JP2003294580A - 偏波モード分散測定方法 - Google Patents

偏波モード分散測定方法

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JP2003294580A JP2002096988A JP2002096988A JP2003294580A JP 2003294580 A JP2003294580 A JP 2003294580A JP 2002096988 A JP2002096988 A JP 2002096988A JP 2002096988 A JP2002096988 A JP 2002096988A JP 2003294580 A JP2003294580 A JP 2003294580A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小さな偏波モード分散値を測定可能な偏波モ
ード分散測定方法の提供。 【解決手段】 角周波数を変化させて互いに角周波数の
異なる3つ以上の光を測定対象の光部品に順次入射さ
せ、前記光部品から出射した前記光のストークスパラメ
ータを前記角周波数毎に測定し、前記ストークスパラメ
ータより成るストークスベクトルの先端がポアンカレ球
上において前記角周波数変化に応じて回転する回転角を
求め、最小自乗法により前記角周波数変化に対する前記
回転角の変化率を求めて前記変化率を前記光部品の偏波
モード分散値とすることを特徴とする偏波モード分散測
定方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、偏波モード分散の
測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】光通信システムでは、伝送速度の高速化
による大容量伝送化に伴い、光通信システムを構成す
る、光増幅器等のサブシステム、光ファイバ、および光
サーキュレータ等の光部品が有する偏波モード分散(P
MD)値を管理する必要がある。光部品のPMD値の測
定方法は、一般的に、干渉法,ポラリメトリック法,及
び固定アナライザ法とに大別される。これらのうちポラ
リメトリック法は、ジョーンズ行列法(以下、JME法
という)、ポアンカレ球法(以下、PS法という)等が
提案されている。これらのPMD値測定方法について
は、DWDM光測定技術((株)オプトロニクス社,波
平宜敬編)の122頁に記述されている。
【0003】さてJME法においては、測定対象である
光部品の偏波依存損失が非常に小さいと仮定した場合に
は、光部品の有する変換行列T(ω)を、損失の項とジ
ョーンズ行列U(ω)との積、すなわち次式: T(ω)=eU(ω) …(1) で表す。ここで、ジョーンズ行列U(ω)はユニタリー行
列であり、その一般形は次式:
【0004】
【数1】
【0005】detU=1 …(3) (ただし、ωは光の角周波数を表す)で示される。そし
て、光部品のPMD値をΔτとしたときにΔτは、次
式:
【0006】
【数2】
【0007】で示される(Poole and Wagner, Electro
n. Lett.,22,pp. 1029-1030(1986)参照)。したが
って、式(4)の右辺を評価することにより、PMD値
Δτが求められる。
【0008】そして、式(4)の右辺の評価は、一般
に、以下のようにして行なわれている。すなわち、 まず、互いに異なる二つの角周波数ω(波長)でジョ
ーンズ行列Uを求める。 次に、二つの角周波数間の間隔Δωに対して、ジョー
ンズ行列Uの微分量を差分近似で求める。 最後に、式(4)を差分近似して、次式:
【0009】
【数3】
【0010】を用いてPMD値Δτを求める。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のJME法によりPMD値を測定した場合、すな
わち互いに周波数の異なる2つの光を光部品に順次入射
させてPMD値を測定した場合、測定可能なPMD値の
測定精度は0.06psであって、この値よりも小さいPMD
値を測定することができず、この測定精度は低すぎて満
足できる水準にあるとは言い難いという問題がある。
【0012】本発明はJME法における上記した問題を
解決し、PS法を採用することによって小さなPMD値
の測定を可能としたPMD測定方法の提供を目的とす
る。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明者らが従来のポラ
リメトリック法の測定精度について検討を行なったとこ
ろ、測定精度の低下は、主に、以下の3つの要因に基づ
いていることがわかった。 ストークスベクトルの測定精度 ストークスベクトルを正確に測定できなければ、正確な
ジョーンズ行列を求めることができない。そして、差分
近似を行なうため、ストークスベクトルの測定誤差は式
(5)における右辺の分子に対する誤差として効いてく
る。
【0014】波長可変光源の発振誤差 波長可変光源が所定の角周波数あるいは波長で正確に発
振しないと、角周波数間隔Δωが誤差を含むこととな
る。すなわち、式(5)における右辺の分母が誤差を含
むこととなる。 差分近似の誤差 式(4)の微分を式(5)に示したように差分近似で置
換えていることに基づく誤差である。差分近似を行なう
ということは、二つの異なる波長(角周波数)を用いた
ときの測定値だけに基づいて、それらの波長間全域での
挙動とするということが前提となっている。そのため、
これら二つの波長での測定で、前記したストークスベク
トルの測定誤差および波長可変光源の発振波長の誤差の
いずれか一方または両方が偶然大きくなれば、得られる
PMD値の誤差が大きくなる。
【0015】そこで本発明者らは、差分近似による誤差
を低減することにより、PMD値の測定精度を向上させ
ることを検討し、本発明の方法を確立するに至った。す
なわち、本発明においては、角度π/2を比較基準の偏
波モード分散値で除して得られる角周波数範囲に亘って
角周波数を変化させて互いに角周波数の異なる3つ以上
の光を測定対象の光部品に順次入射させ、前記光部品か
ら出射した前記光のストークスパラメータを前記角周波
数毎に測定し、前記ストークスパラメータより成るスト
ークスベクトルの先端がポアンカレ球上において前記角
周波数変化に応じて回転する回転角の余弦を求め、前記
回転角の余弦の符号が前記角周波数範囲に亘って正であ
るときには、前記光部品の偏波モード分散値は前記比較
基準の偏波モード分散値よりも小さいと判定することを
特徴とする偏波モード分散測定方法が提供される。
【0016】また本発明では、角周波数を変化させて互
いに角周波数の異なる3つ以上の光を測定対象の光部品
に順次入射させ、前記光部品から出射した前記光のスト
ークスパラメータを前記角周波数毎に測定し、前記スト
ークスパラメータより成るストークスベクトルの先端が
ポアンカレ球上において前記角周波数変化に応じて回転
する回転角を求め、最小自乗法により前記角周波数変化
に対する前記回転角の変化率を求めて前記変化率を前記
光部品の偏波モード分散値とすることを特徴とする偏波
モード分散測定方法が提供される。
【0017】そして好ましくは、前記回転角のうち、前
記ストークスベクトルの先端が前記回転により描く円状
の軌跡から所定角度だけ離れたストークスベクトルに対
応して得られる回転角を除外して前記最小自乗法を行な
う。
【0018】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の一実施形態に係
るPMD測定方法(以下、方法Aという)を、光部品と
して光サーキュレータのPMD値の測定に適用した場合
について説明する。方法AによるPMD値の測定は、例
えば図1に示した装置構成にて行なうことができる。
【0019】まず、波長可変レーザ1から出射した所定
の偏光状態を有する光は、測定対象である光サーキュレ
ータ2のポート2Aに入射する。以下では、測定対象に
入射した光を入射光という。そして、光サーキュレータ
2のポート2Bから出射した光(以下、出射光という)
をPMD測定装置3が検出し、更に、PMD測定装置3
は出射光のストークスパラメータS0,S1,S2,S3
求める。
【0020】本発明では、互いに偏光状態は同じである
一方、互いに波長(角周波数)の異なる3つ以上の光を
測定対象である光部品に順次入射させる。そのために、
波長可変レーザ1の発振波長を正に掃引して変化させ、
例えば1500nmから1590nmまでの波長にわたって、0.1nm
の波長間隔でレーザ1を順次発振させる。そして、レー
ザ1が発振している間、PMD測定装置3は出射光のス
トークスパラメータを入射光の波長毎に測定する。
【0021】次に、測定された出射光のストークスパラ
メータS1,S2,S3を、光パワーすなわちストークス
パラメータS0で規格化する。図2は、規格化されたス
トークスパラメータS1,S2,S3を示している。スト
ークスパラメータS0で規格化されたストークスパラメ
ータS1,S2,S3は、出射光の偏光度(DOP)の大
きさに依存しているので、さらに次式:
【0022】
【数4】
【0023】に示したように、再規格化する。再規格化
されたストークスパラメータsx,sy,szを成分とす
るストークスベクトルの大きさは、出射光の偏光度に無
依存であって必ず1となる。そのため、ストークス空間
において、入射光の波長に対応して求められた再規格化
ストークスパラメータを成分とするストークスベクトル
の先端は、単位円であるポアンカレ球の球面上に位置す
る。
【0024】ところで、光部品の有する偏波モード分散
(PMD)は、ストークス空間においては、所定の方向
及びPMD値Δτと同じ大きさを有するベクトル(以
下、PMDベクトルΩという)として表される。そし
て、レーザ1の発振波長を掃引して入射光の波長(角周
波数)を順次変化させた場合、出射光のストークスベク
トルの先端は、ストークス空間においてポアンカレ球の
球面上を発振波長の変化に対応して移動し、その移動の
軌跡は、光部品の複屈折が一様なときには、PMDベク
トルΩの方向にみたときに円孤状となる。より具体的に
は、入射光の角周波数を順次変化させた場合、ストーク
スベクトルの先端は、PMDベクトルΩと直交する面
(以下、回転面という)内において、PMDベクトルΩ
と回転面との交点を中心とし、所定の半径にて回転す
る。
【0025】例えば、図3に示したように、入射光の角
周波数ω1を角周波数ω2=ω1+Δωまで、角周波数間
隔Δωだけ変化させたときに、各角周波数でのストーク
スベクトルs(ω1),s(ω2)の先端が回転面内でP
MDベクトルΩと回転面との交点を中心として回転する
角度をΔθとすると、PMD値Δτは次式:
【0026】
【数5】
【0027】で示される。したがって、予め決定された
角周波数間隔Δωだけ入射光の波長を変化させ、そのと
きの再規格化されたストークスベクトルの先端の回転角
Δθを求めて、回転角Δθを角周波数間隔Δωで除算す
ることにより、PMD値Δτを求めることができる。
【0028】さて回転角Δθを求めるためには、回転
面、言い換えればPMDベクトルΩの方向を先に決定す
ることが必要であるから、PMDベクトルΩの方向を以
下のようにして求める。まず、入射光の波長をλ1
λ2,…,λNとしたときに、得られる出射光の再規格ス
トークスベクトルをs(λj)とする(ただしj=1,
2,…,Nである)。PMDベクトルΩと直交する回転
面上にストークスベクトルの先端が位置している限り、
いかなる波長λ1,λ2,…,λNに対しても、ベクトル
[s(λj+1)−s(λj)]はPMDベクトルΩと直交する。
すなわち、次式: {s(λj+1)−s(λj)}・Ω=0 …(8) が成立する。
【0029】そして、PMDベクトルΩと同じ方向を有
する単位ベクトルをベクトルeΩとすると、PMDベク
トルΩは、次式: Ω=Δτ・eΩ …(9) で示される。このとき、ベクトル[s(λj+1)-s(λj)]
及び単位ベクトルeΩの各成分間には、これら式(8)
と(9)より、次式: [sxj+1)-sxj)]eΩ x+[syj+1)-syj)]eΩ y+ [szj+1)-szj)]eΩ z=0 …(10) [sxj+2)-sxj+1)]eΩ x+[syj+2)-syj+1)]eΩ y+ [szj+2)-szj+1)]eΩ z=0 …(11) (eΩ x)2+(eΩ y)2+(eΩ z)2=1 …(12) で示される関係が存在する。
【0030】したがって、これらの式(10)〜(12)を
解いて単位ベクトルeΩを求めれば、回転面を決めるこ
とができる。なお、単位ベクトルeΩの計算を簡単にす
るために次式: ai≡sk(λi+1)−sk(λi) …(13) (ただし、k=x,y,z;i=j,j+1)で示される
ベクトル成分aiを定義し、このベクトル成分aiを用い
て式(10)及び式(11)を次式:
【0031】
【数6】
【0032】のように変形する。そして、式(12),(1
4),(15)を併せて用いることで、単位ベクトルeΩ
より簡単に決定できる。このようにして波長λj毎に決
定されたベクトルeΩには測定誤差も含まれるため、本
発明ではこの測定誤差も加味して、波長λn,λn+1,λ
n+2,λn+3,λ n+4,λn+5(ただし、nは0〜Nまでの
任意の整数である)のときのベクトルe Ωの移動平均を
とることで、波長λj毎のベクトルeΩを再決定する。
そして、得られたベクトルeΩに基づいて、波長変化に
応じたストークスベクトルの回転角Δθの余弦cosΔθ
を求める。
【0033】ここで、回転角Δθは波長λ1のときの出
射光のストークスベクトルの回転面上への射影成分と、
波長λjにおけるストークスベクトルの回転面上への射
影成分とのなす角度である。したがって、回転角の余弦
cosΔθjは次式: cosΔθj=[[s(λj)-[eΩ・s(λj)]]・eΩj)] -[[s(λ1)-[eΩ・s(λ1)]]・eΩ1)] …(16) より求められる。
【0034】図4及び図5は、波長λ1を1500nmとした
ときに、3つの光サーキュレータ10,20,30のポー
ト2Aと2B間及びポート2Bと2C間について、回転
角の余弦cosΔθjを求めた結果をそれぞれ示している。
本発明では、図4及び5に示した結果、すなわち回転角
の余弦と入射光の波長間の関係曲線に基づいて、比較の
基準となる所定のPMD値、例えばメーカが保証するP
MD値に比べて光部品のPMD値が小さいか否かを以下
のようにして判定する。
【0035】すなわち、式(7)はΔωについて変形す
ると、Δωは、次式:
【0036】
【数7】
【0037】で示される。式(17)の右辺のΔθに例えば
2πを代入すれば、ストークスベクトルの先端が回転面
上を一周するのに必要な角周波数間隔Δωを求めること
ができる。そして、この角周波数間隔Δωを波長間隔Δ
λに変換すると、Δλは次式:
【0038】
【数8】
【0039】で示される。したがって、例えば保証する
PMD値が0.03(ps)の場合、角周波数あるいは波長を順
次変化させながらストークスベクトルの先端の位置を波
長毎に求め、角周波数間隔Δωが2π/0.03≒209(rad/p
s)だけ変化したときに、ストークスベクトルの先端が一
回転しなければ、あるいは、回転角の余弦cosΔθが1
から始まって再び1とならなければ、測定対象の光部品
のPMD値が0.03psよりも小さいと判定することができ
る。
【0040】このような判定方法によれば、少なくとも
3つ以上の複数のストークスベクトルの先端の軌跡に基
づいてPMD値の判定を行なっているので、得られる結
果は差分近似による誤差を含むことはない。しかし実際
には、比較の基準となるPMD値が0.03(ps)のときに、
ストークスベクトルの先端が回転面上を1回転するのに
必要な波長間隔Δλは式(17)より267nm(ただし、λ1
1550(nm))である。現在利用可能な波長可変レーザは
このように広い波長間隔に亘って波長を変化させること
はできない。
【0041】そこで本発明では、ストークスベクトルの
先端が角度π/2だけ回転する場合を考える。ストークス
ベクトルが角度π/2だけ回転させるのに必要な波長間隔
Δλは、1回転の場合の4分の1であって、66.8nmであ
る。この波長間隔であれば、その波長間隔Δλは通常の
波長可変光源により得ることができる。そしてこの波長
間隔だけ波長を変化させたときのストークスベクトルの
先端の回転角がπ/2未満であれば、光部品のPMDΔτ
は0.03psより小さいと判定される。
【0042】言い換えれば、この波長間隔の全域に亘り
ストークスベクトルの先端の回転角の余弦cosΔθの符
号が正であるときには、光部品のPMD値Δτは0.03ps
未満であると判定することができる。また、この余弦の
符号が負であるときには光部品のPMD値Δτは0.03ps
より大きいと判定される。更に本発明では、PMD測定
装置によるストークスパラメータの測定誤差及び波長可
変レーザの発振波長の精度に起因するPMD値の誤差は
以下のようにして回避する。
【0043】まずストークスパラメータの測定誤差は±
1.5(deg.)≒±0.052(rad.)である。そして、ストークス
パラメータの測定誤差がストークスベクトルの回転方向
に発生した場合、この測定誤差をεとすると、回転角は
Δθj+εとなり、求められる回転角の余弦は次式:
【0044】
【数9】
【0045】のように示される。式(19)から明らかなよ
うに、測定誤差εはそのままの大きさで回転角の余弦co
sΔθjに重畳する。したがって、PMD値の判定の基準
をcos(Δθj)の符号の正負ではなく、cos(Δθj)が0.05
2よりも大きいか否かとすることでストークスベクトル
の測定誤差の影響を吸収することができる。
【0046】次に、波長可変レーザの発振波長精度に伴
う誤差であるが、波長間隔66.8nmであったところを波長
間隔70nmまで広げ、波長間隔70nmに亘り回転角の余弦の
符号が正または0.052よりも大きいか否かで判定するこ
とにより、十分に吸収できる。上記した判定方法によれ
ば、図4及び5から、いずれの光サーキュレータの場合
も、波長範囲70nmに亘って回転角の余弦が0.052よりも
大きくなっているので、PMD値が0.03psよりも小さい
ことがわかる。
【0047】次に、本発明の別の実施形態に係るPMD
値の測定方法(以下、方法Bという)について説明す
る。方法Bは、入射光の波長(角周波数)を変化させな
がら光部品に光を入射させ、各波長毎に出射光のストー
クスベクトルを求め、そして、単位ベクトルeΩを求め
るところまでは、方法Aと同じである。
【0048】方法Bは、次式: Δθj=cos-1[[s(λj)-[eΩ・s(λj)]]・eΩj)]- [[s(λ1)-[eΩ・s(λ1)]]・eΩ1)] …(20) から、回転角Δθjを求める点が方法Aと異なる。図6
及び図7は、図4及び5の縦軸を式(20)に従って回転角
Δθjにて描画した図である。ここで、図6及び図7に
おける回転角Δθjの傾きと、光部品のPMD値Δτと
の間には次式:
【0049】
【数10】
【0050】で示した比例関係があり、波長変化Δλに
対する回転角Δθの変化率dθ/dλに所定の係数を乗
算することにより、光部品のPMD値Δτを求めること
ができる。なお、ここで式(21)の右辺に含まれるλは、
光部品のPMD値Δτを評価する中心波長である。
【0051】本発明では、回転角Δθjの傾き、すなわ
ち波長変化Δλに対する回転角Δθの変化率dθ/dλ
を、波長と回転角Δθjからなるデータに最小自乗法を
適用することにより求める。すなわち、互いに異なる3
つ以上の波長で回転角Δθを求めることにより差分近似
により生ずる誤差の影響を排除したばかりでなく、最小
自乗法を使用することにより、ストークスパラメータの
測定誤差及び波長可変レーザの発振波長の誤差に基づく
回転角Δθjの傾き、若しくは波長変化Δλに対する回
転角Δθの変化率dθ/dλの誤差を極小としているの
で、得られるPMD値の精度が高い。
【0052】そして本発明では、最小自乗法で用いるデ
ータを次のような態様で取捨選択するのが好ましい。す
なわち、波長毎に得られた全ての回転角Δθjからなる
データに最小自乗法を適用しようとすると、ストークス
ベクトルの先端が回転面上から外れているときの回転角
Δθjもデータとして使用することとなる。また一方、
厳密にΔλ(もしくは波長λ)と回転角Δθの関係を描
画したときに、描画された線が直線から外れることがあ
るからである。
【0053】データの選択は以下のようにして行なうこ
とができる。まず、図に示したように、ストークスベク
トルs(λj)とPMDベクトルΩのなす角度δφを求
める。ここで、回転面が一定であれば、角度δφは波長
に依存せず一定となるはずである。そこで、次式:
【0054】
【数11】
【0055】より、波長毎に角度δφ(λj)を求め
る。そして、角度δφ(λj)の誤差はストークスベク
トルの測定誤差に起因すると考え、次式: -1.5≦δφ(λj)≦1.5 …(23) を満足する波長λjの場合の回転角Δθjのデータだけを
用いて最小自乗法を行なう。すなわち、ストークスベク
トルs(λj)がストークス空間で描く円状の軌跡から
所定角度だけ離れたストークススベクトルに対応して得
られる回転角Δθを除外して前記最小自乗法を行なう。
図6及び7に、併せてδφ(λj)の計算結果を示す。
【0056】かくして、これら図6及び7に基づき、方
法Bにより中心波長を1550nmとして求めた光サーキュレ
ータ10,20,30におけるポート2A,2B間及びポ
ート2B,2C間のPMD値Δτを表1に示す。併せ
て、従来のJME法によるPMD値の測定結果も表1に
示す。
【0057】
【表1】
【0058】表1から、方法Bは従来のJME法よりも
PMD値の測定精度が向上し、従来のJME法では結果
が同じであった光サーキュレータ10及び30のポート
2A,2B間の場合でも、これらサーキュレータ10及
び30のPMD値の間に有意な差を得ることができたこ
とがわかる。
【0059】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
PMD値の測定方法によれば、互いに異なる3つ以上の
波長でストークスベクトルを測定するので、差分近似に
よる誤差が発生せず、PMD値の測定精度が高い。ま
た、本発明のPMD値の測定方法によれば、互いに異な
る3つ以上の波長でストークスベクトルを測定するの
で、差分近似による誤差が発生しないばかりでなく、最
小自乗法を利用することにより、ストークスパラメータ
の測定誤差及び波長(角周波数)の誤差に基づく波長変
化に対する回転角の変化率の誤差を最小にすることがで
きるので、PMD値の測定精度を高くすることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】偏波モード分散値の測定装置の概略構成図であ
る。
【図2】規格化されたストークスパラメータと波長の関
係を示す図である。
【図3】ストークス空間における、角周波数変化に伴う
PMDベクトルΩを中心とするストークスベクトルsの
回転の説明図である。
【図4】光サーキュレータのポート2Aとポート2B間
における、波長と回転角の余弦の関係を示す図である。
【図5】光サーキュレータのポート2Bとポート2C間
における、波長と回転角の余弦の関係を示す図である。
【図6】光サーキュレータのポート2Aとポート2B間
における、波長と回転角の関係を示す図である。
【図7】光サーキュレータのポート2Bとポート2C間
における、波長と回転角の関係を示す図である。
【符号の説明】
1 波長可変レーザ 2 光サーキュレータ(測定対象) 2A,2B,2C 光サーキュレータのポート 3 偏波モード分散値測定装置

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 角周波数を変化させて互いに角周波数の
    異なる3つ以上の光を測定対象の光部品に順次入射さ
    せ、前記光部品から出射した前記光のストークスパラメ
    ータを前記角周波数毎に測定し、前記ストークスパラメ
    ータより成るストークスベクトルの先端がポアンカレ球
    上において前記角周波数変化に応じて回転する回転角を
    求め、最小自乗法により前記角周波数変化に対する前記
    回転角の変化率を求めて前記変化率を前記光部品の偏波
    モード分散値とすることを特徴とする偏波モード分散測
    定方法。
  2. 【請求項2】 前記回転角のうち、前記ストークスベク
    トルの先端が前記回転により描く円状の軌跡から所定角
    度だけ離れたストークスベクトルに対応して得られる回
    転角を除外して前記最小自乗法を行なうことを特徴とす
    る請求項2の偏波モード分散測定方法。
  3. 【請求項3】 角度π/2を比較基準の偏波モード分散
    値で除して得られる角周波数範囲に亘って角周波数を変
    化させて互いに角周波数の異なる3つ以上の光を測定対
    象の光部品に順次入射させ、前記光部品から出射した前
    記光のストークスパラメータを前記角周波数毎に測定
    し、前記ストークスパラメータより成るストークスベク
    トルの先端がポアンカレ球上において前記角周波数変化
    に応じて回転する回転角の余弦を求め、前記回転角の余
    弦の符号が前記角周波数範囲に亘って正であるときに
    は、前記光部品の偏波モード分散値は前記比較基準の偏
    波モード分散値よりも小さいと判定することを特徴とす
    る偏波モード分散測定方法。
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