JP4702846B2 - 光ファイバ接続点における接続損失判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ通信網を構築する際または構築後において、光ファイバ同士を接続する光ファイバ接続点における接続損失を判定する技術に関する。

従来の光ファイバ接続点における接続損失判定方法としては、光ファイバ接続点を経て光ファイバを伝搬し、その端面から出射する光の光電力より接続損失を測定する方法（第１の方法）（非特許文献１参照）と、光ファイバ接続点における光ファイバのコアのずれや変形などから接続損失を推定する方法（第２の方法）（非特許文献２参照）とがあった。

図１は第１の方法の概要を示すもので、図中、１Ａ，１Ｂはその一端同士で接続される光ファイバ、２は光ファイバ１Ａ，１Ｂを接続する光ファイバ接続点、３は光ファイバ１Ａの他端に接続された光源、４は光ファイバの端面から出射する光を受光して光電力（パワー）を測定するパワーメータである。接続損失は、光源３から光ファイバ１Ａの他端に入射されて伝搬し、接続前の光ファイバ１Ａの一端の端面から出射した光のパワーＰ_inと、光ファイバ１Ａの一端及び光ファイバ１Ｂの一端が光ファイバ接続点２で接続された後の光ファイバ１Ｂの他端の端面から出射した光のパワーＰ_outとをパワーメータ４で測定し、Ｐ_in−Ｐ_outから求めることができる。

第２の方法は、光ファイバ接続点を顕微鏡などで拡大し、光ファイバ同士のコアのずれや変形などの不整量を計測し、当該不整量から接続損失を計算する方法であり、融着接続の際に広く用いられている。
T.Tanifuji and Y.Kato, "Realization of a Low Loss Splice for Single-Mode Fibers in the Field Using an Automatic Arc-Fusion Splicing Machine," in Proceedings, Optical Fiber Communication, 1983, paper MG3 T.Haibara, M.Matsumoto, T.Tanifuji and M.Tokuda, "Monitoring Method for Axis Alignment of Single-Mode Optical Fiber and Splice-Loss Estimation," Optics Letters, Vol.8, No.4, 1983, pp.235-237

しかしながら、上述した従来の第１の方法では、接続作業場所以外での作業員の稼働が必要になるという課題があった。即ち、光ファイバ１Ｂが長尺であり、その他端の設置場所が接続作業場所と異なる場合は、光ファイバ接続点２でのＰ_in測定の稼働に加え、Ｐ_outを測定する場所への作業員の派遣が必要であり、また、Ｐ_out測定のために光ファイバ１Ｂの他端での切断・端面整形が必要であるという課題があった。

また、従来の第２の方法では、接続作業場所以外での作業員の稼働は不要となるが、接続損失の計算値と実際の接続損失とが一致しない場合が少なくないという課題があった。また、この方法では光ファイバのコアを光学的な画像として捉える必要があり、光ファイバ接続点の材質は透明である必要がある。このため、現在、広く使用されているメカニカルスプライス接続のように、光ファイバ同士を突き合わせた後、材質が黒色のプラスチックや金属からなる保護用部材を用いて接続部分を固定・保持（保護）する接続方法（以降、突き合わせ接続と呼称）によって形成された光ファイバ接続点における接続損失の測定に適用することは困難であるという課題があった。

そこで、本発明は、前述した課題に鑑みて提案されたもので、接続作業場所のみの稼働に限定するとともに光ファイバの切断・端面作成を不要とし、光ファイバ接続点の材質にも依存せず、一定の精度を備えた接続損失の判定が可能な光ファイバ接続点における接続損失判定方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための本発明方法は、第１の光ファイバ及び第２の光ファイバをその一端同士で接続する光ファイバ接続点における接続損失を判定する方法であって、第１の光ファイバの他端に光を入射する手段と、第２の光ファイバを伝搬する光を、当該第２の光ファイバの一端の近傍において少なくとも２つの異なる漏洩率で当該第２の光ファイバの外部へ漏洩させる手段と、当該漏洩光の光電力を測定する手段とを用いて、前記異なる漏洩率で漏洩させた際の漏洩光の光電力をそれぞれ測定し、その変化から光ファイバ接続点における接続損失を判定することを特徴とする。

本発明方法によれば、接続作業中あるいは接続後に、第２の光ファイバの一端の近傍、即ち光ファイバ接続点の近傍において光ファイバの外部へ漏洩させた光の光電力を測定するのみで良く、接続作業場所以外での光電力の測定の稼働を不要にすることができるとともに、光ファイバの切断・端面整形作業等を不要にすることができる。また、光ファイバ接続点の材質も任意で良く、融着接続はもとより、メカニカルスプライス接続や各種の光コネクタ接続による光ファイバ接続点における接続損失を判定することが可能となる。

本発明の原理を説明するために、光ファイバ接続点における光の伝搬のようすを図２に示す。図中、１ａ，１ｂは光ファイバ、２は光ファイバ接続点、１１ａ，１１ｂは光ファイバ１ａ，１ｂのコア、１２ａ，１２ｂは光ファイバ１ａ，１ｂのクラッド、１３ａ，１３ｂは光ファイバ１ａ，１ｂの被覆、α１は光ファイバのコアを伝搬する光、α２は光ファイバのコア以外、即ちクラッドもしくは被覆を伝搬する光、α３は光ファイバの外部へ漏洩する光（漏洩光）である。

光ファイバ１ａの図示しない他端（のコア１１ａ）に入射された光は、コア１１ａとクラッド１２ａとの比屈折率差からコア１１ａ内に閉じ込められ、α１として伝搬する。光ファイバ１ａの一端に到達し、（コア１１ａから）出射した伝搬光α１は、光ファイバ接続点２を介して接続された光ファイバ１ｂの一端（のコア１１ｂ）に入射され、前記同様にコア１１ｂ内に閉じ込められ、伝搬していく。

この際、光ファイバ１ａの一端（のコア１１ａ）から出射した伝搬光α１の一部は光ファイバ接続点２における光ファイバ１ａ及び１ｂの一端同士間の間隙、軸ずれ、角度ずれ等により散乱・漏洩し、さらにその一部が光ファイバ１ｂのクラッド１２ｂもしくは被覆１３ｂに結合して、コア以外を伝搬する光α２に変換される。

光ファイバのコア以外を伝搬する光α２は、コアを伝搬する光α１に比べて光ファイバ内への閉じ込めが弱いため、比較的大きな半径の曲げや側圧によって容易に光ファイバの外部へ漏洩する光α３となる。

本発明では、光ファイバのコアを伝搬する光と、光ファイバのコア以外を伝搬する光との光ファイバの外部への漏洩し易さの相違を利用して、光ファイバ１ａのコアから光ファイバ１ｂのクラッド１２ｂもしくは被覆１３ｂに結合した光が多いか少ないか、つまり光ファイバ接続点２における接続損失が大きいか小さいかを判定する。

図３は上述の原理に基づく本発明の光ファイバ接続点における接続損失測定方法を実現するための基本的な構成を示すもので、図中、１ａ，１ｂはその一端同士で接続される光ファイバ、２は光ファイバ１ａ，１ｂを接続する光ファイバ接続点、３は光ファイバ１ａの他端に接続された光源である。また、５は光ファイバを伝搬する光を少なくとも２つの異なる漏洩率で当該光ファイバの外部へ漏洩させる手段、ここでは少なくとも２つの異なる曲げ半径の曲げを光ファイバに加える曲げ部であり、該曲げ部５は光ファイバ１ｂの一端の近傍（光源３から見て光ファイバ接続点２の下流側）に設けられる。また、６は漏洩光の光電力を測定する手段、ここでは周知のパワーメータであり、その受光部が光ファイバ１ｂの前記曲げ部５によって曲げられた部分（の被覆）に近接あるいは接触配置されて用いられる。

ここで、漏洩率とは、光ファイバのクラッドもしくは被覆及びコアを伝搬する光に対して、光ファイバの外部に漏洩する光の割合である。

図４は図３の基本構成を実験的に確認するとともに漏洩光パワーと曲げ半径との関係、漏洩光パワーと接続損失との関係の明確にするためのもので、光ファイバ１ａ，１ｂとして波長１．３μｍ零分散の単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）を用い、(1)光ファイバ接続点２が無い状態と、(2)光ファイバ接続点２が有る状態とについて実験可能な構成とした。なお、ファイバ接続点２が無い状態での曲げ損失を測定するため、コア伝搬光測定用のパワーメータ７を光ファイバ１ｂの他端（の端面）に取り付けた。

また、曲げ部５は、断面円形の棒の周囲に光ファイバを一回巻き付ける構造としたが、ここでは半径の異なる複数の棒を交換して用いることにより曲げ半径を１ｍｍ毎に５ｍｍ〜１５ｍｍの範囲で変更可能とした。なお、半径が連続的に変化する円錐状の棒等を用いて曲げ半径を連続的に変更可能としても良い。また、曲げ部の構造としては、棒の周囲に光ファイバを一回巻き付けるだけでなく、複数回巻き付ける構造としたり、波型の曲げなど様々なマイクロベンドを与える構造としても良い。

図４の構成において、(1)光ファイバ接続点２が無い状態（実際には、この状態では光ファイバ１ａ，１ｂは連続した１本の光ファイバである。）で光源３から波長１．３μｍの変調光を光ファイバ１ａの他端に入射し、光ファイバ１ｂを曲げ部５で曲げた時の漏洩光パワーと曲げ半径との関係を表したグラフを図５に示す。

図５より、曲げ半径９ｍｍ以下では漏洩光パワーが高い値になるが、曲げ損失も発生していることが分かる。これはコアを伝搬する光が曲げにより漏洩したことを示しており、漏洩率が高いと言える。一方、曲げ半径が１１ｍｍ以上では、コア伝搬光の漏洩は抑制され、クラッドもしくは被覆を伝搬する光、即ちコア以外を伝搬する光をコア伝搬光に影響されることなく取り出せる、つまり漏洩率が低いことが分かる。

なお、曲げ損失は、パワーメータ７で測定される光パワーから、曲げを全く加えない状態の値を０ｄＢとして求めた相対的な損失値である。

図４の構成において、(2)光ファイバ接続点２が有る状態で光源３から波長１．３μｍの変調光を光ファイバ１ａの他端に入射し、光ファイバ１ｂを、曲げ半径を低い漏洩率の１１ｍｍに設定した曲げ部５で曲げた時の漏洩光パワーと接続損失との関係を計算値とともに図６に示す。なお、光ファイバ接続点２はＶ溝接続によるもので、接続する光ファイバの端面間隔を変更することにより接続損失を０ｄＢ程度から２ｄＢ程度まで任意に設定可能とした。また、計算値は光ファイバ接続点２で発生した接続損失によって光ファイバ１ｂのコアに結合しない光が全て漏洩光として受光された場合を仮定している。

漏洩光パワーＰ_lは、光ファイバ１ａの一端の端面から出射した光のパワーＰ_in及び光ファイバ接続点２における接続損失α_sより、式（１）で表すことができる。

図６より、計算値と実測値の傾向がほぼ一致していることが分かる。このことから、曲げ部５における曲げ半径が大きく漏洩率が低ければ、光ファイバのコア以外を伝搬する光をコア伝搬光の影響なく取り出せる（漏洩させることができる）ことが実証された。

しかし、コアからの漏洩光の曲げ半径依存性は光ファイバの製造工程により異なる。例えば、同じ製造ラインの光ファイバであっても被覆の色の違いやわずかな構造パラメータのばらつきにより、クラッドもしくは被覆からの漏洩光を受光するのに最適な曲げ半径は異なる。そこで、本発明では、前述したように、曲げ半径を任意、具体的には５ｍｍ〜１５ｍｍの範囲で変更可能とした曲げ部５を用いることにより、製造会社や被覆の色の違い、構造パラメータのばらつきによる漏洩光パワーの曲げ半径依存性の影響を受けることなく、作業者が接続作業現場で光ファイバ接続点の接続損失を判定可能とした。

以下にその具体的な方法について述べる。

図７は漏洩光パワーの計算値と接続損失との関係を示すもので、図中、太線はクラッドもしくは被覆からの漏洩光のみが受光された場合、細線は下からコア伝搬光が１％、５％、１０％漏洩し、これがクラッドもしくは被覆からの漏洩光とともに受光された場合をそれぞれ示す。漏洩率が高くコア伝搬光の漏れ量が多い場合程、接続損失が小さい領域における漏洩光の変化量が小さいことが分かる。

クラッドもしくは被覆を伝搬する光とコアを伝搬する光がともに漏洩する場合の漏洩光パワーＰ_lは、式（２）で表すことができる。

ここで、Ｐ_lは漏洩光パワー、Ｐ_lu及びＰ_lcはそれぞれ結合効率を加味した場合の非コア結合光及びコア結合光のパワー、η_u及びη_cはそれぞれ非コア結合光及びコア結合光をパワーメータで受光する場合の結合効率、Ｐ_inは光ファイバ１ａの一端の端面から出射した光のパワー、Ｐ_cは光ファイバ１ｂの一端の端面（のコア）に入射した光のパワー、α_sは接続損失、α_bは曲げ損失を表す。

本発明では、曲げ半径を変更可能な曲げ部５を用いることでＰ_luのみを受光し、Ｐ_lcの漏洩を最小限にして測定することを可能としている。

前述までの原理に基づき、本発明の実施の形態１として、図３の構成において、光ファイバ接続点２における接続が完了した後、光源３よりパワーメータ６が感知可能な波長の光を入射する。次に曲げ部５における曲げ半径を大きな値から小さな値へ徐々に変更する。すると、曲げ部５の曲げ半径がある値に達した時、光ファイバ接続点２で発生したクラッドもしくは被覆を伝搬する光が光ファイバの外部へ漏洩し始め、パワーメータ６により受光される。この時の漏洩光パワーをＰ_largeとする。その後、徐々に曲げ半径を小さくするにつれて、クラッドもしくは被覆を伝搬する光とともにコア伝搬光も漏洩し始める。この時の漏洩光パワーをＰ_smallとする。

図８に光ファイバ接続点２における接続損失をパラメータとした、漏洩光パワーとコア伝搬光（のパワー）の漏洩率との関係を示す。図より、接続損失の違いによって、コア伝搬光の漏洩率が０〜１０％変化する間の漏洩光パワーの傾斜、即ち漏洩光パワーの変化量が異なることが分かる。接続損失が０．１ｄＢの場合、漏洩光パワーは約７ｄＢ変化するのに対して、接続損失が１ｄＢの場合は約１．４ｄＢしか変化してない。

従って、コア伝搬光の漏洩率が０〜１０％変化する間の漏洩光パワーの変化量、特に光ファイバのコア以外を伝搬する光のみが光ファイバの外部へ漏洩するような低い漏洩率（例えば０％）の時の漏洩光の光電力Ｐ_largeと、光ファイバのコア及びコア以外を伝搬する光が光ファイバの外部へ漏洩するような高い漏洩率（例えば１０％）の時の漏洩光の光電力Ｐ_smallとを測定し、その変化量（Ｐ_small−Ｐ_large）を求め、該変化量が小さければ接続損失が大きく、変化量が大きければ接続損失が小さいということを判定できる。

また、本発明の実施の形態２として、図３の構成において、光ファイバ接続点２における接続が完了した後、光源３よりパワーメータ６が感知可能な波長の光を入射する。次に曲げ部５における曲げ半径を小さな値から大きな値へ徐々に変更する。すると、曲げ部５の曲げ半径が小さい場合はコア伝搬光がクラッドもしくは被覆を伝搬する光とともに漏洩する。この時の漏洩光パワーをＰ_smallとする。その後、徐々に曲げ半径を大きくすることでコア伝搬光の漏洩は減少し、ある曲げ半径でクラッドもしくは被覆を伝搬する光のみが漏洩するようになる。この時の漏洩光パワーをＰ_largeとする。

また、接続損失が大きい光ファイバ接続点では漏洩光パワーの変化量（Ｐ_small−Ｐ_large）が小さく、接続損失が小さい光ファイバ接続点では漏洩光パワーの変化量（Ｐ_small−Ｐ_large）が大きくなる。

さらに、図９に２種類の単一モード光ファイバＡ，Ｂにおける光ファイバ接続点が無い状態での曲げ半径依存性（漏洩光パワーと曲げ半径との関係）を表したグラフを示す。図より、曲げ半径５ｍｍで曲げた場合は約−１８ｄＢｍの漏洩光（全てコア伝搬光が曲げにより漏洩したもの）があるのに対して、曲げ半径１１〜１３ｍｍにおいてはコア伝搬光の漏洩がないことが分かる。

従って、光ファイバ接続点が有る状態で本実施の形態を行うと図１０に示すように、曲げ半径５ｍｍの時にはＰ_lはＰ_luとＰ_lcの和として約−１８ｄＢｍ漏洩するが、徐々に曲げ半径を大きくすることでＰ_luのみを受光することができる。この時、接続損失が小さければ−７０ｄＢｍ程度、接続損失が大きければ−５０ｄＢｍ程度となり、漏洩光パワーの変化量（Ｐ_small−Ｐ_large）がそれぞれ５２ｄＢ、３２ｄＢとなる。

これにより曲げ部５における曲げ半径を変更し、コア伝搬光の漏洩率を変化（少なくとも前述した高い漏洩率と低い漏洩率とに変化）させた時の漏洩光パワーを測定し、その変化量を所定の閾値、例えば前記５２ｄＢと３２ｄＢとの中間値である４２ｄＢと比較し、変化量が所定の閾値より大きい場合は接続損失が小さく、変化量が所定の閾値より小さい場合は接続損失が大きいと判定することで、構造パラメータの異なる単一モード光ファイバであっても、光ファイバ接続点を低損失で接続できたかを判定することができる。

なお、前述した説明では、実施の形態１において曲げ部５における曲げ半径を大きな値から小さな値へ徐々に変更し、また、実施の形態２において曲げ部５における曲げ半径を小さな値から大きな値へ徐々に変更しているが、それぞれ逆、つまり実施の形態１において曲げ部５における曲げ半径を小さな値から大きな値へ徐々に変更し、また、実施の形態２において曲げ部５における曲げ半径を大きな値から小さな値へ徐々に変更しても良い。

従来の光ファイバ接続点における損失測定方法の一例を示す図 光ファイバ接続点における伝搬光の振る舞いを解説する図 本発明の光ファイバ接続点における接続損失測定方法の基本的な構成を示す図 本発明方法により接続損失の判定が可能であることを示すための実験系を説明する図 漏洩光パワー及び曲げ損失と曲げ半径との関係を示すグラフ 漏洩光パワーと接続損失との関係を示すグラフ 曲げ半径をパラメータとした漏洩光パワーの計算値と接続損失との関係を示すグラフ 損失をパラメータとした漏洩光パワーとコア伝搬光の漏洩率との関係を示すグラフ ２種類の単一モード光ファイバにおける漏洩光パワーと曲げ半径との関係を示すグラフ 曲げ半径をパラメータとした漏洩光パワーと接続損失との関係を示すグラフ

符号の説明

１ａ，１ｂ：光ファイバ、２：光ファイバ接続点、３：光源、５：曲げ部、６，７：パワーメータ、１１ａ，１１ｂ：光ファイバ１ａ，１ｂのコア、１２ａ，１２ｂ：光ファイバ１ａ，１ｂのクラッド、１３ａ，１３ｂ：光ファイバ１ａ，１ｂの被覆。

Claims (5)

1. 第１の光ファイバ及び第２の光ファイバをその一端同士で接続する光ファイバ接続点における接続損失を判定する方法であって、
   第１の光ファイバの他端に光を入射する手段と、
   第２の光ファイバを伝搬する光を、当該第２の光ファイバの一端の近傍において少なくとも２つの異なる漏洩率で当該第２の光ファイバの外部へ漏洩させる手段と、
   当該漏洩光の光電力を測定する手段とを用いて、
   前記異なる漏洩率で漏洩させた際の漏洩光の光電力をそれぞれ測定し、その変化から光ファイバ接続点における接続損失を判定する
   ことを特徴とする光ファイバ接続点における接続損失判定方法。
2. 請求項１記載の光ファイバ接続点における接続損失判定方法において、
   少なくとも２つの異なる漏洩率のうち、高い方の漏洩率は光ファイバのコア及びコア以外を伝搬する光が光ファイバの外部へ漏洩する場合の漏洩率であり、低い方の漏洩率は光ファイバのコア以外を伝搬する光のみが光ファイバの外部へ漏洩する場合の漏洩率である
   ことを特徴とする光ファイバ接続点における接続損失判定方法。
3. 請求項２記載の光ファイバ接続点における接続損失判定方法において、
   漏洩率が高い時の漏洩光の光電力Ｐ_smallと、漏洩率が低い時の漏洩光の光電力Ｐ_largeとの変化量（Ｐ_small−Ｐ_large）を求め、該変化量が大きい場合は接続損失が小さく、変化量が小さい場合は接続損失が大きいと判定する
   ことを特徴とする光ファイバ接続点における接続損失判定方法。
4. 請求項２記載の光ファイバ接続点における接続損失判定方法において、
   漏洩率が高い時の漏洩光の光電力Ｐ_smallと、漏洩率が低い時の漏洩光の光電力Ｐ_largeとの変化量（Ｐ_small−Ｐ_large）を求め、該変化量が所定の閾値より大きい場合は接続損失が小さく、変化量が所定の閾値より小さい場合は接続損失が大きいと判定する
   ことを特徴とする光ファイバ接続点における接続損失判定方法。
5. 請求項１乃至４いずれか記載の光ファイバ接続点における接続損失判定方法において、
   光ファイバを伝搬する光を少なくとも２つの異なる漏洩率で当該光ファイバの外部へ漏洩させる手段として、少なくとも２つの異なる曲げ半径の曲げを前記光ファイバに加える曲げ部を用いた
   ことを特徴とする光ファイバ接続点における接続損失判定方法。

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