JP2006011280A - Vertex deviation measuring apparatus of ferrule for optical fiber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信技術において、伝送線路である光ファイバの接続部に用いられる光ファイバ用フェルールの端面形状を検査する測定装置に関するものである。 The present invention relates to a measuring apparatus for inspecting the end face shape of an optical fiber ferrule used in a connection portion of an optical fiber that is a transmission line in optical communication technology.
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。 An optical module for converting an optical signal into an electrical signal has a structure in which an optical element such as a semiconductor laser or a photodiode is housed in a case, and the optical signal is introduced or derived through an optical fiber.
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1に示すような光レセプタクル18の一端に受発光素子22を備えるとともに、他端に光コネクタ(SCコネクタ)のプラグフェルール17を接続するものである。
A receptacle-type optical module in which a connector is connected among the optical modules includes a light receiving /
上記光レセプタクル18は、図1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4と、該フェルール4の貫通孔に石英ガラス等からなる光ファイバ27を挿入固定して得られたスタブ13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。
As shown in FIG. 1, the
近年、高密度実装の要求から光モジュールの小型化が求められており、光レセプタクル18の全長も短くすることが求められている。この光レセプタクル18の全長を短くするに伴いスタブ13の全長も短くする必要性がある。また光レセプタクル18に接続されるコネクタもSCコネクタ等からLCコネクタ等のより小さなコネクタが使用されている。
In recent years, miniaturization of optical modules has been required due to the demand for high-density mounting, and the total length of the
上記光レセプタクル18に使用されるスタブ13は円柱形状であり、フェルール4の先端面5は光ファイバ27と同時に鏡面研磨されている。前記フェルール4の外径公差は±1μm以下で、光ファイバの挿入穴の同心度は1μm程度の非常に精密な部品である。
The stub 13 used for the
中心部の光ファイバには光信号が伝搬するコアがあり、コアとコアを接続し、接続損失の少ない光コネクタを実現する為、フェルールの先端面5を球面に研磨し、球面の頂点部に光ファイバのコア部を有するPC研磨型光コネクタが有効である。 The optical fiber at the center has a core through which the optical signal propagates. To realize an optical connector with a small connection loss by connecting the cores, the tip surface 5 of the ferrule is polished into a spherical surface, and the apex of the spherical surface A PC polished optical connector having an optical fiber core is effective.
このフェルール4の先端面5は、図4に示すように、その先端面5の頂点71から光ファイバ27の中心軸である光軸87までの頂点ずれの距離Lの値がTelcordia GR−326の規格(Telcordia社が定めた信頼性規格で、光通信用の分野では標準的な規格として流布しており、以後、単に、Telcordiaと称する。)で50μmよりも小さいことと定められている。
As shown in FIG. 4, the tip surface 5 of the
このように規格が定められている理由は、頂点ずれLが大きいと、例えば、2つのフェルール4同士を当接して繋げる場合、光ファイバ27同士の物理的コンタクトが阻害され、それによりコネクタに要求される挿入損失を劣化させる為である。
The reason why the standard is defined in this way is that, when the apex deviation L is large, for example, when two
本パラメータの測定方法として、一般的にDORC社(Direct Optical Reserch Company)製の3次元干渉縞測定装置が普及している(例えば、特許文献1参照)。 As a method for measuring this parameter, a three-dimensional interference fringe measuring device manufactured by DORC (Direct Optical Research Company) is widely used (see, for example, Patent Document 1).
かかる干渉縞測定装置の構造及び動作原理について図2を用いて説明する。 The structure and operating principle of such an interference fringe measuring apparatus will be described with reference to FIG.
図2は、3次元干渉測定装置の内部構造を説明する図であり、頂点ずれ測定用の光を出す光源80、光源80からの光を平行光に変換するための第1のレンズ81,この平行光を2つの光路に分離するためのハーフミラー82,ハーフミラー82を通過した光の波長を補正するための波長補正板83,波長補正板83を通過した光を全反射させるためのミラー84,ハーフミラー82で反射した光をフェルール60に集光するための対物レンズ85,フェルール4およびミラー84からの光を結像するための第2のレンズ86とから構成されている。フェルール4は不図示であるが、測定用に載置部が配置されおり、載置部にフェルール4を配置して測定する。
FIG. 2 is a diagram for explaining the internal structure of the three-dimensional interference measurement apparatus. The
なお、光源80は、インコヒーレントな光源で一般的には波長λが500nmのLEDが用いられる。また、光源80からの光は第1のレンズ81により平行光に変換され上述の構成により2経路(光路aおよび光路b)に分離されて干渉縞を形成するものである。
The
ここで、光路aは、光源80より発生し第1のレンズ81で平行に変換された光がハーフミラー82に当たり(光路a−1)、この反射光がフェルール4の先端面5に当たり(光路a−2)、この反射光がハーフミラー82を通じて第2のレンズ86で結像される(光路a−3)。一方、光路bは、光源80より発生し第1のレンズ81で平行に変換された光がハーフミラー82を通過し波長補正版83を通りミラー84に当たり(光路b−1)、この反射光がハーフミラー82で反射され(光路b−2)、この反射光がハーフミラー82を通じて第2のレンズ86で結像される(光路b−3)。ここで、第2のレンズ86で結像された光路aと光路bの波長差がλ/2であるとき干渉が起こり、図3に示すように明暗の像(干渉縞11)が発生する。
Here, in the optical path a, the light generated from the
ミラー84を稼動させることにより、光路bの波長を調整し、光路aと光路bの波長差を変化させることによりフェルール4のz成分の位置情報が得られるため、この情報に基づいてフェルール4の端面形状を求める方法が3次元干渉縞測定法である。
By operating the
この干渉縞測定装置によれば、図3、4に示すように、干渉縞の中心位置Qがフェルール先端面5における頂点71に相当するものと仮想し、また、光ファイバ27の中心である光軸130の端面25と光源80からの光が光ファイバ先端面5に照射した光軸中心位置87とが一致しているものと仮想し、λ/4毎に現れる干渉縞11を利用して干渉縞の中心位置Qから光軸中心位置87までの距離を頂点ずれの仮想距離Lとして測定が行われるものであった。
According to this interference fringe measuring apparatus, as shown in FIGS. 3 and 4, it is assumed that the center position Q of the interference fringe corresponds to the
しかしながら、従来の測定において、頂点ずれ測定前には、レンズ85は集光レンズであり、そのレンズに収差が存在するために、光ファイバ27の端面25に光源80からの光を正確に当てることができず、頂点ずれ測定に先立ってフェルール4と光源80との入射位置を調整して光軸ずれを補正することが行われていた。
However, in the conventional measurement, before the vertex deviation measurement, the
この点について図3、図5を用いて詳しく説明する。まず、マスターコネクタのフェルール部89をV溝7に配置して干渉縞中心位置Qを測定する。このとき、マスターコネクタのフェルール部89及び被測定物であるフェルール4の保持方法としては、図5に示すV溝7にフェルールを配置し、棒状部材6で押圧する方法が取られている。光軸ずれ補正は、上記マスターコネクタのフェルール部89を押圧したまま、フェルール中心軸に基づき回転させて上述と同様に複数回、干渉縞中心位置Qを測定する。この場合、干渉縞中心位置Qは円Sの軌跡を描くこととなり、この円の中心位置Rを算出する。この中心位置Rはフェルールの外周に対する中央位置であって、光ファイバ27の中心軸である光軸87端面25に相当するものである。従って、図3に示すように実際には光源80からの光軸中心位置87と中心位置Rとが距離e(μm)だけずれており、これを光軸ずれと呼んでいる。この値はDORC社製の3次元干渉縞測定装置の場合、Software Correction値で示され上限は20μmである。
This point will be described in detail with reference to FIGS. First, the
従って、光軸ずれeの値が20μmよりも大きい値を示す場合には、ハーフミラー82の位置を変化させることで、光を照射する位置を20μm以下となるような補正が行われていた。
しかしながら、従来の保持方法はV溝7の全面でフェルール4を保持している為、フェルール端面5の頂点ずれLを測定するに際して高精度な繰り返し再現性が得られなかった。理由として、V溝7の長さが数ミリメートルの単位でミクロン以下の平坦面を形成するのが難しく、V溝に微小ながら凹凸があるが為にフェルール4が常に安定した姿勢を保つことができないからである。また、測定を繰り返す度にV溝4が磨耗し、V溝4に大きな凹凸が形成されフェルールが安定して保持できないという問題もあった。
However, since the conventional holding method holds the
更に4mm以下の全長の短いフェルール4を棒状部材6でV溝4に押圧する際に、フェルール4の端部付近で押圧してしまうとフェルール4が傾いてしまい、頂点ずれLの繰り返し再現性が得られないという問題があった。
Further, when the
上記問題点に鑑みて本発明の光ファイバ用フェルールの頂点ずれ測定装置は、先端面が球面に形成され、かつ、中央に光ファイバが挿入固定したフェルールをフェルール保持具に配置し、光源から前記フェルールの先端面に光を照射して反射させた光と前記光源から光路長を異ならせた光を前記フェルールの先端面に照射して反射させた光とをそれぞれ受光することで干渉縞を形成するとともに、干渉縞の中心位置Qから前記フェルールの先端面に照射する光軸中心位置Lまでの仮想距離をフェルールの頂点ずれ距離として測定する光ファイバ用フェルールの頂点ずれ測定装置において、前記フェルール保持具は、フェルールの外径よりわずかに大きな内径を有した精密スリーブが用いられることを特徴とするものである。 In view of the above problems, the apex deviation measuring device for an optical fiber ferrule of the present invention has a ferrule in which a tip surface is formed into a spherical surface and an optical fiber is inserted and fixed in the center on a ferrule holder. Interference fringes are formed by receiving light reflected from the tip surface of the ferrule and light reflected from the light source with different light path lengths from the light source. In addition, in the optical fiber ferrule vertex deviation measuring apparatus that measures the virtual distance from the center position Q of the interference fringe to the optical axis center position L irradiating the tip surface of the ferrule as the vertex deviation distance of the ferrule, The tool is characterized in that a precision sleeve having an inner diameter slightly larger than the outer diameter of the ferrule is used.
また、上記精密スリーブの側壁に前記フェルールの側面の一部が露出可能な貫通孔を形成するとともに、該貫通孔から棒状部材が前記フェルールの側面を押圧可能に構成したことを特徴とするものである。 Further, a through hole in which a part of the side surface of the ferrule can be exposed is formed in the side wall of the precision sleeve, and a rod-shaped member is configured to be able to press the side surface of the ferrule from the through hole. is there.
さらに、上記精密スリーブをジルコニアセラミックスで形成したことを特徴とするものである。 Furthermore, the precision sleeve is formed of zirconia ceramics.
また、前記フェルールの中心軸を中心に棒状部材で押圧しながら回転させることで、前記干渉縞の中心位置Qが描く円の中心位置Rと前記光軸中心位置Lとの距離を頂点ずれの距離として測定することを特徴とするものである。 Further, the distance between the center position R of the circle drawn by the center position Q of the interference fringes and the center position L of the optical axis is determined by rotating while pressing with a rod-shaped member around the center axis of the ferrule. It measures as follows.
本発明によれば、被測定物であるフェルールを精密スリーブの内径に挿入した場合、フェルールの外径と精密スリーブの内径とのクリアランスが極小である為に、フェルール端面の頂点ずれ量の測定誤差を最小限に抑えることができ、全長の短いフェルールの端部付近の外周を押圧する場合、フェルールが傾くのを抑えることができ、高精度の測定が可能である。 According to the present invention, when the ferrule as the object to be measured is inserted into the inner diameter of the precision sleeve, since the clearance between the outer diameter of the ferrule and the inner diameter of the precision sleeve is minimal, the measurement error of the vertex deviation amount of the ferrule end face When the outer periphery near the end of the ferrule having a short overall length is pressed, the tilt of the ferrule can be suppressed and high-accuracy measurement is possible.
また、光軸ずれ補正についてもマスターコネクタのフェルール部を棒状部材で押圧しながら回転させるときに、更にその回転が円滑になるので、高精度な光軸ずれ補正が可能となる為、測定精度が向上する。 Also, with regard to optical axis deviation correction, when the ferrule part of the master connector is rotated while being pressed with a rod-like member, the rotation is further smoothed. improves.
さらに、上記精密スリーブがジルコニアセラミックである為、測定による保持具の磨耗が起こらない為、安定したフェルールの保持が実現でき、高精度な繰り返し再現性を実現することができる。 Further, since the precision sleeve is made of zirconia ceramic, wear of the holder due to measurement does not occur, so that stable holding of the ferrule can be realized, and high-precision repeatability can be realized.
ここで、本発明の実施形態を説明する。 Here, an embodiment of the present invention will be described.
図6は、本発明の光ファイバ用フェルールの頂点ずれ測定装置の一実施形態を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing an embodiment of the apex deviation measuring apparatus for an optical fiber ferrule of the present invention.
本発明の光ファイバ用フェルールの頂点ずれ測定装置のフェルール保持具1としては、被測定物であるフェルール4の外径よりわずかに大きな内径を有している精密スリーブ9が用いられる。その理由としては、精密スリーブ9とフェルール4の外径とのクリアランスが大きいと、高精度の測定のためにフェルール4を棒状部材6でフェルール4の側面を押圧した際に、フェルール4の端部付近を押さえるが、フェルール4の端面5が光路a−2に対して傾く為、再現性よくフェルール4の端面の頂点ずれを測定することができない。
As the
さらに、近年、高密度実装の要求から光モジュールの小型化が求められており、それに伴いフェルール4の全長が短くなってきている。フェルール4の全長が短くなると、フェルール端面5が光路a−2に対して傾き易くなり、頂点ずれの再現性はますます悪化する。そこで、フェルール4の側面のどこを棒状部材6で押し圧してもフェルール端面5が傾かないように、フェルール4の外径と精密スリーブ9の内径のクリアランスを極小にすることが必要である。
Furthermore, in recent years, miniaturization of optical modules has been demanded due to the demand for high-density mounting, and the overall length of the
また、図6に示すように、上記精密スリーブ9の側壁に前記フェルール4の側面の一部が露出可能な貫通孔10を形成するとともに、貫通孔10から棒状部材がフェルール4の側面を押圧可能に構成してあることが好ましい。
Further, as shown in FIG. 6, a through
押圧する理由は、従来技術で説明したように、頂点ずれ測定時に光軸ずれ補正をする必要があり、マスターコネクタのフェルール部89を押圧した状態で45度ずつ回転させ、干渉縞の中心をプロットし、円軌跡Sを描かなければならないのだが、このときマスターコネクタのフェルール部89を押圧していなければ、再現性よく綺麗な円軌跡Sが描けず、光軸ずれ補正ができない為である。
The reason for pressing is that, as explained in the prior art, it is necessary to correct the optical axis deviation at the time of apex deviation measurement, rotate the
また、上記精密スリーブ9がジルコニアセラミックであることが好ましい。ジルコニアセラミックスは一般的にヤング率が210GPaでビッカーズ硬度が12.3GPaであり、耐摩耗性に優れ、測定による保持具の磨耗が起こらない為、安定したフェルールの保持が実現でき、高精度な繰り返し再現性を実現することができる。 The precision sleeve 9 is preferably a zirconia ceramic. Zirconia ceramics generally have a Young's modulus of 210 GPa and a Vickers hardness of 12.3 GPa, and are excellent in wear resistance, so that there is no wear of the holder due to measurement, so stable holding of the ferrule can be realized, and high-precision repetition Reproducibility can be realized.
従来、フェルール4を配置するV溝7はステンレス等の金属製のものが多く、測定回数を増すごとにV溝7が磨耗し、V溝7の表面に凹凸ができ、安定して保持できない為、フェルール保持具は、被測定物であるフェルール4と同じ材質が好ましい。
Conventionally, the V-
精密スリーブ9としては、成形、焼成されたジルコニアセラミックスのスリーブ原型の内径に、研磨砥粒が塗布された外径精度の優れたステンレスのピンを挿入し、ピンを高速回転させ、研磨することでスリーブの内径を精密に仕上げることができる。研磨砥粒は、オイルと数μm程度の細かい粒度のダイヤモンドを混ぜ合わせたものなどが使われる。 The precision sleeve 9 is made by inserting a stainless steel pin with excellent outer diameter accuracy coated with abrasive grains into the inner diameter of a molded and fired zirconia ceramic sleeve, and rotating the pin at high speed for polishing. The inner diameter of the sleeve can be precisely finished. The abrasive grains used are a mixture of oil and diamond with a fine particle size of about several μm.
ここで、被測定物であるフェルール4について説明する。フェルール4は、図1に示すフェルール4と光ファイバ27とからなる。このフェルール4は、セラミック、プラスチック、ガラス等からなる円筒体であり、中心の貫通孔に光ファイバ27を挿通保持し、フェルール4の端面と光ファイバ27の端面を同時に研磨し、鏡面に仕上げて作製するものである。研磨後のPC端面形状としては、光通信用の分野では標準的な規格として、曲率半径がLC形光コネクタの場合で7〜25mm、SC形光コネクタの場合で10〜25mm、頂点ずれが50μmよりも小さいことと定められている。
Here, the
このように規格が定められている理由は、頂点ずれLが大きいと、例えば、2つのフェルール4同士を当接して繋げる場合、光ファイバ27同士の物理的コンタクトが阻害され、それによりコネクタに要求される挿入損失を劣化させる為である。
The reason why the standard is defined in this way is that, when the apex deviation L is large, for example, when two
次に測定方法について説明する。 Next, the measurement method will be described.
最初に、光軸ずれ補正を行う為、図6(c)に示すようにマスターコネクタのフェルール部89をフェルール保持具である精密スリーブ9に挿入し、棒状部材6でマスターコネクタのフェルール部89の側壁を押圧する。その後、光路a−2をマスターコネクタのフェルール端面5に照射し、この反射光がハーフミラー82を通じて第2のレンズ86で結像される(光路a−3)。一方、光路bは、光源80より発生し第1のレンズ81で平行に変換された光がハーフミラー82を通過し波長補正版83を通りミラー84に当たり(光路b−1)、この反射光がハーフミラー82で反射され(光路b−2)、この反射光がハーフミラー82を通じて第2のレンズ86で結像される(光路b−3)。ここで、第2のレンズ86で結像された光路aと光路bの波長差がλ/2であるとき干渉が起こり、図3に示すように明暗の像(干渉縞11)を発生させる。その後、フェルール中心軸に基づき回転させて複数回、干渉縞中心位置Qを測定する。この場合、干渉縞中心位置Qは円Sの軌跡を描くこととなり、この円の中心位置Rを算出する。この中心位置Rはフェルールの外周に対する中央位置であって、光ファイバ27の中心軸である光軸87端面25に相当するものであり、光軸87と円Sの中心位置Rをハーフミラー82の位置を変化させることで光軸ずれ補正を行うことができる。このとき、フェルール保持具に精密スリーブを用いることで、マスターコネクタのフェルール部89の回転が円滑になる為、再現性よくRの位置が算出でき、高精度な光軸ずれ補正が可能となる。
First, in order to correct the optical axis deviation, as shown in FIG. 6C, the
光軸ずれ補正の後、図6(a)、(b)に示すように、被測定物であるフェルール4を精密スリーブ9に挿入し、棒状部材6でフェルール4の側壁を押圧する。その後、光路a−2をフェルール端面5に照射し、干渉縞を発生させ、干渉縞の中心Qと光軸87との距離を算出することで、頂点ずれを測定することができる。
After the optical axis deviation correction, as shown in FIGS. 6A and 6B, the
次に、本発明の実施例を示す。ここで、以下に示す方法で実験を行った。被測定用フェルールとして全長2.4mmの外径1.250mmのLC形光コネクタ用フェルールを用いた。 Next, examples of the present invention will be described. Here, the experiment was conducted by the following method. As the ferrule for measurement, a ferrule for LC type optical connector having a total length of 2.4 mm and an outer diameter of 1.250 mm was used.
本発明実施例として図6(a)、(b)に示すように、内径1.251〜1.253mmの精密スリーブの側壁に約0.6mm四方の貫通孔10を開け、その貫通孔10に直径約0.5mmの棒状部材6を通し、精密スリーブ内径に挿入したフェルール4を押圧した。
As an embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), an approximately 0.6 mm square through
上記のようにフェルール4を保持した本発明の光ファイバ用フェルールの頂点ずれ測定装置の保持具1を光路a−2の正面に配置し、フェルール端面の頂点ずれの繰り返し再現性を調査した。また、精密スリーブの材質はジルコニアセラミックスである。
The
また、比較例として図5に示すように、円筒形状のステンレス SUS303にV溝7を形成し、また、その側壁に約0.6mm四方の貫通孔10を開け、その貫通孔10に直径約0.5mmの棒状部材6を通し、V溝7に配置されたフェルール4を押圧した。
As a comparative example, as shown in FIG. 5, a V-shaped
上記のようにフェルール4を保持した従来の光ファイバ用フェルールの頂点ずれ測定装置の保持具2を光路a−2の正面に配置し、フェルール端面の頂点ずれの繰り返し再現性を調査した。また、V溝の深さTは1.25mmのものを使用した。測定したフェルールは本発明の光ファイバ用フェルールの頂点ずれ測定装置の保持具1の場合と従来の光ファイバ用フェルールの頂点ずれ測定保持具2の場合とで同一サンプルとした。結果は表1に示す通りである。
表1よりフェルール端面5の頂点ずれの繰り返し再現性は、本発明の光ファイバ用フェルールの頂点ずれ測定装置の保持具1を用いた場合、σ=0.6となった。一方、従来の光ファイバ用フェルールの頂点ずれ測定装置の保持具2を用いた場合、σ=16.9となり、大幅に繰り返し再現性が改善された。
From Table 1, the repeatability of the vertex deviation of the ferrule end face 5 is σ = 0.6 when the
1:保持具
2:保持具
4:フェルール
5:フェルールの端面
6:棒状部材
7:V溝
9:精密スリーブ
10:貫通孔
11:干渉縞
13:スタブ
17:プラグフェルール
18:光レセプタクル
19:スリーブ
20:ホルダ
21:スリーブケース
22:光素子
23:レンズ
24:ケース
25:光ファイバ端面
27:光ファイバ
71:フェルールの頂点
80:光源
81:第1のレンズ
82:ハーフミラー
83:波長補正板
84:ミラー
85:第2のレンズ
86:対物レンズ
87:光軸
88:マスターコネクタ
89:マスターコネクタのフェルール部
1: holder 2: holder 4: ferrule 5: ferrule end face 6: rod-like member 7: V groove 9: precision sleeve 10: through hole 11: interference fringe 13: stub 17: plug ferrule 18: optical receptacle 19: sleeve 20: holder 21: sleeve case 22: optical element 23: lens 24: case 25: optical fiber end face 27: optical fiber 71: vertex of ferrule 80: light source 81: first lens 82: half mirror 83: wavelength correction plate 84 : Mirror 85: Second lens 86: Objective lens 87: Optical axis 88: Master connector 89: Ferrule part of master connector
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