JP5778317B1 - モード間パワー比測定方法、パワー比測定装置及びモード間パワー比測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、光ファイバにおいて生じた導波型音響波ブリルアン散乱による散乱光の周波数特性を測定し、該周波数特性において光ファイバ中を伝搬可能な所望の２つの伝搬モードに対応する変調量を比較することにより、当該伝搬モード間のパワー比を算出することを目的とする。【解決手段】本発明に係るモード間パワー比測定方法では、入射光から導波型音響波ブリルアン散乱による偏波変調成分を抽出する偏光手順と、偏光手順で抽出した偏波変調成分を有する入射光を受光し電気信号に変換する受光手順と、受光手順において変換した電気信号から偏波変調成分を測定するスペクトル測定手順と、各伝搬モードに対応する偏波変調成分を互いに比較し、数モード光ファイバを伝搬する伝搬モード間のパワーの比率である伝搬モード間パワー比を算出する算出手順と、を順に行う。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバの光学特性測定方法に関し、モード多重光ファイバ伝送における光ファイバに対するモード間パワー比測定方法、パワー比測定装置及びモード間パワー比測定システムに関する。

複数のコア領域を有するマルチコア光ファイバや複数の伝搬モードを伝搬可能な数モード光ファイバが、空間多重技術を用いることによる飛躍的な伝送容量拡大に向け、活発に検討されている。特に複数の伝搬モードを用いたモード多重伝送は、伝搬可能なモード数分だけ伝送容量を向上させることができることから、新たな大容量伝送方式として注目を集めている。

ここでモード多重伝送では、光ファイバ伝搬中や、光ファイバ中の接続点において、またモード合分波器等に代表される複数のモードに対して動作可能なデバイスにおいて生じる、伝搬モード間のモード間結合が伝送特性に大きく影響する。接続点等において各伝搬モードがどの程度励振されているかを測定するためには、一般的に受光側においてモード合分波器を用いて伝搬モードを分離し、各伝搬モードの受光パワーを比較することによって得ることができる。

この場合、測定できる励振比の下限はモード合分波器の性能に左右されてしまい、モード合分波器で生じるモード間クロストーク以下の値は測定できない。そのため非特許文献１のように、出力光の電界分布における時間変動を微小な範囲ごとに測定することにより、伝搬モード間のパワー比を測定する方法が提案されている。

Ｊ． Ｗ． Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ ｅｔ ａｌ， "Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｌａｒｇｅ−ｍｏｄｅ−ａｒｅａ ｆｉｂｅｒｓ，" ｏｆ ＩＥＥＥ Ｊ． Ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ｖｏｌ． １５， ｐｐ． ６１−７０，Ｊａｎ／Ｆｅｂ ２００９． Ｒ．Ｍ． Ｓｈｅｌｂｙ ｅｔ ａｌ， "Ｇｕｉｄｅｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ−ｗａｖｅ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，" Ｐｈｙｓｉｃ． Ｒｅｖ． Ｂ， ｖｏｌ． ３１， ｐｐ． ５２４４−５２５２，Ａｐｒｉｌ， １９８５

モード合分波器を用いる場合、上述の通り伝搬モードの分離の際にも合分波器内でモード間結合が生じるため、合分波器のモード間クロストーク以下の値は測定できないという課題があった。また非特許文献１の方法では光ファイバの出射端においてコア径の小さな光ファイバにより電界強度をスキャンするため、光ファイバのコア径が小さなものでは測定が困難であり、さらには微小な範囲ごとに受光パワー時間変動を測定するため、測定系が非常に煩雑となり長時間の測定が必要となる、といった課題があった。

前記課題を解決するために、本発明は、複数のモードを伝搬可能な数モード光ファイバを対象とし、該光ファイバにおいて生じた導波型音響波ブリルアン散乱による散乱光の周波数特性を測定し、該周波数特性において光ファイバ中を伝搬可能な所望の２つの伝搬モードに対応する変調量を比較することにより、当該伝搬モード間のパワー比を求めることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、光ファイバ中で生じる導波型音響波ブリルアン散乱特性が伝搬モードごとに異なる周波数特性を有することを利用し、伝搬モードに対応する周波数成分の電力を比較する。

具体的には、本発明に係るモード間パワー比測定方法は、
少なくとも１つの光源から光波が数モード光ファイバに入射され、前記数モード光ファイバを介して入射された光波から導波型音響波ブリルアン散乱による偏波変調成分を前記複数の入射光ごとに抽出する偏光手順と、
前記偏光手順で抽出した前記偏波変調成分を有する入射光を受光し、受光した入射光ごとに電気信号に変換する受光手順と、
前記受光手順において変換した各電気信号から前記偏波変調成分を測定するスペクトル測定手順と、
前記スペクトル測定手順で測定した電気信号に対応する偏波変調成分を互いに比較し、前記数モード光ファイバを伝搬した伝搬モード間のパワーの比率である伝搬モード間パワー比を算出する算出手順と、を順に行う。

具体的には、本発明に係るパワー比測定装置は、
入射光から導波型音響波ブリルアン散乱による偏波変調成分を抽出する偏光子と、
前記偏光子が抽出した前記偏波変調成分を有する入射光を受光し電気信号に変換する受光部と、
前記受光部において変換した各電気信号から前記偏波変調成分を測定するスペクトルアナライザと、
前記スペクトルアナライザで測定した各電気信号に対応する偏波変調成分を互いに比較し、数モード光ファイバを伝搬した伝搬モード間のパワーの比率である伝搬モード間パワー比を計算する計算機と、を備える。

具体的には、本発明に係るパワー比測定システムは、
少なくとも１つの光源と、
請求項２に記載のパワー比測定装置と、を備える。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によれば、数モード光ファイバの出射側における接続点やモード依存デバイスの影響を受けずに、簡易な構成で伝搬モード間パワー比を測定することができるといった効果を奏する。

本発明のモード間パワー比測定方法の原理を表す概略図である。 本発明のモード間パワー比測定方法の構成例を表す概略図である。 本発明のモード間パワー比測定方法の構成例を表す概略図である。 モード間パワー比測定方法に係る、ＧＡＷＢＳスペクトルの一例を表す特性図である。 モード間パワー比測定方法に係る、モード間パワー比の測定結果の一例を表す特性図である。 モード間パワー比測定方法による、ＳＭＦとＦＭＦの接続点におけるモード間パワー比の測定結果の一例を表す特性図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
本実施形態に係るモード間パワー比測定方法は、偏光手順と、受光手順と、スペクトル測定手順と、算出手順と、を順に行う。モード間パワー比測定システムは、光源と、モード合波器と、偏光子と、受光部と、スペクトルアナライザと、計算機と、を備える。また、本実施形態に係るパワー比測定装置は、偏光子と、受光部と、スペクトルアナライザと、計算機と、を備える。なお、光源及びモード合波器は、数モード光ファイバに光を送信するために送信器が有していてもよい。

ここで、モード間パワー比測定方法を以下に説明する。偏光手順では、複数又は一つの光源から入射光が数モード光ファイバに入射され、光ファイバを介して入射された入射光から導波型音響波ブリルアン散乱による偏波変調成分を複数の入射光ごとに抽出する。

受光手順では、偏光手順で抽出した偏波変調成分を有する各入射光を受光し、受光した入射光ごとに電気信号に変換する。スペクトル測定手順では、受光手順において変換した各電気信号から偏波変調成分を測定する。算出手順では、スペクトル測定手順で測定した各電気信号に対応する偏波変調成分を互いに比較し、各入射光間のパワーの比率である伝搬モード間パワー比を算出する。

図１に、本発明のモード間パワー比測定方法の概念図を示す。受光部１５において検出される波形は光波が数モード光ファイバとして機能する光ファイバ１３に入射されると、光ファイバ１３中の伝搬モードのパワーに応じて導波型音響波ブリルアン散乱（ＧＡＷＢＳ：Ｇｕｉｄｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）が生じ、伝搬光はＧＡＷＢＳによる偏波変調を受ける。

ここでＧＡＷＢＳによる変調量は関連技術における算出式より、伝搬光パワーに対応するエネルギーｋＴ、ならびにファイバ断面における伝搬光の電界分布Ｅｉと音響波の固有モード分布Ｓｊとの重なり積分によって決まる。またブリルアン散乱による周波数スペクトルはローレンツ分布となることが知られているため、光ファイバ１３中のｉ次の伝搬モード（電界分布Ｅ_ｉ）によって生じるＧＡＷＢＳに対応する変調スペクトルＡ_ｉ（ｆ）は次式で示される。

ここでＵｊおよびｆｊはそれぞれ、光ファイバ１３に存在しうるｊ次の音響波の固有モード分布および固有周波数であり、積分項は光ファイバ１３断面内での光波と音響波の重なり積分であることを表す。石英系で構成される光ファイバ１３ではクラッド外径のみにより決定される。ΓＢは半値幅であり、非特許文献１で示されるように１〜３ＭＨｚである。

式（１）で示されるように、光波の電界分布以外は全て石英の構造パラメータで決定される固定値であり、変調スペクトルＡｉ（ｆ）は電界分布のみで変化することがわかる。光ファイバ１３を伝搬するすべての伝搬モードは次式による偏波変調を受けることとなる。

ここでＰｏｕｔ（ｆ）は出力される光波の周波数スペクトル、Ｐｉは光波のｉ次の伝搬モードに対する伝搬パワーであり、ＧＡＷＢＳを生じさせるエネルギー量ｋＴに対応する。またＰｍは受光する伝搬モードの光パワーである。このとき、受光部１５では図１に示されるように、光ファイバ１３を伝搬した各伝搬モードに対応するＡｉ（ｆ）が全て加算されたスペクトルが得られる。

したがって、受光部１５で得られる散乱スペクトルより任意の伝搬モードに対するＧＡＷＢＳスペクトルＡｉ（ｆ）を抽出し、相互に比較することにより、対応する伝搬モード間のパワー比を測定することができる。ここで式（２）に示されるように、全ての伝搬モードによって生じたＧＡＷＢＳを加算した周波数スペクトルが、全ての伝搬モードの光波に対して変調スペクトルとして重畳されるため、受光部１５で得られる周波数特性は、受光部１５で受光する伝搬モードの次数によらず一定である。

そのため光ファイバ１３の出射端においてモード分波器等により伝搬モードごとに分離する必要がないため、受光側におけるモード依存デバイスや接続点でのモード間クロストークの影響がないため好ましい。また光ファイバ１３の出射端で単一モードファイバや高次モードフィルタを挿入し、基本モードのみを取り出して測定することができる。このとき、一般的に広く使用されている単一モードファイバ向け光デバイスをそのまま使用することができるため、特殊な光学系が必要なく測定系を簡易に構成することができる。

図２に、本発明のモード間パワー比測定方法の構成例を示す。光源１１より出射された光波は、モード合波器１２の任意のポートより入射され、対応する所望の伝搬モードとして数モード光ファイバとして機能する光ファイバ１３に入射される。光ファイバ１３の出射側には偏光子１４が接続され、偏光子１４からの出射光は受光部にて電気信号に変換される。

得られた電気信号はスペクトルアナライザ１６にて計測され、計算機１７にてモード間パワー比を算出する。計算機１７では、入射した伝搬モードに対応するＡｉ（ｆ）の成分を抽出するとともに、対象となる所望の次数（ｉ’次）に対応する成分Ａｉ’（ｆ）を抽出することにより、ｉ次の伝搬モードのｉ’次の伝搬モードに対するモード間パワー比ＸＴｉｉ’は次式によって求めることができる。

ここで任意のＡｉ（ｆ）の抽出は、例えば予め理論的な計算により求めたＧＡＷＢＳスペクトルを用いて行うことができる。すなわち関連技術において示されるように、ＧＡＷＢＳに寄与する音響波の固有モードは、光ファイバ１３のクラッド径のみの関数で表される。そのためクラッド径が既知であれば音響波の固有モードは一意に求められる。

また、所望の伝搬モードの電界分布との重なり積分により、理論的に任意の伝搬モードに対するＧＡＷＢＳスペクトルを求めることができる。実験により得られたＧＡＷＢＳスペクトルから、理論的に求めたＧＡＷＢＳスペクトルのうち所望の次数ｉ以外の成分を減算することにより、所望の次数ｉに対するＡｉ（ｆ）を抽出できる。

図３には、０次モード（基本モード）を利用した構成例を示している。図３では光源１１側で基本モードを搬送波として入射するとともに、受光側に高次モードフィルタ１８を挿入している。受光した基本モードの光波は、式（２）で示した通り、光ファイバ中の全伝搬モードに対応したＧＡＷＢＳの周波数成分を有しているため、受光部１５では、光ファイバ１３の伝搬中にＧＡＷＢＳによって偏波変調を受けた基本モードを受光し、上述と同様にモード間パワー比を計算する。

このとき、基本モードのみで光学系を構成するため、関連技術の単一モードの光ファイバ１３向けデバイスをそのまま使用することができ、測定系を簡易に構成することができる。なお、基本モードのみを励振したときに接続点や光ファイバ１３伝搬中のモード間結合によって生じる高次モードを対象としてモード間パワー比を測定する場合には、図で示したモード合波器１２は不要となる。

図４に、モード間パワー比測定方法に係る、数モードファイバのＧＡＷＢＳ周波数スペクトルの測定結果例を示す。ここで測定波長は１５５０ｎｍとし、光ファイバ１３は測定波長で２モード伝送が可能である数モード光ファイバとして機能する光ファイバ１３とした。また入射側に合分波器を挿入し、基本モード（ＬＰ０１モード）と第１高次モード（ＬＰ１１モード）を任意のパワーで入射した。

図４はＬＰ０１モードの入射パワーを６．８ｄＢｍとし、ＬＰ１１モードのパワーを上段よりそれぞれ９．２ｄＢｍ、４．０ｄＢｍ、−５ｄＢｍとしたときのスペクトルである。測定結果は多数のピークを有する周波数スペクトルとなっており、５００ＭＨｚ以下の周波数帯ではＬＰ１１モードのパワーに関わらず、波形に変化がないことがわかる。当該周波数帯におけるピークはＬＰ１１モードのパワーに依存しないことから、ＬＰ０１モードに対するＧＡＷＢＳであると考えられる。

一方、５００ＭＨｚ以上の周波数帯では、ＬＰ１１モードのパワーが増加するにつれ、ピークが大きくなっていることがわかる。これらはＬＰ１１モードに対するＧＡＷＢＳであると考えられる。図４からわかるように、光ファイバ１３中で生じたＧＡＷＢＳを観測することにより、光波の伝搬モードのパワーに対応した周波数スペクトルが得られることが確認できる。得られた周波数スペクトルにより、式（３）を用いてモード間パワー比を得ることができる。

図５に、本発明のモード間パワー比測定方法を用いた、数モード光ファイバとして機能する光ファイバ１３の出射端における伝搬モードパワーの測定結果例を示す。測定では図４の測定結果を得るために用いた測定系と同じものを用いた。横軸は数モード光ファイバとして機能する光ファイバ１３に入射したＬＰ０１モードとＬＰ１１モードのパワー比、縦軸は本発明の測定方法による光ファイバ１３の出射端でのモード間パワー比である。入射側のモード間パワー比が−２０ｄＢｍ以上の領域では線形に増加しており、入射したモード間パワー比と、本発明における計算機１７によって測定された出射端でのモード間パワー比は比較的よく一致している。

一方、入射側のモード間パワー比が−２０ｄＢｍ以下の領域では、ＬＰ１１モードの入射パワーが十分小さいにもかかわらず、出射端で得られたモード間パワー比は約−２０ｄＢであった。これは、入射側で用いたモード合波器１２におけるモード間クロストークが−２０ｄＢであることから、モード合波器１２の性能に起因するものと考えられる。

図６に、本発明のモード間パワー比測定方法を用いた、数モード光ファイバの接続点におけるモード間パワー比の測定結果例を示す。ここで数モード光ファイバの入射端には単一モードの光ファイバ１３を５ｍ接続し、オフセットを加えて融着接続することで、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードを任意の割合で励振した。なお図中の○はオフセットを加えた場合、□はオフセットを加えず通常の融着接続を行った場合を表す。また出射端には曲げを加えた単一モードの光ファイバ１３を接続することで高次モードを除去し、基本モードのみを受光した。

図６の横軸はモード分波器を出射端に接続し、伝搬モードごとに分離して受光パワーを測定することで得られたモード間パワー比である。図６に示すように、本発明によって得られた測定結果と、モード分波器を用いて得られた測定結果は、パワー比が−１６ｄＢ以上のとき、比較的よく一致しており、本発明のモード間パワー比測定法の妥当性が確認できる。

一方、モード分波器を用いた方法では−２０ｄＢ以下の値は得られなかった。これはモード分波器内におけるモード間クロストークに起因するもので、この値以下のモード間パワー比は測定できないことがわかる。

しかしながら本発明のモード間パワー比測定方法では−２０ｄＢ以下の値も測定ができており、オフセットを用いない通常の融着接続のとき、約−２５ｄＢのモード間パワー比が生じていることがわかる。このとき、本発明のモード間パワー比測定方法では、出力側のモード分波器が不要であることから、モード分波器やモード分波器と光ファイバ１３との接続点におけるクロストークの影響がないため、より精度よくモード間パワー比が得られる。

本発明は、空間多重伝送を行う数モード光ファイバを用いた伝送システムにおける、モード間パワー比の測定に適用することができる。

１１：光源
１２：モード合波器
１３：光ファイバ
１４：偏光子
１５：受光部
１６：スペクトルアナライザ
１７：計算機
１８：高次モードフィルタ

Claims (3)

1. 少なくとも１つの光源から光波が数モード光ファイバに入射され、前記数モード光ファイバを介して入射された光波から導波型音響波ブリルアン散乱による偏波変調成分を前記複数の入射光ごとに抽出する偏光手順と、
   前記偏光手順で抽出した前記偏波変調成分を有する入射光を受光し、受光した入射光ごとに電気信号に変換する受光手順と、
   前記受光手順において変換した各電気信号から前記偏波変調成分を測定するスペクトル測定手順と、
   前記スペクトル測定手順で測定した電気信号に対応する偏波変調成分を互いに比較し、前記数モード光ファイバを伝搬した伝搬モード間のパワーの比率である伝搬モード間パワー比を算出する算出手順と、
   を順に行うことを特徴とするモード間パワー比測定方法。
2. 入射光から導波型音響波ブリルアン散乱による偏波変調成分を抽出する偏光子と、
   前記偏光子が抽出した前記偏波変調成分を有する入射光を受光し電気信号に変換する受光部と、
   前記受光部において変換した各電気信号から前記偏波変調成分を測定するスペクトルアナライザと、
   前記スペクトルアナライザで測定した各電気信号に対応する偏波変調成分を互いに比較し、数モード光ファイバを伝搬した伝搬モード間のパワーの比率である伝搬モード間パワー比を計算する計算機と、を
   備えることを特徴とするパワー比測定装置。
3. 少なくとも１つの光源と、
   請求項２に記載のパワー比測定装置と、を
   備えることを特徴とするパワー比測定システム。

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