JP3925862B2 - 光素子モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信に使用される光素子モジュールに関する。特に、環境温度の変動に強い光素子モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路等の光素子と光ファイバとを結合させるために、光素子を筺体の内部に設置し、筐体の外部から導入した光ファイバを筺体の内部で光素子に接続する光素子モジュールが採用されている。従来の光素子モジュールの構造を図１に示す（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００３】
図１において、５０は光素子モジュール、５１は筐体、５２は光導波路を覆う光導波路保護板、５３ａ、５３ｂは光ファイバ保持部、５４は光ファイバ心線、５５は裸光ファイバ、５６はテープ光ファイバ、５７は裸光ファイバ、５８、５９は接着剤固定部である。
【０００４】
本願で説明する光ファイバの種類を図２、図３に示す。図２において、３０ａは光ファイバのコア部、３０ｂは光ファイバのクラッド部、３１は１次被覆、３２は２次被覆である。２次被覆までされた光ファイバを光ファイバ心線、１次被覆された光ファイバを１次被覆光ファイバ、１次被覆もされていない光ファイバを裸光ファイバと呼ぶ。通常、光ファイバ心線、１次被覆光ファイバ、裸光ファイバの外径はそれぞれ、９００μｍ、２５０μｍ、１２５μｍである。図３において、３０ａは光ファイバのコア部、３０ｂは光ファイバのクラッド部、３１は１次被覆、３３はテープファイバにするための２次被覆である。テープ光ファイバにおいては、２次被覆までされた光ファイバをテープ光ファイバ、１次被覆された光ファイバを１次被覆光ファイバ、１次被覆もされていない光ファイバを裸光ファイバと呼ぶ。
【０００５】
図１に示す光素子モジュール５０は、１つの光入力と４つの光出力を有し、１つの光ファイバからの入力光を、４分岐光回路が形成された光導波路で４つに分岐して、分岐した光を４つの光ファイバに光出力するものである。光導波路の入出力端面に光ファイバを接続し、光導波路等を筐体内に設置した構成となっている。光入力のための光ファイバ心線５４は外部から筐体５１内に導かれ、１次被覆、２次被覆が除去されて裸光ファイバ５５となる。裸光ファイバ５５はＶ溝などを有する光ファイバ保持部５３ａに収容され、光導波路（図示せず）の入力部と光軸がそろった状態で、光導波路に固定される。光出力のためのテープ光ファイバ５６は、外部から筐体５１内に導かれ、１次被覆、２次被覆が除去されて裸光ファイバ５７となる。裸光ファイバ５７はＶ溝などを有する光ファイバ保持部５３ｂに収容され、光導波路（図示せず）の入力部と光軸がそろった状態で、光導波路に固定される。
【０００６】
光導波路の上面には光導波路保護板５２を固着させて、光ファイバ保持部５３ａ、５３ｂとの接触面積を増大させることで、裸光ファイバ５５、５７と光導波路との安定な接続を維持する。光導波路は、筐体５１の底部に接着剤で固定する。光入力のための光ファイバ心線５４は、筐体５１と接着剤固定部５８で固定され、また、光出力のためのテープ光ファイバ５６も、筐体５１と接着剤固定部５９で固定される。
【０００７】
近年のＰＯＮ（Passive Optical Network）トポロジに適合した光アクセス線路網の構築に伴い、光導波路を内蔵した光素子モジュールを屋外設備に設置する要求があり、光素子モジュールを屋外使用に適した構造とする必要が生じた。特に、狭隘な屋外設備で光ファイバを収容するために、光入力、光出力のための光ファイバとして１次被覆光ファイバとする必要がある。
【０００８】
従来の光素子モジュールにおいて、光入力、光出力のための光ファイバを単に１次被覆光ファイバとした場合には、温度変化の激しい環境下では安定な特性が得られないことが判明した。従来の光素子モジュールで光入力のための光ファイバを１次被覆光ファイバとした場合に温度サイクル試験を実施した。試験結果を図４に示す。図４において、横軸は試験時間を表し、図４の上側のグラフの縦軸はこのときの光素子モジュールの増加した光損失を表す。８時間を１サイクルとして、−４０度Ｃから＋７５度Ｃまでの温度サイクル試験を実施した結果、光素子モジュールの環境温度が変化すると光素子モジュールの光損失が大きく変動することが分かった。
【０００９】
図４に示すような大きな光損失の変動が生じる原因としては、環境温度が変化した場合、特に、環境温度が低温になると１次被覆光ファイバや光素子モジュールの筐体が収縮するために、光入力のための１次被覆光ファイバを接着固定する光ファイバ保持部と接着剤で筐体へ固定する接着剤固定部との２点間で伸縮応力が発生し、この結果、光入力用の１次被覆光ファイバにマイクロベンドが生じて、光損失の増加を招くことが明らかとなった。
【００１０】
なお、図２（ｃ）の光ファイバ心線を光入力用、光出力用の光ファイバとしても、１次被覆と接着剤で固定された２次被覆との間にずれが生じ、１次被覆への応力が軽減されるため、環境温度が低温になっても光損失は増加しない。図３のテープ光ファイバでも同様である。テープ光ファイバの２次被覆の外側を接着剤で固定しても１次被覆と２次被覆との間にずれが生じ、１次被覆への応力が軽減されるため、環境温度が低温になっても光損失の増加を招くことはない。
【００１１】
【特許文献１】
特開平７−１３０３９号公報 （第１図）
【００１２】
【特許文献１】
特開平５−６６３１８号公報 （第１図）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を解決するために、１次被覆光ファイバを光入力や光出力のための光ファイバとして使用する場合であっても、広範囲の温度変動に対して光損失の変動の少ない光素子モジュールを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本願発明は、筐体と、該筐体の内部に設置された光素子と、該筺体の外部と内部とを導通させるパイプと、該パイプに挿通されて該光素子に接続され、該パイプの直径より小さい直径で前記パイプの内部で移動可能に保持された１次被覆光ファイバと、該筺体の内部空隙に充填されたゲル状材料と、を備える光素子モジュールであって、環境温度の変動に伴って膨張又は収縮する前記ゲル状材料は前記パイプと前記１次被覆光ファイバとの間の空間を前進又は後退し、環境温度の変動に伴って膨張又は収縮する前記ゲル状材料の体積と環境温度の変動に伴って膨張又は収縮する前記光素子モジュールの内部空隙の容積との差が、前記パイプと前記１次被覆光ファイバとの間の容積よりも小さく、前記１次被覆光ファイバと前記パイプとの間隙は前記ゲル状材料の表面張力により、ゲル状材料が漏れない距離であることを特徴とする光素子モジュールである。
【００１５】
本願発明により、１次被覆光ファイバとパイプとの間のルース接触により、環境温度の変動に対しても温度安定性のある光素子モジュールを提供することができる。また、光素子モジュールの内部空隙にゲル状材料を充填したことにより、光素子モジュールに加わる振動、衝撃などの機械的応力に対する耐力が向上する。また、環境温度が変動しても、ゲル状材料が漏れることがなくなる。
【００１８】
本願発明において、前記ゲル状材料が前記筺体の内部空隙に隙間なく充填されている光素子モジュールでもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態の例を図５、図６、図７、図８に示す。図５は光素子モジュールの平面断面図、図６は図５におけるＡ−Ａ’線での断面図、図７は図５におけるＣ−Ｃ’線での断面図、図８は図５におけるＤ−Ｄ’線での断面図である。なお、図５は図６におけるＢ−Ｂ’線での断面図である。図５、図６、図７、図８において、１は光素子モジュール、５は光導波路保護板、７は光素子としての光導波路チップ、２１は１次被覆光ファイバ、２２はテープ光ファイバ、２３ａ、２３ｂはゴムブーツ、２４はパイプ、２５ａ、２５ｂは光ファイバ保持部、２６は光素子モジュールの内部空隙、２７は下部筐体、２８は上部筐体、２９は１次被覆光ファイバである。
【００２１】
光導波路チップ７は導波路チップ基板に光入力を４分岐する１×４光スプリッタ回路が形成されている。光導波路チップ７には光導波路チップの上面を覆う光導波路保護板５が接着固定され、光導波路を保護すると同時に、光導波路保護板５と光導波路チップ７が一体となって入出力端面（図示せず）を形成する。当該入出力端面には、光入力用の１次被覆光ファイバ２１とテープ光ファイバ２２をそれぞれ保持する光ファイバ保持具２５ａ、２５ｂが突き当てられた状態で接着固定されている。下部筐体２７には断面コの字型の上部筐体２８を互いに勘合させて光素子モジュールの筐体を形成している。
【００２２】
光入力用の光ファイバは１心であり、屋外設備内での使用を想定して、外径が０．２５ｍｍの１次被覆光ファイバが使用されている。１次被覆光ファイバとすることで、屋外設備内に配線される１次被覆光ファイバとの融着接続が容易になる。１次被覆光ファイバ２１の一端は、１次被覆が除去された裸光ファイバの状態で光ファイバ保持部２５ａに保持される。保持する方法は、例えばＶ溝に押し当てて接着固定する。光ファイバ保持部２５ａの光導波路チップ７に突き当てられる端面は、光ファイバの光軸に対して所定角度傾けられた傾斜面とされ、同じ角度に設定される光導波路チップ７の傾斜端面と互いに接続されている。１次被覆光ファイバ２１の他端は、筐体の外部と内部を導通させるパイプ２４の内部を挿通させて外部に導いている。
【００２３】
パイプ２４は、パイプ２４に１次被覆光ファイバ２１が挿通された状態で、１次被覆光ファイバ２１から光導波路チップ７の光導波路と光軸が揃うように設計され、下部筐体２７及び上部筐体２８の端に装着固定されたゴムブーツ２３ａに固定されている。パイプ２４は、ナイロンチューブのように弾性があり温度変化に対して変形しない材料が好ましい。パイプ２４の内径は１次被覆光ファイバ２１の外径よりも大きめとする。例えば、１次被覆光ファイバの外径２５０μｍに対して、内径１ｍｍで断面が丸型のパイプが好ましい。パイプ２４の長さは、パイプ２４を挿通した１次被覆光ファイバが取り扱いなどで曲げられることを考慮して、ゴムブーツ２３ａの貫通孔の長さよりも長めとする。例えば、ゴムブーツ２３ａから光素子モジュールの内側には１ｍｍ程度、光素子モジュールの外側には５ｍｍ程度突き出るようにすることが好ましい。
【００２４】
光出力用の光ファイバは４心のテープ光ファイバである。テープ光ファイバ２２の一端は、１次被覆が除去された裸光ファイバの状態で光ファイバ保持部２５ｂに保持される。保持する方法は、例えば４心テープ光ファイバの光ファイバ間隔に対応した４つのＶ溝に押し当てて接着固定する。光ファイバ保持部２５ｂの光導波路チップに突き当てられる端面は、光ファイバの光軸に対して所定角度傾けられた傾斜面とされ、同じ角度に設定される光導波路チップ７の傾斜端面と互いに接続されている。テープ光ファイバ２２の他端は、ゴムブーツ２３ｂの貫通孔を挿通させて外部に導かれる。さらに、その先はテープ光ファイバのテープ外被が除去されて、１次被覆光ファイバとされ屋外設備の中で、他の１次被覆光ファイバとの融着接続が可能となっている。ゴムブーツ２３ｂとテープ光ファイバ２２とは接着剤で固定されており、テープ光ファイバ２２がゴムブーツ２３ｂに対して動かないようにされている。
【００２５】
光入力用あるいは光出力用の光ファイバに１次被覆光ファイバを用いる場合には１次被覆光ファイバとゴムブーツとの間は接着しないで、パイプを使用してルース構造とする。このようなルース構造とすることにより、１次被覆光ファイバがパイプ内で自由に動けるため、環境温度が変動して、１次被覆光ファイバの１次被覆や筐体が収縮拡張しても光ファイバクラッド／コアに応力が加わることはない。この結果、環境温度の変動に伴うマイクロベンドが生じなくなり、光損失の増加を招くこともなくなる。
【００２６】
なお、テープ光ファイバを用いると環境温度の変動に伴う応力が１次被覆と２次被覆との境界で吸収されるため、テープ光ファイバ２２をゴムブーツ２３ｂに接着固定しても環境温度の変動によって光損失の増加を招かない。
【００２７】
次に、本実施の形態の光素子モジュールの作製方法を説明する。光導波路チップは、公知の石英系のガラス導波路の作製方法を用いて、Ｓｉ基板上又は石英基板上に火炎堆積法で下部クラッド層及びコア層の堆積を行い、導波路マスクを用いてフォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより下部クラッド上に光分岐回路のコアパターンを形成し、さらに、火炎堆積法により上部クラッド層を堆積しコア部の埋め込み工程を経て得ることが出来る。
【００２８】
光導波路チップの入出力端に光ファイバを接続するためには、光導波路チップに光導波路保護板を取り付ける。これには光導波路チップの上部クラッド層の上面に接着剤を塗布し、光導波路保護板を押圧しながら接着剤を硬化させ、光導波路チップと光導波路保護板を固着させる。この場合、光導波路チップの一個一個にそれぞれ光導波路保護板を取り付けても良いが、光導波路チップの入出力端面は露出するが側面は連結するような複数の光導波路チップをウェハから切り出し、一括して光導波路保護板を取り付け、さらに入出力端面を研磨し、その後に光導波路チップと光導波路保護板を一括して切り離すことにより、光導波路保護板付きの光導波路チップを得ることが出来る。光導波路保護板の取り付け作業や研磨作業が一括してできるので効率的である。
【００２９】
得られた光導波路保護板付きの光導波路チップに対して光入力用の光ファイバと光出力用の光ファイバを接続する。また、複数分の光導波路チップに対応するように光ファイバが配置された光ファイバアレイ基板を準備し、これを光導波路保護板が取り付けられ連結した光導波路チップに一括して接続固定し、その後に光導波路チップ毎に切り離すようにすれば、複数の光導波路チップに対して光ファイバの接続までが一括して処理できるので、さらに効率的である。
【００３０】
次に、光導波路チップに接続された光入力用の１次被覆光ファイバをゴムブーツに固定されたパイプ内に挿通させる。また、光導波路チップに接続された光出力用のテープ光ファイバは、ゴムブーツの貫通孔に挿通させて予めゴムブーツに接着固定しておく。
【００３１】
最後に、上記２つのゴムブーツをコの字型の下部筐体の両端の内側に接着剤で固定した上で、光素子モジュールの内部空隙にゲル状材料を充填する。その後に、コの字型の上部筐体の接着面に接着剤を塗布し、コの字型の下部筐体に被せて接着する。
【００３２】
このようにして得られた光素子モジュールについて温度サイクル試験を実施した。試験結果を図９に示す。図９において、横軸は試験時間を表し、図９の上側のグラフの縦軸はこのときの光素子モジュールの増加した光損失を表す。８時間を１サイクルとして、−４０度Ｃから＋７５度Ｃまでの温度サイクルを実施した結果、光素子モジュールの環境温度が変化しても、従来の光素子モジュールのように光損失が大きく変動することはなくなった。
【００３３】
これは、環境温度が低温になって１次被覆光ファイバや光素子モジュールの筐体が収縮しても、光入力のための１次被覆光ファイバと１次被覆光ファイバを挿通させるパイプの間がルース構造になっているため、光ファイバに対して伸縮応力が発生せず、この結果、光損失の増加も生じないからである。
【００３４】
本実施の形態では、光入力用の光ファイバに１次被覆光ファイバを用いたが、光出力用の光ファイバに１次被覆光ファイバを用いる場合は、当該１次被覆光ファイバをゴムブーツに設けたパイプに挿通させることが望ましい。また、筐体の内部に設置された光素子として光導波路チップを例としたが、光半導体発光素子や光受光素子でも同様の効果が得られる。
【００３５】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態の例を図１０、図１１、図１２、図１３に示す。図１０は光素子モジュールの平面断面図、図１１は図１０におけるＡ−Ａ’線での断面図、図１２は図１０におけるＣ−Ｃ’線での断面図、図１３は図１０におけるＤ−Ｄ’線での断面図である。なお、図１０は図１１におけるＢ−Ｂ’線での断面図である。図１０、図１１、図１２、図１３において、１は光素子モジュール、５は光導波路保護板、７は光素子としての光導波路チップ、２１は１次被覆光ファイバ、２２はテープ光ファイバ、２３ａ、２３ｂはゴムブーツ、２４はパイプ、２５ａ、２５ｂは光ファイバ保持部、２７は下部筐体、２８は上部筐体、２９は１次被覆光ファイバである。
【００３６】
実施の形態１との違いは、光導波路チップが２つの光入力と８つの光出力を有する点である。２つの光入力は、例えば一方を現用に、他方を予備用とする冗長構成に用いたり、異なる波長で一方は信号用に、他方を試験用に用いたりするなどの目的に用いられる。
【００３７】
本実施の形態においては、光入力用に２本の１次被覆光ファイバが用いられる。２本の１次被覆光ファイバは実施の形態１と同様に、ゴムブーツに設けられたパイプ２４の内部を挿通させている。パイプ２４の内径は１次被覆光ファイバ２１の外径よりも大きめとする。例えば、１次被覆光ファイバの外径２５０μｍに対して、短径０．５ｍｍ、長径１ｍｍで断面が楕円型のパイプが好ましい。パイプ２４の長さは、パイプ２４を挿通した１次被覆光ファイバが取り扱いなどで曲げられることを考慮して、ゴムブーツ２３ａの貫通孔の長さよりも長めとする。例えば、ゴムブーツ２３ａから光素子モジュールの内側には１ｍｍ程度、光素子モジュールの外側には５ｍｍ程度突き出るようにすることが好ましい。
【００３８】
また、光出力用には４心のテープ光ファイバを２個用いて８光出力とする。即ち、一端において、４心のテープ光ファイバが二段に積み重ねられ、光導波路チップとの接続側において２つの４心光テープファイバが１次被覆状態で交互に集合し、Ｖ溝内に一列に配列された配列変換光ファイバが採用されている。配列変換光ファイバは光導波路チップとの接続部における光ファイバの配列ピッチを裸光ファイバの外径に相当する１２５μｍまで狭められる。従って、これと対応する光導波路の導波路間隔も狭められることになり、光導波路チップを小型化でき、ひいては、光素子モジュールを小型化することが可能となる。配列変換光ファイバとせずに、８心光テープファイバの２次被覆を除去して１次被覆光ファイバにして光導波路チップと接続することも可能である。
【００３９】
このようにして得られた光素子モジュールについて温度サイクル試験を実施した。試験結果は図９と同様である。８時間を１サイクルとして、−４０度Ｃから＋７５度Ｃまでの温度サイクルを実施した結果、光素子モジュールの環境温度が変動しても、従来の光素子モジュールのように光損失が大きく変動することはなくなった。
【００４０】
本実施の形態では、光入力用の光ファイバに１次被覆光ファイバを用いたが、光出力用の光ファイバに１次被覆光ファイバを用いる場合は、当該１次被覆光ファイバをゴムブーツに設けたパイプに挿通させることとしてもよい。また、筐体の内部に設置された光素子として光導波路チップを例としたが、光半導体発光素子や光受光素子でも同様の効果が得られる。
【００４１】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１又は実施の形態２で説明した光素子モジュールの内部空隙にゲル状材料を充填するものである。例えば、図１０、図１１において、光素子モジュール１の内部空隙にゲル状材料４１を充填する。ゲル状材料を充填することにより、光素子モジュールに加わる振動、衝撃などの機械的応力に対する耐力が向上する。
【００４２】
一方、１次被覆光ファイバ２１とパイプ２４との間隙はゲル状材料の表面張力により、通常はゲル状材料が漏れることはないが、環境温度が変動して、筐体の膨張収縮とゲル状材料の膨張収縮が一致しない場合、例えば、筐体の膨張よりもゲル状材料の膨張が大きいときや、筐体の収縮よりもゲル状材料の収縮が小さいときは、筐体のゲル状材料が１次被覆光ファイバ２１とパイプ２４との間から漏れることになる。
【００４３】
そこで、環境温度の変動に伴って生じるゲル状材料の体積と光素子モジュールの内部空隙の容積との差が、パイプ２４と１次被覆光ファイバ２１との間の容積よりも小さくなるように設定することが好ましい。このような設定にすると、環境温度の変動に伴いゲル状材料の体積が膨張したり収縮したりしても、パイプ２４と１次被覆光ファイバ２１との間の空間をゲル状材料が前進したり後退したりするだけで、環境温度が変動しても、ゲル状材料が漏れることがなくなる。
【００４４】
実施の形態１で説明した光素子モジュールの内部空隙をゲル状材料で充填することでもよい。この場合にも、環境温度の変動に伴って生じるゲル状材料の体積と光素子モジュールの内部空隙の容積との差が、パイプと１次被覆光ファイバとの間の容積よりも小さくなるように設定することが好ましい。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば光素子モジュールの光入力用や光出力用に１次被覆光ファイバを用いる場合でも、環境温度の変動に伴う光ファイバのマイクロベンドを防止することが可能となり、温度安定性のある光素子モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の光素子モジュールの構造を説明する断面図である。
【図２】 本願で説明する光ファイバの種類を説明する図である。
【図３】 本願で説明する光ファイバの種類を説明する図である。
【図４】 従来の光素子モジュールで光入力のための光ファイバを１次被覆とした場合の温度サイクル試験結果である。
【図５】 本発明の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【図６】 本発明の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【図７】 本発明の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【図８】 本発明の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【図９】 本発明の実施形態例である光素子モジュールの温度サイクル試験結果である。
【図１０】 本発明の他の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【図１１】 本発明の他の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【図１２】 本発明の他の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【図１３】 本発明の他の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【符号の説明】
１：光素子モジュール
５：光導波路保護板
７：光導波路チップ
２１：１次被覆光ファイバ
２２：テープ光ファイバ
２３ａ：ゴムブーツ
２３ｂ：ゴムブーツ
２４：パイプ
２５ａ：光ファイバ保持部
２５ｂ：光ファイバ保持部
２６：光素子モジュールの内部空隙
２７：下部筐体
２８：上部筐体
２９：１次被覆光ファイバ
３０ａ：光ファイバのコア部
３０ｂ：光ファイバのクラッド部
３１：１次被覆
３２：２次被覆
３３：テープファイバにするための２次被覆
４１：ゲル状材料
５０：光素子モジュール
５１：筐体
５２：光導波路を覆う光導波路保護板
５３ａ、５３ｂ：光ファイバ保持部
５４：光ファイバ心線
５５：裸光ファイバ
５６：テープ光ファイバ
５７：裸光ファイバ
５８、５９：接着剤固定部
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信に使用される光素子モジュールに関する。特に、環境温度の変動に強い光素子モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路等の光素子と光ファイバとを結合させるために、光素子を筺体の内部に設置し、筐体の外部から導入した光ファイバを筺体の内部で光素子に接続する光素子モジュールが採用されている。従来の光素子モジュールの構造を図１に示す（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００３】
図１において、５０は光素子モジュール、５１は筐体、５２は光導波路を覆う光導波路保護板、５３ａ、５３ｂは光ファイバ保持部、５４は光ファイバ心線、５５は裸光ファイバ、５６はテープ光ファイバ、５７は裸光ファイバ、５８、５９は接着剤固定部である。
【０００４】
本願で説明する光ファイバの種類を図２、図３に示す。図２において、３０ａは光ファイバのコア部、３０ｂは光ファイバのクラッド部、３１は１次被覆、３２は２次被覆である。２次被覆までされた光ファイバを光ファイバ心線、１次被覆された光ファイバを１次被覆光ファイバ、１次被覆もされていない光ファイバを裸光ファイバと呼ぶ。通常、光ファイバ心線、１次被覆光ファイバ、裸光ファイバの外径はそれぞれ、９００μｍ、２５０μｍ、１２５μｍである。図３において、３０ａは光ファイバのコア部、３０ｂは光ファイバのクラッド部、３１は１次被覆、３３はテープファイバにするための２次被覆である。テープ光ファイバにおいては、２次被覆までされた光ファイバをテープ光ファイバ、１次被覆された光ファイバを１次被覆光ファイバ、１次被覆もされていない光ファイバを裸光ファイバと呼ぶ。
【０００５】
図１に示す光素子モジュール５０は、１つの光入力と４つの光出力を有し、１つの光ファイバからの入力光を、４分岐光回路が形成された光導波路で４つに分岐して、分岐した光を４つの光ファイバに光出力するものである。光導波路の入出力端面に光ファイバを接続し、光導波路等を筐体内に設置した構成となっている。光入力のための光ファイバ心線５４は外部から筐体５１内に導かれ、１次被覆、２次被覆が除去されて裸光ファイバ５５となる。裸光ファイバ５５はＶ溝などを有する光ファイバ保持部５３ａに収容され、光導波路（図示せず）の入力部と光軸がそろった状態で、光導波路に固定される。光出力のためのテープ光ファイバ５６は、外部から筐体５１内に導かれ、１次被覆、２次被覆が除去されて裸光ファイバ５７となる。裸光ファイバ５７はＶ溝などを有する光ファイバ保持部５３ｂに収容され、光導波路（図示せず）の入力部と光軸がそろった状態で、光導波路に固定される。
【０００６】
光導波路の上面には光導波路保護板５２を固着させて、光ファイバ保持部５３ａ、５３ｂとの接触面積を増大させることで、裸光ファイバ５５、５７と光導波路との安定な接続を維持する。光導波路は、筐体５１の底部に接着剤で固定する。光入力のための光ファイバ心線５４は、筐体５１と接着剤固定部５８で固定され、また、光出力のためのテープ光ファイバ５６も、筐体５１と接着剤固定部５９で固定される。
【０００７】
近年のＰＯＮ（Passive Optical Network）トポロジに適合した光アクセス線路網の構築に伴い、光導波路を内蔵した光素子モジュールを屋外設備に設置する要求があり、光素子モジュールを屋外使用に適した構造とする必要が生じた。特に、狭隘な屋外設備で光ファイバを収容するために、光入力、光出力のための光ファイバとして１次被覆光ファイバとする必要がある。
【０００８】
従来の光素子モジュールにおいて、光入力、光出力のための光ファイバを単に１次被覆光ファイバとした場合には、温度変化の激しい環境下では安定な特性が得られないことが判明した。従来の光素子モジュールで光入力のための光ファイバを１次被覆光ファイバとした場合に温度サイクル試験を実施した。試験結果を図４に示す。図４において、横軸は試験時間を表し、図４の上側のグラフの縦軸はこのときの光素子モジュールの増加した光損失を表す。８時間を１サイクルとして、−４０度Ｃから＋７５度Ｃまでの温度サイクル試験を実施した結果、光素子モジュールの環境温度が変化すると光素子モジュールの光損失が大きく変動することが分かった。
【０００９】
図４に示すような大きな光損失の変動が生じる原因としては、環境温度が変化した場合、特に、環境温度が低温になると１次被覆光ファイバや光素子モジュールの筐体が収縮するために、光入力のための１次被覆光ファイバを接着固定する光ファイバ保持部と接着剤で筐体へ固定する接着剤固定部との２点間で伸縮応力が発生し、この結果、光入力用の１次被覆光ファイバにマイクロベンドが生じて、光損失の増加を招くことが明らかとなった。
【００１０】
なお、図２（ｃ）の光ファイバ心線を光入力用、光出力用の光ファイバとしても、１次被覆と接着剤で固定された２次被覆との間にずれが生じ、１次被覆への応力が軽減されるため、環境温度が低温になっても光損失は増加しない。図３のテープ光ファイバでも同様である。テープ光ファイバの２次被覆の外側を接着剤で固定しても１次被覆と２次被覆との間にずれが生じ、１次被覆への応力が軽減されるため、環境温度が低温になっても光損失の増加を招くことはない。
【００１１】
【特許文献１】
特開平７−１３０３９号公報 （第１図）
【００１２】
【特許文献１】
特開平５−６６３１８号公報 （第１図）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を解決するために、１次被覆光ファイバを光入力や光出力のための光ファイバとして使用する場合であっても、広範囲の温度変動に対して光損失の変動の少ない光素子モジュールを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本願発明は、筐体と、該筐体の内部に設置された光素子と、該筺体の外部と内部とを導通させるパイプと、該パイプに挿通されて該光素子に接続され、該パイプの直径より小さい直径で前記パイプの内部で移動可能に保持された１次被覆光ファイバと、該筺体の内部空隙に充填されたゲル状材料と、を備える光素子モジュールであって、環境温度の変動に伴って膨張又は収縮する前記ゲル状材料は前記パイプと前記１次被覆光ファイバとの間の空間を前進又は後退し、環境温度の変動に伴って膨張又は収縮する前記ゲル状材料の体積と環境温度の変動に伴って膨張又は収縮する前記光素子モジュールの内部空隙の容積との差が、前記パイプと前記１次被覆光ファイバとの間の容積よりも小さく、前記１次被覆光ファイバと前記パイプとの間隙は前記ゲル状材料の表面張力により、ゲル状材料が漏れない距離であることを特徴とする光素子モジュールである。
【００１５】
本願発明により、１次被覆光ファイバとパイプとの間のルース接触により、環境温度の変動に対しても温度安定性のある光素子モジュールを提供することができる。また、光素子モジュールの内部空隙にゲル状材料を充填したことにより、光素子モジュールに加わる振動、衝撃などの機械的応力に対する耐力が向上する。また、環境温度が変動しても、ゲル状材料が漏れることがなくなる。
【００１８】
本願発明において、前記ゲル状材料が前記筺体の内部空隙に隙間なく充填されている光素子モジュールでもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態の例を図５、図６、図７、図８に示す。図５は光素子モジュールの平面断面図、図６は図５におけるＡ−Ａ’線での断面図、図７は図５におけるＣ−Ｃ’線での断面図、図８は図５におけるＤ−Ｄ’線での断面図である。なお、図５は図６におけるＢ−Ｂ’線での断面図である。図５、図６、図７、図８において、１は光素子モジュール、５は光導波路保護板、７は光素子としての光導波路チップ、２１は１次被覆光ファイバ、２２はテープ光ファイバ、２３ａ、２３ｂはゴムブーツ、２４はパイプ、２５ａ、２５ｂは光ファイバ保持部、２６は光素子モジュールの内部空隙、２７は下部筐体、２８は上部筐体、２９は１次被覆光ファイバである。
【００２１】
光導波路チップ７は導波路チップ基板に光入力を４分岐する１×４光スプリッタ回路が形成されている。光導波路チップ７には光導波路チップの上面を覆う光導波路保護板５が接着固定され、光導波路を保護すると同時に、光導波路保護板５と光導波路チップ７が一体となって入出力端面（図示せず）を形成する。当該入出力端面には、光入力用の１次被覆光ファイバ２１とテープ光ファイバ２２をそれぞれ保持する光ファイバ保持具２５ａ、２５ｂが突き当てられた状態で接着固定されている。下部筐体２７には断面コの字型の上部筐体２８を互いに勘合させて光素子モジュールの筐体を形成している。
【００２２】
光入力用の光ファイバは１心であり、屋外設備内での使用を想定して、外径が０．２５ｍｍの１次被覆光ファイバが使用されている。１次被覆光ファイバとすることで、屋外設備内に配線される１次被覆光ファイバとの融着接続が容易になる。１次被覆光ファイバ２１の一端は、１次被覆が除去された裸光ファイバの状態で光ファイバ保持部２５ａに保持される。保持する方法は、例えばＶ溝に押し当てて接着固定する。光ファイバ保持部２５ａの光導波路チップ７に突き当てられる端面は、光ファイバの光軸に対して所定角度傾けられた傾斜面とされ、同じ角度に設定される光導波路チップ７の傾斜端面と互いに接続されている。１次被覆光ファイバ２１の他端は、筐体の外部と内部を導通させるパイプ２４の内部を挿通させて外部に導いている。
【００２３】
パイプ２４は、パイプ２４に１次被覆光ファイバ２１が挿通された状態で、１次被覆光ファイバ２１から光導波路チップ７の光導波路と光軸が揃うように設計され、下部筐体２７及び上部筐体２８の端に装着固定されたゴムブーツ２３ａに固定されている。パイプ２４は、ナイロンチューブのように弾性があり温度変化に対して変形しない材料が好ましい。パイプ２４の内径は１次被覆光ファイバ２１の外径よりも大きめとする。例えば、１次被覆光ファイバの外径２５０μｍに対して、内径１ｍｍで断面が丸型のパイプが好ましい。パイプ２４の長さは、パイプ２４を挿通した１次被覆光ファイバが取り扱いなどで曲げられることを考慮して、ゴムブーツ２３ａの貫通孔の長さよりも長めとする。例えば、ゴムブーツ２３ａから光素子モジュールの内側には１ｍｍ程度、光素子モジュールの外側には５ｍｍ程度突き出るようにすることが好ましい。
【００２４】
光出力用の光ファイバは４心のテープ光ファイバである。テープ光ファイバ２２の一端は、１次被覆が除去された裸光ファイバの状態で光ファイバ保持部２５ｂに保持される。保持する方法は、例えば４心テープ光ファイバの光ファイバ間隔に対応した４つのＶ溝に押し当てて接着固定する。光ファイバ保持部２５ｂの光導波路チップに突き当てられる端面は、光ファイバの光軸に対して所定角度傾けられた傾斜面とされ、同じ角度に設定される光導波路チップ７の傾斜端面と互いに接続されている。テープ光ファイバ２２の他端は、ゴムブーツ２３ｂの貫通孔を挿通させて外部に導かれる。さらに、その先はテープ光ファイバのテープ外被が除去されて、１次被覆光ファイバとされ屋外設備の中で、他の１次被覆光ファイバとの融着接続が可能となっている。ゴムブーツ２３ｂとテープ光ファイバ２２とは接着剤で固定されており、テープ光ファイバ２２がゴムブーツ２３ｂに対して動かないようにされている。
【００２５】
光入力用あるいは光出力用の光ファイバに１次被覆光ファイバを用いる場合には１次被覆光ファイバとゴムブーツとの間は接着しないで、パイプを使用してルース構造とする。このようなルース構造とすることにより、１次被覆光ファイバがパイプ内で自由に動けるため、環境温度が変動して、１次被覆光ファイバの１次被覆や筐体が収縮拡張しても光ファイバクラッド／コアに応力が加わることはない。この結果、環境温度の変動に伴うマイクロベンドが生じなくなり、光損失の増加を招くこともなくなる。
【００２６】
なお、テープ光ファイバを用いると環境温度の変動に伴う応力が１次被覆と２次被覆との境界で吸収されるため、テープ光ファイバ２２をゴムブーツ２３ｂに接着固定しても環境温度の変動によって光損失の増加を招かない。
【００２７】
次に、本実施の形態の光素子モジュールの作製方法を説明する。光導波路チップは、公知の石英系のガラス導波路の作製方法を用いて、Ｓｉ基板上又は石英基板上に火炎堆積法で下部クラッド層及びコア層の堆積を行い、導波路マスクを用いてフォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより下部クラッド上に光分岐回路のコアパターンを形成し、さらに、火炎堆積法により上部クラッド層を堆積しコア部の埋め込み工程を経て得ることが出来る。
【００２８】
光導波路チップの入出力端に光ファイバを接続するためには、光導波路チップに光導波路保護板を取り付ける。これには光導波路チップの上部クラッド層の上面に接着剤を塗布し、光導波路保護板を押圧しながら接着剤を硬化させ、光導波路チップと光導波路保護板を固着させる。この場合、光導波路チップの一個一個にそれぞれ光導波路保護板を取り付けても良いが、光導波路チップの入出力端面は露出するが側面は連結するような複数の光導波路チップをウェハから切り出し、一括して光導波路保護板を取り付け、さらに入出力端面を研磨し、その後に光導波路チップと光導波路保護板を一括して切り離すことにより、光導波路保護板付きの光導波路チップを得ることが出来る。光導波路保護板の取り付け作業や研磨作業が一括してできるので効率的である。
【００２９】
得られた光導波路保護板付きの光導波路チップに対して光入力用の光ファイバと光出力用の光ファイバを接続する。また、複数分の光導波路チップに対応するように光ファイバが配置された光ファイバアレイ基板を準備し、これを光導波路保護板が取り付けられ連結した光導波路チップに一括して接続固定し、その後に光導波路チップ毎に切り離すようにすれば、複数の光導波路チップに対して光ファイバの接続までが一括して処理できるので、さらに効率的である。
【００３０】
次に、光導波路チップに接続された光入力用の１次被覆光ファイバをゴムブーツに固定されたパイプ内に挿通させる。また、光導波路チップに接続された光出力用のテープ光ファイバは、ゴムブーツの貫通孔に挿通させて予めゴムブーツに接着固定しておく。
【００３１】
最後に、上記２つのゴムブーツをコの字型の下部筐体の両端の内側に接着剤で固定した上で、光素子モジュールの内部空隙にゲル状材料を充填する。その後に、コの字型の上部筐体の接着面に接着剤を塗布し、コの字型の下部筐体に被せて接着する。
【００３２】
このようにして得られた光素子モジュールについて温度サイクル試験を実施した。試験結果を図９に示す。図９において、横軸は試験時間を表し、図９の上側のグラフの縦軸はこのときの光素子モジュールの増加した光損失を表す。８時間を１サイクルとして、−４０度Ｃから＋７５度Ｃまでの温度サイクルを実施した結果、光素子モジュールの環境温度が変化しても、従来の光素子モジュールのように光損失が大きく変動することはなくなった。
【００３３】
これは、環境温度が低温になって１次被覆光ファイバや光素子モジュールの筐体が収縮しても、光入力のための１次被覆光ファイバと１次被覆光ファイバを挿通させるパイプの間がルース構造になっているため、光ファイバに対して伸縮応力が発生せず、この結果、光損失の増加も生じないからである。
【００３４】
本実施の形態では、光入力用の光ファイバに１次被覆光ファイバを用いたが、光出力用の光ファイバに１次被覆光ファイバを用いる場合は、当該１次被覆光ファイバをゴムブーツに設けたパイプに挿通させることが望ましい。また、筐体の内部に設置された光素子として光導波路チップを例としたが、光半導体発光素子や光受光素子でも同様の効果が得られる。
【００３５】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態の例を図１０、図１１、図１２、図１３に示す。図１０は光素子モジュールの平面断面図、図１１は図１０におけるＡ−Ａ’線での断面図、図１２は図１０におけるＣ−Ｃ’線での断面図、図１３は図１０におけるＤ−Ｄ’線での断面図である。なお、図１０は図１１におけるＢ−Ｂ’線での断面図である。図１０、図１１、図１２、図１３において、１は光素子モジュール、５は光導波路保護板、７は光素子としての光導波路チップ、２１は１次被覆光ファイバ、２２はテープ光ファイバ、２３ａ、２３ｂはゴムブーツ、２４はパイプ、２５ａ、２５ｂは光ファイバ保持部、２７は下部筐体、２８は上部筐体、２９は１次被覆光ファイバである。
【００３６】
実施の形態１との違いは、光導波路チップが２つの光入力と８つの光出力を有する点である。２つの光入力は、例えば一方を現用に、他方を予備用とする冗長構成に用いたり、異なる波長で一方は信号用に、他方を試験用に用いたりするなどの目的に用いられる。
【００３７】
本実施の形態においては、光入力用に２本の１次被覆光ファイバが用いられる。２本の１次被覆光ファイバは実施の形態１と同様に、ゴムブーツに設けられたパイプ２４の内部を挿通させている。パイプ２４の内径は１次被覆光ファイバ２１の外径よりも大きめとする。例えば、１次被覆光ファイバの外径２５０μｍに対して、短径０．５ｍｍ、長径１ｍｍで断面が楕円型のパイプが好ましい。パイプ２４の長さは、パイプ２４を挿通した１次被覆光ファイバが取り扱いなどで曲げられることを考慮して、ゴムブーツ２３ａの貫通孔の長さよりも長めとする。例えば、ゴムブーツ２３ａから光素子モジュールの内側には１ｍｍ程度、光素子モジュールの外側には５ｍｍ程度突き出るようにすることが好ましい。
【００３８】
また、光出力用には４心のテープ光ファイバを２個用いて８光出力とする。即ち、一端において、４心のテープ光ファイバが二段に積み重ねられ、光導波路チップとの接続側において２つの４心光テープファイバが１次被覆状態で交互に集合し、Ｖ溝内に一列に配列された配列変換光ファイバが採用されている。配列変換光ファイバは光導波路チップとの接続部における光ファイバの配列ピッチを裸光ファイバの外径に相当する１２５μｍまで狭められる。従って、これと対応する光導波路の導波路間隔も狭められることになり、光導波路チップを小型化でき、ひいては、光素子モジュールを小型化することが可能となる。配列変換光ファイバとせずに、８心光テープファイバの２次被覆を除去して１次被覆光ファイバにして光導波路チップと接続することも可能である。
【００３９】
このようにして得られた光素子モジュールについて温度サイクル試験を実施した。試験結果は図９と同様である。８時間を１サイクルとして、−４０度Ｃから＋７５度Ｃまでの温度サイクルを実施した結果、光素子モジュールの環境温度が変動しても、従来の光素子モジュールのように光損失が大きく変動することはなくなった。
【００４０】
本実施の形態では、光入力用の光ファイバに１次被覆光ファイバを用いたが、光出力用の光ファイバに１次被覆光ファイバを用いる場合は、当該１次被覆光ファイバをゴムブーツに設けたパイプに挿通させることとしてもよい。また、筐体の内部に設置された光素子として光導波路チップを例としたが、光半導体発光素子や光受光素子でも同様の効果が得られる。
【００４１】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１又は実施の形態２で説明した光素子モジュールの内部空隙にゲル状材料を充填するものである。例えば、図１０、図１１において、光素子モジュール１の内部空隙にゲル状材料４１を充填する。ゲル状材料を充填することにより、光素子モジュールに加わる振動、衝撃などの機械的応力に対する耐力が向上する。
【００４２】
一方、１次被覆光ファイバ２１とパイプ２４との間隙はゲル状材料の表面張力により、通常はゲル状材料が漏れることはないが、環境温度が変動して、筐体の膨張収縮とゲル状材料の膨張収縮が一致しない場合、例えば、筐体の膨張よりもゲル状材料の膨張が大きいときや、筐体の収縮よりもゲル状材料の収縮が小さいときは、筐体のゲル状材料が１次被覆光ファイバ２１とパイプ２４との間から漏れることになる。
【００４３】
そこで、環境温度の変動に伴って生じるゲル状材料の体積と光素子モジュールの内部空隙の容積との差が、パイプ２４と１次被覆光ファイバ２１との間の容積よりも小さくなるように設定することが好ましい。このような設定にすると、環境温度の変動に伴いゲル状材料の体積が膨張したり収縮したりしても、パイプ２４と１次被覆光ファイバ２１との間の空間をゲル状材料が前進したり後退したりするだけで、環境温度が変動しても、ゲル状材料が漏れることがなくなる。
【００４４】
実施の形態１で説明した光素子モジュールの内部空隙をゲル状材料で充填することでもよい。この場合にも、環境温度の変動に伴って生じるゲル状材料の体積と光素子モジュールの内部空隙の容積との差が、パイプと１次被覆光ファイバとの間の容積よりも小さくなるように設定することが好ましい。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば光素子モジュールの光入力用や光出力用に１次被覆光ファイバを用いる場合でも、環境温度の変動に伴う光ファイバのマイクロベンドを防止することが可能となり、温度安定性のある光素子モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の光素子モジュールの構造を説明する断面図である。
【図２】 本願で説明する光ファイバの種類を説明する図である。
【図３】 本願で説明する光ファイバの種類を説明する図である。
【図４】 従来の光素子モジュールで光入力のための光ファイバを１次被覆とした場合の温度サイクル試験結果である。
【図５】 本発明の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【図６】 本発明の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【図７】 本発明の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【図８】 本発明の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【図９】 本発明の実施形態例である光素子モジュールの温度サイクル試験結果である。
【図１０】 本発明の他の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【図１１】 本発明の他の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【図１２】 本発明の他の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【図１３】 本発明の他の実施形態例である光素子モジュールの断面図である。
【符号の説明】
１：光素子モジュール
５：光導波路保護板
７：光導波路チップ
２１：１次被覆光ファイバ
２２：テープ光ファイバ
２３ａ：ゴムブーツ
２３ｂ：ゴムブーツ
２４：パイプ
２５ａ：光ファイバ保持部
２５ｂ：光ファイバ保持部
２６：光素子モジュールの内部空隙
２７：下部筐体
２８：上部筐体
２９：１次被覆光ファイバ
３０ａ：光ファイバのコア部
３０ｂ：光ファイバのクラッド部
３１：１次被覆
３２：２次被覆
３３：テープファイバにするための２次被覆
４１：ゲル状材料
５０：光素子モジュール
５１：筐体
５２：光導波路を覆う光導波路保護板
５３ａ、５３ｂ：光ファイバ保持部
５４：光ファイバ心線
５５：裸光ファイバ
５６：テープ光ファイバ
５７：裸光ファイバ
５８、５９：接着剤固定部
Claims (2)
- 筐体と、
該筐体の内部に設置された光素子と、
該筺体の外部と内部とを導通させるパイプと、
該パイプに挿通されて該光素子に接続され、該パイプの直径より小さい直径で前記パイプの内部で移動可能に保持された１次被覆光ファイバと、
該筺体の内部空隙に充填されたゲル状材料と、
を備える光素子モジュールであって、
環境温度の変動に伴って膨張又は収縮する前記ゲル状材料は前記パイプと前記１次被覆光ファイバとの間の空間を前進又は後退し、
環境温度の変動に伴って膨張又は収縮する前記ゲル状材料の体積と環境温度の変動に伴って膨張又は収縮する前記光素子モジュールの内部空隙の容積との差が、前記パイプと前記１次被覆光ファイバとの間の容積よりも小さく、
前記１次被覆光ファイバと前記パイプとの間隙は前記ゲル状材料の表面張力により、ゲル状材料が漏れない距離であることを特徴とする光素子モジュール。 - 前記ゲル状材料は、前記筺体の内部空隙に隙間なく充填されていることを特徴とする請求項１に記載の光素子モジュール。
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