JP2005043575A - 光接続部の構造および光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ハウジングおよびフェルールの熱伸縮を相殺して、ハウジング内部の部品にストレスを与えることを防止する。
【解決手段】ガラスキャピラリ１６を金属製のフェルール１４に一体固定する。ハウジング１２と同じ線膨張係数の金属製のスリーブ２０をフェルール１４の外周に嵌合固定する。フェルール１４の材質、並びにフェルール１４へのスリーブ固定個所Ｐからフェルール先端Ｑまでの長さＸおよびスリーブ固定個所Ｐから光ファイバ先端Ｒまでの長さＹを、温度変化によるハウジング、スリーブおよびフェルールが伸縮が相殺されるように設定する。ガラスキャピラリがフェルールと一体であり、光ファイバだけの部分が存在しないので、構造が簡潔、製造が容易、取り扱いも容易、部品コストを低減できる。光モジュールの組み立て時に、熱収縮を相殺するために厳格な精度管理を必要としない。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明に属する技術分野】
この発明は、光ファイバを挿通固定したフェルールを、光モジュールのハウジングの壁部に貫通固定する構造の光モジュールに適用される光接続部の構造、およびこの構造を採用した光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハーメチックシール（気密封止）型の光モジュールとして、例えば、ケース内にバルク型変調素子、あるいは発光素子や受光素子などの各種光素子を内蔵しており、両端に光ファイバピグテイルが延出したものがある。
ここで、ケース内への光ファイバ引入れ部の構造として、光ファイバを挿通固定したフェルールを、光モジュールのケース（以下、ハウジングとする）の壁部に貫通固定する構造を採用する場合がある。例えば、ＳＵＳ（ステンレス）等の金属製のフェルールを用い、このフェルールを金属製のハウジングの壁部にハンダ付けすることが一般に行われている。
【０００３】
この種の従来の光モジュールを図５に示す。図示例の光モジュール１は光変調器であり、本発明の実施形態として示した図３のように両端部が概ね左右対称形状であるが、図５は片側部分の要部を断面で示している。この光モジュール１は、金属製のハウジング２内に固定された基板上に、例えばバルク型変調素子であるＬｉＮｂＯ_３などの光素子３が搭載されたものや、種々の電子部品を実装し、ハウジング２の壁部２ａにフェルール挿通穴部２ｂを形成し、このフェルール挿通穴部２ｂにＳＵＳ等の金属製のフェルール４を貫通しハンダ付けで固定している（固定部を７で示す）。フェルール４は、光ファイバ心線５の端末部の被覆を除去した光ファイバ（裸ファイバ）５ａをその先端がフェルール先端面４ａから延出するように挿通固定しており、光ファイバ５ａのフェルール先端面４ａからの延出部の先端側部分は、ガラスキャピラリ６に挿通固定され、ガラスキャピラリ６の成端（端面研磨）された先端面は、光素子３側にＵＶ接着剤で固定されている。
【０００４】
上記のようにフェルール４とガラスキャピラリ６との間で光ファイバ５ａを露出させているのは、伸縮歪みを吸収させるためであり、また、ガラスキャピラリを用いるのは、光素子と光ファイバの接着が紫外線硬化型の接着剤で行われているためである。紫外線に対して透明な材質として一般的にはガラス製のものが用いられている。また、ガラスの線膨張係数が金属に比較して小さいという利点もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の光モジュール１は、ハウジング２の熱伸縮が、光ファイバ５ａに直接負荷がかかる構造であるために、ハウジング２とスリーブの熱伸縮の程度によっては、接続部にストレスをかけたり、あるいは、光ファイバ５ａが曲がって特性が劣化したり、さらには破損する恐れがある。
【０００６】
そこで、光ファイバ５ａの強度を持たせるために、光ファイバ５ａの表面に金等の金属でメッキを施す場合もあるが、このような表面処理をすると、非常にコストが高くなる。
また、フェルール４とガラスキャピラリ６との間で光ファイバ５ａが露出する構造では、光モジュールの構成部品として複雑である。また、光モジュールの組み立てに細心の注意を要し、組み立てが極めて煩雑である。
【０００７】
なお、上記の問題を解消する対策として、単にフェルール４の材質をハウジング２と同じ材質にするのは、ハウジング２の熱伸縮相殺に関与する長さＬとフェルール４の熱伸縮相殺に関与する長さＭが異なるので、それぞれの伸縮を相殺できず、目的を達成できない。
【０００８】
また、フェルール４の材質として、ハウジング２の線膨張係数に対して適切な線膨張係数のものを用いて、ハウジング２の熱伸縮とフェルール４の熱伸縮を相殺する対策も考えられるが、この対策を単純に適用することは実際上あまり有効でない。すなわち、決められたフェルール長に対して適切な線膨張係数を有するハウジング材質、フェルール材質を選択して組合わせることには困難が多いためである。
【０００９】
本発明は上記従来の欠点を解消するためになされたもので、温度変化による光モジュールの各部の伸縮を相殺して、フェルールがハウジング内部の部品に対して与える伸縮ストレスを防止できるとともに、部品の簡易化およびコスト低減を実現でき、かつ光モジュール組み立てを容易にすることができる光接続部の構造、およびこの構造を採用した光モジュールを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、光素子を収容した金属製のハウジングの壁部に、光ファイバを挿通固定したフェルールを、前記光素子に光ファイバの先端が対向するように固定して、前記光ファイバの先端と前記光素子とを光接続する光接続部の構造であって、
前記フェルールの外周に前記ハウジングと線膨張係数が等しい材質のスリーブを固定し、かつこのスリーブが前記ハウジングに設けたスリーブ挿通穴部に挿通固定されてなることを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１において、光素子を収容した金属製のハウジングの壁部に、光ファイバを挿通固定したフェルールを、前記光素子に光ファイバの先端が対向するように固定して、前記光ファイバの先端と前記光素子とを光接続する光接続部の構造であって、
前記フェルールの外周に前記ハウジングと線膨張係数が等しい材質のスリーブを固定し、かつこのスリーブが前記ハウジングに設けたスリーブ挿通穴部に挿通固定されてなり、フェルールの材質並びにフェルールへのスリーブ固定個所からフェルール先端までの長さｘを、温度変化によりハウジング、スリーブおよびフェルールが伸縮した時に、ハウジング、スリーブおよびフェルールの各伸縮が相殺されて、前記光素子に対するフェルール先端位置が変位しないような線膨張係数および長さに設定したことを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項２において、前記フェルール端面から光ファイバが延出し、この延出部をガラスキャピラリに挿通固定するとともにこのガラスキャピラリの後端面をフェルール先端端面に固定し、フェルールの材質並びにフェルールへのスリーブ固定個所からフェルール先端までの長さＸおよびスリーブ固定個所から光ファイバ先端までの長さＹを、温度変化によりハウジング、スリーブおよびフェルールが伸縮した時に、ハウジング、スリーブおよびフェルールの各伸縮が相殺されて、前記光素子に対するフェルール先端位置が変位しないような線膨張係数および長さに設定したことを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１乃至３において、前記キャピラリィがガラスであり、前記スリーブが前記ハウジングと同じ金属製であることを特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明は、光素子を収容した金属製のハウジングの壁部に、光ファイバを挿通固定したフェルールを、前記光素子に光ファイバの先端が対向するように固定して、前記光ファイバの先端と前記光素子とを光接続した光モジュールであって、光ファイバと光素子との光接続を行う手段として請求項１乃至４記載の光接続部の構造を採用したことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の一実施形態の光モジュール１１の要部を断面図で示す。図示例の光モジュール１１は、例えば光変調器であり、図３に示すように両端部が概ね対称形状の角形断面あるいは円形断面を呈する。図１は図３の右端部部分の長手方向の断面を示している。この光モジュール１１は、金属製の細長いハウジング１２内に固定された基板上の光素子３や種々の電子部品等を実装している。ここで光素子とは光モジュールに内蔵されている光部品の総称であり、既に説明したバルク型素子や受光、発光素子、その他、光学機能を有する部品を指すものとする。
ハウジング１２の長手方向両端の壁部１２ａには断面が円形なるスリーブ挿通穴部１２ｂを形成しており、このスリーブ挿通穴部１２ｂに、後述するように所定の材質に選定された金属からなる断面が円形なるフェルール１４がハウジング１２と線膨張係数と同じ材質、好ましくはハウジングと同材質の金属製スリーブ２０を介して貫通固定される。
【００１６】
フェルール１４は全体が円筒形であり、図２にも示すように、心線被覆部挿入用の太径なる中空部１４ｃの先端側に、細径の光ファイバ穴１４ｂをあけられ、光ファイバ心線５の被覆端近傍が前記中空部１４ｃに挿入され、かつ中空部１４ｃの入口部分で接着剤１５で固定され、光ファイバ心線５の端末の被覆を除去した光ファイバ（例えば、裸ファイバ）５ａは、その先端がフェルール先端面１４ａから延出するように光ファイバ穴１４ｂに挿通されかつ接着剤で固定されており、かつ、光ファイバ５ａのフェルール先端面１４ａからの延出部の全体が透明材なるキャピラリ、例えばガラスキャピラリ１６の光ファイバ穴１６ｂに挿通されかつ接着剤で固定され、ガラスキャピラリ１６の後端面（図１、図２に右方端）１６ｃがフェルール先端面１４ａにガラス用の接着剤等で固定されている。なお、ガラスキャピラリ１６の先端面１６ａは周知の斜め研磨で成端されている。図示例の光ファイバ心線５は光ファイバ（裸ファイバ）５ａに被覆を施した０．９ｍｍφの単心光ファイバ心線である。
フェルール１４の外周に前記の通りハウジング１２と同じ線膨張係数の材料、例えば同金属製の例えば同心円をなす中空のスリーブ２０を嵌合させ、その片側の周縁部をフェルール上に、後述する要領で設定した位置に位置決めした上で、その片側の周縁部に沿って例えばハンダ付けやガラス用の接着剤等でフェルールと固定（ハンダ付け等の固定部を２１で示す）している。そして、そのスリーブ２０がハウジング１２のスリーブ挿通穴部１２ｂに沿って、例えばハンダ付け固定（固定部を２２で示す）される。
スリーブ２０とフェルールの固定箇所が、スリーブ内面すべてでなく、片側の周縁部のみであることは重用である。後述のごとく固定箇所が限られていることによりフェルールの伸縮量を予め計算することが容易になる。
【００１７】
そして、フェルール１４の材質、並びに、フェルール１４へのスリーブ固定個所Ｐからフェルール先端１４ａまでの長さＸおよびスリーブ固定個所Ｐから光ファイバ先端Ｒ（すなわちガラスキャピラリ１６の先端）までの長さＹは、温度変化によりハウジング１２、スリーブ２０およびフェルール１４が伸縮した時に、ハウジング１２、スリーブ２０およびフェルール１４の各伸縮が相殺されてフェルール先端位置Ｑ（１４ａ）が変位しないような線膨張係数および長さに設定している。
【００１８】
金属の線膨張係数の例を上げると、例えばＳＵＳ３０４（ステンレス）は、例えば１．４×１０^−５／℃（「×１０^−５」以下の単位系は省略してゆく）、アルミニウムは２．３、亜鉛は３．０、マグネシウムは２．５、コバールは０．５等である（なお、これらのすべてが使用に適しているという例示ではない）。
【００１９】
本発明ではこのような線膨張係数の差異を利用するが、例えば、ハウジング１２にＳＵＳ３０４を用い、フェルール１４にアルミニウムまたは亜鉛を用いた場合の各部の寸法の設定例を、具体的に説明する。ハウジング１２とスリーブ２０は同材質でありかつ互いに固定されているので、単一の部材として扱うことができ、したがって、スリーブ２０をフェルール１４に固定した固定個所Ｐ（フェルールへのスリーブ固定個所（固定部２１）が、熱伸縮相殺を計算する際の基準点となる。各材質の線膨張係数（×１０^−５）を、ＳＵＳ３０４が１６．４、亜鉛が３０．２、アルミニウムが２３．１とすると、亜鉛の線膨張係数の対ＳＵＳ比は１．８４１４６３、アルミニウムの線膨張係数の対ＳＵＳ比は１．４０８５３７である。
今、ガラスキャピラリ１６の長さＬ（すなわち、フェルール先端Ｑから光ファイバ先端Ｒまでの長さ）が３．６ｍｍであるとする。なお、ガラス（ガラスキャピラリおよび光ファイバ（ガラス部分））の温度変化による伸縮は金属の熱伸縮と比べて十分小さいので、無視するものとする。そうすると、ハウジング１２およびフェルール１４のそれぞれの熱伸縮が、フェルール先端位置Ｑが変位しないように相殺されればよいことになる。フェルール先端位置Ｑが変位しないためには、次の（ａ）、（ｂ）の条件（式）が満たされればよい。
（１）アルミニウムの場合：
（ａ）通常時：Ｙ＝３．６＋Ｘ
（ｂ）熱伸縮時：１６．４Ｙ＝３０．２Ｘ
上記（ａ）、（ｂ）からなる２連方程式より、Ｘ＝４．２９、Ｙ＝７．８９、が得られる。
（２）亜鉛の場合：
（ｃ）通常時：Ｙ＝３．６＋Ｘ
（ｄ）熱伸縮時：１６．４Ｙ＝２３．１Ｘ
上記（ｃ）、（ｄ）からなる２連方程式より、Ｘ＝８．８１、Ｙ＝１２．４１、が得られる。
すなわち、アルミニウムの場合はＸ＝４．２９ｍｍ、Ｙ＝７．８９ｍｍに、亜鉛の場合はＸ＝８．８１ｍｍ、Ｙ＝１２．４１ｍｍに設定すると、温度変化があっても、ハウジング１２およびフェルール１４の熱収縮が相殺されて、フェルール先端位置Ｑが変位せず、光素子３側にストレスが生じることを防止できる。
【００２０】
上記の光モジュール１１を実際の製造に関しては、光モジュールを組み立てる光モジュールメーカーが、部品メーカーからガラスキャピラリ・フェルール付きの光ファイバ心線（すなわち図２に示した部品（図２に示されたもの全体））２３を購入して、光モジュールの組み立てを行なう場合が多いが、このような場合、図２の部品（ガラスキャピラリ・フェルール付きの光ファイバ心線）２３を受け取った光モジュールメーカーの製造現場では、単に、この部品２３のフェルール１４およびスリーブ２０を、ガラスキャピラリ１６の先端面が光素子３側に当たるまで、ハウジング１２のスリーブ挿通穴部１２ｂに挿通し、その状態でスリーブ２０をスリーブ挿通穴部１２ｂにハンダ付け等で固定（固定部２２）すればよい。すなわち、光モジュール組み立て工程では、フェルール１４ないしスリーブ２０のハウジング１２に対する長手方向の相対位置を考慮する必要はなく、単にハウジング１２内に押し込み、光素子３に突き当てればよい。このように、熱収縮を相殺するために厳格な精度管理を必要としないので、光モジュールの組み立てが容易であり、コストは安く済む。
また、図６に示したようなフェルール４とガラスキャピラリ６との間に光ファイバ５ａだけの部分がある従来構造は、部品として複雑であり、製造が容易でなくまた取り扱いも容易でなく、部品コストも高くなるが、本発明ではガラスキャピラリ１６がフェルール１４と一体で光ファイバ５ａだけの部分が存在しないので、部品として構造が簡潔であり、製造が容易でまた取り扱いも容易であり、部品コストを低減することができる。
【００２１】
なお、上記の実施形態では、スリーブ２０の後端（図１等で右側端）をフェルール１４に固定したが、図４に示すように、スリーブ２０の先端をフェルール１４に固定してもよい。この場合は、スリーブ２０をフェルール１４に固定する個所Ｐ（固定部２１’）が基準点となるから、ＸおよびＹの長さが図４に示すようになるが、上述した計算の要領は全く同じである。また、実際には前記のようにスリーブ２０の後端か先端をフェルール１４に固定することになるが、固定個所はどこでもよい。
【００２２】
上述の実施形態では、光変調器の場合について説明したが、これに限らず、光素子を収容した金属製や樹脂製などフェルールと異なる線膨張係数を有する材質よりなるハウジング（ケース）を持つ種々の光モジュールに適用できる。
またさらに、光モジュールの構成として両側から光ファイバが導入される左右対称形状のものだけでなくて、片側のみから光ファイバが導入される左右非対称であっても良い、すなわち本発明は、フェルールと内蔵される光素子との間に熱伸縮によるストレスが発生して光接続特性に悪影響を及ぼすのを防止することであるから、光モジュールの機能形状には限定されない。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような効果を奏する。
（１）ハウジングおよびフェルールの熱伸縮を相殺することが容易であり、ハウジング内部の部品にストレスを与えることを防止できる。
（２）ガラスキャピラリがフェルールと一体であり、従来構造のような光ファイバだけの部分が存在しないので、部品として構造が簡潔であり、製造が容易でまた取り扱いも容易であり、部品コストを低減することができる。
（３）光ファイバ（裸ファイバ）だけの部分に補強のために金メッキ等の表面処理を行なう従来方法と比べて、表面処理等による補強を必要としないので、この点でもコストが安く済む。
（４）予め、ガラスキャピラリ・フェルール付きの光ファイバ心線を製造する際に、スリーブのフェルールに対する固定個所を正確にしておけば、光モジュールの組み立て現場では、フェルールないしスリーブのハウジングに対する長手方向の相対位置を考慮する必要はなく、単にハウジング内に押し込み、ガラスキャピラリの先端を光素子に突き当てればよいので、熱収縮を相殺するために厳格な精度管理を必要とせず、光モジュールの組み立てが容易になり、安価なコストで製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の光モジュール（光変調器）の要部の断面図である。
【図２】図１におけるガラスキャピラリ・フェルール付き光ファイバ心線のみを示した断面図である。
【図３】図１の光モジュールの全体平面図である。
【図４】フェルールへのスリーブ固定個所についての他の実施形態を示すもので、光モジュールの要部の断面図である。
【図５】従来の光モジュールの要部の断面図である。
【図６】図５におけるガラスキャピラリ・フェルール付き光ファイバ心線のみを示した断面図である。
【符号の説明】
３ 光素子
５ 光ファイバ心線
５ａ 光ファイバ（裸ファイバ）
１１ 光モジュール（光変調器）
１２ ハウジング
１２ａ 壁部
１２ｂ スリーブ挿通穴部
１４ フェルール
１４ａ フェルール先端面
１４ｂ 光ファイバ穴
１６ ガラスキャピラリ
１６ｂ 光ファイバ穴
１６ｃ ガラスキャピラリの後端面
２０ スリーブ２０
２１、２２ 固定部
２３ ガラスキャピラリ・フェルール付きの光ファイバ心線
Ｐ フェルールへのスリーブ固定個所（基準点）

Claims (5)

1. 光素子を収容した金属製のハウジングの壁部に、光ファイバを挿通固定したフェルールを、前記光素子に光ファイバの先端が対向するように固定して、前記光ファイバの先端と前記光素子とを光接続する光接続部の構造であって、
   前記フェルールの外周に前記ハウジングと線膨張係数が等しい材質のスリーブを固定し、かつこのスリーブが前記ハウジングに設けたスリーブ挿通穴部に挿通固定されてなることを特徴とする光接続部の構造。
2. 光素子を収容した金属製のハウジングの壁部に、光ファイバを挿通固定したフェルールを、前記光素子に光ファイバの先端が対向するように固定して、前記光ファイバの先端と前記光素子とを光接続する光接続部の構造であって、
   前記フェルールの外周に前記ハウジングと線膨張係数が等しい材質のスリーブを固定し、かつこのスリーブが前記ハウジングに設けたスリーブ挿通穴部に挿通固定されてなり、フェルールの材質並びにフェルールへのスリーブ固定個所からフェルール先端までの長さｘを、温度変化によりハウジング、スリーブおよびフェルールが伸縮した時に、ハウジング、スリーブおよびフェルールの各伸縮が相殺されて、前記光素子に対するフェルール先端位置が変位しないような線膨張係数および長さに設定したことを特徴とする請求項１記載の光接続部の構造。
3. 前記フェルール端面から光ファイバが延出し、この延出部をガラスキャピラリに挿通固定するとともにこのガラスキャピラリの後端面をフェルール先端端面に固定し、フェルールの材質並びにフェルールへのスリーブ固定個所からフェルール先端までの長さＸおよびスリーブ固定個所から光ファイバ先端までの長さＹを、温度変化によりハウジング、スリーブおよびフェルールが伸縮した時に、ハウジング、スリーブおよびフェルールの各伸縮が相殺されて、前記光素子に対するフェルール先端位置が変位しないような線膨張係数および長さに設定したことを特徴とする請求項２記載の光接続部の構造。
4. 前記キャピラリィがガラスであり、前記スリーブが前記ハウジングと同じ金属製であることを特徴とする請求項１乃至３記載の光接続部の構造
5. 光素子を収容した金属製のハウジングの壁部に、光ファイバを挿通固定したフェルールを、前記光素子に光ファイバの先端が対向するように固定して、前記光ファイバの先端と前記光素子とを光接続した光モジュールであって、
   前記光ファイバと光素子との光接続を行う手段として請求項１乃至４記載の光接続部の構造を採用したことを特徴とする光モジュール。

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