WO2023017574A1 - フェルール回転かん合部および光スイッチ - Google Patents

フェルール回転かん合部および光スイッチ Download PDF

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WO2023017574A1
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ferrule
flange
core
rotation
central axis
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千里 深井
宜輝 阿部
和典 片山
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日本電信電話株式会社
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
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    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/38—Mechanical coupling means having fibre to fibre mating means

Definitions

  • the present invention mainly relates to a ferrule rotary mating part used for switching the path of an optical line using a single-mode optical fiber in an optical fiber network, and an optical switch using the same.
  • Patent Document 1 has a problem of reducing the energy required for optical path switching.
  • Non-Patent Document 1 in order to suppress signal deterioration due to reflection caused by an air layer between the fiber end faces due to the gap, a special coating for preventing reflection is required, which increases the cost. Therefore, in Non-Patent Document 1, there is a problem of cost reduction for the optical path switching structure.
  • Non-Patent Document 2 As another method for preventing reflection, there is also a method of obliquely polishing the ferrule end face (for example, Non-Patent Document 2).
  • Non-Patent Document 2 As another method for preventing reflection, there is also a method of obliquely polishing the ferrule end face (for example, Non-Patent Document 2).
  • Non-Patent Document 2 With obliquely polished ferrules, interference occurs at the ferrule end face during switching by rotation, or connection loss increases due to the need for a large gap. Therefore, Non-Patent Document 2 has a problem of reducing interference and connection loss due to the structure of optical path switching.
  • the present invention provides a ferrule rotary mating part and an optical switch using the same that can realize stable optical characteristics in optical path switching with low power consumption and more economically. for the purpose.
  • the ferrule rotation mating part and the optical switch of the present disclosure are provided with two ferrules in which single core fibers are arranged parallel to the central axis and at the same distance from the central axis, and one end of each of the two ferrules has a convex shape,
  • the tips of one ends of the two ferrules are brought into contact with each other so that the central axes are aligned, and one of the ferrules is rotated around the central axis.
  • the ferrule rotary mating portion includes: a first ferrule in which the core centers of one or more single-core fibers are arranged on the same circumference from the center in the cross section of the ferrule; A second ferrule in which the core centers of a plurality of single-core fibers are arranged on a circumference having the same diameter as the circumference of the first ferrule on which the core centers of the single-core fibers are arranged from the center in the cross section of the ferrule.
  • a cylindrical sleeve provided with a predetermined gap between the outer diameter of each of the first ferrule and the second ferrule and the inner diameter of the hollow portion so that the second ferrule can rotate; a first flange attached to the other end of the first ferrule and having a circular collar whose central axis is coaxial with the first ferrule; a second flange having a circular flange attached to the other end of the second ferrule and coaxial with the second ferrule; a spring that presses the first flange or the second flange in a direction in which the first ferrule and the second ferrule are butted against each other; holding the first ferrule, the second ferrule, the sleeve, the first flange, and the second flange such that the central axe
  • a ferrule rotary mating portion may: A tip portion of the first ferrule and a tip portion of the second ferrule are flat surfaces.
  • a ferrule rotary mating portion may: In each of the first ferrule and the second ferrule, an angle between the tip portion and the ring portion is 5 degrees or more.
  • a ferrule rotary mating portion may: The gap between the end face of the single-core fiber exposed at the annular portion of the first ferrule and the end face of the single-core fiber exposed at the annular portion of the second ferrule whose optical axis coincides with the single-core fiber is 20 ⁇ m or less.
  • a ferrule rotary mating portion may: the first flange collar or the second flange collar has a groove on an outer edge;
  • the retainer has a protrusion shaped to engage with the groove, and the protrusion engages with the groove to rotate the first flange or the second flange about the central axis. prevent.
  • the optical switch according to the present disclosure includes: the ferrule rotation mating portion; a rotation mechanism for rotating either one of the first ferrule and the second ferrule of the ferrule rotation engagement portion around the central axis.
  • the optical switch according to the present disclosure includes: the ferrule rotation mating portion; a rotation mechanism for rotating one of the first flange and the second flange of the ferrule rotary engagement portion that is rotatable around the central axis.
  • one end of each of two ferrules in which a single core fiber is arranged parallel to the central axis and at the same distance from the central axis has a convex shape, and one of the two ferrules is pressed by a spring.
  • the tips of one ends of the two ferrules are brought into contact with each other so that the central axes thereof match, and one of the ferrules is rotated around the central axis.
  • the end faces of the opposing optical fibers do not come into contact with each other, and it is possible to prevent degradation of optical characteristics such as connection loss due to scratches on the end faces of the optical fibers due to contact.
  • the amount of reflection of light can be reduced by making the end faces of the optical fibers facing each other non-parallel, a more economical ferrule rotation mating part and an optical switch can be provided without requiring a reflective coating. can be done.
  • one of the two ferrules of the ferrule rotation mating portion that performs optical switching has a mechanism capable of axial rotation, so that the energy required by the actuator, that is, the torque output can be reduced as much as possible. It is possible to reduce power consumption. Further, since the amount of optical axis deviation in directions other than the axial rotation of the ferrule is guaranteed by the sleeve and the spring at the ferrule rotation engagement portion, it is possible to reduce the loss.
  • the present invention does not have a collimator or a special anti-vibration mechanism, and is compact and economical because it is composed of generally and widely used optical connection parts such as ferrules and sleeves.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a ferrule rotary mating portion according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the fixed flange side of the ferrule rotary engagement portion according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic front view of one end of the fixed ferrule according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic front view of one end of the rotating ferrule according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view showing the ferrule and cylindrical sleeve of the ferrule rotary engagement portion according to the embodiment of the present invention in a plane along the longitudinal direction; An example of the relationship between excess loss and the clearance between the ferrule outer diameter and the sleeve inner diameter is shown.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing in more detail the vicinity of one end of the ferrule of the ferrule rotary engagement portion according to the embodiment of the present invention; An example of the relationship between the angle formed by the tip portion and the annular portion and the amount of return loss is shown.
  • 1 shows an example of the relationship of excess loss to optical fiber gap. 1 is a configuration diagram of an optical switch using a ferrule rotation mating portion of the present invention; FIG. An example of the relationship of splice loss due to rotation angle deviation with respect to the core arrangement radius is shown.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an embodiment of the present invention.
  • light enters from the input side optical fiber S01 and exits to the output side optical fiber S04, but the direction of the light may be reversed.
  • the present invention switches the input-side optical fiber S01 connected to the front-stage optical switch configuration unit S00 to a specific port of the inter-switch optical fiber S02 in the front-stage optical switch configuration unit S00. can be switched to a desired output side optical fiber S04 in the post-stage optical switch configuration unit S03.
  • the present invention is an optical switch corresponding to the front-stage optical switch configuration unit S00 and the rear-stage optical switch configuration unit S03.
  • optical switch S00 the former stage optical switch constituent section S00
  • optical switch S03 the latter stage optical switch constituent section S03 Since the optical switch S00 and the optical switch S03 have a relationship of left-right inversion and have the same configuration, the detailed configuration will be shown below using the optical switch S00.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of the ferrule rotation mating portion S20 according to the embodiment of the present invention.
  • the ferrule rotation mating portion S20 of the optical switch S00 according to this embodiment is a first ferrule S1 in which the core centers of one or more single-core fibers are arranged on the same circumference from the center in the cross section of the ferrule;
  • It has a hollow portion into which one end of the first ferrule S1 and one end of the second ferrule S2 are inserted so that the central axes of the first ferrule S1 and the second ferrule S2 are aligned, and the first ferrule S1 or a cylindrical sleeve S3 in which
  • One end of the first ferrule S1 and one end of the second ferrule S2 are inserted into the hollow portion of the cylindrical sleeve S3 so that their central axes are aligned.
  • the first flange S4 has a circular flange S4a attached to the other end of the first ferrule S1, and a body portion S4b connected to the other end of the first ferrule S1 across the flange S4a.
  • the second flange S5 has a circular flange S5a attached to the other end of the second ferrule S2, and a body portion S5b connected to the other end of the second ferrule S2 across the flange S5a.
  • the configuration of the spring S6 is arbitrary as long as it can apply pressure so that one end of the first ferrule S1 and one end of the second ferrule S2 are butted against each other.
  • the spring S6 may be attached to the collar S4a while including the main body S4b therein, and apply pressure to the collar S4a from the main body S4b side.
  • the body portion S4b may not be included inside, and a plurality of springs may be attached.
  • the spring S6 may be attached to the second flange S5 in the same way that it is attached to the first flange S4.
  • FIG. AA cross-sectional view of FIG. 3 represents a cross-section on a plane perpendicular to the long axis of the fixed-side optical fiber S9.
  • the BB cross-sectional view of FIG. 3 represents a cross-section along the long axis of the first optical fiber S9.
  • the ferrule rotation mating part S20 according to the present embodiment is
  • the collar S4a of the first flange S4 has a groove on its outer edge
  • the retainer S7 may have a projection S8 shaped to mate with the groove, the projection S8 engaging the groove to prevent rotation of the first flange S4 about its central axis.
  • the shape of the groove of the flange S4a and the protrusion S8 are arbitrary as long as they can be engaged.
  • the protrusion S8 has a rectangular shape
  • the collar S4a has a rectangular groove similar to the protrusion S8. Rotation about the central axis of one flange S4 may be prevented.
  • the length of the groove and protrusion S8 of the flange S4a in the longitudinal direction of the first optical fiber S9 is also arbitrary.
  • the groove of the collar S4a penetrates in the longitudinal direction of the first optical fiber S9, and the protrusion S8 extends along the length of the first optical fiber S9.
  • the axial length may be longer than the longitudinal thickness of the first optical fiber S9 of the collar S4a, and the entire groove of the collar S4a may be engaged with a portion of the protrusion S8.
  • the ferrule rotation engaging portion the ferrule and the flange may be subjected to bearings or low-friction processing in order to reduce the driving force for rotation.
  • the first optical fiber S9 corresponds to the input side optical fiber S01 in FIG. 1, and the second optical fiber S10 corresponds to the inter-optical switch optical fiber S02 in FIG.
  • the first ferrule S1 is fixed and the second ferrule S2 is rotated to connect the first optical fiber S9 to any one core of the second optical fiber S10. , and can output incident light from one core of the second optical fiber S10, and can be used as a 1 ⁇ N relay-type optical switch.
  • any one core of the second optical fiber S10 is connected to the first optical fiber S9. , and only one light selected from a plurality of incident lights can be output from the first optical fiber S9.
  • FIG. 1 by combining a plurality of optical switches, it is possible to construct an N ⁇ N optical switch.
  • the first ferrule S1 has one core, it is also possible to arrange a plurality of optical fibers.
  • the first ferrule S1 has one core and the second ferrule S2 has multiple cores
  • the second ferrule S2 has one core and the first ferrule S1 have multiple cores.
  • the first optical fiber S9 corresponds to the inter-switch optical fiber S02 in FIG. 1
  • the second optical fiber S10 corresponds to the input side optical fiber S01 in FIG.
  • the optical switch S00 having the first ferrule S1 as one core, the second ferrule S2 as multiple cores, the fixed ferrule as the first ferrule S1, and the rotating ferrule as the second ferrule will be described below. explain.
  • the first optical fiber will be referred to as the fixed-side optical fiber
  • the second optical fiber will be referred to as the rotating-side optical fiber.
  • One end of the fixed ferrule S1 is an annular portion S12 which is convex in the central axis direction and exposes the end surface of the fixed-side optical fiber S9 arranged in the fixed-side ferrule S1; and a tip portion S11 protruding in the direction of the central axis
  • One end of the rotating ferrule S2 is an annular portion S12 which is convex in the central axis direction and exposes the end face of the rotation-side optical fiber S10 arranged in the rotation-side ferrule S2; and a tip portion S11 protruding in the direction of the central axis,
  • the tip S11 of the fixed-side ferrule S1 and the tip S11 of the rotating-side ferrule S2 are butted against each other.
  • FIG. 4 is a schematic front view of one end of the fixed ferrule S1 according to the embodiment of the present invention.
  • the center of the core of the fixed-side optical fiber S9 is arranged on the circumference of a circle having a core arrangement radius Rcore with respect to the center of the fixed-side ferrule S1.
  • the fixed-side optical fiber S9 is arranged in an annular portion S12 arranged outside the distal end portion S11. Furthermore, the end surface of the fixed-side optical fiber S9 is exposed at the annular portion S12.
  • FIG. 5 is a schematic front view of one end of the rotating ferrule S2 according to the embodiment of the present invention.
  • the core centers of the plurality of rotation-side optical fibers S10 are arranged on the circumference of a circle having a core arrangement radius Rcore with respect to the center of the rotation-side ferrule S2.
  • FIG. 5 shows an example in which a total of eight rotation-side optical fibers S10 are arranged.
  • the rotation-side optical fiber S10 is arranged in an annular ring portion S12 arranged outside the distal end portion S11, similarly to the fixed-side optical fiber S9.
  • the end surface of the rotation-side optical fiber S10 is exposed at the annular portion S12.
  • the fixed-side optical fiber S9 and the rotating-side optical fiber S10 are made of silica glass, but they are not limited to this as long as they are optical fibers capable of communicating signal light in the communication wavelength band.
  • the tip portions S11 of the fixed-side ferrule S1 and the rotating-side ferrule S2 are flat surfaces, but the tip portions S11 do not need to be flat.
  • One of the ferrules S2 on the rotation side may be formed into a convex shape, and the other may be formed into a recessed shape that is in close contact with the convex shape.
  • FIG. 6 is a schematic view showing the ferrule and the cylindrical sleeve of the ferrule rotary engagement portion S20 according to the embodiment of the present invention along the longitudinal direction.
  • a cylindrical sleeve S3 in which the fixed-side ferrule S1 into which the fixed-side optical fiber S9 is inserted and the rotary-side ferrule S2 into which the rotary-side optical fiber S10 is inserted have an inner diameter S14 that is one size larger than the ferrule outer diameter S13 of the order of sub- ⁇ m.
  • a slight clearance C of about sub- ⁇ m is provided between the fixed ferrule S1 and the rotating ferrule S2 in order to control the axial misalignment within a certain allowable range and not to hinder the axial rotation of the rotating ferrule S2.
  • the length S21 in the longitudinal direction of the cylindrical sleeve S3 is equal to the length in the longitudinal direction of the fixed ferrule S1 and the longitudinal length of the rotary ferrule S2. is set shorter than the sum of the lengths S22, that is, the distance between the fixed-side flange S4 and the rotating-side flange S5.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the relationship between the clearance C of the ferrule outer diameter S13 of the fixed-side ferrule S1 and the rotating-side ferrule S2 and the sleeve inner diameter S14 of the cylindrical sleeve S3 and the excess loss Tc.
  • misalignment of fiber cores causes excess loss. Since an increase in excess loss is a factor that limits the total length of the optical path, it is necessary to reduce the axis deviation of the fiber core.
  • the clearance C between the ferrule outer diameter S13 and the sleeve inner diameter S14 corresponds to the axial misalignment of the fiber core
  • the clearance C (unit: ⁇ m) between the ferrule outer diameter S13 and the sleeve inner diameter S14 and the excess loss Tc (unit: dB) can be expressed in Equation 1.
  • W1 and W2 are the mode field radii of the cores of the fixed-side optical fiber S9 and the rotating-side optical fiber S10, respectively. Both are diagrams showing the loss when the thickness is 9 ⁇ m.
  • the maximum excess loss can be suppressed to about 0.1 dB or less. Further, if the maximum excess loss is set to 0.2 dB, it is necessary to process the ferrule outer diameter S13 and the sleeve inner diameter S14 so that the clearance C is 1 ⁇ m or less.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing in more detail the vicinity of one end of the ferrule of the ferrule rotation mating portion S20 according to the embodiment of the present invention.
  • One ends of the fixed-side ferrule S1 and the rotating-side ferrule S2 are convex in the central axis direction.
  • the distal end portions S11 of the stationary ferrule S1 and the rotating ferrule S2 are butted against each other.
  • the fixed-side optical fiber S9 and the rotating-side optical fiber S10 are arranged in the annular portions S12 of the fixed-side ferrule S1 and the rotating-side ferrule S2, and the end surfaces thereof are exposed.
  • the end faces of the fixed-side optical fiber S9 and the rotary-side fiber S10 are recessed from the tip portion S11 in order to prevent their end faces from contacting each other and being damaged during switching by rotation.
  • the angle ⁇ between the tip portion S11 and the annular portion S12 is controlled in order to suppress deterioration of signal characteristics due to reflection.
  • the end surface of the annular portion S12 is shown in FIG. 8 as an example in which it is formed linearly in the direction retreating from the tip portion S11, but the annular portion S12 does not need to be linear. Instead, for example, it may have a spherical shape.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of the relationship between the angle .theta. If there is a region with a different refractive index between the end face of the fixed-side optical fiber S9 and the end face of the rotary-side optical fiber S10 at the ferrule rotary mating portion S20, signal characteristics are degraded due to reflection. In the configuration of the present invention shown in FIG. 8, there is a gap G between the end face of the fixed-side optical fiber S9 and the end face of the rotary-side optical fiber S10. is necessary. In the present invention, the reflection is reduced by controlling the angle ⁇ of the annular portion S12.
  • Equation (2) The relationship between the angle ⁇ (unit: degree) of the annular portion S12 with respect to the tip portion S11 and the return loss amount R (unit: dB) can be expressed by Equation (2).
  • n 1 , ⁇ 1 , and ⁇ are the refractive index of the optical fiber, the mode field radius of the optical fiber core, and the signal wavelength, respectively.
  • R 0 is the amount of return loss at the flat end surface, which can be expressed by Equation (3).
  • n2 is the refractive index of the receiving medium.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the relationship between the gap G and the excess loss TG .
  • the fixed-side optical fiber S9 In optical coupling between the fixed-side optical fiber S9 and the rotating-side optical fiber S10, if there is a gap G between the end face of the fixed-side optical fiber S9 and the end face of the rotating-side optical fiber S10, the fixed-side optical fiber S9 Since the distribution of emitted light spreads and the coupling efficiency with the core of the rotation-side optical fiber S10 decreases, it becomes a factor of excessive loss.
  • the relationship between the gap G (unit: ⁇ m) and the excess loss T G (unit: dB) can be expressed by Equation 4.
  • W1 and W2 are the mode field radii of the cores of the fixed-side optical fiber S9 and the rotary-side optical fiber S10, respectively. , and shows the loss when both are 9 ⁇ m.
  • the excess loss can be suppressed to 0.1 dB or less by adjusting the gap G between the end face of the fixed-side optical fiber S9 and the end face of the rotary-side optical fiber S10 to be 20 ⁇ m or less.
  • FIG. 11 is a configuration diagram of an optical switch using the ferrule rotation mating portion S20 of the present invention.
  • the optical switch according to the present disclosure includes a ferrule rotation-engagement portion S20, and a rotation mechanism S15 that rotates one of the first ferrule S1 and the second ferrule S2 of the ferrule rotation-engagement portion S20 about the central axis.
  • the rotation mechanism S15 of the optical switch may rotate the rotatable one of the first flange S4 and the second flange S5 about the central axis. For example, when the rotation of the first flange S4 is stopped by the structure of the ferrule rotation engaging portion S20 as shown in FIGS. 2 to rotate the second flange S5.
  • the actuator S16 rotates by an arbitrary angle according to a signal from the control circuit S17.
  • the rotation-side flange S5 rotates when the output of the actuator S16 is transmitted via the rotation mechanism S15.
  • the rotation-side optical fiber S10 may be provided with a constant extra length for allowing twisting due to rotation.
  • the actuator S16 is a drive mechanism that rotates in arbitrary angular steps according to a pulse signal from the control circuit S17 and has a constant static torque for each angular step.
  • a stepping motor is used.
  • the actuator S16 rotates in arbitrary angular steps according to the pulse signal from the control circuit S17, and other methods may be used as long as the driving mechanism has a constant static torque for each angular step.
  • the rotation speed and rotation angle are determined by the period and number of pulses of the pulse signal from the control circuit 17, and the angle step and static torque may be adjusted via a reduction gear.
  • an optical switch with low power consumption that has a self-holding function that does not require power when it is stationary after switching, and can reduce the driving energy when switching the optical path as much as possible. It is possible to
  • the number of static angular steps is the number of cores having the same core arrangement radius Rcore of the rotation-side optical fiber S10. It is characterized by being a natural number multiple.
  • T R (unit: dB) is the connection loss due to the rotation angle deviation at the ferrule rotation engagement portion S20
  • ⁇ unit: °
  • Rcore unit: ⁇ m
  • FIG. 12 shows an example of the relationship between the core arrangement radius Rcore and the connection loss TR due to the rotation angle deviation.
  • the angular accuracy of a stepping motor is about 3 to 5%, and in FIG. 12, the rotation angle deviation ⁇ is set to 0.05 degrees.
  • the core arrangement radius Rcore should be 800 ⁇ m or less when the mode field diameter (MFD) is 9 ⁇ m.
  • MFD mode field diameter
  • one end of each of two ferrules in which a single core fiber is arranged parallel to the central axis and at the same distance from the central axis has a convex shape, and one of the two ferrules is pressed by a spring.
  • One end of two ferrules has a convex shape
  • the tip portions S11 at one ends of the two ferrules are brought into contact with each other so that the central axes of the two ferrules match, and by rotating one of the ferrules, the end surfaces of the opposing optical fibers come into contact with each other. Therefore, it is possible to prevent deterioration of optical characteristics such as connection loss due to scratches on the end face of the optical fiber due to contact.
  • the amount of reflection of light can be reduced by making the end faces of the optical fibers facing each other non-parallel, a more economical ferrule rotation mating part and an optical switch can be provided without requiring a reflective coating. can be done.
  • one of the input side and the output side of the ferrule rotation mating portion that performs optical switching is a mechanism capable of axial rotation. It is possible, and low power consumption is possible. Further, since the amount of optical axis deviation in directions other than the axial rotation of the rotating ferrule S2 is guaranteed by the sleeve S3, it is possible to reduce the loss.
  • the present invention does not have a collimator or a special anti-vibration mechanism, and is compact and economical because it is composed of generally and widely used optical connection parts such as ferrules and sleeves.
  • a ferrule rotary mating portion and an optical switch that can achieve stable optical characteristics against external factors such as temperature and vibration with low power consumption and more economically. is.
  • it can be used as an optical switch for switching paths in any facility regardless of location.
  • the ferrule rotation mating portion and optical switch according to the present disclosure can be applied to the optical communication industry.
  • S00 Pre-stage optical switch component S01: Input side optical fiber S02: Inter-optical switch optical fiber S03: Post-stage optical switch component S04: Output side optical fiber S1: First ferrule S2: Second ferrule S3: Cylindrical sleeve S4 : First flange S5: Second flange S6: Spring S7: Holder S8: Flange fixing protrusion S9: First optical fiber S10: Second optical fiber S11: Tip S12: Annular portion S13: Ferrule outer diameter S14: Sleeve inner diameter S15: Rotating mechanism S16: Actuator S17: Control circuit S20: Ferrule rotation engaging part S21: Length in longitudinal direction of cylindrical sleeve S22: Length in longitudinal direction of first ferrule and length of second ferrule The total length of the ferrule in the longitudinal direction

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  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)

Abstract

本発明は、光経路切替における安定的な光学特性を低消費電力で、かつ、より経済的に実現できるフェルール回転かん合部及びこれを用いた光スイッチを提供することを目的とする。　本発明のフェルール回転かん合部は、フェルール断面において、中心から所定の半径の円周上に一又は複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第１のフェルール（Ｓ１）及び第２のフェルール（Ｓ２）と、前記第１のフェルール（Ｓ１）及び前記第２のフェルール（Ｓ２）のそれぞれの凸形状の一端が挿入される円筒のスリーブ（Ｓ３）と、前記第１のフェルール（Ｓ１）及び前記第２のフェルール（Ｓ２）が突き合わされる向きに前記第１のフェルール（Ｓ１）又は前記第２のフェルール（Ｓ２）に押圧を加えるスプリング（Ｓ６）と、前記第１のフェルール（Ｓ１）、前記第２のフェルール（Ｓ２）、前記スリーブ（Ｓ３）を、前記第１のフェルール（Ｓ１）及び前記第２のフェルール（Ｓ２）の中心軸が一致するように保持する保持具（Ｓ７）と、を備える。

Description

フェルール回転かん合部および光スイッチ
　本発明は、主に光ファイバネットワークにおいてシングルモード光ファイバを用いた光線路の経路を切り替えるために用いるフェルール回転かん合部及びこれを用いた光スイッチに関する。
　光を光のまま経路切替を行う全光スイッチとして、マルチコアファイバが挿入された円筒フェルールを回転させることによって切り替えを行う方式（例えば、特許文献１参照。）が提案されている。これにより、レンズやプリズム等の光学部品を不要とし、光スイッチ構成の簡略化が可能となる。
特開平２－８２２１２
Ｂ．Ｊｉａｎ，"Ｔｈｅ　Ｎｏｎ－Ｃｏｎｔａｃｔ　Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ：Ａ　Ｎｅｗ　Ｃａｔｅｇｏｒｙ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ，"　２０１５　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ（ＯＦＣ），Ｗ２Ａ．１，２０１５． 荒生　肇、矢加部　祥、上原　史也、佐々木　大、島津　貴之、"低損失／低嵌合力を特徴とする耐ダスト光多心コネクタＦｌｅｘＡｉｒＣｏｎｎｅｃＴ，"　２０１８　年７　月・ＳＥＩテクニカルレビュー、第１９３号、ｐｐ．２６－３１、２０１８．
　しかしながら、特許文献１に記載のマルチコアファイバが挿入された円筒フェルールを用いた光経路切替では、フェルールがスリーブに密着挿入することにより中心軸を合わせており、フェルールとスリーブ間の摩擦力により、回転の駆動に大きなエネルギーが必要であり大きな電力を要する。さらに、フェルールが回転する際に、向かい合うファイバ端面に傷をつけて接続損失などの光学特性の劣化を防ぐ目的で、フェルールが回転するたびにフェルール端面を引き離す機構が必要であり、回転の駆動に余計なエネルギーを要する。そのため、特許文献１には、光経路切替に要するエネルギーの削減という課題があった。
　一方、光ファイバを挿入した円筒フェルールにおいて、あらかじめ間隙を設けてファイバ接触を行わない接続形態（例えば、非特許文献１）により接触によるファイバ端面の傷を防止する方法もある。しかし、間隙によりファイバ端面間に生じる空気層を原因とした反射による信号劣化を抑制するため、反射を防止するための特殊コーティングが必要となり、コストが増加する。そのため、非特許文献１には、光経路切替の構造に対するコストの削減という課題があった。
　また、反射を防止するための別の方法として、フェルール端面を斜めに研磨する方法（例えば、非特許文献２）もある。しかし、斜めに研磨したフェルールでは、回転による切替の際にフェルール端面の干渉が発生する、又は、大きな間隙を要するために接続損失が大きくなる。そのため、非特許文献２には、光経路切替の構造による干渉や接続損失の低減という課題があった。
　前記課題を解決するために、本発明は、光経路切替における安定的な光学特性を低消費電力で、かつ、より経済的に実現できるフェルール回転かん合部及びこれを用いた光スイッチを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本開示のフェルール回転かん合部および光スイッチは、中心軸に平行かつ中心軸から同一距離にシングルコアファイバが配置された２つのフェルールそれぞれの一端が凸形状であり、２つのフェルールのどちらかに一方に対してスプリングによる押圧を加えることで、２つのフェルールの一端の先端部を中心軸が一致するように突き合わせ、いずれか一方のフェルールを中心軸を中心として回転させる。
　具体的には、本開示に係るフェルール回転かん合部は、
　フェルール断面において中心から同一の円周上に一又は複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第１のフェルールと、
　フェルール断面において中心から、前記第１のフェルールにおける前記シングルコアファイバのコア中心が配置された前記円周と同じ直径の円周上に複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第２のフェルールと、
　前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの中心軸が一致するように前記第１のフェルールの一端及び前記第２のフェルールの一端が挿入される中空部を有し、前記第１のフェルール又は前記第２のフェルールが回転可能なように、前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの各外径と前記中空部の内径との間に所定の隙間が設けられている円筒のスリーブと、
　前記第１のフェルールの他端に取り付けられ、前記第１のフェルールと中心軸が同軸である円形のつばを有する第１のフランジと、
　前記第２のフェルールの他端に取り付けられ、前記第２のフェルールと中心軸が同軸である円形のつばを有する第２のフランジと、
　前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールが突き合わされる向きに前記第１のフランジ又は前記第２のフランジに押圧を加えるスプリングと、
　前記第１のフェルール、前記第２のフェルール、前記スリーブ、前記第１のフランジ、及び前記第２のフランジを、前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの中心軸が一致するように保持する保持具と、を備え、
　前記第１のフェルールの一端は、
　前記中心軸方向に凸形状であり、前記第１のフェルールに配置された前記シングルコアファイバの端面が露出する円環部と、前記円環部よりも内側にあり、かつ、前記円環部よりも前記中心軸方向に突出している先端部と、からなり、
　前記第２のフェルールの一端は、
　前記中心軸方向に凸形状であり、前記第２のフェルールに配置された前記シングルコアファイバの端面が露出する円環部と、前記円環部よりも内側にあり、かつ、前記円環部よりも前記中心軸方向に突出している先端部と、からなり、
　前記第１のフェルールの先端部と前記第２のフェルールの先端部とが突き合わされる。
　例えば、本開示に係るフェルール回転かん合部は、
　前記第１のフェルールの先端部及び前記第２のフェルールの先端部がフラット面である。
　例えば、本開示に係るフェルール回転かん合部は、
　前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールのそれぞれにおいて、前記先端部と前記円環部とがなす角度が５度以上である。
　例えば、本開示に係るフェルール回転かん合部は、
　前記第１のフェルールの円環部に露出するシングルコアファイバの端面と、当該シングルコアファイバに光軸が一致する前記第２のフェルールの円環部に露出するシングルコアファイバの端面との間隙が２０μｍ以下である。
　例えば、本開示に係るフェルール回転かん合部は、
　前記第１のフランジのつば又は前記第２のフランジのつばは、外縁に溝を有し、
　前記保持具は、前記溝とかん合する形状の突起部を有し、前記突起部を前記溝にかん合させて前記第１のフランジ又は前記第２のフランジの前記中心軸を中心とする回転を防ぐ。
　具体的には、本開示に係る光スイッチは、
　前記フェルール回転かん合部と、
　前記フェルール回転かん合部の前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールのどちらか一方を前記中心軸を中心として回転させる回転機構と、を具備する。
　具体的には、本開示に係る光スイッチは、
　前記フェルール回転かん合部と、
　前記フェルール回転かん合部の前記第１のフランジ及び前記第２のフランジのうち、回転可能な一方を前記中心軸を中心として回転させる回転機構と、を具備する。
　本発明は、中心軸に平行かつ中心軸から同一距離にシングルコアファイバが配置された２つのフェルールそれぞれの一端が凸形状であり、２つのフェルールのどちらかに一方に対してスプリングによる押圧を加えることで、２つのフェルールの一端の先端部を中心軸が一致するように突き合わせ、いずれか一方のフェルールを中心軸を中心として回転させる。これにより、対向する光ファイバの端面同士が接触せず、接触によって光ファイバの端面にキズがつくことによる接続損失などの光学特性の劣化を防ぐことができる。また、対向する光ファイバの端面同士を非平行とすることで光の反射量を減らすことができるので、反射コーティングを要せず、より経済的なフェルール回転かん合部および光スイッチを提供することができる。
　さらに、本発明は、光スイッチングを行うフェルール回転かん合部の２つのフェルールの一方を軸回転可能な機構としているため、アクチュエータで必要となるエネルギー、すなわちトルク出力を限りなく小さくすることが可能であり、低消費電力化が可能である。また、フェルールの軸回転以外の方向における光軸ずれ量は、フェルール回転かん合部においてスリーブ及びスプリングにより保証されているために、低損失化が可能となる。加えて、本発明にはコリメートや特別な防振機構を具備しておらず、フェルールやスリーブといった一般的に広く用いられている光接続部品から構成されているため小型かつ経済的である。
　なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
　本開示によれば、光経路切替における安定的な光学特性を低消費電力で、かつ、より経済的に実現できるフェルール回転かん合部及びこれを用いた光スイッチを提供することができる。
本発明の使用形態の一例を示す。 本発明の実施形態に係るフェルール回転かん合部の構成図である。 本発明の実施形態に係るフェルール回転かん合部の固定フランジ側の断面図である。 本発明の実施形態に係る固定側フェルールの一端を正面から表した模式図である。 本発明の実施形態に係る回転側フェルールの一端を正面から表した模式図である。 本発明の実施形態に係るフェルール回転かん合部のフェルール及び円筒スリーブを長手方向に沿った面で表した模式図である。 フェルール外径とスリーブ内径のクリアランスに対する過剰損失の関係の一例を示す。 本発明の実施形態に係るフェルール回転かん合部のフェルールの一端近傍をより詳細に示した模式図である。 先端部と円環部とがなす角度と反射減衰量の関係の一例を示す。 光ファイバの間隙に対する過剰損失の関係の一例を示す。 本発明のフェルール回転かん合部を用いた光スイッチの構成図である。 コア配置半径に対する回転角度ずれによる接続損失の関係の一例を示す。
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
（実施形態）
　図１は本発明の実施形態の一例を示す図である。本実施形態は、光が入力側光ファイバＳ０１から入射され、出力側光ファイバＳ０４へ出射する形態を説明するが、光の方向は逆でもよい。本発明は、前段光スイッチ構成部Ｓ００に接続された入力側光ファイバＳ０１を、前段光スイッチ構成部Ｓ００において光スイッチ間光ファイバＳ０２の特定のポートに切り替えて、光スイッチ間光ファイバＳ０２のポートを、後段光スイッチ構成部Ｓ０３において所望の出力側光ファイバＳ０４に切り替えることを可能とする。本発明は、前段光スイッチ構成部Ｓ００及び後段光スイッチ構成部Ｓ０３に該当する光スイッチである。以下、前段光スイッチ構成部Ｓ００を光スイッチＳ００と、後段光スイッチ構成部Ｓ０３を光スイッチＳ０３と略記する。光スイッチＳ００と光スイッチＳ０３は左右反転の関係にあり、構成が同一であるため、以下、光スイッチＳ００を用いて詳細な構成を示す。
　図２は本発明の実施形態に係るフェルール回転かん合部Ｓ２０の構成図である。
　本実施形態に係る光スイッチＳ００が有するフェルール回転かん合部Ｓ２０は、
　フェルール断面において中心から同一の円周上に一又は複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第１のフェルールＳ１と、
　フェルール断面において中心から、第１のフェルールＳ１におけるシングルコアファイバのコア中心が配置された円周と同じ直径の円周上に複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第２のフェルールＳ２と、
　第１のフェルールＳ１及び第２のフェルールＳ２の中心軸が一致するように第１のフェルールＳ１の一端及び第２のフェルールＳ２の一端が挿入される中空部を有し、第１のフェルールＳ１又は第２のフェルールＳ２が回転可能なように、第１のフェルールＳ１及び第２のフェルールＳ２の各外径と前記中空部の内径との間に所定の隙間が設けられている円筒のスリーブＳ３と、
　第１のフェルールＳ１の他端に取り付けられ、第１のフェルールＳ１と中心軸が同軸である円形のつばＳ４ａを有する第１のフランジＳ４と、
　第２のフェルールＳ２の他端に取り付けられ、第２のフェルールＳ２と中心軸が同軸である円形のつばＳ５aを有する第２のフランジＳ５と、
　第１のフェルールＳ１及び第２のフェルールＳ２が突き合わされる向きに第１のフランジＳ４又は第２のフランジＳ５に押圧を加えるスプリングＳ６と、
　第１のフェルールＳ１、第２のフェルールＳ２、スリーブＳ３、第１のフランジＳ４、及び第２のフランジＳ５を、第１のフェルールＳ１及び第２のフェルールＳ２の中心軸が一致するように保持する保持具Ｓ７と、
を備える。
　第１のフェルールＳ１の一端及び第２のフェルールＳ２の一端は、中心軸が一致するように円筒スリーブＳ３の中空部に挿入される。
　第１のフランジＳ４は、第１のフェルールＳ１の他端に取り付けられる円形のつばＳ４ａ、及び第１のフェルールＳ１の他端とつばＳ４ａを挟んで接続される本体部Ｓ４ｂを有する。
　第２のフランジＳ５は、第２のフェルールＳ２の他端に取り付けられる円形のつばＳ５ａ、及び第２のフェルールＳ２の他端とつばＳ５ａを挟んで接続される本体部Ｓ５ｂを有する。
　スプリングＳ６は、第１のフェルールＳ１の一端及び第２のフェルールＳ２の一端同士が突き合わされるように押圧を加えることができれば、構成は任意である。例えば、スプリングＳ６は、図２に示すように、本体部Ｓ４ｂを内部に含みながらつばＳ４ａに取り付けられ、本体部Ｓ４ｂ側からつばＳ４ａに押圧を加えてもよい。本体部Ｓ４ｂを内部に含んでいなくてもよく、また、複数のスプリングが取り付けられてもよい。スプリングＳ６は、第１のフランジＳ４に取り付けられるのと同様に、第２のフランジＳ５に取り付けられてもよい。
　フェルール回転かん合部Ｓ２０の第１のフランジＳ４付近の断面図の一例を図３に示す。図３のＡ－Ａ断面図は、固定側光ファイバＳ９の長軸に垂直な面での断面を表す。図３のＢ－Ｂ断面図は、第１の光ファイバＳ９の長軸に沿った面での断面を表す。
　本実施形態に係るフェルール回転かん合部Ｓ２０は、
　第１のフランジＳ４のつばＳ４ａは、外縁に溝を有し、
　保持具Ｓ７は、溝とかん合する形状の突起部Ｓ８を有し、突起部Ｓ８を溝にかん合させて第１のフランジＳ４の中心軸を中心とする回転を防いでもよい。
　つばＳ４ａの溝及び突起部Ｓ８の形状は、これらがかん合可能であれば任意である。例えば、図３のＡ－Ａ断面図に示すように、突起部Ｓ８が矩形状であって、つばＳ４ａが突起部Ｓ８と同様の矩形状の溝を有し、これらがかん合することで第１のフランジＳ４の中心軸を中心とする回転を防いでもよい。
　また、つばＳ４ａの溝及び突起部Ｓ８は、第１の光ファイバＳ９の長軸方向の長さも任意である。例えば、図３のＢ－Ｂ断面図に示すように、つばＳ４ａの溝が第１の光ファイバＳ９の長軸方向に貫通しており、かつ、突起部Ｓ８の第１の光ファイバＳ９の長軸方向の長さが、つばＳ４ａの第１の光ファイバＳ９の長軸方向の厚さよりも長く、つばＳ４ａの溝の全体と、突起部Ｓ８の一部とがかん合してもよいがこれに限定されない。
　なお、第１のフランジＳ４のつばＳ４ａが溝を有し、つばＳ４ａの溝と突起部Ｓ８とをかん合させている例を示すが、第２のフランジＳ５において同様の構造で第２のフランジＳ５の中心軸を中心とする回転を防いでもよく、この場合、第１のフランジＳ４を回転させることで光経路切替を実現してもよい。なお、当該フェルール回転かん合部において、フェルール、並びにフランジにおいて、回転のための駆動力を低減するために、ベアリングや低摩擦加工を施してもよい。
　第１の光ファイバＳ９は図１の入力側光ファイバＳ０１に対応し、第２の光ファイバＳ１０は図１の光スイッチ間光ファイバＳ０２に対応する。第１の光ファイバＳ９から光を入射した場合、第１のフェルールＳ１が固定され、第２のフェルールＳ２を回転させることで第１の光ファイバＳ９を第２の光ファイバＳ１０の任意の１心と接続させ、入射した光を第２の光ファイバＳ１０の１心から出力させることのできる光スイッチＳ００であり、１ｘＮのリレー型光スイッチとして使用できるものである。逆に、第２の光ファイバＳ１０から光を入射することも可能である。例えば、第２の光ファイバＳ１０のうちの複数のシングルコアファイバに光を入射し、第２のフェルールＳ２を回転させることで第２の光ファイバＳ１０の任意の１心を第１の光ファイバＳ９と接続させ、入射した複数の光の中から選択した１つの光のみを第１の光ファイバＳ９から出力することができる。また、図１のように、光スイッチを複数組み合わせることにより、Ｎ×Ｎの光スイッチを構成することが可能である。ここで、第１のフェルールＳ１を１心としたが、複数の光ファイバを配置することも可能である。また、第１のフェルールＳ１を１心とし、第２のフェルールＳ２を複数心とすることとしたが、第２のフェルールＳ２を１心とし、第１のフェルールＳ１を複数心とすることも可能である。この場合、第１の光ファイバＳ９は図１の光スイッチ間光ファイバＳ０２に対応し、第２の光ファイバＳ１０は図１の入力側光ファイバＳ０１に対応する。以下では、第１のフェルールＳ１を１心とし、第２のフェルールＳ２を複数心とし、さらに、第１のフェルールＳ１を固定側フェルールとし、第２のフェルールを回転側フェルールとする光スイッチＳ００について説明する。以降、第１の光ファイバを固定側光ファイバとし、第２の光ファイバを回転側光ファイバとする。
　本実施形態に係るフェルール回転かん合部Ｓ２０においては、後述するように、
　固定側フェルールＳ１の一端は、
　中心軸方向に凸形状であり、固定側フェルールＳ１に配置された固定側光ファイバＳ９の端面が露出する円環部Ｓ１２と、円環部Ｓ１２よりも内側にあり、かつ、円環部Ｓ１２よりも中心軸方向に突出している先端部Ｓ１１と、からなり、
　回転側フェルールＳ２の一端は、
　中心軸方向に凸形状であり、回転側フェルールＳ２に配置された回転側光ファイバＳ１０の端面が露出する円環部Ｓ１２と、円環部Ｓ１２よりも内側にあり、かつ、円環部Ｓ１２よりも中心軸方向に突出している先端部Ｓ１１と、からなり、
　固定側フェルールＳ１の先端部Ｓ１１と回転側フェルールＳ２の先端部Ｓ１１とが突き合わされる。
　図４は本発明の実施形態に係る固定側フェルールＳ１の一端を正面から表した模式図である。図４に示すように固定側光ファイバＳ９のコア中心が固定側フェルールＳ１の中心に対してコア配置半径Ｒｃｏｒｅの円の円周上に配置されていることを特徴とする。図４では１心の固定側光ファイバＳ９がｙ軸（ｘ＝０）上に配置された例を挙げているが、固定側光ファイバＳ９のコア中心がコア配置半径Ｒｃｏｒｅを有する円の円周上に配置されていればよく、これに限らない。また、固定側光ファイバＳ９は先端部Ｓ１１の外側に配置された円環の円環部Ｓ１２に配置されている。さらに、固定側光ファイバＳ９の端面は、円環部Ｓ１２に露出している。
　図５は本発明の実施形態に係る回転側フェルールＳ２の一端を正面から表した模式図である。図に示すように複数の回転側光ファイバＳ１０のそれぞれのコア中心が回転側フェルールＳ２の中心に対してコア配置半径Ｒｃｏｒｅの円の円周上に配置されていることを特徴とする。図５では合計８つの回転側光ファイバＳ１０が配置された例を挙げているが、コア配置半径Ｒｃｏｒｅを有する円の円周上に複数の回転側光ファイバＳ１０のコア中心が配置されていればよく、これに限らない。また、回転側光ファイバＳ１０は、固定側光ファイバＳ９と同様に、先端部Ｓ１１の外側に配置された円環の円環部Ｓ１２に配置されている。さらに、回転側光ファイバＳ１０の端面は、円環部Ｓ１２に露出している。
　固定側光ファイバＳ９と回転側光ファイバＳ１０の接続における透過損失をできるだけ小さくすることが重要であり、回転側光ファイバＳ１０の各コアは、固定側光ファイバＳ９のコアと同程度のモードフィールド径を有する点で同じ光学特性である方が望ましい。また、軸ずれによる過剰損失をできるだけ小さくすることが重要であり、回転側フェルールＳ２のフェルール外径Ｓ１３は、固定側フェルールＳ１のフェルール外径Ｓ１３と同程度である方が望ましい。
　本実施形態では、固定側光ファイバＳ９及び回転側光ファイバＳ１０は石英ガラスで形成されることとするが、通信波長帯の信号光を通信可能な光ファイバであればよく、これに限らない。なお、本実施形態では、固定側フェルールＳ１及び回転側フェルールＳ２の先端部Ｓ１１がフラット形状の面である例を示すが、先端部Ｓ１１はフラット形状である必要はなく、例えば、固定側フェルールＳ１及び回転側フェルールＳ２のうち一方を凸形状とし、もう一方を凸形状と密着する凹形状にしてもよい。
　図６は本発明の実施形態に係るフェルール回転かん合部Ｓ２０のフェルール及び円筒スリーブを長手方向に沿った面で表した模式図である。固定側光ファイバＳ９を挿入した固定側フェルールＳ１と、回転側光ファイバＳ１０を挿入した回転側フェルールＳ２が、それらのフェルール外径Ｓ１３に対してサブμｍ程度一回り大きい内径Ｓ１４を有する円筒スリーブＳ３で調心されており、軸ずれを一定許容範囲に制御し、回転側フェルールＳ２の軸回転を妨げないようにするためにサブμｍ程度の僅かなクリアランスＣを固定側フェルールＳ１及び回転側フェルールＳ２に対して設けている。また、固定側フェルールＳ１と回転側フェルールＳ２の端面同士を突き合わせるため、円筒スリーブＳ３の長手方向の長さＳ２１は、固定側フェルールＳ１の長手方向の長さと回転側フェルールＳ２の長手方向の長さを足し合わせた長さＳ２２、つまり、固定側フランジＳ４と回転側フランジＳ５の間の距離よりも短く設定される。
　図７は固定側フェルールＳ１及び回転側フェルールＳ２のフェルール外径Ｓ１３と円筒スリーブＳ３のスリーブ内径Ｓ１４のクリアランスＣに対する過剰損失Ｔｃの関係の一例を示す図である。光ファイバ間の光結合において、ファイバコアの軸ずれは過剰損失の要因となる。過剰損失の増大は光経路の全長を制限する要因となるため、ファイバコアの軸ずれを小さくすることが必要となる。ここで、フェルール外径Ｓ１３とスリーブ内径Ｓ１４のクリアランスＣはファイバコアの軸ずれに相当するため、フェルール外径Ｓ１３とスリーブ内径Ｓ１４のクリアランスＣ（単位：μｍ）と過剰損失Ｔｃ（単位：ｄＢ）の関係は数１に表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここでＷ１及びＷ２はそれぞれ固定側光ファイバＳ９及び回転側光ファイＳ１０のコアのモードフィールド半径であり、図７は固定側光ファイバＳ９及び回転側光ファイバＳ１０コアのモードフィールド径が、ともに９μｍの時の損失を示す図である。例えば、クリアランスＣが０．７μｍ以下となるように、フェルール外径Ｓ１３及びスリーブ内径Ｓ１４を加工した場合、最大過剰損失を約０．１ｄＢ以下に抑えることができる。また、最大過剰損失を０．２ｄＢに設定するとクリアランスＣが１μｍ以下になるようにフェルール外径Ｓ１３とスリーブ内径Ｓ１４を加工する必要がある。
　図８は本発明の実施形態に係るフェルール回転かん合部Ｓ２０のフェルールの一端近傍をより詳細に示した模式図である。固定側フェルールＳ１及び回転側フェルールＳ２の一端は、中心軸方向に凸形状である。固定側フェルールＳ１及び回転側フェルールＳ２はそれぞれの先端部Ｓ１１が突き合わされている。固定側光ファイバＳ９及び回転側光ファイバＳ１０は、前述したように、固定側フェルールＳ１及び回転側フェルールＳ２の円環部Ｓ１２に配置されており、端面が露出している。固定側光ファイバＳ９及び回転側ファイバＳ１０は、回転による切り替えの際にそれぞれの端面が接触して傷つくことを防止するため、端面が先端部Ｓ１１より後退している。また、固定側光ファイバＳ９及び回転側光ファイバＳ１０の端面では、反射による信号特性劣化を抑制するため、先端部Ｓ１１と円環部Ｓ１２とがなす角度θが制御されている。なお、本実施形態では、円環部Ｓ１２の端面は、図８において、先端部Ｓ１１から後退する方向に直線状に形成されている例を示すが、円環部Ｓ１２は直線形状である必要はなく、例えば、球面形状にしてもよい。
　図９は先端部Ｓ１１に対する円環部Ｓ１２の角度θと反射減衰量Ｒの関係の一例を示す図である。フェルール回転かん合部Ｓ２０において、固定側光ファイバＳ９の端面と回転側光ファイバＳ１０の端面との間に屈折率の異なる領域があると反射によって信号特性が劣化する。図８に示す本発明の構成において、固定側光ファイバＳ９の端面と回転側光ファイバＳ１０の端面の間に間隙Ｇがあり、石英ガラスと空気は屈折率が異なるため、反射を低減する工夫が必要である。本発明では円環部Ｓ１２の角度θを制御することにより、反射を低減することとしている。先端部Ｓ１１に対する円環部Ｓ１２の角度θ（単位：度）と反射減衰量Ｒ（単位：ｄＢ）の関係は数２に表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここでｎ１、ω１、λはそれぞれ光ファイバの屈折率、光ファイバコアのモードフィールド半径、信号波長である。また、Ｒ０はフラット端面での反射減衰量であり、数３に表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 ここでｎ２は受光媒体の屈折率である。本実施形態では、波長λが１３１０ｎｍでモードフィールド半径ω１が４．５μｍの場合に、フラット端面での反射減衰量Ｒ０が１４．７ｄＢであり、例えば、先端部Ｓ１１に対する円環部Ｓ１２の角度を５度以上にすることによって、４０ｄＢ以上の反射減衰量Ｒを保持することができる。
　図１０は間隙Ｇに対する過剰損失ＴＧの関係の一例を示す図である。固定側光ファイバＳ９と回転側光ファイバＳ１０との間の光結合において、固定側光ファイバＳ９の端面と回転側光ファイバＳ１０の端面との間に間隙Ｇが存在すると、固定側光ファイバＳ９の出射光の分布が広がり、回転側光ファイバＳ１０のコアとの結合効率が減少するため、過剰損失の要因となる。間隙Ｇ（単位：μｍ）と過剰損失ＴＧ（単位：ｄＢ）の関係は数４に表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 ここでＷ１及びＷ２はそれぞれ固定側光ファイバＳ９及び回転側光ファイバＳ１０のコアのモードフィールド半径であり、図１０は固定側光ファイバＳ９及び回転側光ファイバＳ１０のコアのモードフィールド径が、ともに９μｍの時の損失を示す図である。例えば、固定側光ファイバＳ９の端面と回転側光ファイバＳ１０の端面との間の間隙Ｇが２０μｍ以下となるように調整することによって、過剰損失を０．１ｄＢ以下に抑えることができる。
　図１１は本発明のフェルール回転かん合部Ｓ２０を用いた光スイッチの構成図である。本開示に係る光スイッチは、フェルール回転かん合部Ｓ２０と、フェルール回転かん合部Ｓ２０の第１のフェルールＳ１及び第２のフェルールＳ２のどちらか一方を中心軸を中心として回転させる回転機構Ｓ１５と、を具備する。
　ここで、本開示に係る光スイッチの回転機構Ｓ１５は、第１のフランジＳ４及び第２のフランジＳ５のうち、回転可能な一方を中心軸を中心として回転させてもよい。例えば、図２及び図３に示すようなフェルール回転かん合部Ｓ２０の構造により、第１のフランジＳ４の回転が止められている場合には、回転機構Ｓ１５は、図１１に示すように、第２のフランジＳ５に接続され、第２のフランジＳ５を回転させる。
　アクチュエータＳ１６は制御回路Ｓ１７からの信号により任意の角度回転を行う。回転側フランジＳ５は、アクチュエータＳ１６の出力が回転機構Ｓ１５を介して伝達されることにより回転する。回転側光ファイバＳ１０には回転によるねじれを許容するための一定の余長部を設けてもよい。
　次に、図１１におけるアクチュエータＳ１６と図４で述べた固定側フェルールＳ１、並びに図５で述べた回転側フェルールＳ２に係る要件について説明する。アクチュエータＳ１６には、制御回路Ｓ１７からのパルス信号により任意の角度ステップで回転を行い、角度ステップ毎で一定の静止トルクを有する駆動機構となっており、例えば、ステッピングモータが用いられる。なお、アクチュエータＳ１６は、制御回路Ｓ１７からのパルス信号により任意の角度ステップで回転を行い、角度ステップ毎で一定の静止トルクを有する駆動機構となっていれば、これ以外の方法を用いてもよい。回転速度や回転角度は制御回路１７からのパルス信号の周期とパルス数で決定され、角度ステップや静止トルクは減速ギヤを介して調整されたものでもよい。なお、前述のとおり、フェルール回転かん合部Ｓ２０における回転側フェルールＳ２は軸回転するように設計されているため、回転側フェルールＳ２の回転角度の保持に必要な静止トルクはアクチュエータＳ１６によって付与されるものであるという特徴を有する。
　これにより、切り替え後の静止時において電力を必要としない自己保持機能を有し、かつ、光経路を切り替える際の駆動エネルギーを限りなく小さくすることが可能であり、低消費電力な光スイッチを提供することが可能である。
　ここで、ステッピングモータにおいて、電源供給停止時に角度位置が保持される角度ステップ数を静止角度ステップ数と定義すると、静止角度ステップ数は回転側光ファイバＳ１０の同じコア配置半径Ｒｃｏｒｅを有するコア数の自然数倍であることを特徴とする。
　また、フェルール回転かん合部Ｓ２０における回転角度ずれによる接続損失をＴＲ（単位：ｄＢ）、ステッピングモータの静止角度精度に係る回転角度ずれをΦ（単位：°）、コア配置半径Ｒｃｏｒｅ（単位：μｍ）とした場合、これらの関係は数６に表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　コア配置半径Ｒｃｏｒｅに対する回転角度ずれによる接続損失ＴＲの関係の一例を図１２に示す。一般的にステッピングモータの角度精度は３～５％程度であり、図１２では、回転角度ずれΦが０．０５度とした。コア配置半径Ｒｃｏｒｅが大きいほど接続損失が大きくなり、厳しい静止角度精度が求められ、例えば接続損失０．１ｄＢとすれば、モードフィールド径（ＭＦＤ）が９μｍのとき、コア配置半径Ｒｃｏｒｅを８００μｍ以下にする必要がある。また、モードフィールド径がより大きな光ファイバを用いる場合には、接続損失を低減することも可能である。
　本発明は、中心軸に平行かつ中心軸から同一距離にシングルコアファイバが配置された２つのフェルールそれぞれの一端が凸形状であり、２つのフェルールのどちらかに一方に対してスプリングによる押圧を加えることで、２つのフェルールの一端の先端部を中心軸が一致するように突き合わせ、いずれか一方のフェルールを中心軸を中心として回転させることにより、対向する光ファイバを切り替えることが可能である。２つのフェルールの一端を凸形状とし、２つのフェルールの一端における先端部Ｓ１１を中心軸が一致するように突き合わせて、いずれか一方のフェルールを回転させることにより、対向する光ファイバの端面同士が接触せず、接触によって光ファイバの端面にキズがつくことによる接続損失などの光学特性の劣化を防ぐことができる。また、対向する光ファイバの端面同士を非平行とすることで光の反射量を減らすことができるので、反射コーティングを要せず、より経済的なフェルール回転かん合部および光スイッチを提供することができる。
　さらに、本発明は、光スイッチングを行うフェルール回転かん合部の入力側及び出力側の一方を軸回転可能な機構としているため、アクチュエータで必要となるエネルギー、すなわちトルク出力を限りなく小さくすることが可能であり、低消費電力化が可能である。また、回転側フェルールＳ２の軸回転以外の方向における光軸ずれ量は、スリーブＳ３により保証されているために、低損失化が可能となる。加えて、本発明にはコリメートや特別な防振機構を具備しておらず、フェルールやスリーブといった一般的に広く用いられている光接続部品から構成されているため小型かつ経済的である。
　従って、本発明により、温度や振動等の外的要因に対して安定的な光学特性を低消費電力で、かつ、より経済的に実現できるフェルール回転かん合部および光スイッチを提供することが可能である。その結果、光ファイバネットワークのシングルモード光ファイバを用いた光線路において、場所を問わず、あらゆる設備において、経路を切り替える光スイッチに利用することが可能である。
　なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
　本開示に係るフェルール回転かん合部および光スイッチは、光通信産業に適用することができる。
Ｓ００：前段光スイッチ構成部
Ｓ０１：入力側光ファイバ
Ｓ０２：光スイッチ間光ファイバ
Ｓ０３：後段光スイッチ構成部
Ｓ０４：出力側光ファイバ
Ｓ１：第１のフェルール
Ｓ２：第２のフェルール
Ｓ３：円筒スリーブ
Ｓ４：第１のフランジ
Ｓ５：第２のフランジ
Ｓ６：スプリング
Ｓ７：保持具
Ｓ８：フランジ固定用突起部
Ｓ９：第１の光ファイバ
Ｓ１０：第２の光ファイバ
Ｓ１１：先端部
Ｓ１２：円環部
Ｓ１３：フェルール外径
Ｓ１４：スリーブ内径
Ｓ１５：回転機構
Ｓ１６：アクチュエータ
Ｓ１７：制御回路
Ｓ２０：フェルール回転かん合部
Ｓ２１：円筒スリーブの長手方向の長さ
Ｓ２２：第１のフェルールの長手方向の長さと第２のフェルールの長手方向の長さを足し合わせた長さ

Claims (7)

  1. 　フェルール断面において中心から同一の円周上に一又は複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第１のフェルールと、
    　フェルール断面において中心から、前記第１のフェルールにおける前記シングルコアファイバのコア中心が配置された前記円周と同じ直径の円周上に複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第２のフェルールと、
    　前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの中心軸が一致するように前記第１のフェルールの一端及び前記第２のフェルールの一端が挿入される中空部を有し、前記第１のフェルール又は前記第２のフェルールが回転可能なように、前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの各外径と前記中空部の内径との間に所定の隙間が設けられている円筒のスリーブと、
    　前記第１のフェルールの他端に取り付けられ、前記第１のフェルールと中心軸が同軸である円形のつばを有する第１のフランジと、
    　前記第２のフェルールの他端に取り付けられ、前記第２のフェルールと中心軸が同軸である円形のつばを有する第２のフランジと、
    　前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールが突き合わされる向きに前記第１のフランジ又は前記第２のフランジに押圧を加えるスプリングと、
    　前記第１のフェルール、前記第２のフェルール、前記スリーブ、前記第１のフランジ、及び前記第２のフランジを、前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの中心軸が一致するように保持する保持具と、を備え、
    　前記第１のフェルールの一端は、
    　前記中心軸方向に凸形状であり、前記第１のフェルールに配置された前記シングルコアファイバの端面が露出する円環部と、前記円環部よりも内側にあり、かつ、前記円環部よりも前記中心軸方向に突出している先端部と、からなり、
    　前記第２のフェルールの一端は、
    　前記中心軸方向に凸形状であり、前記第２のフェルールに配置された前記シングルコアファイバの端面が露出する円環部と、前記円環部よりも内側にあり、かつ、前記円環部よりも前記中心軸方向に突出している先端部と、からなり、
    　前記第１のフェルールの先端部と前記第２のフェルールの先端部とが突き合わされる
    ことを特徴とするフェルール回転かん合部。
  2. 　前記第１のフェルールの先端部及び前記第２のフェルールの先端部がフラット面である
    ことを特徴とする請求項１に記載のフェルール回転かん合部。
  3. 　前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールのそれぞれにおいて、前記先端部と前記円環部とがなす角度が５度以上である
    ことを特徴とする請求項1又は２に記載のフェルール回転かん合部。
  4. 　前記第１のフェルールの円環部に露出するシングルコアファイバの端面と、当該シングルコアファイバに光軸が一致する前記第２のフェルールの円環部に露出するシングルコアファイバの端面との間隙が２０μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のフェルール回転かん合部。
  5. 　前記第１のフランジのつば又は前記第２のフランジのつばは、外縁に溝を有し、
    　前記保持具は、前記溝とかん合する形状の突起部を有し、前記突起部を前記溝にかん合させて前記第１のフランジ又は前記第２のフランジの前記中心軸を中心とする回転を防ぐ
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のフェルール回転かん合部。
  6. 　請求項１から４のいずれかに記載のフェルール回転かん合部と、
    　前記フェルール回転かん合部の前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールのどちらか一方を前記中心軸を中心として回転させる回転機構と、を具備する、
    ことを特徴とする光スイッチ。
  7. 　請求項５に記載のフェルール回転かん合部と、
    　前記フェルール回転かん合部の前記第１のフランジ及び前記第２のフランジのうち、回転可能な一方を前記中心軸を中心として回転させる回転機構と、を具備する、
    ことを特徴とする光スイッチ。
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