JP2011128040A - 光ファイバ屈折率測定装置及び光ファイバ屈折率測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、光ファイバの屈折率を容易かつ精度よく測定することが可能な光ファイバ屈折率測定装置及び光ファイバ屈折率測定方法の提供を目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するために、本願発明の光ファイバ屈折率測定装置は、光周波数が線形的に変化するパルス光ｐ_ｉｎを発生する光周波数チャープパルス光源１と、光周波数チャープパルス光源１からのパルス光ｐ_ｉｎを測定経路４と参照経路５に分岐する光分岐器２と、測定経路４を伝搬する測定パルス光φ_１と参照経路５を伝搬する参照パルス光φ_２を合波する光合波器８と、光合波器８の合波する合波パルス光ｐ_ｏｕｔのパルス波形を検出する光パルス検出器３と、参照経路５の光路長を可変する光路長調整器６と、測定経路４の途中に光ファイバを挿抜可能に接続する光コネクタ７と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバの屈折率を測定するための光ファイバ屈折率測定装置及び光ファイバ屈折率測定方法に関する。

光デバイスの屈折率の測定方法が提案されている（例えば、特許文献１から５参照。）。特許文献１、２、３、４の測定方法では、ファブリ・ペロー、マイケルソン、およびマッハ・ツェンダ等の干渉計を利用し、その際に生じる干渉縞の情報から求める。特許文献５の測定方法では、屈折率が明らかである部材を通して、透過光の回折角から求める。

特開平６−１４７９８５号公報 特開平８−４３２５４号公報 特開２０００−２８５２６号公報 特開２００５−３００４８８号公報 特開２０００−１４６８３６号公報

しかしながら、上記の特許文献１、２、３、４の測定方法では、高精度な光軸合わせを必要とするため構成が複雑であり、装置が高価になるという問題があった。上記の特許文献５の測定方法では、複雑で高価な装置は必要としないものの、実測された屈折角に大きな誤差を有するため、被測定物の屈折率の精度が上がらないという問題があった。

そこで、本発明は、光ファイバの屈折率を容易かつ精度よく測定することが可能な光ファイバ屈折率測定装置及び光ファイバ屈折率測定方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本願発明の光ファイバ屈折率測定装置は、マッハ・ツェンダ干渉計を光ファイバで構成し、参照経路に光路長を連続的に延伸できる光路長調整器を備えた機器構成により測定を行う。光周波数チャープパルス光源の光周波数チャープパルス光の光周波数を線形的にチャープさせ、参照経路、測定経路の２経路を通過してくる参照パルス光と測定パルス光との重ね合わせ時に生じるビート波形が、被測定光ファイバの挿入前後で消失するように光路長調整器を制御する。これにより、光周波数チャープパルス光が被測定光ファイバを通過する時間を光路長調整器の延伸長として実測でき、被測定光ファイバの屈折率を導出することが可能となる。

具体的には、本願発明の光ファイバ屈折率測定装置は、光周波数が線形的に変化しながらパルス光を発生する光周波数チャープパルス光源と、前記光周波数チャープパルス光源からの光周波数チャープパルス光を２つの光路に分岐する光分岐器と、前記２つの光路を伝搬する光周波数チャープパルス光を合波する光合波器と、前記光合波器の合波する合波パルス光のパルス波形を検出する光パルス検出器と、前記２つの光路の一方の光路長を可変する光路長調整器と、前記２つの光路の他方の途中に光ファイバを挿抜可能に接続する光コネクタと、を備える。

光周波数チャープパルス光源、光分岐器及び光合波器を備え、マッハ・ツェンダ干渉計を構成する。２つの光路のうちの測定経路に光コネクタを用いて、測定経路で被測定光ファイバを挿抜可能にしている。２つの光路のうちの参照経路に光路長調整器を備え、参照経路の光路長を可変する。光パルス検出器は、参照経路を通過してくる参照パルス及び測定経路を通過してくる測定パルス光を重ね合わせた合波パルス光に生じるビート波形を検出する。

被測定光ファイバの挿入前後でビート波形が消失するように光路長調整器を制御し、被測定光ファイバの挿入前後での光路長調整器の変化量を測定すれば、被測定光ファイバの空間光路長に相当する長さを求めることができる。これにより、既知量である被測定光ファイバの物理的な実長と空気の屈折率とを用いて被測定光ファイバの屈折率を精度よく導出することが可能となる。

本願発明の光ファイバ屈折率測定装置は、光周波数チャープパルス光源、光分岐器、光合波器、光コネクタ、光路長調整器及び光パルス検出器の各構成を光ファイバで接続するため、高精度な光軸合わせを行うことなく、光ファイバの屈折率を容易に測定することが可能となる。

本願発明の光ファイバ屈折率測定装置では、前記光パルス検出器は、前記合波パルス光のビート波形を検出することが好ましい。これにより、被測定光ファイバの挿入前後でビート波形が消失したか否かの判定を容易に行うことができる。

本願発明の光ファイバ屈折率測定装置では、前記光パルス検出器の検出するビート波形が消失したか否かを判定するビート波形判定部をさらに備えることが好ましい。これにより、被測定光ファイバの挿入前後でビート波形が消失するように、光路長調整器を自動で制御することができる。

本願発明の光ファイバ屈折率測定装置では、前記光路長調整器は、前記光パルス検出器の検出するビート波形が消失するように、前記２つの光路の一方の光路長を伸縮することが好ましい。これにより、被測定光ファイバの屈折率を自動で測定することができる。

具体的には、本願発明の光ファイバ屈折率測定方法は、光周波数が線形的に変化する光周波数チャープパルス光を２つの光路に分岐して合波したときに、前記２つの光路の光路長が等しくなる前記２つの光路の一方の光路長と、前記２つの光路の他方の途中に光ファイバを挿入した状態で前記光周波数チャープパルス光を２つの光路に分岐して合波したときに、前記２つの光路の光路長が等しくなる前記２つの光路の一方の光路長との差分を用いて前記光ファイバの屈折率を算出する。

本願発明の光ファイバ屈折率測定方法は、光周波数が線形的に変化するパルス光（以下、光周波数チャープパルス光と呼ぶ。）を２つの光路に分岐して再び合波したときに、前記２つの光路のうちの測定経路に被測定光ファイバを挿入したとき及び挿入しないときの変化量を前記２つの光路のうちの参照経路の光路長差として測定する。この変化量、即ち、参照経路の光路長差が、前記２つの光路における屈折率の違いを通して被測定光ファイバの物理的な実長と等しくなるということを用いれば、被測定光ファイバの屈折率を算出することができる。

ここで、合波パルス光にビート波形が生じなくなったことを用いているため、容易にかつ精度よく参照経路の光路長と測定経路の光路長とが一致したか否かを判定することができる。したがって、本願発明の光ファイバ屈折率測定方法は、光ファイバの屈折率を容易かつ精度よく測定することが可能となる。

本願発明の光ファイバ屈折率測定方法では、２つの光周波数チャープパルス光の合波パルス光のビート波形が消失したか否かを判定することによって、前記２つの光路の光路長が等しくなるか否かを判定することが好ましい。これにより、被測定光ファイバの挿入前後でビート波形が消失するように、光路長調整器を自動で制御することができる。

本願発明の光ファイバ屈折率測定方法では、２つの光周波数チャープパルス光の合波パルス光のビート波形が消失するように前記２つの光路の一方の光路長を伸縮することによって、前記２つの光路の光路長を等しくすることが好ましい。これにより、被測定光ファイバの屈折率を自動で測定することができる。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によれば、光ファイバの屈折率を容易かつ精度よく測定することが可能な光ファイバ屈折率測定装置及び光ファイバ屈折率測定方法を提供することができる。

本実施形態に係る光ファイバ屈折率測定装置の一例を示す。 光コネクタ７に被測定光ファイバ１００が接続されている状態を示す。 合波パルス光ｐ_ｏｕｔのパルス波形の一例を示す。 光ファイバ屈折率測定方法の一例を示すフローチャートである。 合波パルス光ｐ_ｏｕｔのパルス波形の一例であり、（ａ）は被測定光ファイバ１００挿入前の零位点位置Ｘ_１での波形を示し、（ｂ）は被測定光ファイバ１００挿入後の波形（位置Ｘ_１）を示し、（ｃ）は被測定光ファイバ１００挿入後の零位点位置Ｘ_２での波形を示す。 本実施例に係るパラメータと被測定光ファイバの屈折率の算出結果を示す。

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。

図１に、本実施形態に係る光ファイバ屈折率測定装置の一例を示す。本実施形態に係る光ファイバ屈折率測定装置は、光周波数チャープパルス光源１と、光分岐器２と、光合波器８と、光パルス検出器３と、光路長調整器６と、光コネクタ７と、ビート波形判定部９と、を備える。

光周波数チャープパルス光源１は、光周波数が線形的に変化しながらパルス光を発生し、光周波数チャープパルス光（以下、パルス光ｐ_ｉｎと称する）を出力する。光周波数チャープパルス光源１は、例えば、周波数シフト帰還型レーザである。

光分岐器２は、例えば光カプラであり、光周波数チャープパルス光源１からのパルス光ｐ_ｉｎを２つの光路に分岐する。本実施形態では、２つの光路の一方を参照経路５と表記し、２つの光路の他方を測定経路４と表記する。参照経路５を伝搬する参照パルス光をφ_２と表記し、測定経路４を伝搬する測定パルス光をφ_１と表記する。光合波器８は、例えば光カプラであり、測定経路４を伝搬する測定パルス光φ_１と参照経路５を伝搬する参照パルス光φ_２を合波する。光分岐器２及び光合波器８は、マッハ・ツェンダ干渉計を構成する。

ここで、参照経路５の途中には光路長調整器６が挿入されている。このため、参照経路５の光路長は、光路長調整器６を経由して伝搬した光路長となる。光路長調整器６は、参照経路５の光路長を可変する。参照経路５の光路長を可変することで、測定経路４と参照経路５の光路長を等しくすることができる。光路長の変化は、参照パルス光φ_２の伝搬経路の長さを可変してもよいし、参照パルス光φ_２の伝搬経路の屈折率を可変してもよい。

光路長調整器６は、例えば、距離の可変な光出力端６１及び光入力端６２を備える。この場合、光出力端６１と光入力端６２の間には、屈折率が既知の媒質が充填される。屈折率が既知の媒質は、例えば空気である。光出力端６１と光入力端６２の距離を計測することで、光出力端６１と光入力端６２の間の光路長変化を測定することができる。

測定経路４の途中には光コネクタ７が設置されている。このため、測定経路４の光路長は、光コネクタ７を経由して伝搬した光路長となる。光コネクタ７は、測定経路４の途中に被測定光ファイバ１００を挿抜可能に接続する。光コネクタ７の構成は問わないが、測定経路４の光路上に被測定光ファイバ１００が挿入される。例えば、コネクタ接続を用いた構成であってもよいし、メカニカルスプライス接続を用いた構成であってもよい。

図２に、光コネクタ７に被測定光ファイバ１００が挿入されている状態を示す。このとき、測定経路４の光路長は、光コネクタ７及び被測定光ファイバ１００を経由して伝搬した光路長となる。

光パルス検出器３は、光合波器８の合波する合波パルス光ｐ_ｏｕｔのパルス波形を検出する。光パルス検出器３には、例えば光オシロスコープを用いることができる。光パルス検出器３は、合波パルス光ｐ_ｏｕｔのビート波形を検出する。これにより、測定経路４と参照経路５の光路長が等しくなる零位点を検出することができる。

以下、図３を用いてビート波形による零位点検出の原理について説明する。図３は、合波パルス光ｐ_ｏｕｔのビート波形のイメージ図を表す。同図において、２２は測定経路４側の測定パルス光φ_１の光周波数チャープ直線、２３は参照経路５側の参照パルス光φ_２の光周波数チャープ直線、２４はビート波形、Δωは光周波数差である。

光周波数が線形的にチャープした測定パルス光φ_１及び参照パルス光φ_２が、マッハ・ツェンダ干渉計を通過するとき、その光路差ΔＬのため異なる光周波数の光が合波される。このため、光パルス検出器３で検出される合波パルス光ｐ_ｏｕｔのパルス波形には、差周波成分Δωの干渉波形（交流成分）すなわちビート波形が観測される。

ここで、光分岐器２によって分岐され、測定経路４を伝搬するパルス光φ_１と、参照経路５を伝搬するパルス光φ_２を平面波で近似すると［数１］と［数２］によって表される。

Ｌ_１は測定経路４の光路長、Ｌ_２は参照経路５の光路長、ω（Ｌ_１）は光路長Ｌ_１における光周波数、ω（Ｌ_２）は光路長Ｌ_２における光周波数、Ａ及びＢは振幅、ｋ_０は真空中の波数、ｎ_１及びｎ_２はコアと空気中の屈折率、φ_０は初期位相である。

ここで、光パルス検出器３で計測される電流値Ｉは、上記パルス光φ_１とφ_２を重ね合わせた干渉波の２乗に比例することから、電流値Ｉは［数３］により与えられる。但し、光−電気の変換効率を１とし、合波時の偏波結合効率も１と仮定する。

但し、式中の＊は複素共役である。

［数１］と［数２］を［数３］に代入すると、［数４］が得られる。

但し、ΔＬ＝ｎ_１・Ｌ_１−ｎ_２・Ｌ_２、Δω＝ω（Ｌ_１）−ω（Ｌ_２）である。

ここで、図３からわかるように光路差がない場合（ΔＬ＝０）、合波される測定パルス光φ_１と参照パルス光φ_２の光周波数ωもまた一致し、Δω＝０となることから、［数４］の第３項のコサイン部が「１」となり、電流値Ｉからビート波形が消失する。つまり、電流値Ｉが一定値となる。これを利用して測定経路４と参照経路５の光路長を一致させることができる。以下、このビート波形がない状態を零位点と称する。

一方、測定経路４と参照経路５の光路長に差がある場合、当該経路を伝搬するパルス光φ_１とφ_２の光周波数がチャープしているため、その光路長差に応じた光周波数差分だけのビート波形が発生する。

なお、測定経路４と参照経路５の光路長が等しいか否かの判定は、自動で行ってもよい。例えば、ビート波形判定部９を備えていてもよい。ビート波形判定部９は、光パルス検出器３の検出するビート波形が消失したか否かを判定する。これにより、測定経路４と参照経路５の光路長を自動で等しくさせることができる。この場合、ビート波形判定部９は、光パルス検出器３の検出するビート波形が消失するように、光路長調整器６に対して、参照経路５の光路長を伸縮させる構成とすることができる。これにより、被測定光ファイバ１００の屈折率を自動で測定することができる。

次に、本実施形態に係る光ファイバ屈折率測定装置を用いた光ファイバ屈折率測定方法について説明する。本実施形態に係る光ファイバ屈折率測定方法は、測定経路４の途中に被測定光ファイバ１００を挿入した場合としない場合において測定経路４と参照経路５の光路長が等しくなる零位点を各々求め、このときの参照経路５の光路長の差分を用いて被測定光ファイバ１００の屈折率を算出する。

ここで、測定経路４の光路長及び参照経路５の光路長が等しくなるか否かは、合波パルス光ｐ_ｏｕｔのビート波形を用いて判定する。そして、当該合波パルス光ｐ_ｏｕｔのビート波形が消失するように参照経路５の光路長を伸縮して、測定経路４の光路長及び参照経路５の光路長を等しくする。

例えば、被測定光ファイバ１００挿入前の図１に示す構成において、光出力端６１の位置をＸ_０と、ビート波形が生じなくなる光入力端６２の位置Ｘ_１を検出する。そして、光出力端６１の位置Ｘ_０と、光入力端６２の位置Ｘ_１の距離｜Ｘ_０−Ｘ_１｜を測定する。一方で、被測定光ファイバ１００挿入後の図２に示す構成において、光出力端６１の位置をＸ_０と、ビート波形が生じなくなる光入力端６２の位置Ｘ_２を検出する。そして、光出力端６１の位置Ｘ_０と、光入力端６２の位置Ｘ_２の距離｜Ｘ_０−Ｘ_２｜を測定する。距離｜Ｘ_０−Ｘ_１｜と距離｜Ｘ_０−Ｘ_２｜の差分｜Ｘ_２−Ｘ_１｜を算出する。これにより、被測定光ファイバ１００を挿入後の延伸長｜Ｘ_２−Ｘ_１｜を求めることができる。

次に、図１と図４を用いて光ファイバ屈折率測定方法について詳細に説明する。図４は、光ファイバ屈折率測定方法の一例を示すフローチャートである。

手順Ｓ１では、光周波数チャープパルス光源１から光周波数チャープパルス光ｐ_ｉｎを送出し、被測定光ファイバ１００を挿入する前のマッハ・ツェンダ干渉計の零位点における位置Ｘ_１を光路長調整器６で求める。

手順Ｓ２では、手順Ｓ１の状態に対して測定対象の被測定光ファイバ１００を挿入し、光周波数チャープパルス光ｐ_ｉｎを送出する。

手順Ｓ３では、合波パルス光ｐ_ｏｕｔを光パルス検出器３でモニタし、合波パルス光ｐ_ｏｕｔの上部に生じるビート波形を検出する。手順Ｓ４では、ビート波形が消失したか否かを判定する。ビート波形が消失していなければ手順Ｓ５へ移行し、ビート波形が消失していれば手順Ｓ６へ移行する。手順Ｓ５では、ビート波形が消失するように光路長調整器６を用いて参照経路５の長さを調整する。

手順Ｓ６では、ビート波形が消失するときの零位点の位置Ｘ_２を計測する。これにより、光路長調整器６の延伸長｜Ｘ_２−Ｘ_１｜を求めることができる。

手順Ｓ７では、被測定光ファイバ１００の屈折率ｎ_{Ｆｉｂｅｒ}を導出する。測定対象の被測定光ファイバ１００の長さをＬ（実測長）、光速度をｃ、被測定光ファイバ１００の屈折率をｎ_{Ｆｉｂｅｒ}、光出力端６１と光入力端６２の間の媒質の屈折率をｎ_Ａｉｒとすると、被測定光ファイバ１００の屈折率ｎ_{Ｆｉｂｅｒ}は、［数５］によって導出できる。

ここで、測定対象の被測定光ファイバ１００の屈折率ｎ_{Ｆｉｂｅｒ}及び空間光路の屈折率ｎ_Ａｉｒは、厳密には温度依存性と波長依存性をもつ。このため、測定条件を明確にする必要がある。例えば、石英ガラスでは、１℃の温度上昇に対して屈折率は約１０^−５増加し、１００ｎｍの波長増大に対して屈折率は１０^−３程度減少する。

図５は、合波パルス光ｐ_ｏｕｔのパルス波形の一例であり、（ａ）は被測定光ファイバ１００挿入前の零位点位置Ｘ_１での波形を示し、（ｂ）は被測定光ファイバ１００挿入後の波形（位置Ｘ_１）を示し、（ｃ）は被測定光ファイバ１００挿入後の零位点位置Ｘ_２での波形を示す。図４に示す手順Ｓ１では、図５（ａ）に示すように、合波パルス光ｐ_ｏｕｔのビート波形が消失している。図４に示す手順Ｓ３から手順Ｓ５では、図５（ｂ）に示すように、合波パルス光ｐ_ｏｕｔのビート波形が現れている。図４に示す手順Ｓ６では、図５（ｃ）に示すように、合波パルス光ｐ_ｏｕｔのビート波形が消失している。

図４で説明した屈折率の導出方法に従いながら、被測定光ファイバ１００の屈折率を導出した。図６に、本実施例に係るパラメータと被測定光ファイバの屈折率の算出結果を示す。被測定光ファイバ１００には、ＳＭ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ）ファイバ、分散シフトファイバ又はピュアシリカＳＭファイバ（純粋石英コアファイバ）を用いた。光路長調整器６における光出力端６１と光入力端６２の間の媒質には空気を用い、光入力端６２の移動精度は１００μｍ／パルスであった。

ＳＭファイバの場合、計測より｜Ｘ_２−Ｘ_１｜＝｜１８８２１−２５２２８｜×１００×１０^−６＝０．６４０７０（ｍ）、Ｌ＝０．４３８０（ｍ）が得られた。１５℃、１気圧、波長１３００ｎｍの環境下における標準空気の屈折率ｎ_Ａｉｒは１．０００２７３５であることから、ｎ≒１．４６３２が求められた。分散シフトファイバとピュアシリカＳＭファイバについても同様に算出した結果、各々、１．４７０３と１．４５９１が求められた。

以上説明したように、被測定光ファイバ１００の挿入前後におけるマッハ・ツェンダ干渉計の零位点を検出することで、被測定光ファイバ１００の実測長Ｌと光路長調整器６の延伸長｜Ｘ_２−Ｘ_１｜が求められる。この差は、被測定光ファイバ１００と空気を通過する光の伝搬速度の違い、即ち、両者の屈折率の違いから生じている。そこで、既知量である標準空気の屈折率ｎ_Ａｉｒを鑑みて、被測定光ファイバ１００の屈折率ｎ_{Ｆｉｂｅｒ}を算出する。これにより、被測定光ファイバ１００の屈折率を容易に精度よく、かつ、安価に測定することができる。また、測定時の温度環境や測定波長も変えることができることから、各種環境下における屈折率を導出できることは言うまでもない。

本発明の光ファイバ屈折率測定装置及び光ファイバ屈折率測定方法は光ファイバの状態で被測定光ファイバの屈折率を容易かつ精度よく測定できるため、情報通信産業に利用することができる。

１：光周波数チャープパルス光源
２：光分岐器
３：光パルス検出器
４：測定経路（２つの光路の他方）
５：参照経路（２つの光路の一方）
６：光路長調整器
７：光コネクタ
８：光合波器
９：ビート波形判定部
２２：測定パルス光φ_１の光周波数チャープ直線
２３：参照パルス光φ_２の光周波数チャープ直線
２４：ビート波形
６１：光出力端
６２：光入力端
１００：被測定光ファイバ

Claims (7)

1. 光周波数が線形的に変化しながらパルス光を発生する光周波数チャープパルス光源と、
   前記光周波数チャープパルス光源からの光周波数チャープパルス光を２つの光路に分岐する光分岐器と、
   前記２つの光路を伝搬する光周波数チャープパルス光を合波する光合波器と、
   前記光合波器の合波する合波パルス光のパルス波形を検出する光パルス検出器と、
   前記２つの光路の一方の光路長を可変する光路長調整器と、
   前記２つの光路の他方の途中に光ファイバを挿抜可能に接続する光コネクタと、
   を備える光ファイバ屈折率測定装置。
2. 前記光パルス検出器は、前記合波パルス光のビート波形を検出することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ屈折率測定装置。
3. 前記光パルス検出器の検出するビート波形が消失したか否かを判定するビート波形判定部をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ屈折率測定装置。
4. 前記光路長調整器は、前記光パルス検出器の検出するビート波形が消失するように、前記２つの光路の一方の光路長を伸縮することを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ屈折率測定装置。
5. 光周波数が線形的に変化する光周波数チャープパルス光を２つの光路に分岐して合波したときに、前記２つの光路の光路長が等しくなる前記２つの光路の一方の光路長と、前記２つの光路の他方の途中に光ファイバを挿入した状態で前記光周波数チャープパルス光を２つの光路に分岐して合波したときに、前記２つの光路の光路長が等しくなる前記２つの光路の一方の光路長との差分を用いて前記光ファイバの屈折率を算出する光ファイバ屈折率測定方法。
6. ２つの光周波数チャープパルス光の合波パルス光のビート波形が消失したか否かを判定することによって、前記２つの光路の光路長が等しくなるか否かを判定することを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ屈折率測定方法。
7. ２つの光周波数チャープパルス光の合波パルス光のビート波形が消失するように前記２つの光路の一方の光路長を伸縮することによって、前記２つの光路の光路長を等しくすることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバ屈折率測定方法。

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