(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの残留応力測定装置において、
一端は閉鎖端であり、他端は開放端である石英チューブと、前記石英チューブの開放端に結合されて前記石英チューブを密閉し、前記密閉された石英チューブ内に残留応力を測定しようとする光ファイバを固定するキャップと、から構成される固定部と、
前記固定部に固定された光ファイバの残留応力測定のための光を発生する光発生装置と、前記光発生装置から発生して前記光ファイバを透過した光を検出する検出器と、から構成され、静置させた状態に配置された前記固定部内にある前記光ファイバの円周方向に沿って回転し、前記光ファイバを透過した光の位相変化に基づいて前記光ファイバの残留応力を測定する測定部と、を備え、
前記固定部の石英チューブは、前記光ファイバの屈折率と類似した屈折率を有する屈折率マッチングオイルが充填されることを特徴とする光ファイバの残留応力測定装置。
【請求項２】
前記測定部は、前記光発生装置から出力される光を平面波に変換するレンズ系をさらに含む請求項１記載の光ファイバの残留応力測定装置。
【請求項３】
前記測定部は、前記レンズ系によって平面波に変換された光を前記光ファイバに向けてチャネリングする反射鏡をさらに含む請求項２記載の光ファイバの残留応力測定装置。
【請求項４】
前記測定部は、前記石英チューブの屈折率及び曲率に対応する屈折率及び曲率を有し、前記平面波に変換された光が前記石英チューブを透過することによって発生する測定誤差を補償する対物レンズをさらに含む請求項２記載の光ファイバの残留応力測定装置。
【請求項５】
前記光発生装置は、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のいずれか１つである請求項１記載の光ファイバの残留応力測定装置。
【請求項６】
前記レンズ系は、少なくとも１つの凸レンズ及び凹レンズから構成される請求項２記載の光ファイバの残留応力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバに関し、特に、光ファイバの残留応力測定のための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、光ファイバの製作の後も光ファイバの製作過程で発生した応力(stress)の一部が除去されずに光ファイバ内に残っている。これを残留応力(residual stress)と称する。残留応力の測定は、高品質の光ファイバの生産、特殊光ファイバの開発及びその特性研究のために必須の要素である。
【０００３】
光ファイバの製作過程である高温の線引き工程で発生する残留応力は、光ファイバの光散乱によって光損失を増加させ、光弾性(photoelastic)現象によって屈折率変化を生じさせる。従って、高品質の光ファイバを製作するためには、残留応力を抑制する光ファイバの生産(線引き)技術が要求される。このような残留応力の抑制技術の開発のためには、光ファイバの残留応力測定を可能にする装置の開発が必須である。
【０００４】
さらに、近年、光ファイバの残留応力の一部分を解消する方法として、長周期光ファイバ格子(long-period fiber grating)が開発されている。この素子のスペクトル透過特性の研究及びこの特性を向上させる研究のために、残留応力の変化による屈折率の変化及び光ファイバの長手方向に沿う残留応力の分布を定期的に測定する必要がある。さらにまた、残留応力による屈折率の変化、つまり、光弾性効果によるドーピング物質分布の変化、及び非線形現象に対する徹底的な研究が必要である。このような研究のためには、光ファイバの残留応力及び光弾性効果が３次元的に測定及び観察できる測定装置が開発されるべきである。
【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遂行される。光弾性効果は、媒質に残っている応力の方向によって媒質の屈折率が変化する現象である。この光弾性効果のために、光ファイバまたは光ファイバ母材の屈折率は、光の偏光方向によって変化する性質を有する。
【０００６】
このような光ファイバの残留応力の測定方法は、Ｐ．Ｌ．Ｃｈｕ及びＴ．Ｗｈｉｔｅｂｒｅａｄの論文“Measurement of stresses in optical fiber and preform， Appl. Opt. 1982, 21, pp. 4241〜4245”に初めて開示され、測定方法及び測定装置に関する研究が継続して進められている。さらに、光弾性効果によって光ファイバを透過した光の位相変化を通して光ファイバの残留応力を算出する方法は、本出願人によるアメリカ特許出願番号第０９／８０３,８７３号(２００１年３月１３日)に開示されている。
【０００７】
図１は、従来技術の一実施形態による光ファイバの残留応力測定装置１０を説明するための図である。図１に示すように、従来技術の一実施形態による光ファイバの残留応力測定装置１０は、光発生装置１１、レンズ系１３、反射鏡１５、収束レンズ部１７ａ、対物レンズ部１７ｂ、及び検出器１９を備え、残留応力を測定しようとする光ファイバ３０ｂは、所定の平板３０ａに固定されて収束レンズ部１７ａと対物レンズ部１７ｂとの間に設置される。
【０００８】
光発生装置１１から出力される光は、レンズ系１３を進行して平面波に変換され、平面波に変換された光は、反射鏡１５及び収束レンズ部１７ａを通して光ファイバ３０ｂに入射される。光ファイバ３０ｂに入射された光は、光ファイバ３０ｂに残留応力が存在するか否かによって位相が変化する。残留応力を算出するために、検出器１９は、対物レンズ部１７ｂから一定の方向に偏光された光を検出する。
【０００９】
しかしながら、前述の平板に固定された光ファイバの残留応力を測定する方法は、一方向のみからしか残留応力を測定することができない。従って、他の方向の残留応力を測定するためには、測定しようとする方向に合わせて光ファイバをリセットする必要がある。このため、その間の測定条件の変化によって、残留応力の測定値に誤差が発生する恐れがある。
【００１０】
それ故、残留応力分布の３次元的な測定及び光ファイバの残留応力分布の非対称性の測定が不可能といった問題点がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、正確な光ファイバの残留応力分布を得ることのできる残留応力測定装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明による光ファイバの残留応力測定装置は、一端は閉鎖端であり、他端は開放端である石英チューブと、前記石英チューブの開放端に結合されて前記石英チューブを密閉し、前記密閉された石英チューブ内に残留応力を測定しようとする光ファイバを固定するキャップと、から構成される固定部と、前記固定部に固定された光ファイバの残留応力測定のための光を発生する光発生装置と、前記光発生装置から発生して前記光ファイバを透過した光を検出する検出器と、から構成され、静止させた状態に配置された前記固定部内にある前記光ファイバの円周方向に沿って回転し、前記光ファイバを透過した光の位相変化に基づいて前記光ファイバの残留応力を測定する測定部と、を備え、前記固定部の石英チューブは、前記光ファイバの屈折率と類似した屈折率を有する屈折率マッチングオイルが充填されることを特徴とする。
【００１４】
測定部は、光発生装置から出力される光を平面波に変換するレンズ系をさらに含むと好ましい。
【００１６】
また、測定部は、レンズ系によって平面波に変換された光を光ファイバに向けてチャネリング(channeling)する反射鏡をさらに含むとなおよい。
【００１７】
さらに、測定部は、石英チューブの屈折率及び曲率に対応する屈折率及び曲率を有し、平面波に変換された光が石英チューブを透過することによって発生する測定誤差を補償する対物レンズをさらに含むとなお好ましい。
【００１８】
光発生装置は、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のいずれか１つであるとよい。
【００１９】
レンズ系は、少なくとも１つの凸レンズ及び凹レンズから構成されると好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に従う好適な一実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明確にする目的で、関連した公知機能または構成に関する具体的な説明は省略する。
【００２１】
図２は、本発明の好適な一実施形態による光ファイバの残留応力測定装置１００を説明するための図であり、図３は、図２の固定部１１０を示す分解斜視図である。図２に示すように、本発明の好適な一実施形態による光ファイバの残留応力測定装置１００は、固定部１１０及び測定部１５０を備える。測定部１５０は、固定部１１０を中心にして回転しながら光ファイバ１１５の残留応力を測定することができるように、回転可能に設置される。
【００２２】
固定部１１０は、残留応力を測定しようとする光ファイバ１１５を固定する。固定部１１０は、図３に示すように、石英チューブ１１１ａ及びキャップ１１３を備え、光ファイバ１１５は、キャップ１１３の中央部に固定されて石英チューブ１１１ａ内に固定される。
【００２３】
石英チューブ１１１ａの一端は閉鎖端１１１ｂであり、他端は開放端１１１ｃである。この石英チューブ１１１ａの開放端１１１ｃにはキャップ１１３が結合される。キャップ１１３が結合されて密閉された石英チューブ１１１ａの内部は、屈折率マッチングオイル(refractive index matching oil)１１９が充填される。この配列は、残留応力の測定のための光が石英チューブ１１１ａ内の光ファイバ１１５へ入射される時、光ファイバ１１５の屈折率と光ファイバ１１５を囲む空気のような外部環境の屈折率との差によって入射される光の位相または経路が変化することを防止するためのものである。
【００２４】
残留応力を測定する時、光ファイバ１１５をキャップ１１３に固定して、屈折率マッチングオイル１１９を充填した石英チューブ１１１ａ内に配置する。
【００２５】
再び図２を参照すると、測定部１５０は、光発生装置１５１、レンズ系１５３、対物レンズ部(objective lens unit)１５９ａ、接眼レンズ部(eyepiece lens unit)１５９ｂ、及び検出器１５５を備え、付加的に、反射鏡１５７を備えることができる。測定部１５０は、光発生装置１５１から発生した光が固定部１１０に固定された光ファイバ１１５を通過する時に発生する光の位相変化を検出することによって光ファイバ１１５内の残留応力を測定する。
【００２６】
光発生装置１５１は、光ファイバの残留応力の測定のための光を発生する装置であり、光発生装置１５１から出力される光のスペクトルが狭いほど、つまり、出力される光の波長が短いほど、残留応力の測定に有利である。これは、短波長の光が光ファイバを透過する時、位相変化値が単一の値に表されるからである。このような特性を考慮し、光発生装置１５１の光源としてはヘリウム−ネオン(He-Ne)レーザーまたはアルゴンイオン(Ar ion)レーザーなどが利用される。
【００２７】
レンズ系１５３は、光発生装置１５１から出力される光を平面波(plane wave)に変換する装置である。レンズ系１５３のためには、少なくとも１つの凸レンズ及び凹レンズが利用される。ここで、凸レンズ及び凹レンズの曲率及び曲率による焦点距離によってレンズを配列するので、光発生装置１５１から出力される光を平面波に変換することができる。
【００２８】
検出器１５５は、光発生装置１５１から出力されて固定部１１０に固定された光ファイバ１１５を透過した光の位相変化を検出する。検出器１１５のためには、ＣＣＤアレイのように入射された光の強度分布が測定できる素子を利用することができる。位相変化は、光ファイバ１１５の残留応力による光弾性効果により発生する。検出器１５５から検出された光の位相変化を利用して、光ファイバ内の残留応力を算出する。この算出は、光ファイバ１１５の残留応力の有無または残留応力の方向性などによって光ファイバ１１５の屈折率が変化する光弾性効果を利用することによって可能である。
【００２９】
反射鏡１５７は、レンズ系１５３を通して平面波に変換された光を、固定部１１０に固定された光ファイバ１１５へ入射する経路に移動させるための装置であり、必要によって付加される装置である。一般的に、反射鏡１５７は、鏡または全反射特性を有する他の装置を利用することができる。
【００３０】
対物レンズ部１５９ａは、偏光板及び収束レンズなどから構成される。偏光板は、平面波に変換された光のうち一定の偏光方向を有する光のみを透過させて、検出器１５５の光の位相変化の検出を容易にする。対物レンズ１５９ａは、固定部１１０の石英チューブ１１１ａによって発生する測定誤差を補償するための装置である。石英チューブ１１１ａは多様な形状で製作することができ、その形状によって発生する屈折率の差または光の入射角による光の進行経路の変化などによって、固定部１１０内に固定された光ファイバ１１５の残留応力測定値に誤差が発生する可能性がある。従って、石英チューブ１１１ａの材質固有の特性による屈折率、形状による曲率などによって収束レンズ１５９ａの屈折率及び曲率を決定することで、石英チューブ１１１ａに発生する測定誤差が補償され、光の進行経路の変化が補正される。
【００３１】
固定部１１０は、レンズ系１５３と検出器１５５との間に設置され、反射鏡１５７及び対物レンズ１５９ａが付加された時は、対物レンズ１５９ａと検出器１５５との間に設置される。測定部１５０は、固定部１１０に固定された光ファイバ１１５の中心軸を回転軸Ａにして光ファイバ１１５の円周方向に回転しながら光ファイバ１１５の残留応力を測定する。
【００３２】
接眼レンズ部１５９ｂは、偏光分析器及び接眼レンズから構成される。光ファイバに入射される光は、対物レンズ部１５９ａの偏光板によって偏光される。入射される光は、１つの位相を有する偏光した光に変換される。光ファイバに残留応力が存在する時、偏光された光は２つの位相を有する光に変換される。接眼レンズ部１５９ｂの偏光分析器は、検出器１５５によって２つの位相を有する光の位相差を検出することを可能にする。つまり、２つの位相を有する光は、接眼レンズ部１５９ｂを通過し、検出器１５５によって検出される。言い換えると、平面波の光が光ファイバ１１５に直接入射されるため複数の位相を有する光が同時に検出器１５５に入射されるようになると、位相変化を検出することが困難になるので、この場合に偏光板及び偏光分析器が使用される。従って、対物レンズ部１５９ａ及び接眼レンズ部１５９ｂは、検出器１５５が光の位相変化を検出することを容易にするために使用される。
【００３３】
前述したように、光発生装置１５０から出力された光は、レンズ系１５３によって平面波の光に変換され、固定部１１０内の光ファイバ１１５に入射される。ここで、レンズ系１５３によって平面波に変換された光は、反射鏡１５７を通して光ファイバ１１５に入射される。反射鏡１５７の反射角は、光ファイバ１１５に入射される光の入射角が光ファイバ１１５に対して垂直になるように設定されるべきである。さらに、光ファイバ１１５の残留応力以外に、他の要素によって平面波に変換された光が歪むことを防止するために、石英チューブ１１１ａの内部は屈折率マッチングオイル１１９が充填される。さらにまた、対物レンズ部１５９ａは、石英チューブ１１１ａの屈折率及び曲率の影響を最小化するために設置される。さらにまた、偏光板及び偏光分析器は、光ファイバ１１５に入射される光及び検出器１５５に入射される光がそれぞれ一定の方向に入射されるように、入射光の進行経路上に設置される。
【００３４】
このように構成された光ファイバの残留応力測定装置１００は、測定部１５０の光発生装置１５１及び検出器１５５が、固定部１１０を中心に対向して設置され光ファイバ１１５の円周方向に沿って回転しながら光ファイバ１１５の残留応力を測定するので、固定部１１０に固定された光ファイバ１１５の残留応力だけでなく残留応力分布の非対称性も測定することができる。
【００３５】
前述の如く、本発明の詳細な説明では具体的な一実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲は前術の一実施形態によって限られるべきではなく、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。
【発明の効果】
前述してきたように、本発明による光ファイバの残留応力測定装置は、残留応力測定部が固定部内に固定された光ファイバの円周方向に回転しながら残留応力を測定するので、３次元的な光ファイバの残留応力分布だけでなく光ファイバ残留応力の非対称性もより正確に測定することができる。すなわち、周方向の測定を短時間で行なうことができるので、その間に測定条件が変化することが少ない。その結果、より正確な測定を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の一実施形態による光ファイバの残留応力測定装置を説明するための図。
【図２】本発明の好適な一実施形態による光ファイバの残留応力測定装置を説明するための図。
【図３】図２に示す固定部の分解斜視図。
【符号の説明】
１００  残留応力測定装置
１１０  固定部
１１１ａ  石英チューブ
１１１ｂ  閉鎖端
１１１ｃ  開放端
１１３  キャップ
１１５  光ファイバ
１１９  屈折率マッチングオイル
１５０  測定部
１５１  光発生装置
１５３  レンズ系
１５５  検出器
１５７  反射鏡
１５９ａ  対物レンズ部
１５９ｂ  接眼レンズ部
Ａ  回転軸（光ファイバ１１５の中心軸）
【図１】
0003730629.tif 000002
【図２】
0003730629.tif 000003
【図３】
0003730629.tif 000004