JPS61139728A - 光光ビームに対応する電磁界の横モーメントを測定するための方法と装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は光学的測定のための方法と装置に関するもので
ｌ）、元ビームに対応する′ＩＬａ界の横モーメントを
測定するための方法と装置を提供する。

本発明の適用分野としては元ファイバーのスポットサイ
ズ評価、すなわちこのような７アイパーの近傍または遠
隔の出力電磁界の２次モーメントの測定があるが、これ
に限定されるものではない。

従来の技術 元ビームの電磁界の一般Ｋ　ｎ　′ｖ＜モーメン）（ｎ
は正の型数）は次式で表わされる。

但し、Ｒｒ）は軸からｒの距離にある近傍電磁界ま几は
遠隔１ｒＩｌａ界のビーム強度である。

更に詳しくは、２次モーメントの平方根Ｗ０、すなわち
ビームの電磁界（または好ましい応用では元ファイバー
の出力の電磁界）の空間分布の自乗平均値がビームのス
ポットサイズを表わす。

Ｗｏを知ることは電磁界の幾何学的寸法を知る上で重要
である。これによりビームの絞りくついての情報とビー
ム内の電力分布についての情報が得られる。

光ファイバーの特定の場合（本発明は主としてこの領域
に応用するため開発されてきたので以後との場合につい
て説明する）Ｋは、スポットサイズのデータからファイ
バー内の伝搬と接合損失についての情報が得られる。こ
のような情報は電気通信システムで光ファイバーを使う
ときに不可欠である。更に詳しくは、近傍電磁界、遠隔
電磁界両方のスＩットナイ）ｅｗｏは単一モードのファ
イバーの性質を４！ｆ微づける。このよ５な７アイパー
に対して、接合損失および曲げ損失、ならびに小さな曲
げくよるケーブル損失はこれらの／４ｙメータから求め
ることができる。波長によるスポットサイズの変化が第
１高次モードのカットオフ波長と７アイパーの分散を表
わす。

光ファイバーのスポットサイズの測定に対して多数の異
なる手法が提案されてきた。

その中の７つの手法は集積光学系と元ファイバー通信に
ついての第≠回国際会議で発表された山内、村山らの論
文［非円形コアを有する単一モード・ファイバーのスポ
ットサイズ」に説明されている（　Ｒ，Ｙａｍａｕａｈ
ｉ、　Ｔ、　Ｍｕｒａｙａｍａ、　Ｙ、　Ｋｌｋｕｅｈ
ｉ。

Ｙ、Ｓｕｇａｗａｒａ　ａｎｄ　Ｋ、　Ｉｎａｄａ、　
”８ｐｏｔ−８ｌｚｓｓ　ｏｆＳｉｎｇｌｅ　Ｍｏｄｅ
　Ｆｉｂｒ＠ｓ　Ｗｉｔｈ　ａ　Ｎｏｎｅｉｒｅｕｌａ
ｒ　Ｃｏｒｅ”ｐｒ＠ｓ＠ｎｔ−ａｄ　ａｔ　ｔｈｅ　
Ｆｏｕｒｔｈ　ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｔｅ
ｒｒａｎｅｅ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　０ｐｔｉ
ｃｓ　ａｎｄ　０ｐｔｉＣａｌＦ１％ｂｒｅ　Ｃｏｍｍ
ｕｎｌｃａｔｌｏｎ、　１００Ｃ”１３．　Ｔｏｋｙｏ
、　Ｊａｐａｎ。

２７−３０　Ｊｕｎｓ　／９１３．Ｐａｐｓｒ　２１人
２−３．　　ｐａｇｅｓ３りａｎｄ　ｆｆ、　）。この
方法では、近傍磁界強度走査（よりファイバー出力での
Ｉの値を判定した後、口＝−として式（１）を直接適用
することによりスポットサイズが得られる。この方法を
使って何次のモーメントでも測定することができる。積
分区間は無限大まで伸びているが、ビーム軸力為らある
距離を超えると強度Ｉが測定雑音によってマスクされる
ので、この方法で得られた値に著しい誤差が生じること
があり得る。更に、半径方向の走査が本来複雑である。

他の方法では、■を表わす関数に対してガウス分布を仮
定し、ｆシス電磁界の仮定が満足される場合にのみ有効
な式によってスポットサイズに相関し得る量を測定する
。このような方法の例はエレクトロニクス・レターズ誌
所載のシー・ニー・ミラーの論文「多重モード・ファイ
バーに対する等価ステップインデックスのｆｅｒフィル
を判定する直接法Ｊ　（Ｃ，Ａ、Ｍｆｌｌａｒ、　”Ｄ
ｆｒｅｃｔ　Ｍｔｓｔｈｏｄ　ｏｆＤｅｔｅｒｍｉｎｉ
ｎｇ　Ｅｑｕｌｖａｌｅｎｔ−８ｔｅｐ−１ｎｄｅｘ　
Ｐｒｏｆｆｌ＠ｇｆｏｒ　Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ　Ｆｌｂ
ｒｅｓ’、　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｓｒｇ
＋Ｍｏ１．　１７　、　Ｎｏ、　／３．２Ｊ−Ｊｕｎｅ
　１５’♂ムＩ）ｆｌ−ｌ／ＬＪ″♂ａｎｄ　ｆｆ、　
）およびエレクトロニクス・レターズ誌所載のエフ・ア
ラートらの論文「単一モード光７アイバーに於ける基本
モードのスポットサイズ測定Ｊ　（Ｆ、　Ａｌａｒｄ、
　Ｌ、　Ｊｅｕｎｈｏｍｍｅ、　Ｐａ　５ａｎｓｏｎｅ
ｔｔｆ。

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌａｔｔｅｒｓ、　Ｙｏｌ、
　／　７　＊　Ｎｏ、　、２ｊ　ｐ　／　ＯＤｅｃｅｍ
ｂ＠ｒ　／り１／　、　ｐｐ、りｊ　Ｉ　ａｎｄ　ｔｔ
　−）　ｏがシス電磁界の仮定があてはまるのは非常に
％別の場合だけなので、これらの方法釦よって得られる
測定結果は本質的に不安定で、定量化が難しい。

発明の目的と構成 これらの欠点を解消するため、本願発明者らはビーム強
度の半径方向の走査が必要な複雑な測定、積分の数値計
算、電磁界分布に対する近似仮説の適用のいずれも必要
とせずＫ、任意次数、特にスポットサイズの横モーメン
トを正確に判定できる方法を提供しようとした。

本願発明者らの出発点は、光ビームの通常の測定では発
生源から放出された信号が変調され、測定計器は変調周
波数に等しい周波数の電気信号成分だけを抽出するとい
うことであった。

更〈詳しく述べれば、本願発明者らの検討によってビー
ム・モーメントは変調された信号の適当な走査によって
得られた周期的信号の高調波によってきまることが明ら
かとなった。

方法および装置の具体的な特徴は特許請求の範囲第１項
および第９項から明らかとなる。方法および装置く対す
る好ましい特徴はそれぞれ特許請求の範囲第２項乃至第
６項および第ｒ項乃至第１２項に記載されている。

実施例 図面で電気的接続は太い線で表わされている。

第１図に於いて、光源／からの光は適当な光学系、２（
たとえば対物レンズ）によって７アイパー３の入力端に
集光される。出力面を含む７アイパ一終端部３＆は装置
≠の上にのせられている。装置弘はこれをその軸に対し
て直角方向に振動させる。

装置≠は電気音響変換器ｉ友は圧電気装置とすることが
でき、ファイバー終端部の運動に望ましい周波数の発振
器／３に接続されている。

このような周波数は測定電子系の特徴に応じて、たとえ
ば数十Ｗｍｚから数千ＭＨ２の範囲になり得る。

ファイバー３を出た光は第２の光学系よによって集めら
れる。第２の光学系ｊはスクリーン乙に７アイパ一出力
面の画像を形成する。スクリーン乙には振動方向Ｘと伝
搬方向２に垂直に縦スリット７が設けられている。ファ
イバー３の振動にょシ画僚も同じ周波数で振動するので
、スリット７は時々刻々画像の違う部分を選択する。ス
リット７を通過した光はもうｌっの光学系♂によって１
光検出器りを焦点として集光される。

光検出器の出力信号はノ々ルス状の周期的信号であり、
その周波数は発振周波数に等しく、形状は電磁界分布に
よってきまる。このような出力信号はサンプラー１０に
与えられる。サンプラー１０は偶数パルスを消去するよ
うに上記出力信号の周期の２倍に等しい時間間隔で、／
４ルス継続時間に等しい時間の間、上記出力信号をサン
プリングする。このような回路はたとえば直列に置かれ
よアナログ・スイッチを制御する入力インピーダンスの
高い単安定マルチバイブレータで構成することができる
。回路１０を出た信号は後述するように電磁界モーメン
トで、きまる、信号の種々のスペクトル成分を通出する
スペクトル・アナライザ１１または他の同等の装置に送
られる。計算システム７．２はこのようなモーメントの
値、更に詳しくはスポット・サイズを計算する。

光学系ｊをなくすことにより、すなわちファイバー３を
出たビームを直接スクリーン６に集光することにより、
上述の装置を遠隔電磁界モーメントの測定に使うことが
できる。

次に本発明の基礎となる数学的関係について説明する。

簡単のため、ビームは半径方向に対称であるものとする
。

ファイバー終端部が法則ｘ　＝　Ａ−虐ωＴ（ω＝２π
ｆ）に従って振動する場合、ファイバーから出る放射光
の（場合により近傍電磁界または遠隔電磁界（於ゆる）
強度をＩ　（ｘ　＊　ｙ　）、２１７ツト幅を！で表わ
せば、スリット７から出る放射光線強度は次式で表わさ
れる（ｌが比較的小さい場合、良好な近似となる）。

光検出器りから送出される信号はＶ（ｔ）　＝ＫＩ’（
ｘ）＝Ｋｌ’（Ａｇｆｎωｔ）で表わされる。ここでＫ
は比例定数である。

Ｉは半径方向に対称であるので、関数１’（ｘ）は明ら
かに偶関数であり、信号Ｖ（ｔ）は次の７一リエ級数で
表わすことができる。

係数ｖｎは次の式で表わされる。

Ｔ＝＝２〒／ωは信号Ｖ（ｔ）の周期である。

式（３）の分子の積分は−Ｔ／４とＶ４との間で計算さ
れる。装置１０が存在するため−Ｔ１２と−Ｔ／４との
間およびＶ４とＴ１２との間の区間ではｖ（ｔ）は零と
なるからである。

式（３）の分母を計算し、橿盆変数上から空間変数玉に
変えることにより、ｖｌ　、　Ｖ３に対して次の関係が
得られる。

容易に次の関係が得られる。

そしてＸ　＋　１の２つの方向での電磁界分布が同じで
あるということを考慮に入れると、 ここで＜ｒ２＞　＝　ｆ　Ｉ　（ｒ）　ｒ２ｄｒ／　ｆ
Ｉ　（ｒ　）ｄｒである。

これらの関係からＸとｙにｒｃｏｓφ　とｒｓｔｎφ　
という値を代入することによって式（１）で表わされた
最も一般的な場合に対して有効な関係が直ちに得られる
。値（ｒ　＞からＷｏが直ちに得られる。

高次モーメントを得るため、３次高調波より高次のＶ（
ｔ）の高ｔａ波を検討しなけれにならない。更に詳しく
は、弘次モーメントを得るためｖ５を判定しなけれはな
らない。ｖ５は次式のように＜Ｘ　＞によってきまる。

これから次の関係が得られる。

ｘ　＝　ｒ　ｃａｓφを考慮に入れると、容易に＜ｒ４
〉””　８／３　＜ｘ４＞であることがわかる。

上記の装置で測定を行なうため、スリット７が近傍また
は遠隔の！磁界画像の中心になるように配置される。次
に発振器／３を動作させる。スリットに対して画像が移
動し、スリットの選択し念部分が光検出器によって集光
され、回路１０を介してスペクトル・アナライプ１１に
与えられる。

スペクトル・アナライプはＭｌ　、Ｖ３　、Ｖ５の値を
送出する。上記の値から、計算システムには上記の式を
適用してスポット・サイズと他の任意の所望モーメント
の値を求める。

これまでの説明は発明を限定しない列として述べたに過
ぎず、発明の範囲を逸脱せずに変形や変更を加え得るこ
とは明らかである。更に詳しくは、振動装置弘をファイ
バー３の終端部と結合するかわ夛にスクリーン６と結合
することができる。近傍電磁界測定の場合は、装置≠を
円筒状レンズ／４ｔ（第２図）と結合し、このレン、ｅ
ｉｔｉｔをファイバー３とスクリーンとの間に配置して
、直径が基本的にスリット７０幅に対応するビームを通
させるようにしてもよい。このレンズは元ファイバー導
管で構成することができる。

測定装置の一変形では第３図に示すようにスペクトル・
アナライプをロックイン増幅器／Ｊ−に置き換えること
ができる。このような増幅器はその動作のため、値を計
算しているＶ（ｔ）の高調波と同じ周波数の信号を必要
とする。この場合、発振器／３は周波数Ｎ／　（Ｎは被
測定モーメントの最高次数）の発振器／４に置き換えら
れる。発振器／６に結合された適当な分周ａ１７は周波
数ｆ、３ｆ、、３″ｆ・・・・・・・・・・・・の信号
を送出する。スイッチ／♂によって増幅器ｌ！に測定に
必要な信号を供給することができる。注目すべきことは
第３図に示すスクリーン乙の構成は遠隔電磁界測定に必
要なものであシ、スクリーン乙に変換器弘が結合されて
いることである。

更に、光源／から放出されたビームを振動運動の周波数
の半分に等しい周波数の方形波で変調することにより、
検出器りの出力として運動の周波数の半分の周波数で発
生する・臂ルスから成る周期的信号が直接得られる。し
たがってサンプラー１０を除去することができる。

ファイバーを通らないビームの測定については、スクリ
ーン６または光学系ｊが光源／から放出された光を直接
集光する。

【図面の簡単な説明】

第１図はファイバーから送出されるビームについて測定
を行なうための本発明による装置を示す。 第２図および第３図は２つの代案の部分図である。 符号の説明 ／・・・光源、λ・・・第１の光学系、３・・・７アイ
バー、３ａ・・・７アイパ一終端部、≠・・・振動装量
、！・・・第２の光学系、乙・・・スクリーン、７・・
・スリット、？・・・第３の光学系、り・・・光検出器
、１０・・・サングラ−１１１・・・スペクトル・アナ
ライプ、／λ・・・計算システム、／３・・・発振器、
ｌμ・・・円筒状レンズ、１５・・・増幅器、／乙・・
・周波数Ｎｆの発振器、１７・・分周器、／ｒ・・・ス
イッチ。

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ビームに対応する電磁界の横モーメントの測定
   方法に於いて、 上記ビームはビーム伝搬方向に垂直なスリット（７）を
   介して通るようにされ； ビームの走査はスリット（７）を介して行なわれ、スリ
   ットに垂直で且つビームの伝搬方向に垂直な方向（Ｘ）
   にビームとスリットとの間の相対的な振動運動を発生し
   ； 周波数が振動運動の周波数の半分に等しく、振幅と形状
   がスリットを通過したビーム部分の強度分布によってき
   まるパルスで構成された周期的電気信号を発生し； 周期的信号をそのスペクトル成分に分割し；このような
   成分の振幅値を測定し； 測定した振幅値からモーメント値を求める；ことを特徴
   とする光ビームに対応する電磁界の横モーメントの測定
   方法。
2. （２）上記光ビームが、スポット・サイズを測定しなけ
   ればならない単一モードの光ファイバー（３）が送出す
   るビームであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の方法。
3. （３）軸がスリットに平行で、基本的にスリット幅に対
   応する直径のビームを送出する円筒状レンズ（１４）に
   よって、上記光ビームがスリット（７）に送出されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項のい
   ずれかに記載の方法。
4. （４）ファイバー（３）の終端部（３ａ）をその軸と直
   角な方向に振動させることにより、上記振動運動を得る
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項のい
   ずれか１項に記載の方法。
5. （５）ビームの伝搬方向に垂直な面内にあってスリット
   （７）を含むスクリーン（６）を振動させることによっ
   て、上記振動を得ることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項乃至第３項のいずれか１項に記載の方法。
6. （６）上記円筒状レンズ（１４）を振動させることによ
   って上記振動運動を得ることを特徴とする特許請求の範
   囲第３項記載の方法。
7. （７）まず最初に振動運動の周波数に等しい周波数で生
   じるパルスで構成された中間の周期的信号を発生し、次
   に上記中間信号を上記信号の周期の２倍に等しい時間間
   隔で、そしてパルス継続時間に等しい時間の間サンプリ
   ングすることにより、上記周期的信号を得ることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか１項
   に記載の方法。
8. （８）振動運動の周波数の半分に等しい周波数の方形波
   で光ビームを変調することにより、上記周期的信号を得
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第６項の
   いずれか１項に記載の方法。
9. （９）光ビームの発生源（１）、光ビームを電気信号に
   変換するための手段（９）、および計算システム（１２
   ）を含む光ビームに対応する電磁界の横モーメントの測
   定装置に於いて、更に ビームの伝搬方向と直角な方向に設けられ、且つスリッ
   ト（７）をそなえたスクリーン（６）と；スリット（７
   ）と光ビームとの間の相対振動運動を発生するための手
   段（４、１３；４、１６、１７）と； 周波数が振動運動の周波数の半分に等しく、且つ形状と
   振幅がスリットを通過したビーム部分の電磁界分布によ
   ってきまるパルスで構成された周期的信号を、上記変換
   手段（９）の出力において発生するための手段と； 周期的信号をそのスペクトル成分に分割し、上記成分の
   振幅値を、該振幅値からモーメント値を求める計算シス
   テム（１２）に送出するための手段（１１、１５）； とを含む事を特徴とする光ビームに対応する電磁界の横
   モーメントの測定装置。
10. （１０）光ビーム発生源（１）とスクリーン（６）との
    間に単一モードの光ファイバー（３）が配置され、周期
    的信号を分割するための手段（１１）は、基本波成分と
    第３次高調波成分の振幅値を計算システム（１２）に供
    給し、計算システム（１２）は、このような値からファ
    イバー（３）より放出するビームのスポット・サイズを
    求めることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の装
    置。
11. （１１）軸がスリット（７）と平行になっている円筒状
    レンズ（１４）がスクリーン（６）の手前に配置され、
    そして基本的にスリット幅に対応する直径のビームをス
    リット（７）に送出する事を特徴とする特許請求の範囲
    第９項または第１０項のいずれかに記載の装置。
12. （１２）上記振動運動を発生する手段（４、１３；４、
    １６、１７）がファイバー（３）と結合され、そしてそ
    の軸に対して直角方向にファイバー終端部（３ａ）を振
    動させる事を特徴とする特許請求の範囲第９項または第
    １０項のいずれかに記載の装置。
13. （１３）振動運動を発生する手段（４、１３；４、１６
    、１７）がスクリーン（６）と結合される事を特徴とす
    る特許請求の範囲第９項乃至第１１項のいずれか１項に
    記載の装置。
14. （１４）振動運動を発生する手段（４、１３；４、１６
    、１７）が円筒状レンズ（１４）と結合され、そしてス
    クリーン（６）と平行な平面内でその軸と直角な方向に
    円筒状レンズを振動させる事を特徴とする特許請求の範
    囲第１１項記載の装置。
15. （１５）周期的信号を発生するための手段は変換手段（
    ９）の出力に接続されたサンプラー（１０）を含んでお
    り、振動運動の周期の２倍に等しい時間間隔で且つパル
    ス継続時間に等しい時間の間に、変換手段の出力信号を
    サンプリングする事を特徴とする特許請求の範囲第９項
    乃至第１４項のいずれか１項に記載の装置。
16. （１６）周期的信号を発生するための手段に、上記ビー
    ムを変調するため光ビームの発生源（１）に結合された
    振動運動の周波数の半分の周波数の方形波発生源が含ま
    れている事を特徴とする特許請求の範囲第９項乃至第１
    ４項のいずれか１項に記載の装置。