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技術 伝搬特性解析装置および伝搬特性解析方法

出願人 日本電信電話株式会社
発明者 高橋央小田友和戸毛邦弘真鍋哲也
出願日 2018年2月28日 (2年11ヶ月経過) 出願番号 2018-035867
公開日 2019年9月12日 (1年5ヶ月経過) 公開番号 2019-152457
状態 特許登録済
技術分野 光学装置、光ファイバーの試験 光通信システム
主要キーワード 時間領域反射計 結合行列 入射時刻 時間領域解析 多重モード光ファイバ 数値化処理 入射プローブ モード分割
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

多重モード光ファイバ分布的にかつ非破壊に正確に評価することができる伝搬特性解析装置を提供する。

解決手段

複数のモードを多重する数モード光ファイバを被解析光ファイバとして長さ方向にわたる伝搬特性をブリルアン時間領域解析法による伝搬特性解析装置であって、所望のモードのプローブ光を被解析光ファイバの遠端から入力する手段と、所望のモードの光パルスであって、プローブ光に対して所望のモードのブリリア周波数シフトに相当する周波数差を有する光パルスを、プローブ光に対するポンプ光として被解析光ファイバの近端から入力する手段と、所望のモードとは異なる別モードの光パルスであって、別モードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差をプローブ光に対して有する光パルスを、プローブ光に対するプローブ光である第2のプローブ光として被解析光ファイバの近端から入力する手段とを備えた伝搬特性解析装置である。

概要

背景

近年、基幹通信網トラフィック量の増加はめざましく、将来的にはPbps/1心級の大容量伝送が必要であると言われている。このような大容量化に対応するため、現在の光ファイバ伝送路で用いられているシングルモード光ファイバ容量限界を打破する光ファイバとして、複数のモードを伝搬するFMF(Few mode fiber)を用いたモード分割多重伝送が大きな注目を集めている。

FMFを用いて実現した光伝送システムには、光ファイバ伝送路を構成するモード合分波デバイスの他に、接続点光ケーブル内における光ファイバの曲げ等があり、複数のモード変換点が存在する。その各々において発生するモード間の結合比率を知り、光ファイバ伝送路全体における伝送路特性(モード毎の損失、結合比率、群遅延差など)を適正に設計・制御する必要がある。

非特許文献1では、複数チャネルを有する光時間領域反射計(Optical Time Domain Reflectometry、以下OTDRと称する)を用いて、任意のモード、例えばLP01モードの光をFMFに励振し、FMFを伝搬する際に生じた当該モードの光による後方レイリー散乱光と、励振したモードとは別のモード、例えばLP11モードの光に結合した光による後方レイリー散乱光のパワー比率より、LP01モードとLP11のモード間における結合比率を分布的に評価する手法が提案されている。

非特許文献2では、ブリルアン時間領域反射計(Brillouin Time Domain Reflectometry、以下BOTDRと称する)を用いた手法が提案されている。この文献で提案されている手法は、非特許文献1に記載の方法と異なり、入射した光の周波数に対して、各モードにおける伝搬定数の違いから、発生する後方ブリルアン散乱光ブリルアン周波数シフトが異なることを利用している。
非特許文献3では、ブリルアン時間領域解析法(Brillouin Time Domain Analysis、以下BOTDAと称する)を用いた手法が提案されている。非特許文献2の方法と異なり、光周波数の異なる2つの光を、同一のモードで励振することで、光ファイバ中で所望のモードのみで誘導ブリルアン散乱を強く発生できることを利用している。

概要

多重モード光ファイバを分布的にかつ非破壊に正確に評価することができる伝搬特性解析装置を提供する。複数のモードを多重する数モード光ファイバを被解析光ファイバとして長さ方向にわたる伝搬特性をブリルアン時間領域解析法による伝搬特性解析装置であって、所望のモードのプローブ光を被解析光ファイバの遠端から入力する手段と、所望のモードの光パルスであって、プローブ光に対して所望のモードのブリリア周波数シフトに相当する周波数差を有する光パルスを、プローブ光に対するポンプ光として被解析光ファイバの近端から入力する手段と、所望のモードとは異なる別モードの光パルスであって、別モードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差をプローブ光に対して有する光パルスを、プローブ光に対するプローブ光である第2のプローブ光として被解析光ファイバの近端から入力する手段とを備えた伝搬特性解析装置である。

目的

本発明は従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、クロストークによる誤差の影響を減少させて、複数のモードを多重する数モード光ファイバを分布的にかつ非破壊に正確に評価することができる伝搬特性解析装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

複数のモードを多重する数モード光ファイバを被解析光ファイバとして長さ方向にわたる伝搬特性ブリルアン時間領域解析法により解析する伝搬特性解析装置であって、所望のモードのプローブ光を前記被解析光ファイバの遠端から入力する手段と、前記所望のモードの光パルスであって、前記プローブ光に対して前記所望のモードのブリリア周波数シフトに相当する周波数差を有する光パルスを、前記プローブ光に対するポンプ光として前記被解析光ファイバの近端から入力する手段と、前記所望のモードとは異なる別モードの光パルスであって、前記別モードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差を前記プローブ光に対して有する光パルスを、前記プローブ光に対するプローブ光である第2のプローブ光として前記被解析光ファイバの近端から入力する手段とを備えたことを特徴とする伝搬特性解析装置。

請求項2

前記被解析光ファイバを伝搬して近端から出力される前記プローブ光のうちの前記所望のモードの成分と別モードの成分とを分離して受信するモード選択受信手段と、前記モード選択受信手段により得られた各々のモード毎に観測されるブリルアン利得スペクトルを時間領域で解析する解析手段とを備え、前記解析手段において、被解析光ファイバの任意の位置において、前記各々のモード毎に観測される前記ブリルアン利得スペクトルより数モード光ファイバの伝搬特性を取得することを特徴とする請求項1に記載の伝搬特性解析装置。

請求項3

各々のモード毎に観測されるブリルアン利得スペクトルの同じ周波数上で得られるブリルアン利得強度比から数モード光ファイバのモード結合比率を算出することを特徴とする請求項1または2記載の伝搬特性解析装置。

請求項4

前記2次のプローブ光をパルス化する第2の光パルス化手段を備え、前記ポンプ光の入射時刻t1でパルス出力を停止することを特徴とする請求項1または2記載の伝搬特性解析装置。

請求項5

複数のモードを多重する数モード光ファイバを被解析光ファイバとして長さ方向にわたる伝搬特性をブリルアン時間領域解析法により解析する伝搬特性解析方法であって、所望のモードのプローブ光を前記被解析光ファイバの遠端から入力するステップと、前記所望のモードの光パルスであって、前記プローブ光に対して前記所望のモードのブリルリアン周波数シフトに相当する周波数差を有する光パルスを、前記プローブ光に対するポンプ光として前記被解析光ファイバの近端から入力するステップと、前記所望のモードとは異なる別モードの光パルスであって、前記別モードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差を前記プローブ光に対して有する光パルスを、前記プローブ光に対するプローブ光である第2のプローブ光として前記被解析光ファイバの近端から入力するステップとを含むことを特徴とする伝搬特性解析方法。

技術分野

0001

本発明は、伝搬特性解析装置および伝搬特性解析方法に関し、特に数モード光ファイバ(以下、「FMF」とも称する)やそれを用いた光伝送システムにおいて、伝搬特性を非破壊に評価するための伝搬特性解析装置および伝搬特性解析方法に関する。

背景技術

0002

近年、基幹通信網トラフィック量の増加はめざましく、将来的にはPbps/1心級の大容量伝送が必要であると言われている。このような大容量化に対応するため、現在の光ファイバ伝送路で用いられているシングルモード光ファイバ容量限界を打破する光ファイバとして、複数のモードを伝搬するFMF(Few mode fiber)を用いたモード分割多重伝送が大きな注目を集めている。

0003

FMFを用いて実現した光伝送システムには、光ファイバ伝送路を構成するモード合分波デバイスの他に、接続点光ケーブル内における光ファイバの曲げ等があり、複数のモード変換点が存在する。その各々において発生するモード間の結合比率を知り、光ファイバ伝送路全体における伝送路特性(モード毎の損失、結合比率、群遅延差など)を適正に設計・制御する必要がある。

0004

非特許文献1では、複数チャネルを有する光時間領域反射計(Optical Time Domain Reflectometry、以下OTDRと称する)を用いて、任意のモード、例えばLP01モードの光をFMFに励振し、FMFを伝搬する際に生じた当該モードの光による後方レイリー散乱光と、励振したモードとは別のモード、例えばLP11モードの光に結合した光による後方レイリー散乱光のパワー比率より、LP01モードとLP11のモード間における結合比率を分布的に評価する手法が提案されている。

0005

非特許文献2では、ブリルアン時間領域反射計(Brillouin Time Domain Reflectometry、以下BOTDRと称する)を用いた手法が提案されている。この文献で提案されている手法は、非特許文献1に記載の方法と異なり、入射した光の周波数に対して、各モードにおける伝搬定数の違いから、発生する後方ブリルアン散乱光ブリルアン周波数シフトが異なることを利用している。
非特許文献3では、ブリルアン時間領域解析法(Brillouin Time Domain Analysis、以下BOTDAと称する)を用いた手法が提案されている。非特許文献2の方法と異なり、光周波数の異なる2つの光を、同一のモードで励振することで、光ファイバ中で所望のモードのみで誘導ブリルアン散乱を強く発生できることを利用している。

先行技術

0006

M. Nakazawa et. al., “Measurement of mode coupling distribution along a few-mode fiber using a synchronous multi-channelOTDR” Opt. Express, Vol. 22, No.25, p. 31299-31309 (2014).
An Li et. al., “Measurement of distributed mode coupling in a few-mode fiber using a reconfigurable Brillouin OTDR” Optics Letters, Vol. 39, no. 22, p. 6418 (2014).
H. Takahashi et. al., “Distributed Measurement of Single-way Inter-modal Crosstalk in SplicedFMFs Based on BOTDA” OFC2017, Th4H.3 (2017).

発明が解決しようとする課題

0007

非特許文献1に記載の方法では、入射光の後方レイリー散乱光を用いているため、測定対象で発生する強いフレネル反射が測定に影響し、これを除去するための特別な手段が必要になる。また、光ファイバ伝送路上のあるモード変換点に対して、入射光の伝搬方向に進む際に透過するだけでなく、前記入射光の後方レイリー散乱光が入射方向に戻ってくる際に再び通過するため、後方レイリー散乱によって生じるモード結合は、被解析光ファイバの長さ方向に渡って均一であるという前提が無いと、OTDRから得られる各モードのパワー比率からだけでは、あるモード変換点においてモード間の結合状態を特定することができないといった課題がある。

0008

非特許文献2に記載の方法は、各モードにおける後方ブリルアン散乱光のパワー比率を入射した光と周波数軸上で分解することができるため、非特許文献1に記載の方法におけるフレネル反射光の課題に対して有効である。この方法では、周波数軸上で分解した各モード間における後方ブリルアン散乱光スペクトルピーク振幅の長さ方向分布を算出し、被解析光ファイバの長さ方向における前記ピーク振幅比の分布を対数軸上にプロットし、その傾きの半分をモード結合比率としているため、あるモード変換点前後において、ブリルアン利得特性の異なる光ファイバが用いられた時、モード変換点前後でのオフセット量が異なり、正確なモード結合状態を測定できないといった問題がある。

0009

さらに非特許文献1,2に記載の方法は、散乱光強度の長さ方向分布を算出し、被測定ファイバの長さ方向における前記散乱光強度の比の分布を対数軸上にプロットし、その傾きの半分をモード結合比率としているため、あるモード変換点のモード結合比率の方向依存性があると正確な測定ができないといった問題がある。

0010

非特許文献3に記載の方法は、光ファイバ中の任意の位置、かつ所望のモードで誘導ブリルアン散乱を強く発生させ、発生した誘導ブリルアン散乱光受光器に到達するまでに受けたモード結合比率を測定できる。そのため、あるモード変換点のモード結合比率の方向依存性も含めて測定可能である。しかし、モード毎の誘導ブリルアン散乱スペクトルが厳密には独立でなく、周波数軸上で重なりがあるため、所望のモードのみを発生させることができず、クロストークによる誤差が生じるといった問題がある。

0011

本発明は従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、クロストークによる誤差の影響を減少させて、複数のモードを多重する数モード光ファイバを分布的にかつ非破壊に正確に評価することができる伝搬特性解析装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0012

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、複数のモードを多重する数モード光ファイバを被解析光ファイバとして長さ方向にわたる伝搬特性をブリルアン時間領域解析法により解析する伝搬特性解析装置であって、所望のモードのプローブ光を前記被解析光ファイバの遠端から入力する手段と、前記所望のモードの光パルスであって、前記プローブ光に対して前記所望のモードのブリリア周波数シフトに相当する周波数差を有する光パルスを、前記プローブ光に対するポンプ光として前記被解析光ファイバの近端から入力する手段と、前記所望のモードとは異なる別モードの光パルスであって、前記別モードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差を前記プローブ光に対して有する光パルスを、前記プローブ光に対するプローブ光である第2のプローブ光として前記被解析光ファイバの近端から入力する手段とを備えたことを特徴とする伝搬特性解析装置である。

0013

他の一実施形態に記載された発明は、複数のモードを多重する数モード光ファイバを被解析光ファイバとして長さ方向にわたる伝搬特性をブリルアン時間領域解析法により解析する伝搬特性解析方法であって、所望のモードのプローブ光を前記被解析光ファイバの遠端から入力するステップと、前記所望のモードの光パルスであって、前記プローブ光に対して前記所望のモードのブリルリアン周波数シフトに相当する周波数差を有する光パルスを、前記プローブ光に対するポンプ光として前記被解析光ファイバの近端から入力するステップと、前記所望のモードとは異なる別モードの光パルスであって、前記別モードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差を前記プローブ光に対して有する光パルスを、前記プローブ光に対するプローブ光である第2のプローブ光として前記被解析光ファイバの近端から入力するステップとを含むことを特徴とする伝搬特性解析方法である。

図面の簡単な説明

0014

本発明の第1の実施形態を示すブロック構成図である。
本発明の実施形態に係る光ファイバ伝送路モデル図である。
本発明の実施形態に係る測定点でのポンプ光のLP01モードにおける振幅a0によるブリルアン利得スペクトル観測例である。
本発明の実施形態に係る測定点でのポンプ光のLP11モードにおける振幅a0によるブリルアン利得スペクトルの観測例である。
2次プローブ光を用いた場合の発生する合成ブリルアン利得の模式図である。
ポンプパルスと2次プローブパルスパルス化の一例である。

実施例

0015

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

0016

本実施形態の伝搬特性解析装置は、複数のモードを多重する数モード光ファイバを被解析光ファイバとして長さ方向にわたる伝搬特性をブリルアン時間領域解析法(Brillouin optical time domain analysis:BOTDA)により解析する伝搬特性解析装置において、プローブ光よりも強励起された光を2次のプローブ光として用いることによってプローブ光に発生するブリルアン損失により、所望のモードとは異なる別モードにより発生するブリルアン利得を相殺することによってクロストークを抑制している。ブリルアン時間領域解析法(BOTDA)は、例えば非特許文献3に記載された手法を用いることができる。

0017

本実施形態の伝搬特性解析装置は、ブリルアン時間領域解析法(BOTDA)により解析する伝搬特性解析装置において、さらに、所望のモードのプローブ光を被解析光ファイバの遠端から入力する手段と、所望のモードの光パルスであって、プローブ光に対して所望のモードのブリルリアン周波数シフトに相当する周波数差を有する光パルスを、プローブ光に対するポンプ光として被解析光ファイバの遠端から入力する手段と、所望のモードとは異なる別モードの光パルスであって、別モードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数差を前記プローブ光に対して有する光パルスを、プローブ光に対するプローブ光である第2のプローブ光として被解析光ファイバの近端から入力する手段とを備えている。

0018

この構成により、ポンプ光とプローブ光との間の所望のモード以外の誘導ブリルアン散乱により発生するブリルアン利得を、プローブ光と2次のプローブ光との間の所望のモード以外の誘導ブリルアン散乱により発生するブリルアン損失で相殺することができるので、被解析光ファイバのモード毎の誘導ブリルアン散乱スペクトルが重なっている場合でも、クロストークによる誤差を抑制することができる。これによって、光伝搬方向依存性に影響されることなく、モード変換点におけるモード結合比率を正確に把握することが可能となる。さらには、光出力端に接続した被解析対象の光ファイバや光ファイバ伝送路におけるモード結合比率を分布的にかつ非破壊に評価することができるものである。

0019

図1は、本発明の実施形態に係る伝搬特性解析装置の一例を示すブロック構成図である。本実施形態の伝搬特性解析装置では、図1に示すように、レーザ光発生手段11は、出力が3分岐され、モード選択手段12と、第1の光周波数制御手段13と、第2の光周波数制御手段14とにそれぞれ接続されている。モード選択手段12は被解析光ファイバFの遠端に接続されている。第1の光周波数制御手段13は、第1の光パルス化手段15にさらに接続されており、第2の光周波数制御手段14は、第2の光パルス化手段16にさらに接続されている。第1の光パルス化手段15および第2の光パルス化手段16は、モード選択・合波手段17に接続されている。モード選択・合波手段17は、さらに被解析光ファイバFの近端に接続されるとともに光フィルタ18に接続されている。光フィルタ18は、さらに光受信手段19に接続されており、光受信手段19には、測定系である、数値化処理手段21および数値演算手段22が順次接続されている。

0020

本実施形態の伝搬特性解析装置では、レーザ光発生手段11の3分岐された出力のうち、分岐された光の1つ目は、モード選択手段12に入力されて所望のモードが選択されて、被解析光ファイバFの遠端から入力されるプローブ光として用いられる。

0021

分岐された光の2つ目は、第1の光周波数制御手段13に入力され、入力された光は、被解析光ファイバFのブリルアン周波数シフトに相当する約10〜11GHz程度の周波数差を高い周波数側に付与されたのちに、第1の光パルス化手段15によってパルス化され、プローブ光との間でブリルアン増幅を生じさせるポンプ光として用いられる。

0022

分岐された光の3つ目は、第2の光周波数制御手段14によって被解析光ファイバのブリルアン周波数シフトに相当する約10〜11GHz程度の周波数差を低い周波数側に付与されたのちに、第2の光パルス化手段16によってパルス化され、プローブ光との間でブリルアン損失を生じさせる2次プローブ光として用いられる。

0023

ポンプ光、2次プローブ光は、モード選択・合分波手段17によってモードが選択されて被解析光ファイバFの近端から入射される。モード選択・合分波手段17では、ポンプ光については測定対象のモードを選択し、2次のプローブ光については測定対象とは異なる別モードを選択する。また、モード選択・合分波手段17では、ポンプ光のパルス位置とプローブ光のパルス位置が重ならないように合波する。

0024

被解析光ファイバFにおける所望の位置において、プローブ光はポンプ光と相互作用し、ブリルアン増幅された後、被解析光ファイバFの遠端から出射され再びモード選択・合分波手段17によってモードごとに分波される。

0025

分波されたモードごとの出射光は、光フィルタ手段18によってポンプ光および2次プローブ光のレイリー散乱成分が除去されたのち、光受信手段19にて受信され、電気信号に変換される。受信された電気信号は適宜増幅された後に、数値化処理手段21にて数値化され、数値演算手段22を用いてポンプ光と相互作用していないプローブ光強度との差分を、平均化処理を行うことによって、ブリルアン利得を演算することにより、数モード光ファイバの伝搬特性を解析する。

0026

ここで、本実施形態の伝搬特性解析装置において2次のプローブ光を使用しない状態では、第1の光周波数制御手段13にて、プローブ光とポンプ光間の周波数差が変化するようにポンプ光の周波数を適宜変えたときに被解析光ファイバFの近端から出射される出射光から、数値演算手段22は、ブリルアン利得を演算し、周波数毎のブリルアン利得(ブリルアン利得スペクトル)を取得することができるといえる。

0027

本実施形態の伝搬特性解析装置では、第1の光周波数制御手段13による周波数制御に加えて、第2の光周波数制御手段14にて、プローブ光と2次プローブ光間の周波数差が変化するように2次のプローブ光の周波数を適宜変えたときに被解析光ファイバFの近端から出射される出射光から、数値演算手段22が、上記と同様にブリルアン利得分布を得ることで、2次のプローブ光を使用しない状態では被解析光ファイバのモード毎の誘導ブリルアン散乱スペクトルが重なっている場合でも、測定対象外のモードのブリルアンスペクトルを除去し、所望の被解析光ファイバの任意の位置におけるブリルアン利得スペクトルを取得することができる。

0028

図1で示した本実施形態の伝搬特性解析装置の構成は一例であり、同様にブリルアン周波数シフトに相当する光周波数差をポンプ光とプローブ光間、プローブ光と2次プローブ光間に与え、所定のモードを選択して励起してブリルアン利得強度の信号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。

0029

次に、本実施形態の伝搬特性解析装置における解析方法の原理についてさらに詳細に説明する。

0030

ところで、FMFにおける誘導ブリルアン散乱現象を考えると、任意のモードにおけるブリルアン周波数シフトvbは、下記式(1)で与えられる。

0031

0032

ここで、niは当該モードの実効屈折率、Vaは音響波実効速度、λは真空中の波長である。

0033

式(1)によれば、FMFにおいては、伝搬するモードによりブリルアン周波数シフトが異なることを意味しており、得られる各モードにおける任意の位置でのブリルアンスペクトル情報が、モード毎に異なる周波数に対するピークを有する。本実施形態の伝搬特性解析装置は、ブリルアンスペクトル情報が、モード毎に異なる周波数に対するピークを有することを利用するものであるといえる。

0034

簡単のために2つのモードで伝搬するFMFを考えた場合、ポンプ光とプローブ光とが各々、LP01およびLP11モードの双方で振幅を有する場合には、3つのスペクトルピークを有すると考えられる。具体的には、LP01モード同士のポンプ光成分−プローブ光成分間の相互作用により発生するスペクトルピークv01−01と、LP01モードのポンプ光成分とLP11モードのプローブ光成分間の相互作用により発生するスペクトルピークv01−11と、LP11モード同士のポンプ光−プローブ光成分間の相互作用により発生するスペクトルピークv11−11との3つのスペクトルピークとである。なおスペクトルピークv01−11はLP11モードのポンプ光成分とLP01モードのプローブ光成分間の相互作用でも発生する。

0035

図2は光ファイバ伝送路モデルを示す図である。まず、ここで図2の光ファイバ伝送路モデルにおいて簡単のためLP01のポンププローブを被解析光ファイバに入射した場合のモードのポンプ光成分と所定のモードのプローブ光成分との相互作用について考える。なお、図2に示す光ファイバ伝送路モデルでは、複数の結合行列が存在しているので複数のモード変換点が存在している。ここでは伝送路全長をL、モード変換点の位置をzとし、伝送路途中に結合行列がMなるモード変換点が含まれているとする。

0036

図2の光ファイバ伝送路モデルの測定点の位置におけるLP01、LP11モードのポンプ光のパワーをa0、a1とし、入射プローブ光のパワーをPrとすると、測定点の位置におけるプローブ光のパワーb0、b1は結合行列M(L−z)によってモード変換を生じ、以下の式(2)で与えられる。

0037

0038

ここで、mij(L−z)は結合行列M(L−z)の要素である。測定点においてポンプ光によりブリルアン増幅を受けたプローブ光は、さらに結合行列M(z)によってモード変換を生じ、LP01、LP11モードとして近端に到着する。a0とb0の間の相互作用を考えると、近端でLP01モードで観測されるプローブ光強度は、モード変換点以外の損失を無視すると、式(2)を用いて、式(3)となる。

0039

0040

ここで、g01−01(v)は、v01−01にピークを持つ利得プロファイルであり、mij(z)は結合行列M(z)の要素である。

0041

同様に、近端でLP11モードで観測されるプローブ光強度は、式(4)となる。

0042

0043

したがって、測定点におけるブリルアン利得の総和は、式(3)と(4)より、式(5)となる。

0044

0045

同様に、a0とb1の間の相互作用を考えると、近端でLP01モードで観測されるプローブ光強度は、式(6)となり、

0046

0047

近端でLP11モードで観測されるプローブ光強度は、式(7)となる。

0048

0049

したがって、測定点におけるブリルアン利得の総和は、式(6)と(7)より、式(8)となる。

0050

0051

同様に、a1とb0の間の相互作用を考えると、近端でLP01モードで観測されるプローブ光強度は、式(9)となり、

0052

0053

近端でLP11モードで観測されるプローブ光強度は、式(10)となる。

0054

0055

したがって、測定点におけるブリルアン利得の総和は、式(9)と(10)より、式(11)となる。

0056

0057

同様に、a1とb1の間の相互作用を考えると、近端でLP01モードで観測されるプローブ光強度は、式(12)となり、

0058

0059

近端でLP11モードで観測されるプローブ光強度は、式(13)となる。

0060

0061

したがって、測定点におけるブリルアン利得の総和は、式(12)と(13)より、式(14)となる。

0062

0063

したがって、測定点におけるプローブ光のLP01モードが受けたブリルアン利得スペクトルは式(5)と式(11)で示され、図3のようになる。また、測定点におけるプローブ光のLP11モードが受けたブリルアン利得スペクトルは式(8)と式(14)であり、図4のようになる。

0064

実際には、測定点において、プローブ光はb0、b1双方の振幅を持つことになるため、測定を行うと図3図4のスペクトルの和が得られることになる。ポンプ光とプローブ光はそれぞれ2つのモードで振幅を持つことになるので、それらが相互作用することによって、v01−01、v01−11、v11−11という3つのスペクトルピークを持つこととなり、式(5)がv01−01にてピークを持つ利得プロファイル、式(14)がv11−11にてピークを持つ利得プロファイルをそれぞれ示し、式(8)および(11)はv01−11にてピークを持つ利得プロファイルが周波数軸上で重なることを意味している。

0065

今ここで、3つのスペクトルピークのうち、周波数軸上で分解できる特徴を利用して、v01−01の振幅のみに着目する。但し、ブリルアン利得スペクトルは幅を持つことから、v01−01の周波数帯にv01−11とv11−11の一部の強度の影響を受けることとなる。相互作用した後の光を、モード選択・合分波手段(図1ではモード選択・合分波手段17)にて分波して受信側でLP01モードのみを選択した場合には以下の式(15)が得られる。

0066

0067

ここで、X、Y(<1)はv01−11、v11−11にピークを持つブリルアン利得スペクトルのv01−01の周波数における強度比を示す。

0068

同様に、受信側でLP11モードのみを選択した場合には、以下の式(16)が得られる。

0069

0070

ここで、m10、m01が0.1程度の弱結合の光ファイバ伝送路を仮定すると、

0071

0072

が成り立つ。上記条件より、A(z1)において、右辺の第3項と第4項は無視できるので、A(z1)とB(z1)の比に着目すると、各モードで発生したブリルアン利得の比は式(17)で表すことができる。

0073

0074

ここで、式(17)の右辺の第一項に注目すると、ブリルアン発生地点より手前の接続点におけるモード結合行列の要素以外の項はすべて相殺され、LP01モードがモード変換点をポンプ光入射方向に通過する際のLP01モードに対するLP11モードの結合比率を示していることが分かる。

0075

一方、式(17)の右辺の第二項は測定誤差となるが、X、Yが1より十分小さい場合は無視できる。また、X、Yが無視できない場合には、測定誤差C(z)は、式(17)における第二項の結合係数以外の部分をZとおくと、式(18)となり、モード変換点前のクロストークが誤差となる。

0076

0077

本実施形態の伝搬特性解析装置では、2次のプローブ光を用い、プローブ光と2次プローブ光間の周波数差を最適に配置することで、この誤差Cを減少させる。この2次のプローブ光についてさらに説明する。

0078

図5は2次プローブ光を用いた場合の発生する合成ブリルアン利得を説明する図である。図5において、実線は所望のモード、点線は所望のモード以外のモードで発生したブリルアン利得/損失スペクトルである。ここで、所望のモードにおいては、図3に示したLP01モードとLP01モード間の相互作用によるスペクトルとLP11モードとLP01モード間の相互作用によるスペクトルと、所望のモード以外では、図4に示したLP01モードとLP11間の相互作用によるスペクトルとLP11モードとLP11モード間の相互作用によるスペクトルが発生するが、簡単のため、LP01モードとLP01モード間の相互作用によるスペクトルとLP01モードとLP11モード間の相互作用によるスペクトルのみで考える。

0079

図5に示すように、ブリルアン利得に対して、プローブ光と2次プローブ光間の周波数差をLP01モードとLP11モード間の相互作用によるブリルアン利得が減少するように、LP01モードとLP11モードの周波数差に設定する。

0080

ここで、ブリルアン利得の減少は、ブリルアン損失現象によっておこる。ブリルアン損失とは、ブリルアン相互作用の発生において、ポンプ光からプローブ光へ光エネルギーが移る際に、ポンプ光強度が減少することである。上記の周波数設定の場合、プローブ光と2次プローブ光のブリルアン相互作用において、プローブ光がポンプ光として作用し、2次プローブ光がプローブ光として作用する。そのため、ブリルアン損失はLP01モードとLP11モードとの相互作用のみで発生し、m10(L−z1)Prのプローブ光強度が減少する。結果として、m10(L−z1)Prで発生するブリルアン散乱光強度が減少する。

0081

このように設定した2次のプローブ光を、被解析光ファイバに対し、プローブ光とは反対側(ポンプ光と同じ側)から入射させることにより、所望のモード以外で発生したブリルアン利得を消すことができ、クロストークによる誤差を抑制することができる。

0082

2次のプローブ光は、連続光ではなく、ポンプ光に重ならないように調節されたパルスとして生成することができる。2次のプロ—ブ光を、連続光として入射する場合、m10(L−z1)Prだけでなく、求めたいm10(z1)Prも減少させてしまうからである。

0083

図6にポンプ光と2次プローブ光パルスのパルス化の一例を示す。図6に示すように、ポンプ光と2次プローブ光パルスは、ポンプ入射時刻t1で出力のON/OFF切り替わるように設定する。この設定により、プローブ光は、プローブ光とポンプ光が衝突する時間より前でしか2次プローブ光との相互作用(ブリルアン損失)を受けない。つまり、ポンプ光とプローブ光の衝突する位置よりプローブ光入射側のプローブ光強度(m10(L−z1)Pr)のみを減少させられるため、求めたいm10(z1)Prを減少させることを防ぐことが可能である。

0084

以上のように、被解析光ファイバに対して、2次のプローブ光をポンプ光と同じ側から入射させることでクロストークによる誤差を抑制して、ブリルアン時間領域解析法(BOTDA)による解析を行うことで、モード変換点における結合状態を把握することができる。

0085

同様の解析を、LP11モードのプローブ光を入射した場合について行うことで、LP11モードがモード変換点をポンプ入射方向に通過する際のLP11モードに対するLP01モードの結合比率を取得できる。

0086

以上のとおり、光ファイバの途中に例えば接続点のようなモード変換点が存在する場合は、モード変換点より遠端側での誘導ブリルアン散乱現象を用いてその影響を受けたプローブ光を前述の通り解析することで、モード結合状態を知ることが出来る。被解析光ファイバの伝送路の長さ方向に渡って分布的に結合状態を知るためには、前述のモード結合Mが無数に長さ方向に連続的に発生するモデル(M1,M2,・・・,Mn)ととらえることができ、被解析光ファイバの伝送路の入射端におけるモード励起状態、モード選択・合分波手段におけるモード結合比率が既知であれば、被解析光ファイバの伝送路全体に渡る結合状態の分布を評価することが可能となる。

0087

以上の実施形態では2つのモードを有するモード多重伝送路を対象としたが、3以上のモード多重伝送路でもよく、式の数が増えるだけで、同様の手法でモード結合状態を把握することができる。

0088

本実施形態の伝搬特性解析装置では、非特許文献1とは異なり、誘導ブリルアン散乱によって周波数軸上でモード間の現象を分解できるため、被解析光ファイバのフレネル反射光などの影響を受けず、これを除去するための特別な手段が不要である。この点は非特許文献2と共通の利点を有する。

0089

さらに、非特許文献3において誤差となるC(z1)について、プローブ光と2次プローブ光により減少できるため、高精度な伝搬特性の測定が可能である。

0090

また、複数のモードを多重するモード多重光ファイバ伝送路において、モード変換点におけるモード結合比率を、被解析光ファイバのモード毎の誘導ブリルアン散乱スペクトルが重なっている場合でも、また光伝搬方向依存性に影響されることなく正確に把握することが可能となる。

0091

11レーザ光発生手段
12モード選択手段
13 第1の光周波数制御手段
14 第2の光周波数制御手段
15 第1の光パルス化手段
16 第2の光パルス化手段
17 モード選択・合波手段
18光フィルタ
19光受信手段
21数値化処理手段
22数値演算手段
F 被解析光ファイバ

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