JP5384812B2

JP5384812B2 - 長周期グレーティングを用いた心線対照方法および装置

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Publication number: JP5384812B2
Application number: JP2007232759A
Authority: JP
Inventors: 隆松井; 邦弘戸毛; 利雄倉嶋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2027-09-07
Also published as: JP2009063485A

Description

本発明は、光伝送システムにおける光の導通試験に関する。

光線路の工事、運用に際して、作業現場において任意の光ファイバ心線を見つける必要がある。例えば、特許文献１に見られるような心線対照器は、光ファイバ中を伝搬する光の一部を取り出して、その光ファイバが所望の光ファイバであるかを確認することができ、この用途に広く用いられている。心線対照器は光ファイバに曲げ部を形成し、曲げ部から漏れ出る光を受光することによって、その光ファイバに光が伝搬しているかどうかを判別する。

特許第３４０７８１２号 S. Savin, et al., "Tunable mechanically induced long-period fiber gratings," Optics Letters, Vol. 25, No. 10, pp. 710-712, May 2000.

しかしながら、昨今注目を集めている、空孔アシストファイバのような曲げ損失特性を改善した光ファイバに対しては、曲げ部を形成しても漏れ出る光がほとんどないため、従来の心線対照器ではこのような光ファイバには対応できないという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、曲げ損失特性を改善した光ファイバに対しても光の導通試験が可能な心線対照方法および装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光ファイバの心線対照装置であって、光ファイバの長手方向に複数の応力を付与し、一時的なグレーティングを形成する応力付与部と、前記グレーティングで生じる高次モードの漏洩光を検知する受光部とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の心線対照装置であって、前記応力付与部の後段に、光ファイバを曲げた曲げ部をさらに備え、前記受光部は、前記高次モードの漏洩光を前記曲げ部で検知するように構成されたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の心線対照装置であって、前記複数の応力は、物理的な凹凸によって付与されることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の心線対照装置であって、前記複数の応力は、物理的な振動によって付与されることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の心線対照装置であって、前記グレーティングは、一定周期であることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の心線対照装置であって、前記グレーティングは、チャープしていることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、光ファイバの心線対照方法であって、光ファイバの長手方向に複数の応力を付与し、一時的なグレーティングを形成することと、前記グレーティングで生じる高次モードの漏洩光を検知することとを含むことを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の心線対照方法であって、前記複数の応力は、物理的な凹凸によって付与されることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の心線対照方法であって、前記複数の応力は、物理的な振動によって付与されることを特徴とする。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による心線対照方法を説明するための図である。図１に示すように、周期的な凹凸を有する基板（応力付与部１０２）で光ファイバ１０に圧力をかけることによって、光ファイバは凸部において局所的な応力を受ける。応力を受けた部分ではファイバ中の弾性定数の変化または光弾性効果によって屈折率が変動を受ける。凹部では応力が付与されないためにこのような屈折率変動を受けない。したがって、光ファイバ１０には周期的な応力付与によって図１に示す周期的な屈折率変動が生成される。非特許文献１に見られるように、このような周期的な屈折率変動は、ブラッググレーティングとして機能する。ブラッググレーティングでは次式で表される位相整合条件が満たされるとき、伝搬モードと高次モードとの間でモード変換が生じる

ここで、Λは屈折率の変動周期、β₀およびβ_mはそれぞれ光ファイバにおける伝搬モードおよび高次モードの伝搬定数を表す。一般的に用いられる単一モードファイバでは、使用波長帯において単一モード伝送されるため、式（１）によって発生する高次モードは漏洩し、その波長における光損失となる。

図２は、応力によるグレーティングを透過した後の光波の透過スペクトルを示している。このときのグレーティング周期は約０．５ｍｍである。図２から、限られた波長帯のみで損失が発生していることがわかる。この光損失を応力付与部１０２またはその近傍において受光器で検知することによって光ファイバに光波が導通しているかを確認することができる。

本発明による手法では、応力付与によって一時的なグレーティングを生成する。そのため、既設の光ファイバに対しても何ら手を加えることなく対照が可能となる。また、本発明による手法は、光ファイバの曲げ損失を利用する必要がないことから、光ファイバの曲げ損失の特性に拠らず任意の構造の光ファイバに適用することができる。

図３は、光ファイバにおける基本モードと第１高次モードとの伝搬定数差を示している。ここで、光ファイバは純石英コアファイバ（コア径１０μｍ、比屈折率差０．４％）を用いている。図３に示すように、基本モードと高次モードの伝搬定数差は、一般的に波長依存性を有する。この伝搬定数差は、式（１）における分母に相当する。したがって、Λを適切に選ぶことで、所望の波長の光波に対して対照を行うことができる。このことから、図１における応力付与部の周期Λが機械的または電気的制御により任意に設定できることが望ましい。

図４は、グレーティング周期とモード変換の生じる波長との関係を示している。図４では、１．３１μｍ帯零分散単一モードファイバについて、基本モードと第１高次モードとのモード変換、および基本モードと第３高次モードとのモード変換を示している。通信波長または試験光として用いられる波長帯は一般的に１２６０〜１６５０ｎｍであり、図４の場合、式（１）の位相整合条件を満たすためにはグレーティング周期が約１ｍｍ以下である必要があることがわかる。

ここでは第１高次モードとのモード変換を示したが、第２高次モード以上とのモード変換でも同様の効果が得られる。伝搬定数差はモード次数が大きくなるほど大きくなるので、式（１）を満たすグレーティング周期はより小さくなる。したがって、基本モードと高次モードとのモード変換を行うためには、上記のとおり１ｍｍ以下のグレーティング周期が好ましい。なお、ここで示した上限は図４の単一モードファイバの場合についてであり、異なる構造の光ファイバではより大きな周期となることがあることに留意されたい。

図４に示したように、損失を発生させる波長を可変にしたり、異なる構造の光ファイバに適用したりする場合には、異なる周期の応力付与部が必要となる。図５は、１つの基板で異なる周期を実現するための、応力付与部１０２のいくつかの例を示している。図中、黒い部分が凸部を示し、白い部分が凹部を示している。

図５（ａ）に示す構造では、１つの応力付与部１０２ａに異なる周期の凹凸を作成し、使用波長や光ファイバ１０の種類に応じて、使用する部分を変えることができる。図５（ｂ）に示す構造では、図１と同様に一様な周期の応力付与部１０２ｂにおいて、光ファイバ１０の設置する角度を変えることによって光ファイバが受ける応力の周期を変えることができる。図５（ｃ）に示す構造では、応力付与部１０２ｃの凸部が放射状になっており、光ファイバ１０を放射の基点に近い位置に設置するほど短い周期で応力を付与することができる。図５（ｃ）の構造は、図５（ａ）および（ｂ）に比べて、周期を可変できる区間を大きくすることができるという特徴がある。

図２に示したように、損失が発生する波長帯域は周期的なグレーティングでは数ｎｍ程度である。この波長帯域を拡げる方法として、図６に示すようにグレーティング周期を長手方向に変動させた、チャープドグレーティングが知られている。チャープドグレーティングでは等価的に様々な周期の値を有するグレーティングとみなすことができ、広い波長帯で式（１）を満たすことができる。そのため、損失が発生する波長帯域を拡大することができる。結果として、チャープドグレーティングを形成する応力付与部１０２ｄを用いることで、１つの基板で広い波長にわたって動作させることができ、また利用できる光ファイバの種類も増える。また、図６のチャープドグレーティングを与える応力付与部についても、図５（ａ）から（ｃ）に示した方法によってその周期を変えることができ、使用波長を拡大し、使用可能な光ファイバを増やすことができる。

上述した応力付与部は、光ファイバに対してマイクロベンディングを与える。特に、従来の１．３１μｍ帯零分散単一モードファイバでは比較的大きなマイクロベンディングロスが生じる。このマイクロベンディングロスによって生じた漏洩光を検知することによって、光ファイバに光波が導通しているかを確認することができる。したがって、例えば曲げ損失特性に優れた光ファイバに対して所望の波長でグレーティング周期を設計した応力付与部を用いることによって、曲げ損失特性に優れた光ファイバではモード変換による漏洩光を検知し、１．３１μｍ帯零分散単一モードではマイクロベンディングロスによる漏洩光を検知することができる。このように、１つの応力付与部で複数の光ファイバの心線対照に適用できる。

図７は、本発明による心線対照の構成例を示している。図に示すように、応力付与部１０２の後段に光ファイバ１０の曲げ部１２を有している。光ファイバにおける伝搬モードは、高次モードになるほど電界分布が外側に広がるため、曲げによる漏洩が起こりやすくなる。応力付与部１０２のグレーティングによって発生した高次モードの一部は、光ファイバの構造や状態によって短いスパンを伝搬することがあるが、後段に光ファイバの曲げ部１２を設けることで、曲げ部において高次モードの光を漏洩させることができる。したがって、この曲げ部に受光部１０４を設置することによって、より効率的に漏洩光を検知し、光ファイバに光波が導通しているかを確認することができる。

図８に、本発明の第１の実施形態による心線対照のフローチャートを示す。まず、試験を行う光ファイバに試験光（または通信光）を導通する（Ｓ１０２）。作業現場では、光ファイバに応力付与部を当てて、応力によるグレーティングを形成する（Ｓ１０４）。そして、グレーティングによるモード変換によって得られる漏洩光を検出し（Ｓ１０６）、検出した光強度が予め設定した閾値よりも大きければ、その光ファイバに光波が導通していると判定する（Ｓ１０８）。他方、検出した光強度が予め設定した閾値よりも小さければ、その光ファイバに光波が導通していないと判定する（Ｓ１１０）。

図９は、本発明の第１の実施形態による心線対照装置の構成例を示している。この心線対照装置は、光ファイバに応力を付与し、漏洩光を受光するヘッド部１００ａと、電気信号に変換された漏洩光の受信パワーを検出し、判定する本体部１１０とから構成されている。ヘッド部１００ａは、光ファイバに応力を付与する応力付与部１０２と、光ファイバからの漏洩光を受光する受光部１０４とを備えている。一方、本体部１１０は、受光部１０４からの受信パワーを検出する検出部１１２と、検出した受信パワーを閾値判定する判定部１１４と、判定した結果を表示する表示部１１６とを備えている。また、本体部１１０は、受光部からの受信パワーを表示する表示部１１８を備えている。この心線対照装置は、ヘッド部の応力付与部１０２において生じた漏洩光をそのまま受光部１０４で受光している。

図１０は、本発明の第１実施形態による心線対照装置の別の構成例を示している。この心線対照装置では、図９の構成と比較して、ヘッド部の構成が異なっている。ヘッド部１０２ｂは、光ファイバに応力を付与する応力付与部１０２の後段に、光ファイバ１０を曲げる曲げ部１２を備え、この曲げ部において光ファイバからの漏洩光を受光するように受光部１０４が構成されている。このような構成によって、高次モードを曲げ部１２で漏洩させ、漏洩光をより効率的に受光することができる。

図１１は、本発明の第１実施形態による心線対照装置のヘッド部の構成例を示している。このヘッド部１００ｃは、周期Λの凸部を有する応力付与部１０２ｂと、応力付与部で光ファイバ１０からの漏洩光を受光する受光部１０４とを備えている。光ファイバ１０は、図１１に示すように、応力付与部１０２ｂで曲げられた状態で設置される。この状態で、応力付与部により光ファイバに周期的な応力が与えられた場合、光ファイバ１０を導波する光波は、式（１）にしたがって、高次のモードへ変換される。一般的な単一モードファイバでは、高次モードの曲げ損失は非常に大きいため、応力付与部のグレーティングによって生じた高次モードは、光ファイバ１０の曲げによって即座に漏洩する。この漏洩光を受光部１０４で受光することによって、光ファイバに光波が導通しているかを確認することができる。なお、一般的な光通信で用いられる波長帯は、１２６０〜１６５０ｎｍであり、この波長帯でモード変換を発生させるためには、他の実施例と同様、グレーティングの周期を１ｍｍ以下とすることが好ましい。

図１２は、本発明の第１実施形態による心線対照装置のヘッド部の別の構成例を示している。このヘッド部１００ｄでは、応力付与部１０２ｃの凸部が放射状になっており、角度θごとに凸部が形成されている。光ファイバ１０は、図１２に示すように、応力付与部１０２ｃで凸部の起点を中心に円弧状に曲げられた状態で配置される。この状態で、応力付与部により光ファイバに周期的な応力が与えられ、光ファイバ１０の曲げによって漏洩する高次モードの漏洩光を受光部１０４で受光する。なお、この構成では、凸部の起点から光ファイバまでの距離Ｒ（すなわち、曲げ半径）に応じてグレーティングの周期を調整することができる。

図１３に、図１２の構成における距離Ｒとグレーティング周期との関係を示す。ここで、上述したように、グレーティング周期が１ｍｍ以下とすることが好ましい。また、光ファイバの破断を防止するためには、曲げ半径Ｒは４ｍｍ以上とすることが好ましい。これらの条件を満たす角度θは、図１３より１５°以下とする必要がある。

図１４に、図１２の構成における心線対照装置の構成例を示す。この心線対照装置では、図９の構成と比較して、ヘッド部の構成が異なっている。ヘッド部１０２ｅは、光ファイバに応力を付与する応力付与部１０２に、光ファイバを曲げる曲げ部１２を備え、この曲げ部において光ファイバ１０からの漏洩光を受光するように受光部１０４が構成されている。このような構成によって、応力付与部に設けた曲げ部で高次モード漏洩させ、漏洩光をより効率的に受光することができる。

（第２の実施形態）
図１５は、本発明の第２の実施形態による心線対照方法を説明するための図である。図１５に示すように、応力付与部２０２は、光ファイバ１０に局所的な応力を与える複数の凸部を有している。また、この応力付与部２０２は、超音波励振部２０６によって駆動されて、超音波振動により光ファイバに応力を付与するように構成されている。ある１つの凸部に着目すると、この部分には超音波の周波数で応力が印加される。この振動は、光ファイバ１０の長手方向に伝わり、振幅に応じた屈折率変化を周期的に生成し、グレーティングを形成する。他の凸部でも同様であり、結果として長いスパンでグレーティングを形成する。したがって、複数の凸部を有する応力付与部２０２を超音波振動させることによって全体的に長いスパンでグレーティングを形成することができる。このグレーティングによって効率よくモード変換を起こし、光ファイバから高次モードの漏洩光を検知することができる。

図４に示したように、一般的な単一モードファイバ（ＳＭＦ）の場合、通信波長帯でモード変換を発生させるためには、グレーティングの周期が１ｍｍ以下である必要がある。図１５に示す方法では、超音波の波長がグレーティング周期となるので、印加する超音波の波長は１ｍｍ以下（周波数に換算して３ＭＨｚ以上）とする。また、応力付与部の隣り合う凸部の間隔が超音波の波長以下になると、超音波によって形成するグレーティングに対して応力付与部の凹凸が影響を与えることになるので、凸部の間隔は印加する超音波の波長以上とすることが好ましい。本実施形態においても、図７に示したように、応力付与部の後段に光ファイバの曲げ部１２を配置することによって、曲げ部で効率よく漏洩光を検知することができる。

図１６に、本発明の第２の実施形態による心線対照のフローチャートを示す。まず、試験を行う光ファイバに試験光（または通信光）を導通する（Ｓ２０２）。作業現場では、光ファイバに応力付与部を当てて、超音波励振部に所定の周波数の電流または電圧を印加し、振動させることによってグレーティングを形成する（Ｓ２０４）。そして、グレーティングによるモード変換によって得られる漏洩光を検出し（Ｓ２０６）、検出した光強度が予め設定した閾値よりも大きければ、その光ファイバに光波が導通していると判定する（Ｓ２０８）。他方、検出した光強度が予め設定した閾値よりも小さければ、その光ファイバに光波が導通していないと判定する（Ｓ２１０）。

図１７は、本発明の第２の実施形態による心線対照装置の構成例を示している。この心線対照装置は、光ファイバに超音波の応力を付与し、漏洩光を受光するヘッド部２００ａと、電気信号に変換された漏洩光の受信パワーを検出し、判定する本体部２１０とから構成されている。ヘッド部２００ａは、超音波で励振する超音波励振部２０６と、超音波励振部によって光ファイバに超音波の応力を付与する応力付与部２０２と、光ファイバ１０からの漏洩光を受光する受光部２０４とを備えている。一方、本体部２１０は、超音波励振部を駆動する高周波電流（電圧）源２２０と、受光部からの受信パワーを検出する検出部２１２と、検出した受信パワーを閾値判定する判定部２１４と、判定した結果を表示する表示部２１６とを備えている。また、本体部２１０は、受光部からの受信パワーを表示する表示部２１８を備えている。この心線対照装置は、ヘッド部の応力付与部２０２において生じた漏洩光をそのまま受光部２０４で受光している。

図１８は、本発明の第２の実施形態による心線対照装置の別の構成例を示している。この心線対照装置では、図１７の構成と比較して、ヘッド部の構成が異なっている。ヘッド部２００ｂは、光ファイバに超音波の応力を付与する応力付与部２０２の後段に、光ファイバを曲げる曲げ部１２を備え、この曲げ部において光ファイバ１０からの漏洩光を受光するように受光部２０４が構成されている。このような構成によって、高次モードを曲げ部で漏洩させ、漏洩光をより効率的に受光することができる。

以上、本発明について、具体的にいくつかの実施形態について説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、本発明の第２の実施形態において、図５に示したような応力付与部を使用してもよい。ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。

本発明は、光線路の工事、保守、運用の際の光ファイバの特定に利用することができる。

本発明の第１の実施形態による心線対照方法を説明するための図である。応力によるグレーティングを透過した後の光波の透過スペクトルを示す図である。光ファイバにおける基本モードと第１高次モードとの伝搬定数差を示す図である。グレーティング周期とモード変換の生じる波長との関係を示す図である。本発明による応力付与部のいくつかの構成例を示す図である。本発明による応力付与部の別の構成例を示す図である。本発明による心線対照の構成例を示す図である。本発明の第１の実施形態による心線対照方法を示すフローチャートである。本発明の第１の実施形態による心線対照装置の構成例を示す図である。本発明の第１実施形態による心線対照装置の別の構成例を示す図である。本発明の第１実施形態による心線対照装置のヘッド部の構成例を示す図である。本発明の第１実施形態による心線対照装置のヘッド部の別の構成例を示す図である。図１２の構成における距離Ｒとグレーティング周期との関係を示す図である。図１２の構成における心線対照装置の構成例を示す。本発明の第２の実施形態による心線対照方法を説明するための図である。本発明の第２の実施形態による心線対照方法を示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態による心線対照装置の構成例を示す図である。本発明の第２の実施形態による心線対照装置の別の構成例を示す図である。

符号の説明

１０光ファイバ
１２曲げ部
１００ヘッド部
１０２応力付与部
１０４受光部
１１０本体部
１１２検出部
１１４判定部
１１６表示部
１１８表示部
２００ヘッド部
２０２応力付与部
２０４受光部
２０６超音波励振部
２１０本体部
２１２検出部
２１４判定部
２１６表示部
２１８表示部
２２０高周波電流（電圧）源

Claims

被覆付き光ファイバの心線対照装置であって、
光ファイバの長手方向に複数の応力を付与し、一時的なグレーティングを形成する応力付与部と、
前記グレーティングで生じる高次モードの漏洩光を検知する受光部と
を備えた心線対照装置であって、
前記複数の応力は、物理的な凹凸によって付与され、
前記心線対照装置では、凸部が平面視で放射状になっており、角度θごとに凸部が形成された前記応力付与部に対して、前記光ファイバを前記応力付与部の放射状の凸部の起点を中心に円弧状に曲げられた状態で配置することにより、前記起点から前記被覆付き光ファイバまでの距離に応じて一時的なグレーティングの周期を調整することを特徴とする心線対照装置。
被覆付き光ファイバの心線対照方法であって、
光ファイバの長手方向に複数の応力を付与し、一時的なグレーティングを形成することと、
前記グレーティングで生じる高次モードの漏洩光を検知することと
を含み、
前記複数の応力は、物理的な凹凸によって付与され、
前記凹凸のうちの凸部が平面視で放射状になっており、角度θごとに凸部が形成された応力付与部に対して、前記光ファイバを前記応力付与部の放射状の凸部の起点を中心に円弧状に曲げられた状態で配置することにより、前記起点から前記被覆付き光ファイバまでの距離に応じて一時的なグレーティングの周期を調整することを特徴とする心線対照方法。