JP2017054037A

JP2017054037A - 光ファイバカプラ部材

Info

Publication number: JP2017054037A
Application number: JP2015178652A
Authority: JP
Inventors: 倉本　清彦; Kiyohiko Kuramoto; 清彦倉本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2017-03-16

Abstract

【課題】気密性が比較的高く、耐久性が比較的高い光ファイバカプラ部材を提供する。
【解決手段】複数の光ファイバ１１が一体化した、光分岐結合部２を有する本体部１０と、光分岐結合部２を間に挟む位置で本体部１０を保持する一対の保持部材４と、本体部１０の光分岐結合部２および保持部材４を覆うケース部材８とを備え、保持部材４はサファイアからなり、光ファイバ１１と保持部材４とが金属接合部１２を介して接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバカプラ部材に関する。

光通信に使用する光ファイバカプラ部材は、複数の光ファイバが一体化した、光分岐結合部を有する本体部と、この光分岐結合部を間に挟む位置で本体部を保持する一対の保持部材と、本体部の光分岐結合部および保持部材を覆うケース部材とを備えて構成されたものがある。このような光ファイバ部材は、例えば屋外または海中等の厳しい環境下で使用される場合がある。このような厳しい環境での信頼性を長期にわたって確保するには、特に光ファイバが結合した光分岐結合部分が外気や外部の水分に曝されることを抑制する必要があり、光分岐結合部材（の光ファイバ）と保持部材との間をなるべく隙間なく（気密性が高い状態で）、強固に接合することが望まれている。

例えば特許文献１には、保持部材をステンレス等の金属で構成し、保持部材と光ファイバ表面の金属コート層とを半田等の金属製接合部で接合した光ファイバカプラ部材が提案されている。

特開２００１−９１７８６号公報

保持部材と金属コート層とを例えば半田づけで接合した部分は、気密性が高く接合強度が比較的高くなる。しかし、光ファイバは二酸化珪素等を主成分としており、ステンレス等の保持部材に比べて熱膨張係数が著しく低い。このため、使用環境下で温度変化が生じた場合など、ステンレス等の保持部材と光ファイバ自身との熱膨張差によって比較的大きな応力が発生し、保持部材から光ファイバが離れて隙間が生じたり、光ファイバが変形して屈折する場合などがあった。本願発明は、かかる課題を解決することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、複数の光ファイバが一体化した、光分岐結合部を有する本体部と、前記光分岐結合部を間に挟む位置で前記本体部を保持する一対の保持部材と、前記本体部の前記光分岐結合部および前記保持部材を覆うケース部材とを備え、前記保持部材はサファイアからなり、前記光ファイバと前記保持部材とが金属接合部を介して接合されていることを特徴とする光ファイバカプラ部材を提供する。

本発明の光ファイバカプラ部材は、気密性が比較的高く、耐久性が比較的高い。

（ａ）は本発明の光ファイバカプラ部材の一実施形態の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。

以下本発明の実施形態を説明する。図１は光ファイバカプラ部材の一実施形態を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。本発明の光ファイバカプラ部材１は、複数の
光ファイバ１１が一体化した光分岐結合部２を有する本体部１０と、光分岐結合部２を間に挟む位置で本体部１０を保持する一対の保持部材４と、本体部１０の光分岐結合部２および保持部材４を覆うケース部材８とを備え、保持部材４はサファイアからなり、光ファイバ１１と保持部材４とが金属接合部１２を介して接合されている。本実施形態の光ファイバカプラ部材１は、光ファイバ１１の光分岐結合部２の近傍が固定された固定基板６と、ケース部材８の端部を塞ぐ保護キャップ９等をさらに備えている。

本体部１０は、光ファイバカプラ部材１の、複数本の光ファイバ１１を融着して一体化し、融着部分を延伸してテーパー状にした部分を含んでいる。この融着テーパー部が光分岐結合部２であり、例えば、一方の光ファイバ１１から入力した光信号を分岐、結合し、他方の光ファイバ１１へ伝送する部分である。光ファイバ１１は例えばいわゆる石英光ファイバであり、本実施形態の光ファイバ１１は、周面に配置された金属コート層１１αを備えている。金属コート層１１αは例えばニッケル層の上に金層が積層された層であり、金属コート層１１αつきの光ファイバ１１として、市販されているものを用いることができる。この金属コート層１１αは金属接合部１３を介して保持部材４に接合する際に、金属接合部１３となる溶融した半田等の金属接合材の濡れ性を確保して接合性を高めるためのものである。

光ファイバ１１が固定される固定基板６は、光ファイバ１１と同一もしくは特性の類似した石英、結晶化ガラス等を用いることが好ましい。固定基板６と光ファイバ１１は、複数箇所で接着剤７を介して接合されている。接着剤７は、例えばエポキシ系やアクリレ−ト系の、熱硬化型接着剤や光硬化接着剤を用いればよく、特に限定されない。

本実施形態の光ファイバカプラ部材１０は、保持部材４がサファイアからなる。保持部材４の光ファイバ１１と対向する表面には、図示しない金属層が形成されている。この金属層は、金属コート層１１αと同様に、金属接合部１３を介して保持部材４に接合する際の、金属接合部１３となる溶融した半田等の金属接合材の濡れ性を確保して接合性を高めるためのものである。保持部材４の表面の金属層は、例えばモリブデン−マンガンメタライズ層（Ｍｏ-Ｍｎメタライズ層）にニッケルメッキ層が積層されたもの等を使用するこ
とができる。保持部材４の表面の金属層についてその種類は特に限定されない。本実施形態では、光ファイバ１１の金属コート層１１αと保持部材４の図示しない金属層とが、例えば半田等の金属接合部１２を介して接合されている。

サファイアはアルミナの単結晶であり、サファイアからなるとはサファイアを５０質量％以上含有することをいう。サファイアの熱膨張係数は例えば約７×１０^−６／℃であり、例えばステンレス等の金属の熱膨張係数（ステンレスで１０×１０^−６／℃以上）に比べて、石英等の光ファイバ１１の熱膨張係数（約６×１０^−７／℃）により近い。このため、使用環境下で温度変化が生じた場合も、保持部材４と光ファイバ１１との熱膨張差にともなう熱応力が比較的小さくなる。そのため、熱応力によって保持部材４から光ファイバ１１が離れて隙間が生じたり、光ファイバ１１が変形して屈折することが抑制される。またサファイアは機械強度も強く熱的衝撃にも強いので、外力や温度変化にともなう保持部材４の損傷も抑制されており、この点でも光ファイバカプラ１の長期信頼性が高い。

ケース部材８は、本体部１０の光分岐結合部２および保持部材４を覆い、保持部材４と接合されている。これにより、光分岐結合部２を外部環境から保護することになる。ケース部材８は、例えば、図１に示す例のような円筒状のもので、光分岐結合部２および固定基板６をその中央部に収容し、両端部内面がそれぞれ保持部材４と接合され、両端面には貫通孔を有する保護キャップが接合されており、この貫通孔から光ファイバ１１が延出している。

また、ケース部材８は、光分岐結合部２を外部環境から保護することができるものであればよく、ステンレス等の金属や樹脂等で構成されていてもよいが、ケース部材８がサファイアからなり、ケース部材８と保持部材４とが例えば半田等の金属接合部１３を介して接合されているのが好ましい。この場合も、上述の保持部材４の場合と同様に、サファイアからなる保持部材４とケース部材８との熱膨張差による熱応力を抑制し、この熱応力によってケース部材８と保持部材４とが離れて隙間が生じたり、ケース部材８や保持部材４が変形することが抑制される。保持部材４に設けられる金属層と同様の理由で、ケース部材８の、保持部材４と対向する表面にも図示しない金属層が設けられている。この金属層も例えばモリブデン−マンガンメタライズ層（Ｍｏ-Ｍｎメタライズ層）にニッケルメッキ層が積層されたもの等を使用することができ、その種類は特に限定されない。

また、ケース部材８をサファイアで構成した場合、サファイアは透明であるので、ケース部材８の内部で発生した損傷等を、外部から観察することで比較的容易に発見できる。例えば光ファイバ１１の断線や、固定基板６や保持部材４からの光ファイバ１１の離脱などを、目視による観察でも容易に発見することができる。

硬度に関してもサファイアは、ステンレス等の金属と比較しても強い。例えばビッカーズ硬度比較では、ステンレスが例えば１８７、サファイアが例えば２３００と１０倍も異なる。保持部材４やケース部材８がサファイアである光ファイバカプラ１０は、例えば海中等の高圧力環境下や高真空環境等でも損傷し難く比較的信頼性が高い。

図１に示す実施形態では、保持部材４とケース部材８のいずれもサファイアで構成されているが、この実施形態に限定されず、保持部材４とケース部材８とのいずれか一方をサファイアで構成することで、光ファイバカプラ部材１０の信頼性を比較的高くすることができる。光ファイバカプラ部材１０の信頼性を高める点で、保持部材４とケース部材８のいずれもサファイアで構成されていることが好ましい。

保護キャップ９は、ケース部材８の端面に例えば半田等の金属接合部１４を介して接合されている。保護キャップ９は、ケース部材８と一体となることで強度を高め、ケース部材８の端面における機密性を向上させるとともに、光ファイバ１１をケース部材８から外部へ導出するガイド部材としての機能も持つ。また、保護キャップ９もステンレス等の金属や樹脂等で構成されていてもよいが、サファイアで構成されるのが好ましく、この場合も、接合される面には図示しない金属層を備える。この場合も、上述のように気密性や機械強度が比較的高い点で好ましく、また視認性が高まる点でも好ましい。

ケース部材８や保護キャップ９の材質は本発明の範囲において特に限定されず、一部が金属や樹脂等でもよい。

光ファイバ１１と保持部材４との間の金属接合部１２、保持部材４とケース部材８との間の金属接合部１３、ケース部材８と保護キャップ９との間の金属接合部１４は、それぞれ同じ材質の半田でもよいし、例えば融点がそれぞれ異なる、それぞれ異なる材質の半田であってもよい。光ファイバ１１と保持部材４とケース部材８との接合は、それぞれ同時に一体的に接合、すなわち金属接合部１２、１３、１４と同時に形成するように接合してもよい。または、光ファイバ１１と保持部材４との接合、保持部材４とケース部材８との間の接合、ケース部材８と保護キャップ９との間を順次実施してもよく、この場合、工程上の都合にあわせて、金属接合部１２、金属接合部１３、金属接合部１４を、それぞれ異なる材質でそれぞれ異なる融点としておくことが好ましい。金属接合部１２、金属接合部１３、金属接合部１４は半田であることに限定されない。また金属接合部１２，１３、１４は半田に限定されず、例えば銀を主成分とするろう材を溶融して固化した金属層などであってもよく特に限定されない。金属接合部１２、１３、１４の一部を金属と異なる材料で構成する場合など、接合部材としては、エポキシ系、アクリレ−ト系等の接着剤等を用いることができる。

なお、本実施形態においてサファイアで構成されている保持部材４とケース部材８とは、表面が、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上であり、かつ粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍが７μｍ以上である。

算術平均粗さＲａは、２００１年度改訂版のＪＩＳ規格Ｂ０６０１に準拠する値である。同様に、後述する粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍ、および粗さ曲線の最大高さＲｚも、２００１年度改訂版のＪＩＳ規格Ｂ０６０１に準拠する値である。これらの算術平均粗さＲａ、および粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍ、粗さ曲線の最大高さＲｚは、例えばキーエンス社製レーザー顕微鏡装置ＶＫ−９５１０等を用いて測定することができる。

保持部材４やケース部材８は、サファイアを主成分とする基本部材を、超音波加工機やボール盤、平面研削盤やラッピング装置等の加工機を用いて加工して形成すればよい。保持部材４と筐体８とは単純な基板状ではないので、基板状のサファイアに用いることができる高精度な研磨技術を用いることができない。このため、超音波加工機やボール盤等を用いて表面を研削した後に、研磨剤等で簡単に研磨された状態となっており、表面の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上と比較的大きい。

保持部材４やケース部材８は、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上と比較的大きな表面粗さを有する。一方で、粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍが７μｍ以上と比較的大きい表面領域を有する。粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍは、いうなれば表面のうねりの周期の大きさの程度を表しており、このＲｓｍの値よりも細かい周期の凹凸は比較的少ない。可視光線の波長領域は約０．３μｍ〜０．８μｍであり、例えばある透光体の表面に、約０．３μｍ〜０．８μｍ程度の周期をもつ凹凸があれば、この凹凸は可視光線を積極的に散乱させる。この透光体の表面の粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍが０．３μｍ〜０．８μｍに近いほど、可視光線を積極的に散乱させる凹凸が多い。すなわち、ある透光体の表面の粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍが０．３μｍ〜０．８μｍに近いほど、この透光体を透過する光は散乱されて、観察者からは白く濁ったように視認される傾向にある。

保持部材４およびケース部材８は、表面粗さが０．１μｍ程度と比較的大きく、かつ、粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍが７μｍ以上と比較的大きくなっているので、保持部材４およびケース部材８は、この保持部材４およびケース部材８を透過する光の散乱が少ない。このため、ケース部材８内に配置された光ファイバ１１等の状態や、保持部材４と接合した金属接合部１２の状態をケース部材８の外側からよく観察することができる。

保持部材４およびケース部材８はまた、表面の粗さ曲線の最大高さＲｚが２．５μｍ未満である。粗さ曲線の最大高さは、表面の凹凸の高さの程度を表しており、この凹凸の高さが大きいほど、凹凸部分を通過する光の距離が大きくなるので、光が凹凸部分を屈折する回数が増加して散乱の程度がより大きくなってしまう傾向にある。保持部材４およびケース部材８では、粗さ曲線の最大高さＲｚが２．５μｍ未満であるので、この保持部材４およびケース部材８を透過する光の散乱がより少なくされている。

サファイアを主成分とする部材を加工（研削等）した後に簡単に研磨しただけでは、加工および研磨後の表面には、０．３〜０．８μｍ程度の周期の凹凸が比較的多く存在し、加工および研磨後の表面は、粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍが７μｍ未満と比較的小さい。また、数μｍの高さを有する凹凸も大きく、粗さ曲線の最大高さＲｚも２．５μｍ以上と比較的大きい。このようなサファイア部材は、加工および研磨後の表面状態を改質する後述する工程によって初めて得られるものである。

このようなでは保持部材４およびケース部材８は上述のように光の散乱が少ない。具体的には、保持部材４およびケース部材８では、全ての表面の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上でありながら、透過する光線Ｌについてのヘイズ率が７０％未満である。ここでヘイズ率とは、１９８１年に制定のＪＩＳＫ７１０５に準拠する値である（なお、ＪＩＳ
規格では「ヘーズ値」とも呼ばれている）。また、後述する全透過率Ｔｔおよび直接透過率Ｔｐの値も、同様に２０００年度改訂版のＪＩＳ規格Ｋ７１３６に準拠する値である。これらヘイズ率や全透過率Ｔｔおよび直接透過率Ｔｐの値は、例えばスガ試験機株式会社製ヘイズメーター装置ＨＧＭ−２Ｂ等を用いて測定することができる。

保持部材４およびケース部材８はまた、透過する光線Ｌについての全透過率Ｔｔが８０％以上である。保持部材４およびケース部材８は元々透過率の高いサファイアを主成分とするとともに、表面における光の散乱が少ないので透過率Ｔｔが大きくなっており、このため観察者は、ケース部材８内に配置された光ファイバ１１の状態や、保持部材４に接合した接合部材１２の状態を比較的明確に視認することができる。

保持部材４およびケース部材８は、表面の全ての領域が、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上であり、かつ粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍが７μｍ以上の表面領域となっていたが、本願のサファイア部材は、表面の全ての領域が上記状態になっていることを限定するものではなく、表面の一部のみが、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上であり、かつ粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍが７μｍ以上の表面領域となっていてもよい。また、保持部材４およびケース部材８のいずれか一方のみが上記各特性（表面性状）を有していてもよい。

以下、保持部材４およびケース部材８のうち、保持部材４の製造方法の一実施形態について説明しておく。ケース部材８と保持部材４とはその形状が異なっているが、加工工程での加工方法および加工後の最終形状以外は、保持部材４と同様の工程で製造することができる。

本実施形態は、サファイアを主成分とする基本部材を加工し、加工した表面を算術平均粗さＲａを０．１μｍ以上、かつ粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍが７μｍ未満とする工程（加工工程）と、加工した基本部材を１８００℃〜２０００℃に加熱する工程（加熱工程）と、加熱する工程の後、６時間以上かけて室温まで降温度させる工程（徐冷工程）とを有する。

サファイアを主成分とする基本部材は、例えばＥＦＧ法等の結晶成長方法で育成されたアルミナ単結晶であるサファイアからなる。加工工程では、この基本部材を保持部材４に対応する形状に加工していく。

具体的には、例えば運動する砥石の表面に被加工体を摺接させてこの被加工体を研削する平面研削盤を用いて保持部材４の形状を整えつつ外面（研削外面）を形成していく。これら研削外面は、硬度が高いサファイアを機械的加工によって削り出した状態の面となっている。基板状のサファイア以外は、表面を高精度に平坦化させる研磨技術等は確立されておらず、これら研削外面は、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上と比較的大きい（表面が粗い）。

また研削外面は、アルミナの単結晶であるサファイアが機械的に破壊されて非常に細かい割れやヒビが無数に存在しているので、粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍは７μｍ未満と比較的小さくなっている。このため、この加工工程の直後は、保持部材４を透過する光は、これら研削外面で散乱されて、観察者からは白く濁ったように視認されてしまう。

本実施形態では、このような加工工程の後に、加工した基本部材（加工体）を１８００℃〜２０００℃に加熱する工程（加熱工程）と、加熱する工程の後、６時間以上かけて室温まで降温度させる工程（徐冷工程）とを行うことで、研削外面との表面状態を変化させる。なお本実施形態では、これら加熱工程および徐冷工程を、加工後の基本部材を希ガス雰囲気中に配置した状態で行う。

加熱工程は、加工体を加熱炉内に配置して行う。加熱工程ではまず、加熱炉のチャンバー内に加工体を配置し、チャンバー内を希ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスで置換する。その後、約１４（時間）かけてチャンバー内の温度を徐々に１９５０℃まで昇温させ、１９５０℃の状態で約５（時間）維持する。サファイアの融点は約２０７０℃程度である。加熱工程ではこのように、加工体をサファイアの融点に近い温度に昇温させて長時間維持する。この加熱工程によって、サファイアからなる加工体の最表面部分は、一部が溶融するなど原子単位で移動し易い状態となり、原子位置の再配列が進行していく。この過程において、加工工程において表面に形成された、サファイアが機械的に破壊されてできた非常に細かい割れやヒビ等は修復されていく（その隙間が埋まっていく）と考えられる。また、表面エネルギーのポテンシャルが小さくなるように、すなわち表面積が小さくなるように原子の再配列が進行することで、非常に細かい凹凸は平坦化されていくと考えられる。

このような加熱工程の後、６時間以上かけて室温まで降温度する。このように長時間かけて徐々に冷却することで、最表面の結晶化が進行する。すなわち、加工工程によって機械的に破壊された結晶部分が、その破壊部分の下層の結晶部分に対応するように再度結晶化されていく。このように長時間かけてゆっくりと徐冷して再結晶化を促進することで、結晶が破壊されてできた細かい割れやひびや凹凸等はより平坦化される。

加工工程後の加工体に、このような加熱工程と徐冷工程とを施すことで、研削外面は表面状態が変化して、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上であり、かつ粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍが７μｍ以上となる。このように加熱炉を用いた加熱・徐冷工程では、複数の加工体を同時に加熱・徐冷できるので、光の散乱が少ないサファイア部材を比較的安価に量産することができる。

加熱工程における温度は１９５０℃に限定されないが、ヘイズ率を低下させるには１８００℃以上であることが好ましい。また、加熱炉内の雰囲気は限定されないが、ヘイズ率をより確実に低減するには、加工後の基本部材をアルゴン（Ａｒ）ガス等の希ガス雰囲気に配置して加熱工程と徐冷工程とを実施することが好ましい。

他の実施形態のサファイア部材は、サファイアを主成分とし、ステップ部と、幅が１μｍ以上のテラス部とが交互に繰り返し並んだ周期的段差構造を有する表面領域を有する。この表面領域は、算術平均粗さＲａが０．１μｍ未満であり、かつ粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍが１．９μｍ以上となっている。

このような加熱・徐冷処理を経て製造したサファイア部材は、表面にＸ線を照射して測定されるアルミナ単結晶を示すＸ線回折ピークの半値幅が、加工直後に比べて加熱・徐冷後の方が顕著に小さくなる（結晶性が高くなる）。これは、加工工程で破壊された最表面層の結晶が、加熱・徐冷によって再結晶化されるからである。また、この加熱・徐冷工程による表面の再結晶化によって、表面部分を中とした機械強度が向上する。加えて、加熱・徐冷工程によって表面の細かい傷やヒビが修復されることで、温度上昇と下降を繰り返した場合も、すなわち熱衝撃が加わった場合も、この熱衝撃による割れや欠け等が発生し難い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものでない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよいのはもちろんである。

１光ファイバカプラ部材
２光分岐結合部
４保持部材
６固定基板
８ケース部材
９保護キャップ
１０本体部
１１光ファイバ
１１α 金属コート層
１２、１３、１４金属接合部

Claims

複数の光ファイバが一体化した、光分岐結合部を有する本体部と、
前記光分岐結合部を間に挟む位置で前記本体部を保持する一対の保持部材と、
前記本体部の前記光分岐結合部および前記保持部材を覆うケース部材とを備え、
前記保持部材はサファイアからなり、前記光ファイバと前記保持部材とが金属接合部を介して接合されていることを特徴とする光ファイバカプラ部材。
前記ケース部材がサファイアからなり、前記保持部材と前記ケース部材とが金属接合部を介して接合されていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバカプラ部材。
前記保持部材は、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上であり、かつ粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍが７μｍ以上の表面領域を有することを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバカプラ部材。