JP5768473B2 - カットオフ波長測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光ファイバの高次モードのカットオフ波長を測定する方法に関するものである。
光通信システムにおいて光伝送路として用いられる光ファイバは、信号光波長において単一モードであることが重要であり、高次モードのカットオフ波長が信号光波長より短いことが重要である。光ファイバの高次モードのカットオフ波長を測定する方法として、非特許文献１において規格化された方法が知られている。この文献には、カットオフ波長測定方法として、曲げ参照法およびマルチモード参照法が記載されている。
ITU-T G.650.1 L.-A. de Montmorillon et al., OTuL3,OFC2009. R. Morgan et al., Optics Letters,Vol.15, No.17, 947(1990). L.-A. de Montmorillon et al., OTuA1,OFC2011.
従来のカットオフ波長測定方法が以下のような問題点を有していることを本発明者は見出した。
非特許文献２に記載されているような低曲げ損失光ファイバ（BendInsensitive Fiber）は、小さい曲率半径で曲げたときでも光が漏洩し難いトレンチ型の屈折率分布を有する構造とされたものであるが、カットオフ波長を正確に測定することが困難である。
すなわち、カットオフ波長測定時の曲げによりコアから漏洩した光の一部は、大きな屈折率差のある界面（例えば、ガラスとコーティング層との界面や、コーティング層と空気との界面）で反射された後に、コアを導波する光と干渉し、この干渉によりウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）と呼ばれるスペクトルが発生する（非特許文献３参照）。
コーティング層と空気との界面における屈折率差に起因するＷＧＭは、コーティング層の周囲を屈折率整合材で覆うことにより発生が抑制され得る。しかし、ガラスとコーティング層との界面における屈折率差に起因するＷＧＭの発生を抑制することは困難である。光ファイバのカットオフ波長の測定は、高次モードの伝送曲げ損失による減衰量が１９.３７ｄＢとなる波長として定義される（非特許文献４参照）が、このようなＷＧＭが発生すると、前記高次モードの曲げ損失による減衰量を正確に求めることが困難となり、光ファイバのカットオフ波長を正確に測定することが困難であった。
本発明は、本発明者の知見に基づいて、上記問題点を解消する為になされたものであり、光ファイバの高次モードのカットオフ波長を正確に測定することができる方法を提供することを目的とする。
本発明のカットオフ波長測定方法は、被測定光ファイバの高次モードのカットオフ波長を測定する方法であって、(1) 光源から出力される光のパワースペクトルＰ１(λ)［ｄＢ］を測定する第１ステップと、(2) 長手方向に曲率が変化する形状として渦巻き形状に被測定光ファイバを位置決めして、光源から出力される光を被測定光ファイバの一端に入射させ、被測定光ファイバの他端から出射される光のパワースペクトルＰ２(λ)［ｄＢ］を測定する第２ステップと、(3) 第２ステップで測定したパワースペクトルＰ２(λ)と第１ステップで測定したパワースペクトルＰ１(λ)との差を表す差分スペクトルＰ(λ)を求める第３ステップと、(4) 第３ステップで求めた差分スペクトルＰ(λ)に基づいて被測定光ファイバの高次モードのカットオフ波長を求める第４ステップと、を備えることを特徴とする。
本発明のカットオフ波長測定方法では、第４ステップは、(a) 差分スペクトルＰ(λ)において最小値となる波長から長波長側にある直線領域を求め、該直線領域において差分スペクトルＰ(λ)の直線部分を表す近似式ａλ＋ｂ［ｄＢ］を求める第１サブステップと、(b) ａλ＋ｂ＋０.１［ｄＢ］ なる式で表される直線と差分スペクトルＰ(λ)との交点の波長を被測定光ファイバの高次モードのカットオフ波長として求める第２サブステップと、を含むのが好適である。
本発明のカットオフ波長測定方法では、第２ステップにおいて、パワースペクトルＰ２(λ)を測定する波長範囲で、被測定光ファイバが全長に亘って最低曲率で巻かれたときに得られる差分スペクトルＰ(λ)minの振動波形が、被測定光ファイバが全長に亘って最大曲率で巻かれたときに得られる差分スペクトルＰ(λ)maxの振動波形に対して１／２周期以上ずれるように、被測定光ファイバを位置決めするのが好適である。
本発明のカットオフ波長測定方法では、第２ステップにおいて、被測定光ファイバを導波するＬＰ１１モード光のカットオフ波長における曲げ損失が０.１ｄＢ以下となるように、被測定光ファイバを位置決めするのが好適である。
また、本発明のカットオフ波長測定方法は、波長１５５０ｎｍにおける曲率半径７.５ｍｍでの曲げ損失が０.５ｄＢ／turn以下である光ファイバを被測定光ファイバとするのが好適である。更に好ましくは０.０８ｄＢ／turn以下である光ファイバを被測定光ファイバとするのが好適である。
本発明によれば、光ファイバの高次モードのカットオフ波長を正確に測定することができる。
比較例のカットオフ波長測定方法による測定で得られた差分スペクトルを示す図である。 比較例で用いた被測定光ファイバの構造および特性を纏めた図表である。 本実施形態のカットオフ波長測定方法の第１ステップおよび第２ステップを説明する図である。 本実施形態のカットオフ波長測定方法の第３ステップで求めた差分スペクトルＰ(λ)を示す図である。 本実施形態のカットオフ波長測定方法の第４ステップを説明する図である。 曲率を有する被測定光ファイバにおいてコアを導波するＬＰ１１モードおよびガラス／コーティングで反射したＷＧＭそれぞれの光路を説明する図である。 被測定光ファイバの曲げ損失の波長依存性を示すグラフである。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、初めに比較例について説明し、その後に本実施形態について説明する。
図１は、比較例のカットオフ波長測定方法による測定で得られた差分スペクトルを示す図である。この比較例の図は、マルチモード参照法により得られた差分スペクトルを示す。すなわち、第１マルチモード光ファイバと第２マルチモード光ファイバとの間に被測定光ファイバを挿入して、波長可変光源から出力された光を第１マルチモード光ファイバに入射させ、第２マルチモード光ファイバから出射される光のパワースペクトルＰ１(λ)を測定した。このとき、被測定光ファイバの長さは２ｍ，８ｍまたは２２ｍとされ、そのうちの両端それぞれ０.５ｍ部分を除く部分が直径２８０ｍｍφのマンドレルの外周に巻かれた。
また、第１マルチモード光ファイバと第２マルチモード光ファイバとの間に第３マルチモード光ファイバを挿入して、波長可変光源から出力された光を第１マルチモード光ファイバに入射させ、第２マルチモード光ファイバから出射される光のパワースペクトルＰ２(λ)を測定した。そして、パワースペクトルＰ２(λ)とパワースペクトルＰ１(λ)との差を表す差分スペクトルＰ(λ)を求めた。この差分スペクトルＰ(λ)に基づいて被測定光ファイバの高次モードのカットオフ波長を求めることができる。
この比較例で用いた被測定光ファイバは、図２に示される構造および特性を有するものである。この被測定光ファイバは、非特許文献２に記載されているようなトレンチ型の屈折率分布を持つ低曲げ損失光ファイバであり、小さな曲率半径に光ファイバを曲げても光が漏洩し難いように工夫されている。
図１に示されるように、トレンチ型の屈折率分布を有する低曲げ損失光ファイバのカットオフ波長を測定しようとする場合、差分スペクトルＰ(λ)に振動成分が現れることがある。特に、高次モードが残留し易い短い光ファイバの差分スペクトルＰ(λ)に顕著に見られる。この差分スペクトルＰ(λ)に見られる振動成分が高次モード光に対するＷＧＭに起因することを本発明者は見出した。
多くの場合、カットオフ波長測定の際に被測定光ファイバを巻くマンドレルの径は８０ｍｍφ〜２８０ｍｍφであって比較的大きい。このような場合、被測定光ファイバの屈折率の変化点における入射角（反射角）が９０°に近くなるので、フレネルの式から、僅かな屈折率差でも反射成分が大きくなる。このことから、多くの場合、光の反射点は、被測定光ファイバを構成するガラスとコーティング層との界面、または、被測定光ファイバのガラス内の屈折率の不連続点にて発生する。したがって、非特許文献３に記載されているように被測定光ファイバの周囲に屈折率整合材を用いる方法では、反射成分の発生を抑制することができない。
そこで、本実施形態のカットオフ波長測定方法は、以下のような第１〜第４のステップを備えた上で、被測定光ファイバを用いてパワースペクトルＰ２(λ)を測定する第２ステップにおいては長手方向に曲率が変化する形状に被測定光ファイバを位置決めして測定を行う。
第１ステップでは、光源から出力される光のパワースペクトルＰ１(λ)［ｄＢ］を測定する。図３（ａ）に示されるように、マルチモード光ファイバ１１，１３，１２を順に光学的に接続して、光源２１から出力された光をマルチモード光ファイバ１１の入射端に入射させ、マルチモード光ファイバ１１，１３，１２を伝搬してマルチモード光ファイバ１２から出射される光をパワーメータ２２により測定する。
第２ステップでは、同一の光源から出力される光を被測定光ファイバの一端に入射させ、被測定光ファイバの他端から出射される光のパワースペクトルＰ２(λ)［ｄＢ］を測定する。図３（ｂ）に示されるように、マルチモード光ファイバ１１，被測定光ファイバ１０およびマルチモード光ファイバ１２を順に光学的に接続して、光源２１から出力された光をマルチモード光ファイバ１１の入射端に入射させ、マルチモード光ファイバ１２から出射される光をパワーメータ２２により測定する。
この第２ステップでは、長手方向に曲率が変化する形状に被測定光ファイバ１０を位置決めして、パワースペクトルＰ２(λ)の測定を行う。この形状としては渦巻き形状であるのが好適である。被測定光ファイバの曲率を変化させる方法として渦巻き形状を選択することで、確実に被測定光ファイバの曲率を長手方向で変化させることができる。
第１ステップおよび第２ステップで用いる光源２１は出力波長が可変である。この光源２１から出力される光の波長λを走査し、各波長において被測定光ファイバ１０から出射される光のパワーをパワーメータ２２により測定する。光源２１の出力波長可変範囲は、被測定光ファイバ１０のカットオフ波長と推定される波長を含む。第１ステップおよび第２ステップのうち何れを先に行ってもよい。
第３ステップでは、第２ステップで測定したパワースペクトルＰ２(λ)から第１ステップで測定したパワースペクトルＰ１(λ)を差し引いて、差分スペクトルＰ(λ)を求める。そして、第４ステップでは、第３ステップで求めた差分スペクトルＰ(λ)に基づいて被測定光ファイバの高次モードのカットオフ波長を求める。
図４は、本実施形態のカットオフ波長測定方法の第３ステップで求めた差分スペクトルＰ(λ)を示す図である。同図は、マンドレルの外周に被測定光ファイバを一定径で巻いて測定を行う比較例の場合の差分スペクトルＰ(λ)をも示す。ここで用いた被測定光ファイバは、図２に示される構造および特性を有するものである。同図に示されるように、比較例の場合には差分スペクトルにＷＧＭに起因する振動成分が見られるのに対して、本実施形態の場合には差分スペクトルに振動成分が殆ど見られない。
本実施形態では、長手方向に曲率が変化する形状に被測定光ファイバを位置決めして測定を行うことにより、長手方向の各位置において振動成分の位相を変化させることができ、それぞれのスペクトルが互いに打消しあうので、振動成分の振幅を減少させることができる。その結果、振動成分の影響を低減して、被測定光ファイバのカットオフ波長を正確に測定することができる。
図５は、本実施形態のカットオフ波長測定方法の第４ステップを説明する図である。同図（ａ）はパワースペクトルＰ１(λ)，Ｐ２(λ)を示し、同図（ｂ）は差分スペクトルＰ(λ)を示す。第４ステップは、以下のような、第１サブステップおよび第２サブステップを含むのが好適である。第１サブステップでは、差分スペクトルＰ(λ)において最小値となる波長から長波長側にある直線領域を求め、該直線領域において差分スペクトルＰ(λ)の直線部分Ａを表す近似式ａλ＋ｂ［ｄＢ］を求める。次に、第２サブステップでは、ａλ＋ｂ＋０.１［ｄＢ］ なる式で表される直線Ｂと差分スペクトルＰ(λ)との交点の波長を被測定光ファイバの高次モードのカットオフ波長λｃとして求める。
次に、第２ステップにおける被測定光ファイバの配置について更に詳細に説明する。パワースペクトルＰ２(λ)を測定する波長範囲で、被測定光ファイバが全長に亘って最低曲率で巻かれたときに得られる差分スペクトルＰ(λ)minの振動波形が、被測定光ファイバが全長に亘って最大曲率で巻かれたときに得られる差分スペクトルＰ(λ)maxの振動波形に対して１／２周期以上ずれるように、被測定光ファイバを位置決めするのが好ましい。このように振動周期が半周期以上変化するように被測定光ファイバの長手方向の曲率分布を調整することで、確実に振動成分の振幅を減少させることができる。振動周期が長手方向でπ以上変化するように被測定光ファイバの配置することが更に望ましい。
このことについて更に詳細に説明すると以下のとおりである。図６に示された光路長差Δφは下記（２）式で表される。ここで、λは波長であり、Ｌは漏洩光の光路長であり、βはＬＰ１１モードの伝搬定数であり、Ｚはコアを伝搬する光の光路長である。すなわち、振動成分は、ＬおよびＺを定数とした波長λの関数となっている。
Δφ＝２πＬ／λ−βＺ …(1)
ここで、振動成分のピーク波長を決定するΔφは、曲げ径を変化させてＬおよびＺを変化させることで調整することができる。振動成分を抑制して正確なカットオフ波長を測定するための被測定光ファイバ配置の決定は、以下のステップにより実現できる。まず、カットオフ波長と推定される波長（以下「推定カットオフ波長」という。）においてΔφと曲げ径との関係を計算する。次に、推定カットオフ波長におけるΔφを被測定光ファイバの入射端から出射端までの少なくとも一部においてπ以上変化するように、被測定光ファイバの配置を決定する。
好適な被測定光ファイバの配置の一例として、被測定光ファイバを渦巻き状に配置すると良い。図２に示される構造および特性を有する被測定光ファイバを、図３（ｂ）に示されるように渦巻き形状に位置決めした場合、その被測定光ファイバの長手方向の各位置（ｘ,ｙ）は下記（１）式で表すことができる。
ｘ＝ａ(θ＋θ０)cosθ[ｍｍ] …(2a)
ｙ＝ａ(θ＋θ０)sinθ[ｍｍ] …(2b)
図６は、曲率を有する被測定光ファイバにおいてコアを導波するＬＰ１１モードおよびガラス／コーティングで反射したＷＧＭそれぞれの光路を説明する図である。式（2a）、（2b）においてθ０＝２π、ａ＝１ となるように渦巻状に被測定光ファイバを配置した場合、コアを導波するＬＰ１１モードの光路長Ｚとガラス／コーティングで反射したＷＧＭとの光路長Ｌを図６より幾何的に計算し、式（1）代入することでΔΦを求めた結果、被測定ファイバの長手方向でΔΦは約π変化した。このとき振動成分の強度を従来の測定方法に比べ１／５以下と十分に抑制することができた。この様に、渦巻き形状を選択することでΔΦの長手方向の変化を予測することが可能となり、適切な配置を決定することができる。また、上記でΔΦが約πになる様に決定したθ０＝２π、ａ＝１の値は被測定光ファイバの径や屈折率構造により変化するので、被測定光ファイバの状態により渦巻きの形状を適宜変更することが好ましい。但し、必ずしも正確な渦巻き状に配置する必要はなく、ΔΦが長手方向で１/２周期変化する様にできる配置であれば何れでも構わない。
また、推定カットオフ波長において上記Δφをπ以上変化させる際に、同時に振動成分のピーク波長の波長間隔が変化する。この場合も、推定カットオフ波長においてΔφをπ以上変化させることで、振動成分を抑制することができる。より簡単には、推定カットオフ波長における振幅が一度以上正負に反転するように被測定光ファイバの渦巻き形状を決定すれば良い。ここで、推定カットオフ波長は、±５０ｎｍ程度までであれば実測値と異なっていてもかまわない。
また、第２ステップにおいて、被測定光ファイバを導波するＬＰ１１モード光のカットオフ波長における曲げ損失が０.１ｄＢ以下となるように、被測定光ファイバを位置決めするのが望ましい。カットオフ波長の定義は、ＬＰ１１モードの損失が１９.３ｄＢとなる波長とされる。第２ステップで与えた曲率によって被測定光ファイバのＬＰ１１モードのカットオフ波長における曲げ損失が０.１ｄＢ以上となると、そのＬＰ１１モードの損失が本来のＬＰ１１モードの損失に上乗せされるので、カットオフ波長測定誤差の原因となる。このことから、被測定光ファイバを導波するＬＰ１１モード光のカットオフ波長における曲げ損失が０.１ｄＢ以下とされるのが好ましい。
図７は、被測定光ファイバの曲げ損失の波長依存性を示すグラフである。ここでは、図２に示される構造および特性を有する被測定光ファイバを、図３（ｂ）に示されるように渦巻き形状に位置決めし、そのときの上記（１）式中のパラメータについてはθ０＝２π、ａ＝１ とした。このように、Δφを長手方向に十分に変化させつつ、長手方向の曲率の変化による余剰な曲げ損失を発生させない配置とすることで、正確なカットオフ波長を測定することができる。
また、第２ステップにおいて、被測定光ファイバで発生する高次モード光の曲げ損失が０.１ｄＢ以下となるように、被測定光ファイバを位置決めするのが望ましい。これにより、高次モード光が減衰を開始する波長に変化を与えることなくカットオフ波長を測定することができる。
非特許文献４に記載されているような曲げ損失を小さく保つ工夫をした低曲げ損失光ファイバでは、高次モードの損失の波長依存性が小さくなる場合がある。このような場合、特に高次モードの干渉が大きくなり振動成分が大きくなることがあるので、本実施形態のカットオフ波長測定方法によりカットオフ波長を測定するのが好適である。特にトレンチ型の屈折率分布を有し波長１５５０ｎｍにおける曲率半径７.５ｍｍでの曲げ損失が０.５ｄＢ／turn以下となるように設計された光ファイバでは、高次モードがカットオフ波長付近で漏洩モードとなり、高次モードの損失の波長依存性が小さくなり易いので、本実施形態のカットオフ波長測定方法を特に好適に用いることができる。更に波長１５５０ｎｍにおける曲率半径７.５ｍｍでの曲げ損失が０.０８ｄＢ／turn以下となるように設計された光ファイバでは、高次モードがカットオフ波長付近で漏洩モードとなり、高次モードの損失の波長依存性がより小さくなり易いので、本実施形態のカットオフ波長測定方法を特に好適に用いることができる。
１０…被測定光ファイバ、１１〜１３…マルチモード光ファイバ、２１…光源、２２…パワーメータ。

Claims (5)

  1. 被測定光ファイバの高次モードのカットオフ波長を測定する方法であって、
    光源から出力される光のパワースペクトルＰ１(λ)［ｄＢ］を測定する第１ステップと、
    長手方向に曲率が変化する形状として渦巻き形状に前記被測定光ファイバを位置決めして、前記光源から出力される光を前記被測定光ファイバの一端に入射させ、前記被測定光ファイバの他端から出射される光のパワースペクトルＰ２(λ)［ｄＢ］を測定する第２ステップと、
    前記第２ステップで測定したパワースペクトルＰ２(λ)と前記第１ステップで測定したパワースペクトルＰ１(λ)との差を表す差分スペクトルＰ(λ)を求める第３ステップと、
    前記第３ステップで求めた差分スペクトルＰ(λ)に基づいて前記被測定光ファイバの高次モードのカットオフ波長を求める第４ステップと、
    を備えることを特徴とするカットオフ波長測定方法。
  2. 前記第４ステップは、
    前記差分スペクトルＰ(λ)において最小値となる波長から長波長側にある直線領域を求め、該直線領域において前記差分スペクトルＰ(λ)の直線部分を表す近似式ａλ＋ｂ［ｄＢ］を求める第１サブステップと、
    ａλ＋ｂ＋０.１［ｄＢ］ なる式で表される直線と前記差分スペクトルＰ(λ)との交点の波長を前記被測定光ファイバの高次モードのカットオフ波長として求める第２サブステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１に記載のカットオフ波長測定方法。
  3. 前記第２ステップにおいて、パワースペクトルＰ２(λ)を測定する波長範囲で、前記被測定光ファイバが全長に亘って最低曲率で巻かれたときに得られる差分スペクトルＰ(λ)minの振動波形が、前記被測定光ファイバが全長に亘って最大曲率で巻かれたときに得られる差分スペクトルＰ(λ)maxの振動波形に対して１／２周期以上ずれるように、前記被測定光ファイバを位置決めする、
    ことを特徴とする請求項１に記載のカットオフ波長測定方法。
  4. 前記第２ステップにおいて、前記被測定光ファイバを導波するＬＰ１１モード光のカットオフ波長における曲げ損失が０.１ｄＢ以下となるように、前記被測定光ファイバを位置決めする、
    ことを特徴とする請求項１に記載のカットオフ波長測定方法。
  5. 波長１５５０ｎｍにおける曲率半径７.５ｍｍでの曲げ損失が０.５ｄＢ／turn以下である光ファイバを前記被測定光ファイバとする、
    ことを特徴とする請求項１に記載のカットオフ波長測定方法。
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