JP2006505791A

JP2006505791A - 偏光光学時間領域反射率測定を用いたファイバｐｍｄの評価方法

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Publication number: JP2006505791A
Application number: JP2004551628A
Authority: JP
Inventors: チェン，シン; ジェイモズディー，エリック; エイステイナー，ダレン; エルハント，ティモシー; エイヘロン，ニコル
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2006-02-16
Also published as: EP1558905A2; US20040084611A1; EP1558905B1; WO2004045113A3; AU2003286788A8; WO2004045113A2; KR20050084946A; AU2003286788A1; US6946646B2

Abstract

偏光型光学時間領域反射率計を用いたファイバの偏光モード分散の選別方法に関する。パルス放射線が試験用のファイバの中に放射され、後方散乱される放射線がＰＯＴＤＲによって測定され、ＰＯＴＤＲトレースを得るために用いられる。次に、ＰＯＴＤＲトレースがファイバの長さに沿って信号の変動と比較するために解析される。この信号の変動は、ファイバの長さに沿ってＰＭＤのレベルに関連付けられる。高いレベルのＰＭＤは局所的なレベルの低い変動性に対応するため、信号の閾値の変動性を十分に低く設定することによって、許容可能でないほど高い局所的なＰＭＤを有するファイバを識別して、排除することができる。

Description

本発明は一般に、光ファイバに関し、さらに詳細には高レベルの偏光モード分散（ＰＭＤ）を示す光ファイバを識別する方法に関する。

ＰＭＤは、最新の光ファイバ伝送システムの設計における重要な要素である。ネットワークにおいて十分な距離を伝搬した後、１つのディジタルパルスが時間領域において拡散し、隣のパルスと区別できなくなる可能性がある場合には、ファイバシステムにおけるＰＭＤの影響は明白である。ＰＭＤにより拡散するパルスは、データ伝送に誤差を生じ、パルスの伝送速度または連結したファイバ媒体の最大距離を事実上制限する可能性がある。

ＰＭＤは、ファイバの幾何学的変形および応力の非対称性から生じる。外部摂動がなければ、ファイバ長さが増大するにつれ、ＰＭＤは固有のファイバ複屈折レベルに対応する比率で線形に増大する。しかし、ファイバは、異なる偏光モード間のモード結合を誘発する不規則な外部摂動を受ける。外部のモード結合は一般に、その発生頻度ｌ／ｈによって特徴付けられる。尚、ｈはモード結合長と呼ばれる。長さの長い領域におけるファイバ（長さｌ＞＞ｈのファイバ）の場合には、統計的にファイバＰＭＤは、ファイバビート長およびモード結合長の両方に密接に関連していることが分かっている。

式中、λは光の波長であり、ｃは光の速度であり、Ｌ_ｂは非特許文献１で説明したようにファイバのビート長である。ビート長は、製造工程中にファイバの中に形成される固有の複屈折を反射する。モード結合長は、ファイバ配置の影響を反射し、ファイバの配置状態が変化すると変化しうる。式（１）の知見は、ＰＭＤがどのように測定され、説明されるかと重要な関係がある。ファイバのビート長およびＰＭＤの両方に関する測定の仕組みが開発されている。

式（１）の背後にある仮定は、ファイバが直線複屈折または紡糸されていないことである。近年、ファイバのＰＭＤを削減するために、ファイバ延伸工程中に紡糸が導入されるようになっている。今日、市場で販売されているファイバの大部分は、紡糸されたファイバである。紡糸されたファイバの場合には、ファイバの複屈折および不規則なモード結合による影響に加えて、ファイバのＰＭＤはまた、ファイバの紡糸変数にも左右される。ファイバの紡糸は最適の状態（たとえば、最大のＰＭＤ削減が実現されるとき）の下で行われるわけではない大抵の場合には、ファイバのＰＭＤは依然として、ファイバの複屈折またはファイバのビート長（ファイバが紡糸される前）およびモード結合長に左右される。しかし、非特許文献２で説明されているように、ファイバの紡糸は、正弦曲線に紡糸されたファイバの場合には、別の係数｜Ｊ_０（２α／η）｜を導入する。式中、Ｊ_０はゼロ次ベッセル関数であり、αは紡糸の振幅であり、ηは式（１）を補正するために用いられる正弦曲線の外形の角度周波数である。

ファイバ製造業者は、特に高速データ速度、長距離伝送システムを目的とした製品用に、一様に低いＰＭＤを有するファイバを作製することに関心がある。残念なことに、ファイバの全長にわたってファイバのＰＭＤを直接選別することは、困難かつ費用のかかる処理ステップである。

従来のＰＭＤ測定は一般に、試験用のファイバ全体に関する総微分群遅延（ＤＧＤ）値を得ることを伴う。ファイバのＤＧＤ値が妥当なレベルを超えて上昇する場合には、試験用のファイバの少なくとも一部が高いＰＭＤ値を有し、後でファイバが不合格となることを示唆している。逆に言えば、ファイバのＤＧＤ値が低い場合には、ファイバのＰＭＤは許容可能であると見なされるのは当然である。しかし、実際には、ファイバのＰＭＤは分散性を有するため、ファイバのＰＭＤは、ファイバの長さに沿ってセグメントごとに変化しうる。したがって、ファイバ全体は、ファイバセグメントの接合点で生じるモード結合によって、摂動を生じることのないファイバの多くのセグメントのつらなりと見なすことができる。ファイバの大きな集合に関して、全体的なＤＧＤは、モード結合のために、個別のファイバの場合の式（１）に示されるような統計的な挙動に従うが、ＤＧＤ値はファイバのセグメントごとに部分的に相殺されることができ、全体的なファイバは低いＤＧＤ値を示しうる。したがって、試験用のファイバの総ＤＧＤにおける低い値は、ファイバが一様に低いＰＭＤ値を有することを必ずしも示唆しているとは限らない。そのようなファイバが現場に展開され、モード結合状態が変化する場合には、ファイバはより高いＤＧＤ値を示す可能性が高い。

ファイバ製造施設におけるＰＭＤ測定は、工程能力に基づくサンプリング周波数によって、ほんの一握りのファイバの測定を伴うことが多い。一般的なＰＭＤ試験測定中、約１ｋｍの長さを有するファイバのサンプルは、低い張力で大きな直径の測定用スプールに巻き付けられる。この構成は、曲げおよび巻きつけ張力によって誘発される複屈折およびＰＭＤが最小限であることを保証する。この種の測定は試験用のファイバの特定のセグメントの場合には正確な結果を生じるが、ＰＭＤの分散性があることから、この種の選別方法を用いて、許容可能でないレベルのＰＭＤ値を有するすべてのファイバを決定的に除去することは困難である。さらに、サンプルとなったファイバを再利用することができないため、この形態の選別は費用がかかる。したがって、ファイバのＰＭＤの分散性を考慮することができるより堅牢な選別方法が必要である。
「ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＭｏｄｅＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎｏｆＳｈｏｒｔａｎｄＬｏｎｇＳｉｎｇｌｅ−ＭｏｄｅＦｉｂｅｒｓ」、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ９、８２１（１９９１）「Ｓｃａｌｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｏｆｓｐｕｎｆｉｂｅｒｓｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆｒａｎｄｏｍｍｏｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ」、ＯＰＴＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ、第２７巻第１８号、１５９５、（２００２）

したがって、高いＰＭＤを有するファイバを識別するために、分散的かつ非破壊的に測定を行うことができる別の方法は、測定（品質制御）コストを削減することから、ＰＭＤの低い光ファイバのために全体的な製造コストを削減するであろうと言う点において、当業界には大きな価値があると思われる。

本発明は、光ファイバにおける偏光モード分散の測定方法に関する。放射線が、一定の長さの光ファイバに放射される。放射線は、レーザ源からなどのパルス状の放射線であることが好ましい。放射された放射線からファイバによって後方散乱または後方に反射される放射線が測定および解析され、ファイバの長さに沿って後方散乱される放射線の強度の変動に関する情報を入手する。次に、ＰＭＤの許容可能でないレベルを示すファイバの長さの領域を識別するために、強度の変動を光ファイバ中の偏光モード分散のレベルと関連付けることができる。そのような測定を用いて、ファイバのＰＭＤがファイバを破壊することなく、ファイバの長さに沿ってある点で所定の閾値を超えるかどうかを決定することができる。

パルス放射線を放射するためと、ファイバによって後方散乱または後方に反射される放射線を測定するための両方に関して好ましい源は、光学時間領域反射率計（ＯＴＤＲ）である。ＯＴＤＲは光ファイバの種々の特性を測定するために用いられているが、通常はファイバの減衰を測定し、破損または不連続性がファイバに生じる位置を識別するために用いられる。本願明細書で用いられるとき、ＯＴＤＲなる語は、光を光導波路ファイバに送ることができ、検出器に向かって後方に散乱される少量の光を観測することができる装置を指す。一般的なＯＴＤＲは、ファイバの長さに沿って後方散乱される放射線の強度を決定することができる。ＯＴＤＲの大部分は、パルス状の放射線を試験用のファイバに送り込み、所与のタイミングで後方散乱される放射線を測定することによって、これを実現する。一般的なパルス幅は０．５ｍ（５ｎｓ）〜２０００ｍ（２０μｓ）の範囲にあるが、本発明は約５ｎｓ〜２００ｎｓのパルス幅を用いることが好ましく、約３０ｎｓ〜１５０ｎｓであればさらに好ましく、約５０ｎｓ〜１００ｎｓであれば最も好ましい。ＯＴＤＲは偏光型ＯＴＤＲ、基本的には、偏光放射線を放射し、後方散乱される光から偏光放射線を解析することができるＯＴＤＲであることが好ましい。

本発明による１つの好ましい方法は、ファイバの長さに沿って他の領域に対するより低い変動性またはより高い変動性の領域を識別し、それによって、ファイバの長さに沿ってより高い偏光モード分散またはより低い偏光モード分散の領域を識別することを必要とする。たとえば、標準偏差（好ましくは対数目盛り）がそのウィンドウに関して計算されるデータのスライディングウィンドウを解析し、ファイバの長さに沿って長さ方向にデータの上記のウィンドウを移動することによって、これを実現することができ、ファイバの長さに沿って局所的な変動に関連する情報を生成する。そのような一実施形態において、ファイバのＰＭＤ値が一定のレベルを超える場合には、信号の変動（ＶＯＳ）は所定の閾値未満まで下がる。そのような場合には、所定の閾値未満まで下がるファイバを容易に識別し、排除することができる。同種の多数のファイバに関して実際に測定された偏光モード分散レベルに対する信号の変動をマッピングすることによって、所定の閾値を選択することができる。このように、信号の変動のレベルはそのレベルより上であるか、または下であるかを選択して、所与のレベルのＰＭＤに関して光ファイバの合格または不合格が決まる。

本発明の方法および装置は、ＰＭＤ測定のためのこれまでの方法に比べて、多数の利点を生じる。第一に、本願明細書に開示された方法を用いると、ファイバの長さに沿って非破壊的かつ分散する態様でＰＭＤ測定を行うことができる。したがって、これらの方法を用いて、新たに製造されたファイバのほか、遠距離通信システムに既に布設されたファイバも試験することができる。本願明細書に記載される方法は、大量の試験データに関して、紡糸されたファイバおよび紡糸されていないファイバの両方に対して、有用かつ妥当であることが分かっている。既存の市販のＯＴＤＲにおいて既に利用可能であるもの以外に、高い空間解像度のＯＴＤＲを必要としない。最も重要なことは、本願明細書に開示された方法を用いて、ファイバの長さに沿ってファイバを破壊することなくファイバのＰＭＤを測定することができることである。本願明細書に開示された方法を用いれば、１５ｋｍの長さを超えるファイバおよび２５ｋｍの長さをさらに超えるファイバでも、ＰＭＤの解析に成功した。実際に、本願明細書に開示された方法を用いて、５０ｋｍを超えるファイバ長さでＰＭＤの評価に成功している。

図１は、本発明の方法を実行する際に用いるのに適した構成を示している。図１において、レーザ光のパルスを光導波路ファイバに送り込むことができる従来のＯＴＤＲ１０装置が提供されている。ＯＴＤＲは、一連の光パルスを試験用の光ファイバの中に投入することができる。ＯＴＤＲはまた、ファイバの同一端部から後方散乱される光を抽出することができる。リターンパルスの強度は、時間の関数として測定および積分され、ファイバ長さの関数としてグラフ化される。ＯＴＤＲ１０は、ＰＭＤを試験することになっている光ファイバ１２の中にパルス状の放射線を送り出す。図１に示されている実施形態において、２つの光サーキュレータ１４および１６および２つの偏光子１８および１９が設けられる。光サーキュレータ１４および１６は、ＯＴＤＲ１０から試験用のファイバに放射される光の初期パルスをループするように構成される。レイリーの後方散乱の結果、一部の光がファイバによってＯＴＤＲに向かって後方に反射される。好ましい実施形態において、このような後方散乱されたパルスは、異なる経路によってＯＴＤＲに向かって方向変換される。たとえば、図１に示されている実施形態において、後方散乱光がＯＴＤＲの内側にある検出器に達する前に、後方散乱されたパルスは、偏光検光子１８（本質的に偏光子である）によって指向される。示されている光サーキュレータ１４および１６では、ポート２のみが光を入出力することができることを留意されたい。それ以外のすべてのポートにおける光の進行は一方向である。具体的に言えば、光は、ポート１からポート２およびポート２からポート３の一方向に進むことができる。図１に示されている構成は、一部の市販のＯＴＤＲの場合のように、ＯＴＤＲによって放射された光パルスが既に偏光されている場合には、より多くの光をＯＴＤＲ１０に戻すことができる。ＯＴＤＲの放射が既に偏光されている場合（すなわち、ＰＯＴＤＲの場合）には、光サーキュレータ１４のポート３とサーキュレータ１６のポート１との間の偏光子１９は必要ではないため、損失の原因が１つ排除され、ＰＯＴＤＲに関するより長いダイナミックレンジを得るのに活かされることができる。

図２は、本発明によって用いられることができるＰＯＴＤＲのより簡素でよりコストのかからないバージョンを示している。この理由は、この実施形態は図１に示されている実施形態に用いられた光サーキュレータの使用を避けることができるためである。図２に示されている実施形態において、ＯＴＤＲ１０は、試験用のファイバの中に発射された光の量を最大にするために用いられる偏光コントローラ２０によってパルス光を発射する。当業界では種々の偏光コントローラが周知である。偏光コントローラの目的は、偏光子１８に入射することになっているファイバ中の偏光状態を合わせることである。一部の簡素な偏光コントローラは、ファイバの長さに沿って、ファイバの外周の異なる位置に取付けられた１つ以上のレバーからなり、偏光子を通過する光の量を最大にするために、ファイバ中の偏光状態を出射端部に適切に向けることができるように、ファイバのセグメントをねじるようにレバーを移動することができるようになっている。パルス光は、偏光コントローラ２０を通過した後、インラインファイバ偏光子１８を通って、試験対象のファイバ１２に向けられる。

図１および２に開示された装置に用いられるインラインファイバ偏光子１８および１９は、２つの主な目的のために機能する。第一に、図１のインラインファイバ偏光子１９および図２のインラインファイバ偏光子１８は、試験用のファイバ１２に進む光が確実に偏光されるようにするが、インラインファイバ偏光子がなくても（たとえば、偏光を既に放射するＯＴＤＲを用いることによって）偏光を実現することは可能である。さらに重要なことは、図１のインラインファイバ偏光子１８および図２のインラインファイバ偏光子１８は、試験用のファイバからＯＴＤＲに戻るように後方散乱される光のための検光子として機能し、光は試験用の光ファイバ１２の偏光状態に関する情報を提供することである。ファイバ１２から後方散乱される光を解析するために偏光子が所定の位置になければ、ＯＴＤＲは光パルスの総強度を検出するだけであろう。しかし、ファイバ偏光子１８を組み込むことによって、ファイバに沿って偏光状態に関連する情報もまた入手することができる。これは、幾何的な非対称性および歪みのために、光導波路ファイバが複屈折を有するためである。その結果、光が後方反射された場合には、ファイバ中を進む光パルスの偏光状態は、前方伝搬方向および後方伝搬方向の両方に連続的に展開する。ＯＴＤＲ検出器１０の前に偏光検光子として機能する偏光子１８の挿入により、ファイバの異なる位置からの偏光情報が確実に捕捉される。

図３は、図２の構成を用いて得られた生のＰＯＴＤＲトレースを示している。信号は、ｄＢ単位の対数目盛り対ｋｍ単位のファイバに沿った距離で表現されている。また、類似の結果を図１に示されている装置からも入手することができる。ファイバ減衰のために、ＰＯＴＤＲトレースは、標準的なＯＴＤＲトレースに典型的であるように、距離と共に下向きの傾向を示している。

本発明の方法を実行するために必要ではないが、減衰の影響を除去することが望ましい場合がある。同様に、本発明を保護するために重要ではないが、所望であれば、データはゼロを中心にして配置してもよい。たとえば、線形回帰分析によってデータの全体集合に関する最適適合を見つけることができ、ファイバの減衰に相関する傾きを有する直線を生じる。次に、元の信号からその直線を減算して、処理データが偏光に関連する情報のみを有するようにする。図４および図５は、この手順の結果としての処理データを示している。図４に示されたトレースでは、ファイバ中の減衰のために信号の全体的な減少を補正し、ゼロを中心にしてデータを配置する。

図５は、より小さな空間目盛りで処理されたＰＯＴＤＲトレース（図３および図４と同一データ）を示しており、空間信号における明確な周期的変調を示している。図５のトレースの周期性は、ファイバの直線複屈折から生じる。偏光検光子（偏光子）が用いられるため、ＯＴＤＲ信号は、試験用のファイバから後方散乱される光パルスの偏光状態に関する情報を搬送する。ファイバが主に直線複屈折であるため、偏光状態はファイバに沿って周期的に展開する。ピークからピークまでの間隔は、ファイバビート長の２分の１である。ファイバビート長は、それに沿って２つの異なるモードの偏光が遅延する１つの光波長を蓄積するファイバの長さである。標準的なＯＴＤＲ構成では、光パルスが２回、ファイバの同一部分を通過する。遅延する１つの光波長を蓄積するためには、ビート長の２分の１のみが必要とされる。

周期的変調の挙動は、簡素なモデルを用いることによって理解されることができる。この簡素なモデルでは、ファイバ全体を、モード結合がなく、損失のない直線複屈折ファイバの１つの中継線と見なす。まず、この直線複屈折ファイバのジョーンズ行列を得る。

式中、ωは光角周波数であり、τ_０は単位長さにおける微分群遅延であり、θは速軸の向きであり、ｚはファイバの位置である。ＯＴＤＲにおいて、光はまた、後方散乱し、リターントリップを記述するジョーンズ行列は単に行列Ｔ（ｚ）の転置である。したがって、ラウンドトリップのジョーンズ行列は、

である。角度φによって整列された偏光子は、

の形である。したがって、ラウンドトリップした後の正規化された電界は、

である。図１に示されている構成が用いられる場合には、偏光子の調整角は一般に、２つの異なる値をとる。図２では、１つのみの偏光子が用いられるため、１つのみの値である。ＰＯＴＤＲトレースにおける周期的変調の特徴を示すことができるようにするために、偏光子の軸の向きおよびファイバ複屈折軸の向きに関する複数の特殊な値を仮定すれば十分である。ここでは、φ_１＝φ_２＝０およびθ＝４５°と仮定する。したがって、ラウンドトリップ後の出力電界は、

である。正規化された出力は

である。

実際のファイバは、長さにわたって減衰する。この影響を組み込むために、検出器に達することができる実際の出力を調べる必要がある。したがって、総出力は、

の形をとる。Ｐ_Ｓは標準的なＯＴＤＲにおいて検出器に進む後方散乱光の強度である。

式中、α_Ｓは散乱係数であり、αは総減衰係数であり、Ｐ_０はＯＴＤＲパルスのピーク出力であり、Ｄはファイバ中の光パルスの物理的な幅である。したがって、ＯＴＤＲ検出器によって検出される総出力は、

である。

さらに、空間的周期とファイバビート長との間の関連を求めることができる。ファイバのＰＭＤまたは単位長さＤＧＤは、簡単な方法でファイバビート長に関連付けられる。

式中、λは光波長であり、ｃは光の速度であり、Ｌ_ｂはファイバのビート長である。したがって、位置およびファイバビート長の関数として正規化された出力を表現することができる。

また、式（７）を用いて直接的な方法で総強度を求めることができる。式（１０）において、信号は周期Ｌ_ｂ／２で変調され、上記で形成された直観的な議論と一致することを示している。

式（１）に示されているように、ファイバビート長は、ファイバのＰＭＤと明確に相関があり、ファイバのＰＭＤレベルの尺度である。この式から、ファイバビート長測定を用いて、ファイバのＰＭＤを選別することができることが分かる。しかし、大部分のファイバは、複屈折において異なるレベルの非均一性を呈する。したがって、可変ビート長を有するファイバは、明確に周期的なＰＯＴＤＲトレースを示さない場合であっても、許容可能なＰＭＤを示しうる。また、ファイバビート長がＰＯＴＤＲの解像度未満に下がることもあり得、そのような場合には、ファイバビート長に基づく分別がなされないか、誤っている可能性がある。このことは、直接的なファイバビート長の測定が、ファイバのＰＭＤ選別に関して十分であるほど堅牢ではないことを示唆している。時間領域におけるＰＯＴＤＲ信号の変動性を見ることによって、直接的なファイバビート長の測定における空間解像度の厳しい必要条件を克服する。

本発明の方法は、図４および図５に示されているＰＯＴＤＲトレースの変動（たとえば対数目盛りの信号の大きさ）がファイバのＰＭＤレベルに直接関連付けられる所見に基づいている。たとえば、本発明の好ましい実施形態において、図３および図４に示されているデータの場合には、たとえば、５００ｍのデータウィンドウサイズに設定し、該当するウィンドウ内で処理されたＰＯＴＤＲデータの標準偏差を計算する。標準偏差は、均等目盛りで計算してもよいが、対数目盛りであることが好ましい。スライディングデータウィンドウに関する好ましいサイズは、５００ｍ〜１０００ｍである。ファイバの長さに沿ってデータウィンドウを滑らせ、ファイバの長さに沿って連続的に標準偏差を計算することによって、信号の変動（ＶＯＳ）と呼ぶデータの新たな集合を生成する。ウィンドウサイズは、１つのＶＯＳデータ点を計算するために用いられるデータの幅を示す。より広いウィンドウサイズは、ＶＯＳの結果により小さい変動性を与える。

上述の原理を示すために、図６〜図１１は、異なるレベルのＰＭＤを有するファイバを組み込んだ単一モードの紡糸されていない（直線複屈折）ファイバの場合の本発明によって作成されるＰＯＴＤＲトレースを示している。具体的には、不良ファイバは図６では０．０９ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）のＰＭＤ値を有し、図７では０．２２ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）のＰＭＤ値を有し、図８では０．４９ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）のＰＭＤ値を有する。図９〜図１１は、５００ｍのスライディングデータウィンドウに基づくＶＯＳを示している。図６〜図８におけるデータを作成するために用いられるファイバは、図９〜図１１におけるデータを作成するために用いられるファイバと同一である。いずれの場合にも、図６〜図１１に示されているファイバにおいて、不良ファイバは、約１０ｋｍ〜１４ｋｍに位置している。図６〜図１１に示されているデータのすべてには、上述のように除去される減衰の影響がある。測定は、５０ｎｓのパルス幅および２５ｋｍのファイバ長でＰＯＴＤＲに基づくＨＰ８１４７ＯＴＤＲ（米国カリフォルニア州に位置するアジレント・テクノロジーズ（ＡｇｉｌｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡ）によって製造）を用いて行われた。図６〜図８において明確に分かるように、異常なＰＭＤレベルが増大すると、信号の変動レンジが減少し、異常部分が、通常のホストファイバに比べて明確に分かる。この視覚的な所見はおそらく、図９〜図１１に示されているように、ＶＯＳを生成することによってより明確に評価されるであろう。不良ファイバのＰＭＤが高くなると、ＶＯＳが低下する。

上記の図６〜図１１に用いられるファイバは、周知のＰＭＤ異常を有するスプライス接続されたファイバ部分を用いる。本発明の方法の可能性を十分に実証するために、ＰＭＤ異常を組み込んだセグメントを含まない別のファイバを示す。データは、１００ｎｓのＯＴＤＲパルス幅で入手した。図１２に示されたこのファイバに関して処理されたＰＯＴＤＲデータは、このファイバのＰＭＤ品質がきわめて非一様であることを示している。これは、ＶＯＳデータおよび実際に測定されたＰＭＤデータの両方をプロットした図１３のＶＯＳグラフによって確認される。これを実現するために、試験用ファイバを２４個の１ｋｍのセグメントに切断する。各セグメントのＰＭＤが測定され、図１３の点線によって示される。ファイバの長さに沿った領域が高いＶＯＳを有する場合にはＰＭＤは低く、ファイバの長さに沿った領域が低いＶＯＳを有する場合にはＰＭＤは高いことが明確に示されている。

上記の図から、所与のＯＴＤＲパルス幅および試験用の光ファイバに関して、本発明による処理を用いることによって実現されるトレースに示される結果的な変動量は、実際の局所的な偏光モード分散ときわめて十分な相関があることが明白である。この知見により、さまざまなｋｍの長さである光ファイバの長さにおいて非常に局所的な部分（２００ｍ程度の短さ）であっても、高いＰＭＤを有する光ファイバを選別するための手順を確立することができる。これを実現するために、ＰＭＤの閾値を定義し、その閾値を超えるファイバは不良ファイバと見なされ、破棄される。ＰＯＴＤＲトレースから得られたＶＯＳとファイバのＰＭＤとの間の相関を確立することができるようにするために、閾値を下回る範囲から閾値をかなり上回る範囲にわたるＰＭＤの広がりのさまざまなレベルで、ファイバサンプルを適切に選択する。次のステップでは、所与のＯＴＤＲパルス幅に関してこれらのファイバのＶＯＳが得られる。次に、ＰＭＤとＶＯＳとの間の関係を経験的に確立することができる。特に、その値を下回るとファイバが不合格となり、上回るとファイバが合格するようにＶＯＳ閾値レベルを設定することによって、閾値を求めることができる。たとえば、図１０において、ＶＯＳに関する閾値は、この特定のファイバの場合には約０．１５ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）のＰＭＤ閾値に対応する０．１５に設定されうる。言い換えれば、０．１５ｄＢのＶＯＳ閾値を下回ると、ファイバＰＭＤは０．１５ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）より高いことになる。

上述の測定方法および手順の妥当性は、ＰＯＴＤＲトレースの空間周期的変調を説明するために、上述の数学的表現を参照することによって、さらに理解することができる。ここでは第１の態様は、ＯＴＤＲからのすべてのＰＯＴＤＲ信号が対数目盛りで表現されることである。これは、本発明の複数の重要な特徴に影響を及ぼす。式（７〜８）から、検出器によって検出される総強度が簡素な形で表現することができ、

となる。ＯＴＤＲから得られた実際の信号は、対数目盛りで表現される。したがって、

となる。式（１２）は、複数の重要な特徴に関する識見を提供する。式（１２）の右側の第１項（５ｌｏｇ（Ｐ_Ｓ０））は、ＯＴＤＲの発射出力およびファイバタイプに関連している。測定が１つのタイプのファイバで行われる場合には、この項は位置依存性を持たない。したがって、ＰＯＴＤＲ信号に全体的なずれを提供するだけである。さらに、発射出力が測定ごとに変化する場合には、唯一の影響は全体的な信号のずれであることが分かる。ＰＯＴＤＲ信号の変動は、発射出力に対応しない。発射出力が測定ごとに変化する場合には、特別な対処を必要としないことから、この特徴は測定手順全体を簡素化する。第２の項

は、ファイバ減衰を表す。減衰のために、対数目盛りにおける全体のＰＯＴＤＲ信号は、ＰＯＴＤＲ信号の局所的な変動に組み込まれる偏光情報によって、負の傾きの直線である。線形回帰を用いて、直線を除去するための上述の手順は、減衰の影響である式（１２）の第２項を本質的に除去する。第３項（５ｌｏｇ（Ｐ_ｎ（ｚ）））は、偏光情報を有し、位置に依存する。したがって、図４に示されているように処理されたＰＯＴＤＲ信号が得られる場合には、ＰＯＴＤＲ信号は本質的に偏光の影響を表すだけである式（１２）の第３項による。

ＯＴＤＲパルスは、有限のパルス幅を有する。市販のＯＴＤＲで利用可能な最小のパルス幅は、５ｎｓ程度またはファイバ内の約１ｍの物理的な長さＤ程度である。光パルスの異なる部分は、ファイバの異なる偏光状態を示す。所与のモーメントで、検出器は、位置ＬおよびＬ−Ｄ／２から戻る光を調べる。検出器は実際に、Ｄ／２の長さにわたって平均的な偏光情報を調べる。ファイバがより大きな複屈折またはＰＭＤを有する場合には、より大きな偏光状態の変動が１つの光パルスの中で生じることから、さらなる加算平均が生じる。これは、高いＰＭＤを示すファイバの部分に関して、図１０または図１１において得られるＶＯＳに示されているように、ＰＯＴＤＲ信号の変動を小さくする結果となる。そのような加算平均を備えた検出器信号を数学的に表現することができる。式（１０）が無限に小さいパルス幅に関して得られることを留意されたい。パルス幅の影響を考慮するために、ＬとＬ−Ｄ／２との間の積分が必要とされる。したがって、

となる。式（１３）を得るとき、全体のずれおよび減衰に関連する項を切り捨て、その影響は上述の手順によって排除された。Ｐ_Ｎの最大値が

であり、最小値が

であることを求めることは簡単である。ＯＴＤＲの物理的なパルス幅およびファイバビート長の一般的な値に関して、項

は正であることを留意されたい。したがって、パルス幅およびファイバビート長が変化するとき、ＰＯＴＤＲ信号の変動の範囲（ＲＯＶ；ピーク・トゥ・ピーク距離）の尺度となる新たな量を定義することができる。

ＲＯＶは、ＶＯＳに類似しており、いずれもＰＯＴＤＲ信号の変動の程度の尺度である。ここでのＲＯＶの選択は、簡素な分析式を得るのに好都合であるためのものである。ＲＯＶおよびＶＯＳは、恒常的要因によって異なるだけであるものとする。図１４において、ＲＯＶは、一定のＯＴＤＲパルス幅（５０ｎｓまたは１０ｍの物理的なパルス幅）に関して、ファイバビート長の関数として示される。ファイバビート長が増大し、ファイバのＰＭＤが減少する場合には、ＲＯＶおよびＶＯＳの値は増大し、このことは得られた実験データと一致していることが分かる。

上記の確立された方法および手順は、約０．０５ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）のＰＭＤ値を有するファイバを選別するのに特に有効である。近年、ファイバ製造業者の大部分は最大の許容可能なファイバのＰＭＤ値を明記し、その値は０．１〜０．３ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）の範囲にある。したがって、本発明による処理は、製造されたファイバのＰＭＤ品質を選別するのにきわめて有用である。

ファイバの巻き付け状態は、本願明細書に記載されるＰＭＤ選別技術に影響を及ぼしうる。選別のために用いられるファイバは一般に、１０ｃｍ以下程度の小さな半径の出荷用リールに巻き付けられる。その直線状態ではＰＭＤがゼロであるファイバに関しても、曲げおよび張力によって誘発されるＰＭＤは約０．０４ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）以上である可能性がある。したがって、そのような巻き付け状態では、選別用の閾値を任意に小さくすることができない。これは、ファイバがより大きな直径のスプールに巻き付けられる場合に限り可能である。

また、さまざまなＯＴＤＲパルス幅が本発明において確立されたＰＭＤ選別処理に効果的であることが分かっているが、好ましいパルス幅は約５ｎｓ〜２００ｎｓの範囲にあり、約３０ｎｓ〜１５０ｎｓの範囲であればさらに好ましく、約５０ｎｓ〜１００ｎｓであれば最も好ましい。過度に大きいパルス幅は、１つの光パルスの中で平均化する著しい偏光のために、ＰＭＤ選別にはあまり効果的でなくなる可能性がある。

本発明の方法は、直線複屈折（紡糸されていない）ファイバに関するＰＭＤを測定するための有用性を有するほか、紡糸されたファイバに対しても有用性を有する。偏光状態の変化が意図的に導入される周期的な紡糸によって空間的に変調されることから、紡糸されたファイバの場合には、偏光状態の展開は、紡糸されていないファイバの場合より複雑である。紡糸は、制御されたモード結合を備えたファイバにおけるＰＭＤを効果的に低減するために、ファイバ作製工程で用いられる。紡糸による複雑さにかかわらず、上述のＰＭＤ選別の背後にある基本的な原理は依然として保持される。ＶＯＳは依然として、局所的な複屈折およびファイバにおけるＰＭＤの主な尺度である。一定の領域における紡糸されたファイバの複屈折が別の領域より高い場合には、一定のＯＴＤＲパルス幅に関してさらなる加算平均を生じる。実際には、実験データはこの推論を完全に裏付ける。図１５において、ＰＯＴＤＲトレース（１００ｎｓのパルス幅）が、ＰＭＤを低減するために紡糸された従来通り製造されたファイバのサンプルから得られた。高いＰＭＤ値（０．１３ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ））を有するファイバの小片が、一般的な低いＰＭＤ値（０．０２ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ））を有するより長いホストファイバの中央に組み込まれた。図１６は、図１５に示されている同一データに関するＶＯＳＰＯＴＤＲトレースを示している。信号の変動の低減は、図１５および図１６において明確に分かる。類似の試験が異なるレベルのＰＭＤの異常ファイバを有するファイバサンプルのはるかに大きな集合において行われた。データは、図１５および図１６における所見と一致している。

本発明の方法によって用いられることができる偏光型ＯＴＤＲを示している。本発明によって用いられることができる別の偏光型ＯＴＤＲを示している。図１または図２に示される装置の１つを用いて実現される一般的な補正されていないＰＯＴＤＲのトレースを示している。データを強調するために、除去される減衰によって生じる下方の傾きを備え、ｙ軸を適正な目盛りに改めた図３に示されたものと同様の紡糸されていないファイバに関する本発明によるＰＯＴＤＲのトレースを示している。詳細をさらに強調するために、ｘ軸においてより短い長さ範囲にわたる図４のデータの部分を示している。１０ｋｍ〜１４ｋｍの間で０．０９ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）のＰＭＤを有するファイバを組み込んだ標準的なシングルモードファイバに関して形成される本発明によるＰＯＴＤＲのトレースを示している。１０ｋｍ〜１４ｋｍの間で０．２２ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）のＰＭＤを有するファイバを組み込んだ標準的なシングルモードファイバに関して形成される本発明によるＰＯＴＤＲのトレースを示している。１０ｋｍ〜１４ｋｍの間で０．４９ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）のＰＭＤを有するファイバを組み込んだ標準的なシングルモードファイバに関して形成される本発明によるＰＯＴＤＲのトレースを示している。１０ｋｍ〜１４ｋｍの間で０．０９ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）のＰＭＤを有するファイバを組み込んだ標準的なシングルモードファイバに関して１００ｎｓのパルス幅を用いて本発明の好ましい実施形態によって作成される信号の変動（ＶＯＳ）ＰＯＴＤＲのトレースを示している。１０ｋｍ〜１４ｋｍの間で０．２２ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）のＰＭＤを有するファイバを組み込んだ標準的なシングルモードファイバに関して１００ｎｓのパルス幅を用いて本発明の好ましい実施形態によって作成されるＶＯＳＰＯＴＤＲのトレースを示している。１０ｋｍ〜１４ｋｍの間で０．４９ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）のＰＭＤを有するファイバを組み込んだ標準的なシングルモードファイバに関して１００ｎｓのパルス幅を用いて本発明の好ましい実施形態によって作成されるＶＯＳＰＯＴＤＲのトレースを示している。その長さに沿って比較的高いＰＭＤを有する（意図的ではなくスプライスして埋め込まれたＰＭＤファイバを備えた）光ファイバに関して処理されたＰＯＴＤＲデータを示している。図１２に示されたデータを作成するために用いられた同一のファイバに関して１ｋｍの部分からのＰＭＤ値と比較した本発明の好ましい実施形態によって作成されるＶＯＳＰＯＴＤＲのトレースを示している。一定のＯＴＤＲパルス幅（５０ｎｓまたは１０ｍの物理的なパルス幅）に関してファイバのビート長の関数として信号の変動の範囲（ピーク・トゥ・ピーク高さ）を示している。ＰＭＤを低減するために紡糸されているが、ホストファイバの中間に故意に埋め込まれた比較的高いＰＭＤ欠陥部分を備えた従来の方法で製造されたファイバにおいて入手されるＰＯＴＤＲのトレース（１００ｎｓのパルス幅）を示している。図１５に示されたデータを作成するために用いられた同一のファイバに関するＶＯＳＰＯＴＤＲのトレースを示している。

Claims

光ファイバにおける偏光モード分散を測定する方法であって、
一定の長さの光ファイバに放射線のパルスを放射するステップと、
前記パルス放射線から前記ファイバを通って後方に後方散乱される放射線を測定するステップと、
前記測定された後方散乱放射線の強度レベルの変動を解析し、強度レベルの変動の前記レベルを前記ファイバにおける前記偏光モード分散に関連付けるステップと、を有してなり、前記解析ステップが、データのスライディングウィンドウにわたって強度の変動を解析し、データの前記ウィンドウを前記ファイバの長さに沿って長さ方向に移動すると同時に、強度の前記変動を解析し続けて、それによって前記ファイバの前記長さに沿って強度の局所的な変動に関連する情報を生成するステップを含むことを特徴とする方法。
ＰＭＤに関する所定の閾値を上回るＰＭＤを示す前記ファイバの前記長さに沿った領域を位置決めするために、強度レベルの前記変動を用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記解析ステップが、前記ファイバの前記長さに沿って前記後方散乱された強度レベルの変動性を評価するステップと、前記変動を用いて前記ファイバの前記長さに沿ってより高い偏光モード分散またはより低い偏光モード分散の領域を識別するステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記パルス放射線がＯＴＤＲから放射され、前記測定放射線がＯＴＤＲによって測定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記解析ステップが、さまざまな程度のＰＭＤを有する複数の光ファイバに関して信号の変動（ＶＯＳ）を収集するステップを含み、信号の前記変動が前記ファイバに関する偏光モード分散レベルに対してマッピングされ、その値を上回るか、または下回ると前記光ファイバが合格または不合格となる信号の変動のレベルを選択することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記放射ステップにおける前記パルス放射線が、約５ｎｓ〜２００ｎｓのパルス幅を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記パルス放射線が１５ｋｍを超える長さのファイバの中に放射され、それによって、前記放射される放射線源から１５ｋｍを超える距離である前記ファイバにおけるＰＭＤ情報を提供することを特徴とする請求項１に記載の方法。
半径１０ｃｍ以下の出荷用リールに巻き付けられるファイバを選別し、０．２ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）以下のファイバＰＭＤ値を許容可能な最大値を確保することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
半径１０ｃｍ以下の出荷用リールに巻き付けられるファイバを選別し、０．１ｐｓ／ｓｑｒｔ（ｋｍ）以下のファイバＰＭＤ値を許容可能な最大値を確保することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
データの前記スライディングウィンドウが、５００ｍ〜１０００ｍであることを特徴とする請求項１に記載の方法。