JPS6157567B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、通信用光フアイバの測定に関する。
特に、単一モード偏波保持光フアイバの偏波モー
ド結合係数または消光比を非破壊的に測定する方
法および装置に関するものである。

この技術は光フアイバの製造および建設に利用
して通信路が適正に敷設されたことを評価するの
に用いる。

〔従来の技術〕

現在、単一モード偏波保持光フアイバを用いて
コヒーレント光伝送を行う、大容量で長距離の光
伝送方式の研究が進められている。この方式で
は、光フアイバの送端から入射する信号光の入射
偏波方向が、光フアイバを伝播しても保持される
ことが必要であり、受端の出射端では出力光が直
線偏光でなければならない。このための光フアイ
バとして、楕円コア形、楕円クラツド形、応力付
与形、サイドピツト形、あるいはねじれ形などが
提案されている。これらの光フアイバはいずれ
も、光弾力性効果により縮退したHE₁₁モードを
分離し、光フアイバの長手方向にわたつて偏波を
保持するように構成されたものである。

このような偏波保持光フアイバにおいても、長
手方向の特性の不均一等により偏波間に結合を生
する場合があり、この結合の大きさはコヒーレン
ト光伝送の伝送可能距離等の特性に直接影響を与
える。偏波保持光フアイバを用いて光センサを形
成する場合にも、消光比が高く保たれている必要
がある。

第１図に、従来から用いられているこのような
光フアイバの偏波モード結合係数および消光比の
測定装置を示す。この従来例装置は、光源１の出
力光（この場合には連続光）を偏光子２を通過さ
せて直線偏光とし、被測定光フアイバ３の一端に
入射させる。このとき、この光フアイバ３の偏光
方向の主軸をｘ軸とすると、入射光の偏光方向を
ｘ軸に合わせる。この光フアイバ３の出射端で
は、出力光を検光子４を通過させて、この光フア
イバ３の偏光方向の主軸の方向ｘ方向とこれに直
交するｙ方向とのそれぞれについて、光電変換器
５で検出し、偏波モード結合係数および消光比を
計算するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この従来例方法は、あくまでも被測定光フアイ
バ３の全長にわたる偏波モード結合係数および消
光比の平均値の測定をするものであつて、被測定
光フアイバ３の偏波モード結合係数および消光比
を部分的に測定することはできない。かりに、こ
れを部分的に測定するならば、被測定光フアイバ
３を途中で切断しなければならない。また、長尺
の単一モード光フアイバ、あるいは途中に接続点
のある単一モード光フアイバを通信路に敷設した
場合に、その光フアイバの途中でなんらかの原因
によつてモードカツプリングが増大し、その位置
で消光比特性が劣化した場合には、その位置を探
索することができない。

本発明は、従来不可能であつた長尺の単一モー
ド偏波保持光フアイバの途中までの偏波モード結
合係数および消光比を非破壊的に測定することが
できる方法および装置を提供することを目的とす
る。また、本発明は、長尺の偏波保持光フアイバ
の任意の場所での偏波モード結合係数を測定し、
途中にモードカツプリングが大きい点があるとき
に、その点の位置を入射端から測定する方法およ
び装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、被測定偏波保持光フアイバの入射端
から光パルス信号を入射させ、その光パルス信号
によりその光フアイバに生じる後方散乱光を利用
して、その入射端に戻る後方散乱光を、その光フ
アイバの偏光方向の主軸とその主軸の直交方向の
それぞれについて測定し、偏波モード結合係数お
よび消光比を演算することを特徴とする。

〔実施例〕

本発明実施例装置により、本発明の測定方法お
よびその原理を詳しく説明する。

第２図は本発明実施例装置の構成図である。光
源１は光パルス信号を発生する。この出力光であ
る光パルス信号は、偏光子２およびビームスプリ
ツタ７を介して、被測定単一モード偏波保持光フ
アイバ３の一端に入射させる。この被測定偏波保
持光フアイバ３では、この光パルス信号により後
方散乱光が生じる。

この後方散乱光を利用する測定技術は一般に
OTDR（Optical Time Domain
Reflectometer）と呼ばれている。これに関する
詳細については、文献 バルノスキー（M.K.
Barnoski）、ルーケ（M.D.Rourke）、ジエンセン
（S.M.Jensen）、メルビル（R.T.Meoville）「オプ
テイカル タイム ドメイン リフレクトメータ
（Optical time domain refectometer）」アプライ
ド オプテイクス（Applied Optics）、vol.16、
No.９、pp.2375−2379、1977、に記載されてい
る。この方法は、基本的には、光フアイバの各点
から発生する後方散乱光を光の入射端において、
時間軸上に分解して受光することにより、光フア
イバの接続点や破断点を検出するものである。

入射端に設けられたビームスプリツタ７は、被
測定光フアイバ３から戻る光を反射させて、検光
子４に導き、さらに超音波偏光器６を通過させ
て、光電変換器５により電気信号に変換する。

一方、光源１はパルス発生器１１の出力信号に
同期する駆動回路１２により駆動される。このパ
ルス発生器１１の出力は遅延回路１３を介して駆
動回路１４に与えられ、その駆動回路１４の出力
は超音波偏光器６を駆動する。光電変換器５の出
力は増幅器２０で増幅され、演算回路２１に入力
し、その演算回路２１の出力は表示器２２に表示
される。

このように構成された装置では、偏光子２の偏
光角度を調節して、入射光が被測定単一モード光
フアイバ３の偏光方向の主軸に一致するようにし
て、光パルス信号を被測定光フアイバ３に入射す
る。光フアイバ３の内部では後方散乱光が発生
し、これが入射端に戻る。このとき、光フアイバ
３のモードカツプリングが小さければ、後方散乱
光の強度の偏光方向は主軸方向に大きく、主軸の
直交方向には小さい。モードカツプリングが大き
くなるに従い、偏光方向が直交方向である後方散
乱光が大きくなる。主軸方向および主軸の直交方
向にそれぞれ偏光する後方散乱光は、検光子４を
90゜回転させることにより識別する。

また、被測定光フアイバ３には後方散乱光のほ
か、遠端の端面でフレネル反射が発生する。この
フレネル反射による反射光の強度は、後方散乱光
の強度の数十dB以上も大きいので、この反射光
をマスクしないと、後方散乱光の正確な測定が十
分に行えないことがある。そのため、超音波偏光
器６を用いる。すなわち、遅延回路１３の遅延量
を調節して、フレネル反射のタイミングで超音波
偏光器６を偏光させて、その出力光が光電変換器
５に達しないようにマスクする。

また、増幅器２１の出力信号を時間軸上に表示
すると、光フアイバ長に対する後方散乱光の分布
を光フアイバ長に沿つて知ることができる。した
がつて、後方散乱光の偏光に急激な変化点があれ
ば、時間軸上でその入射端からの距離あるいは位
置を知ることができる。

両信号光の強度PbsxおよびPbsyは演算回路２
１によりその比率が演算される。その結果は、表
示器２２に表示される。ここで、演算回路２１で
求められる比率ηbs（Ｌ）は、 ηbs（Ｌ）＝2hL＋Ｋ ……(1) ただし、hL＜＜１ と表わすことができる。ｈは偏波モード結合係
数、Ｌはフアイバ長であり、Ｋはモード結合を生
じるゆらぎの大きさとレイリー散乱のゆらぎの大
きさとの比率を表わす定数である。式(1)は光フア
イバ長Ｌについての１次函数であり、その傾きの
1/2として長手方向にわたつての偏波モード結合
係数ｈが測定できることになる。またフアイバ全
長での消光比をＥ_R（Ｌ）とすると、 Ｅ_R（Ｌ）＝10log₁₀hL （dB） ……(2) で与えられる。

つぎに結合パワー方程式を用いて上記式(1)およ
び式(2)を論理的に導出する。偏波保持光フアイバ
の各主軸方向でのパワーをPx（Ｚ）、Py（Ｚ）と
すると、それらは次の連立方程式を満足する。

ｄＰｘ（Ｚ）／ｄＺ＝−αＺ＋ｈ（Px−Py） ……（3.1） ｄＰｙ（Ｚ）／ｄＺ＝−αＺ−ｈ（Px−Py） ……（3.2） ここで、αはフアイバの光損失、ｈは偏波モー
ド結合係数である。上述の測定ではｘ方向偏波の
光パルスをフアイバに入射させるのでPx（０）＝
P₀、Py（０）＝０のもとで解くと、 Px（Ｌ）＝P₀exp（−hL） ・cosh（hL）exp（−αＬ） ……（4.1） Py（Ｌ）＝P₀exp（−hL） ・sinh（hL）exp（−αＬ） ……（4.2） を得る。式（4.1）および式（4.2）によりＺ＝Ｌ
における消光比ηは η＝Ｐｙ／Ｐｘ＝tanh（hL）≒hL ……(5) ただしhL＜＜１ となる。各主軸方向からの後方散乱信号Pbsx
（Ｌ）およびPbsy（Ｌ）はレイリー散乱および偏
波モード結合の後方伝搬成分を考慮して、次のよ
うになる。

Pbsx（Ｌ）＝P₀ exp（−hL）cosh（hL） ・Ｓ（ＶｇＷ／２）α_Rexp（−α Ｌ） ……（6.1） Pbsy（Ｌ）＝P₀ exp（−hL）sinh（hL） ・Ｓ（ＶｇＷ／２）α_R exp（−α Ｌ） ＋P₀ exp（−hL）cosh（hL） k²＜｜Γ（2k）｜^２＞ ・（ＶｇＷ／２）exp（−αＬ） ……（6.1） ここで、Ｓはレイリー散乱による後方散乱係
数、＜｜Γ（2k）｜^２＞は誘電率テンソルの非対
角要素の自己相関関数Ｒ（Zd）のフーリエ変換
である。

＜｜Γ（2k）｜^２＞ ＝∫Ｒ（Zd）exp（−i2kZd）ｄ Zd ……(7) ここで、ZdはＸ軸に沿つての２点間の距離の
差である。またVgはフアイバ中の光の群速度、
Ｗは光のパルス幅、α_Rはレイリー散乱係数であ
る。これらの後方散乱信号が再び入射方向に伝搬
して入射端において観測される後方散乱信号
Pbsx、Pbsyは Pbsx＝Ｐ_０／２Ｓα_R（ＶｇＷ／２）exp（−２αＬ） ・｛１＋exp（−4hL） ＋2K exp（−2hL）cosh（hL） ・sinh（hL）｝ ……（8.1） Pbsy＝Ｐ_０／２Ｓα_R（ＶｇＷ／２）exp（−２αＬ） ・｛１−exp（−4hL） ＋2Kexp（−2hL） ・cosh²（hL）｝ ……（8.2） となる。ここでＫは次のように表すことができ
る。

Ｋ＝ｋ^２＜｜Γ（２ｋ）｜^２＞／Ｓα_Ｒ ＝πＷｏｘ Ｗｏｙ∫Ｒ（Ｚｄ）ｅｘｐ（−ｉ２ｋＺ
ｄ）ｄ Ｚｄ／∫Ｂｎ（ｒｄ）ｅｘｐ（−ｉ２ｋＺｄ）
ｄ Ｖｄ ……(9) ただし、WoxおよびWoyはＸ軸およびＹ軸方向
のスポツトサイズであり、Bn（rd）は誘電率テ
ンソルの対角要素の自己相関関数である。ここ
で、rdは任意の２点間の距離である。式（8.1）
および式（8.2）からその比率ηbs（Ｌ）はhL＜
＜１の条件のもとで ηbs（Ｌ）＝Ｐｂｓｙ／Ｐｂｓｘ≒2hL＋Ｋ……(
10) となる。この式は式(1)と同一であり、この方法に
より長手方向でのｈの変化が測定できることがわ
かる。もし、偏波モード結合量を電界で取り扱
い、それをamc（Ｌ）とおくと、ηbs（Ｌ）は ηbs（Ｌ）＝２＜｜amc（Ｌ）｜^２＞＋Ｋ ……(11) となることが証明でき、ｈが定数でない場合にも
局所的な偏波モード結合係数を＜｜amc（Ｌ）｜
^２＞から求めることができる。

光パルスの入射偏光方向による測定誤差につい
てここで評価する。

本測定方法により消光比を測定する場合、光パ
ルスの入射偏光方向が主軸（Ｘ軸）に対して僅か
にθ（゜）だけずれるとすると、入射端において
すでにＹ軸方向に漏れが生じる。この比率は消光
比の形で記述すると、 Ｈ＝10 log₁₀Ｐｙ／Ｐｘ ＝10 log₁₀tan²θ ……(12) で与えられるので、θ＝１゜のとき、−35.2dB、
θ＝２゜のとき、−29.1dBの消光比に対応する。
したがつて、この値以上の消光比を有する光フア
イバを測定することはθの決定を１゜程度にする
必要がある。実際の主軸決定にはθ〓１゜の誤差
が含まれるため、消光比が−35dB程度になると
誤差が大きくなる。したがつて、本測定方法は消
光比が−30dB以下のものに応用することができ
る。

〔試験結果〕

実際に、本発明の有用性を長さ１Kmの応力付与
形偏波保持フアイバを用いて測定した。光源１は
1.34μｍ YAGレーザ、超音波偏光器６はPb
Mo O₄結晶を用いた。

第３図はＸ方向およびＹ方向の後方散乱光
PbsxおよびPbsyを示す。両者の比をとることに
より、ηbs（Ｌ）を求めたものが第４図であ
る。第４図の波形は右上がりの波形であり、予測
とよく一致する。左端END１から右端END２ま
での消光比を求めると15.1dBであり、その波形
に対して直線を引くことにより偏波モード係数ｈ
を求めると約1.6×10^-5ｍ^-1であつた。

同様の実験をフアイバの逆方向から光パルスを
入射して行つた結果を第５図および第６図に示
す。第５図は後方散乱光PbsxおよびPbsyの強度
を示し、第６図は両者の比をとり、ηbs（Ｌ）
を求めた結果である。第６図の波形は180゜回転
させると第４図に重なり一致することがわかる。

このことは本発明による測定は入射方向に依存
しないことを実験的に示している。第４図と同様
にしてEND２′とEND１′との間の消光比を求め
ると15.0dBであり、またｈ＝1.7×10^-5ｍ^-1が得
られた。これは往復での消光比を測定しているこ
とを考慮して、第４図および第６図から全長とし
ての消光比を求めると17.4±0.5dBとなる。一
方、従来の透過法（第１図の方法）により得られ
た消光比は17.5±0.5dBであり、両者はよく一致
することがわかつた。

最後に、入射光パルスの強度および波長に関し
て測定結果に及ぼす影響を考える。

本方法により、消光比およびモード結合係数を
測定するためには、非線形光学効果が発生しない
線形な領域でなければらない。例えば、誘導ラマ
ン散乱等の非線形効果が発生すると、これによる
結合が生じ、見掛け上消光比を劣化させる。文献
スミス（R.G.Smith）、「オプテイカル パワー
ハンドリング キヤパシテイ オブ ロウ ロ
ス オプテイカル フアイバス アズ デターミ
ンド バイ ステイミユレイテツド ラマン ア
ンド ブリルアン スキヤツタリング（Optical
Power Handling Capacity of Low Loss
Optical Fibers as Determined by Stimulated
Raman and Brillouin Scattering）」アプライド
オプテイクス（Applied Optics）、vol.11、No.
11、PP.2489−2494、1972、によると、誘導ラマ
ン散乱の発生する条件は、 ｇＰＬ／Ａ〓16 で与えられ、ここでｇはラマン利得係数でｇ＝
1.1×10^-11cm／ｗ、Ｌはフアイバ長、Ａはフアイ
バコアの断面積である。例えば、Ｌ＝１Kmで、Ａ
＝３×10^-7cm²の単一モードフアイバの場合、入力
Ｐが4.4Wで誘導ラマン散乱を発生する。したが
つて、非線形効果が発生しない範囲での最大パワ
ーを1W程度として入力限界が決定される。

また、測定波長は、偏波保持フアイバが単一モ
ード条件を満たす波長領域であればよい。すなわ
ち、遮断波長より長波長の光源を用いる必要があ
る。例えば、遮断波長が1.3μｍの場合、長波長
側の1.32〜1.6μｍの光源を使用するとよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、被測定
光フアイバの一端のみから、従来不可能であつた
長手方向にわたる偏波モード結合係数および消光
比を正確に測定することができる。本発明の方法
および装置は被測定光フアイバの途中の偏波モー
ド結合係数および消光比を、被測定光フアイバを
切断することなく測定することができる。被測定
光フアイバの途中に接続点がある場合にも、その
接続を考慮することなく測定することができる。
さらに、本発明の方法および装置を光フアイバの
製造行程において実施すれば、製造中の光フアイ
バの適切な監視を行うことができ、歩留りよく高
品質な偏波保持フアイバを生産でき、光フアイバ
線路の建設および保守が容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例測定装置の構成図。第２図は本
発明実施例測定装置の構成図。第３図、第４図、
第５図および第６図は本発明実施例装置により測
定した結果を示す図。 １…光源、２…偏光子、３…被測定光フアイ
バ、４…検光子、５…光電変換器、６…超音波偏
光器、７…ビームスプリツタ、１１…パルス発生
器、１２…光源の駆動回路、１３…遅延回路、１
４…超音波偏光器の駆動回路、２０…増幅器、２
１…演算回路、２２…表示器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定偏波保持光フアイバの一端から光パル
   ス信号を入射し、 その光パルス信号によりその光フアイバの内部
   に後方散乱光を生じさせて上記一端でこの後方散
   乱光の強度をその光フアイバの偏光方向の主軸方
   向と主軸の直交方向のそれぞれについて検出し、 その後方散乱光の強度から偏波モード結合計数
   およびまたは消光比を演算する 偏波保持光フアイバの測定方法。 ２ 被測定偏波保持光フアイバの一端から光パル
   ス信号を入射する手段と、 上記一端に設けられその光パルス信号によりそ
   の光フアイバに生じる後方散乱光の強度をその光
   フアイバの偏光方向の主軸方向およびその主軸の
   直交方向のそれぞれについて検出する手段と、 この手段により検出された後方散乱光の強度か
   らその光フアイバの偏波モード結合係数およびま
   たは消光比を演算する手段と を備えた偏波保持光フアイバの測定装置。 ３ 検出する手段には、 その入射光パルス信号によりその光フアイバで
   生じるフレネル反射を時分割的にマスクする手段
   を含む 特許請求の範囲第２項に記載の偏波保持光フア
   イバの測定装置。