広島工業大学紀要研究編
第 42巻（2008）pp. 1-5

論文

プラスティック光ファイバーの不 一性ならびに受光器の配置が測定特性に及ぼす影響
橋爪 信郎 ・石浦 朋広 ・伊吹 健児 ・中島 文徳 ・西垣内 順
本田 幸生 ・齋藤 千晴 ・石田 亮介(平成19年10月31日受理)

Inhomogeneity of Plastic Optical Fiber and Effects of PhotodiodePosition on Measured Characteristics

Nobuo Hashizume, Tomohiro Ishiura, Kenji Ibuki, Fuminori Nakajima, Jun Nishigauchi
Yukio Honda, Chiharu Saito and Ryosuke Ishida(Received Oct.31,2007)

Abstract
Near field patterns(NFPs) of a plastic optical fiber (POF) are studied in this paper. NFPs arefound to be inhomogeneous across thecross section ofthePOF and varyirregularlyover short POF
distances. Theyalso varywhen light incident angles are varied. The irregularityand inhomogeneity
arefound to comenot from theirregularityofthePOF end surfaces but fromthePOF bulk property.
They are also found to affect the far field pattern(FFP),which in turn affects the impulse response
waveform and frequency transfer characteristics of the POF.
Theuseofaphotodiodein combination with aPOF ofalargediameter and largenumericalapertureis also studied in this paper. Frequency transfer function of a POF can be measured precisely only
when all of the exiting lights from the POF are received at a photodiode(PD). Such a condition is
not met for the POF under consideration. POFs of 35m and 10m in length and with light incident
at zero degree both showthe best frequency characteristics when the distance between the POF end
surface and the APD is the largest as we have expected. However,POF of 10m in length and lightincident at 25 degrees shows the best frequency characteristics when the distance is small. Bothcharacteristics are discussed in terms of varying angle distributions of the light that the APD canaccept with the varying distances.
Key Words: Plastic optical fiber, Inhomogeneity, Near field pattern, Far field pattern, Photodiodeposition（POF:Plastic Optical Fiber）のインパルス応答波形およ１．本研究の背景・目的

び周波数伝達関数を様々な条件で測定し，それら特性の精１)

前回報告 において我々はプラスティック光ファイバー密測定の一助とした。本報告においては POF 中の近視野

広島工業大学工学部電子情報工学科
広島工業大学工学部電子・光システム工学科学部生

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橋爪信郎・石浦朋広・伊吹健児・中島文徳・西垣内順・本田幸生・齋藤千晴・石田亮介

パターン（NFP: Near Field Pattern）が不一でかつ不‑S2383）には APD（S2383）が内蔵されている。APD は図規則に変化することを見出したので報告する。それらは２に示すように，パッケージ（TO‑18）に収納され，半導POF の不一性に由来するものと推測される。また，それ体受光面の前にガラス板および窒素が封入されたスペース

らはモード結合を通して遠視野パターン（FFP:Far Fieldがあり，直径 1.0㎜の受光面はガラス窓表面から 0.9㎜離れPattern）へ影響を与え，延いてはパルス伝送波形，周波数て い る。モ ジュール の カット オ フ 周 波 数 は 高 域 が 600

特性に影響を与えるとM Hz，低域が１M Hz である。

えられる。

出射端に於ける FFP の測定は FFP 測定装置（浜松ホト
また同じく前回報告において，POF出射光を検出する

ニクス A3267‑12/LEPAS-11）で行った。装置の最大計測角

アバランシェフォトダイオード（APD:Avalanche Photo

度は±45度，許容ファイバーコア径は 1.5㎜Φ以内である。

Diode）の使用法とインパルス応答観測波形の間には密接実測した FFP の光強度は中心に対して非対称であり，中心な関係があることを示した。POF 出射光を APD がすべてと POF 軸とは必ずしも一致しない。本報告では中心の位受光してはじめて正確に波形測定できるのであるが，高開置を視覚的に選びそれを POF 軸であるとした。光強度は口数（NA:Numerical Aperture）で大口径の POF と市販

POF 軸の周り一周分を平APD の組合せでは全量受光の条件が満たされない。本報告

場合においても最終仕上げを粒度 0.5 の研磨シートで行においては，周波数伝達関数の測定における APD の使用い，鏡面である。

化した。POF 端面はいずれの法を検討する。POF 長あるいは入射光の角度分布によってPOF 出射光の角度分布が変わり，APD の配置位置によって測定値が影響を受けることが予測される。

２．実験装置
測定対象の POF（三菱レイヨン Super ESKA SH‑4001）の直径は 1.0㎜，NA は 0.5である。POF 入射端への入射光線は平行で，断面内でほぼ一である。また，回転ステージを用いて POF 軸に対して傾斜させることができる。出

図２ POF 出射光は APD 受光面にすべては届かない

射端における NFP 測定は高 NA 拡大光学系（浜松ホトニクスＡ 6501‑02/LEPAS‑11）で行った。装置の入射 NA は３．NFP の不0.75，有効視野は約２㎜である。周波数伝達特性の測定はア
ナログ変調 LD ヘッド（旭データシステム ALP‑7033CA/一性

3.1 POF 入射端面からの距離および入射端面における光ALTH‑103RS，１ MHz〜1.7GHz），レーザ ダ イ オード

入射角の影響（シャープ GH06510B2A， 654nm），高周波ネットワークア

POF 出射端面において測定した NFP の代表例を図３にナライザ（アジレント E5061A，300KHz〜1.5GHz），APD示す。POF 長は 9.0ⅿ（図左）とそれをカットバックしたモジュールを用いた。測定装置の全体像を図１の写真に示4.0ⅿ（図右）である。POF 入射端面には POF 軸に対してす。

20度傾けた平行光線を入射した。POF 長 9.0ⅿの NFP でAPD モ ジュール（特 注，浜 松 ホ ト ニ ク ス C5658‑SPL

はファイバー断面内７時の方向の縁に近い部分（橙色の部分）の光強度が強く，１時の方向の縁に近い部分（緑の部分）が弱い。光強度の比は約９：５である。さらに，２時の方向にはすじ状の不一部分が明らかに見える。これは研磨のときについた傷ではない。POF 長 4.0ⅿの NFP で

POF 入射端からの距離９ⅿ

POF 入射端からの距離４ⅿ

図３ NFP は不 一であり POF 入射端からの距離によって不規則に変化する

図１ 周波数伝達特性測定装置

2

プラスティック光ファイバーの不 一性ならびに受光器の配置が測定特性に及ぼす影響

は光強度は比較的一であるが，３時の方向にすじ状の不一部分が見える。光強度は本来は出射端面内で部分が存在し，そこにおいて光が屈折もしくは反射をして一であいることがえられる。このような不一部分はモード結るはずである。測定条件は双方同じであるにもかかわら合を通してモード分布に影響を与えるため，出射光角度分ず，5.0ⅿカットバックしただけで NFP に大きな変化が現布に影響が及ぼすとえられる。

れた。このような NFP の偏りはカットバックの位置に関係なく，不規則に頻繁に見られた。

3.3 NFP の不図４に POF 長 10ⅿ，入射角を０度，10度，20度と変え一性が FFP の不一性へ及ぼす影響

図７は NFP に偏りの見られる１ⅿの POF とおおよそた場合の NFP の例を示す。NFP は 10度におけるほぼ偏りの無い１ⅿの POF の二本の試料を用意し，それぞれ一の状態を経過して，ほぼ 180度回転するように変化した。

入射角 20度という同一条件のもとでの FFP を比較したも入射角による NFP の変化は POF サンプルごとに異なっのである。このように，NFP に偏りが確認された POF すなて現れる。

わち，内部に不一性をもつ可能性のある POF の FFP は若干の崩れが生じていることが分かる。長い POF では全長に亘って局所的な不一が存在し積み重なると，FFP の崩れは大きくなることが予想される。

入射角０度

入射角 10度

入射角 20度

図４ NFP は POF 入射端における入射角によって変化する

3.2 POF 入射・出射端面の傾斜の影響
図 5は POF 長 10ⅿ，入射角０度の条件で，POF 入射端面を故意に傾斜させた（傾斜角 θはおよそ 10度）場合と，同じ POF を研磨し直して傾斜を逆にした場合のそれぞれの NFP を示す。２つの NFP にはほとんど差がない。
図７ NFP が 一な場合（右上挿入図）と不 一な場合（左上挿入図）では FFP が異なる

４．APD 受光面が POF 出射端面から離れていることの周波数特性測定へ及ぼす影響
図５ NFP は POF 入射端面を傾斜させても変化しない

POF の NA は 0.5であり，出射角の最大値は約 30度で

図 6は POF 出射端面を故意に傾斜させた場合と，同じある。図２に示すように，出射光の一部は受光面で受け止POF を 研 磨 し 直 し て 傾 斜 を 逆 に し た 場 合 の そ れ ぞ れ のめられない。POF を APD パッケージのガラス窓に密着さNFP を示す。２つの NFP にはほとんど差がない。

せたとしても同様である。したがって，POF 端面における出射角分布と APD 受光面における受光角分布は相似ではない。一方，出射角によって POF 中の光路長および光線の通過時間が異なる。したがって，（ガラス窓を破って）POF出射端面を受光面と密着させない限り周波数特性は正確には測定できない。以下の実験では POF 出射端面と APD ガラス面の距離

図６ NFP は POF 出射端面を傾斜させても変化しないを変化させると，周波数特性測定にどのように影響を与えるか調べた。POF 長は 36ⅿおよび 11ⅿとこれらの結果より，POF 端面の傾斜は入射端・出射端をカットバックした１ⅿであり，それらから 35ⅿおよび 10ⅿ問わず NFP に影響を与えないことから，問題となる NFPの測定値を算出した。実際の周波数測定においては，POFの偏りは，POF の端面ではなく，内部で発生していると言長および POF 入射光角度分布のさまざまな組合せが想定える。また，入射角度すなわち伝送する光の角度の変化がされる。本報告では３つの極端な例を取り上げ，その中間出射 NFP の偏りを変化させることから，POF 内に不を推測する資料を提供する。

一3

橋爪信郎・石浦朋広・伊吹健児・中島文徳・西垣内順・本田幸生・齋藤千晴・石田亮介

4.1 POF 出射光の角度分布が平衡モード分布に近い場合拡がる。入射角が 25度の場合の積分光強度分布は約 24度

図８に POF 長 35ⅿ，POF への入射光が平行光で POFにピークを持つ。低角度においても値は小さいながらも分軸と成す角が０度の場合の周波数特性の測定結果を示す。

布が拡がる。モード結合がなければ中心が 25度にある δ

入射当初の FFP は０度付近に集中（δ分布）していたはず分布であるはずである。

である。POF 中を 35ⅿ伝搬する間に，モード結合などの影響を受け分布幅を広げ，平衡モード分布（EM D:Equilibrium M ode Distribution）に近い状態にあるとPOF 出射端面と APD ガラス面の距離えられる。

を５㎜から０㎜まで変化させた。図中，リレーレンズとあるのは POF 出射端面と APD の間に独自設計の等倍リレーレンズを配置した場合を示す。レンズの NA は 0.8である。このレンズを使うと POF 出射光の角度分布を変えず全量を離れた位置にある APD 受光面に集光することが出来る。測定結果
図 9 POF 長 10ⅿ，入射角 0度の出射光 FFPは低周波での減衰量を０㏈に合わせた。図から分かるように，POF 出射端面と APD ガラス面との距離が小さくな

図 10に POF 長 10ⅿ，入射角０度の場合の周波数特性のるに従い周波数特性は悪くなる（低周波と 600MHz の減衰測定結果を示す。図から分かるように，POF 長 35ⅿ，入射量の差が大きくなる）。リレーレンズを入れるとさらに悪角０度の場合と同様，POF 出射端面と APD モジュールガくなる。距離ラス面との距離が小さくなるに従い，あるいはリレーレンが小さくなるに従い周波数特性は悪く

ズを入れると，APD 受光面に入射する光の大角度成分が小なる（低周波と 600M Hz の減衰量の差が大きくなる）。距離角度成分にくらべて相対的に増加する。対象の実験条件でが小さくなるに従い，APD 受光面に入射する光の大角度

は大角度成分の増加はインパルス応答波形を広げる方向に成分が小角度成分にくらべて相対的に増加するのも同様で働き，結果として周波数特性を悪化させる。逆に距離 が大あるので周波数特性を悪化させる。減衰量は POF 長 35ⅿ

きくなると周波数特性が良くなるのは小角度成分のみがの方が大きい。POF 長が大きい方がインパルス応答波形のAPD に入射するからである。

幅が大きく，結果として周波数特性を悪化させる。

図 10 POF 長 10ⅿ，入射角０度の周波数特性
図８ POF 長 35ⅿ，入射角０度の周波数特性

図 11に POF 長 10ⅿ，入射角 25度の場合の周波数特性

4.2 POF 出射光角度分布のピークが大角度の場合の測定結果を示す。図から分かるように，POF 長 10ⅿ，入図９に POF 長が 10ⅿ，POF 入射光が平行光で POF 軸射角０度の場合とは逆に，POF 出射端面と APD ガラス面と成す角が 0度および 25度の場合の POF 出射光の FFPとの距離を示す。図では FFP の各出射角の光強度に sin（出射角）を（低周波と 600M Hz の減衰量の差が小さくなる）。距離乗じた値を積分光強度と称して縦軸にとってある。すなわが小さくなるに従い，APD 受光面に入射する光の大角度成

ち，縦軸の値は各角度における光線総本数に比例する。ま分が小角度成分にくらべて相対的に増加するのは他と同様

た，グラフでは各測定曲線と横軸が囲む面積が等しくなるである。異なるのはこの実験条件の場合，APD 受光面に入ように規格化してある。

射する光は距離 が４〜５㎜のときは大角度と小角度の光

入射角０度の場合の積分光強度分布は出射角が約 13度が小さくなるに従い，周波数特性は良くなるの両方が拮抗して混合しているが，距離にピークをもち，角度が大きい方にも小さい方にも分布がでは大角度成分が主になると4が０〜２㎜付近えられる。したがって，距プラスティック光ファイバーの不 一性ならびに受光器の配置が測定特性に及ぼす影響

離が小さくなるに従い，インパルス応答波形の幅は小さくなり，結果として周波数特性は良くなると逆に，距離に従い周波数特性は悪くなる。一番良い周波数特性は距離えられる。

が５㎜のときに得られた。POF 長 10ⅿ，入射角 25度のが大きくなるに従い，少ない小角度成分が主場合，距離 が小さくなるに従い周波数特性は良くなる。一になり，周波数特性は良くなると予測される。その兆しが番良い周波数特性は距離４㎜と５㎜の周波数特性を比べた場合に５㎜の方が良いこが０㎜付近のときに得られた。

実用的には POF 長および POF 入射光角度分布のさまとに現れている。減衰量は入射角 25度の方が入射角０度のざまな組合せが想定される。また，距離方よりかなり大きい。入射角 25度の方がインパルス応答波

従って APD 出力信号そのものが小さくなる。これらを形の幅が大きく，それが原因で減衰量を増加させると慮して APD の配置を決めることが求められる。

えられる。

謝が大きくなるに

辞本研究の一部は平成 17年度，18年度および 19年度私立大学等経常費補助金「私立大学教育研究高度化推進特別補助」（教育・学習方法等改善支援経費） 光情報技術の体験・対話型教育研究支援のもとで行われたものであることを記して，それを可能にするに当ってご理解を賜り多大のご支援をいただいた関係の皆様に深謝いたします。

参献１) 橋爪信郎，齋藤千晴，清水貴弘，橋本陽介，前本浩史，

図 11 POF 長 10ⅿ，入射角 25度の周波数特性

仁田直貴，西田晃「プラスティック光ファイバーのインパルス応答波形および周波数伝達関数測定における５．まとめ諸問題」広島工業大学紀要

POF 長 35ⅿ お よ び POF 長 10ⅿ，入 射 角 ０ 度 の 場 合，
POF 出射端面と APD ガラス面との距離

文年２月)pp.1‑6が小さくなる5

研究編

第 41巻(平成 19