JP2021119363A - 光コネクタおよび光接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】小さなフェルール押圧力でＰＣ接続を実現する光コネクタおよび光接続構造を提供する。【解決手段】ガラスファイバと、ガラスファイバを覆う樹脂被覆とを含む光ファイバｆと、光ファイバの一端で樹脂被覆から露出したガラスファイバを内蔵するフェルール１０と、を備えた光コネクタ１である。ガラスファイバを内蔵したフェルール端面が凸球面状である。ガラスファイバの外径が１２５×１０-6ｍから１５０×１０-6ｍまでの範囲内であって、光ファイバ中心軸に対するフェルール端面の頂点偏心量が１８×１０-6ｍ以下であり、かつフェルール端面の曲率半径が２０×１０-3ｍ以下である。【選択図】図５

Description

本発明は、光コネクタおよび光接続構造に関し、詳細には、ガラスファイバと、ガラスファイバを覆う樹脂被覆とを含む光ファイバと、光ファイバの一端で樹脂被覆から露出したガラスファイバを保持するフェルールと、を備えた光コネクタおよび光接続構造に関する。

マルチコアファイバ（以下、ＭＣＦと称する）は、１本の光ファイバに複数のコアが設けられており、光ファイバ１本当たりの伝送容量を大きくすることができる。このＭＣＦを用いた光伝送システムを実現するには、ＭＣＦとＭＣＦを接続する技術が必要になる。例えば、非特許文献１には、ＭＣＦ同士を簡易に接続するための光コネクタの構造が開示されている。

非特許文献１は、ＭＣＦの全てのコアでフィジカルコンタクト接続（以下、ＰＣ接続と称する）するためのコネクタ端面形状を求めており、ＭＣＦを内蔵したフェルール端面を凸球面状に研磨して、フェルール端面の曲率半径Ｒ、フェルール端面の頂点偏心量（頂点ずれΔ）、フェルール端面からの光ファイバ引込み量Ｕを規定する。そして、有限要素法を用いて、フェルール押圧力によりフェルール端面が変形する過程を解析している。

この解析結果によれば、クラッド径が１９０（μｍ）（１（μｍ）＝１×１０^-6（ｍ））の場合には、フェルール端面からの光ファイバ引込み量Ｕと頂点ずれΔとを一定とすると、フェルール端面の曲率半径Ｒを大きくすれば、ＰＣ接続に必要なフェルール押圧力を小さくできるとされている。

鹿間ほか、「マルチコアファイバ用光コネクタのＰＣ接続端面の設計と作製」、電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−３−８１、２０１３年９月

非特許文献１に記載のクラッド径が１９０（μｍ）のような大径の場合には、フェルール端面の曲率半径Ｒを大きく（平坦に）すれば、フェルールの先端が相手側から受ける接触圧力が小さくて済むため、ＰＣ接続に必要なフェルール押圧力を小さくできるものと考えられる。
しかし、クラッド径が１５０（μｍ）以下のような小径の場合には、フェルール端面の曲率半径Ｒを大きくすれば、フェルールの先端が相手側から受ける接触圧力が大きくなって、光ファイバに力が伝わり難くなることから、ＰＣ接続に必要なフェルール押圧力を小さくできないという問題がある。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、小さなフェルール押圧力でＰＣ接続を実現する光コネクタおよび光接続構造を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る光コネクタは、ガラスファイバと、該ガラスファイバを覆う樹脂被覆とを含む光ファイバと、該光ファイバの一端で前記樹脂被覆から露出した前記ガラスファイバを内蔵するフェルールと、を備えた光コネクタであって、前記ガラスファイバを内蔵したフェルール端面が凸球面状であり、前記ガラスファイバの外径が１２５×１０^-6（ｍ）から１５０×１０^-6（ｍ）までの範囲内であって、光ファイバ中心軸に対する前記フェルール端面の頂点偏心量が１８×１０^-6（ｍ）以下であり、かつ前記フェルール端面の曲率半径が２０×１０^-3（ｍ）以下である。

上記によれば、小さなフェルール押圧力でＰＣ接続を実現することができる。

本発明の一態様に係る光コネクタの外観斜視図である。 光コネクタのフェルールの斜視図である。 光ファイバの一例を説明する図である。 ＰＣ接続を説明する図である。 コネクタの端面条件を説明する図である。 ＰＣ接続半径の解析結果を示す図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本発明の一態様に係る光コネクタは、（１）ガラスファイバと、該ガラスファイバを覆う樹脂被覆とを含む光ファイバと、該光ファイバの一端で前記樹脂被覆から露出した前記ガラスファイバを内蔵するフェルールと、を備えた光コネクタであって、前記ガラスファイバを内蔵したフェルール端面が凸球面状であり、前記ガラスファイバの外径が１２５×１０^-6（ｍ）から１５０×１０^-6（ｍ）までの範囲内であって、光ファイバ中心軸に対する前記フェルール端面の頂点偏心量が１８×１０^-6（ｍ）以下であり、かつ前記フェルール端面の曲率半径が２０×１０^-3（ｍ）以下である。ガラスファイバの外径が１２５×１０^-6（ｍ）から１５０×１０^-6（ｍ）までの場合は、フェルール端面の頂点偏心量が１８×１０^-6（ｍ）以下にして、フェルール端面の曲率半径を２０×１０^-3（ｍ）以下のように小さくすれば、フェルールの先端が相手側から受ける接触圧力が小さくなって、ガラスファイバに力が伝わりやすくなる。よって、小さなフェルール押圧力でＰＣ接続を実現することができる。

（２）本発明の光コネクタの一態様では、前記フェルール端面からの光ファイバ引込み量が０．１×１０^-6（ｍ）以下である。ガラスファイバの外径が１２５×１０^-6（ｍ）から１５０×１０^-6（ｍ）までの場合は、フェルール端面からの光ファイバ引込み量が０．１×１０^-6（ｍ）、フェルール端面の頂点偏心量が１８×１０^-6（ｍ）とすると、フェルール端面の曲率半径を２０×１０^-3（ｍ）以下のように小さくすれば、小さなフェルール押圧力でＰＣ接続を実現することができる。

（３）本発明の光コネクタの一態様では、前記光ファイバが、マルチコアファイバ、偏波保持ファイバのいずれかである。マルチコアファイバ、偏波保持ファイバを用いた場合にも、小さなフェルール押圧力でＰＣ接続を確実に実現することができる。
（４）本発明の光コネクタの一態様では、前記フェルールがジルコニア製である。金属製のフェルールに比べてフェルールの端面の反射を抑えることができる。

本発明に係る光接続構造は、（５）上記いずれかの光コネクタと、ガイド構造を介して前記光コネクタに連結される接続対象物と、を備え、２本の前記光ファイバを光学的に接続し、フェルール押圧力が２．９（Ｎ）以上である。２本の光ファイバによる光接続状態は、ガイド構造を用いて維持できる。よって、小さなフェルール押圧力でＰＣ接続を実現できる光接続構造を提供することができる。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照しながら、本発明による光コネクタおよび光接続構造の好適な実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一態様に係る光コネクタの外観斜視図、図２は、光コネクタのフェルールの斜視図であり、図３は、光ファイバの一例を説明する図である。なお、以下では、光コネクタをＬＣコネクタの例で説明する。

図１に示すように、光コネクタ１は、フェルール１０を収容したプラグフレーム２０を備え、プラグフレーム２０の後端には、光ファイバｆを保護するブーツ３４が設けられている。
プラグフレーム２０は、図示のＸ軸方向に延びた角筒状のフロントハウジング２１を有する。フロントハウジング２１は、例えば樹脂製であり、フェルール１０を受け入れ可能な後端開口２４と、フェルール１０を突出させる前端開口２３を有する。フロントハウジング２１の外周面には、可撓性を有したラッチアーム２２が設けられている。

プラグフレーム２０は、フロントハウジング２１の後方に、リアハウジング３１を有する。リアハウジング３１は、例えば樹脂製で形成され、フェルール１０の後端部分やコイルばね（図示省略）を収容可能である。なお、コイルばねは、フェルール１０の後方に配置され、フェルール１０を前方（図示のＸ軸の正方向）に付勢する。また、リアハウジング３１の外周面には、ラッチアーム２２に係合可能なクリップ３２が設けられている。

図２に示すように、フェルール１０は、図示のＸ軸方向に延びたフェルール本体１１を有する。フェルール本体１１は、例えばジルコニア製で円筒状に形成されており、光ファイバｆが挿入される後端１３と、光ファイバｆの先端面を露出させる前端１２とを有する。
光ファイバｆの一端は、樹脂被覆が除去されてガラスファイバが露出しており、この露出したガラスファイバがフェルール本体１１の内側に接着されている。図示のＸ軸方向が光ファイバｆの中心軸の方向に相当する。

光ファイバｆは、例えば、１つの共通のクラッド内に複数コアを有するマルチコアファイバ（ＭＣＦ）である。樹脂被覆を省略した例で説明すると、図３（Ａ）は、クラッド４１内に７個のコア４２（中央コアと、光ファイバ中心軸の周囲に六角形状に配置された外周コアとからなる）が形成されている。また、図３（Ｂ）は、クラッド４１内に８個のコア４２（光ファイバ中心軸の周囲に八角形状に配置された外周コアのみ）が形成されている。

図２に示すように、フェルール本体１１の略中央位置の外側には、フランジ１４が設けられている。フランジ１４は、断面視略六角形状または略四角形状に形成される。
フェルール１０の後端部分やコイルばねを図１で説明したリアハウジング３１に収容し、フェルール１０の先端部分をフロントハウジング２１に挿入する。なお、フェルール１０は、フロントハウジング２１に挿入される前に、フェルール端面が予め凸球面状に研磨されている。

次いで、クリップ３２がラッチアーム２２に乗り上がると、フロントハウジング２１がリアハウジング３１にラッチされる。同時に、フランジ１４は、コイルばねの付勢力によって前方に押される。フランジ１４が前方に移動し、フランジ１４がフロントハウジング２１に挿入されると、フェルール１０は、その先端部分がフロントハウジング２１から突出する。

図４は、ＰＣ接続を説明する図である。
光接続構造は、光コネクタ１と、別の光コネクタ１’とを備えており、図４（Ａ）に示すようなガイド部材（例えば割りスリーブ）５０を用いて光コネクタ１側の光ファイバｆと、光コネクタ１’側の光ファイバｆ’とを光学的に接続させる。光コネクタ１’の図示は省略するが、光コネクタ１と同様に構成されている。

光ファイバｆは、図３（Ａ）に示した例で説明すれば、クラッド４１内に、コア４２（中央コアと外周コア）が形成された状態で、フェルール１０に固定されている。光ファイバｆ’もＭＣＦであり、クラッド４１’内に、コア４２’（中央コアと外周コア）が形成された状態で、フェルール１０’に固定されている。
ガイド部材５０は、その内径がフェルール１０，１０’の直径と略同等、あるいは、フェルール１０，１０’の直径よりも僅かに小さく形成されている。また、ガイド部材５０はスリット（図示省略）を有しており、このスリットを広げて内径を大きくすることが可能である。なお、ガイド部材５０をアダプタ（図示省略）に内蔵してもよい。

また、図４（Ａ）に示すように、光ファイバ（樹脂被覆の除去によって露出したガラスファイバ）ｆ，ｆ’をそれぞれ内蔵したフェルール１０，１０’の各フェルール端面は、凸球面状に研磨されている。
フェルール１０をガイド部材５０の一端から挿入し、フェルール１０’をガイド部材５０の他端から挿入すると、凸球面状に研磨したフェルール１０，１０’の各フェルール端面は、図４（Ｂ）に示すように、フェルール押圧力Ｆにより弾性変形し、ガイド部材５０内で中央コアの他、外周コアも面接触する（ＰＣ接続）。

図５は、コネクタの端面条件を説明する図である。
上記のように、フェルール端面は、ＰＣ接続するために、光ファイバ（露出したガラスファイバ）ｆおよびフェルール１０を凸球面状に研磨している。しかし、研磨の品質によって、フェルール端面の頂上が光ファイバ中心軸からオフセットしたり、光ファイバ（露出したガラスファイバ）ｆがフェルール端面よりも引き込んだりすることがあるので、フェルール端面の形状は、研磨の品質も考慮して設定される。

具体的には、図５に示すように、フェルール端面の形状は、フェルール端面の曲率半径Ｒと、フェルール端面の頂点偏心量ｄ（光ファイバ中心軸（図にＸで示す）に垂直な方向における光ファイバ中心軸からフェルール１０の先端までの距離）と、フェルール端面からの光ファイバ引込み量Ｕ（光ファイバ中心軸の方向におけるフェルールの先端から光ファイバ（露出したガラスファイバ）ｆの先端までの距離）と、からなる３つのパラメータで規定される。

これに、フェルール押圧力Ｆを加えた４条件が可変値である。これら４条件と、光ファイバ（露出したガラスファイバ）ｆのクラッド径、コア位置などの不変値とに基づいて、ＰＣ接続する条件を求めることができる。そこで、ＰＣ接続する範囲（ＰＣ接続半径：ガラスファイバ同士が面接触している範囲を光ファイバ中心軸からの距離で表現した量）を有限要素法により解析した。

図６は、ＰＣ接続半径の解析結果を示す図である。
図６（Ａ）は、ガラスファイバの外径（クラッド径）が１５０（μｍ）におけるＰＣ接続半径の解析結果であり、縦軸をフェルール端面の曲率半径Ｒ（端面曲率半径（ｍｍ））、横軸をフェルール端面の頂点偏心量ｄとし、ＰＣ接続半径（ｍｍ）の変化を示している。

フェルール押圧力Ｆが２．９（Ｎ）で一定とし、光ファイバ引込み量Ｕが０．１（μｍ）と規定した場合、頂点偏心量ｄが小さくなるに連れて、ＰＣ接続半径は次第に大きくなっている。また、頂点偏心量ｄを０（ｍｍ）に近づけた場合、フェルール端面の曲率半径Ｒを１０（ｍｍ）まで小さくしても、ＰＣ接続半径は、０．０６（ｍｍ）〜０．０７（ｍｍ）の大きさで得られることが分かる。

次に、図６（Ｂ）は、ガラスファイバの外径（クラッド径）が１２５（μｍ）におけるＰＣ接続半径の解析結果である。上記と同様に、フェルール押圧力Ｆが２．９（Ｎ）で一定とし、光ファイバ引込み量Ｕが０．１（μｍ）と規定した場合、頂点偏心量ｄが小さくなるに連れて、ＰＣ接続半径は次第に大きくなっている。また、頂点偏心量ｄを０（ｍｍ）に近づけた場合、フェルール端面の曲率半径Ｒを１０（ｍｍ）まで小さくしても、ＰＣ接続半径は、０．０５（ｍｍ）〜０．０６（ｍｍ）の大きさで得られることが分かる。

図６（Ａ），（Ｂ）によれば、フェルール端面の曲率半径Ｒ（端面曲率半径）は２０（ｍｍ）を超えてもよい。しかし、頂点偏心量ｄを０（ｍｍ）に近づけるには、フェルール１０を尖らせるように加工する必要があるため、小さな頂点偏心量ｄでフェルール端面の曲率半径Ｒを２０（ｍｍ）超の大きさに加工する（図６（Ａ）、図６（Ｂ）の左上領域を実現する）のは困難である。一方、フェルール端面の曲率半径Ｒが１０（ｍｍ）未満は実用的ではない。したがって、フェルール端面の曲率半径Ｒは１０（ｍｍ）以上２０（ｍｍ）以下であることが好ましい。

そして、図６（Ａ）で説明したクラッド径が１５０（μｍ）の場合には、頂点偏心量ｄが０．０２（ｍｍ）以下であれば、性能保持に必要な０．０４（ｍｍ）以上の大きさのＰＣ接続半径を得ることができ、図６（Ｂ）で説明したクラッド径が１２５（μｍ）の場合には、頂点偏心量ｄが０．０１８（ｍｍ）以下であれば、０．０４（ｍｍ）以上の大きさのＰＣ接続半径を得ることができる。

このように、クラッド径が１２５（μｍ）から１５０（μｍ）までに関しては、非特許文献１に記載の結果とは逆の結果を示しており、光ファイバ引込み量Ｕが０．１（μｍ）、頂点偏心量ｄが１８（μｍ）で一定とすると、フェルール端面の曲率半径Ｒを２０（ｍｍ）以下のように小さくすれば、フェルール１０の先端が相手側から受ける接触圧力が小さくなって、ガラスファイバに力が伝わりやすくなる。よって、小さなフェルール押圧力ＦでＰＣ接続を実現することができる。

ところで、上記実施形態では、光コネクタをＬＣコネクタの例で説明した。しかし、本発明はこの例に限定されない。例えば、ＳＣコネクタやＭＵコネクタを含む他の形式の光コネクタにも適用できる。
また、上記実施形態では、光ファイバｆをマルチコアファイバの例で説明した。しかし、本発明の光ファイバは、例えば、偏波保持ファイバであってもよい。偏波保持ファイバは、マルチコアファイバと同様に、光学的に接続させる際に、中心軸周りの回転角度の調整が必要な光ファイバである。

偏波保持ファイバ（例えば応力付与型偏波保持ファイバ）は、図示は省略するが、コアの両側に円形の応力付与部を配置している。シングルモードファイバには、直交する２つの偏波面を持つモード（偏波モード）が存在するが、偏波保持ファイバは、これら２つの偏波モード間に伝搬定数差を生じさせ、一方の偏波モードから他方の偏波モードへの結合を抑制して偏波保持能力を高めたファイバである。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１’…光コネクタ、１０，１０’…フェルール、１１…フェルール本体、１２…前端、１３…後端、１４…フランジ、２０…プラグフレーム、２１…フロントハウジング、２２…ラッチアーム、２３…前端開口、２４…後端開口、３１…リアハウジング、３２…クリップ、３４…ブーツ、４１，４１’…クラッド、４２，４２’…コア、５０…ガイド部材。

Claims (5)

1. ガラスファイバと、該ガラスファイバを覆う樹脂被覆とを含む光ファイバと、該光ファイバの一端で前記樹脂被覆から露出した前記ガラスファイバを内蔵するフェルールと、を備えた光コネクタであって、
   前記ガラスファイバを内蔵したフェルール端面が凸球面状であり、
   前記ガラスファイバの外径が１２５×１０^-6（ｍ）から１５０×１０^-6（ｍ）までの範囲内であって、光ファイバ中心軸に対する前記フェルール端面の頂点偏心量が１８×１０^-6（ｍ）以下であり、かつ前記フェルール端面の曲率半径が２０×１０^-3（ｍ）以下である、光コネクタ。
2. 前記フェルール端面からの光ファイバ引込み量が０．１×１０^-6（ｍ）以下である、請求項１に記載の光コネクタ。
3. 前記光ファイバが、マルチコアファイバ、偏波保持ファイバのいずれかである、請求項１または２に記載の光コネクタ。
4. 前記フェルールがジルコニア製である、請求項１から３のいずれか一項に記載の光コネクタ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の光コネクタと、ガイド構造を介して前記光コネクタに連結される接続対象物と、を備え、２本の前記光ファイバを光学的に接続し、フェルール押圧力が２．９（Ｎ）以上である、光接続構造。

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