JP2569028B2

JP2569028B2 - 光フアイバ・コネクタ

Info

Publication number: JP2569028B2
Application number: JP61298585A
Authority: JP
Inventors: デイー．フアントンスチーブン
Original assignee: ポラロイドコ−ポレ−シヨン
Priority date: 1985-12-16
Filing date: 1986-12-15
Publication date: 1997-01-08
Anticipated expiration: 2012-01-08
Also published as: EP0226881A3; CA1272626A; JPS62141509A; EP0226881A2; EP0226881B1; DE3689665T2; DE3689665D1

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は全体的にいえば光フアイバ工学に関するもの
である。より詳細にいえば、本発明は、光フアイバまた
はそれと同等のものを、取りはずし可能に連結する、コ
ネクタに関するものである。

［従来の技術］通信媒体としての光フアイバは、同程度の寸法をもつ
た他の通信媒体に比べて、はるかに大きな容量の情報を
伝送することができるという利点を有している。光フア
イバの通信容量が大きい理由は、通信チヤンネルはそれ
がどの周波数帯域にあつても同じバンド幅を必要とする
ためである。光フアイバは非常に周波数の高い光領域で
動作するので、本来、より多くのチヤンネルが可能であ
る。したがつて、情報を送るさいの容量が非常に大き
い。けれども、この大きな利点は、また大きな欠点をも
つている。それは、フアイバが細いために、フアイバと
フアイバを連結することがフアイバが細い程より困難な
問題点となり、連結が完全でないと、そこで信号が失わ
れることになるからである。

この連結の問題点を解決して、信号の損失を最小に抑
えるために、当業者は、従来、２つの基本的なやり方で
コネクタを設計してきた。ここで、コネクタとは、光フ
アイバ素子を他の光フアイバ素子に、必要に応じ容易に
何回も、光学的に連結したり、そして連結をはずしたり
することができる装置のことである。

この基本的な方法のうちの１つは、光フアイバを精密
につき合わせ接続する方法である。この場合には、適切
な整合を行つて信号の損失を最小にするのに必要な軸精
度、横精度および方位角精度をうるために、実際上可能
な物理的構造体が用いられる。この方法の場合、通常
は、精密な継ぎ金具の中に光フアイバを固定し、それに
より光フアイバ間の精密な整合を行なうという、頑丈な
コネクタを使用する方法が用いられる。

基本的な方法のうちの２番目の方法はレンズを用いる
方法である。この方法では、レンズによりフアイバの拡
大像がつくられ、そしてこの像に対し物理的に整合が行
なわれる。この方法の目的は、角度の許容度をより小さ
くするという犠牲を払つた上で、突き合わせ結合に伴う
長さ寸法の精密な要求条件を緩和することである。典型
的なレンズ・コネクタは対称的に配置された２つのレン
ズを用い、フアイバはそれらの焦点に配置され、そして
１つのフアイバの像が他のフアイバの上につくられる。
この方法の場合に特に重要である構造部分は、通常、１
つの光学構造体として作製される。許容度に関係する重
要な要素はレンズの傾き、光ビームの進路、フアイバが
それぞれのレンズの焦点に配置される精度である。この
形のコネクタの例については、米国特許第4,421,383号
を参照されたい。

［発明の目的と要約］本発明の第１の目的は、光フアイバの対または他のフ
アイバ光学素子の対を連結するための改良されたレンズ
・コネクタをうることである。

本発明の他の目的は、従来のこの種のコネクタより
は、より容易に製造することができる、レンズ・コネク
タをうることである。

本発明のなお他の目的は、異なる開口数をもつたフア
イバの対または異なる開口数をもつた他の素子の対を連
結するための、レンズ・コネクタをうることである。

本発明のその他の目的はその一部分は明らかであり、
そして一部分は下記において明らかになるであろう。し
たがつて、本発明は下記の実施例で例示される構造体に
より、よりよく理解することができる。

本発明は、全体的にいえば、レンズ形式のコネクタに
関するものである。このレンズ形コネクタにより、類似
したまたは類似していない光フアイバまたは他の素子の
対を、必要に応じ何度でも容易に、連結したりそして連
結をはずしたりすることができる。

本発明のコネクタは、最も広範にいえば、同等でない
２つの球形のボールを有している。これらのボールの表
面は、それらの中心を通る光軸上の一点において、相互
に接触している。これらの球形のボールの半径と屈折率
は異つていてよいが、それらは次の条件を満たすように
設定される。すなわち、光軸上にあつて前記接触点とは
反対側にある点において、それぞれの球形のボールの表
面と光学的に接触しているフアイバの対または他の素子
の対が、変換された開口数をもつて相互に相手の位置に
結像し、かつ、整合が行なわれて、前記素子間で最良の
エネルギ伝達が確実にえられるように、前記球形のボー
ルの半径と屈折率の設定が行なわれる。

球形の表面と前記素子との間の光学的接触は、屈折率
整合材料を使うことによつて行なわれる。球形のボール
の相互の接触は機械装置によつて保持される。これらの
球形のボールは容易に回転することができ、そしてこの
回転により透過光量が最大になるように調節を行なうこ
とができ、そしてその後、球形のボールを所定の位置に
固定することができるように、前記機械装置の設計が行
なわれる。

特別の場合には、球形のボールは寸法が同じであるこ
とができる、または屈折率が同じであることができる、
または寸法と屈折率の両方が同じであることができる。
いずれの場合にも、本発明の装置は容易に製造すること
ができ、かつ、容易に整合を行なつて透過光量を最大に
することができる。

［実施例］本発明の新規な特徴は、特許請求の範囲に詳細に開示
されている。けれども、本発明それ自身、およびその構
成、使用される材料、および動作方法、ならびに本発明
のその他の目的とその利点は、添付図面を参照しての下
記詳細な説明により、最もよく理解されるであろう。添
付図面において、異なる図面であつても、同じ部品には
同じ番号がつけられている。

本発明による光フアイバ・コネクタが第１図の10に示
されている。本発明による光フアイバ・コネクタは２素
子中継装置である。通常の装置では、入射光ビームの開
口数と出射光ビームの開口数が異なることはよくあるこ
とである。この光フアイバ・コネクタは、入射光ビーム
の開口数を出射光ビームの開口数に変換し、かつ、整合
させることができる。したがつて、このコネクタは光フ
アイバの連結のために用いると特に適切であるけれど
も、その応用は光フアイバの連結にだけ限られるわけで
はない。このフアイバ光学装置の連結装置において、実
行可能なその他の用途は、例えば、光源と検出器との連
結、光源とフアイバとの連結、または検出器とフアイバ
との連結などである。

第１図に、コネクタ10が示されている。このコネクタ
10により、全くいろいろな物理的性質と光学的性質とを
もつた１対の光フアイバ12および14が相互に連結され
て、それらの間で光が効率よく伝送される。この目的の
ために、コネクタ10は、２素子中継装置として、１対の
球形のボール16および18を有する。ボール16および18の
半径は、それぞれ、R₁およびR₂であり、またそれらの屈
折率は、それぞれ、N₁およびN₂である。一方、フアイバ
12および14の開口数は、それぞれ、NA₁およびNA₂であ
る。ここで、NA₁＝N₁sinθ_１、NA₂＝N₂sinθ_２である。
全体的にいつてこれらのパラメータはいずれも、どのよ
うな場面での連結であるかによつて、異なる数値をとる
ことがあるが、しかし、それらがとる値は相互に無関係
であるわけではなく、前記パラメータがとりうる値は数
式によつて関係づけられている。この数式は、１つのフ
アイバから他のフアイバへ正しい結像を行ない、かつ、
開口数の変換を適切に行ないながら、これらのパラメー
タが変化しうる範囲を定めている。第１図に示されてい
るように、球形のボール16および18は一点Ｐで互いに接
触している。この接触点Ｐは光軸OA上にある、すなわ
ち、球形のボール16および18の中心を通る直線の上にあ
る。

光フアイバ12および14は、球形のボール16および18の
表面と、光軸OA上であつて球形のボール16および18が接
触している点Ｐとは反対側の点において、光学的に接触
する。

この目的のために、光フアイバ12および14は、それぞ
れ、13および15で示された屈折率整合樹脂でもつて、所
定の位置に接着される。

対物点としてのフアイバ12の端部から点Ｐまでの光路
長の逆数は換算距離逆数N₁/2R₁であり、点Ｐから像距離
としてとられるフアイバ14の端部までの光路長の逆数は
換算距離逆数N₂/2R₂である。もし球形のボール16および
18が点Ｐで接触している薄レンズで置き換えることがで
きると仮定されるならば、そしてこれらのレンズの後に
換算距離逆数に対応する厚さをもつたガラスが配置され
ると仮定されるならば、フアイバ12の端部がフアイバ14
の端部に結像するための条件はによつて与えられる。この式で、とおいて整理すると、より便利な次の式がえられる。

もしとおくならば、式（２）は次のようになる。

したがつて、式（２）および（３）は、他の関与するパ
ラメータが与えられた範囲内にある時、結像を行なうた
めにそれぞのパラメータが満たす条件を表す。

例えば、ｐ＝１とする。すると、R₁＝R₂であり、そし
てとなる。半径が等しい場合、N₁が変わると、方程式に従
つて、Ｋが変わる。したがつて、N₂もまた必ず変わる。

もし屈折率と半径が変えられるべきであるならば、結
像条件を定める式（３）を用いて、容易にパラメータを
定めることができる。

コネクタ10は、フアイバ12の開口数NA₁を変換してフ
アイバ14の開口数NA₂に整合させるためには、次の変換
比を満たせばよいことを示すことができる。エネルギ伝
達において損失がないようにするためには両球の接触位
置で光線の広がりが同じになることが条件となるからで
ある。

この式は次のように書き直すことができる。

相対開口数を用いると、式（４）は次のようになる。

例えば、フアイバに連結するために、F/1.5（NA＝0.3
3）光源をF/3.0コーン（NA＝0.166）に変換したいとす
る。ここで、Ｔ＝0.5, である。すると、である。N₁＝1.5のとき、そしてｐ＝16となる。このときＫは８であり、するとN₂
は異常に大きな屈折率になつてしまう。そこで、N₁とし
て異つた値、例えば、N₁＝2.0を仮定することが必要と
なる。N₁＝2.0として同様の計算を行うと、N₂＝2.0がえ
られる。同じようにして、N₁＝1.78の場合にはN₂＝2.65
がえられ、そしてN₁＝1.85の場合にはN₂＝2.38がえられ
る。

そこで、設計の方法は反復法で行なわれる。まず、パ
ラメータにある値を仮定し、それから結像の方程式と、
開口数変換の方程式を満たすように他のパラメータを定
める。それから、これらの計算された値が、利用可能な
寸法と入手可能な材料という観点から、現実的なもので
あるかどうかを検査する。もし現実的でないことがわか
つたら、最初に仮定した値を変更し、そして計算を再び
行ない、このことをすべてのパラメータに対し満足な値
が見出されるまで繰り返す。

この反復法で推奨される方法は、Ｋ＝１で出発し、そ
してそれからｐを計算する方法である。この方法は、異
つた寸法の球形のボールを用いて、どのように変換を実
行するかを示す。もう１つの方法は、ｐ＝１とおいて、
Ｋを計算する方法である。それから、N₁、N₂を計算す
る。もしこれらの値が現実的でないならば、ｐ＝１を止
めて、１でないｐを仮定する。

特別な場合がいろいろとある。もしN₁＝2.0ならば、
その時にはＫは１に等しくなければならない。これは、
N₁＝2.0の場合、第１ボールを出る光が平行になり、か
つ、ボールの半径に無関係であるためである。したがつ
て、この光を第２ボールの背面に集光するためには、N₂
もまた2.0に等しくなければならない。もしN₁が2.0に等
しくない場合には、N₂も対称的に2.0に等しくない。

もしｐ＝１ならば、その時には、R₁＝R₂であるから、
スリーブによつて整合をうることができる。近赤外光線
（0.8マイクロメートル）に対しては実際上の観点か
ら、1.6というＴ比をうることができる。例えば、もし
Ｔ＝1.58ならば、N₁＝1.55およびN₂＝2.45である。Si、
GeまたはSbS₃のような結晶材料を用いることによつて、
もつと大きなＴ比をさえうることができる。

球形のボール16および18は、第１図の機械装置を用い
ることによつて、接触を保つて保持される。この機械装
置は容器20および22を有しており、これらの容器はいず
れもスリーブ24にねじで取り付けられる。容器20および
22のおのおのは、それぞれ、開口部26および28を有し、
これらの開口部は、それぞれ、内側斜面30および32を有
する。これらの斜面30および32の角度は、ボールがこれ
らの斜面に常に接するように、ある範囲の半径のボール
の収容に適応できるように選定される。

取り付けのさいには、球形のボール16および18が点Ｐ
で接触するまで、容器20および22が、スリーブ24の中に
進められる。この時、球形のボールには、Ｐ点で接触は
するがしかしなお回転しうるような、力が加えられる。
フアイバ間の透過光量を最大にするための調整は、次の
ようにして行なわれる。まず、１つのフアイバが励振さ
れる。そして球形のボール16および18を互いに回転しな
がら、他のフアイバからの出力が監視され、透過光量が
最大になる位置がえられるまで、このことが行なわれ
る。透過光量が最大になる位置がみつかつたら、適当な
方法によつて、例えばエポキシ接着剤によつて、ボール
16および18が所定の位置に固定される。

１つの球形のボールから出る光は、コネクタ10が正し
く動作するためには、必らずしも平行である必要はな
い。例えば、第２図に示されているように、光線38およ
び40の場合、１つのボール16′から出た光ビームは、他
のボール18′がもつ屈折力によつて、収束ビームである
こともまたは発散ビームであることもできる。

したがつて、前記解析は、２ボール連結装置に対し、
屈折率とボール直径比との間の関係を詳しく述べたもの
である。光路の入口と出口は、ボールの表面と接触して
いると仮定される。このことは常に必要であるというわ
けではないが、もしそうであれば、数式はいくらか簡単
になる。後方焦点が小さいためには、１つのボールまた
は両方のボールの屈折率がわずかに小さくされる、また
はある場合には、ボールの半径がわずかに小さくされ
る。

［発明の効果］この構造をもつコネクタは、明らかに、いくつかの利
点を有している。その第１は、焦点は問題とならない。
コネクタの構成は主に屈折率の影響を受けるが、ボール
の直径によつてはあまり変わらない。ボールを互いに回
転させることによつて、整合を行なうことができる。こ
れは確実な調整法であつて、容易に行なうことができ
る。

当業者は、本明細書に従つて、本発明を他の方法で実
施することもできるが、このような本発明の他の方法で
の実施は、すべて本発明の範囲内に包含されるものであ
る。例えば、光フアイバ素子の端部を、球形のボールに
接触させないで、一定の距離だけ離して配置することが
できる。この場合には、この中継装置を設計するさい、
結像・変換方程式の中に、この距離を単に導入すればよ
い。したがつて、前記説明と添付図面に示されたすべて
の事項は例示のためのものである解釈されるべきであつ
て、本発明がそれらに限定されるものと介してはならな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のコネクタの概要断面図、第２図は本発明のコネクタの別の配置における概要断面
図。［符号の説明］ 10,10′……コネクタ 12,14,12′,14′……光フアイバ素子 16,18,16′18′……球形のボール P,P′……接触点 O_A、Ｏ′_A……光軸 20,22……保持装置

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれ一個の端面と所定の開口数NA₁又
はNA₂を有し所定の波長域で作動する光ファイバのペア
（12、14;12′、14′）を光学的に結合しかつ前記波長
域で作動するコネクタであって、前記所定の波長域において透明である材料からなる一対
の球形のボール（16、18;16′、18′）と、一方のボールの表面部分と他方のボールの表面部分がフ
ァイバの前記端面のそれぞれと結合するのに使えるよう
な所定の相対位置に前記ボールをそれぞれ把持する把持
装置であって、前記ボールの中心を貫く共通光軸がボー
ルの反対側表面と交差する点の辺りに前記表面部分の中
心がくるように調整されていて、ボールの半径R₁、R₂と
屈折率N₁、N₂を前記ファイバの端面がそれぞれボールを
介して他方の端面上に結像されるような値に選ぶことを
特徴とする把持装置とを備えるコネクタにおいて、前記把持装置が、前記ボールを突き合わせ接触状態に支
持しかつ固定装置（24）を用いてファイバとの最適結合
が得られる状態でボールを締止するのに先立ってボール
の中心を通る任意の軸の回りを各ボールが回転できるよ
うにする保持装置（20、22）を有し、さらに、前記半径と屈折率が、Ｋ＝N₂／N₁として、 N₁＝２（R₁＋R₂）／（R₂＋KR₁）および（R₁N₂）／（R₂N₁）＝NA₂／NA₁ を満たして、前記端面が互いに他方の端面上に結像し前
記光ファイバの開口数が整合するようにしたことを特徴
とするコネクタ。
【請求項２】一対の光ファイバ（12、14;12′、14′）
を一対の球形ボール（16、18;16′、18′）を介して互
いに光学的に結合するコネクタの製造方法において、前記一対の光ファイバ（12、14;12′、14′）を一対の
球形ボール（16、18;16′、18′）の表面にそれぞれ接
着すること；前記光ファイバ用の開口（26、28）をもった容器部（2
0、22）に前記球形ボールを挿入すること；前記容器部をスリーブ（24）に螺入すること；前記一対のボール（16、18;16′、18′）が互いに接触
しながら、かつ回転し得る程度の力をもって一点（Ｐ）
において接触するまで、一方のボールを他方のボールに
向かって、前記容器部と共に前記スリーブ内で前進させ
ること；光ファイバ出力を最適化するため、一方の光ファイバを
励起し、かつ一方のボールを他方のボールに対して回転
させながら、最適光ファイバ出力が観測されるまで他方
の光ファイバの出力を測定すること；前記最適光ファイバ出力が測定された位置において、エ
ポキシ接着剤などの適当な手段により前記一対のボール
（16、18;16′、18′）を固定すること；の各工程を含む、前記コネクタの製造方法。