特許 7188593 光強度分布測定方法及び光強度分布測定装置

(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】

(24)【登録日】2022-12-05

(45)【発行日】2022-12-13

(54)【発明の名称】光強度分布測定方法及び光強度分布測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01M 11/02 20060101AFI20221206BHJP

   G01M 11/00 20060101ALI20221206BHJP

   H04B 10/073 20130101ALI20221206BHJP

   H04B 10/2581 20130101ALI20221206BHJP

【ＦＩ】

G01M11/02 N

G01M11/00 Q

H04B10/073

H04B10/2581

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021530468

(86)(22)【出願日】2019-07-11

(86)【国際出願番号】 JP2019027604

(87)【国際公開番号】W WO2021005800

(87)【国際公開日】2021-01-14

【審査請求日】2021-11-22

(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

(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】小田 友和

(72)【発明者】

【氏名】脇坂 佳史

(72)【発明者】

【氏名】飯田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】押田 博之

【審査官】横尾 雅一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－２０８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１６９５２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１３６１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】欧州特許出願公開第２８９７３１０（ＥＰ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／１８０７８６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｍ １１／００ － Ｇ０１Ｍ １１／０８

Ｈ０４Ｂ １０／００ － Ｈ０４Ｂ １０／９０

Ｈ０４Ｊ １４／００ － Ｈ０４Ｊ １４／０８

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定光ファイバの長手方向に各伝搬モードの光強度分布を測定する光強度分布測定方法であって、
伝搬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を用意すること、
任意の光周波数差を有するポンプ光とプローブ光を、全ての前記伝搬モードの前記ポンプ光と任意の１つの前記伝搬モードの前記プローブ光と組み合わせで前記基準光ファイバに入射すること、
前記伝搬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こと、
前記伝搬モードの数だけ前記任意の光周波数差を変化させて前記ブリルアン利得係数を取得し、前記伝搬モードと前記光周波数差に対する前記ブリルアン利得係数の利得係数行列を生成すること、
前記利得係数行列を生成したときの光周波数差を有するポンプ光とプローブ光を、前記伝搬モードの前記組み合わせで前記被測定光ファイバに入射すること、
前記光周波数差毎、且つ前記伝搬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、
前記分布から前記被測定光ファイバの任意地点における前記ブリルアン増幅成分のベクトルと前記利得係数行列の逆行列とを掛け算し、前記被測定光ファイバの任意地点における各伝搬モードの前記ポンプ光の光強度を計算すること、
を行うことを特徴とする光強度分布測定方法。

【請求項2】

さらに、伝搬モード間で前記ポンプ光の光強度の比率を計算すること
を行うことを特徴とする請求項１に記載の光強度分布測定方法。

【請求項3】

任意の光周波数差を有するポンプ光とプローブ光を伝搬モードの全ての組み合わせで光ファイバに入射する光入射部と、
前記光ファイバを伝搬した前記プローブ光のうち、任意の１つの伝搬モードの光強度を測定する受光部と、
前記光入射部を制御し、前記受光部が測定した光強度に基づいて、被測定光ファイバの長手方向に各伝搬モードの光強度分布を演算する制御演算部と、
を備え、
前記制御演算部は、
前記光入射部に対して、伝搬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、任意の光周波数差を有するポンプ光とプローブ光を、全ての前記伝搬モードの前記ポンプ光と任意の１つの前記伝搬モードの前記プローブ光と組み合わせで入射させること、
前記受光部が測定した光強度から、前記伝搬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こと、
前記光入射部に対して、前記伝搬モードの数だけ前記任意の光周波数差を変化させ、前記受光部が測定した光強度から前記伝搬モードの数だけ前記任意の光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し、前記伝搬モードと前記光周波数差に対する前記ブリルアン利得係数の利得係数行列を生成すること、を行い、
さらに、前記制御演算部は、
前記光入射部に対して、前記利得係数行列を生成したときの光周波数差を有するポンプ光とプローブ光を、前記伝搬モードの前記組み合わせで前記被測定光ファイバに入射させること、
前記受光部が測定した光強度から、前記光周波数差毎、且つ前記伝搬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、
前記分布から前記被測定光ファイバの任意地点における前記ブリルアン増幅成分のベクトルと前記利得係数行列の逆行列とを掛け算し、前記被測定光ファイバの任意地点における各伝搬モードの前記ポンプ光の光強度を計算すること、
を行うことを特徴とする光強度分布測定装置。

【請求項4】

さらに、前記制御演算部は、伝搬モード間で前記ポンプ光の光強度の比率を計算することを行うことを特徴とする請求項３に記載の光強度分布測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光ファイバ中を伝搬する各伝搬モードの光強度を長手方向に正確に測定する測定方法及びその測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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）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）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する際に、モード毎に受ける損失が異なるモード間損失差（ＤＭＡ）や入射時のモードの一部が異なるモードに結合するクロストーク（ＸＴ）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、伝送路中の各モードの強度を区間毎に正確に測定できることが望ましい。例えば、伝送路中の各モードの強度を区間毎に測定する手法として、ブリルアン利得解析法を用いてモード毎に伝搬特性を取得する手法が提案されている（例えば、非特許文献１を参照。）。この手法は、ファイバに入射するポンプ光とプローブ光の周波数差の制御により、ファイバ中で特定のモードのみを発生させ、モード毎の伝搬特性を取得可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１４－２０８７８号公報

【非特許文献】

【0004】

【文献】Ｔ． Ｏｄａ ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏｃ． ＥＣＯＣ， Ｗｅ２．７ （２０１８）．

【文献】Ｈ． Ｔａｋａｈａｓｈｉ ｅｔ ａｌ．， Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ， ２１（６）， ｐｐ．６７３９－９７４８， （２０１３）．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、ブリルアン利得解析法を用いて解析する手法の場合、ブリルアン利得の線幅は２０ＭＨｚ程あり、それ以上にモード毎のブリルアン周波数シフトが離れていないと、各モードの利得が最大となる周波数差を用いた場合でも、モードの選択励振が困難である。また、特定のモードの利得量が大きい場合も、同様にモードの選択励振が困難である。このように、ブリルアン利得解析法を用いた手法には、モードの選択励振が難しいため、モード毎の強度分布の測定精度を向上させることが困難という課題があった。

【0006】

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、複数モードが伝搬する光ファイバの各位置における各モードの光強度を正確に測定できる光強度分布測定方法及び光強度分布測定装置を提供することにある。

【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、本発明に係る光強度分布測定方法は、予め、被測定ファイバ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いて測定された所定の光周波数差における各伝搬モードのブリルアン利得係数を要素とする利得係数行列を取得しておき、該利得係数行列と、被測定光ファイバを用いて測定された所定の光周波数差における所定の伝搬モードで出射したプローブ光のブリルアン増幅前後の光強度の差とから、被測定光ファイバの長手方向における各伝搬モードの強度分布を計算することとした。

【0008】

具体的には、本発明に係る光強度分布測定方法は、被測定光ファイバの長手方向に各伝搬モードの光強度分布を測定する光強度分布測定方法であって、
伝搬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を用意すること、
任意の光周波数差を有するポンプ光とプローブ光を、全ての前記伝搬モードの前記ポンプ光と任意の１つの前記伝搬モードの前記プローブ光と組み合わせで前記基準光ファイバに入射すること、
前記伝搬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こと、
前記伝搬モードの数だけ前記任意の光周波数差を変化させて前記ブリルアン利得係数を取得し、前記伝搬モードと前記光周波数差に対する前記ブリルアン利得係数の利得係数行列を生成すること、
前記利得係数行列を生成したときの光周波数差を有するポンプ光とプローブ光を、前記伝搬モードの前記組み合わせで前記被測定光ファイバに入射すること、
前記光周波数差毎、且つ前記伝搬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、
前記分布から前記被測定光ファイバの任意地点における前記ブリルアン増幅成分のベクトルと前記利得係数行列の逆行列とを掛け算し、前記被測定光ファイバの任意地点における各伝搬モードの前記ポンプ光の光強度を計算すること、
を行うことを特徴とする。

【0009】

また、本発明に係る光強度分布測定装置は、
任意の光周波数差を有するポンプ光とプローブ光を伝搬モードの全ての組み合わせで光ファイバに入射する光入射部と、
前記光ファイバを伝搬した前記プローブ光のうち、任意の１つの伝搬モードの光強度を測定する受光部と、
前記光入射部を制御し、前記受光部が測定した光強度に基づいて、被測定光ファイバの長手方向に各伝搬モードの光強度分布を演算する制御演算部と、
を備え、
前記制御演算部は、
前記光入射部に対して、伝搬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、任意の光周波数差を有するポンプ光とプローブ光を、全ての前記伝搬モードの前記ポンプ光と任意の１つの前記伝搬モードの前記プローブ光と組み合わせで入射させること、
前記受光部が測定した光強度から、前記伝搬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こと、
前記光入射部に対して、前記伝搬モードの数だけ前記任意の光周波数差を変化させ、前記受光部が測定した光強度から前記伝搬モードの数だけ前記任意の光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し、前記伝搬モードと前記光周波数差に対する前記ブリルアン利得係数の利得係数行列を生成すること、を行い、
さらに、前記制御演算部は、
前記光入射部に対して、前記利得係数行列を生成したときの光周波数差を有するポンプ光とプローブ光を、前記伝搬モードの前記組み合わせで前記被測定光ファイバに入射させること、
前記受光部が測定した光強度から、前記光周波数差毎、且つ前記伝搬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、
前記分布から前記被測定光ファイバの任意地点における前記ブリルアン増幅成分のベクトルと前記利得係数行列の逆行列とを掛け算し、前記被測定光ファイバの任意地点における各伝搬モードの前記ポンプ光の光強度を計算すること、
を行うことを特徴とする。

【0010】

予め基準光ファイバを用いて特定のモードのみ伝搬する状態での利得係数行列を取得しておくことで、実際の被試験光ファイバで測定した光強度から当該利得係数行列を用いて各モードの真の光強度を算出することができる。従って、本発明は、複数モードが伝搬する光ファイバの各位置における各モードの光強度を正確に測定できる光強度分布測定方法及び光強度分布測定装置を提供することができる。

【0011】

また、本発明に係る光強度分布測定方法及び装置は、さらに、伝搬モード間で前記ポンプ光の光強度の比率を計算する。各モードの光強度の絶対値を測定するのではなく、光強度のモード間比率を測定することにすれば、測定困難な光ファイバ出射端におけるプローブ光の光強度と相互作用長を取得する必要がなくなる。

【発明の効果】

【0012】

本発明は、複数モードが伝搬する光ファイバの各位置における各モードの光強度を正確に測定できる光強度分布測定方法及び光強度分布測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明に係る光強度分布測定装置を説明するブロック図である。

【図2】本発明に係る光強度分布測定装置を説明するブロック図である。

【図3】本発明に係る光強度分布測定方法において、利得係数行列を生成するときに取得するブリルアン利得スペクトルの例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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。

【0015】

本実施形態の光強度分布測定装置は、被測定光ファイバの両端から周波数の異なるポンプ光およびプローブ光を入射し、光の衝突によって発生したブリルアン利得を伝搬モード毎に測定する。このブリルアン利得の大きさを伝搬モード毎に比較することで、ファイバ中における光強度を長手方向で分布的に計算可能である。

【0016】

図１は、本実施形態の光強度分布測定装置３０１を説明する図である。光強度分布測定装置３０１は、
任意の光周波数差を有するポンプ光とプローブ光を伝搬モードの全ての組み合わせで光ファイバ５０に入射する光入射部Ａと、
光ファイバ５０を伝搬した前記プローブ光のうち、任意の１つの伝搬モードの光強度を測定する受光部Ｂと、
光入射部Ａを制御し、受光部Ｂが測定した光強度に基づいて、光ファイバ５０の長手方向に各伝搬モードの光強度分布を演算する制御演算部Ｃと、
を備える。
まず、光ファイバ５０として、伝搬モード数が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を接続する。
制御演算部Ｃは、
光入射部Ａに対して、前記基準光ファイバに、任意の光周波数差を有するポンプ光とプローブ光を、全ての前記伝搬モードの前記ポンプ光と任意の１つの前記伝搬モードの前記プローブ光と組み合わせで入射させること、
受光部Ｂが測定した光強度から、前記伝搬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こと、
光入射部Ａに対して、前記伝搬モードの数だけ前記任意の光周波数差を変化させ、受光部Ｂが測定した光強度から前記伝搬モードの数だけ前記任意の光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し、前記伝搬モードと前記光周波数差に対する前記ブリルアン利得係数の利得係数行列を生成すること、を行う。
その後、光ファイバ５０として、被測定光ファイバを接続する。
制御演算部Ｃは、
光入射部Ａに対して、前記利得係数行列を生成したときの光周波数差を有するポンプ光とプローブ光を、前記伝搬モードの前記組み合わせで前記被測定光ファイバに入射させること、
受光部Ｂが測定した光強度から、前記光周波数差毎、且つ前記伝搬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、
前記分布から前記被測定光ファイバの任意地点における前記ブリルアン増幅成分のベクトルと前記利得係数行列の逆行列とを掛け算し、前記被測定光ファイバの任意地点における各伝搬モードの前記ポンプ光の光強度を計算すること、
を行う。

【0017】

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予め取得しておくために使用される。基準光ファイバは、伝搬モード数が被測定光ファイバと同じ、且つ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との周波数差とその周波数差における利得係数)が被測定光ファイバと同じ（以下の説明では「同じ特性」と表現することがある。）であるが、モード結合のない光ファイバとする。なお、基準光ファイバと被測定光ファイバのブリルアン利得スペクトルを必ず一致させる必要はないが、その後の計算処理の際に誤差要因となるため、ブリルアン利得スペクトルが被測定光ファイバのそれと近いものを基準光ファイバとすることが望ましい。例えば、基準光ファイバとして、カットオフ波長、伝搬モード数、各モードのモードフィールド径、及び各モードの伝搬定数が被測定ファイバと同じ光ファイバを選ぶことができる。

【0018】

コヒーレントな光を発生させるレーザ１０から出力された光は分岐素子１１によって２分岐される。２分岐された光の一方はポンプ光とし、パルス生成器１２によってパルス化されたのちにモード合分波手段１３で基本モードから所望の伝搬モードに変換され光ファイバ５０の一端に入射される。

【0019】

２分岐された光の他方はプローブ光とし、ポンプ光の光周波数に対してブリルアン周波数シフトに相当する約１０～１１ＧＨｚ程度の周波数差を光周波数制御器１５によって付与される。この光周波数制御手段１５は、ＬｉＮｂ_３で構成されたＳＳＢ変調器等の外部変調器で制御しても、周波数（波長）の異なるレーザを２台用い、一方をポンプ光用の光源、他方をプローブ光用の光源とし、２台のレーザ間の光周波数差を制御してもよい。周波数差を付与したプローブ光は、ポンプ光と同様にモード合分波手段１６で所望の伝搬モードに変換され、光ファイバ５０の他端に入射される。なお、図１の構成の場合、プローブ光はパルスである必要はない。

【0020】

光ファイバ５０中ではポンプ光とプローブ光の衝突によりプローブ光においてブリルアン利得が発生する。ポンプ光によって増幅されたプローブ光は光サーキュレータ１４によって光電変換手段１８に送られる。その際、モード合分波器１７で所望のモードのみが選択される。本実施形態ではＬＰ０１の増幅されたプローブ光が光電変換手段１８に送られる。光電変換手段１８がプローブ光強度を電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器１９がデジタルデータに変換した後、データ抽出器２０と利得解析部２１がこのデータから利得を解析する。

【0021】

具体的なブリルアン利得の解析手法は、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、ブリルアン利得が取得できる。この測定により、被測定光ファイバ長手方向で利得量を比較することで、任意の地点におけるポンプ光の強度情報の取得が可能である（この解析手法については、非特許文献２を参照。）。

【0022】

なお、本実施形態は、特許文献１で提示されている光ファイバ片端からポンプ光およびプローブ光を入射する形態でも実現可能である。図２は、光ファイバ片端からポンプ光およびプローブ光を入射する光強度分布側的装置３０２を説明する図である。光強度分布側的装置３０２は次の点で図１の光強度分布側的装置３０１と異なる。

【0023】

レーザ１０から２分岐された双方を、タイミング制御手段（２３、２３ａ）およびパルス化手段（１２、１２ａ）により、パルス化タイミングの制御を行う。パルス化されたポンプ光とプローブ光は、光周波数制御手段１５で周波数差を付与され、モード合分波手段（１３、１６）で所望のモードへ変換された後、合波素子２２によって合波され、光ファイバ５０の一端に入射される。光ファイバ５０の他端には光反射器５５があり、各パルス光が反射される。

【0024】

ポンプ光パルスおよびプローブ光パルスはタイミング制御手段（２３、２３ａ）の制御によって、光ファイバ５０に入射されるタイミングが異なる。このため、光反射器５５により反射されたパルスと未反射のパルスが被測定ファイバ中で衝突し、プローブ光においてブリルアン利得が発生する。

【0025】

光ファイバ５０からの戻り光は、光サーキュレータ１４によって光電変換器１８に送られる。その後の解析は図１で説明した手順と同じである。本構成では、ポンプ光およびプローブ光の入射タイミング差が被測定ファイバの利得発生地点に対応するため、長手方向での利得量からポンプ光の強度情報の取得が可能である。

【0026】

図１と図２の構成成は一例であり、同様に周波数（波長）シフトに相当する光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、任意の伝搬モードを励起して増幅されたプローブ光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。また、一般的なＳＭＦにおいても入射する光パルスの波長を短くすること（ＳＭＦのカットオフ波長より短い波長とすること）で、本手法を適用できるため、光ファイバ５０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。

【0027】

続いて、制御演算部Ｃが行う演算内容を説明する。
利得が最大となるポンプ光とプローブ光の周波数差をブリルアン周波数シフトとすると、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は真空中の波長である。

【0028】

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が異なることを意味している。よって、複数モードが伝搬する光ファイバは、各モードにおける任意の位置で得られた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という特性を持つ。例えば、２つのモードで伝搬する数モードファイバにおいて、ポンプ光と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、
（ｉ）ｖ０１－０１（ＬＰ_０１同士のポンプ、プローブ成分間の相互作用）
（ｉｉ）ｖ０１－１１（ＬＰ_０１のポンプ成分とＬＰ_１１のプローブ成分間、およびＬＰ_１１のポンプ成分とＬＰ_０１のプローブ成分間の相互作用）、及び
（ｉｉｉ）ｖ１１－１１（ＬＰ_１１同士のポンプ、プローブ成分間の相互作用）
の３つのスペクトルピークを有する。
このような特性を利用すれば、光ファイバに入射するポンプ光とプローブ光の光周波数差を制御して、光ファイバ中で任意のモードを増幅させることができる。

【0029】

一方、ブリルアン利得スペクトルは一般的に２０ＭＨｚ程度の線幅を持つため、モード毎のν_ｂが２０ＭＨｚ以上離れていない場合は、他のモード成分も同時に励振することになる。また、モード毎のスペクトルが離れている場合でも、モード毎の利得係数が異なる場合は、特定のモードのみ利得が大きくなり、２０ＭＨｚ以上離れている場合でも選択励振が困難となることが考えられる。以上を考えると、周波数を選択し利得を取得するのみでは、モード毎の純粋なパワーを反映した利得の取得が困難である。

【0030】

この困難に対して、制御演算部Ｃは、以下の手法により光ファイバ中のモード毎の強度の取得を行う。

【0031】

［第一段階］
・各周波数におけるモード毎のブリルアン利得係数行列を取得する。
本段階では光強度分布測定装置に基準光ファイバを接続する。
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という特徴を持つ。本実施形態の光強度分布測定装置は、この特徴を利用するため、被測定光ファイバと同じ特性を示し、かつ光ファイバ中でモード結合が発生しない基準光ファイバを予め用意する。そして、本実施形態の光強度分布測定装置は、基準光ファイバにおけるポンプ光とプローブ光との光周波数差に対応した各モードの利得係数を取得する。

【0032】

利得係数の取得手順は、ポンプ光とプローブ光のパワーを固定した状態で、入射するプローブ光のモードを固定し、入射するポンプ光のモードを変更させ、その際のブリルアン利得スペクトルを取得する。つまり、測定されるスペクトルは、２つのモードで伝搬する光ファイバの場合、
（ｉ）ｖ０１－０１（ＬＰ_０１同士のポンプ、プローブ成分間の相互作用）、及び
（ｉｉ）ｖ０１－１１（ＬＰ_０１のポンプ成分とＬＰ_１１のプローブ成分間、およびＬＰ_１１のポンプ成分とＬＰ_０１のプローブ成分間の相互作用）
の二つが得られることになる。

【0033】

図３は、２モード光ファイバにおけるブリルアン利得スペクトルの一例を説明する図である。図３では、横軸が光周波数差、縦軸がブリルアン利得係数である。図３より、ポンプ光とプローブ光の光周波数差によって発生するモードの利得係数が異なることが確認できる。ここで、２モード光ファイバにおける異なる２つの光周波数差における各モードの利得係数行列ｇ_ｂを

【数2】

と与える。ここで、ｇ_０１（ν_１）とｇ_１１（ν_１）は、それぞれ光周波数差ν_１におけるＬＰ_０１－ＬＰ_０１間とＬＰ_０１－ＬＰ_１１間の利得係数、ｇ_０１（ν_２）とｇ_１１（ν_２）は、それぞれ光周波数差ν_２におけるＬＰ_０１－ＬＰ_０１間、ＬＰ_０１－ＬＰ_１１間の利得係数である。基準光ファイバは、モード結合が発生しないため、所望モードのポンプ光とプローブ光以外に前述した選択励振が困難なモードが存在しない。このため、利得係数行列ｇ_ｂの各要素は所望モード間で発生した純粋な利得係数である。

【0034】

なお、基準光ファイバ内での位置によってその利得量がポンプ光の伝搬損失に影響される場合（基準光ファイバが長い場合）、ポンプ光出射端（ポンプ光が入射される端部）付近で発生する利得量から利得係数を取得する。一方、ポンプ光の伝搬損失に影響されない場合（基準光ファイバが短い場合）、基準光ファイバ全体での利得量（ｚ方向の積分値）から利得係数を取得することができる。

【0035】

この利得係数行列は、図３に示すような各モードの利得スペクトルからｇ_ｂが正則となるようなν_１およびν_２を選択して取得する。なお、本実施形態では被測定光ファイバが２モードを伝搬するので利得係数行列ｇ_ｂを形成する光周波数差が２種類であるが、被測定光ファイバがｎモード（ｎは３以上の整数）を伝搬するのであれば、利得係数行列ｇ_ｂを形成するために光周波数差はｎ種類必要である。

【0036】

［第２段階］
・被測定光ファイバ中の各モードの光強度を測定する。
本段階では光強度分布測定装置に被測定光ファイバを接続する。
被測定光ファイバ中に存在するＬＰ_０１とＬＰ_１１の光強度の測定を行う。本光強度分布測定装置は、ブリルアン増幅を受けたプローブ光の受光にモード合分波器１７のＬＰ_０１ポートを使用し、ＬＰ_０１成分のみ受光する。

【0037】

ブリルアン相互作用によって光ファイバ中で増幅された成分は、増幅されたプローブ光（ポンプ光有）と増幅前のプローブ光（ポンプ光無）の差分から取得できる。そして、当該成分は、ポンプ光強度、プローブ光強度及び利得係数の積で表せる（詳細は、非特許文献２を参照。）。従って、光周波数差ν_１およびν_２で観測されるｚ地点の増幅成分Ｐ_ｄｉｆｆ（ν_１，ｚ）、Ｐ_ｄｉｆｆ （ν_２，ｚ）は

【数3】

で表すことができる。ここで、Ｐ_ｒ０１は光ファイバ出射端（図１及び図２ともにポンプ光が入射される側）におけるプローブ光強度、ΔＬは相互作用長、Ｐ_ｐ０１（ｚ）、Ｐ_ｐ１１（ｚ）はｚ地点におけるＬＰ_０１およびＬＰ_１１モードのポンプ光強度である。

【0038】

各モードの利得係数行列ｇ_ｂは第１段階で取得しており、かつ正則となることから、式（３）を変形すれば

【数4】

と表せる。つまり、被測定光ファイバの任意位置ｚでのモード毎の光強度Ｐ_ｐ０１（ｚ）、Ｐ_ｐ１１（ｚ）は、Ｐ_ｒ０１、ΔＬ、ブリルアン相互作用によって増幅された成分、及びｇ_ｂで計算できる。

【0039】

Ｐ_ｐ０１（ｚ）とＰ_ｐ１１（ｚ）の真値を計測する場合、Ｐ_ｒ０１とΔＬを取得する必要があるが、Ｐ_ｐ０１（ｚ）とＰ_ｐ１１（ｚ）との比率さえ計測できればよい場合、Ｐ_ｒ０１とΔＬを取得する必要はない。
Ｐ_ｐ０１（ｚ）、Ｐ_ｐ１１（ｚ）について各地点（ｚとｚ＋Δｚ等）で比を取得すると、Ｐ_ｒ０１とΔＬは消去できるため、被測定光ファイバの長手方向における各モードの強度分布比率を取得できる。

【0040】

本実施形態では簡単のため、２モード光ファイバにおけるモード毎の光強度を測定する場合を述べたが、より多くのモード数（モード数ｎ）が伝搬する光ファイバにおいても、第１段階でモード数に対応したｎ×ｎの利得係数行列ｇ_ｂを取得しておけば、各モードの光強度を計算できる。

【0041】

本実施形態の光強度分布測定装置が行う測定方法は、被測定光ファイバの長手方向に各伝搬モードの光強度分布を測定する光強度分布測定方法であって、
伝搬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を用意すること、
任意の光周波数差を有するポンプ光とプローブ光を、全ての前記伝搬モードの前記ポンプ光と任意の１つの前記伝搬モードの前記プローブ光と組み合わせで前記基準光ファイバに入射すること、
前記伝搬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こと、
前記伝搬モードの数だけ前記任意の光周波数差を変化させて前記ブリルアン利得係数を取得し、前記伝搬モードと前記光周波数差に対する前記ブリルアン利得係数の利得係数行列を生成すること、
前記利得係数行列を生成したときの光周波数差を有するポンプ光とプローブ光を、前記伝搬モードの前記組み合わせで前記被測定光ファイバに入射すること、
前記光周波数差毎、且つ前記伝搬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、
前記分布から前記被測定光ファイバの任意地点における前記ブリルアン増幅成分のベクトルと前記利得係数行列の逆行列とを掛け算し、前記被測定光ファイバの任意地点における各伝搬モードの前記ポンプ光の光強度を計算すること、
を行うことを特徴とする。

【0042】

本方法の測定手順を以下にまとめる。
〔第１段階（ブリルアン利得係数取得）〕
１．被測定光ファイバ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
２．ポンプ光とプローブ光の光周波数差を設定
３．ポンプ光およびプローブ光のモードを変換
４．ポンプ光とプローブ光を基準光ファイバに入力
５．プローブ光で発生した利得係数を取得
６．光周波数差およびモードの組み合わせを変更（プローブ光の伝搬モードは変更せず、ポンプ光の伝搬モードを変更）し、手順２～５を繰り返すことで、設定した光周波数差における各モードの利得係数を取得

【0043】

〔第２段階（各モードの強度測定）〕
１．被測定光ファイバを用意
２．ポンプ光とプローブ光の光周波数差を設定
３．ポンプ光とプローブ光の入射時間差を設定
４．ポンプ光およびプローブ光のモードを変換
５．ポンプ光とプローブ光を被測定光ファイバに入力
６．プローブ光で発生した利得分布を取得
７．事前に取得した利得係数を用いて、被測定光ファイバの長手方向に各モードの強度分布を取得

【0044】

［付記］
以下は、本実施形態の光強度分布測定装置を説明したものである。
本実施形態の光強度分布測定装置は、ブリルアン利得がポンプ光の光強度に比例することを利用し、光ファイバ内を伝搬する各モードのポンプ光強度をブリルアン利得から推定しようとするものである。しかし、所望のモードを増幅しようとしても他のモードも増幅することがある。そこで、本光強度分布測定装置は、以下のようにして所望のモードのポンプ光強度を推定している。
（１）：本実施形態の光強度分布測定装置は、
被測定光ファイバへ入射するプローブ光発生手段と、
前記プローブ光に光周波数差を付与しパルス化するポンプ光パルス発生手段と、
前記光周波数差を制御する周波数制御手段と、
前記被対象光ファイバの一端において、前記プローブ光を任意の伝搬モードで入射する任意モード入射手段と、
前記被対象光ファイバのもう一端において、前記ポンプ光パルスを任意の伝搬モードで入射する任意モード入射手段と、
前記プローブ光の強度を検出し光電流へと変換し出力する光電変換手段と、
前記光電流を取得するデータ取得手段と、
前記ポンプ光パルスによって増幅されたプローブ光の増幅利得を解析する利得解析手段と、
前記利得をモード毎の強度に分離する利得分離手段と、
を具備し、各伝搬モードの光強度を測定することを特徴とする。

【0045】

（２）：
上記（１）記載の光強度分布測定装置であって、前記周波数制御手段で付与する光周波数が、前記プローブ光の入射伝搬モードと前記ポンプ光パルスの入射伝搬モード間のブリルアン周波数シフト帯域に相当することを特徴とする。

【0046】

（効果）
本発明によれば、任意の周波数における各モードのブリルアン利得係数行列を取得しておくことで、光ファイバ中で複数モードが混ざった利得が発生した場合においても、モード毎の分離を可能とする。これにより、光ファイバ区間毎に各モードの強度を取得可能である。

【符号の説明】

【0047】

１０：レーザ
１１：分岐素子
１２、１２ａ：パルス生成器
１３：モード合分波手段
１４：光サーキュレータ
１５：周波数制御手段
１６：モード合分波手段
１７：モード合分波手段
１８：光電変換手段
１９：Ａ／Ｄ変換器
２０：データ抽出部
２１：利得解析部
２２：合波素子
２３、２３ａ：タイミング制御手段
５０：光ファイバ
５１：光反射器
３０１、３０２：光強度分布測定装置

【図1】

【図2】

【図3】