JP4825430B2 - 光ファイバ母材のコア部非円率測定方法。 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバの原材料として使用される光ファイバ母材のコア部非円率の測定方法に関する。

近年、光通信の長距離化や高速化を制限する要因として、偏波モード分散（Polarization Mode Dispersion、以下、ＰＭＤと称する）の影響が注目されている。ＰＭＤとは、互いに直交する偏波面を持つ２つのモードが光ファイバ中を僅かに異なる速度で伝播することにより、入射されたパルスの幅が光ファイバ中を伝播するにつれて広がっていく現象である。

このＰＭＤの影響が大きくなると、光通信において異なる信号光パルスの一部が重なるようになり、受信部でパルスの判別ができなくなる。よって、パルス幅を小さくしてより高速通信を行う場合に、目標のパルス幅で通信ができなかったり、長距離通信時に信号のパルスが重なりあって通信異常を引き起こしたりする可能性が大きくなる。

通常のシングルモード光ファイバは、周囲より屈折率の高いコア部とそれを覆うクラッド部からなり、光は主にそのコア部を伝播する。コア部が真円である場合は、前記直交する偏波面を持つ２つのモードは縮退しており判別はできないが、コア部が真円でなかったり、光ファイバあるいは光ファイバケーブルを製造する際にコア部に歪が加わったりして、コア部の対称性が崩れると、光ファイバ中を伝播する２つのモードに速度差が生じ、ＰＭＤを引き起こす。

このＰＭＤを管理する方法として、光ファイバ母材のコア部の非円率を測定し、その非円率を管理する方法がある。非円率を測定する方法として、特許文献１は、マッチングオイルで満たした液体中に光ファイバ母材を浸漬し、その光ファイバ母材を回転させながら、側面より平行光を照射し、透過してきた光を受光・撮像し、その明度分布からコア部の外径を測定し、周方向のコア外径値からコア部の非円率を算出する方法を提示している。
特開2003−42894号公報

光ファイバ母材のコア部の非円率でＰＭＤを管理する場合、光ファイバとした場合のＰＭＤを予測する必要があり、これにはかなり細かく非円率を測定する必要がある。光ファイバ母材の測定間隔は、光ファイバで１kmとすると、外径80mmの光ファイバ母材では2.4 mm 程度の長さであり、コア外径が18 mm のコア母材では0.2 mm 程度の長さになる。

特許文献１は、回転している光ファイバ母材のコア部の外径を測定する方法を提示しているが、１周測定した後、次の測定位置への移動に移動・停止時間を必要とし、自動化した場合でも、その移動時間に一箇所当り１秒を要すると、長さ1000mm の光ファイバ母材を１mm間隔で測定する場合、移動だけで16分以上かかり、長さ500 mm のコア母材を0.2 mm 間隔で測定する場合、その移動時間は40分以上となる。このようにコア部の外径測定に要する時間は、この移動時間に加え、さらに回転に要する時間と計算に要する時間を加える必要があり、極めて長時間となる。

この対策として、光ファイバ母材の回転及び移動の高速化を行うと、マッチングオイルで満たされた測定部の容器は、弾力性を有するパッキン材でシールされてはいるものの、光ファイバ母材の挿通部からマッチングオイルが漏れ出すことがある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、光ファイバ母材のコア部非円率の測定を高速で行うことのできる光ファイバ母材のコア部非円率測定方法を提供することを目的としている。

本発明のコア部非円率測定方法は、光ファイバ母材をマッチングオイルで満たされた容器中に浸漬し、該光ファイバ母材を上昇又は下降させつつ側方から光を照射し、該光ファイバ母材のコア部を透過してきた光の幅をコア部相対外径値として測定し、その位置とともに長手方向に沿って連続的に記録した後、光ファイバ母材を所定の周分割数に対応した角度回転させて異なる角度で下降又は上昇させつつ同様の測定・記録を繰返し、周方向の複数の角度で得られたコア部相対外径値群の長手方向の分布から、長手方向のそれぞれの位置でのコア部の非円率を計算することを特徴としている。なお、前記所定の周分割数に対応した角度を、１周を７〜20分割した角度とするのが好ましい。

なお、測定されたコア部相対外径値群のなかには、ときに異常値が含まれることがあるが、このような場合、長手方向に沿って連続的に測定されたコア部相対外径値群について、一旦多項式近似を行い、その多項式近似値に対して予め設定された許容幅を外れた値を異常値として排除した後に、コア部非円率を計算することで、より精度の高いコア部非円率が得られる。この多項式近似の次数は６〜10次が好ましい。
また、コア部相対外径値群において、コア部相対外径値を補間したい長手方向位置の前後の位置の値から補間し、コア部非円率を計算するようにしてもよい。

本発明の光ファイバ母材のコア部非円率測定方法によれば、長距離通信及び高速通信で重要なＰＭＤの管理に必要な光ファイバ母材のコア部非円率の測定を高速で行うことができる。

本発明のコア部非円率の測定方法について、図を用いてさらに詳細に説明する。
図１は、光ファイバ母材の非円率を測定する非円率測定器の構成の概略を示す図である。光ファイバ母材１は、上下動及び回転自在な吊下げ具２に鉛直に保持され、マッチングオイル３で満たされた容器４内に浸漬され、非円率が測定される。容器４の上部には、側方から平行光を入射させその透過光が観察できる測定窓５が設けられている。

非円率の測定は、次のようにして行われる。
光ファイバ母材１をマッチングオイル３に浸漬し、光源６からレーザー光を照射し、透過してきた光を受光部７で受け、撮像の明度分布から光ファイバ母材１の外径に対するコア部の相対外径値を求める。このコア部相対外径値を光ファイバ母材１を上昇又は下降させてその長手方向に沿って測定し、測定位置と共に記録することで、その角度でのコア径の長手方向の分布が得られる。再度、光ファイバ母材１を所定の角度回転させた後、下降又は上昇させてコア径の長手方向の分布を測定する。さらに所定の角度回転させて同様の測定を繰り返す。このようにして得られた光ファイバ母材１の周方向の複数の角度で測定されたコア部相対外径値群の長手方向の分布から、長手方向各位置でのコア部の非円率が計算によって求められる。

測定する周方向への分割数（以下、周分割数と称する）は、7〜20がコア径の非円率測定に適当であり、360°をその周分割数で割った数値を角度ピッチとし、各分割角度で光ファイバ母材の長手方向にコア部相対外径値を測定する。この周分割数は、大まかな非円率を高速で求めたい場合には５とし、正確な測定値を得たい場合には20とするのがよい。なお、周分割数を16とした場合には、ＦＦＴ(高速フーリエ変換)が行えるので形状の詳細な検討が容易に行える。通常の測定の場合は、正確性と測定速度の点から分割数10程度が最適である。なお、周分割数を7〜20が適当であるとした根拠については、後述する。

本発明においては、長手方向へのコア部相対外径値の測定に際して、各角度での測定時に、長手方向への最終的に得たい間隔より小さい間隔で、コア部相対外径値が計測可能な光ファイバ母材の上昇あるいは下降速度を設定し、長手方向の測定位置合わせを行わずに上昇あるいは下降させつつ、採れるだけコア部相対外径値を測定し、その長手方向の計測位置と共にメモリにあるいは他の記録媒体に記録する。

次に、各角度で得られた長手方向のコア部相対外径値群を、それぞれ長手方向の所望の間隔で補間・整形し、各角度での整形データから長手方向の各位置で、同一周上にあるコア部相対外径値を抜き出しコア非円率を算出する。なお、この補間・整形については、詳しくは後述するが、異常点（ノイズ）を除去してから行うのがよく、それには、測定されたコア部相対外径値がその前後の複数点の平均値に対し、許容範囲にあるか否かの判定を行って異常点を排除する。

次に、本発明の測定手順の一例を図２にフロー図で示した。先ず、光ファイバ母材を測定装置にセットし、基準角度（０°）で、上昇又は下降させつつ光ファイバ母材の長手方向に沿ってそのコア径を所定の長さにわたって連続的に測定し、その後、周分割数に対応した角度回転させ、同様に長手方向に沿ってコア径を連続的に測定し、さらに、次の角度で測定する作業を周分割数だけ続けることで、長手方向へのコア径データ群が周分割数だけ得られる。

このように本発明の方法は、周分割数だけ長手方向に光ファイバ母材を連続移動・測定するだけでよく、従来のように、頻繁に測定位置を移動させ、停止・測定を繰り返すといった作業を必要としないため、高速化が可能となる。さらに、測定時の光ファイバ母材の移動は、上部が開口した容器内で鉛直方向に行うため、光ファイバ母材とマッチングオイルで満たされた容器とのシール部が不要であり、マッチングオイルの漏洩の心配が無いので、光ファイバ母材の移動速度を高速化できる。

本発明では、コア非円率の計算に必要な同一周上の異なる方向からのコア径データを得るために、長手方向の各測定位置で停止・回転させて測定するのではなく、各角度で上昇又は下降させつつ連続的に測定しているため、各角度のデータで、長手方向の測定位置が合わない場合が生じるが、これにはコア径データを得たい間隔で実測値による補間処理を行って、各角度のデータを長手方向に同じ位置データとして整形し、整形後のコア径データを基に長手方向の各位置で非円率の計算を行う。この補間を行うことで、測定時に、わざわざ各角度で長手方向に測定位置を合わせて測定する必要がなく、位置合わせ精度上の制約からくる移動速度の制約を排除でき、光ファイバ母材の高速移動・測定が可能となる。

この位置合わせ精度について、さらに詳細に説明する。
各角度での長手方向のコア径測定時に、その都度位置を合わせようとすると、測定位置情報を監視し、所定の位置でコア径を取り込む必要があり、測定位置の判断と取り込み速度の関係で、ゆっくり移動させ、かつ測定予定位置と実測位置とのずれを測定間隔より十分小さくする必要がある。例えば、0.2mm 間隔の測定では、位置ずれの許容量を測定間隔の１/10とし、測定値の取り込み速度が20 msec/点であるとすると、0.02 mm/20 msec =１mm/secとなり、位置決め精度から移動速度は１mm/sec以下にしなければならず、移動速度１mm/secで、長さ500mm の光ファイバ母材を周分割数10で測定した場合、１分割角度での測定に８分以上を要し、全周では80分 以上となる。なお、これにはさらに、次の角度の測定開始位置への母材の移動時間を周分割数に応じて、この場合９回分加える必要があり、全測定を終えるには極めて長時間を要する。

本発明の方法によれば、0.2 mm 間隔の測定でも、光ファイバ母材の長手方向の位置を気にせず、測定間隔の1/2程度で連続的にデータを取り込み、後述の方法でデータを補間して整形することにより、（0.2mm ×1/2）/20 msec =５ mm/secとなり、前記、位置あわせを行う場合に対し、５倍の高速化が図れる。

光ファイバ母材の移動速度を高速化した場合、測定位置での値の平均化が困難となるため、マッチングオイル中のごみや光ファイバ母材表面の傷などにより発生する異常なコア外径値（ノイズ）の除去が難しくなる。コア部の非円率は、周方向でのコア径の変化をみるため、ノイズによる異常値があるとその部分の非円率が大きくなり、本来有している筈の非円率を正しく反映することができず、良好な光ファイバ母材であってもこれを不良と判断することがある。

長手方向でのコア径の変動は、割と滑らかに変化して行くため、隣接データとの比較で、異常点の判断が行える。そこで本発明では、隣接するデータを含めた３点での平均値が所定の許容幅に入っているかを判断し、許容幅を超えた値に対しては異常値として除外する。好ましい方法は、それぞれの角度での長手方向のコア径のデータ群を一旦、位置をｘとしコア径をｙとしてその多項式近似を行い、その近似値が所定の許容幅に入っているか否かを判断する方法である。この方法によれば、長いスパンでのコア径の変化にも対応できる。多項式近似は、６次〜10次が適当で、６次未満では本来のコア径の変動に追随できず、正常値が異常値として判断され易い。他方、10次を超えると連続した異常値などを拾いやすくなり、異常値が正常値として判断されかねず、好ましくない。

測定したコア径の実測値に対しては、上記異常値の排除と共に前述した補間という長手方向のコア径のデータの整形処理が必要である。この補間は、長手方向に所望の間隔でコア径のデータを補間するもので、非円率を得たい長手方向位置の前後のデータを用いて補間する。補間方法については、所望の位置をＸ、所望の位置の外径をＤ_χとし、その位置より前のデータの位置と外径をそれぞれχ₁，Ｄ₁、その位置より後のデータの位置と外径をそれぞれχ₂，Ｄ₂とした場合、下式により計算することができる。

図３は、データの補間整形処理手順を示すフロー図である。補間は、各角度データ群に対して長手方向の位置を合わせて行う。長手方向の位置を合わせることで、各角度のデータ位置は長手方向の同一位置つまり同一周上に並ぶことになり、同一周上にある各角度でのデータを抜き出し、sin2θフィッティングあるいは、フーリエ解析にてコア部の非円率を求めることができる。

次に、コア部相対外径値を補間して整形した例を示す。図４は、整形処理前のある角度での長手方向のコア部相対外径値（図中の実測値曲線）とその多項式近似値（図中の多項近似曲線）をグラフ化したもので、長手方向200〜300mm の位置に周囲の変動とはかけ離れて大きく変化した点が見られる。図５は、実測値を８次の多項式で近似し、許容幅を±0.25 mm としてその補間・整形結果を示したものであり、200〜300mm の位置に存在した大きく変化した点は、異常点として排除され、１mm 間隔に補間整形された。

周分割数は、先に7〜20が適当であるとしたが、これは、周分割数を色々変え、それぞれの周分割数でフーリエ解析によりコア部の楕円率を調べ、どの辺で値が落ち着くかを見て、適正な範囲を決定したものである。以下にその要領を記載した。
長手方向のある位置における周方向360°にわたるコア部の外径測定例（データ１，２）をそれぞれ図６、図７に示した。これらのデータにはノイズ分が含まれているため、８次の多項式近似を行い、その値も近似値データとしてそれぞれの図に加えた。
これらのデータ１，２に対して、周分割数を３〜40と変化させて、周分割数20とのコア楕円率比を求めた。

その結果、測定値をそのまま用いた場合の、周分割数と周分割数20とのコア楕円率比は図８の様になり、測定値の近似値を用いた場合の、周分割数と周分割数20とのコア楕円率比は図９の様になった。
データ１，２共に周分割数が20以上ではコア楕円率はあまり変化していない。これらの結果から、正確な測定を行うには20分割が最適で、それ以上増やしてもコア部楕円率は変化しない。ノイズの影響による10％未満の誤差率を許容するならば、周分割数は７〜20でも良い。また、周分割数を少なくする場合は、周分割数は奇数の方が良い。

上述したように、周分割数は、測定速度と正確さの兼ね合いで7〜20の間から適宜選ぶとよい。

本発明によれば、光ファイバ母材のコア径非円率が高速で測定できるため、光ファイバとした場合のＰＭＤを速やかに予測することができる。

光ファイバ母材の非円率を測定する非円率測定器の構成の概略を示す図である。 本発明によるコア径の測定手順を示すフロー図である。 測定データの補間整形処理手順を示すフロー図である。 ある角度で測定した長手方向のコア部相対外径値（実測値曲線）とその多項式近似値（多項近似曲線）を示すグラフである。 図４の測定データを補間整形した結果を示すグラフである。 周方向360°にわたるコア部の外径測定例（データ１）を示すグラフである。 周方向360°にわたるコア部の外径測定例（データ２）を示すグラフである。 実測値を用いた場合の周分割数と、周分割数20とのコア楕円率比との関係を示すグラフである。 実測値の近似値を用いた場合の周分割数と、周分割数20とのコア楕円率比との関係を示すグラフである。

符号の説明

１……光ファイバ母材、
２……吊下げ具、
３……マッチングオイル、
４……容器、
５……測定窓、
６……光源、
７……受光部。

Claims (5)

1. 光ファイバ母材をマッチングオイルで満たされた容器中に浸漬し、該光ファイバ母材を上昇又は下降させつつ側方から光を照射し、該光ファイバ母材のコア部を透過してきた光の幅をコア部相対外径値として測定し、その位置とともに長手方向に沿って連続的に記録した後、光ファイバ母材を所定の周分割数に対応した角度回転させて異なる角度で下降又は上昇させつつ同様の測定・記録を繰返し、周方向の複数の角度で得られたコア部相対外径値群の長手方向の分布から、長手方向のそれぞれの位置でのコア部の非円率を計算することを特徴とする光ファイバ母材のコア部非円率測定方法。
2. 前記所定の周分割数に対応した角度を、１周を７〜20分割した角度とする請求項１に記載の光ファイバ母材のコア部非円率測定方法。
3. 長手方向に沿って連続的に測定されたコア部相対外径値群について、一旦多項式近似を行い、その多項式近似値に対して予め設定された許容幅を外れた値を異常値として排除した後に、コア部非円率を計算する請求項１又は２に記載の光ファイバ母材のコア部非円率測定方法。
4. 多項式近似の次数が６〜10次である請求項３に記載の光ファイバ母材のコア部非円率測定方法。
5. コア部相対外径値群において、コア部相対外径値を補間したい長手方向位置の前後の位置の値から補間し、コア部非円率を計算する請求項１乃至４のいずれかに記載の光ファイバ母材のコア部非円率測定方法。

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