JP4041439B2 - 光レセプタクル - Google Patents

Description

本発明は、光通信用モジュール等に使用されるレセプタクルに関するものである。

光信号を電気信号に変換するための光モジュールは、半導体レーザーやフォトダイオード等の光素子をケース内に収納し、レンズ等を介して、光ファイバに光信号を導入又は導出するような構造となっている。この様な光モジュールのうちコネクタを接続するようにした光モジュールを特許文献１を参考として図７に示す。図７に示すレセプタクル型の光モジュールは光レセプタクル７に光素子２１を備えるとともに、もう一方にプラグフェルール６を接続するものである。

上記、図７に示した光レセプタクル７は、ステンレス鋼の母材を切削加工もしくは射出成形したスリーブ１のような一体成形したものを用い、筒状の内径にフェルールストッパ９を圧入して構成されている。

ここで、シングルモードの光ファイバへの高効率な光結合が要求される光レセプタクルにおいて、プラグフェルールの脱着を繰り返しても高精度な位置決めが要求されるため、上記、光レセプタクル７は、ステンレス鋼のスリーブ１のプラグフェルールを挿入する内周面に、CVD法により、TiCからなる高硬度膜を１〜１０μｍの厚さに形成することで耐摩耗性を持たせている。又、高精度位置決めや耐摩耗性が必要な光レセプタクルにおいては、高精度加工が可能であり耐摩耗性に優れたセラミックのスリーブを用いることも多い。

近年、インターネット等の普及に伴い、データ通信においても光伝送が一般的になり、そのキーデバイスである光通信用送受信器は高速化と、小型化、低コスト化を同時に実現することが求められている。この光通信用送受信器の小型化に伴い、使用される光ファイバも送信用受信用が対になった２芯の光コネクタを用いて勘合させる光レセプタクルタイプが一般的となり、光モジュールもより小型化が要求され、光通信用送受信器内の光モジュールの配置も送信用と受信用を２芯の光コネクタのピッチに合わせ、隣接させて固定することが必要となった。

これにより、図８の様に送信用の光レセプタクル１ａと受信用の光レセプタクル１ｂを金属のハウジング２３で同時に固定した場合、発光素子２１を駆動する電気信号が金属製の光レセプタクル１ａを通じて、金属のハウジング２３へ漏れ、受信用光素子２２に対して雑音を発生させてしまうことから受信側の感度が劣化する問題が発生した。

又、送信側の金属のスリーブ１ａがアンテナになり電磁波を出してしまうことから光通信用送受信器の外周は金属のシールドカバーをすることで電磁波を漏れを防ぐ必要があったり、逆に、受信側の金属製のスリーブ１ｂが外部雑音を拾ってしまい、受信側の感度が劣化する問題も発生し、雑音特性の改善が必要であった。

そこで参考特許文献２で説明されている図９に示すような光レセプタクル７が考案された。図９の光レセプタクル７はセラミック材料からなる円筒状の貫通孔に石英ガラス等からなる光ファイバ３を挿入固定して得られたファイバスタブ４をホルダ２に圧入により固定し、他端をスリーブ１の内孔に挿入するとともに、それらをモジュール取り付ける為の鍔とスリーブの抜け防止の機能を一体にした樹脂成形のフランジ３をホルダ２の外周にある勘合ツメにより、嵌め込み固定することによって構成されている。これはフランジ３が樹脂である為、金属のハウジングで固定される送信用の光レセプタクルや受信用の光レセプタクルとして使用しても、雑音特性が改善されていることが報告されている。

尚、図９の光レセプタクル７もセラミック製のスリーブ１を使用することで高精度位置決めや耐摩耗性が必要な光レセプタクルとして使用することが出来る。
特開平８−３７４６１号公報 特開平１１−２４０７４１号公報

しかしながら、耐摩耗性が良く高精度位置決めが可能な、雑音特性を改善した光レセプタクルにおいて、図９に示す従来の光レセプタクル７を小型化しようとした場合、樹脂成形のフランジ３はスリーブ１を覆う様に形成されるため、外形の小型化が困難であり、又、光軸方向を短尺化するためには内部のスリーブ１を短くしなければならないため、プラグフェルール６を光レセプタクルに接続した後、プラグフェルールに対して横方向に大きな加重がかかった場合、大きなコネクタ損失が発生してしまう問題があり、短尺化も困難であった。

上記に課題に鑑みて本発明の光レセプタクルは、先端側の内孔内でプラグフェルールを保持するセラミックス製の精密スリーブと、該精密スリーブの後端部を固定する金属ホルダと、該金属ホルダと非接触の状態で、前記精密スリーブの外周に配された金属製のフランジと、を備えたことを特徴とする。

又、上記精密スリーブの外周面に段部を形成し、上記フランジをこの段部に当接して、前記精密スリーブに固定したことを特徴とする。

又、上記フランジが絶縁材料のスペーサを介して、上記金属ホルダに固定されていることを特徴とする。

又、上記精密スリーブと同材料のセラミックス製フェルールに光ファイバを挿入、保持してなるスタブを上記精密スリーブに圧入固定したことを特徴とする。

本発明の光レセプタクルによれば、送信用と受信用の両方の光レセプタクルを金属のハウジングで同時に固定しても、送信用光モジュールを駆動する電気信号が金属製の光レセプタクルを通じて、金属のハウジングへ漏れ、受信用光モジュールに対して雑音を発生させてしまうことや、送信側のスリーブ１がアンテナになり電磁波を出してことや、受信側のスリーブ１が外部雑音を拾ってしまい、受信側の感度が劣化する問題等の発生が無く、雑音特性に優れ、耐摩耗性が良く高精度位置決めが可能な横方向荷重特性の優れた小型の光レセプタクルを提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。

図１は、本発明の光レセプタクル７の一実施形態を示す断面図である。ジルコニア、アルミナ等のセラミック材料からなる精密スリーブ１はＳＵＳ３０４等の溶接性に優れたステンレス材のホルダ２に圧入により固定されている。又、金属製のフランジ３をホルダ２に接触しないように圧入若しくは接着固定されている。更にスリーブ１の内径には金属製のフェルールストッパ９が圧入固定されている。

この様に、フランジ３とホルダ２が電気的に絶縁されていることにより、光送受信器で使用される光モジュールの送信用と受信用の両方の光レセプタクル７として使用した場合、金属のハウジングで同時に固定しても、送信用光モジュールを駆動する電気信号が金属製の光レセプタクルを通じて、金属のハウジングへ漏れ、受信用光モジュールに対して雑音を発生させてしまうことや、送信側のスリーブ１がアンテナになり電磁波を出すことや、受信側のスリーブ１が外部雑音を拾ってしまい、受信側の感度が劣化する問題等の発生が無く、雑音特性に優れている。

上記セラミックからなる精密スリーブ1は、着脱の応力緩和や圧入固定への適正から、弾性の高いジルコニアが望ましい。その加工方法としては、予め射出成形、プレス成形、押出成形等の所定の成形法によってスリーブ１となる円筒状もしくは円柱状の成形体を得、その後、該成形体を１３００〜１５００℃で焼成し、所定の寸法に切削加工または研磨加工を施して形成される。精密スリーブ１の内径の表面荒さは挿入性を考慮して、算術平均粗さ（Ｒａ）０．２μｍ以下が望ましく、プラグフェルール６の外径と精密スリーブ１の内径公差は低い接続損失を得るため、±１μｍ以下が望ましい。

上記、フェルールストッパ９はプラグフェルール６の脱着の繰り返しや、接続時に掛かり続けるプラグフェルール６側のバネ圧により加重が掛かるため、十分な固定強度が必要である。このため、フェルールストッパ９は精密スリーブ１に十分な圧入、又は接着、又は圧入と接着を併用する固定方法にすることでこれを達成することが出来る。

上記、ホルダ２は光モジュールとしてケース２０（図６参照）と溶接することが多いため、ステンレス、銅、鉄、ニッケルなどの溶接が可能な材料からなっている。主には耐腐食性と溶接性を考慮して、ステンレスが用いられる。金属製のフランジ３も耐腐食性の観点から表面にＮｉ等のメッキを施したものや、ステンレスのものが望ましい。

上記、フランジ３は金属の筐体に挟み込むように固定されたり、又は、フランジ３が筐体の鍔部を挟み込むような構造をとることで、筐体に対して固定され、プラグフェルール６の繰り返しの着脱の際にかかる負荷に耐えうるような強度が必要である。フランジ３の厚みｔは金属であれば、０．２ｍｍ以上あれば十分固定強度を確保可能であり、小型化や取り付けの安定性を考えれば、フランジ３の厚みｔは０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲が好ましく、またフランジ３の径方向の長さｄは０．５mm〜３ｍｍの範囲であることが望ましい。又、フランジ３の固定位置はプラグフェルール６の先端を挿入したときに、突き当てられる位置付近に付けられることが望ましい。

又、図１の場合、プラグフェルール６の先端はフェルールストッパ９に突き当てられ、この位置に荷重がかかるため、出来るだけこの突き当て部に近い位置にフランジ３で固定することで、光レセプタクルを安定して固定することが可能となる。

又、プラグフェルール側にフランジ３を付けるとプラグフェルールのハウジングの形状に自由度を持たせることが出来なくなるため、出来るだけホルダ２側にフランジ３があることが好ましい。

上記のような精密スリーブ１にホルダを圧入し、そのホルダに光素子を固定する構造の光レセプタクル７を使用した光モジュールは、接続されるプラグフェルール６に対して、横方向に荷重がかかった場合でも、精密スリーブ１の内径のクリアランスの範囲でしかプラグフェルールがずれることはなく、大きな光接続損失が発生しない利点があるだけでなく、上記の構造は精密スリーブの外形そのものが光レセプタクル７の外形となる為、最も小型で、最も短尺化が可能な構造である。

図２は図１の精密スリーブ１が段部１ｃの様に段加工され、金属製のフランジ３はこの段１ｃまで圧入若しくは接着固定されていることにより、位置決めが容易な構造となっている。又、万が一、フランジ３と精密スリーブ１が外れてしまう様なこととなって、フランジが動いてしまっても、ホルダ２に接触し、雑音特性の劣化が発生することがない。

図４は図１のフランジ３とホルダ２の間に、セラミックや樹脂のような絶縁材料からなるスペーサ８を嵌め込み、ホルダ２に当て付けて圧入又は接着固定し、そのスペーサ８に当て付けてフランジ３を圧入若しくは接着固定する際に、位置決めが容易な構造となっている。又、万が一、フランジ３と精密スリーブ１が外れてしまう様なこととなって、フランジが動いてしまっても、ホルダ２に接触し、雑音特性の劣化が発生することがない。

図５も本発明の光レセプタクル７の一実施形態を示す断面図である。

ジルコニア、アルミナ等のセラミック材料からなる円筒状の貫通孔に石英ガラス等からなる光ファイバ５を挿入固定して得られたファイバスタブ４は同じセラミック材料で出来た精密スリーブ１に圧入固定されている。

このとき、ファイバスタブ４の外径はその圧入される精密スリーブ１の内径に対して、１〜７μｍ大きい構造となっている。ここで、精密スリーブ１とファイバスタブ４を同じ材料で形成することにより、周囲温度が変化しても、熱膨張係数が変わらないため、精密スリーブ１がファイバスタブ４を固定する把持力が大きく変動せず、把持力が低下してファイバスタブ４がプラグフェルール６の着脱によって動き、光接続損失が大きくなったり、把持力が上がりすぎて、精密スリーブ１の変形やクラック等の発生は起こらず、ファイバスタブ４の保持力を安定させることができる。

そしてこの精密スリーブ１のファイバスタブ４の挿入された位置において、ＳＵＳ３０４等の溶接性に優れたステンレス材のホルダ２に圧入により固定されており、これによりスタブの保持強度は更に増す。この精密スリーブ１、ファイバスタブ４、ホルダ２の固定構造は図１〜図４で示したフランジ固定方法にそれぞれにおいて同様に可能である。ファイバスタブ４となる円筒状のセラミックはアルミナ、ジルコニア等からなり、特にジルコニアセラミックで形成することが好ましい。

具体的には、ＺｒＯ₂を主成分とし、Ｙ₂Ｏ₃、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ₂、Ｄｙ₂Ｏ₃などの少なくとも一種を安定化剤として含み、正方晶の結晶を主体とする部分安定化ジルコニアセラミックスを用いることが好ましく、このような部分安定化ジルコニアセラミックスは、優れた耐摩耗性を有するとともに、適度に弾性変形することから、圧入によって固定する際に有利である。

セラミックの加工方法としては、先ず、例えばジルコニアセラミックスから形成する場合、予め射出成形、プレス成形、押出成形等の所定の成形法によって円柱状もしくは直方体形状の成形体を得、その後、該成形体を１３００〜１５００℃で焼成し、所定の寸法に切削加工または研磨加工を施す。なお、成形体に切削加工等によって予め所定の形状を形成しておき、その後焼成を行ってもよい。ファイバスタブ４のプラグフェルール側端面は、光コネクタとの接続損失を低減させるため曲率半径５〜３０mm程度の曲面状に加工されている。又、光素子側の端面は出射された光が光ファイバの端面で反射して光素子に戻る反射光を防止するため４〜１０°程度の傾斜面に鏡面研磨されている。

このファイバスタブ４を用いた構造では、前記の様に、反射防止のための斜め研磨をすることが出来るため、特に反射に弱い光素子を使用する場合に有効であり、こういった反射対策をした光レセプタクルの構造としては、精密スリーブ１の中にファイバスタブ４が圧入される為、光レセプタクルは極限まで短尺化が可能である。

この様に、本発明の光レセプタクル７では、プラグフェルール６を光レセプタクルに接続した後、プラグフェルール６に対して横方向に大きな加重がかかっても、精密スリーブのクリアランスの範囲でしか、プラグフェルール６が傾くことが無く、結果として大きな接続損失とならないだけでなく、精密スリーブの外形そのものが光レセプタクルの大きさとなる、クルは極限まで短尺化が可能であり、かつ、金属のハウジングで固定される送信用の光レセプタクルや受信用の光レセプタクルとして使用しても、雑音特性が改善される。

本発明の実施例を説明する。

先ず、本発明実施例として図６に示す光レセプタクル７を作製した。なお光レセプタクル７に接続される光コネクタはＬＣコネクタとした。ファイバスタブ４となる円筒状のセラミックはジルコニアからなり、押し出し成形によって円筒状のセラミックス成形体を得て焼成工程で焼き固め、切削加工を行った。

こうして得られた円筒状のセラミックの貫通孔に光ファイバ５を挿入接着固定し、先端部を曲率半径２０ｍｍ程度の曲面に鏡面研磨し、反対側をＬＤ等の光素子２１から出射された光が、光ファイバ５の先端部で反射して光素子２１に戻る反射光を防止するため、８°の傾斜面に鏡面研磨を行い、ファイバスタブ４とした。

ジルコニアセラミックスからなる精密なスリーブ１はそのファイバスタブ４の挿入口からファイバスタブ４より短い範囲において、ファイバスタブ４の外形に対して、１〜７μｍ程度小さく内径を研磨されており、それ以外の部分はファイバスタブ４の外形に対して１μｍ以下のクリアランスがある。

又、圧入のし易さとプラグフェルール挿入時のエア抜きの為、精密スリーブ１はプラグフェルール挿入方向に対して、溝加工されたものを用いた。この精密スリーブ１へのファイバスタブ４の圧入には圧力センサ付きハンドプレスにて、十分な加重を確認しつつ圧入した。このとき、このサンプルの固定位置付近での圧入強度は１２０Ｎ程度あった。

従って、それ以下の加重であればファイバスタブ１が動くことが無いため、プラグフェ ール１０のバネによる押し圧や、着脱時の衝撃に対して十分な強度があることが明白である。

その後、精密スリーブ１のファイバスタブ４の圧入した側を溶接性に優れたＳＵＳ３０４のホルダ２にて圧入固定した。これも圧力センサ付きハンドプレスにて、十分な加重を確認しつつ圧入した。このサンプルの固定位置付近での圧入強度は１３０Ｎ程度あった。次に樹脂製のフランジ３を圧入し接着補強してレセプタクル７を作成した。

これにより、精密スリーブ１の長さ寸法６．３５ｍｍの短尺の絶縁構造の光レセプタクルとすることが出来た。このとき、光レセプタクル７の先端からプラグフェルール６が位置決めされるファイバスタブ４の先端までの距離を４．０５ｍｍと規定したため、ファイバスタブ４は２．３ｍｍとなった。この６．３５ｍｍ短尺化を図９の従来の絶縁構造で設計してみると、上記と同様の設計条件として光レセプタクル７の先端からプラグフェルール６が位置決めされるファイバスタブ４の先端までの距離を４．０５ｍｍと規定した場合、ファイバスタブ４は上記と同様で２．３ｍｍとなる。

ここで、ファイバスタブ４のホルダ２に対する圧入長さは０．３ｍｍでは短すぎてファイバスタブ４の固定強度が不十分だが、仮に横方向荷重特性を重視して、ファイバスタブ４の圧入長さは０．３ｍｍとし、割スリーブ１に挿入する長さを２ｍｍと出来る限り長く取ってみた場合の横方向荷重特性の結果を図６に示し、本発明の横方向荷重特性の結果と比較して見た。

横方向荷重の測定は図１０(b)に示すように、光レセプタクルにＬＤ素子を溶接固定したモジュール化したものとし、電源にて一定の光を出力し、プラグフェルールを差し込みコネクタ接続した後、その光出力を光出力測定器にて測定する。そして、横荷重の加える前の光出力を基準に、横荷重に対する光出力を測定するという方法で実施した。

この実験結果を図１０(a)に示す。これより明らかに横方向荷重特性は本発明が優れており、小型化に対して優位性があることが確認出来た。

本発明は、光通信用モジュール等に使用されるだけでなく、センサー用途の光モジュールにおいても適用可能である。

本発明の光レセプタクルの一実施形態を示す断面図である。 本発明の光レセプタクルの一実施形態を示す断面図である。 本発明の光レセプタクルの一実施形態を示す断面図である。 本発明の光レセプタクルの一実施形態を示す断面図である。 本発明の光レセプタクルの一実施形態を示す断面図である。 本発明の光レセプタクルの一実施例である。 従来の光モジュールを示す断面図である。 従来の光モジュールを示す断面図である。 従来の光モジュールを示す断面図である。 （ａ）は割スリーブと精密スリーブの横方向加重に対する接続損失を示すグラフ、（ｂ）は横加重に対する接続損失の測定方法を示す図である。

符号の説明

１：スリーブ
２：ホルダ
３：フランジ
４：ファイバスタブ
５：光ファイバ
６：プラグフェルール
７：光レセプタクル
８：スペーサー
９：フェルールストッパ
２０：ケース
２１：発光素子
２２：受光素子
１ａ：送信用光レセプタクル
１ｂ：受信用光レセプタクル
１ｃ：段部
ｔ ：厚さ
ｄ ：長さ

Claims (4)

1. 先端側の内孔内でプラグフェルールを保持するセラミックス製の精密スリーブと、
   該精密スリーブの後端部を固定する金属ホルダと、
   該金属ホルダと非接触の状態で、前記精密スリーブの外周に配された金属製のフランジと、を備えた光レセプタクル。
2. 上記精密スリーブの外周面に段部を形成し、上記フランジをこの段部に当接して、前記精密スリーブに固定したことを特徴とする請求項１記載の光レセプタクル。
3. 上記フランジが絶縁材料のスペーサを介して、上記金属ホルダに固定されていることを特徴とする請求項１記載の光レセプタクル。
4. 上記精密スリーブと同材料のセラミックス製フェルールに光ファイバを挿入、保持してなるスタブを上記精密スリーブに圧入固定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光レセプタクル。

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