WO2024024094A1 - モード間群遅延差測定装置及び方法 - Google Patents

モード間群遅延差測定装置及び方法 Download PDF

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light
optical fiber
mode
measured
group delay
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友和 小田
央 高橋
篤志 中村
優介 古敷谷
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日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties

Definitions

  • the present disclosure relates to an apparatus and method for measuring differential mode delay (DMD) of a few-mode fiber.
  • DMD differential mode delay
  • FMF Few-mode fiber
  • FMF transmission is performed using multiple modes as independent transmission paths, but crosstalk occurs when signals of each mode are mixed during propagation, so signal processing to compensate for crosstalk is required on the receiving side.
  • the group delay time of each mode is different, that is, the group delay difference (DMD: Differential mode delay) between modes is large. . Therefore, the DMD of FMF is an important parameter in signal processing, and a method for measuring the DMD is required.
  • Non-Patent Document 1 In DMD measurement, it is desirable to be able to determine the arrival time of light after FMF emission and the mode of the arriving light. Therefore, in order to grasp the arrival time and mode of arrival, the method of Non-Patent Document 1 has been proposed.
  • the method of Non-Patent Document 1 uses a variable wavelength light source and an image sensor.
  • the interference pattern between modes observed after FMF emission changes depending on the delay time difference between each mode. Specifically, the intensity of the emitted light becomes periodic with respect to the wavelength due to interference between modes, but the period changes depending on the delay time difference.
  • the method of Non-Patent Document 1 obtains the delay time of each mode from the observed period and its electric field strength distribution.
  • Non-Patent Document 2 uses a low coherence light source and an image sensor.
  • An image sensor observes the interference light between the FMF output light and the reference light that has passed through a single mode fiber (SMF).
  • SMF single mode fiber
  • the method of Non-Patent Document 2 utilizes the characteristic that the intensity of interference light increases when the length of a specific mode of each mode of FMF and the fundamental mode of SMF is the same, and while changing the length of the reference path. By measuring the interference light, the group delay time of each mode is measured.
  • Non-Patent Document 1 has a problem in that it becomes difficult to measure the DMD when the FMF is several hundred meters or longer, because the period of the interference pattern increases as the delay time difference increases.
  • the method of Non-Patent Document 2 requires measurement while changing the length of the reference path, and especially when the DMD is large, it is necessary to change the length of the reference path significantly. The problem is that it is difficult to measure.
  • the present invention provides an inter-mode group delay difference measuring device and method that can measure a DMD with a simple configuration even if the FMF to be measured is over a long distance. With the goal.
  • the inter-mode group delay difference measuring device uses an image sensor to measure the interference waveform of light whose optical frequency is changed periodically.
  • the inter-mode group delay difference measuring device includes: a light source that outputs coherent light whose optical frequency is changed at a predetermined modulation cycle; a branching element that branches the light into two; a light input unit that excites one of the lights into a plurality of modes and inputs the light into one end of a measured optical fiber that is a multi-mode optical fiber, and inputs the other of the light into a single mode into one end of a reference optical fiber; an image sensor that observes interference light between a measurement light emitted from the other end of the optical fiber to be measured and a reference light emitted from the other end of the reference optical fiber; A peak of the interference light that appears when the modulation period is changed is detected, a group delay difference is measured based on the difference in the modulation period at which the peak appears, and the mode is determined from the electric field distribution of the interference light at the peak. a calculator that determines the type; Equipped with.
  • the inter-mode group delay difference measurement method includes: setting a modulation period that changes the optical frequency of coherent light; branching the light into two; exciting one of the lights into a plurality of modes and inputting it into one end of a measured optical fiber that is a multi-mode optical fiber, and inputting the other one of the lights in a single mode into one end of a reference optical fiber; Observing interference light between the measurement light emitted from the other end of the optical fiber to be measured and the reference light emitted from the other end of the reference optical fiber with an image sensor, and which appears when the modulation period is changed.
  • the peak of the interference light is detected, the group delay difference is measured based on the difference in the modulation period at which the peak appears, and the type of the mode is measured from the electric field distribution of the interference light at the peak.
  • This inter-mode group delay difference measuring device and method includes changing the optical frequency of coherent light, preparing one reference optical fiber parallel to the optical fiber to be measured, and connecting the optical fiber to be measured and the reference optical fiber.
  • This is a simple configuration that uses an image sensor to observe the interference light that is generated by interfering with the light that has passed through the .
  • the modulation period for changing the optical frequency the peaks of the interference light observed by the image sensor appear at different times for each mode.
  • the electric field distribution at the peak of the interference light can be obtained using an image sensor, it is possible to determine which mode each peak belongs to. Therefore, the time between the peaks can be set as DMD.
  • the present inter-mode group delay difference measuring device and method measures between the peaks, so even if the FMF is several hundred meters or longer, the delay time difference is large, and the period of the interference pattern becomes large, the reference optical fiber can be replaced. DMD can be measured without
  • the present invention can provide an inter-mode group delay difference measuring device and method that can measure a DMD with a simple configuration even if the FMF to be measured is over a long distance.
  • the arithmetic unit can also be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided through a network.
  • the present invention can provide an inter-mode group delay difference measuring device and method that can measure a DMD with a simple configuration even if the FMF to be measured is over a long distance.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an inter-mode group delay difference measuring device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating light output from a light source of the inter-mode group delay difference measuring device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the measurement principle of the inter-mode group delay difference measuring device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the measurement principle of the inter-mode group delay difference measuring device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the measurement principle of the inter-mode group delay difference measuring device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the measurement principle of the inter-mode group delay difference measuring device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a method for measuring a difference in group delay between modes according to the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an inter-mode group delay difference measuring device 301 of this embodiment.
  • the inter-mode group delay difference measuring device 301 includes: a light source 11 that outputs coherent light whose optical frequency is changed at a predetermined modulation cycle; a branching element 12 that branches the light into two; a light input section that excites one of the lights into a plurality of modes and inputs the light into one end of the optical fiber to be measured 51, which is a multi-mode optical fiber, and inputs the other of the light into a single mode into one end of the reference optical fiber 52; 13 and an image sensor 15 that observes interference light between the measurement light emitted from the other end of the optical fiber 51 to be measured and the reference light emitted from the other end of the reference optical fiber 52; A peak of the interference light that appears when the modulation period is changed is detected, a group delay difference is measured based on the difference in the modulation period at which the peak appears, and the mode is determined from the electric field distribution of the interference light at the peak.
  • the optical fiber 51 to be measured is an FMF.
  • Reference optical fiber 52 is an SMF.
  • the light source 11 outputs coherent light whose optical frequency changes periodically as shown in FIG.
  • the modulator 11a can adjust the period at which the optical frequency changes (modulation frequency).
  • the branching element 12 branches the light output from the light source 11 into two.
  • the light input unit 13 excites one of the two branched lights into a plurality of modes using an exciter 13a, and then inputs the light into the optical fiber 51 to be measured. Further, the light input section 13 inputs the other of the two branched lights into the reference optical fiber 52 using the light input means 13b.
  • each optical fiber (51, 52) is spatially outputted by the collimator 17.
  • the multiplexing element 14 multiplexes both lights and causes them to interfere, thereby producing interference light.
  • the image sensor 15 measures the electric field intensity distribution of the interference light.
  • the computing unit 16 analyzes the DMD from the measurement results of the interference light. That is, the inter-mode group delay difference measuring device 301 is characterized by measuring interference light of light whose optical frequency is periodically modulated using an image sensor, and measuring DMD from changes in the electric field intensity distribution.
  • the period at which the optical frequency of the light output from the light source 11 changes (modulation frequency) is variable.
  • the inter-mode group delay difference measuring device 301 measures the DMD by changing this modulation frequency.
  • 3 to 6 are diagrams illustrating the measurement principle by which DMD can be measured from changes in the electric field intensity distribution of interference light. In FIGS. 3 to 6, for the sake of simplicity, the case where the optical fiber to be measured 51 is a two-mode optical fiber will be described, but the same applies even if the optical fiber to be measured 51 is an optical fiber that can propagate three or more modes.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a process of measuring interference light obtained by interfering measurement light and reference light.
  • the measurement light emitted from the optical fiber 51 to be measured is light of mode 1 and light of mode 2 which propagates slower than the light of mode 1.
  • the light emitted from the reference optical fiber 52 is reference light.
  • the multiplexing element 14 multiplexes the measurement light and the reference light in mode 1 and mode 2, and the image sensor 15 measures their interference light.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the timing of the optical frequencies of measurement light and reference light when they are combined when the modulation frequency is f1. Assume that when the modulation frequency of the light source 11 is set to f1, the phases of the mode 1 light and the reference light match. In this case, the interference waveform between the mode 1 light and the reference light becomes a DC component. On the other hand, since the mode 2 light and the reference light do not match in phase, the interference waveform will fluctuate temporally depending on the optical frequency difference (phase difference).
  • the image sensor 15 is characterized in that it operates at a sampling rate slower than the modulation frequency. Since the image sensor 15 generally has a low sampling rate (frame rate), it is difficult to observe components that vary due to phase difference (interference waveform between mode 2 light and reference light). On the other hand, the image sensor 15 can measure the DC component (interference waveform of mode 1 light and reference light). Therefore, the image sensor 15 can observe only the electric field distribution of mode 1 light, which is a DC component, by measuring with a sufficient exposure time (averaging time). That is, when the modulation frequency f1 is set in the modulator 11a, the image sensor 15 measures the electric field distribution of mode 1 light.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the timing of the optical frequencies of measurement light and reference light when they are combined when the modulation frequency is f2.
  • the modulation frequency of the light source 11 is set to f2
  • the phases of the mode 2 light and the reference light match.
  • the interference waveform between the mode 2 light and the reference light becomes a DC component.
  • the interference waveform will fluctuate temporally depending on the optical frequency difference (phase difference).
  • the image sensor 15 since the image sensor 15 has a low sampling rate (frame rate), when the modulation frequency f2 is set by the modulator 11a, the image sensor 15 measures the electric field distribution of mode 2 light.
  • the optical frequency f(t) of the light output from the light source 11 changes with time t as shown in the following equation (see FIG. 2).
  • f 0 is the center frequency
  • ⁇ f is the modulation amplitude
  • f m is the modulation frequency
  • t is the time.
  • the effective refractive index of the optical fiber 51 to be measured is n
  • the speed of light in vacuum is c
  • the difference ⁇ L between the lengths of the optical fiber 51 to be measured and the reference optical fiber 52 is f N+1 from the length of N cycles of m .
  • a peak 61 is the intensity peak of the interference waveform of mode 1 light
  • a peak 62 is the intensity peak of the interference waveform of mode 2 light.
  • the time difference between the peak 61 and the peak 62 is the difference in arrival time of each mode of light reaching the other end of the optical fiber 51 to be measured, and becomes a DMD.
  • the interference waveform is measured with an image sensor, it is also possible to obtain the electric field distribution when the intensity peak is observed. This makes it possible to determine which mode each peak belongs to.
  • the calculation unit 16 captures the peaks of the interference waveform observed by the image sensor 15 while changing the modulation frequency fm , and determines the mode in which each peak is generated from the electric field distribution of the interference light when the peak occurs. The time between the peaks is determined as the respective DMD.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an inter-mode group delay difference measuring method performed by the inter-mode group delay difference measuring device 301.
  • the inter-mode group delay difference measuring device 301 includes: setting a modulation period for changing the optical frequency of coherent light in the light source 10 (step S01); The light is split into two, one of the lights is excited into a plurality of modes, and is input to one end of the optical fiber to be measured 51, which is an FMF, and the other of the lights is input in a single mode to one end of the reference optical fiber 52.
  • step S02 Observing interference light between the measurement light emitted from the other end of the optical fiber 51 to be measured and the reference light emitted from the other end of the reference optical fiber 52 with the image sensor 15 (step S03); and changing the modulation period. detecting a peak of the interference light that appears when the interference light is applied, measuring a group delay difference based on the difference in the modulation period at which the peak appears, and determining the type of the mode from the electric field distribution of the interference light at the peak. (Step S05) I do.
  • step S01 the optical frequency of the light output from the light source 11 is periodically changed using the modulator 11a. This period is the modulation frequency.
  • step S02 the light from the light source 11 that is split into two by the branching element 12 is input into the optical fiber to be measured 51 and the reference optical fiber 52, respectively.
  • the light incident on the optical fiber 51 to be measured is excited by the exciter 13a into each mode that can propagate in the optical fiber 51 to be measured.
  • the other light is input into the reference optical fiber 52 from the light input means 13b while remaining in a single mode.
  • step S03 the image sensor 15 observes interference light between the light propagated through the optical fiber 51 to be measured and the light propagated through the reference optical fiber 52.
  • step S04 it is determined whether or not to change the optical frequency. If the optical frequency has not been changed to the predetermined range (“No” in step S04), the process returns to step S01, the optical frequency is changed, and steps up to step S03 are repeated. If the optical frequency has been changed within the predetermined range (“Yes” in step S04), step S05 is performed.
  • step S05 the calculation unit 16 detects a plurality of DC component peaks of the interference light from the results of observing the interference light while changing the optical frequency. The calculation unit 16 determines which mode the peak belongs to from the electric field distribution of the interference light when the peak occurs. Then, the calculation unit 16 measures the time between peaks as each DMD.
  • inter-mode group delay difference measurement device 301 can control each component (modulator 11a and calculation unit 16) with a control unit not shown in FIG. 1, and perform steps S01 to S05.
  • the inter-mode group delay difference measuring device 301 uses an image sensor to measure the interference waveform of light whose optical frequency is periodically modulated, so it can be easily used even if the optical fiber under test is several hundred meters long or more. With this configuration, the group delay time and DMD of each mode can be easily measured.

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Abstract

測定対象のＦＭＦが長距離であっても簡易な構成でＤＭＤを測定することができるモード間群遅延差測定装置及びその方法を提供することを目的とする。　本発明に係る。モード間群遅延差測定装置３０１は、所定の変調周期で光周波数を変化させたコヒーレントな光を出力する光源１１と、前記光を２分岐する分岐素子１２と、前記光の一方を複数のモードに励振し、数モード光ファイバである被測定光ファイバ５１の一端へ入射し、前記光の他方を単一モードで参照光ファイバ５２の一端へ入力する光入射部１３と、被測定光ファイバ５１の他端から出射する測定光と参照光ファイバ５２の他端から出射する参照光との干渉光を観察するイメージセンサ１５と、前記変調周期を変化させたときに現れる前記干渉光のピークを検知し、前記ピークの周期、及び前記ピークにおける前記干渉光の電界分布から前記モード間群遅延差を測定する演算器１６と、を備える。

Description

モード間群遅延差測定装置及び方法
　本開示は、数モードファイバのモード間群遅延差（ＤＭＤ：Ｄｉｆｆｒｅｎｔｉａｌ　ｍｏｄｅ　ｄｅｌａｙ）を測定する装置及びその方法に関する。
　数モードファイバ（ＦＭＦ：Ｆｅｗ－ｍｏｄｅ　ｆｉｂｅｒ）は、将来の大容量光通信を実現するための媒体として有望な光ファイバの一つである。ＦＭＦでは、複数のモードを独立した伝送路として伝送を行うが、伝搬中に各モードの信号が混ざるクロストークが発生するため、受信側でクロストークを補償する信号処理が必要とある。ＦＭＦの受信側で信号処理を用いてクロストークを補償する際に各モードの群遅延時間が異なる、つまりモード間群遅延差（ＤＭＤ：Ｄｉｆｆｒｅｎｔｉａｌ　ｍｏｄｅ　ｄｅｌａｙ）が大きいとクロストークを補償できない問題がある。したがって、ＦＭＦのＤＭＤは信号処理において重要なパラメータであり、ＤＭＤを測定する方法が必要となる。
　ＤＭＤ測定においては、ＦＭＦ出射後の光の到着時間とその到着した光のモードを判別できることが望ましい。したがって、到着時間と到着したモードを把握するために、非特許文献１の方法が提案されている。非特許文献１の方法は、波長可変光源とイメージセンサを用いる。各モードの遅延時間差によって、ＦＭＦ出射後に観測されるモード間の干渉パターンが変化する。具体的には、モード間の干渉によって、波長に対して出射光の強度が周期的になるが、その周期が遅延時間差によって変化する。非特許文献１の方法は、観測した周期とその電界強度分布から各モードの遅延時間を取得する。
　また、非特許文献２が開示する方法は、低コヒーレンス光源とイメージセンサを用いる。ＦＭＦ出射光とシングルモードファイバ（ＳＭＦ：Ｓｉｎｇｌｅ　ｍｏｄｅ　ｆｉｂｅｒ）を通過した参照光との干渉光をイメージセンサで観測する。非特許文献２の方法は、ＦＭＦの各モードの特定のモードとＳＭＦの基本モードとの長さが同じ場合に、干渉光の強度が増加する特徴を利用し、参照経路の長さを変えつつ干渉光を測定することで、各モードの群遅延時間を測定する。
Ｄａｖｉｄ　Ｒ．　Ｇｒａｙ　ｅｔ　ａｌ．，　"Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ　Ｍｏｄａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｖｉａ　Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ－Ｓｗｅｐｔ　Ｓｐａｔｉａｌ　ａｎｄ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　（Ｓ２）　Ｉｍａｇｉｎｇ"，　　ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏｎ．　Ｔｅｃｈｎｏｌ．　Ｌｅｔｔ．　２８（９），　１０３４－１０３７　（２０１６）． Ｙ．　Ａｂｅ　ｅｔ　ａｌ．，　"Ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ＤＭＤ　ｉｎ　６－ｍｏｄｅ　１９－ｃｏｒｅ　ｆｉｂｅｒ　ｕｓｉｎｇ　ｌｏｗ－ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ"，　　Ｐｒｏｃ．　ＳＰＩＥ　１１３０９，　１１３０９０４，　（２０２０）．
　しかし、非特許文献１の方法は、遅延時間差が大きいほど干渉パターンの周期が大きくなるため、ＦＭＦが数百メートル以上の長さになるとＤＭＤを測定することが困難になるという課題がある。
　また、非特許文献２の方法は、参照経路の長さを変えつつ測定する必要があり、特にＤＭＤが大きい場合は参照経路の長さを大幅に変更する必要があるため、簡易な構成での測定が困難という課題がある。
　そこで、本発明は、前記課題を解決するために、測定対象のＦＭＦが長距離であっても簡易な構成でＤＭＤを測定することができるモード間群遅延差測定装置及びその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、本発明に係るモード間群遅延差測定装置は、周期的に光周波数を変化させた光の干渉波形をイメージセンサで測定することとした。
　具体的には、本発明に係るモード間群遅延差測定装置は、
　所定の変調周期で光周波数を変化させたコヒーレントな光を出力する光源と、
　前記光を２分岐する分岐素子と、
　前記光の一方を複数のモードに励振し、数モード光ファイバである被測定光ファイバの一端へ入射し、前記光の他方を単一モードで参照光ファイバの一端へ入力する光入射部と、
　前記被測定光ファイバの他端から出射する測定光と前記参照光ファイバの他端から出射する参照光との干渉光を観察するイメージセンサと、
　前記変調周期を変化させたときに現れる前記干渉光のピークを検知し、前記ピークが現れた前記変調周期の差により群遅延差を測定し、前記ピークにおける前記干渉光の電界分布から前記モードの種類を判定する演算器と、
を備える。
　また、本発明に係るモード間群遅延差測定方法は、
　コヒーレントな光の光周波数を変化させる変調周期を設定すること、
　前記光を２分岐すること、
　前記光の一方を複数のモードに励振し、数モード光ファイバである被測定光ファイバの一端へ入射し、前記光の他方を単一モードで参照光ファイバの一端へ入力すること、
　イメージセンサで、前記被測定光ファイバの他端から出射する測定光と前記参照光ファイバの他端から出射する参照光との干渉光を観察すること、及び
　前記変調周期を変化させたときに現れる前記干渉光のピークを検知し、前記ピークが現れた前記変調周期の差により群遅延差を測定し、前記ピークにおける前記干渉光の電界分布から前記モードの種類を測定すること
を行う。
　本モード間群遅延差測定装置及び方法は、コヒーレント光の光周波数を変化させること、被測定光ファイバに並列させた１本の参照光ファイバを用意すること、及び被測定光ファイバと参照光ファイバとを経由した光を干渉させた干渉光をイメージセンサで観察すること、という簡易な構成である。
　本構成では、光周波数を変化させる変調周期を変えていくことでイメージセンサで観測した干渉光のピークがモード毎に時間がずれて現れるようになる。また、イメージセンサで干渉光のピーク時の電界分布を得ることができるので、各ピークがいずれのモードのものかを判別することができる。このため、前記ピーク間の時間をＤＭＤとすることができる。
　本モード間群遅延差測定装置及び方法は、前記ピーク間を測定するので、ＦＭＦが数百メートル以上の長さで遅延時間差が大きく、干渉パターンの周期が大きくなっても、参照光ファイバを取り換えることなくＤＭＤを測定することができる。
　従って、本発明は、測定対象のＦＭＦが長距離であっても簡易な構成でＤＭＤを測定することができるモード間群遅延差測定装置及びその方法を提供することができる。
　なお、前記演算器はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
　また、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
　本発明は、測定対象のＦＭＦが長距離であっても簡易な構成でＤＭＤを測定することができるモード間群遅延差測定装置及びその方法を提供することができる。
本発明に係るモード間群遅延差測定装置を説明する図である。 本発明に係るモード間群遅延差測定装置の光源が出力する光を説明する図である。 本発明に係るモード間群遅延差測定装置の測定原理を説明する図である。 本発明に係るモード間群遅延差測定装置の測定原理を説明する図である。 本発明に係るモード間群遅延差測定装置の測定原理を説明する図である。 本発明に係るモード間群遅延差測定装置の測定原理を説明する図である。 本発明に係るモード間群遅延差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。
　図１は、本実施形態のモード間群遅延差測定装置３０１を説明する図である。モード間群遅延差測定装置３０１は、
　所定の変調周期で光周波数を変化させたコヒーレントな光を出力する光源１１と、
　前記光を２分岐する分岐素子１２と、
　前記光の一方を複数のモードに励振し、数モード光ファイバである被測定光ファイバ５１の一端へ入射し、前記光の他方を単一モードで参照光ファイバ５２の一端へ入力する光入射部１３と、
　被測定光ファイバ５１の他端から出射する測定光と参照光ファイバ５２の他端から出射する参照光との干渉光を観察するイメージセンサ１５と、
　前記変調周期を変化させたときに現れる前記干渉光のピークを検知し、前記ピークが現れた前記変調周期の差により群遅延差を測定し、前記ピークにおける前記干渉光の電界分布から前記モードの種類を判定する演算器１６と、
を備える。
　被測定光ファイバ５１はＦＭＦである。参照光ファイバ５２はＳＭＦである。
　光源１１は、図２のように光周波数が周期的に変化するコヒーレントな光を出力する。変調器１１ａは、光周波数が変化する周期（変調周波数）を調整することができる。分岐素子１２は、光源１１が出力した光を２分岐する。光入射部１３は、２分岐された光の一方を励振器１３ａで複数モードに励振した後に被測定光ファイバ５１へ入射する。また、光入射部１３は、２分岐された光の他方を光入射手段１３ｂで参照光ファイバ５２へ入射する。
　それぞれの光ファイバ（５１、５２）を伝搬した光はコリメータ１７で空間出力される。合波素子１４は両光を合波して干渉させ、干渉光とする。イメージセンサ１５は、干渉光の電界強度分布を測定する。演算器１６は、干渉光の測定結果からＤＭＤを解析する。
　つまり、モード間群遅延差測定装置３０１は、周期的に光周波数を変調した光の干渉光をイメージセンサで測定し、その電界強度分布の変化からＤＭＤを測定することを特徴としている。
　光源１１が出力する光の光周波数が変化する周期（変調周波数）は可変である。モード間群遅延差測定装置３０１は、この変調周波数を変えていくことでＤＭＤを測定する。
　図３から図６は、干渉光の電界強度分布の変化からＤＭＤを測定できる測定原理を説明する図である。図３から図６では、簡単のため被測定光ファイバ５１が２モード光ファイバである場合を説明するが、被測定光ファイバ５１が３モード以上を伝搬できる光ファイバであっても同様である。
　図３は、測定光と参照光を干渉させた干渉光を測定する工程を説明する図である。
被測定光ファイバ５１から出射され測定光は、モード１の光と、それより遅く伝搬するモード２の光である。一方、参照光ファイバ５２から出射される光は参照光である。合波素子１４は、モード１およびモード２の測定光と参照光を合波し、イメージセンサ１５はこれらの干渉光を測定する。
　図４は、変調周波数がｆ１であるときの、測定光と参照光の合波時における、それぞれの光の光周波数のタイミングを説明する図である。
　光源１１の変調周波数をｆ１に設定したとき、モード１の光と参照光の位相が一致したとする。この場合、モード１の光と参照光の干渉波形は直流成分となる。一方で、モード２の光と参照光は位相が一致しないため、干渉波形は光周波数差（位相差）に応じて時間的に変動することになる。
　イメージセンサ１５は、前記変調周波数よりも遅いサンプリングレートで動作することを特徴とする。
　イメージセンサ１５は、一般的にサンプリングレート（フレームレート）が低いため、位相差で変動する成分（モード２の光と参照光の干渉波形）を観測することが困難である。一方、イメージセンサ１５は、直流成分（モード１の光と参照光の干渉波形）を測定可能である。このため、イメージセンサ１５は、十分な露光時間（平均化時間）で測定することで、直流成分となるモード１の光の電界分布のみを観測できる。つまり、変調器１１ａで変調周波数ｆ１に設定すると、イメージセンサ１５は、モード１の光の電界分布を測定することになる。
　図５は、変調周波数がｆ２であるときの、測定光と参照光の合波時における、それぞれの光の光周波数のタイミングを説明する図である。
　光源１１の変調周波数をｆ２に設定したとき、モード２の光と参照光の位相が一致したとする。この場合、モード２の光と参照光の干渉波形は直流成分となる。一方で、モード１の光と参照光は位相が一致しないため、干渉波形は光周波数差（位相差）に応じて時間的に変動することになる。
　上述のように、イメージセンサ１５は、サンプリングレート（フレームレート）が低いため、変調器１１ａで変調周波数ｆ２に設定すると、イメージセンサ１５は、モード２の光の電界分布を測定することになる。
　光源１１から出力される光の光周波数ｆ（ｔ）は、次式のように時間ｔで変化している（図２参照。）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ｆ０は中心周波数、Δｆは変調振幅、ｆｍは変調周波数、ｔは時間である。
　ここで、ｆｍとｔの関係を説明する。被測定光ファイバ５１の実効屈折率がｎ、真空中の光速がｃであり、また被測定光ファイバ５１と参照光ファイバ５２の長さの差分ΔＬがｆｍのＮ周期分の長さからＮ＋１周期分の長さの間であるとき、つまり
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 であるとき、ｆｍとｔの関係は次式となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　この関係に従い、変調器１１ａにて変調周波数ｆｍを変更しつつ、イメージセンサ１５で干渉波形を測定することで、図６に示すような時間に対する干渉波形の強度が得られる。図６において、ピーク６１がモード１の光の干渉波形の強度ピーク、ピーク６２がモード２の光の干渉波形の強度ピークである。ピーク６１とピーク６２との時間差が被測定光ファイバ５１の他端へ各モードの光が到達した到達時間の差であり、ＤＭＤとなる。
　また、干渉波形をイメージセンサで測定するため、強度のピークが観測される際の電界分布も取得できる。これにより、各ピークがいずれのモードのピークであるかを判別することができる。
　つまり、演算部１６は、変調周波数ｆｍを変更しつつイメージセンサ１５で観測した干渉波形のピークを捉え、当該ピークが発生した時の干渉光の電界分布から各ピークを発生させているモードを判別し、ピーク間の時間をそれぞれのＤＭＤとする。
　図７は、モード間群遅延差測定装置３０１が行うモード間群遅延差測定方法を説明するフローチャートである。
　モード間群遅延差測定装置３０１は、
　光源１０に、コヒーレントな光の光周波数を変化させる変調周期を設定すること（ステップＳ０１）、
　前記光を２分岐し、前記光の一方を複数のモードに励振し、ＦＭＦである被測定光ファイバ５１の一端へ入射し、前記光の他方を単一モードで参照光ファイバ５２の一端へ入力すること（ステップＳ０２）、
　イメージセンサ１５で、被測定光ファイバ５１の他端から出射する測定光と参照光ファイバ５２の他端から出射する参照光との干渉光を観察すること（ステップＳ０３）、及び
　前記変調周期を変化させたときに現れる前記干渉光のピークを検知し、前記ピークが現れた前記変調周期の差により群遅延差を測定し、前記ピークにおける前記干渉光の電界分布から前記モードの種類を判定すること（ステップＳ０５）
を行う。
　ステップＳ０１では、変調器１１ａを利用して光源１１が出力する光の光周波数を周期的に変化させる。この周期が変調周波数である。
　ステップＳ０２では、分岐素子１２で２分岐した光源１１からの光をそれぞれ被測定光ファイバ５１と参照光ファイバ５２に入射する。ここで、被測定光ファイバ５１に入射される光は、励振器１３ａで被測定光ファイバ５１で伝搬できる各モードに励振される。他方の光は、単一モードのまま光入射手段１３ｂから参照光ファイバ５２に入射される。
　ステップＳ０３では、被測定光ファイバ５１で伝搬された光と参照光ファイバ５２で伝搬された光との干渉光をイメージセンサ１５で観察する。
　ステップＳ０４では、前記光周波数を変更するか否かを判断する。所定範囲まで光周波数が変更されていなければ（ステップＳ０４にて“Ｎｏ”）、ステップＳ０１へ戻り、光周波数を変更してステップＳ０３までを繰り返す。所定範囲まで光周波数が変更されていれば（ステップＳ０４にて“Ｙｅｓ”）、ステップＳ０５を行う。
　ステップＳ０５では、演算部１６が、光周波数を変更しながら干渉光を観察した結果から干渉光の直流成分ピークを複数検出する。演算部１６は、そのピークが発生した時の干渉光の電界分布からいずれのモードのピークであるかを判定する。そして、演算部１６は、ピーク間の時間をそれぞれのＤＭＤとして測定する。
　なお、モード間群遅延差測定装置３０１は、図１に図示されない制御部で各構成（変調器１１ａや演算部１６）を制御し、ステップＳ０１からＳ０５までを行うことができる。
　以上のように、モード間群遅延差測定装置３０１は、周期的に光周波数を変調した光の干渉波形をイメージセンサで測定するので、数百メートル以上の被測定光ファイバであっても、簡易な構成で容易に各モードの群遅延時間およびＤＭＤを測定することができる。
１１：光源
１１ａ：変調器
１２：分岐手段
１３：光入射部
１３ａ：励振器
１３ｂ：光入射手段
１４：合波素子
１５：イメージセンサ
１６：演算器
１７：コリメータ
５１：被測定光ファイバ
５２：参照光ファイバ
３０１：モード間群遅延差測定装置

Claims (4)

  1. 　所定の変調周期で光周波数を変化させたコヒーレントな光を出力する光源と、
    　前記光を２分岐する分岐素子と、
    　前記光の一方を複数のモードに励振し、数モード光ファイバである被測定光ファイバの一端へ入射し、前記光の他方を単一モードで参照光ファイバの一端へ入力する光入射部と、
    　前記被測定光ファイバの他端から出射する測定光と前記参照光ファイバの他端から出射する参照光との干渉光を観察するイメージセンサと、
    　前記変調周期を変化させたときに現れる前記干渉光のピークを検知し、前記ピークが現れた前記変調周期の差により群遅延差を測定し、前記ピークにおける前記干渉光の電界分布から前記モードの種類を判定する演算器と、
    を備えるモード間群遅延差測定装置。
  2. 　前記イメージセンサは、前記変調周期よりも遅いサンプリングレートで動作することを特徴とする請求項１に記載のモード間群遅延差測定装置。
  3. 　コヒーレントな光の光周波数を変化させる変調周期を設定すること、
    　前記光を２分岐すること、
    　前記光の一方を複数のモードに励振し、数モード光ファイバである被測定光ファイバの一端へ入射し、前記光の他方を単一モードで参照光ファイバの一端へ入力すること、
    　イメージセンサで、前記被測定光ファイバの他端から出射する測定光と前記参照光ファイバの他端から出射する参照光との干渉光を観察すること、及び
    　前記変調周期を変化させたときに現れる前記干渉光のピークを検知し、前記ピークが現れた前記変調周期の差により群遅延差を測定し、前記ピークにおける前記干渉光の電界分布から前記モードの種類を判定すること
    を行うモード間群遅延差測定方法。
  4. 　前記イメージセンサのサンプリングレートが、前記変調周期よりも遅いことを特徴とする請求項３に記載のモード間群遅延差測定方法。
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