JP2018194669A - 光学素子及び光コネクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】安価でありながら、環境温度変化時の損失を抑制できる光コネクタ及びそれに用いる光学素子を提供する。【解決手段】シングルモード用の光ファイバを保持するフェルールに対して連結される光学素子は、複数のレンズを形成したガラス製の光学部と、前記光学部を保持する樹脂製の保持部とを有し、前記保持部の少なくとも一部を用いて、前記フェルールに保持された前記光ファイバの端部に対して前記レンズが位置決めされる。【選択図】図3

Description

本発明は、例えば光通信等に好適に用いられる光学素子及び光コネクタに関する。
ルータ等のネットワーク装置、サーバ、大型コンピュータを含む様々な情報/信号処理装置において、情報/信号処理の大規模化、高速化が進んでいる。これらの装置においては、回路基板(ボード)におけるCPUおよびメモリ相互間、配線基板相互間、装置(ラック)相互間等における信号伝送は、従来から電気配線により行われてきた。しかし、伝送速度、伝送容量、消費電力、伝送路からの輻射、伝送路に対する電磁波の干渉等の観点における優位性から、上述の電気配線に代えて、光ファイバ等を伝送路として光により信号を伝送する、いわゆる光インタコネクションが実際に導入されはじめている。光インタコネクションにおいて、光ファイバ同士の光結合を行うために光コネクタが用いられている。一般的な光コネクタは、一方の光ファイバの端部から出射された光を、他方の光ファイバの端部へと集光するレンズを有している。
ところで、近年において光通信情報量は増加の一途をたどっており、加えて情報の長距離・高速伝送が切望されている。ところが、従来から用いられているマルチモードファイバの場合、光ファイバのコア径として50μm・62.5μmのものが採用されており、光信号を複数のモードで伝送するため、信号の到達時間にズレが生じ、モード分散が発生するという問題がある。従って、モード分散によってデータ損失が発生するために、長距離・高速伝送は不向きとされている。
これに対し、シングルモードファイバはモードフィールド径約9μmの極細径の光ファイバであり、光信号の伝播をひとつのモードにすることで、減衰を極力抑えることができるという利点がある。従ってマルチモードファイバのように多くのモードを使用する伝送方法と違い、信号の到達時間が単一であるため、モード損失の発生がなく、長距離・高速伝送に適していることから、シングルモードファイバが使用される機会が多くなってきた。
しかるに、シングルモードファイバを用いる際の課題の一つとして、そのモードフィールド径が約9μmと小さいことから、光コネクタを用いて光ファイバ同士を光結合する際に、芯ズレの許容度が狭まるという問題がある。特に問題となるのが、環境温度変化による芯ズレの問題である。以下、詳細に説明する。
一般的な光コネクタは、情報量の増大を目的として複数のコアを束ねた多芯光ファイバ体同士を結合することが多い。このような用途に用いる光コネクタは、一般的に、フェルールと呼ばれる多芯光ファイバ体を保持する部材と、一対のフェルール間に配置され、そのフェルールに保持された複数のコア端同士間で光を有効に伝播させるためのレンズを複数個形成した光学素子とを有している。
しかるに,光コネクタを用いて光ファイバ同士を精度良く結合した場合でも、環境温度変化によって各部に熱膨張差が生じると、結合部のズレ等による損失増大の恐れがある。ここで、光ファイバはガラス製であり、フェルールはガラスファイバを混入した樹脂から成形されることが多く、ガラスファイバを混入した樹脂は、ガラスに対して線膨張係数が近づくという特性を有するから、両者間で熱膨張差による問題は生じにくいといえる。一方、光学素子については、所定の光学特性を要求されることから、その素材選定によってはフェルールとの間での問題が生じる恐れがある。かかる問題を回避する方策として、例えばレンズをガラス製とした場合、光ファイバやフェルールと線膨張係数が近づくので、光結合時のズレの問題が生じにくくなるがコストが上昇するという問題がある。又、ガラスは一般的に成形しにくいから、ガラス製の光学素子とフェルールとを位置決めする構造をどのように設けるかという問題もある。
これに対し光学素子を、例えば特許文献1の技術を流用して、ガラスファイバを含有した樹脂で作成すれば、位置決め用の嵌合孔などを精度良く形成できると同時に、フェルールとの線膨張差を抑えることができ、それにより環境温度が変化した際の効率損失を抑制できる。
特開2016−133518号公報
しかしながら、ガラスファイバを樹脂に含有した素材において、光学特性を満足するレベルまで屈折率と温度特性をマッチングさせることが技術上難しく、またガラスファイバを混入することで一般的に樹脂が着色され、それにより光透過率が減少することから、ガラスファイバを含有した樹脂を光コネクタに使用する光学素子に用いることは困難である。
本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、安価でありながら、環境温度変化時の損失を抑制できる光コネクタ及びそれに用いる光学素子を提供することを目的とする。
本発明の光学素子は、シングルモード用の光ファイバを保持するフェルールに対して連結される光学素子であって、
複数のレンズを形成したガラス製の光学部と、
前記光学部を保持する樹脂製の保持部とを有し、
前記保持部の少なくとも一部を用いて、前記フェルールに保持された前記光ファイバの端部に対して前記レンズが位置決めされるものである。
本発明によれば、安価でありながら、環境温度変化時の損失を抑制できる光コネクタ及びそれに用いる光学素子を提供することができる。
第1の実施の形態である光コネクタの斜視図である。 光コネクタを分解して示す図である。 一対の光コネクタをカプラを用いて接続した状態で、図1のIII-III線を通る鉛直面で切断して矢印方向に見た図である。 第2の実施の形態にかかる光コネクタを分解して示す図である。 本実施の形態にかかる光コネクタ120に用いるレンズプレート(光学素子)130の光学部130aを示す斜視図である。 本実施の形態にかかる光コネクタ120に用いるレンズプレート130を示す斜視図である。 光学部130aのリヒート成形工程を示す図である。 レンズプレート130のインサート成形工程を示す図である。 丸軸22が係合したレンズプレート130の正面図である。
(第1の実施の形態)
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、第1の実施の形態である光コネクタの斜視図である。図2は、光コネクタを分解して示す図である。図3は、一対の光コネクタをカプラを用いて接続した状態で、図1のIII-III線を通る鉛直面で切断して矢印方向に見た図である。一対の光コネクタ20同士を突き合わせて連結することで、光ケーブル10間での光信号の伝達を行える。
図1において、多芯(ここでは60芯)光ケーブル10が連結された光コネクタ20は、フェルール本体21と、光学素子であるレンズプレート30とを有する。ガラスファイバを含有した熱硬化性樹脂製のフェルール21は略直方体状であって、光ケーブル10が連結された端部側に拡大部21aを有する。光ケーブル10は、コアとクラッドからなる60本の光ファイバ11を被覆部12により保護してなる(図3参照)。
図3に示すように、それぞれ拡大部21aの内方には、光ケーブル10の端部が挿入される端部孔21bが設けられている。端部孔21bの底部からフェルール21の長手方向に延在するようにして、複数の貫通孔21cが形成されており、この貫通孔21c内部には光ケーブル10の内部から延在する光ファイバ11を保持している。光ファイバ11はシングルモード用であって、その先端は図2に示すように拡大部21aと反対側の端面21dに露出している。
図2において、光ファイバ11の先端を露出させた一群の貫通孔21cの左右方向両側に、円形開口(孔)21eが形成されている。円形開口21eには,丸軸(軸部)22が挿入(植設)され、その先端を端面21dから突出させるようになっている。
図2において、レンズプレート30は、ガラス製の矩形板状である光学部30aと、樹脂製の矩形枠状である保持部30bとを有する。保持部30bは、中央に矩形開口30eを有し、その内部に光学部30aが所定位置に嵌合配置されるようになっている。光学部30aの板厚t1は、保持部30bの板厚t2より小さく(t1<t2)なっている。
光学部30aには、5行12列でアレイ状に並んだレンズ面30cが形成されており、正面と背面とで対向するレンズ面30c同士は、光軸が一致した両凸形状を有していてレンズを構成する。光学部30aはガラスモールド成形により形成され、その周囲は成形後に機械加工により矩形開口30eに合わせた形状に調整されている。尚、光学部30aのレンズ面30cを含む面に反射防止膜を形成すると、通信時の損失を抑制できるので好ましい。
一方、保持部30bはガラスファイバを含有した樹脂から射出成形等により形成されている。保持部30bの矩形開口30eの左右方向両側には、円形孔30dがそれぞれ形成されている。円形孔30dの直径は、丸軸22の直径(図2参照)に等しくなっている。保持部30bで用いるガラスファイバを含有した樹脂は、ガラスファイバを含有しない樹脂と比較してガラスに対する線膨張係数差が小さいため、環境温度変化時の熱膨張の影響は少なくなっている。尚、ガラスモールド成形した光学部30aを金型内にインサートとしつつ、保持部30bの成形を行ってレンズプレート30を作製しても良い。
次に、光コネクタ20の組付態様及び結合態様について説明する。ここで、図2に示すように、光ケーブル10の端部がフェルール21の端部孔21bに連結され、光ファイバ11の先端が端面21dに露出しているものとする。光コネクタ20の組付時には、治具等を用いて保持部30bの矩形開口30e内に光学部30aを定位置に嵌合配置することにより、レンズプレート30を作製する。次いで、フェルール21の円形開口21eに丸軸22を挿通し、その突出した端部をレンズプレート30の円形孔30dに係合させて、保持部30bの一方の面をフェルール21の端面21dに当接させる。このとき、t1<t2であるので、レンズ面頂点が端面21dに干渉する恐れはなく、間に所定のクリアランスを確保できる。更に、各レンズ面30cは、一対の円形孔30dの中心線の中点を基準に精度良く位置決めされ、また貫通孔21c内の保持された光ファイバ11の端部も、一対の円形開口21eの中心線の中点を基準に精度良く位置決めされているので、各レンズ面30cの光軸と、これに対向する光ファイバ11の端部中心とを精度良く一致させることができる。
更に、光コネクタ20同士を結合する場合、図3に示すカプラ41,42を用いる。カプラ41,42はそれぞれ一端が開口した筐体状であって、開口端側にフランジ部41a、42aを有し、開口端とは反対側の閉止端41b、42bに導出孔41c、42cを有する。フランジ部41aの対向面には係合凹部41dが形成され、フランジ部42aの対向面には係合凹部41dに対応した係合凸部42dが形成されている。
図3に示すように、カプラ41,42の内部にフェルール21をそれぞれ収容し、光ケーブル10を導出孔41c、42cを介して外部へと引き出す。このとき閉止端41b、42bの内周壁にフェルール21の拡大部21aが嵌合して、カプラ41,42に対してフェルール21の位置決めがなされる。かかる状態で、カプラ41,42の開口端には、レンズプレート30が露出した状態になる。
フランジ部41aの係合凹部41dに、フランジ部42aの係合凸部42dを係合させるようにして、フランジ部41a、42aを密着させると、対向するレンズプレート30の保持部30b同士が当接し合う。このとき、t1<t2であるので、レンズ面頂点同士が干渉する恐れはなく、間に所定のクリアランスを確保できる。係合凹部41dと係合凸部42dとの係合により、対向するレンズ面30cの光軸は精度良く一致する。これによりカプラ41,42を介して一対の光コネクタ20を精度良く接合できる。尚、明確に図示していないが、フェルール21の円形開口21eと丸軸22とのクリアランスが、丸軸22とレンズプレート30の円形孔30dとのクリアランスと等しいか又はより小さく、更に丸軸22との円形孔30dとのクリアランスが、カプラ41,42及び光ケーブル10の相互に係合する部位のクリアランスより小さくなっている。
図3において、一方の光ケーブル10の光ファイバ11内を伝播してきた光(例えば波長850nm、1310nm、1550nmのいずれか)は、フェルール21の端部から出射して発散光の状態で一方のレンズプレート30に入射し、コリメート光として出射される。出射されたコリメート光は、他方のレンズプレート30に入射し、収束光が出射される。かかる収束光は他方のフェルール21の光ファイバ11の端部に集光し、ここから他方の光ケーブル10を介して伝達される。シングルモードの光ファイバ11のコア径に対し、コリメート光の径はその5倍ほどに拡大されるので、一対のレンズプレート30同士の間に光軸ずれが生じても、その影響を抑制することができる。
本実施の形態によれば、光学部30aをガラス製としているので、光学特性及び温度特性に優れ,ガラスファイバを含有した樹脂製のフェルール21や光ファイバ11に対して線膨張係数を近づけることができるため、環境温度変化時における結合部のズレにより損失を抑制できる。一方、保持部30bを樹脂製とすることで、円形孔30dの形成が容易になり、丸軸22を介してフェルール21と精度良く連結することができる。
(第2の実施の形態)
図4は、第2の実施の形態にかかる光コネクタを分解して示す図である。図5は、本実施の形態にかかる光コネクタ120に用いるレンズプレート(光学素子)130の光学部130aを示す斜視図である。図6は、本実施の形態にかかる光コネクタ120に用いるレンズプレート130を示す斜視図である。本実施の形態では、光ケーブル10、フェルール21,丸軸22は上述した実施の形態で用いたものと同様であるが、光ケーブル10は24芯とし、それに対応してフェルール21の貫通孔21cは2行12列としている。
図5に示す光学部130aはガラスモールド製の板状であって、2行12列でアレイ状に並んだレンズ面130cを両面に有し、又その両側面においてV字状の切欠130fを形成している。切欠130fの挟み角は60°±20°であると好ましい。ガラスは樹脂に比べ一般的に成形性が劣るため、孔ではなく切欠を形成することで成形時の負担を軽減し、コスト低減に貢献している。
図6において、後述するようにインサート成形により形成されたレンズプレート130は、光学部130aと、その周囲に形成された矩形枠状の保持部130bとからなる。レンズプレート130は、その厚み方向中心面を挟んで対称的な形状を有している。保持部130bは、レンズ面130cを露出した矩形開口130eを有しており、光学部130aの上縁及び下縁付近を両側から挟み込むと共に、光学部130aの周囲を囲う形状となっている。このとき切欠130fと保持部との間に三角柱状の空間が生じる。インサート成形によって光学部130aと保持部130bとを接合することで、相互の位置決めを精度良く行うことが出来、それにより光コネクタ120の組付後の精度を高く維持できる。
次に、レンズプレート130の成形工程について説明する。図7は、光学部130aのリヒート成形工程を示す図である。図7(a)において、上型MD1は、一方のレンズ面130cに対応する光学面転写面MD1aを有する。これに対し下型MD2は、他方のレンズ面130cに対応する光学面転写面MD2aと、V字状の切欠に対応する切欠転写面MD2bとを有する。光学面転写面MD2aと切欠転写面MD2bとを、単一の下型MD2に同時に機械加工して形成することで、これらにより転写成形されるレンズ面130cと切欠130fとの位置関係が精度良く定まる。
図7(a)に示すように、ガラスのプリフォームPFを間に介在させた状態で、光学面転写面MD1a、MD2a同士を対向させ、図7(b)に示すように、上型MD1と下型MD2とを加熱しながら下型MD2に対して上型MD1を接近させて型締めを行い、冷却して固化させる。
その後、下型MD2から上型MD1を離間させることで、図7(c)に示すように、レンズ面130cと切欠130fとを形成した光学部130aを離型させることができる。
図8は、レンズプレート130のインサート成形工程を示す図である。図8(a)において、上型MD3は、保持部130bの一方の面に対応する凹部転写面MD3aと、レンズ面130cへ樹脂流入を防ぐ枠部MD3bを有する。これに対し下型MD4は、保持部130bの他方の面に対応する凹部転写面MD4aと、レンズ面130cへ樹脂流入を防ぐ枠部MD4bと、光学部130aを位置決めするため切欠130fと嵌合する円柱部MD4cとを有する。
前工程で成形した光学部130aの一対の切欠130fにそれぞれ円柱部MD4cを嵌合させ、且つ枠部MD4bを下方のレンズ面130cの周囲面に当接させるようにして、光学部130aを下型MD4上に載置する。更に、図8(b)に示すように、凹部転写面MD3a、MD4a同士を対向させ型締めする。このとき枠部MD3bが、上方のレンズ面130cの周囲面に当接する。その後、型締めされた下型MD4と上型MD3との間に形成されたキャビティCV内に、不図示のゲートから溶融した熱可塑性樹脂(ガラスファイバを含有していると好ましい)を充填し、固化させる。
その後、下型MD4から上型MD3を離間させることで、図8(c)に示すように、光学部130aを保持部130bで包み込んだレンズプレート130を離型させることができる。リヒート成形でレンズ面130cの形状精度を優先しつつ光学部130aを形成すると、その外周は出来なり形状になることが多いが、後工程の機械加工で外周の不要部分をカットするとコストがかかる。これに対し本実施形態のように、成形した光学部130aの周囲を保持部130bで包み込むことで、光学部130aの機械加工を省略しつつもレンズプレート130の外観品位を確保できる。又、不用意にレンズプレート130を落下させたような場合に、保持部130bが衝撃吸収性を発揮することにより、ガラス製の光学部130aが破損する恐れを抑制できる。尚、光学部130aのレンズ面130cを含む面に反射防止膜を形成すると、通信時の損失を抑制できるので好ましい。
次に、光コネクタ120の組付態様及び結合態様について説明する。ここで、図4に示すように、光ケーブル10の端部がフェルール21の端部孔21bに連結され、光ファイバ11の先端が端面21dに露出しているものとする。
光コネクタ20の組付時には、フェルール21の円形開口21eに丸軸22を挿通し、その突出した端部をレンズプレート130の切欠130fと保持部130bとの間の空間に係合させる。丸軸22が係合したレンズプレート130の正面図(丸軸22の軸線方向に見た図)を図9に示す。
図9において、左側の丸軸22の右半部外周面は、切欠130fに対して2点P1,P2で接している。一方、右側の丸軸22の左半部外周面は、切欠130fに対して2点P3,P4で接している。これにより光学部130aは丸軸22に対して精度良く位置決めされる。
更に各レンズ面130cは、一対の切欠130fの中心線の中点を基準に精度良く位置決めされ、また貫通孔21c内の保持された光ファイバ11の端部も、一対の円形開口21eの中心線の中点を基準に精度良く位置決めされているので、各レンズ面130cの光軸と、これに対向する光ファイバ11の端部中心とを精度良く一致させることができるのである。
このとき、左側の丸軸22の左端は保持部130bの矩形開口130eの左内側面(P5)に当接し、右側の丸軸22の右端は矩形開口130eの右内側面(P6)に当接する。矩形開口130eの寸法を調整することで、その左内側面及び右内側面に所定の弾性変形を付与することが出来、丸軸22との面圧を適正な範囲とすることが出来るから、これによりレンズプレート130を丸軸22から抜きだす(又は入れ込む)際の力、いわゆる抜去力を所望値に設定できる。又、保持部130bで切欠130fの開口側を閉じることで、レンズプレート130が丸軸22から不用意に脱落しなくなり、取扱いが容易になる。
又、各レンズ面130cを形成した光学部130aの面が、保持部130bの両面から深さd(図6参照)の位置に形成されているので、レンズ面頂点がフェルール21の端面21dに干渉する恐れはなく、間に所定のクリアランスを確保できる。
更に、光コネクタ120同士を結合する場合、図3に示すものと同様なカプラ41,42を用いることができる。それぞれ光コネクタ120を収容したカプラ41,42のフランジ部を密着させると、対向するレンズプレート130の保持部130b同士が当接し合う。このとき、各レンズ面130cを形成した光学部130aの面が、保持部130bの両面から深さd(図6参照)の位置に形成されているので、レンズ面頂点同士が干渉する恐れはなく、間に所定のクリアランスを確保できる。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様である。
本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。例えばレンズ面に反射防止膜等を設けることは任意である。
10 光ケーブル
11 光ファイバ
12 被覆部
20、120 光コネクタ
21 フェルール
21a 拡大部
21b 端部孔
21c 貫通孔
21d 端面
21e 円形開口
22 丸軸
30、130 レンズプレート
30a,130a 光学部
30b、130b 保持部
30c、130c レンズ面
30d 円形孔
30e 矩形開口
41,42 カプラ
41a フランジ部
41b 閉止端
41c 導出孔
41d 係合凹部
42a フランジ部
42d 係合凸部
130e 矩形開口
130f 切欠
CV キャビティ
MD1 上型
MD1a 光学面転写面
MD2 下型
MD2a 光学面転写面
MD2b 切欠転写面
MD3 上型
MD3a 凹部転写面
MD3b 枠部
MD4 下型
MD4a 凹部転写面
MD4b 枠部
MD4c 円柱部

Claims (10)

  1. シングルモード用の光ファイバを保持するフェルールに対して連結される光学素子であって、
    複数のレンズを形成したガラス製の光学部と、
    前記光学部を保持する樹脂製の保持部とを有し、
    前記保持部の少なくとも一部を用いて、前記フェルールに保持された前記光ファイバの端部に対して前記レンズが位置決めされる光学素子。
  2. 前記フェルールには軸部が植設され、前記保持部には孔が形成されており、前記軸部と前記孔とを係合させることにより、前記フェルールに対して前記光学素子が位置決めされる請求項1に記載の光学素子。
  3. 前記フェルールには軸部が植設され、前記光学部には切欠が形成されており、前記軸部と前記切欠及び前記保持部とを係合させることにより、前記フェルールに対して前記光学素子が位置決めされる請求項1に記載の光学素子。
  4. 前記軸部の軸線方向に見たときに、前記切欠と前記軸部は2点で接触する請求項3に記載の光学素子。
  5. 前記保持部の素材である樹脂はガラスファイバを含有してなる請求項1〜4のいずれかに記載の光学素子。
  6. 前記光学部はガラスモールド成形され、成形された前記光学部をインサートしつつ前記保持部が樹脂成形される請求項1〜5のいずれかに記載の光学素子。
  7. 前記光学部の少なくとも一部を挟み込むようにして前記保持部が成形される請求項6に記載の光学素子。
  8. 前記レンズはアレイ状に並んでいる請求項1〜7のいずれかに記載の光学素子。
  9. 少なくとも前記レンズに対して反射防止膜を形成する請求項1〜8のいずれかに記載の光学素子。
  10. 請求項1〜9のいずれかに記載の光学素子と、前記光学素子に連結されたフェルールとを有する光コネクタ。
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