JP5314924B2 - 光導波手段の歪み計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバや光導波路モジュールなどの光導波手段の歪み計測装置に係り、温度変化や外力等により生じる光導波手段の歪みを計測する歪み計測装置に関する。

現在、光ファイバは、意識しなくとも我々の生活の様々な場面に不可欠な存在となっている。インターネットで代表される通信網だけでなく、各種のセンサにも適用されるようになっている。そのような、通信網やセンサにおいて、光ファイバの特性を適切に把握する必要がある。そして把握すべき特性のひとつに温度特性がある。つまり、温度変化が生じると光ファイバに「伸び歪み（以下、単に「歪み」ともいう）が生じる。光ファイバにおいて、その伸びは僅かではあるが、光の波長との関係や用いられる装置によっては決して無視できないこともある。

上記の温度変化による光ファイバの歪みを計測する手法として、例えば２光束干渉計によって群遅延時間差を測定し、その結果から光ファイバの歪みを計測する技術がある（例えば、非特許文献１参照）。

図１は、非特許文献１に開示の測定系を模式的に示した図である。この測定系では、半導体レーザなどの光源８０から出射された光は、第１の半透鏡８２により振幅分割され、参照用光ファイバＦ１１と、第１の反射鏡８４を介して恒温槽９０内に配置された試料用光ファイバＦ１２とに入射する。参照用光ファイバＦ１１から出射した光は、第２の反射鏡８６で向きを変えて、可動鏡９２により反射後、第２の半透鏡８８を介して偏光子９４に導かれる。また、試料用光ファイバＦ１２から出射した光は、第２の半透鏡８８を介して偏光子９４に導かれる。そして、可動鏡９２の位置を調整することで、参照用光ファイバＦ１１と試料用光ファイバＦ１２との二つの出射光を干渉させる。干渉光は、ビディコン等の撮像管９６に導かれ、干渉縞やその強度等が観測される。

そして、次のような手順で光ファイバの伸び歪みの変化を測定する。まず、参照用光ファイバＦ１１と試料用光ファイバＦ１２を同一温度Ｔ０とし、可動鏡９２を移動させて干渉縞の鮮明度Ｖが最大となる可動鏡９２の位置ｄｘを検出する。つぎに、恒温槽９０内の温度を変化させ、再度可動鏡９２を移動させることによって、温度Ｔ（≠Ｔ０）における鮮明度Ｖが最大となる可動鏡９２の位置ｄｙを求める。この測定結果と恒温槽９０内の光ファイバの長さ、線膨張係数、ヤング率から、温度変化Δ＝Ｔ−Ｔ０に伴う群遅延時間差Δτ、並びに光ファイバ歪εｆを求める。
電気関係学会四国支部連合大会、１９８２年、８７〜８８ページ

ところで、特許文献１に開示の技術では、干渉計の中に参照用光ファイバＦ１１と試料用光ファイバＦ１２とが組み込まれているので、別の計測のために試料用光ファイバＦ１２を取り替える際に、光軸合わせ作業を行う必要があり、測定準備に時間がかかってしまうという課題があり、改善が求められていた。また、複数の温度における歪変化を多くの光ファイバについて測定したい場合、上記技術では、１本ずつしか測定できないため、全ての光ファイバについて測定し評価すると多大な時間がかかってしまうという課題もあった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上記課題を解決して、光ファイバや光導波路モジュールなどの光導波手段において温度変化等により発生する光導波手段の伸び歪みを効率よく測定する装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様は、光導波手段の歪みを計測する歪み計測装置に関する。この歪み計測装置は、一つの経路を通る光を、基準状態に置かれた参照用の光導波手段へ導く第１の経路と、所望の測定環境に制御される管理手段に置かれた試料用の複数の光導波手段へ導く第２の経路とに分岐する光路分岐手段と、前記参照用の光導波手段を透過した後の前記第１の経路と、前記管理手段に置かれた前記試料用の複数の光導波手段を透過した後の前記第２の経路とを、第３の経路として一つの経路に結合する光路結合手段と、前記光路結合手段から出力される光を分割して、分割した前記光を異なる経路に透過させた後に再度結合させ光の干渉状態を検知するとともに、前記異なる経路間の光路長差を可変として、検知した干渉状態を出力する光干渉計と、前記光干渉計から出力された干渉状態と前記光路長差とを関連づけて記録する記録制御手段と、を備える。
また、前記光路分岐手段は、１入力Ｎ出力（Ｎは３以上）の光カプラであってもよい。
また、前記光路分岐手段は、１入力２出力の光カプラであって、前記１入力２出力の光カプラと前記試料用の複数の光導波手段との間に前記試料用の複数の光導波手段から一つの光導波手段を選択して接続する光スイッチを設けてもよい。
また、前記光路結合手段は、Ｎ入力１出力（Ｎは３以上）の光カプラであってもよい。
また、前記光路結合手段は、２入力１出力の光カプラであって、前記２入力１出力の光カプラと前記試料用の複数の光導波手段との間に前記試料用の複数の光導波手段から一つの光導波手段を選択して接続する光スイッチを設けてもよい。
また、前記記録制御手段は、前記光スイッチの接続切替を制御してもよい。
また、前記記録制御手段は、前記管理手段の測定環境を制御してもよい。
また、前記記録制御手段は、前記光干渉計における前記異なる経路間の光路長差を可変
とする手段を制御してもよい。

本発明によれば、光ファイバや光導波路モジュールなどの光導波手段において温度変化等により発生する光導波手段の伸び歪みを効率よく測定する装置を提供できる。

以下、発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という）を、図面を参照しつつ説明する。以下の実施形態では、温度を変えることによって歪みを発生させる場合について例示するが、他の測定環境として、例えば外力を加えることにより歪みを発生させる場合がある。また、複数の光ファイバを実質的に一度に計測できるように、光源から出力された光を、ひとつの参照用光ファイバと複数の試料用光ファイバに分岐させ、参照用光ファイバを透過した光の経路と恒温槽を経由した複数の試料用光ファイバを透過した光の経路を再度ひとつに結合する。そして、結合した光を干渉計が光路長差を発生させながら計測条件を変えて計測する。これによって、光ファイバの歪みを効率的に測定する。なお、光ファイバの分岐及び結合手段として光カプラや光スイッチを用いる。

＜第１の実施形態＞
図２は、本実施形態に係る歪み計測装置１０の概略構成を示す模式図である。歪み計測装置１０は、半導体レーザ発振装置などの光源７０と、計測対象及び基準対象となる光ファイバが設置される光ファイバ設置部２０と、入力した光に干渉を発生させるマイケルソン干渉計４０と、ロックインアンプ５２と、記録制御装置５４とを備える。

光ファイバ設置部２０は、光源７０から出射された光ＡをＮ本の経路に分岐する１×Ｎタイプの第１の光カプラ２１と、前記Ｎ本に分岐した経路を一本の経路に結合するＮ×１タイプの第２の光カプラ２２を備える。そして、第１の光カプラ２１と第２の光カプラ２２の間の経路には、参照用光ファイバＦ１と第１〜第Ｍの試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２ｍが接続される。ここで、第１〜第Ｍの試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２ｍを区別しないときは、この「試料用光ファイバＦ２」を用いる。そして、第１及び第２の光カプラ２１、２２には、最大で（Ｎ−１）本の光ファイバが試料用光ファイバとして接続可能となっている。つまり、第１及び第２の光カプラ２１、２２の分岐数Ｎと、第１〜第Ｍの試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２ｍの試料数Ｍは、Ｎ＝Ｍ＋１の関係式を満たす。例えば、分岐数Ｎが「６」であれば、最大で第１〜第５の試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２５の５本の光ファイバが接続可能である。なお、第１の光カプラ２１で分岐された光（経路）のうち、参照用光ファイバＦ１へ進む光を「参照用光Ｂ１」、試料用光ファイバＦ２に進む光を「試料用光Ｂ２」と呼ぶ。そして、第２の光カプラ２２で参照用光Ｂ１と試料用光Ｂ２が結合された光を「計測用光Ｃ」という。

さらに、光ファイバ設置部２０は、参照用光ファイバＦ１と第１〜第Ｍの試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２ｍを接続するために、第１の光カプラ２１で分岐している経路の端部に第１の光コネクタ２３を備える。また、第２の光カプラ２２の分岐している経路の端部に第２の光コネクタ２４を備える。そして、第１の光コネクタ２３と第２の光コネクタ２４の間に、参照用光ファイバＦ１と第１〜第Ｍの試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２ｍが接続される。

そして、第１〜第Ｍの試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２ｍは、光ファイバ設置部２０が備える恒温槽３０に配置される。恒温槽３０は、所望の計測条件の温度に制御される。

つづいて、第２の光カプラ２２から出力される計測用光Ｃは、マイケルソン干渉計４０に入射する。なお、マイケルソン干渉計４０内の光路は破線で示している。

マイケルソン干渉計４０は、入光部４１と、半透鏡４２と、可動鏡４３と、固定鏡４４と、偏光子４５と、光検出器４６（図中「ＰＤ」と表記）とを備える。入光部４１は、第２の光カプラ２２から計測用光Ｃを取り入れる。

また、半透鏡４２は、計測用光Ｃを二つに振幅分割し、一方を反射光Ｄ１として可動鏡４３へ向けて９０度反射させ（図示では右方向へ進む光を上方向へ反射させる）、他方を透過光Ｄ２として直進透過させる。さらに、半透鏡４２は、可動鏡４３で反射されて戻ってきた反射光Ｄ１を透過させ、固定鏡４４で反射されて戻ってきた透過光Ｄ２を９０度反射させ（図示では、左方向へ進む光を下方向へ反射させる）、反射光Ｄ１と透過光Ｄ２とを合波し合波光Ｅとして偏光子４５へ出力する。偏光子４５にて選択された角度成分の合波光Ｅは光検出器４６へ入射する。

上記の可動鏡４３は、移動ステージなどの駆動手段を備えて、反射光Ｄ１の反射位置（反射面）をその光路方向（図示では上下方向）に精密に制御する。その制御は、例えば、記録制御装置５４から出力される電圧により制御され、記録制御装置５４は可動鏡４３に印加した電圧を反射位置の制御位置と関連づけて記録する。当然に、可動鏡４３の反射面位置（反射面）を検知する位置センサが使用されてもよい。一方、固定鏡４４は、所定の場所に固定されている。そして、可動鏡４３における反射位置（反射面）を様々に制御することで、可動鏡４３で反射する反射光Ｄ１と、固定鏡４４で反射する透過光Ｄ２との光路長差を変化させることができる。

そして、可動鏡４３を調整することで、参照用光ファイバＦ１を透過した光と試料用光ファイバＦ２を透過した光とが干渉を発生させることができ、干渉発生時に光検出器４６の検出出力が大きくなる。

また、ロックインアンプ５２には、光検出器４６の検出出力が測定信号として入力されるとともに、可動鏡４３に取り付けたピエゾ素子４７等を駆動する信号が参照信号として入力され、光検出器４６からの出力信号を高感度に検出して記録制御装置５４に出力される。

以上の構成による光ファイバ（試料用光ファイバＦ２）の歪み変化の測定について説明する。まず、温度変化に伴う光ファイバの歪み変化を測定する場合、第１の光カプラ２１と第２の光カプラ２２との間に、第１の光コネクタ２３及び第２の光コネクタ２４を利用して参照用光ファイバＦ１及び試料用光ファイバＦ２が取り付けられる。そして、常温状態（例えば、摂氏２５度）において試料用光ファイバＦ２（第１〜第Ｍの試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２ｍ）が干渉を発生させる可動鏡４３の位置（以下、基準可動鏡位置）ｄ０ｍ（ｍ＝１〜Ｍ）を記録する。つぎに、恒温槽３０の温度を変化させたときに干渉が発生したときの可動鏡４３の位置（以下、温度変化時可動鏡位置）ｄ１ｍ（ｍ＝１〜Ｍ）を記録する。そして可動鏡４３の位置変化ｄｍ（ｍ＝１〜Ｍ）から、試料用光ファイバの長さ変化ΔＬｍが算出され、初期の試料用光ファイバ長Ｌｍとの比（ΔＬｍ／Ｌｍ）より歪みが求められる。

ここで、複数本の試料用光ファイバＦ２を測定するにあたり、参照用光ファイバＦ１と第１〜第Ｍの試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２ｍとの各干渉位置が重ならないように、第１〜第Ｍの試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２ｍの各長さを若干異なるように調整され、第１〜第Ｍの試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２ｍと干渉位置とを関連づけて、記録制御装置５４に記録される。参照用光ファイバＦ１の長さと試料用光ファイバＦ２の長さの差分ΔＬは、可動鏡４３の移動距離ｄ、可動鏡４３を動かしたときにマイケルソン干渉計４０で調整可能な群遅延時間差Δτ（＝２ｄ／ｃ；ｃは光速）、試料用光ファイバＦ２中の伝搬速度ｃ／（ｎ−λ（ｄｎ／ｄλ））（ｎは試料用光ファイバＦ２のコアの屈折率、λは波長）として、以下の（１）式で表すことができる。
ΔＬ＝２ｄ／ｃ×ｃ／（ｎ−λ（ｄｎ／ｄλ））
＝２ｄ／（ｎ−λ（ｄｎ／ｄλ）） ・・・（１）
なお、波長１．３μｍでは、λ（ｄｎ／ｄλ）は−１．６×１０^−２である。
ここで、可動鏡４３の移動距離ｄを最大で５０ｍｍ、コアの屈折率ｎを１．５とした場合、試料用光ファイバＦ２の長さの差分ΔＬの最大値は（１）式から６８ｍｍとなる。したがって、第１〜第Ｍの試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２ｍの各長さを１０ｍｍ間隔で変えると、６本程度の試料用光ファイバＦ２を実質的に同時に計測することができる。そして、試料用光ファイバＦ２と干渉位置との対応づけは、試料用光ファイバＦ２がどの第１及び第２の光コネクタ２３、２４に接続されているかで、容易に行える。

以上の構成の歪み計測装置１０によると、参照用光ファイバＦ１と試料用光ファイバＦ２とを、マイケルソン干渉計４０から別構成に接続しているため、試料用光ファイバＦ２を交換する場合でも、マイケルソン干渉計４０の光学系には影響を与えることがない。そして、従来のように計測の度に、干渉計（マイケルソン干渉計４０）の光学系を調整する必要がなく、測定準備が容易になる。また、参照用光ファイバＦ１は、一本であり、常温時の参照用光ファイバＦ１と複数本の試料用光ファイバＦ２との干渉位置を測定しておくことで、同時計測によって温度変化による複数本の試料用光ファイバＦ２の光路長の変化量を測定できるので、測定の効率化を図ることができる。さらに、恒温槽３０の温度と、可動鏡４３の制御位置を記録制御装置５４で自動制御して計測することで、複数の条件について一度に計測が可能であり、一層の効率化を図ることができる。

＜第２の実施形態＞
図３は、本実施形態に係る歪み計測装置１１０の構成を模式的に示す図である。この歪み計測装置１１０は、第１の実施形態の歪み計測装置１０と類似の構成であり、主に異なる部分について説明し、同一構成部分については同一符号を付して説明を省略する。

第１の実施形態の歪み計測装置１０と異なる構成は、まず、光ファイバ設置部１２０において、１×Ｎタイプの第１の光カプラ２１及びＮ×１タイプの第２の光コネクタ２４の代わりに、それぞれ、１×２タイプの第１の光カプラ１２１と２×１タイプの第２の光カプラ１２２とを設けている。さらに、第１の光カプラ１２１で分岐した試料用光Ｂ２の経路を、第１〜第Ｍの試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２ｍに選択的に接続する第１の光スイッチ２２３を備える。同様に、第１〜第Ｍの試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２ｍから出力される試料用光Ｂ２の経路を第２の光カプラ１２２へ選択的に接続する第２の光スイッチ２２４とを備える。そして、第１の光スイッチ２２３と第２の光スイッチ２２４とは記録制御装置５４により接続先が連動して制御され、所望の試料用光ファイバＦ２が第１の光スイッチ２２３と第２の光スイッチ２２４と間のに試料用光Ｂ２の光路が形成される。

そのあと、記録制御装置５４は、第１の光スイッチ２２３と第２の光スイッチ２２４とを順次切り替えて、第１〜第Ｍの試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２ｍのいずれかを選択する。さらに、第１の実施形態と同様に、可動鏡４３を駆動させて、温度変化後の可動鏡４３の干渉位置を検知し計測する。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、第１の実施形態と比較して、試料用光ファイバＦ２を透過する光（試料用光Ｂ２）の強さを強くすることができる。

＜第３の実施形態＞
図４は、本実施形態にかかる歪み計測装置２１０の構成を示す模式図である。第１及び第２の実施形態と異なる点は、歪み計測装置２１０の光ファイバ設置部２２０が第１〜第ｍの恒温槽３１〜３０ｍを備え、それぞれに、第１〜第Ｍの試料用光ファイバＦ２１〜Ｆ２ｍが投入され、それぞれの恒温槽毎に所望の温度に制御される。ここでは、第１の実施形態の構成の恒温槽３０を変更した構成を示しているが、第２の実施形態の恒温槽３０を変更した構成であってもよい。

第３の実施形態によれば、別々に温度制御可能な複数の恒温槽（３１〜３０ｍ）に分けて試料用光ファイバＦ２の温度特性を計測するので、温度特性を調べるときに短時間で計測できる。

以上、本発明を実施形態を基に説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素及びその組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。例えば、試料用光ファイバに張力や圧縮を加えることによって歪みを発生させる実施形態もある。また、干渉計としてマイケルソン干渉計４０を利用したが、これに限る趣旨ではなく、その他に、マッハツェンダー干渉計等の干渉計を利用することもできる。

また、歪み計測装置１０、１１０、２１０の計測対象として、光ファイバの歪みについて例示したが、これに限る趣旨ではない。例えば、光導波路モジュールの温度変化や外力等による歪みについても同様に測定することができる。具体的には、参照用光ファイバＦ１の代わりに参照用光導波路モジュールが取り付けられ、試料用光ファイバＦ２の代わりに試料用導波路モジュールが取り付けられる。また、第１の実施形態で、第１の光コネクタ２３又は第２の光コネクタ２４のいずれかを光スイッチとしてもよい。

従来技術に係る、歪み計測装置の構成を示す模式図である。 第１の実施形態に係る、歪み計測装置の構成を示す模式図である。 第２の実施形態に係る、歪み計測装置の構成を示す模式図である。 第３の実施形態に係る、歪み計測装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１０、１１０、２１０ 歪み計測装置
２０、１２０、２２０ 光ファイバ設置部
２１、１２１ 第１の光カプラ
２２、１２２ 第２の光カプラ
２３ 第１の光コネクタ
２４ 第２の光コネクタ
３１〜３０ｍ 第１〜第ｍの恒温槽
４０ マイケルソン干渉計
４２ 半透鏡
４３ 可動鏡
４４ 固定鏡
４５ 偏光子
４６ 光検出器
４７ ピエゾ素子
５２ ロックインアンプ
５４ 記録制御装置
２２３ 第１の光スイッチ
２２４ 第２の光スイッチ

Claims (8)

1. 光導波手段の歪みを計測する歪み計測装置であって、
   一つの経路を通る光を、基準状態に置かれた参照用の光導波手段へ導く第１の経路と、所望の測定環境に制御される管理手段に置かれた試料用の複数の光導波手段へ導く第２の経路とに分岐する光路分岐手段と、
   前記参照用の光導波手段を透過した後の前記第１の経路と、前記管理手段に置かれた前記試料用の複数の光導波手段を透過した後の前記第２の経路とを、第３の経路として一つの経路に結合する光路結合手段と、
   前記光路結合手段から出力される光を分割して、分割した前記光を異なる経路に透過させた後に再度結合させ光の干渉状態を検知するとともに、前記異なる経路間の光路長差を可変として、検知した干渉状態を出力する光干渉計と、
   前記光干渉計から出力された干渉状態と前記光路長差とを関連づけて記録する記録制御手段と、
   を備えることを特徴とする歪み計測装置。
2. 前記光路分岐手段は、１入力Ｎ出力（Ｎは３以上）の光カプラであることを特徴とする請求項１に記載の歪み計測装置。
3. 前記光路分岐手段は、１入力２出力の光カプラであって、前記１入力２出力の光カプラと前記試料用の複数の光導波手段との間に前記試料用の複数の光導波手段から一つの光導波手段を選択して接続する光スイッチを設けたことを特徴とする請求項１に記載の歪み計測装置。
4. 前記光路結合手段は、Ｎ入力１出力（Ｎは３以上）の光カプラであることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の歪み計測装置。
5. 前記光路結合手段は、２入力１出力の光カプラであって、前記２入力１出力の光カプラと前記試料用の複数の光導波手段との間に前記試料用の複数の光導波手段から一つの光導波手段を選択して接続する光スイッチを設けたことを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の歪み計測装置。
6. 前記記録制御手段は、前記光スイッチの接続切替を制御することを特徴とする請求項３又は５に記載の歪み計測装置。
7. 前記記録制御手段は、前記管理手段の測定環境を制御することを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の歪み計測装置。
8. 前記記録制御手段は、前記光干渉計における前記異なる経路間の光路長差を可変とする手段を制御することを特徴とする請求項１から７までのいずれかに記載の歪み計測装置。

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