特開 2024-121275 光信号測定装置及び光信号測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024121275

(43)【公開日】2024-09-06

(54)【発明の名称】光信号測定装置及び光信号測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01M 11/02 20060101AFI20240830BHJP

【ＦＩ】

G01M11/02 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023028289

(22)【出願日】2023-02-27

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【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】100160495

【弁理士】

【氏名又は名称】畑 雅明

(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】中村 篤志

(72)【発明者】

【氏名】古敷谷 優介

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 文彦

(72)【発明者】

【氏名】張 超

(57)【要約】

【課題】超高速マルチモード通信の複素振幅を低速で安価な電子部品で測定できる光信号測定装置及び光信号測定方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る光信号測定装置３０１は、前記被測定信号光と同一波長かつ繰り返し周期Ｔ＋ΔＴであるサンプリングパルス光を発生するパルス発生器と、前記マルチモード光ファイバから前記被測定信号光を空間に出力させること、偏波方向を前記被測定信号光に対して４５°傾けて前記サンプリングパルス光を前記空間に出力させること、及び前記空間において前記被測定信号光と前記サンプリングパルス光と干渉させて干渉光を発生させることを行う干渉部と、前記干渉光を直交する偏波成分に分離し、各偏波成分の空間分布をそれぞれ観測する２次元フォトディテクタアレイと、を備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

マルチモード光ファイバを２つの最低次モード群で伝搬する、繰り返し周期Ｔで変調された被測定信号光のモード毎の時間波形を観察する光信号測定装置であって、
前記被測定信号光と同一波長かつ繰り返し周期Ｔ＋ΔＴであるサンプリングパルス光を発生するパルス発生器と、
前記マルチモード光ファイバから前記被測定信号光を空間に出力させること、偏波方向を前記被測定信号光に対して４５°傾けて前記サンプリングパルス光を前記空間に出力させること、及び前記空間において前記被測定信号光と前記サンプリングパルス光と干渉させて干渉光を発生させることを行う干渉部と、
前記干渉光を直交する偏波成分に分離し、各偏波成分の空間分布をそれぞれ観測する２次元フォトディテクタアレイと、
を備えることを特徴とする光信号測定装置。

【請求項2】

マルチモード光ファイバにて繰り返し周期Ｔで変調された被測定信号光を２つの最低次モード群で伝搬すること、
前記被測定信号光と同一波長かつ繰り返し周期Ｔ＋ΔＴであるサンプリングパルス光を発生すること、
前記マルチモード光ファイバから前記被測定信号光を空間に出力させること、
偏波方向を前記被測定信号光に対して４５°傾けて前記サンプリングパルス光を前記空間に出力させること、
前記空間において前記被測定信号光と前記サンプリングパルス光と干渉させて干渉光を発生させること、及び
前記干渉光を直交する偏波成分に分離し、各偏波成分の空間分布をそれぞれ２次元フォトディテクタアレイで受光すること、を行い、
前記マルチモード光ファイバを伝搬する前記被測定信号光のモード毎の時間波形を観察する光信号測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、マルチモード光ファイバ自体の伝搬特性を解析するための２次元光信号測定技術に関する。

【背景技術】

【0002】

マルチモード光ファイバの複数の空間モードに信号を多重する技術（空間多重通信）が開発されている。マルチモード光ファイバでは、各モードの光の電界ベクトルは互いに直交する空間分布を持つ。図１は、マルチモード光ファイバの２つの最低次モード群（ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード）の電界ベクトル分布をスケッチしたものである。図１内の矢印は電界ベクトルを表わしている。空間多重通信システムでは、これらの独立な空間ベクトルモードにより異なる信号を多重する。それぞれの空間モードは“モード分波器”によって分離され、別々の単一モードファイバに結合された後にその複素振幅が“受信”される。

【0003】

マルチモード光ファイバ自体の伝搬特性を解析する場合には、光ファイバのコア断面の複素電界の空間分布の変化（各モードごとの時間波形）を直接的に観察したい。つまり、光通信の信号速度（１０～１００Ｇｂａｕｄ／ｓ）に追随し、２次元の空間的な複素振幅分布を観測する「２次元光信号測定技術」が必要になるが、そのような技術は存在しない。その理由の一つは、このような高速領域で動作するフォトディテクタアレイの実現は、素子間の干渉によりほぼ不可能であるためである。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ｙ． Ｗａｋａｙａｍａ ｅｔ ａｌ．， “ＭＦＤ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｓｉｘ－ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ－ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ，” ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓ． Ｃｏｍｍｕｎ．， ｖｏｌ． Ｅ１００－Ｂ， ｎｏ． １０， ｐｐ． １７３７－１７３９， ２０１７．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

非特許文献１では、赤外線カメラを使って光ファイバのコア断面における複素電界の空間分布の変化（各モードごとの時間波形）を直接的に観察する方法が開示されている。しかし、通常赤外線カメラの応答特性は光通信の信号速度（１０～１００Ｇｂａｕｄ／ｓ）に追随できるほど高速ではない。つまり、現状では、光通信の信号速度のような高速な波形変化を捉えることは困難という課題がある。

【0006】

そこで、本発明は、前記課題を解決するために、超高速マルチモード通信の複素振幅を低速で安価な電子部品で測定できる光信号測定装置及び光信号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】

【0007】

上記目的を達成するために、本発明に係る光信号測定装置は、繰り返し変調された被測定信号光と、被測定信号光と同一波長かつ異なる繰り返し周期を有するサンプリングパルス光とを、それぞれ空間に取り出して干渉させ、干渉信号を直交する偏波成分に分離し、各偏波成分の空間分布をそれぞれ２次元フォトディテクタアレイで観測することとした。

【0008】

具体的には、本発明に係る光信号測定装置は、マルチモード光ファイバを２つの最低次モード群で伝搬する、繰り返し周期Ｔで変調された被測定信号光のモード毎の時間波形を観察する光信号測定装置であって、
前記被測定信号光と同一波長かつ繰り返し周期Ｔ＋ΔＴであるサンプリングパルス光を発生するパルス発生器と、
前記マルチモード光ファイバから前記被測定信号光を空間に出力させること、偏波方向を前記被測定信号光に対して４５°傾けて前記サンプリングパルス光を前記空間に出力させること、及び前記空間において前記被測定信号光と前記サンプリングパルス光と干渉させて干渉光を発生させることを行う干渉部と、
前記干渉光を直交する偏波成分に分離し、各偏波成分の空間分布をそれぞれ観測する２次元フォトディテクタアレイと、
を備えることを特徴とする。

【0009】

また、本発明に係る光信号測定方法は、
マルチモード光ファイバにて繰り返し周期Ｔで変調された被測定信号光を２つの最低次モード群で伝搬すること、
前記被測定信号光と同一波長かつ繰り返し周期Ｔ＋ΔＴであるサンプリングパルス光を発生すること、
前記マルチモード光ファイバから前記被測定信号光を空間に出力させること、
偏波方向を前記被測定信号光に対して４５°傾けて前記サンプリングパルス光を前記空間に出力させること、
前記空間において前記被測定信号光と前記サンプリングパルス光と干渉させて干渉光を発生させること、及び
前記干渉光を直交する偏波成分に分離し、各偏波成分の空間分布をそれぞれ２次元フォトディテクタアレイで受光すること、を行い、
前記マルチモード光ファイバを伝搬する前記被測定信号光のモード毎の時間波形を観察する。

【0010】

本光信号測定装置（方法）は、線形サンプリング法を用いる。線形サンプリング法は、信号光と同一波長である光短パルス（サンプリングパルス光）と信号光とのコヒーレント相関検出を用いて、信号光の瞬時複素振幅を測定する手法である。本手法は、図２のように、信号光２１の繰返し周期Ｔとサンプリングパルス光２２の周期とをわずかに離調（ΔＴ）し、干渉点をずらしながら瞬時振幅２３を検出することで信号光全体の波形２４を観測することができる。

【0011】

観測可能な信号の速度は、サンプリングパルス光２２の幅（Ｔ＋ΔＴ）だけで決まり、超高速信号にも対応できる。使用する電子部品はこのサンプリングパルス周期に追随できればよく、数ＭＨｚ程度の帯域のものが使用できる。観測できる信号光は繰返し信号に限られるが、通信システムの検証に用いられる疑似ランダム信号（ＰＲＢＳ；Ｐｓｅｕｄｏ Ｒａｎｄｏｍ Ｂｉｔ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ）信号にも対応できる。

【0012】

従って、本発明は、超高速マルチモード通信の複素振幅を低速で安価な電子部品で測定できる光信号測定装置及び光信号測定方法を提供することができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明は、超高速マルチモード通信の複素振幅を低速で安価な電子部品で測定できる光信号測定装置及び光信号測定方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】光ファイバの空間モードを説明する図である。

【図2】線形光サンプリング法を説明する図である。

【図3】本発明に係る光信号測定装置を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

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。

【0016】

図３は、本実施形態の光信号測定装置３０１を説明する図である。光信号測定装置３０１は、マルチモード光ファイバを２つの最低次モード群で伝搬する、繰り返し周期Ｔで変調された被測定信号光のモード毎の時間波形を観察する装置であって、
前記被測定信号光と同一波長かつ繰り返し周期Ｔ＋ΔＴであるサンプリングパルス光を発生するパルス発生器と、
前記マルチモード光ファイバから前記被測定信号光を空間に出力させること、偏波方向を前記被測定信号光に対して４５°傾けて前記サンプリングパルス光を前記空間に出力させること、及び前記空間において前記被測定信号光と前記サンプリングパルス光と干渉させて干渉光を発生させることを行う干渉部と、
前記干渉光を直交する偏波成分に分離し、各偏波成分の空間分布をそれぞれ観測する２次元フォトディテクタアレイと、
を備える。

【0017】

光信号測定装置３０１は、被測定光ファイバであるマルチモード光ファイバ３１にて繰り返し周期Ｔで変調された被測定信号光２１を２つの最低次モード群（ＬＰ_０１モード及びＬＰ_１１モード、図１参照）で伝搬する。
光信号測定装置３０１は、被測定信号光２１と同一波長かつ繰り返し周期Ｔ＋ΔＴ（周波数ｆＨｚ）であるサンプリングパルス光２２を発生する。図３の光信号測定装置３０１において、サンプリングパルス光２２を発生させる前記パルス発生器は、例えば、ｆＨｚ（１０ＭＨｚ程度）の周期で、変調信号光と同一波長の超短パルス（パルス幅約１ピコ秒）を発振するモードロックレーザ３３である。

【0018】

光信号測定装置３０１は、マルチモード光ファイバ３１から被測定信号光２１を空間３０に出力させる。さらに、光信号測定装置３０１は、偏波方向を被測定信号光２１に対して４５°傾けてサンプリングパルス光２２を空間３０に出力させる。そして、空間３０において被測定信号光２１とサンプリングパルス光２２と干渉させて干渉光２７を発生させる。
マルチモード光ファイバ３１により伝送された被測定信号光２１、ならびにサンプリングパルス光２２はレンズ系（グリンレンズ３２及びレンズ３９）によって空間３０に出力され、例えばビームスプリッタ３５で合波され干渉し、干渉光２７となる。図３の光信号測定装置３０１において、前記干渉部はグリンレンズ３２、レンズ３９、及びビームスプリッタ３５である。

【0019】

光信号測定装置３０１は、干渉光２７を直交する偏波成分に分離し、各偏波成分の空間分布をそれぞれ２次元フォトディテクタアレイ３７で受光する。
干渉光２７は、偏光ビームスプリッタ３６によりｘ偏波成分とｙ偏波成分とに分離される。分離された光は、それぞれフォトディテクタアレイ（２×２ＰＤＡ）（３７－ｘ及び３７－ｙ）により、ベクトルモードの電界分布のｘ，ｙ成分（ｘ成分及びｙ成分ともに４チャネル）が受信される。これらの信号（１秒あたりｆ個の８チャネル信号）を使って、図１に示す直交する空間モードの複素振幅を特定することができる。

【0020】

ＰＤＡ３７はモードロックレーザ３３の繰返し周波数ｆに追随できればよく、低速で安価なデバイスを使用できる。

【0021】

図３の光信号測定装置３０１では、ＰＤＡ３７が２×２である構成例であり、ＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モードを観測することが可能である。光信号測定装置３０１において、ＰＤＡ３７の素子数を増やすことにより、観測するモード数を拡張することができる。

【符号の説明】

【0022】

２１：被測定信号光
２２：サンプリングパルス光
２３：瞬時振幅
２４：波形
２５：サンプリングクロック
２７：干渉光
３０：空間
３１：被測定光ファイバ（マルチモード光ファイバ）
３２：グリンレンズ
３３：モードロックレーザ
３４：偏波保持ファイバ
３５：ビームスプリッタ
３６：偏光ビームスプリッタ
３７：２×２－ＰＤＡ
３８：８ｃｈ－Ａ／Ｄ変換
３９：レンズ
３０１：光信号測定装置

【図1】

【図2】

【図3】