JP5392786B2 - 空孔構造試験装置およびその方法 - Google Patents

Description

本発明は、空孔構造光ファイバの製造時に生じる空孔構造の変動を、非破壊かつ分布的に検出する技術に関する。

光ファイバ中に空孔を有する空孔構造光ファイバは、非常に優れた曲げ損失特性、広い波長帯に亘る単一モード動作領域、非線形効果や波長分散の柔軟な制御性など、従来の光ファイバが実現し得ない画期的な光学特性を有することから、昨今、精力的に研究開発が進められている。例えば非特許文献１では、コア領域および複数の空孔を有する空孔アシストファイバ（ＨＡＦ）を用いて、従来の１．３μｍ帯零分散単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）と同等の光学特性を有すると同時に、曲げ半径５ｍｍで0.05ｄＢ／turn以下の非常に低い曲げ損失を達成している。また、非特許文献２では純石英ガラス中に数十の空孔を有するフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）を用いて、広波長域単一モード動作や非線形・分散の柔軟な制御性について示している。

空孔構造光ファイバが実現するこれらの光学特性は、空孔の位置や大きさを含む空孔構造を適切に制御することで、所望の特性を得ることができる。空孔構造の制御には一般的に、空孔構造を有する光ファイバ母材（プリフォーム）を線引きして光ファイバ化する際に空孔の内部にガスを入れ、そのガス圧によって空孔の大きさを制御する方法が利用されている。ガス圧と空孔構造の変動量との関係は、母材の大きさ、製造温度、線引き速度等の製造時の条件によって変化するため、空孔構造の長手方向における変動を抑える仕組みが必要となる。

しかしながら、従来、光ファイバ化された空孔構造光ファイバにおける長手方向の空孔構造の変動を検査するためには抜き取り、破壊検査等により、その断面を直接見る必要があり、空孔構造に対してファイバ全長に亘る品質保証や非破壊による空孔構造の変動の測定が困難であるという課題があった。

本発明では、空孔構造光ファイバ中で発生する導波音響波型ブリルアン散乱（以下、ＧＡＷＢＳ）による散乱光における固有周波数を、空孔構造光ファイバの光の伝搬方向（長手方向）全体に亘って取得し、当該固有周波数の変動を用いて空孔構造の変動を検出することにより、課題を解決する。

本発明によれば、空孔構造光ファイバにおける長手方向の空孔構造の変動を非破壊かつ分布的に取得することが可能となり、空孔構造および各種の光学特性の長手方向全体に亘る品質保証が可能になるといった効果を奏する。

ＨＡＦの断面構造およびプリフォームの一例を示す概略図である。 ＧＡＷＢＳによる散乱光の周波数スペクトルの一例を示す特性図である。 光ファイバ中でＧＡＷＢＳを誘起する音響モードの振動分布の一例を示す図である。 ＨＡＦにおけるＧＡＷＢＳによる散乱光の固有周波数の空孔構造依存性の一例を示す特性図である。 本発明の空孔構造試験装置の実施の形態の一例を示す構成図である。 ＨＡＦの曲げ損失および遮断波長の空孔構造依存性の一例を示す特性図である。 ＨＡＦの曲げ損失および遮断波長の固有周波数依存性の一例を示す特性図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１に空孔構造光ファイバの一種であるＨＡＦの断面構造およびプリフォームの一例を示す。ＨＡＦは図１（ａ）（ｂ）に示すように、ＳＭＦと同様にコアおよびクラッドを有し、コアの周囲に複数の空孔を有する。非特許文献１に示されるように、空孔の位置および大きさを適切に制御することで、優れた曲げ損失特性、広い波長帯での単一モード動作など、所望の光学特性を得ることができる。なお、図中、２ａはコアの直径、ｄは空孔の直径、Λはコア（ファイバ）の中心位置と空孔の中心位置との間の距離（以下、空孔位置）である。

ここで、所望の光学特性を得るために空孔構造を制御するためには、図１（ｃ）に示すプリフォームを線引き加工する際に空孔の内部にガスを導入し、そのガス圧によって空孔の大きさを制御する。即ち、ガス圧を大きくすると空孔が膨らんで大きくなり、ガス圧を小さくすると空孔がしぼんで小さくなる。

図２にＧＡＷＢＳによる散乱光の周波数スペクトルの一例を示すもので、図２（ａ）および（ｂ）はそれぞれＳＭＦおよびＨＡＦの特性を示す。ＳＭＦを含む従来の光ファイバの場合、数百ＭＨｚ帯で多数のピークを有する周波数スペクトルが得られる。非特許文献３に示されるように、ピークの周波数はＧＡＷＢＳを誘起する音響モードであるＴＲ_2,mモード（ｍは自然数）の固有周波数に対応する。一方、ＨＡＦでは図２（ｂ）に示されるように、限られた周波数帯のみで大きなピークが発生する。これは非特許文献４でも記載されているように、空孔付近に新たに境界条件が発生し、空孔が囲む領域の直径と音響波の波長が近い値となる音響モードのみが強く作用するためである。このように、ＨＡＦにおけるＧＡＷＢＳによる散乱光の周波数スペクトルは空孔構造に大きく依存する。

図３に石英系光ファイバ中においてＧＡＷＢＳを誘起する音響モードの振動分布の一例を示す。ここで、図３（ａ）はＳＭＦ、図３（ｂ）はＨＡＦであり、ＨＡＦの空孔位置Λおよび空孔の直径ｄはそれぞれ11.25μｍおよび3.75μｍである。ここで、音響モードのモード次数はＴＲ_2,8モードとした。ＳＭＦを含む従来の石英系光ファイバでは、非特許文献３に示されるように音響モードの分布はクラッド径のみに依存する。一方、ＨＡＦでは、空孔より内側の振動成分がＳＭＦに比較して大きくなり、分布が変わっていることが確認できる。これは非特許文献４でも記載されているように、空孔付近に新たに境界条件が発生し、音響モードの挙動に影響を与えるためである。また、ＳＭＦおよびＨＡＦのＴＲ_2,mモード（ここではｍ＝８）に対する固有周波数ｆ_mは数値計算を用いて、それぞれ169.49ＭＨｚおよび164.57ＭＨｚと求められ、固有周波数の変化からも空孔構造が音響モードの挙動に影響を与え、ＧＡＷＢＳによる散乱光の特性を変化させることがわかる。

図４にＨＡＦにおけるＧＡＷＢＳの固有周波数と空孔の大きさとの関係を表す特性図を示す。縦軸はｄ／２ａ＝０．５を基準とした周波数の変化量（差分）を表す。また、線引き時における空孔構造の制御では空孔の中心位置の変化は非常に小さいため、ここでは空孔位置Λが一定の構造を示している。図中の２本の実線はＴＲ_2,5モード、ＴＲ_2,8モードに対応する散乱光周波数である。

ＴＲ_2,5モードおよびＴＲ_2,8モードに対し、固有周波数は空孔の大きさに応じてそれぞれ線形に増加および減少していることが確認できる。従って、ＧＡＷＢＳによる散乱光の固有周波数の変化を取得することにより、空孔の径の大きさに換算して、空孔構造光ファイバにおける空孔構造の変化を検出することが可能である。また、図４より、観測する音響モードによって変化の割合が異なることがわかる。従って、複数の周波数帯（音響モード）で固有周波数の変化量を測定し、換算した空孔構造の変化量を平均化することで、より高精度な検出が可能となり、好ましい。

図５は本発明の空孔構造試験装置の実施の形態の一例を示すもので、本空孔構造試験装置は、光源１１、パルス発生器１２、変調器１３および方向性結合器１４を少なくとも備えた送信部１０と、偏光子２１、受光器２２、発振器２３、ミキサ２４、平均化処理部２５および表示部２６を少なくとも備えた受信部２０とからなっている。

ここで、光源１１は、一定以上の強さを有する連続的な光波（レーザー光）を発生する。パルス発生器１２は、任意の幅および周期を有するパルス信号（電気信号）を発生する。変調器１３は、光源１１から出射された光波をパルス発生器１２からのパルス信号で変調し、パルス光として出力する。方向性結合器１４は、変調器１３からのパルス光を被測定光ファイバ１の一端に入射するとともに、当該被測定光ファイバ１の一端から出射される光を受信部２０へ入射する。

また、偏光子２１は、被測定光ファイバ１の一端から出射する光より任意の偏光成分を切り出す。受光器２２は、偏光子２１で切り出された任意の偏光成分の光信号を電気信号に変換する。発振器２３は、所定の周波数の電気信号を発生する。ミキサ２４は、受光器２２で変換された電気信号と発振器２３から出力された電気信号とを混合（ミキシング）する。

平均化処理部２５は、ミキサ２４から出力された電気信号の時間波形に対して２乗平均処理を行い、光波の伝搬時間ｔと伝搬距離Ｌとの関係がＬ＝Ｖｇ・ｔ／２であることを利用して、被測定光ファイバ１の長手方向の任意の位置における後方散乱光強度を取得する。ここで、Ｖｇは光波の群速度であり、石英系光ファイバでは約２．０×１０⁸ｍ／ｓである。表示部２６は、被測定光ファイバ１の長手方向の任意の位置に対する後方散乱光強度等の試験結果を表示する。

前記構成において、送信部１０では、光源１１から出射された光波が変調器１３により任意のパルス幅および送出周期を有する光パルスに変調され、方向性結合器１４を介して被測定光ファイバ１の一端に入射される。被測定光ファイバ１に入射された光パルスは被測定光ファイバ１中で散乱光を発生しながら他端側へ伝搬する。この散乱光のうち、被測定光ファイバ１の一端側に戻ってくる後方散乱光が方向性結合器１４を通して受信部２０に入射する。

受信部２０では、被測定光ファイバ１の一端側に戻ってきた後方散乱光を偏光子２１に通すことでＧＡＷＢＳによる散乱光成分を取り出す、即ち強度変調信号に変換した後、受光器２２にて電気信号に変換する。その後、受光器２２で得られた電気信号と発振器２３からの所定の周波数の電気信号とをミキサ２４にて混合した後、平均化処理部２５により、混合後の電気信号の時間波形に対して２乗平均処理を行い、前述したように光波の伝搬時間ｔと伝搬距離Ｌの関係がＬ＝Ｖｇ・ｔ／２であることを利用して、被測定光ファイバ１の長手方向の任意の位置における後方散乱光強度を取得し、表示部２６に表示する。

この際、発振器２３における周波数を可変とし、複数の周波数に対する後方散乱光の距離特性を取得することにより、被測定光ファイバ１の長手方向の任意の位置における後方散乱光強度に対する周波数特性を得ることができる。即ち、平均化処理部２５の後段に信号処理部を配置し、各周波数に対して平均化処理を行った後方散乱光の距離特性を当該信号処理部にて記憶し、後方散乱光の距離特性・周波数特性を得る。ブリルアン散乱光の周波数スペクトルはローレンツ分布に従うことから、測定した周波数帯において次式のローレンツ分布を用いてフィッティングを行い、被測定ファイバ１の位置Ｌにおける散乱光強度Ａ（Ｌ）、固有周波数ｆ_m（Ｌ）およびスペクトル幅Δｆ_m（Ｌ）を得る。

ここで、ｇ_B（ｆ，Ｌ）は位置Ｌにおける散乱光スペクトルである。これにより、固有周波数の距離特性ｆ_m（Ｌ）を取得し、図４に示したように基準となる周波数からの変化量を空孔構造の変化量に換算することで、任意の位置における空孔構造の変化量を得ることができる。

従って、任意の地点における空孔構造（例えば光ファイバ両端のどちらか一端）を顕微鏡等で測定し、この空孔構造におけるＧＡＷＢＳによる散乱光の周波数スペクトルを取得して基準値とすることで、空孔構造の変化量を検出することができる。

ここで、送信部１０において変調器１３と方向性結合器１４との間に偏波制御器１５を設置し、被測定光ファイバ１に入射する光パルスの偏光面を制御、具体的には偏光面を９０°回転させ、この回転の前後における前記ＧＡＷＢＳによる散乱光を取得し、それぞれの散乱光強度の比から被測定光ファイバ１の長手方向の任意の位置における空孔構造の変化の、断面に直交する方向での対称性を検出することも可能である。

また、送信部１０において光源１１と変調器１３との間に光分波器１６を設置し、光源１１からの光波の一部を分波して参照光として受信部２０へ出力し、この参照光を被測定光ファイバ１からの後方散乱光と合波して受光器２２に入射しヘテロダイン検波を行うことで、受光器２２における信号強度を上げることができ、受光信号の信号対雑音比を改善でき、好ましい。

また、受信部２０において送信部１０からの参照光の偏光面を制御する偏波制御器２７を設け、当該参照光の偏光面と偏光子２１通過後の後方散乱光の偏光面とを一致させることで、受光器２２における信号強度を最大化することができ、受光信号の信号対雑音比をより改善でき、好ましい。

また、図２に示されるように空孔に囲まれる領域とＧＡＷＢＳの散乱光で観測する音響モードの波長が近いとき、非常に大きな散乱光強度が得られる。即ち、空孔領域の直径に相当する２Λと音響モードの波長λ_a（＝Ｖｓ／ｆ_m）が近いものを選択すると、散乱光強度が大きくなるため、測定を行う散乱光の雑音に対する比が改善でき、好ましい。ここで、Ｖｓは音響波の横波速度であり、石英系光ファイバの場合は約3700ｍ／ｓである。

図６および図７にＨＡＦの曲げ損失および遮断波長の一例を示す。

図６は曲げ損失および遮断波長の空孔の直径に対する依存性を示しており、実線は曲げ損失を表し、破線は遮断波長を表す。空孔が大きくなるほど曲げ損失を低減できる一方、遮断波長は長波長化する。そのため、曲げ損失および遮断波長を所望の値とする場合には、空孔の直径を適切な範囲に設定する必要がある。例えば、曲げ損失を１ｄＢ／turn以下、遮断波長を1160ｎｍ以下とする場合、ｄ／２ａ＝0.50±0.05となる。

図７は空孔構造の変化をＧＡＷＢＳによる散乱光の固有周波数の変化に換算した場合の、曲げ損失および遮断波長を示しており、実線は曲げ損失を表し、破線は遮断波長を表す。ここで、横軸はｄ／２ａ＝0.50を基準としたときの固有周波数の差分を表している。

図４よりＧＡＷＢＳによる散乱光の固有周波数は空孔構造に対して線形に変化し、図６より曲げ損失および遮断波長も空孔構造に対して一様に変化するため、図７に示すように曲げ損失および遮断波長をＧＡＷＢＳによる散乱光の固有周波数を用いて表すことができる。

例えば、曲げ損失を１ｄＢ／turn以下、遮断波長を1160ｎｍ以下とする場合、対応する周波数の変化量は±１ＭＨｚである。即ち、図５で示した装置を用いてＧＡＷＢＳによる散乱光の固有周波数を分布的に取得し、変化量が所定の値以内（上記の例では±１ＭＨｚ以下）の場合、試験を行った空孔構造光ファイバが所定の光学特性を有することを保証できる。

試験を行う際には任意の地点（例えば、光ファイバ両端のどちらか一端）における曲げ損失および遮断波長をおよびＧＡＷＢＳによる散乱光の周波数スペクトルを測定して基準とすることで、曲げ損失および遮断波長の変化量を検出することができる。

本発明は、空孔構造光ファイバにおける長手方向の空孔構造の変化量を検出する試験に利用できる。

１：被測定光ファイバ、１０：送信部、１１：光源、１２：パルス発生器、１３：変調器、１４：方向性結合器、１５：偏波制御器、１６：光分波器、２０：受信部、２１：偏光子、２２：受光器、２３：発振器、２４：ミキサ、２５：平均化処理部、２６：表示部、２７：偏波制御器。

K. Nakajima et al, "Single-mode hole-assisted fiber with low bending loss characteristics," IWCS2009, Nov. 2009 P. St. J. Russell, "Photonic crystal fibres; endlessly variety" Journal of Lightwave Technology, vol.12, pp.4729-4749, Dec. 2006 R. Shelbey et al, "Guided acoustic-wave Brillouin scattering," Phisical review B, vol.31, pp.127-134, Apr. 1985 T. Matsui et al, "Structural dependence of guided acoustic-wave Brillouin scattering spectra in hole-assisted fiber and its temperature dependence，"Applied Optics，Vol.46，pp.6912-6917，Oct. 2007

Claims (6)

1. 空孔構造を有する被測定光ファイバの一端に任意のパルス幅および送出周期を有するパルス光を入射する送信部と、
   前記被測定光ファイバの一端から出射する後方散乱光より任意の偏光成分を切り出すことで当該被測定光ファイバ中で発生した導波音響波型ブリルアン散乱による散乱光成分を取り出し、電気信号に変換して所定の周波数の正弦波信号と混合した後、得られた前記導波音響波型ブリルアン散乱光の時間波形の２乗平均を行う受信部とを有し、
   前記導波音響波型ブリルアン散乱光の固有周波数の変化量をもって、前記被測定光ファイバの長手方向の任意の位置における空孔構造の変化を検出する
   ことを特徴とする空孔構造試験装置。
2. 前記送信部は、一定以上の強さを有する連続的な光波を発生する光源と、任意の幅および周期を有するパルス信号を発生するパルス発生器と、光源から出射された光波をパルス発生器からのパルス信号で変調し、パルス光として出力する変調器と、変調器からのパルス光を被測定光ファイバの一端に入射するとともに、当該被測定光ファイバの一端から出射される光を受信部へ入射する方向性結合器とを少なくとも備え、
   前記受信部は、被測定光ファイバの一端から出射する光より任意の偏光成分を切り出す偏光子と、偏光子で切り出された任意の偏光成分の光信号を電気信号に変換する受光器と、所定の周波数の電気信号を発生する発振器と、受光器で変換された電気信号と発振器から出力された電気信号とを混合するミキサと、ミキサから出力された電気信号の時間波形に対して２乗平均処理を行い、被測定光ファイバの長手方向の任意の位置における後方散乱光強度を取得する平均化処理部とを少なくとも備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の空孔構造試験装置。
3. 送信部において被測定光ファイバの一端に入射する光パルスの偏光面を制御する偏波制御器を設け、
   偏光面が９０°異なる光波を入力した際の前記導波音響波型ブリルアン散乱光の散乱光強度の比より被測定光ファイバの長手方向の任意の位置における空孔構造の変化を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の空孔構造試験装置。
4. 送信部において光源からの光波の一部を分波する光分波器を設け、
   分波した光波を参照光として被測定光ファイバからの後方散乱光と合波して受光器に入射しヘテロダイン検波を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の空孔構造試験装置。
5. 受信部において送信部からの参照光の偏光面を制御する偏波制御器を設け、
   参照光の偏光面と偏光子通過後の後方散乱光の偏光面とを一致させる
   ことを特徴とする請求項４に記載の空孔構造試験装置。
6. 空孔構造を有する被測定光ファイバの一端に任意のパルス幅および送出周期を有するパルス光を入射し、
   前記被測定光ファイバの一端から出射する後方散乱光より任意の偏光成分を切り出すことで当該被測定光ファイバ中で発生した導波音響波型ブリルアン散乱による散乱光成分を取り出し、
   前記取り出した散乱光成分を電気信号に変換して所定の周波数の正弦波信号と混合し、
   得られた前記導波音響波型ブリルアン散乱光の時間波形の２乗平均を行い、
   前記導波音響波型ブリルアン散乱光の固有周波数の変化量をもって、前記被測定光ファイバの長手方向の任意の位置における空孔構造の変化を検出する
   ことを特徴とする空孔構造試験方法。