JPS59501800A - 光フアイバの屈折率分布決定のための方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光ファイバの屈折率分布決定のだめの方法と装置技術分野 本発明は一般に光ファイバの試験のための方法と装置、特に通信用光導波路とし て用いられるタイプの光ファイバの屈折率分布決定のだめの方法と装置に関する 。

発明の背景 現在通信用光導波路として用いられている光ファイバは、１つまたはそれ以上の クラッド層に包まれだガラスのシリンダ状コアを有し、そのコアを光パルスが伝 搬する。種々の光線や種々のモードのパルスはコアとクララ　ドとの境界に沿っ て前後に反射することによりコア内で異なった光路をたどるため、コアを伝搬中 にパルス長が伸び、従って帯域幅が制限される。これが生ずるのを防ぐために、 この目的に使用されるファイバはコアの軸からコアの外周にかけて径方向に変化 する屈折率分布をコアが持つように製造される。理想的にはコア内の屈折率分布 はすべてのパルス光線が横方向の光路長の変化に関係なく同一の軸方向速度でフ ァイバに沿って伝搬し得るようなものであるべきである。実際にはファイバ製造 中にコアの最適屈折率分布からの多少のずれが生ずる。従って、製造者はそのよ うな変化が一定の制限内にとどまっていることを確認するためこの分布をモニタ ーしなければならない。

光導波路の屈折率分布を解析するためにいくつがの方法が開発されて来た。初期 のものであるが、恐らく最も正確な方法の１つにスラブ法として知られているも のがある。これは綿密で退屈で時間を要するファイバ試料の準備を含んでおり、 これによると薄片がファイバから切り出され両端面は高度に平坦かつ平行となる ように研磨される。試料は次に干渉顕微鏡によって調べられるが、顕微鏡視野の 通常は真直ぐで平行な干渉縞をコア領域（でおいて変位させる空間内の物体とし て作用する。干渉縞の変位又は偏位はコアおよびクラッドの径方向諸領域内の屈 折率の差に比例する。

以後、分布決定には非破壊法が用いられている。そのうちのいくつかは、フンタ ーとシュライダー（Ｈｕｎｔｅｒ。

５ｃｈｒｅｉｄｅｒ　）による次のタイトルの論文１不均−屈折率試験体に対す るマツハーツエーンダー干渉計データ処理法（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ　Ｉｎ ｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ　Ｄａｔａ　ＲｅｄｕｃｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ　ｆｏ ｒ　Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｌｙ　Ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ　Ｔｅ５ｔ　０ｂ ｊｅｃｔｓ）アプライド　オプティックス、１４巻、第３号（３月１９７５　） 　（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ、　１４．　Ａ　３　（Ｍａｒｃｈ １９７５）　）　マーヒツク、ホーとニブシュタイン（Ｍａ　ｒ　ｈ　ｉ　ｃ。

Ｈｏ、　Ｅｐｓ　ｔｅ　ｉｎ）による次のタイトルの論文５クラツド光フアイバ の非破壊屈折率分布測定（Ｎｏｎ−ＤｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＲｅｆｒａｃｔｉｖ ｅ−Ｉｎｄｅｘ　Ｐｒｏｆｉｌｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＋　ｏｆ　Ｃ１ａｄ Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒｓ）　”　アプライド　フイシックスレターズ、２ ６巻（１９７５）　（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　、Ｌｅｔｔｅｒｓ。

Ｖｏｌ、　２６．　（１９７５））　、コクダンとイガ（Ｋｏｋｕｂｕｎ、　Ｉ ｇａ）による次のタイトルの論文ゝゝ非破壊干渉法による光ファイバの屈折率分 布の精密測定（Ｐｒｅｃｉｓｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｉｎｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅＲｅ ｆｒａｃｔｉｖｅ　Ｉｎｄｅｘ　Ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｆｉ ｂｅｒｓ　ｂｙ　ａヨンズ　オブ　ジ　アイイージーイー　オブ　ジャパン、Ｅ ６０巻、第１２号（１２月、１９７７）　（Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　 ｔｈｅＩＥＣＥ　ｏｆ　Ｊａｐａｎ、Ｖｏｌ、　Ｅ６０．Ａｌ１　（Ｄｅｃｅｍ ｂｅｒ　１９７７）　）に公開されている。ここに記述した方法は干渉写真を形 成する際横方向の光照射を用いるもので、精度に限界があり、例えば放物型分布 のように分布の種類が既知であるようなファイバに対して応用できるに過ぎない 。干渉写真から屈折率分布を得ることも複雑である。これらの方法の精度も又モ ードの数が増加すると低下する。

ここに述べた制約の結果、ニアフィールド走査法として知られているより簡単で 迅速な光導波路の屈折率分布測定法が開発され、それはスレイダン、ペインおよ びアダムス（Ｓｌａｄｅｎ、　Ｐａｙｎｅ、　Ａｄａｒｎｓ）　によるアプライ ド　フィジックス　レターズ、２８巻、第５号、２５５ページ（３月１９７６） 　（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ、　２８．Ａ ｉ、　５゜ｐａｇｅ　２５５　（Ｍａｒｃｈ　１９７６）　）に掲載された論文 に説明されている。この方法では、短ファイバを光照射し、分布はファイバ出力 面にわたる光強度変化の観測から決定される。しかしこの方法は漏洩モード、っ まシファイバを伝搬中にクラッドから部分的に反射されたりクラッドへ部分的に 屈折される光線の存在による精度の制約があり、その寄与は正確には計算できな い。この制約を克服するだめに更に別の屈折ニアフィールド法として知られてい る方法が考案され、これは総合光学及び光通信に関する会議の論文集、日本（１ ９７７）　（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ’　ｔｈｅＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　 ｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　０ｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　ＯｐｔｉｃａｌＣｏｍｍ ｕｎｉｃａｔｉｏｎ、　Ｊａｐａｎ（１９７７）　）に掲載されたダブリュ。

シエイ・スチュアート（Ｗ　Ｊ、　Ｓ　ｔ　ｅｗａ　ｒ　ｔ　）による次のタイ トルの論文気グレーディッド光ファイバの屈折率分布測定の新方法（Ａ　Ｎｅｗ 　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅＲｅｆｒａｃｔｉ ｖｅ　Ｉｎｄｅｘ　Ｐｒｏｆｉｌｅｓ　ｏｆ　Ｇｒａｄｅｄ　０ｐｔｉｃａｌ　 Ｆｉｂｅｒｓ）“に記述されている。この方法は比較的簡単で、クラッドも含め た全ファイバにわたって屈折率分布を直接導出する。ファイバの寸法、コアの中 心位置、楕円率および開口数が決定される。−貫して良好な分解能が維持され、 かつ単一モード及び多モードの両方が解析される。分布測定のオリジナルなニア フィールド走査法に対して、更に最近開発された屈折ニアフィールド法は反射よ りもむしろ屈折されてファイバコアに捕捉されない光を使用する点ですぐれてい る。この方法によると、ファイバ開口数よりかなり大きい開口数を持つレンズが ファイバの平坦な端面に光線を集束させファイバーの直径にわだって集束点を走 査させる。ファイバの端部は光が周囲に逃げられるように清浄されている。光の 一部はファイバを導かれていくが残りのファイバ端部で屈折された光はファイバ 外の中空の円錐として放射する。この中空円錐の内部はさらに漏洩モード、つま りファイバクラッドとの衝突で部分的に屈折されたり部分的に反射される光を含 んでいるが、光の円錐内の全放射パワーに対するその寄与を評価することは困難 である。しかしこのより新しい方法を用いると円錐内にシールド又はディスクを 置くことによって、漏洩モードが放射される円錐の内部領域に於る純粋に反射さ れるモードと同様に漏洩モードがディスクの背後に設置された光検出器に到達す ることを防ぐことで漏洩モードを取り除くことは可能である。この方法の更に詳 細な説明は１９７９年３月に光学及び量子エレクトロニクス（Ｏｐｔｉｃａｌ　 ａｎｄ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）の出版物で発表されたケー ・アイ・ホワイト（Ｋ、　１．　ｗｈｉ　ｔ　ｅ　）による次のタイトルの論文 １屈折ニアフイールド法による光ファイバの屈折率分布測定（Ｒｅｆｒａｃｔｉ ｖｅ　Ｉｎｄｅｘ　ＰｒｏｆｉｌｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　０ｐｔｉｃ ａｌ　Ｆｉｂｅｒｓ　ｂｙ　ｔｈｅ　ＲｅｆｒａｃｔｅｄＮｅａｒ　Ｆｉｅｌｄ 　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）“を参照することで得られる。

光検出器への入射光から屈折率Ｘ−Ｙ分布関数の指数値であるアルファ（α）が 決定される方法もこの論文を参照することで得られる。

しかし、屈折ニアフィールド法も未だある実際的な問題から自由ではない。例え ば、ファイバの一端を走査ビームと軸合わせをするためにはファイバの他端から 光を入射させることでファイバの端面を照射することが有用である。しかしこれ を行なうにはファイバはかなりの長さを持たねばならず、また照明源に至るまで に上述のディスクやシールドを経由しなければならない。しかし長いファイバを 用いるとクラッドは一端から他端へ光を通さずしたがってそれは照明されない。

ディスク自体の必要性やその正確な軸合わせも不利な点である。更に長いファイ バの他端に光を入射させることでクラッドは照明されずこのことはファイバブレ ークの特性つまりその平坦の程度を調べることを困難にする。もしディスクの必 要性を取り除きレンズ系やファイバ設置を簡単にするような新しい方法と装置が 考案されるならば、またそれがクラッドとコア両方が照明されるように短かい試 料ファイバを用いることができるようなものであれば、この技術における著しい 進展が実現されるであろう。本発明が第１に１指しているのはそのような方法と 装置を供する発明の１つの実施形態に於て光ファイバの屈折率分布決定方法は、 自身内に通路を有する光検出器に近接してファイバ端を設置する工程、およびフ ァイバ端部を通過して一部は通路の周囲の光検出器上に、一部は光検出器の通路 を通過する光線によるファイバ端の径方向走査の工程より成る。ファイバの屈折 率分布は、光線がファイバ端を径方向に走査する際光検出器によって感知される 光のパワに直接比例して導出される。

発明の別の実施形態に於て光ファイバの屈折率分布決定に使用される装置は、自 身内に通路を持つ光検出器、光検出器に近接してファイバ端を設置する手段、お よびファイバ端上で集束され、一部は通路の周囲の光検出器上に、一部は通路を 通過する光線にファイバ端部を通過させる手段より成り、従ってファイバ端から 円錐状に光線が発散する際、光線のより内側部分で放゛射している光の漏洩モー ドは光検出器に衝突せずむしろ通過してしまう。

第１図は本発明の原理を利用して光ファイバの屈折率分布を測定するだめのシス テムの概要図である：第２図は第１図で概要が描かれた装置の一部の断面図さて 更に詳細に図面について言及すると、第１図には光ファイバの屈折率分布を測定 するシステムが示されており、コヒーレントな光を作り反射を最小にするだめの ４分の１波長板１２を通して入射させるＨｅ　−Ｎｅレーザ１０、ピンホール板 １６上のピンホール内に光線を集束させる２０倍対物レンズ１４を含む。コリメ ーティンクレンズ１８が次に集光し、ビームスプリッタ２ｏ上へ光口数０．５の レンズ２４を通り、走査ステージ２８内の通路２６を通りファイバ端４０上へ向 けられる。ここからビームの一部はファイバに入射し、他の部分はビームスプリ ッタを通してライツブイアフェルト（ＬｅｉｔｚＤｉａｖｅｒｔ　）顕微鏡等の 通常の顕微鏡２２へと反射される。

８ 図面の第２図について述べると、走査ステージ２８上に設置されたタンクを満た している屈折率マツチングオイル媒質３０内にファイバ端４０が浸されるように ファイバが設置されていることが理解される。なるべく、オイルの屈折率はファ イバクラッドの屈折率よりわずかに高い方がよい。タンク３１はキャップ３４を 持ち、その中央部３２は透明でそこを通ってファイバホルダー３６がキャップに シールされて延びている。タンクは、やはり中央部３９が透明でそれに対して浸 されたファイバ端４０が設置されるように形成された底面３８を有する。

ここからファイバは円板形の光検出器４２の中央を通って延びる通路４７を通っ て上方へ、普通の白色光源４８から放出される他の光線４６内にあるファイバの 他端４５まで延びている。最後にシステムはヒユーレット−パラカード　タイプ モデルナンバー９８２５　（Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ　ｔｙｐｅ　Ｍｏ ｄｅｌＡ　９８２５　）　等の計算機からの大刀信号に応じて矢印５０で示され るように漸増運動によって走査ステージ２８をステップさせるためド使用される タイプ（Ｌｅｉｔｚ　）走査ステージモーター等のモーターＭを含む。光検出器 ４２がらの出力信号は増幅器５２を通して、理想的な分布形との比較のためにデ ータ点を収集、蓄積する上記計算機へ伝送される。導出された分布は計算機に連 結したｘ−ｙプロッタ上に光検出器からの出方に直接比例する形で記録される。

実際には試料ファイバはダイヤモンド型スコーリング切断工具によって切断され た端４０を有するように準備される。次に試料はホルダ３６、タンク３１上に配 置されたキャップ３４内に設置され、ファイバはタンクの床３８の透明な領域３ ９と接するまで挿入される。白色光源４８を点灯すると顕微鏡２２の視野に於て 、αパラメータ型の屈折率分布における軸方向のディップのために典型的には軸 が暗点として現れてファイバ端４０が観測される。レーザ１０を始動させて、フ ァイバホルダの影を中心に置くことで光検出器がファイバ上方に中心配置点反射 がファイバ端の像と重ね合わせられて顕微鏡を通して観測される。　レーザ点は ファイバ軸上に中心を持つように配置され、それからファイバ径に沿ってオイル ３０の領域内でファイバ周縁を越える位置まで移動される。計算機が次に作動し 、レーザ点がファイバ端に対してその径にわたって移動できるようにモーターＭ がファイバをステップさせると光伝導体からの出力レベルがプロットされる。こ の記録法の更に詳細な説明に対しては応用光学、２０巻、第９号、１６４５−１ ６５１ページ（５月１日１９８１　）　（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ、Ｖｏ ｌ、　２０．Ａ　９゜ｐａｇｅｓ１６４５−１６５１　（Ｉ　Ｍａｙ　１９８１ ））に掲載されている±ム・ジエイ・ソーンダース（ｕ　Ｊ、　５ｉｕｎｄｅｒ ｓ）による論文を参照すればよいであろう。走査中は、レーザ光の内側の部分５ ５における漏洩モードは通り抜けて光検出器によって検出されないが、外側の部 分５６は光検出器と衝突する。

上記方法は横方向照射法で計算されたもののそれぞれ３および７チのデルタおよ びアルファ値の平均パーセント差を生ずることが見出されたが、ここでデルタは コアとクラッドの屈折率の差である。この比較はコア直径５０μ、クラッド直径 １２５μの長さ５６ｎの試料ファイバを用いて行なわれた。１μ以下の径の大き さのレーザ点が用いられた。自身内に直径１２ｍの通路を持つ直径２５ｆｉの光 検出器が用いられ、光検出器はキャップ３４から８■の距離に設置され、レンズ ２４によって形成されるリーザ光線の収束角は３０°である。光伝導体の通路の 寸法は、漏洩モードを含む円錐状の内側の領域を収容するのに必要な寸法よりわ ずかに大きく、前述のケ町アイ・ホワイト（Ｋ、　１．　ｗｈ　ｉ　ｔｅ　）の 論文に於て詳述されているようにスネルの法則を応用することで計算される。

ディスクが光伝導体の表面上にある場合ディスクの寸法決定は通路の寸法決定と 同じであろうからこのことは正しい。通路寸法が大きいことは、それによって影 響される比例性に一定の変化をもたらすのみで、走査中の光伝導体の表面積は一 定を維持するから許容し得る。通路がＷｈ　ｉ　ｔ　ｅの解析に従ってすべての 漏洩モードを通過させるためには、それが５ｉｎ２θ＝　η、’　−ηｃ’（ａ ）　＋　ａ　／２Ｎ２　を満たすファイバ端からの角度を見込まなければならず 、ここで１Ｌはオイルの屈折率、η　はクラッドの屈折率、ａはコア半径、αは 前に定義した分布の形状パラメータ、そしてＮはファイバの開口数である。見込 み角はファイバ端、したがってタンク３１からの距離にも依存するため、光伝導 体はそこから適当な距離に設置しなければならない。ｗｈ　ｉ　ｔ　ｅの教示す るところによるとタンク３１の上面からの光伝導体の距離２は表式 から見出され、ここで２゜はオイルの深さ、Ｄは光検出器の通路半径である。

かくして光ファイバの屈折率分布決定に利用される新しい方法と装置がもたらさ れたことが理解される。しかし、上記実施例は発明の原理を１つの望ましい形で 示したに過ぎないことを理解しておくべきである。勿論それに対して、以下の請 求の範囲で示すような発明の精神と範囲から逸脱することなく多くの改良、付加 、削除を加えることは可能である。

浄書（内容に変更なし） 手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示 ＰＣＴ／ＵＳ８３１０１４１０ ２、発明の名称 光ファイバの屈折率分布決定のための 方法と装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　称　ウェスターン　エレクトリック　カムパニー。

インコーホレーテッド ４、代理人

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　自身内に通路を持つ光検出器に近接してファイバ端を設置する工程、ファ イバ端部を通過して一部は通路の周囲の光検出器上に、一部は光検出器の通路を 通過する光線によるファイバ端の径方向走査の工程、及び光線がファイバ端を径 方向に走査する際、光検出器によって感知される光のパワに直接比例するファイ バの屈折率分布の導出の工程 を特徴とする 光ファイバの屈折率分布決定方法。 ２、　請求の範囲第１項に於て、ファイバの屈折率分布決定に使用される光ファ イバの光透過特性を表示する光の入射方法で、自身内に通路を持つ光検出器に近 接してファイバ端を設置する工程、および、ファイバ端上に集束され、一部は通 路の周囲の光検出器上に、一部は通路を通過し、ファイバ端から円錐状に光線が 発散する際光線のより内側部分で放射している光の漏洩モードが光検出器に衝突 せずむしろ通過するような光線にファイバ端部を通過させる工程より成る入射方 法。 ３、　ファイバは光検出器の通路を通過して延在するように配置され、その場合 ファイバ端はファイバの他端に向けられた第２の光線によってファイバを通して 照明されること を特徴とする 請求の範囲第２項に於る光入射法。 ４、　自身内に通路を持つ光検出器、光検出器に近接してファイバ端を設置する 手段、およびファイバ端上で集束され、一部は通路の周囲の光検出器上に、一部 は通路を通過する光線にファイバ端部を通過させる手段より成る装置で、従って ファイバ端から円錐状に光線が発散する際、光線のより内側部分で放射している 光の漏洩モードは光検出器に衝突せずむしろ通過してしまうこと を特徴とする 請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかの方法に於て光ファイバの屈折率分布 決定に使用される装置。 ５、　ファイバ設置手段はファイバ端が浸される屈折率マツチングオイル液を収 容するタンクを含むことを特徴とする 請求の範囲第４項に於る装置。 ６、　タンクは少なくとも一部透明な底を有し、そこに於てファイバ設置手段が 更に、タンクを支持しタンク底の透明部分がその上部に配置されるような光の通 路を有する走査ステージを含むこと を特徴とする 請求の範囲第５項に於る装置。 ７、　タンクは、少なくともその一部が透明でその透明部を通してファイバ固定 手段が延びているキャップを有すること を特徴とする １４ 請求の範囲第５項又は第６項に於る装置。 １　特表庫９−５０１８００　（２）