JP2006091615A - 光ファイバ固定体及びそれを用いた光ファイバ固定実装構造 - Google Patents

Abstract

【課題】フィードスルーに用いられる光ファイバ固定部において、周囲の温度が変化した際、ファイバを固定するスリーブとファイバとの線膨張率が異なる為、スリーブが縮小が大きい場合、ファイバが撓み、そこで伝搬光が放射され、損失変動が生じる。
【解決手段】貫通孔及びこれに連通する凹部を有する固定キャップと、上記貫通孔に挿通された一本または複数本の光ファイバとを有し、該光ファイバは一部に被覆除去部を有し、該被覆除去部を上記固定キャップの凹部内に配置するとともに、該凹部に充填された充填材で上記光ファイバの被覆除去部及びその近傍の被覆部を覆って光ファイバ固定体を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ計測、光通信において使用する密閉型機器にファイバを挿通したフィードスルー部に用いる光ファイバ固定体及びそれを用いた光ファイバ固定実装構造に関するものである。

従来、高温高湿または高圧下等の厳しい外部環境で、光ファイバを用いて送受信して機能する光機器において、外部に光ファイバ線を引き出すのにヘッド状のフィードスルー構造が用いられている。このようなフィードスルー構造は、図６に示すように機器を搭載したケース内外の密閉性を保つ為、光ファイバ４の保護被覆を剥がしクラッド８を露出、そこにＡｕ、Ｃｒ，Ｃｕ等の活性化金属を各膜厚０．５〜３μｍで積層蒸着し、そこに金属、ガラスまたはセラミックスからなる筒状のスリーブ１２を通し、スリーブ１２の片端または両端で、ハンダ付け、またはロー付けすることにより、筒状のスリーブ１２内でファイバ４を密封する。そしてそれを、外装ケース３内に通し、外装ケース３の内壁とスリーブ１２外周を、ハンダ付けまたはロー付けする。外装ケース３の隙間にシール剤を充填することで、光ファイバ４のフィードスルー部は完成する。実際の機器を搭載した密閉ケース６に固定実装するには、フランジ５を取り付け、そこを溶接またはハンダにより固定、シールリングを介してネジ固定することにより密封装着される。
特開平８−２９２３３８号公報

しかし、以上説明した従来の光ファイバの固定実装構造では以下のような課題がある。

（１）外部の温度が変化した際、光ファイバを固定するスリーブと光ファイバとの線膨張率が大きく異なる為、（通常実装構造部材の線膨張係数が光ファイバ材料である石英の３０〜４０倍程度ある）スリーブが縮小した場合、光ファイバが撓み、そこで伝搬光が放射され、損失変動となる。

（２）また、温度変動の際、線膨張係数差により生じる歪みによる応力が、スリーブ内壁と光ファイバのクラッド外周間の薄いハンダ層を介して、光ファイバのクラッドに直接伸縮応力が繰り返し負荷される為、光ファイバのクラッドに座屈荷重、経時劣化によりマイクロクラックの発生とその成長等により、最悪破断に至り、信頼性上好ましくない。

（３）又、光ファイバ固定体の耐荷重強度が１〜２Ｋｇ程度しかなく、歪み・振動測定に用いるＦＢＧセンサなどの固定構造には強度的に不十分である。

本発明は、前記課題を解決する為、貫通孔及びこれに連通する凹部を有する固定キャップと、上記貫通孔に挿通された一本または複数本の光ファイバとを有し、該光ファイバは一部に被覆除去部を有し、該被覆除去部を上記固定キャップの凹部内に配置するとともに、該凹部に充填された充填材で上記光ファイバの被覆除去部及びその近傍の被覆部を覆ってなることを特徴とする。

また、上記固定キャップの凹部を塞ぐように保護キャップを備えたことを特徴とする。

さらに、本発明の光ファイバ実装構造は、密閉ケースの壁を貫通して筒状の外装ケースを配置し、該外装ケースの両側に上記光ファイバ固定体を備えてなることを特徴とする。

また、上記外装ケースの両側に備えた光ファイバ固定体の間で、光ファイバに張力Ｔが加わった状態で固定されていることを特徴とする。さらに、上記張力Ｔが、２００ｇ＜Ｔ＜１０００ｇ の範囲にあることを特徴する。

上記のように１本または複数の光ファイバを、固定キャップの凹部に充填材で固定し、この固定部では光ファイバの被覆を除去したクラッド部分とその近傍の被覆部を充填材で覆うことにより、温度変動によるケース、光ファイバの伸縮により生じる応力を、光ファイバの被覆部で吸収することができる為、温度変化による外装ケースなどの伸縮に対し強度的に強い構造の光ファイバ固定体を得ることができる。

また、充填材で光ファイバの被覆除去部及び被覆部を同時に充填固定することにより、負荷荷重を被覆部にも分布させることにより、引っ張り強度が増大し、信頼性が向上する。

さらに、外装ケースの両端２箇所に上記光ファイバ固定体を備えて光ファイバ実装構造を構成し、２カ所の光ファイバ固定体の間の光ファイバに張力を負荷することにより、温度変動による光ファイバが受ける伸縮に対し、張力を変動させることで、光ファイバが弛む状態を防止でき、損失、反射減衰量の変動の無い安定した特性の光ファイバの固定実装構造を提供することができる。

次に本発明の詳細について図に基づいて説明する。

図１は、本発明による光ファイバの固定実装構造の断面図で、伝送機器等を搭載した密閉ケース６の壁面を貫通してフランジ５により装着したものである。その装着方法としてはフランジ５外周にハンダ付け、または溶接をしたり、シール材とボルトを用いた固定方法がある。信号を伝送する光ファイバ４は、外装ケース３の両端に配置した２箇所の光ファイバ固定体１により、張力Ｔを負荷した状態で固定されている。

図２は、図１中Ａ部の光ファイバ固定体１の詳細を示した図である。固定キャップ９には貫通孔１４とこれに連通する凹部１５を有し、上記貫通孔１４に光ファイバ４を挿通して、上記凹部１５に充填材２を充填して光ファイバ４を固定している。光ファイバ４は長さP2の範囲で保護被覆を除去してクラッド８を露出させ、このクラッド８とその両側近傍の被覆部を含む長さP1部分を充填材２で覆い、さらに凹部１５を塞ぐように保護キャップ１０を備えている。このように、光ファイバ４のクラッド８が、充填材２を介して固定キャップ９と保護キャップ１０に固定されている。

固定キャップ９の凹部１５に充填する充填材２としては、金属ハンダ材等を使用することができるが、アクリル系樹脂またはポリイミド系樹脂などからなる光ファイバ４の保護被覆部の一部も覆うため、高温溶融型のものは使用することが困難であり、例えば超音波低温ハンダを用いることが好ましい。即ち、固定キャップ９で充填材２を充填している凹部１５は、その柔軟性により温度変動による固定キャップ９と光ファイバ４の線膨張差により生じる応力を緩和する効果がある。尚、光光ファイバのクラッド８表面にハンダまたはロー付けによる溶着力を向上するため、メタライズ処理してもよい。

従来の図６に示した構造では、ファイバクラッド上に蒸着した金属膜とその上の薄いハンダ層により直接スリーブ１２に密着固定している為、温度変動による線膨張差による影響を殆ど緩和されず、応力となって直接受ける構造の為、撓みが生じたり、破断が生じる場合もあるが、本発明ではこのような問題を防止できる。

また、光ファイバ４の両端は、固定キャップ９端、保護キャップ１０端でシール材７で保持固定する。シール材７にはシリコン系接着剤、有機系の熱硬化型接着剤、可視光型接着剤などが使われる。固定キャップ９と保護キャップ１０との間は、通常のハンダ材等を用いて固着する。

このような構成による光ファイバ固定体１を、図１のように一通の光ファイバ４において外装ケース３の両端に間隔Ｌで２カ所設けることで本発明の光ファイバ固定実装構造とすることができる。尚、図１、図２において、光ファイバ固定体１に用いている光ファイバ４は１本であるが、複数本並列に設置した構成でもよい。

図３は、本発明の光ファイバ固定実装構造を製作するプロセスを示したものである。図３（ａ）は、前述したプロセスで、光ファイバ固定体１を光ファイバ４に取付けたものである。図３（ｂ）のようにそこから距離Ｌ離れた場所に同様なプロセスで、対向して光ファイバ固定体１を取り付ける。図３（ｃ）のように、その後、一方の光ファイバ固定体１を固定し、光ファイバ４を外装ケース３に通した後、もう一方の光ファイバ固定体１を張力Ｔで引っ張り、フランジ１１を用いて、もう一方の光ファイバ固定体１と外装ケース３を固定することで図３（ｄ）のような光ファイバ固定実装構造を得ることができる。

ここで、光ファイバ４に張力Ｔを負荷しないと、外装ケース３の温度変動による伸縮が光ファイバ４に影響し、外装ケース３が収縮した場合、両者の線膨張係数の差（通常、外装ケース材料の線膨張係数＞＞光ファイバの線膨張係数）により、光ファイバ４が撓み、それにより生じた光ファイバ固定体１間のファイバの歪みにより放射損失が生じる。そこで本発明では、事前に光ファイバ４に適切な張力（歪み量：５００〜５０００μｍ程度／張力Ｔ：２００〜１０００ｇ程度）を負荷することにより、光ファイバ４がバネのように作用し、線膨張係数差により生じた歪みを吸収する。

最後に、必要により設置用のフランジを外装ケース３に取り付けて完成する。尚、外装ケース３内の光ファイバ空間は、空気中の水分が有するＯＨ基から光ファイバ４を保護し、マイクロクラックの成長防止など信頼性向上の為、乾燥窒素等を充填した状態で、封止してもよい。

図４は、本発明の光ファイバ固定実装構造を用いたファイバフィードスルー部を電子機器を搭載した密閉ケース６に用いた場合のイメージ図で、使用する光ファイバ４が単芯の場合の構成例を示したものである。本発明の光ファイバ固定実装構造をファイバフィードスルー部に各４箇所設け、フランジにより密閉ケース６の壁面に固定したものである。なお、他の実施形態として、４芯の光ファイバを固定する構造のものを一つ用いてもよい。

本発明の光ファイバ固定実装構造を前記プロセスにより製作した。外装ケース、キャップ類にはステンレス系の金属材料を用い、各表面をＮｉ−Ａｕメッキした。使用する光ファイバ４は、モードフィールド径約１０μｍ、クラッド径１２５μｍのシングルモードファイバで、保護被覆を含めた外径が２５０μｍのアクリルコートをコーテイングしたものである。先ず、光ファイバ４の保護被覆を長さＰ２が４〜５ｍｍとなるように除去し、クラッド８を露出させ、その範囲内のクラッド８表面をＡｕ／Ｎｉによりメタライズ処理をした。そこに融点１３０℃の超音波ハンダ材（セラソルザ）を超音波ハンダコテを用いて付着した。それを固定キャップ９の貫通孔１４を通し、充填材２を長さＰ１（Ｐ１＞Ｐ２）の範囲で凹部１５に充填した。剛性材料２として溶融範囲の異なるセラソルザを用いてアクリル保護被覆の部分を含め溶融固着した。

その後、保護キャップ１０に光ファイバ４を通し、固定キャップ９と通常のハンダ材を用いて固着した。各キャップの光ファイバ通過孔にはシール材７としてエポテック３４３ＮＤを充填した。このようにして構成した光ファイバ固定体１の引っ張り強度を確認する為、長さ２０ｃｍを２％／分の引っ張り条件で、引っ張り、デジタルフォースゲージで負荷荷重を測定した。その時の光ファイバ引っ張り強度で３Ｋｇ以上の耐性を有し、ＦＢＧ等の歪・振動測定用光ファイバセンサ固定にも使用できる強度を有していることを確認した。

その後、フランジ１１を保護キャップ１０に装着固定し、光ファイバ固定体１は完成する。完成したファイバ固定体１のサイズは、外径５ｍｍ、長さ１０ｍｍのものである。

同様なプロセスで、ファイバ間隔Ｌ＝３０ｍｍの所にもう１カ所光ファイバ固定体１を対向して装着固定する。そして、外装ケース３を通して、一方のファイバ固定体１を固定し、もう一方の対向した光ファイバ固定体１に張力Ｔ＝５００ｇ程度を負荷し、フランジ１１を用いて所定の位置に通常のハンダ材により固定した。

これによって全長４０ｍｍ、外径８ｍｍのフィードスルー用光ファイバ固定実装構造を製作した。

比較の為、図６に示した従来例による同材料、同サイズの接続実装構造を製作した。光ファイバ４の保護被覆部を１５ｍｍ剥がしクラッド８を露出、その部分に蒸着によりメタライズ部１３を形成した。それをスリーブ２に通し、にロー付けによりメタライズ部１３の部分で固定、それを外装ケース３に通し、その内壁にハンダ固定し、両側をシール材７により封止したものである。

以上のようにして製作した本発明のフィードスルー用光ファイバ固定実装構造と従来の固定実装構造を、恒温槽内に設置し、片側光ファイバ端に１．５５μｍのレーザ光を入射し、温度を−４０〜１９０℃に変化させた時の各挿入損失と反射減衰量を測定したものを図５（ａ）（ｂ）に示す。

この結果より、本発明のファイバの固定実装構造は、温度が大きく変動してもその両特性は変動せず、安定している。従来例の固定実装構造は、温度が下降した場合、スリーブ２と外装ケースの線膨張による収縮の影響による撓みにより挿入損失が増大している。又、温度が上昇した場合、全体的に膨張するものの両側で固定しているシール材７の膨張により撓みが生じ、挿入損失が増大している。

本発明の場合、温度が下降した場合は、外装ケース３の収縮は、光ファイバ４のＬの部分で吸収される。又、剛性材料２の充填部の材料が収縮しても、光ファイバ保護被覆とともに押さえており、それが剛性材料収縮による応力を緩和し、クラッド８の線膨張差による光ファイバ４の曲がりを抑える。温度が上昇した場合は、外装ケース３の膨張を、同様に長さＬの部分で吸収すると共に、光ファイバ固定体１の剛性材料２の膨張による光ファイバのクラッド８に負荷される応力も保護被覆も併せ剛性材料２を充填保持する構造により、保護被覆部にも荷重が負荷される為、ファイバに負荷される応力が緩和される。即ち本発明では、充填材２を充填した凹部１５と保護被覆を含めた光ファイバ保持構造は線膨張差により生じる光ファイバ４のクラッド８に負荷される応力を緩和する作用がある。

これに対し、従来例の反射減衰量は、損失の増大と共に大きくなる（０ｄＢに近づく）。即ち光ファイバ４の撓みにより、その部分で反射が増大するため、挿入損失の増大と相関があることがわかる。

本発明による光ファイバ固定実装構造の断面図である。 図１のＡ部である光ファイバ固定体の詳細図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の光ファイバ固定実装構造の製造方法を示す図である。 本発明の光ファイバ固定実装構造を密閉型ケースに実装固定した場合の外観図である。 （ａ）、（ｂ）は本発明による光ファイバ固定実装構造と従来例による固定実装構造の挿入損失、反射減衰量を比較したグラフである。 従来の光ファイバ固定実装構造の構成例を示す断面図である。

符号の説明

１．光ファイバ固定体
２．充填材
３．外装ケース
４．光ファイバ
５．フランジ
６．密閉ケース
７．シール剤
８．クラッド
９．固定キャップ
１０．保護キャップ
１１．張力
１２．スリーブ
１３．メタライズ部
１４．貫通孔
１５．凹部

Claims (5)

1. 貫通孔及びこれに連通する凹部を有する固定キャップと、上記貫通孔に挿通された一本または複数本の光ファイバとを有し、該光ファイバは一部に被覆除去部を有し、該被覆除去部を上記固定キャップの凹部内に配置するとともに、該凹部に充填された充填材で上記光ファイバの被覆除去部及びその近傍の被覆部を覆ってなることを特徴とする光ファイバ固定体。
2. 上記固定キャップの凹部を塞ぐように保護キャップを備えたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ固定体。
3. 密閉ケースの壁を貫通して筒状の外装ケースを配置し、該外装ケースの両側に請求項１または２記載の光ファイバ固定体を備えてなることを特徴とする光ファイバ固定実装構造。
4. 上記外装ケースの両側に備えた光ファイバ固定体の間で、光ファイバに張力Ｔが加わった状態で固定されていることを特徴とする請求項３記載の光ファイバ固定実装構造。
5. 上記張力Ｔが、２００ｇ＜Ｔ＜１０００ｇ の範囲にあることを特徴する請求項４記載の光ファイバ固定実装構造。

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