(57)【要約】【課題】空孔構造光ファイバのＭＦＤを、煩雑な測定手順をかけることなく、１度の測定で精度良く、かつ一意に測定可能とすること。【解決手段】広帯域光源１で発せられた光波から所定の測定波長の光波を分光器２により取り出して被測定光空孔構造ファイバＡの一端に入射し、当該被測定光空孔構造ファイバＡを伝搬し、その他端から出射された光波を可変開口角部３により任意の開口角に絞った上で受光器４に受光させ、そのときの光パワーに応じた電気信号（の値）を信号処理部５により記録し、これを可変開口角部３における開口角を逐次変化させて繰り返し、得られたそれぞれの開口角における光パワーに基づいて被測定空孔構造光ファイバＡのモードフィールド径を算出する。【選択図】図１
2013019717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向に複数の空孔を有する空孔構造光ファイバのモードフィールド径を測定する方法であって、
被測定空孔構造光ファイバの一端に入射するための所定の測定波長の光波を発生する送信部と、
被測定空孔構造光ファイバの他端から出射される光波の開口角を任意に設定する可変開口角部と、
前記可変開口角部を介して被測定空孔構造光ファイバの他端から出射される光波を受光し、その光パワーに応じた電気信号に変換する受光器と、
受光器から出力される電気信号を記録して処理する信号処理部とを少なくとも用い、
前記信号処理部により、
送信部で発せられた所定の測定波長の光波を被測定空孔構造光ファイバの一端に入射し、可変開口角部における開口角の最大値を20°以上として、０°から当該最大値まで逐次変化させた時に受光器から出力される光パワーに応じた電気信号を記録し、これより被測定空孔構造光ファイバのモードフィールド径を算出する
ことを特徴とする空孔構造光ファイバのモードフィールド径測定方法。
【請求項２】
前記空孔構造光ファイバが単一モード動作するものであり、前記可変開口角部の開口角の最大値θmaxと、前記空孔構造光ファイバに係る空孔間ピッチΛとが下記式
θmax≧３７．３４８（Λ）-0.2696
を満たすように設定される
ことを特徴とする請求項１に記載の空孔構造光ファイバのモードフィールド径測定方法。
【請求項３】
前記可変開口角部の開口角の最大値θmaxと、前記空孔構造光ファイバに係るコア領域を取り囲む複数の空孔に内接する円の直径２ａ0とが下記式
θmax≧４２．９３５（２ａ0）-0.2823
を満たすように設定される
ことを特徴とする請求項１に記載の空孔構造光ファイバのモードフィールド径測定方法。
【請求項４】
長手方向に複数の空孔を有する空孔構造光ファイバのモードフィールド径を測定する装置であって、
被測定空孔構造光ファイバの一端に入射するための所定の測定波長の光波を発生する送信部と、
被測定空孔構造光ファイバの他端から出射される光波の開口角を任意に設定する可変開口角部と、
前記可変開口角部を介して被測定空孔構造光ファイバの他端から出射される光波を受光し、その光パワーに応じた電気信号に変換する受光器と、
受光器から出力される電気信号を記録して処理する信号処理部とを少なくとも備え、
前記信号処理部は、
送信部で発せられた所定の測定波長の光波を被測定空孔構造光ファイバの一端に入射し、可変開口角部における開口角の最大値を20°以上として、０°から当該最大値まで逐次変化させた時に受光器から出力される光パワーに応じた電気信号を記録し、これより被測定空孔構造光ファイバのモードフィールド径を算出する
ことを特徴とする空孔構造光ファイバのモードフィールド径測定装置。
【請求項５】
前記空孔構造光ファイバが単一モード動作するものであり、前記可変開口角部の開口角の最大値θmaxと、前記空孔構造光ファイバに係る空孔間ピッチΛとが下記式
θmax≧３７．３４８（Λ）-0.2696
を満たすように設定される
ことを特徴とする請求項４に記載の空孔構造光ファイバのモードフィールド径測定装置。
【請求項６】
前記可変開口角部の開口角の最大値θmaxと、前記空孔構造光ファイバに係るコア領域を取り囲む複数の空孔に内接する円の直径２ａ0とが下記式
θmax≧４２．９３５（２ａ0）-0.2823
を満たすように設定される
ことを特徴とする請求項４に記載の空孔構造光ファイバのモードフィールド径測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバの光学特性、特に空孔構造光ファイバのモードフィールド径を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
長手方向（軸方向）に複数の空孔を有する空孔構造光ファイバは、従来の径方向の屈折率分布を制御した光ファイバでは実現し得ない種々の光学特性を実現できることから、近年、活発に開発されている。
【０００３】
空孔構造光ファイバは、従来の光ファイバと同様にコア領域とクラッド領域とに屈折率差を設けると同時に、コア領域の周囲に複数の空孔を設けた空孔アシスト型光ファイバ（ＨＡＦ：Hole-Assisted Fiber）と、均一な材料中に多数の空孔を設け、この空孔による光の閉じ込め効果を利用して光波を伝搬するフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ：Photonic Crystal Fiber）とに大別できる。
【０００４】
ＨＡＦは、特に曲げ損失特性を従来の光ファイバと比較して飛躍的に改善できることから、収容性・作業性を改善できることが知られている。またＰＣＦは、幅広い波長域での単一モード動作、波長分散や非線形効果の柔軟な制御が可能となり、超大容量伝送が可能な伝送媒体として期待されている。
【０００５】
ここで、光ファイバの光学特性を決定するパラメータのうち、モードフィールド径（ＭＦＤ：Mode Field Diameter）は、接続性を表す重要なパラメータである。従来の光ファイバにおいてＭＦＤを測定するためには、非特許文献１に示されるように、遠視野像（ＦＦＰ：Far-Field Pattern）法が使用される。ＦＦＰ法では、電界分布が軸対象分布となることを仮定し、ＦＦＰを１次元的に取得してＭＦＤを算出している。
【０００６】
しかしながら、非特許文献２に示されるように、空孔構造光ファイバは断面内の周方向に離散的に空孔を有する非軸対照構造である。そのため、ＦＦＰ法により空孔構造光ファイバのＦＦＰを１次元的に取得する場合、当該光ファイバの設置方向によってＦＦＰが変化することから、結果として得られるＭＦＤは一意に定まらない。
【０００７】
一方、非特許文献２では、光ファイバの断面内において中心を通る複数の軸上のＦＦＰを取得し、それぞれのＦＦＰからＭＦＤを算出することによって当該ＭＦＤの最大値および最小値を得て、これらの相加平均を用いて実用的なＭＦＤを得ている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したように、一般的なＭＦＤ測定方法では、空孔構造光ファイバのＭＦＤを決定することができないという課題があった。また、相加平均を用いてＭＦＤを取得する方法においては、最大値と最小値を決定するために相当数の回数で測定を行う必要があるため、手順が煩雑であるとともに多大な測定時間を要するといった課題があった。さらに、最大値を抽出する際と最小値を抽出する際とで測定の精度が変化し、結果として得られるＭＦＤの精度が劣化するといった課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、空孔構造光ファイバのＭＦＤを、煩雑な測定手順をかけることなく、１度の測定で精度良く、かつ一意に測定可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、可変開口角部を用い、その開口角を適切に制御することにより、前記課題を解決する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、空孔構造光ファイバのＭＦＤを１度の測定で精度良く、かつ一意に測定でき、空孔構造光ファイバの接続性を従来の光ファイバの接続性と同様に評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の空孔構造光ファイバのモードフィールド径測定装置の実施の形態の一例を示す構成図である。
【図２】受光パワーおよびＭＦＤの開口角に対する依存性を示す特性図である。
【図３】ＭＦＤの誤差と開口角との関係を示す特性図である。
【図４】高精度にＭＦＤを測定するために必要な開口角とＰＣＦの空孔間ピッチおよび空孔直径との関係を示す特性図である。
【図５】高精度にＭＦＤを測定するために必要な開口角とＰＣＦの空孔内接円直径との関係を示す特性図である。
【図６】軸ずれに対する損失の測定値とＭＦＤから求めた計算値を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
図１は本発明の空孔構造光ファイバのモードフィールド径測定装置の実施の形態の一例を示すもので、図中、１は広帯域光源、２は分光器、３は可変開口角（Variable Angular Aperture）部、４は受光器、５は信号処理部、６は表示部、７は高次モード除去器、８は調芯台、９はレンズである。
【００１５】
広帯域光源１は、比較的広い波長帯に亘る光波を発生するもので、白色光源、ＬＥＤ、ＳＬＤ、ＳＣ光などが利用できる。分光器２は、広帯域光源１で発せられた光波から被測定空孔構造光ファイバ、例えばＡの一端に入射する所定の測定波長の光波を取り出す。なお、広帯域光源１および分光器２により、被測定空孔構造光ファイバＡの一端に入射するための所定の測定波長の光波を発生する送信部が構成されるが、前記所定の測定波長の光波をそのまま発生可能な単一の光源に置き換えることもできる。
【００１６】
可変開口角部３は、被測定空孔構造光ファイバＡの他端と受光器４との間に設置され、被測定空孔構造光ファイバＡの他端から出射される光波の開口角を任意に設定する。なお、開口角は、光ファイバの光軸を基準とする角度で表され、その設定可能な範囲は０°〜９０°である。
【００１７】
受光器４は、可変開口角部３を介して被測定空孔構造光ファイバＡの他端から出射される光波を受光し、その光パワーに応じた電気信号に変換する。信号処理部５は、受光器４から出力された電気信号を記録し、後述する如く処理してＭＦＤの測定を行う。表示部６は、信号処理部５で処理された結果を表示する。
【００１８】
高次モード除去器７は、前記測定波長において送信部の出射光が単一モードではなく、かつ被測定空孔構造光ファイバＡが単一モード動作しない場合に、高次モードの測定結果への影響を低減するためのもので、被測定空孔構造光ファイバＡの前段、つまり分光器２と被測定空孔構造光ファイバＡの一端との間に挿入され、分光器２の出力光から高次モード光を除去する。なお、高次モード除去器７としては、測定波長帯で単一モード動作が可能な単一モード光ファイバなどが利用できる。
【００１９】
調芯台８は、被測定空孔構造光ファイバＡの他端の中心軸を可変開口角部３の中心に位置合わせするためのものであり、また、レンズ９は可変開口角部３を通過した光波を受光器４に集光するためのものである。
【００２０】
前記構成において、広帯域光源１から発せられた光波は分光器２により所定の測定波長、例えばλの光波が取り出された後、被測定空孔構造光ファイバＡの一端に入射される。被測定空孔構造光ファイバＡを伝搬し、その他端から出射された光波は可変開口角部３により任意の開口角、例えばθに絞られ、受光器４に受光され、このときの光パワーＰ（θ）に応じた電気信号（の値）が信号処理部５で記録される。可変開口角部３における開口角θを０°からθmaxまで逐次変化させ、それぞれの開口角における光パワーＰ（θ）を取得し、これらに基づき、信号処理部５で下記式(1)によって波長λにおけるＭＦＤ（２Ｗ）を算出する。
【００２１】
【数１】
2013019717.tif 000003
【００２２】
ここで、θmaxは、可変開口角部３における開口角の最大値を表す。このとき、被測定空孔構造光ファイバＡのＦＦＰを２次元的に取得できるため、空孔構造光ファイバのような非軸対照構造であっても、その設置方向を考慮する必要なく、ＭＦＤを測定できる。従って、非特許文献２に示されるように、光ファイバ断面内の軸方向に依存するＭＦＤの最大値と最小値を探索する必要がないため、装置構成および測定手順が簡単になるとともに測定精度が向上し、好ましい。
【００２３】
図２は任意の開口角における受光パワーおよび式(1)によって計算したＭＦＤを示す。図中の実線および破線は一般的な単一モードファイバ（ＳＭＦ）における値を、一点鎖線および二点差線はＰＣＦにおける値を表す。ここで、ＳＭＦにおいてはコア直径および比屈折率差をそれぞれ8.4μｍおよび0.35％とし、ＰＣＦにおいては空孔間ピッチΛおよび規格化空孔直径（空孔直径ｄと空孔間ピッチΛとの比）ｄ／Λをそれぞれ7.6μｍおよび0.43％とした。また、可変開口角部３における開口角の最大値θmaxは30°とした。
【００２４】
受光パワーについては、開口角10°前後でＳＭＦとＰＣＦに波形の違いが出ていることが確認できる。また算出したＭＦＤについては、ＳＭＦとＰＣＦのどちらも開口角を大きくするに伴い一定の値に収束し、θmaxにおいてＳＭＦ、ＰＣＦに対してそれぞれ8.8μｍ、8.5μｍである。ＳＭＦとＰＣＦのＭＦＤは比較的近い値であるにも拘わらず、ＭＦＤの開口角に対する依存性は大きく異なる。即ち、ＳＭＦに対しては開口角12°以下で急激にＭＦＤが増加するのに対し、ＰＣＦでは17°以下で急激にＭＦＤが増加した。これらの受光パワーおよびＭＦＤの開口角に対する変化の違いは、ＰＣＦが有する光ファイバ構造の非軸対称性によるものと考えられる。
【００２５】
図３に、ＭＦＤの開口角に対する依存性を示す。ここで縦軸は各開口角におけるＭＦＤの、θmaxにおけるＭＦＤに対する比、即ちＭＦＤの真値からの相対誤差を表す。実線はＳＭＦにおける値を、破線、点線、一点鎖線はそれぞれΛが10μｍ、５μｍ、３μｍの場合のＰＣＦにおける値である。但し、ｄ／Λは0.5とした。どの光ファイバであっても、開口角を大きくすることで一定の値（ＭＦＤ（θmax））に収束する。
【００２６】
ここで非特許文献１によれば、ＳＭＦのＭＦＤ測定における測定誤差を１％以下とするためには開口数を0.25以上、即ち開口角を15°以上まで測定する必要がある旨が記載されている。図３において測定誤差を１％以下とする場合、ＳＭＦについては16°以上の開口角が必要となり、非特許文献１における条件と良く一致する。
【００２７】
一方、ＰＣＦの場合、コア領域が大きい場合、例えばΛが10μｍのときは20°以上の開口角が必要となるが、コア領域が小さい場合、例えばΛが３μｍのときは27°以上の開口角が必要となる。従って、空孔構造光ファイバのＭＦＤを測定する場合、少なくとも従来の光ファイバを測定する場合よりも大きな開口角が必要であり、さらにはコア領域の大きさに応じて開口角の最大値を適切に設定する必要がある。
【００２８】
図４は、ＰＣＦにおいて誤差１％以下でＭＦＤを測定するために必要となる開口角とＰＣＦの空孔間ピッチおよび空孔直径との関係を示す。横軸は空孔間ピッチΛであり、縦軸は前記開口角の最大値θmax＝30°におけるＭＦＤに対して誤差が１％となる開口角である。図中の○、□、△はそれぞれｄ／Λが0.3、0.5、0.7に対して得られた開口角、実線は近似曲線である。即ち、図４の実線より上の領域において、ＰＣＦのＭＦＤに対する測定誤差を１％未満とすることができる。
【００２９】
図４より、空孔間ピッチΛが大きくなり、または空孔直径ｄが小さくなるとき、ＰＣＦのＭＦＤを誤差１％以下で測定するために最小限必要な開口角は小さくなることがわかる。ここで非特許文献３より、通信波長帯で単一モード動作を得るためにはＰＣＦの規格化空孔直径ｄ／Λが約0.5またはそれ以下の値である必要がある。
【００３０】
また、図４より、ｄ／Λが小さくなると必要な開口角も小さくなるため、開口角を図４の破線（即ち、ｄ／Λ＝0.5のとき）以上の値とすることで、いかなる単一モードＰＣＦについても測定誤差を１％以下とすることができる。ここで、破線は、べき乗近似により、
θmax＝３７．３４８（Λ）-0.2696                                     (2)
として得られる。
【００３１】
従って、単一モードＰＣＦについては、測定前または測定と同時に空孔間ピッチを取得し、可変開口角の最大値を式(2)によって設定することで、ＰＣＦのＭＦＤを精度良く測定することが可能である。
【００３２】
図５は、ＰＣＦにおいて誤差１％以下でＭＦＤを測定するために必要となる開口角とＰＣＦの空孔内接円直径との関係を示す。横軸は空孔内接円直径、つまりコア領域を取り囲む１層目の空孔に内接する円の直径２ａ0（＝２Λ−ｄ）であり、縦軸は前記開口角の最大値θmax＝30°におけるＭＦＤに対して誤差が１％となる開口角である。図中の○、□、△は図４に示した値であり、実線はこれらをべき乗近似により近似した曲線である。即ち、図５の実線より上の領域において、ＰＣＦのＭＦＤに対する測定誤差を１％未満とすることができる。
【００３３】
図５より内接円直径２ａ0が大きくなるほど、ＰＣＦのＭＦＤを誤差１％以下で測定するために最小限必要な開口角は小さくなることがわかる。また、内接円直径２ａ0が15μｍ以下であるＰＣＦについては、ＭＦＤの測定誤差を１％以下とするためには開口角の最大値を少なくとも20°以上に設定する必要がある。
【００３４】
また図３〜５より、必要な開口角はコア領域の大きさ、即ち空孔に内接する円の大きさに応じて減少することから、内接円直径が15μｍ以上においても開口角が20°以上であれば、測定誤差は１％未満となる。また図５における近似曲線は、内接円直径２ａ0に対して、
θmax＝４２．９３５（２ａ0）-0.2823                                  (3)
であった。
【００３５】
このときの近似精度を表すＲ2値は0.97であり、必要な開口角は内接円直径２ａ0に対して式(3)を用いて良く表せることがわかる。従って、被測定光ファイバがＰＣＦのとき、測定前または測定と同時に空孔構造に係る幾何学的なパラメータを取得し、可変開口角の最大値を式(3)によって設定することで、ＰＣＦのＭＦＤを精度良く測定することが可能である。
【００３６】
表１に本発明のＭＦＤ測定方法および装置を用いて測定したＭＦＤの値を示す。被測定光ファイバにはＳＭＦと、空孔構造の異なる３種類のＰＣＦ、および空孔構造の異なる３種類のＨＡＦを用いた。また比較のため、従来のＦＦＰ法を用いて光ファイバに回転を与えながら複数回測定を行って得られたＭＦＤの最大値、最小値、平均も示している。
【００３７】
その結果、ＳＭＦについては、従来のＦＦＰ法では回転量によらず一定の値が得られており、その平均値、最大値、最小値は同等の値となっている。また本発明の測定方法による測定結果もＦＦＰ法と同等の値が得られており、本発明の測定方法がＳＭＦ等の従来のＳＭＦに適用できることがわかる。また全てのＰＣＦおよびＨＡＦについては、本発明の測定方法によるＭＦＤと従来のＦＦＰ法における平均値との間で、大きな差分はなく同等の結果が得られた。また従来のＦＦＰ法では、最大値および最小値を求めるためにファイバの回転を与えながら相当回数の測定を行わなければならず、測定手順の煩雑化や測定時間の増大、さらには測定器内にファイバの回転を与える機構が必要となる。一方、本発明の測定方法および装置によればファイバの回転機構は必要なく１度の測定で十分な精度のＭＦＤが得られ、好ましい。
【００３８】
【表１】
2013019717.tif 000004
【００３９】
次に、本発明の空孔構造光ファイバのＭＦＤ測定方法および装置で得られるＭＦＤの測定結果と接続損失との関係について説明する。ＭＦＤがそれぞれ２Ｗ1、２Ｗ2である２つの光ファイバを接続する際、軸ずれ量ｄを伴う場合、結合効率ηは式(4)で得られる。
【００４０】
【数２】
2013019717.tif 000005
【００４１】
ここで、接続損失は、−１０logηによって、ｄＢ単位で得られる。
【００４２】
図６に、軸ずれを与えたときに起因する損失の測定結果と式(3)により計算した軸ずれ損失を示す。図中の○、□、△はそれぞれ、表１に示したＳＭＦ、ＰＣＦ−１、ＨＡＦ−１における接続損失変化量の測定結果を表し、また、図中の実線、破線、点線はそれぞれ、表１に示したＳＭＦ、ＰＣＦ−１、ＨＡＦ−１における本発明の測定方法によって得たＭＦＤを用いて式(4)によって計算した接続損失を表している。ＳＭＦ、ＰＣＦ−１、ＨＡＦ−１の全てに対し、測定結果と計算値が良く一致していることがわかる。
【００４３】
従って、本発明の測定方法で得られたＭＦＤは接続性に対して、従来の光ファイバにおけるＭＦＤと接続性との関係と同じ関係を有することが確認できる。即ち、本発明の測定方法および装置によって得られた空孔構造光ファイバのＭＦＤを用いて、従来の光ファイバと全く同様に同種および異種光ファイバ間の接続性を評価することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、空孔構造光ファイバのモードフィールド径に対する試験に用いることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１：広帯域光源、２：分光器、３：可変開口角部、４：受光器、５：信号処理部、６：表示部、７：高次モード除去器、８：調芯台、９：レンズ、Ａ：被測定空孔構造光ファイバ。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００４６】
【非特許文献１】"Measurement methods and test procedures Mode field diameter", IEC 60793-1-45, 2001.
【非特許文献２】中村篤志、大橋正治、「ホーリーファイバのＭＦＤ定義式に関する一考察」、２０１０年電子情報通信学会ソサイエティ大会、B-10-14、2010年9月
【非特許文献３】T. Matsui, K. Nakajima and C. Fukai, "Applicability of photonic crystal fiber with uniform air-hole structure to high-speed and wide-band transmission over conventional telecommunication bands", IEEE. J. Lightwave. Technol, vol.27, pp.5410-5416, Feb.2009.
【図１】
2013019717.tif 000006
【図２】
2013019717.tif 000007
【図３】
2013019717.tif 000008
【図４】
2013019717.tif 000009
【図５】
2013019717.tif 000010
【図６】
2013019717.tif 000011