特許 6683973 モード結合比率分布測定装置及びモード結合比率分布測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6683973

(24)【登録日】2020年3月31日

(45)【発行日】2020年4月22日

(54)【発明の名称】モード結合比率分布測定装置及びモード結合比率分布測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01M 11/02 20060101AFI20200413BHJP

   G01M 11/00 20060101ALI20200413BHJP

【ＦＩ】

   G01M11/02 N

   G01M11/00 Q

【請求項の数】2

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-28634(P2017-28634)

(22)【出願日】2017年2月20日

(65)【公開番号】特開2018-136126(P2018-136126A)

(43)【公開日】2018年8月30日

【審査請求日】2019年5月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504155293

【氏名又は名称】国立大学法人島根大学

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】高橋 央

(72)【発明者】

【氏名】戸毛 邦弘

(72)【発明者】

【氏名】鬼頭 千尋

(72)【発明者】

【氏名】真鍋 哲也

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 文彦

【審査官】 伊藤 裕美

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１７−００３３３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０３１７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１９７０１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｍ １１／００ − １１／０８

Ｈ０４Ｂ １０／００ − １０／９０

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のモードを多重する数モード光ファイバの長さ方向にわたるモード結合比率分布を測定するモード結合比率分布測定装置であって、
モード毎にプローブ光を前記数モード光ファイバの一端に入力するとともに、前記プローブ光の各モードに対してモード毎にポンプ光を前記数モード光ファイバの他端に入力する光入力回路と、
前記光入力回路が入力する前記プローブ光と前記ポンプ光との間の周波数差を変えて前記数モード光ファイバの他端から出力する出力プローブ光の光強度をモード毎に測定し、ブリルアン利得分布を取得し、前記ブリルアン利得分布から前記数モード光ファイバの任意位置における前記プローブ光と前記ポンプ光とのモード間のブリルアン利得スペクトルを取得する測定回路と、
前記測定回路が所望のモードｐ１の前記出力プローブ光を測定して取得したモードｐ１の前記プローブ光と任意のモードの前記ポンプ光との間の前記ブリルアン利得スペクトルと前記測定回路が所望のモードｐ２の前記出力プローブ光を測定して取得したモードｐ１前記プローブ光と前記任意のモードの前記ポンプ光との間の前記ブリルアン利得スペクトルとの強度比を計算し、前記数モード光ファイバの任意位置におけるモードｐ１に対するモードｐ２の結合比率とする演算回路と、
を備えることを特徴とするモード結合比率分布測定装置。

【請求項2】

複数のモードを多重する数モード光ファイバの長さ方向にわたるモード結合比率分布を測定するモード結合比率分布測定方法であって、
モード毎にプローブ光を前記数モード光ファイバの一端に入力するとともに、前記プローブ光の各モードに対してモード毎にポンプ光を前記数モード光ファイバの他端に入力する光入力手順と、
前記光入力手順で入力する前記プローブ光と前記ポンプ光との間の周波数差を変えて前記数モード光ファイバの他端から出力する出力プローブ光の光強度をモード毎に測定し、ブリルアン利得分布を取得し、前記ブリルアン利得分布から前記数モード光ファイバの任意位置における前記プローブ光と前記ポンプ光とのモード間のブリルアン利得スペクトルを取得する測定手順と、
前記測定手順で所望のモードｐ１の前記出力プローブ光を測定して取得したモードｐ１の前記プローブ光と任意のモードの前記ポンプ光との間の前記ブリルアン利得スペクトルと前記測定手順で所望のモードｐ２の前記出力プローブ光を測定して取得したモードｐ１前記プローブ光と前記任意のモードの前記ポンプ光との間の前記ブリルアン利得スペクトルとの強度比を計算し、前記数モード光ファイバの任意位置におけるモードｐ１に対するモードｐ２の結合比率とする演算手順と、
を行うことを特徴とするモード結合比率分布測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、主に数モード光ファイバ（以下、ＦＭＦと称する）やそれを用いた光伝送システムにおいて、光ファイバおよび伝送路の特性を非破壊に評価するための測定装置とその方法に関する。

【背景技術】

【0002】

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ＦＭＦ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モード合分波デバイスの他に、接続点や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モード結合量を適正以下に設計・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のパワー比率より、ＬＰ０１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。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発生する後方ブリルアン散乱光のブリルアン周波数シフトが異なることを利用している。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】中沢ほか、マルチチャネルＯＴＤＲを用いたフューモードファイバ中におけるモード結合量の長手分布測定、電子情報通信学会総合大会、２０１４年、Ｂ−１３−９

【非特許文献2】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）

【非特許文献3】Ｔ．Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ， “ＢＯＴＤＡ−ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｕｓｉｎｇ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ： Ｔｈｅｏｒｙ”， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｖｏｌ． ７， Ｎｏ． ８， ｐｐ． １１７０−１１７６ （１９８９）

【発明の概要】

【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透過する際と、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、被測定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が、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のピーク振幅の長さ方向分布を算出し、被測定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課題がある。

【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課題がある。

【0010】

そこで、本発明は、前記課題を解決するために、長さ方向に対するモード結合が不均一、モード変換点前後でのブリルアン利得特性が不均一、あるいはモード変換点のモード結合比率の方向依存性がある被測定光ファイバであってもモード変換点におけるモード結合比率を正確に測定可能なモード結合比率分布測定装置及びモード結合比率分布測定方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記目的を達成するために、本発明に係るモード結合比率分布測定装置は、ＦＭＦにおいて伝搬するモードによりブリルアン周波数シフトが異なり、得られる各モードにおける任意位置でのブリルアンスペクトルがモード毎に異なるピークを有することを利用し、モード結合比率を測定することとした。

【0012】

具体的には、本発明に係るモード結合比率分布測定装置は、複数のモードを多重する数モード光ファイバの長さ方向にわたるモード結合比率分布を測定するモード結合比率分布測定装置であって、
モード毎にプローブ光を前記数モード光ファイバの一端に入力するとともに、前記プローブ光の各モードに対してモード毎にポンプ光を前記数モード光ファイバの他端に入力する光入力回路と、
前記光入力回路が入力する前記プローブ光と前記ポンプ光との間の周波数差を変えて前記数モード光ファイバの他端から出力する出力プローブ光の光強度をモード毎に測定し、ブリルアン利得分布を取得し、前記ブリルアン利得分布から前記数モード光ファイバの任意位置における前記プローブ光と前記ポンプ光とのモード間のブリルアン利得スペクトルを取得する測定回路と、
前記測定回路が所望のモードｐ１の前記出力プローブ光を測定して取得したモードｐ１の前記プローブ光と任意のモードの前記ポンプ光との間の前記ブリルアン利得スペクトルと前記測定回路が所望のモードｐ２の前記出力プローブ光を測定して取得したモードｐ１前記プローブ光と前記任意のモードの前記ポンプ光との間の前記ブリルアン利得スペクトルとの強度比を計算し、前記数モード光ファイバの任意位置におけるモードｐ１に対するモードｐ２の結合比率とする演算回路と、
を備えることを特徴とする。

【0013】

また、本発明に係るモード結合比率分布測定方法は、複数のモードを多重する数モード光ファイバの長さ方向にわたるモード結合比率分布を測定するモード結合比率分布測定方法であって、
モード毎にプローブ光を前記数モード光ファイバの一端に入力するとともに、前記プローブ光の各モードに対してモード毎にポンプ光を前記数モード光ファイバの他端に入力する光入力手順と、
前記光入力手順で入力する前記プローブ光と前記ポンプ光との間の周波数差を変えて前記数モード光ファイバの他端から出力する出力プローブ光の光強度をモード毎に測定し、ブリルアン利得分布を取得し、前記ブリルアン利得分布から前記数モード光ファイバの任意位置における前記プローブ光と前記ポンプ光とのモード間のブリルアン利得スペクトルを取得する測定手順と、
前記測定手順で所望のモードｐ１の前記出力プローブ光を測定して取得したモードｐ１の前記プローブ光と任意のモードの前記ポンプ光との間の前記ブリルアン利得スペクトルと前記測定手順で所望のモードｐ２の前記出力プローブ光を測定して取得したモードｐ１前記プローブ光と前記任意のモードの前記ポンプ光との間の前記ブリルアン利得スペクトルとの強度比を計算し、前記数モード光ファイバの任意位置におけるモードｐ１に対するモードｐ２の結合比率とする演算手順と、
を行うことを特徴とする。

【0014】

ＦＭＦを出力する出力プローブ光の光強度をモード毎に測定し、所望のモード間（ｐ１とｐ２）の出力プローブ光の光強度の比率を求めることで、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、当該比率がモード変換点を通過する際のモードｐ１に対するモードｐ２の結合比率を示すことになる。

【0015】

従って、本発明は、長さ方向に対するモード結合が不均一、モード変換点前後でのブリルアン利得特性が不均一、あるいはモード変換点のモード結合比率の方向依存性がある被測定光ファイバであってもモード変換点におけるモード結合比率を正確に測定可能なモード結合比率分布測定装置及びモード結合比率分布測定方法を提供することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明は、長さ方向に対するモード結合が不均一、モード変換点前後でのブリルアン利得特性が不均一、あるいはモード変換点のモード結合比率の方向依存性がある被測定光ファイバであってもモード変換点におけるモード結合比率を正確に測定可能なモード結合比率分布測定装置及びモード結合比率分布測定方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明に係るモード結合比率分布測定装置を説明するブロック構成図である。

【図2】ＦＭＦの伝送路モデルである。

【図3】本発明に係るモード結合比率分布測定装置で測定した測定点でのポンプ光のＬＰ０１モードにおける振幅ａ０によるブリルアン散乱スペクトルの例である。

【図4】本発明に係るモード結合比率分布測定装置で測定した測定点でのポンプ光のＬＰ１１モードにおける振幅ａ１によるブリルアン散乱スペクトルの例である。

【図5】本発明に係るモード結合比率分布測定装置で測定した結合比率分布の測定例である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

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。

【0019】

図１は、本実施形態のモード結合比率分布測定装置を説明するブロック構成図である。
本モード結合比率分布測定装置は、複数のモードを多重する数モード光ファイバの長さ方向にわたるモード結合比率分布を測定するモード結合比率分布測定装置であって、
モード毎にプローブ光を前記数モード光ファイバの一端に入力するとともに、前記プローブ光の各モードに対してモード毎にポンプ光を前記数モード光ファイバの他端に入力する光入力回路と、
前記光入力回路が入力する前記プローブ光と前記ポンプ光との間の周波数差を変えて前記数モード光ファイバの他端から出力する出力プローブ光の光強度をモード毎に測定し、ブリルアン利得分布を取得し、前記ブリルアン利得分布から前記数モード光ファイバの任意位置における前記プローブ光と前記ポンプ光とのモード間のブリルアン利得スペクトルを取得する測定回路と、
前記測定回路が所望のモードｐ１の前記出力プローブ光を測定して取得したモードｐ１の前記プローブ光と任意のモードの前記ポンプ光との間の前記ブリルアン利得スペクトルと前記測定回路が所望のモードｐ２の前記出力プローブ光を測定して取得したモードｐ１前記プローブ光と前記任意のモードの前記ポンプ光との間の前記ブリルアン利得スペクトルとの強度比を計算し、前記数モード光ファイバの任意位置におけるモードｐ１に対するモードｐ２の結合比率とする演算回路と、
を備える。
本モード結合比率分布測定装置は、ＦＭＦである被測定光ファイバ５０（光ファイバおよび光ファイバ伝送路）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。

【0020】

光入力回路１０は、レーザ光発生手段１１、モード選択／合分波手段１２、光周波数制御手段１３、光パルス化手段１４、及びモード選択／合分波手段１５を有する。光入力回路１０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分岐され、分岐された光の一方をプローブ光として被測定光ファイバ５０の遠端に結合する。また、光入力回路１０は、分岐された光の他方を光周波数制御手段１３で被測定対象光ファイバ５０のブリルアン周波数シフトに相当する約１０〜１１ＧＨｚ程度の周波数差を付与し、光パルス化手段１４でパルス化して被測定光ファイバ５０の近端に結合する。このパルス光は、前記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パルスとして用いられる。

【0021】

前記ポンプ光は、モード選択／合分波手段１５によって任意のモードが選択されて被測定光ファイバ５０の近端から入射される。前記プローブ光は、モード選択／合波手段１２によって任意のモードが選択されて被測定光ファイバ５０の遠端から入射される。

【0022】

測定回路２０は、光フィルタ２１と光受信手段２２を有する。
被測定光ファイバ５０の任意の位置において、プローブ光はポンプ光パルスと相互作用し、ブリルアン増幅され、再びモード選択／合分波手段１５によって任意のモードが選択され、光フィルタ２１によってポンプ光のレイリー散乱が除去されたのち、光受信手段２２にて電気信号に変換される。

【0023】

演算回路３０は、数値化処理手段３１と数値演算手段３２を有する。
光受信手段２２が出力する電気信号は適宜増幅された後に、数値化処理手段３１にて数値化され、数値演算手段３２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。

【0024】

光周波数制御手段１３にて、プローブ光とポンプ光の間の周波数差を適宜変えて同様のブリルアン利得分布を得ることで、被測定光ファイバ５０の任意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。

【0025】

なお、本構成は一例であり、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パルスとプローブ光間に与え、任意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。

【0026】

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、

【数1】

と与えられる。ここで、ｎ_ｉは当該モードの実効屈折率、Ｖａは音響波の実効速度、λは波長である。

【0027】

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（ブリルアン周波数シフトのピーク）を有する。本発明はこれを利用するものである。例えば、２つのモードで伝搬するＦＭＦを考えた場合、ポンプ光、プローブ光の各々がＬＰ０１およびＬＰ１１モードの双方で振幅を有する場合、
１：ν_{０１−０１}（ＬＰ０１同士のポンプ、プローブ成分間の相互作用）
２：ν_{０１−１１}（ＬＰ０１のポンプ成分とＬＰ１１のプローブ成分間、又はＬＰ１１のポンプ成分とＬＰ０１のプローブ成分間の相互作用）
３：ν_{１１−１１}（ＬＰ１１同士のポンプ、プローブ成分間の相互作用）
の３つのブリルアン周波数シフトのスペクトルピークを有する。

【0028】

さらに、ポンプ光によりプローブ光がブリルアン増幅されるため、ブリルアン利得はプローブ光とともに伝搬し受信される。言い換えると、ブリルアン利得は、ポンプ‐プローブ光衝突地点でのプローブ光のモードで発生する。そのため、レイリー散乱やブリルアン散乱のように散乱過程でのモード変換は原理的に発生しない。

【0029】

ここで図２に示すような光ファイバ伝送路モデルを考える。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。今、簡単のためＬＰ０１のポンプ光、プローブ光を長さＬの被測定光ファイバ５０に入射した場合について考える。測定点の位置ｚ（近端からの距離）におけるＬＰ０１、ＬＰ１１モードのポンプ光のパワーをａ_０、ａ_１とする。入射プローブ光のパワーをＰｒすると、測定点の位置ｚにおけるプローブ光のパワーｂ_０、ｂ_１は結合行列Ｍ（Ｌ−ｚ）によってモード変換を生じ、以下で与えられる。

【数2】

ここで、ｍ_ｉｊ（Ｌ−ｚ）は結合行列Ｍ（Ｌ−ｚ）の要素である。

【0030】

測定点ｚ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。

【0031】

ａ_０とｂ_０の間の相互作用を考えると、ブリルアン利得はＬＰ０１モードで発生し、近端でＬＰ０１モードで観測される出力プローブ光の光強度は、モード変換点以外の損失を無視すると、数式２を用いて、

【数3】

となる。ここで、ｇ_{０１−０１}（ν）は、ν_{０１−０１}にピークを持つ利得プロファイルであり、ｍ_ｉｊ（ｚ）は結合行列Ｍ（ｚ）の要素である。
同様に、近端でＬＰ１１モードで観測される出力プローブ光の光強度は、

【数4】

となる。

【0032】

したがって、近端で観測する測定点ｚのブリルアン利得の総和を含む出力プローブ光の光強度は、式（３）と（４）より、

【数5】

【0033】

同様に、ａ_０とｂ_１の間の相互作用を考えると、ブリルアン利得はＬＰ１１モードで発生し、近端でＬＰ０１モードで観測される出力プローブ光の光強度は、

【数6】

近端でＬＰ１１モードで観測される出力プローブ光の光強度は、

【数7】

となる。

【0034】

したがって、近端で観測する測定点ｚのブリルアン利得の総和を含む出力プローブ光の光強度は、式（６）と（７）より、

【数8】

【0035】

同様に、ａ_１とｂ_０の間の相互作用を考えると、ブリルアン利得はＬＰ０１モードで発生し、近端でＬＰ０１モードで観測される出力プローブ光の光強度は、

【数9】

近端でＬＰ１１モードで観測される出力プローブ光の光強度は、

【数10】

となる。

【0036】

したがって、近端で観測する測定点ｚのブリルアン利得の総和を含む出力プローブ光の光強度は、式（９）と（１０）より、

【数11】

【0037】

同様に、ａ_１とｂ_１の間の相互作用を考えると、ブリルアン利得はＬＰ１１モードで発生し、近端でＬＰ０１モードで観測される出力プローブ光の光強度は、

【数12】

近端でＬＰ１１モードで観測される出力プローブ光の光強度は、

【数13】

となる。

【0038】

したがって、近端で観測する測定点ｚのブリルアン利得の総和を含む出力プローブ光の光強度は、式（１２）と（１３）より、

【数14】

【0039】

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）であり、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。

【0040】

実際には、測定点において、プローブ光はｂ_０、ｂ_１双方の振幅を持つことになるため、測定を行うと図３と図４のスペクトルの和が得られることになる。前述のように、ν_{０１−０１}、ν_{０１−１１}、ν_{１１−１１}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ν_{０１−０１}にてピークを持つ利得プロファイル、式（１４）がν_{１１−１１}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）および式（１１）はν_{０１−１１}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。

【0041】

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、ν_{０１−０１}の振幅のみに着目する。モード選択／合分波手段１５にて受信側でＬＰ０１モードのみを選択した場合（出力プローブ光に含まれる測定点ｚ_１におけるブリルアン周波数シフトピークν_{０１−０１}のうちのＬＰ０１モード分）には以下の式が得られる。

【数15】

同様に、受信側でＬＰ１１モードのみを選択した場合（出力プローブ光に含まれる測定点ｚ_１におけるブリルアン周波数シフトピークν_{０１−０１}のうちのＬＰ１１モード分）には、以下の式が得られる。

【数16】

【0042】

上記条件のもと、Ａ（ｚ_１）とＢ（ｚ_１）の比に着目すると、

【数17】

【0043】

式（１７）より、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。つまり、出力プローブ光に含まれる測定点ｚ_１におけるブリルアン周波数シフトピークν_{０１−０１}のときのＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの振幅比が結合比率に相当している。したがって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。

【0044】

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。

【0045】

なお、３つのスペクトルピークは周波数軸上で分解できるが、実際にはブリルアン利得スペクトルは周波数幅をもち、ν_{０１−１１}、ν_{１１−１１}のスペクトルピークを持つブリルアン利得が、ν_{０１−０１}の周波数で観測されてしまう場合が考えられる。この時、非特許文献２のようなＢＯＴＤＲにおいて、周波数分離した場合でも、ブリルアン散乱過程でのモード結合が０．５程度発生し、大きなオフセット値を持つ。一方、本発明では、ブリルアン散乱過程でのモード結合は原理的に無視できるため、式（８）と式（１４）のようにブリルアン発生点までにプローブ光がオフセット値となる。一般的に弱結合を考えた場合、光ファイバ伝送路全体のモード結合は高々０．１程度であるため、測定誤差となるオフセット値を抑えることができる。

【0046】

図１のモード結合比率分布測定装置を用いて、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードを伝搬可能なＦＭＦ（被測定光ファイバ５０）の結合比率を測定する具体的手順を説明する。
まず、レーザ光発生手段１１からの光を用いて、モード選択／合分波手段１２がプローブ光をＬＰ０１モードで被測定光ファイバ５０の遠端に入力する。一方、光パルス化手段１４はレーザ光発生手段１１からの光をパルス化し、モード選択／合分波手段１５が当該パルス光をポンプ光としてＬＰ０１モードで被測定光ファイバ５０の近端に入力する。

【0047】

さらに、モード選択／合分波手段１５は、被測定光ファイバ５０の近端から出力する出力プローブ光のうちＬＰ０１モードを選択し、測定回路２０へ入力する。この状態で、光周波数制御手段１３でプローブ光とポンプ光との光周波数差νを走査させ、光受信手段２２は出力プローブ光（ＬＰ０１モード）の光強度が最大（ピーク）となる光周波数差（ν_{０１−０１}）を検出し、数値演算手段３２はその光強度Ａ（ｚ_１）を記憶する。

【0048】

続いて、光周波数制御手段１３に光周波数差（ν_{０１−０１}）を維持させたまま、モード選択／合分波手段１５は、出力プローブ光のうちＬＰ１１モードを選択し、測定回路２０へ入力する。この状態で、光受信手段２２は出力プローブ光（ＬＰ１１モード）の光強度を検出し、数値演算手段３２はその光強度Ｂ（ｚ_１）を記憶する。

【0049】

さらに、数値演算手段３２はＢ（ｚ_１）／Ａ（ｚ_１）を計算し、ＬＰ０１モードのプローブ光が被測定光ファイバ５０の位置ｚ_１を遠端から近端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（ｍ_１０／ｍ_００）とする。そして、被測定光ファイバ５０内でプローブ光とポンプ光が衝突する位置を調整することで被測定光ファイバ５０の長手方向にわたって結合比率（ｍ_１０／ｍ_００）の分布を取得できる。

【0050】

同様の測定手順を、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モードのプローブ光が被測定光ファイバ５０の位置ｚ_１を遠端から近端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（ｍ_０１／ｍ_１１）を取得できる。同様に、プローブ光とポンプ光が衝突する位置を調整し、被測定光ファイバ５０の長手方向にわたって結合比率（ｍ_０１／ｍ_１１）の分布を取得する。

【0051】

図５は、本モード結合比率分布測定装置で測定したＦＭＦの結合比率分布の測定例である。ＦＭＦを３μｍの軸ずれ融着した位置において大きな結合比率の変化を観測できている。

【0052】

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。被測定光ファイバ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、被測定光ファイバ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、被測定光ファイバ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。

【0053】

本実施形態では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、同様の手段でモード結合状態を把握することができる。なお、３以上のモード多重伝送路でモードｐ１に対するモードｐ２の結合比率を測定する場合、ポンプ光のモードをｐ１やｐ２以外の任意のモードとしてもよい。

【0054】

本発明の特徴をまとめると以下のようになる。

【0055】

まず、式（１７）からわかるように、測定地点でのブリルアン利得プロファイル、ポンプ光、プローブ光強度は相殺されるため知る必要は無く、非特許文献１と異なり、被測定光ファイバ全体に渡って均一であるという前提条件も無い。

【0056】

また、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、被測定対象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。

【0057】

さらに、非特許文献１および２の方法は、被測定ファイバの長さ方向にわたるモード結合比率を把握するために、得られた各モードの後方レイリー散乱光、および各モード間の自然ブリルアン散乱光スペクトルのピーク振幅比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おり、例えば、

【数18】

ここで、ηはモード間の検出パワーの比、ｈは結合比率、Ｋは定数である。
ここでＫは対数軸上でのオフセット値となるが、例えば接続点の前後などレイリー散乱によるモード結合特性やブリルアン利得特性の異なる光ファイバが接続された場合においては、接続点の前後でオフセット値が異なることとなり、接続点におけるモード結合状態を正確に測定することができない。実際の光ファイバ伝送路では、接続点の前後で製造メーカが異なっていたり、ケーブル構造や敷設環境等が異なり、温度やひずみによってブリルアン利得特性が異なる光ファイバ同士が接続されることの方が容易に想像でき、それによりオフセット値Ｋによる誤差を産むという課題がある。さらに、オフセット値は同種ファイバ中であってもレイリーまたはブリルアン散乱の発生過程でのモード結合で発生する。
それに対して本発明では、例えば式（１５）と式（１６）を比較して分かるように、同位置におけるポンプ光、プローブ光パワー、ブリルアン利得特性が相殺されるために、この影響を受けない。また、プローブ光において発生したブリルアン利得を利用するため、原理的に散乱過程でのモード結合が発生しない。したがって、実際の光ファイバ伝送路のように、異種光ファイバが接続された接続点におけるモード結合状態を正確に把握することが可能となる。

【0058】

最後に、非特許文献２では自然ブリルアン散乱光のブリルアン周波数シフトを測定するが、自然ブリルアン散乱光の強度は、本発明で観測されるレイリー散乱光の強度よりも２０ｄＢ程度小さい。従って本発明によれば非特許文献２に対して測定のダイナミックレンジを大きく改善できる可能性があり、数十ｋｍ以上に及ぶ中継光ファイバケーブルの測定には特に有用であると考えられる。

【0059】

［付記］
以下は、本モード結合比率分布測定装置の説明である。
本モード結合比率分布測定装置は、複数のモードを多重する数モード光ファイバの長さ方向にわたるモード結合比率分布の測定装置であって、
被測定光ファイバ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とポンプ光パルス間に付与しそれを制御する周波数制御手段と、
被測定光ファイバにおいてブリルアン増幅された前記プローブ光をモード選択して光受信するモード選択受信手段と、
前記周波数制御手段および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を具備し、
前記解析手段において、被測定光ファイバの任意位置における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同周波数上で得られる前記ブリルアン利得の強度比からブリルアン利得発生点から受信器までに受けたプローブ光のモード結合比率を算出することを特徴とする。

【0060】

本発明によれば、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、光ファイバ同士が接続されたモード変換点におけるモード結合比率を、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。

【符号の説明】

【0061】

１０：光入力回路
１１：レーザ光発生手段
１２：モード選択／合分波手段
１３：光周波数制御手段
１４：光パルス化手段
１５：モード選択／合分波手段
２０：測定回路
２１：光フィルタ
２２：光受信手段
３０：演算回路
３１：数値化処理手段
３２：数値演算手段
５０：被測定光ファイバ（ＦＭＦ）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】