JP6747998B2 - 光ファイバ電界分布非破壊測定装置及び光ファイバ電界分布非破壊測定方法 - Google Patents

光ファイバ電界分布非破壊測定装置及び光ファイバ電界分布非破壊測定方法 Download PDF

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Description

本開示は、光ファイバ中を伝搬する各伝搬モードの電界分布を非破壊で測定する測定装置及びその測定方法に関する。
近年、伝送トラフィックの急激な増加に伴い、現在の伝送路で用いられているSMF(シングルモードファイバ)に代わって複数の伝搬モードが利用できるFMF(数モードファイバ)やMMF(マルチモードファイバ)が更なる大容量化が可能にするものとして大きな注目を集めている。これまで利用されてきたSMFではファイバの中心がピークとなる電界分布であったためMFD(モードフィールド径)から接続点における損失の評価などが可能であった。
その一方でFMFやMMFでは伝搬モード毎に光ファイバ断面での電界の強度分布(以下、電界分布とよぶ。)が異なり、また電界分布が変化しながらモードが伝搬するため、ファイバ伝送特性を評価する上では任意のファイバの地点におけるモードの電界分布を計測することが重要となる。
ファイバ出射後の電界分布を計測する手法としては、ファイバ端面での光をCCDなどのイメージセンサによって計測するNFP(ニアフィールドパターン)法(例えば、非特許文献1を参照。)や光ファイバ端面から一定距離だけ離れた位置においてPD(フォトダイオード)で計測するFFP(ファーフィールドパターン)法(例えば、非特許文献2を参照。)などがあるが、上記技術はファイバ出射端近傍での電界分布の測定にとどまっており、光ファイバ中の電界分布を非破壊で計測する技術はない。
大橋ほか、NFP法による単一モードファイバのモードフィールド半径の測定、電子情報通信学会論文誌B Vol.J68−B, No.3, pp.435−442 波平ほか、各種光ファイバの実効断面積(Aeff)とモードフィールド径(MFD)の関係、 電子情報通信学会技術研究報告. OCS, 光通信システム 99(607), 81−86, 2000−02−04
非特許文献1や非特許文献2の技術ではファイバ出射後における電界分布を計測可能であるが、光ファイバ中における電界分布を計測することができないという課題がある。そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、光ファイバ中の任意の位置における電界分布を非破壊で計測することが可能な光ファイバ電界分布非破壊測定装置及び光ファイバ電界分布非破壊測定方法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、本発明に係る光ファイバ電界分布非破壊測定装置は、光ファイバの断面に平行な平面において偏りのある電界の試験光を任意のモードで光ファイバに入射し、光ファイバ内で非線形増幅されて出射する光について、光ファイバの断面に平行な平面での電界分布を取得することとした。
具体的には、本発明に係る光ファイバ電界分布非破壊測定装置は、
光ファイバの一端の近端において所望の二次元の電界強度分布を持つプローブ光を前記光ファイバの一端に入射するプローブ光入射手段と、
前記光ファイバの他端の近端において任意の二次元の電界強度分布を持ち、前記プローブ光と所定の光周波数差を有するポンプ光を被測定光として前記光ファイバの他端に入射するポンプ光入射手段と、
前記光ファイバの他端から出射する光の近端における二次元の電界強度分布を取得する受光手段と、
前記受光手段に対し、前記プローブ光のみを前記光ファイバに伝搬させたときの参照電界強度分布を取得させ、前記光ファイバの長手方向の任意位置で前記プローブ光と前記ポンプ光を衝突させて非線形増幅した光の信号電界強度分布を取得させ、前記信号電界強度分布と前記参照電界強度分布とから前記任意位置における前記光ファイバの断面における二次元の利得強度分布を演算する演算手段と、
を備える。
また、本発明に係る光ファイバ電界分布非破壊測定方法は、
光ファイバの一端の近端において所望の二次元の電界強度分布を持つプローブ光を前記光ファイバの一端に入射し、前記光ファイバの他端から出射する光の近端における二次元の電界強度分布である参照電界強度分布を取得する参照電界強度分布取得手順と、
前記光ファイバの一端の近端において前記所望の二次元の電界強度分布を持つプローブ光を前記光ファイバの一端に入射するとともに、前記光ファイバの他端の近端において任意の二次元の電界強度分布を持ち、前記プローブ光と所定の光周波数差を有するポンプ光を被測定光として前記光ファイバの他端に入射し、前記光ファイバの長手方向の任意位置で前記プローブ光と前記ポンプ光を衝突させて非線形増幅し、前記光ファイバの他端から出射する光の近端における二次元の電界強度分布である信号電界強度分布を取得する信号電界強度分布取得手順と、
前記信号電界強度分布取得手順で取得した信号電界強度分布と前記参照電界強度分布取得手順で取得した参照電界強度分布とから前記任意位置における前記光ファイバの断面における二次元の利得強度分布を演算する演算手順と、
を行う利得強度分布取得工程を有する。
光ファイバ中で対向伝搬するプローブ光とポンプ光の衝突によりブリルアン増幅現象が発生するが、プローブ光とポンプ光の電界分布が異なれば断面方向での非線形増幅利得も変化する。この変化は入射したポンプ光とプローブ光の衝突時における電界分布の重なりを反映しており、プローブ光における非線形増幅利得分布からポンプ光の電界分布を取得することが可能である。
従って、本発明は、光ファイバ中の任意の位置における電界分布を非破壊で計測することが可能な光ファイバ電界分布非破壊測定装置及び光ファイバ電界分布非破壊測定方法を提供することができる。
本発明に係る光ファイバ電界分布非破壊測定装置の前記演算手段は、前記プローブ光入射手段に電界強度分布を変化させて前記プローブ光を入射させ、複数の前記利得強度分布を取得し、複数の前記利得強度分布を重ね合わせることを特徴とする。
本発明に係る光ファイバ電界分布非破壊測定方法は、電界強度分布を変化させて前記プローブ光を入射して前記利得強度分布取得工程を複数回行い、前記利得強度分布取得工程ごとに取得した複数の前記利得強度分布を重ね合わせる合成工程をさらに有することを特徴とする。
プローブ光の断面方向の強度が一様でない場合は利得強度が得られる領域がプローブ光の存在する領域に限定される。このため、プローブ光の断面方向での強度分布を変化させ、それぞれの座標(光ファイバの断面上の座標)での非線形増幅利得分布を取得して合成することで衝突地点におけるポンプ光の電界分布を計測することができる。
本発明に係る光ファイバ電界分布非破壊測定装置の前記演算手段は、前記任意位置が変化するように前記プローブ光入射手段と前記ポンプ光入射手段を制御し、前記光ファイバの長手方向の前記利得強度分布を取得することを特徴とする。
本発明に係る光ファイバ電界分布非破壊測定方法は、前記任意位置が変化するように前記プローブ光と前記ポンプ光を入射して前記利得強度分布取得工程を複数回行い、前記光ファイバの長手方向の前記利得強度分布を取得する長手方向解析工程をさらに有することを特徴とする。
プローブ光とポンプ光の衝突する位置を長手方向で変化させて測定を行うことで光ファイバの一端から他端までの長手方向の電界分布を取得することができる。
前記所定の光周波数差はブリルアン周波数シフト相当としても、ラマン周波数シフト相当としてもよい。
本発明は、光ファイバ中の任意の位置における電界分布を非破壊で計測することが可能な光ファイバ電界分布非破壊測定装置及び光ファイバ電界分布非破壊測定方法を提供することができる。
本発明に係る光ファイバ電界分布非破壊測定装置を説明する図である。 ポンプ光、プローブ光およびそれらの相互作用の断面方向の強度分布を説明する図である。 相互作用によるブリルアン利得およびその合成の断面方向の強度分布を説明する図である。 本発明に係る光ファイバ電界分布非破壊測定方法を説明する図である。
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。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。
本発明に係る光ファイバ電界分布非破壊測定装置及び光ファイバ電界分布非破壊測定方法は、光ファイバの両端から光を入射し、光の衝突によって増幅されたブリルアン散乱光又はラマン散乱光をイメージセンサで検出することで、非破壊で光ファイバ中の電界分布を分布的に計測することができるものである。
図1は、本実施形態の光ファイバ電界分布非破壊測定装置301を説明する図である。光ファイバ電界分布非破壊測定装置301は、
光ファイバ50の一端の近端において所望の二次元の電界強度分布を持つプローブ光を光ファイバ50の一端に入射するプローブ光入射手段10と、
光ファイバ50の他端の近端において任意の二次元の電界強度分布を持ち、前記プローブ光と所定の光周波数差を有するポンプ光を被測定光として光ファイバ50の他端に入射するポンプ光入射手段20と、
光ファイバ50の他端から出射する光の近端における二次元の電界強度分布を取得する受光手段30と、
受光手段30に対し、前記プローブ光のみを前記光ファイバに伝搬させたときの参照電界強度分布を取得させ、光ファイバ50の長手方向の任意位置で前記プローブ光と前記ポンプ光を衝突させて非線形増幅した光の信号電界強度分布を取得させ、前記信号電界強度分布と前記参照電界強度分布とから前記任意位置における光ファイバ50の断面における二次元の利得強度分布を演算する演算手段40と、
を備える。
プローブ光入射手段10は、レーザ11、分岐素子12、周波数変換器13及び電界分布変換器14を有する。ポンプ光入射手段20は、レーザ11、分岐素子12、パルス生成器23及び電界分布変換器24を有する。受光手段30は、イメージセンサ31である。演算手段40は、A/D変換器41、データ抽出器42、利得解析器43、電界分布解析器44及びタイミング制御器45を有する。
コヒーレントな光を発生させるレーザ11から出力された光は分岐素子12によって2分岐される。ポンプ光入射手段20は、2分岐された光の一方を、パルス生成器23によってパルス化したのちに電界分布変換器24で基本モードから任意の伝搬モードに変換し、ポンプ光として被測定光ファイバ50に入射する。
プローブ光入射手段10は、分岐された光のもう一方を、光周波数変換器13によって被測定対象光ファイバ50のブリルアン周波数シフトに相当する約10〜11GHz程度の周波数差を付与したのちに、電界分布変換器14で基本モードから任意の伝搬モードに変換し、プローブ光としてポンプ光と逆方向から被測定光ファイバ50に入射する。
電界分布変換器(14、24)は、位相板、フォトニックランタン、又は空間光変調器など光の電界分布を変換する機構を持つもののいずれかであればよい。光周波数変換器13は、LiNb3で構成されたSSB変調器等の外部変調器であっても、周波数(波長)の異なるレーザを2台用い、2台のレーザ間の光周波数差を利用してもよい。
光ファイバ50中ではポンプ光とプローブ光の衝突によりプローブ光においてブリルアン増幅が発生する。このときブリルアン利得G(x,y)は
Figure 0006747998
となる。ここでx,yはファイバ断面における座標、gはブリルアン利得係数、Iはポンプ光の強度、Iはプローブ光の強度である。
光ファイバ50から出射する増幅されたプローブ光は、光サーキュレータ32によってイメージセンサ31に送られる。イメージセンサ31は、プローブ光強度をファイバ断面の座標ごとに異なる二次元の電気信号に変換する。
演算手段40は、A/D変換器41で当該電気信号をデジタルデータに変換した後、データ抽出器42及び利得解析器43でこのデータから利得を解析する。演算手段40が行う具体的なブリルアン利得の解析は、次の通りである。
(i)電界分布解析器44は、ポンプ光を入射しない場合のプローブ光の光ファイバ断面の座標ごとに二次元強度分布Ir(x,y)(参照電界強度分布)を取得する。
(ii)電界分布解析器44は、その後、ポンプ光とプローブ光を入射した場合の座標ごとの二次元強度分布G(x,y)(信号電界強度分布)を取得する。
(iii)電界分布解析器44は、信号電界強度分布から参照電界強度分布の座標ごとの増加量を算出することによって、ブリルアン利得を受けた利得強度分布を取得する。
ここで、演算手段40は、プローブ光入射手段10に電界強度分布を変化させて前記プローブ光を入射させ、複数の利得強度分布を取得し、複数の利得強度分布を重ね合わせる。
光ファイバ中で対向伝搬するプローブ光とポンプ光の衝突によりブリルアン増幅現象が発生するが、プローブ光とポンプ光の電界分布が異なれば断面方向でのブリルアン利得も変化する。この変化は入射したポンプ光とプローブ光の衝突時における電界分布の重なりを反映しており、プローブ光におけるブリルアン利得分布からポンプ光の電界分布を取得することが可能である。
一方、プローブ光の断面方向の強度が一様でない場合は利得強度が得られる領域がプローブ光の存在する領域に限定される。このため、電界分布変換器14でプローブ光の断面方向での強度分布を変化させそれぞれの座標でのブリルアン利得を取得し、電界分布解析器44で合成することで衝突地点におけるポンプ光の電界分布を計測することが可能である。
この計測を長手方向で変化させて測定を行うことで入射から出射までの電界分布を取得することが可能である。つまり、演算手段40は、前記任意位置が変化するようにプローブ光入射手段10とポンプ光入射手段20を制御し、光ファイバ50の長手方向の前記利得強度分布を取得する。
光ファイバ50中のポンプ光の電界分布を長手方向で分布的に計測する場合は、一般にイメージセンサ31のフレームレートが低いことにより分解能が低下する。この問題に対しては、パルス生成器23に接続されたタイミング制御器45でポンプ光パルスの入射タイミングとイメージセンサ31の計測タイミングを測定ごとに変更することとする。この構成によって、異なる位置で衝突したポンプ光の電界分布を測定できる。
ここで、図2にポンプ光・プローブ光およびそれらの相互作用の断面方向の強度分布を、図3に相互作用によるブリルアン利得およびその合成の断面方向の強度分布を示す。図2及び図3ではプローブ光およびポンプ光の強度がある領域をそれぞれ斜線および黒塗りで示しており、また一回目の測定を上段に、二回目の測定を下段にそれぞれ示している。ここで、一回目の測定でのポンプ光の強度I(x、y)およびプローブ光の強度I(x、y)は図2(A)上段と図2(B)上段に示すように、
Figure 0006747998
Figure 0006747998
となる。このとき取得ブリルアン利得Gは図3(B)上段に示すように、
Figure 0006747998
となる。一方で二回目の測定でプローブ光の強度I(x、y)を変化させた場合は図2(A)下段に示すように、
Figure 0006747998
となる。なお、ポンプ光の強度I(x、y)は変化がないので、図2(B)の上段と下段は同じである。取得ブリルアン利得Gは図3(B)下段に示すように、
Figure 0006747998
となる。
式(4)と式(6)で生じた利得はポンプ光の断面方向の強度分布となるが、利得が生じる領域はプローブ光の強度が存在する領域のみであるためプローブ光の断面方向の強度分布が一様でない場合は利得を取得する領域が制限される。ここで式(4)と式(6)の座標ごとの最大値を取得し利得を合成すると図3(C)に示すように、
Figure 0006747998
となり、これは式(2)のポンプ光の断面方向の強度分布と一致する。
以上より、プローブ光が全領域で存在するようにプローブ光の分布を変化させて利得を合成することでポンプ光の断面方向の強度分布を測定することが可能である。なお上記では合成において利得分布の最大値を取得する例を示したが、合成方法は最大値だけでなく平均値や重み付け処理などの計算処理を加えて合成してもよい。またこの計測を長手方向に連続的に行うことで入射から出射までのポンプ光の断面方向の強度分布を測定することが可能である。
なお、上記では前記所定の光周波数差がブリルアン周波数シフトに相当するブリルアン散乱を用いた場合について説明している。しかし、光ファイバ50中で非線形増幅を発生しうるものであれば良い。例えば、前記所定の光周波数差がラマン周波数シフトに相当することとして、ラマン散乱を利用して本手法を実施することが可能である。つまり、本構成は一例であり、同様に周波数(波長)シフトに相当する光周波数差および入射時間差をポンプ光とプローブ光間に与え、任意の伝搬モードを励起して増幅されたポンプ光の電界分布を時間領域で取り出すことのできる装置構成であれば、手段は問わない。
図4は、光ファイバ電界分布非破壊測定装置301で光ファイバ50の電界分布を測定する手順を説明する図である。つまり、本実施形態の光ファイバ電界分布非破壊測定方法は、
光ファイバの一端の近端において所望の二次元の電界強度分布を持つプローブ光を前記光ファイバの一端に入射し、前記光ファイバの他端から出射する光の近端における二次元の電界強度分布である参照電界強度分布を取得する参照電界強度分布取得手順と、
前記光ファイバの一端の近端において前記所望の二次元の電界強度分布を持つプローブ光を前記光ファイバの一端に入射するとともに、前記光ファイバの他端の近端において任意の二次元の電界強度分布を持ち、前記プローブ光と所定の光周波数差を有するポンプ光を被測定光として前記光ファイバの他端に入射し、前記光ファイバの長手方向の任意位置で前記プローブ光と前記ポンプ光を衝突させて非線形増幅し、前記光ファイバの他端から出射する光の近端における二次元の電界強度分布である信号電界強度分布を取得する信号電界強度分布取得手順と、
前記信号電界強度分布取得手順で取得した信号電界強度分布と前記参照電界強度分布取得手順で取得した参照電界強度分布とから前記任意位置における前記光ファイバの断面における二次元の利得強度分布を演算する演算手順と、
を行う利得強度分布取得工程を有する。
本実施形態の光ファイバ電界分布非破壊測定方法は、電界強度分布を変化させて前記プローブ光を入射して前記利得強度分布取得工程を複数回行い、前記利得強度分布取得工程ごとに取得した複数の前記利得強度分布を重ね合わせる合成工程をさらに有する。
まず、参照電界強度分布取得手順S01を行う。光ファイバ50の一端の近端において所望の二次元の電界強度分布を持つプローブ光を光ファイバ50の一端に入射し、光ファイバ50の他端から出射する光の近端における二次元の電界強度分布である参照電界強度分布を取得する。
続いて信号電界強度分布取得手順S02を行う。まず、ステップS11でプローブ光とポンプ光の光周波数差を設定する。ブリルアン散乱を利用するなら光周波数差をブリルアン周波数シフトとし、ラマン散乱を利用するなら光周波数差をラマン周波数シフトとする。続いて、光ファイバ50の長手方向の任意位置でプローブ光とポンプ光を衝突させるために、ステップS12でプローブ光とポンプ光の入射時間差を設定する。そして、ステップS13でプローブ光の電界強度が所望の分布となるように調整する。そして、ステップS14でプローブ光を光ファイバ50の一端に入射し、ポンプ光を被測定光として光ファイバ50の他端に入射する。そして、ステップS15で、光ファイバ50の他端から出射する光の近端における二次元の電界強度分布である信号電界強度分布を取得する。
続いて演算手順S03を行う。演算手順S03では、信号電界強度分布取得手順S02で取得した信号電界強度分布と参照電界強度分布取得手順S01で取得した参照電界強度分布とから前記任意位置における光ファイバ50の断面における二次元の利得強度分布を演算する。
そして、電界強度分布を変化させてプローブ光を光ファイバ50に入射して信号電界強度分布取得手順S02(ステップS13〜S03)を複数回行い、信号電界強度分布取得手順S02ごとに取得した複数の利得強度分布を重ね合わせる合成工程S30(ステップS16、S17)を行う。
光ファイバ50の長手方向に利得強度分布を取得する場合は、前記任意位置が変化するようにプローブ光とポンプ光を光ファイバ50に入射して利得強度分布取得工程S20を複数回行う長手方向解析工程S40(ステップS12からステップS17を繰り返す)を行う。
[発明の効果]
本発明によれば、光ファイバ中の任意の位置における電界分布を非破壊で計測することが可能であり、これによりMFDなどの計測が可能である。また、複数のモードが伝搬するファイバにおいては、ファイバの任意の位置において電界分布を非破壊で計測可能なため、モードの伝搬特性の解析にも応用できる。これによりモード間の伝搬速度の違い(DMD)やモード間でのクロストーク(XT)などの解析が可能となる。
10:プローブ光入射手段
11:レーザ
12:分岐素子
13:周波数変換器
14:電界分布変換器
20:ポンプ光入射手段
23:パルス生成器
24:電界分布変換器
30:受光手段
31:イメージセンサ
32:サーキュレータ
40:演算手段
41:A/D変換器
42:データ抽出器
43:利得解析器
44:電界分布解析器
45:タイミング制御器
50:光ファイバ
301:光ファイバ電界分布非破壊測定装置

Claims (8)

  1. 光ファイバの一端の近端において所望の二次元の電界強度分布を持つプローブ光を前記光ファイバの一端に入射するプローブ光入射手段と、
    前記光ファイバの他端の近端において任意の二次元の電界強度分布を持ち、前記プローブ光と所定の光周波数差を有するポンプ光を被測定光として前記光ファイバの他端に入射するポンプ光入射手段と、
    前記光ファイバの他端から出射する光の近端における二次元の電界強度分布を取得する受光手段と、
    前記受光手段に対し、前記プローブ光のみを前記光ファイバに伝搬させたときの参照電界強度分布を取得させ、前記光ファイバの長手方向の任意位置で前記プローブ光と前記ポンプ光を衝突させて非線形増幅した光の信号電界強度分布を取得させ、前記信号電界強度分布と前記参照電界強度分布とから前記任意位置における前記光ファイバの断面における二次元の利得強度分布を演算する演算手段と、
    を備える光ファイバ電界分布非破壊測定装置。
  2. 前記演算手段は、
    前記プローブ光入射手段に電界強度分布を変化させて前記プローブ光を入射させ、複数の前記利得強度分布を取得し、複数の前記利得強度分布を重ね合わせることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ電界分布非破壊測定装置。
  3. 前記演算手段は、
    前記任意位置が変化するように前記プローブ光入射手段と前記ポンプ光入射手段を制御し、前記光ファイバの長手方向の前記利得強度分布を取得することを特徴とする請求項1又は2に記載の光ファイバ電界分布非破壊測定装置。
  4. 前記所定の光周波数差は、ブリルアン周波数シフトに相当することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の光ファイバ電界分布非破壊測定装置。
  5. 前記所定の光周波数差は、ラマン周波数シフトに相当することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の光ファイバ電界分布非破壊測定装置。
  6. 光ファイバの一端の近端において所望の二次元の電界強度分布を持つプローブ光を前記光ファイバの一端に入射し、前記光ファイバの他端から出射する光の近端における二次元の電界強度分布である参照電界強度分布を取得する参照電界強度分布取得手順と、
    前記光ファイバの一端の近端において前記所望の二次元の電界強度分布を持つプローブ光を前記光ファイバの一端に入射するとともに、前記光ファイバの他端の近端において任意の二次元の電界強度分布を持ち、前記プローブ光と所定の光周波数差を有するポンプ光を被測定光として前記光ファイバの他端に入射し、前記光ファイバの長手方向の任意位置で前記プローブ光と前記ポンプ光を衝突させて非線形増幅し、前記光ファイバの他端から出射する光の近端における二次元の電界強度分布である信号電界強度分布を取得する信号電界強度分布取得手順と、
    前記信号電界強度分布取得手順で取得した信号電界強度分布と前記参照電界強度分布取得手順で取得した参照電界強度分布とから前記任意位置における前記光ファイバの断面における二次元の利得強度分布を演算する演算手順と、
    を行う利得強度分布取得工程を有する光ファイバ電界分布非破壊測定方法。
  7. 電界強度分布を変化させて前記プローブ光を入射して前記利得強度分布取得工程を複数回行い、前記利得強度分布取得工程ごとに取得した複数の前記利得強度分布を重ね合わせる合成工程をさらに有することを特徴とする請求項6に記載の光ファイバ電界分布非破壊測定方法。
  8. 前記任意位置が変化するように前記プローブ光と前記ポンプ光を入射して前記利得強度分布取得工程を複数回行い、前記光ファイバの長手方向の前記利得強度分布を取得する長手方向解析工程をさらに有することを特徴とする請求項6又は7に記載の光ファイバ電界分布非破壊測定方法。
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