JP2006317424A - 光ファイバの複屈折測定方法及び測定装置、光ファイバの偏波モード分散測定方法及び光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】 自由な状態でのＰＭＤが比較的小さい、短い光ファイバの複屈折及びＰＭＤを短時間で正確に測定する方法と装置の提供。
【解決手段】 被測定光ファイバにおける測定起点０から所定の位置ｚまでの第１の区間（０，ｚ）の往復のジョーンズマトリクスＲ（ｚ）及び前記測定起点から前記位置ｚとは異なる位置ｚ＋Δｚまでの第２の区間（０，ｚ＋Δｚ）の往復のジョーンズマトリクスＲ（ｚ＋Δｚ）を取得し、マトリクスＲ（ｚ＋Δｚ）Ｒ（ｚ）^−１の固有値ρ_１，ρ_２を求め、演算により微小区間Δｚの複屈折を得ることを特徴とする光ファイバの複屈折測定方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバの複屈折測定方法及び測定装置、光ファイバの偏波モード分散測定方法及び光ファイバに関し、光ファイバの複屈折及び偏波モード分散を長手方向に沿って正確且つ簡単に測定するための技術に関する。

近年、光通信の伝送速度の高速化、伝送距離の長距離化が進むにつれ、伝送路には、偏波モード分散（以下、ＰＭＤと記す。）の低減が求められている。ＰＭＤは、光ファイバ内を伝播する、直交する２つの固有偏光成分に群速度差が生じることによって起こるモード分散である（特許文献１，２及び非特許文献１〜５参照。）。

ＰＭＤを決定するパラメータは２つある。一つは、光ファイバの複屈折の大きさであり、もう一つは、光ファイバの複屈折軸の方向が光ファイバ長手方向にどのように変化しているかを表す偏波モード結合の大きさである。

伝送路である光ケーブルのＰＭＤを決定する具体的な要因として、光ファイバのコア形状の非真円性や、コアに生じる応力の非対称性等など、光ファイバ内部に起因する要因と、光ケーブル化工程における光ファイバの曲げによる応力の非対称性など、光ケーブル化工程に起因する要因とが存在する。そのため、光ファイバ内部に起因する光ケーブルのＰＭＤの悪化を防ぐためには、光ケーブル化工程以前で、光ファイバ内部の要因に起因するＰＭＤを測定し、ＰＭＤの悪い光ファイバを取り除くことが好ましい。

光ファイバは、通常ボビンに巻かれた状態で光ケーブル化工程へと輸送されるが、ボビンに巻かれた状態の光ファイバは、ボビンに巻き付けられ、曲げや、側圧により複屈折が発生するとともに、光ファイバ同士が触れ合ったり、巻き取り時に大きなねじりが加えられたりして、偏波モード結合が誘発される。そのため、ボビンに巻かれた光ファイバのＰＭＤは、光ファイバ内部の要因に起因するＰＭＤとは一致しない。

そのため、光ファイバ内部の要因に起因するＰＭＤを測定するためには、光ファイバをボビンから開放して、直径２０ｃｍから１００ｃｍ程度の直径で巻き、光ファイバに近い比重を持つ液体中に沈めることで、側圧や小さな曲げにより発生する複屈折や、光ファイバ同士の接触に起因する偏波モード結合を解除して、ＰＭＤを測定する方法がとられる。このＰＭＤの測定に関しては、例えば非特許文献５等に記載されている。

ＰＭＤは、非特許文献４に記載されているように、統計的な性質を持つため、測定には不確定性を伴う。不確定性を小さくするためには、被測定光ファイバの総ＰＭＤを大きくする、または測定する波長を広げる、測定毎に光ファイバに摂動を加え、複数回測定するなどの方法がある。
国際公開ＷＯ ２００４／０１００９８号パンフレット 国際公開ＷＯ ２００４／０４５１１３号パンフレット E. Chausse, N. Gisin, Ch. Zimmer,"POTDR, depolarization and detection of sections with large PMD", OFMC'95 鶴田匡夫，「応用光学２」，pp.197-200、培風館 R. C. Jones,"A new calculus for the treatment of optical systems VI. Experimental determination of the matrix", JOSA, Vol.37, pp.110-112, 1947 N. Gisin,"How accurately can one measure a statistical quantity like polarization-mode dispersion", PTL, Vol.8, No.12, pp.1671-1673, Dec. 1996 B. L. Heffner,"Automated measurement of polarization mode dispersion using Jones matrix eigenanalysis", IEEE Photonics Tech. Lett. Vol.4, No.9, Sep. 1992

しかし、従来のＰＭＤ測定方法には、次のような問題がある。
被測定光ファイバの総ＰＭＤを大きくするためには、被測定光ファイバのＰＭＤが小さい場合、被測定光ファイバの全長を長くしなければならないが、自由な状態でのＰＭＤの測定に使用された光ファイバは、再度製品として使用することができないために、この方法は、測定のたびに長い光ファイバを必要とし、無駄が多い。また、測定する波長を広げる方法は、光源の発振波長により制限を受けるため、限界がある。また、複数回測定する方法は、測定に時間がかかり、効率が悪い。

次に、別の従来の技術と、その問題点について述べる。ＰＭＤは、光ファイバの母材や紡糸条件による変動が大きいため、通常は、同一条件で作製された光ファイバはほぼ同一のＰＭＤ値を示すが、突発的な原因により、部分的にＰＭＤが悪化する場合があり、長手方向に測定できることが好ましい。

従来の長手方向の複屈折、ＰＭＤの測定法としては、特許文献１，２に記載されている方法が挙げられる。これらの方法は、ＯＴＤＲと被測定光ファイバとの間に偏光子を配置した際に観測される、ＯＴＤＲ波形のばらつきの大きさにより複屈折やＰＭＤを測定するものである。しかし、これらの測定方法には幾つかの問題点が存在する。

まず、従来の方法では、入射する偏光状態と、光ファイバの複屈折軸角度との関係により、波形の振幅が異なるため、測定を正確に行うことができないという問題がある。例えば、入射偏光が直線偏光の場合、直線偏光の方向と複屈折軸とが４５度の角度をなす場合に振幅が最大になるが、一致した場合には振幅は０になる。この問題は、従来の方法による偏波モード分散の測定結果に深刻な影響を与える。

また、従来の方法では、ＯＴＤＲ波形のばらつきの指標として、最小自乗近似直線からのばらつきを指標としているが、そのためには、ある程度の区間に渡ってばらつきを平均化する必要があり、高い分解能を得ることは原理的に不可能である。

さらに、従来の方法では、汎用ＯＴＤＲを使用することにより簡素な構成とすることを特徴としているが、汎用ＯＴＤＲの光源はスペクトル幅が５ｎｍ〜２０ｎｍと広いため、一旦ＰＭＤの大きな地点を通過すると、パルス中の偏光状態が波長によって異なってしまう現象が発生し、振幅は平均化されて小さくなるため、それ以降のＰＭＤの測定ができなくなるという問題点も有していた（非特許文献１参照。）

本発明は前記事情に鑑みてなされ、自由な状態でのＰＭＤが比較的小さい、短い光ファイバの複屈折及びＰＭＤを短時間で正確に測定する方法と装置の提供を目的とする。
また本発明は、光ファイバが自由な状態での長手方向の複屈折及びＰＭＤを正確に、かつ任意の分解能で測定し、かつＰＭＤの大きな地点が途中に存在しても、それ以降の測定結果に影響を与えない方法と装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、被測定光ファイバにおける測定起点０から所定の位置ｚまでの第１の区間（０，ｚ）の往復のジョーンズマトリクスＲ（ｚ）及び前記測定起点０から前記位置ｚとは異なる位置ｚ＋Δｚまでの第２の区間（０，ｚ＋Δｚ）の往復のジョーンズマトリクスＲ（ｚ＋Δｚ）を取得し、マトリクスＲ（ｚ＋Δｚ）Ｒ（ｚ）^−１の固有値ρ_１，ρ_２を求め、次式（１），（２）

（式中、φは複屈折による直交偏光間の位相差、Δｎは複屈折、λは波長をそれぞれ表す。）
の演算により、前記位置ｚから前記位置ｚ＋Δｚまでの微小区間Δｚにおける複屈折を得ることを特徴とする光ファイバの複屈折測定方法を提供する。

本発明の光ファイバの複屈折測定方法において、偏波ＯＴＤＲを使用し、被測定光ファイバの往復のジョーンズマトリクスを取得することが好ましい。

また本発明は、少なくともタイミング制御手段と、該タイミング制御手段により制御されるパルス光発生手段と、該パルス光発生手段からのパルス光の偏光状態を変換する偏光変換手段と、該偏光変換手段からのパルス光を被測定光ファイバの一端に入射させるとともに、該被測定光ファイバの一端に戻ってきた後方散乱光を出射する光周回手段と、該タイミング制御手段により制御される、該光周回手段からの出射光の偏光状態を時系列として検出する偏光検出手段と、該偏光検出手段の出力に基づいて、前記複屈折測定方法を用いて被測定光ファイバの複屈折を測定する解析手段とを有することを特徴とする光ファイバの複屈折測定装置を提供する。

また本発明は、前記光ファイバの複屈折測定方法を用いて測定した自由な状態での被測定光ファイバの複屈折と、自由な状態での被測定光ファイバの偏波モード分散との関係を用いて、自由な状態での被測定光ファイバの偏波モード分散を測定することを特徴とする光ファイバの偏波モード分散測定方法を提供する。

また本発明は、ボビンに巻かれた光ファイバの一部を取り出し、前記光ファイバの偏波モード分散測定方法を用いてその偏波モード分散を測定した後、その測定値を、ボビンに巻かれた光ファイバの全体を自由な状態に置いたときの偏波モード分散とすることを特徴とする光ファイバの偏波モード分散測定方法を提供する。

また本発明は、前記光ファイバの複屈折測定方法を用いて測定した自由な状態での被測定光ファイバの複屈折と、自由な状態での被測定光ファイバの偏波モード分散との関係を用いて、ボビンに巻かれた状態で、自由な状態での被測定光ファイバの偏波モード分散を測定することを特徴とする光ファイバの偏波モード分散測定方法を提供する。

また本発明は、前記光ファイバの複屈折測定方法を用いて測定した、ボビンに巻かれた状態での被測定光ファイバの複屈折と、自由な状態での被測定光ファイバの偏波モード分散との関係を用いて、ボビンに巻かれた状態で、自由な状態での被測定光ファイバの偏波モード分散を測定することを特徴とする光ファイバの偏波モード分散測定方法を提供する。

前記偏波モード分散測定方法において、ボビンに巻かれた状態で、被測定光ファイバに印加されているねじれの量が１ｒａｄ／ｍ以下であることが好ましい。

前記偏波モード分散測定方法において、ボビンへの巻き取り張力や、巻き取られた光ファイバ自身による側圧の影響が小さい部分の複屈折を測定し、被測定光ファイバの複屈折の代表値として、ボビンに巻かれた光ファイバ全体を自由な状態に置いたときの光ファイバの偏波モード分散とすることが好ましい。

前記偏波モード分散測定方法において、被測定光ファイバを巻き取るボビンと光ファイバが接する箇所に緩衝材を配置し、光ファイバへの側圧を低減するとともに、測定環境の温度変化によるボビンの膨張収縮による、測定中の偏光状態変動の影響を除去することが好ましい。

前記偏波モード分散測定方法において、光ファイバへの張力を一時的に緩めたうえで、ボビンに巻かれた状態で被測定光ファイバの複屈折を測定し、自由な状態での光ファイバの偏波モード分散を測定することが好ましい。

また本発明は、前記光ファイバの偏波モード分散測定方法によって測定された偏波モード分散が０．１ｐｓ／√ｋｍ以下であることを特徴とする光ファイバを提供する。

前記光ファイバにおいて、ボビンに巻かれた状態で、印加されているねじれの量が１ｒａｄ／ｍ以下であることが好ましい。

前記光ファイバにおいて、測定された偏波モード分散の値またはその上限値が表示されていることが好ましい。

本発明によれば、被測定光ファイバにおける測定起点０から所定の位置ｚまでの第１の区間（０，ｚ）の往復のジョーンズマトリクスＲ（ｚ）及び前記測定起点０から前記位置ｚとは異なる位置ｚ＋Δｚまでの第２の区間（０，ｚ＋Δｚ）の往復のジョーンズマトリクスＲ（ｚ＋Δｚ）を取得し、マトリクスＲ（ｚ＋Δｚ）Ｒ（ｚ）^−１の固有値ρ_１，ρ_２を求め、演算により微小区間Δｚの複屈折を得るものなので、また、得られた光ファイバの複屈折から光ファイバのＰＭＤを得るものなので、自由な状態でのＰＭＤが比較的小さい、短い光ファイバの複屈折及びＰＭＤを短時間で正確に測定する方法と装置を提供することができる。
また本発明は、光ファイバが自由な状態での長手方向の複屈折及びＰＭＤを正確に、かつ任意の分解能で測定し、かつＰＭＤの大きな地点が途中に存在しても、それ以降の測定結果に影響を与えない方法と装置を提供することができる。
また本発明によれば、ボビンに巻かれた状態、あるいはボビンに巻かれ張力が一時的に緩められた状態の光ファイバについて、自由な状態とした光ファイバのＰＭＤを推定することができる。

まず、本発明による光ファイバの複屈折測定方法について説明する。
図１は、本発明による光ファイバの複屈折測定方法における測定区間を説明するための概略図である。本発明の複屈折測定方法では、被測定光ファイバにおける測定起点０から所定の位置ｚまでの第１の区間（０，ｚ）を設定し、かつ測定起点０から前記位置ｚとは異なる位置ｚ＋Δｚまでを第２の区間（０，ｚ＋Δｚ）とし、位置ｚから前記位置ｚ＋Δｚまで（第１の区間と第２の区間との差の区間）を微小区間Δｚとする。
また第１の区間（０，ｚ）までの片道のジョーンズマトリクスをＪ_１とし、微小区間Δｚの片道のジョーンズマトリクスをＪ_２とし、第１の区間（０，ｚ）の往復のジョーンズマトリクスをＲ（ｚ）とすると、次式（３）

の関係がある。ここで、Ｒ（ｚ＋Δｚ）Ｒ（ｚ）^−１という行列を考えると、次式（４）

となる。自由な状態での光ファイバや光ケーブル内の光ファイバにおいては、光ファイバの複屈折軸の変化や、光ファイバに加えられたねじれは緩やかなものであるので、微小区間Δｚは直線複屈折しか持たず、複屈折の軸の角度も一定であると考えることができる。すると、微小区間Δｚの片道のジョーンズマトリクスＪ_２は、複屈折の進相軸の角度をθ、複屈折による直交偏光間の位相差をφとして、次式（５）

（式（５）中、Ｐ_２はマトリクスＪ_２の固有ベクトルを成分とするマトリクス、Ｑ_２はマトリクスＪ_２の固有値を対角成分とする対角行列をそれぞれ表す。）
であるから、次式（６）

である。その場合には、次式（７）

である。
一方、Ｒ（ｚ＋Δｚ）Ｒ（ｚ）^−１を対角化すると、次式（８）

と表すことができるから、次式（９）

が成立する。よって、行列Ｒ（ｚ＋Δｚ）Ｒ（ｚ）^−１を対角化して得られる対角行列Ｑ’は、微小区間（ｚ，ｚ＋Δｚ）のジョーンズマトリクスＪ_２を対角化して得られる対角行列Ｑ_２の２乗であることが分かる。つまり、次式（１０）

である。Ｑ’の対角成分はＲ（ｚ＋Δｚ）Ｒ（ｚ）^−１の固有値であるから、Ｒ（ｚ＋Δｚ）Ｒ（ｚ）^−１の２つの固有値ρ_１，ρ_２を、次式（１１）

とすると、次式（１２）、（１３）

により、任意の微小区間Δｚの複屈折、つまり長手方向の複屈折測定ができる。

このようにして測定された複屈折の値を、必要とする分解能に応じて平均化処理することで、任意の分解能で複屈折の測定を行うことができる。

なお、本発明の複屈折測定方法による複屈折の算出において、第１の区間（０，ｚ）のジョーンズマトリクスについての制約は何ら加えていないため、第１の区間（０，ｚ）のジョーンズマトリクスがどのような性質のものであっても、測定に何ら影響を与えることはない。

次に、図面を参照し本発明による光ファイバの複屈折測定装置の実施形態を説明する。
図２は、本発明の複屈折測定装置の一実施形態を示す構成図である。本実施形態の複屈折測定装置１は、タイミング制御手段１１と、該タイミング制御手段１１により制御されるパルス光発生手段１２と、該パルス光発生手段１２からのパルス光の偏光状態を変換する偏光変換手段１３と、該偏光変換手段１３からのパルス光を被測定光ファイバの一端に入射させるとともに、該被測定光ファイバの一端に戻ってきた後方散乱光を出射する光周回手段１４と、タイミング制御手段１１により制御される、該光周回手段１４からの出射光の偏光状態を時系列として検出する偏光検出手段１５と、該偏光検出手段１５の出力に基づいて、前述した本発明に係る複屈折測定方法を用いて被測定光ファイバ２の複屈折を測定する解析手段１６とを備えて構成されている。

本実施形態の複屈折測定装置１において、タイミング制御手段１１によって制御されるパルス光発生手段１２から出射したパルス光は、偏光変換手段１３に入射し、３種類の異なる偏光状態に変換された後、出射される。

偏光変換手段１３から出射したパルス光は、光周回手段１４から、被測定光ファイバ２の一端に入射し、この一端に戻ってきた後方散乱光は、光周回手段１４から、タイミング制御手段１１によって制御される偏光解析手段１５へと入射し、戻り光の偏光状態を時系列データとして検出する。

偏光状態の測定は、戻り光に含まれる水平偏光成分、垂直偏光成分、４５度直線偏光成分及び右回り円偏光成分の４つの偏光成分の強度を時系列で測定し、ストークスパラメータを算出し、完全偏光成分をジョーンズベクトルに変換する方法などがある（非特許文献２参照）。これを時系列で行うことで、偏光状態を時系列で検出する。

解析手段１６は、偏光変換手段１３によって変換された３種類の異なる偏光状態に対する、戻り光の偏光状態の時系列データから、被測定光ファイバ２の往復のジョーンズマトリクスを測定する。３つの異なる入射偏光に対する出射偏光からジョーンズマトリクスを算出する方法については、例えば非特許文献３に詳細が述べられている。

次に、この複屈折測定装置１に用いられているパルス光発生手段１２の構成について述べる。汎用ＯＴＤＲの光源は、スペクトル幅が５ｎｍ〜２０ｎｍと広いため、一旦ＰＭＤの大きな地点を通過すると、パルス中の偏光状態が波長によって異なってしまう現象が発生し、振幅は平均化されて小さくなるため、それ以降のＰＭＤの測定ができなくなるという問題点が知られている（非特許文献１参照）。そのため、パルス光発生手段１２から出射されるパルス光のスペクトル幅は狭いことが望ましい。

しかし、パルス光のスペクトル幅が狭くなるにつれ、別の問題が発生する。スペクトル幅が狭くなるにつれて、光源の可干渉性が高くなるため、異なる位置からの後方散乱光が干渉し、ＯＴＤＲ測定時に大きなノイズとなって現れる。これは、コヒーレントノイズと呼ばれる。

コヒーレントノイズがＯＴＤＲ波形に与える影響を除去するためには、図３に示すように、パルス光発生手段１２のパルス光源１２１の後段に、電気光学効果や音響光学効果などを利用した位相変調器１２２を配置し、波長の変化による偏光状態の変化が無視できる程度にパルス光源１２１のスペクトル幅を広げて可干渉性を低減する方法が有効である。また、スペクトル幅の広いパルス光源１２１の後段に、波長フィルタを配置し、波長の変化による偏光状態の変化が無視でき、かつ、可干渉性が問題にならない程度に、スペクトル幅を狭めても、同様の効果を得ることができる。

波長のスペクトル幅は、被測定光ファイバ２の各点における、波長の変化による偏光状態の変化が無視できる程度である必要があり、それは被測定光ファイバ２の各点までの累積ＰＭＤの大きさによって決まるために、一意に決定することは難しいが、コヒーレントノイズを除去するために必要なスペクトル幅は０．１ｎｍで十分であり、それ以上広い必要はない。

次に、本発明の光ファイバの複屈折測定装置１に用いられるパルス光発生手段１２の別の形態について述べる。図４に示すように、パルス光発生手段１２内部に光増幅器１２３を配置すれば、パルス光が増幅されるため、より長距離の測定を行うことが可能になる。この場合、光増幅器１２３は自然放出光を発生するので、光増幅器１２３の後段に、自然放出光抑圧手段１２４を配置し、パルスが出射されていない時間の自然放出光を被測定光ファイバ２に入射させない構成とすることが好ましい。自然放出光抑圧手段としては、音響光学素子等の光変調器を用いることができる。

次に、偏光変換手段１３について述べる。本発明で用いられる偏光変換手段１３は、３つの異なる偏光状態を形成でき、形成された偏光状態が把握できる構成である必要がある。図５に示すように、偏光変換手段として位相差板１３１を単体で用いる場合には、位相差板１３１への入射偏光状態が変化すると、出射偏光状態が変化するため、パルス光発生手段１２が直線偏光を出射し、偏光変換手段１３までの光路１７をすべて偏光保持型部品（偏波保持型光ファイバ等の偏波保持型導波路）で構成することで、偏光変換手段１３への入射偏光状態を一定に保つことが望ましい。

次に、本発明の別の偏光変換手段１３について述べる。図６に示すように、偏光変換手段１３として、偏光子１３２を用いると、偏光変換手段１３への入射偏光状態が不明であっても、偏光変換手段１３からの出射光は直線偏光になる。そのため、偏光子１３２の角度を変化させることで、任意の直線偏光状態を作ることができるので好ましい。この場合、偏光子１３２の角度を変化させると、その角度によっては偏光子１３２からの出射パワーが減少し、ＯＴＤＲ測定のＳＮ比が低下する場合がある。そのため、図８に示すように、偏光変換手段１３の前段に別の偏光変換手段１８を配置し、偏光変換手段１３への入射偏光状態を変化させることで、偏光変換手段１３中の偏光子からの出射パワーを調整できる構成であるとさらに好ましい。

次に、本発明のさらに別の偏光変換手段１３について述べる。図７のように、偏光変換手段１３として、偏光子１３３と、その後段に位相差板１３４を配置した構成を用いると、偏光変換手段１３への入射偏光状態が不明であっても、偏光子１３３からの出射光は直線偏光になり、位相差板１３４によって偏光状態を作ることから好ましい。この場合、偏光変換手段１３への入射偏光状態に応じて偏光子１３３の角度を変化させることで、偏光子１３３からの出射パワーを調整できる構成とすることがより好ましい。また、図８に示すように、偏光変換手段１３の前段に別の偏光変換手段１８を配置し、偏光変換手段１３への入射偏光状態を変化させることで、偏光変換手段１３中の偏光子からの出射パワーを調整できる構成であるとさらに好ましい。

次に、本発明の複屈折測定装置の別の実施形態について述べる。光ファイバは、曲げや外力など、外部から摂動が加えられることにより、通過する光の偏光状態が大きく変動する。そのため、偏光変換手段１３中に偏光子１３２，１３３が使用されている場合、パルス光発生手段１２と偏光変換手段１３とをつなぐ光路に測定中に外部から摂動が加えられると、偏光変換手段１３中の偏光子１３２，１３３を通過する光量が変化し、測定結果に大きな影響を与える。そのため、図９に示すように、偏光変換手段１３の後段に光分岐手段１９と光検出手段２０を配置し、偏光子１３２，１３３を通過した光量の変化を測定し、摂動の影響の有無を監視するとともに、常に十分なパルス光強度が得られるよう、偏光変換手段１３を制御することが好ましい。

次に、本発明の複屈折測定装置のさらに別の実施形態について述べる。測定中に被測定光ファイバ２に同様の摂動が加えられた場合、光ファイバのジョーンズマトリクスが変化し、測定結果に影響を及ぼす。そのため、同一の入射偏光による測定を２回以上行い、比較することで、測定中に被測定光ファイバ２に摂動が加えられたかどうかを監視する方法が有効である。具体的には、解析手段１６に前述した測定プログラムを組み込んで、同一の入射偏光による測定を２回以上行い、比較することによって、測定中に被測定光ファイバ２に摂動が加えられたかどうかを表示するように構成することができる。なお、必ずしも３つの入射偏光すべてについて測定を２回以上行う必要はなく、通常は、最初と最後に同一の入射偏光状態で２回測定を行い、その測定結果を比較するだけで十分である。

次に、本発明によるＰＭＤ測定方法について述べる。本発明のＰＭＤ測定方法は、前述した本発明に係る複屈折測定方法を用いて測定された被測定光ファイバ２の複屈折を基に、その被測定光ファイバ２のＰＭＤを求めることを特徴としている。

前述したように、ＰＭＤは、局所的な複屈折と偏波モード結合の２つの要因によって決定付けられる。そのため、偏波モード結合がほぼ一定と考えられる場合や、局所的な複屈折の大きさと偏波モード結合との間に一定の関係が存在する場合には、局所的な複屈折から、偏波モード結合の値を測定することができ、よって、ＰＭＤの値を測定することができる。

一般的に、自由な状態に置かれた光ファイバは、複屈折が大きいほど偏波モード結合は少なく、複屈折が小さいほど偏波モード結合が多くなるので、複屈折の大きさと偏波モード結合との間に一定の関係が存在し、その関係をあらかじめ実験的に求めておくことで、複屈折の大きさからＰＭＤを測定することができる。この方法は、特に、自由な状態でのＰＭＤが比較的小さい、短い光ファイバのＰＭＤを測定する際に有効である。

実際に、全長３０００ｍの光ファイバを自由な状態に置き、本発明の測定装置を用いて、波長１．５５μｍでの複屈折を測定した。その後、該光ファイバの自由な状態での、波長１．５５μｍ帯でのＰＭＤを測定し、比較した結果を図１３に示す。なお、図１３のＰＭＤ測定結果は、測定毎に光ファイバの設置状体を変化させて、光ファイバが自由な状態のＰＭＤを１０回測定し、平均化したものである。

また、図１４は、光ファイバが自由な状態のＰＭＤ測定において、１０回のうちの１回の測定結果を取り出したものと、１０回の測定の平均とを比較した図である。ＰＭＤの統計的性質より、１０回の測定の平均値の方が真値に近いと考えられるが、図１３と図１４を比較すると、ＰＭＤを１回のみ測定した結果との比較よりも、本発明の方法により測定した複屈折と比較した結果のほうが、明らかに良い相関が見られる。よって、本発明の方法でＰＭＤを正確に測定できることが分かる。

また、非特許文献４によれば、ＰＭＤの測定精度を、真値からの標準偏差σで表すと、σは総ＰＭＤの１／２乗に反比例する。また、総ＰＭＤは光ファイバの長さの１／２乗に比例するため、σは光ファイバの長さの１／４乗に反比例することになる。よって、本実施例では３０００ｍの光ファイバを使用したが、１０００ｍの光ファイバを使用する場合には約１．６倍、３００ｍの場合には約１．８倍、１００ｍの場合に約２．３倍悪化する。そのため、実施例よりも短い光ファイバを使用して同様の測定を行った場合には、図１４によって示される相関は、より弱い相関となると考えられる。一方、複屈折は統計的な量ではないため、被測定光ファイバの長さによって測定精度は影響を受けない。このように、本発明の方法は、ＰＭＤの比較的小さな、短い光ファイバのＰＭＤを測定する場合に、従来の、直接ＰＭＤを測定する方法と比較して、特に有効な方法となる。

次に、本発明の別のＰＭＤの測定方法について述べる。前述のように、ボビンに巻かれた光ファイバのＰＭＤと、自由な状態に置いたときのＰＭＤは一致しない。しかし、外部から印加された外力による複屈折の大きさが、内部の複屈折の大きさに比べて小さかったり、光ファイバに加えられるねじれが小さかったりする場合には、両状態の光ファイバの複屈折は、殆ど同じである。そのような場合、ボビンに巻かれた光ファイバの複屈折と、自由な状態に置かれた光ファイバの複屈折には関係が存在し、ボビンに巻かれた光ファイバの複屈折から、自由な状態に置かれた光ファイバのＰＭＤを測定することができる。

また、光ファイバ固化後にねじれが加えられたり、側圧が加えられていたりする場合には、本発明の方法による複屈折の測定値は影響を受け、自由な状態に置かれた光ファイバの複屈折と異なるが、すべての光ファイバが同様の工程を経て巻き取られる場合、すなわち一般的な製造工程においては、それらの影響はほぼ一定である。よって、それらの影響が一定と見なせる場合は、ボビンに巻かれた状態での本発明の方法による複屈折の測定値と、自由な状態に置かれた光ファイバの複屈折の値には、関係が存在する。そのため、ボビンに巻かれた光ファイバの複屈折を測定することで、自由な状態に置かれた光ファイバのＰＭＤを測定することができる。

次に、ボビンに巻かれた状態で測定される光ファイバに加えられるねじれについて述べる。本発明の複屈折測定方法では、微小区間（ｚ，ｚ＋Δｚ）が直線複屈折のみを持ち、複屈折軸の方向も一定であると仮定している。自由な状態での光ファイバや、光ケーブル内の光ファイバなどは、ねじれの量が少ないため、この仮定に問題はない。しかし、ボビンに巻かれた光ファイバは、巻取りに起因して大きなねじれが光ファイバに加えられている場合があり、本発明の方法によって測定される複屈折の値に影響を与えることがある。その影響を数値計算により計算し、本発明の方法の適用範囲を調査した。

なお、計算において、微小区間Δｚは、一般的なＯＴＤＲの分解能である１ｍとした。微小区間のジョーンズマトリクスの計算は、微小区間をさらに０．００１ｍの区間に分割して、隣接する区間の複屈折軸をねじれの分だけ回転させることにより計算した。０．００１ｍの区間のジョーンズマトリクスは、その区間での旋光性のみの効果を表すジョーンズマトリクスと、その区間での直線複屈折のみの効果を表すジョーンズマトリクスを乗算して計算した。光ファイバの導波路分散、材料分散は考慮しておらず、光ファイバ中を導波する光は平面波であると近似した。ねじれが印加される前の複屈折の大きさΔｎは１．５５×１０^−７、旋光能αは０．０７、波長は１．５５μｍとした。これらはいずれも、現在光通信で一般的に使用されている光ファイバ、および波長の典型的な値である。

ねじりの量をさまざまに変えて、本発明の方法により測定される複屈折の大きさがどれだけ変化するかを示したのが図１０である。図１０より、光ファイバに加えられたねじりの量が１ｒａｄ／ｍなら、本発明の方法によって測定される複屈折の大きさは、ねじれがない場合の複屈折の大きさと１０％程度の違いで一致する。しかし、ねじりの量が２ｒａｄ／ｍになると、その違いは４０％程度になる。よって、本発明の方法によって測定される光ファイバに印加されるねじりの量は、１ｒａｄ／ｍ以下であることが好ましい。

また近年、光ファイバのＰＭＤを低減するために、光ファイバを溶融線引きする際、ガラスが固まる前にねじりを加え、複屈折の軸方向を変化させる事で、実効的な複屈折を低減させる方法が用いられる場合がある。微小区間における実効的な複屈折の大きさΔｎ’は、微小区画に固有の２つの直交固有偏光間に発生する位相差φから求めることができ、微小区間のジョーンズマトリクスを次式（１４）

と対角化したのち、次式（１５），（１６）

によって求めることができる。

この場合にも、微小区間Δｚにおいて複屈折の軸の方向は一定でないため、本発明の方法によって測定される複屈折の値に影響を与えることがある。その影響を数値計算により計算し、本発明の方法の適用範囲を調査した。計算の条件は同じである。

まず、光ファイバ固定前に一定方向のねじりが印加される場合について、印加されるねじりの量をさまざまに変えて、区間Δｚにおける実効的な複屈折の大きさと、本発明の方法により測定される複屈折の大きさにどれだけの差異が発生するかを計算したのが図１１である。

また、図１２は、光ファイバ固化前に正弦波型のねじれを加えた場合について同様の計算を行った結果である。正弦波型のねじれとは、距離ｚの点におけるねじれの角度θとスピン振幅Ａ、スピン周期Ｐとの間に、次式（１７）

の関係が成立するようにねじりを加える方法である。

図１１，図１２より、光ファイバ固化前に一定方向のねじれを加えた場合でも、光ファイバ固化前に正弦波型のねじれを加えた場合でも、本発明の方法により測定される複屈折の大きさは、実効的な複屈折の大きさとよく一致していることが分かる。よって、光ファイバ固化前にねじりを加えることにより実効的な複屈折を低減させた場合には、本発明の方法により複屈折を正確に測定できる。

次に、本発明による別のＰＭＤの測定方法について述べる。ボビンから被測定光ファイバに加えられる外力の影響が小さければ、本発明の方法により、自由な状態に置かれた光ファイバのＰＭＤを測定することができるが、ボビンへの巻き取り張力が高い場合には、張力による側圧の影響があり、被測定光ファイバの全長に渡って、外力により印加された複屈折の影響を小さくすることは困難な場合が存在する。図１５に、ボビンに巻かれた光ファイバのビート長を、最外周から長手方向に測定した結果を示す。図１５より、ボビンに巻かれた状態では、内周部ほど大きな複屈折を持っていることが分かる。

一方、光ファイバの複屈折は光ファイバの母材に起因することが多く、母材が同じならば、複屈折の大きさもほぼ同じである場合が多い。そのような場合には、外力により印加された複屈折の影響が小さい部分、通常は巻かれた光ファイバの最外周付近の複屈折を測定し、被測定光ファイバの複屈折の代表値として、自由な状態に置かれた光ファイバのＰＭＤを測定することができる。

実際に、ボビンに巻かれた状態で、最外周から５００ｍの区間の複屈折を測定し、その後、ボビンに巻かれた光ファイバ全体を自由な状態にしてＰＭＤを測定し、両者を比較したのが図１６である。図１６より、ボビンに巻かれた状態で、最外周部の複屈折を測定することで、ボビンに巻かれた光ファイバ全体を自由な状態にした場合のＰＭＤの代表値とすることができることが分かる。

次に、本発明の方法に用いるのに適したボビンの形態について述べる。ボビンから被測定光ファイバに加えられる外力の影響が小さければ、前記方法を用いて自由な状態に置かれた光ファイバのＰＭＤを測定する場合に、最外周部からより長い距離に渡って測定を行うことができる。そのためには、ボビンと被測定光ファイバが接する箇所に緩衝材を配置し、被測定光ファイバに加えられる外力の影響を低減する方法が好ましい。また、測定中に被測定光ファイバに加わる摂動の一つの要因に、光ファイバを巻き取るボビンが、温度変化によって膨張、又は収縮し、ファイバに加わる側圧が変化することによる摂動があるが、緩衝材により、ボビンに膨張収縮が起こっても、それによって被測定光ファイバへの摂動が加わるのを防止できることから好ましい。

また、ボビンの構成を、被測定光ファイバへの張力を一時的に除去することが可能な構成にし、測定中、一時的に光ファイバへの張力を除去した上で、本発明の方法によりＰＭＤを測定した後、張力を基の状態に戻す測定方法が好ましい。この方法は、ボビンへの巻き取り張力が高く、ボビンへの巻き付けに起因する複屈折が大きな場合、特に有効である。

次に、光ファイバの複屈折、ＰＭＤを長手方向に測定する方法について述べる。本発明の方法を用いれば、光ファイバ長手方向の各点における複屈折を求めることができるので、前述した、複屈折とＰＭＤの関係を用いて、ＰＭＤを長手方向に測定することができる。

図１７は、部分的に光ファイバの真円性が悪くなるように溶融線引きした全長５０００ｍの光ファイバを、ボビンに巻いた状態で、本発明の方法により複屈折の測定を長手方向に行い、２５００ｍの地点で２分割して、自由な状態でのＰＭＤの測定を行った結果と比較したものである。図１７より、本発明の方法を用いれば、ボビンに巻かれた状態であっても、自由な状態でのＰＭＤを長手方向に測定できることが分かる。

また、ボビンと被測定光ファイバとが接する箇所に緩衝材を配置したり、ボビンの被測定光ファイバへの張力を一時的に除去することが可能な構成にし、測定中、一時的に光ファイバへの張力を除去した上で、本発明の方法によりＰＭＤを長手方向に測定すれば、ＰＭＤの長手方向の変動を非常に高い精度で検出できることから好ましい。

図１８は、部分的に光ファイバの真円性が悪くなるように溶融線引きした全長３０００ｍの光ファイバを、被測定光ファイバへの張力を一時的に除去することが可能な構成にしたボビンに巻き取った後、一時的に張力を除去し、本発明の方法により複屈折を長手方向に測定した後、１５００ｍの地点で２分割して、自由な状態でのＰＭＤの測定を行った結果と比較した図１８である。図１８より、本発明の方法を用いれば、非常に小さな長手方向のＰＭＤの変化であっても捉えることが可能であることが分かる。

本発明は、前述した本発明によるＰＭＤ測定方法によって測定されたＰＭＤが０．１ｐｓ／√ｋｍ以下であることを特徴とする光ファイバを提供する。本発明の光ファイバは、石英ガラス製のシングルモード光ファイバ（以下、ＳＭファイバと記す。）、偏波保持光ファイバなどが挙げられるが、これらに限定されない。

本発明の光ファイバは、ボビンに巻いた状態で提供することができ、ボビンに巻かれた状態で、印加されているねじれの量が１ｒａｄ／ｍ以下であることが好ましい。このねじれ量が１ｒａｄ／ｍ以下であれば、ボビンに巻いた状態で測定した複屈折は、ねじれがない場合の複屈折の大きさと１０％程度の違いで一致することから、ボビンに巻いた状態で光ファイバの複屈折を測定することができる。一方、ねじれの量が１ｒａｄ／ｍを超え、光ファイバごとにねじれの量が異なる場合には、測定される複屈折と、自由な状態に置かれた光ファイバのＰＭＤとの間の関係が弱まり、正確なＰＭＤを測定できなくなる。

本発明の光ファイバは、光ファイバ自体又はそれを巻いたボビンのいずれかに、前述した本発明のＰＭＤ測定方法を用いて測定されたＰＭＤの値またはその上限値が表示されていることが好ましい。この表示内容は、例えば、「ＰＭＤ０．０１〜０．０５ｐｓ／√ｋｍ」、「ＰＭＤ０．１ｐｓ／√ｋｍ以下」などが好ましい。表示方法は、前記表示内容を印刷したラベルを貼着したり、表示を付したタグを取り付けるなどの方法でよい。また、光ファイバの性能一覧を記した説明書にＰＭＤの値又は上限値を印刷し、これをボビン巻きにした光ファイバと同梱し、包装しても良い。

さまざまな長さの光ファイバを、直径３００ｍｍのボビンに張力４０ｇで巻き取り、ボビンに巻かれた状態で、最外周から１３００ｍの区間の複屈折を測定した。その後、その１３００ｍを自由な状態にした後、複屈折とＰＭＤを両方とも１０回ずつ測定した。（ＩＥＣ６０７９３−１−４８、Ａｎｎｅｘ Ｅに記載があるように）１回の測定ごとに、光ファイバに振動を与えた。

ボビンに巻かれた状態での複屈折と自由な状態に置かれた光ファイバのＰＭＤとを比較した結果を図１９に示す。図１９において、ＰＭＤの測定結果は、１０回の測定の平均値である。図１９より、ボビンに巻かれた状態で複屈折を測定することにより、自由な状態に置かれた光ファイバのＰＭＤを測定することができる。

自由な状態に置かれた光ファイバの複屈折と、自由な状態に置かれた光ファイバのＰＭＤとを比較した結果を図２０に示す。図２０中の点は、それぞれの測定の１０回の測定結果の平均値であり、エラーバーは標準偏差である。図２０より、自由な状態に置いて複屈折を測定することにより、自由な状態に置かれた光ファイバのＰＭＤを測定することができる。また、ＰＭＤ測定の標準偏差に対し、複屈折測定の標準偏差が非常に小さいことも分かる。よって、本発明のＰＭＤの測定方法は、非常に高い測定再現性を有していることも分かる。

また、ボビンに巻かれた状態での複屈折と自由な状態に置かれた光ファイバの複屈折を比較した結果を図２１に示す。図２１より、ボビンに巻いた状態でも、複屈折の状態は、自由な状態に置かれた場合と変わっていないことがわかり、本方法が、ボビンに巻かれた光ファイバの測定に適していることが分かる。ボビンに巻いた状態と自由な状態とで複屈折の測定値が等しいのは、ボビンに巻くことで、ねじりが発生せず、また、ボビンの曲げ径や側圧により発生する複屈折の影響も十分に小さい。

本発明に係る光ファイバの複屈折測定方法における測定区間を説明するための概略図である。 本発明に係る光ファイバの複屈折測定装置の一実施形態を示す構成図である。 本発明に係る光ファイバの複屈折測定装置のパルス光発生手段の一例を示す構成図である。 本発明に係る光ファイバの複屈折測定装置のパルス光発生手段の別の例を示す構成図である。 本発明に係る光ファイバの複屈折測定装置の偏光変換手段の一例を示す構成図である。 本発明に係る光ファイバの複屈折測定装置の偏光変換手段の別の例を示す構成図である。 本発明に係る光ファイバの複屈折測定装置の偏光変換手段の別の例を示す構成図である。 本発明に係る光ファイバの複屈折測定装置の偏光変換手段の別の例を示す構成図である。 本発明に係る光ファイバの複屈折測定装置の他の実施形態を示す構成図である。 光ファイバ固化後に一方向ねじりが加えられた場合の、本発明の測定方法により測定される複屈折を例示する図である。 光ファイバ固化前に一方向ねじりが加えられた場合の、実際の複屈折と、本発明の測定方法により測定される複屈折を例示する図である。 光ファイバ固化前に正弦波型ねじりが加えられた場合の、実際の複屈折と、本発明の測定方法により測定される複屈折を例示する図である。 本発明の方法により測定した複屈折と、従来の方法によりＰＭＤを１０回測定した測定結果との比較を示す図である。 従来の方法によりＰＭＤを１回測定した測定結果と、従来の方法によりＰＭＤを１０回測定した測定結果との比較を示す図である。 ボビンに巻かれた光ファイバの複屈折を長手方向に測定した例を示す図である。 ボビンに巻かれた光ファイバの複屈折を長手方向に測定した例を示す図である。 光ファイバをボビンに巻いた状態で測定した長手方向の複屈折と、該光ファイバを中央で２分割して自由な状態に置いたときのＰＭＤとの関係を示す図である。 張力を一時的に緩められる構成のボビンに光ファイバを巻き付け、張力を緩めた状態で測定した長手方向の複屈折と、該光ファイバを中央で２分割して自由な状態に置いたときのＰＭＤとの関係を示す図である。 ボビンに巻かれた状態での複屈折と自由な状態に置かれた光ファイバのＰＭＤとを比較した結果を示すグラフである。 自由な状態に置かれた光ファイバの複屈折と、自由な状態に置かれた光ファイバのＰＭＤとを比較した結果を示すグラフである。 ボビンに巻かれた状態での複屈折と自由な状態に置かれた光ファイバの複屈折を比較した結果を示すグラフである。

符号の説明

１…複屈折測定装置、２…被測定光ファイバ、１１…タイミング制御手段、１２…パルス光発生手段、１３…偏光変換手段、１４…光周回手段、１５…偏光解析手段、１６…解析手段、１７…光路、１８…偏光変換手段、１９…光分岐手段、２０…光検出手段、１２１…パルス光源、１２２…位相変調器、１２３…光増幅器、１２４…自然放出光抑圧手段、１３１…位相差板、１３２…偏光子、１３３…偏光子、１３４…位相差板。

Claims (14)

1. 被測定光ファイバにおける測定起点０から所定の位置ｚまでの第１の区間（０，ｚ）の往復のジョーンズマトリクスＲ（ｚ）及び前記測定起点０から前記位置ｚとは異なる位置ｚ＋Δｚまでの第２の区間（０，ｚ＋Δｚ）の往復のジョーンズマトリクスＲ（ｚ＋Δｚ）を取得し、マトリクスＲ（ｚ＋Δｚ）Ｒ（ｚ）^−１の固有値ρ_１，ρ_２を求め、次式（１），（２）
   

   

   

   （式中、φは複屈折による直交偏光間の位相差、Δｎは複屈折、λは波長をそれぞれ表す。）
   の演算により、前記位置ｚから前記位置ｚ＋Δｚまでの微小区間Δｚにおける複屈折を得ることを特徴とする光ファイバの複屈折測定方法。
2. 偏波ＯＴＤＲを使用し、被測定光ファイバの往復のジョーンズマトリクスを取得することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの複屈折測定方法。
3. 少なくともタイミング制御手段と、該タイミング制御手段により制御されるパルス光発生手段と、該パルス光発生手段からのパルス光の偏光状態を変換する偏光変換手段と、該偏光変換手段からのパルス光を被測定光ファイバの一端に入射させるとともに、該被測定光ファイバの一端に戻ってきた後方散乱光を出射する光周回手段と、該タイミング制御手段により制御される、該光周回手段からの出射光の偏光状態を時系列として検出する偏光検出手段と、該偏光検出手段の出力に基づいて、請求項１又は２に記載の複屈折測定方法を用いて被測定光ファイバの複屈折を測定する解析手段とを有することを特徴とする光ファイバの複屈折測定装置。
4. 請求項１又は２に記載の光ファイバの複屈折測定方法を用いて測定した自由な状態での被測定光ファイバの複屈折と、自由な状態での被測定光ファイバの偏波モード分散との関係を用いて、自由な状態での被測定光ファイバの偏波モード分散を測定することを特徴とする光ファイバの偏波モード分散測定方法。
5. ボビンに巻かれた光ファイバの一部を取り出し、請求項４に記載の光ファイバの偏波モード分散測定方法を用いてその偏波モード分散を測定した後、その測定値を、ボビンに巻かれた光ファイバの全体を自由な状態に置いたときの偏波モード分散とすることを特徴とする光ファイバの偏波モード分散測定方法。
6. 請求項１又は２に記載の光ファイバの複屈折測定方法を用いて測定した自由な状態での被測定光ファイバの複屈折と、自由な状態での被測定光ファイバの偏波モード分散との関係を用いて、ボビンに巻かれた状態で、自由な状態での被測定光ファイバの偏波モード分散を測定することを特徴とする光ファイバの偏波モード分散測定方法。
7. 請求項１又は２に記載の光ファイバの複屈折測定方法を用いて測定した、ボビンに巻かれた状態での被測定光ファイバの複屈折と、自由な状態での被測定光ファイバの偏波モード分散との関係を用いて、ボビンに巻かれた状態で、自由な状態での被測定光ファイバの偏波モード分散を測定することを特徴とする光ファイバの偏波モード分散測定方法。
8. ボビンに巻かれた状態で、被測定光ファイバに印加されているねじれの量が１ｒａｄ／ｍ以下であることを特徴とする請求項６又は７に記載の光ファイバの偏波モード分散測定方法。
9. ボビンへの巻き取り張力や、巻き取られた光ファイバ自身による側圧の影響が小さい部分の複屈折を測定し、被測定光ファイバの複屈折の代表値として、ボビンに巻かれた光ファイバ全体を自由な状態に置いたときの光ファイバの偏波モード分散とすることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の光ファイバの偏波モード分散測定方法。
10. 被測定光ファイバを巻き取るボビンと光ファイバが接する箇所に緩衝材を配置し、光ファイバへの側圧を低減するとともに、測定環境の温度変化によるボビンの膨張収縮による、測定中の偏光状態変動の影響を除去することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の光ファイバの偏波モード分散測定方法。
11. 光ファイバへの張力を一時的に緩めたうえで、ボビンに巻かれた状態で被測定光ファイバの複屈折を測定し、自由な状態での光ファイバの偏波モード分散を測定することを特徴とする請求項６〜１０のいずれかに記載の光ファイバの偏波モード分散測定方法。
12. 請求項４〜１１のいずれかに記載された光ファイバの偏波モード分散測定方法によって測定された偏波モード分散が０．１ｐｓ／√ｋｍ以下であることを特徴とする光ファイバ。
13. ボビンに巻かれた状態で、印加されているねじれの量が１ｒａｄ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の光ファイバ。
14. 測定された偏波モード分散の値またはその上限値が表示されていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の光ファイバ。
    
    

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