(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光方向が直交する二つの伝搬モードを有する光ファイバを備えた光ケーブルのモード結合を評価するモード結合評価装置であって、
光源からの光波が前記光ファイバに励振された第１の直線偏光と、前記光ファイバ内で前記第１の直線偏光と異なる伝搬モードにモード結合して生じた第２の直線偏光とを前記光ケーブルから取得し、前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光とに光路長差を生じさせ干渉させて干渉光を生じさせる干渉手段と、
前記干渉光を受光する受光手段と、
前記光源から前記受光手段までの経路において作用し、前記受光手段が受光する前記干渉光を変調された状態にせしめる変調手段と、
前記受光手段で受光された干渉光に関して、前記光ファイバの長手方向の強度分布のパワースペクトラムを求めることで、前記モード結合についてモード結合係数の空間周波数依存性を算出する演算手段と、を備え、
前記干渉手段は、前記第１の直線偏光又は前記第２の直線偏光のいずれかの光路長を可変に制御する光路長制御手段を備えていることを特徴とするモード結合評価装置。
【請求項２】
前記変調手段は、前記干渉手段において、前記第１及び／又は第２の直線偏光を位相変調させることを特徴とする請求項１に記載のモード結合評価装置。
【請求項３】
前記変調手段は、前記干渉手段に入射前の光波を振幅変調させることを特徴とする請求項１に記載のモード結合評価装置。
【請求項４】
前記変調手段は、所定の周波数で変調を行い、
前記演算手段は、前記光ファイバの長手方向の強度分布を求めるときに、前記所定の周波数の信号を参照信号として使用する
ことを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載のモード結合評価装置。
【請求項５】
前記演算手段は、前記光ファイバの長さを取得し、その長さと前記モード結合係数とをもとに前記光ファイバの消光比を算出することを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載のモード結合評価装置。
【請求項６】
前記演算手段は、前記光ファイバの偏波分散を取得し、前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光との光路長差と前記偏波分散とをもとに、前記光ファイバにおいて前記モード結合が生じた位置を算出することを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載のモード結合評価装置。
【請求項７】
前記演算手段は、前記干渉が発生したときの前記光路長制御手段の制御量をもとに、前記第１の直線偏光が、前記光ファイバの遅相軸又は進相軸のいずれに励振されたかを特定することを特徴とする請求項１から７までのいずれかに記載のモード結合評価装置。
【請求項８】
偏光方向が直交する二つの伝搬モードを有する光ファイバを備えた光ケーブルを評価対象とするモード結合評価方法であって、
被評価対象の光ケーブルに第１の直線偏光を励振させる光波励振工程と、
前記光ケーブルにてモード結合により前記第１の直線偏光と異なる伝搬モードに第２の直線偏光が生じた場合に、前記第１及び第２の直線偏光の２偏光を前記光ケーブルから取得する２偏光取得工程と、
前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光との２偏光を、異なる光路に分離する分離工程と、
前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光の各光路長を可変とする光路長差制御工程と、
前記第１の直線偏光を光源の光波に対して所定の周波数にて変調状態にせしめる変調工程と、
前記分離工程で分離した前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光を合波する合波工程と、
前記合波工程で合波された前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光の２偏光を干渉させ干渉光を生成する干渉工程と、
前記干渉光を取得して得られる干渉光信号を、前記変調工程の前記所定の周波数をもとに信号処理する信号処理工程と、
前記信号処理工程で処理された前記干渉光信号の前記光ケーブルの長手方向の強度分布を基に、パワースペクトラムを算出してモード結合係数を算出するモード結合係数算出工程と、
を含むことを特徴とするモード結合評価方法。
【請求項９】
前記光ファイバの長さを取得し、その長さと前記モード結合係数とをもとに前記光ファイバの消光比を算出する消光比算出工程を含むことを特徴とする請求項８に記載のモード結合評価方法。
【請求項１０】
前記光ファイバの偏波分散を取得し、前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光との光路長差と前記偏波分散とをもとに、前記光ファイバにおいて前記モード結合が生じた位置を算出するモード結合位置特定工程を含むことを特徴とする請求項８または９に記載のモード結合評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に光ファイバを含む光ケーブルのモード結合係数を使用するモード結合評価装置及びモード結合評価方法に係り、光ケーブルの製造工程の評価や製造された光ケーブルについてモード結合係数をもとに評価を行うモード結合評価装置及びモード結合評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、内部に光ファイバを備える光ケーブルは、意識しなくとも我々の生活の様々な場面に不可欠な存在となっている。インターネットで代表される通信網だけでなく、各種のセンサにも適用されるようになっている。そのような、通信網やセンサにおいて、光ケーブルの特性や品質を適切に把握する必要がある。
【０００３】
光ケーブルの製造工程の評価や製品の特性及び品質の評価などには、光ケーブル中の光ファイバの光損失やその変化を評価する方法が用いられている。しかし、光損失の変化は、光ケーブルが大きな歪みを受けたり温度などの変化を受けたときには検知できるが、製造時において微少な歪みが加わったときには、その歪みを検知できないという課題がある。また、光ケーブルの長手方向の微少な特性変化は、さらに検出が難しいという課題がある。そのため、製造時における微少な歪みが加わったときにケーブル特性の評価が可能な技術が必要とされ、従来では以下のような技術が用いられていた。
【０００４】
例えば、光ファイバの偏光状態を評価することにより、光ケーブルの歪分布を評価する技術がある（例えば、特許文献１参照）。図９は、特許文献１に開示の技術における概略装置構成を示している。この装置では、まず、光源８１１から繰り返し送出される光パルスが、偏光状態が調整されて評価対象の光ケーブル８０１中の光ファイバ８０２に入射される。そして、光ファイバ８０２からの後方散乱光のうち一方の偏光成分が受光されて、受光された光強度が受信時間の関数として平均化処理され表示される。光ケーブル８０１中の光ファイバ８０２に側圧や歪みが加わると、その部分を伝搬する偏光に変調が生じる。そして、上記装置は、光ファイバ８０２からの後方散乱光のうち、少なくとも一方の直線偏光を検知する。したがって、側圧や歪みが加わった部分の後方散乱光の強度は、偏光変調の影響によりレベル変動する。変動する光強度を受信時間、言い換えると光ファイバ８０２の長手方向の距離の関数として表示することによって、加わった歪みの位置と度合いを推定する。
【０００５】
また、光ファイバの歪みと密接に関係するモード結合の強度を、ケーブル（光ファイバ）長手方向の分布として評価する技術がある（例えば、特許文献２参照）。図１０は、特許文献２に開示の技術における概略装置構成を示している。この装置では、光源９０１から出射された光が、二つの伝搬モードを有する被測定光ファイバ９０６に、一方の伝搬モードとして励振される。励振された伝搬モードの一部が被測定光ファイバ９０６中においてモード変換を受け、二つの伝搬モードを有する光波が出射される。二つの伝搬モードはプリズム９０７によってそれぞれ別の光路に分離され、分離された両光間の光路長差は光路長可変装置９０３にて調整される。次に、伝搬モードの光は半透鏡９１０にて合波され、検光子９１１及び光検出器９０４において両伝搬光の干渉信号の振幅が検出される。さらに、波形記憶装置９１４等により、干渉光の振幅が光路長差の関係として表示される。干渉光の振幅は、モード結合の強度を表し、光路長差は被測定光ファイバ９０６の長さに関連することから、上記の装置は、モード結合の強度の光ファイバ長手方向分布を評価できる。
【特許文献１】特開平０４−２５９８１３号公報
【特許文献２】特開昭６３−２３４１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に開示の技術では、光ファイバの歪み位置と度合いは推定できるが、定量的な評価ができないという課題があった。さらに、光ファイバの歪み位置の空間分解能は、光パルスの光源のパルス幅に依存し、例えば、パルス幅が１０ｎｓのとき、空間分解能は１ｍ程度であり、より高い分解能が求められていた。
【０００７】
また、特許文献２に開示の技術では、光ファイバの歪み等と密接に関係するモード結合の強度を、光ファイバ長手方向の分布として評価しているが、モード結合の大きさを示すモード結合係数の空間周波数依存性は評価できないという課題があった。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上記課題を解決して、光ケーブルの製造工程や特性等の評価の精度を向上させる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様は、モード評価装置に関する。この装置は、偏光方向が直交する二つの伝搬モードを有する光ファイバを備えた光ケーブルのモード結合を評価するモード結合評価装置であって、光源からの光波が前記光ファイバに励振された第１の直線偏光と、前記光ファイバ内で前記第１の直線偏光と異なる伝搬モードにモード結合して生じた第２の直線偏光とを前記光ケーブルから取得し、前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光とに光路長差を生じさせ干渉させて干渉光を生じさせる干渉手段と、前記干渉光を受光する受光手段と、前記光源から前記受光手段までの経路において作用し、前記受光手段が受光する前記干渉光を変調された状態にせしめる変調手段と、前記受光手段で受光された干渉光に関して、前記光ファイバの長手方向の強度分布のパワースペクトラムを求めることで、前記モード結合についてモード結合係数の空間周波数依存性を算出する演算手段と、を備え、前記干渉手段は、前記第１の直線偏光又は前記第２の直線偏光のいずれかの光路長を可変に制御する光路長制御手段を備えている。
また、前記変調手段は、前記干渉手段において、前記第１及び／又は第２の直線偏光を位相変調させてもよい。
また、前記変調手段は、前記干渉手段に入射前の光波を振幅変調させてもよい。
また、前記変調手段は、所定の周波数で変調を行い、前記演算手段は、前記所定の周波数の信号を、前記光ファイバの長手方向の強度分布を求めるときに、前記所定の周波数の信号を参照信号として使用してもよい。
また、前記演算手段は、前記光ファイバの長さを取得し、その長さと前記モード結合係数とをもとに前記光ファイバの消光比を算出してもよい。
また、前記演算手段は、前記光ファイバの偏波分散を取得し、前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光との光路長差と前記偏波分散とをもとに、前記光ファイバにおいて前記モード結合が生じた位置を算出してもよい。
また、前記演算手段は、前記干渉が発生したときの前記光路長制御手段の制御量をもとに、前記第１の直線偏光が、前記光ファイバの遅相軸又は進相軸のいずれに励振されたかを特定してもよい。
本発明の別の態様は、モード結合評価方法に関する。この方法は、偏光方向が直交する二つの伝搬モードを有する光ファイバを備えた光ケーブルを評価対象とするモード結合評価方法であって、被評価対象の光ケーブルに第１の直線偏光を励振させる光波励振工程と、前記光ケーブルにてモード結合により前記第１の直線偏光と異なる伝搬モードに第２の直線偏光が生じた場合に、前記第１及び第２の直線偏光の２偏光を前記光ケーブルから取得する２偏光取得工程と、前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光との２偏光を、異なる光路に分離する分離工程と、前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光の各光路長を可変とする光路長差制御工程と、前記第１の直線偏光を光源の光波に対して所定の周波数にて変調状態にせしめる変調工程と、前記分離工程で分離した前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光を合波する合波工程と、前記合波工程で合波された前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光の２偏光を干渉させ干渉光を生成する干渉工程と、前記干渉光を取得して得られる干渉光信号を、前記変調工程の前記所定の周波数をもとに信号処理する信号処理工程と、前記信号処理工程で処理された前記干渉光信号の前記光ケーブルの長手方向の強度分布を基に、パワースペクトラムを算出してモード結合係数を算出するモード結合係数算出工程と、を含む。
また、前記光ファイバの長さを取得し、その長さと前記モード結合係数とをもとに前記光ファイバの消光比を算出する消光比算出工程を含んでもよい。
また、前記光ファイバの偏波分散を取得し、前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光との光路長差と前記偏波分散とをもとに、前記光ファイバにおいて前記モード結合が生じた位置を算出するモード結合位置特定工程を含んでもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光ケーブルの製造工程や特性等の評価の精度を向上させる技術を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という）を、図面を参照しつつ説明する。まず、本実施形態の基本技術を説明し、つづいてより具体的な適用例（具体例１〜３）について説明する。
【００１２】
＜基本技術＞
図１は、本実施形態の基本技術に係るモード結合評価装置１０の概略構成を示す機能ブロック図である。このモード結合評価装置１０の評価対象は、複屈折性を有する光ファイバ（Birefringent Fiber；以下、「ＢＦ」という）１３であり、二つの直交する偏波モードが伝搬可能である。そして、ＢＦ１３へ入射する光波の光源１２は、ＢＦ１３の複屈折軸と平行な直線偏光をＢＦ１３に励振させる可干渉距離の短い光波として出射する。
【００１３】
モード結合評価装置１０は、光源１２と、干渉計１４と、光路長制御装置１５と、受光器１６と、光変調装置１７と、信号処理・記録装置１８と、モード結合係数演算装置１９とを備えている。なお、光源１２は別体に設けられる構成であってもよい。
【００１４】
干渉計１４は、振幅分割型であって、ＢＦ１３に励振した直線偏光とモード結合した直線偏光とを干渉させる。干渉計１４の具体的な構成例については、具体例１〜３で後述する。
【００１５】
光路長制御装置１５は、干渉計１４における、励振した直線偏光又はモード結合した直線偏光の光路の少なくとも何れか一方の光路長を調整する。一般には、一方の光路のみが調整される。
【００１６】
受光器１６は、干渉計１４で干渉が生じた光（干渉光）を検出して、Ｏ／Ｅ（光電）変換する。
【００１７】
光変調装置１７は、干渉信号測定系１１に作用して干渉光を変調させる。具体的な変調については、具体例で後述する。また、信号処理・記録装置１８は、受光器１６における干渉光の検出出力を、ケーブル長手方向情報を含めて信号処理し記録するとともに、モード結合係数演算装置１９へ出力する。
【００１８】
モード結合係数演算装置１９は、信号処理・記録装置１８から出力された信号を基に、励振した直線偏光とモード結合した直線偏光との干渉光の信号のＢＦ長手方向分布（以下、単に「長手方向」と称する）に対する自己相関関数を求め、さらにフーリエ変換を行い、ＢＦ１３のモード結合係数の空間周波数依存性を算出する。また、干渉計１４は、ＢＦ１３に励振した直線偏光とモード結合した直線偏光のみが干渉するように構成された光学系を有している。
【００１９】
次に、本実施形態に特徴的である、干渉光信号の長手方向分布からモード結合係数を算出する方法について説明する。
【００２０】
ＢＦ１３は、上述のように複屈折性を有し、二つの直交する偏波モードが伝搬可能である。本実施形態では、便宜的にそれら伝搬モード（偏波モード）を第１の偏波モードＰｘ、第２の偏波モードＰｙと称し、特にＢＦ１３に励振された直線偏光を第１の偏波モードＰ１、モード結合される直線偏光を第２の偏波モードＰ２とする。また、直交する第１及び第２の偏波モードＰ１、Ｐ２は、伝搬速度が異なり、一般に、速度の速い伝搬軸が進相軸（Fast Axis）、速度の遅い伝搬軸が遅相軸（Slow Axis）と称されている。以下、進相軸をｘ軸、遅相軸をｙ軸、長手方向をｚ軸とする。そして、第１の偏波モードＰ１の伝搬軸が進相軸（ｘ軸）であるとき「第１の偏波モードＰ１ｘ」、遅相軸（ｙ軸）であるとき「第１の偏波モードＰ１ｙ」とする。同様に、第２の偏波モードＰｙの伝搬軸が進相軸（ｘ軸）であるとき「第２の偏波モードＰ２ｘ」、遅相軸（ｙ軸）であるとき「第２の偏波モードＰ２ｙ」とする。
【００２１】
ここで、ｘ軸に対して平行に直線偏光を励振する場合について説明する。ｚ軸（長手方向）の位置ｚ＝ｚ１における第１の偏波モードＰ１ｘの光パワーをＩ０（ｚ１）、ｘ軸からｙ軸へのモード結合係数をｈｘｙ（ｚ１）とすると、ｚ＝ｚ１においてモード結合する第２の偏波モードＰ２ｙの光パワーＩ１（ｚ１）は、次の（１）式で表される。
0005191784.tif 000002
【００２２】
上述のように干渉計１４にて、第１の偏波モードＰ１ｘと第２の偏波モードＰ２ｙとを干渉させるが、受光器１６から出力される干渉信号強度Ｉ（ｚ１）は、以下の参考文献（１）を参考にして導出すると、次の（２）式で表される。
0005191784.tif 000003
ここで、Ｊｍ：ｍ次のベッセル函数、λ０：測定波長、Ω：光変調装置１７における変調周波数、ａ：光変調装置１７における周波数変調の振幅である。
参考文献（１）"Interference Between Two Orthogonally Polarized Modes Traversing a Highly Birefringent Air-Silica Microstructure Fiber", N.Shibata, A.Nakazono, and Y.Inoue, Journal of Lightwave Technology, vol. 23, pp.1244-1252,2005 
【００２３】
次に、信号処理・記録装置１８が、（２）式の最終項分のみの出力を検出する。一般に、モード結合係数ｈｘｙ（ｚ１）は小さな値であり、（２）式の信号がそのまま検出されると、モード結合係数ｈｘｙ（ｚ１）はノイズに埋もれてしまう。そこで、最終項のｃｏｓ（２Ωｔ）で示される周波数成分のみをロックインアンプ１６２で検出することで、モード結合係数ｈｘｙ（ｚ１）を含む情報を得ることができる。この出力をＰ（ｚ１）として、その２乗処理を行うと、次の（３）式で表され、モード結合係数ｈｘｙ（ｚ１）に比例した信号出力が得られる。
0005191784.tif 000004
【００２４】
モード結合係数の長手方向のゆらぎをγｘｙ（ｚ）とすると、以下の参考文献（２）から、モード結合係数のｚ軸方向分布ｈｘｙ（ｚ）は、次の（４）式で関係づけられる。
0005191784.tif 000005
ここで、ｋは波数、ｉは虚数（−１）１／２である。
参考文献（２）Ivan. P.Kaminow,"Polarization in Optical Fibers", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.QE-17, No.1, pp.15-22, Jan.1981
【００２５】
そして、γｘｙ（ｚ）の自己相関関数は次の（５）式で表される。
0005191784.tif 000006
さらに、その自己相関関数のパワースペクトラムは、次の（６）式で表される。
0005191784.tif 000007
すなわち、モード結合係数のパワースペクトラムｈ（Ｋ）は、（４）式〜（６）式により、次の（７）式で表される。
0005191784.tif 000008
ここで、Ｋは空間周波数であり、波数ｋ＝２π／λとモード複屈折Ｂとから、Ｋ＝Ｂｋで表される。以下、モード結合係数のパワースペクトラムｈ（Ｋ）を、「モード結合係数ｈ（Ｋ）」と称する。
【００２６】
すなわち、モード結合係数ｈ（Ｋ）は空間周波数依存性を表しており、直交する２偏波モード（第１及び第２の偏波モードＰ１ｘ、Ｐ２ｙ）の干渉信号のｚ軸方向（長手方向）分布を信号処理して、モード結合係数のゆらぎを算出し、その自己相関係数を求めてパワースペクトラムを計算することにより求められる。
【００２７】
また、ＢＦ１３の消光比ηは１より非常に小さい場合、ＢＦ１３の長さをＬｆとすると、η＝ｈ（Ｋ）×Ｌｆで表される。したがって、モード結合係数ｈ（Ｋ）からＢＦ１３の消光比を算出できる。
【００２８】
以下、具体的な構成について説明する。
＜具体例１＞
図２は、本実施形態の具体例１に係るモード結合評価装置１１０の概略構成を示す機能ブロック図である。モード結合評価装置１１０は、光源１１２と、干渉信号測定部１２０と、記録処理制御部１６０と、それら構成要素を統括的に制御する主制御部１１１とを備えている。そして、光源１１２と干渉信号測定部１２０の間の経路に被測定対象のＢＦが設置される。なお、この光源１１２は、図１の基本技術の光源１２と同様に、ＰＭＦ１１３の複屈折軸と平行な直線偏光（第１の偏波モードＰ１ｘ）を励振する可干渉距離の短い光波を出力する。
【００２９】
ここで、被測定対象として、ＢＦの一種である偏波保持型ファイバ（Polarization Maintaining Fiber、以下「ＰＭＦ」と称する）１１３について例示する。
【００３０】
干渉信号測定部１２０は、干渉計１４０と、受光器１５６と、可動鏡位置制御部１５８を備えている。干渉計１４０は、ＰＭＦ１１３に励振した直線偏光（第１の偏波モードＰ１ｘ）と、モード結合した直線偏光（第２の偏波モードＰ２ｙ）とを干渉させる。受光器１５６は、干渉信号を検出しＯ／Ｅ変換する。また、可動鏡位置制御部１５８は、干渉計１４０の可動鏡１４６の位置を動かして光路長制御を行う。
【００３１】
干渉計１４０は、１／２波長板（以下、「ＷＰ」と称する）１４２と、偏光ビームスプリッタ（以下、「ＰＢＳ」と称する）１４４と、可動鏡１４６と、固定鏡１４８と、ビームスプリッタ（以下、「ＢＳ」と称する）１５０と、検光子１５２と、を備える。ＷＰ１４２は、干渉計１４０の上流側（光源１１２側）に設けられており、光波の直線偏光を調整する。より具体的には、ＷＰ１４２は、第１の偏波モードＰ１ｘと第２の偏波モードＰ２ｙの偏光方向を、ＰＢＳ１４４の主軸と一致させる。ＰＢＳ１４４は、ＰＭＦ１１３から出射する光波を二つの光路（光路１及び光路２）に分波する。可動鏡１４６は、光路１に設けられ、ＢＳ１５０を直進透過した光波をＢＳ１５０へ反射させるとともに、光路１及び光路２間に光路長差を与える光路長調整器として機能する。固定鏡１４８は、光路２に設けられ、ＰＢＳ１４４からの光波をＢＳ１５０へ向けて反射する。ＢＳ１５０は、ＰＢＳ１４４と可動鏡１４６の間の経路に設けられて、二つの異なる光路（光路１及び光路２）を伝搬した二つの光波を合波する。検光子１５２は、直交する二つの直線偏光（第１及び第２の偏波モードＰ１ｘ，Ｐ２ｙ）を干渉させる。また、可動鏡１４６は、上述の通り可動鏡位置制御部１５８により二つの光路間の光路長差が制御される。さらに、可動鏡１４６にはピエゾ素子１５４が取り付けられ、後述する任意波形発生器１７０により与えられる駆動信号によって変調を行う。
【００３２】
ここで、光路１は、ＰＢＳ１４４を直進し、ＢＳ１５０を透過し、可動鏡１４６で反射して、ＢＳ１５０に戻る経路である。また、光路２は、ＰＢＳ１４４から固定鏡１４８へ向かい、固定鏡１４８で反射してＢＳ１５０に向かう経路である。そして、光路１及び光路２と進んだ二つの光波はＢＳ１５０で合波され検光子１５２に進む。なお、光路１は、第１の偏波モードＰ１ｘの光路として、光路２は第２の偏波モードＰ２ｙの光路として後述する。
【００３３】
記録処理制御部１６０は、ロックインアンプ１６２と、信号処理部１６４と、記録部１６６と、モード結合係数演算部１６８と、任意波形発生器１７０と、周波数変更部１７２とを備える。
【００３４】
任意波形発生器１７０は、可動鏡１４６に取り付けられたピエゾ素子１５４を任意の波形及び周波数で駆動する。これによって、可動鏡１４６に入射する光波は変調される。したがって、任意波形発生器１７０はピエゾ素子１５４とともに光変調装置として機能する。また、任意波形発生器１７０は、ロックインアンプ１６２に対してピエゾ素子１５４を駆動した信号と同じ信号を参照信号として出力する。任意波形発生器１７０から出力された参照信号は、周波数変更部１７２によって周波数を２倍に変換されて、ロックインアンプ１６２に入力する。
【００３５】
ロックインアンプ１６２は、受光器１５６から検出信号を取得するとともに、周波数変更部１７２で２倍に変換された任意波形発生器１７０の参照信号が入力される。そして、信号処理部１６４は、ロックインアンプ１６２の出力を取得し後述する所定の信号処理を施して記録部１６６に出力する。また、記録部１６６は、可動鏡位置制御部１５８から可動鏡１４６の位置（初期位置からの移動距離ｄ）を取得する。
【００３６】
モード結合係数演算部１６８は、記録部１６６が取得したデータ（信号処理部１６４及び可動鏡位置制御部１５８からの出力）を基にモード結合係数を算出する。
【００３７】
以上の構成によるモード結合評価装置１１０の動作について説明する。
図示のように、まず、光源１１２と干渉計１４０との間に、被測定対象であるＰＭＦ１１３が設置される。
【００３８】
次に、光源１１２から出射される光波の偏光方向が調整されて、ＰＭＦ１１３の複屈折軸と平行な直線偏光がＰＭＦ１１３に励振される。図２では、ｘ軸（図中、中塗り二重丸で表記）を進相軸として、直線偏光である第１の偏波モードＰ１ｘがＰＭＦ１１３に励振された状態を例示している。また、ｙ軸（図中、双方向矢印で表記）を遅相軸としている。そして、ＰＭＦ１１３に歪みや側圧等の外力が加わるとモード結合が起こり、励振した第１の偏波モードＰ１ｘに直交する第２の偏波モードＰ２ｙが誘起される。第１の偏波モードＰ１ｘと第２の偏波モードＰ２ｙがＰＭＦ１１３の出射端まで伝搬するうちに、ＰＭＦ１１３の複屈折性によって第１の偏波モードＰ１ｘと第２の偏波モードＰ２ｙ間の伝搬距離に依存した群遅延時間差が生じ、進相軸を伝搬する第１の偏波モードＰ１ｘが先に出射される。
【００３９】
つづいて、ＰＭＦ１１３の出射端まで伝搬した第１及び第２の偏波モードＰ１ｘ、Ｐ２ｙとが干渉計１４０に入射される。このとき、第１及び第２の偏波モードＰ１ｘ、Ｐ２ｙの偏光方向がＰＢＳ１４４の主軸と一致するようにＷＰ１４２が調整される。この調整によって、第１及び第２の偏波モードＰ１ｘ、Ｐ２ｙは、干渉計１４０の二つの光路に互いに分離して入射する。
【００４０】
光路１には、第１の偏波モードＰ１ｘが入射される。ここで、光路１を伝搬する第１の偏波モードＰ１ｘを「光路１偏波モードＰ１ｘ１」と称する。また、光路２には、第２の偏波モードＰ２ｙが入射される。同様に、光路２を伝搬する第２の偏波モードＰ２ｙを「光路２偏波モードＰ２ｙ２」と称する。光路１偏波モードＰ１ｘ１は、可動鏡１４６によって光路長が調整され、ＢＳ１５０によって光路２偏波モードＰ２ｙ２と合波される。また、任意波形発生器１７０の制御によって可動鏡１４６に取り付けられたピエゾ素子１５４が周波数Ωで振動することで、光路１偏波モードＰ１ｘ１は位相変調する。したがって、このモード結合評価装置１１０は、位相変調方式とされる。なお、変調される光波は、第１の偏波モードＰ１ｘに限らず、第２の偏波モードＰ２ｙであってもよいし、両方の偏波モード（光波）が変調されてもよい。
【００４１】
合波した光波は、ＰＢＳ１４４の主軸と４５度傾けて設置された検光子１５２によって干渉し、受光器１５６は干渉光を検出する。受光器１５６でＯ／Ｅ変換された干渉信号の周波数成分は、上述の参考文献（１）によると、変調周波数の２倍である周波数２Ωで最大となる。したがって、干渉信号は、参照信号ｓｉｎ２Ωｔを基にロックインアンプ１６２で増幅されて信号処理部１６４へ出力Ｐとして出力される。
【００４２】
信号処理部１６４では、上述の（３）式の通り、ロックインアンプ１６２の出力Ｐを２乗する。これによって、モード結合係数ｈｘｙに比例した干渉信号を得ることができる。そして、記録部１６６は、可動鏡１４６の移動距離ｄとモード結合係数ｈｘｙに比例する干渉信号出力（Ｐ２）とを関連づけて記録する。
【００４３】
ここで、ＰＭＦ１１３の出射端からモード結合が起きた位置までの伝搬距離（モード結合発生位置）Ｌと、可動鏡１４６の移動距離ｄとの関係は、次の（８）式で表される。
0005191784.tif 000009
ここで、ｃは光速、τｐはＰＭＦ１１３の偏波分散である。
【００４４】
すなわち、この（８）式より、ＰＭＦ１１３の偏波分散τｐを別な方法で求めておけば、モード結合が観測された可動鏡１４６の移動距離ｄから、ＰＭＦ１１３内のモード結合発生位置Ｌを求めることができる。このようにして、長手方向に分布する光干渉信号が測定される。
【００４５】
次に、モード結合係数演算部１６８が、干渉信号の長手方向分布から、上述した（４）〜（７）式をもとにした方法にしたがってモード結合係数ｈ（Ｋ）を算出する。このモード結合係数ｈ（Ｋ）が空間周波数依存性である。
【００４６】
図３は、モード結合評価装置１１０を用いて求めたモード結合係数ｈ（Ｋ）の空間周波数依存性を示したグラフである。ここで、被測定対象は、ＰＭＦの一種である偏波保持ホーリーファイバ（以下、「ＰＭ−ＨＦ」と称する）であり、長さは１３ｍ、プラスチック樹脂被覆等によりケーブル化された状態である。
【００４７】
図３において、縦軸がモード結合係数ｈ（Ｋ）、横軸が空間周波数Ｋである。モード結合は、ほぼＫ＝３０ｒａｄ／ｍ未満では、多少ばらつきは見られるものの大きな値であることが分かる。また、Ｋ＝３０ｒａｄ／ｍ以上の高周波成分は小さいことが確認できる。今、波長９７２ｎｍのときの消光比ηを求めてみる。波長９７２ｎｍでは、モード複屈折Ｂ＝１．３×１０−４であり、空間周波数Ｋは、
Ｋ＝Ｂ×ｋ＝Ｂ×２π／λ＝８．４６×１０２
となる。このとき、モード結合係数ｈ（Ｋ）は、図より、１．５×１０−４となる。そして、消光比ηは、
η＝ｈ（Ｋ）×Ｌｆ
＝１．５×１０−４×１３
＝１．９５×１０−３
となり、この値を対数変換すると、２７．１ｄＢとなる。同様にして、波長１３１２ｎｍでは３１．１ｄＢと算出される。
【００４８】
そして、上記で算出したモード結合係数の空間周波数依存性の妥当性を検証するために、他の算出方法である消光比から求めたモード結合係数と比較した。図３に、消光比から求めたモード結合係数の値を併記している。図中、丸印が波長９７２ｎｍに関し、三角印が波長１３１２ｎｍに関する値である。図示の通り、両者は非常によく一致しており、本実施形態のモード結合係数の算出方法が妥当であることが確認される。
【００４９】
また、光ケーブルの被覆などを除去して光ファイバ素線をむき出した状態で、モード結合係数を求めた結果、光ケーブル状態とほぼ同じ空間周波数依存性となることが確認された。このことから、測定した光ケーブルは、樹脂被覆などの製造工程において異常な外力などが加わることなく、適正に製造がなされていることを確認できた。
【００５０】
次に、励振軸に関して説明する。可動鏡１４６は、上述の通り光路１を伝搬する光波の光路長を変えるが、可動鏡１４６を移動したときの干渉信号分布（ここでは、ロックインアンプ１６２の出力）を図４に例示する。
【００５１】
被測定対象は、前述のＰＭ−ＨＦであり、光源１１２の波長は９７２ｎｍである。横軸は、可動鏡１４６の位置であり、光路１と光路２の長さが一致する位置をゼロとし、光路１の長さが短くなる方向をマイナス側、長くなる方向をプラス側に示している。
【００５２】
図４（ａ）は、第１の偏波モードＰ１を進相軸（ｘ軸）に励振している場合（Ｐ１ｘの場合）について示している。可動鏡１４６を光路１が長くなる方向（プラス側）に動かしたときに、その移動距離が約１．６ｍｍのところまで干渉信号が現れているのが分かる。すなわち、光路長を長くして光路１偏波モードＰ１ｘ１の伝搬する時間を長くすることにより、光路２偏波モードＰ２ｙ２と干渉しているのが確認される。マイナス側には何も検出されないことから、光路１偏波モードＰ１ｘ１と光路２偏波モードＰ２ｙ２以外の干渉は起きていないことも確認される。
【００５３】
同様に、図４（ｂ）は、第１の偏波モードＰ１を遅相軸（ｙ軸）に励振している場合（Ｐ１ｙの場合）について示している。干渉計１４０では、上述の通りＷＰ１４２を調整して、遅相軸（ｙ軸）に励振した第１の偏波モードＰ１ｙを光路１に入射させている。この遅相軸励振の場合、第１の偏波モードＰ１ｙは、進相軸（ｘ軸）にモード結合した第２の偏波モードＰ２ｘよりも遅くＰＭＦ１１３の出射端に到達するので、可動鏡１４６を第１の偏波モードＰ１ｙの光路が短くなる方向（マイナス側）に移動させたときに干渉信号が得られる。図４（ｂ）に、この結果が明確に示されている。
【００５４】
このように、遅相軸（ｙ軸）に第１の偏波モードＰ１ｙを励振した場合、進相軸（ｘ軸）にモード結合した第２の偏波モードＰ２ｘとの干渉信号分布やモード結合係数は、ｙ軸からｘ軸へのモード結合係数ｈｙｘ（ｚ１）に基づいて得られる。一方、進相軸（ｘ軸）励振の場合、上述したように、ｘ軸からｙ軸へのモード結合係数ｈｘｙ（ｚ１）に基づく干渉信号分布やモード結合係数を求めている。図４（ａ）及び（ｂ）では、進相軸励振の干渉信号分布と遅相軸励振の干渉信号分布とが明瞭に区別されていることから、本実施形態では、ｈｘｙ（ｚ１）とｈｙｘ（ｚ１）の違いを検出することができる。
【００５５】
図４（ａ）及び（ｂ）の波形を比較してみると、可動鏡１４６の位置０を中心として、ほぼ対称となっている。すなわち、ｈｘｙ（ｚ１）＝ｈｙｘ（ｚ１）であることが予想される。図４（ａ）及び（ｂ）の干渉信号分布を処理してモード結合係数を算出したところ、両者は一致することが確認された。
【００５６】
また、図４（ａ）及び（ｂ）から、本実施形態で示した干渉信号測定系（光源１１２、ＰＭＦ１１３、干渉計１４０）では、光源１２からの直線偏光がＰＭＦ１１３の進相軸に励振された場合には干渉信号分布が可動鏡１４６の位置のプラス側に現れ、遅相軸に励振された場合には干渉信号分布が可動鏡１４６の位置のマイナス側に現れることから、直線偏光の励振軸を識別できる利点がある。
【００５７】
次に、干渉光信号の長手方向分布測定での空間分解能について説明する。ＰＭ−ＨＦを含む光ケーブルの出射端側から１ｍの位置に、幅約１ｍｍで、ケーブル側面より圧力を加えることで故意にモード結合を発生させ、空間分解能を把握した。
【００５８】
図５は、ケーブル出射端から１ｍの位置に観測された、直交する２偏波モードの干渉による強度信号の規格化された波形である。空間分解能を干渉光強度の半値全幅（図中Ｂ）として定義すると、図５から空間分解能は６２ｍｍとなる。参考文献（１）によると、干渉光強度の半値全幅は、使用する光源１１２のスペクトル幅が大きいほど小さくなることが示されている。したがって、上述の光源１１２のスペクトルの半値全幅１７ｎｍより広いスペクトルの半値全幅を示す光源を用いれば、空間分解能を上げることも可能である。
【００５９】
＜具体例２＞
図６は、本実施形態の具体例２に係るモード結合評価装置２１０の概略構成を示す機能ブロック図であり、上述した具体例１のモード結合評価装置１１０の変形例であり、異なる構成は主に干渉信号測定部２２０の干渉計２４０にある。以下、主に異なる構成及び動作について説明し、同一機能の構成要素については、一部同一符号を付し説明は省略する。
【００６０】
図６に示すモード結合評価装置２１０の干渉計２４０は、ＰＭＦ１１３から出射する光波を二つの光路に分波する箇所に光分波器としてＢＳ２５０を設け、二つの光路を伝搬する光波を合波する箇所に光合波器としてＰＢＳ２４４を設けている。そして、具体例１と同様に、二つの光路間に光路長差を与える光路長調整器である可動鏡２４６と、光波の直線偏光の方向を調整する光学系であるＷＰ（１／２波長板）２４２と、直交する二つの直線偏光を干渉させる光学系である検光子２５２とを備えている。なお、固定鏡２４８と可動鏡２４６の位置は、具体例１の配置と入れ替わっている。また、可動鏡２４６には、具体例１と同様に、ピエゾ素子２５４が取り付けられている。
【００６１】
この具体例２では、第１の偏波モードＰ１ｘと第２の偏波モードＰ２ｙの偏光方向がＰＢＳ２４４の主軸と一致するように、ＷＰ２４２とＰＢＳ２４４が調整される。その結果、光路１の光路１偏波モードＰ１ｘ１と光路２の光路２偏波モードＰ２ｙ２のみがＰＢＳ２４４で合波される。なお、主軸の調整の仕方によっては、光路１を通る第２の偏波モードＰ２ｙ（「Ｐ２ｙ１」と称する）と光路２を通る第１の偏波モードＰ１ｘ（「Ｐ１ｘ２」と称する）のみがＰＢＳ２４４で合波されるようにすることも可能である。これによって、具体例１と同様の作用及び効果が実現できるとともに、測定の自由度が向上する。
【００６２】
なお、具体例１及び具体例２において、ＰＢＳ１４４、２４４やＢＳ１５０、２５０及びＷＰ１４２、２４２を用いた構成について例示した。この他に、例えば、偏光子等を組み合わせることで、検光子１５２、２５２に入射する光波を、ＰＭＦ１１３に入射した直線偏光とモード結合した直線偏光のみにすることができる。
【００６３】
＜具体例３＞
図７は、本実施形態の具体例３に係るモード結合評価装置３１０の概略構成を示す機能ブロック図であり、上述した具体例１のモード結合評価装置１１０の別の変形例であり、異なる構成は主に記録処理制御部３６０の光変調装置にある。以下、主に異なる構成及び動作について説明し、同一機能の構成要素については、一部同一符号を付し説明は省略する。
【００６４】
具体例１においては、光変調装置としてピエゾ素子１５４と任意波形発生器１７０とが設けられていた。一方、具体例３では、光変調装置として、光チョッパー３７２と光チョッパー制御部３７０とが設けられ、この構成の光変調装置は、励振された直線偏光の振幅を変化させる振幅変調方式となっている。具体的には、光源１１２とＰＭＦ１１３の経路途中に光チョッパー３７２を配置している。そして、記録処理制御部３６０の光チョッパー制御部３７０が光チョッパー３７２の駆動を所定の周波数に制御している。また、その周波数（Ω）をロックインアンプ１６２に対して参照信号として出力する。なお、この構成のモード結合評価装置３１０の場合、ロックインアンプ１６２では、参照信号の周波数をそのまま使用するため、周波数変更部１７２が省いた構成となっている。
【００６５】
この振幅変調方式であるモード結合評価装置３１０の妥当性を確認するために、具体例１の位相変調方式であるモード結合評価装置１１０との比較測定を行った。図８は、波長９７２ｎｍにおける両者のモード結合係数の空間周波数依存性を示している。図示のように、振幅変調方式では、ノイズが多く見られるが、両者のモード結合係数の空間周波数依存性は非常によく一致しており、振幅変調方式のモード結合評価装置３１０の妥当性が確認された。なお、光チョッパー３７２は、干渉計１４０とＰＭＦ１１３の間の経路に配置されて、ＰＭＦ１１３でモード結合により生じた第２の直線偏光Ｐ２ｙも変調されてもよい。
【００６６】
以上、本実施形態の基本技術及び具体例１〜３の概略効果をまとめると以下の通りである。
１）本実施形態によって、高空間分解能で測定した直交する２偏波モードの干渉信号の光ファイバ長手方向分布を基に、モード結合係数の空間周波数依存性を求めることが可能となった。この結果、モード結合係数の空間周波数依存性やその変化を検知できるので、光ファイバや光ケーブルの製造工程評価、及び製造された光ケーブルや光ケーブルの特性や品質の評価を行うことができる。
２）光ファイバのモード結合位置検出の空間分解能は、従来１ｍ程度であったが、本実施形態では１０ｃｍ以下と、非常に高い性能を実現できる。
３）モード結合係数の空間周波数特性から、任意波長における消光比を求めることができるので、従来行われていた消光比の測定が不要となる。
４）進相軸から遅相軸へのモード結合係数と、遅相軸から進相軸へのモード結合係数とを区別して評価することができる。
５）干渉計の可動鏡を動かしたときに、干渉信号がマイナス側に現れるかプラス側に現れるかによって、偏波保持型ファイバに励振した直線偏光が、遅相軸か進相軸かを識別できる。この識別は、励振する複屈折軸によって光損失特性が異なるような偏波保持型光ファイバ等では重要であり、本実施形態により得られる大きなメリットである。
【００６７】
以上、本発明を実施形態を基に説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素及びその組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】実施形態の基本技術に係る、モード結合評価装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
【図２】実施形態の具体例１に係る、モード結合評価装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
【図３】実施形態の具体例１に係る、モード結合評価装置を用いて求めたモード結合係数ｈ（Ｋ）と空間周波数の関係により空間周波数依存性を示したグラフである。
【図４】実施形態の具体例１に係る、モード結合評価装置において、可動鏡を移動したときの干渉信号分布を示したグラフである。
【図５】実施形態の具体例１に係る、モード結合評価装置において、ケーブル出射端から１ｍの位置に観測された、直交する２偏波モードの干渉による強度信号の規格化された波形を示した図である。
【図６】実施形態の具体例２に係る、モード結合評価装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
【図７】実施形態の具体例３に係る、モード結合評価装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
【図８】実施形態の具体例１及び具体例３に係る、波長９７２ｎｍにおける位相変調方式と振幅変調方式のモード結合係数の空間周波数依存性を示したグラフである。
【図９】従来技術における概略装置構成の一例を示した図である。
【図１０】従来技術における概略装置構成の一例を示した図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０、１１０、２１０、３１０  モード結合評価装置
１１  干渉信号測定系
１２、１１２  光源
１３  ＢＦ
１４、１４０、２４０  干渉計
１５  光路長制御装置
１６、１５６、２５６  受光器
１７  光変調装置
１８  信号処理・記録装置
１９  モード結合係数演算装置
１１３  ＰＭＦ
１２０、２２０  干渉信号測定部
１４２、２４２  ＷＰ
１４４、２４４  ＰＢＳ
１４６、２４６  可動鏡
１４８、２４８  固定鏡
１５０、２５０  ＢＳ
１５２、２５２  検光子
１５４、２５４  ピエゾ素子
１５８  可動鏡位置制御部
１６０、３６０  記録処理制御部
１６２  ロックインアンプ
１６４  信号処理部
１６６  記録部
１６８  モード結合係数演算部
１７０  任意波形発生器
１７２  周波数変更部
３７０  光チョッパー制御部
３７２  光チョッパー
【図１】
0005191784.tif 000010
【図２】
0005191784.tif 000011
【図３】
0005191784.tif 000012
【図４】
0005191784.tif 000013
【図５】
0005191784.tif 000014
【図６】
0005191784.tif 000015
【図７】
0005191784.tif 000016
【図８】
0005191784.tif 000017
【図９】
0005191784.tif 000018
【図１０】
0005191784.tif 000019