JPS62119427A - シングルモ−ド・フアイバのモ−ド・フイ−ルド半径測定のための方法および装置 - 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 本発明は電気通信用光ファイバの特性測定のための方法
と装置に関するものであり、更に詳しくはシングルモー
ド光ファイバのモード・フィールド半径を測定するため
の方法と装置に関するものである。

従来の技術 寸法パラメータはシングルモード光ファイバの特性を記
述するために重要なものである。寸法パラメータにはフ
ァイバの幾何学的／構造的形状（コアとクラッドの半径
、最大開口数等）および伝搬によって左右される性質（
モード・フィールドの寸法および形状）の両方が含まれ
る。前者の性質がファイバ設計の際に基本的に重要であ
ることは明らかであるが、後者の性質（モード・パラメ
ータ）は使用特性を記述する上で特に重要である。何故
なら、後者の性質により、結合損失、マイクロベンディ
ング損失、および結合効率を定めることができるので、
正しい接続寸法にすることができるからである。

このようなモード・パラメータ、特にモード・フィール
ドの半径に対してこれほどまで異なる定義が与えられて
きた。

測定に頻繁に適用される定義によれば、モード・フィー
ルドの半径はニアフィールドの幅とファーフィールドの
幅の自乗平均と定義されている。

ニアフィールド値は角度不整合の場合の結合損失につい
ての情報とマイクロベンディング損失についての情報を
与えるのに対して、ファーフィールド値は横方向オフセ
ットによる結合損失についての情報とガイド分散につい
ての情報を与える。

このような定義を適用すると、ファイバの特性を記述す
るのに２系統の測定、すなわちニアフィールドの測定と
ファーフィールドの測定が必要になる。このため、標準
化を行なう当局はモードフィールドの半径の別の定義を
指向している。これらの定義の中で、ファイバへのパワ
ー結合を最大限にするガウス源の幅Ｗ、が特に関心をひ
く、この定義ではニアフィールド値とファーフィールド
値との良好な妥協である値が得られる。

ファイバと結合されたフィールドをφ（ｒ）（ｒ−半径
座標）で表わし、ソース・フィールドをＧ　（ｒ、　Ｗ
）　−ｅｘｐ　（−ｒ”／２ｗ”）　　（ｗ＝ニガウス
）で表わした場合、値Ｗ１はフィールド重畳積分 を最大にする値であり、次式によって陰間数表示で定義
される。

値Ｗｈの測定方法についてたとえばダブリュー・ティー
・アンダーソンおよびディーツ・エル・フィシン（Ｗｂ
Ｔ、Ａｎｄｅｒｓｏｎ　ａｎｄ　Ｄ、Ｌ、Ｐｈ１ｌｅｎ
）の論文に説明されている（“５ｐｏｔ−３ｉｚｅ　Ｍ
ｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ＦｏｒＳｉｎｇｌｅ　　Ｍｏ
ｄｅ　　Ｆｉｂｅｒｓ−＾　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　　
ｏｆ　　ＦｏｕｒＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’＋　Ｊｏｕｒ
ｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ＋Ｖｏ１．　ＬＴ−１゜Ｎ、　１．　Ｐｌａｔｃｈ
　１９８３＋　ｐｐ、　２０　ａｎｄ　ｆｆ、）。

この論文によれば、被試験ファイバ出力の光ビームのニ
アフィールド強度走査が行なわれ、実験データをより良
く近似する関数Ｇ（ｒ；ｗ）が計算システムによって求
められる。

この公知の方法には次の２つの欠点がある。

工）強度走査はかなり長い動作である。

２）Ｗ、の値を求めるため実験データの複雑な処理が必
要であり、したがってかなり複雑な計算手段が必要にな
る。

発明の目的 本発明の目的はファイバ内に送出された光ビームの光学
的処理に基く方法と装置であって、ビーム走査を必要と
しないので迅速な測定を行なうことができ、また実験デ
ータの複雑な処理を必要としないのであまり複雑でない
ためより安価な計算手段を使うことができるような方法
と装置を提供することである。

発明の構成 本発明によれば、光ビームが被試験光ファイバの中に送
られ、ファイバを出るビームの強度が測定されるシング
ルモード光ファイバのモード・フィールド半径の測定方
法は、半径方向の透過度分布が与えられた幅のガウス曲
線で表わすことができるマスクによる空間濾波を光ビー
ムが受け、上記マスクがビームを変調する事、変調され
たビームの強度がその軸に対して測定される事、空間濾
波効果を変えるようにマスク位置が変えられて、各々の
新しい位置が異なる幅の透過度のガウス分布を有するマ
スクの濾波に対応するようにされる事、被変調ビーム軸
に対する強度測定が幅の値を変えて繰り返される事、お
よび測定された強度の自乗平均とマスク位置によってき
まるパラメータとの積が計算され、この積を最大にする
幅の値をモード・フィールド半径値とする事を特徴とす
る。

変調はファイバに入るビームまたはファイバから出るビ
ームに同じように行なうことができる。

本発明の第１の実施例では、マスク位置はファイバ入力
または出力端に対する距離を変えるようにそれ自身に平
行にマスクを動かすことによってマスク位置が変えられ
、マスク位置によってきまるパラメータが上記距離によ
って表わされる。

マスクは透過度が中心で最大となりヘリで最小となり、
ガウス則に従って変る円形対称なグレイスケールとする
ことができる。

代案として、半径方向の平均透過度がガウス関数となる
ような完全に透明なゾーンと完全に不透明なゾーンのあ
るマスクを使うことができる。

変形実施例では、被変調ビームは平行にされ、ビーム伝
搬方向に対するマスクの傾斜を変えることによりマスク
位置が変えられ、上記パラメータはガウス幅の自乗の逆
数となる。この場合にも、マスクは角度がどうであって
もガウス分布を維持するようなグレー・スケール、また
は角度がどうであっても円周に沿った平均透過度がガウ
ス関数となるような完全に不透明なゾーンと完全に透明
なゾーンで構成することができる。

本発明の提供する方法の基礎となる理論的原理を以下に
説明する。

ファイバから出るビームを透過度が半径方向に変るマス
クによって変調するモード・フィールドの測定方法につ
いてはたとえば同一出願者の欧州特許出願第１４５９３
６号（１９８５年６月２６日発行）に説明されている。

このような方法では、ニアフィールドの自乗平均幅（ま
たはファーフィールド幅の逆数）としてモード・フィー
ルドの半径が定義され、透過度が横方向のビーム寸法の
自乗に従って増加するマスクによる変調が必要となる。

このような方法はここに適用される定義に基づく測定に
対しては使うことができない、実際、２つの場合で変調
剤が異なり透過度変化が逆符号である（透過度が引用出
願ではヘリに向って増加し、本発明では減少する）だけ
でなく、測定方法も異なる。公知の方法では非変調ビー
ムに対しても強度測定が必要で、測定が積分型であるか
らである。

すなわち、ビーム軸に対する強度だけでなく、測定平面
上のビーム強度全体を判定しなければならない、最後に
公知の方法では、マスクは強度変調を行なうが、本発明
の方法では以下の説明で明らかとなるようにフィールド
拡幅変調が実行される。

本発明にはこの方法を実現するための装置も含まれてお
り、光ビーム源、ビームを光ファイバに送るための第１
の光学系、ファイバから出たビームをビーム強度を表わ
す電気信号を供給する光検出器に送るための第２の光学
系、および上記電気信号からモード・フィールド半径を
得る計算測定システム（系）を含むこの装置は、空間フ
ィルタが含まれ、空間フィルタの透過度分布はガウス関
数で表わすことができ、空間フィルタは半径方向にビー
ムを変調し、可動支持台の上にとう載されて実効ガウス
幅を変えるようにフィルタ位置を変えられる事、および
上記検出器はビーム軸に対する強度を表わす信号を送出
するように構成され、測定計算系は異なるフィルタ位置
に対応する強度からモード・フィールド半径値を得るよ
うに構成される事を特徴とする。

実施例 例として、第１図および第４図はファイバから出るビー
ムが変調される場合を示している。この構成によって以
下の理論的な開示がより明瞭になるからである。しかし
、両方の実施例で代案として、ファイバの中に送り込ま
れるビームを変調することもできる。

第１図に示すように、光源１はビームを放出する。この
ビームは送出光学系２を通してシングルモード・ファイ
バ３の中に送り込まれる。このシングルモード・ファイ
バ３のモード・フィールド半径を判定しなければならな
い。

ファイバ３を出たビームは光学系４によって集められ、
ファイバ出力面３ａの画像が検出器５の感光表面に形成
される。検出器５はファイバ軸に対応するビーム強度を
表わす電気信号を送出するように構成されている。

ファイバ出力３ａと光学系４との間にビームと同軸にな
るようにマスクまたは空間フィルタ６が挿入される。

マスクはビーム・フィールドをｅｘｐ（−ｒ’／２ｉｅ
”）に比例して変調する。但し、ｒは軸上を原点とした
ビームの半径座標である。

マスク６は図示しない支持台の上にとう載される。この
支持台はブロック７で表わされる適当な制御器によって
動かされ、マスク６のファイバ端３ａからの距離を変え
ることができる。

検出器５の後には測定計算系８が設けられている。測定
計算系８はマスク６とファイバ３との間の距離２の各値
に対してビーム軸に対応した光強度Ｉ。の値を測定し、
積Ｚ　４「コ万を計算する。

計算系８は積を最大にする２の値からＷ％の値を求める
。

この測定法は第１図のシステムの特性によって左右され
る。台１図のシステムはフーリエ光学に基いた一種の「
画像処理器」である、その性質を評価するため、ファイ
バ出力３ａのフィールドφのかわりに適当な「仮想フィ
ールド」φ、を考えることによって平面６のヘイルタ動
作を擬似するのが都合がよい、平面６のマスクによって
作られるのと同じ分布をファーフィールド伝搬によって
再生するようにフィールドφ、が定められる。したがっ
て、システムの他の任意の点に於けるφ。

の効果はマスクが存在する場合にφの生ずる効果と同等
である。

更に詳しく説明すると、φ、の画像は多分拡大されるが
、これは両方の場合について検出器平面に形成される。

したがって、光学系の拡大効果と回折効果を無視すれば
、平面５に生じるフィールドはφ、の定義に基いて計算
することができる。

これによりファーフィールド近似式が得られる。

ｚ 但し、ｒ、は平面６の上の位置ベクトル（原点は軸上に
ある）　、ｋ−２π／λは測定に使用される波長の波数
、２はファイバとマスクの距離、ｔはマスクの振幅透過
度、ψおよびψ、はそれぞれφおよびφ、のフーリエ変
換である。

式（３）を逆変換すれば、φ、が次のように骨組み積分
の形で得られる。

但し、ｒは平面３ａの上のベクトル半径である（原点は
軸上にある）、ｐ−１ｔはマスク透過度ｔ　　（ｒ）の
フーリエ逆変換である。Ａｏは定数であり、その値は波
長および変換に対して選択された正規化型によって定ま
る。

透過度ｔはガウス関数、すなわち関数 ｔ　　（ｒ）＝ｅｘｐ　（−ｒ”７２ｗりであるので、
ｐ−１（１）はｅｘｐ（−ｗ”ω２／２）に比例する。

但しω−に／ｚ（ｒ−ｒ”）である。

式（４）に代入し、ωΦ値を考慮に入れ、ｗ、（ｚ）＝
ｚ／ｋｗ　　　　　　　　　　（５１と仮定することに
より、ファイバ軸に対する仮想フィールドφ、は次式で
表わされる。

但し、Ａはに１／ω章に比例した新しい定数であり、そ
値は重要でない。

（１）と比較することにより、次の関係が得られる。

５ｏｃｚ・φｖ　（ｏ）　ｏｅ　ｚ−元ｍ（７１但し、
１．（ｚ）は軸に対するフィールド強度である。

既知の通り強度Ｉはφｖ１に比例するので、Ｓの最大値
は単に関数２−φτ〒７）の最大値を計算することによ
って求めることができる。このような積を最大にする値
２１を（５）に代入することによって値Ｗ、が直ちに得
られる。

ビームを変調するため、円形対称なマスクを使うことが
できる。このマスクはグレーな分布で構成され、その透
過度は中心で最大、ヘリで零となり、上記の法則に従っ
て変わる。このようなマスクは写真技術で得ることがで
きる。−例が第２図に示されている。

シングルモードのファイバーで一般に生じるようにフィ
ールド分布が円形対称である場合、半径ｒの円周に沿っ
た透過度がｅ−ｒ／！”２に比例するような完全に不透
明なゾーンと完全に透明なゾーンで構成される非対称な
マスクを使うことができる。非対称なマスクのいくつか
の例が第３図に示されている。極座標（ｒ、　　θ）に
より式θ−Ｃ−ｅ　ｘ　ｐ　　（−ｒ”７２ｗ”）で表
わされる曲線値の適当な反復から得られる１乃至９の不
透明ゾーンと透明ゾーンで構成されるマスクが示されて
いる。

第３図に示すマスクは所望の境界をそなえた透過度が零
の金属層をその上の堆積した水晶ディスクとすることが
できる。

第４図に示す実施例では、ファイバ端３ａが光学系４０
の焦点に置かれ、光源から送出されたビームを平行にす
る。平行にされたビームは光学系４１によって集められ
、検出器５の上に集中される。

ビーム強度を変調するマスクまたは空間フィルタ６０が
光学系４０．４１の間に置かれる。マスク６０は図示し
ない支持台の上にとう載される。

支持台が制御器７０によって動かされるため、マスクが
図の平面に垂直な軸を中心として回転することができる
。したがって、マスクのビーム方向に対する傾斜を変え
ることができる。マスク６０とビーム方向との間の角度
Ｔの各僅に対して、計算系８はファイバ軸に対するビー
ム強度を測定し、測定した強度の平方根と角度Ｔの適当
な関数との比を計算する。ω、の値はこのような比を最
大にするイ直である。

ξ、ηを基準系に対するマスク６０の任意の点の座標と
する。軸ηがマスク回転軸、軸ξがマスク６０の平面内
のこのような軸に垂直な軸とする。

ビーム伝搬方向（Ｘ＜４５°）に対して傾斜角の与えら
れた値Ｔに対する可変透過度ｔ　（ξ、η）をそなえた
マスクは透過度が ｔ　’　（ｘ、ｙ）・ｔ（ｘ／ｃｏｓγ、７）の垂直マ
スクとして働く、ここでＸおびｙは基準系の座標で、軸
ｙはこの場合もマスク回転軸であり、軸Ｘはこのような
軸とビーム伝搬方向に対して垂直である。

本発明を実行するためには、使用されるフィルタの半径
ｒの円周に沿った平均透過度は角度Ｔがどのような値で
あってもガウス関数でなければならない。したがって、
極座標で表わすと平均透過度は次のようになるべきであ
る。

但しμｍ１／ＣＯ３７である。

ビームが半径方向に対称であれば、傾斜可能なフィルタ
は半径ｒの円周に沿った平均透過度ｔ　（ｒ）が（８）
の第２項で表わされる等価ガウス・フィルタとして動作
する。このとき、パラメータ２をファイバ出力に設けら
れた平行光学系（第４図）の焦点距離ｆに、ωをσに置
きかえることにより、第１図の実施例に対して行なった
検討を適用することができる。

更に詳しく述べると、式（６）のＷ、をｗ　ｂ　（γ）
−−（９１ にσ とすれば、式（６）はこの場合にも成立する。したがっ
て第１図の場合と同様、探索する値ω、は比５ｏｃｌｏ
（ｒン／σ（１／ｃｏｇ　ｒ　）を最大にする値テアル
。

式（７）を満足する角関数ｔ　（ξ、η）は次のように
書くことができる。

ｔ　（ξ、η） −ＣＤ　（−βξ”）”（−αｎ　２　）　ｓｎｌｍｊ
　　（２ｎ−１）！　！　　（２ｍ−１）！　！係数α
、βは次のようにσ（μ）を決定する。

σ２（μ）−□　　　　　　　　〇〇 α÷βμ２ 弐〇旧よ（８）の２つの項をべき乗級数に展開した後、
ｔ　（ξ、η）を表わす級数の係数を定めることによっ
て得られる。

弐〇〇は負になることもなるが、これは何の問題も生じ
ない、弐〇功に定数を加えてどこでも１＞０となるよう
にすれば充分であるからである。

透過度が００で表わされるマスクは不透明ゾーンと透明
ゾーンを交互に並べたもので構成され、所望の確度で実
現するため複雑になることはあるが写真法で得ることが
できる。

マスク６０の透過度が一次元、たとえば軸ξに従って変
る場合には実現は容易になる。この場合、α〔およびα
Ｄの係数αは零となり、マスクの透過度は次式で表わさ
れる。

透過度が０で表わされるマスクの１例が第５図に示され
ている。

幸いなことに両方の実施例で装置は自動化される。これ
を行なうため、計算測定系８をコンビ一二一タの一部と
し、これをマスク支持台６または６０の制御装置７また
は７０に接続して、現定された通りに移動を制御するよ
うにできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の概略図である。 第２図および第３図は第１図の装置で使用できるマスク
の例である。第４図は変形実施例の概略図である。第５
図は第４図の装置で使用できるマスクの１例である。 符号の説明 １−・光源、２−・・送出光学系、３−・シングルモー
ド・ファイバ、３ａ−・−ファイバ出力面、４，４０゜
４１−・光学系、５中検出器、６．６０−マスク、７．
７０・−・制御器、８・−測定計算系。 代理人の氏名　　　川原１）−穂 ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、　４ Ｇ５

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ビームが被試験光ファイバ（３）の中に送られ
   、ファイバ（３）を出るビームの強度が測定されるシン
   グルモード・ファイバのモード・ヘィールド半径の測定
   方法に於いて、 強度の半径方向分布が与えられた幅のガウス曲線で表わ
   すことができるマスク（６；６０）による空間濾波を光
   ビームが受け、該マスクは光ビームを変調する事、 変調されたビームの強度（Ｉ＿ｏ）がその軸に対して測
   定される事、 空間濾波効果を変えるようにマスク位置（６；６０）が
   変えられて、各々の新しい位置が異なる幅の強度のガウ
   ス分布を有するマスクの濾波に対応するようにされる事
   、 被変調ビーム軸に対する強度（Ｉ＿ｏ）の測定が幅の値
   を変えて繰り返される事、 および測定された強度（Ｉ＿ｏ）の自乗平均マスク位置
   によつてきまるパラメータとの積が計算され、この積を
   最大にする幅の値をモード・フィールド半径値（Ｗ＿ｂ
   ）とする事 を特徴とするシングルモード・ファイバのモード・フィ
   ールド半径の測定方法。
2. （２）ファイバ（３）に入るビームが空間濾波を受ける
   事を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）ファイバ（３）を出るビームが空間濾波を受ける
   事を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。
4. （４）ファイバ端（３ａ）に対する距離（ｚ）を変える
   ようにそれ自身に平行にマスク（６）を動かすことによ
   つてマスク（６）の位置が変えられ、マスク位置によつ
   てきまるパラメータがその距離（ｚ）によつて表わされ
   る事を特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３項のいず
   れか１項に記載の方法。
5. （５）ビームが変調の前に平行にされる事、およびビー
   ム伝搬方向に対するマスクの傾斜を変えることによりマ
   スク（６０）の位置が変えられる事を特徴とし、上記パ
   ラメータがガウス幅の自乗の逆数である事を特徴とする
   特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか１項に記載の
   方法。
6. （６）光ビーム源（１）、ビームを光ファイバに送るた
   めの第１の光学系（２）、ファイバから出たビームをビ
   ーム強度を表わす電気信号を供給する光検出器（５）に
   送るための第２の光学系（４）、およびこのような電気
   信号からモード・フィールド半径の値（Ｗ＿ｂ）を求め
   る測定計算系（８）を含むシングルモード・ファイバの
   モード・フィールド半径を測定する装置に於いて、 上記装置に更にビームと同軸の空間フィルタ（６；６０
   ）が含まれ、空間フィルタの透過度分布がガウス関数で
   表わすことができ、空間フィルタはビームを半径方向に
   変調し、また空間フィルタが可動支持台の上にとう載さ
   れていてガウス幅を変えるようにフィルタ（６；６０）
   の位置を変えられる事、 ならびに上記検出器（５）はビーム軸に対する強度（Ｉ
   ＿ｏ）を表わす信号を供給すにように構成されており、 計算測定系（８）がフィルタ）（６；６０）の異なる位
   置に関する強度（Ｉ＿ｏ）の測定値からモード・フィー
   ルド半径の値（Ｗ＿ｂ）ａ求めるように構成されている 事を特徴とするシングルモード・ファイバのモード・フ
   ィールド半径を測定する装置。
7. （７）上記フィルタ（６：６０）が光ビーム源（１）と
   ファイバ（３）の入力端との間に配置される事を特徴と
   する特許請求の範囲第６項記載の装置。
8. （８）上記フィルタ（６；６０）がファイバの出力端（
   ３ａ）と検出器（５）との間に挿入される事を特徴とす
   る特許請求の範囲第６項記載の装置。
9. （９）フィルタ支持台（６）が制御装置（７）に接続さ
   れ、該制御装置は支持台を動作させ、ビーム伝搬方向に
   フィルタを該フィルタ自身と平行に動かし、フィルタ（
   ６）とファイバ（３）の端部との間の距離を変える事を
   特徴とする特許請求の範囲第６項〜第８項のいずれか１
   項に記載の装置。
10. （１０）上記フィルタ（６）は透過度が中心で最大とな
    り、ヘリで零となるような円形対称なマスクで構成され
    る事を特徴とする特許請求の範囲第９項記載の装置。
11. （１１）軸上に中心のある半径ｒの円周に沿つた平均透
    過度が半径のガウス関数となるような不透明ゾーンと透
    明ゾーンで構成された円形非対称なマスクによつて、上
    記フィルタ（６）が構成される事を特徴とする特許請求
    の範囲第９項記載の装置。
12. （１２）上記装置には変調すべきビームを平行にするも
    う１つの光学系（４０）も含まれる事、ならびにフィル
    タ支持台（６０）が制御装置（７０）に接続され、制御
    装置は支持台を動作して、平行にされたビームの伝搬方
    向に垂直な軸を中心としてフィルタを傾斜させ、伝搬方
    向に対するフィルタ（６０）の傾斜を変える様にする事
    を特徴とする特許請求の範囲第６項〜第８項のいずれか
    １項に記載の装置。
13. （１３）ビーム軸からの上記距離（ｒ）の各々の値に対
    して中心が軸上にある半径ｒの円周上の平均透過度がガ
    ウス関数になるように、透過度が少なくとも１つの次元
    で変る平面マスクにより、上記フィルタ（６０）が構成
    される事を特徴とする特許請求の範囲第１２項記載の装
    置。
14. （１４）上記測定計算系（８）を含むプロセッサが、フ
    ィルタ（６；６０）の支持台の制御装置（７；７０）を
    動作させる事を特徴とする特許請求の範囲第６項〜第１
    ２項のいずれか１項記載の装置。