JP2005070467A

JP2005070467A - 光アイソレータ付き光レセプタクルとこれを用いた光モジュール

Info

Publication number: JP2005070467A
Application number: JP2003300650A
Authority: JP
Inventors: Kaichiro Nakajima; 嘉一郎中島; Takashi Mori; 敬司森
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】電気回路のスペースを確保するために、光レセプタクルを短くすることが求められているが、光アイソレータ付き光レセプタクルの場合、ファイバスタブの端面に光アイソレータを配置する構造であるため、どうしても全長が長くなってしまうという問題があった。
【解決手段】少なくとも１枚の偏光子と１枚のファラデー回転子を有する光アイソレータと、少なくとも１つの光コネクタ用プラグフェルールを保持するための精密スリーブを有し、前記光アイソレータは前記精密スリーブの内側に固定され、かつ光コネクタ用プラグフェルールを、光アイソレータとの間に空隙を介在させて保持する手段を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は光通信に用いる光アイソレータ付き光レセプタクルと、これを用いた光モジュールに関するものである。

光信号を電気信号に変換するための光モジュールは、半導体レーザーやフォトダイオード等の光素子をケース内に収納し、光ファイバを通じて光信号を導入又は導出するような構造となっている（特許文献１参照）。

上記光モジュールのうちコネクタを接続するようにしたレセプタクル型の光モジュールは、図８に示すような光レセプタクル２２の一端に光素子２３を備えるとともに、他端に石英ガラス等からなる光ファイバ１４を有する光コネクタ（ＳＣコネクタ等）のプラグフェルール１５を接続するものである。

上記光レセプタクル２２は、図８に示すようにジルコニア、アルミナ等のセラミック材料からなるフェルール１７と、該フェルール１７の貫通孔に石英ガラス等からなる光ファイバ１６を挿入固定して得られたファイバスタブ１８の後端部をホルダ２０に圧入により固定し、先端部をスリーブ１９の内孔に挿入するとともに、それらをスリーブケース２１に圧入又は接着固定することによって構成されている。

上記ファイバスタブ１８における光ファイバ１６の端面は、当接時の接続損失を減らすために曲率半径５〜３０mm程度の曲面に鏡面研磨されており、反対側の端面は、ＬＤ等の光素子２３から出射された光信号が光ファイバ１６の先端部で反射して光素子に戻る反射光を防止するため、光ファイバ１６を挿通するフェルール１７とともに傾斜面に鏡面研磨されている。

このとき、フェルール１７の外径は、ＳＣコネクタを接続するタイプのものがφ２．５ｍｍ程度、ＬＣコネクタを接続する小型タイプのものがφ１．２５ｍｍ程度、外径公差は±１μｍ以下で、その貫通孔に備えられた光ファイバ１６の外径は１２５μｍ程度、外径公差は±１μｍ程度とＪＩＳ規格やＩＥＣ規格等で規定されているが、従来から、光ファイバ１６の中心に形成された光信号を伝搬する直径１０μｍ程度のコア（不図示）同士を損失の少ない接続とするため、それぞれの部品（スリーブ１９、フェルール１７等）は高精度に加工されており、スリーブ１９によってファイバスタブ１８及びプラグフェルール１５を安定且つ高精度に保持する構造となっている。

さらに上述の光レセプタクル２２を用いて光モジュールを構成する場合は、光レセプタクル２２のファイバスタブ１８を備えた後端面側に、光素子２３とレンズ２４を備えたケース２５を溶接により接合し、光レセプタクル２２のもう一方の端面側よりスリーブ１９内にプラグフェルール１５を挿入し、光ファイバ１４および光ファイバ１６の端面を当接させ、光信号のやりとりを行うことができる。

従来、上述したような光レセプタクルを用いた光モジュールは、ＬＡＮ等の低速な通信用途にのみ用いられており、幹線系等の高速な通信用途には光ファイバピグテイルを用いた光モジュールが用いられていた。しかしながら近年、ＬＡＮ等においても通信速度の高速化が求められてきたこと、また光ファイバピグテイルを用いた光モジュールに比べ光レセプタクルを用いた光モジュールは非常に小型であることから、光レセプタクルを用いた光モジュールにおいても通信速度の高速化が求められてきた。

通信速度の高速化には、高性能な半導体レーザーを使用することにつながる。高性能な半導体レーザーを使用する場合、安定した特性を得るためには反射戻り光を防ぐ必要があり、そのためには光アイソレータを光路に挿入しなければならない。そこで図９に示すように、光レセプタクルに光アイソレータを配置したものが考案されている。

上記光アイソレータ付き光レセプタクル２２は、図９に示すようにジルコニア、アルミナ等のセラミック材料からなるフェルール１７と、該フェルール１７の貫通孔に石英ガラス等からなる光ファイバ１６を挿入固定して得られたファイバスタブ１８の後端部をホルダ２０に圧入により固定し、先端部をスリーブ１９の内孔に挿入するとともに、それらをスリーブケース２１に圧入又は接着固定することによって構成されている。

さらにファイバスタブ１８の後端部端面に偏光子、ファラデー回転子、偏光子にて構成される光アイソレータ素子２６が備えられており、光アイソレータ素子２６を囲むようにリング状のマグネット２７がホルダ２０に接着固定されている。（特許文献２参照）。
特開２００１−６６４６８号公報特開２００３−７５６７９号公報

しかしながら、一般的に光レセプタクルを用いた光モジュールを使用したトランシーバの形状は規格化されているが、半導体レーザーに加える変調速度が高速化すると、そのための電気回路に必要なスペースは大きくなる。つまり電気回路のスペースを確保するために、光レセプタクルを短くすることが求められている。

図８に示す従来の光レセプタクル２２の場合、ファイバスタブ固定方法においてホルダ２０とファイバスタブ１８の接触面積によって固定強度が変動するが、全長を短くするために接触面積が小さくなってしまい、光コネクタ接続の際にファイバスタブ１８が動いて接続損失の再現性を悪くしてしまうという問題があった。

さらにファイバスタブ１８の外径は、光ファイバ１６の中心に形成された光信号を伝搬する直径１０μｍ程度のコア（不図示）同士を損失の少ない接続とするため、非常に高精度に加工する必要があり、またコア同士直接接合するために、曲面に鏡面研磨を施さなければならないが、全長が短くなると、加工に非常に手間がかかる問題があった。

また、図９に示すような光アイソレータ付き光レセプタクルの場合、ファイバスタブの端面に光アイソレータを配置する構造であるため、どうしても全長が長くなってしまうという問題があった。

上記に鑑みて本発明の光アイソレータ付き光レセプタクルは、少なくとも１枚の偏光子と１枚のファラデー回転子を有する光アイソレータと、少なくとも１つの光コネクタ用プラグフェルールを保持するための精密スリーブを有し、前記光アイソレータは前記精密スリーブの内側に固定され、かつ光コネクタ用プラグフェルールを、光アイソレータとの間に空隙を介在させて保持する手段を有することを特徴とする。

また前記精密スリーブの内径に、前記光コネクタ用プラグフェルールを固定するための段差を設けたことを特徴とする。

また前記光アイソレータを固定する光アイソレータホルダを有し、前記精密スリーブと前記光アイソレータホルダが圧入固定されていることを特徴とする。

さらに前記光アイソレータもしくは前記精密スリーブに空気孔を設けたことを特徴とする。

また本発明は、前記光アイソレータ付き光レセプタクルに光素子を備えて光モジュールを構成したことを特徴とする。

以上のように、本発明の光アイソレータ付き光レセプタクルによれば、高性能な半導体レーザーに求められる反射戻り光を遮断するための光アイソレータを備え、かつ高速変調のための電気回路に必要なスペースを確保できる、全長の短い光アイソレータ付き光レセプタクルを実現可能とする。またファイバスタブを使用しないため部品点数を減らし、低価格で製造工程を簡略化した光アイソレータ付き光レセプタクルを実現可能とする。

以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。

図１は、本発明の光アイソレータ付き光レセプタクルの一実施形態を示す断面図であり、石英ガラス等からなる光ファイバ１を有する光コネクタ（ＳＣコネクタ等）のプラグフェルール２を保持するための精密スリーブ３と、精密スリーブ３を保持するためのスリーブケース４にて光レセプタクル５が構成される。また偏光子およびファラデー回転子によってなる光アイソレータ素子６と、光アイソレータ素子６に磁界を印加するためのマグネット７と、光アイソレータ素子６およびマグネット７を保持する光アイソレータホルダ８にて光アイソレータ９が構成されており、光アイソレータ９は精密スリーブ３の内部に配置される。

精密スリーブ３は全体がスリーブケース４に完全に収納されており、その材質としてはジルコニア、アルミナ、銅などの材料が用いられるが、主に耐摩耗性を考慮して、現在ではジルコニアセラミックス材料が用いられる。また、スリーブケース４は、光モジュールとして光素子等を収納するケースと溶接することが多いため、ステンレス、銅、鉄、ニッケルなどの溶接が可能な材料が用いられるが、主には耐腐食性と溶接性を考慮して、ステンレスが用いられる。

光アイソレータ素子６に用いられる偏光子はガラス基板に誘電体粒子を内包するタイプや誘電体積層タイプ等の透過偏光方向と直交する偏光成分を吸収する偏光子の他に、回折格子等を利用した反射型の偏光子や光路をシフトさせる複屈折結晶でも構成可能である。

また光アイソレータ素子６に用いられるファラデー回転子はＴｂ、Ｇｄ、Ｈｏを添加したＢｉ置換ガーネットやＹＩＧガーネット、さらにはマグネットが不要な自己バイアス型のファラデー回転子でも構成可能である。

図２は本発明の光アイソレータ付き光レセプタクルを用いて光モジュール構成した一実施形態を示す断面図であり、前記スリーブケース４のフランジ部と半導体レーザー１０およびレンズ１１を備えたケース１２を接合して構成される。

光コネクタは一般的にばね構造を利用し、光ファイバ１およびプラグフェルール２の先端に一定荷重を加え続けるような構造になっているため、従来の構造ではファイバスタブの端面と接触させることによって光ファイバ１およびプラグフェルール２を固定している。

しかしながら本発明の構造ではファイバスタブを有していないため、光コネクタのハウジングを利用することにより、プラグフェルール２の位置決めを行う。例えばＳＣコネクタやＬＣコネクタの場合、スリーブケース４のつばの部分にコネクタのハウジングを当て付ける構造にすることでプラグフェルール２の位置決めが可能となる。同時に光アイソレータ９とプラグフェルール２の先端との間には空隙をもつ構造にすることにより光アイソレータ９に常時荷重がかかることはなく、光アイソレータ９は圧入、接着等の固定が可能となり、安定した光出力を得ることができる。

ただしプラグフェルール２と光アイソレータ９の空隙はできるだけ少ない方が望ましい。例えばプラグフェルール２と光アイソレータ９の間に１ｍｍの空隙を有した場合、光アイソレータ素子５を通過した光のスポットサイズは約φ０．２５ｍｍ、２ｍｍの空隙を有した場合は約φ０．４５ｍｍとなる。光アイソレータ素子５のサイズは最低でもスポットサイズの２倍程度必要であり、ＬＣコネクタ用のスリーブを使用する場合は、スリーブの内径がφ１．２５ｍｍであるため、最大でも２ｍｍ以下の空隙となる。

上記光モジュールは、半導体レーザー１０から出射された光信号がレンズ１１および光アイソレータ９を通過した後、プラグフェルール２の中心に位置する光ファイバ１のコアに結合されるようにスリーブケース４とケース１２を調整され組み立てられている。ファイバスタブを有する場合、プラグフェルール２と直接接続されているため、反射による損失は非常に小さいが、本発明の構成によると、プラグフェルール２の中心に位置する光ファイバ１の端面にて約４％の反射が発生してしまう。しかし戻り光については光アイソレータ９によって遮断されるため、半導体レーザー１０に戻ることはなく、光出力の変動には影響しない。

また反射によって生じる損失は、上記光モジュールは最大結合するような位置で組み立てた場合、レンズ１１および光アイソレータ素子６を通過した光信号は、光ファイバ１の端面付近では約１０μｍのスポットサイズまで絞られていることになり、わずか数μｍの位置変動が生じるだけで光出力の変動につながってしまう。そのため、一般的に４０〜６０％の結合で所望の出力を満たすことができるような半導体レーザーが使用され、組み立ての際には光軸方向にわざとずらし、光ファイバ１の端面付近のスポットサイズを大きくすることで、位置変動に対する光出力の変動を減らすように組み立てられており、反射による損失は充分吸収可能である。

以上により、本発明の光アイソレータ付き光レセプタクルによれば、高性能な半導体レーザーに求められる反射戻り光を遮断するための光アイソレータを備え、かつ高速変調のための電気回路に必要なスペースを確保できる、全長の短い光アイソレータ付き光レセプタクルを実現可能とする。

図３、図４は、本発明の光アイソレータ付き光レセプタクルの精密スリーブに段差を設けた一実施の形態を示す断面図である。図３は精密スリーブ３の内壁に突起部３ａを設けており、プラグフェルール２の先端は突起部３ａに当て付けられることによって固定される。

また偏光子およびファラデー回転子によってなる光アイソレータ素子６と、光アイソレータ素子に磁界を印加するためのマグネット７と、光アイソレータ素子６およびマグネット７を保持する光アイソレータホルダ８にて光アイソレータ９が構成されており、光アイソレータホルダ８を突起部３ａに当て付けることによって固定される。

光アイソレータ９とプラグフェルール２の先端はお互いに突起部３ａによって支えられており、直接接触していない。このことからプラグフェルール２を押し付ける力は光アイソレータ９には加わらないため、光アイソレータホルダ８と精密スリーブ３の固定方法が容易になる。

精密スリーブ３の内壁に設けた突起部３ａの幅は前述の通り２ｍｍ以下であることが望ましい。また突起部の形状はプラグフェルール２を止めることができればどのような形状でも良く、例えば三角形や半円形の断面のもの、または内壁の一部のみに施されていても構わないため、特に金属スリーブの場合はザグリ加工で容易に設けることができる。

図４は精密スリーブ３の内壁のプラグフェルール２挿入側と光アイソレータ９固定側に段差３ｂを設けており、プラグフェルール２の先端は段差３ｂに当て付けることによって固定される。

また偏光子およびファラデー回転子によってなる光アイソレータ素子６と、光アイソレータ素子６に磁界を印加するためのマグネット７と、光アイソレータ素子６およびマグネット７を保持する光アイソレータホルダ８にて光アイソレータ９が構成されており、光アイソレータホルダ８を精密スリーブ３に圧入固定することによって固定される。

図３同様、光アイソレータ９とプラグフェルール２の先端は直接接触していないため、プラグフェルール２を押し付ける力は光アイソレータ９には加わらず、光アイソレータホルダ８と精密スリーブ３の固定方法が容易になる。

図５、図６は、本発明の光アイソレータ付き光レセプタクルの光アイソレータもしくは精密スリーブに空気孔を設けた一実施例を示す側面図である。図５は図１に示す光アイソレータ付き光レセプタクルを光アイソレータ９側から見た側面図を示しており、スリーブケース４の内側に精密スリーブ３、その内側に光アイソレータ素子６とマグネット７と光アイソレータホルダ８で構成される光アイソレータが配置されている。光アイソレータホルダ８の底面に素子を避けるように空気孔１３を設けている。また図６は図１に示す光アイソレータ付き光レセプタクルをプラグフェルール挿入側から見た側面図を示しており、精密スリーブ３の内周面に複数の凸条３ｃを備えた多点支持スリーブにすることにより各凸条３ｃの間を空気孔としている。

本発明による光アイソレータ付き光レセプタクルは、精密スリーブ内に光アイソレータを固定するため、側面にスリットがある割りスリーブは使用できない。精密スリーブはプラグフェルールとの勘合において、非常に精度良く勘合するため、プラグフェルールを挿入した際、圧縮された空気の逃げる道がなくなる恐れがあるが、図５、図６の構造により、プラグフェルールを勘合させたときの圧縮空気をスムーズに逃がすことが可能となり、プラグフェルールを安定して固定することが可能となる。

以下、図１に示す本発明の実施の形態に基づいて試作した結果を示す。

プラグフェルール１を保持するための精密スリーブ３と、精密スリーブ３を保持するためのスリーブケース４にて光レセプタクル５が構成される。光レセプタクル５はＳＣコネクタ用とし、精密スリーブ３にはジルコニア、スリーブケース４にはステンレスを用いた。

また偏光子およびファラデー回転子によってなる光アイソレータ素子６と、光アイソレータ素子６に磁界を印加するためのマグネット７と、光アイソレータ素子６およびマグネット７を保持する光アイソレータホルダ８にて光アイソレータ９が構成されている。光アイソレータ素子６は偏光依存型のラミネート構造とし長方形に切り出したもの、マグネット７はリング状のサマリウムコバルト磁石、光アイソレータホルダ８にはステンレスを使用した。

本試作では精密スリーブ３の内部には段差を設けず、光コネクタハウジングを利用してプラグフェルール２を光アイソレータ９に接触しないように固定しており、光アイソレータ９と精密スリーブ３は圧入固定として光アイソレータ付き光レセプタクルを作製した。

そして、光アイソレータ付き光レセプタクルにプラグフェルール２を挿入した状態にした後、半導体レーザーからの光をレンズにて集光させ、プラグフェルール２の光ファイバ１に結合させた。図７にその結合効率を測定した結果を示す。測定したサンプルは４５サンプルだが、全て６０％程度の結合効率を得ることができ、本発明による光アイソレータ付き光レセプタクルを用いた光モジュールが実現可能であることが確認できた。

本発明の光アイソレータ付き光レセプタクルの一実施形態を示す断面図である。本発明の光アイソレータ付き光レセプタクルを用いた光モジュールを示す断面図である。本発明の光アイソレータ付き光レセプタクルの他の実施形態を示す断面図である。本発明の光アイソレータ付き光レセプタクルの他の実施形態を示す断面図である。本発明の光アイソレータ付き光レセプタクルの他の実施形態を示す側面図である。本発明の光アイソレータ付き光レセプタクルの他の実施形態を示す側面図である。本発明の光アイソレータ付き光レセプタクルにおけるプラグフェルールと半導体レーザーとの結合効率を測定した結果を示す図である。従来のレセプタクル型の光モジュールを示す断面図である。従来の光アイソレータ付き光レセプタクルを示す断面図である。

符号の説明

１：光ファイバ
２：プラグフェルール
３：精密スリーブ
３ａ：突起部
３ｂ：段差
３ｃ：凸条
４：スリーブケース
５：光レセプタクル
６：光アイソレータ素子
７：マグネット
８：光アイソレータホルダ
９：光アイソレータ
１０：半導体レーザー
１１：レンズ
１２：ホルダ
１３：空気孔
１４：光ファイバ
１５：プラグフェルール
１６：光ファイバ
１７：フェルール
１８：ファイバスタブ
１９：スリーブ
２０：スタブホルダ
２１：スリーブケース
２２：光レセプタクル
２３：半導体レーザー
２４：レンズ
２５：ホルダ
２６：光アイソレータ素子
２７：マグネット

Claims

少なくとも１枚の偏光子と１枚のファラデー回転子を有する光アイソレータと、少なくとも１つの光コネクタ用プラグフェルールを保持するための精密スリーブを有し、前記光アイソレータは前記精密スリーブの内側に固定され、かつ光コネクタ用プラグフェルールを、光アイソレータとの間に空隙を介在させて保持する手段を有することを特徴とする光アイソレータ付き光レセプタクル。
前記精密スリーブの内径に段差を設けたことを特徴とする請求項１記載の光アイソレータ付き光レセプタクル。
前記光アイソレータもしくは前記精密スリーブに空気孔を設けたことを特徴とする請求項１記載の光アイソレータ付き光レセプタクル。
請求項１乃至４のいずれかに記載の光アイソレータ付き光レセプタクルに光素子を備えてなる光モジュール。