polarization Mode Dispersion：ＰＭＤ) を測定するＰＭＤ測定方法および装置に関する。

波長多重光伝送システムは、１本の光ファイバに複数の波長を多重して伝送する。伝送容量を向上させるためにはより多くの波長を多重する必要があり、広帯域の中でより均一で安定した伝送品質を保つことが不可欠である。伝送品質を制限する要因の一つとして光ファイバのＰＭＤがあり、特に伝送速度が40Gbit/s以上の高速な光伝送システムでは、このＰＭＤをいかに補償できるかが重要な課題となっている。

ＰＭＤは、光ファイバへの入射偏波の状態によって伝搬速度が異なる現象で、光ファイバの複屈折特性に起因するものである。理想的な光ファイバコアは完全な円心構造をしており複屈折は生じない。しかし、光ファイバの製造過程や、光ファイバの敷設条件による曲げや張力など、種々の応力が加わることにより光ファイバコアの円心構造が崩れると、偏波モードの縮退が解けてＰＭＤが生じる。ＰＭＤの大きさは上記の条件によって大きく左右されるが、一般的にファイバ長に依存する。

ＰＭＤの大きさを示す指標として、群遅延差（Differential Group Delay：ＤＧＤ）がある。ＤＧＤは、直交する２つの偏波状態の伝搬遅延差に相当し、図５に示すように、同じ光ファイバでも波長ごとに異なる値をとるとともに時間的にもランダムに変動する。図５(1),(2) は、ＤＧＤスペクトル（波長とＤＧＤの関係）の時間推移を示す。

一般的に、光ファイバについて全波長帯域に渡ってＤＧＤ値をサンプリングした場合、ＤＧＤ値の分布はマクスウェル分布に従うことが知られている。それは次のように説明される。光ファイバは、図６に示すように、それぞれ主軸の異なるセグメントが無数に接続された集合体とする。この主軸の異なるセグメントの接続点において偏波モードの結合状態が変化するが、セグメント数が一定数以上になると偏波モードの結合はランダムとみなすことができる。このため、ランダムに変化するＤＧＤ値の分布はマクスウェル分布に従うことになる。

ここで、ＤＧＤ値の分布の平均をＰＭＤ値と呼ぶ。したがって、ＰＭＤ値が大きい光ファイバほど大きなＤＧＤ値をとる確率が高くなる。なお、光ファイバのＰＭＤを測定する方法は、非特許文献１に記載のように、ジョーンズマトリックス（ＪＭＥ）法、ポアンカレ球（ＰＳ）法、偏光状態（ＳＯＰ）法など、いろいろ知られている。
波平宜敬、「偏波モード分散の測定技術動向」、OPTRONICS(2003), No.10, pp.112-120 T.Kawasaki, et al,"Over 5-months Long-Term PMD Continuous Measurement in Installed Fiber Cables with an Exposed Fiber Section", ThA7, OFC2 N.Gisin et al,"How Accurately Can One Measure a Statistical Quantity Like Polarization-Mode Dispersion?", J.Lightwave.Technol., Vol.8, No.12, pp.1671-1673, Dec.1996. 川崎、他、「既設分散シフトファイバケーブルの長期ＰＭＤ変動特性に関する検討」、信学技報、2007

ＰＭＤ補償を行うためには、光伝送システム全体のＰＭＤの大きさを正確に把握する必要がある。従来は、光ファイバごとあるいは装置ごとにＰＭＤを測定し、これらの値から光伝送システム全体のＰＭＤ値を推定するものであった。しかし、光ファイバのＰＭＤ測定値は図２に示すように時間的に変動する特性を有することから、測定時期によって実際のＰＭＤ真値との間に乖離が生じ、結果としてシステムの信頼性を低下させる問題があった。

また、ＰＭＤの変動特性を含めてＰＭＤを決定するためには、測定に長期の時間を要する上、ＰＭＤ変動特性は光ファイバの種類や他の心線との組み合わせによって多様であることから、変動幅を含めて光伝送システムの正確なＰＭＤを測定することは困難であった。

本発明は、偏波制御手段を用いて任意の偏波状態におけるＰＭＤ測定値を集計・統計処理することで、光伝送システム全体のＰＭＤとその変動幅を正確かつ短時間に測定することができるＰＭＤ測定方法および装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、所定の偏波状態に制御した光信号を被測定光ファイバに入力するＰＭＤ測定送信器と、被測定光ファイバを通過した光信号の偏波状態から被測定光ファイバのＰＭＤを測定するＰＭＤ測定受信器とを備えたＰＭＤ測定装置において、ＰＭＤ測定送信器から出力された光信号を被測定光ファイバの一端から入力する第１の光サーキュレータと、被測定光ファイバの他端から出力された光信号の偏波状態を変化させる偏波制御器と、被測定光ファイバの他端と偏波制御器との間に接続され、被測定光ファイバの他端から出力された光信号を偏波制御器を介して被測定光ファイバの他端から折り返し入力する第２の光サーキュレータとを備え、被測定光ファイバの一端から出力された光信号を第１の光サーキュレータを介してＰＭＤ測定受信器に入力する構成であり、ＰＭＤ測定受信器で被測定光ファイバのＰＭＤを測定するごとに偏波制御器で光信号の偏波状態を変化させ、ＰＭＤ測定受信器は、被測定光ファイバのＰＭＤを複数回測定して集計し、そのＰＭＤ測定値の分布の中心値を被測定光ファイバのＰＭＤとして算出する構成である。

第１の発明のＰＭＤ測定装置におけるＰＭＤ測定受信器は、光信号が被測定光ファイバを往復で通過したことを考慮してＰＭＤ測定値を換算して集計処理を行う構成である。また、被測定光ファイバを複屈折媒質に置き換えてもよい。

第２の発明は、ＰＭＤ測定送信器から所定の偏波状態に制御した光信号を被測定光ファイバに入力し、ＰＭＤ測定受信器で、被測定光ファイバを通過した光信号の偏波状態から被測定光ファイバのＰＭＤを測定するＰＭＤ測定方法において、ＰＭＤ測定送信器から出力された光信号を被測定光ファイバの一端から入力し、被測定光ファイバの他端に接続した偏波制御器で、被測定光ファイバの他端から出力された光信号の偏波状態を変化させて被測定光ファイバの他端から折り返し入力し、被測定光ファイバの一端から出力された光信号をＰＭＤ測定受信器に入力し、ＰＭＤ測定受信器で被測定光ファイバのＰＭＤを測定するごとに偏波制御器で光信号の偏波状態を変化させ、ＰＭＤ測定受信器は、被測定光ファイバのＰＭＤを複数回測定して集計し、そのＰＭＤ測定値の分布の中心値を被測定光ファイバのＰＭＤとして算出する。

第２の発明のＰＭＤ測定方法におけるＰＭＤ測定受信器は、光信号が被測定光ファイバを往復で通過したことを考慮してＰＭＤ測定値を換算して集計処理を行う。また、被測定光ファイバを複屈折媒質に置き換えてもよい。

本発明は、被測定光ファイバおよび複屈折媒質を光信号が往復する間に光信号の偏波状態を変化させ、積極的に被測定光ファイバおよび複屈折媒質における偏波モードの結合状態を変えながらＰＭＤの測定を繰り返し、得られるＰＭＤ測定値を集計し、その分布の中心値を被測定光ファイバおよび複屈折媒質のＰＭＤとする。これにより、有限の測定帯域で、被測定光ファイバおよび複屈折媒質のＰＭＤを短時間かつ高精度に測定することが可能になる。

図１は、本発明のＰＭＤ測定装置の実施形態を示す。
図において、ＰＭＤ測定送信器１１から出力する光信号は、光サーキュレータ１２を介して被測定光ファイバ１３の一端から入力する。被測定光ファイバ１３の他端から出力する光信号は、光サーキュレータ１４を介して偏波制御器１５に入力する。偏波制御器１５で偏波状態を変化させた光信号は、再び光サーキュレータ１４を介して被測定光ファイバ１３の他端から入力する。被測定光ファイバ１３の一端から出力する光信号は、光サーキュレータ１２を介してＰＭＤ測定受信器１６に入力し、被測定光ファイバ１３のＰＭＤの測定が行われる。なお、偏波制御器１５を折り返し型とし、光サーキュレータ１４を２ポート型とする構成であってもよい。

被測定光ファイバ１３のＰＭＤの測定方法は、非特許文献１に記載のようにいろいろあり、測定方法に応じてＰＭＤ測定送信器１１とＰＭＤ測定受信器１６の構成が異なるが、本発明はこれらの測定方法のいずれであっても適用可能である。例えば、ジョーンズマトリックス（ＪＭＥ）法を用いる場合には、ＰＭＤ測定送信器１１には広帯域の波長可変光源および偏波制御器を備え、ＰＭＤ測定受信器１６として用いるポラリメータでＤＧＤを測定する。ＤＧＤは、図５および図６に示すように各波長によって異なる値をとるため、測定帯域内のＤＧＤを測定してその平均値をＰＭＤ測定値とする。

本実施形態の特徴は、被測定光ファイバ１３の他端に光サーキュレータ１４を介して偏波制御器１５を接続しており、被測定光ファイバ１３に折り返す光信号の偏波状態を変化させるところにある。これにより、被測定光ファイバ１３における偏波モードの結合状態を模擬的に変化する。なお、被測定光ファイバ１３は、一般的な複屈折媒質でもよい。

ＰＭＤ測定中は偏波制御器１５で設定する光信号の偏波状態を固定とし、ＰＭＤ測定が１度終了すると、偏波制御器１５で前回の測定時とは異なる偏波状態に設定して再度ＰＭＤを測定する。このように、折り返す光信号の偏波状態（光ファイバにおける偏波モードの結合状態）を変えることにより、ＰＭＤ測定値がランダムに変化することから、多数回にわたってＰＭＤ測定を実施し、ＰＭＤ測定値を集計する。

なお、本実施形態の構成では、光信号が被測定光ファイバ１３を折り返し通過しているため、被測定光ファイバ１３のＰＭＤ測定値（ＰＭＤf ）は、ＰＭＤ測定受信器１６で測定したＰＭＤ測定値（ＰＭＤm ）と光ファイバ長（Ｌ）を用いて、
ＰＭＤf [ps/(km)^1/2]＝ＰＭＤm [ps]／(2Ｌ)^1/2[(km)^1/2]
と求めることができる。被測定光ファイバ１３の正確なＰＭＤは、集計したＰＭＤf の分布の中心値から求めることができる。

ここで、以上の処理により被測定光ファイバ１３の正確なＰＭＤが得られる根拠について説明する。

図２は、４種類の既設光ファイバケーブルのＰＭＤ測定値（実測値）の時間推移を示す。測定期間は約１年間であるが、時期によってＰＭＤ測定値が変動している様子がわかる。そのため、ある特定の１時点において測定した値だけを用いると、長期間の運用の際に測定時との誤差が大きくなり、結果としてシステム全体のＰＭＤが予想よりも過大な値をとる可能性がある。

図３は、図２に示すＰＭＤ測定値のヒストグラムを示す。図中の実線は正規分布のフィッティング曲線で、測定結果は正規分布によく漸近している。このことからＰＭＤ測定値がランダムに変動していることがわかる。このようにＰＭＤ測定値がランダムに変動する要因は、既設光ファイバケーブルが気温変化などの影響を受けることで、ファイバセグメント間の応力バランスが崩れ、偏波モードの結合状態が変化するためである。偏波モードの結合状態が変化すると、各波長が取りうるＤＧＤが変化するため、ＤＧＤスペクトル（波長とＤＧＤの関係）は図４に示すように変化する。

ここで、測定帯域が無限であれば、ＤＧＤスペクトルが変化しても平均値として求まるＰＭＤは一定になる。これをＰＭＤ真値とする。しかし、実際の測定器は測定帯域が有限であることから、測定帯域内におけるＤＧＤスペクトルの変化によってＰＭＤ（ＤＧＤの平均値）は異なる値をとることになる。ただし、ＤＧＤスペクトルの変化が偏波モード結合のランダムな変化によって引き起こされているため、測定したＰＭＤの分布は正規分布に漸近する。

そこで、被測定光ファイバ１３に光信号を折り返すときに、偏波制御器１５で光信号の偏波状態を変化させることにより、被測定光ファイバ１３における偏波モードの結合状態を模擬的に変化させる。これをＰＭＤ測定ごとに繰り返すことにより、測定帯域におけるＰＭＤ測定値がＰＭＤ真値を挟んでランダムに変化するので、そのＰＭＤ測定値を集計してその分布の中心値を算出すると、測定帯域が有限であっても、また長期に渡って測定しなくても、ほぼＰＭＤ真値に近い値が得られる。すなわち、本発明のＰＭＤ測定方法および装置を用いることで、既設光ファイバケーブルと伝送装置を含む光伝送システム全体のＰＭＤを短時間かつ高精度に測定することが可能になる。

本発明のＰＭＤ測定装置の実施形態を示す図。４種類の既設光ファイバケーブルのＰＭＤ測定値の時間推移を示す図。ＰＭＤ測定値のヒストグラム。本発明のＰＭＤ測定装置の実施形態におけるＰＭＤ測定原理を説明する図。ＤＧＤスペクトルの時間推移を示す図。ファイバＰＭＤの基本モデルを説明する図。

符号の説明

１１ＰＭＤ測定送信器
１２，１４光サーキュレータ
１３被測定光ファイバ
１５偏波制御器
１６ＰＭＤ測定受信器

Claims

所定の偏波状態に制御した光信号を被測定光ファイバに入力するＰＭＤ測定送信器と、
前記被測定光ファイバを通過した光信号の偏波状態から前記被測定光ファイバのＰＭＤを測定するＰＭＤ測定受信器と
を備えたＰＭＤ測定装置において、
前記ＰＭＤ測定送信器から出力された前記光信号を前記被測定光ファイバの一端から入力する第１の光サーキュレータと、
前記被測定光ファイバの他端から出力された前記光信号の偏波状態を変化させる偏波制御器と、
前記被測定光ファイバの他端と前記偏波制御器との間に接続され、前記被測定光ファイバの他端から出力された前記光信号を前記偏波制御器を介して前記被測定光ファイバの他端から折り返し入力する第２の光サーキュレータと
を備え、前記被測定光ファイバの一端から出力された前記光信号を前記第１の光サーキュレータを介して前記ＰＭＤ測定受信器に入力する構成であり、
前記ＰＭＤ測定受信器で前記被測定光ファイバのＰＭＤを測定するごとに前記偏波制御器で前記光信号の偏波状態を変化させ、前記ＰＭＤ測定受信器は、前記被測定光ファイバのＰＭＤを複数回測定して集計し、そのＰＭＤ測定値の分布の中心値を前記被測定光ファイバのＰＭＤとして算出する構成である
ことを特徴とするＰＭＤ測定装置。
請求項１に記載のＰＭＤ測定装置において、
前記ＰＭＤ測定受信器は、前記光信号が前記被測定光ファイバを往復で通過したことを考慮して前記ＰＭＤ測定値を換算して集計処理を行う構成である
ことを特徴とするＰＭＤ測定装置。
請求項１に記載のＰＭＤ測定装置において、
前記被測定光ファイバを複屈折媒質に置き換え、複屈折媒質のＰＭＤを測定する構成である
ことを特徴とするＰＭＤ測定装置。
ＰＭＤ測定送信器から所定の偏波状態に制御した光信号を被測定光ファイバに入力し、
ＰＭＤ測定受信器で、前記被測定光ファイバを通過した光信号の偏波状態から前記被測定光ファイバのＰＭＤを測定するＰＭＤ測定方法において、
前記ＰＭＤ測定送信器から出力された前記光信号を前記被測定光ファイバの一端から入力し、
前記被測定光ファイバの他端に接続した偏波制御器で、前記被測定光ファイバの他端から出力された前記光信号の偏波状態を変化させて前記被測定光ファイバの他端から折り返し入力し、
前記被測定光ファイバの一端から出力された前記光信号を前記ＰＭＤ測定受信器に入力し、
前記ＰＭＤ測定受信器で前記被測定光ファイバのＰＭＤを測定するごとに前記偏波制御器で前記光信号の偏波状態を変化させ、
前記ＰＭＤ測定受信器は、前記被測定光ファイバのＰＭＤを複数回測定して集計し、そのＰＭＤ測定値の分布の中心値を前記被測定光ファイバのＰＭＤとして算出する
ことを特徴とするＰＭＤ測定方法。
請求項４に記載のＰＭＤ測定方法において、
前記ＰＭＤ測定受信器は、前記光信号が前記被測定光ファイバを往復で通過したことを考慮して前記ＰＭＤ測定値を換算して集計処理を行う
ことを特徴とするＰＭＤ測定方法。
請求項４に記載のＰＭＤ測定方法において、
前記被測定光ファイバを複屈折媒質に置き換え、複屈折媒質のＰＭＤを測定する
ことを特徴とするＰＭＤ測定方法。