JP2017110953A - 伝搬モード間群遅延差測定方法及び伝搬モード間群遅延差測定システム - Google Patents
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Abstract
【課題】光ファイバ中のDMDを非破壊で長手方向に沿って分布的に測定でき、かつ高DMD分解能であり、短尺なファイバであっても評価できる伝搬モード間群遅延差測定方法及び伝搬モード間群遅延差測定システムを提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る伝搬モード間群遅延差測定方法は、光反射測定を用いて伝搬モードの互いに異なる複数の後方レイリー散乱光波形を測定し、該後方レイリー散乱光波形について、光ファイバの所望区間の波形同士の相互相関あるいは合波波形の自己相関を解析することにより、当該区間における伝搬モード間群遅延差を測定する。【選択図】図1
Description
本発明は、マルチモード光ファイバを伝搬する光の伝搬モード間の遅延時間差を測定する伝搬モード間群遅延差測定方法及び伝搬モード間群遅延差測定システムに関する。
近年のインターネットトラフィックの増大に対応する技術として、マルチモード光ファイバを用いたモード多重伝送技術が提案されている。しかしながらモード多重伝送では、光ファイバ中の伝搬モード間群遅延差(DMD)が大きい場合、受信端で信号復元に必要な処理が増大してしまうことが課題となっている。そこで非特許文献1のようなDMD低減に向けた新規構造光ファイバの検討がなされており、その特性評価のためにはDMDを正確に測定する方法が求められる。
DMDを測定する方法として、例えば非特許文献1で用いられているインパルス応答による方法がある。この方法では、被測定ファイバに短パルス光を入射し、伝搬後のパルス光波形を観測する。被測定ファイバに入射されたパルス光は、伝搬モード間の伝搬速度の違いから、伝搬するにしたがって各伝搬モードのパルス光に***し、受信側では遅延時間差を持つ複数のパルス光が観測される。観測されるパルス光同士の遅延時間差から、DMDが測定される。
T. Sakamoto et al.,"Differential mode delay managed transmission line for WDM−MIMO system using multi−step index fiber", J. Lightw. Technol., Vol. 30, No. 17, pp. 2783−2787, 2012.
D. Gifford et al.,"Swept−wavelength interferometric interrogation of fiber Rayleigh scatter for distributed sensing applications", Proc. SPIE, Vol. 6770, 67700F, 2007.
Y. Koshikiya et al.,"Fading−noise suppressed cm−level resolution reflectometry over 10−km range with phase noise and chromatic dispersion compensation", ECOC 2010, Tu.3.F.2, 2010.
DMDは歪等の外乱や構造上の揺らぎ等で、ファイバ中で局所的に変化することが予想されるが、インパルス応答を用いる方法では、ファイバの長手方向に対するDMD分布を非破壊で測定することができない。また、インパルス応答を用いる方法ではDMD分解能は入射するパルス光の時間幅で決まるが、パルス幅を小さくするにしたがってスペクトル幅が広がり、波長分散の影響で結果的にパルス幅が広がってしまうため、実現できる分解能に限界がある。さらに、受信端までの間に分解能以上の遅延時間差が生じなければならないため、被測定ファイバは十分な長さを有することが要求され、DMDの小さなファイバほど長尺でなければならない。
本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバ中のDMDを非破壊で長手方向に沿って分布的に測定でき、かつ高DMD分解能であり、短尺なファイバであっても評価できる伝搬モード間群遅延差測定方法及び伝搬モード間群遅延差測定システムを提供することにある。
本発明は、光反射測定で観測される光ファイバ中の後方レイリー散乱光波形を解析することで、上記課題を解決する。光反射測定法は時間領域測定法や周波数領域測定法等、様々な方法があるが、いずれも試験光入射方向の後方にレイリー散乱される光の振幅を光ファイバの長手方向に沿って分布的に測定する方法である。光反射測定で観測される後方レイリー散乱光波形は、散乱光同士の干渉により、ランダムな振幅揺らぎを持つ波形で観測されることが知られている。マルチモード光ファイバの場合、伝搬モードによって伝搬速度が異なるため、散乱光同士の干渉結果は伝搬モードによって異なる。本発明ではこれを利用し、複数の伝搬モードの後方散乱光波形を解析することで、DMDを光ファイバの長手方向に沿って分布的に測定する。
具体的には、本発明に係る第1の伝搬モード間群遅延差測定方法は、
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を距離の関数としてモード毎に測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定された距離の関数を用いて任意区間のレイリー散乱光の光周波数スペクトルをモード毎に解析する散乱スペクトル解析手順と、
前記散乱スペクトル解析手順で解析した所望のモードのレイリー散乱光の光周波数スペクトルを比較し、相関係数が最大となる光周波数差Δνを取得し、数C1に代入して前記光ファイバ内の任意位置における伝搬モード間群遅延差を計算する演算手順と、
を備える。
ただし、c:光速、ν:試験光周波数、n1,ab:一方のモードの前記任意位置における実効屈折率、Δτab:前記任意位置における伝搬モード間群遅延差である。
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を距離の関数としてモード毎に測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定された距離の関数を用いて任意区間のレイリー散乱光の光周波数スペクトルをモード毎に解析する散乱スペクトル解析手順と、
前記散乱スペクトル解析手順で解析した所望のモードのレイリー散乱光の光周波数スペクトルを比較し、相関係数が最大となる光周波数差Δνを取得し、数C1に代入して前記光ファイバ内の任意位置における伝搬モード間群遅延差を計算する演算手順と、
を備える。
本発明に係る第2の伝搬モード間群遅延差測定方法は、
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を距離の関数として複数のモードを重ねて測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定された距離の関数を用いて任意区間のレイリー散乱光の光周波数スペクトルを複数モードが重なった状態で解析する散乱スペクトル解析手順と、
前記散乱スペクトル解析手段で解析した複数モードが重なったレイリー散乱光の光周波数スペクトルについて自己相関を計算し、相関係数の最大値の両側に発生するサイドピークの光周波数Δνを取得し、数C1に代入して前記光ファイバ内の任意位置における伝搬モード間群遅延差を計算する演算手順と、
を備える。
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を距離の関数として複数のモードを重ねて測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定された距離の関数を用いて任意区間のレイリー散乱光の光周波数スペクトルを複数モードが重なった状態で解析する散乱スペクトル解析手順と、
前記散乱スペクトル解析手段で解析した複数モードが重なったレイリー散乱光の光周波数スペクトルについて自己相関を計算し、相関係数の最大値の両側に発生するサイドピークの光周波数Δνを取得し、数C1に代入して前記光ファイバ内の任意位置における伝搬モード間群遅延差を計算する演算手順と、
を備える。
本発明に係る第3の伝搬モード間群遅延差測定方法は、
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を散乱されて戻ってくるまでの遅延時間の関数としてモード毎に測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定した所望のモードのレイリー散乱光の遅延時間に対する振幅波形を比較し、相関係数が最大となる遅延差τDMD(Z)を取得し、τDMD(Z)を前記光ファイバ内の任意位置Zまでの伝搬モード間群遅延差とする演算手順と、
を備える。
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を散乱されて戻ってくるまでの遅延時間の関数としてモード毎に測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定した所望のモードのレイリー散乱光の遅延時間に対する振幅波形を比較し、相関係数が最大となる遅延差τDMD(Z)を取得し、τDMD(Z)を前記光ファイバ内の任意位置Zまでの伝搬モード間群遅延差とする演算手順と、
を備える。
本発明に係る第4の伝搬モード間群遅延差測定方法は、
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を散乱されて戻ってくるまでの遅延時間の関数として複数のモードを重ねて測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定した複数のモードが重なったレイリー散乱光の遅延時間に対する振幅波形について自己相関を計算し、相関係数の最大値の両側に発生するサイドピークの遅延差τDMD(Z)を取得し、τDMD(Z)を前記光ファイバ内の任意位置Zまでの伝搬モード間群遅延差とする演算手順と、
を備える。
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を散乱されて戻ってくるまでの遅延時間の関数として複数のモードを重ねて測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定した複数のモードが重なったレイリー散乱光の遅延時間に対する振幅波形について自己相関を計算し、相関係数の最大値の両側に発生するサイドピークの遅延差τDMD(Z)を取得し、τDMD(Z)を前記光ファイバ内の任意位置Zまでの伝搬モード間群遅延差とする演算手順と、
を備える。
本発明に係る第1の伝搬モード間群遅延差測定システムは、第1又は第3の伝搬モード間群遅延差測定方法を行う伝搬モード間群遅延差測定システムであって、
光周波数を掃引した連続光又は中心光周波数を変えた複数の光パルスである試験光を光ファイバに入射する光源と、
前記光ファイバに入射した前記試験光が前記光ファイバ内でレイリー散乱されたレイリー散乱光をモード毎に分波するモード合分波器と、
前記光源からの前記試験光をローカル光として前記モード合分波器が分波したモード毎のレイリー散乱光と合波する合波器と、
前記合波器による合波で発生するビート信号を受光して電気信号へ変換する受光器と、
前記受光器が変換した電気信号を用いて前記散乱光振幅分布波形測定手順、前記散乱スペクトル解析手順、及び前記演算手順を行う演算処理装置と、
を備える。
光周波数を掃引した連続光又は中心光周波数を変えた複数の光パルスである試験光を光ファイバに入射する光源と、
前記光ファイバに入射した前記試験光が前記光ファイバ内でレイリー散乱されたレイリー散乱光をモード毎に分波するモード合分波器と、
前記光源からの前記試験光をローカル光として前記モード合分波器が分波したモード毎のレイリー散乱光と合波する合波器と、
前記合波器による合波で発生するビート信号を受光して電気信号へ変換する受光器と、
前記受光器が変換した電気信号を用いて前記散乱光振幅分布波形測定手順、前記散乱スペクトル解析手順、及び前記演算手順を行う演算処理装置と、
を備える。
本発明に係る第2の伝搬モード間群遅延差測定システムは、第2又は第4の伝搬モード間群遅延差測定方法を行う伝搬モード間群遅延差測定システムであって、
光周波数を掃引した連続光又は中心光周波数を変えた複数の光パルスである試験光を光ファイバに入射する光源と、
前記光ファイバに入射した前記試験光が前記光ファイバ内でレイリー散乱されたレイリー散乱光をモード毎に分波するモード合分波器と、
前記モード合分波器が分波した所望のモードのレイリー散乱光を合波してレイリー散乱合波光を出力する第1合波器と、
前記光源からの前記試験光をローカル光として前記第1合波器が合波したレイリー散乱合波光と合波する第2合波器と、
前記第2合波器による合波で発生するビート信号を受光して電気信号へ変換する受光器と、
前記受光器が変換した電気信号を用いて前記散乱光振幅分布波形測定手順、前記散乱スペクトル解析手順、及び前記演算手順を行う演算処理装置と、
を備える。
光周波数を掃引した連続光又は中心光周波数を変えた複数の光パルスである試験光を光ファイバに入射する光源と、
前記光ファイバに入射した前記試験光が前記光ファイバ内でレイリー散乱されたレイリー散乱光をモード毎に分波するモード合分波器と、
前記モード合分波器が分波した所望のモードのレイリー散乱光を合波してレイリー散乱合波光を出力する第1合波器と、
前記光源からの前記試験光をローカル光として前記第1合波器が合波したレイリー散乱合波光と合波する第2合波器と、
前記第2合波器による合波で発生するビート信号を受光して電気信号へ変換する受光器と、
前記受光器が変換した電気信号を用いて前記散乱光振幅分布波形測定手順、前記散乱スペクトル解析手順、及び前記演算手順を行う演算処理装置と、
を備える。
本発明は、光反射測定を用いて伝搬モードの互いに異なる複数の後方レイリー散乱光波形を測定し、該後方レイリー散乱光波形について、光ファイバの所望区間の波形同士の相互相関あるいは合波波形の自己相関を解析することにより、当該区間における伝搬モード間群遅延差を測定する。本発明は、後方レイリー散乱光の戻り時間を使って光ファイバ中のDMDを非破壊で長手方向に沿って分布的に測定でき、短尺なファイバであっても評価できる。さらに、DMDの分解能は散乱スペクトルの周波数分解能又は遅延時間分解能に従うので測定器の精度に比例して向上させることができる。
本発明によれば、光ファイバの長手方向に対するDMD分布を非破壊で測定することで、光通信用伝送路等の敷設済みのファイバに対してもDMDを評価することができる。伝送路に対してDMD分布を測定することができれば、歪等の外部環境変化やファイバの接続点における局所的なDMD変化を検知することで、伝送路の予防保全等の副次的な効果も期待できる。
また、本発明は散乱光の位相差から生じる現象を利用した方法であるため、従来のインパルス応答のように光強度から遅延差を検出する方法に比べて高分解能でDMDを測定できる。これにより、従来の方法に比べて短いファイバであっても評価を行うことができる。
本発明は、光ファイバ中のDMDを非破壊で長手方向に沿って分布的に測定でき、かつ高DMD分解能であり、短尺なファイバであっても評価できる伝搬モード間群遅延差測定方法及び伝搬モード間群遅延差測定システムを提供することができる。
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。
(実施形態1)
[相互相関方式]
本実施形態の第1の伝搬モード間群遅延差測定方法は、
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を距離の関数としてモード毎に測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定された距離の関数を用いて任意区間のレイリー散乱光の光周波数スペクトルをモード毎に解析する散乱スペクトル解析手順と、
前記散乱スペクトル解析手順で解析した所望のモードのレイリー散乱光の光周波数スペクトルを比較し、相関係数が最大となる光周波数差Δνを取得し、数9に代入して前記光ファイバ内の任意位置における伝搬モード間群遅延差を計算する演算手順と、
を備える。
[相互相関方式]
本実施形態の第1の伝搬モード間群遅延差測定方法は、
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を距離の関数としてモード毎に測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定された距離の関数を用いて任意区間のレイリー散乱光の光周波数スペクトルをモード毎に解析する散乱スペクトル解析手順と、
前記散乱スペクトル解析手順で解析した所望のモードのレイリー散乱光の光周波数スペクトルを比較し、相関係数が最大となる光周波数差Δνを取得し、数9に代入して前記光ファイバ内の任意位置における伝搬モード間群遅延差を計算する演算手順と、
を備える。
本発明の第1の実施形態では、光ファイバの任意区間における後方レイリー散乱光を、光周波数の関数として測定した波形を用いる。以下、この光周波数の関数を散乱スペクトルと呼ぶ。伝搬モードの異なる散乱スペクトルを比較すると、散乱スペクトルはDMDの大きさに応じて波形が互いに光周波数方向にシフトした形になるため、本実施形態ではこの波形シフト量からDMDを求める。ここでは一例として光反射測定にコヒーレント光周波数領域反射測定法(C−OFDR)を用いて散乱スペクトルを測定した場合について述べる。
図1は、本実施形態のDMD測定装置301の一例を示すブロック図である。DMD測定装置301は、第1の伝搬モード間群遅延差測定方法を行う伝搬モード間群遅延差測定システムであって、
光周波数を掃引した連続光を光ファイバ100に入射する光源11と、
光ファイバ100に入射した連続光が光ファイバ100内でレイリー散乱されたレイリー散乱光をモード毎に分波するモード合分波器14と、
光源11からの連続光をローカル光としてモード合分波器14が分波したモード毎のレイリー散乱光と合波する合波器(15−1、15−2)と、
前記合波器による合波で発生するビート信号を受光して電気信号へ変換する受光器(16−1、16−2)と、
前記受光器が変換した電気信号を用いて前記散乱光振幅分布測定手順、前記散乱スペクトル解析手順、前記演算手順を行う演算処理装置18と、
を備える。
符号13はサーキュレータである。
光周波数を掃引した連続光を光ファイバ100に入射する光源11と、
光ファイバ100に入射した連続光が光ファイバ100内でレイリー散乱されたレイリー散乱光をモード毎に分波するモード合分波器14と、
光源11からの連続光をローカル光としてモード合分波器14が分波したモード毎のレイリー散乱光と合波する合波器(15−1、15−2)と、
前記合波器による合波で発生するビート信号を受光して電気信号へ変換する受光器(16−1、16−2)と、
前記受光器が変換した電気信号を用いて前記散乱光振幅分布測定手順、前記散乱スペクトル解析手順、前記演算手順を行う演算処理装置18と、
を備える。
符号13はサーキュレータである。
周波数掃引光源11からは光周波数が時間に対して線形に掃引された連続光が出力され、出力光は分岐素子12で((測定する伝搬モード数)+1)分岐される。分岐された光のうち一つは試験光としてモード合分波器14に入射され、その他は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られる。モード合分波器14に入射された試験光は、被測定ファイバ100に単一モードで入射される。被測定ファイバ100に入射された光は、ファイバ中でレイリー散乱され、レイリー散乱光は被測定ファイバ中を伝搬し得る全ての伝搬モードで伝搬する。レイリー散乱光のうち、試験光の入射方向の後方に伝搬する散乱光はモード合分波器14で分波され、各モードの後方散乱光はそれぞれモード合分波器14の異なるポートから出力される。各モードの後方散乱光はそれぞれローカル光と合波され、合波によるビート信号は受光器(16−1、16−2)で電気信号に変換される。電気信号に変換された各モードの信号はA/D変換器17でデジタル信号に変換され、演算処理装置18に送られる。演算処理装置18では、非特許文献2に記載の信号処理によって、光ファイバの任意区間における散乱スペクトルが算出される。さらに、演算処理装置18は、算出される散乱スペクトルを異なる伝搬モード間で比較し、モード間の波形シフト量から、光ファイバの任意区間におけるDMDを解析する。
なお、演算処理装置18が行う非特許文献2に記載の信号処理を図9を用いて簡単に説明する。試験光は時間的に光周波数が掃引されているので、受信するビート信号は図9(a)のように光周波数(時間)に対する振幅(強度)の波形である。この波形に対してフーリエ変換を行い、距離(光ファイバ内での反射位置)を示すビート周波数に対する強度の波形に変換する(図9(b))。そして、図9(b)の波形から所望の光ファイバ位置の波形を切り出す(図9(c))。切り出した波形に対して逆フーリエ変換を行い、所望の光ファイバ位置におけるスペクトル(散乱スペクトル)を得る。
以下、数式と図面を用いながら本実施形態によるDMD測定原理について説明する。なお、ここでは入射光の伝搬モードをモード1とし、散乱スペクトルはモード1とモード2の2モードを測定した場合について述べる。
ファイバの長手方向に一次元的に散乱体が並んだモデルを仮定し、観測される散乱光を各散乱体による散乱光の足し合せで表すと、距離区間za<z<zbにおける伝搬モードxの散乱スペクトルσx(ν)は次式のように記述される。
ここでakは入射端から数えてk番目の散乱体による散乱光の振幅、τx,kはk番目の散乱体で散乱されて戻ってくるまでの遅延時間、νは試験光の周波数である。ここでτx,kは伝搬モードによって異なり、τ1,kはモード1で光が往復する伝搬時間、τ2,kは往路モード1、復路モード2で伝搬する時間である。
モード1の実効屈折率と、モード1に対するモード2の単位距離あたりのDMDをそれぞれ距離の関数n1(z)、Δτ(z)とすると、τ1,kおよびτ2,kはそれぞれ次式のように与えられる。
ここでzkはk番目の散乱体の位置、cは真空中の光速である。式(2)、(3)より、モード1とモード2の散乱スペクトルσ1(ν)、σ2(ν)はそれぞれ次式のように表される。
ここで、区間za<z<zbの範囲でn1(z)およびΔτ(z)が一定であるとし、n1(za)=n1(zb)=n1,ab、Δτ(za)=Δτ(zb)=Δτabとすると、σ1(ν)、σ2(ν)は次式のように記述される。
ここでθab(ν)、Δνはそれぞれ
とおいた。式(9)に示されるように,Δνはνの値に依存するため,厳密には散乱スペクトルの範囲内でΔνは固定値ではないが、一般にC−OFDRに用いられる試験光の中心周波数がν=200THz程度なのに対し、散乱スペクトルの光周波数レンジは数GHz〜数THz程度と小さいため,本実施形態ではΔνは固定値とみなせる。
式(7)より、モード1とモード2の散乱スペクトルの絶対値は次式の関係で表される。
式(7)より、モード1とモード2の散乱スペクトルの絶対値は次式の関係で表される。
図2に、モード1とモード2の散乱スペクトルの概念図を示す。式(10)に示されるように、モード2の散乱スペクトルの絶対値は、モード1の散乱スペクトルの絶対値を光周波数軸方向にΔνだけシフトさせた波形になる。このとき、シフト量Δνから、式(9)を用いて区間za<z<zbにおける単位距離あたりのDMDΔτabを求めることができる。例えば、c=3×108m/s、ν=193THz、n1,ab=1.46の場合、散乱スペクトルはΔτab=1ps/mで19.8GHzシフトする。シフト量Δνは、|σ1(ν)|と|σ2(ν)|の相互相関を計算して求められ、相互相関係数は以下のようになる。
式(11)の計算において、散乱スペクトルはファイバ固有の屈折率揺らぎ分布を起因とする不規則な振幅揺らぎを持つ波形であることから、次式の関係を用いた。
図3に、モード1とモード2の相互相関の計算結果の概念図を示す。式(11)によりモード1とモード2の散乱スペクトルの相互相関を計算し、相関係数がピークとなるν’の値からΔνが求められる。以上の解析を、光ファイバの任意の区間について実施した結果の概念図を図4に示す。図4の結果において、ファイバの各区間のΔνについて、式(9)に示されるΔνとDMDの対応関係を用いてDMDに換算することで、DMDをファイバの長手方向に沿って分布的に求めることができる。
[自己相関方式]
本実施形態の第2の伝搬モード間群遅延差測定方法は、
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を距離の関数として複数のモードを重ねて測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定された距離の関数を用いて任意区間のレイリー散乱光の光周波数スペクトルを複数モードが重なった状態で解析する散乱スペクトル解析手順と、
前記散乱スペクトル解析手順で解析した複数のモードが重なった散乱スペクトルについて自己相関を計算し、相関係数の最大値の両側に発生するサイドピークの光周波数Δνを取得し、数9に代入して前記光ファイバ内の任意位置における伝搬モード間群遅延差を計算する演算手順と、
を備える。
本実施形態の第2の伝搬モード間群遅延差測定方法は、
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を距離の関数として複数のモードを重ねて測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定された距離の関数を用いて任意区間のレイリー散乱光の光周波数スペクトルを複数モードが重なった状態で解析する散乱スペクトル解析手順と、
前記散乱スペクトル解析手順で解析した複数のモードが重なった散乱スペクトルについて自己相関を計算し、相関係数の最大値の両側に発生するサイドピークの光周波数Δνを取得し、数9に代入して前記光ファイバ内の任意位置における伝搬モード間群遅延差を計算する演算手順と、
を備える。
本実施形態は複数の伝搬モードの散乱スペクトルを重ね合わせて測定し、測定される散乱スペクトルの自己相関からΔνを求める。
図5は、本実施形態のDMD測定装置302の一例を示すブロック図である。DMD測定装置302は、第2の伝搬モード間群遅延差測定方法を行う伝搬モード間群遅延差測定システムであって、
光周波数を掃引した連続光を光ファイバ100に入射する光源11と、
光ファイバ100に入射した連続光が光ファイバ100内でレイリー散乱されたレイリー散乱光をモード毎に分波するモード合分波器14と、
モード合分波器14が分波した所望のモードのレイリー散乱光を合波してレイリー散乱合波光を出力する第1合波器31と、
光源11からの連続光をローカル光として第1合波器31が合波したレイリー散乱合波光と合波する第2合波器32と、
第2合波器32による合波で発生するビート信号を受光して電気信号へ変換する受光器16と、受光器16が変換した電気信号を用いて前記散乱光振幅分布波形測定手順、前記散乱スペクトル解析手順、前記演算手順を行う演算処理装置18と、
を備える。
光周波数を掃引した連続光を光ファイバ100に入射する光源11と、
光ファイバ100に入射した連続光が光ファイバ100内でレイリー散乱されたレイリー散乱光をモード毎に分波するモード合分波器14と、
モード合分波器14が分波した所望のモードのレイリー散乱光を合波してレイリー散乱合波光を出力する第1合波器31と、
光源11からの連続光をローカル光として第1合波器31が合波したレイリー散乱合波光と合波する第2合波器32と、
第2合波器32による合波で発生するビート信号を受光して電気信号へ変換する受光器16と、受光器16が変換した電気信号を用いて前記散乱光振幅分布波形測定手順、前記散乱スペクトル解析手順、前記演算手順を行う演算処理装置18と、
を備える。
DMD測定装置302では、モード1の散乱光、モード2の散乱光、ローカル光の3つが合波され、合波によるビート信号が検出される。検出されたビート信号を用いて演算処理装置18で算出される散乱スペクトルは、モード1とモード2の散乱スペクトルの重ね合わせσ1(ν)+σ2(ν)となり、|σ1(ν)+σ2(ν)|の自己相関係数の絶対値は以下のようになる。
図6に、|σ1(ν)+σ2(ν)|の自己相関の計算結果の概念図を示す。自己相関の結果、ν’=0の両側に生じるサイドピークの位置からΔνが求められる。以上の解析を光ファイバの任意の区間について実施し、式(9)に示されるΔνとDMDの対応関係を用いてDMDに換算することで、DMDをファイバの長手方向に沿って分布的に求めることができる。なお、本実施形態の自己相関は、所定時間後に再度測定した波形との比較ではなく、1回の測定で取得した波形での比較である。本実施形態で取得される波形は複数のモードが重畳しており、同じ波形同士の相関であってもサイドピークが立つ。
[測定分解能]
以下に、本実施形態における測定分解能と測定条件について説明する。本実施形態におけるDMD分解能は、散乱スペクトルの周波数分解能で決まる。C−OFDRの場合、散乱スペクトルの周波数分解能Δνは、対象とする距離区間の長さΔZとトレードオフの関係にあることが知られており、その関係は次式で与えられる。
ここでnはファイバの実効屈折率である。実効屈折率は伝搬モードによって異なるが、モード間の実効屈折率差は多くの場合10−3程度のオーダと小さいため、周波数分解能は各モードでほぼ等しいとみなせる。
以下に、本実施形態における測定分解能と測定条件について説明する。本実施形態におけるDMD分解能は、散乱スペクトルの周波数分解能で決まる。C−OFDRの場合、散乱スペクトルの周波数分解能Δνは、対象とする距離区間の長さΔZとトレードオフの関係にあることが知られており、その関係は次式で与えられる。
ν=193THzの場合、ΔZ=10mでΔτ=0.52fs/m、ΔZ=1mでΔτ=5.2fs/mとなる。ΔZは、DMDをファイバ長手方向の分布で測定する際の空間分解能を意味するのと同時に、評価するのに必要とされるファイバ長を意味する。従来のインパルス応答を用いる方法ではDMD分解能は数ps〜数10ps程度であり、分解能以上の遅延差を与えるのに必要なファイバ長が数10〜数100m以上であるのと比較すると、本発明は従来よりも高DMD分解能で、かつ短いファイバでも測定できる。
なお、本実施形態では一例としてC−OFDRを用いて散乱スペクトルを取得した。散乱スペクトルの測定手段は光時間領域反射測定法(OTDR)等の他の手段であってもよい。OTDRを用いる場合、試験光にはパルス幅に対して十分長いコヒーレンス時間を有するパルス光が用いられ、観測される散乱光信号の時間が光ファイバの距離に対応し、試験光の中心周波数を変えて複数回測定を行うことにより、散乱スペクトルが測定される。OTDRの場合における分解能は、空間分解能は試験光のパルス幅で決まり、DMD分解能は試験光のスペクトル幅で決まる。試験光のパルス幅はスペクトル幅に反比例するため、OTDRを用いた場合も空間分解能とDMD分解能はトレードオフの関係にある。
(第2の実施形態)
[相互相関方式]
本実施形態の第3の伝搬モード間群遅延差測定方法は、
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を散乱されて戻ってくるまでの遅延時間の関数としてモード毎に測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定した所望のモードのレイリー散乱光の遅延時間に対する振幅波形を比較し、相関係数が最大となる遅延差τDMD(Z)を取得し、τDMD(Z)を前記光ファイバ内の任意位置Zまでの伝搬モード間群遅延差とする演算手順と、
を備える。
[相互相関方式]
本実施形態の第3の伝搬モード間群遅延差測定方法は、
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を散乱されて戻ってくるまでの遅延時間の関数としてモード毎に測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定した所望のモードのレイリー散乱光の遅延時間に対する振幅波形を比較し、相関係数が最大となる遅延差τDMD(Z)を取得し、τDMD(Z)を前記光ファイバ内の任意位置Zまでの伝搬モード間群遅延差とする演算手順と、
を備える。
本発明の第2の実施形態は、散乱されて戻ってくるまでの遅延時間の関数として測定した後方レイリー散乱光波形を用いる。以下、この遅延時間の関数を散乱光振幅分布波形と呼ぶ。伝搬モードの異なる散乱光振幅分布波形を比較すると、散乱光振幅分布波形はDMDの大きさに応じて波形が互いに時間方向にシフトした形になるため、本実施形態ではこの波形シフト量からDMDを求める。ここでは一例としてC−OFDRを用いて散乱光振幅分布波形を測定した場合について述べる。なお、ここでは入射光の伝搬モードをモード1とし、散乱光振幅分布波形はモード1とモード2の2モードを測定した場合について述べる。
本実施形態の相互相関方式では、図1のDMD測定装置301を用いる。本実施形態では、DMD測定装置301の演算処理装置18で行われる信号処理が実施形態1の信号処理と異なる。
演算処理装置18は、ビート信号をフーリエ変換することで、遅延時間の関数である散乱光振幅分布波形が複素数の形で算出する。散乱されて戻ってくるまでの遅延時間τは、散乱される地点zに対して次式の対応関係にある。
ここでn(z)はファイバの距離に対する実効屈折率分布を表す。
n(z)の値は伝搬モードによって異なるため、距離z地点の散乱光の遅延時間はモードによって異なる(DMDが生じる)。その結果、それぞれのモードの散乱光振幅分布波形のうち距離z地点に対応する波形は、距離zまでに生じるDMDの分だけ互いにτがシフトした波形になり、モード1とモード2の散乱光振幅分布波形をそれぞれ遅延時間の関数p1(τ)、p2(τ)とすると、p1(τ)とp2(τ)は次式の関係にある。
ここでτDMD(z)は、モード1に対するモード2の距離z地点までのDMDである。
したがって、モード1に対するモード2の散乱光振幅分布波形のシフト量から、距離z地点までのDMDを求めることができる。波形シフト量は任意のτ区間のp1(τ)とp2(τ)の相互相関を計算して求められ、相関係数は次式のようになる。
ここで*は複素共役を表す。積分は、DMD解析の対象とする任意のτ区間の範囲で計算される。
したがって式(17)によりモード1とモード2の散乱光振幅波形の相互相関を計算し、相関係数がピークとなるτ’の値から距離z地点までのDMDが求められる。以上の解析を各τ区間について実施した結果の概念図を図7に示す。遅延時間τは距離に対応するため、各τ区間について上記の解析を行うことで、ファイバの長手方向に沿って分布的にDMDを解析できる。
[自己相関方式]
本実施形態の第4の伝搬モード間群遅延差測定方法は、
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を散乱されて戻ってくるまでの遅延時間の関数として複数のモードを重ねて測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定した複数のモードが重なったレイリー散乱光の遅延時間に対する振幅波形について自己相関を計算し、相関係数の最大値の両側に発生するサイドピークの遅延差τDMD(Z)を取得し、τDMD(Z)を前記光ファイバ内の任意位置Zまでの伝搬モード間群遅延差とする演算手順と、
を備える。
本実施形態の第4の伝搬モード間群遅延差測定方法は、
光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を散乱されて戻ってくるまでの遅延時間の関数として複数のモードを重ねて測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定した複数のモードが重なったレイリー散乱光の遅延時間に対する振幅波形について自己相関を計算し、相関係数の最大値の両側に発生するサイドピークの遅延差τDMD(Z)を取得し、τDMD(Z)を前記光ファイバ内の任意位置Zまでの伝搬モード間群遅延差とする演算手順と、
を備える。
本実施形態は複数の伝搬モードの散乱光振幅分布波形を重ね合わせて測定し、測定される散乱光振幅分布波形の自己相関からτDMDを求める。この場合のDMD測定装置は、図5に示すDMD測定装置302である。
図8に、p1(τ)+p2(τ)の自己相関の計算結果の概念図を示す。自己相関の結果、τ’=0の両側に生じるサイドピークの位置からτDMD(z)が求められる。以上の解析を光ファイバの任意の区間について実施することで、DMDをファイバの長手方向に沿って分布的に求めることができる。
[測定分解能]
以下に、本実施形態における測定分解能と測定条件について説明する。本実施形態におけるDMD分解能は、散乱光振幅波形の遅延時間分解能で決まり、C−OFDRでは遅延時間分解能は試験光の周波数掃引幅に反比例するため、DMD分解能Δτと周波数掃引幅ΔFは次式の関係にある。
以下に、本実施形態における測定分解能と測定条件について説明する。本実施形態におけるDMD分解能は、散乱光振幅波形の遅延時間分解能で決まり、C−OFDRでは遅延時間分解能は試験光の周波数掃引幅に反比例するため、DMD分解能Δτと周波数掃引幅ΔFは次式の関係にある。
例えば、ΔF=1GHzでΔτ=1ns、ΔF=1THzでΔτ=1psとなる。また、散乱光振幅波形の遅延時間分解能が高いと、相互相関に用いるτ区間の長さを小さくとることができ、より高い空間分解能でDMD分布を測定できる。つまり、本実施形態においては、試験光の周波数掃引幅を拡大するほど、高DMD分解能、高空間分解能で測定できる。周波数掃引幅を拡大するにしたがって、波長分散の影響でDMD分解能が低下することが懸念されるが、C−OFDRでは、波長分散の影響は非特許文献3に示されるような技術を用いることにより補償が可能である。したがって本実施形態により、従来のインパルス応答に比べて高いDMD分解能を実現でき、その結果、短いファイバであってもDMD評価を行うことができる。
なお、本実施形態では一例としてC−OFDRを用いて散乱光振幅分布波形を取得した。散乱光振幅分布波形の測定手段はOTDR等の他の手段であってもよい。OTDRを用いる場合、試験光にはパルス幅に対して十分長いコヒーレンス時間を有するパルス光が用いられ、観測される散乱光信号の時間が光ファイバの距離に対応し、試験光の中心周波数を変えて複数回測定を行うことにより、散乱光振幅分布波形が測定される。OTDRの場合、インパルス応答と同様、波長分散の影響による分解能の限界があるが、ファイバの長手方向に沿って分布的にDMDを評価できる点で従来技術に対して優位性がある。
11:光源
12:分岐素子
13:サーキュレータ
14:モード合分波器
15−1、15−2:合波器
16、16−1、16−2:受光器
17:A/D変換器
18:演算処理装置
31:第1合波器
32:第2合波器
100:光ファイバ
301、302:伝搬モード間群遅延差測定システム
12:分岐素子
13:サーキュレータ
14:モード合分波器
15−1、15−2:合波器
16、16−1、16−2:受光器
17:A/D変換器
18:演算処理装置
31:第1合波器
32:第2合波器
100:光ファイバ
301、302:伝搬モード間群遅延差測定システム
Claims (6)
- 光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を距離の関数としてモード毎に測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定された距離の関数を用いて任意区間のレイリー散乱光の光周波数スペクトルをモード毎に解析する散乱スペクトル解析手順と、
前記散乱スペクトル解析手順で解析した所望のモードのレイリー散乱光の光周波数スペクトルを比較し、相関係数が最大となる光周波数差Δνを取得し、数C1に代入して前記光ファイバ内の任意位置における伝搬モード間群遅延差を計算する演算手順と、
を備える伝搬モード間群遅延差測定方法。
- 光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を距離の関数として複数のモードを重ねて測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定された距離の関数を用いて任意区間のレイリー散乱光の光周波数スペクトルを複数モードが重なった状態で解析する散乱スペクトル解析手順と、
前記散乱スペクトル解析手順で解析した複数のモードが重なったレイリー散乱光の光周波数スペクトルについて自己相関を計算し、相関係数の最大値の両側に発生するサイドピークの光周波数Δνを取得し、数C1に代入して前記光ファイバ内の任意位置における伝搬モード間群遅延差を計算する演算手順と、
を備える伝搬モード間群遅延差測定方法。
- 光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を散乱されて戻ってくるまでの遅延時間の関数としてモード毎に測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定した所望のモードのレイリー散乱光の遅延時間に対する振幅波形を比較し、相関係数が最大となる遅延差τDMD(Z)を取得し、τDMD(Z)を前記光ファイバ内の任意位置Zまでの伝搬モード間群遅延差とする演算手順と、
を備える伝搬モード間群遅延差測定方法。 - 光反射測定を用いて光ファイバ中のレイリー散乱光振幅を散乱されて戻ってくるまでの遅延時間の関数として複数のモードを重ねて測定する散乱光振幅分布波形測定手順と、
前記散乱光振幅分布波形測定手順で測定した複数のモードが重なったレイリー散乱光の遅延時間に対する振幅波形について自己相関を計算し、相関係数の最大値の両側に発生するサイドピークの遅延差τDMD(Z)を取得し、τDMD(Z)を前記光ファイバ内の任意位置Zまでの伝搬モード間群遅延差とする演算手順と、
を備える伝搬モード間群遅延差測定方法。 - 請求項1又は3に記載の伝搬モード間群遅延差測定方法を行う伝搬モード間群遅延差測定システムであって、
光周波数を掃引した連続光又は中心光周波数を変えた複数の光パルスである試験光を光ファイバに入射する光源と、
前記光ファイバに入射した前記試験光が前記光ファイバ内でレイリー散乱されたレイリー散乱光をモード毎に分波するモード合分波器と、
前記光源からの前記試験光をローカル光として前記モード合分波器が分波したモード毎のレイリー散乱光と合波する合波器と、
前記合波器による合波で発生するビート信号を受光して電気信号へ変換する受光器と、
前記受光器が変換した電気信号を用いて前記散乱光振幅分布測定手順、前記散乱スペクトル解析手順、及び前記演算手順を行う演算処理装置と、
を備える伝搬モード間群遅延差測定システム。 - 請求項2又は4に記載の伝搬モード間群遅延差測定方法を行う伝搬モード間群遅延差測定システムであって、
光周波数を掃引した連続光又は中心光周波数を変えた複数の光パルスである試験光を光ファイバに入射する光源と、
前記光ファイバに入射した前記試験光が前記光ファイバ内でレイリー散乱されたレイリー散乱光をモード毎に分波するモード合分波器と、
前記モード合分波器が分波した所望のモードのレイリー散乱光を合波してレイリー散乱合波光を出力する第1合波器と、
前記光源からの前記試験光をローカル光として前記第1合波器が合波したレイリー散乱合波光と合波する第2合波器と、
前記第2合波器による合波で発生するビート信号を受光して電気信号へ変換する受光器と、
前記受光器が変換した電気信号を用いて前記散乱光振幅分布測定手順、前記散乱スペクトル解析手順、及び前記演算手順を行う演算処理装置と、
を備える伝搬モード間群遅延差測定システム。
Priority Applications (1)
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JP2015243754A JP2017110953A (ja) | 2015-12-15 | 2015-12-15 | 伝搬モード間群遅延差測定方法及び伝搬モード間群遅延差測定システム |
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2015
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