JPS62137535A - 光ファイバの伝送特性測定方法 - 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 本発明は光ファイバの吸収率等の伝送特定を測定する光
ファイバの伝送特性測定装置に関するものである。

従来の技術 従来の吸収率測定の主な方法は、第２図に示すように、
レーザ発振器１からのレーザ光を、ビームスプリッタ２
によって、２つのビームに分１１、一方は、測定しよう
とする光ファイバ３に入射し、もう一方はパワーメータ
４に導き、光ファイバ３への入射パワーを測定する、光
ファイバから出射されるレーザ光を第２のパワーメータ
５で測定し、入射パワーと出射パワーの比から、光ファ
イバの伝送特性即ち吸収率を算出する。

発明が解決しようとする問題点 ガラスやプラスチックを原料とする光ファイバの吸収率
測定は従来の方法で特に問題はない。ガラスやプラスチ
ックの光ファイバでは伝送できないような波長の長いレ
ーザ光、たとえば炭酸ガスレーザ光などに対しては、多
結晶からなる光ファイバが試みられ、また一部では使わ
れようとしている。この場合、炭酸ガスレーザ光に対し
て透過特性の良い光学結晶を熱間押出しで、ファイバ化
する。その結果、光ファイバは無数の小さな結晶がファ
イバ状に形成されたものとなる。例えば５００ミクロン
の直径の光ファイバを構成する小さな結晶の大きさは、
およそ１０〜６０ミクロン程度である。このような光フ
ァイバの伝送損失は、結晶と結晶との間の粒界や、表面
での光の散乱のために、吸収損失よりも、散乱損失が多
いと言われている。したがって従来の方法のように、入
出力パワーの比で算出したものは、吸収損失と散乱損失
の和であって、それらを分離して測定することは出来な
い。本発明は吸収損失を独立に測定しようとするもので
ある。

問題点を解決するための手段 散乱損失は、光フアイバ内部の結晶粒界などで散乱した
光が、光ファイバの外部へ出てしまうものであり、一方
、吸収損失は、光フアイバ内部で吸収され、熱となって
、光ファイバの温度を上昇させる。光ファイバは、温度
上昇の結果、熱膨張によって長さが変化するから、長さ
の変化量から逆に吸収損失を求めることができる。した
がって本発明は光ファイバにレーザ光を通した時の長さ
の変化を、長さ変化測定器を用いて測定し、その値から
吸収損失、減衰係数、散乱係数を算出しようとするもの
である。

作用 光ファイバにレーザ光を通す時の、光ファイバの温度分
布は、入・出射端面で高温を示すが、内部では急速に温
度の低下がみられ、長さ方向に対して温度一定になる。

例えば、材料としてＫＨ２−５を用いた赤外用光ファイ
バの場合、端面の温度が２００’Ｃ前後に達する場合で
も、端面から５〜６騎内部では室温＋２０°Ｃ前後の一
定値になる。

長さ１ｍ以上の光ファイバの場合、レーザ光を通した時
の、長さの変化量は、上記の理由によって、端面の影響
は小さく、近似的に次式のように書ける。

但し、△ｅは長さの変化量、ｅはレーザ光を通さない時
の光ファイバの長さ、Ｅｃ　は熱膨張率２ｇは光ファイ
バの単位体積、単位時間に発生する熱量、には熱伝導率
、ｔは時間、ｂは光ファイバの半径、αは熱拡散率で次
式で定義されている。

α＝に／ρＣ１ρは密度、Ｃは比熱である。光ファイバ
にレーザ光を入射する時の、光ファイバの長さ変化は、
上式のように指数関数的に増加し、一定値”ｃｇｅｂ／
２ｈ　　に達する。その後、レーザ光を遮断すると、光
ファイバは元の長さに向って次式のように変化する。

（２）式を見ると、Δｅｏ　ｆ’ｆ　を実験によって測
定すれば、ｇ即ち単位体積当りの発熱量、したがって吸
収損失が求められるように思える。確かにＥ。。

ｅ、ｂ、αなどは物理定数および、光ファイバの寸法で
あるから問題ないが、熱伝達率りは、光ファイバの表面
から周囲への熱損失を表わすもので、熱伝導と放射の両
方が関与し、測定環境によって変わるから、実際の測定
状況に対応した値を実験的に求めることが、測定精度を
高めるために必要である。（２）式を見ると、幸い長さ
変化の時間応答を示す指数関数部分に熱伝達率が含まれ
ているから、これを利用して、熱伝達率を実験的に求め
ることが可能である。今、レーザ光を遮断した後のτ１
．τ２時間の長さ変化をΔｔｌ？ｏｆｆ（Ｔ、）ｌΔｌ
ｏｆｆ（ｒ２）とすると、△ｅｏｆｆ（ｒ、）　トΔｌ
ｏｆｆ（ｒ□）　　’Ｄ比からｈが次のように求められ
る。

但し、ｅｎは自然対数を表わす。τ５．τ２゜Δｌｏｆ
ｆ（’ｒ１）　ｌ　△ｅＯｆ’ｆ（ｒｚ）　　ハ、長す
変化ノ時間応答特性から得られるから、（３）式によっ
て、熱伝達率りが、実験的に求められる。

光ファイバの吸収係数をβ１．散乱係数をβ８とし、そ
の和をβ＝βａ＋β８　とすると、入射端の反射率Ｒ１
断面積Ｓ、長さｅの光ファイバに、レーザパワーＰｉｎ
　　を入射する時の光フアイバ内部でのエネルギー吸収
ｇは、次式のようになる。

（２）式において１＝０とした時の△ｅｏ　ｆｆの値（
△６ｏｆｆ（。）と書く）に入れて、βａ／β　ヲ求メ
ると となる。

光ファイバの内部には、入・出射端で反射する光が無数
に往復しており、この多重往復光を考慮すると、入射パ
ワーＰｉｎ　　と出射パワーＰＯｕｔとの間には次式が
成り立つ。

Ｐｉｎ　ｌ　Ｐｏｕｔは実験によって求められるから、
（６）式からβが算出できる。このβを用いると実験値
△ｅｏｆｆ（ｏ）から（５）式によって、吸収係数へが
求められる。

このようにして、入射パワーＰｉｎ　　＋入射パワーＰ
Ｏｕｔ、および長さ変化の時間応答特性を実験して測定
することによって、熱伝達率、吸収係数。

散乱係数を求めることができる。

実施例 第１図に本発明の実施例を示す。６はレーザ発振器、７
はビームスプリッタ−１８は集光レンズ、９は第１のパ
ワーメータ、１０は測定しようとする光ファイバ、１０
２Ｌは光ファイバ１０の入射端、１０ｂは光ファイバ１
ｏの出射端、１１は第２のパワーメータ、１２は光ファ
イバの出射端、１０ｂの変位を測定する変位計であり、
１３はレーザ光を示す。１４は第１のパワーメータの出
力でＰｉｎ。

１５は第２のパワーメータの出力でＰ。ｕｔ＋１６は変
位計の出力で△ｅを示す。

レーザ発振器６から出るレーザ光１３は、ビームスプリ
ッタ７で２つに分岐される。レーザ光１３の大部分は、
ビームスプリッタを通過してレンズ８に入射するように
、ビームスプリッタの分岐比が決められている。ビーム
スプリッタ７で反射した残りのレーザ光は、パワーメー
タ９で吸収され、光ファイバー０への入射パワーに換算
され１４Ｐｉｎを出力する。レンズ８はレーザ光を、光
ファイバー０の入射端面１０＆に集光し、レーザ光を光
ファイバーｏに入射させる。光ファイバを透過したレー
ザ光は、出射端１０ｂから出射され、第２のパワーメー
ター１に吸収されて、光ファイバの出射パワーに換算さ
れ、１５ＰＯｕｔを出力する。光ファイバの入射端１０
ａはレンズ８との相対位置が変化しないように固定し、
出射端１０ｂは、固定せず、長さ方向に自由に動きうる
ようにし、かつ、光ファイバーｏの全体は直線状になる
ように支持する。レーザ光が光ファイバの内部で吸収さ
れると、光ファイバの温度が上昇し、熱膨張によって、
光ファイバは伸びる。この時、入射端１０ａは固定され
ているから、光ファイバの伸１びは、出射端１０ｂの変
位となって現れる。この出射端１０ｂの変位を非接触変
位計１２で測定し、変位量１６△ｅを出力する。レーザ
光を入射した光ファイバは、温度上昇の結果、長さが伸
びるが、ある時間たつと（約１０数秒）一定値におちつ
く。

その後レーザ光を遮断すると、光ファイバは再び同じ時
間応答を示しながら元の長さに戻る。時間応答特性は、
伸びる時も、元へ戻る時も同じであるが、式の上では元
へ戻る時の方が単純な形で表現できるので（（１）式と
（２）式の違い程度）、レーザ光を遮断した後のΔｅの
時間応答を考える。レーザ光遮断後のτ５．τ２時間後
のΔｅの値をΔｅＯｆｆ（τ、）、ΔｅＯｆｆ（τ２）
トスルト、コノ値１ｄ、変位計の出力１６から得られる
のでこれを用いて（３）式の演算を行うことによって、
熱伝達率りが求められる。

第１および第２のパワーメータの出力１４および１５か
らＰｉｎ　ｌ　ＰＯｕｔが得られるので、これを（６）
式に入れて、減衰係数βを求める。さらに、変位計出力
１６から得られるΔｅｏ　ｆｆ’（ｏ　）と、上記で求
めた、熱伝達率、および減衰係数βとを（５）式に入れ
れば、吸収係数β１が求められる。また散乱係数β５は
β８＝β−β４から求められる。

発明の効果 多結晶光ファイバのように、光フアイバ内での光の損失
要因として、吸収だけでなく、散乱が大きく関与してい
るファイバの場合には、従来のような、光ファイバへの
入出力パワーの比を測定するだけでは、吸収と散乱を分
離することができない。本発明では、吸収と光ファイバ
の膨張による長さの伸びとが密接に関係している事に着
目し、入・出力パワーに加えて、光ファイバの長さ変化
（伸び）を同時測定することによって、散乱損失から分
離した形で吸収損失を求めるもので、光ファイバの等性
を測定する上で大変有用な方法である。

また、吸収損失を求める計算の際、光ファイバの表面か
ら、周囲へ逃げる熱量（熱伝達率）を用いているが、こ
の値は周囲温度や光ファイバの支持台の構造などで変化
するので、測定状況に応じた値を実験的に求めることが
、吸収損失を精度良く求めるため不可欠となる。本発明
では、それを光ファイバの長さ変化の時間応答から求め
ることができるため、吸収損失測定の状況に即した熱伝
達率が得られるという特長を有する。

なお上記説明では、ＫＨ２−５からなる光ファイバを例
にとって説明したが、本発明は多少なりとも散乱損失の
ある光ファイバすべてに適用することができるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における光ファイバの伝送特
性測定装置の原理図、第２図は従来例における光ファイ
バの伝送特性測定装置の原理図である。 ７・・・・・・ビームスプリッタ、９・・・・・・第１
のパワーメータ、１０・・・・・・光ファイバ、１１・
・川・第２のパワーメータ、１２・・・・・・変位計。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　はが１名菓　
Ｉ１ｇ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ発振器と、このレーザ発振器で発生したレ
   ーザ光を分岐するビームスプリッタと、このビームスプ
   リッタで分岐されたレーザ光のパワーを測定する第１の
   パワーメータと、前記ビームスプリッタを出たレーザ光
   を集光する集光レンズと、集光レンズを出たレーザ光を
   入射光とする光ファイバと、この光ファイバの出射端か
   ら出射されるレーザ光のパワーを測定する第２のパワー
   メータと、前記光ファイバの長さ変化を測定する長さ変
   化測定手段とを備え、前記第１のパワーメータ、前記第
   ２のパワーメータ、および前記長さ変化測定手段からの
   信号を演算処理して、光ファイバの吸収係数等の伝送特
   性を測定することを特徴とする光ファイバの伝送特性測
   定装置。
2. （２）演算処理は、レーザ光を遮断してからτ＿１、τ
   ＿２時間後の長さ変化の値Δｌ＿ｏ＿ｆ＿ｆ（τ＿１）
   、Δｌ＿ｏ＿ｆ＿ｆ（τ＿２）を用いて、熱伝達率ｈを
   次式から求め、 ｈ＝−（ｂｋ）／２・１／［α（τ＿１−τ＿２）］ｌ
   ＿ｎ［Δｌ＿ｏ＿ｆ＿ｆ（τ＿１）］／［Δｌ＿ｏ＿ｆ
   ＿ｆ（τ＿２）］入射パワーＰ＿ｉ＿ｎと出射パワーＰ
   ＿ｏ＿ｕ＿ｔの比から、次式によって、減衰係数βを求
   め Ｐ＿ｏ＿ｕ＿ｔ／Ｐ＿ｉ＿ｎ＝［（１−Ｒ）＾２ｅ＾−
   ＾β＾ｌ］／（１−Ｒ＾２ｅ＾−＾２＾β＾ｌ）さらに
   、τ＿１＝Ｏの時のΔｌ＿ｏ＿ｆ＿ｆ（０）と、上記演
   算によって得た熱伝達率ｈ、減衰係数βとから、次式に
   よって （βａ）／β＝（２πｂｌ）／Ｅ＿ｃ・［Δｌ＿ｏ＿ｆ
   ＿ｆ（０）］／Ｐ＿ｉ＿ｎ・（１−Ｒｅ＾−＾β＾ｌ）
   ／［（１−Ｒ）（１−ｅ＾−＾β＾ｌ）］吸収係数β＿
   ａを求めるようにした、特許請求の範囲第１項記載の光
   ファイバの伝送特性測定装置。