JPH0781908B2 - 光ビームが有する電磁場の強度分布の横モーメントを測定するための装置 - Google Patents

光ビームが有する電磁場の強度分布の横モーメントを測定するための装置

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JPH0781908B2
JPH0781908B2 JP59232549A JP23254984A JPH0781908B2 JP H0781908 B2 JPH0781908 B2 JP H0781908B2 JP 59232549 A JP59232549 A JP 59232549A JP 23254984 A JP23254984 A JP 23254984A JP H0781908 B2 JPH0781908 B2 JP H0781908B2
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クセルト セントロ・ステユデイ・エ・ラボラトリ・テレコミニカチオーニ・エツセ・ピー・アー
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    • G01M11/33—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter being disposed at one fibre or waveguide end-face, and a light receiver at the other end-face
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R29/0892—Details related to signal analysis or treatment; presenting results, e.g. displays; measuring specific signal features other than field strength, e.g. polarisation, field modes, phase, envelope, maximum value

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光学的測定装置に関し、光ビームが有する電磁
場の強度分布の横モーメントを測定する装置を提供す
る。本発明は必らずしもこれに限るものではないが、光
ファイバのスポット径の評価、すなわちこのようなファ
イバの近傍場または遠方場の二次元モーメントの測定に
好ましく適用することができる。
光ビームの電磁場のｎ次元モーメント（ｎは正の整数）
は極座標中で次式： （式中、Ｉは電磁場の空間強度、ｑおよびφは原点をビ
ーム軸とする横極座標であって;qは半径（ニアフィール
ド）または角座標（ファーフィールドについて）となり
得る。）によって与えられることが知られている。
さらに詳述すれば、二次元モーメントの平方根W0、すな
わちビーム電磁場（または好ましい用途においては、光
ファイバの出力における場）の空間分布の平均平方根は
ビームスポット径を表わす。
W0を知ることが場の幾何学的形状を知るために重要であ
り、これがビームの視準およびビーム中の出力分布につ
いての情報を与える。
光ファイバの特定の場合においては（本発明は主として
この分野での適用のために開発されたものであるので、
以下これについて説明する）、スポット径についての知
識がファイバ内部の伝播特性および接続損失についての
情報を与え、この情報は光ファイバを遠隔通信系に用い
る際に不可欠である。さらに詳述すれば、ニアーフィー
ルド及びファーフィールドの双方中のスポット径は単一
モードファイバを特徴付け、実際接続および屈曲損失お
よび微小屈曲によるケーブル損失はこれらのパラメータ
から得ることができる。波長に対するスポット径の変化
は第一の高次モードのカットオフ波長及び導波管分散を
与える。
光ファイバにおけるスポット径の測定については多くの
異なった技術が提案されている。
それらの中の一つは集積光学装置および光ファイバ通信
についての第４回国際学会に発表された論文「非円形コ
アを有する単一モードファイバのスポット径」（IOOC日
本、東京、1983年７月27〜30日、論文28A2−３、39頁以
降）においてR.ヤマウチ、T.ヤマムラ、Y.キクチ、Y.ス
ガワラおよびK.イナダによって述べられている。この方
法によれば、スポット径はファイバの出力端におけるＩ
の値をニアーフィールド強度の走査により得、次いで式
（１）を（ｎ＝２）直接適用することによって得られ
る。この方法は任意の次元の測定モーメントに対して用
いられる。
積分区間は無限であるがビーム軸からのある定められた
距離を越えると強度が測定ノイズによってマスクされる
ので、この方法では計算値に大きな誤差が導入されるこ
とがある。さらに径方向の走査はそれ自体の複雑であ
る。
他の方法によれば、Ｉを表わす関数についてガウス分布
が仮定され、スポット径に対して式によって相関付けら
れる量が測定されるが、これはガウスの場の仮定が満足
されるときだけ有効である。このような方法の例はエレ
クトロニクスレターズ（Electronics letters）第17
巻、第13号（1981年７月25日）458頁以降中のC.A.ミラ
ー（Miller）の論文「多重モードファイバの等価−ステ
ップ−インデックス形状の直接決定方法」ならびにエレ
クトロニクスレターズ第17巻、第25号（1981年12月10
日）、958頁以降中のP.サンソネッチ（Sansonetti）の
論文「単一モード光ファイバ中の基本モードスポット径
測定」中において述べられている。
ガウスの場の仮定は極めて特定の場合にしか適用されな
いのでこれらの方法によって得られる測定は量子化の困
難な固有の精度の不充分さをもたらす。
これらの欠点を解消するために、本発明者等は前記式
（１）を直接適用することにより、強度の横方向の走
査、積分の数値計算または場の分布についての近似的な
仮定を必要とする複雑な測定を必要としない任意の次元
の横方向度数分布モーメント、特にスポット径の正確な
決定を可能にする方法を提案する。
この方法は一般的なｎ次元モーメントの決定のために、
光ビーム出力の二つの連続的な測定が為され、第一の測
定は直接測定とし、他方の測定は、ビームの横方向座標
のｎ次元出力に比例する係数によって、電磁場の横方向
分布を空間的に変調することにより、第一の測定と同様
なビーム放出条件下で行ない：そしてこのような測定の
間の比からモーメントを得ることを特徴とする。
実際にはビーム出力の直接の測定は式（１）の分母に対
応し、qnに比例する係数によって径方向に変調された同
じ出力の測定によって式（１）の分子が与えられる。
Mnおよび／またはW0の値は二つの測定から容易に得られ
る。
ビームと同軸であり、そしてqnに比例する透過度を有す
る適当なマスクまたは空間フィルタが、この空間変調の
ために用いられる。これは方位角に対称的なマスク（た
とえばその透過度が中心で零であり、縁部で最大になる
グレイ分布）によって得られた。
場の強度が方位角に対称的な場合（単一モードファイバ
の場合のように）には、完全に不透明および完全に透明
な領域のみからなるが方位角に対称的でないマスクを用
いて、より簡単な手段による方法が得られ：より詳細に
は、マスクは中心部で不透明であり、そして任意の無限
小環に沿って二つの面の間の比が、マスク上の環の半径
のｎ次元出力に比例するようにして中心からの距離にと
もなって透明な部分の表面が増大しそして不透明な部分
の表面が減少する。たとえば円形マスクを仮定すると、
不透明な部分（必要に応じて一つまたはそれ以上の部
分）はマスクの中心に原点を有しかつマスクの縁部の適
宜な点で終端するφ＝krn（φは方位座標、ｒはマスク
平面上のビームにおける横座標ｑの射影、そしてｋは定
数）の種類の渦巻線の円弧及びかかる点を通る半径によ
って夫々規定することができる。不透明な領域の対を前
記の半径によって好ましく結合させることができる。
近傍場のモーメントを測定する為には、マスクは画像面
中に位置されるべきである。
本発明の構成について述べれば、本発明は、光ビームに
関連する電磁場の次元数ｎの横方向モーメントの各々を
測定する装置において、 （イ）所定の波長の光ビームを発する手段を有し、 （ロ）測定すべきニアフィールドのスポット径を有する
光ファイバトランクの入力を励起させるために、前記光
ビームの通路に第一集光手段を備え、 （ハ）前記光ファイバトランクの出力端から出る光ビー
ムを集め、該光ファイバトランクの前記出力端の映像
を、該光ビームの軸に沿って配置された映像平面上に集
束させるための第二集光手段が、前記光ファイバトラン
クの出力端から出た前記光ビームの通路に配置されてお
り、 （ニ）外縁部および中心を有するマスクが前記光ビーム
の通路上の映像平面上に、前記の軸と同軸的に着脱自在
に配置されており、該マスクは前記光ビームを空間的に
調節するためのものであり、該マスクは少なくとも１つ
の不透明域を有し、該不透明域は該マスクの中心から始
まって該マスクの前記縁部上の或場所で終わる区域であ
り、該不透明域は該中心から該縁部まで続いている連続
状態の曲線によってその境界が画定されており、その極
座標における式はφ＝krnであり（ｒは半径、ｎは測定
すべき横モーメントの次元数に対応する半径のべき、ｋ
は比例係数、φは前記半径の角度である）、該不透明域
は前記マスクの面積の一部のみを占め、そして少なくと
も１つの透明域が前記マスクの面積の残りの部分を占
め、中心からの距離が増大するにつれて不透明域の面積
は減少しそして透明域の面積は増大し、前記中心と同軸
の無限小の環に沿って、当該無限小の環の半径に関連す
るマスク面上に照射された光線ビームの横座標の値がｑ
であるときに、前記不透明域と透明域との面積比がqnに
比例するという関係があり、該比は共通の横座標の値ｑ
を有する前記マスクのすべての場所において一意的であ
り、 （ホ）前記透明域を通過して前記マスクを出る前記光ビ
ームの通路上に設けられた第三集光手段を有し、該第三
集光手段は映像平面上の光出力を光検知器に移行させる
ために使用され、該光検知器は、該光検知器に到達した
光出力を電気信号に変える機能を有し、 （ヘ）前記光検知器に接続された測定手段を有し、該測
定手段は、前記光ビームの通路の前記マスクを介して前
記の光検出器で検出された光出力と、前記マスクを介さ
ずに前記の光検出器で検出された光出力との比を算出す
る機能を有し、この比は前記の横方向のモーメントの値
の大小を示す目安として利用でき、しかして前記マスク
は、幾何学的に葉に類似の形をした少なくとも２つの不
透明域を有し、その各々は、該マスクの中心から縁部に
のびる前記曲線によってその境界が画定されたものであ
ることを特徴とする、光ビームに関連する電磁場の横方
向モーメントの測定装置に関するものである。
以下本発明は添付の図面を参照することによりさらに明
らかにされる。
第１図について説明すると、適当な波長を有する光源１
からの光がレンズ２によって図式的に示される光学系に
よって集光され、そしてその近傍場のスポット径が測定
される光ファイバトランク３の入力を励起する。ファイ
バ３から出た光はレンズ４によって図式的に表わされる
第二の光学系によって集光され、該光学系はファイバ出
力端面の画像を画像面上に形成する。必要によっては画
像は拡大される。
このような画像面には空間フィルタ５のための支持体
（図示せず）が置かれる。フィルタ５はファイバ３から
出る電磁場のニアーフィールド強度を、ビーム軸からの
距離の二乗に比例する係数で変調する。支持体は、マス
ク５をファイバから出るビームの径路に沿ってこの径路
と同軸的に容易に挿入し、そしてまたこのマスクを径路
それ自体から容易に除去できるようにする。さらに、こ
れはマスクそれ自体を適当な位置におくために必要なこ
ととして、マスクをビームの伝播の方向に直角な二つの
方向に移動させるようにする。
次いで映像平面に存在する光出力は、たとえば第三の光
学系６によって、測定および計算システム８に結合され
た光検知器７に移行される。スポット系を得るために、
ファイバ３によって伝送される出力についての二つの連
続する測定が必要であり、一方はファイバ３から出るビ
ームの軌道に沿って同軸的に挿入されるマスク５によっ
て行なわれそして他方はマスク５によらずに行なわれ
る。これら二つの出力の値は前記式（１）の分子および
分母に対応する。
測定装置８は、これら二つの測定について光検知器７に
よって供給される電気的信号の強度を検知し、そしてこ
れら二つの値の間の比の平方根を計算する。実際のスポ
ット径は、光学系４によって導入される倍率およびマス
クの寸法の双方を考慮に入れたメートル係数により、前
記の比を乗算することによって得られる。このようなメ
ートル係数は基本的にはマスク５の大きさおよび光学系
４によって生ずる倍率の間の比によって与えられる。
略々同じ装置が、ファーフィールド中のスポット径を測
定するために、更に用いられ得る。この場合、形成され
るべき画像は無いので、レンズ４は挿入される必要がな
い。そしてマスク５は、ファーフィールド区域におい
て、ビームと同軸的に挿入されるべきである。
マスク５の可能な具体例が、これもニアーフィールドの
スポット径測定の場合について、第２図〜７図に示され
ている。
第２図においては、マスク５は、半径10bおよび円板の
中心Ａに原点を有しそして半径10bが終端するのと同じ
円板の縁部の同一点Ｂで終端する族φ＝kr2の渦巻線
（フエルマットの渦巻線）10aによって形成される透明
領域９および不透明領域10を有する円板である。これら
二つの領域のために用いられる材料が測定に使用される
波長によることは明らかであり、光ファイバについての
測定の場合には、マスク５はその上に透過性のない金属
層が蒸着された石英の円板であってもよく、この層は所
望のエッジ形状を有している。
第３図中のマスク５はそれぞれが前記形式の渦巻線から
なる円弧11a,12aおよび半径11b,12bによって画定される
二つの同一の不透明な部分11,12を与える円板であり、
そして半径11bおよび円弧12a（または半径12bおよび円
弧11a）によって画定されるその他の部分21,22は透明で
ある。ラセン状円弧は円板の中心Ａに原点を有し、そし
て半径11b,12bが終端するのと同一の点Ｄ、Ｅにおいて
円板５の縁部で終端する。各不透明な部分11,12の形状
は点ＡおよびＣの間に形成されるラセン状円弧およびセ
グメントACによって画定される第２図の不透明な領域10
の一部分の形状に対応する。
部分11,12は第３図に示すように、分離されている代り
に半径に沿って結合されていてもよい。したがって第４
図に示す不透明な領域13が得られ、この領域は中心Ａに
原点を有しそして縁部の同一の点Ｆで終端する二つのラ
セン円弧13a,13bによって画定される領域である。円板
の残りの部分23はこれに対して透明である。
ビームに対して同軸的なマスクの配列を容易なものとす
るために、第５図ないし第７図のようなマスクをつくる
ことができる。マスクは、円弧AHおよびセグメントAHに
よって定義される第２図の不透明な領域の部分と同形
の、四つ不透明な部分14,15,16,17を備えている。これ
ら四つの部分は別々であってもよく（第５図に示すよう
に）、あるいはそれらの中の二つを半径に沿って結合さ
せることにより（第６図）三つの不透明な領域18,18′,
18″を形成させてもよく、またはさらにそれらを二つづ
つ結合させて（第７図）二つの不透明な領域19,20およ
び二つの透明な領域を有するマスクを形成してもよい。
この形式のマスクによれば、容易に考えられるように、
それが光検知器の出力信号を極大にするという事実によ
って、同軸的な位置が容易に認識される。
一般に方位角に対称的でないマスクを用いることがで
き、このマスクは一つまたはそれ以上の完全に不透明な
部分および一つまたはそれ以上の完全に透明な部分を、
任意の無限小環に沿って、透明および不透明な部分の表
面の間の比が環径の二乗に比例するようにして、含んで
いる。多数の不透明な部分を有するマスクを用いるとき
には、それらの数は、各部分の形状が適当な精度を維持
するために、そして中心における重なり合いが余りに大
きくなりすぎないように、充分に小さなものでなければ
ならない。
マスク５の大きさは、マスクの縁部における場の強さが
無視できるときに得られるものについて、ファイバから
でる光ビームの正確な空間変調を得るようなものとする
べきである。たとえば、ニアーフィールドに使用する為
に、４μｍのスポット径（この値は単一モード光ファイ
バの典型的なものである）および50倍の拡大率の場合に
は、マスクの半径は約1mmのオーダーと為し得る。ファ
ーフィールドの使用の為には、更に大きなマスクが使用
され得て、その結果製作上の問題は生じない。
以上スポット径の測定について述べたことは、任意の次
数ｎのモーメントの測定に、そのまま適用することがで
きる。この場合においては不透明なマスク部分を画定す
る円弧がφ＝krnの形式の渦巻線の円弧となることは明
らかである。
一般的な光ビームの測定の場合には、このビームは適当
な光学系によって、マスク支持体の面上を直接横断す
る。ビームに関連する電磁場の分布が方位角に対称的で
ないときには、第２図ないし７図に示した不透明および
透明部分を有するマスクを用いることはできず、透明度
がqnに比例する場合には、中心部の透過度が零で縁部で
の透過度が最大であるグレイ分布の様な方位角に対称的
なマスクが必要である。
【図面の簡単な説明】
第１図は光ファイバのニアーフィールドのスポット径を
測定する特定の場合における方法を実施するための装置
を示し、そして第２図ないし第７図はビームの径方向の
分布についての空間変調のためのマスクを示す。 １……光源、2,4,6……光学系、３……ファイバ、５…
…マスク、７……光検知器、８……測定装置、9,21,22,
23……透明な領域、10,11,12,13,14,15,16,17,18,18′,
18″,19,20……不透明な領域、10a,11a,12a,13a,14a…
…円弧。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ピエトロ・デイ・ヴイタ イタリア国トリノ、チ・ソ・フランチア 357 (72)発明者 ウンベルト・ロツシイ イタリア国トリノ、ヴイア・ヴオルヴエラ 14 (56)参考文献 特開 昭49−104690（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−139032（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−213206（ＪＰ，Ａ) 特公 昭57−15692（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光ビームが有する電磁場の強度分布の次元
    数ｎの横モーメントを測定する装置であって、 （イ）所定の波長の光ビームを発するための手段、 （ロ）測定すべきニアフィールドのスポット径を有する
    光ファイバトランクの入力を励起するために、前記光ビ
    ームの通路に配置された第一集光手段、 （ハ）前記光ファイバトランクの出力端から出る光ビー
    ムを集め、該光ファイバトランクの前記出力端の映像を
    該光ビームの軸に沿って配置された映像平面上で焦点合
    わせするための第二集光手段であって、前記光ファイバ
    トランクの出力端から出た前記光ビームの通路に配置さ
    れた該第二集光手段、 （ニ）外縁部および中心を有し、前記光ビームの通路に
    光ビーム軸と同軸的に着脱自在に配置され、前記映像平
    面上に配置されたときは前記光ビームを空間的に変調す
    るためのマスクであって、 該マスクは少なくとも１つの不透明域を有し、該不透明
    域は該マスクの中心から始まって該マスクの前記縁部上
    の或終端地点までの区域であり、該不透明域は該中心か
    ら該縁部まで延びている連続状態の曲線によってその境
    界が画定され、その曲線の極座標における表式はφ＝kr
    nであり（ここで、ｒはマスク平面上の横座標ｑの射
    影、ｎは測定すべき横モーメントの次元数に対応する半
    径のべき、ｋは比例係数、φは前記半径の角度であ
    る）、 該不透明域は前記マスクの面積の一部のみを占め、そし
    て少なくとも１つの透明域が前記マスクの面積の残りの
    部分を占め、 極座標表示における横座標の値ｑにおける中心と同軸の
    無限小の環に沿っての前記不透明域と透明域との面積比
    は、その無限小の環の透明域がqnに比例するという関係
    を満たすように決められ、中心からの距離が増大するに
    つれて不透明域の面積は減少しそして透明域の面積は増
    大し、該比は共通の横座標の値ｑを有する前記マスク内
    のすべての場所に対してただ一つ特定される、該マス
    ク、 （ホ）前記マスクを出る前記光ビームの通路に配置され
    た第三集光手段であって、映像平面まで到達し前記透明
    域により通過した光パワーを光検知器に送り、該光検知
    器においてこの光検知器に送られた光パワーが電気信号
    に変換される、該第三集光手段、 （ヘ）前記光ビームの通路に前記マスクが配置されたと
    きに前記光検出器で検出したパワー、及びその通路にマ
    スクが配置されてないときに前記光検出器で検出したパ
    ワーの比を求め、前記横モーメントの測定値を導出す
    る、前記光検出器に接続された測定システム、 を含む、該横モーメントを測定する装置。
  2. 【請求項２】前記不透明域の各々が、さらに、前記マス
    クの一つの共通直径における夫々の半径によってその境
    界が画定されている特許請求の範囲第１項記載の測定装
    置。
  3. 【請求項３】前記の複数の不透明域が、前記中心から前
    記縁部上の終端地点にのびている共通の半径に沿って互
    いに接合している特許請求の範囲第１項記載の測定装
    置。
  4. 【請求項４】前記の不透明域の各々が、さらにまた、前
    記中心からその各不透明域の縁部上の終端地点までのび
    ている第２の曲線によってその境界が画定され、この不
    透明域の縁部上の終端地点の各々は直径上の互いに対向
    した縁部上にある、特許請求の範囲第１項に記載の測定
    装置。
  5. 【請求項５】前記のマスクが４つの不透明域を有し、各
    不透明域は該マスク中の夫々の象限内に存在し、そして
    各透明域は、前記の中心から前記縁部上の前記終端地点
    までのびている前記の曲線と、前記の中心から前記終端
    地点までのびている半径とによってその境界が画定され
    たものである特許請求の範囲第１項記載の測定装置。
  6. 【請求項６】前記のマスクはさらに別の不透明域を有
    し、該不透明域は、前記の中心から前記縁部上の共通の
    終端地点までのびている一対の曲線によってその境界が
    画定されたものである特許請求の範囲第１項記載の測定
    装置。
  7. 【請求項７】光ビームが有する電磁場の強度分布の次元
    数ｎの横モーメントを測定する装置であって、 （ａ）所定の波長の光ビームを発するための手段、 （ｂ）測定すべき横モーメントを有する光ファイバトラ
    ンクの入力を励起するために、前記光ビームの通路に配
    置された集光手段、 （ｃ）外縁部および中心を有し、前記光ビームの通路に
    光ビーム軸と同軸的に着脱自在に配置され、前記映像平
    面上に配置されたときは前記光ビームを空間的に変調す
    るためのマスクであって、 該マスクは少なくとも１つの不透明域を有し、該不透明
    域は該マスクの中心から始まって該マスクの前記縁部上
    の或終端地点までの区域であり、該不透明域は該中心か
    ら該縁部まで延びている連続状態の曲線によってその境
    界が画定され、その曲線の極座標における表式はφ＝kr
    nであり（ここで、ｒはマスク平面上の横座標ｑの射
    影、ｎは測定すべき横モーメントの次元数に対応する半
    径のべき、ｋは比例係数、φは前記半径の角度であ
    る）、 該不透明域は前記マスクの面積の一部のみを占め、そし
    て少なくとも１つの透明域が前記マスクの面積の残りの
    部分を占め、 極座標表示における横座標の値ｑにおける中心と同軸の
    無限小の環に沿っての前記不透明域と透明域との面積比
    は、その無限小の環の透明域がqnに比例するという関係
    を満たすように決められ、中心からの距離が増大するに
    つれて不透明域の面積は減少しそして透明域の面積は増
    大し、該比は共通の横座標の値ｑを有する前記マスク内
    のすべての場所に対してただ一つ特定される、該マス
    ク、 （ｄ）前記マスクを出る前記光ビームの通路に配置され
    た更なる集光手段であって、映像平面まで到達し前記透
    明域により通過した光パワーを光検出器に送り、該光検
    知器においてこの光検知器に送られた光パワーが電気信
    号に変換される、該更なる集光手段、 （ｅ）前記光ビームの通路に前記マスクが配置されたと
    きに前記光検出器で検出したパワー、及びその通路にマ
    スクが配置されてないときに前記光検出器で検出したパ
    ワーの比を求め、前記横モーメントの測定値を導出す
    る、前記光検出器に接続された測定システム、 を含む、該横モーメントを測定する装置。
JP59232549A 1983-11-10 1984-11-06 光ビームが有する電磁場の強度分布の横モーメントを測定するための装置 Expired - Lifetime JPH0781908B2 (ja)

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