JPH0273207A - 光導波路部品の実装構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光学基板に形成された光導波路に、光入出力
用の先ファイバを接合して固定する光導波路部品の実装
構造に関するものである。

（従来の技術） 第２図は、従来の光導波路部品の実装構造を示す斜視図
である。第２図において、１は例えば黄銅からなる光導
波路部品の実装ケースで、中央部に光学基板保持台１ａ
が設けられた底板１ｂを有し、底１＆１ｂの長手方向両
端には側板ＩＣがそれぞれ設けられている。２は光導波
路３が形成された、例えばＬ　ｉＮ　ｂ　Ｏａ結晶から
なる光学基板で、実装ケース１の光学基板保持台ｌａ上
に比較的柔軟性の良い常温硬化型接着剤４により接着固
定されている。５は光フアイバ心線で、被覆５ａが除去
された部分の光ファイバ５ｂの光入出射端面が光導波路
３の端面３ａと、例えば°紫外線硬化型接着剤で接合さ
れて接合部６が構成され、かつ光フアイバ心線５の軸方
向途中部分が実装ケース１の側板ＩＣに形成された溝に
埋設され、接着剤で固定されて固定部７が構成されてい
る。８は接合部６の補強用パイプである。

次に、実装ケース１への光学基板３並びに光ファイバ５
ｂの実装工程を、第３図に基づいて順を追って説明する
。

まず、Ｔｉ熱拡散法で光導波路３が形成されたＬ　ｒ　
Ｎ　ｂ　Ｏａ結晶からなる光学基板２を所望の大きざに
切断すると共に、光導波路３の端面３ａを光学研磨する
。次いで、第３図（ａ）に示すように、光学基板２を常
温硬化型接着剤４により光学基板保持台ｌａ上に接着固
定する。

続いて、第３図（ｂ）に示すように、予め光ファイバ５
ｂの外径よりも大きな径の貫通孔を有する補強用パイプ
８に、光ファイバ５ｂを掃通しておく。この状態で、光
ファイバ５ｂのコアから出射した光線が光学基板２内の
光導波路３の端面３ａに結像する位置となるように、顕
微鏡で光導波路３と光ファイバ５ｂのコアを観察しなが
ら、最適位置の調整を行なう。

次に、第３図（Ｃ）に示すように、光ファイバ５ｂのコ
アから出射した光線が光導波路３の端面３ａに結像する
最適位置になった時点で、光ファイバ５ｂの光入出射端
面部、補強用パイプ８並びに光学基板２（光導波路３の
端面部）に紫外線硬化型接着剤９（第３図（ｄ））を塗
布する。その後、補強用パイプ８を光学基板２に接触す
るように、光ファイバ５ｂの軸に沿って移動させる。

次に、第３図（ｄ）に示すように、光ファイバ５ｂのコ
アの最終的な結像位置の調整を行ない、この調整終了後
に紫外線硬化型接着剤９が硬化する所定時間だけ紫外線
照射を行ない接合部６を固定する。

このように、光導波路３の端面３ａに接合し、固定した
光ファイバ５ｂを外力から保護し、接合部６を破断させ
ることを防止する目的のため、接合部６から所定間隔を
もって設けである実装ケース１の側板１ｃ（第１図）に
形成した溝に、被覆５ａを除去していない光ファイバ心
ａＩ５の光軸方向途中部分を埋設し、接着剤で固定して
いた。

以上のように実装することによって、使用時に作用する
外力から各光導波路部品を保護し、信頼性の向上を図っ
ていた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記実装構造によれば、実装ケース１を
構成する黄銅の熱膨張係数は約１８　ｐｐｍ／ｄｅｇ程
度であるのに対して、Ｌ　Ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏａ結晶を切断
研磨した、いわゆる２板からなる光学基板２の阪面内の
熱膨張係数は約１５０　ｐｐｍ／ｄｅｇと、約１０倍の
大きさを有している。このため、実装ケース１の光学基
板保持台１ａに固定された光学基板２内の光導波路３の
端面３ａは、周囲温度が変化した場合、光学基板２の板
面と並行して変位することになる。従って、前述したよ
うに光導波路３の端面３ａ並びに実装ケース１の側板Ｉ
Ｃに接合、固定された光ファイバ５ｂには、実装ケース
１の熱膨張による変位と光導波路３の端部の変位の差分
にＦ目当する変位が発生することになり、接合部６の光
導波路３の端面３ａと光ファイバ５ｂの光入出射端面と
の接合面が、剥離あるいは破断してしまい、光損失の増
大や破断故障が発生するという問題点があった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、周囲温度が変化し
たとしても、光導波路端面と光フアイバ端面との接合面
が剥離あるいは破断する恐れのない、信頼性の高い光部
品を実現できる光導波路部品の実装構造を提供すること
にある。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するために、実装ケースに保持
した光学基匿に形成された光導波路端面と光ファイバの
光入出射端面とを接合した接合部と、前記先ファイバの
軸方向途中を前記実装ケースに固定した固定部を有する
光導波路部品の実装構造において、前記接合部と前記固
定部間に前記光ファイバを座屈させて形成した応力緩和
部を設けた。

（作　用） 本発明によれば、使用時の温度が実装時の温度と比較し
て、高温側ではＦ１合部と固定部間の光ファイバには圧
縮荷重が作用し、実装時の温度よりも低温側では引張荷
重が作用する。これらの荷重は、予め先ファイバに設け
た応力緩和部で緩和されて、接合部の強度以下となり、
接合部の剥離、破断が防止される。

（実施例） 第１図は、本発明の係る光導波路部品の実装構造の一実
施例を示す斜視図であって、従来例を示す第２図と同一
構成部分は同一符号をもって表す。

即ち、１は黄銅からなる実装ケース、１ａは底板１ｂの
中央部に設けられた光学基板保持台、ｌｃは底板１ｂの
長手方向両端に設けられた側板、２はＬ　ｉＮ　ｂ　Ｏ
３結晶からなる光学基板、３は光学基板２に例えばＴｉ
拡散法で形成された光導波路、３ａは光導波路３の端面
、４は光学基板２の固定用常温硬化型接着剤、５は光フ
アイバ心線、５ａは光フアイバ心線５の被覆、５ｂは光
ファイバ（彼ｍ　５　ｇを除去した部分）、６は光導波
路３の端面３ａと光ファ、イバ５ｂの先入出端面との接
合部、８は接合部６の補強用バイブ、９は接合部６の固
定用紫外線硬化型接着剤である。

１０は光フアイバ心線５の外径よりも大きな内径を有す
る光ファイバ５ｂの保護用バイブで、その先端部は貫通
孔１０ａが接合部６に対向するように実装ケース１の側
板ＩＣに貫通して取り付けられている。１１は、光ファ
イバ５ｂを座屈させて形成した応力緩和部、１２は光フ
アイバ心線５の彼ｍ　５　ａ端部をバイブ１０の後端部
に接着剤で固定した固定部である。

以上の構成において、光ファイバ心ＬＸ５の被覆５ａが
除去された端部をバイブ１０の貫通孔１０ａに挿通し、
次いで光ファイバ５ｂの光入出射端面を光導波路３の端
面３ａと接合、固定した後、予め軸方行に座屈荷重Ｐ　
ｅｒｒを加えて座屈形状とした応力緩和部１１を設けて
おき、被覆５ａ端部とバイブ１０の後端部とを接着剤で
固定して、固定部１２を構成している。

また、第１表は、上記構成による各部材の材料定数と接
着剤の破断強度を示したものである。

Ｄｆ＝直径、Ｅｆ：ヤング率 上記第１表のように、本実施例では、光学基板２の熱膨
張係数が実装ケース１の熱膨張係数と著しく異なってい
るため（約１桁）、使用時の温度が実装時の温度と比較
して、高側側では光ファイバ５ｂに圧縮荷重が作用し、
低温側では引張荷重が作用する。また、温度上昇時に、
荷重が前述した座屈荷重Ｐ　ｃｒｒを超えると、荷重は
一定のままで、光ファイバ５ｂの端部の変位が進むこと
になる。

これら引張荷重（低温側）あるいは圧縮荷重（高温側）
が接合部６に作用することになり、これにより生じる恐
れのある接合部６の剥離あるいは破断を防止するため、
両荷重が接合Ｈ６の強度以下となるように、応力緩和部
１１が設けられている。

以下に、そのメカニズムを詳述する。なお、従来のもの
との相違を明確にするために、応力緩和部１１を設けて
いない実装構造と対比させながら説明する。

第４図は、光ファイバの実装構造を示す断面図で、第４
図（ａ）は応力緩和部を設けていない、いわゆる直線的
な実装構造を示す断面図、第４図（ｂ）は応力緩和部を
設けた実装構造を示す断面図である。なお、図中の各部
材には第１図と同じ符号を付しである。

ここで、第４図の各部の寸法（長さ）を第５図に示すよ
うに設定する。即ち、光学基板２の等価的な長さをａＳ
Ｓ実装ケース１の側板１ｃに取り付けたバイブ１０の後
端部までの等価的な実装ケース１の長さをｐｃ、光ファ
イバ５ｂの長さをｆＩｆ、光学基板２、実装ケース１並
びに光ファイバ５ｂの熱膨張係数をそれぞれαＳ、αＣ
並びにαｆとし、実装時の温度に対応した各部長さをｆ
ｌ　ｓｏ、　ｊｌ　ｃｏ、　ｆｌ　ｆｏとすると、周囲
温度の変化に伴なう、各部の熱変形は次式の関係が成立
する。

ｌ　ｓ＝、１７　ｓｏ　　（１＋ａｓ−Ｔ）＝１ｓｏ（
１＋εＳ）　　　　　・・・　（１）ｐ　ｃ　−１ｃｏ
　（１＋ａｃ−Ｔ） 璽＃ｃｏ（１＋εＣ）　　　　　・・・　（２）Ｉｆ　
　−Ω　ｆ　Ｏ（１＋　α　ｆ−Ｔ）−，１）ｆｏ（１
＋　ε　ｆ）　　　　　　　・・・　　（３）但し、ε
Ｓ：光学基板２の熱歪み率 εＣ：等価的な実装ケース１の熱歪み率εｆ：光ファイ
バ５ｂの熱歪み率 Ｔ　：温度変化量 第４図（ａ）に示すような実装構造の場合には、これら
の熱変形によって、光ファイバ５ｂに作用する荷ｆ［［
Ｐｆは、ヤング率をＥｆとすると、Ｐｆ−Ｅｆ・εｆ′
・Ａｆ　　　・・・　（４）但し、εｆ″層εｆ−（ε
ｓ　ｍｌ　ｓｏ−εＣ・ＩＣ０）／Ωｆｏ・・・　（５
） Ａｆ−π・　（Ｄｆ／２）２ （光ファイバ５ｂの断面積） Ｄｆ：光ファイバ５ｂの直径 となる。

一方、第４図（ｂ）に示すように、長さＩｆの光ファイ
バ５ｂが座屈する状態における軸方向の座屈荷重Ｐｃｒ
ｆは次の式で与えられる（例えば「奥村二機械工学全書
「材料力学」、コロナ社」参照）。

Ｐｃｒｒ　−ｙｒ　　　　−Ｅｆ−Ｉｆ／Ω　ｆｋ２ 但し、Ｉｆ−πＤｆ”／８４　　　　　・・・　（７）
（光ファイバ５ｂの断面２次モーメント）Ａｆｋ’＝０
．５・Ｎｆ（両端固定状態）・・・　　（８） 以上のような各式に基づいて、軸方向の荷重Ｐｆ並びに
座屈荷重Ｐ　ｃｒｒを試算した結果を第６図に示す。

第６図（ａ）は、光学基数２の寸法を２５＋＋ｕ＋＋及
び５５ｍ＋ｓ、温度変化幅Ｔ（実装時の温度より低温側
）を２５度及び５０度とした場合について、第４図（ａ
）に示す実装構造における光ファイバ５ｂの長さＮｆｏ
（実装時の温度に対応する長さ）と軸方向の引張荷重Ｐ
ｆの関係を示している。図において、縦軸は引張荷重Ｐ
ｆ、ｔｆｆｔ軸は光ファイバの長さｌｆｏを表しており
、破線が光学基板２の長さｉｓが２５ｍｍの場合、実線
が長さＩＩｓが５０朋の場合を示している。

また、第６図（ｂ）は、第４図（ｂ）に示す実装構造に
おける座屈状態の光ファイバ５ｂに作用する座屈荷重Ｐ
ｃｒｆと光ファイバ５ｂの長さｊ７ｆ。

との関係を示している。図において、縦軸は座屈荷重Ｐ
ｃｒｆ、横軸は光ファイバの長さｊｌｆｏを表している
。なお、第６図（ａ）、　（ｂ）の両図中において、一
定路線で示す直線は、接合部６の許容破断荷重ｐｔｈを
示している。

第６図から明らかなように、第４図（ａ）のように座屈
を行なわず応力緩和部を設けない実装構造の場合には、
光学基板２の長さＩｇと周囲温度の変化幅Ｔに依存する
。例えば、光学基板２の長さρＳが２５ｍｍ、温度変化
幅Ｔが２５度の場合、少なくとも光ファイバの長さｌｆ
ｏを３０ＩＩ１１以上にする必要がある。これに対して
、第４図（ｂ）に示すように、予め座屈して応力緩和部
１１を設けた実装構造においては、少なくとも光ファイ
バ５ｂの長さｌｆｏを４■ｍ以上とすれば、接合部６の
剥離または破断を防止できることがわかる。

第７図は、上記したように、光導波路３の端面３ａとそ
の先出入射端面が補強バイブ８と共に接合した光ファイ
バ５ｂの力学的特性の実測結果を示すグラフである。縦
軸は荷重、横軸は変位量を表しており、光ファイバの長
をパラメータとしている。

第７図によれば、光ファイバ５ｂに引張荷重が作用する
状態（グラフの第１象限）では、引張荷重の増大と共に
弾性的に変位し、光ファイバの長さｌｆｏが１０順の試
料では、作かな変位（約３０μｍ　（歪み率：　０．０
３％相当）、荷重：２５０ｇｒ）において、接合部６は
破断する。また、圧縮荷重を作用させた状態（グラフの
第３象限）では、変位量が約４μｍのＡ点に達するまで
は弾性変形するのに対し、それ以上では座屈変形して荷
重が一定のまま変位量が増大し、やがて変位量が約３０
０μｍのＢ点に達すると光ファイバ５ｂはほぼ中央で破
断する。

この第７図の関係からもわかるように、第４図（ａ）に
示す応力緩和部を設けない実装構造の場合、実装時の温
度より高温側で使用すれば光ファイバ５ｂに圧縮荷重が
作用し、逆に、低温側で使用すれば先ファイバ５ｂに引
張荷重が作用することは明らかである。特に、光ファイ
バの長さが短い場合には、低温側で引張荷重が接合部６
の破断強度を超え、光部品の故障に至る可能性が高い。

従って、このような故障を防止するためには、先ファイ
バ心線５の被８！５ａの端部を、実装ケース１に取り付
けたバイブ１０の後端部に固定する際に、軸方向に荷重
を印加して光ファイバ５ｂを予め座屈変形させて、第７
図中のＡ点とＢ点との中間の状態、例えば６点の状態に
しておくことが必要である。

例えば、光学基板２の長さＮＳが２５１１１１１で、両
側に長さ１０１１Ｉ１１に亘って被ａ　５　ａを除去し
た、光ファイバ心ｔ１５の光ファイバ５ｂを実装する場
合、約５０度の温度変化によって約７０μｍの変位が光
ファイバ５ｂに作用することになるが、予め６点となる
ように座屈変形させて実装すれば、この温度変化中も３
５ｇ「程度の荷重が接合部６に作用するだけである。こ
のようにして実装された光導波路部品は、広い温度範囲
で使用しても、その先ファイバ５ｂや接合部６に作用す
る圧縮荷重は低い値でほぼ一定に保持され、安定な動作
が可能となる。

以上のように、本実施例によれば、光学基板２内の光導
波路３の端面３ａに、光ファイバ５ｂの光入出射端面を
接合し、その光ファイバ５ｂを実装ケース１（本実施例
では、実装ケース１に取り付けたバイブ１０の後端部）
に固定して、保持する場合、実装ケース１や光学基板２
の使用温度範囲における熱歪みを考慮して、光フアイバ
心線５の彼ｆｆ１５ａを除去した部分の光ファイバ５ｂ
の長さを選定すると共に、接合後、予め熱歪みを緩和で
きるように座屈した状態で、実装ケース１に固定して応
力緩和部１１を設けたので、使用中における上記熱歪み
に起因する接合部６の剥離、破断を防止することができ
る。

なお、本実施例においては、１本の光ファイバを実装す
る構造について説明したが、これに限定されるものでは
なく、複数の光ファイバを実装する構造にも、本発明が
適用できることは言うまでもない。

また、光ファイバ５ｂの外周部には、微小な傷が存在す
る場合、繰り返し歪みあるいは水分の吸着等により、著
しい強度劣化を起こす可能性がある。これを防止し、か
つ応力緩和機能を実現するためには、弾性率が低く、吸
湿性の小さいシリコン系の樹脂等で、再被覆することが
望ましい。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、実装ケースに保
持した光学基板に形成された光導波路端面と光ファイバ
の光入出射端面とを接合した接合部と、前記光ファイバ
の軸方向途中を前記実装ケースに固定した固定部を有す
る光導波路部品の実装構造において、前記接合部と前記
固定部間に前記光ファイバを座屈させて形成した応力緩
和部を設けたので、実装ケースと光学基板の熱膨張係数
の差に起因する光ファイバへの圧縮荷重または引張荷重
を応力緩和部で緩和でき、使用中における接合部の剥離
、破断を防止できる。従って、光損失の増大や破断故障
の発生する恐れはなく、信頼性の高い光部品を実現でき
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光導波路部品の実装構造の一実施
例を示す斜視図、第２図は従来の光導波路部品の実装構
造を示す斜視図、第３図は光学基板及び光ファイバの実
装工程の説明図、第４図は光ファイバの実装構造を示す
断面図、第５図は第４図の各部材の等価的寸法を示した
図、第６図は本発明に係る光ファイバの引張荷重及び座
屈荷重と光ファイバ長との関係を示すグラフ、第７図は
本発明に係る光ファイバの力学的特性を示すグラフであ
る。 図中、１・・・実装ケース、１ａ・・・光学基板保持台
、１ｃ・・・側板、２・・・光学基板、３・・・光導波
路、３ａ・・・光導波路の端面、５・・・光フアイバ心
線、５ａ・・・被覆、５ｂ・・・光ファイバ、６・・・
接合部、８・・・補強用バイブ、１０・・・保護用バイ
ブ、１１・・・応力緩和部、 ２・・・固定部。 特 許 出 願 人 日本電信電話株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　実装ケースに保持した光学基板に形成された光導波路
   端面と光ファイバの光入出射端面とを接合した接合部と
   、前記光ファイバの軸方向途中を前記実装ケースに固定
   した固定部を有する光導波路部品の実装構造において、 前記接合部と前記固定部間に前記光ファイバを座屈させ
   て形成した応力緩和部を設けた ことを特徴とする光導波路部品の実装構造。