JP5591478B2 - プラスチック光ファイバベースの反射スターカプラおよび反射スターカプラの製造方法 - Google Patents

Description

１．技術分野
この開示は、概して光デバイスに関し、より具体的には光スターカプラに関する。

２．背景
航空機および宇宙船は、軍用機を含めて、通信、兵器類、および他のシステムのために光ファイバをますます用いるようになってきている。光スターカプラは、光伝送ネットワークの不可欠な部分を形成する。

スターカプラは、入力信号を受取り、それを均等の出力信号に分割する装置である。従来のスターカプラは、典型的にガラス光ファイバ（ＧＯＦ）を用いる。このようなＧＯＦベースのスターカプラをプラスチック光ファイバベースのデータネットワークアーキテクチャにおいて用いることは、非効率である。ネットワークアーキテクチャにおいて、異なる直径、光学特性、および屈折率を有する異なる材料、すなわち、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）およびガラス光ファイバ、を用いることは、大きな結合損失をもたらす。最適結合効率を確保するために、データネットワークアーキテクチャは、緊密に合致する光学特性および屈折率を有する同様の材料からなるファイバおよびカプラを用いることが好ましい。

ＧＯＦとＰＯＦとの物理的特性および材料特性の違いにより、ＧＯＦベースのスターカプラを作る方法は、ＰＯＦベースのカプラを作るためには用いられないこともある。スターカプラの最適で経済性に優れる設計のために、不断の努力が行なわれている。

概要
ある実施例において、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）ベースの反射スターカプラが提供される。このＰＯＦベースの反射スターカプラは、中空で円筒形の保持管を備え、この保持管は、この保持管の前端部で複数のプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）を収容するとともにこの保持管の後端部でミキシングロッドを収容するためのものであり、各ＰＯＦの後端部は、ミキシングロッドの前面に取付けられ、ミキシングロッドの後部凸面は、研磨され、高反射被膜で被覆されて、凸反射面を形成し、ＰＯＦ、ミキシングロッド、および保持管は、同様の屈折率および材料特性を有する同様の材料から作られる。

別の実施例において、反射スターカプラの製造方法が提供される。この方法は、複数のプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）を保持管に挿入するステップと、研磨された後部凸面を有するミキシングロッドを形成し、ミキシングロッドのこの後部面を高反射材料で被覆するステップと、保持管の内側で、各プラスチック光ファイバの後端部にミキシングロッドの前面を取付けるステップと、ＰＯＦおよびミキシングロッドを、保持管の内側にエポキシ樹脂を用いて取付けるステップと、ＰＯＦおよびミキシングロッドを取付けられた保持管を、気密封止パッケージに入れるステップとを備える。

この簡単な概要は、この開示の本質を手短に理解するために提供された。この開示のより完全な理解は、この開示のさまざまな実施例の以下の詳細な説明を、添付の図面に関連して参照することにより、得ることができる。

前述の特徴および他の特徴を、さまざまな実施例の図面を参照して次に説明する。図中、同一の構成要素は、同一の参照番号を有する。図示する実施例は、説明を意図するものであり、この開示の限定を意図するものではない。図面は、以下の図を含む。

ガラス光ファイバベースのスターカプラの概略構造を示す図である。 ある実施例に従う光スターカプラの構成要素の分解図である。 ある実施例に従うプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）ベースのスターカプラの概略断面図である。 図２Ｂの光スターカプラの側面の平面図である。 この開示の光スターカプラによって伝送される信号の強度を検査するための実験装置を示す図である。 ある実施例に従う光スターカプラを作製するためのプロセスフロー図である。

詳細な説明
以下の詳細な説明において、実施例を、図面を参照して説明する。図中、実施例の構成要素には参照番号が付与され、この参照番号は、以下において、対応する図面の特徴に関する記述に関連して再び用いられる。

光スターカプラを理解しやすくするために、スターカプラの全体概要を説明する。その後、この開示の光スターカプラの具体的な構成要素を、スターカプラの全体構造を具体的に参照しながら説明する。

図１は、ガラスベースの光ファイバを用いる従来のスターカプラ１００を示す。スターカプラ１００は、複数のガラス光ファイバ（ＧＯＦ）（１１０−１１９）を溶融することによって製造される。これらのＧＯＦの後端部は、高温で溶け合わされ、ミキシング部１３０を形成する。反射器１４０は、ミキシング部１３０の前端部に取付けられる。各ＧＯＦ（１１０−１１９）の前端部は、ファイバコネクタ（１１０Ａ−１１９Ａ）に接続される。あるＧＯＦ（たとえば１１０）で、コネクタ１１０Ａを通って受信される入力信号（たとえば１０１Ａ）は、ミキシング部１３０を通って伝播し、次に反射器１４０によって反射される。反射された信号は、ミキシング部１３０を通過し、残りの光ファイバ（たとえば１１１…１１９）に出力信号として分配される。

上述のように、このようなＧＯＦベースのスターカプラをプラスチック光ファイバベースのデータネットワークアーキテクチャにおいて用いることは、非効率である。ＧＯＦとＰＯＦとの物理的特性および材料特性の違いにより、ＧＯＦベースのスターカプラを作る方法は、ＰＯＦベースのカプラを作るためには用いられないこともある。

この開示は、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）ベースのネットワークアーキテクチャにおいて効率的に用いることができるＰＯＦベースの光カプラ（反射スターカプラとも呼ばれる）を提供する。この開示は、ＰＯＦベースの反射スターカプラの製造方法も提供する。

プラスチック光ファイバ（「ＰＯＦ」とも呼ばれる）は、高い伝送容量を示し、優れた電磁干渉（ＥＭＩ）雑音排除性を有し、軽量で、高い機械的強度を有し、際立った可撓性を有する。こういった特性により、ＰＯＦは、データ通信において用いられ、装飾、電飾、および同様の工業的用途にも用いられる。ＰＯＦは、また、ＧＯＦと比較して直径が大
きい。その大きな直径により、ＰＯＦは、ファイバの位置関係調整のずれに対して、ＧＯＦよりも大幅に大きい許容性を示す。位置関係調整のずれに対するこの大きな許容性により、ＰＯＦベースの光ファイバネットワークは、維持コストおよび架設コストがより低い。航空宇宙プラットフォームにおいて、ＰＯＦは、また、航空電子光学ネットワークにおいて用いられるコネクタおよびトランシーバコンポーネントのコストを、大幅に低減する。

図２Ａは、反射スターカプラ２００の構造の分解図である。反射スターカプラ２００は、複数のＰＯＦ２０１−２０７を収容する中空で円筒形の保持管２１０と、入力信号を以下に詳細に説明するように反射する凹面鏡２２０Ｄを形成する一方の端部に高反射被膜を有するミキシングロッド２２０とを含む。複数のＰＯＦ２０１−２０７は、ミキシングロッド２２０の前面２２０Ａに取付けられる。ＰＯＦ２０１−２０７は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）から製造されてもよい。入力信号２００Ａは、あるＰＯＦ（たとえば２１１）に入り、ミキシングロッド２２０を通って伝播し、凹面鏡２２０Ｄによって反射される。

中空で円筒形の保持管２１０は、前端部２１０Ａと後端部２１０Ｂとを含む。複数のＰＯＦが、保持管２１０の前端部２１０Ａに挿入される。保持管２１０は、ＰＯＦと同様の特性を有するＵＶ（紫外線）透過材料から作られる。ある実施例において、保持管２１０は、アルミニウム酸窒化物（ＡｌＯＮ）から作られる。ＡｌＯＮは、優れた耐久性および機械的強度を有し、厳しい航空宇宙環境において用いるのに適している。ＡｌＯＮと同様の特性を示す材料を、これに代えて用いて保持管２１０を作ってもよいことが理解されるべきである。

ＰＯＦ（２０１−２０７）は、ファイバ間に空いている空間が最小限となるように保持管２１０に密に詰められる（図２Ｃ参照）。ＰＯＦ（２０１−２０７）間の密着により、光信号伝播が、最小限の損失で起きることが保証される。保持管２１０に詰められるＰＯＦ（２０１−２０７）の数は、用いられるファイバの直径と保持管２１０の直径とによって決まる。ある実施例において、直径３ｍｍの保持管２１０は、７本の直径各１ｍｍのＰＯＦを最適に保持してもよい。

各ＰＯＦ（２０１−２０７）は、前端部（２０１Ａ−２０７Ａ）と後端部（２０１Ｂ−２０７Ｂ）とを含む。各ＰＯＦ（２０１−２０７）の前端部（２０１Ａ−２０７Ａ）は、ファイバコネクタ（２１１−２１７）で終端され、このファイバコネクタは、別のＰＯＦ、光源、または受信機、検査器具などへの接続のための、反射スターカプラ２００から／への信号の受信および送信を容易にする。

保持管２１０に詰められたＰＯＦ２０１−２０７の後端部２０１Ｂ−２０７Ｂは、ミキシングロッド２２０の前面２２０Ａに取付けられる。ミキシングロッド２２０は、保持管２１０の後端部２１０Ｂから挿入される。ミキシングロッド２２０も、保持管２１０の内径と同様な寸法を有するプラスチック光ファイバ材料から製造される。ミキシングロッド２２０は、ＰＭＭＡファイバであってもよい。ある実施例において、ミキシングロッド２２０は、およそ長さが１４ｃｍで直径が３ｍｍである。ミキシングロッド２２０は、入出力信号の均一なミキシングを可能にする。ミキシングロッド２２０の長さは、保持管２１０、ＰＯＦ（２０１−２０７）、および反射スターカプラ２００の最終形状の長さに比例する。

ミキシングロッドの後部面２２０Ｂは、研磨され、高反射被膜で被覆される。ある実施例において、後部面２２０Ｂは、誘電性または金属ベースの被膜で被覆される。後部面２２０Ｂ上のこの反射被膜は、入力信号２００Ａを反射するために用いられる凹面鏡（２２
０Ｄ）を提供する。ミキシングロッド２２０の後部面２２０Ｂ上の高反射被膜によって、光線（または信号）のスターカプラからの漏れが最小限であるまたは全くないことが保証される。

ミキシングロッド２２０の外縁部２２０Ｃは、保持管２１０の内側表面２１０Ｃに接着される。エポキシ樹脂などの従来の接着剤を用いて、ミキシングロッドを保持管２１０の内側表面に接着してもよい。ある実施例において、宇宙仕様のＵＶエポキシ樹脂を接着剤として用いてもよい。ＰＯＦ２０１−２０７は、エポキシ樹脂を用いて、ミキシングロッド２２０に取付けられてもよい。

図２Ｂは、ＰＯＦベースの反射スターカプラ２００のアセンブリの断面図である。
図３は、反射スターカプラ２００を用いて伝送された光信号（３１０）の強度を検査するための実験装置を示す。ＰＯＦ２０１のファイバコネクタ２１１は、入力信号３１０を提供する光源３１２に接続される。強度測定器３１４は、入力信号３１０の強度を監視する。信号３１０は、ＰＯＦ２０１を介してミキシングロッド２２０を通って伝播し、凹面鏡２２０Ｄによって反射される。反射された信号３１１は、ミキシングロッド２２０を通過し、残りのＰＯＦ２０２−２０７に出力信号として分配される。この反射スターカプラ構成において、２０１から２０７のうち任意のファイバが入力ファイバであり、残りのファイバは出力ファイバであることができる。入力信号３１１の強度は、次に別の強度測定器３１６を用いて検査される。ある実施例において、ＰＯＦベースの反射スターカプラは、光信号を効率的かつ均一に伝送し、信号伝送中の信号強度損失は、最小限である。

図４は、反射スターカプラを作製するためのプロセスステップを概説する図である。ステップＳ４０２において、複数の光ファイバ（たとえば２０１−２０７）を保持管２１０の前端部２１０Ａに挿入する。ステップＳ４０４において、ミキシングロッド２２０の後端部を研磨し、丸みを付けて、凸面を形成する。丸みを付けられた凸面を、高反射材料で被覆し、凹面鏡２２０Ｄを形成する。

ステップＳ４０６において、ミキシングロッド２２０を保持管２１０に挿入し、光ファイバ（２０１−２０７）の後端部（２０１Ｂ−２０７Ｂ）を、ミキシングロッド２２０の前面２２０Ａに取付ける。ある実施例において、宇宙仕様のエポキシ樹脂を用いて、ＰＯＦを取付けてもよい。

ステップＳ４０８において、ミキシングロッド２２０の外縁部２２０ＣとＰＯＦ（２０１−２０７）とを、保持管２１０の内側表面２１０Ｃに取付ける。ステップＳ４１０において、反射スターカプラを、気密封止する。

このＰＯＦベースの反射スターカプラ２００の実施例は、プラスチック光ファイバを主として用いるデータネットワークアーキテクチャの形成を可能にする。ミキシングロッド２２０、複数のＰＯＦ２０１−２０７、および保持管２１０は、すべて同様の屈折率および同様の材料特性を有する同様の材料から作られる。ミキシングロッド２２０、ＰＯＦ（２０１−２０７）、および保持管２１０を取付けるための接着剤、エポキシ樹脂も、反射スターカプラ２００の他の構成要素と同様の屈折率および材料特性を有し、これにより、結合損失が相当低減され、航空電子光学用途のための高い強度および信頼性がもたらされる。

さらに、凹面２２０Ｄと、外側凸面２２０Ｂとを有するミキシングロッド２２０を用いることにより、入力信号が適切に反射され、ミキシングロッドの両端からの漏れによる信号損失が最小限であるまたは全くないことが保証される。凹反射面を有するミキシングロッドの使用は、より短くより小型のＰＯＦスターカプラを可能にする。

別の実施例において、反射スターカプラ２００は、双方向性ＰＯＦトランシーバ（図示せず）とともに用いられる。双方向性トランシーバは、送信機能および受信機能のために１つのファイバのみを用いる。双方向性トランシーバは、反射スターカプラ２００と相俟って、航空電子光学光ファイバネットワークアーキテクチャの大きさ、重量、およびコストを相当低減する。

前述の説明から、開示された開示内容およびその均等物は、さまざまな形態で実現化できることが理解されるであろう。したがって、この開示は、特定の実施例に関連して説明されたが、この開示の真の範囲は、この明細書中に説明された特定の実施例によってではなく、以下の請求項および当業者が考えつくであろうこの請求項の任意の均等物によって限定されるべきである。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）ベースの反射スターカプラ（２００）であって、
中空の円筒形の保持管（２１０）を備え、前記保持管は、前記保持管（２１０）の前端部（２１０Ａ）で複数のプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）（２０１−２０７）を収容するとともに前記保持管（２１０）の後端部（２１０Ｂ）でミキシングロッド（２２０）を収容するためのものであり、
各ＰＯＦの後端部（２０１Ｂ−２０７Ｂ）は、前記ミキシングロッド（２２０）の前面（２２０Ａ）に取付けられ、前記ミキシングロッド（２２０）の後部凸面（２２０Ｄ）は、研磨され、高反射被膜で被覆されて、凸反射面を形成し、前記ＰＯＦ（２０１−２０７）、前記ミキシングロッド（２２０）、および前記保持管（２１０）は、同様の屈折率および材料特性を有する同様の材料から作られる、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）ベースの反射スターカプラ。
（態様２）
前記ミキシングロッド（２２０）の外径は、前記保持管（２１０）の内径に一致する、態様１に記載の反射スターカプラ（２００）。
（態様３）
前記ミキシングロッド（２２０）は、前記保持管（２１０）の内側表面に、宇宙仕様のＵＶエポキシ樹脂を用いて取付けられる、態様１に記載の反射スターカプラ（２００）。
（態様４）
前記ＰＯＦ（２０１−２０７）は、前記保持管（２１０）の内側表面に、宇宙仕様のＵＶエポキシ樹脂を用いて取付けられる、態様１に記載の反射スターカプラ（２００）。
（態様５）
前記保持管（２１０）は、アルミニウム酸窒化物から製造される、態様１に記載の反射スターカプラ（２００）。
（態様６）
前記ミキシングロッド（２２０）は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）で作られる、態様１に記載の反射スターカプラ（２００）。
（態様７）
前記ミキシングロッド（２２０）の前記後部面（２２０Ｄ）にある前記反射被膜は、入力信号を反射する凹面鏡を提供する、態様１に記載の反射スターカプラ（２００）。
（態様８）
前記ＰＯＦ（２０１−２０７）および前記ミキシングロッド（２２０）を取付けられた前記保持管（２１０）は、気密封止パッケージに入れられる、態様１に記載の反射スターカプラ（２００）。
（態様９）
反射スターカプラ（２００）の製造方法であって、
複数のプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）（２０１−２０７）を、保持管（２１０）に挿入するステップと、
研磨された後部凸面（２２０Ｄ）を有するミキシングロッド（２２０）を形成し、前記ミキシングロッド（２２０）の前記後部面を高反射材料で被覆するステップと、
前記保持管（２１０）の内部で、各プラスチック光ファイバの後端部（２０１Ｂ−２０７Ｂ）に前記ミキシングロッド（２２０）の前面（２２０Ａ）を取付けるステップと、
前記ＰＯＦ（２０１−２０７）および前記ミキシングロッド（２２０）を、前記保持管（２１０）の内側にエポキシ樹脂を用いて取付けるステップと、
前記ＰＯＦ（２０１−２０７）および前記ミキシングロッド（２２０）を取付けられた前記保持管（２１０）を、気密封止パッケージに入れるステップとを備える、反射スターカプラ（２００）の製造方法。
（態様１０）
前記ＰＯＦ（２０１−２０７）、前記ミキシングロッド（２２０）、および前記保持管（２１０）を、同様の屈折率および同様の材料特性を有する同様の材料から作るステップをさらに備える、態様９に記載の方法。
（態様１１）
前記ミキシングロッド（２２０）の外径は、前記保持管（２１０）の内径に一致する、態様９に記載の方法。
（態様１２）
前記ミキシングロッド（２２０）を、前記保持管（２１０）の内側表面に、宇宙仕様のＵＶエポキシ樹脂を用いて取付けるステップをさらに備える、態様９に記載の方法。
（態様１３）
前記ＰＯＦ（２０１−２０７）を、前記保持管（２１０）の内側表面に、宇宙仕様のＵＶエポキシ樹脂を用いて取付けるステップをさらに備える、態様９に記載の方法。
（態様１４）
前記保持管（２１０）を、アルミニウム酸窒化物から製造するステップをさらに備える、態様９に記載の方法。
（態様１５）
前記ミキシングロッド（２２０）を、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）から製造するステップをさらに備える、態様９に記載の方法。
（態様１６）
前記ミキシングロッド（２２０Ｄ）の前記後部面にある反射被膜は、入力信号を反射する凹面鏡を提供する、態様９に記載の方法。

Claims (10)

1. プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）ベースの反射スターカプラ（２００）であって、
   アルミニウム酸窒化物から製造された、中空の円筒形の保持管（２１０）を備え、前記保持管は、前記保持管（２１０）の前端部（２１０Ａ）で複数のプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）（２０１−２０７）を収容するとともに前記保持管（２１０）の後端部（２１０Ｂ）でミキシングロッド（２２０）を収容するためのものであり、
   各ＰＯＦの後端部（２０１Ｂ−２０７Ｂ）は、前記ミキシングロッド（２２０）の前面（２２０Ａ）に取付けられ、前記ミキシングロッド（２２０）の後部凸面（２２０Ｄ）は、研磨され、高反射被膜で被覆されて、凸反射面を形成する、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）ベースの反射スターカプラ。
2. プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）ベースの反射スターカプラ（２００）であって、
   中空の円筒形の保持管（２１０）を備え、前記保持管は、前記保持管（２１０）の前端部（２１０Ａ）で複数のプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）（２０１−２０７）を収容するとともに前記保持管（２１０）の後端部（２１０Ｂ）でミキシングロッド（２２０）を収容するためのものであり、
   各ＰＯＦの後端部（２０１Ｂ−２０７Ｂ）は、前記ミキシングロッド（２２０）の前面（２２０Ａ）に取付けられ、前記ミキシングロッド（２２０）の後部凸面（２２０Ｄ）は、研磨され、高反射被膜で被覆されて、凸反射面を形成し、
   前記ＰＯＦ（２０１−２０７）および前記ミキシングロッド（２２０）を取付けられた前記保持管（２１０）は、気密封止パッケージに入れられる、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）ベースの反射スターカプラ。
3. 前記保持管（２１０）は、アルミニウム酸窒化物から製造される、請求項２に記載の反射スターカプラ（２００）。
4. 前記ミキシングロッド（２２０）の外径は、前記保持管（２１０）の内径に一致する、請求項１または２に記載の反射スターカプラ（２００）。
5. 前記ミキシングロッド（２２０）は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）で作られる、請求項１または２に記載の反射スターカプラ（２００）。
6. 前記ミキシングロッド（２２０）の前記後部面（２２０Ｄ）にある前記反射被膜は、入力信号を反射する凹面鏡を提供する、請求項１または２に記載の反射スターカプラ（２００）。
7. 反射スターカプラ（２００）の製造方法であって、
   複数のプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）（２０１−２０７）を、保持管（２１０）に挿入するステップと、
   研磨された後部凸面（２２０Ｄ）を有するミキシングロッド（２２０）を形成し、前記ミキシングロッド（２２０）の前記後部面を高反射材料で被覆するステップと、
   前記保持管（２１０）の内部で、各プラスチック光ファイバの後端部（２０１Ｂ−２０７Ｂ）に前記ミキシングロッド（２２０）の前面（２２０Ａ）を取付けるステップと、
   前記ＰＯＦ（２０１−２０７）および前記ミキシングロッド（２２０）を、前記保持管（２１０）の内側にエポキシ樹脂を用いて取付けるステップと、
   前記ＰＯＦ（２０１−２０７）および前記ミキシングロッド（２２０）を取付けられた前記保持管（２１０）を、気密封止パッケージに入れるステップとを備える、反射スターカプラ（２００）の製造方法。
8. 前記ミキシングロッド（２２０）の外径は、前記保持管（２１０）の内径に一致する、請求項７に記載の方法。
9. 前記保持管（２１０）を、アルミニウム酸窒化物から製造するステップをさらに備える、請求項７に記載の方法。
10. プラスチック光ファイバベースの反射スターカプラ（２００）、であって、
    中空の円筒形保持管（２１０）と、
    前記保持管（２１０）の前端部（２１０Ａ）に詰められ、エポキシ樹脂で該保持管（２１０）の内側に取り付けられた複数のプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）（２０１−２０７）、と
    前記保持管（２１０）の後端部（２１０Ｂ）において収容されたミキシングロッド（２２０）であって、前記ミキシングロッド（２２０）の外径が前記保持管（２１０）の内径に一致し、エポキシ樹脂で該保持管（２１０）の内側に取り付けられたミキシングロッド（２２０）とを有し、
    各ＰＯＦの後端部（２０１Ｂ−２０７Ｂ）が前記ミキシングロッド（２２０）の前面（２２０Ａ）に取り付けられ、
    前記ミキシングロッド（２２０）の後部の凸表面（２２０Ｄ）が研磨され、高反射被膜で被覆されて、凸反射面を形成し、
    前記ＰＯＦ（２０１−２０７）および前記ミキシングロッド（２２０）を取付けられた前記保持管（２１０）は、気密封止パッケージに入れられる、反射スターカプラ（２００）。

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