(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの残留応力を測定するための装置において、光源と、前記光源から所定の距離で離隔して前記光源から放出した光の空間コヒーレンスを抑制するための回転性光放散器と、前記光放散器を通過した放射光を前記光ファイバの設置された位置に集光させるための光集光器と、前記光集光器を通過した光を光ファイバ軸に対して４５°線形偏光ビームで偏光する偏光器と、前記偏光器に９０°の角度で設置され、前記光ファイバが密着した光ファイバの背景イメージが透過しないようにする偏光分析器と、前記偏光分析器に位置した光ファイバを長さ方向に引っ張らせ、前記光ファイバに加えられる張力を測定する張力センサーを備える光ファイバ引っ張り装置と、前記光ファイバを透過した光のイメージを拡大するための対物レンズと、前記光ファイバ引っ張り装置によって前記光ファイバに加えられる張力に従う光ファイバの透過変化を光ファイバ直径のスポットに従って測定するＣＣＤアレイと、を含むことを特徴とする光ファイバの残留応力及び光弾性効果測定のための測定装置。
【請求項２】
前記光源は、ヘリウムネオンレーザーで構成される請求項１記載の光ファイバの残留応力及び光弾性効果測定のための測定装置。
【請求項３】
前記光源は、アルゴンイオンレーザーで構成される請求項１記載の光ファイバの残留応力及び光弾性効果測定のための測定装置。
【請求項４】
前記偏光分析器に位置した光ファイバは、マイクロスコープスライドガラスカバーがさらに備えられる請求項１記載の光ファイバの残留応力及び光弾性効果測定のための測定装置。
【請求項５】
前記光ファイバが、前記偏光分析器と、ガラス屈折率に近似する屈折率媒質がさらに加えられた前記マイクロスコープスライドガラスカバーとの間に位置する請求項４記載の光ファイバの残留応力及び光弾性効果測定のための測定装置。
【請求項６】
前記屈折率媒質は、屈折率マッチングゲルまたはグリセリンからなる請求項５記載の光ファイバの残留応力及び光弾性効果測定のための測定装置。
【請求項７】
前記光ファイバ引っ張り装置は、光ファイバの一端に固定された線形移動ステージと、前記光ファイバの他端に備えられた張力センサーとを含む請求項１記載の光ファイバの残留応力及び光弾性効果測定のための測定装置。
【請求項８】
前記張力センサーは、圧電変換器からなる請求項７記載の光ファイバの残留応力及び光弾性効果測定のための測定装置。
【請求項９】
前記光放散器は、１０００ｒｐｍ以上高速で回転させる請求項１記載の光ファイバの残留応力及び弾性効果測定のための測定装置。
【請求項１０】
光ファイバの残留応力及び光弾性効果を測定するための測定装置を利用した測定方法において、偏光器によって光ファイバの軸を基準にして４５°傾いた線形偏光を有する光に偏光させ、前記光ファイバの長さ方向に沿うＸ方向及び該Ｘ方向に直行するＹ方向へ偏光された光の強さが同一な２つの光を同時に光ファイバに入射し、前記偏光器を基準にして９０°回転した状態で偏光分析器を設置して光ファイバの透過光を測定し、線形移動ステージを使用して光ファイバに張力を変化させつつ、前記張力を測定すると共に光弾性効果による光の透過率変化データを収集し、収集されたｓｉｎ2（φ/２）形態の透過率変化データ及び前記測定された張力で、下記式（１）によって与えられた、光ファイバの中心からｙだけ離隔した位置でのｙ値に対する正確な位相変化係数Ｗ(ｙ)と位相常数δ0(ｙ)とを得る測定方法。
【数１】
0003547714.tif 000004
δ0(ｙ)は、光ファイバの中心からｙだけ離隔して光ファイバを通過する光の有する位相常数(phase constant)分布を示し、Ｆは張力、 Ｗ(ｙ)は、張力に対する位相変化係数、φ（ｙ）は、光ファイバの中心からｙだけ離れた位置におけるＸ方向の偏光及びＹ方向の偏光の間の位相差である。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法によって得られた位相変化係数Ｗ(ｙ)及び位相常数δ0(ｙ)で、下記式（２）及び式（３）のアベル変換式を利用して数値的に残留応力σ(ｒ)と光弾性常数Ｃ1(ｒ)とを得る測定方法。
【数２】
0003547714.tif 000005
σ(ｒ)は残留応力、Ｃ1(ｒ)は光弾性常数、Ｅはゼロ係数、ｒは光ファイバ半径座標、Ｃは、光ファイバの外径、ｙは、光ファイバを通過する光の光ファイバ中心からの距離である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバまたは光ファイバ母材に関し、特に、光ファイバの残留応力及び光弾性効果測定のための装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを製造する過程で発生する応力(stress)が製造された後も除去されないままその一部が光ファイバ内に残っている。これは、残留応力(residual stress)と呼ばれる。残留応力測定は、高品質の光ファイバの生産、特殊の光ファイバの開発、及びその特性に対する研究のためにかなり重要な測定装置である。
【０００３】
光ファイバの生産過程である高温の線引工程で発生する残留応力は、光ファイバの光散乱による光損失を増加させ、光弾性(photoelastic)現象によって屈折率変化を発生させる。従って、高品質の光ファイバを製造するためには、残留応力を抑制させる光ファイバの生産(線引)技術を開発しなければならない。このような残留応力の抑制技術を開発するためには、光ファイバの残留応力を精密測定できる測定装置の開発が必須になる。
【０００４】
最近では、光ファイバの残留応力を周期的に一部分解消させる方法で長周期光ファイバ格子(long-period fiber grating)を開発している。このような素子のスペクトル透過特性を、そして、特性向上のための研究を遂行するためには、残留応力の変化による屈折率変化効果と光ファイバの長さ方向への周期的な残留応力が解消される分布とを測定する必要がある。これに加えて、残留応力による屈折率変化、すなわち、光弾性効果のドーピング物質の変化に従う変化及び非線形現象に対する深層的な研究が必要になった。このためには、光ファイバの残留応力及び光弾性効果を三次元的に測定及び観察可能な測定装置の開発が要求されてきた。
【０００５】
光ファイバまたは光ファイバ母材(preform)の残留応力の測定は、光弾性効果を利用して測定されるが、光弾性効果は、媒質に残っている応力方向に従って媒質の屈折率が変わる現象である。この光弾性の効果によって、光ファイバまたはその母材の屈折率値は光の偏光方向に従って変わる性質を有する。
【０００６】
光ファイバ母材または光ファイバの軸方向に垂直である側面から、２つの相互直交する偏光成分の光を通過させると、光ファイバまたは光ファイバ母材に残っている残留応力による光弾性効果は、光の偏光方向に従って透過した光の位相差異を発生させる。前記発生した位相差を偏光器(polariscope)を利用して測定すると、残留応力の程度が分かる。このような既存の方法を通じて光ファイバ母材及び光ファイバの残留応力を測定した例に挙げると、次のようである。
【０００７】
一つは、ピエルチュー(P.L.Chu)及びティホワイトブレード(T.Whitebread)の論文 “Measurement of stresses in optical fiber and preform、Appl. Opt. 1982, 21, p. 4241-4245”が挙げられる。ピエルチュー(P.L.Chu)及びティホワイトブレード(T.Whitebread)の論文には、光ファイバの残留応力を光弾性効果を利用することによって光学的に測定する方法及び理論が初めて具体的に開示されており、光ファイバ及びその母材に対して残留応力のプロフィールを測定した。
【０００８】
他の一つは、ジェイアルクロップ(J.R.Kropp)等の論文“Fast photoelastic stress determination application to monomode fibers and splices, Meas. Sci. Technol. 4, p. 431-434, 1993”が挙げられる。ジェイアルクロップなどの論文には、シングルモード光ファイバの残留応力及び融着接合の時発生する応力を照射するために光弾性効果を利用した光学的な測定装置が開示されている。
【０００９】
また他の一つは、ケイタブリューレイン(K. W. Raine)の論文“A microscope for measuring axial stresses profile in optical fibers with high spatialresolution and low noise、 4th Optical Fiber Measurement Conference(NPLTeddington UK), 269, 1997”が挙げられる。ケイタブリューレインの論文には、既存の光弾性を利用した測定方法にＣＣＤ及びハーフシェード(Half-Shade)方法を適用することにより、速くて分解能に優れた光ファイバの残留応力測定装置及び方法が開示されている。
【００１０】
通常、残留応力の測定は、光ファイバより相対的に断面積の大きい光ファイバ母材(径=４ｃｍ)の残留応力を測定することにより、光ファイバの残留応力を類推する方法を使用する。しかし、光ファイバ母材は、熱的残留応力のみを有しているので、光ファイバの製造の時発生する力学的な残留応力が測定できない短所がある。従って、光ファイバで直接測定すべきであるが、そのサイズ(クラッディング径=１２０μｍ、コア径=８μｍ)を考慮してみるとき、高分解能、超精密の測定を要求するようになる。
【００１１】
しかし、既存の測定方法は、母材に比べて相対的に小さい位相差、イメージ拡大の難しさ、イメージ背景の相対的な光強さによるイメージ誤差などの多様な技術的な問題点を抱えている。
【００１２】
光ファイバ母材の残留応力の測定は、光が母材を通過する透過距離(optical path length)が長いので、２つの直交する偏光(polarization)された光の位相差が１８０°またはそれ以下で予想される。しかし、光ファイバの残留応力の測定は、その透過距離が母材に比べて１／１００程度にほかならないので、位相差が２°程度またはそれ以下で予想される。従って、これを測定するためには、最小０.１°程度の分解能を有する測定装置が要求される。
【００１３】
光ファイバの直径は、通常１２５μｍであるので、これを拡大してイメージを形成しなければならないが、既存の母材残留応力の測定では１／４波板(wave-plate)及び偏光分析器の回転装置のために、既存の方法では対物レンズ(object lens)を光ファイバに密着させることが非常に難しかった。
【００１４】
また、既存の測定方法は、回転型偏光分析器(rotating analyzer)を回転させつつ、透過する光の周期的な変化現象を測定するので、光ファイバのみならず、光ファイバの背景まで同時に周期的に変調される現象が発生する。これは、正確な光ファイバのイメージを探し出すのに相当な難しさがあり、光検出器辺りの光の散乱現象によるイメージの歪みを引き起こす。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、光ファイバの生産技術の向上及び特殊な光ファイバの開発のために長さ方向で光ファイバの三次元的である残留応力の分布を精密に測定できる測定装置及びその方法を提供することにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、偏光器を固定させておいて光ファイバに徐々に張力を加えつつ透過する光の強さの変化が測定できる測定装置及びその方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明に従う光ファイバの残留応力を測定するための装置において、光源と、前記光源から所定の距離で離隔して前記光源へ放出した光の空間的コヒーレンスを抑制するための回転性光放散器と、前記光放散器を通過した放射光を前記光ファイバの設置された位置に集光させるための光集光器と、前記光集光器を通過した光を光ファイバ軸に対して４５°線形偏光ビームで偏光する偏光器と、前記偏光器に９０°の角度で設置され、前記光ファイバが密着した光ファイバの背景イメージが透過しないようにする偏光分析器と、前記偏光分析器に位置した光ファイバを長さ方向に引っ張らせ、前記光ファイバに加えられる張力を測定する張力センサーを備える光ファイバ引っ張り装置と、前記光ファイバを透過した光のイメージを拡大するための対物レンズと、前記光ファイバ引っ張り装置によって前記光ファイバに加えられる張力に従う光ファイバの透過変化を光ファイバ直径のスポットに従って測定するＣＣＤアレイと、を含むことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面を参照して詳しく説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にするために公知の機能及び構成に対する詳細な説明は省略する。
【００１９】
本発明は、光ファイバの側面に透過する光の強さの変化を既存の方法のように偏光器を回転させつつ測定する代わり、偏光器を固定させておいて、光ファイバに徐々に張力を加えつつ透過する光の強さの変化を測定する。
【００２０】
光ファイバに張力を増加させると、光弾性効果によって透過する光の位相値が線形的に増加して偏光器を通過することによって測定される光の強さは、周期的にサイン関数(sine function)の形を有する。前記サイン関数の位相を測定することにより、光ファイバが元来有している残留応力による位相変化を探し出す方法である。残留応力の分解能向上、イメージ拡大の極大化、背景イメージの光の強さの除去などのために、前記のような方法を使用すると、従来方法の技術的な問題がかなり解決できる。また、与えられた光ファイバの光弾性効果もかなり簡単であり、正確に測定できる。
【００２１】
光ファイバの残留応力は、通常、数Ｍｐａ程度である。この程度の残留応力は、１２５μｍの径を有する光ファイバを０.００５ニュートン(Newton)を加えた場合発生する応力及び張力に該当し、また、１０ｃｍの光ファイバが０.５μｍ程度引っ張られたとき有する復元力に該当する。このような光ファイバを０.５μｍ引っ張らせて得る光ファイバの光弾性効果による位相変化及びこれに従う光ファイバを透過した光の強さの変化は、既存の偏光分析器を０.０１°程度移動したとき発生する透過光の強さの変化に該当する。しかし、ステップモータを使用して光ファイバを０.５μｍ程度引っ張らせることが、偏光分析器を０.０１°移動させることより技術上非常に簡単な方法であるので、本発明は、既存の残留応力の測定方法に比べてかなり大きい長所を有する。
【００２２】
図１は、本発明に従う光ファイバの残留応力及び光弾性効果測定のための測定装置を示す構成図である。
同図において、本発明に従う光ファイバの残留応力及び光弾性効果測定のための装置は、光ファイバの張力を利用することによって光の強さの周期的な変化を測定する。前記本発明の装置は、ヘリウムネオン(He-Ne)レーザーまたはアルゴンイオンレーザーからなる光源(light source)１０２、光放散器(optical diffuser)１０４、光集光器(optical condenser)１０６、偏光器(polariscope)１０８、線形移動ステージ(motorized linear stage)１２０、張力センサー(strain sensor)１２２、マイクロスコープスライドガラスカバー(microscope slide glasscover)１１１、偏光分析器(polarization analyzer)１１０、対物レンズ(object lens)１１２、及びＣＣＤアレイ(Charge Coupled Device array)１１４で構成される。
【００２３】
前記光源１０２としては、ヘリウムネオンレーザーまたはアルゴンイオンレーザーを使用する。前記光源１０２から放出した光が光放散器１０４を通じて完全に散乱して放射する。前記光源１０２としてヘリウムネオンレーザーまたはアルゴンイオンレーザーを使用する理由は、前記光源１０２のスペクトルが狭すぎて短波長の光源として見なされるので、このような光が光ファイバＰを透過したときそれぞれ唯一な位相変化値が表すことができるからである。
【００２４】
また、前記光放散器１０４を使用する理由は、イメージに現れる光源１０２の空間コヒーレンス(spatial coherence)による多種の回折じまを光放散器１０４を通じて除去できるからである。このとき、前記光放散器１０４は、高速(＞１０００ｒｐｍ)で回転できるように設置される。前記光放散器１０４を高速で回転させることにより時間的に均一なイメージを得ることができる。前記光放散器１０４を通じて放射した光は、光集光器１０６によって光ファイバＰが設置されている位置に集光する。前記集光した光は、光集光器１０６の次に位置した偏光器１０８によって光ファイバＰの軸を基準にして４５°傾いた線形偏光を有する光で偏光される。すなわち、前記光ファイバＰの長さ方向から図１に示したようなＸ方向及びＹ方向へ偏光された光の強さが同一な２つの光源は、同時に光ファイバＰに入射する。前記偏光器１０８の不均衡性による偏光誤差を減少させるためには、偏光器１０８を透過するスポットサイズ(spot size)が小さいほど有利である。
【００２５】
図２に示すように、前記光ファイバＰは、マイクロスコープスライドガラスカバー１１１と偏光分析器１１０との間に、屈折率マッチングゲル(gel)やグリセリンなどのガラスと屈折率が似ている物質を入れた後その間に挿入されて設置される。このような光ファイバＰの設置は、偏光分析器１１０を光ファイバＰと最大に密着させることによって偏光誤差が減少させられ、それほど光ファイバＰと対物レンズ１１２との間の距離が近いので、大きく拡大したイメージが形成できる。
【００２６】
図１に示すように、前記光ファイバＰの一端は、線形移動ステージ１２０に連結されており、他端は張力センサー１２２に連結されている。前記張力センサー１２２は、圧電変換器(piezo electric tranducer)を使用する。前記線形移動ステージ１２０が光ファイバＰを徐々に引きつつ、光ファイバＰの他端に連結されている圧電変換器によって張力が測定される。
【００２７】
前記偏光分析器１１０は、前の偏光器１０８を基準にして９０°回転した状態で設置される。従って、光ファイバＰを透過しない光、すなわち、背景イメージは、光ファイバＰの引っ張りに関係なく偏光分析器１１０によって透過できない。このような構造は、周辺光の散乱によるイメージ歪みを抑制して正確な焦点(focusing)を探し出すのにかなり便利である。
【００２８】
ＣＣＤアレイ１１４上に光ファイバＰのイメージを焦点させるために、光ファイバＰと対物レンズ１１２との距離を微細に調節する。このとき、光ファイバＰと対物レンズ１１２との距離が約１００程度の拡大率を有するように調節する。本発明の基本原理は、ＣＣＤアレイ１１４が、ひずみの増加によって変化する光ファイバＰの直径の各スポットにより、光ファイバＰの透過光の変化量を測定することである。前記透過光は、光ファイバＰの径座標(radial coordinate)及びひずみ度によってそれぞれ異なる値になる。従って、各径座標の引っ張りに従う光透過変調の測定及び計算を行うことにより残留応力及び光弾性効果が得ることができる。
【００２９】
与えられた直径のスポット(predetermined diameter spot )に対して光ファイバＰに加えられた張力と透過率との間の関係は、ｓｉｎ2（φ/２）の形態を有し、ここで、φは、透過した２つの偏光の位相差を意味する。前記位相差は次のような式（４）で表すことができる。
【００３０】
【数３】
0003547714.tif 000002
【００３１】
ここで、δ0(ｙ)は、光ファイバの中心からｙだけ離隔して光ファイバを通過する光の有する位相常数(phase constant)分布を示し、Ｆは張力、 Ｗ(ｙ)は、張力に対する位相変化係数である。従って、光ファイバの残留応力は、前記位相常数を、光弾性効果は、位相変化係数を測定することにより把握される。このとき、残留応力及び光弾性効果は、式（５）及び式（６）のような位相常数及び位相変化係数に対してアベル変換関係(Abel integral transformation)を有している。
【００３２】
【数４】
0003547714.tif 000003
【００３３】
ここで、σ(ｒ)は残留応力、Ｃ1(ｒ)は光弾性常数、Ｅはゼロ係数、ｒは光ファイバ半径座標、Ｃは、光ファイバの外径、ｙは、光ファイバを通過する光の光ファイバ中心からの距離である。
【００３４】
このように透過した光を拡大測定するためには、対物レンズ１１２とＣＣＤ カメラとを利用してＣＣＤアレイ１１４に拡大したイメージを形成する。測定された２次元のイメージを線形移動ステージ１２０の移動量と張力センサー１２２の張力の値とを合成してコンピュータ１３０によって計算されることにより、前記式（４）のような三次元光透過グラフを得る。このように得られた値を前記式（５）及び式（６）に代入すると、残留応力及び光弾性係数がそれぞれ計算できる。
【００３５】
前述の如く、本発明の詳細な説明では、具体的な実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲は前記実施形態によって限られてはならず、本発明の範囲内で様々な変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。
【００３６】
【発明の効果】
以上から述べてきたように、本発明に従う測定装置は、より精密であり、実用性のある測定装置が作り出せる。また、低損失及び高品質の光ファイバが開発でき、さらに、特殊な光ファイバ及びそれを利用した素子の関連技術が向上させられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による光ファイバの残留応力及び光弾性効果を測定するための装置の分解透視図である。
【図２】本発明の実施形態による光ファイバの張力を測定するためにガラスカバーと偏光分析器との間に設置された光ファイバの状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０２  光源
１０４  光放散器
１０６  光集光器
１０８  偏光器
１１０  偏光分析器
１１１  マイクロスコープスライドガラスカバー
１１２  対物レンズ
１１４  ＣＣＤアレイ
１２０  線形移動ステージ
１２２  張力センサー
１３０  コンピュータ
【図１】
0003547714.tif 000006
【図２】
0003547714.tif 000007