(57)【要約】【課題】複屈折性結晶の偏光特性とファイバの偏光特性を併用し、光部品から反射され戻ってくる光を光子カウンタで測定することにより、精密で、改良された光部品の測定装置及びその測定方法を提供する。【解決手段】測定用光を発生する測定用光源１と、測定用光源１からの測定用光を入力する複屈折性を有する方向性結合器３と、方向性結合器３から出力する測定用光を測定対象光部品５に導く、一部がループ状に変形されたループ状光ファイバ６と、ループ状光ファイバ６を通して導かれ、測定対象光部品５で反射され、ループ状光ファイバ６を通して戻ってくる測定用光を、方向性結合器３に再び入射させ、入射した光８を検出する光子カウンタ１０と、を備える。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定用光を発生する測定用光源と；
前記測定用光源からの測定用光を入力する複屈折性を有する方向性結合器と；前記方向性結合器から出力する測定用光を測定対象光部品に導く、一部がループ状に変形されたループ状光ファイバと；
前記ループ状光ファイバを通して導かれ、該測定対象光部品で反射され、該ループ状光ファイバを通して戻ってくる測定用光を、前記方向性結合器に再び入射させ、該入射した光を検出する光子カウンタと；
を備える光部品の測定装置。
【請求項２】
測定用光を発生する測定用光源と；
前記測定用光源からの測定用光を入力する複屈折性を有する方向性結合器と；前記方向性結合器から出力する測定用光の偏光面を回転させ測定対象光部品に導くローテータと；
前記ローテータから光ファイバを通して導かれ、該測定対象光部品で反射され、該光ファイバを通して戻ってくる測定用光の偏光面を該ローテータにより回転し、前記方向性結合器に再び入射させ、該入射した光を検出する光子カウンタと；
を備える光部品の測定装置。
【請求項３】
所定期間に亘り前記光子カウンタで検出した光子量の積分値を演算する光子量積分装置をさらに備える請求項１又は請求項２に記載の光部品の測定装置。
【請求項４】
測定用光源から方向性結合器を介してループ状光ファイバに光を導入し、当該ループ状光ファイバの遠隔端に接続された測定対象光部品から反射され戻る反射光を、前記方向性結合器により分離抽出して、前記測定対象光部品の光学特性を測定する測定方法であって；
測定用光源から連続パルスの測定用光を複屈折性の方向性結合器に導入し、前記方向性結合器から出力する測定用光を前記ループ状光ファイバを通して測定対象光部品に導き、前記測定対象光部品から反射され、前記ループ状光ファイバを通して戻る反射光を、前記方向性結合器に再び入射させ、該入射した反射光の光子量を光子カウンタにより測定する光子量測定工程と；
前記ループ状光ファイバを変形させ光ファイバ型波長板を構成せしめ、前記反射光の偏光角度を調整し、前記反射光の増大領域で前記ループ状光ファイバを固定せしめ、新たに入射する反射光の光子量を所定期間に亘り光子カウンタにより測定し、当該所定期間に対する光の積分値を演算し前記測定対象光部品の内部で反射する光の反射位置を検出する反射位置測定工程と；
を備える光部品の光学特性の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ループ状の光ファイバを通過して、測定対象の光部品に導入し反射された光子を測定する光部品の測定装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光時間領域反射測定法（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）ＯＴＤＲは、光伝送損失測定や光ケーブル布設時の接続点の損失測定などの光線路試験技術として従来から広く用いられている。
【０００３】
測定距離の拡大やより高精度な損失特性分布の測定のために、ＯＴＤＲのダイナミックレンジの拡大や距離分解能の向上が要求されている。従来のＯＴＤＲでは、光強度の直接検波方式が用いられ、ダイナミックレンジを拡大するために、受光器の最小受光感度を上げる必要があった。
【０００４】
また、直接検波方式に代わり、ヘテロダイン検波方式などのコヒーレント検波方式等を用いることにより最小受光レベルを改善しダイナミックレンジを３３ｄＢ又は３０ｄＢに拡大していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述した従来のＯＴＤＲ方式によれば、例えば、光ファイバから反射される微小な反射光強度を測定しているためには、ダイナミックレンジが十分ではなく光部品内部の微細な欠陥まで測定することが困難であった。
【０００６】
本発明は、以上のような問題を解決するために、複屈折性結晶の偏光特性とファイバの偏光特性を併用し、光部品から反射され戻ってくる光を光子カウンタで測定することにより、精密で、改良された光部品の測定装置及びその測定方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による光部品の測定装置は、例えば、図１に示すように、測定用光を発生する測定用光源１と、測定用光源１からの測定用光を入力する複屈折性を有する方向性結合器３と、方向性結合器３から出力する測定用光を測定対象光部品５に導く、一部がループ状に変形されたループ状光ファイバ６と、ループ状光ファイバ６を通して導かれ、測定対象光部品５で反射され、ループ状光ファイバ６を通して戻ってくる測定用光を、方向性結合器３に再び入射させ、入射した光８を検出する光子カウンタ１０と、を備える。
【０００８】
このように構成すると、測定対象光部品５で反射され、ループ状光ファイバ６を通して戻ってくる測定用光を、方向性結合器３に再び入射させ、入射した光８を検出する光子カウンタ１０を備えるため、反射する測定用光を複屈折させて、その光子量を検出することができる。
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項２に係る発明による光部品の測定装置は、例えば、図４に示すように、測定用光を発生する測定用光源１と、測定用光源１からの測定用光を入力する複屈折性を有する方向性結合器３と、方向性結合器３から出力する測定用光の偏光面を回転させ測定対象光部品５に導くローテータ２６と、ローテータ２６から光ファイバを通して導かれ、測定対象光部品５で反射され、光ファイバを通して戻ってくる測定用光の偏光面をローテータ２６により回転し、方向性結合器３に再び入射させ、入射した光を検出する光子カウンタ１０と、を備える。
【００１０】
このように構成すると、方向性結合器３から出力する測定用光の偏光面を回転させ測定対象光部品５に導くローテータ２６と、ローテータ２６から光ファイバを通して導かれ、測定対象光部品５で反射され、光ファイバを通して戻ってくる測定用光の偏光面をローテータ２６により回転し、方向性結合器３に再び入射させ、入射した光を検出する光子カウンタ１０を備えるため、反射する測定用光を複屈折させて、その光子量を検出することができる。
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項３に係る発明による請求項１又は請求項２に記載の光部品の測定装置は、例えば、図１に示すように、所定期間に亘り光子カウンタ１０で検出した光子量の積分値を演算する光子量積分装置１２をさらに備える。
【００１２】
ここで、請求項３に記載の所定期間は、測定用光が方向性結合器３とループ状光ファイバ６と測定対象光部品５を通過し、反射して戻り光子カウンタ１０へ入射する光の走行時間を用いる。
【００１３】
このように構成すると、光子量積分装置１２で演算した積分値に基づき、測定対象光部品５で反射された光の反射位置を検出することができる。
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項４に係る発明による光部品の測定方法は、例えば、図１に示すように、測定用光源１から方向性結合器３を介してループ状光ファイバ６に光を導入し、ループ状光ファイバ６の遠隔端に接続された測定対象光部品５から反射され戻る反射光を、方向性結合器３により分離抽出して、測定対象光部品５の反射光量を測定する測定方法であって、測定用光源１から連続パルスの測定用光を複屈折性の方向性結合器３に導入し、方向性結合器３から出力する測定用光をループ状光ファイバ６を通して測定対象光部品５に導き、測定対象光部品５から反射され、ループ状光ファイバ６を通して戻る反射光を、方向性結合器３に再び入射させ、入射した反射光の光子量を光子カウンタ１０により測定する光子量測定工程と、ループ状光ファイバ６を変形させ光ファイバ型波長板を構成せしめ、反射光の偏光角度を調整し、反射光の増大領域でループ状光ファイバ６を固定せしめ、新たに入射する反射光の光子量を所定期間に亘り光子カウンタ１０により測定し、所定期間に対する光の積分値を演算し測定対象光部品５の内部で反射する光の反射位置を検出する反射位置測定工程と、を備える。
【００１５】
ここで、請求項４に記載の所定期間は、測定用光が方向性結合器３とループ状光ファイバ６と測定対象光部品５を通過し、反射して戻り光子カウンタ１０へ入射する光の走行時間を整数倍する時間を用いる。
【００１６】
このように構成すると、反射光の偏光角度を調整し、反射光の増大領域でループ状光ファイバ６を固定せしめ、新たに入射する反射光の光子量を所定時間に亘り光子カウンタ１０により測定するため、所定時間に対する光の積分値を演算し測定対象光部品５の内部で反射する光の反射位置を検出することがきる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態である光部品の測定装置の模式的な系統図である。光部品の測定装置は、測定用光源としての半導体レーザ光源１と、複屈折性結晶による方向性結合器３と、一部がループ状に変形されたループ状光ファイバ６と、反射光を平行光線にするコリメータ９と、反射光の光子を検出する光子カウンタ１０と、光子量積分装置としてのコンピュータ１２を備える。
【００１９】
半導体レーザ光源１は、光を光子カウンタ１０で計数するため、光を光子とみなせる程度の強さの微弱な測定用光を発光する。発光する光は可視光でもよく、近赤外線光でもよい。測定光源は、偏光していればよく、ライトエミッションデバイスＬＥＤ１を用いることもでき、その場合は、フィルタ等で単色光を取り出すとよい。例えば、波長１．３マイクロメータのＬＥＤ光をパルス点灯させる。
単色光を用いるのは、長距離から反射してくる光が波長分散の影響を受け、波長により帰還時間が異なるため、単色光を用いた方が測定精度を向上させることができるからである。
【００２０】
上記半導体レーザ光源１は、両端にコリメータレンズ２を備える偏光波保持ファイバに接続され、コリメータレンズ２の一方に隣接する方向性結合器３に向けて測定用光を照射する。また、ループ状光ファイバ６は、ファイバ自体に一定の応力を持たせるような治具に取付けて構成し、ファイバ型波長板として機能する。
【００２１】
すなわち、光ファイバ６の一部をループ状などの形状にすることにより、ファイバ内に応力をかけ、ファイバ中を進行するレーザ光ビームの偏光面を回転させる。例えば、測定対象光部品５からの反射光８の偏光面を、入射光７の直線偏光に対して、適当な角度として９０°（４分の１波長）回転させることができ、例えば、Ｐ波からＳ波に変えることができる。
【００２２】
方向性結合器３は、ループ状光ファイバ６に入射する偏光の消光比を増大させ、測定対象光部品５からの反射光を分離する。つまり、ループ状光ファイバ６に入射する光７を常光線とし、反射光８を異常光線とするように、複屈折性の結晶で構成する方向性結合器３の光学軸３ａを設定する。
【００２３】
このように構成することで、測定対象光部品５から反射する反射光の損失を減少させ取り出すことができ、ダイナミックレンジを上げることができる。図５に示すように、従来の測定装置ではカプラを用いるため、入力口の分岐で３ｄＢ、反射口の分岐で３ｄＢ、合計６ｄＢの損失が生じる。
【００２４】
また、光ファイバ６の入射端４からの光と測定対象光部品５からの光とは、完全に分離され、測定対象光部品５からの光のみを光子カウンタで検出することができる。例えば、光学軸をＸ線分析で求め、それに対して、入射面を研摩して行くという方法で光学軸３ａを設定することができる。
【００２５】
測定対象光部品５の遠隔端の反射特性は、測定の基準として測定対象光部品５の遠隔端に全反射ミラーを施したときの反射と比較した比較値で表わすことができる。本実施の形態によれば、ループ状光ファイバの入射端４の反射を完全に取り除くことができ、６０ｄＢ以下の微小な反射光量を測定することができる。
【００２６】
図１を参照して、測定対象光部品の反射光量の測定方法を説明する。測定用光７は、パルス状の光として測定用光源１からコリメータレンズ２、方向性結合器３、ループ状光ファイバ６を通り、測定対象光部品５に入射し、光部品５の内部や他端部で反射され、反射した戻り光ビーム８の経路で方向性結合器３へ戻る。
ここで、光ファイバ６の入射端４から入射したレーザパルス光は、１マイクロ秒当り約２００メートルの速度で進行し、光ファイバ６及び測定対象光部品５内部のガラス分子から微弱な散乱光を生成する。発生した散乱光の一部は後方散乱光として再び入射端４に戻る。また、光部品５内部を進行する測定光が光部品５内部の結晶欠陥等の傷の部分で反射し後方散乱光を増大させている。さらに、後方散乱光として再び入射端４に戻るまでの遅延時間をｔとした場合、入射端４から後方散乱光が発生した位置の距離Ｘは、光時間領域反射測定法により、Ｘ＝（ｖ＊ｔ）／２により求めることができる。
【００２７】
方向性結合器３へ戻る測定すべき反射戻り光８は、方向性結合器３の中で複屈折し、方向性結合器３の外部に設けられたコリメータ９へ入射する。コリメータ９へ入射した光は、搬送光ファイバを通り、光子カウンタ１０に入り、その光子が検出される。
【００２８】
コンピュータ１２は、光子カウンタ１０に接続され、検出した光子の数量を経時的に記録する。例えば、１パルスの測定用光を照射して戻る反射光の光子をカウントした場合、近距離から戻る後方散乱光の散乱確率が高いため、後方散乱光が素子５、素子６の部分から反射される。各散乱光子は確率的に光子カウンタ１０により検出される。パルス発振後、光子が検出されるまでの時間を、或る一定時間に亘り検出する。この検出結果として図２に示すように素子４、素子６のような近距離から戻る後方散乱光は徐々に減少し、結晶欠陥部や光ファイバ破損部等からの散乱光が光の通過距離と共に増加する部位がピークとして検出される。
このピークが発生する位置（時間）に基づき結晶欠陥部や光ファイバ破損部等の部位を算出することができる。
【００２９】
また、光源１から発生したパルス光は、ループ状光ファイバ６及び測定対象光部品５の内部を通過することで電界を生じさせる。パルス光は波動で進行するため、ループ状光ファイバ６や光部品５の長さ方向で電界分布に変化が生じ、電界が高い部分では光ファイバ６や光部品５の密度が増加する結果、光ファイバ６と光部品５の内部に超音波が発生し、この超音波のエネルギー授受によって入射したパルス光の周波数より周波数がシフトした反射光が発生する。
【００３０】
この反射光を一般にブリルアン散乱光と呼び、光ファイバ６や光部品５にひずみが発生している部分ではひずみ量によって、電界変動による光ファイバ密度や光部品密度の変化量が異なり、超音波も変化して、反射光（ブリルアン散乱光）の周波数シフトも異なる。この反射光を構成する光子の到達量をコンピュータ１２で経時的に測定することにより、光子の到達時間を光部品５の中を通過し反射してくる測定用光の走行距離とみなすことができ、光部品５の反射点を特定することができる。
【００３１】
また、ループ状光ファイバ６と光子カウンタを備えるため、例えば、微弱なラマン散乱光を高感度に測定することができる。半導体レーザ光源１から照射したパルス状のレーザ光７は、偏光波保持ファイバを通じて方向性結合器３（方解石結晶）に入射する。このとき偏光波面の調整を行ない、方解石結晶にとって常光線となるように調整する。
【００３２】
方向性結合器３から出射する光７は、ループ状光ファイバ６により１／４波長板の特性になるように光ファイバ６のループ数とループ径を決定する。従って、入射した光７は、測定対象光部品５の内部又は遠隔端との間を、往復する間に、ループ状光ファイバ６の屈曲部を２度通過する。そのために、合計で１／２波長板と同等の効果が生じる。
【００３３】
ループ状光ファイバ６のループ面を回転させ変形させることにより、入射光の偏光方向と波長板の主軸を調整することができ、入射光７に対して偏光面を例えば９０°回転した直線偏光を容易に得ることができる。
【００３４】
光ファイバ６の終端に接続された光部品５からの反射戻り光は、方向性結合器３（方解石結晶）に再度入射し、異常光線としての光学軸３ａを通過し、コリメータ９により、集光され、搬送ファイバを介して光子カウンタ１０に入射する。
この光子カウンタ１０は、光電子倍増管や冷却ＣＣＤカメラやアバランシェフォトダイオードＡＰＤを用いたフォトンセンサを用いることができる。コンピュータ１２は光子カウンタ１０から信号ケーブル１１を経由して検出信号を受信し、データ処理を実行する。
【００３５】
ここで、光子カウンタとしてＡＰＤ１０を用いた光部品５の測定装置を例示すれば、ＡＰＤ１０によるリニアモードの光子カウンティングは、ＡＰＤ１０のバイアス電圧をブレークダウン電圧より低めに設定し光倍増率を１０から１０２程度の範囲で測定する。また、ガイガーモードの光子カウンティングは、ＡＰＤ１０のバイアス電圧をブレークダウン電圧以上に設定しリニアモードより高増幅率のもとで測定する。
【００３６】
コンピュータ１２は、例えば、１パルスの測定用光に対する１秒間の光子のパルス数を経時的に計測する。測定した光子のパルス数をコンピュータ内部の記憶装置に記憶し、次の１パルスの測定用光に対して１秒間の光子のパルス数を経時的に計測し、記憶装置に記憶した光子のパルス数に重畳させて積分値を演算する。積分値の演算は複数の測定用光のパルス光に対して実行され、微小な光子を積分して計測する。
【００３７】
図２は、本実施の形態に使用するコンピュータ１２のディスプレイ画面に表示した光子量の経時的な変化を表す図である。図中の横軸ｔは光子カウンタ１０で検出した光子の到達時間又は光部品５の長さ方向の距離を表す。縦軸Ｐは光子の量を積算した積分値を表している。したがって、縦軸Ｐで示す光子の量は複数の測定用光のパルスに基づき反射され検出した光子を加算した数値である。
【００３８】
上述したループ状光ファイバ６のループ面を回転させ変形させながら、入射光の偏光方向と波長板の主軸を調整し、入射光７に対して偏光面を回転させて、入射光を増大させ、コンピュータ１２で計測している光子のカウント数を確認する。例えば、１秒当りの光子の数を計数し反射光の増大領域を探索する。増大領域を探索した段階でループ状光ファイバ６のループ面を固定し、光子の積分演算処理に移行する。
【００３９】
光源１から新たな１パルスの測定用光を照射した時刻を０とした場合、光子カウンタ１０は光を照射した直後から光子を大量に検出している。これは、ループ状光ファイバ６から反射する光子を検出するためである。時刻０から時間が経過するのに伴い光子の積算量が減少するが、時刻ｔ１に検出された光子の量は一定のピーク値を表している。このピーク値は測定対象光部品５の内部から反射される光子の積算値であり、光部品５内部の反射点１５の距離とみなすことができる。
【００４０】
図３の測定対象光部品５の断面図を参照して、光部品５の欠陥部分について説明をする。例示した測定対象光部品５は、光の導波路でありループ状光ファイバ６から搬送ファイバ２０とジョイント３０を通じてパルス状の光を入射する。
【００４１】
測定対象光部品５は、入射した光を異なる導波路１７、１８に分岐させて出射側の搬送ファイバ２２へジョイント３０を通じて光を出射する。導波路１８には結晶欠陥又は格子欠陥に基づく欠陥部１９が存在し、この欠陥部１９から測定用光７の一部を後方散乱光として再び搬送ファイバ２０へ戻す。この戻る反射光は出射側の搬送ファイバ２２からの後方散乱光に比して短時間に且つ短い距離を通過するため、光子カウンタ１０で検知される時刻も早い。また、搬送ファイバ２２の終端２４には、空気の反射率１より大きな反射率１．４６を有するマッチングオイルを塗布し、搬送ファイバ２２に入射した測定用光が終端２４での反射を防止するように構成することができる。このマッチングオイル処理により反射戻り光の量を制限することができるため、測定対象光部品５の欠陥部で反射する反射戻り光を精度良く測定することができる。
【００４２】
図４は、本発明の他の実施の形態である光部品の測定装置の模式的な系統図である。光部品の測定装置としての測定器１３ａは、半導体レーザ光源１と、半導体レーザ光源１から測定用光を入射させる複屈折性結晶による方向性結合器３と、方向性結合器３から測定用光を入射させるローテータとしてのファラデーローテータ２６と、ファラデーローテータ２６から光ファイバを介して光部品５に測定用光を入射させ、この光部品５から反射する反射光を平行光線にするコリメータ９と、反射光の光子を検出する光子カウンタ１０とを備える。
【００４３】
ここで、半導体レーザ光源１、方向性結合器３、コリメータ９、及び光子カウンタ１０は、上述した図１の実施の形態と同等の部材を用いることができ、重複する説明を省略する。
【００４４】
ファラデーローテータ２６は、ファラデー効果により偏光面を回転させるローテータ（回転子）である。ファラデー効果とは、磁場の中で光が磁場方向に進むと偏光面が回転する現象である。このファラデーローテータ２６に入射する測定用光を４５°に回転させ光ファイバを介して光部品５へ出射する。
【００４５】
光部品５の中の欠陥部で反射する測定用光（光子）を後方散乱として入射した測定用光と逆方向の反射戻り光が光ファイバを通過しファラデーローテータ２６へ戻ってくる。反射戻り光がさらにファラデーローテータ２６により入射時の４５°と同じ回転方向の４５°に回転され、入射光の偏光が９０°回転した状態で方向性結合器３に入射する。この反射戻り光は方向性結合器３の偏光面の成分と垂直になり方向性結合器３を異常光として、入射光が入ってきた方向と異なる方向に進行する。そのため反射戻り光を半導体レーザ光源１に戻さず半導体レーザー光源１を保護し、安定な信号を伝送することができる。
【００４６】
また、方向性結合器３（方解石結晶）に再度入射した反射戻り光は、異常光線として光学軸３ａを通過し、コリメータ９により、集光され、搬送ファイバを介して光子カウンタ１０に入射する。この光子カウンタ１０は、信号ケーブル１１を経由して光子の検出信号を送信し、光子量のデータ処理に供することができる。
【００４７】
以上のような構成の測定対象光部品の反射戻り光の光子の測定方法により、反射戻り光の光子を選択的に測定することができ、Ｓ／Ｎ比の高い測定限界を著しく向上させた光部品の測定装置を提供するものである。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、複屈折性結晶の偏光特性とファイバの偏光特性を併用し、光部品から反射され戻ってくる光を光子カウンタで測定するように構成されているので、測定用光と反射光とを分離し、精密で、改良された光部品の測定装置及びその反射光量の測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である光部品の測定装置の模式的な系統図である。
【図２】本発明の実施の形態に使用するコンピュータのディスプレイ画面に表示した光子量の経時的な変化を表す図である。
【図３】本発明の実施の形態に使用する測定対象光部品の断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態である光部品の測定装置の模式的な系統図である。
【図５】従来の光部品の測定装置の模式的な系統図である。
【符号の説明】
１　　　半導体レーザ光源
２　　　コリメータレンズ
３ａ　　　光学軸
３　　　方向性結合器
４　　　入射端
５　　　測定対象光部品
６　　　ループ状光ファイバ
７　　　測定用光
８　　　反射光
９　　　コリメータ
１０　　　光子カウンタ
１２　　　コンピュータ
１７　　　導波路
１８　　　導波路
１９　　　欠陥部
２０　　　搬送ファイバ
２２　　　搬送ファイバ
２６　　ファラデーローテータ
【図１】
2004093408.tif 000003
【図２】
2004093408.tif 000004
【図３】
2004093408.tif 000005
【図４】
2004093408.tif 000006
【図５】
2004093408.tif 000007