JPH1184182A - プラスチック光ファイバと受光素子との接続構造 - Google Patents

プラスチック光ファイバと受光素子との接続構造

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JPH1184182A
JPH1184182A JP9246790A JP24679097A JPH1184182A JP H1184182 A JPH1184182 A JP H1184182A JP 9246790 A JP9246790 A JP 9246790A JP 24679097 A JP24679097 A JP 24679097A JP H1184182 A JPH1184182 A JP H1184182A
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plastic optical
face
light receiving
light
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JP9246790A
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Isato Yunoki
勇人 柚木
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Sumitomo Wiring Systems Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラスチック光ファイバと受光素子との接続
損失を小さく抑えること。 【解決手段】 プラスチック光ファイバAの端面とフォ
トダイオードPDの受光面Rfとの間に、そのプラスチ
ック光ファイバA側からフォトダイオードPD側に向け
て外周面が順次縮径する光中継素子52を介在させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、特に高速光通信
用に用いられるプラスチック光ファイバと受光素子との
接続構造に関する。
【0002】
【従来の技術】プラスチック光ファイバは、一般に、他
の石英系光ファイバ等に比べてコア径が大きいため、プ
ラスチック光ファイバ同士の結合や他の光学素子との結
合が容易であるという利点がある。このため、それらの
結合に用いる構成部品に精度が厳しく要求されることな
く、光学的にアライメントし易い安価な光通信デバイス
として有用である。
【0003】専ら比較的低速な光通信が行われていた従
来においては、プラスチック光ファイバの端面に、フォ
トダイオード等の受光素子の受光面を直接対向配置させ
る構成が一般的であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年プ
ラスチック光ファイバを用いた高速光通信の研究が進む
につれて、プラスチック光ファイバとフォトダイオード
等の受光素子との結合に支障が生じてきた。
【0005】即ち、フォトダイオードの応答速度は、そ
の受光部表面の受光面に入射した光によって励起した電
子がその内部の電極に到達する時間によって決定され
る。このため、数百Mbps以上の高速光通信に適用可
能な応答速度を得るためには、フォトダイオードの受光
部自体を小型化して前記到達時間を短くする必要があ
る。
【0006】ところが、小さな受光部では、プラスチッ
ク光ファイバ端面から出射された光のうちの一部しか受
光することができないため、それらプラスチック光ファ
イバとフォトダイオードとの接続損失が大きくなってし
まうという問題が生じるのである。
【0007】そこで、この発明は上述したような問題を
解決すべくなされたもので、プラスチック光ファイバと
受光素子との接続損失を小さく抑えることが可能なプラ
スチック光ファイバと受光素子との接続構造を提供する
ことを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明の請求項1記載のプラスチック光ファイバ
と受光素子との接続構造は、プラスチック光ファイバ
と、前記プラスチック光ファイバの端面から出射された
光をその出射端面よりも小さな受光面によって受光する
受光素子とを備えたプラスチック光ファイバと受光素子
との接続構造であって、前記プラスチック光ファイバの
端面と前記受光素子の受光面との間に、そのプラスチッ
ク光ファイバ側から前記受光素子側に向けて外周面が順
次縮径する光中継素子を介在させたことを特徴とする。
【0009】なお、請求項2記載のように、前記光中継
素子のプラスチック光ファイバ側の端面を前記プラスチ
ック光ファイバのコアの大きさとほぼ同じに形成すると
共に、前記受光素子側の端面を前記受光素子の受光面と
ほぼ同じに形成するとよい。
【0010】また、請求項3記載のように、前記光中継
素子を前記プラスチック光ファイバのコアと同じ屈折率
の材質により形成してもよい。
【0011】さらに、請求項4記載のように、前記光中
継素子の外周面に、前記プラスチック光ファイバのクラ
ッドの屈折率よりも小さな屈折率の保護被覆層を形成し
てもよい。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる一実施形
態のプラスチック光ファイバと受光素子との接続構造に
ついて説明する。
【0013】まず、この接続構造が適用された光コネク
タについて、図1を参照して説明する。
【0014】光コネクタ1は、プラスチック光ファイバ
Aを保持する光ファイバ側ハウジング10と、プラスチ
ック光ファイバAの端面よりも小さな受光面を有するフ
ォトダイオードPDを収容するモジュール側ハウジング
30とから構成される。
【0015】光ファイバ側ハウジング10は、ハウジン
グ本体11及びこれに装着されるフェルール21とから
成る。フェルール21は、光ファイバAの被覆を剥取っ
た先端部に嵌着されるものであり、その筒状部22の外
周面のほぼ中間位置には、全周に亘って鍔部24が形成
される。
【0016】前記ハウジング本体11には、フェルール
21を収容する収容筒12が形成されており、その内径
はフェルール21の鍔部24の外径よりも若干大きくな
っている。また、その収容筒12の内面にはフェルール
21の筒状部22と摺接する鍔部13が形成されてお
り、フェルール21の位置決めの役割を果たしている。
【0017】また、フェルール21には、その鍔部24
より後方側にコイルバネ14が挿嵌されており、前記収
容筒12の後端部にはこのコイルバネ14を押圧するキ
ャップ15が嵌着されている。したがって、このコイル
バネ14によってフェルール21の鍔部24が前方に押
圧され、その結果この鍔部24が収容筒12の鍔部13
に係止されてフェルール21の後方への移動が防止され
る。なお、前記キャップ15には、光ファイバAが摺接
状態に貫通する孔15aが形成されており、この孔15
aを光ファイバAが貫通することにより、収容筒12の
後端部における光ファイバAの位置決めが行われる。
【0018】また、前記光ファイバ側ハウジング10に
は、その上面後端からほぼ中央部まで延びる係止片16
が設けられており、その先端部に形成された抜け止め用
係合突起17が前記モジュール側ハウジング30の係合
部33aに係合することによりモジュール側ハウジング
30に結合したファイバ側ハウジング10の抜けが防止
される。
【0019】また、前記係止片16には、操作部18が
形成されており、両ハウジング10,30の分離時に操
作部18が押し下げられることによって前記抜け止め用
係合突起17が係合部33aから離脱し、両ハウジング
10,30が分離される。
【0020】前記モジュールハウジング30は、ハウジ
ング本体31と内部ハウジング32とから構成される。
【0021】ハウジング本体31は、前後面が開放され
た箱状体であり、その上面板33の一部が切り欠かれて
前記ファイバ側ハウジング10の抜け止め用突起17が
係合する係合部33aが形成されている。
【0022】また、内部ハウジング32は、その前端部
がハウジング本体31の底面板34内部に固着されてお
り、その後部にファイバ側ハウジング10のフェルール
21先端部を受け入れる円筒状の導入部39,中間部に
後述する中継部50の収容部40及び前部にフォトダイ
オードPDの収容部41が設けられる。
【0023】導入部39は、光ファイバ側ハウジング1
0のフェルール21と対応する位置に設けられ、この導
入部39に受け入れられたフェルール21は、モジュー
ル側ハウジング30内の所定位置に位置決め保持され
る。
【0024】また、フォトダイオードPDの収容部41
の内周は、フォトダイオードPDの外形と対応する形状
に形成される。そして、収容部41内に収容されたフォ
トダイオードPDの下部に底板42が設けられると共
に、ハウジング本体31の前面に蓋体43が嵌着され、
この蓋体43に取付けられたスペーサ44を介してフォ
トダイオードPDが導入部39側に押された状態で固定
される。なお、フォトダイオードPD下部から延びるリ
ードLは、それぞれ底板42及び底板42と蓋体43と
の間を通ってモジュール側ハウジング30外部に導出さ
れている。
【0025】このとき、フォトダイオードPDの受光部
Rは、導入部39によって所定位置に位置決め保持され
るフェルール21の中心軸上に配設されるように構成さ
れる。
【0026】また、これら導入部39と収容部41との
間の収容部40は、その内径が導入部39よりも若干大
きく仕上げられており、この内部に中継部50が収容保
持される。
【0027】中継部50は、中継フェルール54内に光
中継素子52を収容保持してなる。
【0028】光中継素子52は、プラスチック光ファイ
バAのコアと同屈折率の材質により形成され、その後端
面がプラスチック光ファイバAの端面形状と対応する大
きさに仕上げられると共に、その前端面が、フォトダイ
オードPDの受光部Rの受光面と対応する大きさに仕上
げられる。また、その外周面が前記後端面から前端面に
向けて順次縮径するように仕上げられる。さらに、この
中継素子52の外周面には、プラスチック光ファイバA
のクラッドの屈折率よりも小さな屈折率の保護被覆層が
形成されている。
【0029】なお、このような光中継素子52は、例え
ば、プラスチック光ファイバを加熱しながらその両端側
から引っ張った後、冷却固化したテーパ状部分を切り出
すことにより製作することができる。また、その周面に
低屈折樹脂を塗布することにより、保護被覆層を形成す
ることができる。
【0030】中継フェルール54には、前記光中継素子
52の外周面形状と対応する形状の収容孔が形成され、
ここに光中継素子52が収容固定されている。
【0031】このように中継フェルール54を介して収
容部40に収容固定された光中継素子52は、その後側
の大径端面が導入部39内を後方から臨む位置に配置さ
れると共に、前側の小径端面がフォトダイオードPDの
受光部Rの受光面と対向する位置に近接又は接触して配
置されるようになっている。そして、光ファイバ側ハウ
ジング10とモジュール側ハウジング30とを接続する
と、導入部39にフェルール21を介して位置決め固定
されたプラスチック光ファイバAの先端面が、光中継素
子52の後端面と対向する位置に配置されるように構成
される。
【0032】このように構成された光コネクタ1は、モ
ジュール側ハウジング30の後面側に光ファイバハウジ
ング10を挿入すると、フェルール21が導入部39に
受け入れられることによって位置決めされ、プラスチッ
ク光ファイバA,中継素子52,フォトダイオードPD
の受光部Rとの光軸合わせが行われる。
【0033】また、このとき、前記係止片16の抜け止
め用突起17が係合部33aに係合して両ハウジング1
0,30の係合状態がロックされる。
【0034】次に、プラスチック光ファイバA端面から
出射された光が光中継素子52を通ってフォトダイオー
ドPDに入射する様子を図2を用いて説明する。
【0035】なお、図2では、プラスチック光ファイバ
Aのコア径が500μm,その開口数が0.3、フォト
ダイオードPDの受光面Rfの直径が100μm、及び
これらにあわせて光中継素子52のプラスチック光ファ
イバA側の端面径が500μm,フォトダイオードPD
側の端面径が100μm,その長さ寸法が5000μm
に仕上げられた場合であり、光中継素子52のプラスチ
ック光ファイバA側の端面の最下点P0を原点としてそ
の水平方向、鉛直方向にX軸,Y軸が設定されている。
【0036】この場合、図2の光中継素子52の光軸に
沿った断面上にその周面によって表される上下の直線
L,Mの傾斜角θは、±tan(200/5000)よ
り、およそ2.3゜となる。したがって、直線Lは、G
1(x)=−tan(2.3)×x+500で表され、
直線Mは、G2(x)=tan(2.3)×xで表され
る。
【0037】また、開口数0.3のプラスチック光ファ
イバA内を進行する光がその軸心、即ちX軸に対してな
す傾斜角は、約7.7゜である。この光が光中継素子5
2内に入射して点P0近傍で反射されると、その光には
2θ=4.6゜の傾斜が加えられることになるから、そ
の光の経路である直線P01は、f1(x)=tan
(12.3)×xで表される。
【0038】したがって、光と中継素子52周面の2回
目の反射点P1は、f1(x)=G1(x)より、P1(1
936.5,422.2)となる。
【0039】また、点P1で反射された光の経路である
直線P12は、f2(x)=−tan(16.9)×x
+1010.6で表されるから、次に光が中継素子52
周面で反射される点P2は、f2(x)=G2(x)よ
り、P2(2937.9,118.0)となる。
【0040】さらに、点P2で反射された光の経路であ
る直線P23は、f3(x)=tan(21.5)×x
−1039.3で表されるから、この次に、光が中継素
子52斜面で反射される点P3は、f3(x)=G
1(x)から、P3(3546.2,357.6)とな
る。
【0041】以下同様に、光中継素子52内で光の内部
反射が繰り返されながら、光中継素子52のより小径部
分に導かれた光は、光中継素子52の小径端面から出射
され、出射された光はフォトダイオードPDの受光面R
fに入射される(図2では、説明の便宜上光中継素子5
2端部と受光面Rfとがある程度離れているように描か
れているが、実際には、両者はかなり近い距離に近接配
置、又は、接触して配置されている)。
【0042】以上のように構成されたプラスチック光フ
ァイバAとフォトダイオードPDとの接続構造による
と、プラスチック光ファイバA端面から出射された光
は、光中継素子52のより小径部分に導かれて集束され
た後、その小径端面から出射されてフォトダイオードP
Dの受光面Rfに入射する。したがって、大きなコア径
のプラスチック光ファイバAと小径の受光面Rfを有す
るフォトダイオードPDを接続するに際して、その接続
損失を極力少なくすることができる。特に、光中継素子
52のプラスチック光ファイバA側の端面がそのプラス
チック光ファイバAのコアとほぼ同じ大きさに形成され
ているため、プラスチック光ファイバA端面から出射さ
れた光を効率よく光中継素子52内に入射させることが
でき、また、光中継素子52のフォトダイオードPD側
の端面が、受光面Rfとほぼ同じ大きさに形成されてい
るため、光中継素子52から出射された光を効率的に当
該受光面Rfに入射させることが可能となるため、この
点においても接続損失を小さく抑えることが可能であ
る。
【0043】なお、従来では、フォトダイオードを樹脂
パッケージ内にモールド成形する際に、半球レンズを埋
め込んで成形し、この半球レンズによってプラスチック
光ファイバ端面から出射された光を収束させる構成も採
られていた。
【0044】ところが、この場合、種々の開口数の光フ
ァイバが用いられる現状にあっては、その半球レンズの
集光性能と光ファイバとが整合しない場合に、大きな光
損失が発生することとなっていた。
【0045】しかしながら、この接続構造の場合、プラ
スチック光ファイバの開口数に整合する光中継素子52
を適宜選択して用いることが容易であり、汎用性に優れ
る。
【0046】また、フォトダイオードPDを覆う樹脂に
は、通常ポリカーボネート多機能樹脂(エポキシ系樹
脂)が用いられており、この樹脂の硬化後の屈折率は
1.56〜1.59と比較的高いものとなる。したがっ
て、光中継素子52から出射された光は、その樹脂内に
入射する際に、受光面Rfに対してより垂直に近い角度
に屈折してから受光面Rfに入射することになり、この
点でも接続損失が小さくなる。
【0047】また、光中継素子52の外周面にプラスチ
ック光ファイバAのクラッドの屈折率よりも小さな屈折
率の保護被覆層を形成しているため、その光中継素子5
2内を伝搬するにつれてその軸心に対する角度が大きく
なる光を効率的に反射させることが可能となる。
【0048】
【実施例】実際に、次に説明するようなプラスチック光
ファイバと受光素子との接続構造を製作し、それによる
接続損失を測定した。
【0049】即ち、接続のための構成として上記実施形
態と同様構成の光コネクタ1を用いた。
【0050】光中継素子52は、外径が750μm,屈
折率差0.02,伝送損失230dB/kmの旭化成工
業株式会社製SI−POF(ステップインデックス−プ
ラスチック光ファイバ)を加工形成したものを用いた。
加工形成は、そのSI−POFの端部にタコ糸を介して
100gの錘を吊り下げた状態で、SI−POFの一部
を10mmに亘って摂氏150℃で加熱して延伸し、硬
化した後、加熱変形させたテーパ状部分を切り出すこと
により行った。また、その加熱時間を5〜10秒の範囲
内で変化させることにより、光中継素子52の外周面の
傾斜角を変化させたものを複数種製作した。
【0051】また、中継フェルール54は、黄銅材を切
削加工して、その内部に光中継素子52を収容可能な収
容孔を形成した。
【0052】測定用の光源としては、住友電装製のGL
リンクのLEDモジュールを用い、これを精密安定化電
源で連続駆動させて、LEDの中心波長が700nmの
光を3dBmで出力させた。
【0053】このLEDモジュールによる光をフォトダ
イオードPDまで導くためのプラスチック光ファイバと
して、上記旭化成工業株式会社製SI−POFを2mの
長さに切断したものを用いた。
【0054】また、接続損失を測定するための測定装置
として、中心感度を700nmに設定したYokoga
wa製の光パワーメータ(品番3292)を用い、その
センサをフォトダイオードPDの代わりにモジュール側
ハウジング30の収容部41内に配置した。
【0055】そして、大径端面が750μm,小径端面
が250μm〜750μmの間で50μm刻みの光中継
素子52を、計11種類準備し、順次光中継素子52を
取り換えて、それぞれの場合における光中継素子52小
径端面からの光の出力を測定したところ次表1のように
なった。
【0056】
【表1】
【0057】なお、表1において面積比とある列は、光
中継素子52の小径端面とフォトダイオードPDの受光
面との面積比であり、光中継素子52小径端面から出射
した光がフォトダイオードPDの受光面Rfに入射する
際の損失は、この面積比に依存すると考えられるため、
その面積比から光中継素子52とフォトダイオードPD
間の接続損失(PD入射損失)を算出した。
【0058】そして、光中継素子52端面における光の
出力から上記算出したPD入射損失を差し引いて求めた
値を、中継素子52を介したプラスチック光ファイバA
とフォトダイオードPD間の接続損失(実PD入力)と
した。
【0059】さらに、先端部の径が750μmの光中継
素子52、即ち、外周面をテーパ状に形成していない光
中継素子52の実PD入力を基準として、これとの差を
テーパ利得として算出した。
【0060】この表1によると、光中継素子52小径端
面の径が小さいほど、即ち、その斜面の傾斜が大きいほ
ど、光の出力が小さくなることがわかる。しかしなが
ら、これに光中継素子52からフォトダイオードPDに
入射する際の損失を考慮すると、おおよそ光中継素子5
2の小径端面の径が小さいほど実PD入力が大きくな
り、それが250μmの場合と750μmの場合とで
は、5.139dBのテーパ利得があることがわかる。
【0061】以上から、光中継素子52の外周面がその
一方端側から他方端側へ順次縮径するように形成するこ
とにより、プラスチック光ファイバAとフォトダイオー
ドPD間の接続損失が小さくなり、特に、その先端部の
径をフォトダイオードPDの受光面に応じた大きさにし
たときに最も接続損失が小さくなることがわかる。
【0062】
【発明の効果】以上のように、この発明のプラスチック
光ファイバと受光素子との接続構造によると、プラスチ
ック光ファイバの端面と受光素子の受光面との間に、そ
のプラスチック光ファイバ側から受光素子側に向けて外
周面が順次縮径する光中継素子を介在させているため、
プラスチック光ファイバ端面から出射した光が光中継素
子によって集束された後、受光素子の受光面に入射する
ことになる。したがって、プラスチック光ファイバ端面
から出射された光のうちのより多くが受光素子の受光面
に入射することになり、両者間の接続損失を小さく抑え
ることが可能となる。
【0063】また、光中継素子のプラスチック光ファイ
バ側の端面をプラスチック光ファイバのコアの大きさと
ほぼ同じに形成すると共に、その受光素子側の端面を受
光素子の受光面とほぼ同じに形成すると、プラスチック
光ファイバ端面から出射させた光をより効率的に受光素
子の受光面に入射させることが可能となり、両者間の接
続損失がより小さくなる。
【0064】ところで、光中継素子の外周面は、プラス
チック光ファイバの端面から受光素子の受光面に向けて
順次縮径するように形成されているため、その内部を伝
搬する光が光中継素子周面に入射する角は、順次大きく
なる。そこで、光中継素子の外周面にプラスチック光フ
ァイバのクラッドの屈折率よりも小さな屈折率の保護被
覆層を形成すると、その光を効率的に伝搬させることが
可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明にかかる一実施形態の光コネクタを示
す断面図である。
【図2】プラスチック光ファイバとフォトダイオードと
の接続構造における光の伝搬の様子を示す断面図であ
る。
【符号の説明】
52 光中継素子 A プラスチック光ファイバ PD フォトダイオード Rf 受光面

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プラスチック光ファイバと、 前記プラスチック光ファイバの端面から出射された光を
    その出射端面よりも小さな受光面によって受光する受光
    素子とを備えたプラスチック光ファイバと受光素子との
    接続構造であって、 前記プラスチック光ファイバの端面と前記受光素子の受
    光面との間に、そのプラスチック光ファイバ側から前記
    受光素子側に向けて外周面が順次縮径する光中継素子を
    介在させたことを特徴とするプラスチック光ファイバと
    受光素子との接続構造。
  2. 【請求項2】 前記光中継素子のプラスチック光ファイ
    バ側の端面を前記プラスチック光ファイバのコアの大き
    さとほぼ同じに形成すると共に、前記受光素子側の端面
    を前記受光素子の受光面とほぼ同じに形成したことを特
    徴とする請求項1記載のプラスチック光ファイバと受光
    素子との接続構造。
  3. 【請求項3】 前記光中継素子が前記プラスチック光フ
    ァイバのコアと同じ屈折率の材質により形成されたこと
    を特徴とする請求項1又は2記載のプラスチック光ファ
    イバと受光素子との接続構造。
  4. 【請求項4】 前記光中継素子の外周面に、前記プラス
    チック光ファイバのクラッドの屈折率よりも小さな屈折
    率の保護被覆層が形成されたことを特徴とする請求項3
    記載のプラスチック光ファイバと受光素子との接続構
    造。
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