JP5214286B2 - 光分岐結合器、光分岐結合器の製造方法及び単芯双方向通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラスチック光ファイバを通信媒体とした単芯双方向通信に使用する光分岐結合器、光分岐結合器の製造方法及び単芯双方向通信装置に関するものである。

一対一の双方向通信に使用する光ファイバにおいて、片方を二つに分岐してニ対一の双方向通信とするために光分岐結合器が使用される。例えば、特許文献１には、送信用光ファイバと受信用光ファイバとを束ねたファイバアレイからなる光分岐結合器が開示されている。なお、特許文献２には、中空部が偏心した中空多芯光ファイバが開示されているが、この光ファイバは内視鏡や光センサーのライトガイドとして利用されるものであり、偏心した中空部は空洞になっている。
特開２００２−７２００７号公報 特開平６−１８６４４５号公報

しかしながら、従来の光分岐結合器では、構成が複雑化し易く、製造にも手間がかかってしまうため、構成の単純化とクロストークの低減との両立を図りにくかった。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、単純な構成でクロストークの低減が可能となり、単芯双方向通信に好適な光分岐結合器、その製造方法及び単芯双方向通信装置を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、中空部が偏心している中空多芯光ファイバの肉厚の薄い部分に孔をあけ、該孔からプラスチック光ファイバを導入して端面をあわせた光分岐結合器とすることで解決できることを見出し、本発明に至った。

本発明は、偏心した中空部を有する多芯光ファイバ、および、該中空部に装着されたプラスチック光ファイバからなる光分岐結合器であって、プラスチック光ファイバの先端が多芯光ファイバの先端と同一平面となる端面を有し、かつ、プラスチック光ファイバの他端側は、多芯光ファイバの肉厚の薄い側の側面から多芯光ファイバの外へ導出されていることを特徴とする。本発明によれば、単純な構成でクロストークの低減が可能となり、単芯双方向通信に好適である。

さらに、多芯光ファイバは、透明な芯樹脂からなる複数の心線と、心線の周りを囲む屈折率が芯樹脂よりも低い鞘樹脂層とからなり、多芯光ファイバは、横断面において海島構造となっており、多芯光ファイバの肉厚の薄い部分は、中空部を挟んで対向する肉厚の厚い部分に比べて島の数が少ないと好適である。特に、肉厚の最も薄い部分における半径方向の島の数が一個であると好適である。

さらに、端面における多芯光ファイバの面積はプラスチック光ファイバの面積より大きいと好適である。

また、本発明は、上記の光分岐結合器の製造方法であり、偏心した中空部を有する多芯光ファイバを紡糸する外側ファイバ製造工程と、中空部の内径より外径の小さいプラスチック光ファイバを紡糸する内側ファイバ製造工程と、偏心した中空部を有する多芯光ファイバの肉厚の薄い側の側面に孔を空けて中空部に連通させる外側ファイバ加工工程と、孔を通じて多芯光ファイバの中空部にプラスチック光ファイバを導入するファイバ結合工程と、中空部にプラスチック光ファイバが導入されている部分で多芯光ファイバを研磨または切断して多芯光ファイバ及びプラスチック光ファイバの先端側の端面を形成する端面形成工程と、を有することを特徴とする。この製造方法によれば、単純な構成でクロストークの低減が可能となる上記の光分岐結合器を容易に製造することができる。

また、本発明に係る単芯双方向通信装置は、上記の光分岐結合器の端面と単芯プラスチック光ファイバとを結合させて通信媒体としたことを特徴とする。この単芯双方向通信装置によれば、単純な構成でクロストークの低減が可能となる。

本発明によれば、単純な構成でクロストークの低減が可能となる。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る光分岐結合器の一例を模式的に示す斜視図である。図２は、光分岐結合器の先端側の端面を模式的に示す図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

図１〜図３に示されるように、光分岐結合器３は、偏心した中空部１ｆを有する多芯光ファイバ（以下「外側ファイバ」ともいう。）１と、先端側２ａが中空部１ｆ内に挿入され、他端２ｂ側が外側ファイバ１の肉厚の薄い側の側面１ｅから外へ導出されているプラスチック光ファイバ（以下「内側ファイバ」ともいう。）２と、を備えている。外側ファイバ１は、石英系光ファイバでもプラスチック光ファイバでもよいが、より破損し難い点からプラスチック光ファイバであることが好ましく、本実施形態では、プラスチック光ファイバを例に説明する。

多芯光ファイバ１はプラスチックよりなる光ファイバであって、略円柱状であり、長手方向に延在する中空部１ｆを有する。多芯光ファイバ１の横断面形状において、中空部１ｆの中心Ｃ２は、多芯光ファイバ１の中心Ｃ１に対して偏芯している。中空部１ｆは内側ファイバ２が挿入可能な形状であれば足り、横断面形状は円または略円状であることが好ましい。

多芯光ファイバ１の横断面は海島構造（図２参照）となっている。本実施形態に係る海島構造の島は、透明な芯樹脂からなる芯（心線）１ｂからなり、海島構造の海は、芯樹脂より屈折率の低い鞘樹脂からなり、且つ芯１ｂを取り囲む鞘（鞘樹脂層）１ａからなる。なお、海島構造の島が芯樹脂からなる芯と芯を取り囲む鞘樹脂とからなり、海島構造の海が第３の樹脂からなるようにしてもよい。島が芯と鞘とからなる場合は、海を構成する樹脂は芯樹脂と同一であってもよい。また、鞘は１層であっても２層以上の多層構造であってもよい。なお、微細な芯１ｂからなる島が半径方向に何重にも積み重なる構造が、外側ファイバ１の機械強度の保持、光の均等性の確保、光量の確保のために好ましい。

外側ファイバ１の外径及び内径（中空部１ｆの径）は必要に応じて調整可能であるが、外径が０．１ｍｍ〜５．０ｍｍ、内径は外径よりも小さくて０．０５ｍｍ〜４．０ｍｍのものが容易に製造可能であり好ましい。また、外側ファイバ１の横断面における島の数は、外側ファイバ１の壁面が滑らかになり、かつ滑らかに曲げることができるという点から１００個以上であることが好ましく、光量の確保の点から１万個以下であることが好ましいが、より好ましくは２００個〜１万個である。

外側光ファイバ１の肉厚の薄い部分Ａには、内側ファイバ２を導出するための孔１ｇがあけられる。この孔１ｇのために、肉厚の薄い部分Ａでは光ファイバとしての機能が失われる。そのため、外側光ファイバ１の肉厚の薄い部分Ａにおける半径方向Ｄの島の数は少ないほうが好ましく、肉厚の薄い部分Ａは、中空部１ｆを挟んで対向する肉厚の厚い部分Ｂに比べて島の数が少ない方が好ましく、特最も肉厚の薄い部分の半径方向Ｄの島の数が一個であると好適である。

透明な芯樹脂としては、ポリメチルメタクリレート系樹脂（以下、「ＰＭＭＡ系樹脂」ともいう。）、及びポリカーボネート系樹脂などがあげられる。そのなかでも、透明性の高いポリメチルメタクリレート系樹脂がより好ましい。

鞘樹脂は、上記の芯樹脂よりも屈折率の低い透明樹脂であり、例えば芯樹脂がＰＭＭＡ系樹脂の場合は、ビニリデンフロライド系樹脂、例えばビニリデンフロライドとテトラフロロエチレンの共重合体、ビニリデンフロライドとヘキサフロロプロペンの共重合体、またはビニリデンフロライドとテトラフロロエチレンとヘキサフロロプロペンの共重合体などが好ましく用いられる。そのほか、フルオロアルキルメタクリレ−ト系樹脂も鞘樹脂として好ましい。

第３の樹脂としては、例えば、ビニリデンフロライドとテトラフロロエチレンの共重合体、ビニリデンフロライドとヘキサフロロプロペンの共重合体、もしくはビニリデンフロライドとテトラフロロエチレンとヘキサフロロプロペンの共重合体のようなビニリデンフロライド系樹脂、エチレンと酢酸ビニルの共重合体、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、エチレンとビニルアルコールの共重合体、またはこれらの樹脂にカーボン等の添加物を入れた光遮蔽性を有する樹脂等があげられる。

外側ファイバ１の中空部１ｆへ導入する内側ファイバ２はプラスチック光ファイバであり、曲げに対して強い。プラスチック光ファイバからなる内側ファイバ２としては、芯と１層鞘または多層鞘からなる単芯プラスチック光ファイバ、断面において芯樹脂からなる島と鞘樹脂からなる海の海島構造を有する多芯プラスチック光ファイバ、芯樹脂からなる芯と該芯を同心円状に取り囲む鞘樹脂からなる鞘を島とし、第３の樹脂を海とした海島構造を有する多芯プラスチック光ファイバなどを使用することができる。

内側ファイバ２の外径は、外側ファイバ１の内径より小さい必要があるが、小さすぎると光量の損失が大きいので、外側ファイバ１の内径（中空部１ｆの径）より３０μｍ〜１５０μｍほど小さい程度であることが好ましい。特に外側ファイバ１の内径より３０μｍ〜７０μｍ小さい場合は、接着剤等を用いなくとも内側ファイバ２が実質上動かない状態で外側ファイバ１の中空部１ｆに固定することができるのでより好ましい。なお、芯樹脂、鞘樹脂、及び第３の樹脂として好ましい材料は、外側ファイバと同様である。

（製造方法）
次に、上記の光分岐結合器３の製造方法について説明する。この製造方法は、偏心した中空部１ｆを有する多芯光ファイバ１を紡糸する外側ファイバ製造工程と、中空部１ｆの内径より外径の小さいプラスチック光ファイバ２を紡糸する内側ファイバ製造工程と、偏心した中空部１ｆを有する多芯光ファイバ１の肉厚の薄い部分Ａの側面１ｅに孔１ｇをあけて中空部１ｆに連通させる外側ファイバ加工工程と、その孔１ｇを通じて多芯光ファイバ１の中空部１ｆに、内側ファイバ製造工程で製造したプラスチック光ファイバ２の先端２ａ側を導入するファイバ結合工程と、中空部１ｆにプラスチック光ファイバ２が導入されている部分で多芯光ファイバ１及びプラスチック光ファイバ２の一方または両方を研磨または切断して多芯光ファイバ１の先端１ｄ及びプラスチック光ファイバ２の先端２ａが同一平面Ｈ上となる端面３ａを形成する端面形成工程と、を有する。

外側ファイバ製造工程では、多芯プラスチック光ファイバの製造に使用される複合紡糸ダイを用いて多芯光ファイバ１を製造することが好ましい。なお、必要に応じて１．１倍から３倍程度の延伸を施し機械的な強度を向上させることもできる。この工程では、まず、溶融した芯樹脂と鞘樹脂、必要により溶融した第３の樹脂を複合紡糸ダイに供給する。そして、多数の孔をあけたダイプレートから溶融状態の芯樹脂を押し出し、多数の芯線を形成する。ついで、この芯線のまわりに溶融状態の鞘樹脂を押し出し、横断面が芯１ｂを島とし鞘１ａを海とする海島構造体を形成する。その後、海島構造体の中心からずらして、別の流体を導入して中空部１ｆを形成する。この流体は窒素ガスや空気のような気体が好ましいが、場合によっては成形後に水洗や有機溶剤などで溶解除去できるような樹脂などでも良い。

なお、第３の樹脂を用いる場合には、芯線を取り囲むように溶融状態の鞘樹脂を押し出すことより得られる鞘樹脂層に取り囲まれた芯線の周りに、さらに溶融状態の第３の樹脂を押し出すことにより、横断面が芯と鞘を島とし第３の樹脂を海とする海島構造体を形成する。この場合にも、前述と同様の方法で中空部１ｆを形成する。

内側ファイバ製造工程では、外側ファイバ製造工程と同様の方法でプラスチック光ファイバ２を製造する。なお、内側ファイバ製造工程では、中空部は形成しない。

外側ファイバ加工工程においては、外側ファイバ１の肉厚の薄い部分Ａの側面１ｅに内側ファイバ２を導入するための孔１ｇをあける。ここで、熱的または機械的手段で孔加工することが可能である。

ファイバ結合工程においては、孔１ｇを通して外側ファイバ１の中空部１ｆに内側ファイバ２の先端２ａ側を差し込むように導入する。このときに、外側ファイバ１と内側ファイバ２との間の隙間が大きい場合には接着剤等で固定することも好ましい。

端面形成工程においては、内側ファイバ２の端面２ａが外側ファイバ１の端面１ｄとほぼ同一平面Ｈになるように導入した後に研磨して端面３ａを揃えるか、または内側ファイバ２が導入された部分で外側ファイバ１と内側ファイバ２を合わせて切断して同一平面Ｈとなる端面３ａを形成する。なお、切断された端面３ａは必要に応じて研磨してもよい。受信に使用する外側ファイバ１の光量を多くするために、端面３ａにおける外側ファイバ１の面積が内側ファイバ２の面積より大きくなるように設計することがより好ましい。

（単芯双方向通信装置）
次に、図４を参照して上記の光分岐結合器３を用いた単芯双方向通信装置１０について説明する。図４は、単芯双方向通信装置１０の一部を模式的に示す図であり、コネクタ５のみを断面で示している。

単芯双方向通信装置１０は、周波数多重方式や波長多重方式による単芯双方向通信装置であり、コネクタ５を介して光分岐結合器３の端面３ａと一本の単芯プラスチック光ファイバ４の端面とが突き合わせられて結合されて通信媒体を構成している。

外側ファイバ１の他端側には受信手段となる光検出素子６が配置され、内側ファイバ２の他端側には送信手段となる光源素子７が配置されている。このように、例えば、外側ファイバ１を受信に内側ファイバ２を送信に使用することで、光分岐結合器３は、周波数多重方式や波長多重方式による単芯双方向通信装置１０として利用することが可能になる。

［実施例１］
芯樹脂としてはポリメチルメタクリレート、鞘樹脂としてはビニリデンフロライド８０モル％とテトラフロロエチレン２０モル％との共重合体を使用して、外径１．００ｍｍで内径０．５５ｍｍであり、内径の中心と外径の中心が０．１４ｍｍ偏心している外側ファイバを複合紡糸ダイで紡糸した。該外側ファイバの断面においては、直径４４μｍの島３００個が、肉厚の薄い部分の半径方向の島の数が１個となるように分布している。

次に、芯を構成する透明樹脂としてはポリメチルメタクリレート、鞘樹脂としてはビニリデンフロライド８０モル％とテトラフロロエチレン２０モル％との共重合体を使用して、外径０．５０ｍｍ（芯径０．４８ｍｍの単芯光ファイバ）の内側ファイバを紡糸した。
上記外側ファイバを３０ｃｍに切り取り、肉厚の薄い部分に針で孔をあけ、長さ３０ｃｍの上記内側ファイバを該孔から導入し、先端を研磨して揃えることで端面を形成し光分岐結合器を製造した。

上記光分岐結合器の内側ファイバの上記端面でない他端から白色光源を入射させ、内側ファイバ出力が−６ｄＢｍとなるように調整した。次に、この状態で、上記光分岐結合器の端面に伝送ファイバとなるファイバ直径１ｍｍの単芯プラスチック光ファイバ（旭化成エレクトロニクス社製ＴＣ−１０００）が接する状態にし、上記光分岐結合器の外側ファイバの上記端面でない他端から出社された光パワーを光パワーメーターＨＡＫＴＲＯＮＩＣＳ社のｐｈｏｔｏｍ２０５を用いて、測定したところ−３１．７ｄＢｍであり、クロストークは−２５．７ｄＢであった。

［実施例２］
内側ファイバを、外径０．５０ｍｍ（島数１３００個、島直径７μｍの多芯光ファイバ）の多芯プラスチック光ファイバとした以外は、実施例１と同様にして光分岐結合器を製造した。
実施例１と同様にして、光分岐結合器の外側ファイバの端面でない他端から出射された光パワーを測定したところ−３２．８ｄＢｍでありクロストークは−２６．８ｄＢであった。

［実施例３］
内側ファイバを、芯樹脂としてはポリメチルメタクリレート、鞘樹脂としてはビニリデンフロライド５７モル％とテトラフロロエチレン３２モル％とヘキサフロロプロペン１１モル％の共重合体を使用して芯と鞘からなる島部を構成し、第３の樹脂としてはビニリデンフロライド８０モル％とテトラフロロエチレン２０モル％との共重合体を使用して海部を構成し、外径０．５０ｍｍ（島数３７個、島直径７４μｍの多芯光ファイバ）の多芯プラスチック光ファイバとした以外は、実施例１と同様にして光分岐結合器を製造した。
実施例１と同様にして、光分岐結合器の外側ファイバの端面でない他端から出射された光パワーを測定したところ−３２．８ｄＢｍでありクロストークは−２６．８ｄＢであった。

本発明の実施形態に係る光分岐結合器の一例を模式的に示す斜視図である。 光分岐結合器の先端側の端面を模式的に示す図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 本実施形態に係る光分岐結合器を用いた単芯双方向通信装置を模式的に示す側面図である。

符号の説明

１…多芯光ファイバ（外側ファイバ）、１ａ…鞘樹脂層、１ｂ…心線、１ｄ…多芯光ファイバの先端、１ｅ…多芯光ファイバの側面、１ｆ…中空部、２…プラスチック光ファイバ（内側ファイバ）、２ａ…プラスチック光ファイバの先端、２ｂ…プラスチック光ファイバの他端、３…光分岐結合器、３ａ…端面、１０…単芯双方向通信装置、Ｈ…平面、Ａ…多芯光ファイバの肉厚の薄い部分、Ｂ…多芯光ファイバの肉厚の厚い部分、Ｄ…半径方向。

Claims (6)

1. 偏心した中空部を有する多芯光ファイバ、および、該中空部に装着されたプラスチック光ファイバからなる光分岐結合器であって、
   前記プラスチック光ファイバの先端が前記多芯光ファイバの先端と同一平面となる端面を有し、かつ、前記プラスチック光ファイバの他端側は、前記多芯光ファイバの肉厚の薄い側の側面から前記多芯光ファイバの外へ導出されていることを特徴とする光分岐結合器。
2. 前記多芯光ファイバは、透明な芯樹脂からなる複数の心線と、前記心線の周りを囲む屈折率が芯樹脂よりも低い鞘樹脂層とからなり、
   前記多芯光ファイバは、横断面において海島構造となっており、
   前記多芯光ファイバの肉厚の薄い部分は、前記中空部を挟んで対向する肉厚の厚い部分に比べて島の数が少ないことを特徴とする請求項１記載の光分岐結合器。
3. 前記多芯光ファイバの最も肉厚の薄い部分の半径方向の島の数は一個であることを特徴とする請求項２記載の光分岐結合器。
4. 前記端面における前記多芯光ファイバの面積は前記プラスチック光ファイバの面積より大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光分岐結合器。
5. 偏心した中空部を有する多芯光ファイバを紡糸する外側ファイバ製造工程と、前記中空部の内径より外径の小さいプラスチック光ファイバを紡糸する内側ファイバ製造工程と、偏心した前記中空部を有する前記多芯光ファイバの肉厚の薄い側の側面に孔を空けて前記中空部に連通させる外側ファイバ加工工程と、前記孔を通じて前記多芯光ファイバの前記中空部に前記プラスチック光ファイバを導入するファイバ結合工程と、前記中空部に前記プラスチック光ファイバが導入されている部分で前記多芯光ファイバ及び前記プラスチック光ファイバを研磨または切断して前記多芯光ファイバの先端及び前記プラスチック光ファイバの先端が同一平面上となる端面を形成する端面形成工程と、を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光分岐結合器の製造方法。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光分岐結合器の前記端面と単芯プラスチック光ファイバとを結合させて通信媒体としたことを特徴とする単芯双方向通信装置。

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