JP7643577B2 - 光ファイバ伝送路中で発生する損失及びクロストークを測定する装置及び方法 - Google Patents

Description

本開示は、光ファイバ伝送路中で発生する損失及びクロストークをそれぞれ独立に測定する測定装置及びその測定方法に関する。

近年、伝送トラフィックの急激な増加に伴い、現在の伝送路で用いられているシングルモードファイバ（ＳＭＦ：Ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）に代わって複数の伝搬モードが利用できる数モードファイバ（ＦＭＦ）やマルチモードファイバ（ＭＭＦ：Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）が更なる大容量化を可能にするものとして大きな注目を集めている。これらの光ファイバでは、接続点やモード合分波器等のデバイスを通過時に、モード毎に受ける損失が異なることにより生じるモード間損失差（ＤＭＡ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄａｌ Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ）や、モードの一部が異なるモードに結合するクロストーク（以下、ＸＴと称する場合がある。）が発生する。ＤＭＡやＸＴは、受信側で信号処理を行う上で重要なパラメータであるため、伝送路の良否を評価するために、伝送路中の各モードの損失やＸＴを地点毎に測定できることが望ましい。

これまで、ブリルアン利得解析法を用いたモード毎の伝搬特性取得法が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。本測定法では、光ファイバに入射するポンプ光とプローブ光の周波数差を制御することで、発生した利得量からポンプ光が受ける損失及びＸＴを取得できる。しかしながら、損失及びＸＴの発生地点が複数存在する場合、光ファイバ中でプローブ光のＸＴ成分が発生し、このＸＴ成分による利得が誤差要因となるため、複数地点で発生する損失及びＸＴの地点毎の測定が困難となる問題がある。

Ｔ． Ｏｄａ ｅｔ ａｌ．，"ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＯＦ ＭＯＤＡＬ ＡＴＴＥＮＵＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＣＲＯＳＳＴＡＬＫ ＩＮ ＳＰＬＩＣＥＤ ＦＥＷ－ＭＯＤＥ ＦＩＢＲＥＳ ＢＡＳＥＤ ＯＮ ＭＯＤＥ－ＲＥＳＯＬＶＥＤ ＢＯＴＤＡ"， Ｐｒｏｃ． ＥＣＯＣ２０１９， Ｐ３６ （２０１９）．

本開示の目的は、複数のモードが伝搬する光ファイバの複数地点で発生する損失及びＸＴをそれぞれ独立に測定する測定装置及びその測定方法を提供することにある。

本開示の測定装置は、
被測定光ファイバの損失及びクロストークを測定する装置であって、
周波数掃引したプローブ光を被測定光ファイバの一端から入射し、プローブ光に対しブリルアン周波数シフト量に対応した周波数差を有するポンプ光を前記被測定光ファイバの他端から入射することで、前記被測定光ファイバにおいてプローブ光を増幅する、光入射部と、
前記被測定光ファイバ全区間を基本モードとして伝搬した際の群遅延時間に対応する長さの遅延用光ファイバに入射することで遅延時間を付与したローカル光を、前記被測定光ファイバから出力されたプローブ光と合波した合波光を受光する、受光部と、
前記受光部から得られる信号強度を用いて、プローブ光とローカル光の干渉波形を測定する干渉波形測定部と、
前記干渉波形をもとに前記被測定光ファイバの全区間を基本モードとして伝搬したプローブ光の基本モード時間波形を取得する基本モード時間波形解析部と、
前記基本モード時間波形に基づいて、前記被測定光ファイバの所望の地点における損失及びクロストークを算出する制御演算部と、
を備える。

本開示の測定方法は、
被測定光ファイバの損失及びクロストークを測定する方法であって、
光入射部が、周波数掃引したプローブ光を被測定光ファイバの一端から入射し、プローブ光に対しブリルアン周波数シフト量に対応したブリルアン周波数シフト量に対応した周波数差を有するポンプ光を前記被測定光ファイバの他端から入射することで、前記被測定光ファイバにおいてプローブ光を増幅し、
受光部が、前記被測定光ファイバ全区間を基本モードとして伝搬した際の群遅延時間に対応する長さの遅延用光ファイバに入射することで遅延時間を付与したローカル光を、前記被測定光ファイバから出力されたプローブ光と合波した合波光を受光し、
干渉波形測定部が、前記受光部から得られる信号強度を用いて、プローブ光とローカル光の干渉波形を測定し、
基本モード時間波形解析部が、前記干渉波形をもとに前記被測定光ファイバの全区間を基本モードとして伝搬したプローブ光の基本モード時間波形を取得し、
制御演算部が、前記基本モード時間波形に基づいて、前記被測定光ファイバの所望の地点における損失及びクロストークを算出する。

本開示によれば、ブリルアン利得解析法による損失及びＸＴの測定において問題となる光ファイバ中のプローブ光のＸＴ成分を抑圧することで、複数のモードが伝搬する光ファイバの各地点で発生する損失及びＸＴをそれぞれ独立に測定することが可能である。

本開示の実施形態に係る測定手段の一例を示す。 ２モードファイバにおけるブリルアン利得スペクトルの一例を示す。 被測定光ファイバの全区間をＬＰ_０１モードで伝搬したプローブ光に発生するクロストーク成分の説明図である。 被測定光ファイバの全区間をＬＰ_０１モードで伝搬したプローブ光の抽出方法の説明図である。 光ファイバ伝送路モデルの一例を示す。 ブリルアン利得係数の取得方法の一例を示す。 ブリルアン利得係数の取得方法の一例を示す。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。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。

（複数モード間で発生するブリルアン利得）
被測定光ファイバにおいて、ブリルアン増幅が最大となるブリルアン周波数シフトν_ｂは、次式で与えられる。
（数１）
ν_ｂ＝２ｎ_ｉＶ_ａ／λ （１）
ここで、ｎ_ｉは当該モードの実効屈折率、Ｖ_ａは音響波の実効速度、λは真空中の波長である。すなわち、複数モードが伝搬する光ファイバにおいては、伝搬するモードによりブリルアン周波数シフト量が異なることを意味しており、各モードにおけるブリルアン利得スペクトルが、モード毎に異なる。本開示はこれを利用するものである。

簡単のために２つのモードのみが伝搬する２モードファイバ（ＴＭＦ）を考えた場合、ポンプ光及びプローブ光の各々がＬＰ_０１およびＬＰ_１１モードの双方で振幅を有する場合には、
（１）ｖ_{０１－０１}（ポンプ光のＬＰ_０１成分とプローブ光のＬＰ_０１成分との間の相互作用）
（２）ｖ_{０１－１１}（ポンプ光のＬＰ_０１成分とプローブ光のＬＰ_１１成分との間、あるいはポンプ光のＬＰ_１１成分とプローブ光のＬＰ_０１成分との間の相互作用）
（３）ｖ_{１１－１１}（ポンプ光のＬＰ_１１成分とプローブ光のＬＰ_１１成分との間の相互作用）
の３つの異なるブリルアン利得スペクトルが存在する。

このように、ＴＭＦ出射後のポンプ光およびプローブ光にはそれぞれＬＰ_０１モードとＬＰ_１１モードが存在しうる状態となる。本開示では、プローブ光をＬＰ_０１モードのみ伝搬した成分のみにし、ＦＭＣＷ法でプローブ光のＬＰ_０１モードの成分のみの抽出を行う。これによりプローブ光は常にＬＰ_０１モード、ポンプ光はＬＰ_０１モードもしくはＬＰ_１１モードが被測定光ファイバ中に存在するため、この時に発生したブリルアン増幅量を測定し、増幅量を解析することで、ポンプ光が受けた損失およびクロストーク（ＬＰ_０１モードの損失、ＬＰ_１１モードの損失、クロストーク）を取得することができる。以下、詳細に説明する。

本開示の装置は、光入射部と、光遅延付与部と、受光部と、を備える。
光入射部は、プローブ光とポンプ光を、特定のモードに変換した後、被測定光ファイバに入射する。プローブ光は周波数掃引した連続光である。ポンプ光は、プローブ光に対して任意の周波数差を有する。
光遅延付与部は、前記プローブ光と同じ周波数掃光であるローカル光を遅延用光ファイバに入射することで、ローカル光に遅延時間を付与する。遅延用光ファイバは、基本モードのみ伝搬可能であり、前記被測定光ファイバ全区間を基本モードとして伝搬した際の群遅延時間に対応する長さを有する。
受光部は、前記被測定光ファイバを伝搬したプローブ光とローカル光との合波光を受光する。

本開示の装置は、干渉波形測定部と、基本モード時間波形解析部と、制御演算部と、を備える。
干渉波形測定部は、前記被測定光ファイバを伝搬した前記プローブ光と前記遅延用光ファイバを伝搬した前記ローカル光の干渉波形を測定する。
基本モード時間波形解析部は、前記干渉波形をもとに前記被測定光ファイバ全区間を基本モードとして伝搬したプローブ光の時間波形を取得する。
制御演算部は、前記光入射部を制御し、前記基本モード時間波形解析部が取得したプローブ光時間波形に基づいて、被測定光ファイバの任意の地点における損失及びＸＴを算出する。

前記制御演算部は、被測定光ファイバのブリルアン利得係数を取得するために、以下の処理を実行する。
・前記制御演算部は、前記光入射部に対して、モード数が前記被測定光ファイバと同じであり、モード結合のない基準光ファイバに、任意の周波数差を有するポンプ光とプローブ光を、全てのモードの前記ポンプ光と任意の１つのモードの前記プローブ光と組み合わせで入射させる。
・前記制御演算部は、前記受光部が測定した信号強度から、前記モードの前記組み合わせ毎に前記プローブ光で発生したブリルアン利得係数を取得する。
・前記制御演算部は、前記光入射部に対して、前記任意の周波数差を変化させ、前記受光部が測定した信号強度から前記任意の周波数差を変化させたときの前記ブリルアン利得係数を取得する。

前記制御演算部は、被測定光ファイバの損失及びＸＴを測定するために、以下の処理を実行する。
・前記制御演算部は、前記光入射部に対して、前記ブリルアン利得係数を生成したときの周波数差を有するポンプ光とプローブ光を用意し、任意の１つのモードのポンプ光と前記ブリルアン利得係数を取得したときのモードのプローブ光を前記被測定光ファイバに入射する。
・前記制御演算部は、前記基本モード時間波形解析部が取得した基本モード時間波形から、前記周波数差毎に前記プローブ光で発生したブリルアン増幅成分を前記被測定光ファイバの長手方向の分布として取得する。
・前記制御演算部は、前記ブリルアン増幅成分の長手方向分布から、各損失及びＸＴ発生地点におけるブリルアン増幅による増幅量の比を取得する。
・前記制御演算部は、前記ブリルアン増幅による増幅量の比と前記ブリルアン利得係数を用いて、前記ポンプ光を入射した被測定光ファイバの端部に相当する地点から一つ目の損失及びＸＴ発生地点における損失及びＸＴを算出する。
・各損失及びＸＴ発生地点におけるブリルアン増幅による増幅量の比と、前記ブリルアン利得係数と、所望の地点以前の損失及びＸＴを用いて、所望の地点における損失及びＸＴを算出する。

（装置構成の一例）
図１に本開示の実施形態に係る測定手段の一例を示す。本実施形態の装置は、周波数掃引光発生手段１１、光周波数制御手段３１、光パルス化手段３２、遅延用光ファイバ２２、合波素子１３、光受信手段１４、数値化処理手段１５、数値演算手段１６を備える。本開示の数値演算手段１６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。

周波数掃引光発生手段１１、光周波数制御手段３１、及び光パルス化手段３２は、本開示の光入射部として機能する。遅延用光ファイバ２２は、本開示の光遅延付与部として機能する。光受信手段１４は、本開示の受光部として機能する。数値化処理手段１５及び数値演算手段１６は、本開示の干渉波形測定部、基本モード時間波形解析部、及び制御演算部として機能する。

また、本実施形態の装置は、モード合分波手段２１、モード選択・合分波手段３３を備える。モード合分波手段２１は、被測定光ファイバ１００に入射するプローブ光のモードを選択する。モード選択・合分波手段３３は、被測定光ファイバ１００に入射するポンプ光のモードを選択する。

例えば、モード合分波手段２１の入力２１ｉ１に入力されたプローブ光は、ＬＰ_０１モードのまま被測定光ファイバ１００へ入射される。一方、モード合分波手段２１の入力２１ｉ２に入力されたプローブ光は、ＬＰ_１１モードに変換された後に被測定光ファイバ１００へ入射される。

例えば、モード合分波手段３３の入力３３ｉ１に入力されたプローブ光は、ＬＰ_０１モードのまま被測定光ファイバ１００へ入射される。一方、モード合分波手段３３の入力３３ｉ２に入力されたプローブ光は、ＬＰ_１１モードに変換された後に被測定光ファイバ１００へ入射される。

図１において、コヒーレントな周波数掃引光を発生させる周波数掃引光発生手段１１から出力された光は分岐素子１２によって３分岐され、それぞれプローブ光、ポンプ光、ローカル光とする。プローブ光は図１のモード合分波手段２１により基本モードとして被測定光ファイバ１００に入射される。

ポンプ光は光周波数制御手段３１により被測定光ファイバ１００のブリルアン周波数シフトに相当する周波数差を、高い周波数側に付与されたのち、光パルス化手段３２によってパルス化される。その後、前記ポンプ光はモード選択・合分波手段３３により任意のモードに変換されたのち、プローブ光出射側から被測定光ファイバ１００に入射される。

被測定光ファイバ１００に入射されたパルス化されたポンプ光とプローブ光は、被測定光ファイバ１００の全区間においてブリルアン相互作用を発生させ、これによりプローブ光はブリルアン増幅される。ここで、ポンプ光がパルスであることから、ポンプ光の入射時間を基準とした各時刻におけるプローブ光の増幅量が被測定光ファイバ１００の各地点におけるポンプ光の光強度に対応する。

ローカル光は遅延用光ファイバ２２により被測定光ファイバ１００に相当する遅延量を付与される。その後、ローカル光と被測定光ファイバ１００から出射したプローブ光は合波素子１３で合波され、光受信手段１４により電気信号へと変換される。光受信手段１４は、光信号を電気信号に変換可能な任意の装置であり、例えばバランスフォトディテクタ（ＢＰＤ）を用いることができる。受信した電気信号は、数値化処理手段１５により数値化され、数値演算手段１６により被測定光ファイバ全区間を基本モードとして伝搬したプローブ光成分の時間波形が抽出される。その後、数値演算手段１６は、プローブ光成分の時間波形から、ブリルアン利得分布を取得する。

具体的なブリルアン利得の解析は、ポンプ光を入射しない場合のプローブ光の参照強度を取得する。その後、ポンプ光とプローブ光を入射した場合の信号強度を取得する。前記信号強度から参照強度の増加量を算出することによって、ブリルアン利得分布が取得できる。

本構成は一例であり、同様にモードに応じた周波数（波長）シフトに相当する周波数差および入射時間差をポンプ光とプローブ光間に与え、被測定光ファイバ１００の全区間を基本モードとして伝搬したプローブ光が任意のモードにより増幅された際の時間波形を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。また、一般的なＳＭＦにおいても入射する波長を短くすることで、本開示を適用できるため、被測定光ファイバ１００については、複数モードが伝搬する条件を有するものであればよい。

（ブリルアン利得係数取得）
ブリルアン利得スペクトルは一般的に３０ＭＨｚ程度の半値全幅（ＦＷＨＭ）を持つため、モード毎のブリルアン周波数シフトν_ｂが十分に離れていない場合は、他のモード成分に対しても同時にブリルアン作用が発生することになる。つまり、利得を観測する際に所望のモード以外による利得が発生するため、損失成分およびＸＴ成分が混ざった利得が発生する。利得成分を損失成分とＸＴ成分に分解するためには、各モード間におけるブリルアン利得係数を利用する。ブリルアン利得係数を用いた損失成分及びＸＴ成分への分解については、後述の複数の接続点において損失及びＸＴの発生する接続点モデルで述べる。以下では、各モード間のブリルアン利得係数の取得手順について示す。

複数モードが伝搬する光ファイバでは、利用するモードの組み合わせによって、ブリルアン周波数シフトや利得量が異なる。この違いを利用し、あらかじめ被測定光ファイバ１００と同じ特性を示し、かつ光ファイバ中でモード結合が発生していない基準光ファイバを別に用意し、その光ファイバにおけるポンプ光とプローブ光との周波数差に対応した各モードのブリルアン利得係数の取得を行う。ここで、基準光ファイバは、モード数が被測定光ファイバ１００と同じ光ファイバであり、また各モード間で発生するブリルアン利得スペクトル（利得が発生するポンプ光とプローブ光の周波数差とその周波数差におけるブリルアン利得係数）が同じであるが、モード結合がない光ファイバである。つまり、基準光ファイバは、モード結合の無い状態でのブリルアン利得係数をあらかじめ取得しておくために使用される。

ブリルアン利得係数は、被測定光ファイバ１００を伝搬する全てのモードのポンプ光と任意の一つのモードのプローブ光の組み合わせで取得する。つまり、２つのモードのみが伝搬する光ファイバ（ＴＭＦ）において、プローブ光のモードにＬＰ_０１モードを利用する場合、ブリルアン利得係数を取得する組み合わせとしては、
（１）ｖ_{０１－０１}（ポンプ光のＬＰ_０１成分とプローブ光のＬＰ_０１成分との間の相互作用）
（２）ｖ_{０１－１１}（ポンプ光のＬＰ_１１成分とプローブ光のＬＰ_０１成分との間の相互作用）
となる。図２に２モードファイバにおけるブリルアン利得スペクトルの一例を示す。図２より、ポンプ光とプローブ光の周波数差によって発生するモードのブリルアン利得係数が異なる様子が確認できる。

なお、ブリルアン利得係数は、ポンプ光とプローブ光のモードのパワーを固定し、入射するプローブ光のモードを固定した状態で、入射するポンプ光のモードを変更し、その際の利得量を測定することで取得可能である。

（ＦＭＣＷ法によるプローブ光ＸＴ成分抑圧）
伝送路において損失及びＸＴ発生地点が複数存在する場合には、ブリルアン利得係数を取得する際に利用するプローブ光のモード以外の成分（プローブ光のＸＴ）による利得が発生し、それにより損失及びＸＴの正確な測定が困難となる。そこで、周波数掃引光干渉法（ＦＭＣＷ法）と各モード間の群遅延時間差（ＤＭＤ）を利用して光ファイバ中のプローブ光のＸＴ成分を除去する。

具体的には、ＴＭＦにおいて、損失およびＸＴを測定するためのプローブ光のモードがＬＰ_０１の場合、被測定光ファイバ１００の全区間をＬＰ_０１として伝搬した成分のみ抽出する。図３及び図４に、この抽出方法の概念図を示す。

本抽出では、図３に示すように、まず周波数掃引光源１１を用意し、周波数掃引光源１１からの光を分岐素子１２で２つに分岐する。分岐した光の一方をプローブ光、もう一方をローカル光とする。プローブ光はＴＭＦ１０１に、またローカル光はＳＭＦ１０２にそれぞれＬＰ_０１として入射する。ＴＭＦ１０１では各接続点ｚ_１～ｚ_ｎでＸＴが発生するため、プローブ光の一部がＬＰ_１１として伝搬する。ＴＭＦ１０１およびＳＭＦ１０２から出射した光は合波素子１３で合波された後、光受信手段１４で電気信号へ変換する。

受信した電気信号は図４（ａ）に示すようなプローブ光とローカル光の干渉波形であり、この波形をフーリエ変換すると図４（ｂ）に示すようなプローブ光とローカル光のビート周波数に対するプローブ光強度が取得できる。ここで、ビート周波数はプローブ光とローカル光の遅延時間差に対応する。

複数モードが伝搬する光ファイバでは、各モードで群遅延時間が異なる特性を有する。ここで、ＬＰ_０１の群遅延時間がＬＰ_１１よりも小さい光ファイバを想定すると、図４（ｂ）に示すようなビート周波数が一番小さいピークＰｂが、被測定光ファイバ１００の全区間をＬＰ_０１として伝搬した成分となる。つまり、この周波数よりも大きいピークは、被測定光ファイバ１００の一部区間でＬＰ_１１として伝搬する成分となる。ここで、図４（ｂ）の波形に対して、ピークＰｂのみを周波数フィルタで抽出し、このピークＰｂをＤＣ、つまり周波数がゼロとなる点へシフトさせる。その後、この波形を逆フーリエ変換することにより、図４（ｃ）に示すような、被測定光ファイバ１００の全区間をＬＰ_０１として伝搬した成分のプローブ光の時間波形すなわち「基本モード時間波形」を取得することができる。

（ブリルアン利得およびブリルアン損失を用いた損失及びＸＴの測定）
本開示に係る実施形態の説明のため、一例として図５に示すような接続点（損失及びＸＴの発生地点）がｎ個存在する光ファイバ伝送路モデルを考える。本モデルでは、ポンプ光にＬＰ_１１モード、プローブ光にＬＰ_０１モードを利用し、衝突時にプローブ光に発生するブリルアン増幅の増幅量を被測定光ファイバ１００の長手方向で比較することで、各接続点で発生する損失量及びＸＴ量を測定する。

図５に示すように、各接続点ｚ_１～ｚ_ｎでは、ポンプ光及びプローブ光が通過する時に、それぞれ損失と他のモード成分へ結合するＸＴの二つが発生する。本実施形態では、被測定光ファイバ１００を出射後のプローブ光は、ＦＭＣＷ法により、被測定光ファイバ１００の全区間をＬＰ_０１モードとして伝搬した成分のみ抽出される。そして、抽出したＬＰ_０１モードのプローブ光成分を用いて、ＬＰ_０１モードのプローブ光とＬＰ_１１モードまたはＬＰ_０１モードのポンプ光とのブリルアン相互作用で発生するブリルアン増幅による増幅量を取得する。

被測定光ファイバ１００に入射するポンプ光およびプローブ光の光強度をそれぞれＰ_ｒ、Ｐ_ｐとした際の、伝送路の接続点ｚで発生するＬＰ_０１プローブ光のブリルアン増幅による増幅量ΔＰｓ_０１は、次式で表せる。

ここで、ｇ_{０１－０１}およびｇ_{０１－１１}はそれぞれＬＰ_０１－ＬＰ_０１間，ＬＰ_０１－ＬＰ_１１間のブリルアン利得係数であり、η^ｋ _{ａｂ－ｃｄ}はポンプ光入射側からみてｋ番目の接続点ｚ_ｋにおけるＬＰ_ａｂからＬＰ_ｃｄモードへの結合効率である。ここでｋが１～ｎおよびｎ～１の場合は、それぞれ１番目からｎ番目およびｎ番目から１番目までの接続点ｚ_１～ｚ_ｎを通過した際の結合効率であり、ηの矢印は→がポンプ光、←がプローブ光の結合効率を表している。なお、簡単のためポンプ光およびプローブ光が受ける伝搬損失は無視している。

式（２）～（５）のブリルアン増幅による増幅量を長手方向で比較すると、各接続点ｚ_１～ｚ_ｎで観測されるプローブ光の増幅量の比は以下のように表せる。

ここで式（７）～（１０）より、観測される比はポンプ光が受ける損失成分およびＸＴ成分を含んだ値となることがわかる。また、式（８）のＬ_２および式（９）のＬ_３は、それ以前の接続点ｚ_１～ｚ_ｎで発生する損失およびＸＴを含んだ値となり、式（１０）に示すＬ_ｎのｎに２および３を代入した形となることがわかる。

次に、各接続点ｚ_１～ｚ_ｎで観測される利得量の比とブリルアン利得係数を用いて、損失およびＸＴの情報取得を行う。ここで、Ｌ_２～Ｌ_ｎについては全てＬ_ｎで表せるため、以下ではＬ_１を用いた１番目の接続点ｚ_１で発生する損失及びＸＴ測定手順とＬ_ｎを用いたｎ番目の接続点ｚ_ｎで発生する損失及びＸＴの測定手順について記す。

（ｉ）１番目の接続点ｚ_１における損失及びＸＴ
式（７）に示すように、Ｌ_１はＬＰ_１１の損失及びＸＴとモード間のブリルアン利得係数によって表されるが、ここでＬ_１およびブリルアン利得係数はポンプ光とプローブ光の間の周波数差νに依存する特性を利用する。周波数差を考慮すると、式（７）のＬ_１は以下のように表せる。

ここで、Ｋ（ν）はｇ_{０１－０１}（ν）とｇ_{０１－１１}（ν）の比である。ν_１およびν_２となる二つの周波数差において得られる結果を利用すると、接続点ｚ_１で発生する損失及びＸＴは以下のように表せる。

ここで、ＫおよびＬ_１はそれぞれ測定可能であるため、接続点ｚ_１で発生する損失を式（１２）で、またＸＴを式（１３）を用いて取得できる。

（ｉｉ）ｎ番目の接続点ｚ_ｎにおける損失及びＸＴ
（ｉ）の処理と同様に、Ｌｎおよびブリルアン利得係数がポンプ光とプローブ光の間の周波数差νに依存する特性を利用する。周波数差を考慮すると、式（１０）のＬｎは以下のように表せる。

ここで、式（１４）の分母をＩ（ν）とおくと以下のように変形できる。

ν_１、ν_２、ν_３、ν_４となる四つの周波数差において得られる結果を利用すると、以下のような形で表せる。

ここで、式（１６）において、ブリルアン利得係数を含む行列の逆行列をかけると式（１６）は以下のように変形できる。

ここで、Ｌ_１は測定可能であり、ｇ_{０１－０１}およびｇ_{０１－１１}についても事前に取得可能である。

またη^{１～ｎ－１}は接続点ｚ_１から接続点ｚ_ｎ－１までの全ての接続点における損失及びＸＴの測定値から算出可能であるため、Ｉ（ν）についても取得可能である。したがって、式（１７）を用いて、接続点ｚ_ｎで発生する損失およびＸＴを取得できる。

（本開示の測定手順）
本開示の損失及びＸＴ測定方法は、被測定光ファイバ１００の複数地点で発生する損失およびＸＴをそれぞれ独立に測定する方法であって、ブリルアン利得係数を取得する第１のステップＳ１と、ブリルアン利得係数を用いてｎ番目の接続点ｚ_ｎにおける損失及びＸＴを算出する第２のステップＳ２と、順に備える。

図６に、第１のステップＳ１の一例を示す。
被測定光ファイバ１００と同じ特性を示すモード結合の無い基準光ファイバを用意する（Ｓ１１）。基準光ファイバは、モード数が被測定光ファイバ１００と同じであり、被測定光ファイバ１００と同じ特性を示すものである。
プローブ光とポンプ光の周波数差を設定する（Ｓ１２）。
ポンプ光およびプローブ光のモードを変換する（Ｓ１３）。例えば、ポンプ光をＬＰ_０１モードからＬＰ_１１モードに変換する。ポンプ光およびプローブ光の両方がＬＰ_０１モードの場合、この手順は不要である。
ポンプ光およびプローブ光を基準光ファイバに入力し（Ｓ１４）、プローブ光で発生した利得のブリルアン利得係数を取得する（Ｓ１５）。

第２のステップで使用するブリルアン利得係数を全て取得しているか否かを判定し（Ｓ１６）、第２のステップで使用するブリルアン利得係数を全て取得していない場合は、ステップＳ１２～Ｓ１５を繰り返す。第２のステップで使用するブリルアン利得係数を全て取得している場合は、第２のステップに移行する。本実施形態では、被測定光ファイバ１００の伝搬可能なモードがＬＰ_０１モード及びＬＰ_１１モードであるため、ｇ_{０１－０１}およびｇ_{０１－１１}の両方を取得するまで、ステップＳ１２～Ｓ１５を繰り返す。

図７に、第２のステップＳ２の一例を示す。
Ｓ２１：プローブ光とポンプ光の周波数差を設定する。このとき、任意の１つのブリルアン利得係数を取得したときの、プローブ光とポンプ光の周波数差に設定する。例えば、図２に示すＬＰ_１１モードとＬＰ_０１モードのブリルアン利得係数ｇ_{０１－１１}のピークが得られている周波数差である１０．７９５ＧＨｚに設定する。ここで、本開示では、最低２つ以上の利得係数が必要になる。そこで、２以上の周波数差を設定する。
Ｓ２２：プローブ光とポンプ光の入射時間差を設定する。ここで、プローブ光とポンプ光の入射時間差は光ファイバ中で衝突する地点と対応するため、接続点前後の利得量を取得できるように、入射時間差を設定する。

Ｓ２３：ポンプ光およびプローブ光のモードを変換する。例えば、ポンプ光をＬＰ_０１モードからＬＰ_１１モードに変換する。ポンプ光およびプローブ光の両方がＬＰ_０１モードの場合、この手順は不要である。
Ｓ２４：ＦＭＣＷ法により被測定光ファイバ１００の全区間を基本モードとして伝搬したプローブ光のみを抽出する。具体的な方法は図４で説明したとおりである。

Ｓ２５：ポンプ光を入射する。
Ｓ２６：ポンプ光を入射したときのプローブ光の増幅量の分布から各接続点ｚ_１～ｚ_ｎにおける利得量の比を取得する。
Ｓ２７：利得係数を取得した全ての周波数差における増幅量の分布を取得したか否かを判定する。利得係数を取得した全ての周波数差における増幅量の分布を取得していない場合（Ｓ２７においてＮｏ）、ステップＳ２１～Ｓ２６を繰り返す。利得係数を取得した全ての周波数差における増幅量の分布を取得した場合（Ｓ２７においてＹｅｓ）、以下の処理を実行する。

Ｓ２８：第１のステップＳ１で取得したブリルアン利得係数と観測される増幅量の比を用いて、ポンプ光入射側からみて１個目の接続点における損失およびＸＴを取得する。
Ｓ２９：損失及びＸＴを求めたい接続点が１個目の接続点であるか否かを判定する。
Ｓ３０：１～ｉ－１までの損失及びＸＴと、ステップＳ１で取得したブリルアン利得係数と、ｉ個目の増幅量の比と、を用いてｉ個目の損失及びＸＴを取得する。

なお、本実施形態では被測定光ファイバが２つのモードのみが伝搬するＴＭＦである例を示したが、本開示はこれに限定されない。例えば、本開示は、プローブ光及びポンプ光の伝搬モードを３モード以上とし、ステップＳ２１において設定する周波数差を３以上とすることで、３モード以上を伝搬する被測定光ファイバにも適用が可能である。

本開示は情報通信産業に適用することができる。

１１：周波数掃引光源
１２、１７：分岐素子
１３：合波素子
１４：光受信手段
１５：数値化処理手段
１６：数値演算手段
２１：モード合分波手段
２２：遅延用光ファイバ
３１：光周波数制御手段
３２：光パルス化手段
１００：被測定光ファイバ
１０１：ＴＭＦ

Claims (6)

1. 被測定光ファイバの損失及びクロストークを測定する装置であって、
   周波数掃引したプローブ光を被測定光ファイバの一端から入射し、プローブ光に対しブリルアン周波数シフト量に対応した周波数差を有するポンプ光を前記被測定光ファイバの他端から入射することで、前記被測定光ファイバにおいてプローブ光を増幅する、光入射部と、
   前記被測定光ファイバ全区間を基本モードとして伝搬した際の群遅延時間に対応する長さの遅延用光ファイバに入射することで遅延時間を付与したローカル光を、前記被測定光ファイバから出力されたプローブ光と合波した合波光を受光する、受光部と、
   前記受光部から得られる信号強度を用いて、プローブ光とローカル光の干渉波形を測定する干渉波形測定部と、
   前記干渉波形をもとに前記被測定光ファイバの全区間を基本モードとして伝搬したプローブ光の基本モード時間波形を取得する基本モード時間波形解析部と、
   前記基本モード時間波形に基づいて、前記被測定光ファイバの所望の地点における損失及びクロストークを算出する制御演算部と、
   を備える装置。
2. 前記制御演算部は、
   前記被測定光ファイバのブリルアン利得係数を、前記被測定光ファイバの伝搬可能なモードの全ての組み合わせのポンプ光及びプローブ光について取得することと、
   前記基本モード時間波形を用いて、前記プローブ光で発生したブリルアン増幅成分を前記被測定光ファイバの長手方向の分布として取得すること、
   前記被測定光ファイバの長手方向における前記ブリルアン増幅成分の分布を用いて、損失及びクロストークの発生地点におけるブリルアン増幅による増幅量の比を取得すること、
   ポンプ光の入射地点から前記所望の地点までの前記増幅量の比及び前記ブリルアン利得係数を用いて、前記被測定光ファイバの任意の地点における損失及びクロストークを算出すること、
   を実行する請求項１に記載の装置。
3. 前記制御演算部は、
   前記光入射部に対して、プローブ光に対し任意の周波数差を有するポンプ光とプローブ光を、伝搬可能なモードが前記被測定光ファイバと同じでありかつモード結合のない基準光ファイバに、前記被測定光ファイバの伝搬可能な任意の１つのモードのプローブ光との組み合わせで入射させること、
   前記受光部が測定した信号強度から、前記被測定光ファイバの伝搬可能なモードの組み合わせ毎に、前記被測定光ファイバのブリルアン利得係数を取得すること、
   前記光入射部に対して、前記任意の周波数差を変化させ、前記基準光ファイバに、前記被測定光ファイバの伝搬可能な任意の１つのモードのプローブ光との組み合わせで入射させること、
   前記受光部が測定した信号強度から、前記任意の周波数差を変化させたときの前記ブリルアン利得係数を取得すること、
   前記周波数差に対応する前記被測定光ファイバのブリルアン利得係数及び前記基本モード時間波形に基づいて、前記被測定光ファイバの所望の地点における損失及びクロストークを算出すること、
   を実行する請求項２に記載の装置。
4. 前記制御演算部は、
   前記ポンプ光の入射地点から一つ目の損失及びクロストークの発生地点における前記増幅量の比及び前記ブリルアン利得係数を用いて、前記ポンプ光の入射地点から一つ目の損失及びクロストークの発生地点における損失及びクロストークを算出し、
   前記ポンプ光の入射地点から前記所望の地点までの損失及びクロストーク、前記所望の地点での前記増幅量の比及び前記ブリルアン利得係数を用いて、前記所望の地点における損失及びクロストークを算出すること、
   を実行する請求項２又は３に記載の装置。
5. 前記基本モード時間波形解析部は、
   前記干渉波形測定部の測定した干渉波形をフーリエ変換することで、プローブ光とローカル光のビート周波数のプローブ光強度を取得し、
   ビート周波数のプローブ光強度のピークのうちの最小のピークの周波数成分を抽出し、
   抽出した周波数成分を逆フーリエ変換することにより、前記基本モード時間波形を取得する、
   請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. 被測定光ファイバの損失及びクロストークを測定する方法であって、
   光入射部が、周波数掃引したプローブ光を被測定光ファイバの一端から入射し、プローブ光に対しブリルアン周波数シフト量に対応した周波数差を有するポンプ光を前記被測定光ファイバの他端から入射することで、前記被測定光ファイバにおいてプローブ光を増幅し、
   受光部が、前記被測定光ファイバ全区間を基本モードとして伝搬した際の群遅延時間に対応する長さの遅延用光ファイバに入射することで遅延時間を付与したローカル光を、前記被測定光ファイバから出力されたプローブ光と合波した合波光を受光し、
   干渉波形測定部が、前記受光部から得られる信号強度を用いて、プローブ光とローカル光の干渉波形を測定し、
   基本モード時間波形解析部が、前記干渉波形をもとに前記被測定光ファイバの全区間を基本モードとして伝搬したプローブ光の基本モード時間波形を取得し、
   制御演算部が、前記基本モード時間波形に基づいて、前記被測定光ファイバの所望の地点における損失及びクロストークを算出する、
   方法。

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