JP2019015584A - 光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法および装置 - Google Patents

光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法および装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ＲＣ-ＭＣＦの出射ビームプロファイルを測定することができる方法および装置を提供する。【解決手段】光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置１は、光源部１０，測定部２０および解析部３０を備える。光源部１０から出力された光は、ＲＣ-ＭＣＦである測定対象光ファイバ２の入射端において該測定対象光ファイバ２の１以上の空間モードに入射される。測定部２０は、測定対象光ファイバ２の出射端において複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化して、複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和を測定する。解析部３０は、測定部２０による光の強度プロファイルの和の測定の結果に基づいて、測定対象光ファイバ２の出射ビーム評価指標（ＭＦＤ、Ａeff）を算出する。【選択図】図７

Description

本発明は、互いにランダムに結合する複数の空間モードを有するランダム結合型マルチコア光ファイバの出射ビームプロファイルを測定する方法および装置に関するものである。
１本の光ファイバの中に複数の空間モード（複数のコアおよび／または複数の導波モード）を有する空間分割多重光ファイバは、情報伝送量の空間密度を高くすることができるので、地中管路および海底ケーブルなどの限られた通信路の面積の利用効率を高める技術として期待される。
そのうち、複数のコアの間で導波モードが互いに結合する結合型マルチコア光ファイバ（Ｃ-ＭＣＦ: Coupled Multi-Core Fiber）は、コア間の距離が短いことから、情報伝送量の空間密度を高める効果が高い。それ故、Ｃ-ＭＣＦは、結合したコアを伝搬した複数の導波モードの信号を区別するためのＭＩＭＯ（Multi-InputMulti-Output）信号処理技術を併用することで、高密度で大容量の信号伝送が可能となる。
Ｃ-ＭＣＦのうちでも特にランダム結合型マルチコア光ファイバ（ＲＣ-ＭＣＦ : Randomly-Coupled Multi-Core Fiber）は、コア間の結合の強さが適切に設定されていることで、光ファイバの曲がり及び捻れによってランダムなモード結合を生じさせ、これによりモード間の遅延時間差（ＤＭＤ : Differential Mode Delay）の蓄積の速度をファイバ長の１／２乗に低減することができる。それ故、ＲＣ-ＭＣＦは、ＭＩＭＯ信号処理の計算量コストを低く抑えることができる。このようなＲＣ-ＭＣＦは、非特許文献１〜３に記載されている。ＲＣ-ＭＣＦは、典型的には１[１／ｍ]以上のコア間モード結合係数、または、１０[１／ｋｍ]以上のコア間パワー結合係数を有する。
現在広く用いられているシングルコア光ファイバと比べると、ＲＣ-ＭＣＦは、コアの空間密度がより高い点において重要であるだけでなく、モード結合によって光が複数のコアに分散して存在することによって光学的非線形性が低下することも重要である。ＲＣ-ＭＣＦは、非線形性の低下により、光強度の高い光を伝搬させた際に非線形干渉により生じる光雑音を低減することができる。
Tetsuya Hayashi, et al, "Coupled-CoreMulti-Core Fibers: High-Spatial-Density Optical Transmission Fibers with LowDifferential Modal Properties," ECOC2015, We.1.4.1 (2015). Taiji Sakamoto, et al, "FiberTwisting- and Bending-Induced Adiabatic/Nonadiabatic Super-Mode Transition inCoupled Multicore Fiber," JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.34, No.4, pp.1228-1237(2016). Tetsuya Hayashi, et al, "Record-LowSpatial Mode Dispersion and Ultra-Low Loss Coupled Multi-Core Fiber for Ultra-Long-HaulTransmission," JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.35, No.3, pp.450-457 (2017). Rob Billington, "EffectiveArea of Optical Fibres - Definition and Measurement Techniques," NationalPhysical Laboratory. Recommendation ITU-T G.650.1,"Definitions and test methods for linear, deterministic attributes ofsingle-mode fibre and cable," (2010).
一般に光ファイバの性能を評価することは重要である。光ファイバの性能には、実際の伝送系に組み込まれた際に実現できる伝送容量、および、光ファイバ同士を接続した際に見込まれる接続損失などが含まれる。また、一般に光ファイバの性能を評価する上では、光ファイバの空間モードの出射ビームプロファイル（電界分布または強度分布）を測定して、これを性能指標として定量化することも重要である。
シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ : Single Mode Fiber）においては、モードフィールド径（ＭＦＤ : Mode Field Diameter）および実効断面積（Ａeff）が重要な性能指標となっている。ＭＦＤは、光ファイバ同士を接続した際の接続損失に関係した指標である。ＭＦＤが大きいほど、かつ、光ファイバ間でＭＦＤの差が小さいほど、接続損失を低減できる。Ａeffは、非線形性に関係した指標である。非線形雑音のパワーはＡeffの２乗に反比例する（すなわち、Ａeffが大きいほど非線形雑音を小さくできる）。
シングルモードファイバ伝送における非線形雑音は、その他にも信号光の強度、信号光の帯域、光ファイバの伝送損失、光ファイバの波長分散にも影響を受ける。しかし、光ファイバの非線形性に関する性能を定量化するうえで、Ａeffは非常に重要な指標である。ＳＭＦのＭＦＤおよびＡeffの定義および測定方法は非特許文献４および非特許文献５に記載されている。
ＳＭＦのＭＦＤまたはＡeffを測定する従来の方法では、ＳＭＦの出射ビームプロファイルをニアフィールドパターン（ＮＦＰ : Near Field Pattern）またはファーフィールドパターン（ＦＦＰ :Far Field Pattern）として測定して、その測定結果に基づいてＭＦＤまたはＡeffを求める。しかし、従来の測定方法では、ランダムなモード結合が生じるＲＣ-ＭＣＦにおける各コアまたは各空間モードのＭＦＤおよびＡeffを定量的に求めることができない。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、ＲＣ-ＭＣＦの出射ビームプロファイルを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。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法は、ＲＣ-ＭＣＦである測定対象光ファイバの出射ビームプロファイルを測定する方法である。本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法は、一態様として、(1) 前記測定対象光ファイバの入射端において、光源部から出力された光を該測定対象光ファイバの１以上の空間モードに入射させ、前記測定対象光ファイバの出射端において前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化して、前記複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和をＮＦＰとして測定する測定ステップと、(2) その測定されたＮＦＰを、個々のスーパーモードから出射されたビームのＮＦＰの平均とみなして、全スーパーモード平均のビーム評価指標を算出する解析ステップと、を有する。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置は、ＲＣ-ＭＣＦである測定対象光ファイバの出射ビームプロファイルを測定する装置である。本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置は、(1) 光を出力し、前記測定対象光ファイバの入射端において前記光を該測定対象光ファイバの１以上の空間モードに入射させる光源部と、(2) 前記測定対象光ファイバの出射端において前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化して、前記複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和を測定する測定部と、(3) 前記測定部による前記光の強度プロファイルの和の測定の結果に基づいて、前記測定対象光ファイバの出射ビーム評価指標を算出する解析部と、を備える。本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置において、一態様として、前記測定部は、前記光の強度プロファイルの和をＮＦＰとして測定し、前記解析部は、その測定されたＮＦＰを、個々のスーパーモードから出射されたビームのＮＦＰの平均とみなして、全スーパーモード平均のビーム評価指標を算出する。
本発明によれば、ＲＣ-ＭＣＦの出射ビームプロファイルを測定することができる。また、この測定結果に基づいてＲＣ-ＭＣＦの各コアのＭＦＤおよびＡeffを求めることができる。
図１は、ＦＦＰ測定系を説明する図である。 図２は、ＮＦＰ測定系を説明する図である。 図３は、ＲＣ-ＭＣＦのＮＦＰの電界分布の一例を示す図である。 図４は、ＲＣ-ＭＣＦのＮＦＰの強度分布の一例を示す図である。 図５は、０.５秒間隔で測定したＲＣ-ＭＣＦのＮＦＰの強度分布の時間的変化の一例を示す図である。 図６は、本実施形態の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法を説明するフローチャートである。 図７は、本実施形態の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置１の構成例を示す図である。 図８は、４コアのＲＣ-ＭＣＦを測定対象光ファイバ２とした場合の光強度のＮＦＰの全スーパーモード平均の一例を示す図である。 図９は、ＶＡＲとτ・Δｆとの関係を示すグラフである。 図１０は、ＶＡＲとτ・Δｆとの関係を示すグラフである。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法は、ＲＣ-ＭＣＦである測定対象光ファイバの出射ビームプロファイルを測定する方法である。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法は、一態様として、(1) 前記測定対象光ファイバの入射端において、光源部から出力された光を該測定対象光ファイバの１以上の空間モードに入射させ、前記測定対象光ファイバの出射端において前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化して、前記複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和をＮＦＰとして測定する測定ステップと、(2) その測定されたＮＦＰを、個々のスーパーモードから出射されたビームのＮＦＰの平均とみなして、全スーパーモード平均のビーム評価指標を算出する解析ステップと、を有する。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法は、他の態様として、(1) 前記測定対象光ファイバの入射端において、光源部から出力された光を該測定対象光ファイバの１以上の空間モードに入射させ、前記測定対象光ファイバの出射端において前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化して、前記複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和をＮＦＰとして測定する測定ステップと、(2) その測定されたＮＦＰを、コアを１つずつ含む領域に分割した際の各領域が含むコア単独でのＮＦＰとみなして、各コアについてのビーム評価指標を算出する解析ステップと、を有する。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法は、更に他の態様として、(1) 前記測定対象光ファイバの入射端において、光源部から出力された光を該測定対象光ファイバの１以上の空間モードに入射させ、前記測定対象光ファイバの出射端において前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化して、前記複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和をＦＦＰとして測定する測定ステップと、(2) その測定されたＦＦＰを、個々のコアから出射されたビームのＦＦＰの平均とみなして、全コア平均のビーム評価指標を算出する解析ステップと、を有する。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法は、前記測定ステップにおいて、前記ビームプロファイルの波長平均をとることにより、前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化するのが好適である。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法は、前記測定ステップにおいて、前記測定対象光ファイバのモード分散τ［ｓ］と前記光源部の線幅Δｆ［ｓ−１］との積（τ・Δｆ）が９以上となるように前記光源部の線幅または前記測定対象光ファイバの長さ若しくは曲げ径を調整した状態で前記ビームプロファイルの波長平均をとることにより、前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化するのが好適である。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法は、前記測定ステップにおいて、前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに前記光源部から互いに相関のない光が入射されることにより、前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化するのが好適である。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法は、前記測定ステップにおいて、互いに独立に動作する複数の発光素子それぞれから出力された光を用いることにより、前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに互いに相関のない光を入射させるのが好適である。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法は、前記測定ステップにおいて、１つの発光素子から出力された光を分岐して得られた各分岐光を各空間モードへの入力光とし、その光の線幅をΔｆ［ｓ−１］としたとき全ての空間モードについて相互に１.１／Δｆ［ｓ］以上異なる量の遅延を各入力光に付与することにより、前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに互いに相関のない光を入射させるのが好適である。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法は、前記測定ステップにおいて、１つの発光素子から出力された光を分岐して得られた各分岐光を各空間モードへの入力光とし、各空間モードへの入力光の偏波状態を互いに異なるパターンで時間的に変動させることにより、前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに互いに相関のない光を入射させるのが好適である。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置は、ＲＣ-ＭＣＦである測定対象光ファイバの出射ビームプロファイルを測定する装置である。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置は、(1) 光を出力し、前記測定対象光ファイバの入射端において前記光を該測定対象光ファイバの１以上の空間モードに入射させる光源部と、(2) 前記測定対象光ファイバの出射端において前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化して、前記複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和を測定する測定部と、(3) 前記測定部による前記光の強度プロファイルの和の測定の結果に基づいて、前記測定対象光ファイバの出射ビーム評価指標を算出する解析部と、を備える。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置において、一態様として、前記測定部は、前記光の強度プロファイルの和をＮＦＰとして測定し、前記解析部は、その測定されたＮＦＰを、個々のスーパーモードから出射されたビームのＮＦＰの平均とみなして、全スーパーモード平均のビーム評価指標を算出する。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置において、他の態様として、前記測定部は、前記光の強度プロファイルの和をＮＦＰとして測定し、前記解析部は、その測定されたＮＦＰを、コアを１つずつ含む領域に分割した際の各領域が含むコア単独でのＮＦＰとみなして、各コアについてのビーム評価指標を算出する。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置において、更に他の態様として、前記測定部は、前記光の強度プロファイルの和をＦＦＰとして測定し、前記解析部は、その測定されたＦＦＰを、個々のコアから出射されたビームのＦＦＰの平均とみなして、全コア平均のビーム評価指標を算出する。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置において、前記測定部は、前記ビームプロファイルの波長平均をとることにより、前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化するのが好適である。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置において、前記測定部は、前記測定対象光ファイバのモード分散τ［ｓ］と前記光源部の線幅Δｆ［ｓ−１］との積（τ・Δｆ）が９以上となるように前記光源部の線幅または前記測定対象光ファイバの長さ若しくは曲げ径を調整した状態で前記ビームプロファイルの波長平均をとることにより、前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化するのが好適である。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置において、前記測定部は、前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに前記光源部から互いに相関のない光が入射されることにより、前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化するのが好適である。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置において、前記光源部は、互いに独立に動作する複数の発光素子それぞれから出力された光を用いることにより、前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに互いに相関のない光を入射させるのが好適である。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置において、前記光源部は、１つの発光素子から出力された光を分岐して得られた各分岐光を各空間モードへの入力光とし、その光の線幅をΔｆ［ｓ−１］としたとき全ての空間モードについて相互に１.１／Δｆ［ｓ］以上異なる量の遅延を各入力光に付与することにより、前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに互いに相関のない光を入射させるのが好適である。
本発明の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置において、前記光源部は、１つの発光素子から出力された光を分岐して得られた各分岐光を各空間モードへの入力光とし、各空間モードへの入力光の偏波状態を互いに異なるパターンで時間的に変動させることにより、前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに互いに相関のない光を入射させるのが好適である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
先ず、ＳＭＦのＭＦＤおよびＡeffの一般的な測定技術について説明する。通常、ＳＭＦの出射ビームのＦＦＰを測定し、このＦＦＰに基づいてＭＦＤを算出する。ＦＦＰは、光ファイバ出射端を中心とする十分大きな半径（ＦＦＰ測定距離）を持つ半球面上（ＦＦ : Far Field）における電界振幅分布または強度分布である。理論的にはＦＦＰ測定距離は無限とすべきであるが、ITU-T G.651.1によれば、ＭＦＤを２ｗとし、受光器の直径をｂとし、波長をλとすると、実際上の光ファイバ測定におけるＦＦＰ測定距離は４０ｗｂ／λ以上であれば、十分な精度の測定が可能とされている。
図１は、ＦＦＰ測定系を説明する図である。測定対象光ファイバ２の入射端に光源部１０が光学的に結合される。測定対象光ファイバ２の出射端の中心にｘｙ直交座標系の原点が設定される。（ｘ，ｙ）は、測定対象光ファイバ２の出射端の端面における局所直交座標である。（ｒ，θ）は、(ｘ，ｙ)に対応する極座標系である。φｘは、ｘ軸に対応するＦＦＰへの発散角である。φｙは、ｙ軸に対応するＦＦＰへの発散角である。
ＳＭＦにおいては、空間モードの電界分布が円対称であることを前提として、下記（１）式でＭＦＤを計算できる。ここで、Ｆφ（φ）は放射角φにおける電界振幅のＦＦＰを表す。ＳＭＦの場合は、モードの電界振幅分布が円対称であることを前提としているので、Ｆφ（φ）はθに無依存である。よって、Ｆφ（φ）は、任意のθでＦＦＰをφについて１次元で測定したものと考えればよい。
Ａeffは、その定義上、光ファイバのモードの電界振幅分布をＥとすると、下記（２）式で表すことができる。特にモードの電界振幅分布が円対称である場合は、Ａeffは、下記（３）式の様に表すことができる。したがって、光ファイバのモードの強度分布|Ｅ|２からＡeffを算出することができる。
モードの電界分布Ｅは、光ファイバの出射ビームのＮＦＰの強度分布と等しいものとみなすことができるので、ＮＦＰの強度分布からＡeffを算出することができる。ＮＦＰは、光ファイバ出射端面上（ＮＦ : NearField Pattern）における電界分布または強度分布である。
図２は、ＮＦＰ測定系を説明する図である。光ファイバのＮＦＰは極めて小さなサイズであるので、直接正確に測定することは困難である。そこで、図２に示されるように、レンズ２１，２２を含む拡大光学系を用いてＮＦＰをカメラ観察する方法など採用される。しかし、光学系の回折限界、カメラのダイナミックレンジおよびリニアリティの問題があることから、十分なＮＦＰ測定精度は得られない。
このことから、ＳＭＦにおける実際の測定においては、先ずＦＦＰを高精度に測定し、このＦＦＰからＮＦＰを求め、このＮＦＰを用いてＡeffを算出する。電界振幅のＮＦＰからＦＦＰへの変化はフラウンホーファー回折で説明できる。したがって、モードの電界分布が円対称であることを前提とすると、電界振幅のＮＦＰのｒについての関数Ｅｒ（ｒ）と、電界振幅のＦＦＰのφについての関数Ｆφ（φ）とは、０次のハンケル変換を用いて下記（４）式の様に相互に変換することができる。
ＳＭＦは空間モードを１つのみ有し、その空間モードの電界分布は円対称である。それ故、ＳＭＦの場合は、上記の様にして簡単かつ正確にＭＦＤおよびＡeffの測定・評価を行うことができる。
これに対して、ＲＣ-ＭＣＦは複数の空間モードを有する。また、ＲＣ-ＭＣＦ中を光が伝搬する際に、複数の空間モードの相互間でランダムに光が結合してしまう。それ故、ＲＣ-ＭＣＦの場合は、ＳＭＦの場合と同様の方法ではＭＦＤおよびＡeffの評価を行うことができない。
また、ＭＦＤおよびＡeffは、光ファイバの各モードの電界振幅分布を定量化する性能指標である。このことから、ＲＣ-ＭＣＦのＭＦＤおよびＡeffを評価する場合、評価したい１つのモードのみから光が出射する様にしてＮＦＰおよびＦＦＰの測定を行う必要がある。しかし、前述の通り、空間モード間でランダムに光が結合してしまい、しかも、その結合の仕方は時間的に変化する。
例えば、ＲＣ-ＭＣＦにおいて結合した４コアの空間モードは、いわゆるスーパーモードとなる。スーパーモードは、すべてのコアにまたがるモードである。このときの４つの空間モードそれぞれに対してＮＦＰの電界分布は図３に示されるようなパターンとなり、強度分布は図４に示されるようなパターンとなる。図３は、ＲＣ-ＭＣＦのＮＦＰの電界分布の一例を示す図である。図４は、ＲＣ-ＭＣＦのＮＦＰの強度分布の一例を示す図である。ここで用いたＲＣ-ＭＣＦでは、４つのコアはコア中心間隔２０μｍで正方格子状に配置されており、各コア独立でのＭＦＤは約１０μｍであった。ＮＦＰの強度分布を見ると、空間モード間の差異は殆ど見られない。
ＲＣ-ＭＣＦでは、このような空間モードの何れか１つのみから光を出射させて当該出射ビームプロファイルを測定する必要がある。しかし、実際に同様の設計のＲＣ-ＭＣＦから出射される光のＮＦＰの強度は、図５に示されるように時間的に変動している。図５は、０.５秒間隔で測定したＲＣ-ＭＣＦのＮＦＰの強度分布の時間的変化の一例を示す図である。また、図４に示されるように、全コアから同等の強度の光が出射されているのではないので、複数のモードがランダムに混じって出射されていることが分かる。
以下に説明する本実施形態の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法および光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置は、ＲＣ-ＭＣＦの出射ビームプロファイルを測定することができるものであり、さらに、この測定結果に基づいてＲＣ-ＭＣＦの各コアのＭＦＤおよびＡeffを求めることができるものである。
ＲＣ-ＭＣＦにおいて全てのモードが励起されている場合のＮＦＰの強度INFPは、下記（５）式のように表すことができる。ここで、ＥｎはモードｎのＮＦにおける電界の複素振幅のプロファイルである。Ｅｎ ＊はＥｎの複素共役である。Ｒｅ［ｘ］は複素数ｘの実部である。また、ＩNFP,nはモードｎのＮＦにおける電界強度のプロファイルを表す。
同様に、ＲＣ-ＭＣＦにおいて全てのモードが励起されている場合のＦＦＰの強度IFFPは、下記（６）式のように表すことができる。ここで、ＦｎはモードｎのＦＦにおける電界の複素振幅のプロファイルである。Ｆｎ ＊はＦｎの複素共役である。また、ＩFFP,nはモードｎのＦＦにおける電界強度のプロファイルを表す。
ＲＣ-ＭＣＦでは、モード間の位相関係などがランダムに変化すると、ＮＦの（５）式およびＦＦの（６）式の何れも最終行右辺第２項のモード間干渉により生じる光強度の変化の成分（干渉成分）がランダムに変化してしまうことから、安定した測定が行えない。
そこで、この干渉成分を十分に平均化して０に近づけることで、（５）式は下記（７）式のようになり、（６）式は下記（８）式のようになって、ＩNFPおよびＩFFPを安定的に測定で得ることができるようになる。
このような測定を実現するため、本実施形態の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法および光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置は、以下に説明する構成を備える。図６は、本実施形態の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法を説明するフローチャートである。図７は、本実施形態の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置１の構成例を示す図である。
光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置１は、光源部１０，測定部２０および解析部３０を備える。測定対象光ファイバ２はＲＣ-ＭＣＦである。入射用光ファイバ３は、光源部１０と測定対象光ファイバ２とを光学的に結合するものであり、ＳＭＦであってよい。入射用光ファイバ３の第１端は光源部１０と光学的に接続され、入射用光ファイバ３の第２端は測定対象光ファイバ２の入射端と接続点４において光学的に接続される。測定対象光ファイバ２の出射端から出力される光５は測定部２０により受光される。
測定ステップＳ１１において、光源部１０は、測定用の光を出力する。光源部１０から出力された光は、入射用光ファイバ３により導光された後、ＲＣ-ＭＣＦである測定対象光ファイバ２の入射端において該測定対象光ファイバ２の１以上の空間モードに入射される。測定対象光ファイバ２の複数の空間モードのうち光を入射させる空間モードは、接続点４における入射用光ファイバ３と測定対象光ファイバ２との間の光結合状態により設定される。光源部１０は、例えば発光ダイオードおよびレーザダイオードなどの任意の発光素子を備えて構成される。
測定ステップＳ１１において、測定部２０は、測定対象光ファイバ２の出射端において複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化して、複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和を測定する。測定部２０は、例えばフォトダイオ−ドなどの任意の受光素子を備え、また、所要のレンズ系を備えて構成される。
解析ステップＳ１２において、解析部３０は、測定部２０による光の強度プロファイルの和の測定の結果に基づいて、測定対象光ファイバ２の出射ビーム評価指標（ＭＦＤ、Ａeff）を算出する。解析部３０は、例えば、ＣＰＵなどの演算素子およびメモリなどの記憶素子を備えて構成され得る。
本実施形態の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置１、および、この装置を用いた光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法において、測定部２０および解析部３０の動作として次の３つの測定態様がある。これら３つの測定態様のうちの何れか２以上の測定態様を組み合わせてもよい。
第１測定態様では、測定部２０は、測定対象光ファイバ２の複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和をＮＦＰとして測定する。そして、解析部３０は、その測定されたＮＦＰを、個々のスーパーモードから出射されたビームのＮＦＰの平均とみなして、全スーパーモード平均のビーム評価指標を算出する。
第２測定態様では、測定部２０は、測定対象光ファイバ２の複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和をＮＦＰとして測定する。そして、解析部３０は、その測定されたＮＦＰを、コアを１つずつ含む領域に分割した際の各領域が含むコア単独でのＮＦＰとみなして、各コアについてのビーム評価指標を算出する。
第３測定態様では、測定部２０は、測定対象光ファイバ２の複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和をＦＦＰとして測定する。そして、解析部３０は、その測定されたＦＦＰを、個々のコアから出射されたビームのＦＦＰの平均とみなして、全コア平均のビーム評価指標を算出する。
４コアのＲＣ-ＭＣＦを測定対象光ファイバ２とした場合、光強度のＮＦＰの全スーパーモード平均は図８に示されるようになる。この図に示されるように、測定対象光ファイバ２の出射端の中心に対して４つの象限に区分したときに各象限において光強度のピークが存在することから、上記の第１〜第３の測定態様それぞれにおいて解析部３０は具体的には次のような処理をすることができる。
第１測定態様では、４つの象限の全領域の強度プロファイルを用いて上記（２）式により“Ａeff”を算出することができる。この値は、物理的な意味では各スーパーモードのＡeffの平均値ではなく、各スーパーモードの平均ＮＦＰから算出した“Ａeff”となるが、評価指標として十分用いることができる。算出した“Ａeff”をコアモード数で除算することで、コアモードのＡeffに相当する値を算出することができる。
第２測定態様では、４つの象限それぞれに限られた領域において上記（２）式によりＡeffを算出することで、各コアのＡeffを算出することができる。また、各象限において、強度のピーク地点または重心点などを原点とする極座標系を用いることで、上記（３）式により各コアのＡeffを算出することができる。また、コアごとの強度のピーク地点または重心点を結ぶ線分の垂直二等分線を、コアごとに領域を切り分ける境界線としてもよい。
第３測定態様では、上記（８）式から分かるように、測定される強度のＦＦＰは各モードの強度のＦＦＰの和になる。各モードを各コアのモードとみなした場合、ＦＦＰ測定距離が十分に大きければ、測定される強度のＦＦＰは単純に各コアの強度のＦＦＰの和とみなせばよい。このとき、各コアのＦＦＰは、ＮＦＰの様に強度のピークが別の位置に現れるのではなく、測定対象光ファイバ２の出射端面がコアの中心軸に対して直交する場合には放射角０度の位置でピークが重なる。したがって、単純に強度のＦＦＰの測定を行うことで、各コアの強度のＦＦＰの平均をとることができる。この測定したＦＦＰは、各コアのＦＦＰの平均であることから、当然円対称である。このことから、上記（１）式により各コアのＭＦＤを算出することができ、また、上記（４）式によりＮＦＰに変換したうえで上記（３）式により各コアのＡeffを算出することができる。
第１〜第３の測定態様の何れにおいても、測定部２０は、測定対象光ファイバ２の出射端において複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化して、複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和を測定する。この空間モード間の干渉成分の平均化については次のような態様がある。
ビームプロファイルの波長平均をとることにより、複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化することができる。例えば、光源部１０は、出力光波長が可変である発光素子を用いて波長を時間的に変化させ、或いは、出力光波長が互いに異なる複数の発光素子を順次に発光させてもよく、この場合、解析部３０は、複数の波長それぞれにおいて測定部２０により測定されたビームプロファイルの波長平均をとればよい。或いは、光源部１０は、出力光が広帯域である発光素子（例えばスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Superluminescentdiode）など）を含んでいてもよく、この場合、解析部３０は、測定部２０により測定されたビームプロファイルの時間平均をとればよい。
また、測定対象光ファイバ２の入射端において全ての空間モードそれぞれに光源部１０から互いに相関のない光が入射されることにより、複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化することもできる。この場合、光源部１０は、互いに独立に動作する複数の発光素子それぞれから出力された光を用いることにより、測定対象光ファイバ２の入射端において全ての空間モードそれぞれに互いに相関のない光を入射させることができる。或いは、光源部１０は、１つの発光素子から出力された光を分岐して得られた各分岐光を各空間モードへの入力光とし、各空間モードへの入力光の偏波状態を互いに異なるパターンで時間的に変動させることにより、測定対象光ファイバ２の入射端において全ての空間モードそれぞれに互いに相関のない光を入射させることができる。
測定対象光ファイバ２の出射端において複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分の平均化の程度は、光強度の変動幅と平均値との比（ＶＡＲ＝変動幅／平均値）により評価することができる。測定対象光ファイバ２のモード分散をτ［ｓ］とする。また、光源部１０の線幅をΔｆ［ｓ−１］とする。ＶＡＲは積（τ・Δｆ）に依存する。
ビームプロファイルの波長平均をとることにより空間モード間の干渉成分を平均化する場合には、ＶＡＲとτ・Δｆとは、図９に示されるような関係を有する。図９は、この場合のＶＡＲとτ・Δｆとの関係を示すグラフである。
この図に示されるように、τ・Δｆが９以上であればＶＡＲは０.０５以下になる。τ・Δｆが２２.５以上であればＶＡＲは０.０２以下になる。τ・Δｆが４５以上であればＶＡＲは０.０１以下になる。τ・Δｆが９０以上であればＶＡＲは０.００５以下になる。τ・Δｆが２２５以上であればＶＡＲは０.００２以下になる。τ・Δｆが４５０以上であればＶＡＲは０.００１以下になる。
したがって、光源部１０の線幅または測定対象光ファイバ２の長さ若しくは曲げ径を調整することにより、τ・Δｆが９以上となるようにして測定を行うことが望ましい。τ・Δｆが２２.５以上となるようにして測定を行うことが更に望ましい。τ・Δｆが４５以上となるようにして測定を行うことが更に望ましい。τ・Δｆが９０以上となるようにして測定を行うことが更に望ましい。τ・Δｆが２２５以上となるようにして測定を行うことが更に望ましい。τ・Δｆが４５０以上となるようにして測定を行うことが最も望ましい。
測定対象光ファイバ２の入射端において全ての空間モードそれぞれに光源部１０から互いに相関のない光が入射されることにより、複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化する場合には、光源部１０において１つの発光素子から出力された光を分岐して得られた各分岐光を各空間モードへの入力光とし、全ての空間モードについて相互にτ［ｓ］以上異なる量の遅延を各入力光に付与することが望ましい。図１０は、この場合のＶＡＲとτ・Δｆとの関係を示すグラフである。
この図に示されるように、τが１.１０／Δｆ［ｓ］以上であればＶＡＲが０.０５以下になる。τが１.２６／Δｆ［ｓ］以上であればＶＡＲが０.０２以下になる。τが１.３７／Δｆ［ｓ］以上であればＶＡＲが０.０１以下になる。τが１.４７／Δｆ［ｓ］以上であればＶＡＲが０.００５以下になる。τが１.５９／Δｆ［ｓ］以上であればＶＡＲが０.００２以下になる。τが１.６７／Δｆ［ｓ］以上であればＶＡＲが０.００１以下になる。
したがって、τは１.１０／Δｆ［ｓ］以上であることが望ましい。τは１.２６／Δｆ［ｓ］以上であることが更に望ましい。τは１.３７／Δｆ［ｓ］以上であることが更に望ましい。τは１.４７／Δｆ［ｓ］以上であることが更に望ましい。τは１.５９／Δｆ［ｓ］以上であることが更に望ましい。τは１.６７／Δｆ［ｓ］以上であることが最も望ましい。
１…光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置、２…測定対象光ファイバ、３…入射用光ファイバ、１０…光源部、２０…測定部、３０…解析部。

Claims (18)

  1. 互いにランダムに結合する複数の空間モードを有するランダム結合型マルチコア光ファイバである測定対象光ファイバの出射ビームプロファイルを測定する方法であって、
    前記測定対象光ファイバの入射端において、光源部から出力された光を該測定対象光ファイバの１以上の空間モードに入射させ、前記測定対象光ファイバの出射端において前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化して、前記複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和をＮＦＰとして測定する測定ステップと、
    その測定されたＮＦＰを、個々のスーパーモードから出射されたビームのＮＦＰの平均とみなして、全スーパーモード平均のビーム評価指標を算出する解析ステップと、
    を有する光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法。
  2. 互いにランダムに結合する複数の空間モードを有するランダム結合型マルチコア光ファイバである測定対象光ファイバの出射ビームプロファイルを測定する方法であって、
    前記測定対象光ファイバの入射端において、光源部から出力された光を該測定対象光ファイバの１以上の空間モードに入射させ、前記測定対象光ファイバの出射端において前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化して、前記複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和をＮＦＰとして測定する測定ステップと、
    その測定されたＮＦＰを、コアを１つずつ含む領域に分割した際の各領域が含むコア単独でのＮＦＰとみなして、各コアについてのビーム評価指標を算出する解析ステップと、
    を有する光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法。
  3. 互いにランダムに結合する複数の空間モードを有するランダム結合型マルチコア光ファイバである測定対象光ファイバの出射ビームプロファイルを測定する方法であって、
    前記測定対象光ファイバの入射端において、光源部から出力された光を該測定対象光ファイバの１以上の空間モードに入射させ、前記測定対象光ファイバの出射端において前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化して、前記複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和をＦＦＰとして測定する測定ステップと、
    その測定されたＦＦＰを、個々のコアから出射されたビームのＦＦＰの平均とみなして、全コア平均のビーム評価指標を算出する解析ステップと、
    を有する光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法。
  4. 前記測定ステップにおいて、
    前記ビームプロファイルの波長平均をとることにより、
    前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化する、
    請求項１〜３の何れか１項に記載の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法。
  5. 前記測定ステップにおいて、
    前記測定対象光ファイバのモード分散τ［ｓ］と前記光源部の線幅Δｆ［ｓ−１］との積（τ・Δｆ）が９以上となるように前記光源部の線幅または前記測定対象光ファイバの長さ若しくは曲げ径を調整した状態で前記ビームプロファイルの波長平均をとることにより、
    前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化する、
    請求項１〜３の何れか１項に記載の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法。
  6. 前記測定ステップにおいて、
    前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに前記光源部から互いに相関のない光が入射されることにより、
    前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化する、
    請求項１〜３の何れか１項に記載の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法。
  7. 前記測定ステップにおいて、
    互いに独立に動作する複数の発光素子それぞれから出力された光を用いることにより、
    前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに互いに相関のない光を入射させる、
    請求項６に記載の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法。
  8. 前記測定ステップにおいて、
    １つの発光素子から出力された光を分岐して得られた各分岐光を各空間モードへの入力光とし、その光の線幅をΔｆ［ｓ−１］としたとき全ての空間モードについて相互に１.１／Δｆ［ｓ］以上異なる量の遅延を各入力光に付与することにより、
    前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに互いに相関のない光を入射させる、
    請求項６に記載の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法。
  9. 前記測定ステップにおいて、
    １つの発光素子から出力された光を分岐して得られた各分岐光を各空間モードへの入力光とし、各空間モードへの入力光の偏波状態を互いに異なるパターンで時間的に変動させることにより、
    前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに互いに相関のない光を入射させる、
    請求項６に記載の光ファイバ出射ビームプロファイル測定方法。
  10. 互いにランダムに結合する複数の空間モードを有するランダム結合型マルチコア光ファイバである測定対象光ファイバの出射ビームプロファイルを測定する装置であって、
    光を出力し、前記測定対象光ファイバの入射端において前記光を該測定対象光ファイバの１以上の空間モードに入射させる光源部と、
    前記測定対象光ファイバの出射端において前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化して、前記複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和を測定する測定部と、
    前記測定部による前記光の強度プロファイルの和の測定の結果に基づいて、前記測定対象光ファイバの出射ビーム評価指標を算出する解析部と、
    を備え、
    前記測定部は、前記光の強度プロファイルの和をＮＦＰとして測定し、
    前記解析部は、その測定されたＮＦＰを、個々のスーパーモードから出射されたビームのＮＦＰの平均とみなして、全スーパーモード平均のビーム評価指標を算出する、
    光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置。
  11. 互いにランダムに結合する複数の空間モードを有するランダム結合型マルチコア光ファイバである測定対象光ファイバの出射ビームプロファイルを測定する装置であって、
    光を出力し、前記測定対象光ファイバの入射端において前記光を該測定対象光ファイバの１以上の空間モードに入射させる光源部と、
    前記測定対象光ファイバの出射端において前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化して、前記複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和を測定する測定部と、
    前記測定部による前記光の強度プロファイルの和の測定の結果に基づいて、前記測定対象光ファイバの出射ビーム評価指標を算出する解析部と、
    を備え、
    前記測定部は、前記光の強度プロファイルの和をＮＦＰとして測定し、
    前記解析部は、その測定されたＮＦＰを、コアを１つずつ含む領域に分割した際の各領域が含むコア単独でのＮＦＰとみなして、各コアについてのビーム評価指標を算出する、
    光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置。
  12. 互いにランダムに結合する複数の空間モードを有するランダム結合型マルチコア光ファイバである測定対象光ファイバの出射ビームプロファイルを測定する装置であって、
    光を出力し、前記測定対象光ファイバの入射端において前記光を該測定対象光ファイバの１以上の空間モードに入射させる光源部と、
    前記測定対象光ファイバの出射端において前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化して、前記複数の空間モードそれぞれから出射された個別の光の強度プロファイルの和を測定する測定部と、
    前記測定部による前記光の強度プロファイルの和の測定の結果に基づいて、前記測定対象光ファイバの出射ビーム評価指標を算出する解析部と、
    を備え、
    前記測定部は、前記光の強度プロファイルの和をＦＦＰとして測定し、
    前記解析部は、その測定されたＦＦＰを、個々のコアから出射されたビームのＦＦＰの平均とみなして、全コア平均のビーム評価指標を算出する、
    光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置。
  13. 前記測定部は、
    前記ビームプロファイルの波長平均をとることにより、
    前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化する、
    請求項１０〜１２の何れか１項に記載の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置。
  14. 前記測定部は、
    前記測定対象光ファイバのモード分散τ［ｓ］と前記光源部の線幅Δｆ［ｓ−１］との積（τ・Δｆ）が９以上となるように前記光源部の線幅または前記測定対象光ファイバの長さ若しくは曲げ径を調整した状態で前記ビームプロファイルの波長平均をとることにより、
    前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化する、
    請求項１０〜１２の何れか１項に記載の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置。
  15. 前記測定部は、
    前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに前記光源部から互いに相関のない光が入射されることにより、
    前記複数の空間モードから出射された一体の光のビームプロファイルにおける空間モード間の干渉成分を平均化する、
    請求項１０〜１２の何れか１項に記載の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置。
  16. 前記光源部は、
    互いに独立に動作する複数の発光素子それぞれから出力された光を用いることにより、
    前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに互いに相関のない光を入射させる、
    請求項１５に記載の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置。
  17. 前記光源部は、
    １つの発光素子から出力された光を分岐して得られた各分岐光を各空間モードへの入力光とし、その光の線幅をΔｆ［ｓ−１］としたとき全ての空間モードについて相互に１.１／Δｆ［ｓ］以上異なる量の遅延を各入力光に付与することにより、
    前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに互いに相関のない光を入射させる、
    請求項１５に記載の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置。
  18. 前記光源部は、
    １つの発光素子から出力された光を分岐して得られた各分岐光を各空間モードへの入力光とし、各空間モードへの入力光の偏波状態を互いに異なるパターンで時間的に変動させることにより、
    前記測定対象光ファイバの前記入射端において全ての空間モードそれぞれに互いに相関のない光を入射させる、
    請求項１５に記載の光ファイバ出射ビームプロファイル測定装置。
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