JP4570347B2

JP4570347B2 - 光レセプタクルの製造方法

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Publication number: JP4570347B2
Application number: JP2003369115A
Authority: JP
Inventors: 敬司森
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2023-10-29
Also published as: JP2005134550A

Description

本発明は、ファイバスタブおよびそれを用いた光レセプタクルとその製造方法およびそれを用いた光モジュールに関するものである。

光信号を伝達する手段としては、光コネクタによる光ファイバ接続や、光モジュールにより光信号を電気信号に変換する方法などがある。

光コネクタを使用する場合には、有害な反射戻り光損失を低減させるために、フェルール端面を７度以上傾斜した傾斜球面形状にすれば良いことが知られており、傾斜研磨時の傾斜球面頂点と光ファイバ間の軸心のズレを押さえるために、図４に示すような直円筒上先端部１８と鋭角仕上げの面取りを持つ連結部１９を有するフェルール１７が考案された。（特許文献１、２参照）
また従来から、光信号を電気信号に変換するために、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、このケースを光ファイバの端面に対向して設け、光信号を光ファイバの端面に入射または出射し、光ファイバを通じて光信号を導入又は導出するような光学装置が開示されている。

ここで、半導体レーザー素子をケース内に収容し、光信号を導出するものを発光モジュール、フォトダイオードをケース内に収容し、光信号を導入するものを受光モジュールと呼び、これらを総称して光モジュールと呼んでいる。

上記光モジュールのうち光コネクタを接続するようにしたレセプタクル型の光モジュールは、図５に示すように光レセプタクル２６の一端に光素子２１を備えるとともに、他端に光コネクタを着脱自在に接続するものである。

上記光レセプタクル２６は、ジルコニアからなるフェルール２１と、フェルール２１の内径に光ファイバ２２を挿入固定して得られたファイバスタブ２０の後端部をホルダ２４に圧入、または接着などで固定し、先端部をスリーブ２３の内径に挿入するとともに、ホルダ２４にスリーブケース２５を圧入、または接着、もしくは溶接等で固定することによって構成されている。

さらに上述の光レセプタクル２６を用いて光モジュール３３を構成する場合は、光レセプタクル２６のファイバスタブ２０を備えた後端面側に、光素子２７とレンズ２８を備えたケース２９を溶接により接合し、光レセプタクル２６のもう一方の端面側よりスリーブ２３内に光コネクタプラグフェルール３０を挿入し、ファイバスタブ２０の端面２０ａとプラグフェルール３０の端面３０ａとを当接させることにより光ファイバ２２と光ファイバ３１を接続し、光信号のやりとりを行うことができる。

フェルール２１、光コネクタプラグフェルール３０の外径は１〜３mm程度で、外径公差は±１μm以下で、その内径に備えられた光ファイバ２２、３１の外径は１２５μm程度で、外径公差は±１μm程度で中心には光信号が伝搬する直径１０μm程度のコアがあり、該光ファイバ２２及び３１のコア同士を損失の少ない接続とするため、それぞれの部品は高精度に加工されており、スリーブ２３によってファイバスタブ２０及び光コネクタプラグフェルール３０を安定且つ高精度に保持している。

さらに、上記ファイバスタブ２０の端面２０ａと光コネクタプラグフェルール３０の端面３０ａは、当接時の接続損失を減らすために曲率半径５〜３０mm程度の曲面に鏡面研磨されており、ファイバスタブ２０の反対側の後端傾斜部２０ｂは、ＬＤ等の光素子２７から出射された光が光ファイバ２２の先端部で反射して光素子２７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。

また、上記ファイバスタブ２０の後端傾斜部２０ｂには、レーザー光源への反射戻り光を防止する為、光アイソレータ３２を貼り付けている。

近年光モジュールの特性安定化および結合効率を上げるために、ファイバスタブ端面のキズや異物の付着状態を厳しく管理することが求めらている。
特開平１０−６８８４０特開平１１−３１６３２０

しかしながら、図４に示す従来の光コネクタに使用される直円筒上先端部１８と鋭角仕上げの面取りを持つ連結部１９を有するフェルール１７は、主に有害な反射戻り光損失を低減させるためのフェルール端面を７度以上傾斜した傾斜球面形状にする光コネクタの場合に使用されるものであるため、光コネクタに適した形状になっており、光モジュールに使用される光レセプタクルに適した形状では無かった。

また、図５に示すような従来の光モジュールの場合、ファイバスタブ２０の端面２０ａ付近は密閉された構造となっているため、ファイバスタブ２０の端面２０ａに付いた異物を除去することは非常に困難であり、清掃を行ったとしてもせいぜい異物を光ファイバ２２付近からフェルール２１の外周付近へ移動させる程度しか出来ずに、光モジュールの特性安定化および結合効率を上げる事が困難であるという問題があった。

さらに、光レセプタクル２６を製造する際は、ファイバスタブ２０の端面２０ａを治具等を用いて押してホルダ２４にファイバスタブ２０を固定することが多いが、この際にファイバスタブ２０の端面２０ａに治具の当たったキズが付いてしまったり、治具についていた微細な異物がファイバスタブ２０の端面２０ａに落ちたりしてしまい、光モジュールの特性を劣化させてしまうことが問題があった。

またさらに、従来の光コネクタに使用される直円筒上先端部１８と鋭角仕上げの面取りを持つ連結部１９を有するフェルール１７では、ファイバスタブ２０の端面２０ａを治具等を用いて押してホルダ２４にファイバスタブ２０を固定しようとしても、端面２０ａの径が小さくなっているために押す面積が小さくなり安定した固定が出来ない上、鋭角仕上げの面取り部が妨げとなり段付き部分を安定して押すことも不可能となり、光レセプタクルに採用することは不可能であった。

上記に鑑みて本発明は、フェルールの貫通孔に光ファイバを挿入固定したファイバスタブと、該ファイバスタブの後端を固定するホルダと、上記ファイバスタブの先端を保持するとともに、上記ファイバスタブの先端面に接続されるプラグフェルールを保持するためのスリーブとを備えた光レセプタクルの製造方法において、上記ファイバスタブの先端面の外径を上記フェルールの外径よりも小径とした段付き部分を有する上記ファイバスタブとし、上記段付き部分の底面を上記フェルールの軸に対して垂直な平面状にするとともに、上記段付き部分の上記底面を押して上記ホルダに固定することを特徴とするものである。

本発明の構成によれば、フェルールの貫通孔に光ファイバを挿入固定したファイバスタブにおいて、上記ファイバスタブの先端面がフェルールの外径より小さな径となる段付き形状であるために、ファイバスタブの端面に付いた異物を清掃によって上記段付き部分に落としこめ、端面の状態を清浄に保つことが出来るため、光モジュールの特性安定化および結合効率を上げることができる。

または、ファイバスタブの上記段付き部分を押してホルダにファイバスタブを固定した光レセプタクルであるために、ファイバスタブの端面に治具の当たったキズが付いてしまったり、治具についていた微細な異物がファイバスタブの端面に落ちたりすることが無くなり、高信頼性な光レセプタクルを実現することができる。

さらに、本発明の光モジュールは、上記光レセプタクルに、光信号を出射する光素子を収納したケースを取り付けたために、高信頼性で、低価格で、高性能な光モジュールを実現することができる。

以下、本発明の第１の実施形態を図面に基いて説明する。

図１は、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。

図２は、本発明の光レセプタクルを用いた光モジュールを示す側面断面図である。

図１に示すように、本発明の光レセプタクル１０はフェルール２の中心に形成した貫通孔２ａに光ファイバ３を挿入固定してなるファイバスタブ１と、そのファイバスタブ１の一方を固定するホルダ５と、ファイバスタブ１の先端面１ａに接続されるプラグフェルール１１を保持するためのスリーブ４に、ファイバスタブ１の他方を保持してなる。

ファイバスタブ１は先端面１ａがフェルール２の外径Ｒより小さな径となる小径部８を有する段付き部分７を有している。

上記段付き部分７を有することにより、ファイバスタブ１の先端面１ａに付いた異物を清掃によって上記段付き部分７の底面７ａに落としこむことが可能となり、先端面１ａの状態を清浄に保つことが出来る。

ファイバスタブ１を構成するフェルール２はステンレス、りん青銅等の金属、エポキシ、液晶ポリマー等のプラスチックス、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなり、特に、ジルコニアセラミックスで形成することが好ましい。具体的には、ＺｒＯ_２を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ_２、Ｄｙ_２Ｏ_３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。

上記フェルール２の加工方法としては、フェルール２を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フェルール２となる円柱状もしくは直方体形状の成形体を得、その後、その成形体を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１の先端面１ａ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、後端部の端面はＬＤ（レーザダイオード）等の光素子１２から出射された光信号が光ファイバ３の端面で反射して光素子１２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。

上記ファイバスタブ１の段付き部分７の底面７ａは軸に対して垂直な水平面状とし、かつ連結部９と底面７ａは直角とすることが望ましい。

光レセプタクルを製造する際は、ファイバスタブの端面を治具等を用いて押してホルダ５にファイバスタブ１を固定することが多いため、図３に示すように底面７ａが軸に対して垂直な水平である方が、この部分を利用して治具１６等で押すことが可能となり、固定作業が容易となるためである。

また上記ファイバスタブ１は外径をＲ、段付き部分７の小径部８の外径をｒとしたとき、０．３≦ｒ／Ｒ≦０．９を満足するように形成することが望ましい。光レセプタクルを製造する際の、ファイバスタブ１の先端面１ａを治具１６等を用いて押してホルダ５にファイバスタブ１を固定する作業の容易さ、また先端面１ａのキズや異物の付着状態を厳しく管理することを考えると、上記の値は小さい方が望ましいが、０．３より小さくなると光レセプタクル１０に光コネクタを接続する際に必要なファイバスタブ１の先端面１ａの面積が不足して、結合を悪化させてしまう恐れがある。

また０．９より大きい場合は、径差が非常に小さくなり、ファイバスタブ先端面１ａに付いた異物を清掃によって上記段付き部分７に落としこむ効果が小さくなり、また、ファイバスタブ先端面１ａを治具１６等を用いて押してホルダ５にファイバスタブ１を固定する作業も困難になってしまう。

さらに上記ファイバスタブ１は段付き部分７の小径部８の外径をｒ、段付き部の長さをＨとしたとき、０．１≦Ｈ／ｒ≦０．６を満足するように形成することが望ましい。０．１より小さくなると、ファイバスタブ１を製造する際に行う先端面１ａの研磨工程によって、段付き部分７が消滅してしまう恐れがある。０．６より大きい場合は小径部８が長くなるためファイバスタブ１の強度が低下して、治具１６等を用いてホルダ５にファイバスタブ１を固定する作業時に破損してしまう恐れがある。

またスリーブ４に把持される長さも短くなってしまうため、光レセプタクル１０に光コネクタプラグフェルール１１を接続した際に、ファイバスタブ１がぐらついて動き、損失を発生さてしまう恐れもある。

ホルダ５はファイバスタブ１の一方端部がスリーブケース６に収納されたスリーブ４に挿入固定された状態で、そのスリーブケース６の外周に嵌り込んで収納する円筒状の収納部５ａと、その収納部５ａのほぼ中心に形成しファイバスタブ１の他方端部が固定される貫通孔を有するファイバスタブ固定部５ｂとから成る。

ホルダ５は光モジュールとして図２の光素子１２等を収納するケース１４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が用いられるが、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。

スリーブ４は全体がスリーブケース６に完全に収納されており、その材質としてはジルコニア、アルミナ、銅などの材料が用いられるが、主に耐摩耗性を考慮して、ジルコニアセラミックス材料が用いられる。

また、スリーブ４の内径の表面荒さは挿入性を考慮して、Ｒａ０．２μm以下が望ましく、ファイバスタブ１の外径とスリーブ４の内径公差は低い接続損失を得るため、±１μm以下が望ましく、スリーブ４の内径寸法はファイバスタブ１を確実に保持するために、０．９８Ｎ以上の圧入になるよう設計することが望ましい。

さらに、スリーブケース６は、後述のホルダ５と安定して接続させるためのものであり、耐摩耗性、溶接性を配慮する必要がないため、ステンレス、銅、鉄、ニッケル、プラスチック、ジルコニア、アルミナなどの幅広い材料が用いられるが、主にはホルダ５と熱膨張係数を合わせ、信頼性を高めるため、ホルダ５と同様、ステンレスが用いられる。
図１に示す本発明の光レセプタクル１０を用いて光モジュールを構成する場合は、図２に示すように光レセプタクル１０のファイバスタブ１を備えた一方側に、光素子１２とレンズ１３を備えたケース１４を溶接等により接合する。

ここで、上記ファイバスタブ１の後端傾斜部２０ｂには、レーザー光源への反射戻り光を防止する為、光アイソレータ１５を貼り付けている。

本発明の実施例を説明する。

本発明の実施例として図１に示す光レセプタクル１０と比較例として図５に示す光レセプタクル２６を作製した。
各ファイバスタブ１，２０に用いたフェルール２，２１は、ジルコニアセラミックスからなり、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、切削加工を行って図１に示す形状のフェルール２と図５に示す形状のフェルール２１を得た。

こうして得られたそれぞれのフェルール２，２１に光ファイバ３，２２を挿入固定し、先端面１ａ、２０ａを曲率半径２０ｍｍ程度の曲面に鏡面研磨し、反対側の後端部は、ＬＤ等の光素子１２，２７から出射された光が光ファイバ３，２２の端面で反射して光素子１２，２７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、ファイバスタブとした。

ついで得られたファイバスタブ１，２０の先端側をスリーブ４，２３へ挿入したものを、図１の本発明の実施例の場合はファイバスタブ１の段付き部分７の水平底面を治具１６を用いて押してホルダ５へ圧入、比較例の試料はファイバスタブ２０の先端面２０ａを治具１６を用いて押してホルダ２４へ圧入し、スリーブ２３とスリーブケース２５を取付け、光レセプタクル１０、２６を各２０ｐ作製した。

そして作成した光レセプタクル１０、２６のファイバスタブ１，２０の先端面１ａ、２０ａを、工業用綿棒にエタノールを染み込ませて１分間清掃を行い、４００倍の顕微鏡を用いてファイバスタブ１，２０の先端面１ａ、２０ａの異物の数量とキズの数量を数えた。

その結果を表１に示す。

その結果、比較例では、異物の数量が４〜３１個、キズの発生したものが７個あったのに対し、本発明では異物の数量が０〜２個、キズの発生したものは無し、と良好な端面の状態であることが確認された。

次に、実施例として、上記と同じ方法で、ｒ／ＲとＨ／ｒ様々に変化させて光レセプタクル１０を１０ｐ作製した。

また比較例として、上記と同じ方法で図４に示す光レセプタクル２６を３ｐ作製した。
そして、上記と同じ方法でファイバスタブ１，２０の先端面１ａ、２０ａの異物の数量とキズの数量を数えるとともに、光レセプタクル１０，２６の先端側から光コネクタを挿入、接続してパワーメータにて接続損失の測定を行った。

その結果を表２に示す。

その結果、Ｈ／ｒ＝０．５に設定した場合、ｒ／Ｒが０．３より小さいＮＯ．１、２の試料では、異物の数量０個かつキズ無しと良好な端面の状態であるが、光レセプタクル１０に光コネクタプラグフェルール１１を接続する際に必要なファイバスタブ１の先端面１ａの面積が不足して損失が０．４ｄＢと比較的良くないものが発生した。

ｒ／Ｒが０．９より大きいＮＯ．１０の試料の場合は、損失は０．１ｄＢと良好であるが、異物の数が８個となり、端面の状態が比較的良くない。

以上のことから、良好な端面の状態を維持しつつ、損失を良好に保てるｒ／Ｒの範囲は
０．３≦ｒ／Ｒ≦０．９であることが好ましい。

次に、ｒ／Ｒ＝０．５に設定した場合、Ｈ／ｒが０．１より小さいＮＯ．１１〜１４の試料では、ファイバスタブ１を製造する際の研磨工程によって、段付き部分７が一部消滅してしまった試料も発生したために、先端面１ａでの異物の数量が７〜１０と比較的多い。

Ｈ／ｒが０．６より大きいＮＯ．２１〜２３の試料の場合は、異物の数量０〜２個かつキズ無しと良好な端面の状態であるが、損失が０．３ｄＢ〜０．４ｄＢとバラツキがやや多い。

以上のことから、良好な端面の状態を維持しつつ、損失を良好に保てるＨ／ｒの範囲は
０．１≦Ｈ／ｒ≦０．６であることが確認出来た。

また比較例の試料ＮＯ．２４〜２６では、異物の数量が１４〜２７個、キズの発生したものが２個あり、損失も０．８ｄＢ〜１．０ｄＢと悪かった。

本発明の光レセプタクルの実施形態を示す断面図である。本発明の光レセプタクルを用いた光モジュールを示す断面図である。本発明の光レセプタクルの製造方法を示す断面図である。従来の直円筒上先端部と鋭角仕上げの面取りを持つ連結部を有する光コネクタ用フェル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。

符号の説明

１：ファイバスタブ
１ａ：先端面
２：フェルール
２ａ：貫通孔
３：光ファイバ
４：スリーブ
５：ホルダ
５ａ：収納部
５ｂ：ファイバスタブ固定部
６：スリーブケース
７：段付き部分
７ａ：底面
８：小径部
９：連結部
１０：光レセプタクル
１１：光コネクタプラグフェルール
１２：光素子
１３：レンズ
１４：ケース
１５：光アイソレータ
１６：治具
１７：フェルール
１８：先端部
１９：連結部
２０：ファイバスタブ
２０ａ：先端面
２０ｂ：後端傾斜部
２１：フェルール
２２：光ファイバ
２３：スリーブ
２４：ホルダ
２５：スリーブケース
２６：光レセプタクル
２７：光素子
２８：レンズ
２９：ケース
３０：光コネクタプラグフェルール
３０ａ：端面
３１：光ファイバ
３２：光アイソレータ
３３：光モジュール

Claims

フェルールの貫通孔に光ファイバを挿入固定したファイバスタブと、該ファイバスタブの後端を固定するホルダと、上記ファイバスタブの先端を保持するとともに、上記ファイバスタブの先端面に接続されるプラグフェルールを保持するためのスリーブとを備えた光レセプタクルの製造方法において、上記ファイバスタブの先端面の外径を上記フェルールの外径よりも小径とした段付き部分を有する上記ファイバスタブとし、上記段付き部分の底面を上記フェルールの軸に対して垂直な平面状にするとともに、上記段付き部分の上記底面を押して上記ホルダに固定することを特徴とする光レセプタクルの製造方法。