JP6751371B2 - 空間モード分散測定方法及び空間モード分散測定装置 - Google Patents

Description

本開示は、マルチモード光ファイバ及びマルチコア光ファイバ等を用いた空間多重光伝送路における伝搬遅延時間広がりの分布を測定する技術に関する。

光ファイバ１本あたりの光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（以下、ＳＤＭ）がある。ＳＤＭでは、モードやコアといった異なる空間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、損失や伝搬遅延時間等の特性が空間チャネル間で異なると受信端での信号処理が複雑化することが知られている。そこで、強結合マルチコア光ファイバ等を用いて伝搬モード間の結合を積極利用することで上記特性の空間チャネル依存性を低減した伝送路が近年提案されている（例えば、非特許文献１を参照。）。

そのようなモード結合の強い空間多重伝送路（以下、強結合ＳＤＭ伝送路）では、光伝搬中のランダムなモード結合により、伝搬遅延時間がガウス分布的な広がりを持つ。この現象は従来のシングルモード光ファイバにおける偏波モード間結合に似たものであり、偏波モード分散（以下、ＰＭＤ）と同様、強結合ＳＤＭ伝送路を評価する指標として空間モード分散（以下、ＳＭＤ）が定義されている。

モード結合の弱い伝送路では空間チャネル間遅延時間差は伝搬距離に比例して増加するのに対し、強結合ＳＤＭ伝送路におけるＳＭＤは伝搬距離の平方根に比例することが知られている。このような特性から、強結合ＳＤＭ伝送路は長距離向け大容量伝送路として期待されている。

ＳＭＤは従来のＰＭＤ測定と同様の方法で測定することができ、例えば非特許文献１ではＰＭＤ測定の代替試験法として標準化されている固定アナライザ法（例えば、非特許文献２を参照。）を用いてＳＭＤを測定している。その他、同じくＰＭＤの代替試験法である低コヒーレンス干渉法（例えば、非特許文献２を参照。）を用いてもＳＭＤ測定が可能である。

Ｔ． Ｓａｋａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｆｉｂｅｒ Ｔｗｉｓｔｉｎｇ− ａｎｄ Ｂｅｎｄｉｎｇ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ａｄｉａｂａｔｉｃ／Ｎｏｎａｄｉａｂａｔｉｃ Ｓｕｐｅｒ−Ｍｏｄｅ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｍｕｌｔｉｃｏｒｅ Ｆｉｂｅｒ"， Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．， Ｖｏｌ． ３４， ｎｏ． ４， ｐ． １２２８ （２０１６）． ＩＴＵ−Ｔ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ Ｇ．６５０．２， "Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ａｎｄ ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ ｒｅｌａｔｅｄ ａｔｔｒｉｂｕｔｅｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｒｅ ａｎｄ ｃａｂｌｅ" （２０１５）．

非特許文献１で報告されているように、ＳＭＤは光ファイバの曲げやねじれによって敏感に変化することが知られている。そのため、ケーブル構造や敷設状況等により、伝送路中で局所的に変化することが想定される。しかしながら、従来用いられている固定アナライザ法や低コヒーレンス干渉法では伝送路全体のＳＭＤは測定できるが、伝送路途中のＳＭＤを非破壊で分布的に測定することはできないという課題があった。

そこで、本発明は、前記課題を解決するために、強結合ＳＤＭ伝送路のＳＭＤを非破壊で分布的に測定できる空間モード分散測定方法及び空間モード分散測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る空間モード分散測定方法及び空間モード分散測定装置は、光反射測定で観測される後方レイリー散乱光振幅分布の任意区間成分の自己相関を計算することで強結合ＳＤＭ伝送路のＳＭＤを非破壊で分布的に取得可能とした。

具体的には、本発明に係る空間モード分散測定方法は、
空間多重光伝送路の後方レイリー散乱光の伝搬遅延時間に対する振幅分布波形を測定する測定手順と、
前記振幅分布波形の任意区間成分を抽出し、抽出した振幅分布波形の自己相関を計算し、前記自己相関の中心ピークを除く相関ピーク分布の二次モーメントを前記空間多重光伝送路の前記任意区間における空間モード分散とする演算手順と、
を行う。

また、本発明に係る空間モード分散測定装置は、
空間多重光伝送路の後方レイリー散乱光の伝搬遅延時間に対する振幅分布波形を測定する測定手段と、
前記振幅分布波形の任意区間成分を抽出し、抽出した振幅分布波形の自己相関を計算し、前記自己相関の中心ピークを除く相関ピーク分布の二次モーメントを前記空間多重光伝送路の前記任意区間における空間モード分散とする演算手段と、
を備える。

本発明は、空間多重光伝送路の後方レイリー散乱光の伝搬遅延時間に対する振幅分布波形を測定し、当該振幅分布波形から抽出した任意区間成分について自己相関を計算し、自己相関のピーク分布を解析する。本発明は、当該ピーク分布の二次モーメントが当該任意区間のＳＭＤであることを利用している。

従って、本発明は、強結合ＳＤＭ伝送路のＳＭＤを非破壊で分布的に測定できる空間モード分散測定方法及び空間モード分散測定装置を提供することができる。

任意区間のＳＭＤを測定するためにはＳＭＤに対して十分小さい遅延分解能（ｐｓオーダ以下）が求められる。このため、本発明で振幅分布波形を取得する場合、光周波数領域反射計（ＯＦＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）を利用することが好ましい。

すなわち、本発明に係る空間モード分散測定方法の前記測定手順では、
周波数掃引した連続光を分岐し、
分岐した前記連続光の一方を前記空間多重光伝送路に入射し、
前記空間多重光伝送路内で生じた後方レイリー散乱光と分岐した前記連続光の他方とを合波してビート信号を検出し、
前記ビート信号をフーリエ変換して前記振幅分布波形を得る
ことを特徴とする。

また、本発明に係る空間モード分散測定装置の前記測定手段は、
周波数掃引した連続光を出射する光源と、
前記光源が出射する連続光を分岐する光分岐器と、
前記光分岐器が分岐した前記連続光の一方を前記空間多重光伝送路に入射し、前記空間多重光伝送路内で生じた後方レイリー散乱光と、前記光分岐器が分岐した前記連続光の他方とを合波してビート信号を検出し、前記ビート信号をフーリエ変換して前記振幅分布波形を得る光検波器と、
を有することを特徴とする。

本発明は、強結合ＳＤＭ伝送路のＳＭＤを非破壊で分布的に測定できる空間モード分散測定方法及び空間モード分散測定装置を提供することができる。

本発明に係る空間モード分散測定方法の測定原理を示す概念図である。 本発明に係る空間モード分散測定装置を説明するブロック図である。 本発明に係る空間モード分散測定方法を説明するフローチャートである。

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。

［測定原理］
図１は、本実施形態の空間モード分散測定方法の測定原理を示す概念図である。光反射測定では、光ファイバ中の後方レイリー散乱光の振幅分布を伝搬遅延時間の関数として観測することができる（図１（Ｂ））。このとき、遅延分解能に対して十分長いコヒーレンス時間を持つ光を試験光に用いた場合、観測される振幅分布は散乱光の干渉によりランダムなジグザグ波形（以下、散乱シグネチャ）で観測される。光反射測定を強結合ＳＤＭ伝送路について実施した場合、後方散乱光伝搬中のランダムなモード結合により、散乱地点に対応する遅延時間はガウス分布的に複数の遅延時間を持つ。すなわち、散乱シグネチャの複製が遅延軸上でガウス分布的に存在し、それらの重ね合わせの波形が観測される。

後方散乱光振幅の遅延広がりを標準偏差σ_ａのガウシアンと仮定すると、観測される後方散乱光振幅は次式のように記述できる。

τは遅延時間、δτ_ｍとθ_ｍはそれぞれｍ番目のモード結合成分の遅延時間シフトと位相変化、ε（τ）は結合を考慮しない場合の後方散乱光振幅である。

ＳＭＤはインパルス応答（光強度）の遅延広がりの標準偏差の２倍で定義されることから、光振幅の遅延広がりσ_ａに対して次式の関係がある。

つまり、ＳＭＤはΔτを求めることで得られることになる。

式（１）は式（１ａ）のΔτを用いて次式のように記述できる。

モード結合によって生じる散乱シグネチャの複製は互いに相関を持つことから、遅延広がりは観測される後方散乱光振幅分布の任意区間成分の自己相関により解析できる（図１（Ｃ））。自己相関Ｒ（τ’）（τ’は相対遅延）は次式で計算される。

ここで＊は複素共役を表す。δτ_ｎとθ_ｎはそれぞれｎ番目のモード結合成分の遅延時間シフトと位相変化である。なお、式（３）では散乱シグネチャが光ファイバ中のランダムな屈折率揺らぎに起因する不規則なジグザグ波形であることから、次式の関係が成り立つと仮定した。

式（３）で計算される自己相関波形の一例を図１（Ｄ）に示している。式（３）第一項で記述されるように、後方散乱光振幅波形自身との相関により、τ’＝０に強い相関ピークが現れる。一方、式（３）第二項が示すように、互いに異なる遅延時間に存在する散乱シグネチャの複製同士の相関により、τ’≠０の領域においても小さな相関ピークが分布する。

τ’≠０における相関ピーク強度は式（３）第二項中のランダムな位相項の足し合わせにより不規則なバラツキを持つが、｜τ’｜が小さいほど確率的に大きな値をとり、τ’≠０における相関ピーク分布の二次モーメントの平方根がΔτに対応する。したがって、後方散乱光振幅分布波形の任意区間における自己相関ピーク分布を解析することにより、伝送路途中のＳＭＤを非破壊で求めることができる。

［実施形態］
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ここでは一例として、後方散乱光振幅分布測定に光周波数領域反射測定法（ＯＦＤＲ）を用い、被測定ファイバに強結合マルチコア光ファイバを用いて任意のコアについて測定する場合について述べる。

図２は、本実施形態の空間モード分散測定装置３０１を説明する図である。空間モード分散測定装置３０１は、
空間多重光伝送路の後方レイリー散乱光の伝搬遅延時間に対する振幅分布波形を測定する測定手段と、
前記振幅分布波形の任意区間成分を抽出し、抽出した振幅分布波形の自己相関を計算し、前記自己相関の中心ピークを除く相関ピーク分布の二次モーメントを前記空間多重光伝送路の前記任意区間における空間モード分散とする演算手段と、
を備える。

また、空間モード分散測定装置３０１を用いた空間モード分散測定方法は、
空間多重光伝送路の後方レイリー散乱光の伝搬遅延時間に対する振幅分布波形を測定する測定手順と、
前記振幅分布波形の任意区間成分を抽出し、抽出した振幅分布波形の自己相関を計算し、前記自己相関の中心ピークを除く相関ピーク分布の二次モーメントを前記空間多重光伝送路の前記任意区間における空間モード分散とする演算手順と、
を行う。

本実施形態では空間多重光伝送路が被測定ファイバ５０である。
そして、ＯＦＤＲを用いるので、前記測定手段は、
周波数掃引した連続光を出射する光源１１と、
光源１１が出射する連続光を分岐する光分岐器１２と、
光分岐器１２が分岐した前記連続光の一方を前記空間多重光伝送路に入射し、前記空間多重光伝送路内で生じた後方レイリー散乱光と、光分岐器１２が分岐した前記連続光の他方とを合波してビート信号を検出し、前記ビート信号をフーリエ変換して前記振幅分布波形を得る光検波器と、
を有する。
前記光検波器は、受光器１５、Ａ／Ｄ変換器１６、及び演算処理装置１７で構成される。

初めに、空間モード分散測定装置３０１は、被測定ファイバ５０の任意のコアについて後方散乱光をコヒーレント検波してビート信号を得る。なお、図２において被測定ファイバ５０以外はシングルモードシングルコア光ファイバで構成されることとする。

光源１０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が出射される。出射された連続光を光分岐器１２で２分岐し、一方を被測定ファイバ５０に入射する試験光、他方を後方散乱光をコヒーレント検波する際のローカル光に用いる。試験光は被測定ファイバ５０の任意のコアに入射され、試験光の一部は被測定ファイバ５０中でレイリー散乱される。このとき、入射方向の後方にはレイリー散乱光が複数のコアまたはモードとランダムに結合しながら伝搬する。試験光を入射したコアから出射される後方散乱光を光サーキュレータ１３で試験光と分離して光合波器１４でローカル光と合波する。後方散乱光とローカル光との合波によるビート信号を受光器１５で電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器１６でデジタル信号に変換する。

次に演算処理装置１７において、前記ビート信号を用いて被測定ファイバ５０の任意地点におけるＳＭＤを求める。図３は、演算処理装置１７が行うＳＭＤ解析の演算手順を説明するフローチャートである。

まずステップ１として、演算処理装置１７はビート信号をフーリエ変換して、伝搬遅延時間に対する後方散乱光振幅分布を得た後、データ保管手段１８に保管させる。
次にステップ２として、演算処理装置１７はステップ１で得られた振幅分布のうちＳＭＤを測定する地点を中心とする任意の区間成分を切り出す。
次にステップ３として、演算処理装置１７は式（３）を用いてステップ２で切り出した振幅分布波形の自己相関を計算する。
次にステップ４として、演算処理装置１７はステップ３で得られた自己相関波形においてτ’＝０を中心とする相関ピークを取り除く。このとき、取り除く相関ピークの幅はＯＦＤＲの遅延分解能よりも大きく、ＳＭＤよりも小さい範囲とする。
次にステップ５として、演算処理装置１７はステップ４で中心ピークを取り除いた自己相関の絶対値｜Ｒ’（τ’）｜を用いて、次式によりＳＭＤであるΔτを求める。

被測定ファイバ５０の別の地点のＳＭＤを求める場合、演算処理装置１７はステップ２で後方散乱光振幅分布波形を切り出す区間の中心位置を変えてステップ３〜５を実施する。このとき、ステップ１で保管した後方散乱光振幅分布を再度用いてステップ２以降を実施してもよく、ビート信号の取得及びフーリエ変換を再度行う必要はない。

なお、本実施形態では強結合マルチコア光ファイバの任意のコアについてＯＦＤＲを実施しているが、本発明はこれに限定されず、マルチコア光ファイバの複数コアに跨って測定、またはシングルコアマルチモード光ファイバについて測定してもよい。また、測定手段にはＳＭＤに対し十分小さい遅延分解能（ｐｓオーダ以下）を有する手段であればＯＦＤＲ以外の光反射測定法を用いても良い。

［効果］
本発明を用いることにより強結合ＳＤＭ伝送路中のＳＭＤを非破壊で測定できるため、ファイバ製造後だけでなく、ケーブル収容後や敷設後等、様々な場面でＳＭＤ評価を実施することができる。さらに本発明は伝送路片端で測定が完結するため、敷設後の伝送路を評価する場合、局舎から遠隔でＳＭＤをモニタリングできる。特に強結合ＳＤＭ伝送路では、前述したようにケーブル構造や敷設環境により局所的にＳＭＤが変化することが想定されるため、本発明は伝送路の保守及び運用に向けた観点で従来の測定法に対して大きな優位性がある。

１１：光源
１２：光分岐器
１３：光サーキュレータ
１４：光合波器
１５：受光器
１６：Ａ／Ｄ変換器
１７：演算処理装置
１８：データ保管手段
５０：被測定ファイバ
３０１：空間モード分散測定装置

Claims (4)

1. 空間多重光伝送路の後方レイリー散乱光の伝搬遅延時間に対する振幅分布波形を測定する測定手順と、
   前記振幅分布波形の任意区間成分を抽出し、抽出した振幅分布波形の自己相関を計算し、前記自己相関の中心ピークを除く相関ピーク分布の二次モーメントを前記空間多重光伝送路の前記任意区間における空間モード分散とする演算手順と、
   を行う空間モード分散測定方法。
2. 前記測定手順では、
   周波数掃引した連続光を分岐し、
   分岐した前記連続光の一方を前記空間多重光伝送路に入射し、
   前記空間多重光伝送路内で生じた後方レイリー散乱光と分岐した前記連続光の他方とを合波してビート信号を検出し、
   前記ビート信号をフーリエ変換して前記振幅分布波形を得る
   ことを特徴とする請求項１に記載の空間モード分散測定方法。
3. 空間多重光伝送路の後方レイリー散乱光の伝搬遅延時間に対する振幅分布波形を測定する測定手段と、
   前記振幅分布波形の任意区間成分を抽出し、抽出した振幅分布波形の自己相関を計算し、前記自己相関の中心ピークを除く相関ピーク分布の二次モーメントを前記空間多重光伝送路の前記任意区間における空間モード分散とする演算手段と、
   を備える空間モード分散測定装置。
4. 前記測定手段は、
   周波数掃引した連続光を出射する光源と、
   前記光源が出射する連続光を分岐する光分岐器と、
   前記光分岐器が分岐した前記連続光の一方を前記空間多重光伝送路に入射し、前記空間多重光伝送路内で生じた後方レイリー散乱光と、前記光分岐器が分岐した前記連続光の他方とを合波してビート信号を検出し、前記ビート信号をフーリエ変換して前記振幅分布波形を得る光検波器と、
   を有することを特徴とする請求項３に記載の空間モード分散測定装置。

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