JP4574000B2 - Method for measuring mode birefringence of optical fiber - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報通信分野で用いられる伝送用ファイバ、光デバイス用光ファイバなどの光ファイバのモード複屈折率の測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モード複屈折率は、光ファイバを伝搬するふたつの偏波モード間の伝搬定数差を波数で割ったものである。モード複屈折率は、ＰＡＮＤＡファイバなどの複屈折光ファイバ（偏波保持光ファイバともいう）のクロストークを決定するパラメータのひとつである。また、通常の１．３μｍ用シングルモード光ファイバなどの非複屈折光ファイバの伝送特性を決定づけるパラメータのひとつでもある。
【０００３】
また、光ファイバグレーティング、光ファイバカプラなどのファイバ型光デバイスにおいては、用いる光ファイバ（材料ファイバ）のモード複屈折率が、これらの光デバイスの光学特性、特にＰＤＬ（挿入損失の偏波依存性）に大きく影響する。ＰＤＬは光ファイバを伝搬する光（導波モード）を構成するふたつの偏波成分間の挿入損失の差である。具体的には、例えば光ファイバグレーティングの挿入損失の波長依存性を測定すると、特定の波長が減衰した挿入損失ピークが得られるが、材料光ファイバのモード複屈折率によって、挿入損失のピークの中心波長や挿入損失ピークの最大値（阻止率）が偏波成分によって異なる値となり、所望の値からずれてしまう。また、光ファイバカプラは、材料光ファイバのモード複屈折率によって、各ポートに結合する光の波長の中心波長が偏波成分によって異なる値となり、所望の値からずれてしまうという影響がある。そして、その結果、これらの光デバイスのＰＤＬが劣化する。
【０００４】
従来実施されている光ファイバのモード複屈折率の測定方法としては、以下のようなものが挙げられる。
（１）異方性軸に対して４５度の傾きを持った直線偏光を入射した光ファイバに外乱を与え、外乱の位置と２偏光間の干渉の関係からビート長を求め、このビート長からモード複屈折率を求める方法。これには、側圧による光弾性効果を利用し、偏波モード間結合を利用する方法[1]と、磁界によるファラデー効果による偏波モード間結合を利用する方法[2] が知られている。
（２）異方性軸に対して４５度の傾きを持った直線偏光を入射した光ファイバをカットバックして光パワーを測定し、その明暗の周期をビート長として直接測定し、このビート長からモード複屈折率を求める方法[3]。
（３）光ファイバの偏波モード分散（以下、ＰＭＤと略記する）を測定し、この値からモード複屈折率を見積もる方法。
（参考文献：
［１］高田和正 他、ＯＱＥ８５−１２（１９８５）
「周期的側圧測定法による複屈折ファイバのモード複屈折の測定」
［２］J. Noda, et al., Electoron. Lett., v.20, n.22, pp 906-907 (1984), "Dispersion of verdetconstant in stress-birefringent silica fibre"
［３］大越孝敬 他、「光ファイバ」 オーム社，pp 307-308 （1983），”単一偏波ファイバの伝搬伝数差Δβの測定”）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来の測定方法のうち、前記（１）、（２）に示した方法は、複屈折光ファイバのモード複屈折率を測定することはできるが、非複屈折光ファイバのモード複屈折率を測定することはできなかった。すなわち、これらの方法においては、測定中、ビート長以上の長さの光ファイバを外乱を与えない状態で、好ましくはまっすぐに維持しなければならない。そのため、ビート長が数ｍｍのオーダーの複屈折ファイバについては測定可能であるが、ビート長が通常数ｋｍ程度の非複屈折光ファイバの測定は実質上不可能であった。
【０００６】
また、前記（３）に示した測定方法ではＰＭＤを求めるが、ＰＭＤは群遅延差であって、モード複屈折率、すなわち位相遅延差とは本質的に異なる。また、光ファイバグレーティングや光ファイバカプラなどの光デバイスのデバイス長はおよそ１ｍｍ〜数１０ｍｍ程度である。このように短い光ファイバのＰＭＤは非常に小さい値となるため、ＰＭＤを精度良く測定することは大変困難であった。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、複屈折光ファイバと非複屈折光ファイバの両方のモード複屈折率を測定することができる測定方法を提供することを課題とする。また、精度の高い光ファイバのモード複屈折率の測定方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明においては、以下のような解決手段を提案する。第１の発明は、コアとその外周上に設けられたクラッドとを備えた光ファイバに該光ファイバの長さ方向にそって、少なくともコアの一部またはクラッドの一部の屈折率が所定の周期で変動したグレーティング部を形成し、その挿入損失の波長依存性と挿入損失の偏波依存性の波長依存性を測定し、以下の式（３）
【数５】
【０００９】
【数４】
（式中、Ｌｏｓｓは波長λのときの挿入損失の値、ΔＬは挿入損失ピークの阻止率、λpeakは挿入損失ピークの中心波長、σは挿入損失ピークの帯域半幅を示す。）
から、ΔＬ、λpeak、σの値を求め、
前記グレーティング部の挿入損失の偏波依存性の波長依存性を測定し、該測定値と以下の式（２）
【００１１】
【数５】
（式中、ＰＤＬは波長λのときの挿入損失の偏波依存性の値、δλは２つの偏波成分間の挿入損失ピークの中心波長の差を示す。）
から、δλを求め、
以下の式（３）
【００１３】
【数６】
（式中、Ｂはモード複屈折率、Λはグレーティング部のグレーティング周期）から、前記光ファイバのモード複屈折率を算出することを特徴とする光ファイバのモード複屈折率の測定方法である。第３の発明は、前記第１または第２の発明の係る測定方法において、前記グレーティング部を形成するにおいて、当該グレーティング部に、前記屈折率の変動に起因する偏波依存性が導入されないようにすることを特徴とする光ファイバのモード複屈折率の測定方法である。第４の発明は、前記第１〜第３の発明に係るいずれかひとつの測定方法において、少なくともコアの一部またはクラッドの一部が特定波長の光の照射によって屈折率が上昇する材料からなる石英系光ファイバの側面から、該光ファイバの長さ方向にそって所定の周期で前記特定波長の光を照射し、該照射部分の屈折率を上昇させることによってグレーティング部を形成することを特徴とする光ファイバのモード複屈折率の測定方法である。第５の発明は、前記第４の発明に係る測定方法において、前記照射部分において、光ファイバの円周方向全体から均等に光を照射することを特徴とするモード複屈折率の測定方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の光ファイバのモード複屈折率の測定方法においては、測定対象の光ファイバにグレーティング部を形成し、その挿入損失の波長依存性と、ＰＤＬ（挿入損失の偏波依存性）の波長依存性とを測定し、これらの結果を解析してモード複屈折率を求めることを特徴とする。ＰＤＬは、通常、伝搬定数差が最も大きい、すなわち、モード複屈折率が最も大きくなるふたつの偏波成分間の挿入損失の大きさの差とされる。
まず、グレーティング部（以下、グレーティング部と略記する）の製造方法の一例について説明する。この方法はフォトリフラクティブ効果を利用したものである。フォトリフラクティブ効果とは、特定の石英系ガラスに特定波長の光を照射すると屈折率が上昇する現象のことで、光デバイスの場合は、主にゲルマニウム添加石英ガラスに波長２４０ｎｍ付近の紫外光を照射すると、屈折率が上昇する現象を利用する。
【００１６】
まず、コアとその外周上に設けられたクラッドからなり、コアがゲルマニウム添加石英ガラス、クラッドが純粋な石英ガラスなどからなる石英系光ファイバ（材料光ファイバ）を用意する。
なお、測定対象とする光ファイバは種々の屈折率分布を備えたものを用いることができるが、少なくともコアの一部またはクラッドの一部がゲルマニウム添加石英ガラスからなる部分が設けられているものを用いると好ましい。さらに好ましくはこの光ファイバの中心付近にゲルマニウム添加石英ガラスからなる部分が設けられているものを用いると好ましい。
ついで、必要に応じて、紫外光への感受性を高めるために水素含浸処理を行う。具体的には、例えば２０〜６０℃、１００気圧の水素ガス雰囲気中に７〜１４日間、光ファイバを暴露する。なお、いわゆる高光感受性の光ファイバを用いる場合はこの処理は不要である。
ついで、光ファイバの外側（クラッドの上）にこの光ファイバを保護するためのプラスチックからなる被覆層が設けられている場合は、グレーティング部を形成する部分について、この被覆層を除去する。なお、被覆層が例えば紫外光を透過する紫外光透過樹脂からなる場合は被覆層を除去する必要はない。
【００１７】
そして、図１に示したように光ファイバの側面から、光ファイバの長さ方向にそって所定の周期で紫外光を照射すると、ゲルマニウム添加石英ガラスからなる部分の、紫外光の照射部分の屈折率が上昇する。
その結果、光ファイバの長さ方向にそって、少なくともコアの一部またはクラッドの一部の屈折率が所定の周期で変動しているグレーティング部が得られる。
【００１８】
このとき、前記照射部分については、光ファイバの円周方向の全体に均等に光を照射し、光ファイバの断面において、屈折率の分布や複屈折が生じないようにすると好ましい。その結果、照射部分、すなわち屈折率上昇部に導入される屈折率の変動（上昇）は、偏波依存性をもたないものとなる。
例えば、図１に示したように、光ファイバの側面に、ひとつの方向から光を照射するにおいて、光ファイバを回転させながら、前記照射部分の光ファイバの円周全体に光を均等に照射する方法などを例示することができる。
【００１９】
この屈折率の変動の周期をグレーティング周期という。なお、グレーティング周期を比較的長くすることによって、コア内を入射方向と同方向に伝搬するモードをこのモードと並進する（同方向に伝搬する）クラッドモードと結合させ、減衰（損失）させることができる。本発明においては、グレーティング部がこのような特性を持つように設計すると好ましい。そして、波長１５５０ｎｍ付近を使用波長帯とする場合は、例えばこの波長帯に上述のσの値が１０ｎｍ程度の損失特性が得られるようにすると好ましい。
【００２０】
例えば、コア径８μｍ、コア−クラッド間の比屈折率差が０．４％のステップ型の屈折率分布をもつシングルモード光ファイバにおいては、以下のような設計条件によって上述のような好ましい特性が得られる。
設計例１：グレーティング周期４９８μｍ、グレーティング数８４、グレーティング長約４２ｍｍ
設計例２：グレーティング周期４３８μｍ、グレーティング数１０４、グレーティング長約４６ｍｍ
設計例３：グレーティング周期３８０μｍ、グレーティング数１３５、グレーティング長約５２ｍｍ
また、コア径５．６μｍ、コア−クラッド間の比屈折率差が１．０％の高比屈折率型で、ステップ型の屈折率分布をもつシングルモード光ファイバにおいては、以下のような設計条件によって、上述のような特性が得られる。
設計例４：グレーティング周期１９７μｍ、グレーティング数７７、グレーティング長約１６ｍｍ
設計例５：グレーティング周期１８７μｍ、グレーティング数８３、グレーティング長約１６ｍｍ
設計例６：グレーティング周期１７６μｍ、グレーティング数９２、グレーティング長約１７ｍｍ
【００２１】
なお、ＰＤＬの測定精度を向上させるためには、測定誤差よりもＰＤＬの測定値が大きくなるようにする必要がある。
そのためには、後述する式（４）（前記式（１））において、σの値を小さくするか、ΔＬを大きくする必要がある。一般に、上述のようにコア内を入射方向と同方向に伝搬するモードとこのモードと並進するクラッドモードとを結合させる特性を備えたグレーティング部においては、グレーティング長を長くするとσが小さくなり、ΔＬが多くなる。そして、測定精度を良好にするためには、σが１５ｎｍ程度以下、ΔＬが４ｄＢ程度以上であると好ましい。そのため、グレーティング長などの条件はこれらの数値範囲を満足する特性が得られるように設計すると好ましい。
【００２２】
紫外光を照射するにおいて、光源には、例えばＫｒＦエキシマレーザなどが用いられる。この場合、紫外光の波長は２４８ｎｍ付近である。また、紫外光を周期的に照射する方法としては、強度マスクを用いる方法、レンズなどを用いて光ファイバの一点に紫外光を集光させた後、この集光位置を光ファイバの長さ方向に移動させて同様の照射操作を繰り返す方法（ステップバイステップ法）などの公知の方法を用いることができる。
【００２３】
ついで、好ましくは光ファイバ中に残った水素ガスを除去する脱水素処理を行う。具体的には、例えば、光ファイバを１００〜１５０℃大気雰囲気中に１２〜２４時間暴露することによって行う。
最後に、必要に応じてグレーティング部の補強を行う。例えば、ガラスやセラミックスなどからなる補強台に接着剤を用いてグレーティング部を固定する。
【００２４】
なお、グレーティング部の製造には、この他、光ファイバを、その長さ方向にそって所定の周期で加熱して、実効屈折率を変動させる方法を用いることもできる。この場合も光ファイバの円周方向全体から熱を加えることによって、屈折率変動に起因する複屈折、すなわち偏波依存性が導入されないようにすると好ましい。この方法の場合は加熱手段として、ＣＯ2レーザ、アーク放電などを用いることができる。
【００２５】
このようにしてグレーティング部を形成し、以下のようにしてその光学特性の評価と解析を行う。上述のように測定するのは挿入損失の波長依存性とＰＤＬの波長依存性のふたつである。いずれにおいても、スペクトラムアナライザ、光パワーメータなどを用いた公知の方法によって、測定波長λを変化させながら測定波長毎の挿入損失、あるいはＰＤＬを順次測定することによって求めることができる。
挿入損失の測定方法としては、例えば以下のような方法を例示することができる。すなわち、図２に示したような測定系を構成し、白色光よりも狭帯域の波長成分を取り出し、被測定光デバイスに入射し、出射する光を高感度の光パワーメータ等で測定する。
ＰＤＬの測定方法としては、例えば以下のような全偏波測定方式を例示することができる。すなわち、図３に示したような測定系を構成し、被測定光デバイスにあらゆる偏光状態の光を入射し、透過光の光パワーを測定して、その結果の最大値と最小値の比を演算してＰＤＬを求める。
【００２６】
まず、グレーティング周期が一定のグレーティング部の挿入損失Ｌｏｓｓと波長との関係は、無偏光(あるいは全偏光)に対して以下の式（４）のようなＳｉｎｃ型の関数で近似できることが知られている。なお、前記式（１）はこの式（４）の関係を簡単に示したものである。
【００２７】
【数７】
そして、測定波長とこの測定波長のときの挿入損失の測定値を、複数組、それぞれこの式（４）（すなわち、前記式（１））に代入することによりフィッティングし、これらの複数組の測定波長と挿入損失との関係を同時に満足するΔＬ、λpeak、σを求める。
図４は、挿入損失の波長依存性の一例を示したグラフであって、中心のピークが挿入損失ピークである。グラフ中には、挿入損失の波長依存性の測定値の曲線（測定結果）と、これらの測定値を前記式（４）（すなわち式（１））にフィッティングして求めたΔＬ、λpeak、σの数値をそれぞれ代入した式（４）を示した曲線（フィッティングの結果）が示されている。これらの曲線は非常によく一致している。
【００２９】
一方、上述のように光ファイバの円周方向の全体（円周上の全体）に均等に光を照射してグレーティング部を製造すると、屈折率の変動に起因する偏波依存性を持たないグレーティング部が得られる。したがって、このグレーティング部のＰＤＬの原因は、光ファイバを伝搬する導波モードを構成する偏波成分間の伝搬定数差、もしくは偏波成分間の実効屈折率差（すなわち、モード複屈折率）のみである。
また、長周期型のグレーティング部は、原理上、偏波成分間の伝搬定数の差がわずかであれば、λpeakのみが変動し、ΔＬとσは変化しない。なお、通常の複屈折光ファイバまたは非複屈折光ファイバであれば、この条件を満足することができる。
【００３０】
ここで、偏波成分間の伝搬定数差が最大になる、すなわちモード複屈折率が最大になるふたつの偏波成分をｘ偏波成分、ｙ偏波成分とする。上述のようにＰＤＬは通常これらの偏波成分間の差である。そして、これらの偏波成分の挿入損失の波長依存性において、それぞれの挿入損失ピークの中心波長をλpeak(x) 、λpeak(y) とする。ここで、λpeak(x) とλpeak(y) の差をδλとすると、λpeak(x) とλpeak(y) はそれぞれ以下の式（５）で表される。
【００３１】
【数８】
そして、ＰＤＬは以下の式（６）の第１列目に示されているように、ｘ偏波成分の挿入損失Ｌｏｓｓ(x)とｙ偏波成分の挿入損失Ｌｏｓｓ(y)の差である。そして、この第１列目の式は、前記式（４）より、第２列目の式のように表すことができ、さらに、前記式（５）より、第３列目の式のように表すことができる。前記式（２）はこの式（６）の関係を簡単に示したものである。
【００３３】
【数９】
そして、測定波長とこの測定波長のときのＰＤＬの測定値を、複数組、それぞれこの式（６）（すなわち、前記式（２））に代入することによりフィッティングし、これら複数組の測定波長とＰＤＬとの関係を同時に満足するδλを求める。
図５は、ＰＤＬの波長依存性の一例を示したグラフである。グラフ中にはＰＤＬの波長依存性の測定値の曲線（測定結果）と、これらの測定値を前記式（６）（すなわち式（２））にフィッティングして求めたδλの数値を代入した式（６）を示した曲線（フィッティングの結果）が示されている。ＰＤＬの測定値は小さいため、実測値のプロットがやや変動しているが、これらの曲線はほぼ一致している。
【００３５】
また、グレーティング部のグレーティング周期Λと、光ファイバの導波モードとクラッドモード（クラッドを伝搬するモード）の実効屈折率をそれぞれｎe1、ｎeNとすると、これらの関係は以下の式（７）で表される。
【００３６】
【数１０】
また、上述のようにδλはλpeak(x)とλpeak(y)の差であって、以下の式（８）の第１列目の様に表される。そして、前記式（７）より、この第１列目の式はこの式（８）の第２列目の式のように表される。
【００３８】
【数１１】
ここで、通常の光ファイバの断面において、この光ファイバの非円化によって生じる最も長いコアの外径と最も短いコアの外径の差は０．０〜０．５％程度である。また、クラッドにおける同様の差は０．５〜１．０％程度である。そのため、クラッドモードのモード複屈折率ｎeN(x) −ｎeN(y) は、導波モードのモード複屈折率ｎel(x) −ｎ e ｌ (y) に対して十分に小さくなる。そこで、前記式（７）は、以下の式（９）のように近似することができる。
【００４０】
【数１２】
そして、この式（９）を変形すると、モード複屈折率Ｂは以下の式（１０）のように表される。前記式（３）はこの式（１０）の関係を簡単に示したものである。
【００４２】
【数１３】
グレーティング部のグレーティング周期Λはグレーティング部の製造時に設定できるため、既知の値である。また、δλは上述のように、グレーティング部の挿入損失の波長依存性の測定値と、ＰＤＬの波長依存性の測定値から求めることができる。したがって、この式（１０）（すなわち前記式（３））にΛの値とδλの値を代入することによって、モード複屈折率を算出することができる。
【００４４】
【実施例】
以下、本発明を実施例を示して詳しく説明する。
コアの中心がゲルマニウム添加石英ガラスからなるフジクラ製分散シフト光ファイバを用意し、ＫｒＦエキシマレーザを用いて波長２４８ｎｍの光を照射してグレーティング部を形成した。なお、グレーティング周期は２８５．０μｍ、グレーティング数は８０（グレーティング長２２．８ｍｍ）とした。
このグレーティング部について挿入損失の波長依存性を測定し、また、この測定値を用いて前記式（１）のフィッティングを行ったところ、図４に示したグラフと同様の結果が得られ、測定値とフィッティングの結果がよく一致した。
このとき求めたλpeak、σ、ΔＬの値は以下のようになった。
【００４５】
【数１４】
また、このグレーティング部についてＰＤＬの波長依存性を測定し、前記式（２）のフィッティングを行ったところ、図５に示したグラフと同様の結果が得られ、測定値とフィッティングの結果がほぼ一致した。
このとき求めたδλの値は以下のようになった。
【００４７】
【数１５】
そして、このようにして求めた値を上述のグレーティング周期の値を前記式（３）に代入すると以下のようになり、モード複屈折率を求めることができた。
【００４９】
【数１６】
また、同様の方法で同時にグレーティング部を形成した同一ロットの光ファイバについて、挿入損失の波長依存性の測定値とＰＤＬの波長依存性の測定値からモード複屈折率を算出したところ、３．７２×１０-7 〜３．８４×１０-7 の範囲の値が得られ、非常に高精度（１０-8 ）での測定ができた。したがって、本発明に係る測定方法によって、精密、かつ再現性がよく、モード複屈折率を測定できることが明らかとなった。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、光ファイバのグレーティング部を形成し、その挿入損失の波長依存性とＰＤＬの波長依存性を測定することによって、精密にかつ再現性よくモード複屈折率を測定することができる。また、複屈折ファイバと非複屈折光ファイバのいずれについてもモード複屈折率の測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】グレーティング部の形成方法の一例を示した説明図である。
【図２】挿入損失の測定方法の一例を示した説明図である。
【図３】ＰＤＬの測定方法の一例を示した説明図である。
【図４】挿入損失の波長依存性の一例を示したグラフである。
【図５】ＰＤＬの波長依存性の一例を示したグラフである。
【符号の説明】
λpeak…挿入損失ピークの中心波長、ΔＬ…挿入損失ピークの阻止率、σ…挿入損失ピークの帯域半幅。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for measuring a mode birefringence of an optical fiber such as a transmission fiber and an optical fiber used in an optical information communication field.
[0002]
[Prior art]
The mode birefringence is the difference in propagation constant between two polarization modes propagating through an optical fiber divided by the wave number. The mode birefringence is one of the parameters that determines the crosstalk of a birefringent optical fiber (also called a polarization maintaining optical fiber) such as a PANDA fiber. It is also one of the parameters that determine the transmission characteristics of a non-birefringent optical fiber such as a normal 1.3 μm single mode optical fiber.
[0003]
Also, in fiber type optical devices such as optical fiber gratings and optical fiber couplers, the mode birefringence of the optical fiber (material fiber) used depends on the optical characteristics of these optical devices, particularly the polarization dependence of PDL (insertion loss). ) Is greatly affected. PDL is a difference in insertion loss between two polarization components constituting light propagating through an optical fiber (waveguide mode). Specifically, for example, when the wavelength dependence of the insertion loss of an optical fiber grating is measured, an insertion loss peak in which a specific wavelength is attenuated is obtained. However, the center of the insertion loss peak depends on the mode birefringence of the material optical fiber. The maximum value (blocking rate) of the wavelength and the insertion loss peak varies depending on the polarization component, and deviates from a desired value. In addition, the optical fiber coupler has an effect that the center wavelength of the light coupled to each port varies depending on the polarization component depending on the mode birefringence of the material optical fiber and deviates from a desired value. As a result, the PDL of these optical devices deteriorates.
[0004]
Examples of methods for measuring the mode birefringence of an optical fiber that have been conventionally performed include the following.
(1) Disturbance is applied to an optical fiber that is incident on linearly polarized light having an inclination of 45 degrees with respect to the anisotropy axis, and the beat length is obtained from the relationship between the position of the disturbance and the interference between the two polarized lights. A method for obtaining the mode birefringence . For this, there are known a method [1] that utilizes polarization mode coupling using the photoelastic effect due to side pressure and a method [2] that utilizes polarization mode coupling due to the Faraday effect caused by a magnetic field.
(2) An optical fiber incident with linearly polarized light having an inclination of 45 degrees with respect to the anisotropy axis is cut back to measure the optical power, and the light / dark period is directly measured as the beat length. A method for obtaining the mode birefringence from [3]
(3) A method of measuring the polarization mode dispersion (hereinafter abbreviated as PMD) of an optical fiber and estimating the mode birefringence from this value.
(Reference:
[1] Kazumasa Takada et al., OQE85-12 (1985)
"Measurement of birefringence fiber birefringence by periodic side pressure measurement method"
[2] J. Noda, et al., El e ctoron. Lett., V.20, n.22, pp 906-907 (1984), "Dispersion of verdetconstant in stress-birefringent silica fibre"
[3] Takayoshi Ohkoshi et al., “Optical Fiber” Ohm, pp 307-308 (1983), “Measurement of propagation difference Δβ in single-polarized fiber”)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, of these conventional measurement method, wherein (1), the method shown in (2), although it is possible to measure the mode birefringence of the birefringent optical fiber, a non-birefringent optical fiber mode double The refractive index could not be measured. That is, in these methods, the optical fiber having a length equal to or longer than the beat length must be kept straight during measurement without causing disturbance. Therefore, although it is possible to measure a birefringent fiber having a beat length on the order of several millimeters, it is practically impossible to measure a non-birefringent optical fiber having a beat length of usually several kilometers.
[0006]
Further, PMD is obtained by the measurement method shown in the above (3), but PMD is a group delay difference and is essentially different from a mode birefringence, that is, a phase delay difference. The device length of optical devices such as optical fiber gratings and optical fiber couplers is about 1 mm to several tens of mm. Since the PMD of such a short optical fiber has a very small value, it is very difficult to measure PMD with high accuracy.
[0007]
This invention is made | formed in view of the said situation, and makes it a subject to provide the measuring method which can measure the mode birefringence of both a birefringent optical fiber and a non-birefringent optical fiber. It is another object of the present invention to provide a method for measuring the mode birefringence of an optical fiber with high accuracy.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention proposes the following solution means. According to a first aspect of the present invention, an optical fiber including a core and a clad provided on an outer periphery of the optical fiber has a predetermined refractive index of at least a part of the core or a part of the clad along the length direction of the optical fiber. The grating part which fluctuated with the period is formed, the wavelength dependence of the insertion loss and the wavelength dependence of the polarization dependence of the insertion loss are measured, and the following equation (3)
[Equation 5]
[0009]
[Expression 4]
(In the formula, Loss is the value of insertion loss at the wavelength λ, ΔL is the rejection rate of the insertion loss peak, λpeak is the center wavelength of the insertion loss peak, and σ is the half bandwidth of the insertion loss peak.)
From this, the values of ΔL, λpeak, and σ are obtained,
The wavelength dependence of the polarization dependence of the insertion loss of the grating part is measured, and the measured value and the following equation (2)
[0011]
[Equation 5]
(In the formula, PDL is a value of the polarization dependence of the insertion loss at the wavelength λ, and δλ is the difference in the center wavelength of the insertion loss peak between the two polarization components.)
To obtain δλ,
The following formula (3)
[0013]
[Formula 6]
(Wherein, B is modal birefringence index, lambda is the grating period of the grating portion) from a method of measuring the mode birefringence of the optical fiber and calculating the mode birefringence of the optical fiber. The third invention is the measurement method according of the first or second aspect, in forming the grating part, to the grating portion, so that polarization dependence resulting from the variation of the refractive index is not introduced This is a method for measuring the mode birefringence of an optical fiber. According to a fourth invention, in any one of the measurement methods according to the first to third inventions, at least a part of the core or a part of the cladding is made of a material whose refractive index is increased by irradiation with light of a specific wavelength. A grating portion is formed by irradiating light of the specific wavelength with a predetermined period along a length direction of the optical fiber from a side surface of the silica-based optical fiber and increasing a refractive index of the irradiated portion. This is a method for measuring the mode birefringence of an optical fiber. A fifth invention is a method for measuring a mode birefringence characterized in that, in the measurement method according to the fourth invention, light is evenly emitted from the entire circumferential direction of the optical fiber in the irradiated portion. .
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the method for measuring the mode birefringence of an optical fiber according to the present invention, a grating portion is formed in the optical fiber to be measured, the wavelength dependence of the insertion loss, and the wavelength dependence of PDL (polarization dependence of insertion loss). It is characterized in that the mode birefringence is obtained by measuring the characteristics and analyzing these results. PDL is usually the difference in the magnitude of insertion loss between two polarization components having the largest propagation constant difference, that is, the largest mode birefringence .
First, an example of a manufacturing method of a grating part (hereinafter abbreviated as a grating part) will be described. This method uses the photorefractive effect. The photorefractive effect is a phenomenon in which the refractive index increases when a specific quartz glass is irradiated with light of a specific wavelength. In the case of an optical device, mainly germanium-doped quartz glass is irradiated with ultraviolet light having a wavelength of around 240 nm. Then, a phenomenon in which the refractive index increases is used.
[0016]
First, a silica-based optical fiber (material optical fiber) comprising a core and a clad provided on the outer periphery thereof, the core being made of germanium-added quartz glass, and the clad being made of pure silica glass is prepared.
Note that optical fibers with various refractive index distributions can be used as the measurement target, but at least a part of the core or a part of the cladding is provided with a part made of germanium-added quartz glass. It is preferable to use it. More preferably, an optical fiber having a portion made of germanium-added quartz glass near the center is used.
Next, a hydrogen impregnation treatment is performed as necessary to increase the sensitivity to ultraviolet light. Specifically, for example, the optical fiber is exposed for 7 to 14 days in a hydrogen gas atmosphere at 20 to 60 ° C. and 100 atm. In addition, this process is unnecessary when using a so-called highly sensitive optical fiber.
Next, when a coating layer made of plastic for protecting the optical fiber is provided outside the optical fiber (on the clad), the coating layer is removed from the portion where the grating portion is formed. When the coating layer is made of, for example, an ultraviolet light transmitting resin that transmits ultraviolet light, it is not necessary to remove the coating layer.
[0017]
Then, as shown in FIG. 1, when the ultraviolet light is irradiated from the side surface of the optical fiber at a predetermined period along the length direction of the optical fiber, the refraction of the irradiated portion of the ultraviolet light in the portion made of germanium-added quartz glass is performed. The rate goes up.
As a result, a grating portion is obtained in which the refractive index of at least a part of the core or a part of the clad fluctuates in a predetermined cycle along the length direction of the optical fiber.
[0018]
At this time, it is preferable that the irradiated portion is uniformly irradiated with light in the entire circumferential direction of the optical fiber so that refractive index distribution and birefringence do not occur in the cross section of the optical fiber. As a result, the change (increase) in the refractive index introduced into the irradiated portion, that is, the refractive index increasing portion has no polarization dependence.
For example, as shown in FIG. 1, in irradiating light from one direction onto the side surface of the optical fiber, the entire circumference of the optical fiber in the irradiated portion is irradiated with light evenly while rotating the optical fiber. A method etc. can be illustrated.
[0019]
This period of change in refractive index is called a grating period. By making the grating period relatively long, the mode propagating in the same direction as the incident direction in the core can be combined with the clad mode that translates (propagates in the same direction) and attenuates (losses). it can. In the present invention, it is preferable to design the grating portion to have such characteristics. In the case where the wavelength band near 1550 nm is used, it is preferable to obtain the loss characteristic having the above-mentioned σ value of about 10 nm, for example, in this wavelength band.
[0020]
For example, in a single mode optical fiber having a step-type refractive index distribution with a core diameter of 8 μm and a relative refractive index difference between the core and the cladding of 0.4%, the above-mentioned preferable characteristics are obtained depending on the following design conditions. can get.
Design example 1: Grating period 498 μm, number of gratings 84, grating length about 42 mm
Design example 2: Grating period 438 μm, number of gratings 104, grating length about 46 mm
Design example 3: Grating period 380 μm, number of gratings 135, grating length about 52 mm
In addition, a single mode optical fiber having a core diameter of 5.6 μm, a high relative refractive index type having a core-clad relative refractive index difference of 1.0%, and a step type refractive index distribution is designed as follows. Depending on the conditions, the above-described characteristics can be obtained.
Design Example 4: Grating period 197 μm, number of gratings 77, grating length about 16 mm
Design Example 5: Grating period 187 μm, number of gratings 83, grating length about 16 mm
Design Example 6: Grating period 176 μm, number of gratings 92, grating length about 17 mm
[0021]
In order to improve the measurement accuracy of PDL, it is necessary to make the measured value of PDL larger than the measurement error.
For this purpose, it is necessary to decrease the value of σ or increase ΔL in the later-described expression (4) (the expression (1)). In general, in the grating portion having the characteristic of coupling the mode propagating in the core in the same direction as the incident direction and the clad mode that translates this mode as described above, σ decreases as the grating length increases, and ΔL Will increase. In order to improve the measurement accuracy, it is preferable that σ is about 15 nm or less and ΔL is about 4 dB or more. Therefore, it is preferable to design the conditions such as the grating length so as to obtain characteristics satisfying these numerical ranges.
[0022]
For irradiation with ultraviolet light, for example, a KrF excimer laser is used as the light source. In this case, the wavelength of the ultraviolet light is around 248 nm. In addition, as a method of periodically irradiating ultraviolet light, a method using an intensity mask, condensing ultraviolet light at one point of an optical fiber using a lens, etc., and then setting the condensing position in the length direction of the optical fiber It is possible to use a known method such as a method (step-by-step method) in which the same irradiation operation is repeated after moving to the position.
[0023]
Next, a dehydrogenation treatment is preferably performed to remove the hydrogen gas remaining in the optical fiber. Specifically, for example, the exposure is performed by exposing the optical fiber in an air atmosphere at 100 to 150 ° C. for 12 to 24 hours.
Finally, the grating part is reinforced as necessary. For example, the grating part is fixed to a reinforcing table made of glass or ceramics using an adhesive.
[0024]
In addition to the above, for manufacturing the grating part, a method of changing the effective refractive index by heating the optical fiber at a predetermined cycle along its length direction can be used. Also in this case, it is preferable to prevent the introduction of birefringence due to refractive index fluctuation, that is, polarization dependence, by applying heat from the entire circumferential direction of the optical fiber. In the case of this method, a CO 2 laser, arc discharge, or the like can be used as a heating means.
[0025]
In this way, the grating portion is formed, and the optical characteristics are evaluated and analyzed as follows. As described above, there are two types of measurement, the wavelength dependence of insertion loss and the wavelength dependence of PDL. In any case, it can be obtained by sequentially measuring the insertion loss or PDL for each measurement wavelength while changing the measurement wavelength λ by a known method using a spectrum analyzer, an optical power meter, or the like.
Examples of the insertion loss measuring method include the following methods. That is, a measurement system as shown in FIG. 2 is configured, a wavelength component having a narrower band than that of white light is extracted, incident on the optical device to be measured, and emitted light is measured with a highly sensitive optical power meter or the like.
As a PDL measurement method, for example, the following all polarization measurement method can be exemplified. That is, a measurement system as shown in FIG. 3 is configured, light of any polarization state is incident on the optical device under measurement, the optical power of the transmitted light is measured, and the ratio between the maximum value and the minimum value of the result is determined. Calculate to obtain PDL.
[0026]
First, it is known that the relationship between the insertion loss Loss and the wavelength of a grating part having a constant grating period can be approximated by a Sinc type function as shown in the following equation (4) for non-polarized light (or all polarized light). Yes. The equation (1) simply shows the relationship of the equation (4).
[0027]
[Expression 7]
Then, fitting is performed by substituting the measurement wavelength and the measured value of the insertion loss at this measurement wavelength into the respective formulas (4) (that is, the formula (1)), and measuring these plural sets. ΔL, λpeak, and σ that simultaneously satisfy the relationship between the wavelength and the insertion loss are obtained.
FIG. 4 is a graph showing an example of the wavelength dependence of insertion loss, and the central peak is the insertion loss peak. In the graph, a curve (measurement result) of measured values of wavelength dependence of insertion loss, and ΔL, λpeak, σ obtained by fitting these measured values to the above equation (4) (that is, equation (1)). A curve (fitting result) showing Expression (4) in which the numerical values of are respectively substituted is shown. These curves agree very well.
[0029]
On the other hand, when the grating part is manufactured by uniformly irradiating light on the entire circumference of the optical fiber (entirely on the circumference) as described above, the grating does not have polarization dependency due to the change in refractive index. Part is obtained. Therefore, the cause of the PDL of this grating part is only the propagation constant difference between the polarization components constituting the waveguide mode propagating through the optical fiber, or the effective refractive index difference between the polarization components (that is, the mode birefringence). It is.
Further, in principle, when the difference between the propagation constants between the polarization components is small, only the λpeak fluctuates, and ΔL and σ do not change in the long-period grating portion. Note that this condition can be satisfied with a normal birefringent optical fiber or a non-birefringent optical fiber.
[0030]
Here, the two polarization components that maximize the propagation constant difference between the polarization components, that is, the mode birefringence is the maximum, are the x polarization component and the y polarization component. As mentioned above, PDL is usually the difference between these polarization components. Then, in the wavelength dependence of the insertion loss of these polarization components, the center wavelengths of the respective insertion loss peaks are λpeak (x) and λpeak (y). Here, assuming that the difference between λpeak (x) and λpeak (y) is δλ, λpeak (x) and λpeak (y) are expressed by the following equations (5), respectively.
[0031]
[Equation 8]
PDL is the difference between the insertion loss Loss (x) of the x polarization component and the insertion loss Loss (y) of the y polarization component, as shown in the first column of the following equation (6). . Then, the formula in the first column can be expressed as the formula in the second column from the formula (4), and further, as in the formula in the third column from the formula (5). Can be represented. The equation (2) simply shows the relationship of the equation (6).
[0033]
[Equation 9]
Then, fitting is performed by substituting the measurement wavelength and the measured value of the PDL at this measurement wavelength by substituting each into the equation (6) (that is, the equation (2)). Δλ that simultaneously satisfies the relationship with PDL is obtained.
FIG. 5 is a graph showing an example of wavelength dependence of PDL. In the graph, a PDL wavelength-dependent measurement value curve (measurement result) and an equation obtained by substituting the numerical value of δλ obtained by fitting these measurement values to the above equation (6) (ie, equation (2)) A curve showing (6) (fitting result) is shown. Since the measured value of PDL is small, the plot of the actual measurement value slightly fluctuates, but these curves are almost the same.
[0035]
Further, assuming that the grating period Λ of the grating portion and the effective refractive indexes of the waveguide mode and the clad mode (mode propagated through the clad) of the optical fiber are n e1 and n eN , respectively, these relationships are expressed by the following equation (7): It is represented by
[0036]
[Expression 10]
Further, as described above, δλ is the difference between λpeak (x) and λpeak (y) , and is expressed as in the first column of the following equation (8). From the formula (7), the formula in the first column is expressed as the formula in the second column of the formula (8).
[0038]
[Expression 11]
Here, in the cross section of a normal optical fiber, the difference between the outer diameter of the longest core and the outer diameter of the shortest core caused by the non-circularization of the optical fiber is about 0.0 to 0.5%. Moreover, the similar difference in a clad is about 0.5 to 1.0%. Therefore, the mode birefringence ne e (x) −ne e (y) of the cladding mode is sufficiently smaller than the mode birefringence ne l ( x) −ne 1 (y) of the waveguide mode. Therefore, the equation (7) can be approximated as the following equation (9).
[0040]
[Expression 12]
When this equation (9) is modified, the mode birefringence B is expressed as the following equation (10). The equation (3) simply shows the relationship of the equation (10).
[0042]
[Formula 13]
Since the grating period Λ of the grating part can be set at the time of manufacturing the grating part, it is a known value. Further, as described above, δλ can be obtained from the measured value of the wavelength dependence of the insertion loss of the grating part and the measured value of the wavelength dependence of the PDL. Therefore, the mode birefringence can be calculated by substituting the value of Λ and the value of δλ into the equation (10) (that is, the equation (3)).
[0044]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
A dispersion shift optical fiber made by Fujikura whose core is made of germanium-added quartz glass was prepared, and a grating portion was formed by irradiating light with a wavelength of 248 nm using a KrF excimer laser. The grating period was 285.0 μm, and the number of gratings was 80 (grating length 22.8 mm).
When the wavelength dependence of the insertion loss was measured for this grating part, and the fitting of the formula (1) was performed using this measured value, the same result as the graph shown in FIG. 4 was obtained, and the measured value And the fitting results agreed well.
The values of λpeak, σ, and ΔL obtained at this time are as follows.
[0045]
[Expression 14]
Further, when the wavelength dependence of the PDL was measured for this grating part and the fitting of the above equation (2) was performed, the same result as the graph shown in FIG. 5 was obtained, and the measured value and the fitting result were almost the same. did.
The value of δλ obtained at this time was as follows.
[0047]
[Expression 15]
Then, when the value obtained in this way was substituted for the above-mentioned grating period value in the formula (3), the mode birefringence could be obtained as follows.
[0049]
[Expression 16]
Further, when the mode birefringence was calculated from the measured value of the wavelength dependency of the insertion loss and the measured value of the wavelength dependency of the PDL for the optical fiber of the same lot in which the grating portions were simultaneously formed by the same method, 3.72 Values in the range of × 10 −7 to 3.84 × 10 −7 were obtained, and measurement with very high accuracy (10 −8 ) was possible. Therefore, it has been clarified that the mode birefringence can be measured accurately and with good reproducibility by the measurement method according to the present invention.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the mode birefringence is measured accurately and reproducibly by forming the grating portion of the optical fiber and measuring the wavelength dependency of the insertion loss and the wavelength dependency of the PDL. can do. Further, the mode birefringence can be measured for both the birefringent fiber and the non-birefringent optical fiber.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of a method for forming a grating portion.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of a method for measuring insertion loss.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of a PDL measurement method.
FIG. 4 is a graph showing an example of wavelength dependence of insertion loss.
FIG. 5 is a graph showing an example of wavelength dependence of PDL.
[Explanation of symbols]
λpeak is the center wavelength of the insertion loss peak, ΔL is the rejection rate of the insertion loss peak, and σ is the half bandwidth of the insertion loss peak.
Claims (5)
前記グレーティング部の挿入損失の偏波依存性の波長依存性を測定し、該測定値と以下の式（２）
以下の式（３）
The wavelength dependence of the polarization dependence of the insertion loss of the grating part is measured, and the measured value and the following equation (2)
The following formula (3)
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