JP6665609B2 - 光強度測定方法および空間モード測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定光ファイバである空間多重光ファイバ（Spatial Division Multiplexing optical fiber、以下、「ＳＤＭファイバ」と記す）における空間モードごとの光強度を測定するための光強度測定方法および空間モード測定装置に関するものである。なお、本発明は、空間モードごとの光強度を測定することで、各空間モードの伝送損失の測定方法も想定している。

光ファイバ通信の大容量化を目的として、近年、空間モード光を利用した光伝送技術が研究されている。このような光伝送技術では、伝送媒体としてＳＤＭファイバが利用されるため、ＳＤＭファイバの品質評価として、空間モードごとの伝送損失測定が行われる。

例えば、特許文献１には、空間モードごとの伝送損失を測定する技術として、光源から出力された光を２つの光束に分岐し、参照ファイバと被測定光ファイバを伝搬した光束を干渉させ、群遅延差により各空間モードに起因する干渉の強度を空間モードごとに独立観測する技術が開示されている。

特許文献２には、空間モードごとの伝送損失をカットバック法により測定する技術が開示されている。すなわち、特許文献２では、波長可変光源を利用して順次異なる波長の光を被測定光ファイバに入力し、波長ごとに光強度の二次元分布を測定する工程が、該被測定光ファイバのファイバ長を変えながら行われる。そして、測定対象となる空間モードごとに異なるファイバ長に設定された際の測定結果間の光強度比が計算されると、得られた強度比と光源側の出力光強度に基づいて、空間モードごとの光強度が求められる。

なお、カットバック法は、数モード光ファイバ（Few-Mode optical Fiber、以下、「ＦＭＦ」と記す）における各空間モード光の伝送損失を測定する際、一定の入射条件においてＦＭＦの一端（入力端）に測定光を入力させ、第１ファイバ長のＦＭＦの他端（出力端）から出力される光の強度が測定される。次に、ＦＭＦをカットバック（被測定光ファイバの一部をカットし、短尺化された被測定光ファイバを接続し直す）することで、第１ファイバ長より短い第２ファイバ長のＦＭＦに対して出力光強度が再度測定される。第１ファイバ長の設定時に得られる出力光強度と第２のファイバ長の設定時に得られる出力光強度との差分と、第１ファイバ長と第２ファイバ長との差分から、ＦＭＦにおける各空間モードの伝送損失が測定される。

特開昭６２−０６３８３３号公報 特開２０１２−０２４２２３号公報

発明者らは、ＳＤＭファイバに対する従来の伝送損失測定方法、特に上述のカットバック法について検討した結果、以下のような課題を発見した。

すなわち、カットバック法が適用される測定系では、１つの空間モード（コア）のみを励振・受光できるように、被測定光ファイバであるＳＤＭファイバの入力端と励起用ダミーファイバの出力端が調芯された後に接続される一方、ＳＤＭファイバの出力端と受光用ダミーファイバの入力端が調芯された後に接続される。

従来のカットバック法では、１つの空間モード（コア）について、光強度Ｐ_ｏｕｔ１を測定した後、一旦ＳＤＭファイバをカットバックして光強度Ｐ_ｏｕｔ２を測定する。このカットバックでは、Ｐ_ｏｕｔ１測定後のＳＤＭファイバの長さを調節した後、該ＳＤＭファイバの出力端と受光用ダミーファイバの入力端の調芯および接続が行われる。このようなカットバック動作は、測定すべき空間モードの数Ｍ（≧２）だけ繰り返し実行される必要があり、伝送損失の測定時間が長くなるという課題があった。

一方、測定対象となる全ての空間モード（コア）について、それぞれ（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ１（ｍ＝１〜Ｍ）を測定した後にＳＤＭファイバのカットバックを行い、続けて測定対象となる全ての空間モード（コア）について、それぞれ（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ２を測定する場合、当該ＳＤＭファイバと、励起用および受光用ダミーファイバとの調芯および接続の手間がかなり軽減される。しかしながら、（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ１と（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ２の測定時に励起側ダミーファイバが調芯しなおされており、ＳＤＭファイバと励起用ダミーファイバとの接続損失が変わるため、この接続損失の変化が測定誤差になってしまうという課題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、ＳＤＭファイバにおける空間モードごとの光強度（伝送損失も含む）を効率的かつ高精度に測定可能にするための構造を備えた光強度（伝送損失も含む）測定方法および空間モード測定装置を提供することを目的としている。

上述の課題を解決するため、本実施形態に係る光強度測定方法は、変調工程と、入力工程と、受光工程と、光強度測定工程を備える。変調工程では、測定対象となる空間モードの数以上の数の複数の光が用意され、かつ、それぞれが異なる空間モードに対応付けられるよう異なる条件で、用意された光それぞれが変調される。入力工程では、個別に変調された複数の変調光が、被測定光ファイバであるＳＤＭファイバの第１端から該ＳＤＭファイバ内へ、それぞれ異なる空間モードとなるよう入力される。受光工程では、ＳＤＭファイバの第２端（第１端に対向する端）から出力される出力光が、空間モードの区別なく一括受光され、該受光された出力光の光強度がアナログデータあるいはデジタルデータとして電気信号に変換される。光強度取得工程では、受光工程において得られた電気信号のデータを解析することにより、異なる変調条件による変調された変調光それぞれ光強度情報として、ＳＤＭファイバの第２端から出力されたＭ個の空間モードそれぞれの光強度Ｐ_ｍ（＝１〜Ｍ）が取得される。更に、得られた光強度情報に基づいて空間モードそれぞれの伝送損失も算定可能である。

本実施形態によれは、ＳＤＭファイバにおける各空間モードの光強度（光強度測定に伴い、伝送損失を測定すること含む）を効率的かつ高精度に測定することが可能になる。

本実施形態に係る伝送損失測定方法を実施する測定系（空間モード測定装置）の第１構成例を示す図である。 本実施形態に係る伝送損失測定方法を実施する測定系（空間モード測定装置）の第２構成例を示す図である。 本実施形態に係る光強度測定方法（伝送損失測定を含む）を説明するためのフローチャートである。

[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容をそれぞれ個別に列記して説明する。

本実施形態に係る光強度（伝送損失）測定方法は、被測定光ファイバであるＳＤＭファイバにおける空間モードごとの光強度（伝送損失）を測定する。なお、ＳＤＭファイバとしては、それぞれが１つの空間モード（シングルモード）を導波させる複数のコアを共通クラッド内に備えたマルチコア光ファイバ（以下、「ＭＣＦ」と記す）、複数の空間モードを導波させる１つのコアを備えたマルチモード光ファイバ（以下、「ｇ」と記す）、および、それぞれが複数の空間モードを導波させるコアを共通クラッド内に複数備えたマルチモード・マルチコア光ファイバ（以下、「ＭＭ−ＭＣＦ」と記す）が知られている。なお、本明細書において、マルチモードを伝送するコアは、複数のコア群が一つのコアとして機能する結合型マルチコアであってもよい。

本実施形態の第１態様として、光強度測定方法は、変調工程と、入力工程と、受光工程と、光強度取得工程（解析工程を含む）を備え、更に算出工程（伝送損失算出工程）を備えてもよい。光源からの光は測定対象となる空間モードの数Ｍ（≧２）以上の数の複数の光に分配される。変調工程では、分配された複数の光が、それぞれが異なる変調条件に対応付けられた複数の強度変調器に入力され、異なる変調光として個別に変調される。入力工程では、変調工程において個別に変調された複数の変調光が、それぞれ異なるＭ個の空間モードとなるよう、被測定光ファイバであるＳＤＭファイバに入力される。入力工程においてＳＤＭファイバ内に入力され該ＳＤＭファイバを伝搬した全ての変調光が空間モード多重されているため、受光工程では、ＳＤＭファイバからの出力光は、空間モードの区別なく受光デバイス（光電変換器）で一括受光され、係る出力光の光強度がアナログデータあるいはデジタルデータとして電気信号に変換される。光強度取得工程では、受光工程で変換された電気信号のデータを解析する解析工程が行われることにより、変調光それぞれの光強度情報として、ＳＤＭファイバから出力されるＭ個の空間モードそれぞれの光強度Ｐ_ｍ（＝１〜Ｍ）が取得される。なお、上記光強度取得工程に含まれる解析工程では、電気信号のデータをデジタル化した後にフーリエ変換による計算処理を行うことで、変調光ごとの光強度が計算されてもよく、電気スペクトルアナライザーを用いて、アナログの電気信号データのまま周波数ごとの光強度が取得されてもよい。入力工程においてＳＤＭファイバに入力される変調光それぞれは、単一の空間モードとして入力される（変調光それぞれに対応する空間モード同士は互いに異なっている）。

本実施形態の第２態様として、上述の光強度測定の延長としての伝送損失測定を説明する。まず、光強度測定が、ＳＤＭファイバのファイバ長を変えて２回行われる。すなわち、第１ファイバ長Ｌ_１に設定されたＳＤＭファイバにおける第１光強度情報としてＭ個の空間モードそれぞれの光強度（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ１が取得される（第１取得工程）。また、第１ファイバ長よりも短い第２ファイバ長Ｌ₂に設定されたＳＤＭファイバにおける第２光強度情報としてＭ個の空間モードそれぞれ光強度（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ２が取得される（第２取得工程）。伝送損失算出工程では、第１および第２ファイバ長の差分長ΔＬ（＝Ｌ_１−Ｌ_２）および第１および第２光強度情報のデシベル値の差分強度情報ΔＰ_ｍ（＝１０・ｌｏｇ_１０（（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ２）−１０・ｌｏｇ_１０（（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ１））から、測定対象となるＭ個の空間モードそれぞれの伝送損失α_ｍ（＝ΔＰ_ｍ／ΔＬ）が算出される。この態様によれば、ＳＤＭファイバにおけるＭ個の空間モードそれぞれの伝送損失が効率的に測定される。

また、本実施形態の第１および第２態様における変調工程として、同一光源からの光を複数の光に分割し（測定対象である空間モードの数Ｍ以上の数の光に分割）、分割光それぞれに対応するよう個別の強度変調器が配置される。個別に配置された複数の強度変調器は、それぞれ異なる変調条件で分割光を個別に変調する。変調条件は、異なる周波数での強度変調（Chopping）すなわちパルスの周波数が異なる周波数変調でも、異なるタイミングでの通過変調（Gating）すなわち同一周波数でパルス発生の時間が異なるタイミング変調でもよい。

なお、異なる周波数での強度変調の場合、変調波形にもよるが、光源から出力された光のパワーの半分程度が受光できるため、測定感度を高めることが可能になる。また、異なるタイミングでの通過変調の場合、解析工程では、受光工程における受光タイミングを複数の強度変調器それぞれの光通過タイミングに同期させることにより、測定対象である空間モードに対応する光通過タイミングごとの光強度の経時変化が検出される。このような通過変調によれば、空間モードごとに光強度の経時変化を測定すればよく、測定系の実現が簡単になる。

本実施形態の第３態様として、通常の入力工程の前に、被測定光ファイバであるＳＤＭファイバと同じ空間モードの電界分布を有する入力光ファイバを準備し、この入力光ファイバに対して予備入力工程、予備受光工程および予備光強度取得工程が行われてもよい。予備入力工程では、個別に変調された変調光それぞれがＭ個の空間モードとなるよう、入力光ファイバへ入力される。予備受光工程では、測定対象であるＭ個の空間モードを含む、入力光ファイバからの出力光が直接受光器で受光される。予備光強度取得工程では、予備受光工程で受光された出力光が、通常の光強度取得工程と同じく、異なる変調条件で個別に変調された変調光それぞれの光強度情報として、Ｍ個の空間モードそれぞれの光強度Ｐ_ｍ ^’（ｍ＝１〜Ｍ）が取得される。更に、入力ファイバの出力端と第１ファイバ長Ｌ_１を有するＳＤＭファイバの入力端とをお互いの空間モードが同一となるように調芯した後に、これら入力光ファイバとＳＤＭファイバは結合される。このような接続状態において、通常の入力工程では、入力光ファイバからの出力光をＳＤＭファイバに入力する。その後は、第１態様と同様に、受光工程、光強度取得工程（ＳＤＭファイバから出力されるＭ個の空間モードそれぞれの光強度は（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ１）が行われる。これら工程が行われた後、第２態様における（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ２、ΔＰ_ｍ、ΔＬを、それぞれＰ_ｍ ^‘、１０・ｌｏｇ_１０（Ｐ_ｍ ^‘）―１０・ｌｏｇ_１０（（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ１）、Ｌ_１とすれば、ＳＤＭファイバの伝送損失α_ｍ（＝ΔＰ_ｍ／Ｌ_１）が算出される。この方法では、Ｐ_ｍ ^‘を求めておいた入力光ファイバを固定すれば、被測定光ファイバであるＳＤＭファイバを変えるごとに（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ２を求めなくてもよく（第２光強度情報の測定時間の短縮）、すなわち、該（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ２を測定するためにＳＤＭファイバを切断しなくてもよい（ＳＤＭファイバのカットバックは不要）。

本実施形態の第１〜第３態様では、被測定光ファイバであるＳＤＭファイバに対し、空間モード間の結合、すなわち空間モード間クロストークが生じないように変調光それぞれを入力することが重要である。変調光入力時の空間モード間クロストークは、−２０ｄＢ以下であるのが好ましい。この態様によれば、各空間モードの伝送損失が高精度に測定できる。入力工程から受光工程に移行する前に、クロストーク最適化工程を設け、空間モード間クロストークを確認し、空間モード間クロストークが−２０ｄＢを超えないように、異なる変調条件で個別に変調された変調光それぞれがＳＤＭファイバに入力される位置関係を調整することが好ましい。なお、クロストーク最適化工程により変調光それぞれの入力状態の最適化が行われると、その後は、入力工程および受光工程が続けて実行されればよい。または、上述のクロストーク最適化工程に替えて、光強度取得工程の後に光強度補正工程が実施されてもよい。この光強度補正工程では、クロストークの測定値および測定されたＭ個の空間モードそれぞれの光強度から、クロストークが無かった場合のＭ個の空間モードそれぞれの光強度が算出される。

本実施形態の第４態様として、空間モード測定装置は、上述の第１〜第３態様の測定を行うことで、被測定光ファイバであるＳＤＭファイバにおけるＭ個の空間モードそれぞれの光強度（伝送損失）を測定する。当該空間モード測定装置は、光源と、スプリッタと、空間モード入力装置と、電変換器と、光強度情報取得部と、を備える。光源は、特定の波長の光を出力する。スプリッタは、光源からの光を、測定対象となる空間モードの数Ｍ（≧２）以上の数に分割する。空間モード入力装置は、複数の変調器と、入力端と、出力端と、を有する。複数の変調器は、スプリッタにより分割された光それぞれを異なる変調条件で個別に変調する。入力端は、複数の変調器から出力された変調光それぞれが個別に入力される。そのため、入力端側には、複数の入力端光ファイバが配置されてもよい。出力端は、少なくともＭ（≧２）個の空間モードを伝送可能な被測定光ファイバへ出力する。そのため、出力端側には、出力端光ファイバが配置されてもよい。光電変換器は、空間モード入力装置からの出力光をＳＤＭファイバ経由で一括受光し、一括受光された出力光の光強度をアナログデータまたはデジタルデータとして電気信号に変換する。光強度情報取得部は、光電変換器からの電気信号のデータを解析することにより、変調光それぞれの光強度情報として、被測定光ファイバから出力されたＭ個の空間モードそれぞれの光強度Ｐ_ｍ（＝１〜Ｍ）を測定する。スプリッタの出力端の数は、測定対象である空間モードの数と同じかそれ以上が用意されていてもよい。空間モード入力装置の出力端は、被測定光ファイバであるＳＤＭファイバの空間モードにそれぞれ対応付けられるよう、該ＳＤＭファイバの空間モード配置およびサイズに対し、合致した空間モード配置および同等またはそれ以下のサイズを有していればよい。空間モード入力装置の出力端は、空間モードが適正に入力できるようにＳＤＭファイバの入力端が固定されていてもよい。また、空間モード入力装置の出力端には、ＳＤＭファイバへ入力される光の光軸に直交する平面上の位置及び該光軸を中心とした回転方向の位置の両方の微調整が可能な調芯装置がさらに付加されていてもよい。光電変換器は、ＳＤＭファイバからの出力光を空間モードの区別なく一括受光し、該出力光の光強度に対応する電気信号（アナログデータまたはデジタルデータ）を出力する受光デバイスを含む。光強度取得部では、受光工程での電気信号のデータをアナログデータのまま電気スペクトルアナライザーに入れ、周波数ごとの光強度データを空間モードごとの光強度を取得してもよい。あるいは、光強度取得部では、デジタルデータの電気信号をフーリエ変換し、周波数ごとの光強度を、該当する空間モードごとの光強度として取得してもよい。

本実施形態の第５態様として、上述の第４態様における光強度取得部は、更に空間モードそれぞれの伝送損失を算出するため、第１記憶部と、第２記憶部と、伝送損失算出部と、を有してもよい。第１記憶部は、第１ファイバ長に設定されたＳＤＭファイバから出力されたＭ個の空間モードそれぞれの第１光強度情報の取得結果を格納する。第２記憶部は、第１ファイバ長とは異なる第２ファイバ長に設定されたＳＤＭファイバから出力されたＭ個の空間モードそれぞれの第２光強度情報の取得結果を格納する。伝送損失算出部は、第１記憶部に格納された第１光強度情報、第２記憶部に格納された第２光強度情報、および第１ファイバ長と第２ファイバ長の差分長ΔＬとから、Ｍ個の空間モードそれぞれの、ＳＤＭファイバの単位長さ当たりの伝送損失α_ｍ（ｍ＝１〜Ｍ）を算出する。伝送損失算出の一例としては、上述の第２態様と同様に、伝送損失α_ｍ（＝ΔＰ_ｍ／ΔＬ）としてもよい。あるいは、上述の第３態様と同様に、予備入力工程等を前提に、事前に第２光強度情報を測定しておき（第２光強度情報は第２記憶部に格納）、ＳＤＭファイバの第１光強度を測定してもよい。

なお、上述の第４および第５態様における複数の変調器それぞれは、光源からの分配光それぞれをチョッピング（Chopping）するＯＮ／ＯＦＦ変調器であり、これら複数の変調器は、それぞれ異なる変調条件で個別に制御される。変調条件としては、チョッピングの周波数が異なる周波数に設定されてもよく（第１変調条件）、また、変調器ごとにチョッピングのタイミングがずらされてもよく（第２変調条件）。複数の変調器それぞれは、第１および第２変調条件の何れかに設定されていればよく、また、選択可能であればよい。チョッピングのタイミングをずらす場合は、変調器全部のタイミングをずらす必要があるため、変調器全部が統括した状態で制御されていてもよい。なお、各変調器が第１変調条件に設定された状態における光強度情報取得部は、光電気変換器からの電気信号のデータを、デジタルデータとして取得し、フーリエ変換し、周波数ごとの光強度を取得するフーリエ変換部、または、アナログ信号データとして取得し、周波数（スペクトル）ことの光強度を取得する電気スペクトルアナライザーを含むのが好ましい。

上述の第３態様に準拠した第６態様としては、上述の第４および第５態様の装置構成において、当該空間モード測定装置は、被測定光ファイバであるＳＤＭファイバと同じ空間モードの電界分布を有する入力光ファイバが、空間モード入力装置とＳＤＭファイバの間に配置されてもよい。用意された入力光ファイバに対して予備入力工程、予備受光工程、および予備光強度取得工程を予め実施しておくことにより、入力光ファイバから得られる空間モードそれぞれの光強度を上述の第２光強度情報として利用すれば、ＳＤＭファイバを変えた場合でも同一の第２光強度情報の使用が可能になる。つまり、第２光強度情報の測定時間の短縮と第２光強度情報を取得する際のＳＤＭファイバの切断（カットバック）が不要になる。

以上、この[本願発明の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。

[本願発明の実施形態の詳細]
本願発明に係る光強度測定方法および空間モード測定装置の具体例を、以下に添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、これら例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。

図１は、本実施形態に係る光強度測定方法を実施する測定系（空間モード測定装置）の第１構成例を示す図である。この第１構成例に係る空間モード測定装置１は、光源１０と、測定対象となるそれぞれが異なる空間モードに割り当てられた強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎと、被測定光ファイバであるＳＤＭファイバ１００と、光電変換器である受光デバイス（以下、「ＰＤ」と記す）８０と、測定対象となる空間モードごとに光強度情報（または伝送損失）を取得する光強度情報取得部９０Ａと、を備える。なお、図１の例において、強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎは、異なる周波数で入力光強度のＯＮ/ＯＦＦ変調(Chopping)を行う。

図１中のＣ１は、被測定光ファイバであるＳＤＭファイバ１００の入力端１０１と全空間モードを入力するための入力用ＳＤＭファイバ（以下、「入力光ファイバ」と記す）５０の出力端５１との接続点であり、ＳＤＭファイバ１００および入力光ファイバ５０は、接続デバイス（調芯装置）６０Ａにより調芯された状態で接続される。一方、図１中のＣ２は、ＳＤＭファイバ１００の出力端１０３と全空間モードを受光するための出力用ＳＤＭファイバ（以下、「出力光ファイバ」と記す）７０の入力端７１との接続点であり、ＳＤＭファイバ１００および出力光ファイバ７０は、接続デバイス（調芯装置）６０Ｂにより調芯された状態で接続される。入力光ファイバ５０が、ＳＤＭファイバ１００と同様の構造を有し、出力光ファイバ７０は、コア径の十分に大きく、かつ、空間モード数がＳＤＭファイバ（被測定光ファイバ）１００よりも十分多いマルチモード光ファイバ（以下、「ＭＭＦ（MultiMode optical Fiber）」と記す）が適用されてもよい。なお、ＳＤＭファイバ１００と入力光ファイバ５０とは、空間モード間クロストークが測定に影響が出ない程度に十分低く（少なくとも−２０ｄＢ以下）なるように、接続デバイス６０Ａを介して接続される。なお、入力光ファイバ５０は、被測定光ファイバであるＳＤＭファイバ１００と同種の光ファイバが好ましい。例えば、被測定光ファイバと入力光ファイバは、両方とも非結合型ＭＣＦ、両方とも結合型ＭＣＦ、両方ともＭＭＦ、または、両方ともＦＭＦとなる。

ＳＤＭファイバ１００と入力光ファイバ５０との調芯および接続を実現する接続デバイス６０Ａは、各光ファイバを長手軸に沿って配置させるためにＶ溝を有するのが、測定効率化の観点から好ましい。この場合、ファイバの長手軸を中心とした回転調心が可能になり、また、クラッド外径を基準とした軸合せが同時に可能になる。このような構成は、ＳＤＭファイバ１００と出力光ファイバ７０との調芯および接続を実現する接続デバイス６０Ｂにも、同様に適用可能である。

光源１０と強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎの間には、空間モードごとに光源１０からの光を強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎそれぞれに振り分けるためのスプリッタとして機能するファンアウトデバイス（以下、「ＳＤＭ−ＦＯ」と記す）２０Ａが配置されている。また、強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎと入力光ファイバ５０の間には、強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎにおいてそれぞれ異なる空間モードとして個別に変調された変調光を入力光ファイバ５０に導くためのファンインデバイス（以下、「ＳＤＭ−ＦＩ」と記す）２０Ｂが配置されている。ＳＤＭ−ＦＯ２０Ａの入力端は、ＳＤＭファイバを介して光源１０に光学的に接続されており、ＳＤＭ−ＦＯ２０Ａの複数の出力端は、シングルモード光ファイバ（以下、「ＳＭＦ」と記す）３０Ｂを介して強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎに個別に接続されている。一方、ＳＤＭ−ＦＩ２０Ｂの複数の入力端は、ＳＭＦ３０Ｃを介して強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎに個別に接続されており、ＳＤＭ−ＦＩ２０Ｂの出力端は、入力光ファイバ５０の入力端に光学的に接続されている。なお、強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_ＮとＳＤＭ−ＦＯ２０Ａ（ＳＤＭ−ＦＯの２０Ａの入力端および出力端）により、空間モード入力装置が構成されている。

ＰＤ８０は、出力光ファイバ７０を介してＳＤＭファイバ１００を伝搬した全空間モードを一括受光し、電気配線８５を介して光強度情報取得部９０Ａへその受光信号を出力する。光強度情報取得部９０Ａでは、後述のようにＰＤ８０からの受光信号を解析し、測定対象である空間モードごとに光強度を算出する。なお、図１の例において、強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎは、分配された光をそれぞれ異なる周波数に強度変調（Chopping）を行う。光強度情報取得部９０Ａは、ファイバ長が調整されたＳＤＭファイバそれぞれを伝搬した光を受光したＰＤ８０からの電気信号を受けるが、この電気信号には、第１ファイバ長（図１中、ＳＤＭファイバ１００Ａのファイバ長とＳＤＭファイバ１００Ｂのファイバ長の合計）に設定されたＳＤＭファイバからの出力光の第１光強度情報を含む電気信号と、第１ファイバ長より短い第２ファイバ長（図１中、破線Ａで切断されたＳＤＭファイバ１００Ａのみのファイバ長）に設定されたＳＤＭファイバからの出力光の第２光強度情報を含む電気信号を含む。光強度情報取得部９０Ａは、異なるファイバ長に設定された状態で得られる２種類の受光信号をそれぞれ個別にフーリエ解析し、これら２種類の受光信号（電気信号）それぞれに含まれる周波数成分ごとの光強度成分を取得することで、第１および第２光強度情報を得る。具体的にフーリエ解析では、電気信号を電気スペクトルアナライザーに直接入力することで、周波数ごとの光強度情報が取得し得る。また、フーリエ解析の他の例では、電気信号を一旦デジタル信号化し、フーリエ変換部で周波数ごとの信号強度を算出することで光強度情報が取得し得る。なお、電気スペクトルアナライザーおよびフーリエ変換部が図１中の処理部９３に相当する。また、取得して得られた第１光強度情報及び第２光強度情報は、それぞれ光強度情報取得部９０Ａ中の第１記憶部９４Ａおよび第２記憶部９４Ｂに格納される。図１中の９１は、光強度情報取得部９０Ａによる検出結果の一例である。さらに、光強度情報取得部９０Ａは、伝送損失算出部９５を有し、第１および第２ファイバ長の差分情報および第１および第２光強度情報の差分情報から、測定対象となる空間モードそれぞれに対応する周波数ごとの伝送損失を算出する。なお、切断後のＳＤＭファイバ１００Ａのファイバ長（第２ファイバ長）は、１ｍ〜２２ｍであるのが望ましい。

図２は、本実施形態に係る光強度測定方法を実施する測定系（空間モード測定装置）の第２構成例を示す図である。この第２構成例に係る空間モード測定装置２は、強度変調器４０Ｂ_１〜４０Ｂ_Ｎおよび光強度情報取得部９０Ｂを備えた点で、第１構成例に係る空間モード測定装置１（図１）と異なる。当該空間モード測定装置２のその他の構成ついては、第１構成例に係る空間モード測定装置１の構成と同じでよい。なお、図２の例において、強度変調器４０Ｂ_１〜４０Ｂ_Ｎは、光源１０から連続して光が出力されているが、強度変調器全体が周期的に動作し、１回の周期内で、個別の強度変調器が個別の時間帯ごとに１回光出力動作中となる時間があるようにＯＮ/ＯＦＦ変調(Gating)制御がなされている。

この第２構成例に係る空間モード測定装置２において、強度変調器４０Ｂ_１〜４０Ｂ_Ｎは、ＳＤＭ−ＦＯ２０ＡとＳＤＭ−ＦＩ２０Ｂとの間に並列に配置され、分配された光をそれぞれが異なるタイミングで通過（Gating）させる。ＳＤＭ−ＦＯ２０Ａと強度変調器４０Ｂ_１〜４０Ｂ_ＮとはＳＭＦ３０Ｂを介して光学的に接続される一方、ＳＤＭ−ＦＩ２０Ｂと強度変調器４０Ｂ_１〜４０Ｂ_ＮともＳＭＦ３０Ｃを介して光学的に接続されている。光強度情報取得部９０Ｂは、ファイバ長が調整されたＳＤＭファイバそれぞれを伝搬した光を受光したＰＤ８０からの電気信号を受けるが、この電気信号には、第１ファイバ長（図２中、ＳＤＭファイバ１００Ａのファイバ長とＳＤＭファイバ１００Ｂのファイバ長の合計）に設定されたＳＤＭファイバからの出力光の第１光強度情報を含む電気信号と、第１ファイバ長より短い第２ファイバ長（図２中、破線Ａで切断されたＳＤＭファイバ１００Ａのみのファイバ長）に設定されたＳＤＭファイバからの出力光の第２光強度情報を含む電気信号を含む。光強度情報取得部９０Ｂは、空間的に一括受光した後の光を、受光タイミングを強度変調器４０Ｂ_１〜４０Ｂ_Ｎそれぞれの光通過タイミングに同期させることにより、異なるファイバ長に設定された状態で得られる２種類の受光信号（空間モードごとに順次受光した一連の光強度情報）から、第１および第２光強度情報として、光通過タイミングごとの光強度（各空間モードの光強度）の経時変化を検出する。すなわち、強度変調器４０Ｂ_１〜４０Ｂ_Ｎ側における光通過タイミングとＰＤ８０側における受光タイミングが同期しているため、光強度の経時変化を検出することで、各強度変調器がそれぞれ異なる時間帯に単独でＯＮになっているタイミングの光強度が取得できる。取得された第１および大２光強度情報は、一旦第１記憶部９４Ａおよび第２記憶部９４Ｂにそれぞれ格納される。図２中の９２は、光強度情報取得部９０Ａによる検出結果である。さらに、光強度情報取得部９０Ｂの伝送損失算出部９５は、第１および第２ファイバ長の差分情報および第１および第２光強度情報の差分情報から、測定対象となる空間モードそれぞれの伝送損失を算出する。

なお、上述の図１及び図２に示された空間モード測定装置１、２の何れもおいても、１つの光源１０からの光により光ファイバ３０Ａに入力し、ＳＤＭ−ＦＯ２０Ａを介して、それぞれが均等の光強度を有する複数の分割光として、光源１０からの光を強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎまたは４０Ｂ_１〜４０Ｂ_Ｎに分配する例が示されている。本実施形態はこの構成には限定されない。すなわち、光源１０は、広帯域光源と、波長可変の帯域通過フィルタとにより構成されてもよい。また、光源１０として複数の光源が適用され、強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎまたは４０Ｂ_１〜４０Ｂ_Ｎに複数の光源からの光が、ＳＤＭ−ＦＯ２０Ａを介さずに、入力されてもよい。また、ＳＤＭ−ＦＯ２０Ａの代わりに単なる光パワースプリッタなどを用いても良い。

図１および図２の出力光ファイバ７０は、測定対象の空間モードの数Ｍ（≧２）がＳＤＭファイバ１００（被測定光ファイバ）よりも十分多いＭＭＦが適用されてもよい。また、図１および図２には、ＳＤＭファイバ１００とＰＤ８０とが出力光ファイバ７０を介して光学的に接続された例が示されているが、出力光ファイバ７０介さずに、ＳＤＭファイバ１００からの光をＰＤ８０が直接受光する構成であってもよい。

ＰＤ８０は、ＳＤＭファイバ１００を伝搬した光の強度情報を電気信号として出力する光電変換器であり、この光電変換器は、ＰＤ(フォトディテクタ)の他、光強度や光強度の対数に比例するアナログ電気出力が可能なパワーメータであるのが好ましい。また、図１および図２の例において、ＰＤ８０は出力光ファイバ７０を介してＳＤＭファイバ１００に光学的に接続されているが、出力光ファイバ７０を介さずに、直接ＳＤＭファイバ１００からの出力光を受光してもよい。

図１の光強度情報取得部９０Ａの処理部９３で行われるフーリエ解析は、電気スペクトルアナライザーまたは受光パワーのアナログ・デジタル変換器と離散フーリエ変換器（フーリエ変換部）による、周波数ごとの光出力の取得によって行うことができる。

次に、本実施形態の光強度測定方法を、図３のフローチャートを用いて説明する。なお、以下の測定動作は、主に図１の空間モード測定装置１における測定動作について説明するものとし、必要に応じて図２の空間モード測定装置２における測定動作に言及するものとする。

本実施形態に係る光強度測定方法は、ＳＤＭファイバ１００における空間モードごとの光強度更には伝送損失を測定するため、光分配工程、変調工程、入力工程、受光工程、光強度取得工程と、伝送損失算出工程により構成されている。

まず、光分配工程では、ＳＤＭ−ＦＯ２０ＡとＳＤＭ−ＦＩ２０Ｂとの間に並列に配置された強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎに、光源１０から出力された光が分配される（ステップＳＴ００）。具体的には、光源１０からの光は、光ファイバ３０Ａを介してＳＤＭ−ＦＯ２０Ａに到達し、さらに、ＳＭＦ３０Ｂを介して異なる空間モードに対応付けられた強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎにそれぞれ分配される。なお、出力波長および出力強度の双方が同じに設定された複数の光源からの光を、複数の変調器それぞれに個別にかつ直接入力する構成が適用されてもよい。

変調工程において、強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎそれぞれでは、分配された光に対して異なる周波数で光強度のＯＮ/ＯＦＦ変調(Chopping)が行われる（ステップＳＴ１０）。または、図２のように、強度変調器４０Ｂ_１〜４０Ｂ_Ｎのそれぞれが異なる時間帯に個別にＯＮとなる時間が発生するように光強度のＯＮ/ＯＦＦ変調(Gating)が行われる。

続いて、入力工程では、変調工程での変調光がＳＤＭファイバ１００に入力される（ステップＳＴ２０）。具体的には、強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎそれぞれから出力された変調光はＳＭＦ３０Ｃを介してＳＤＭ−ＦＩ２０Ｂに到達し、強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎからの全空間モードの光が入力光ファイバ５０を介して被測定光ファイバであるＳＤＭファイバ１００に導入される。入力光ファイバ５０とＳＤＭファイバ１００は、強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎそれぞれからの変調光がＳＤＭファイバ１００の出力端に到達するまでに発生する空間モード間クロストークが−２０ｄＢ以下になるように、接続デバイス６０Ａにより調芯された状態で接続されている。これにより、ＳＤＭファイバ１００における空間モードでは、それぞれ異なるパターンの強度変調光が伝搬することになる。なお、図２に示された変調の場合、出力光が、変調光ごとに異なるタイミングで出力されるように変調のタイミングが制御される必要がある。

受光工程では、光源１０から連続して光が出力されている期間中に強度変調器４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎそれぞれにおいて変調されかつＳＤＭファイバ１００を伝搬した全ての変調光が受光される（ステップＳＴ３０）。具体的には、ＳＤＭファイバ１００からの出力光は、出力光ファイバ７０を経てＰＤ８０により受光され、強度情報Ｐ_ｏｕｔを含む電気信号がＰＤ８０から光強度情報取得部９０Ａに入力される。

光強度取得工程では、ＳＤＭファイバ１００（第１ファイバ長に設定されている被測定光ファイバ）における第１光強度情報Ｐ_ｏｕｔ１として得られた受光信号が取得される（ステップＳＴ５０）。具体的には、第１光強度情報Ｐ_ｏｕｔ１として、ＰＤ８０から得られた受光信号をフーリエ解析することにより（解析工程）、電気信号に含まれる周波数ごとの光強度が取得される。なお、図２の空間モード測定装置２の場合、第１光強度情報Ｐ_ｏｕｔ１として、強度変調器４０Ｂ_１〜４０Ｂ_Ｎそれぞれにおける光通過タイミングごとの光強度が取得される。図２の空間モード測定装置２の場合、一連の測定を複数回繰り返し、光強度情報を取得し、その平均値を第１光強度情報として取得してもよい。なお、上記の第１光強度情報Ｐ_ｏｕｔ１は、測定対象であるＭ（≧２）個の空間モードそれぞれの光強度Ｐ_ｍ（ｍ＝１〜Ｍ）の第１光強度情報（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ１の集合を意味する。

続けて光強度取得工程では、被測定光ファイバの長さ調整が行われる（ステップＳＴ６０）。具体的には、第１光強度情報を検出するために用意されたＳＤＭファイバ１００は図１中の破線Ａで示された位置で切断され、ＳＤＭファイバ１００Ａと入力光ファイバ５０との接続を維持したまま、ＳＤＭファイバ１００Ｂが除去される。被測定光ファイバとして残されたＳＤＭファイバ１００Ａのファイバ長は１ｍ〜２２ｍが好ましい。ＳＤＭファイバ１００Ａの出力端１０２は、接続デバイス６０Ｂにより、Ｃ２点において出力光ファイバ７０の入力端７１と調芯された状態で接続される。このように、被測定光ファイバとして、入力光ファイバ５０と出力光ファイバ７０との間にＳＤＭファイバ１００Ａのみが配置された状態で、上述の分配工程（ステップＳＴ００を含む）、変調工程（ステップＳＴ１０を含む）、入力工程（ステップＳＴ２０を含む）、受光工程（ステップＳＴ３０を含む）が再度実行される。

さらに、光強度取得工程では、第１光強度情報Ｐ_ｏｕｔ１検出が終了している場合（ステップＳＴ４０）、第２光強度情報Ｐ_ｏｕｔ２として、ＰＤ８０から得られた受光信号をフーリエ解析することにより（ステップＳＴ７０）、第１光強度情報Ｐ_ｏｕｔ１と同様の方法で取得される。なお、上記の第２光強度情報Ｐ_ｏｕｔ２は、測定対象であるＭ個の空間モードそれぞれの光強度Ｐ_ｍの第２光強度情報（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ２の集合を意味する。

伝送損失算出工程では、ＳＤＭファイバ１００の第１ファイバ長とＳＤＭファイバ１００Ａの第２ファイバ長との差分情報と、上述の光強度取得工程において得られた空間モードごと（変調条件ごと）の第１および第２光強度情報の差分情報から、測定対象となる空間モードそれぞれの伝送損失が算出される（ステップＳＴ８０）。具体的には、測定対象である空間モードそれぞれについて、第１光強度情報Ｐ_ｏｕｔ１のデシベル値と第２光強度情報Ｐ_ｏｕｔ２のデシベル値との差分を、Ｐ_ｏｕｔ１検出時の第１ファイバ長とＰ_ｏｕｔ２検出時の第２ファイバ長との差分で除することにより、空間モードごとの伝送損失係数[ｄＢ／単位長さ]が得られる。

なお、変調光入力時の空間モード間クロストークは、−２０ｄＢ以下であるのが好ましい。そのため、入力工程から受光工程に移行する前に、図３中の工程Ａで示されたクロストーク最適化工程が設けられてもよい。この工程Ａでは、空間モード間クロストークを確認し、空間モード間クロストークが−２０ｄＢを超えないように、異なる変調条件で個別に変調された変調光それぞれがＳＤＭファイバに入力される位置関係が、接続デバイス６０Ａ、６０Ｂにより調整される。工程Ａにより変調光それぞれの入力状態の最適化が行われると、その後は、入力工程および受光工程が続けて実行されればよい。または、上述のクロストーク最適化工程に替えて、光強度取得工程の後に図３中の工程Ｂで示された光強度補正工程が実施されてもよい。この工程Ｂでは、クロストークの測定値および測定されたＭ個の空間モードそれぞれの光強度から、クロストークが無かった場合のＭ個の空間モードそれぞれの光強度が算出される。

また、通常の入力工程の前に、ＳＤＭファイバ１００と同じ空間モードの電界分布を有する入力光ファイバを準備し（図１および図２の例では、入力光ファイバ５０が適用されればよい）、この入力光ファイバに対して予備入力工程、予備受光工程および予備光強度取得工程が行われてもよい。これら予備入力工程、予備受光工程および予備光強度取得工程は、上述の入力工程、受光工程および光強度取得工程と同じ工程であり、上述の第２光強度情報として、準備された入力光ファイバから空間モードそれぞれの光強度を測定しておいてもよい。この場合、被測定光ファイバであるＳＤＭファイバ１００を変えるごとに第２光強度情報を求めなくてもよく（第２光強度情報の測定時間の短縮）、すなわち、該第２光強度情報を測定するためにＳＤＭファイバを切断しなくてもよい（ＳＤＭファイバ１００のカットバックは不要）。

１、２…空間モード測定装置、１０…光源、４０Ａ_１〜４０Ａ_Ｎ、４０Ｂ_１〜４０Ｂ_Ｎ…強度変調器、５０…入力光ファイバ（入力用ＳＤＭファイバ）、７０…出力光ファイバ（出力用ＳＤＭファイバ）、８０…受光デバイス（光電変換器）、１００、１００Ａ、１００Ｂ…ＳＤＭファイバ、９０Ａ、９０Ｂ…光強度情報取得部、９３…処理部（フーリエ変換部または電気スペクトルアナライザー）、９４Ａ…第１記憶部、９４Ｂ…第２記憶部、９５…伝送損失算出部。

Claims (4)

1. 空間モードの光強度測定方法であって、
   測定対象となるＭ（≧２）個の空間モードに割り当てられる光それぞれを異なる変調条件で個別に変調する変調工程と、
   前記変調工程において異なる変調条件で個別に変調された変調光がそれぞれ測定すべき前記Ｍ個の空間モードとなるよう、少なくとも前記Ｍ個の空間モードを伝送可能な被測定光ファイバの第１端から前記被測定光ファイバ内へ、前記変調光それぞれを入力する入力工程と、
   前記第１端に対向する、前記被測定光ファイバの第２端からの出力光を空間モードの区別なく一括して受光し、一括受光された前記出力光の光強度をアナログデータまたはデジタルデータとして電気信号に変換する受光工程と、
   前記電気信号に変換されたデータを解析することにより、前記変調光それぞれの光強度情報として、前記被測定光ファイバの前記第２端から出力される前記Ｍ個の空間モードそれぞれの光強度Ｐ_ｍ（＝１〜Ｍ）を取得する光強度取得工程と、
   を備え、
   第１動作は、前記変調工程における強度変調動作として、前記Ｍ個の空間モードに割り当てられる光それぞれを異なる変調周波数で強度変調するとともに、前記光強度取得工程において、前記電気信号のデータを周波数解析することにより、異なる変調周波数で強度変調された前記変調光それぞれの光強度情報として、前記Ｍ個の空間モードそれぞれの光強度を測定することにより規定され、
   第２動作は、前記変調工程における強度変調動作として、前記変調光が２つ以上同時に出力されることが無いように前記Ｍ個の空間モードに割り当てられる光それぞれを異なる変調タイミングでゲーティングするとともに、前記光強度取得工程において、前記変調光それぞれの光強度情報として、前記Ｍ個の空間モードそれぞれの光強度を測定することにより規定され、
   前記第１動作または前記第２動作を実行する、
   光強度測定方法。
2. 前記光強度取得工程は、第１ファイバ長に設定された前記被測定光ファイバから出力される前記Ｍ個の空間モードそれぞれの光強度（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ１を測定する第１取得工程と、前記第１取得工程の後に実行され、前記第１ファイバ長より長さΔＬだけ短い第２ファイバ長に設定された前記被測定光ファイバから出力される前記Ｍ個の空間モードそれぞれの光強度（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ２を測定する第２取得工程と、を含み、
   前記第１取得工程で測定された前記光強度（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ１、前記第２取得工程で測定された前記光強度（Ｐ_ｍ）_ｏｕｔ２、および前記長さΔＬから、前記被測定光ファイバの単位長さ当たりの、前記Ｍ個の空間モードそれぞれの伝送損失α_ｍを算出する伝送損失算出工程と、
   を備える請求項１に記載の光強度測定方法。
3. 前記被測定光ファイバと同じ空間モードの電界分布を有する入力光ファイバを準備し、前記変調光がそれぞれ前記Ｍ個の空間モードとなるよう、前記入力光ファイバの第１端から前記入力光ファイバ内へ、前記変調光それぞれを入力する予備入力工程と、
   前記第１端に対向する、前記入力光ファイバの第２端からの出力光を空間モードの区別なく一括して受光し、一括受光された前記出力光の光強度をアナログデータまたはデジタルデータとして電気信号に変換する予備受光工程と、
   前記電気信号に変換されたデータを解析することにより、前記変調光それぞれの光強度情報として、前記Ｍ個の空間モードそれぞれの光強度Ｐ’_ｍ（＝１〜Ｍ）を取得する予備光強度取得工程と、を備え、
   前記予備入力工程、前記予備受光工程および前記予備光強度取得工程は、前記入力工程の前に実行され、前記変調光それぞれは、前記入力光ファイバを介して前記被測定光ファイバ内へ入力される、
   請求項１に記載の光強度測定方法。
4. 前記被測定光ファイバにおける前記Ｍ個の空間モード間のクロストークの測定を行い、前記クロストークの測定値が、−２０ｄＢを超える場合に、前記受光工程の前に、前記クロストークが−２０ｄＢ以下になるよう前記被測定光ファイバにおける前記Ｍ個の空間モードへの前記変調光それぞれの入力状態を最適化するクロストーク最適化工程、
   または、
   前記光強度取得工程の後に、前記クロストークの測定値および測定された前記Ｍ個の空間モードそれぞれの光強度から、前記クロストークが無かった場合の前記Ｍ個の空間モードそれぞれの光強度を算出する、光強度補正工程を有する、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の光強度測定方法。

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