JP6751362B2 - Propagation delay time difference measurement apparatus between spatial channels and propagation delay time difference measurement method between spatial channels - Google Patents
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Description
本発明は、マルチモード光ファイバ、マルチコア光ファイバ等の空間多重伝送用光ファイバまたは光デバイスにおける空間チャネル間の伝搬遅延時間差を測定する技術に関する。 The present invention relates to a technique for measuring a propagation delay time difference between spatial channels in an optical fiber for spatial multiplexing transmission such as a multimode optical fiber or a multicore optical fiber or an optical device.
光通信における光ファイバ1本あたりの伝送容量を拡大する技術として、マルチモード光ファイバやマルチコア光ファイバを用いた空間多重伝送技術がある。空間多重伝送では、モードやコアといった空間的に異なる伝送チャネルで信号を多重化することにより伝送容量を拡大する。しかしながら、空間チャネル間で信号伝送に係る遅延時間が異なると信号復元に必要な信号処理の負荷が増大するという課題がある。そこで空間多重用光ファイバにおける遅延時間差を低減する研究が盛んに行われており(例えば、非特許文献1を参照。)、それに伴い遅延時間差を高分解能で測定できる技術が求められている。 As a technique for expanding the transmission capacity per optical fiber in optical communication, there is a spatial multiplexing transmission technique using a multimode optical fiber or a multicore optical fiber. In spatial multiplexing transmission, the transmission capacity is expanded by multiplexing signals in spatially different transmission channels such as modes and cores. However, if the delay time related to signal transmission differs between spatial channels, there is a problem that the load of signal processing required for signal restoration increases. Therefore, researches for reducing the delay time difference in the spatial multiplexing optical fiber have been actively conducted (for example, refer to Non-Patent Document 1), and accordingly, a technique capable of measuring the delay time difference with high resolution is required.
空間チャネル間の遅延時間差を測定する技術として、例えば周波数掃引光干渉法(FMCW法)がある(例えば、非特許文献2を参照。)。以下にFMCW法の測定原理を述べる。図1はFMCW法に用いられる装置構成の一例である。なお、ここでは被測定ファイバに2モードシングルコアファイバを用い、被測定ファイバ以外はシングルモードシングルコアファイバを用いた構成とする。 As a technique for measuring a delay time difference between spatial channels, there is, for example, a frequency swept optical interference method (FMCW method) (for example, see Non-Patent Document 2). The measurement principle of the FMCW method will be described below. FIG. 1 is an example of an apparatus configuration used in the FMCW method. Note that, here, a two-mode single-core fiber is used as the measured fiber, and a single-mode single-core fiber is used except for the measured fiber.
光源には周波数掃引手段を有する光源を用い、時間に対して線形に周波数掃引された連続光を出射する。出射光を光分波素子により2分岐し、一方は試験光として被測定ファイバに入射し、もう一方はローカル光として遅延時間τloを与える遅延ファイバに入射する。光源の位相雑音の影響を小さくするために、ここでの遅延ファイバ長は被測定ファイバに対して光路長差が光源のコヒーレンス長よりも十分短くなるよう設定する。被測定ファイバは入射側で軸ずれ接続されており、これにより試験光は被測定ファイバ中を2モードで伝搬する。被測定ファイバ伝搬後の試験光とローカル光を合波素子で合波した後、合波によるビート信号を受光器で電気信号に変換する。このとき、受光器で検出されるビート信号I(t)は次式で記述される。
i1、i2、i3及びφ1、φ2、φ3は振幅及び位相の定数、
φnoise1(t)、φnoise2(t)、φnoise3(t)はそれぞれθ1(t)、θ2(t)、θ3(t)に含まれる位相雑音、
γは周波数掃引速度、
τ1及びτ2はそれぞれモード1とモード2の被測定ファイバ中の伝搬に係る遅延時間
である。
A light source having a frequency sweeping means is used as the light source, and continuous light whose frequency is swept linearly with respect to time is emitted. The emitted light is split into two by an optical demultiplexing element, one of which is incident as a test light on the fiber to be measured, and the other of which is incident as a local light on a delay fiber that gives a delay time τ lo . In order to reduce the influence of the phase noise of the light source, the delay fiber length here is set so that the optical path length difference with respect to the measured fiber is sufficiently shorter than the coherence length of the light source. The fiber to be measured is axially connected on the incident side so that the test light propagates in the fiber to be measured in two modes. After the test light and the local light after propagating through the fiber under measurement are combined by the combining element, the beat signal resulting from the combination is converted into an electric signal by the light receiver. At this time, the beat signal I(t) detected by the light receiver is described by the following equation.
i 1 , i 2 , i 3 and φ 1 , φ 2 , φ 3 are amplitude and phase constants,
φ noise1 (t), φ noise2 (t), and φ noise3 (t) are phase noises included in θ 1 (t), θ 2 (t), and θ 3 (t), respectively.
γ is the frequency sweep speed,
τ 1 and τ 2 are delay times related to propagation in the fiber under measurement of
式(1)〜(4)に示されるように、I(t)は周波数γ(τ1−τlo)、γ(τ2−τlo)、γ(τ1−τ2)の3つの周波数成分を持ち、これらの周波数は各モードの遅延時間で決まる。 As shown in the equations (1) to (4), I(t) has three frequencies of frequencies γ(τ 1 −τ lo ), γ(τ 2 −τ lo ), and γ(τ 1 −τ 2 ). There are components, and these frequencies are determined by the delay time of each mode.
I(t)の周波数成分はフーリエ変換により解析される。I(t)のフーリエ変換の結果を図2に示す。図2におけるピーク位置の比較から、θ2(t)とθ1(t)の周波数差ΔfDMDを求め、モード2とモード1の遅延時間差ΔτDMDは次式により算出される。
位相雑音を無視すると、従来のFMCW法の遅延時間差の測定分解能Δτは次式で記述される。
ΔfはI(t)のフーリエ変換における周波数分解能、
Tは測定時間、
ΔFは周波数掃引幅
である。
Ignoring the phase noise, the measurement resolution Δτ of the delay time difference of the conventional FMCW method is described by the following equation.
T is the measurement time,
ΔF is a frequency sweep width.
式(6)に示されるように、遅延時間差分解能は試験光の周波数掃引幅を拡大することで向上することができる。しかしながら、実際には光源の性能や使用する素子の帯域制限上、測定で使える周波数掃引幅には限界がある。一般的に周波数掃引幅が広い波長可変半導体レーザが光源に用いられるが、コヒーレンス長が短いことから、位相雑音の影響を小さくし所望の分解能を得るためにローカル光の遅延ファイバ長を被測定ファイバ長に合わせて厳密に設定する必要がある。つまり、FMCWで空間チャネル間の遅延時間差を測定する装置の測定分解能を高めるためには、遅延ファイバの長さの精度を高めなければならないという第1の課題があった。 As shown in Expression (6), the delay time difference resolution can be improved by expanding the frequency sweep width of the test light. However, in practice, there is a limit to the frequency sweep width that can be used for measurement due to the performance of the light source and the band limitation of the element used. Generally, a wavelength tunable semiconductor laser with a wide frequency sweep width is used as a light source, but since the coherence length is short, the delay fiber length of the local light is measured to reduce the effect of phase noise and obtain the desired resolution. It is necessary to set strictly according to the length. In other words, there is the first problem that the accuracy of the length of the delay fiber must be increased in order to increase the measurement resolution of the device that measures the delay time difference between spatial channels with the FMCW.
また、一般に空間チャネル間の遅延時間差は波長依存性を持つ。このため、周波数掃引幅を拡大すると測定される遅延時間差は広がりを持ち、遅延時間差を正確に評価することが困難になることがある。このため、限られた周波数掃引幅で空間チャネル間の遅延時間差を測定することが求められる。つまり、FMCWで空間チャネル間の遅延時間差を測定する装置には、空間チャネル間の遅延時間差の波長依存性を評価するために限られた周波数掃引幅で高い分解能を実現しなければならないという第2の課題があった。 In addition, the delay time difference between spatial channels generally has wavelength dependence. For this reason, when the frequency sweep width is expanded, the measured delay time difference has a spread, and it may be difficult to accurately evaluate the delay time difference. Therefore, it is required to measure the delay time difference between spatial channels with a limited frequency sweep width. That is, in the device for measuring the delay time difference between the spatial channels by the FMCW, it is necessary to realize high resolution with a limited frequency sweep width in order to evaluate the wavelength dependence of the delay time difference between the spatial channels. There was a problem.
なお、FMCW法以外の遅延時間差測定法としては低コヒーレンス干渉法(非特許文献3)、非特許文献1で用いられているインパルス応答がある。しかし、低コヒーレンス干渉法における分解能も光帯域に対して式(6)と同じ関係にあり、インパルス応答も分解能向上のためにはパルス幅を小さくするために光帯域を拡大する必要があるので、上記と同じ課題を有する。
In addition, as a delay time difference measurement method other than the FMCW method, there are a low coherence interferometry method (Non-Patent Document 3) and an impulse response used in
本発明は、上記課題を解決するために、限られた光帯域内で高い分解能を有する空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置及び空間チャネル間伝搬遅延時間差測定方法を提供することを目的とする。 In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a spatial channel propagation delay time difference measuring apparatus and a spatial channel propagation delay time difference measuring method having high resolution in a limited optical band.
上記目的を達成するために、本発明に係る空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置及び空間チャネル間伝搬遅延時間差測定方法は、空間チャネルごとに光源の光周波数を掃引してローカル光とのビート信号を生成し、そのビート信号の位相差の時間変化率から解析されるビート周波数差を周波数掃引速度で除することで空間チャネル間の伝搬遅延時間差を測定することとした。 In order to achieve the above object, the inter-spatial channel propagation delay time difference measuring device and the inter-spatial channel propagation delay time difference measuring method according to the present invention sweep a light frequency of a light source for each spatial channel to obtain a beat signal with local light. It was decided to measure the propagation delay time difference between spatial channels by dividing the beat frequency difference generated from the beat signal and analyzed from the time change rate of the phase difference of the beat signal by the frequency sweep speed.
具体的には、本発明に係る空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置は、
時間的に周波数を掃引した連続光を出射する光源部と、
前記光源部からの連続光を2分岐する光分波素子と、
前記光分波素子で分岐された連続光の一方をローカル光として遅延を与える遅延光ファイバと、
前記光分波素子で分岐された連続光の他方を試験光として被測定物の特定の空間チャネルに対して選択的に入射する選択的励起部と、
前記被測定物を透過した試験光のうち前記特定の空間チャネルを選択的に分離する選択的分離部と、
前記遅延光ファイバを経由した前記ローカル光と前記選択的分離部で分離された前記特定の空間チャネルの試験光とを合波しビート信号とする光合波素子と、
前記光合波素子から異なる2つの前記特定の空間チャネルの試験光に基づく2つの前記ビート信号を取得し、前記ビート信号間の位相差の時間変化率から前記被測定物における2つの前記特定の空間チャネル間の伝搬遅延時間差を算出する演算処理装置と、
を備える。
Specifically, the inter-spatial channel propagation delay time difference measuring device according to the present invention is
A light source unit that emits continuous light whose frequency is swept temporally,
An optical demultiplexing device that splits continuous light from the light source unit into two;
A delay optical fiber for delaying one of the continuous lights branched by the optical demultiplexing element as local light,
A selective excitation unit that selectively enters the other of the continuous light branched by the optical demultiplexing element as a test light into a specific spatial channel of the DUT,
A selective separation unit for selectively separating the specific spatial channel of the test light transmitted through the DUT,
An optical multiplexing element that multiplexes the local light passing through the delay optical fiber and the test light of the specific spatial channel separated by the selective separation unit into a beat signal,
The two beat signals based on the test lights of the two different specific spatial channels are acquired from the optical multiplexing device, and the two specific spaces in the DUT are obtained from the time change rate of the phase difference between the beat signals. An arithmetic processing device for calculating a propagation delay time difference between channels,
Equipped with.
また、本発明に係る空間チャネル間伝搬遅延時間差測定方法は、
時間的に周波数を掃引した連続光を2分岐し、一方をローカル光として遅延光ファイバで遅延を与え、他方を試験光として被測定物の特定の空間チャネルに対して選択的に入射する光入射手順と、
前記被測定物を透過した試験光のうち前記特定の空間チャネルを選択的に分離し、前記遅延光ファイバを経由した前記ローカル光と合波してビート信号とするビート信号生成手順と、
前記ビート信号生成手順で異なる2つの前記特定の空間チャネルの試験光に基づく2つの前記ビート信号を取得し、前記ビート信号間の位相差の時間変化率から前記被測定物における2つの前記特定の空間チャネル間の伝搬遅延時間差を算出する演算処理手順と、
を行う。
Further, the method for measuring the propagation delay time difference between spatial channels according to the present invention,
Continuous light whose frequency has been swept temporally is split into two, one of which is used as a local light to delay with a delay optical fiber, and the other of which is used as a test light to selectively enter a specific spatial channel of the DUT. Procedure and
A beat signal generation procedure for selectively separating the specific spatial channel from the test light transmitted through the device under test, and combining with the local light via the delay optical fiber to form a beat signal,
The two beat signals based on the test lights of the two specific spatial channels that are different in the beat signal generation procedure are acquired, and the two specific beat signals in the DUT are obtained from the time change rate of the phase difference between the beat signals. An arithmetic processing procedure for calculating a propagation delay time difference between spatial channels,
I do.
本発明では、従来のFMCWの装置構成に対して空間チャネルを選択的に励起・分離する素子を適用し、チャネルごとにビート信号を測定し、ビート信号間の位相差の時間変化からビート周波数差を求めることにより、従来よりも高分解能で遅延時間差を測定する。モード1のビート信号とモード2のビート信号の位相をそれぞれθ1(t)、θ2(t)とすると、それらの位相差Δθ(t)は次式のようになる。
Δθ(t)の測定結果の一例を図3に示す。位相雑音を無視するとΔθ(t)は時間に対して傾き2πΔfDMDで線形に変化することから、線形フィッティングによりΔfDMDを解析し、式(5)を用いてΔτDMDを求めることができる。従来のFMCW法はフーリエ変換から周波数解析するため、フーリエ変換の周波数分解能上、測定時間内にΔθ(t)が2π以上生じないような小さなΔfDMDは解析できないのに対し、本発明ではΔθ(t)から直接ΔfDMDを求めるため、Δθ(t)が2π以下であっても解析することができる。 An example of the measurement result of Δθ(t) is shown in FIG. If the phase noise is ignored, Δθ(t) changes linearly with a slope of 2πΔf DMD with respect to time. Therefore, Δf DMD can be analyzed by linear fitting and Δτ DMD can be obtained by using Expression (5). Since the conventional FMCW method analyzes the frequency from the Fourier transform, a small Δf DMD such that Δθ(t) does not occur by 2π or more within the measurement time cannot be analyzed due to the frequency resolution of the Fourier transform, whereas the present invention uses Δθ( Since Δf DMD is directly obtained from t), analysis can be performed even if Δθ(t) is 2π or less.
実際には光源の位相揺らぎや外乱により、図3に示されるようにΔθ(t)には位相雑音が生じるため、本発明における遅延時間差分解能は位相雑音で決まる。位相雑音が標準偏差σの正規分布に従うと仮定すると、σ<2πΔfDMDT(Tは測定時間)であれば解析可能であるため、本発明における遅延時間差分解能Δτは次式で記述される。
従って、本発明は、限られた光帯域内で高い分解能を有する空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置及び空間チャネル間伝搬遅延時間差測定方法を提供することができる。 Therefore, the present invention can provide a propagation delay time difference measuring apparatus between spatial channels and a propagation delay time difference measuring method between spatial channels having a high resolution in a limited optical band.
本発明に係る空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置の前記演算処理装置は、同一の空間チャネルに対する前記ビート信号を複数回取得し、複数の前記ビート信号の位相を加算平均することを特徴とする。また、本発明に係る空間チャネル間伝搬遅延時間差測定方法は、前記演算処理手順で、同一の空間チャネルに対する前記ビート信号を複数回取得し、複数の前記ビート信号の位相を加算平均することを特徴とする。 The arithmetic processing unit of the inter-spatial channel propagation delay time difference measuring apparatus according to the present invention is characterized by acquiring the beat signals for the same spatial channel a plurality of times and averaging the phases of the plurality of the beat signals. Further, the method for measuring the propagation delay time difference between spatial channels according to the present invention is characterized in that, in the arithmetic processing procedure, the beat signals for the same spatial channel are acquired a plurality of times, and the phases of the plurality of beat signals are arithmetically averaged. And
本発明では、位相を複数回測定し加算平均することで位相雑音の低減が可能である。すなわち、加算平均により遅延時間分解能を向上できる。N回加算平均した場合、位相雑音の標準偏差はσ/√Nになることから、分解能は√N倍向上する。 In the present invention, the phase noise can be reduced by measuring the phase a plurality of times and averaging them. That is, the delay time resolution can be improved by averaging. When the arithmetic mean is performed N times, the standard deviation of the phase noise is σ/√N, so the resolution is improved by √N times.
本発明に係る空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置の前記演算処理装置の前記演算処理装置は、前記光源部が周波数を掃引し始める周波数掃引開始時刻から前記ビート信号を取得し始めるビート信号取得開始時刻までの時間を違えて同一の空間チャネルに対する前記ビート信号を複数回取得し、複数の前記ビート信号の位相を加算平均することを特徴とする。また、本発明に係る空間チャネル間伝搬遅延時間差測定方法は、前記演算処理手順で、前記光入射手順で周波数を掃引し始める周波数掃引開始時刻から前記ビート信号を取得し始めるビート信号取得開始時刻までの時間を違えて同一の空間チャネルに対する前記ビート信号を複数回取得し、複数の前記ビート信号の位相を加算平均することを特徴とする。 The arithmetic processing device of the arithmetic processing device of the inter-spatial channel propagation delay time difference measuring device according to the present invention is a beat signal acquisition start time at which the light source unit starts acquiring the beat signal from a frequency sweep start time at which frequency sweep is started. It is characterized in that the beat signals for the same spatial channel are acquired a plurality of times at different times, and the phases of the plurality of beat signals are arithmetically averaged. Further, the method for measuring the propagation delay time difference between spatial channels according to the present invention, in the arithmetic processing procedure, from the frequency sweep start time to start sweeping the frequency in the light incidence procedure to the beat signal acquisition start time to start acquiring the beat signal. The beat signals for the same spatial channel are acquired a plurality of times at different times, and the phases of the plurality of beat signals are arithmetically averaged.
周波数を掃引する連続光の初期周波数を変えてビート信号を生成し、位相を加算平均することでモード結合による位相揺らぎを低減することができる。従って、本発明は、空間チャネル間に結合が生じる場合でも空間チャネル間伝搬遅延時間差を測定することができる。 Phase fluctuations due to mode coupling can be reduced by changing the initial frequency of continuous light that sweeps the frequency to generate a beat signal and averaging the phases. Therefore, the present invention can measure the propagation delay time difference between spatial channels even when coupling occurs between spatial channels.
本発明に係る空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置の前記光源部は、外部変調器として、外部周波数変調器または外部位相変調器を用いることを特徴とする。 The light source unit of the inter-spatial channel propagation delay time difference measuring apparatus according to the present invention is characterized in that an external frequency modulator or an external phase modulator is used as an external modulator.
周波数掃引幅を広げることなく分解能を向上できることは、測定に使用する光源の選択肢を拡大することも意味する。例えばファイバレーザ等の位相雑音の小さいレーザを用い、シングルサイドバンド変調器等の外部変調器による〜10GHz程度の狭帯域の周波数掃引でも十分な分解能を実現できる。 The ability to improve resolution without increasing the frequency sweep width also means expanding the choice of light sources used for measurement. For example, a sufficient resolution can be realized even by using a laser having a small phase noise such as a fiber laser and performing a frequency sweep in a narrow band of about 10 GHz by an external modulator such as a single sideband modulator.
本発明に係る空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置の前記光源部は、前記連続光の中心波長を変える中心波長変更手段を備えており、
前記演算処理装置は、
前記連続光の異なる中心波長毎に空間チャネル間の伝搬遅延時間差を算出して、前記被測定物における空間チャネル間の伝搬遅延時間差の波長依存性を測定し、前記空間チャネル間の伝搬遅延時間差の波長依存性について波長微分を行い、前記被測定物の長さで除算して空間チャネル間の波長分散差を算出することを特徴とする。
The light source unit of the inter-spatial channel propagation delay time difference measuring apparatus according to the present invention includes a central wavelength changing unit that changes the central wavelength of the continuous light,
The arithmetic processing unit,
Calculating the propagation delay time difference between the spatial channels for each different center wavelength of the continuous light, measuring the wavelength dependence of the propagation delay time difference between the spatial channels in the DUT, of the propagation delay time difference between the spatial channels. It is characterized in that wavelength differentiation is performed with respect to the wavelength dependence, and the wavelength dispersion difference between the spatial channels is calculated by dividing by the length of the DUT.
また、本発明に係る空間チャネル間伝搬遅延時間差測定方法は、
前記光入射手順で、前記連続光の中心波長を変え、
前記演算処理手順で、
前記連続光の異なる中心波長毎に空間チャネル間の伝搬遅延時間差を算出して、前記被測定物における空間チャネル間の伝搬遅延時間差の波長依存性を測定し、
前記空間チャネル間の伝搬遅延時間差の波長依存性について波長微分を行い、前記被測定物の長さで除算して空間チャネル間の波長分散差を算出する
ことを特徴とする。
Further, the method for measuring the propagation delay time difference between spatial channels according to the present invention,
In the light incident procedure, changing the central wavelength of the continuous light,
In the arithmetic processing procedure,
Calculate the propagation delay time difference between the spatial channels for each different center wavelength of the continuous light, to measure the wavelength dependence of the propagation delay time difference between the spatial channels in the DUT,
The wavelength dependence of the propagation delay time difference between the spatial channels is differentiated by wavelength, and the wavelength dispersion difference between the spatial channels is calculated by dividing by the length of the DUT.
上述のように本発明は周波数掃引幅を広げることなく分解能を向上できるので、空間チャネル間伝搬遅延時間差の波長依存性が大きい場合も測定可能である。 As described above, according to the present invention, the resolution can be improved without widening the frequency sweep width, so that measurement can be performed even when the wavelength dependence of the propagation delay time difference between spatial channels is large.
本発明は、限られた光帯域内で高い分解能を有する空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置及び空間チャネル間伝搬遅延時間差測定方法を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can provide a spatial channel propagation delay time difference measuring device and a spatial channel propagation delay time difference measuring method having high resolution within a limited optical band.
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。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In this specification and the drawings, constituent elements having the same reference numerals indicate the same elements.
(実施形態1)
ここでは一例として、被測定ファイバに2モードシングルコアファイバを用いて2モード間の遅延時間差を測定する場合について述べる。なお、空間チャネル間の結合は無視できるほど小さいとする。
図5は、本実施形態の空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置301(以下、測定装置301と記載することがある。)を説明する構成図である。測定装置301は、
時間的に周波数を掃引した連続光を出射する光源部11と、
光源部11からの連続光を2分岐する光分波素子12と、
光分波素子12で分岐された連続光の一方をローカル光として遅延を与える遅延光ファイバ13と、
光分波素子12で分岐された連続光の他方を試験光として被測定物の特定の空間チャネルに対して選択的に入射する選択的励起部14と、
前記被測定物を透過した試験光のうち前記特定の空間チャネルを選択的に分離する選択的分離部15と、
遅延光ファイバ13を経由したローカル光と選択的分離部15で分離された前記特定の空間チャネルの試験光とを合波しビート信号とする光合波素子16と、
光合波素子16から異なる2つの前記特定の空間チャネルの試験光に基づく2つの前記ビート信号を取得し、前記ビート信号間の位相差の時間変化率から前記被測定物における2つの前記特定の空間チャネル間の伝搬遅延時間差を算出する演算処理装置17と、
を備える。
演算処理装置17は、ビート信号を電気信号へ変換する受光器21、電気信号をアナログからデジタルへ変換するA/D変換器22、及び演算処理を行う演算処理部からなる。
(Embodiment 1)
Here, as an example, a case will be described in which a two-mode single-core fiber is used as the measured fiber and the delay time difference between the two modes is measured. The coupling between spatial channels is assumed to be negligible.
FIG. 5 is a configuration diagram illustrating a propagation delay time difference measuring apparatus 301 between spatial channels (hereinafter, also referred to as measuring apparatus 301) of the present embodiment. The measuring device 301 is
A
An
A delay
A
A
An
The two beat signals based on the test lights of the two different specific spatial channels are acquired from the
Equipped with.
The
ここで、図5の測定装置301が測定している被測定物は光ファイバであり、図5では被測定ファイバ100として記載している。被測定ファイバ100は測定装置301には含まれない。また、被測定ファイバ100における空間チャネルとは伝搬モードである。また、なお、図5において被測定ファイバ100以外は光源部100からの連続光においてシングルモードで伝搬するシングルコアファイバで構成されることとする。
Here, the measured object measured by the measuring device 301 in FIG. 5 is an optical fiber, and is shown as the measured
測定装置301は、
時間的に周波数を掃引した連続光を2分岐し、一方をローカル光として遅延光ファイバで遅延を与え、他方を試験光として被測定物の特定の空間チャネルに対して選択的に入射する光入射手順と、
前記被測定物を透過した試験光のうち前記特定の空間チャネルを選択的に分離し、前記遅延光ファイバを経由した前記ローカル光と合波してビート信号とするビート信号生成手順と、
前記ビート信号生成手順で異なる2つの前記特定の空間チャネルの試験光に基づく2つの前記ビート信号を取得し、前記ビート信号間の位相差の時間変化率から前記被測定物における2つの前記特定の空間チャネル間の伝搬遅延時間差を算出する演算処理手順と、
を行う空間チャネル間伝搬遅延時間差測定方法で空間チャネル間の伝搬遅延時間差を取得する。
The measuring device 301 is
Continuous light whose frequency has been swept temporally is split into two, one of which is used as a local light to delay with a delay optical fiber, and the other of which is used as a test light to selectively enter a specific spatial channel of the DUT. Procedure and
A beat signal generation procedure for selectively separating the specific spatial channel from the test light transmitted through the device under test, and combining with the local light via the delay optical fiber to form a beat signal,
The two beat signals based on the two different test lights of the specific spatial channels are acquired in the beat signal generation procedure, and the two specific signals in the DUT are acquired from the time change rate of the phase difference between the beat signals. An arithmetic processing procedure for calculating a propagation delay time difference between spatial channels,
The propagation delay time difference between spatial channels is acquired by the propagation delay time difference measurement method between spatial channels.
図4は、演算処理装置17が行う演算処理手順を説明するフローチャートである。初めにステップS01として、ビート信号をモード1について測定する。光源部11には周波数掃引手段を有する光源を用い、時間に対して線形に周波数掃引された連続光を出射する。測定装置301では狭い周波数掃引幅でも高い遅延時間分解能が得られるため、光源部11としてファイバレーザ等の位相雑音の小さいレーザを用い、外部変調器により周波数掃引する。なお、ここでの外部変調器は周波数変調器、位相変調器のいずれでもよい。
FIG. 4 is a flowchart illustrating a calculation processing procedure performed by the
周波数掃引した連続光を光分波素子12により2分岐し、一方はローカル光として遅延時間τloを与える遅延ファイバ13に入射し、もう一方は試験光としてモードを選択する選択励起部14を用いて被測定ファイバ100にモード1で入射する。本実施例ではコヒーレンスの高いレーザ(ファイバレーザではコヒーレンス長〜10数km)を光源に用いているため、ここでの遅延ファイバ長は被測定ファイバに対して光路長差がコヒーレンス長以内であれば厳密に設定する必要はない。
The frequency-swept continuous light is split into two by an
被測定ファイバ100伝搬後のモード1の試験光を選択分離部15で取り出し、光合波素子16によってローカル光と合波する。合波によるビート信号I1_0、1(t)は次式で記述される。
I1_0、1(t)は受光器21で電気信号に変換され、A/D変換器22によりデジタル信号に変換される。
I 1 — 0,1 (t) is converted into an electric signal by the
ステップS02では、演算処理部23において、I1_0、1(t)の位相をπ/2遅らせた信号I1_π/2、1(t)を、I1_0、1(t)のヒルベルト変換により算出する。I1_π/2、1(t)は次式で記述される。
ステップS03では、I1_0、1(t)とI1_π/2、1(t)を用いて、次式によりθ1、1(t)を算出する。
ステップS04では、上記のステップS01〜S03をN回行い、N個のθ1、j(t)(j=1〜N)を次式により加算平均し、θ1(t)を得る。
なお、ステップ4の加算平均は位相雑音を低減し遅延時間差分解能を向上させるために行うものであり、所望の分解能に対して位相雑音が小さい場合、N=1として加算平均を省略し、θ1(t)=θ1、1(t)としてもよい。
In step S04, the above steps S01 to S03 are performed N times, and N θ 1,j (t) (j=1 to N) are arithmetically averaged by the following equation to obtain θ 1 (t).
Note that averaging of
ステップS01〜S04をモード2についても行い、モード2のビート信号の位相θ2(t)を算出する。
The steps S01 to S04 are also performed for the
ステップS05では、モード2のビート信号とモード1のビート信号の位相差Δθ(t)を算出する。算出されるΔθ(t)は次式のようになる。
最後にステップS06において、ΔτDMD=ΔfDMD/γによりモード1とモード2の遅延時間差ΔτDMDを算出する。このとき、φnoise2、j(t)−φnoise1、k(t)(j≠k)が標準偏差σの正規分布に従うと仮定すると、次式の分解能Δτで遅延時間差が測定される。
演算処理装置17は、同一の空間チャネルに対する前記ビート信号を複数回取得し、複数の前記ビート信号の位相を加算平均することを特徴とする。演算処理装置17は、複数のビート信号それぞれについて位相を算出するため、加算平均による位相雑音低減が有効になる。例えば式(1)に示される従来のFMCW法のビート信号を加算平均した場合、位相雑音及び位相定数項は測定の度に異なるため、加算すると0に収束してしまう。また、図2に示されるフーリエ変換後の波形を加算平均した場合も、遅延時間差分解能はフーリエ変換の周波数分解能で決まるため、式(6)よりも分解能が向上することはない。測定装置301は位相の加算平均により分解能を向上できる点で非特許文献2の方法と大きく異なる。
The
(実施形態2)
本実施形態は空間チャネル間に結合が生じる場合について行う。本実施形態の空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置の構成は図5の測定装置301と同じである。本実施形態は、図4に示されるフローチャートにおいてステップS01からS03を試験光の周波数掃引開始時刻からビート信号測定開始時刻までの時間を変えてN回行い、測定開始時刻の異なるN個のビート信号の位相をステップS04において加算平均する点が、実施形態1と異なる。なお、ここでは被測定ファイバを2モードシングルコアファイバとし、試験光の入射端及び被測定ファイバ中の1カ所でモード結合が生じた場合について述べる。
(Embodiment 2)
The present embodiment will be performed in the case where coupling occurs between spatial channels. The configuration of the inter-spatial-channel propagation delay time difference measuring apparatus of this embodiment is the same as that of the measuring apparatus 301 of FIG. In the present embodiment, steps S01 to S03 in the flowchart shown in FIG. 4 are performed N times while changing the time from the frequency sweep start time of the test light to the beat signal measurement start time, and N beat signals having different measurement start times are performed. This is different from the first embodiment in that the phase of is added and averaged in step S04. In addition, here, the case where the fiber to be measured is a two-mode single-core fiber and mode coupling occurs at the incident end of the test light and at one position in the fiber to be measured will be described.
モード間に結合が生じる場合、モード1のビート信号の位相θ1,1(t)は次式で記述される。
φx1は位相定数、
zxは結合が生じた距離地点、
Lは被測定ファイバ長、
αは結合の強さを示す定数でありα<<1である。
式(17)において第4項がモード結合による影響を表し、時間に対して線形でない変化を与える。
ステップS01〜S03において、j=1では式(17)に示されるθ1,1(t)を測定する。
When coupling occurs between modes, the phase θ 1,1 (t) of the beat signal of
z x is the distance point where the bond occurs,
L is the measured fiber length,
α is a constant indicating the strength of the bond and α<<1.
In Equation (17), the fourth term represents the effect of mode coupling, and gives a non-linear change with time.
In steps S01 to S03, when j=1, θ 1,1 (t) shown in equation (17) is measured.
j>1では、ステップS01において試験光の周波数掃引開始時からビート信号測定開始までの時間を変えてビート信号を測定する。測定される位相θ1,j(t)は次式で記述される。
ステップS04では、上記のステップS01〜S03をN回行い、N個のθ1、j(t)(j=1〜N)を次式により加算平均し、θ1(t)を得る。
ステップS01〜S04をモード2についても行い、モード2のビート信号の位相θ2(t)を算出する。θ2(t)は次式で記述される。
以降ステップS05以降は実施形態1と同様、モード1の位相とモード2の位相差Δθ(t)=θ2(t)−θ1(t)を計算し、Δθ(t)の時間変化率から伝搬遅延時間差を求める。
After step S05, the phase difference Δθ(t)=θ 2 (t)−θ 1 (t) between the phase of
本実施形態で行われる位相の加算平均でモード結合の影響を低減できることは、式(20)または(21)においてN=2の場合で考えると明らかである。式(20)においてN=2とすると、モード結合の影響を表す第4項は次式のようになる。
なお、上記実施形態では測定開始時刻を変えて複数のビート信号を測定しているが、測定開始時刻を変えることは試験光の周波数掃引の初期周波数を変えることと同義である。したがって本発明は上記形態に限定されず、初期周波数を変えて複数のビート信号を測定し、それらの位相を加算平均してもよい。 In the above embodiment, a plurality of beat signals are measured by changing the measurement start time, but changing the measurement start time is synonymous with changing the initial frequency of the frequency sweep of the test light. Therefore, the present invention is not limited to the above-mentioned form, and a plurality of beat signals may be measured with different initial frequencies and their phases may be averaged.
(実施形態3)
本実施形態の空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置の構成は図5の測定装置301と同じである。本実施形態の場合、
光源部11が、
前記連続光の中心波長を変える中心波長変更手段を備えており、
演算処理装置17が、
前記連続光の異なる中心波長毎に空間チャネル間の伝搬遅延時間差を算出して、前記被測定物における空間チャネル間の伝搬遅延時間差の波長依存性を測定し、
前記空間チャネル間の伝搬遅延時間差の波長依存性について波長微分を行い、前記被測定物の長さで除算して空間チャネル間の波長分散差を算出することを特徴とする。
(Embodiment 3)
The configuration of the inter-spatial-channel propagation delay time difference measuring apparatus of this embodiment is the same as that of the measuring apparatus 301 of FIG. In the case of this embodiment,
The
The center wavelength changing means for changing the center wavelength of the continuous light is provided,
The
Calculate the propagation delay time difference between the spatial channels for each different center wavelength of the continuous light, to measure the wavelength dependence of the propagation delay time difference between the spatial channels in the DUT,
The wavelength dependence of the propagation delay time difference between the spatial channels is differentiated by wavelength, and the wavelength dispersion difference between the spatial channels is calculated by dividing by the length of the DUT.
本実施形態の空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置は、空間チャネル間の波長分散差を測定できる。本実施形態の空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置は、実施形態1または2の測定を試験光の中心波長を変えて複数回行い、遅延時間差の波長依存性ΔτDMD(λ)を測定する。モード1とモード2の波長分散差D(λ)は次式により算出する。
(他の実施形態)
なお、実施形態1と2ではローカル光の光路にシングルモードシングルコアの遅延ファイバを用いたが、本発明はそれに限定されず空間多重光ファイバの異なるチャネル間で透過光を合波させてビート信号を観測しても良い。その場合、ビート信号の位相は時間変化率2πΔfDMDで変化するため、上記の実施例と同様に位相の時間変化率から遅延時間差を測定可能である。
(Other embodiments)
In the first and second embodiments, the single-mode single-core delay fiber is used in the optical path of the local light, but the present invention is not limited thereto, and the transmitted light is multiplexed between different channels of the spatial multiplexing optical fiber to obtain the beat signal. May be observed. In that case, since the phase of the beat signal changes at the time change rate of 2πΔf DMD , it is possible to measure the delay time difference from the time change rate of the phase as in the above embodiment.
また、測定する空間チャネル数が2より多い場合でも、対応する空間チャネル選択励起部と空間チャネル選択分離部を用いて個々の空間チャネルの透過光とローカル光のビート信号を観測し、それらの位相差を算出することにより、各チャネル間の遅延時間差を測定できる。 Even when the number of spatial channels to be measured is more than 2, the beat signals of the transmitted light and the local light of the individual spatial channels are observed using the corresponding spatial channel selective pumping section and spatial channel selective demultiplexing section, and their positions are measured. By calculating the phase difference, the delay time difference between each channel can be measured.
上記実施形態では測定対象を光ファイバとして説明したが、被測定ファイバを光フィルタ等の光デバイスに変更しても、同様に光デバイスの空間チャネル間遅延時間差及び波長分散差を測定可能である。 Although the measurement target is an optical fiber in the above embodiment, the delay time difference between spatial channels and the chromatic dispersion difference of the optical device can be similarly measured even if the measured fiber is changed to an optical device such as an optical filter.
(効果)
本実施形態の空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置を用いることにより、空間多重用光ファイバだけでなく、モード合分波器等の光デバイスレベルの小さな遅延時間差も測定できる。また、本実施形態の空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置は狭い光帯域であっても遅延時間差を高分解能で評価できるため、試験光の中心波長を変えて複数回測定することにより、遅延時間差の波長依存性も評価できる。遅延時間差の波長依存性を知ることができれば、空間チャネル間の波長分散差の解析が可能になるため(非特許文献4)、本発明は波長分散差評価方法としても実施できる。
(effect)
By using the inter-spatial-channel propagation delay time difference measuring apparatus of this embodiment, not only the spatial multiplexing optical fiber but also a small delay time difference at the level of an optical device such as a mode multiplexer/demultiplexer can be measured. Further, the inter-spatial-channel propagation delay time difference measuring apparatus of the present embodiment can evaluate the delay time difference with high resolution even in a narrow optical band, so that the delay time difference can be measured by changing the central wavelength of the test light a plurality of times. The wavelength dependence can also be evaluated. If the wavelength dependence of the delay time difference can be known, the chromatic dispersion difference between the spatial channels can be analyzed (Non-Patent Document 4), and the present invention can also be implemented as a chromatic dispersion difference evaluation method.
11:光源部
12:光分波素子
13:遅延ファイバ
14:選択励起部
15:選択分離部
16:光合波素子
17:演算処理装置
21:受光器
22:A/D変換器
23:演算処理部
100:被測定ファイバ
301:空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置
11: Light source unit 12: Optical demultiplexing device 13: Delay fiber 14: Selective pumping unit 15: Selective demultiplexing unit 16: Optical multiplexing device 17: Arithmetic processing device 21: Light receiver 22: A/D converter 23: Arithmetic processing unit 100: Fiber under measurement 301: Propagation delay time difference measuring device between spatial channels
Claims (9)
前記光源部からの連続光を2分岐する光分波素子と、
前記光分波素子で分岐された連続光の一方をローカル光として遅延を与える遅延光ファイバと、
前記光分波素子で分岐された連続光の他方を試験光として被測定物の特定の空間チャネルに対して選択的に入射する選択的励起部と、
前記被測定物を透過した試験光のうち前記特定の空間チャネルを選択的に分離する選択的分離部と、
前記遅延光ファイバを経由した前記ローカル光と前記選択的分離部で分離された前記特定の空間チャネルの試験光とを合波しビート信号とする光合波素子と、
前記光合波素子から異なる2つの前記特定の空間チャネルの試験光に基づく2つの前記ビート信号を取得し、前記ビート信号間の位相差の時間変化率から前記被測定物における2つの前記特定の空間チャネル間の伝搬遅延時間差を算出する演算処理装置と、
を備える空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置。 A light source unit that emits continuous light whose frequency is swept temporally,
An optical demultiplexing device that splits continuous light from the light source unit into two;
A delay optical fiber for delaying one of the continuous lights branched by the optical demultiplexing element as local light,
A selective excitation unit that selectively enters the other of the continuous light branched by the optical demultiplexing element as a test light into a specific spatial channel of the DUT,
A selective separation unit for selectively separating the specific spatial channel of the test light transmitted through the DUT,
An optical multiplexing element that multiplexes the local light passing through the delay optical fiber and the test light of the specific spatial channel separated by the selective separation unit into a beat signal,
The two beat signals based on the test lights of the two different specific spatial channels are acquired from the optical multiplexing element, and the two specific spaces in the DUT are obtained from the time change rate of the phase difference between the beat signals. An arithmetic processing device for calculating a propagation delay time difference between channels,
An apparatus for measuring a propagation delay time difference between spatial channels comprising:
同一の空間チャネルに対する前記ビート信号を複数回取得し、複数の前記ビート信号の位相を加算平均することを特徴とする請求項1に記載の空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置。 The arithmetic processing unit,
The propagation delay time difference measuring apparatus according to claim 1, wherein the beat signals for the same spatial channel are acquired a plurality of times, and the phases of the plurality of beat signals are added and averaged.
前記光源部が周波数を掃引し始める周波数掃引開始時刻から前記ビート信号を取得し始めるビート信号取得開始時刻までの時間を違えて同一の空間チャネルに対する前記ビート信号を複数回取得し、複数の前記ビート信号の位相を加算平均することを特徴とする請求項1に記載の空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置。 The arithmetic processing unit,
The light source unit acquires the beat signal for the same spatial channel a plurality of times by changing the time from the frequency sweep start time when the frequency sweep starts to start the beat signal acquisition start time when the beat signal starts to be acquired, and the plurality of beats are acquired. 2. The propagation delay time difference measuring apparatus between spatial channels according to claim 1, wherein the phases of the signals are added and averaged.
外部変調器として、外部周波数変調器または外部位相変調器を用いることを特徴とする請求項1から3に記載の空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置。 The light source unit,
An external frequency modulator or an external phase modulator is used as the external modulator, and the inter-spatial channel propagation delay time difference measuring device according to claim 1 to 3, wherein:
前記連続光の中心波長を変える中心波長変更手段を備えており、
前記演算処理装置は、
前記連続光の異なる中心波長毎に空間チャネル間の伝搬遅延時間差を算出して、前記被測定物における空間チャネル間の伝搬遅延時間差の波長依存性を測定し、
前記空間チャネル間の伝搬遅延時間差の波長依存性について波長微分を行い、前記被測定物の長さで除算して空間チャネル間の波長分散差を算出することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の空間チャネル間伝搬遅延時間差測定装置。 The light source unit,
The center wavelength changing means for changing the center wavelength of the continuous light is provided,
The arithmetic processing unit,
Calculate the propagation delay time difference between the spatial channels for each different center wavelength of the continuous light, to measure the wavelength dependence of the propagation delay time difference between the spatial channels in the DUT,
5. The wavelength difference of the wavelength dependence of the propagation delay time difference between the spatial channels is calculated, and the wavelength dispersion difference between the spatial channels is calculated by dividing by the length of the DUT. A propagation delay time difference measuring apparatus between spatial channels according to any one of the above.
前記被測定物を透過した試験光のうち前記特定の空間チャネルを選択的に分離し、前記遅延光ファイバを経由した前記ローカル光と合波してビート信号とするビート信号生成手順と、
前記ビート信号生成手順で異なる2つの前記特定の空間チャネルの試験光に基づく2つの前記ビート信号を取得し、前記ビート信号間の位相差の時間変化率から前記被測定物における2つの前記特定の空間チャネル間の伝搬遅延時間差を算出する演算処理手順と、
を行う空間チャネル間伝搬遅延時間差測定方法。 Continuous light whose frequency has been swept temporally is split into two, one of which is used as a local light to delay with a delay optical fiber, and the other of which is used as a test light to selectively enter a specific spatial channel of the DUT. Procedure and
A beat signal generation procedure for selectively separating the specific spatial channel from the test light transmitted through the device under test, and combining with the local light via the delay optical fiber to form a beat signal,
The two beat signals based on the test lights of the two specific spatial channels that are different in the beat signal generation procedure are acquired, and the two specific beat signals in the DUT are obtained from the time change rate of the phase difference between the beat signals. An arithmetic processing procedure for calculating a propagation delay time difference between spatial channels,
Propagation delay time difference measurement method between spatial channels.
ことを特徴とする請求項6に記載の空間チャネル間伝搬遅延時間差測定方法。 The propagation delay time difference measuring method between spatial channels according to claim 6, wherein the beat signals for the same spatial channel are acquired a plurality of times in the arithmetic processing procedure, and the phases of the plurality of beat signals are arithmetically averaged. ..
前記光入射手順で周波数を掃引し始める周波数掃引開始時刻から前記ビート信号を取得し始めるビート信号取得開始時刻までの時間を違えて同一の空間チャネルに対する前記ビート信号を複数回取得し、複数の前記ビート信号の位相を加算平均する
ことを特徴とする請求項6に記載の空間チャネル間伝搬遅延時間差測定方法。 In the arithmetic processing procedure,
Obtaining the beat signal for the same spatial channel a plurality of times by changing the time from the frequency sweep start time to start sweeping the frequency in the light incident procedure to the beat signal acquisition start time to start obtaining the beat signal, 7. The propagation delay time difference measuring method between spatial channels according to claim 6, wherein the phases of the beat signals are added and averaged.
前記演算処理手順で、
前記連続光の異なる中心波長毎に空間チャネル間の伝搬遅延時間差を算出して、前記被測定物における空間チャネル間の伝搬遅延時間差の波長依存性を測定し、
前記空間チャネル間の伝搬遅延時間差の波長依存性について波長微分を行い、前記被測定物の長さで除算して空間チャネル間の波長分散差を算出する
ことを特徴とする請求項6から8に記載の空間チャネル間伝搬遅延時間差測定方法。 In the light incident procedure, changing the central wavelength of the continuous light,
In the arithmetic processing procedure,
Calculate the propagation delay time difference between the spatial channels for each different center wavelength of the continuous light, to measure the wavelength dependence of the propagation delay time difference between the spatial channels in the DUT,
The wavelength dependence of the propagation delay time difference between the spatial channels is differentiated by wavelength, and the wavelength dispersion difference between the spatial channels is calculated by dividing by the length of the DUT. A method for measuring a propagation delay time difference between spatial channels as described.
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