JP2014059479A - 光コネクタの製造方法及び光コネクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで高精度のＰＣ接続が可能な光コネクタの製造方法と、この方法により製造された光コネクタを提供する。
【解決手段】 石英ファイバのコアに、コアの屈折率を大きくし、かつ融点を下げるドーパントを添加してコアのクラッドに対する屈折率差を１〜３％に設定し、アーク放電により前記光ファイバの先端面からコアだけを球面状に突出させ、前記アーク放電で加工された光ファイバをフェルールに実装する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光コネクタの製造方法と光コネクタに関する。

ハイパフォーマンスコンピュータ（ＨＰＣ）やサーバ等では、広帯域かつ低消費電力でＬＳＩ間の通信を行うインタコネクション技術が求められる。これを実現するための技術として、光インタコネクションが注目されている。

ＨＰＣやサーバ等では、演算を行うＬＳＩが個々のボード上に配置され、複数のボードがバックプレーンに接続されている。光インタコネクションでは、ボード上のＬＳＩで生成された電気信号は光電気変換素子で光信号に変換され、光信号が他のボードへと伝送される。他のボード上で光信号は電気信号に再変換され、電気信号がＬＳＩで受信される。この場合、バックプレーン上またはバックプレーン内部に光伝送路が設置され、個々のボード上にも光電気変換素子からボードエッジまで光伝送路が配置される。ボードとバックプレーンは、光コネクタを介して結合される。

バックプレーンはサイズが大きいため、低損失で伝送を行う手段としては、現在のところ光ファイバが有力と考えられている。個々のボードはメンテナンス目的やシステム構成に応じバックプレーンに対して着脱可能に配置されるため、ボードエッジとバックプレーン上に、光ファイバベースの光コネクタが配置される。

しかしながら、光通信等で用いられる光コネクタを機器内の光配線に使用するにはコストが高すぎるという問題がある。光通信用の光コネクタは、光ファイバ同士を低損失、低反射で接続するために、物理的接触（PC: Physical Contact）を目的とする。そのため、図１に示すように光ファイバ１２０の先端をフェルール１０の先端面１０ａからわずかに突き出させた状態で、光ファイバ１２０の端面１２０ａを凸形状に加工している。このような形状を実現するため、高精度の研磨が必要であり、コストが高くなる。非常に多くのコネクタを用いるＨＰＣやサーバ等のインタコネクションにおいて、高コストの光コネクタは適当でない。

無研磨の光ファイバ同士でＰＣ接続を行う技術として、アーク放電を用いて、フェルールから突き出ている光ファイバの端面全体を球面状に加工した後、光ファイバを位置決めする方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この方法ではわずかな放電条件のばらつきでファイバ先端付近の外径が太くなり、フェルールへのファイバの実装が困難になるという問題がある。その結果、歩留まりが低下する。他の方法として、基板上に形成された導波路の端部でクラッドをエッチング除去してコアを突出させ、リフローまたはレーザ照射によりコアの端面を球面とする方法が知られている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２０００−０１９３４２号公報 特開平０９−３０４６６４号公報

低コストで高精度のＰＣ接続が可能な光コネクタの製造方法と、この方法により製造された光コネクタを提供することを課題とする。

ひとつの観点では、光コネクタの製造方法は、
石英ファイバのコアに、屈折率を大きくし、かつ融点を下げるドーパントを添加してコアのクラッドに対する屈折率差を１〜３％に設定し、
アーク放電により、前記光ファイバの先端面からコアだけを球面状に突出させ、
前記アーク放電で加工された光ファイバをフェルールに実装する。

低コストで高精度のＰＣ接続が可能な光コネクタが実現する。

ＰＣ接続のための光ファイバの端面研磨を説明するための図である。 実施形態の光ファイバの先端加工を説明するための図である。 実施形態の光コネクタの製造工程図である。 屈折率差と伝搬損失の関係を示すグラフである。 光ファイバの先端をアーク放電加工したときの光顕微鏡写真と、その模式図である。 実施形態の光ファイバを実装した光コネクタの概略構成図である。 実施形態の光コネクタを用いたファイバ−ファイバ接続を示す図である。 実施形態の光コネクタを用いたファイバ−ポリマー導波路間の接続を示す図である。 図５の光コネクタの嵌合状態を示す図である。 実施形態の光コネクタが適用される光インタコネクションの一例を示す図である。

以下で、図面を参照して発明の実施形態を説明する。実施形態では、フェルールへの挿入が容易かつＰＣ接続に適した光ファイバを有する光コネクタの製造方法と、この方法により作製される光コネクタを提供する。

図２は、フェルール１０に保持された光ファイバ２０の概略図である。光ファイバ２０は石英系ファイバである。コア２１の屈折率がクラッド２２の屈折率よりも高く、かつコア２１の融点がクラッド２２の融点よりも低くなるように、コア２１にドーパントが添加されている。コア２１とクラッド２２の屈折率差は１〜３％である。

光ファイバ２０は、フェルール１０に形成されたファイバガイド穴１３に挿入されている。光ファイバ２０のコア２１は、先端が球面状の突起２１ａとなって、クラッド２２の端面２２ａから突き出ている。クラッド２２の先端の外周面は先細り（テーパ状）になっており、クラッド２２の端面２２ａでの外径が、その他の部分の外径よりも小さくなっている。ファイバガイド穴１３は、一般にファイバ径±１μｍの精度で射出成型されているが、クラッド２２の先端が先細りとなっていることで、ファイバガイド穴１３への光ファイバ２０の挿入が容易である。

フェルール１０が相手側コネクタ（不図示）のフェルールと嵌合しない状態では、クラッド２２の端面２２ａは、フェルール１０の先端面１０ａよりも突出している。したがって、球面状になったコア２１の突起２１ａもまた、フェルール１０の先端面１０ａよりも突出している。フェルール１０が相手側コネクタのフェルールと嵌合するときは、光ファイバ２０はファイバガイド穴１３の内部で後退可能である。このとき、コア２１の球面状の突起２１ａがフェルール１０の先端面１０ａからわずかに突き出た状態で、相手方光ファイバのコアとＰＣ接続することになる。

先細りになったクラッド２２の端面２２ａからコア２１の球面状の突起２１ａが突き出ているので、相手側コネクタがポリマー導波路用の光コネクタである場合でも、光ファイバ２０の切断面でポリマー導波路コアを損傷することを防止できる。

図３は、図２の光ファイバ２０を用いた光コネクタの製造工程を示す図である。まず、図３（Ａ）に示すように、コア２１とクラッド２２の屈折率差が１〜３％となるようにコアにドーパントを添加した石英系の光ファイバ２０を準備する。ドーパントの種類は、コアの屈折率を増大させ、かつ溶融温度を低くする材料である。添加濃度に応じてコアの屈折率を高くし、かつ融点を低くするドーパントとして、ＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5の他、Ａｌ２Ｏ３や希土類元素であるＥｒ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｌａ、Ｔｍ、およびＰｒ等の元素を有する酸化物や塩化物を用いることができる。コア２１とクラッド２２の屈折率差Δは１〜３％の範囲であるのが好ましい。一例として、クラッドに波長１μｍの光に対する屈折率が１．４５の石英ガラスを用いる場合、屈折率差Δが１〜３％となるようにＧｅＯ2をドープしたシリカガラスを、コアガラスとして用いる。屈折率差Δが１％よりも小さい場合は、コア２１のみを先に溶融させてクラッド２２の端面から突出させることが困難になる。また、曲げ損失を十分に低減することができない。屈折率差Δが３％を超えると、曲げ半径に対する応力最適化のためのクラッド径を確保できなくなる。また伝搬損失が大きくなる。

一般に、コアとクラッドの屈折率差を大きくすることで、曲げ半径を小さくすることができる。しかし、小さい曲げ半径を実現するためには、応力に対する長期信頼性の確保も重要である。１２５μｍ外径のクラッドの場合、コアのクラッドに対する屈折率差Δが１％のときに、曲げ半径は１５ｍｍＲである。屈折率差Δ２％のときは、８０μｍ外径クラッドで、曲げ半径を５ｍｍＲとすることができる。屈折率差Δが３％を超えると、曲げ半径は数ｍｍＲとなり得るが、クラッド外径は６０μｍ以下となる。クラッド外径はコア径以上でなければならない。コア径が５０μｍの場合、外径が６０μｍ以下のクラッドではクラッドとしての機能を果たせなくなる。したがって、屈折率差Δは３％以下であることが望ましい。

屈折率差の上限は、伝搬損失の観点からも根拠付けられる。コアとクラッドの屈折率差が３％になると、屈折率差が１％の場合と比較して伝搬損失が１０倍程度悪化する。これは、図４に示すように、石英基板上に高屈折率のガラス膜を形成してスラブ導波路と埋め込み導波路を形成したときの伝搬損失の屈折率差依存性からも裏付けられる。

このように、曲げ半径に対する応力最適化のためのクラッド径が確保できないこと、および伝搬損失が限界になることから、コアとクラッドの屈折率差Δの範囲を１〜３％とする。

図３（Ａ）に戻って、コア２１が低融点化し、かつクラッド２２に対する屈折率差が１〜３％になるようにコア２１にドーパントが添加された光ファイバ２０を、レーザカッタで切断する。図示の便宜上、１本の光ファイバ２０だけが描かれているが、通常は複数本の光ファイバ２０を一括して切断する。たとえば、多心テープファイバのテープ被覆を剥離して、露出した光ファイバを所望の長さに切断する。レーザ加工を用いると、角度ずれが小さく、長さばらつきを５μｍ以下に抑制することができるが、切断時に、切断面の傾斜や、バリ（加工時に端部にできる出っ張り）が生じる場合もある（サークルＡの部分を参照）。しかし、後工程のアーク放電加工により、ファイバ切断面の相手側コネクタに対する影響を低減することができる。

図３（Ｂ）で、切断された光ファイバ２０を融着機などにセットし、アーク放電による先端処理を行なう。一例として、株式会社フジクラ製の融着機（フュージョン・スプライサ）FSM-20PM II Type Nを用いる。コアとクラッドの屈折率差、ドープ量、コア径などに応じて、放電電流を10.3〜13ｍＡ、処理時間が300〜1000ｍｓｅｃでアーク放電を行う。アーク放電で発生する熱プラズマ（Ｐ）により、コア２１が優先的に溶融し、クラッド２２はわずかに溶融または軟化する。溶融したコア２１の端部は表面張力により球面形状となり、クラッド２２の外径が先細りになる。コアの融点がクラッドの融点よりも低くなっているため、小さいアークパワーでコア２１だけを光ファイバ２０の先端面からレンズ状に突き出た形状に加工することができる。コア２１が球面状に突出した体積に相当する分だけ、クラッド２１が内側に引き込まれ、図３（Ｂ）のようなテーパ形状となる。

図５は、コア径が５０μｍ、クラッド外径が８０μｍ、屈折率差Δが２％のＧｅドープの石英ファイバ２０の先端を、放電電流１１ｍＡ、５００ｍｓｅｃの条件でアーク放電したときの光顕微鏡写真とその模式図である。加工後のコア２１の先端部の突出量は０．４μｍ、コアの先端でのコア外径の収縮は約１μｍである。表面張力で半球状に突出したコア先端部の体積に対応する分だけ、コアの外径が収縮し（符号Ｇ参照）、コア外径の収縮に引きずられてクラッドの外径も先細りとなる。図５から分かるように、クラッド側面の正確なテーパ形状と、クラッド先端から突出するコアの球面形状を実現することができる。

図３（Ｃ）に戻って、先端加工された光ファイバ２０をフェルール１０のファイバガイド穴１３に挿入し、光ファイバ２０の位置決めをしながら光ファイバ２０の根元を接着固定する。
一般に、フェルールへのファイバ挿入工程は難度が高く、時間がかかるため製造コスト増大の要因となっている。これに対し、実施形態の光ファイバ２０ではクラッド２２の先端がテーパ状になっているため、ファイバガイド穴１３への挿入が容易である。なお、アーク放電加工した光ファイバ２０に被覆をする場合は、フェルール１０に吹きつけ用の穴を設けておき、光ファイバ２０をフェルール内に接着固定した後に、スプレーでポリイミド等を吹き付けてもよい。光ファイバ２０を被覆することで、応力印加とファイバ折れに対する耐性を向上して製品の信頼性を高めることができる。

図６は、図３の方法で加工した光ファイバ２０を実装した光コネクタ３０の概略構成図である。光コネクタ３０は、光ファイバ２０と、光ファイバ２０を保持するフェルール３０を含む。図６の例では、光コネクタ３０は多心コネクタであり、複数の光ファイバ２０がテープ被覆２５でまとめられている。テープ被覆２５された光ファイバ２０は、ブーツ１７に挟まれてフェルール１０内に実装される。光ファイバ２０は、図３（Ｃ）に示すように、先細りになったクラッド２２の先端面でコア２１が球面状に突出している。

フェルール１０の内部に空間１５と、空間１５に連通するファイバガイド穴１３と、ガイドピン穴１４が設けられている。空間１５を通ってファイバガイド穴１３に挿入された光ファイバ２０は、フェルール１０の先端面から突き出た状態で保持される。テープ被覆２５から延びる光ファイバ２０の根元側は、フェルール１０の後端で接着剤１８により固定されている。

各光ファイバ２０は、レーザカット時の長さばらつきを含んでいる。そのため、フェルール１０の先端面１０ａからの光ファイバ２０の突出量にもばらつきがある。この長さばらつきは、各光ファイバ２０が相手側コネクタとＰＣ接続されるときに、空間１５内で吸収される。

図７は、コネクタ嵌合時の光ファイバ同士のＰＣ接続を示す図である。図７（Ａ）において、光コネクタ３０Ａと光コネクタ３０Ｂを対向させる。光ファイバ２０は、いずれもクラッド２２の端面２２ａから、コア２１の球面状の突起２１aが突出している。屈折率差２％のＧＩ５０マルチモードファイバ（コア径５０μｍ）を用いた場合、クラッド２２の端面２２ａからのファイバコア２１の突出量は０．４μｍである。

図７（Ｂ）のように、光コネクタ３０Ａと３０Ｂを嵌合させて、対応する光ファイバ２０同士を接続する。光ファイバ１本あたりの押圧力を２．０Ｎとすることで、コア２１の突起２１ａをわずかに弾性変形させて、石英ファイバ同士をＰＣ接続することができる。ＰＣ接続は反射損失が小さいので有利である。光インタコネクトの光源としてＶＣＳＥＬ（Vertical-Cavity SurfaceEmitting Laser；面発光レーザ）を用いる場合は、低次モードが多い。この場合は、マルチモードファイバのコア２１の突起２１ａを完全な球面に加工しなくてもＰＣ接続が可能である。光ファイバ１本あたりの押圧力を増大させることで、弾性変形可能なコア２１の曲率半径を小さくできる。換言すると、光ファイバ２０のコア２１の突起２１ａがより急峻に突き出た形状であっても、押圧力を増大することで光ファイバ２０同士をＰＣ接続できる。

光ファイバ２０の種類としては、マルチモードファイバだけでなく、コア径が１０μｍ程度のシングルモードファイバであってもよい。シングルモードファイバの場合は、ファイバコア２１の球面形状の突出量はマルチモードファイバの場合よりも多くなる。しかしコア径が小さいため、ファイバ１本あたりに印加する押圧力は２．０Ｎよりも小さくできる。シングルモードコアの場合もファイバ先端での外径の収縮量は１μｍ程度である。

シングルモードファイバの先端を実施例の形状に加工することは、シリコン導波路との接続に特に有利である。シリコンフォトニクス技術で基板上に形成された伝送路のコア端面に直接またはスポットサイズ変換器を介して光ファイバのコアを接続する際に、ＰＣ接続を確実にして伝送損失を低減することができる。

図８は実施形態の光ファイバ３０Ａを、ポリマー導波路用コネクタ６０に接続する場合の模式図である。コネクタ６０では、フレキシブルなポリマー導波路４０がフェルール５０に保持されている。ポリマー導波路４０のコア４１は、一例として５０μｍ角のマルチモードコアであり、光ファイバ２０の配列と同ピッチ、たとえば２５０μｍピッチで配列されている。コネクタ６０のフェルール５０は、ＭＴフェルールと同サイズかつ互換性のあるＰＭＴフェルールであり、ガイドピン（不図示）により光コネクタ３０Ａの光ファイバ２０に対して正確な位置合わせが可能である。

光コネクタ３０Ａとポリマー導波路用コネクタ６０を対向させ、光コネクタ３０Ａのファイバコア２１と、ポリマー導波路用コネクタ６０の導波路コア４１をＰＣ接続する。光ファイバ２０のコア２１の突出量は２．０μｍ、押圧力は２．０Ｎである。ポリマー導波路４０の弾性率は石英の弾性率に比べて桁違いに低いため、石英系の光ファイバ２０のコア２１の突起２１ａは、導波路コア４１の端面を弾性変形させてＰＣ接続を達成する。

光ファイバ２０のコア２１の突出量と押圧力はこの例に限定されないが、嵌合時の変形でポリマー導波路４０を構成する材料の降伏応力を超えない範囲で設定する。従来の無研磨ファイバでは、カッタ切断でファイバ端面に発生する傾斜やバリによってポリマー導波路コアを傷つけることがしばしば見られ、光コネクタの挿抜を繰り返すうちに接続損失が悪化する傾向にあった。これに対し、実施形態の光コネクタのようにファイバコア２１の先端をクラッド２２から突出した球面形状とすることで、相手側コネクタの導波路コアに傷をつけずにコネクタの挿抜を行うことが可能である。

接続相手の光コネクタとしては、石英ファイバを用いた光コネクタ３０Ｂやポリマー導波路用コネクタ６０に替えて、ＰＯＦ（Plastic Optical Fiber）用のコネクタや、Ｈ−ＰＣＦ（Hard Plastic Clad Fiber）用のコネクタであってもよい。

図９は、光コネクタ３０Ａと光コネクタ３０Ｂの嵌合状態を示す図である。図９（Ａ）は上面図、図９（Ｂ）は側面図である。光コネクタ３０Ａ、３０Ｂは、ガイドピン２８によって位置決めされた後、バネ（不図示）等によりフェルール１０Ａ、１０Ｂを互いに相手に対して押圧する。突き出た光ファイバ２０は内部に押し込まれながらコア２１の突起２１ａでＰＣ接続する（図７参照）。光ファイバ２０の長さのばらつきが大きい場合、バネ等によりフェルール１０Ａ，１０Ｂ内部へ押し込む一括荷重では、各光ファイバ２０にかかる荷重が一様にならない。その場合、いくつかのチャネルでＰＣ接続ができなくなる可能性がある。

この問題を解決するため、実施形態では、フェルール１０Ａ、１０Ｂの内部に空間１５を設け、光ファイバ２０の根元を接着剤１８で固定し、図６のように、光ファイバ２０の先端を僅かに突き出させた状態で保持する。

光コネクタ３０Ａと３０Ｂを接続すると、突き出し量の多い光ファイバ２０から順に相手側の光ファイバ２０と接触する。各光ファイバ２０は、フェルール１０Ａ，１０Ｂのファイバガイド穴１３内を移動可能であり、余長部分は内部空間１５でわずかに座屈する。空間１５で光ファイバ２０が座屈することによって、光ファイバ２０ごとに軸方向に対して独立した座屈荷重を与えることができる。

図１０は実施形態の光コネクタ３０が適用される光インタコネクションの一例である。ＬＳＩ８５が搭載されたボード８０が、光コネクタ３０Ａ、３０Ｂまたは６０を介してバックプレーン７０に接続されている。バックプレーン７０上の光伝送路７１は、たとえば光ファイバを用いた伝送路である。

実施形態の光コネクタ３０は、バックプレーン７０側のコネクタにも、ボード８０側のコネクタにも適用可能である。双方のコネクタをファイバベースの光コネクタ３０Ａ、３０Ｂとする場合は、図７のように光ファイバ２０同士のＰＣ接続となる。ボード８０上のコネクタをポリマー導波路用コネクタ６０とする場合は、図８のような接続形態となる。ボード８０上の伝送路８１は、引き回しの容易性や屈曲耐性の観点から、フレキシブル導波路とされる場合も多い。実施形態の光コネクタ３０は、ファイバ−ポリマー導波路接続においても有用性を発揮する。

以上述べたように、実施形態の方法では、石英ファイバコアへのドーパントのドープ量を制御して、コアの屈折率をクラッドの屈折率よりも大きくし、かつコアの融点をクラッドの融点よりも低くする。コアとクラッドの屈折率差は１〜３％である。このような光ファイバを従来のアーク放電法よりも小さいアークパワーで処理することにより、コア部分を優先的に溶融させて、光ファイバの端面でコアのみを突出させることができる。この構成により、他の伝送路（光ファイバ、ポリマー導波路、ＰＯＦ、Ｈ−ＰＣＦなど）とのＰＣ接続が容易になる。

ポリマー導波路やＰＯＦ（プラスチック光ファイバ）と挿抜を繰り返しても、ポリマー導波路やＰＯＦに対するダメージを低減することができる。ファイバ先端を先細りにすることにより、フェルールへのファイバ挿入工程が容易になり、コストダウンを図ることができる。多心コネクタの場合、フェルール内の空間での光ファイバの座屈により、光ファイバ間の長さばらつきを吸収することができる。アーク放電加工は、研磨による精密加工に比べて工程が容易であり、コストを低減することができる。レーザ加工とアーク放電を組み合わせることで、クラッド先端のテーパ形状とクラッド端面からの球面状のコアの突起を形成することができる。したがって、高精度なＰＣ接続が実現する。

実施形態で述べた構造はほんの一例であり、石英ファイバであれば、クラッド外径やコア径が実施例と異なっていても実施可能である。光コネクタとしては、多心コネクタでなくても、一般的なＳＣやＦＣといった単心コネクタでもよい。

実施形態の光ファイバは、嵌合コネクタだけでなく、メカニカルスプライス等への応用や、導波路デバイスとの永久接続を行う際にも流用が可能である。

１０ フェルール
１０ａ フェルール先端面
１３ ファイバガイド穴
１５ 内部空間
２０ 光ファイバ
２１ コア
２１ａ コア突起
２２ クラッド
２２ａ クラッド端面
３０、３０Ａ、３０Ｂ 光コネクタ

Claims (10)

1. 石英ファイバのコアに、前記コアの屈折率を大きくし、かつ融点を下げるドーパントを添加して、前記コアのクラッドに対する屈折率差を１〜３％に設定し、
   アーク放電により、前記光ファイバの先端面から前記コアだけを球面状に突出させ、
   前記アーク放電で加工された光ファイバをフェルールに実装する
   ことを特徴とする光コネクタの製造方法。
2. 前記アーク放電により、クラッド先端部の外周面をテーパ状にする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光コネクタの製造方法。
3. 前記アーク放電に先立って、前記ドーパントが添加された前記光ファイバを所定の長さに切断する工程、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光コネクタの製造方法。
4. 前記ドーパントは、ＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5、または希土類酸化物もしくは希土類塩化物を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光コネクタの製造方法。
5. 前記アーク放電は放電電流１０．３〜１３．０ｍＡ、３００〜１０００ｍｓｅｃで行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光コネクタの製造方法。
6. 前記フェルールへの実装は、前記アーク放電により加工した前記光ファイバを、前記フェルールに形成されたファイバガイド穴に挿入する工程を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光コネクタの製造方法。
7. １以上の光ファイバと、
   前記光ファイバを保持する保持部と、
   を有し、
   前記光ファイバのコアとクラッドの屈折率差は１〜３％であり、
   前記コアは、前記光ファイバの先端で前記クラッドの端面から球面状に突出している、
   ことを特徴とする光コネクタ。
8. 前記クラッドは、前記光ファイバの先端で外周面がテーパ形状であることを特徴とする請求項７に記載の光コネクタ。
9. 前記光ファイバの前記コアには、屈折率を高め、かつ融点を低くするドーパントが添加されていることを特徴とする請求項７または８に記載の光コネクタ。
10. 前記光ファイバの先端は、相手方コネクタとの非嵌合時に前記フェルールから付き出た状態であり、
    前記フェルールは内部に空間を有し、相手方コネクタとの嵌合時に前記光ファイバを前記空間内で座屈可能にする、
    ことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の光コネクタ。