JP5393003B2 - 光ファイバカプラ - Google Patents

Description

本発明は、光通信に使用される光ファイバカプラに関する。

光通信に使用される光ファイバカプラは、被覆を除去した２本の光ファイバを平行に整列させ、その一部を加熱溶融して細く延伸させたものである。このような光ファイバカプラは、特定の波長の光を分岐、結合したり、複数の波長を分波、合成させる等の機能を持つ光部品である。上述の融着延伸部は、約５０μｍ以下であり、最も細い部分では約２０μｍであり大変細くなっている。このため、光ファイバカプラの融着部は、折れやすく、また、環境、特に温度、湿度に非常に敏感であるため、パッケージ等で保護されて使用される。

一般的に使用されている光ファイバカプラのパッケージについて説明する。
上述のように融着延伸部は、細径化されているため、僅かな張力の変化でも応力変化としては大きく、光学特性への影響が大きい。よって光ファイバカプラの信頼性を確保するためには、融着延伸部の安定化を図るよう、融着延伸部を保持することが必要である。よって、融着延伸部の両側は、樹脂材によりガラス板などの基材に固定される。その一体物は、機械的及び水分からの保護のため、さらにステンレス管などの保護管内に挿入される。保護管内は、保護管の両端に設けた樹脂材にてなるシール材により気密封止される。

特開平７−２１８７４７号公報

上述のように融着延伸部を支持する基材は、光ファイバと線膨張係数が近い、ガラス等の材料が使用される。一方、保護管にはステンレス鋼などの金属材料が使用されることが多い。ここで、保護管としての、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）における線膨張係数は、１７．３×１０^（−６）／℃であり、光ファイバ固定用の基材としての、例えば石英の線膨張係数は、０．６×１０^（−６）／℃）である。したがって、光ファイバカプラが例えば８０℃〜９０℃程度の高温環境下に置かれると、保護管及び光ファイバ固定用の基材における線膨張係数の差に起因して、基材の両端部分における樹脂材による光ファイバ固定部と、シール材である樹脂材との間の光ファイバ部分に引張り応力が発生する。よって、引張り応力の作用により、光ファイバ固定部の樹脂材は、クリープや剥がれなどのモードにより、その接着力が劣化する。

上述のように融着延伸部は細径化されており、僅かな張力の変化でも応力変化としては大きく、光学特性への影響が大きい。上述のように樹脂材の劣化により、融着延伸部の張力が影響を受け、光学特性が変化する。このように、従来の光ファイバカプラでは、高温環境下において、長期間、高信頼性を維持することは困難であるという課題がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、環境温度変化に対して光ファイバカプラとしての信頼性が維持可能な光ファイバカプラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における光ファイバカプラは、光ファイバの融着延伸部の両側に延びるファイバ部に塗布されるファイバ固定用接着剤にて上記光ファイバを固定する基材と、上記光ファイバの線膨張係数とは異なる線膨張係数を有し、上記光ファイバを固定した上記基材を収納する保護管と、上記保護管に固定される固定部、及び上記保護管に収納された上記基材の端部側へ向かって上記固定部から保護管内部を延在する筒状の延伸部を有し、上記保護管の両端にそれぞれ取り付けられ、上記保護管の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有するファイバ固定部材と、上記延伸部において上記基材の端部に近接した位置に塗布され、上記基材から上記保護管の外部へ延びる上記光ファイバを保持するとともに上記保護管内部を気密に封止するシール材と、を備えたことを特徴とする。

本発明の第１態様における光ファイバカプラによれば以下の効果が得られる。即ち、固定部及び延伸部を有するファイバ固定部材を備え、固定部に対して延伸部は、保護管の端部から基材の端部側へ向かって保護管内部に延在する。よって、当該光ファイバカプラが例えば高温環境下に置かれた場合、保護管とファイバ固定部材とは反対方向に線膨張することができる。これにより保護管と基材との線膨張係数差により発生する光ファイバにおける引張り応力を抑制できる。したがって、第１態様の光ファイバカプラは、環境温度変化に対して常温下に近い高信頼性を維持、確保することができる。

本発明の実施形態である光ファイバカプラについて、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。

実施の形態１．
図１には、本実施形態における光ファイバカプラ１０１が示されている。該光ファイバカプラ１０１は、融着延伸部５を有する光ファイバ７を保持する基材４と、保護管１と、ファイバ固定部材２と、シール材３とを備える。
このような光ファイバカプラ１０１では、シール材３による光ファイバ７の固定について、シール材３を保護管１に塗布するのではなく、ファイバ固定部材２に塗布して上記固定を行う点が特徴である。以下に、詳しく説明する。

光ファイバ７における融着延伸部５は、それぞれ被覆材を除去された２本の素線７ａを近接させて、ガスバーナ等で加熱して溶融し融着させながら延伸した部分であり、例えば図５に示すようなテーパ形状を有する融着した部分である。尚、本実施形態において融着延伸部５は、約２０μｍの直径である。

基材４は、光ファイバ７と線膨張係数が近いガラス等の材料から形成され、例えば図２に示すような溝部４ａを形成した断面を有する。溝部４ａは、基材４の軸方向に沿って形成され、光ファイバ７の素線７ａを収納可能である。よって、基材４は、融着延伸部５を設けた光ファイバ７の素線７ａを保持、固定する部材である。

基材４への素線７ａの固定は、溝部４ａ内に収納した素線７ａに対して、テーパ形状である融着延伸部５を避け、融着延伸部５の両側に延びるファイバ部７ｂに、ファイバ固定用接着剤６を溝部４ａに充填することで行われる。本実施形態では、図１に示すように、基材４の両端部４ｂの２箇所にて素線７ａを基材４に固定しているが、それぞれのファイバ部７ｂにおいて複数箇所にて、例えば合計４箇所にて、素線７ａを基材４に固定してもよい。

保護管１は、筒状であり、その両端部１ｂにはそれぞれファイバ固定部材２ａ，２ｂ（総称して、ファイバ固定部材２と記す場合もある。）が予め取り付けられる。ファイバ固定部材２を有する保護管１は、光ファイバ７を固定した基材４を保護管内１ａに収納する。尚、本実施形態では、保護管１は金属製であり、円筒形状にて形成されるが、外形状は円形に限定するものではない。
保護管内１ａに収納された基材４からは、図１に示すように、被覆された光ファイバ７が保護管１の両端部１ｂから外側へ延びる。

ファイバ固定部材２は、好ましくは保護管１とは異なる線膨張係数を有する材料にて形成され、保護管１の両端部１ｂに取り付けられ、保護管１の伸縮とは独立して伸縮可能な部材である。尚、ファイバ固定部材２の線膨張係数は、保護管１の線膨張係数と同じであってもよい。本実施形態では、ファイバ固定部材２は、延伸部２１及び固定部２２から構成される。

延伸部２１は、保護管１の内径よりもわずかに小さく保護管１に対して移動可能となる外径を有し、基材４が通過可能な内径を有する筒状にて形成された部材であり、保護管１の端部１ｂから基材４の端部４ｂ側へ向かって保護管内１ａを延在する。延伸部２１の長さについては追って説明するが、最も長い場合でも、保護管１の端面から保護管内１ａに収納された基材４の端部４ｂの直前までであり、最も短い場合には、保護管１の端部１ｂに対応する長さである。
固定部２２は、延伸部２１と一体的に成形され、ファイバ固定部材２を保護管１に固定する部分である。本実施形態では、固定部２２は、延伸部２１から延伸部２１の直径方向に延び、保護管１の端部１ｂにおける端面に当たるようなフランジ形状である。

上述のようなファイバ固定部材２の保護管１への取り付け方法として、例えば、図３に示すように、保護管１の端面５３に対向する固定部２２に形成した突起部２２ａに電気抵抗を与えて固定部２２を保護管１に溶着するプロジェクション溶接を用いる方法や、ファイバ固定部材２を保護管１に圧入して固定する方法等がある。圧入により固定する場合、ファイバ固定部材２を構成する延伸部２１及び固定部２２は、図４に示すように構成される。即ち、固定部２２は、保護管１の端面５３に対向して形成されたフランジ部２５の近傍部分に位置し，保護管１の内面に圧入される程度の外径を有する部分であり、延伸部２１は、固定部２２よりも小さい外径にてなり保護管１に対して独立して伸縮可能な非圧入部分である。尚、圧入方法を採る場合、保護管１の伸縮とは独立して伸縮可能な部材であるというファイバ固定部材２の機能を実行するため、固定部２２よりも延伸部２１の方を長くするのが好ましい。
尚、ファイバ固定部材２において、延伸部２１は、固定部２２よりも保護管１の中央部側に位置する。

又、取り付け方法は、上述の方法に限定されるものではない。即ち、保護管内１ａは、極力気密に封止されるのが好ましいことから、保護管内１ａについてある程度の気密を維持可能な方法にて、ファイバ固定部材２は、保護管１へ取り付けられればよい。

上述のように構成されたファイバ固定部材２の延伸部２１には、延伸部２１における、保護管内１ａに収納された基材４の端部４ｂに近接した位置に、シール材３が塗布される。
シール材３は、基材４から保護管１の外部へ延びる光ファイバ７を、基材４の端部４ｂに近接して保持するとともに、保護管内１ａを気密に封止する樹脂材である。尚、光ファイバ７において、シール材３が塗布される部分では、光ファイバ７は被覆材にて被覆されている。

ファイバ固定部材２の形状は、図１に示す形状に限定されるものではない。例えば、図７に示すように、固定部２２を有しないファイバ固定部材２３の形状を採ることもできる。この場合、圧入によりファイバ固定部材２３を保護管１に取り付けることから、ファイバ固定部材２３は、延伸部２１に相当する非圧入部分である延伸部２３ａと、上記固定部２２に相当する固定部２３ｂとを有する。

又、図８に示すファイバ固定部材２４のように、段階的に大径から小径へ延伸部２１を絞った形状や、テーパー状の形状等を採ることもできる。これらの場合、図１に示すファイバ固定部材２に比べてファイバ固定部材の内径が小さくなることから、シール材３の塗布が容易となり、かつ気密性が向上するという効果がある。尚、内径は、基材４が通過可能な大きさである。

以上のように各部が構成され、ファイバ固定部２ａ、２ｂが両端１ｂに取り付けられた保護管１に、光ファイバ７を固定した基材４を挿入する。その後、シール材３をファイバ固定部材２ａ、２ｂにおける延伸部２１に塗布して、光ファイバカプラ１０１が完成する。

このような光ファイバカプラ１０１によれば、以下のような効果が得られる。
図６に保護管１の端部１ｂ付近の拡大図を示す。ここで、保護管１の材料の線膨張係数をα１、全長をＬ１とし、ファイバ固定部材２の材料の線膨張係数をα２、保護管１の端面５３からの延伸部２１の長さをＬ２とし、基材４の線膨張係数をβ、全長をＬ３とする。この条件下で、温度がΔＴ（℃）上昇した場合、基材４におけるファイバ固定用接着剤６の端部であって光ファイバ７の固定端に相当する基材側固定端５１と、ファイバ固定部材２に塗布されたシール材３にて保持された光ファイバ７の固定端に相当する固定部材側固定端５２との間の距離Ｌ４は、以下に示すδｌだけ変化する。尚、距離Ｌ４に対応する光ファイバ７の部分を応力作用区間７ｃとする。又、δｌの計算において、基準点は、保護管１の中央５４である。

δｌ＝［｛（Ｌ１／２）・α１−Ｌ２・α２｝−（Ｌ３／２）・β］×ΔＴ

上述したように、基材４が石英ガラス、保護管１がステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の材料にて形成した場合、基材４の線膨張係数βは、０．６×１０^（−６）／℃程度、であるのに対し、保護管１の線膨張係数α１は、１７．３×１０^（−６）／℃と約２０倍の大きさである。よって、温度上昇の場合（ΔＴ＞０）であれば、保護管１の方が基材４よりも伸びが大きく、上述の距離Ｌ４に対応する光ファイバ７の応力作用区間７ｃには、引張り応力が作用する。この引張り応力を低減することが、光ファイバカプラの信頼性向上に繋がる。

光ファイバ７に掛かる引張り応力を低減する方法として、上式の関係から、Ｌ１をＬ３に近づける、すなわち保護管１の長さを基材４の長さに近づけることが考えられる。しかしながら、保護管１と基材４の長さが非常に近い場合には２つのデメリットがある。第一のデメリットは、基材４および光ファイバ７を外界から保護するシール材３の厚みが、薄くなることから、シール材３の透湿率が高くなり、内部に水分が浸入しやすくなり、ファイバ固定部６などの接着部の信頼性が低下しうることである。第二のデメリットは、シール材３を注入する際に、光ファイバカプラの特性に影響のある融着延伸部５の近くに到達するまでの注入量の許容マージンが少なく、注入が困難になることである。以上のことから、基材４の長さＬ３に対して、保護管１の長さ１をどこまでも近づけることは、信頼性上および製造上の困難を伴うためにできず、図９に示す従来の光ファイバカプラにおけるシール材３と基材４の間の長さＬ５として、例えば２〜３ｍｍ程度の長さは残しておくのがよい。
そこで、本実施形態においては、Ｌ３、β、Ｌ１、α２を定数として、Ｌ２およびα２を変数と考えて、光ファイバ７における引張り応力を低減する方法を実施する。

ファイバ固定部材２の延伸部２１は、固定部２２にて保護管１に固定されていることから、当然に、保護管１の伸縮に伴い伸縮する。しかしながら、延伸部２１は、上述のように、固定部２２よりも保護管１の中央部側に位置して保護管１の中央部側へ延伸しかつ保護管１に対して独立して伸縮可能に構成している。よって、温度上昇の場合、延伸部２１は、保護管１とは逆方向に膨張することができる。特に、ファイバ固定部材２について、保護管１の線膨張係数α１よりも線膨張係数が相対的に大きい材料を用いることにより、応力低減効果が得られる。

これらの構成により、光ファイバカプラ１０１によれば、応力作用区間７ｃにおける光ファイバ７の伸び量δｌを低減し、応力作用区間７ｃに発生する引張り応力を低減するという効果が得られる。

一例として、保護管１がＳＵＳ３０４、基材４が石英ガラス、ファイバ固定部材２がアルミニウムで形成され、特性値の例として、以下の値を仮定する。
Ｌ１＝６０ｍｍ、Ｌ２＝５ｍｍ、Ｌ３＝５０ｍｍ、
α１＝１７×１０^（−６）／℃、 α２＝２３×１０^（−６）／℃、
β＝０．６×１０^（−６）／℃

この例の場合、温度に対する伸びの変化率δｌ／ΔＴは、
ファイバ固定部材２がない場合には、４．９５×１０^（−４）（ｍｍ／℃）であるのに対し、
ファイバ固定部材２を設けた場合には、３．８０×１０^（−４）（ｍｍ／℃）となり、２３％、変化率を低減することができ、引張り応力の発生を抑制することが可能になる。

尚、上述の、保護管１、基材４、ファイバ固定部材２の各材料、及び特性値は、例示であり、より線膨張係数の差が大きくなるような材料の組み合わせを選択したり、保護管１の全長Ｌ１に対するファイバ固定部材２の全長Ｌ２をより大きく設定する、等により、変温時における引張り応力の発生をさらに抑制することが可能になる。

このように本実施形態の光ファイバカプラ１０１によれば、基材４と保護管１との線膨張係数差により光ファイバ７に発生する引張り応力を、ファイバ固定部材２による、ファイバ固定位置変更及び線膨張係数によるキャンセル効果により、低減して、高温下においても、室温の場合に近い信頼性を実現可能である。

本発明の実施の形態１による光ファイバカプラの構成図である。 図１に示す基材の断面図である。 図１に示すファイバ固定部材の保護管への取り付け方法を説明するための図である。 図１に示すファイバ固定部材の保護管への取り付け方法を説明するための図である。 図１に示す光ファイバの融着延伸部を示す図である。 図１に示すファイバ固定部材の作用を説明するための図である。 図１に示すファイバ固定部材の変形例を示す図である。 図１に示すファイバ固定部材の他の変形例を示す図である。 従来の光ファイバカプラの構成図である。

符号の説明

１ 保護管、 ２ ファイバ固定部、 ３ シール材、 ４ 基材、
５ 融着延伸部、 ６ ファイバ固定用接着剤、
７ 光ファイバ、 ７ｂ ファイバ部， ７ｃ 応力作用区間、
２１ 延伸部、 ２２ 固定部、 ２２ａ 突起部、
２３ ファイバ固定部材、 ２３ａ 延伸部、 ２３ｂ 固定部、
５１ 基材側固定端、 ５２ 固定部材側固定端、 ５３ 端面、
５４ 保護管中央、
１０１ 光ファイバカプラ。

Claims (4)

1. 光ファイバの融着延伸部の両側に延びるファイバ部に塗布されるファイバ固定用接着剤にて上記光ファイバを固定する基材と、
   上記光ファイバの線膨張係数とは異なる線膨張係数を有し、上記光ファイバを固定した上記基材を収納する保護管と、
   上記保護管に固定される固定部、及び上記保護管に収納された上記基材の端部側へ向かって上記固定部から保護管内部を延在する筒状の延伸部を有し、上記保護管の両端にそれぞれ取り付けられ、上記保護管の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有するファイバ固定部材と、
   上記延伸部において上記基材の端部に近接した位置に塗布され、上記基材から上記保護管の外部へ延びる上記光ファイバを保持するとともに上記保護管内部を気密に封止するシール材と、
   を備えたことを特徴とする光ファイバカプラ。
2. 上記ファイバ固定部材は、上記固定部にて上記保護管内部を気密に封止して上記保護管の両端へ取り付けられる、請求項１に記載の光ファイバカプラ。
3. 上記固定部は、上記保護管に溶接され上記保護管内部を気密に封止する、請求項２記載の光ファイバカプラ。
4. 上記固定部は、上記保護管に圧入され上記保護管内部を気密に封止する、請求項２記載の光ファイバカプラ。

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