JP3238002B2 - 光コネクタ端面処理方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、反射が少ない光コネク
タの製造方法及びそのための装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光ファイバ通信システムの広
範な利用に向けて光コネクタの開発が進められ、多くの
メーカーから各種製品が多量に販売されるようになって
来た。この光コネクタの性能については、接続損と共に
反射の大きさが問題になる。反射が大きいと光源の半導
体レーザに再入射する光が生じ、レーザから出力される
光信号を劣化させる。また、複数の反射点があると、２
重反射で信号光と混ざる反射光が生じ、受光部において
受信信号を劣化させる。そのため、低反射性が重要視さ
れる。

【０００３】光コネクタの反射特性は通常、反射損（ま
たはリターンロス）で表現する。これは入射光と反射光
の比をｄＢで表現するものである。たとえば反射率が
０．１％の場合で反射損が３０ｄＢ、０．０１％のとき
で４０ｄＢになる。市販の光コネクタでは、よいもので
６０ｄＢ、悪いもので３０ｄＢ程度である。

【０００４】まず、一般的な単心光コネクタを想定して
従来技術を説明する。初期の光コネクタでは光ファイバ
端面間に空気層が存在したため、反射損は２０ｄＢにも
満たなかった。その後、この端面の間隔をなくすための
工夫が検討された。具体的には、フェルール端面におい
て光ファイバの部分が突出るようにフェルール端面を研
磨し、接続時にはフェルール端面同士の押圧を保持する
ように設計したものである。この技術をＰＣ（フィジカ
ルコンタクト：Physical Contact）研磨、適用した光コ
ネクタをＰＣコネクタと呼んでいる。通常の単心コネク
タ（光ファイバ１心をつなぐコネクタ）では、フェルー
ルは円筒形状であり、この中心軸に開けた貫通穴に光フ
ァイバを挿入して接着固定している。このフェルール先
端部の中央が凸になるように研磨するのである。これに
より、反射損は３０ｄＢ程度にまで改善された。

【０００５】詳細な検討によると、通常の硬質なフェル
ール材料（たとえばジルコニアセラミック）の場合に
は、研磨したフェルール面よりも光ファイバ面が約０．
０５ミクロン程度凹んだ状態にあるが、フェルール端面
間に押圧を加えることにより、フェルールの接触部が局
部的に凹んで光ファイバ端面が相対的に前進し、互いの
光ファイバ端面が接触するのである。

【０００６】さらに反射を減少させるため、その後は研
磨法の見直しがなされた。改善された研磨法には、例え
ばＡＰＣ（Advanced Physical Contact ）技術がある。
これは、ＰＣ研磨後の面を微細なＳｉＯ₂ 粒で追加研磨
するものである。これにより、反射損失は４０ｄＢ以上
（最近では５０ｄＢ程度）にまで改善されるようになっ
た。これは、従来のＰＣ研磨面にできる加工層（厚みが
０．１ミクロン以下）が高い屈折率を持つことから、低
硬度研磨剤を使った仕上げ研磨でこの加工層を除去する
と共に、新たな加工層ができにくいように工夫したもの
である。しかし、上記の研磨法を用いた場合でも屈折率
の変化は少ないとはいえ加工層が生じるため、融着接続
と比べれば反射特性が劣ることは免れ得なかった。

【０００７】従って、より反射損失の優れた光コネクタ
を必要とする用途のために、フェルール端面を斜めに研
磨する技術も開発されている。この技術を適用したコネ
クタを斜め研磨コネクタと呼ぶ。これは、接続時に光フ
ァイバの接合面が光ファイバ軸に対して傾くようにする
ことにより、接合面での反射が光ファイバから逃げるよ
うにしたものである。端面角は８度程度である。これに
より、反射損失は６０ｄＢを超えるまでに改善された。
ただし、この技術は製作が難しいために値が高くなるこ
と、接続損失が大きくなりがちであること、従来のコネ
クタと互換性がとれず使い勝手が悪いこと、などの理由
で普及していない。

【０００８】次に、ＭＴコネクタと呼ばれる多心一括光
コネクタについて説明する。このコネクタにおいては、
複数の光ファイバについて同時にＰＣ接続することは難
しいので、通常、フェルール端面にゲル状の屈折率整合
剤を塗布して嵌合させるようしている。これにより、光
ファイバ端面間の空気層がなくなるため、反射損は４０
ｄＢ以上になる。このコネクタでは、フェルールがプラ
スチック材であるので、開発初期から低硬度研磨剤を使
った仕上げ研磨がなされていたため、加工層での屈折率
の変化は比較的小さい。ただし、光ファイバ応力破断面
同士を屈折率整合剤を介して接合するスプライス接続
が、屈折率整合剤の屈折率を精密に一致させられれば原
理的に反射がゼロ（反射損が無限大）にできるのに対
し、この方法は反射特性が劣ることは免れ得ない。

【０００９】そのため、斜め研磨技術が開発されて来て
いるが、単心光コネクタの場合と共通の欠点があるため
一般的ではない。また、屈折率整合剤を使わないで済む
ようにＰＣ接続のための検討も進められ、光ファイバ端
面位置を一致するような研磨技術が開発されてきている
が、屈折率整合剤を使う場合よりも特性は悪い。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、斜め
研磨をすることなく、前述の光ファイバ端面の加工層の
屈折率を光ファイバの本来の値に回復させることによ
り、光ファイバ接合面での反射を本質的に除去しようと
するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するた
め、本発明では、研磨後の光ファイバ端面を加熱する。
ただし、光ファイバとフェルールは接着剤で固定されて
いるだけであるため、この接着面の温度が高くなると接
着剤が変質して光ファイバの端面位置が設計値とずれた
り、接着面がはがれたりする恐れがある。従って、炭酸
ガスレーザを用いて、光伝送特性に影響する光ファイバ
コアの部分だけを、局部的に、短時間加熱するようにす
る。

【００１２】

【作用】このような手段をとることにより、光ファイバ
端面のコア部分は一時的に軟化し、再度冷却した後は、
本来の光ファイバの物性を回復する。光ファイバの製造
時には、ガラスをいったん溶融状態にして冷却するとい
う過程を経るが、本発明の手段では同様の過程を局部的
に生じさせることになる。

【００１３】加工層での屈折率が高くなるのは、研磨時
の圧縮やせん断応力による塑性変形の結果である。塑性
変形部分を加熱して溶融させれば、内部の原子間の結合
状態が再構成され、元の状態に戻る。金属と異なり、結
晶ができるわけではないので、冷却速度は早くてよい。
この点が、金属における焼き鈍しと大きく異なるところ
である。光ファイバの材質である石英ガラスの線膨脹係
数は極めて小さいため、急冷による熱歪みで屈折率が変
化するような現象も無視できる。

【００１４】なお石英ガラスには金属のような明確な融
点は存在せず、温度上昇と共に粘度が変化するのみであ
る。定数としての融点や軟化点は、設定された粘度をも
とに定義されるだけであり、上記の作用自体については
どちらの温度であっても違いがない。原子間の結合状態
の再構成プロセスは粘度が低いほど早くなるので、高い
温度の方がより短時間での加熱で済むというだけであ
る。なお、石英ガラスの軟化点は１６００度程度である
が、この温度以下でも上記の再構成プロセスは生じる。

【００１５】

【実施例】図１及び図２は本発明の第１の実施例の説明
図であり、図１が加熱方法の原理の説明図、図２はその
ときのフェルール端面の状態の説明図である。炭酸ガス
レーザ１から出たレーザ光２が、レンズ3-1 を通って集
光されてピンホール４を通り、再びレンズ3-2 で平行光
に変換されてシャッタ５を通り、最後レンズ3-3 で集光
するように光学系を構成する。図中の矢印は、レーザ光
の進行方向を表している。このとき、焦点位置にコネク
タフェルール６の端面の光ファイバコア部7-3 （図２）
が来るように、フェルールホルダ８を位置決めしてお
く。フェルールホルダ８はフェルールの位置決め用の治
具である。使用するレンズは、炭酸ガスレーザ光（波長
は約１０ミクロン）を透過する必要があるが、ゲルマニ
ウムを材料としたレンズが使える。

【００１６】このような光学系を用いて本発明を実施す
る。まずシャッタ状態を閉にした状態で炭酸ガスレーザ
を動作させておき、光ファイバと共にＰＣ研磨済み、あ
るいはＡＰＣ研磨済みのコネクタフェルール６を、端面
を洗浄した後、上記のコネクタフェルールホルダ８に取
り付ける。しかる後、炭酸ガスレーザ１が動作状態のも
とで、一定時間シャッタを開けて光ファイバ端面のコア
部にレーザ光を照射する。

【００１７】図２は、光ファイバ端面でのレーザ光照射
状態を表している。一般的なシングルモード光ファイバ
の場合では、光ファイバの直径が１２５ミクロン、コア
の直径が１０ミクロン程度である。光の集光をいくら工
夫しても、焦点でのビーム直径を自由に選べるわけでは
ない。図２の中に描いたように、焦点面での光強度Ｉは
分布する。無収差レンズで波面の揃った光を集光したと
して、焦点面での中心から測って光強度Ｉが最初にゼロ
になるところまでを加熱域と定義すると、その直径Ｄは
次式で表される。 Ｄ≒１．２２λｆ／ａ

【００１８】ここでλは光の波長、ａはレンズ面での光
束の半径、ｆはレンズの焦点距離である。ａ／ｆはレン
ズの開口数（ＮＡ）を超えられないから、Ｄをいくら小
さくしようとしても、以下の制限が生じることになる。 Ｄ≧１．２２λ／ＮＡ

【００１９】ＮＡを０．２とすれば、Ｄの最少値は６０
ミクロン強になる。従って、光ファイバ端面のコア直径
よりもＤは一回り大きくなるが、その分布を考えればＤ
が大き過ぎることはなく、光ファイバの周囲の接着面を
加熱することは充分避けられることが分かる。

【００２０】なお、この直径Ｄの円盤の外側に光が洩れ
ることがある。これは、レーザ光の波面に乱れがある場
合であり、それは図１で示したようにピンホールを通過
させることによって防止できる。このピンホールを通し
て波面を整える方法は、ホログラフィーなどの実験で可
視レーザ光についてよく行われているものである。

【００２１】また、レーザ光は光ファイバ表面からある
程度の深さまで浸透する。この深さは波長程度即ち１０
ミクロン程度と考えられる。加工層の厚さは０．１ミク
ロン以下であるから、加工層は厚み方向に均一に加熱さ
れる。なお光ファイバを炭酸ガスレーザで局部的に加熱
する手法は、米国の文献 Kyoichi Kinoshita and Morio Kobayashi : End prepar
ation and fusion splicing of an optical fiber arra
y with a CO₂ laser" , Applied Optics, Vol.18, No.1
9, pp.3256-3260 (1979).で報告されている。

【００２２】この文献は、光ファイバを切断する目的で
検討されたものである。光ファイバ側面上に集光したレ
ーザ光を走査して局部的に加熱することにより、ノッチ
状の切欠きを加工している。文献にある写真から、ノッ
チの深さは３０ミクロン程度、ノッチの開口部の幅は４
０ミクロン程度であることが分かる。そのレーザ光のス
ポットサイズは６０ミクロンと記述されており、先の計
算と同等になる。

【００２３】この文献から、本発明の加熱条件をおよそ
見積ることができる。例えば文献では光ファイバ直径方
向のレーザ光走査時間は約０．２秒であったから、レー
ザ光を静止させて加熱する本発明の場合では加熱時間は
その半分以下にできる。また文献では照射したレーザ光
のパワーが０．３Ｗと記されている。ノッチを加工する
場合は光ファイバをいわば蒸発させるのであるから、軟
化させるだけでよい本発明の場合では、もっと少ないパ
ワーでよいことが分かる。最近では導波路型の小型な炭
酸ガスレーザが市販されているため、この程度の加熱は
簡便に行うことができる。

【００２４】以上の説明では、シングルモード光ファイ
バを前提にして来たが、コア径の大きな多モード光ファ
イバについても本発明を適用できる。周囲の接着面の温
度上昇を避けるためにコアの中央部だけを加熱したとし
ても、その部分の加工層の屈折率を低減することができ
る。多モード光ファイバの中で多数を占めるグレーデッ
ドインデックス型（ＧＩ）光ファイバでは、伝搬する光
がコアの中央に強く分布しているため、分布が均一なス
テップインデックス型光ファイバよりもその効果が大き
い。

【００２５】また、接着層への悪影響からあまり加熱で
きない場合でも、短時間のレーザ光の照射を冷却のため
の充分な時間間隔で多数回繰り返すことにより、目的と
する効果を得ることができる。このとき、コアの加熱温
度は低くても全体の加熱時間は等価的に長くなってい
る。

【００２６】図３は、本発明の第２の実施例である。レ
ーザ光２は、内部が空洞のガラスチューブ10で導波され
て、コネクタフェルール13の端面に照射する原理であ
る。レーザ光２は空洞部14をチューブ10の内面で反射を
繰り返して伝わる。チューブ内面への反射角を充分小さ
くすることにより、内面での反射率を１００％に近くす
ることができる。この炭酸ガスレーザ光の導波方法は医
療用の手術装置に利用されている。このチューブ10の先
端には、コネクタフェルール13と同径のチューブ用フェ
ルール11を取り付ける。チューブ用フェルール11の中央
にガラスチューブ10の中空部が位置するように、個々の
部品の同心度を高めて加工しておく。

【００２７】このチューブ用フェルール11とコネクタフ
ェルール13とを、共通のスリーブ12内で突き合わせ、レ
ーザ装置側にあるシャッタ（図では省略）で短時間のレ
ーザ光照射を行うことにより、光ファイバコア7-3 を確
実に加熱することができる。この場合、スリーブが先の
実施例のフェルールホルダ８に相当する。なおスリーブ
12は、コネクタアダプタに採用されているものを使うこ
ともできる。チューブ用フェルール11の長さ等が異なる
ならば、別の構造のもの、例えば板に貫通穴を加工した
ものでもよい。このフェルール11は、原理的には固定し
ないでも使えるが、チューブに余計な力がかからないよ
うに、レーザ装置側の光学系と一体に固定しておいても
よい。

【００２８】このガラスチューブ10の反対側の端部への
光の入射は、第１の実施例の光学系を用いることができ
る。即ち、図１で、光ファイバのある位置に、ガラスチ
ューブの端部をおけばよい。ただし、光軸に対する光の
入射角を充分とる必要から、大きな開口数のレンズで集
光するのは不都合であるので、使用するレンズは異なっ
ている。またその入射部分ではチューブのガラス材にレ
ーザ光が当たることになるが、チューブ端面に高反射率
の金属膜を厚く付けておくことにより、加熱を防止する
ことができる。

【００２９】先の第１の実施例の場合には、フェルール
ホルダ８の位置がレーザ光に対してずれないようにして
おくことが不可欠であるが、コネクタフェルール６の装
着作業によって力がかかるために、位置ずれを起こす恐
れがある。勿論、その影響がないように頑丈な構造とす
ることは充分可能であるが、本実施例では柔軟性のある
ガラスチューブ10を間におくことにより、このようなず
れの心配がなくなっている。ただし、ガラスチューブ10
の反対側の光入射部では、光学系を一体化構造にするな
どして位置ずれを防止する工夫は必要である。

【００３０】以上の実施例では、単心コネクタを前提に
して説明してきたが、当然ＭＴコネクタと呼ばれる多心
一括型光コネクタのフェルールに対しても適用できる。
その際には、フェルールホルダに可動機構を付け加え
て、光ファイバ１心ごとに加熱するようにすればよい。

【００３１】また、単心コネクタ、多心コネクタのどち
らの場合でも、ＰＣ接続を前提にする場合には、ファイ
バ端面の形状が変わるような加熱は好ましくない。た
だ、石英ガラスの大きな表面張力が形状を保持するよう
に働くため、ガラスが蒸発したりあるいは対流を生じた
りするような極端な加熱を避ければ通常は問題ない。接
続をしない場合は屈折率整合剤を使用することになる
が、その屈折率整合が適正であれば、これまでよりもは
るかに高い反射損を得ることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、コネク
タフェルール端面における光ファイバコアの高屈折率層
を局部的加熱によってなくすものであり、ＰＣ接続によ
り光コネクタの反射損失を本質的になくすことができ
る。本発明の方法は、簡便な装置で短時間で実行できる
ため、従来コネクタと互換性のある高性能なコネクタを
安価に製造できるため、今後の高度な光ファイバ通信シ
ステムの実用化に大きく寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の説明図である。

【図２】図１のコネクタフェルール端部の拡大断面図で
ある。

【図３】本発明の第２の実施例の断面表示による説明図
である。

【符号の説明】

１ 炭酸ガスレーザ ２ レーザ光 ３−１，３−２，３−３ レンズ ４ ピンホール ５ シャッタ ６ コネクタフェルール ７−１ 光ファイバ（裸部） ７−２ 光ファイバ被覆部 ７−３ 光ファイバコア ８ フェルールホルダ ９ 接着層 １０ ガラスチューブ １１ チューブ用フェルール １２ スリーブ １３ コネクタフェルール １４ 空洞部 Ｉ 焦点面での光強度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/36 G02B 6/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光コネクタのフェルール研磨面を洗浄し
   た後、当該研磨面における光ファイバコア部を、炭酸ガ
   スレーザの照射光で局部的に加熱することにより、フェ
   ルール端面の研磨時に発生する光ファイバコア端面部の
   加工層の高屈折率化部分の屈折率を低減することを特徴
   とする光コネクタ端面処理方法。
2. 【請求項２】 炭酸ガスレーザと、その出力光を局部的
   に集光する手段と、その出力光を一定時間のみ通過させ
   るシャッタと、処理対象の光コネクタフェルール研磨面
   上の光ファイバコアの中心がその集光部の中央に位置す
   るように取り付けられるようにしたフェルール位置決め
   治具とを有し、上記のレーザ出力光が、光ファイバ端面
   内に一定時間だけ照射されるようにしたことを特徴とす
   る光コネクタ端面処理装置。