JP6706186B2 - ２モード光ファイバ特性解析方法および２モード光ファイバ特性解析装置 - Google Patents

Description

本開示は、２モード光ファイバ中の基本モードおよび第一高次モードに対するレイリー散乱係数の比率を評価するための、光ファイバ特性解析方法および光ファイバ特性解析装置に関する。

動画やゲームに代表される大容量コンテンツの増加やスマートフォンの普及伴い、光ファイバネットワークにおけるトラフィック量は年々増加している。一方で、現在伝送媒体として用いられているシングルモードファイバには、伝送容量の限界が近づいている。将来的なトラフィック増大に対応するための一つの技術として、数モードファイバを用いたモード多重伝送が注目されている。数モードファイバを用いたモード多重伝送システムを構築する場合、モード間の損失差は伝送品質を劣化される要因となるため極力小さくすることが望ましい。

ところで、光ファイバ中の伝送損失はレイリー散乱と密接に関係することが知られている。したがって、モード間のレイリー散乱係数差は、モード間の損失差を評価する上で重要なパラメータの一つである。非特許文献１では、モード毎のレイリー散乱係数を推定する計算モデルや、数モード光ファイバ全長におけるレイリー散乱係数の平均を測定する方法について報告している。

半澤信智、辻川恭三、野添紗希、馬麟、山本文彦、「Ｆｅｗ−ｍｏｄｅ光ファイバにおけるレイリー散乱損失のモード依存性に関する検討」、ＯＦＴ２０１４−７ Ａ． Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．， "Ｌｏｓｓ ｃａｕｓｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｂｙ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｍｏｄａｌ ｌｏｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈ １−μｍ−ｂａｎｄ ｍｏｄｅ−ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ＯＴＤＲ"， Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ． ３４， ｎｏ． １５， ｐｐ． ３５６８−３５７６， ２０１６．

しかし、数モード光ファイバ長手方向にわたるモード間のレイリー散乱係数差の分布を測定する方法についてはこれまでに提案されていない。モード間のレイリー散乱係数差の分布を測定することができれば、モード間損失差の小さい数モード光ファイバを設計および製作にフィードバックすることが可能となる。

本発明は、上記事情に着目してなされたもので、基本モードと第一高次モードのレイリー散乱係数差の分布を評価可能とする２モード光ファイバ特性解析方法および２モード光ファイバ特性解析装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る２モード光ファイバ特性解析方法は、被試験光ファイバに試験光パルスを基本モード（ＬＰ０１）で入射したときに得られる後方散乱光に含まれる第１高次モード（ＬＰ１１）成分の強度分布と、被試験光ファイバに試験光パルスをＬＰ１１モードで入射したときに得られる後方散乱光に含まれるＬＰ０１モード成分の強度分布から、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとのレイリー散乱係数の比率を計算することとした。

具体的には、本発明に係る２モード光ファイバ特性解析方法は、被試験光ファイバである２モード光ファイバの特性を解析する２モード光ファイバ特性解析方法であって、
前記被試験光ファイバの一端に基本モードで光パルスを入射する第１光入射手順と、
前記被試験光ファイバの前記一端に戻ってきた、前記第１光入射手順で入射した光パルスの後方レイリー散乱光のうち、第１高次モードについて前記被試験光ファイバの距離に対する光強度の分布を取得する第１光強度取得手順と、
前記被試験光ファイバの一端に第１高次モードで光パルスを入射する第２光入射手順と、
前記被試験光ファイバの前記一端に戻ってきた、前記第２光入射手順で入射した光パルスの後方レイリー散乱光のうち、基本モードについて前記被試験光ファイバの距離に対する光強度の分布を取得する第２光強度取得手順と、
前記第１光強度取得手順で取得した光強度の分布と前記第２光強度取得手順で取得した光強度の分布から、前記被試験光ファイバの任意位置における後方レイリー散乱光の伝搬モード間光強度の比率を演算し、前記任意位置における基本モードと第１高次モードのレイリー散乱係数の比とする演算手順と、
を順に行うことを特徴とする。

また、本発明に係る２モード光ファイバ特性解析装置は、被試験光ファイバである２モード光ファイバの特性を解析する２モード光ファイバ特性解析装置であって、
前記被試験光ファイバの一端に基本モード又は第１高次モードで光パルスを入射する光入射手段と、
前記被試験光ファイバの前記一端に戻ってきた、前記光入射手段が入射した光パルスの後方レイリー散乱光を、伝搬モード毎に前記被試験光ファイバの距離に対する光強度の分布を取得する光強度取得手段と、
前記光入射手段が基本モードで入射した光パルスの後方レイリー散乱光のうち第１高次モードの光強度の分布と前記光入射手段が第１高次モードで入射した光パルスの後方レイリー散乱光のうち基本モードの光強度の分布から、前記被試験光ファイバの任意位置における後方レイリー散乱光の伝搬モード間光強度の比率を演算し、前記任意位置における基本モードと第１高次モードのレイリー散乱係数の比とする演算手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明は、ＬＰ０１モードがレイリー散乱された際の距離ｚでの後方散乱光のＬＰ１１モードに対する捕獲率と、ＬＰ１１モードがレイリー散乱された際の距離ｚでの後方散乱光のＬＰ０１モードに対する捕獲率とが同一値であることを利用し、被試験光ファイバに試験光パルスをＬＰ０１モードで入射したときに得られる後方散乱光に含まれるＬＰ１１モード成分の光強度と、被試験光ファイバに試験光パルスをＬＰ１１モードで入射したときに得られる後方散乱光に含まれるＬＰ０１モード成分の光強度の比率をＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとのレイリー散乱係数の比率としている。そして、当該比率からＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとのレイリー散乱係数の差を推定でき、モード間損失差の小さい２モード光ファイバの設計にフィードバックできる。

従って、本発明は、基本モードと第一高次モードのレイリー散乱係数差の分布を評価可能とする２モード光ファイバ特性解析方法および２モード光ファイバ特性解析装置を提供することができる。

本発明は、基本モードと第一高次モードのレイリー散乱係数差の分布を評価可能とする２モード光ファイバ特性解析方法および２モード光ファイバ特性解析装置を提供することができる。

本発明に係る２モード光ファイバ特性解析装置を説明する構成図である。

以下、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の一例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。

図１は、本実施形態の２モード光ファイバ特性解析装置１０１の構成例を説明する図である。２モード光ファイバ特性解析装置１０１は、被試験光ファイバ１０である２モード光ファイバの特性を解析する２モード光ファイバ特性解析装置であって、
被試験光ファイバ１０の一端に基本モード又は第１高次モードで光パルスを入射する光入射手段と、
被試験光ファイバ１０の前記一端に戻ってきた、前記光入射手段が入射した光パルスの後方レイリー散乱光を、伝搬モード毎に被試験光ファイバ１０の距離に対する光強度の分布を取得する光強度取得手段と、
前記光入射手段が基本モードで入射した光パルスの後方レイリー散乱光のうち第１高次モードの光強度の分布と前記光入射手段が第１高次モードで入射した光パルスの後方レイリー散乱光のうち基本モードの光強度の分布から、被試験光ファイバ１０の任意位置における後方レイリー散乱光の伝搬モード間光強度の比率を演算し、前記任意位置における基本モードと第１高次モードのレイリー散乱係数の比とする演算手段と、
を備えることを特徴とする。

より具体的に説明する。２モード光ファイバ特性解析装置１０１は、被試験光ファイバ１０が２モード動作する波長の試験光パルスを生成する生成部Ａと、生成部Ａが生成した試験光パルスを任意のモードで被試験光ファイバ１０に入射し、かつ前記試験光パルスからの後方散乱光に含まれるＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モード成分の強度を分離するモード合分波部Ｂと、モード合分波部Ｂが分離した前記後方散乱光に含まれる各モード成分それぞれを光電変換する受光部Ｃと、前記試験光パルスをＬＰ０１モードで入射したときに得られる後方散乱光に含まれるＬＰ１１モード成分の強度分布と、試験光パルスをＬＰ１１モードで入射したときに得られる後方散乱光に含まれるＬＰ０１モード成分の強度分布を取得し、被試験光ファイバ１０の任意位置における強度の差からＬＰ０１モードとＬＰ１１モード間のレイリー散乱係数差を取得する演算処理部Ｄと、を備える。
なお、生成部Ａとモード合分波部Ｂが前記光入射手段、モード合分波部Ｂと受光部Ｃが前記光強度取得手段、演算処理部Ｄが前記演算手段である。

生成部Ａは、光源１１、パルス発生器１２および光強度変調器１３を有する。光源１１から出力される連続光は、パルス発生器１２の信号に従って光強度変調器１３でパルス化される。光強度変調器１３は、例えば音響光学素子をパルス駆動するようにした音響光学スイッチを備える、音響光学変調器である。本実施形態では、光源１１から出力される連続光の波長を、被試験光ファイバ１０が２モード動作する波長である場合を例にとって説明する。

モード合分波部Ｂは、光サーキュレータ１４およびモード合分波器１５を有する。光強度変調器１３で生成された試験光パルスは、光サーキュレータ１４を介してモード合分波器１５に入射される。モード合分波器１５は、例えば平面光波回路で構成された方向性結合器を備える、モード合分波器である。試験光パルスは、モード合分波器１５で任意のモードに変換されて被試験光ファイバ１０に入射される。ここで、被試験光ファイバ１０に入射されるモードは、光サーキュレータ１４およびモード合分波器１５をつなぐ接続点１０２のつなぎかえることで任意のモードを選択できる。接続点１０２の代わりに経路を任意に変更する機能を有する光スイッチ等を用いてもよい。

被試験光ファイバ１０に入射された試験光パルスが光ファイバ中を伝搬する際、レイリー散乱によって試験光パルスの一部は逆方向に伝搬するＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モード（後方散乱光のＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モード）に結合する。この後方散乱光は、モード合分波器１５に再入射される。このとき後方散乱光のＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モード成分はモード合分波器１５で分離される。

受光部Ｃは、２つの光受信器（１６、１７）を有する。モード合分波器１５でモード毎に分離された後方散乱光のうち、試験光パルスとして被試験光ファイバ１０に入射したモード成分は光サーキュレータ１４を経由して光受信器１６に、他のモード成分は光受信器１７に入射され、光電変換される。

演算処理部Ｄは、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器１８、信号処理回路１９および演算処理回路２０を有する。光受信器１６および１７からの電気信号は、Ａ／Ｄ変換器１８でデジタルデータに変換される。前記デジタルデータは信号処理回路１９に入力される。信号処理回路１９は、後方散乱光のＬＰ０１モードとＬＰ１１モード成分に対する強度分布を取得する。さらに、演算処理回路２０は、以下に説明する演算処理を行う。

２モード光ファイバ特性解析装置１０１は、
前記光入射手段が、前記被試験光ファイバの一端に基本モードで光パルスを入射する第１光入射手順と、
前記光強度取得手段が、前記被試験光ファイバの前記一端に戻ってきた、前記第１光入射手順で入射した光パルスの後方レイリー散乱光のうち、第１高次モードについて前記被試験光ファイバの距離に対する光強度の分布を取得する第１光強度取得手順と、
前記光入射手段が、前記被試験光ファイバの一端に第１高次モードで光パルスを入射する第２光入射手順と、
前記光強度取得手段が、前記被試験光ファイバの前記一端に戻ってきた、前記第２光入射手順で入射した光パルスの後方レイリー散乱光のうち、基本モードについて前記被試験光ファイバの距離に対する光強度の分布を取得する第２光強度取得手順と、
前記演算手段が、前記第１光強度取得手順で取得した光強度の分布と前記第２光強度取得手順で取得した光強度の分布から、前記被試験光ファイバの任意位置における後方レイリー散乱光の伝搬モード間光強度の比率を演算し、前記任意位置における基本モードと第１高次モードのレイリー散乱係数の比とする演算手順と、
を順に行う。

本実施形態では、被試験光ファイバにおける長手方向の揺らぎに起因するＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モード間の結合が無視できるほど小さいと仮定する。ＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードの結合を積極的に利用しない２モード光ファイバにおいては、通常モード結合は極めて小さいため、この仮定は妥当であるといえる。また、ＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードの結合を積極的に利用する２モード光ファイバにおいては、この仮定は成立しないため本測定法は適用対象外とする。

試験光パルスをＬＰ０１モードで被試験光ファイバに入射した際に、距離ｚの位置で生じた後方散乱光のＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードの強度Ｐ_１−１（ｚ）およびＰ_１−２（ｚ）は次式で表される。

ただし、Ｐ_０は被試験光ファイバに入射された試験光パルスパワー、α_ｓ１（ｚ）はＬＰ０１モードで伝搬する試験光パルスに対する距離ｚでのレイリー散乱係数、Ｂ_１１（ｚ）およびＢ_１２（ｚ）はＬＰ０１モードがレイリー散乱された際の距離ｚでの後方散乱光のＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードに対する捕獲率、γ_１およびγ_２は距離ｚでのＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードに対する損失係数を表す。

次に、試験光パルスをＬＰ１１モードで被試験光ファイバに入射した際に、距離ｚの位置で生じた後方散乱光のＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードの強度Ｐ_２−１（ｚ）およびＰ_２−２（ｚ）は次式で表される。

ただし、α_ｓ２（ｚ）はＬＰ１１モードで伝搬する試験光パルスに対する距離ｚでのレイリー散乱係数、Ｂ_２１（ｚ）およびＢ_２２（ｚ）はＬＰ１１モードがレイリー散乱された際の距離ｚでの後方散乱光のＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードに対する捕獲率を表す。

ここで、試験光パルスをＬＰ０１モードで被試験光ファイバに入射時における後方散乱光のＬＰ１１モードの強度分布Ｐ_１−２（ｚ）に対する試験光パルスをＬＰ１１モードで被試験光ファイバに入射時における後方散乱光のＬＰ０１モードの強度分布Ｐ_２−１（ｚ）の比Ｒ（ｚ）は、次式で表される。

ここで、非特許文献２によるとＢ_２１（ｚ）＝Ｂ_１２（ｚ）であるため、Ｒ（ｚ）は以下のように表すことができる。

従って、試験光パルスをＬＰ０１モードで被試験光ファイバに入射時における後方散乱光のＬＰ１１モードの強度分布Ｐ_１−２（ｚ）に対する試験光パルスをＬＰ１１モードで被試験光ファイバに入射時における後方散乱光のＬＰ０１モードの強度分布Ｐ_２−１（ｚ）の比Ｒ（ｚ）を取得することで、ＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードのレイリー散乱係数の比を得ることができる。

２モード光ファイバ特性解析装置１０１で取得できる特性は、レイリー散乱係数の比であるが、ＬＰ０１モード又はＬＰ１１モードのレイリー散乱係数を取得できればレイリー散乱係数の差を計算できる。また、モード間損失差の小さい２モード光ファイバを設計ないし製造するのであれば、２モード光ファイバ特性解析装置１０１で測定するレイリー散乱係数の比が１に近づくように光ファイバ構造を設計ないし製造すればよい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。
要するに本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。具体的には、光サーキュレータ１４および光受信器１６を削除し、被試験光ファイバに入射したモードと異なるモード成分の後方散乱光のみを測定する構成としてもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０：被試験光ファイバ（２モード光ファイバ）
１１：光源
１２：パルス発生器
１３：光強度変調器
１４：光サーキュレータ
１５：モード合分波器
１６、１７：光受信器
１８：Ａ／Ｄ変換器
１９：信号処理回路
２０：演算処理回路
１０１：２モード光ファイバ特性解析装置
Ａ：生成部
Ｂ：モード合分波部
Ｃ：受光部
Ｄ：演算処理部

Claims (2)

1. 被試験光ファイバである、基本モードと第１高次モードとの間の結合が無視できる２モード光ファイバの特性を解析する２モード光ファイバ特性解析方法であって、
   前記被試験光ファイバの一端に基本モードで光パルスを入射する第１光入射手順と、
   前記被試験光ファイバの前記一端に戻ってきた、前記第１光入射手順で入射した光パルスの後方レイリー散乱光のうち、第１高次モードについて前記被試験光ファイバの距離に対する光強度の分布を取得する第１光強度取得手順と、
   前記被試験光ファイバの一端に第１高次モードで光パルスを入射する第２光入射手順と、
   前記被試験光ファイバの前記一端に戻ってきた、前記第２光入射手順で入射した光パルスの後方レイリー散乱光のうち、基本モードについて前記被試験光ファイバの距離に対する光強度の分布を取得する第２光強度取得手順と、
   前記第１光強度取得手順で取得した光強度の分布と前記第２光強度取得手順で取得した光強度の分布から、前記被試験光ファイバの任意位置における後方レイリー散乱光の伝搬モード間光強度の比率を演算し、前記任意位置における基本モードと第１高次モードのレイリー散乱係数の比とする演算手順と、
   を順に行うことを特徴とする２モード光ファイバ特性解析方法。
2. 被試験光ファイバである、基本モードと第１高次モードとの間の結合が無視できる２モード光ファイバの特性を解析する２モード光ファイバ特性解析装置であって、
   前記被試験光ファイバの一端に基本モード又は第１高次モードで光パルスを入射する光入射手段と、
   前記被試験光ファイバの前記一端に戻ってきた、前記光入射手段が入射した光パルスの後方レイリー散乱光を、伝搬モード毎に前記被試験光ファイバの距離に対する光強度の分布を取得する光強度取得手段と、
   前記光入射手段が基本モードで入射した光パルスの後方レイリー散乱光のうち第１高次モードの光強度の分布と前記光入射手段が第１高次モードで入射した光パルスの後方レイリー散乱光のうち基本モードの光強度の分布から、前記被試験光ファイバの任意位置における後方レイリー散乱光の伝搬モード間光強度の比率を演算し、前記任意位置における基本モードと第１高次モードのレイリー散乱係数の比とする演算手段と、
   を備えることを特徴とする２モード光ファイバ特性解析装置。

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