JP3860164B2 - 非円率の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ用プリフォームのような、同心円状に複数の屈折率層を有する透明な円柱体の各屈折率層の非円率を屈折率分布測定装置を用いて測定する非円率の測定方法に関する。

通常のシングルモード光ファイバは、コア部とその外周に該コア部よりも屈折率の低いクラッド部を有しており、入射した光は、ほぼコア部に閉じ込められるようにして進む。

近年、光通信の長距離化や高速化を制限する要因として、偏波モード分散（Polarization Mode Dispersion、以下、ＰＭＤと称する）の影響が注目されている。ＰＭＤとは、互いに直交する偏波面を持つ２つのモードがファイバ中を僅かに異なる速度で伝播することにより、入射されたパルスの幅がファイバ中を伝播するにつれて広がっていく現象を指している。コアが完全に真円である場合、この２つのモードは縮退していて区別することはできないが、コアが真円でなかったり、光ファイバあるいは光ケーブルを作製する段階でコアに歪が加わったりして対称性が崩れると、ファイバ中を伝播する、２つのモードの速度に差を生じ、ＰＭＤを生じる。ＰＭＤの影響が大きくなると、光通信において異なる信号光パルスの一部が重なり合うようになり、ときには信号光パルスの検出が不可能になる。
従って、特にＰＭＤ特性が厳しく要求されるような場合には、コアの非円率を厳密に管理することが重要となる。

光ファイバのコアの非円率は、例えば、Near Field Image法によって測定することができる。しかしながら、シングルモードファイバのコアの直径はせいぜい10μｍ程度と非常に小さいため、測定精度に欠けるうえに、ファイバをカットしたときの測定面の状態にも影響されやすい。従って、コアの非円率は、光ファイバ用プリフォーム（以下、単にプリフォームと称する）の段階でも測定されていることが望ましい。

プリフォームの非円率は、例えば、レーザー外径測定器を用いて、プリフォームを回転させながら複数の方向から外径を測定し、得られた外径データから下記の［数１］式により非円率を求めることができる。式中、Ｒ_max、Ｒ_min及びＲ_aveは、それぞれ測定された外径のうちの最大値、最小値及び平均値である。

その他に、最小自乗法などを用いて楕円の式を計算し、長軸と短軸の長さ、及びそれらの平均値から非円率を求めることもできる。
しかしながら、プリフォームのコア部は後述するように、通常、クラッド部の一部と一体で合成されるため、上記の方法で測定することは不可能である。

プリフォームを製造する方法としては、ＶＡＤ法(Vapor phase Axial Deposition method)、ＯＶＤ法(Outside Vapor Deposition method)、ＭＣＶＤ法(Modified Chemical Vapor Deposition method)、及びＰＣＶＤ法(Plasma Chemical Vapor Deposition method)などがあるが、ここではＶＡＤ法について、図１を用いて簡単に説明する。

まず、四塩化ケイ素等のガラス原料を、コア部を形成する酸水素火炎とクラッド部を形成する酸水素火炎中に供給し、燃焼生成物である水と反応させることによりガラス微粒子を合成する。このとき、コア部を形成する酸水素火炎中に、ドーパント原料として四塩化ゲルマニウム等が屈折率を調整するために添加される。

これらのガラス微粒子を回転するダミーガラスロッドの先端に堆積させ、堆積の状態に合わせてダミーガラスロッドを引き上げることによって、ガラス微粒子の集合体であるコアスートが合成される。このコアスートを電気炉に入れ、ハロゲンガス雰囲気中で、合成中に取り込まれた水を極限まで脱水した後、高温に加熱して焼結することにより、コアとクラッド部の一部が一体となった透明なコアロッドを作製することができる（図１のａ，ｂ）。

次に、このコアロッドの屈折率分布を屈折率分布測定装置によって測定し（ｃ）、所望の光ファイバ特性となるのに必要なクラッド厚を求める（ｄ）。このコアロッドをガラス旋盤で加熱し、引き延ばして外径を調整した後、この上に所定量のガラス微粒子を堆積させてクラッドスートを形成し（ｅ）、さらに、電気炉で脱水・焼結して透明ガラス化した後（ｆ）、所定の径・長さに延伸加工することによって、所望の光学特性を有するガラスロッドが得られる（ｇ）。

このガラスロッドの屈折率分布を屈折率分布測定装置で測定し（ｈ）、光ファイバ光学特性の推定計算を行ない（ｉ）、クラッド厚の調整が必要と判断された場合には、外周部の研削除去が行われる（ｊ，ｋ）。最後に仕上げ加工を行い（ｌ）、プリフォームとされる（ｍ）。

特許文献１には、光ファイバ母材を光源とビデオカメラの中間に配置し、光ファイバ母材をその軸心周りに回転させながら、ビデオカメラに撮像された光ファイバ母材の像を解析することによって、コアの偏心や光ファイバ母材の楕円の程度を測定する方法が提案されている。
しかしながら、この方法で偏心や非円率を測定しようとする場合、光ファイバ母材の製造工程が一つ加わることになり、生産コストを押し上げる。なお、プリフォームの製造工程において、その径方向に屈折率分布を測定することは、上記したように、クラッド厚の調整や光ファイバ特性を推定する上で、必要不可欠な工程である。

そこで、プリフォームの屈折率分布を複数の方向から測定して、所定の屈折率値となる位置から各方向におけるコア径を求め、上記［数１］式により非円率を求める方法がある。しかしながら、屈折率分布の測定は後述するように、先ず、光の入射位置と屈折角の関係を測定した後、計算により屈折率分布に変換するという手順で行なわれるため、精度を向上させるために、1箇所当りの測定方向を増やしたり、プリフォーム1本当りの測定点を増やしたりすると、処理量が増大し、プリフォームの生産量が増えたりすると、さらに生産工程に大きな負担が掛かってくることになる。

特許第３,０５３,５０９号

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、同心円状に複数の屈折率層を有する透明な円柱体に対して、各屈折率層の非円率を効率よく、かつ精度よく測定する方法を提供することを目的としている。

本発明による非円率の測定方法は、同心円状に複数の屈折率層を有する透明な円柱体の各屈折率層の非円率を屈折率分布測定装置を用いて測定する方法であって、該円柱体の少なくとも一直径方向については円柱体全体にわたって屈折角を測定して屈折率分布を求めるとともに、各屈折率層iにおいて所定の屈折率値を有する２ヶ所の位置ｒ_io,ｒ'_io及び屈折角φ_i,φ'_iを求め、前記一直径方向と異なる少なくとも一つ以上の方向ｊについては各屈折率層iの境界付近の屈折角データを取り込んで各屈折率層ｉの所定の屈折率値に相当する屈折角φ_i,φ'_iとなる位置ｒ_ij,ｒ'_ijを求め、これらの位置データ[ｒ_io,ｒ'_io……ｒ_ij,ｒ'_ij]から各方向における各屈折率層iの直径を計算し、次式、
非円率(％)＝１００×（Ｒ_max−Ｒ_min）／Ｒ_ave；（Ｒ_max、Ｒ_min及びＲ_aveはそれぞれ測定された外径のうちの最大値、最小値及び平均値である）
によって各屈折率層の非円率を求めることを特徴としている。

なお、前記方向ｊは、円柱体全体（全径長）にわたって屈折角を測定して屈折率分布を求めた方向と直交する方向を含んでいる。
前記同心円状に複数の屈折率層を有する透明な円柱体には、例えば、プリフォームが挙げられる。

本発明の非円率の測定方法によれば、プリフォームのような、同心円状に複数の屈折率層を有する透明な円柱体の各屈折率層の非円率を、効率よくかつ精度よく測定することができる。

屈折率分布の測定には、通常、図２に示したようなプリフォームアナライザーが用いられる。
プリフォームアナライザーを用いてプリフォームの屈折率分布を測定するには、装置の吊下げ部１に装着したプリフォーム２を、マッチングオイルで満たしたセル３を備えたマッチングオイルタンク４の中に浸し、プリフォーム２に側方からレーザー光を照射して、その屈折角を光学測定部５で測定することにより、プリフォーム２の径方向の屈折率分布が求められる。

光学測定部は、一般に、図３に示したように、レーザー光１１をプリフォーム１２に入射する光照射部１３と、プリフォーム１２の屈折率とほぼ同じ屈折率を有するマッチングオイル１４で満たされた透明なセル１５と、プリフォーム１２の内部で屈折したレーザー光１１の屈折角を測定する光検出部１６とから構成されている。
本発明の非円率の測定方法は、このような装置を用いて行うことができる。
以下の実施例、比較例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されず、様々な態様が可能である。

通常のシングルモード光ファイバ用に製作したプリフォームのコアとクラッドの非円率の測定手順を、図４のフローチャートに従って説明する。
先ず、レーザー光をプリフォームの半径方向に沿って移動させながら、入射位置rにおける出射光の位置ｙ(ｒ)を光検出部で検出し(Ｓ１)、この出射光学系の焦点距離ｆとから、屈折角φをφ＝tan^-1(ｙ(ｒ)/ｆ)で求めると(Ｓ２)、図５に示すような結果が得られる。得られた屈折角φからプリフォームの屈折率分布ｎ(ｒ)を下記の［数２］式で算出すると(測定方向ｊ＝０→Ｓ３)、図６に示すような屈折率分布ｎ(ｒ)が得られる。式中、ｎ₂はクラッドの屈折率、ａはプリフォームの半径、ｒは入射位置である。

ここで、所定の屈折率値となる位置をｒ₀,ｒ'₀で定義すると、コア径ｂ₀はこれらの位置間の距離となる(Ｓ５)。このとき、上記所定の屈折率値を与える屈折角φ_c,
φ'_c及び所定の屈折率値となる位置をｒ₀,ｒ'₀で記憶しておく(Ｓ４)。次に、プリフォームを回転させて(Ｓ６)、別の方向（ｊ≠０）から測定を行ない、上記ｒ₀,ｒ'₀近傍で上記屈折角φ_c,
φ'_cとなる位置ｒ_j,ｒ'_jを検出してコア径ｂ_jを求める。同様にして複数の方向から測定を行ない、各方向から求められたコア径のうちの最大値ｂ_maxと最小値ｂ_minと平均値ｂ_aveから、次式、
非円率（％）＝１００×（ｂ_max−ｂ_min）／ｂ_ave
によって非円率を計算する(Ｓ７)。

あるいは各方向から測定した屈折角φ_c, φ'_cとなる位置{ｒ_i0,ｒ'_i0……ｒ_ij,ｒ'_ij}から最小自乗法などを用いて楕円の式を計算し、長軸と短軸の長さ及びこれらの平均値から非円率を求めてもよい。
また、屈折率分布を測定する必要のない方向については、上記ｒ₀,ｒ'₀近傍のみの屈折角を測定すればよいので、測定対象外の部分については、入射レーザー光の移動を速めることも可能である。

（比較例１）
このようなコアの非円率の測定を、図７に示す従来の方法で、測定する方向毎に光の入射位置と屈折角の関係を屈折率分布に変換させながら行なうと、精度を向上させるために１ヶ所当りの測定方向を増やしたり、プリフォーム１本当りの測定点を増やしたり、あるいはプリフォームの生産量が増えたりすると、処理量が増大してプリフォームの生産工程に負担が掛かる。

本発明によれば、線引きに供する光ファイバ母材（プリフォーム）を事前に効率よく、かつ精度よく検査することができ、光ファイバの製造管理上極めて有用である。

プリフォームの製造方法を説明する工程フロー図である。 プリフォームアナライザーを示す概略縦断面図である。 プリフォームアナライザーの光学測定部の構成を例示した概略横断面図である。 本発明による非円率の測定手順を説明する工程フロー図である。 プリフォームアナライザーで測定された入射位置（測定位置）と屈折角の関係を示す図である。 入射位置（測定位置）と屈折角の関係を屈折率分布に変換した図である。 従来法による非円率の測定手順を示す工程フロー図である。

符号の説明

１……吊下げ部、
２，１２……プリフォーム、
３，１５……セル、
４……マッチングオイルタンク、
５……光学測定部、
１１……レーザー光、
１３……光照射部、
１４……マッチングオイル、
１６……光検出部。

Claims (3)

1. 同心円状に複数の屈折率層を有する透明な円柱体の各屈折率層の非円率を屈折率分布測定装置を用いて測定する方法であって、該円柱体の少なくとも一直径方向については円柱体全体にわたって屈折角を測定して屈折率分布を求めるとともに、各屈折率層iにおいて所定の屈折率値を有する２ヶ所の位置ｒ_io,ｒ'_io及び屈折角φ_i,φ'_iを求め、前記一直径方向と異なる少なくとも一つ以上の方向ｊについては各屈折率層iの境界付近の屈折角データを取り込んで各屈折率層ｉの所定の屈折率値に相当する屈折角φ_i,φ'_iとなる位置ｒ_ij,ｒ'_ijを求め、これらの位置データ[ｒ_io,ｒ'_io……ｒ_ij,ｒ'_ij]から各方向における各屈折率層iの直径を計算し、次式、
   非円率(％)＝１００×（Ｒ_max−Ｒ_min）／Ｒ_ave；（Ｒ_max、Ｒ_min及びＲ_aveはそれぞれ測定された外径のうちの最大値、最小値及び平均値である）
   によって各屈折率層の非円率を求めることを特徴とする非円率の測定方法。
2. 前記方向ｊが、円柱体全体にわたって屈折角を測定して屈折率分布を求めた方向と直交する方向を含む請求項１に記載の非円率の測定方法。
3. 同心円状に複数の屈折率層を有する透明な円柱体が、光ファイバ用プリフォームである請求項１又は２に記載の非円率の測定方法。
   
   

Images