JP2016173312A - 光ファイバの特性評価方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測装置用の光伝送路として使用される光ファイバの特性を適切に評価することのできる方法及び装置を提供する。
【解決手段】評価対象である光ファイバＦの一端から所定波長の励起光を導入し、光ファイバＦの一端又は他端から出射する光から、フィルタ１２３により前記励起光を除去した上で、前記フィルタ１２３を通過した光の強度を測定する。これにより、励起光の照射によって光ファイバＦ内で発生する蛍光を測定することができるため、例えば、光ファイバＦを蛍光計測装置のプローブとして用いた場合におけるバックグラウンド蛍光を把握したり、複数種類の光ファイバＦの中から蛍光測定装置で測定対象とする蛍光に近い波長の自家蛍光を生じることのない光ファイバＦを選出して蛍光測定装置のプローブとして用いたりすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバの特性を評価するための方法及び装置に関し、特に計測装置用の光伝送路として用いられる光ファイバの特性を評価するための方法及び装置に関する。

光ファイバは、ファイバの中心部（コア）の屈折率を周辺部（クラッド）よりも大きくすることにより、光をコアに閉じ込めて伝送するものである。従来より、光ファイバは、伝送損失が非常に低いことやノイズに強いこと等の特長から、光通信用の伝送路として広く用いられており、更に近年では、光ファイバセンサ、光計測、光情報機器、光加工、光医療などの分野にまで利用範囲が拡大している。

例えば、特許文献１には光ファイバを励起光及び試料からの蛍光の光路として用いる蛍光測定装置が記載されている。この蛍光測定装置の概略構成を図７に示す。同図の装置において光源１１から出射された励起光は、光ファイバ１２内を進行して合分波器１３で反射され、光ファイバ１４内を進行した後、レンズ１５を介して試料Ｓに照射される。前記励起光の照射により試料Ｓから生じた蛍光は、レンズ１５を介して光ファイバ１４の端面に集められ、合分波器１３及び光ファイバ１６を通過して検出器１７により検出される。このように励起光及び蛍光の伝送を光ファイバで行う構成とすることにより、これらの光を空間中で伝播させる構成に比べて外乱光の影響を抑えられるため、試料容器１８を遮光された試料室などに配置する必要がなく、装置全体を小型化することができる。また、光ファイバ１４の先端を移動させるだけで、試料容器１８や装置本体を移動させることなしに測定対象を変更できるため、多数の試料を容易に測定することが可能となる。

特開2009-002694号公報（[0004]-[0005], 図17）

光ファイバは、コア径や、コアとクラッドとの屈折率分布、伝搬モードなどによって、その特性が大きく変化する。そのため、使用目的や伝送する光の波長に応じて適当な特性の光ファイバを選定する必要がある。こうした光ファイバの特性を評価するための方法として、例えば、JIS C 6823には光ファイバの損失測定方法が詳しく記載されている。しかしながら、こうした従来の特性評価方法は、主に通信用の光ファイバを想定しており、上記の蛍光測定装置のような計測装置における光伝送路として用いられる光ファイバの特性評価には必ずしも適したものではなかった。そのため、従来の評価方法に基づいて選定した光ファイバを計測装置における照射光（例えば励起光）や測定光（例えば蛍光）の伝送路として用いた場合には、必ずしも所望の性能が得られない場合があった。

本発明は上記の点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、計測装置用の光伝送路として使用される光ファイバの特性を適切に評価することのできる方法及び装置を提供することにある。

本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討を行い、その結果、計測装置の光伝送路として用いられる光ファイバのように微弱な光（例えば試料からの蛍光）を伝送する場合には、光ファイバ自身が発する蛍光（自家蛍光）が該計測装置における計測結果に影響を及ぼすことに想到し、本願発明に至った。

すなわち、上記課題を解決するために成された本発明に係る光ファイバの特性評価方法は、
評価対象である光ファイバの一端から所定波長の励起光を導入し、
該光ファイバの前記一端又は他端から出射する光から、フィルタにより前記励起光を除去した上で、該フィルタを通過した光の強度を測定することを特徴としている。

上記光ファイバの特性評価方法によれば、励起光の照射によって光ファイバ内で発生する蛍光（すなわち光ファイバの自家蛍光）を測定することができる。通常、こうした自家蛍光は微弱であり、比較的大きな光量を扱う光通信においては殆ど無視することができるため、これまでの光ファイバの特性評価では問題とされてこなかった。しかし、光ファイバを例えば上述の蛍光測定装置における試料からの蛍光のような微弱な光の伝送路として用いる場合には、該微弱な光に対する光ファイバの自家蛍光の割合が大きくなるため、測定結果に無視できない影響を及ぼす場合がある。そこで、上記本発明に係る光ファイバの特性評価方法を用いて光ファイバの自家蛍光を測定すれば、例えば、該光ファイバを蛍光計測装置の光伝送路として用いた場合に生じるバックグラウンド蛍光を把握することが可能となる。また、複数種類の光ファイバの中から蛍光測定装置で測定対象とする蛍光に近い波長の自家蛍光を生じることのない光ファイバを選出することもでき、該蛍光測定装置における光伝送路として好適に利用可能な光ファイバを容易に選定することができる。

また、上記課題を解決するために成された本発明に係る光ファイバの特性評価装置は、
a)レーザ光源を有し、所定波長の励起光を発生する光源部と、
b)前記励起光を光ファイバの一端に導入する励起光導入手段と、
c)前記光ファイバの他端で反射して前記一端から出射する前記励起光と、該励起光の照射により前記光ファイバ内で発生して前記一端から出射する蛍光とを分離する分離手段と、
d)前記分離手段により分離された前記蛍光を検出する検出器と、
を有することを特徴としている。

なお、上記の構成から成る光ファイバの特性評価装置は、光ファイバの一端から励起光の照射を行い、該励起光の照射により該光ファイバ内で発生して前記一端から出射する蛍光を前記検出器で検出する構成となっている。しかしながら、本発明はこれに限らず、光ファイバの一端から励起光の照射を行い、該励起光の照射により該光ファイバ内で発生して該光ファイバの他端から出射する蛍光を前記検出器で検出する構成としてもよい。

すなわち、上記課題を解決するために成された本発明に係る光ファイバの特性評価装置は、
a)レーザ光源を有し、所定波長の励起光を発生する光源部と、
b)前記励起光を光ファイバの一端に導入する励起光導入手段と、
c)前記光ファイバの他端から出射する前記励起光と、該励起光の照射により前記光ファイバ内で発生して前記他端から出射する蛍光とを分離する分離手段と、
d)前記分離手段により分離された前記蛍光を検出する検出器と、
を有するものとしてもよい。

なお、一般にレーザ光源から生じる光には、最も強度の大きい所定波長の光（上記励起光に相当）の他に、相対的に強度の小さい非所望の波長の光が含まれている。そのため、レーザ光源からの光をそのまま光ファイバに導入した場合、該光ファイバからは前記励起光と、該励起光の照射により光ファイバ内で発生した蛍光の他に、前記非所望の波長の光が出射することとなる。そのため、前記分離手段によって前記蛍光と前記非所望の波長の光とが十分に分離できなかった場合には、該蛍光に加えて該非所望の光が検出器に入射してしまい、光ファイバの自家蛍光を正確に測定できなくなるおそれがある。

そこで、本発明に係る光ファイバの特性評価装置は、
前記光源部が、前記レーザ光源が発する光から前記所定波長の光以外をカットする光学フィルタを有するものとすることが望ましい。

以上の通り、本発明に係る光ファイバの特性評価方法及び装置によれば、光ファイバの自家蛍光を測定することができ、これにより、計測装置用の光伝送路として使用される光ファイバのように、微弱な光の伝送に用いられる光ファイバの特性を適切に評価することが可能となる。

本発明の実施形態１に係る光ファイバ特性評価装置の構成を示す模式図。 同実施形態の装置における迷光の測定方法を説明するための図。 同実施形態の装置による光ファイバの評価結果を示す表。 同実施形態における検出器で取得された光ファイバの端面画像。 本発明の実施形態２に係る光ファイバ特性評価装置の構成を示す模式図。 本発明の実施形態３に係る光ファイバ特性評価装置の構成を示す模式図。 光ファイバを用いた蛍光測定装置の概略構成図。

以下、本発明を実施するための形態について具体例を挙げて説明を行う。

［実施形態１］
図１は本発明の一実施形態に係る光ファイバ特性評価装置の構成を示す模式図である。光源部１１１には、ビーム形状を調整する機能を備えたレーザ光源１１２と、レーザ光の強度を調整するアッテネータ１１３と、レーザ光の偏光を調整する1/4波長板１１４と、レーザ光源１１２の発振波長のうち所定波長以外の光をカットする干渉フィルタ１１５が設けられている。レーザ光源１１２から出射された光はアッテネータ１１３によって所定の強度に減衰され、1/4波長板１１４にて円偏光に変換された後、干渉フィルタ１１５に入射する。干渉フィルタ１１５ではレーザ光源１１２からの光のうち所定波長以外の成分がカットされ、この干渉フィルタ１１５を通過した前記所定波長の光（以下「励起光」とよぶ）がミラー１１６、１１７によって反射されてビームスプリッタ１１８に入射する。ビームスプリッタ１１８では前記励起光の一部が反射され、対物レンズ１１９に送られる。

測定対象である光ファイバＦは、その両端にフェルール１２０、１２１が取り付けられており、該光ファイバの一端（以下これを「入口端」とよぶ）がフェルール１２０を介して対物レンズ１１９に接続されている。対物レンズ１１９で集束された前記励起光は前記入口端から光ファイバＦに導入され、該励起光により光ファイバＦの構成元素が励起されて蛍光（光ファイバＦの自家蛍光）が生じる。この蛍光は指向性を有しないため、一部は光ファイバＦのコア及びクラッドを通過して光ファイバＦの周面から外部へと出射されるが、一部はコアとクラッドの境界で全反射しながら光ファイバＦ内を進行し、光ファイバの両端から外部へと出射される。このうち前記入口端から出射した蛍光は対物レンズ１１９により平行光となり、再びビームスプリッタ１１８に入射する。該ビームスプリッタ１１８を通過した前記蛍光はレンズ１２４ａ及びＣＣＤイメージセンサを備えた検出器１２４（すなわちＣＣＤカメラ）に入射して検出される。

なお、前記入口端から光ファイバＦ内に導入された前記励起光は、その大部分が光ファイバＦの他端（以下これを「出口端」とよぶ）から外部に出射されるが、一部は該出口端で反射され、光ファイバＦ内を逆向きに進行して入口端から外部へと出射される。また、光ファイバＦに限らず、対物レンズ１１９やフェルール１２０、１２１に励起光が照射されることによっても蛍光が生じ、該蛍光の一部はビームスプリッタ１１８を経て検出器１２４に向かう。そこで、光ファイバＦの入口端から出射された励起光や対物レンズ１１９、フェルール１２０、１２１等において生じた蛍光が、光ファイバＦにおいて生じた蛍光と共に検出器１２４に入射するのを防ぐため、ビームスプリッタ１１８と検出器１２４の間の光路には、該光ファイバＦにおいて生じた蛍光以外の光を除去するためのアパーチャ１２６、干渉フィルタ１２２及び色ガラスフィルタ１２３が配置されている。

アパーチャ１２６は、主に対物レンズ１１９及びフェルール１２０、１２１で生じた蛍光をカットするためのものである。これらの蛍光は、光ファイバＦにおいて生じ、対物レンズ１１９、ビームスプリッタ１１８を経て検出器１２５に向かう蛍光とは光路が異なるため、光ファイバＦにおいて生じた蛍光と波長が同じか又は波長が近い場合であってもアパーチャ１２６によって除去することができる。また、２個のフィルタのうち干渉フィルタ１２２は、ビームスプリッタ１１８から検出器１２４に向かう光のうち、強度の大きい前記励起光をカットするものであり、色ガラスフィルタ１２３は前記干渉フィルタ１２２でカットしきれなかった成分のうち光ファイバＦにおいて生じた蛍光のみを透過させ、それ以外をカットするものである。干渉フィルタ１２２と色ガラスフィルタ１２３の併用により、光ファイバＦで生じた蛍光以外の成分をほぼ完全にカットすることができる。

上記の光ファイバ特性評価装置を用いて光ファイバの自家蛍光を測定する際の手順について説明する。

まず、図２に示すような構成により、光ファイバ以外の構成要素に由来する迷光が検出されないことを確認する。同図の構成は、図１の装置から評価対象である光ファイバＦと、対物レンズ１１９及びビームスプリッタ１１８を取り外し、ビームスプリッタ１１８の代わりにミラー１２５を配置したものであり、その他の構成要素は、図１で示したものと同一である。この構成において、光源部１１１から出射した光は、ミラー１１６、１１７、及びミラー１２５で反射されて、アパーチャ１２６、干渉フィルタ１２２、色ガラスフィルタ１２３、及び検出器１２４に向かって進行する。但し、この構成では光ファイバＦによる蛍光は発生しないため、検出器１２４への入射光はゼロになるはずである。すなわち、この構成において検出器１２４で検出される光の強度がゼロでなかった場合は、光源部１１１からの光が干渉フィルタ１２２及び色ガラスフィルタ１２３によって除去しきれなかったり、その他の構成要素から迷光が生じたりしていることが考えられるため、部品の交換等を行う必要がある。

以上により、迷光等の発生がないことが確認されたら、ミラー１２５を取り外して、ビームスプリッタ１１８及び対物レンズ１１９を図１で示したように配置し、更に、測定対象の光ファイバＦをフェルール１２０により対物レンズ１１９に接続した上で、検出器１２４であるＣＣＤカメラのピントを、対物レンズ１１９を介して前記光ファイバＦの入口端に合わせる。続いて、光源部１１１からの励起光を光ファイバＦに入射させ、光ファイバＦの出口端からの出射光の強度を図示しない光パワーメータで測定しつつ、アッテネータ１１３を用いて前記出射光の強度が所定の値となるよう調整する。

次に、検出器１２４の露光時間と検出エリア（画素領域ｉ×ｊ）を決め、光源部１１１からの光を光ファイバＦに導入しない状態で前記画素領域ｉ×ｊにおける光の強度を測定する（このときの光の強度を「バックグラウンド強度Ｐ０_ｉｊ」とする）。次に、光ファイバＦに光源部１１１からの光を導入した状態で前記画素領域ｉ×ｊにおける光の強度を測定する（このときの光の強度を「蛍光強度Ｐ_ｉｊ」とする。その後、前記蛍光強度Ｐ_ｉｊからバックグラウンド強度Ｐ０_ｉｊを減算し、各画素の値を積分して得られた値、すなわちΣ（Ｐ_ｉｊ−Ｐ０_ｉｊ）を光ファイバＦの自家蛍光の強度とする。

本実施形態の光ファイバ特性評価装置による光ファイバの自家蛍光の測定結果を図３及び図４に示す。

図３は測定対象とした２種類の光ファイバ（「ファイバＡ」及び「ファイバＢ」）のコア材料、コア径、クラッド径、及び開口数（ＮＡ）と、前記光ファイバ特性評価装置によってこれらの光ファイバの自家蛍光の強度を測定した結果を示す表である。なお、測定時には光源部１１１から光ファイバＡ、Ｂに照射する励起光の波長及び強度を同一とした。表中の「蛍光強度比」はファイバＢの蛍光強度を１としたときの両ファイバの自家蛍光の相対強度を示している。この測定結果から、前記励起光の下では、ファイバＡの方がファイバＢよりも強い自家蛍光を生じることが分かる。

図４は前記ファイバＡの蛍光測定時に検出器１２４で取得された画像である。光ファイバの自家蛍光によりコア部分が発光していることが分かる（同図中心の白い点４２がコアに相当）。なお、同図においてクラッドの外周を示す円４１は測定後に追記したものである。

［実施形態２］
図５に、本発明の第二の実施形態に係る光ファイバ特性評価装置の構成を示す。なお、図１で示したものと同一又は対応する構成要素については下二桁が共通する符号を付し、適宜説明を省略する。本実施形態に係る装置は、光ファイバＦの出口端側から出射する蛍光を測定するものであり、光源部２１１から出射した励起光はミラー２１６、２１７、及び２２５で反射されて対物レンズ２１９により集光され、測定対象である光ファイバＦの入口端に入射する。そして、前記励起光の照射によって光ファイバＦの内部で蛍光が発生し、光ファイバＦを通過して光ファイバＦの出口端から出射した前記蛍光及び前記励起光が対物レンズ２２７により平行光に変換される。該平行光はアパーチャ２３２、干渉フィルタ２２８及び色ガラスフィルタ２２９によって光ファイバＦ以外で発生した蛍光及び前記励起光を除去された上でレンズ２３０ａを備えた検出器２３０に入射する。

本実施形態の装置によれば、光ファイバＦの出口端側で蛍光測定を行う構成としたことにより上述の実施形態１のようなビームスプリッタ１１８を設ける必要がないため、比較的安価に製造することができるというメリットがある。

［実施形態３］
図６に、本発明の第三の実施形態に係る光ファイバ特性評価装置の構成を示す。なお、図１及び図５で示したものと同一又は対応する構成要素については下二桁が共通する符号を付し、適宜説明を省略する。本実施形態に係る装置は、光ファイバＦの入口端側から出射する蛍光と出口端側から出射する蛍光の両方を測定するものであり、光源部３１１から出射した励起光はミラー３１６、３１７、及びビームスプリッタ３１８で反射されて対物レンズ３１９により集光され、測定対象である光ファイバＦの入口端に入射する。そして、前記励起光の照射によって光ファイバＦの内部で蛍光が発生し、光ファイバＦの両端から外部へと出射される。このうち前記入口端から出射した蛍光は、出口端で反射して入口端に戻ってきた前記励起光と共に対物レンズ３１９に入射して平行光となり、ビームスプリッタ３１８を通過する。そして、ビームスプリッタ３１８を通過した光はアパーチャ３２６、干渉フィルタ３２２及び色ガラスフィルタ３２３によって光ファイバＦ以外で発生した蛍光及び前記励起光を除去された上で検出器３２４に入射する。一方、光ファイバＦの出口端から出射した前記蛍光は、光ファイバＦを通過して出口端から出射する前記励起光と共に対物レンズ３２７に入射して平行光となり、ビームスプリッタ３３１を通過する。そして、ビームスプリッタ３３１を通過した光はアパーチャ３３２、干渉フィルタ３２８及び色ガラスフィルタ３２９によって光ファイバＦ以外で発生した蛍光及び前記励起光を除去された上で検出器３３０に入射する。

なお、図６では、光ファイバＦの入口端と出口端から出射した蛍光が、ほぼ同一の光学系を通過して検出器に到達するよう、前記入口側と出口側の両方にビームスプリッタを設ける構成としたが、本実施形態に係る装置はこれに限定されるものではなく、入口端側のみにビームスプリッタを配置した構成とすることもできる。
また、上記した第１〜第３実施形態では光ファイバＦ以外で発生した蛍光が検出器に入射することを避けるためにアパーチャを設けたが、該蛍光の波長が光ファイバＦで発生した蛍光の波長と異なる場合には、干渉フィルタ及び色ガラスフィルタで除去することができるため、アパーチャを省略しても良い。

以上、具体例を挙げて本発明を実施するための形態について説明を行ったが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で適宜変更が許容される。例えば、上記の実施形態１〜３では、検出器をＣＣＤカメラから成るものとしたが、これに限らず、例えば検出器としてＣＭＯＳカメラや光パワーメータを用いることもできる。

１１１、２１１、３１１…光源部
１１２、２１２、３１２…レーザ光源
１１３、２１３、３１３…アッテネータ
１１４、２１４、３１４…1/4波長板
１１５、２１５、３１５、１２２、２２８、３２２、３２８…干渉フィルタ
１１６、１１７、１２５、２１６、２１７、２２５、３１６、３１７…ミラー
１１８、３１８、３３１…ビームスプリッタ
１１９、２１９、２２７、３１９、３２７…対物レンズ
１２３、２２９、３２３、３２９…色ガラスフィルタ
１２４、２３０、３２４、３３０…検出器
１２６、２３２、３２６、３３２…アパーチャ
Ｆ…光ファイバ

Claims (4)

1. 評価対象である光ファイバの一端から所定波長の励起光を導入し、該光ファイバの前記一端又は他端から出射する光から、フィルタにより前記励起光を除去した上で、該フィルタを通過した光の強度を測定することを特徴とする光ファイバの特性評価方法。
2. a)レーザ光源を有し、所定波長の励起光を発生する光源部と、
   b)前記励起光を光ファイバの一端に導入する励起光導入手段と、
   c)前記光ファイバの他端で反射して前記一端から出射する前記励起光と、該励起光の照射により前記光ファイバ内で発生して前記一端から出射する蛍光とを分離する分離手段と、
   d)前記分離手段により分離された前記蛍光を検出する検出器と、
   を有することを特徴とする光ファイバの特性評価装置。
3. a)レーザ光源を有し、所定波長の励起光を発生する光源部と、
   b)前記励起光を光ファイバの一端に導入する励起光導入手段と、
   c)前記光ファイバの他端から出射する前記励起光と、該励起光の照射により前記光ファイバ内で発生して前記他端から出射する蛍光とを分離する分離手段と、
   d)前記分離手段により分離された前記蛍光を検出する検出器と、
   を有することを特徴とする光ファイバの特性評価装置。
4. 前記光源部が、前記レーザ光源が発する光から前記所定波長の光以外をカットする光学フィルタを有することを特徴とする請求項２又は３に記載の光ファイバの特性評価装置。

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