JP6802173B2 - マルチモードファイバー形状測定などのファイバー測定に使用する装置、システムおよび方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年１１月７日に出願された米国特許出願第６２／０７７，０３６号の利益を主張し、その開示内容はここに参照することにより全体として援用される。

通信リンクには着脱可能なマルチモード光ファイバー相互接続が含まれ、その数は増加している。接続あたりの最大許容減衰量は低下するため、ファイバー形状測定の正確な実施が求められている。商業的に入手可能な機材により伝送ニアフィールド（ＴＮＦ:transmitted near-field）法での測定を行う場合、ファイバーサンプルを再切断するたびに記録されるマルチモードファイバー形状が変動することが認識されている。

本発明の態様は、汎用共焦点顕微鏡におけるファイバー切断角を決定する装置、システムおよび方法に関する。他の態様は、真のクラッド非円形度および見掛け上のファイバーのずれの一貫したやり方で評価するためのモデルを伴う装置、システムおよび方法に関する。

ファイバーコア径および非円形度と、ファイバークラッド径および非円形度と、コア−クラッド同心度と、を含むファイバー形状の測定にはいくつかの方法がある。伝送ニアフィールド法（ＴＮＦ）を用いる方法が知られている。少なくとも２メートルのファイバーサンプルが両端で切断され、一端がＬＥＤで照射され、他端がＣＣＤカメラ検出器により測定される。このアプローチの問題は、再切断後の測定の再現性が低いことである。

本出願では、商業的に入手可能なＴＮＦ装置のカメラ検出器の前でのファイバーのその光軸を中心とした回転およびファイバー形状要素の挙動の観察を可能とする、新たな工具が用いられる。機材が報告するファイバークラッドの非円形度は、ファイバーが光軸を中心に360度回転すると高い回転高調波を有する周期的パターンを示した。ファイバーの非円形度（および方向）と、切断角（および方向）と、検出器に対するファイバーのずれ角度（および方向）と、を考慮して、ファイバーおよびその外周の検出器平面への投影の、形状モデルが作成された。モデルの出力は、検出器平面上に投影される外周の非円形度である。固定された（既知の）方向でのファイバー非円形度の少なくとも６つの測定値への、モデルの（上述の６つのパラメータを入力として用いる）最小二乗法による当てはめを用いて、ユーザは真のファイバー非円形度を出力することができる。この方法により、他のファイバー形状要素の測定の正確性と繰り返し性を改善することができる。ファイバー配置とファイバー切断欠陥の、ファイバー回転法を用いたモデルベースの推定により、ファイバークラッド径および非円形度のより正確な測定が可能となる。これは、コア径および非円形度についても同様に適用可能である。この改善は、こうした装置の製造者にとって興味深いものであろう。さらに、この改善は機材に対するファイバーのずれの測定にも用いることができ、機材を調整することができる。この改善は、ファイバー製造者と、ファイバー部品製造者およびユーザと、にとっても興味深いものである。

有効リンクパワーバジェットとデータレートとの間の関係を示す図であり、データレートの増加に伴い有効リンクパワーバジェットは減少する。 いくつかのサンプルにおいて記録されるコア径の変動を示す図である。 切断されたファイバー端面の側面から見た共焦点測定の例を示す図である。 いくつかのサンプルにおける切断角測定値を示す図である。 方向の関数としてクラッド非円形度の測定値を示す図であり、測定値は方向に依存した繰り返し性を示している。 本発明の態様における、（ａ）切断されたファイバーの透視（側面）図、（ｂ）切断されたファイバーをＴＮＦ検出器から見た図、（ｃ）モデル（線）と切断されたファイバーの測定データ（×印）との間の最小二乗法による当てはめを示す図である。 ファイバーの曲げのＴＮＦ法で測定されるコア径への影響を示すグラフである。 実効クラッド非円形度ゼロ、切断角ゼロ、およびファイバー角度ずれゼロの組み合わせについてモデルにより予測された、（ａ）切断されたファイバーの透視（側面）図、（ｂ）切断されたファイバーをＴＮＦ検出器から見た図、（ｃ）ファイバー方向の関数としてのクラッド非円形度の値を示す図である。 実効クラッド非円形度ゼロ、切断角非ゼロ、およびファイバー角度ずれゼロの組み合わせについてモデルにより予測された、（ａ）切断されたファイバーの透視（側面）図、（ｂ）切断されたファイバーをＴＮＦ検出器から見た図、（ｃ）ファイバー方向の関数としてのクラッド非円形度の値を示す図である。 実効クラッド非円形度ゼロ、切断角非ゼロ、およびファイバー角度ずれ非ゼロの組み合わせについてモデルにより予測された、（ａ）切断されたファイバーの透視（側面）図、（ｂ）切断されたファイバーをＴＮＦ検出器から見た図、（ｃ）ファイバー方向の関数としてのクラッド非円形度の値を示す図である。 実効クラッド非円形度非ゼロ、切断角ゼロ、およびファイバー角度ずれ非ゼロの組み合わせについてモデルにより予測された、（ａ）切断されたファイバーの透視（側面）図、（ｂ）切断されたファイバーをＴＮＦ検出器から見た図、（ｃ）ファイバー方向の関数としてのクラッド非円形度の値を示す図である。 実効クラッド非円形度非ゼロ、切断角非ゼロ、およびファイバー角度ずれ非ゼロの組み合わせについてモデルにより予測された、（ａ）切断されたファイバーの透視（側面）図、（ｂ）切断されたファイバーをＴＮＦ検出器から見た図、（ｃ）ファイバー方向の関数としてのクラッド非円形度の値を示す図である。 ＴＮＦ測定において光ファイバーを保持するクランプおよびファイバー回転工具の例を示す図である。 図１３に示すクランプを異なる視点から見た図である。 図１３に示すファイバー回転工具を異なる視点から見た図である。 ＴＮＦ画像セットアップを模式的に示す図である。 光軸を中心としてファイバーを回転させることで光ファイバーを異なる回転角に向けることを模式的に示す図である。

１．序論
データセンタに展開される光ネットワークでは通常、様々な理由によりマルチモードファイバーが用いられる。これらのファイバーにおける帯域長さ積は年を追って改善され、有効距離での高速データ伝送要求に対応してきている。送信器や受信器といった、これらのマルチモードファイバー用の能動部品の製造技術は、通常はシングルモードファイバー用のものに比べて安い。さらに、減衰、埃または欠陥の観点からの接続時のファイバーのずれへの要求は、通常はシングルモードファイバーの接続に比べて少ない。

増加する帯域への要求に対応するため、ますます多くのマルチモードファイバーリンクが並列に展開され得る。このようなネットワークの基幹を構造化された手法で運用するため、幹線ケーブルは多数のファイバーを含み、例えばマルチファイバープッシュオン（ＭＰＯ:Multi-fiber Push-On）コネクタなどのコネクタで終端処理される。カセットを併用することにより、基幹ケーブル内の個々のファイバーを他のコネクタタイプに経路変更することができ、個々のトランシーバに容易に接続できる。これらの部品により、リンクごとに多重相互接続があっても、全体ネットワークトポロジーを柔軟かつ構造化された手法で構成することができる。

データレートが増加すると、図１に示すように有効リンクパワーバジェットは急速に減少する。伝送距離やリンクごとに多重相互接続を提供する能力を犠牲にすることなく、パワーバジェットに合わせることが求められる。

したがって、コネクタあたりの最大許容減衰量は減少することになる。ファイバーに内在する減衰要因を削減するため、ファイバー形状の要素の許容範囲は、コア径および開口数について、制限されることがある。

コア径の測定方法には、伝送ニアフィールド（ＴＮＦ）法、屈折ニアフィールド（ＲＮＦ:refractive near-field）法および横方向干渉（ＴＩ:transverse interferometric）法が含まれる。後二者の方法は屈折率分布の形状を直接測定することを目的とするところ、１つ目の方法は全モード励振（ＯＦＬ:overfilled launch）を用いて励起されたときにファイバーの端部で近接場（ニアフィールド）を測定する。

ＴＮＦ法は通常、通常はＲＮＦ測定と比較してより手間や時間がかからないため、ファイバー形状測定のための望ましい方法の１つである。ファイバーの外（クラッド）径および非円形度、ファイバーコア径および非円形度、およびコア−クラッド同心度を含むファイバー形状要素が、一度のＴＮＦ測定で取得できる。通常は２メートルのサンプルにおける両端のコーティングが除去された後、ファイバーは両端で切断され、測定装置に挿入される。850nmの発光ダイオード（ＬＥＤ:light emitting diode）がファイバーコアに光を結合し、ファイバーの他端はＣＣＤカメラに投影される。理想的な環境では、照射されたファイバーの端面画像１つで、ファイバー形状要素を決定するに足りる。図１６にＴＮＦ画像セットアップが模式的に示されている。

しかし、ファイバーを再切断すると、ＴＮＦ形状の測定値の出力が変動し得る。このコア径測定値の変動は、容易に数十マイクロメートルに及ぶことがある。新たに測定するたびにファイバーは、突出するファイバーの周囲のコーティングが除去された後に固定具に再配置され、露出したファイバーが再切断される。ファイバー形状装置の標準工具を置き換える機械工具により、ユーザは、光軸を中心にファイバーを回転させることができる。測定方法はファイバーの光軸に対する端面の角度を決定し、工具に対するファイバーの角度ずれを決定する。

記録されるクラッド非円形度は、機材の光軸に対するファイバーの向きに依存する。モデルを用いて、観察されるクラッドの非円形度の変動に、いくつかの要因が働く。円形ファイバーであっても、有限の切断角と、光軸に対する工具の角度ずれ、または、機材のカメラにおける２つの直交座標軸の不適切な較正、またはその両方の組み合わせと、により、クラッドは方向に依存して見掛け上非円形となる。その上、ファイバーが実際には非円形のことがあり、この場合より高い回転角高調波が検出されるようになる。

様々な切断面の測定により、真のクラッド非円形度および機材上の工具の見掛け上のずれ（または機材の誤較正）の一貫した結果が取得される。これらすべての測定値について、ファイバーへの励振は変更されずそのままであった。カメラ側でファイバーを回転させる効果に加えて、記録されるコア径のファイバーにおいて曲げ半径を変更する効果もあり得る。

２．ファイバー形状測定
ファイバーサンプルがＴＮＦ測定装置に配置される。以降のすべての測定において工具とＬＥＤ側の切断面とが触れないように保持しつつ、９つの方向、０度から４５度刻みで３６０度まで、で受信側にて測定が行われた。受信側の１２の切断面について、記録されるコア径の結果を図２に示す。

それぞれの切断面とそれぞれの方向について、ファイバー形状要素が測定された。ＴＮＦコア径は、測定された輪郭に2.5%強度レベルで楕円を当てはめて得られる直径と定義される。そして、非円形度は以下の数１の式で定義される。
ここで、ncは非円形度（non-circularity）を示し、D_maxおよびD_minは当てはめた楕円の長軸および短軸で、D_meanはＴＮＦコア径である。サンプルの測定後、ファイバーは工具の後ろで直接切断されたので、方向の関係を維持しつつ汎用共焦点顕微鏡まで移動することができる。走査の例が図３に示される。切断の開始される前端にとがった形状の欠陥が明らかに見えている。測定された各端面の表面の間を通るように平面が規定された。平面が形状を十分に表していないように見えるかも知れないが、画像が一定の縮尺で表示されているのではないことに留意しなければならない。描画された（顕微鏡の光軸に対して測定された）高低差は、この例では2.5μm未満であり、一方直径は125μmである。既知の（ファイバー軸に対する）回転を伴う少なくとも２回の走査により、切断角および切断面に対する方向と、顕微鏡の光軸に対するファイバーの角度（および方向）と、を区別することができる。４つの方向での走査が行われ、１つの切断角（および方向）およびファイバー−工具のずれ（および方向）となる６つの配列が得られる。これらの結果の平均が、切断角（および方向）の推定に用いられた。切断角の標準偏差は0.05度未満であるが、普段はこれよりよい。顕微鏡に対するファイバー軸のずれは約0.1度だった。

この例で、切断角が1度程度であることがしばしばある。１２のサンプルについて得られた切断角が以下の図４に示される。

サンプル４の切断角は小さく、このサンプルは分析に好適であろう。さらに、図２と図４とを比較すると、切断角と記録されるコア径における変動との間には直接的な関連がないように見える。例えば、サンプル４は、図２のサンプル７に比べて記録されたコア径における変動が小さいわけではない。

切断角測定と同様のやり方で、工具内のファイバーは回転されたが、現在は商業的に入手可能なＴＮＦ測定装置上にある。これに対する動機付けは、もし標準固定具が使用されれば、ファイバーが機材に対しずれることがあり、この判断が難しいということにある。記録されるクラッド非円形度は、固定具内のファイバーの回転について周期的であった。非円形度が小さくても、ファイバーが３回転された以下の図５に示すように、測定値はまさしく繰り返し性を有するものであった。

135度における明らかな異常値を除くと、測定方法は繰り返し性を有するものである。

３．モデルベースのデータ解釈
ファイバークラッドの外周の概要を作成するのに、非円形度および方法についての楕円のパラメータ記述が用いられた。切断角および切断方向は、適切な切断面を取ることで説明される。検出器平面上に切断面を投影することで、カメラに対して角度のずれたファイバーのモデルが作成される。検出器の直交座標軸の２つの拡大係数の設定誤りは見掛け上の非円形度にもつながり得、これは検出器の軸に沿った適切なスケーリングにより説明し得る。しかし、この例では、工具のずれと検出器の較正誤りとの区別を意図しておらず、この例ではユニットスケーリング係数を用いてシステムが較正されたものと推定している。

ファイバーが完全に円形とすると、非ゼロの切断角および工具ずれがあるときには、ファイバーを回転させても、記録されるクラッド非円形度が変動するのみである。これは、図１０（ｃ）に破線で示す曲線のように360度で１周期となる。ファイバーが有限のクラッド非円形度も有している場合、回転角の２倍高調波は、図６（ｃ）の例に示すように、実線の曲線で示すように認識可能となる（図６は、（ａ）切断されたファイバーの透視図（側面図）、（ｂ）ＴＮＦ検出器から切断されたファイバーを見た図、も示している）。

この場合、真のクラッド非円形度は0.16%であることがわかる。最高最低間の振幅は、約2度の工具のずれおよび有限の切断角による。数１の式において非円形度が0.16%のときに方向に依存する直径が125 + 0.10μmとなることを考えると、真のクラッド非円形度はこのアプローチにより一貫して測定可能である。このクラッド非円形度が非常に小さいものであっても、コネクタ製造の観点からは、それがコネクタのフェルールへのファイバーの挿入にあたり問題となる最大寸法となる。

２メートルのファイバーサンプルを機材のレセプタクルに整列するために、ファイバーを曲げなければならないことがある。曲げ半径は、マルチモードファイバーの記録されるコア径に影響を及ぼすことがある。ある実験で、機材上のマーキングに一致する、直径280mmの曲げ直径が、図７の破線で示される。我々は次に、要因２により（by a factor two）弧長を同一に維持したまま、曲げ直径を減少させた。ＴＮＦコア径は曲げ直径が減少するとすぐに減少する。第１段階で、直径は0.3μm減少した。第２段階では、曲げ直径が機材上の内部マーキングよりもまだ大きいにもかかわらず、これは既に１マイクロメートルを超えている。ファイバー形状標準では曲げ直径に言及されていないが、信頼できる測定を行うために考慮すべきものと言える。

マルチモードファイバーが曲げられたとき、高次モードはクラッドに漏れやすく、測定されるニアフィールドパターンに影響する。

見掛け上の（測定された）ファイバー特性のモデルを作成する付加的な例が図８−１２に記載されている。図８−１２のそれぞれには、（ａ）切断されたファイバーの透視（側面）図および（ｂ）ＴＮＦ検出器から切断されたファイバーを見た図が示されている。図８（ｃ）で、モデルにより予測された、ファイバー方向の関数としてのクラッドの見掛け上の非円形度の値が、実効クラッド非円形度ゼロ、切断角ゼロ、ファイバー角度ずれゼロの組み合わせについて示されている。予測されるように、ファイバー方向にかかわらず値はゼロである。

図９（ｃ）で、モデルにより予測された、ファイバー方向の関数としてのクラッドの見掛け上の非円形度の値が、実効クラッド非円形度ゼロ、切断角非ゼロ、ファイバー角度ずれゼロの組み合わせについて示されている。ここでも、ファイバー方向にかかわらず値はゼロである。

図１０（ｃ）で、モデルにより予測された、ファイバー方向の関数としてのクラッドの見掛け上の非円形度の値が、実効クラッド非円形度ゼロ、切断角非ゼロ（この例では20°）およびファイバー角度ずれ非ゼロ（この例では20°）という機材の不完全性の組み合わせについて示されている。見掛け上のクラッド非円形度は、ファイバーの回転ごとに１回の周期を示す。

図１１（ｃ）で、モデルにより予測された、ファイバー方向の関数としてのクラッドの見掛け上の非円形度の値が、実効クラッド非円形度非ゼロ（この例では10%）、切断角ゼロ、ファイバー角度ずれ非ゼロ（この例では20°）の組み合わせについて示されている。見掛け上のクラッド非円形度はより高い高調波変動を示す、すなわち、ファイバーの回転ごとの見掛け上のクラッド非円形度に多重サイクルの変動成分を含む。図１２（ｃ）で、モデルにより予測された、ファイバー方向の関数としての見掛け上のクラッド非円形度の値が、実効クラッド非円形度非ゼロ（この例では10%）、切断角非ゼロ（この例では20°）、ファイバー角度ずれ非ゼロ（この例では20°）の組み合わせについて示されている。図１１で示した例と同様に、見掛け上のクラッド非円形度はより高い高調波変動を示す。

上述の方法は、実効ファイバー特性（例えばクラッドの非円形度）だけでなく、機材の不完全性（例えば切断角およびファイバー角度のずれ）も得ることができることが示された。図６に示す例で、真のクラッド非円形度の0.16%を得るのに加え、この方法では切断角（0.28°)およびファイバー角度のずれ（4°)を得ることができた。この方法で得られるファイバー特性（例えばクラッド非円形度）は、通常は、すべての測定値の単純平均とは異なることも、あわせて示された。例えば、クラッド非円形度の平均値はおよそ0.26であるが、真のクラッド非円形度は約0.16である。

４．結論
商業的に入手可能なＴＮＦ測定装置による一連の実験を通して、記録されるコア径における変動の様々な要因が明らかとなった。これは、ファイバーサンプルが再切断を受けたときに最も顕著となる。さらに、ファイバーが回転されたときに、記録されるクラッド非円形度が周期的に変動することが観察された。モデルを用いて、ユーザは真のクラッド非円形度に加えて、機材上でのファイバーのずれも、一貫した方法で測定することができる。さらに、ファイバーの曲げは記録されるＴＮＦコア径に影響があることが見出された。

図１３−１５は、ファイバーの測定中にファイバーの回転を可能とする工具の例を示す。Ａは既知のＴＮＦ装置に付属する標準的なクランプである。これにはファイバーを配列するＶ溝ブロックＢが設けられ、２つのバネによってＶ溝ブロックが機械的止め具に押しつけられ、ファイバーがＶ溝内で固定される。つまみＣにより、Ｖ溝ブロックを機械的止め具から取りはずすことができ、クランプからファイバーを挿入（または取り外し）することができる。この標準的な工具は装置のＬＥＤ側に用いることができ、ここで光がファイバー内に結合される。

図１３および図１４は、装置のカメラ側に用いることのできる回転ツールの例Ｄを示す。これらの図は、フェルールを含むアルミニウムブロックＥを示す。円形セラミックフェルールの端面がブロックの前端に見えている。ブロックは、ファイバーを保持しユーザがファイバーを回転可能とする機械部品も含む。ファイバーはフェルールの狭い孔の中に納められるため、ファイバーの突出部分はその軸を中心に回転できるのみである。ファイバーはこのようにしてフェルールの孔の中で回転する。背面図は回転を可能にする部分Ｆを示す。ここでは、ファイバーの向きを追跡可能とするマーキングが示されている。アルミニウムブロック自体は、このように、測定の間を通して触れないで保持される。標準工具のように、これは機材への磁力固定を備える。ファイバーを回転させる部分のマーキングにより方向の追跡が可能となっているものの、検出器のカメラ画像からクラッドの外形上の小さくても顕著な欠陥または汚れの向きを追跡することも可能である。ファイバーに回転のみを許可する、Ｖ溝器具を含む他の器具が使用されてもよい。

ツールの例Ｄのフェルールは、ＳＣコネクタのような光ファイバコネクタに使用されるフェルールに類似、または同一のものである。

このようにして、本発明の光ファイバーの不完全性の効率的で正確な測定および数量化方法が達成される。本発明の精神および範囲から離れることなく多くの発明の実施形態を作成できるため、発明は添付の請求項の中に存在する。

Claims (8)

1. 光ファイバーを検査する方法であって、
   切断端面を生成するために前記光ファイバーを切断する工程と、
   前記切断端面から出てくる光信号を測定することにより、光学検査機材を用いて、ファイバー軸を有する前記光ファイバーにおいて、測定に基づいて回転角の関数として特性の測定値を示す複数のデータ点を生成するために、該ファイバー軸を中心とした該光ファイバーの複数の回転角において、光ファイバーの特性の値を測定する工程と、
   前記特性を第１可変パラメータとして有し、第２可変パラメータとして前記光学検査機材に関連する計器量を有する前記光ファイバーのモデルを作成する工程であって、該計器量は、前記光ファイバーと前記光学検査機材との間の角度調整の値を含み、前記切断端面と前記光ファイバーの前記ファイバー軸との間の角度を第３可変パラメータとして有する、行程と、
   前記モデルから、前記特性の期待測定値および前記回転角と、前記第１、第２および第３可変パラメータとの間の関数関係を生成する工程と、
   １つ以上の所定の基準に従って前記関数関係を前記データ点に当てはめるために前記第１、第２および第３可変パラメータを変更する工程と、
   前記当てはめに基づいて、前記特性の値、前記光ファイバーと前記光学検査機材との間の角度調整の値、および、前記切断端面と前記光ファイバーの前記ファイバー軸との間の角度を決定する工程と、
   を備える、方法。
2. 前記関数関係を前記データ点に当てはめるために前記第１、第２および第３可変パラメータを変更する工程は、前記関数関係と前記データ点との間の相違の数学的ノルムを最小化する工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記数学的ノルムを最小化する工程は、前記データ点に対し前記関数関係の最小二乗法による当てはめを行う工程を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記光ファイバーの特性を測定する工程は、ファイバーコア径または非円形度、ファイバークラッド径または非円形度、もしくはコア−クラッド同心度を測定する工程を含む、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記光ファイバーの特性を測定する工程は、ファイバーコア径または非円形度、ファイバークラッド径または非円形度、もしくはコア−クラッド同心度を測定する工程を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記光ファイバーの特性を測定する工程は、前記光ファイバーの内部から前記切断端面を照射する工程と、前記切断端面の画像を形成する工程を含む、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記切断端面の画像を形成する工程は、伝送ニアフィールド顕微鏡検査を用いる工程を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記光ファイバーの特性の値を決定する工程は、前記特性の測定値の回転角に対する変動が、前記回転角よりも短い周期で変動する要因を含む場合に、前記値を非ゼロと決定する工程を含む、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。