JP7059864B2 - 光ファイバの損失測定装置および光ファイバの損失測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバの損失測定装置および光ファイバの損失測定方法に関し、詳細には、複数のモードを伝搬する光ファイバやそれを用いた光伝送システムにおける光ファイバ伝送路の各伝搬モードについての損失を分布的にかつ非破壊に測定するための光ファイバの損失測定装置および光ファイバの損失測定方法に関する。

近年、基幹通信網の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を目指し、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の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数モード光ファイバ（以下、ＦＭＦ（Ｆｅｗ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）と称する）を用いたモード多重伝送が大きな注目を集めている。

ＦＭＦを用いた光伝送システムを実現するためには、光ファイバ伝送路を構成する光ファイバケーブルや接続点の良否を評価し、長期間にわたって運用・保守することが求められる。光ファイバ伝送路の良否判定において、光の損失は伝送容量や伝送距離を制限する主要な特性であり、特に、ＦＭＦ伝送路ではモード毎に信号伝送を行う特性上、モード毎の損失を評価することが求められる。

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モードに結合した光による後方レイリー散乱光からＬＰ₀₁とＬＰ₁₁のモード毎の損失差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、ＯＴＤＲと被対象光ファイバの間に、高次モードを除去するモードフィルタを配置し、モードフィルタを設置した場合と設置しない場合の２つのＯＴＤＲ波形をもとにＬＰ₀₁およびＬＰ₁₁のモード毎の損失を分布的に評価する手法が提案されている。

M. Nakazawa et. al., "Measurement of mode coupling distribution along a few-mode fiber using a synchronous multi-channel OTDR" Opt. Express, Vol. 22, No.25, pp. 31299-31309 (2014). H. Kubota, Y. Miyoshi, M. Ohashi, T. Mori, T. Matui, and K. Nakajima, "Mode-dependent loss measurement of a two-mode fiber using a conventional OTDR," IEICE Commum. Express, Vol. 5, pp. 429-434, (2016).

非特許文献１および２に記載の方法では、ＦＭＦ中で複数のモードで発生する後方レイリー散乱光が、光ファイバ伝送路上のあるモード変換点（接続点やケーブルの曲げなど）において、ＬＰ₀₁のレイリー散乱光とＬＰ₁₁のレイリー散乱光が混ざってしまう。そのため、モード毎の損失を正しく評価できない。特に、得られる損失値は、複数モードの内、最も損失の小さいモード（レイリー散乱強度が強いモード）の値となるため、伝送路評価として損失が小さく、良い伝送路と誤って判定してしまう可能性がある。

本発明はかかる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、複数モードが伝搬する光ファイバにおいて、光ファイバの各位置におけるモード毎の損失を正確に測定可能な光試験システムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された光ファイバの損失測定装置は、複数のモードを伝搬する被測定対象光ファイバに対して、所定のモードの第１の周波数の光をプローブ光として前記被測定対象光ファイバの近端から入力し、前記被測定対象光ファイバの各位置で発生した後方散乱光の強度をＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｔｏｍｅｔｒｙ）法により測定することにより、前記被測定対象光ファイバの各位置における各伝搬モードについての損失を測定する光ファイバの損失測定装置であって、前記プローブ光のクロストークとなる、前記所定のモードとは異なる別モードの光を、第１の周波数に対して前記所定のモードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数を付与した周波数である第２の周波数でクロストーク抑圧光として、前記被測定対象光ファイバの近端から入力するクロストーク抑圧光入力手段と、前記被測定対象光ファイバの近端から出力される光のうち第２の周波数の光を除去して第１の周波数の光を分離する光分離手段と、前記分離した光の強度を測定することにより前記被測定対象光ファイバの各位置における各伝搬モードについての損失を測定する伝搬モード損失測定手段と、を備え、前記所定のモードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数は、前記別モードのレイリー散乱光の強度が抑圧されるように決定されることを特徴とする。

他の実施形態に記載された光ファイバの損失測定方法は、複数のモードを伝搬する被測定対象光ファイバに対して、所定のモードの第１の周波数の光をプローブ光として前記被測定対象光ファイバの近端から入力し、前記被測定対象光ファイバの各位置で発生した後方散乱光の強度をＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｔｏｍｅｔｒｙ）法により測定することにより、前記被測定対象光ファイバの各位置における各伝搬モードについての損失を測定する光ファイバの損失測定方法であって、前記プローブ光を前記被測定対象光ファイバの近端から入力すると共に、前記プローブ光のクロストークとなる、前記所定のモードとは異なる別モードの光を、第１の周波数に対して前記所定のモードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数を付与した周波数である第２の周波数でクロストーク抑圧光として、前記被測定対象光ファイバの近端から入力するクロストーク抑圧光入力ステップと、前記被測定対象光ファイバの近端から出力される光のうち第２の周波数の光を除去して第１の周波数の光を分離する光分離ステップと、前記分離した光の強度を測定することにより前記被測定対象光ファイバの各位置における各伝搬モードについての損失を測定する伝搬モード損失測定ステップ、とを含み、前記所定のモードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数は、前記別モードのレイリー散乱光の強度が抑圧されるように決定されることを特徴とする。

第１の実施形態の光ファイバの損失測定装置の一例を示すブロック構成図である。 ２つの出力におけるスペクトルの例を示す図である。 不要モードのレイリー散乱波形の例を示す図である。 所望モードのレイリー散乱波形の例を示す図である。 第２の実施形態の光ファイバの損失測定装置の一例を示すブロック構成図である。

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。

実施形態に記載された光ファイバの損失測定装置は、複数のモードを伝搬する被測定対象光ファイバに対して、所定のモードの第１の周波数の光をプローブ光として前記被測定対象光ファイバの近端から入力し、前記被測定対象光ファイバの各位置で発生した後方散乱光の強度をＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｔｏｍｅｔｒｙ）法により測定することにより、前記被測定対象光ファイバの各位置における各伝搬モードについての損失を測定する光ファイバの損失測定装置であって、前記プローブ光のクロストークとなる、前記所定のモードとは異なる別モードの光を、第１の周波数に対して前記所定のモードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数を付与した周波数である第２の周波数でクロストーク抑圧光として、前記被測定対象光ファイバの近端から入力するクロストーク抑圧光入力手段と、前記被測定対象光ファイバの近端から出力される光のうち第２の周波数の光を除去して第１の周波数の光を分離する光分離手段と、前記分離した光の強度を測定することにより前記被測定対象光ファイバの各位置における各伝搬モードについての損失を測定する伝搬モード損失測定手段とを備えている。

この構成により、主に数モード光ファイバやそれを用いた光伝送システムにおいて、光ファイバ伝送路の各伝搬モードにおける損失を分布的にかつ非破壊に測定することができる。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の光ファイバの損失測定装置の一例を示すブロック構成図である。図１に示す光ファイバの損失測定装置は、レーザ光発生手段１１と、レーザ光発生手段１１に入力が接続された光パルス化手段１２および光周波数制御手段１３と、光パルス化手段１２および光周波数制御手段１３のそれぞれの出力に入力が接続されたモード選択・合分波手段１４と、モード選択・合分波手段１４の出力に接続された光分離手段１５ａ、１５ｂと、光分離手段１５ａに直列に接続された光受信手段１６ａ、数値化処理手段１７ａ、および数値演算手段１８ａと、光分離手段１５ｂに直列に接続された光受信手段１６ｂ、数値化処理手段１７ｂ、および数値演算手段１８ｂとを備えた構成が示されている。

モード選択・合波手段１４は、入力１および２と出力１および２と被測定対象光ファイバＦの近端に接続された入出力部とを有している。測定対象となる被測定光ファイバＦは、光ファイバの損失測定装置のモード選択・合分波手段１４の入出力部と接続されている。モード選択・合分波手段１４の入力１には、光パルス化手段１２の出力が接続されており、入力２には光周波数制御手段１３の出力が接続されている。モード選択・合分波手段１４の出力１には光分離手段１５ａが接続されており、出力２には光分離手段１５ｂが接続されている。

図１に示す光ファイバの損失測定装置では、コヒーレントな光を発生させるレーザ光発生手段１１から出力された光が２分岐され、２分岐された光の一方は、光パルス化手段１２でパルス化された後、モード選択・合波手段１４において測定対象のモードが選択されてプローブ光として被測定光ファイバＦの近端に入力される。２分岐された光のうちの他方は、光周波数制御手段１３によって被測定対象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後、モード選択・合波手段１４においてプローブ光のクロストークとなるモードが選択されてクロストーク抑圧光として被測定光ファイバＦの近端に入力される。クロストークとなる光は、プローブ光のレイリー散乱光間でブリルアン損失を生じさせるクロストーク抑圧光として用いられる。

被測定対象光ファイバＦの近端からプローブ光とクロストーク抑圧光が入力されると、被測定対象光ファイバの任意の位置においてレイリー散乱光やブリルアン散乱光が発生し、被測定対象光ファイバＦの近端から出力される。

モード選択・合波手段１４は、被測定対象光ファイバＦの近端から出力された光のモード選択をして出力１または出力２から出力する。出力１には、入力１と同じモードの光、すなわちプローブ光と同じモードの光が選択されて出力される。出力２には入力２と同じモードの光、すなわちクロストーク抑圧光と同じモードの光が選択されて出力される。

出力１および出力２から出力された光は、光分離手段１５ａ、１５ｂによってクロストーク抑圧光によるレイリー散乱光を含むクロストーク抑圧光の反射光が除去された後、所望のモードのレイリー散乱光のみが分離されて光受信手段１６ａ、１６ｂに入力される。光受信手段１６ａ、１６ｂによって、分離された光は電気信号に変換される。

光分離手段１５ａ、１５ｂは、クロストーク抑圧光の周波数成分の光を除去し、プローブ光の周波数成分の光を透過する。光分離手段１５ａ、１５ｂとしては、具体的には、光フィルタを用いることができる。

光受信手段１６ａ、１６ｂで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１７ａ、１７ｂにて数値化され、数値演算手段１８ａ、１８ｂを用いて距離ごとのレイリー散乱光を演算する。

本実施形態の光ファイバの損失測定装置では、図１における光周波数制御手段１３にて、プローブ光とクロストーク抑圧光との間の周波数差を適宜変えて、出力１に対応する数値演算手段１８ａおよび出力２に対応する数値演算手段１８ｂそれぞれにおいてレイリー散乱光を取得し、出力毎にレイリー散乱光の強度の周波数特性を取得することができる。

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ν_bは、

と与えられる。ここで、ｎ_iはその任意のモードの実効屈折率、Ｖ_aは音響波の実効速度、λは波長である。すなわち、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、モード毎にピークを有する。本実施形態の光ファイバの損失測定装置では、このブリルアンスペクトルがモードごとに異なるピークを有することを利用して不要モードによるレイリー散乱光の抑圧を行う。

簡単のためにＬＰ₀₁とＬＰ₁₁との２つのモードで伝搬するＦＭＦを考える。光パワーＰ_rのプローブ光がＬＰ₁₁で振幅を有する場合であっても、レイリー散乱光はＬＰ₀₁とＬＰ₁₁との双方でＰ_B01およびＰ_B11のパワーを持つ。

ここで、ｍ_ijおよびＲ_ijはそれぞれ、位置ｚにおけるモード結合点及びレイリー散乱によってＬＰ_j1モードからＬＰ_i1モードへモード変換される係数である。ここで、周波数差ｆ_Bだけ低い周波数に設定したクロストーク抑圧光を、ＬＰ₀₁モードから入射する。このとき、式（２）で表されるレイリー散乱光は、ブリルアンロス相互作用により、

上記（式３）および（式４）において、ｇ_Bx-yはＬＰ_xのレイリー散乱とＬＰ_yのクロストーク抑圧光によるブリルアン散乱係数、Ｐ_i1は位置ｚにおけるＬＰ_i1のクロストーク抑圧光のパワー、α_i1はＬＰ_i1の損失係数である。

ここで、抑圧したいＬＰ₀₁のレイリー散乱光Ｐ_B01とＬＰ₀₁のクロストーク抑圧光Ｐ₀₁でブリルアンロスが強く発生するように周波数差ｆ_Bを設定することで、ＬＰ₀₁のレイリー散乱光パワーＰ_B01を減少させることができる。このとき、大きく作用する周波数差が異なるため、ＬＰ₁₁のレイリー散乱光パワーは減少しない。

このように、プローブ光とクロストーク抑圧光の周波数差を制御することで、所望のモードのレイリー散乱光のみを正確に受信することが可能である。上記の場合、ＬＰ₁₁の距離に対するレイリー光散乱光の強度波形により、所望のモードの損失を取得可能である。

ここで、不要なモードの抑圧は、（式３）及び（式４）の値、つまり数値演算手段１８ａと数値演算手段１８ｂとの出力値で判断することが可能であり、例えば、数値演算手段１８ｂの出力が最小となるようにすればよい。また、数値演算手段１８ａの出力に対する数値演算手段１８ｂの出力の比が最小となる場合を用いてもよい。つまり、図２に示すように、周波数差に対する数値演算手段１８ｂで観測されるレイリー散乱光の強度（本実施形態の説明の場合：ＬＰ₀₁の強度）によって、所望のモードの損失を得る周波数差を把握することができる。

図３および図４は、数値演算手段１８ｂで得られるレイリー散乱光の強度が最小となる周波数差における不要モード（ＬＰ₀₁）（図３）および所望のモード（ＬＰ₁₁）（図４）の距離ごとのレイリー散乱光の強度波形をクロストーク抑圧光の有無で示したものである。図３に示す（不要モードの）ＬＰ₀₁のレイリー散乱光の強度はクロストーク抑圧光によって抑圧されているが、図４に示す（所望のモードの）ＬＰ₁₁は抑圧されていない。

本実施形態の光ファイバの損失測定装置によれば、クロストーク抑圧光を入射することで、不要なモードを抑圧し、所望のモードのみのレイリー散乱光の強度波形を取得可能である。

本実施形態の光ファイバの損失測定装置によれば、複数モードで発生したレイリー散乱光において、所望のモード以外のレイリー散乱光を、被対象光ファイバ中で抑圧することが可能であり、所望のモードの受けた損失のみを非破壊で計測することが可能である。これにより伝送路中における接続点やデバイス等のモード毎の損失を測定可能となる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態の光ファイバの損失測定装置の一例を示すブロック構成図である。第１の実施形態の光ファイバの損失測定装置では、クロストーク抑圧光の周波数成分の光を除去する手段として周波数フィルタなどの光分離手段１５ａ、１５ｂを用いる態様を例に挙げて説明したが、本実施形態の光ファイバの損失測定装置では、光分離手段１５ａ、１５ｂに代えて、コヒーレント検波による光分離手段２５ａ、２５ｂを用いる。その他の構成は第１の実施形態の光ファイバの損失測定装置と同じなので、その説明を省略する。

光分離手段２５ａ、２５ｂのコヒーレント検波手段は、入力１の光周波数、すなわちレーザ光発生手段の光周波数の光を参照孔として、出力１または出力２の出力光とそれぞれコヒーレント検波をし、ベースバンドに変換された周波数の強度を取得することで、クロストーク抑圧光の周波数成分の光を除去してレイリー散乱光の強度を分離してもよい。

なお、以上の実施形態の光ファイバの損失測定装置では、光パルス化手段１２、光周波数制御手段１３、モード選択・合分波手段１４、光分離手段１５ａ、１５ｂ（光分離手段２５ａ、２５ｂ）、光受信手段１６ａ、１６ｂ、数値化処理手段１７ａ、１７ｂ、数値演算手段１８ａ、１８ｂとを備えた例を挙げて説明している。しかしながら、上記構成は一例であり、以上の実施形態の光ファイバの損失測定装置と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プローブ光パルスとクロストーク抑圧光間に与え、任意のモードを選択して励起してレイリー散乱光の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。

本実施形態の光ファイバの損失測定装置によれば、複数モードで発生したレイリー散乱光において、所望のモード以外のレイリー散乱光を、被対象光ファイバ中で抑圧することが可能であり、所望のモードの受けた損失のみを非破壊で計測することが可能である。これにより伝送路中における接続点やデバイス等のモード毎の損失を測定可能となる。

以上の実施形態の光ファイバの損失測定装置によれば、非特許文献１、２とは異なり、ブリルアンロス現象により、被測定ファイバ中でクロストークを抑圧することができるため、モード変換点前で不要なモードを抑圧することができる。この点において、非特許文献１、２とは異なり、モード毎の正しい損失を測定することができる。

また、以上の実施形態の光ファイバの損失測定装置によれば、不要モードのレイリー散乱光の強度が最も低くなる周波数差において、所望のモードで得られたレイリー散乱光の強度波形に基づいて損失を測定することで、モード毎の正しい損失を測定することができる。

以上の実施形態の光ファイバの損失測定装置では、モードが複数伝搬する数モードファイバについて説明したが、シングルモード光ファイバにおいて、複数モードを伝搬する短波長帯の光を利用してもよい。

１１ レーザ光発生手段
１２ 光パルス化手段
１３ 光周波数制御手段
１４ モード選択・合分波手段
１５ａ、１５ｂ 光分離手段
１６ａ、１６ｂ 光受信手段
１７ａ、１７ｂ 数値化処理手段
１８ａ、１８ｂ 数値演算手段
２５ａ、２５ｂ 光分離手段

Claims (8)

1. 複数のモードを伝搬する被測定対象光ファイバに対して、所定のモードの第１の周波数の光をプローブ光として前記被測定対象光ファイバの近端から入力し、前記被測定対象光ファイバの各位置で発生した後方散乱光の強度をＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｔｏｍｅｔｒｙ）法により測定することにより、前記被測定対象光ファイバの各位置における各伝搬モードについての損失を測定する光ファイバの損失測定装置であって、
   前記プローブ光のクロストークとなる、前記所定のモードとは異なる別モードの光を、第１の周波数に対して前記所定のモードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数を付与した周波数である第２の周波数でクロストーク抑圧光として、前記被測定対象光ファイバの近端から入力するクロストーク抑圧光入力手段と、
   前記被測定対象光ファイバの近端から出力される光のうち第２の周波数の光を除去して第１の周波数の光を分離する光分離手段と、
   前記分離した光の強度を測定することにより前記被測定対象光ファイバの各位置における各伝搬モードについての損失を測定する伝搬モード損失測定手段と、を備え、
   前記所定のモードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数は、前記別モードのレイリー散乱光の強度が抑圧されるように決定されることを特徴とする光ファイバの損失測定装置。
2. 前記光分離手段は第１の周波数の光のみを通過させる光バンドパスフィルタを有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバの損失測定装置。
3. 前記光分離手段において、前記第１の周波数の光を参照光として、前記光ファイバの近端から出力される光に対してコヒーレント検波を行うことにより第１の周波数の光のみを分離するコヒーレント検波手段を有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバの損失測定装置。
4. 前記クロストーク抑圧光入力手段において、前記クロストーク抑圧光と同じ別モードの光の出力強度が最小値となる周波数に、前記第２の周波数を設定することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光ファイバの損失測定装置。
5. 複数のモードを伝搬する被測定対象光ファイバに対して、所定のモードの第１の周波数の光をプローブ光として前記被測定対象光ファイバの近端から入力し、前記被測定対象光ファイバの各位置で発生した後方散乱光の強度をＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｔｏｍｅｔｒｙ）法により測定することにより、前記被測定対象光ファイバの各位置における各伝搬モードについての損失を測定する光ファイバの損失測定方法であって、
   前記プローブ光を前記被測定対象光ファイバの近端から入力すると共に、前記プローブ光のクロストークとなる、前記所定のモードとは異なる別モードの光を、第１の周波数に対して前記所定のモードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数を付与した周波数である第２の周波数でクロストーク抑圧光として、前記被測定対象光ファイバの近端から入力するクロストーク抑圧光入力ステップと、
   前記被測定対象光ファイバの近端から出力される光のうち第２の周波数の光を除去して第１の周波数の光を分離する光分離ステップと、
   前記分離した光の強度を測定することにより前記被測定対象光ファイバの各位置における各伝搬モードについての損失を測定する伝搬モード損失測定ステップ、とを含み、
   前記所定のモードのブリルアン周波数シフトに相当する周波数は、前記別モードのレイリー散乱光の強度が抑圧されるように決定されることを特徴とする光ファイバの損失測定方法。
6. 前記光分離ステップは第１の周波数の光のみを通過させる光バンドパスフィルタにより第１の周波数の光のみを分離することを特徴とする請求項５記載の光ファイバの損失測定方法。
7. 前記光分離ステップは、前記第１の周波数の光を参照光として、前記光ファイバの近端から出力される光に対してコヒーレント検波を行うことにより第１の周波数の光のみを分離することを特徴とする請求項５記載の光ファイバの損失測定方法。
8. 前記クロストーク抑圧光入力ステップにおいて、前記クロストーク抑圧光と同じ別モードの光の出力強度が最小値となる周波数に、前記第２の周波数を設定することを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の光ファイバの損失測定方法。

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