JPWO2004040345A1 - 光接続構造 - Google Patents

Abstract

本発明による光接続構造は、各々ファイバ端面がその端面にて露出するように光ファイバ８が挿入固定された第１及び第２のフェルール６と、第１及び第２のフェルールの端面同士が当接するようにこれらを同軸上で保持するスリーブ１０と、スリーブを囲むように設けられその外側からスリーブに向かって複数の開口２６を有するハウジング２０と、ハウジングの開口に螺合する複数のネジ２４とを備えている。そして、複数のネジのねじ込み量に応じて第１及び第２のフェルールの調芯を可能にしている。この構成によると、ＭＦＤが小さく融点が異なるファイバ同士であっても容易に且つ低損失で接続することができるようになる。

Description

本発明は、一般的に光コネクタその他の光デバイスに適用可能な光接続構造に関し、更に詳しくはモードフィールド径の小さな光ファイバに適した光接続構造に関する。

近年のフォトニックネットワークの進展により、高密度波長分割多重通信システム（ＤＷＤＭ）の発展はめざましい。ＤＷＤＭの導入により、数十から数百チャネルの信号を１本の光ファイバで伝送することが可能となる。通信事業者は、既設の光ファイバ伝送路にＤＷＤＭ装置を接続することにより、新たに伝送路を敷設することなく、低コストに伝送容量を上げることが可能となる。
ＤＷＤＭシステムでは、汎用的シングルモードファイバ（ＳＭＦ）よりも、モードフィールド径（ＭＦＤ）の小さな光ファイバが多用される。システムの中で使用される例として、（１）光増幅ファイバ、（２）分散補償ファイバ、（３）短波長励起光源用ファイバなどが挙げられる。
光増幅器における増幅媒体としては、希土類誘導放出を用いるもの、非線形光学効果である誘導ラマン散乱を用いるものが、商用ベースとなっている。希土類誘導放出では、エルビウム（Ｅｒ）等の希土類を光ファイバのコア及びその近傍にドープし、信号光と励起光を合波して入射させ、Ｅｒの誘導放出により増幅を行う。励起効率を高め、誘導放出を効率的に行うためには、信号光と励起光を狭い領域に閉じ込め、エネルギー密度を高めることが望ましい。
光ファイバの中でエネルギー密度を高める手法として、一般的にＭＦＤを小さくすることが知られている。通常のＳＭＦでは１０μｍ程度であるＭＦＤをＥｒ添加ファイバでは４〜７μｍまで小さくしている。
また、ＤＷＤＭシステムに使用される分散補償ファイバ、短波長励起光源用ファイバにおいても、ＭＦＤを小さくする必要があることが知られている。分散補償ファイバでは、所要の分散値を得るため、また、短波長励起光源用ファイバでは、シングルモード伝搬条件を得るためである。
このようなＭＦＤを小さくしたファイバから光伝送路であるＳＭＦに光を低損失に導く方法として、（１）モード変換融着接続、（２）コア拡大（ＴＥＣ）ファイバとの接続などの手法が一般的に行われている。
しかしながら、モード変換融着接続は、融点の同じファイバ同士でなければ行うことができない。また、ＴＥＣファイバは高価であり、経済的ではない等の問題がある。

よって、本発明の目的は、ＭＦＤが小さく融点が異なるファイバ同士であっても容易に且つ低損失で接続することができる光接続構造を提供することである。
本発明の他の目的は、広い温度範囲にわたって損失特性等が安定した光接続構造を提供することである。
本発明の更に他の目的は以下の説明から明らかになる。
本発明によると、各々ファイバ端面がその端面にて露出するように光ファイバが挿入固定された第１及び第２のフェルールと、第１及び第２のフェルールの端面同士が当接するようにこれらを同軸上で保持するスリーブと、スリーブを囲むように設けられその外側からスリーブに向かって複数の開口を有するハウジングと、ハウジングの開口に螺合する複数のネジとを備えた光接続構造が提供される。そして、複数のネジのねじ込み量に応じて第１及び第２のフェルールの調芯を可能にしている。
この構成によると、ネジのねじ込み量に応じてフェルール同士の調芯が可能になるので、製造誤差等によりＭＦＤの小さなファイバ同士の接続が困難な場合でも容易に調芯を行って損失の低減を図ることができる。
望ましくは、フェルールの熱膨張係数はハウジングの熱膨張係数よりも大きい。こうしておくと、常温にて調芯を行って使用時に高温になった場合に、フェルール同士の圧接力が増大する方向にハウジング及びフェルールが膨張するので、広い温度範囲にわたって低損失を安定に維持することができる。

図１（Ａ）は従来の光接続構造の断面図、図１（Ｂ）はその詳細断面図；
図２は接続損失とファイバ偏芯量の関係を示すグラフ；
図３（Ａ）は本発明による光接続構造の第１実施形態を示す正面図、図３（Ｂ）はその一部破断正面図；
図４（Ａ）は本発明による光接続構造の第１実施形態を示す詳細断面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）におけるＡ−Ａ´断面図；
図５は接続損失の測定系を示すブロック図；
図６（Ａ）は本発明による光接続構造の第２実施形態を示す詳細断面図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）におけるＡ−Ａ´断面図；
図７は本発明による光接続構造の第３実施形態を示す正面図；
図８は本発明による光接続構造の第４実施形態を示す正面図；
図９（Ａ）は本発明による光接続構造の第５実施形態を示す詳細断面図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）におけるＢ−Ｂ´断面図、図９（Ｃ）は図９（Ａ）におけるＡ−Ａ´断面図；そして
図１０（Ａ）及び（Ｂ）は本発明を実施する場合における熱膨張による影響を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。
図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照すると、本発明との対比において従来の光接続構造が示されている。図１（Ａ）はその断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）にＢで示される光接続部の詳細断面図である。
この光接続構造は、一対の光コネクタ２をアダプタ４により突き合せることにより提供される。ここでは、日本工業規格で規定されているＪＩＳ Ｃ５９６２Ｆ０１型の光コネクタが示されている。
光コネクタ２は、ファイバ端面がその端面にて露出するように光ファイバ８が挿入固定されたフェルール６を有している。アダプタ４は、フェルール６の端面同士が当接するようにこれらを同軸上で保持するための形状のスリーブ１０と、スリーブ１０が抜けないようにこれを遊びをもって保持するハウジング１２と、ハウジング１２を両側から固定する本体１４とを有している。コネクタ２をアダプタ４に装着し、コネクタ本体に対して回転可能に設けられている雌ネジ部材１６をアダプタ４の本体１４に形成されている雄ネジ部に螺合することによって、フェルール６同士が当接して、光ファイバ８同士の光結合がなされるようになっている。
スリーブ１０は、具体的にはＣ字断面を有する弾性変形可能な割りスリーブであり、この割りスリーブはフェルール６の外径よりも僅かに小さな内径を有している。従って、フェルール６がスリーブ１０を押し拡げるようにフェルール６をスリーブ１０に挿入することにより、フェルール１０に挿入固定されている光ファイバ８をスリーブ１０に対して相対的に位置決めすることができる。これは、フェルール６の外径精度は０．５μｍ以内、内径精度は１μｍ以内、ファイバ貫通孔の同軸度は１．４μｍ以内と極めて高精度に加工されているからである。
このように、スリーブ及びフェルールの高精度な加工技術により、従来は光ファイバ同士を突き合せてこれらの端面を密着させることで光漏れを防止し、高い光結合効率を得ていたのであるが、ＭＦＤが小さな光ファイバでは、加工精度の誤差等により芯ずれが光結合効率に及ぼす影響が無視することができなくる。これを詳細に説明する。
光接続構造における芯ずれの要因において、フェルール加工精度に因るものとしては、外径精度が０．５μｍ、内径精度が０．５μｍ、ファイバ貫通孔の同軸度が０．７μｍであり、光ファイバの製造精度に因るものとしては、コア偏芯が１μｍであり、これらの合計としての最大芯ずれ量は２．７μｍ、２乗平均による統計的芯ずれ量は１．９９μｍとなる。
このような芯ずれにより、前述した光接続構造等の対向した光ファイバの接続においては光結合効率が低下し接続損失が生じる。一般的に、同じＭＦＤを有する光ファイバ同士の接続における接続損失ηは次の式により算出される。
η＝ｅｘｐ（−χ^２／ω^２）
ここで、χは光軸に対する偏芯量（μｍ）、ωはＭＦＤの１／２として定義されるスポットサイズ（μｍ）である。
図２はＭＦＤが４μｍ、５μｍ、６μｍ及び１０μｍの場合について上式により接続損失を計算して偏芯量に対してプロットすることで得られたグラフである。前述した統計的芯ずれ量での接続損失は、ＭＦＤが１０μｍのファイバでは０．７ｄＢ程度であるが、ＭＦＤが５μｍのファイバでは約２．８ｄＢ、ＭＦＤが４μｍのファイバでは約４．３ｄＢと大きな損失が生じていることがわかる。
光接続構造に供される様々な種類の光ファイバとしては、次に示すようなものがある。光伝送路として用いられるシングルモードファイバのＭＦＤは１０μｍ、光増幅器に用いられるＥｒ（エルビウム）ドープファイバのＭＦＤは４〜７μｍ、同じく光増幅器に用いられる非石英（フッ化物、テルライト他）の希土類ドープファイバのＭＦＤは４〜７μｍ、比較的に短波長（例えば０．９８μｍ）の励起光用のファイバのＭＦＤは４〜７μｍ、分散補償ファイバのＭＦＤは６〜７μｍである。
従って、図２に示される結果を考慮すると、従来技術でＥｒドープファイバを接続する場合、接続損失が無視することができない程に大きくなり、信号強度の低下等の問題が生じることになる。
これに対して、モード変換によるスプライス接続を採用することが提案され得るが、この場合モード変換用に別途光ファイバが必要であり、スペース等の制約によりこれを採用し得ない場合がある。また、光伝送路として使用される石英ファイバと融点の異なるファイバ（フッ化物、テルライト、ビスマス、カルコゲナイト等の非石英ファイバ）に対してはこの方法を採用することができない。
そこで、本発明では、外径基準で嵌合させるフェルールを介した光接続構造において、部品公差により生じる偏芯を補正する機構を施すことにより、高精度な調芯を可能にして、低損失で安定した光接続構造を提供するものである。
図３（Ａ）は本発明による光接続構造の第１実施形態を示す正面図、図３（Ｂ）はその一部破断正面図である。ここでは、図１に示される２つの光コネクタ２が用いられており、光コネクタ２のフェルール６同士を突き合わすためのスリーブ１０を有するアダプタ１８が用いられている。
スリーブ１０は、これが抜け落ちないような構造を有するハウジング２０内に保持されている。ハウジング２０には６つのネジ孔２６が形成されており、各ネジ孔２６にはネジ２４が螺合している。ネジ２４の先端はスリーブ１０の外側に当接し、従って、ネジ２４のねじ込み量に応じてスリーブ１０を介してネジ２４によりフェルール６を押圧することができる。
図４（Ａ）は本発明の第１実施形態の詳細断面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）におけるＡ−Ａ´断面図である。ハウジング２０のネジ孔２６に螺合する６つのネジ２４のうちの３つは一方のフェルール６に対応して設けられており、残りの３つのネジ２４は他方のフェルール６に対応して設けられている。具体的には、３つのネジ２４は、図４（Ａ）の左側に位置しているフェルール６の断面円周方向に沿って等間隔に設けられており、残りの３つのネジ２４は、同右側に位置するフェルール６の断面円周方向に沿って等間隔に３つ設けられている。
この構造によると、図４（Ｂ）に示されるように、３つのネジ２４のねじ込み量を適宜調節することによって、スリーブ１０を開示してネジ２４の押圧力をフェルール６に対して作用させることができ、Ａ−Ａ´断面に相当するＸＹ平面上でフェルール６のハウジング２０に対する相対的な位置を調節することができる。
フェルール６のハウジング２０に対する位置調節は、例えば次のようにして実施することができる。
図５は損失の測定系を示すブロック図である。光源２８からの光は光ファイバ３０を介して本発明による光接続部３２に入力される。光接続部３２を通った光は光ファイバ３４により光パワーメータ３６に供給される。
光源２８の出力を一定にしておくと、光接続部３２における接続損失に応じて光パワーメータ３６で検出される光パワーが変化する。従って、光パワーメータ３６によって検出される光パワーが最大になるようにフェルール６の位置調節を実施することによって、ＭＦＤが小さく融点が異なるファイバ同士であっても容易に且つ低損失で接続することができる。
図６（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ本発明の第２実施形態を図４（Ａ）及び（Ｂ）と同じように示した図である。第１実施形態では、フェルール６は光ファイバ８を挿入固定した状態でその端面を所謂ＰＣ研磨されている。ＰＣ研磨は、フェルール６の軸を研磨用の回転バフ面に対して垂直に設定しておくことによって、フェルール６の端面を概ね球面状に仕上げる研磨方法である。これにより、当該球面の先端に位置する光ファイバ８の端面同士を大きな圧力で密接させることができ、フレネル反射による接続損失を低減することができる。
これに対して、第２実施形態では、フェルール６の軸をバフ研磨面の法線に対して予め定められた角度だけ傾斜して研磨を実施する。それにより、第１実施形態におけるのと同様にフェルール６の端面を概ね球面に仕上げることができるが、その球面の光ファイバ８の端面が位置する接平面を光ファイバ８の軸と垂直な平面に対して傾斜させることができるので、光ファイバ８の端面同士の接触面でのフレネル反射を漏れモードとすることができ、フレネル反射損失をさらに低減することができる。
図７は本発明による光接続構造の第３実施形態を示す正面図である。第１実施形態では、アダプタ１８を用いて一対の光コネクタ２を接続している。これに対して、本実施形態では、アダプタ１８を用いて１つの光コネクタ２と剥き出しのフェルール６とを接続するようにしている。
一般的に、ＪＩＳ規格によるＦ０１型光コネクタでは、光コネクタ２の内部に設けられた図示しないスプリングの付勢力によってそのフェルール６は軸方向に付勢されている。従って、第１実施形態のように光コネクタ２を２つ用いる場合には、これらをアダプタ１８に装着するだけでフェルール６同士の押圧力を得ることができる。
この実施形態では、一方をフェルール６のみで用いているので、望ましくは、このフェルール６が先にアダプタ１８に装着され、ネジ２４によってそのフェルール６の位置の確定が行われる。その後に、左側の光コネクタ２をアダプタ１８に装着することによって、右側のフェルール６と左側の光コネクタ２のフェルール６とを押圧することができるので、この状態で光コネクタ２のフェルール６に関してネジ２４によりその位置調節を行うことができる。
この実施形態によっても、６つのネジ２４を用いてフェルール６の位置調節を行うことによって、ＭＦＤが小さく融点が異なるファイバ同士であっても容易に且つ低損失でこれらを接続することができる。
図８は本発明による光接続構造の第４実施形態を示す正面図である。ここでは、光コネクタは用いずに、２つの剥き出しのフェルール６をアダプタ１８により接続するようにしている。従って、光コネクタに設けられている前述したスプリングの付勢力を得ることができない。
そこで、この実施形態では、ネジ２４によるフェルール６の位置調節を行う場合には、両側からフェルール６に力を加えてこれらの端面同士が適切な押圧力を以って当接するようにした状態でネジ２４により調節を行うようにするとよい。フェルール６の位置が確定したならば、ネジ２４を円周方向に均等に締め付けることによって、フェルール６の端面同士の押圧力を維持することができる。
図９（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）は本発明による光接続構造の第５実施形態を示す図である。図９（Ａ）は図４（Ａ）に対応しており、図９（Ｂ）は図９（Ａ）におけるＡ−Ａ´断面図、図９（Ｃ）は図９（Ａ）におけるＢ−Ｂ´断面図である。
これまでの実施形態では、２つのフェルール６に対してそれぞれ３つのネジ２４を用いていた。これに対して、この実施形態では、１つのフェルール６について２つのネジ２６を用い、合計で４つのネジ２４で済むようにしている。
すなわち、２つのネジ２４は、一方のフェルール６の断面径方向にて同軸上に対向するように設けられており、残りの２つのネジ２４は、他方のフェルール６の断面径方向にて同軸上で対向するように設けられている。そして、一方のフェルール６については、２つのネジ２４によりＹ方向の位置調節が可能であり、他方のフェルール６については２つのネジ２４によりＸ方向の位置調節が可能である。
この構成によると、２つのフェルール６についてＸＹ平面内での相対的な位置調節を行うことができるので、これまでの実施形態におけるのと同様に図５に示されるような測定系を用いて低損失な光接続を行うことができる。
この実施形態によっても、４つのネジ２４を用いて２つのフェルール６の相対的な位置関係を調節することで、ＭＦＤが小さく融点が異なるファイバ同士であっても容易に且つ低損失で接続することができる。
ところで、以上説明した光接続構造は、これを適応する装置からの発熱や外気温度変化等の温度変化を受ける。例えば、光接続構造を通信機器に適用する場合、保存温度でマイナス４０℃〜８５℃、動作温度範囲では少なくとも０℃〜６５℃の温度範囲で安定に接続を維持する性能が要求される。
図１０（Ａ）及び（Ｂ）は本発明を実施する場合における熱膨張による影響を説明するための図である。図１０（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ図６（Ａ）及び（Ｂ）に対応している。
この光接続構造においては、一方のフェルール６のためのネジ２４に対応する支点ａと他方のフェルール６のためのネジ２４に対応する支点ｂでフェルール６が保持されている。従って、ハウジング２０とフェルール６の熱膨張係数（対向するフェルール６が異なる熱膨張係数の場合には２つの平均熱膨張係数）の関係で熱膨張による応力の方向が異なることになる。
例えば、ハウジング２０の熱膨張係数がフェルール６の熱膨張係数よりも大きい場合、高温時にフェルール６同士は離れる方向の応力を受ける。一方、ハウジング２０の熱膨張係数がフェルール６の熱膨張係数よりも小さい場合、高温時にはフェルール６同士を押し付ける方向に応力が働く。
本発明におけるようなフェルールを用いた光接続構造では、フェルール同士を押し付ける方向に応力があることが望ましい。特に、高温時には、ファイバ接着温度に近づくため、接着剤の軟化が生じ、より大きな応力が必要となる。
従って、ハウジング２０の熱膨張係数がフェルール６の熱膨張係数よりも小さくなるように材質を選択することによって、高温時にフェルール６同士を押し付ける応力を高めることができる。また、このような材質の選択により、高温時にネジ２４がフェルール６を支持する応力も高まり、より安定した接続が維持されることとなる。
尚、調整を行った環境温度よりも低い温度では応力の増減が逆になるが、低温時に接続損失が不所望に増大しないことは実験により確認されている。
このような条件を満たす材質の例としては、フェルール６としてジルコニア（１０．５）、ガラス（８〜１０）があり、ハウジング２０として４２アロイ（７．５〜８．５）、チタン（８．４〜８．６）、コバール（５．７〜６．２）がある。括弧内の数字は熱膨張係数（α／℃）を１０^６倍した数値である。
このように、フェルール６及びハウジング２０の材質を適切に選択することによって、広い温度に渡って損失特性等が安定した光接続構造を得ることができる。

以上詳述したように、本発明によると、ＭＦＤが小さく融点が異なるファイバ同士であっても容易に且つ低損失で接続することができる光接続構造を提供することが可能になる。また、本発明の特定の実施形態によると、広い温度範囲にわたって損失特性等が安定した光接続構造を提供することが可能になる。このように、本発明は高性能な光増幅器等の光デバイスを提供する上で極めて有用である。

Claims (6)

1. 各々ファイバ端面がその端面にて露出するように光ファイバが挿入固定された第１及び第２のフェルールと、
   前記第１及び第２のフェルールの端面同士が当接するようにこれらを同軸上で保持するスリーブと、
   前記スリーブを囲むように設けられその外側から前記スリーブに向かって複数の開口を有するハウジングと、
   前記開口に螺合する複数のネジとを備え、
   前記複数のネジのねじ込み量に応じて前記第１及び第２のフェルールの調芯を可能にした光接続構造。
2. 前記フェルールの熱膨張係数は前記ハウジングの熱膨張係数よりも大きい請求の範囲第１項記載の光接続構造。
3. 前記スリーブはＣ字断面を有する弾性変形可能な割りスリーブであり、前記割りスリーブは前記第１及び第２のフェルールの外径より僅かに小さな内径を有している請求の範囲第１項記載の光接続構造。
4. 前記複数のネジは、前記第１のフェルールの断面円周方向に沿う少なくとも３つのネジと、前記第２のフェルールの断面円周方向に沿う少なくとも３つのネジとを含む請求の範囲第１項記載の光接続構造。
5. 前記複数のネジは、前記第１のフェルールの断面径方向にて対向する２つのネジと、前記第１のフェルールの断面径方向に直交する前記第２のフェルールの断面径方向にて対向する２つのネジとを含む請求の範囲第１項記載の光接続構造。
6. 前記フェルールの熱膨張係数は９〜１１×１０^−６／℃であり、前記ハウジングの熱膨張係数は５．７〜８．６×１０^−６／℃である請求の範囲第１項記載の光接続構造。

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