JP4409303B2

JP4409303B2 - 光レセプタクル及びそれを用いた光モジュール

Info

Publication number: JP4409303B2
Application number: JP2004018869A
Authority: JP
Inventors: 宏樹伊藤; 強田中
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: JP2005215083A

Description

本発明は、光通信用モジュール等に使用される光レセプタクル及びそれを用いた光モジュールに関するものである。

光信号を電気信号に変換するための光モジュールは、半導体レーザーやフォトダイオード等の光素子をケース内に収納し、レンズ等を介して、光ファイバに光信号を導入又は導出するような構造となっている。この様な光モジュールのうちコネクタを接続するようにした光モジュールの例として図３に示す。図３に示すレセプタクル型の光モジュールは光レセプタクル9の後端面に光素子ユニット２１を接続するとともに、先端面とプラグフェルール７の先端面が接続するものである。

光レセプタクル9は、ステンレス鋼の母材を切削加工もしくは射出成形した有底カップ状のホルダ４の底面中央に、貫通孔４０を形成するとともに、この貫通孔４０に中心に光ファイバ２が接着保持されたセラミック製のファイバスタブ１の後端側が圧入保持されている。そして、そのファイバスタブ１の先端側をスリーブ3の一方側の開口から嵌め込み、このスリーブ３の抜け防止のためにホルダ４から露出するスリーブ３を覆う円筒状のシェル（ケース）5をホルダ４の側壁面に対して圧入する構造となっている。

ここで、シングルモードの光ファイバへの高効率な光結合が要求される光レセプタクルにおいて、中心に光ファイバ８が接着保持されたプラグフェルール７を繰り返してスリーブ３内に着脱しても高精度な位置決めが要求されるため、スリーブ３の材質として高精度加工が可能であり、かつ、耐摩耗性に優れたセラミックを用いることも多い。

ところで、近年、インターネット等の普及に伴い、データ通信においても光伝送が一般的になり、そのキーデバイスである光通信用送受信器は高速化と、小型化、低コスト化を同時に実現することが求められている。

しかしこのままの構造で小型化をすると、プラグフェルール７の挿入する長さや、ファイバスタブ１の挿入長さが短くなっていくことから、光レセプタクルにおけるスリーブ３の保持力が低下し、プラグフェルール７に固定されている光ファイバ８のコードの自重や張力による横荷重によってプラグフェルール７内のファイバ８の位置にズレが発生し、光出力が低下したり、着脱再現性が得られなかったりするといった問題が発生していた。

そこで、光レセプタクルの保持力を強化するために、図４の様にスリーブ3内にファイバスタブ１全長を嵌め込み、その嵌め込んだスリーブ３の位置にホルダ４の貫通孔に圧入し、さらに、シェル５の後端側の開口部にホルダ４を圧入することで、シェル４の後端側の開口部がホルダ４を介してスリーブ３、ファイバスタブ１を保持し、ファイバスタブ１の保持をスリーブ３、ホルダ４の共通の位置で保持させてレセプタクルを小型化する技術や（特許文献１参照）、図５の様に貫通孔にファイバスタブ１を保持させたホルダ４のスリーブ３が接する面にも段部等を設けることでホルダ４のみでファイバスタブ１を保持するので、小型に形成できるとともにスリーブ３の把持を安定させる構造のものを提案したりしていた（特許文献２参照）。
特開平１０−３３２９８８号公報特開平２００２−３５０６９３号公報

しかしながら、従来の光レセプタクルの図４の様にファイバスタブ１をスリーブ３とホルダ４との共通の位置で保持する構造の光レセプタクルの場合、ファイバスタブ１に対して、プラグフェルール７は、光学損失なく接続するには、継続的な荷重をかけたり、脱着の際の瞬間的な荷重がかかったりしても、これに耐えうる圧入力にする必要がある一方、高すぎる圧入力はスリーブ３を変形又は破壊されるので、ファイバスタブ１を保持するスリーブ３、ホルダ４、シェル５の後端側の開口部の径を高精度に加工する必要がある。

即ち、シェル５の内径をスリーブ３と同等とするか小さくすることでスリーブ３をシェル５の内径に密着させて傾きを制限しようとした場合、ホルダ４のファイバスタブ１を挿入する貫通孔４０とシェル５を嵌め込む外形、若しくは貫通孔４０の同軸度、スリーブ３の内径と外形の同軸度、シェル５内径と外形の同軸度、シェル５内径のホルダ４を嵌め合う内径とシェル５のスリーブ３嵌め合う内径の偏芯量を全て高精度に加工するだけでなく、ファイバスタブ１の外形中心とシェル５の内径中心を高精度に、又傾き無く合わせる必要があり、部品コストが上がるだけでなく歩留まりが悪いという問題点を有している。

また、プラグフェルール７へ横荷重がかった場合に、スリーブ３の挿入端側が広がることがあり、ファイバスタブ１の保持側が同じ位置で保持されているので、光ファイバのズレが発生しやすく、その場合は損失が大きくなる問題があった。

図５のようにホルダ４側がスリーブ３の端部を保持する構造においても、プラグフェルール７への横荷重によってスリーブ３の挿入端側が広がってしまい、光ファイバのズレが発生しやすく損失が大きくなる問題があった。また、シェル５自体もプラグフェルール７の無理な抜き差しにより保持される位置が安定せず、抜けた場合にはスリーブ３を保護できないという問題点を有していた。

上記の課題に鑑みて本発明の光レセプタクルは、フェルールの中心に光ファイバが固定されたファイバスタブと、該ファイバスタブの後端部を保持するホルダと、一方側がファイバスタブの先端部を保持するとともに他方側がファイバスタブの先端面に接続されるプラグフェルールを保持するスリーブと、該スリーブを収納するとともに後端部が前記ホルダに保持されるケースとからなる光レセプタクルであって、前記ケースは、前記後端部の外周面に鍔部を有しており、該鍔部の後端面が前記ホルダに当接されるとともに、前記鍔部の先端側の面が前記ホルダに嵌合された把持部材に当接されて保持されていることを特徴とする。

前記ホルダを有底カップ状に形成するとともに、前記ケースの鍔部を前記ホルダの底面に当接させ、前記把持部材を前記ホルダの側壁内周面と前記ケース外周面との間に配置したことを特徴とする。

前記ホルダは筒状に、前記把持部材は筒状に形成するとともに、一端に筒の内壁から突出する突起部を形成し、前記把持部材の内周面と前記ホルダの側壁外周面とを嵌合させるとともに、前記ホルダと前記突起部とが前記鍔部に当接されていることを特徴とする。

前記ケースは、前記スリーブに前記プラグフェルールが挿入されたときの前記スリーブの外径に対してクリアランスを有する内径を備えていることを特徴とする。

そして、本発明の光モジュールは、上述の光レセプタクルの後端側に光素子を収納した光学ケースを取り付けたものである。

本発明の光レセプタクルによれば、ケースは、後端部の外周面に鍔部を有しており、この鍔部の後端面がホルダに当接されるとともに、鍔部の先端側の面がホルダに嵌合された把持部材に当接されて保持されていることから、横荷重をかけた際のスリーブの更なる広がりや傾きによる動きを把持部材とホルダとによって保持されたケースによって抑制させることが可能となり、しかも、ファイバスタブの後端部はホルダで固定されているため、安定したプラグフェルールとの接続が実現でき、横荷重特性の優れた光レセプタクル及びそれを用いた光モジュールを提供できる。従って、小型化したとしても、充分な把持力が得られることが可能な光レセプタクル及び光モジュールを提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。なお、従来技術と同じ構成の部材については同じ符号を用いて説明する。図１、図２は本発明の光レセプタクルの一実施形態を示すための中央断面図である。

図１に示すように、本発明の光レセプタクルは、ファイバスタブ１、ファイバスタブ１の後端部を固定するホルダ４、一方側はファイバスタブ１の先端部を保持し、他方側はファイバスタブ１の先端面に接続されるプラグフェルール７を保持してなるスリーブ３及びスリーブ３を収納した状態でホルダ４に固定するシェル５（ケース）とから構成されている。

そして、本発明の特徴とすることは、ホルダ４から直接又は間接的にファイバスタブ１の先端部の外周面がスリーブ３を介してシェル５で把持される把持部材６を有したことにある。

ファイバスタブ１は、ジルコニア、アルミナ等のセラミック材料等からなるフェルール１ａの中央にファイバ貫通孔１ｂを形成してなり、ファイバ貫通孔１ｂに石英ガラス等からなる光ファイバ２を挿入し、接着固定して得られる。ファイバスタブ１の先端面を球状に研磨処理され、先端面を球状に形成したプラグフェルール７との接続が確実に行えるように構成されている。また、後端面は傾斜面にカットされており、後述のように光モジュールとして組み込んだ際のレーザ光の戻り光が直接、レーザ素子に戻るのを防止している。

ホルダ４は、有底カップ状に形成されており、その底面中央に、貫通孔４０を形成するとともに、この貫通孔４０にファイバスタブ１の後端側が圧入保持されている。材料としてはＳＵＳ３０４等の耐食性と溶接性に優れたステンレス材が用いられるが、鉄、ニッケルなどの溶接が可能な材料を用いても構わない。

スリーブ３は、りん青銅やセラミック材料等からなる円筒を縦全体にスリット加工した割りスリーブが用いられている。

シェル５は円筒状に形成され、スリーブ３の他方側から挿入されるプラグフェルール７により広がったスリーブ３の外径より、１〜２０μｍ程度大きい内径を持ち、材料としては防錆性に優れた金属や樹脂から構成されており、スリーブ３の全体が収納されている。そして、シェル５の後端側の外周部には鍔部５０が形成されており、ホルダ４内に鍔部５０が入り込める寸法としている。

把持部材６は、リング状に形成されたもので、防錆性に優れた金属や樹脂等が用いられている。把持部材６はホルダ４に嵌合されており、ホルダ４の側壁内周とシェル５の外周との間に所定のクリアランスを有して配置されており、プラグフェルール７を挿入した状態においては、ファイバスタブ１の先端部の外周面がスリーブ３を介してシェル５で間接的に把持されるように構成されている。

これにより、プラグフェルール７の挿入の際のスリーブ３の広がりまでは制限せずに、挿入時の広がりに余裕ができ、また、把持部材６によりプラグフェルール７の挿入後の傾きを有効に制限することのみが可能な構造であり、光接続がなされているプラグフェルール７やファイバスタブ１の両方の光ファイバ端を中心に僅かに傾くだけで光接続損失は小さいレベルでしか発生しない。

また、シェル５の外周面と鍔部５０とで形成される段差領域Ｒに把持部材６が係合している。これにより、接着剤でシェル５をホルダ４に固定する場合においても、シェル５の段差領域Ｒを係合する構造とすることにより、接着材が劣化してもシェル５が抜けにくく、又、鍔部５０の底面をホルダ４に当てることで傾きが制限出来る。

なお、本発明に用いられる把持部材６の構造としては上述のリング状の構造に限定されるものではなく、例えば、図２の様に、円筒状の把持部材６にホルダ４を圧入する方法によって、ファイバスタブ１の先端部の外周面がスリーブ３を介してシェル５で直接的に把持されるように構成してもよい。この際、把持部材６の内径は、プラグフェルール７を挿入する前はシェル５を拘束することがないクリアランスを設けてあり、ホルダ４とシェル５はクリアランス内の自由な位置で固定可能であり、プラグフェルール７を挿入した後は上述のように直接、シェル５でスリーブ３を介して把持される。
これにより、従来構造の図４や図５において、シェル５の内径をスリーブ３の外径と同等もしくは小さくすることだけでスリーブ３の傾きを制限しようとした場合、ホルダ４のファイバスタブ１を挿入する貫通孔４０とシェル５を嵌め込む外形、若しくは貫通孔４０の同軸度、スリーブ３の内径と外形の同軸度、シェル５のホルダ４を嵌め合う内径と、シェル５のスリーブ３嵌め合う内径の偏芯量を全て高精度に加工するだけでなく、ファイバスタブ１の外形中心とシェル５の内径中心を高精度に、又傾き無く合わせる必要があり、実現が困難であったが、ファイバスタブ１の後端部をホルダ４の貫通孔４０で固定し、ファイバスタブ１の先端部を、ホルダ４から直接又は間接的にスリーブ３を介してシェル５で把持される把持部材６を有したために、そのような高精度に加工しなくてもプラグフェルール１の傾きによる挿入損失の悪化を容易に阻止することができるので実現可能となった。

望ましい構成としては、ファイバスタブ１やスリーブ３をジルコニアセラミックス形成する。特にセラミックスの材料には、ＺｒＯ₂を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ_２、Ｄｙ_２Ｏ_３などの少なくとも一種を安定化剤として含み、正方晶の結晶を主体とする部分安定化ジルコニアセラミックスを用いることが好ましく、このような部分安定化ジルコニアセラミックスは、優れた耐摩耗性を有するとともに、適度に弾性変形することから、弾性を利用してプラグフェルール７やファイバスタブ１を保持するスリーブ３や、ファイバスタブ１の様に圧入によって固定する際にも有利である。

セラミックの加工方法としては、先ず、例えばジルコニアセラミックスから形成する場合、予め射出成形、プレス成形、押出成形等の所定の成形法によって円柱状もしくは直方体形状の成形体を得、その後、該成形体を１３００〜１５００℃で焼成し、所定の寸法に切削加工または研磨加工を施す。なお、成形体に切削加工等によって予め所定の形状を形成しておき、その後焼成を行ってもよい。また、表面荒さは挿入性を考慮して、算術平均粗さ（Ｒａ）０．２μｍ以下が望ましい。ファイバスタブ１のプラグフェルール側端面は、光コネクタとの接続損失を低減させるため曲率半径５〜３０mm程度の曲面状に加工されている。さらに、光素子側の端面は出射された光が光ファイバの端面で反射して光素子に戻る反射光を防止するため４〜１０°程度の傾斜面に鏡面研磨されている。

このファイバスタブ４を用いた構造では、上述のように反射戻り光を防止するために後端面を斜め研磨しているので、特に反射に弱い光素子を使用する場合に有効である。

ファイバスタブ１とホルダ４の圧入においては、プラグフェルール７からの継続的な荷重や、瞬発的な荷重に対して十分余裕がある保持力とするため、圧入力を高く設定しておくだけでなく、シェル５と高精度に嵌め合うため、圧入によって傾きが発生しないように十分な注意が必要である。

スリーブ３においては、プラグフェルール７を挿入して対空気との屈折率差による損失がなく、光ファイバ２、８同士が光接続する荷重が得られるように、プラグフェルール７を保持する際に適正な保持力になる必要がある。

シェル５や把持部材６についてはプラグフェルール７対して横方向に大きな荷重がかかった場合、スリーブ３を通して直接にシェル５を傾けようとする方向に力が働くため、強度と耐久性が必要であり、防錆性に優れた金属、例えばステンレスやニッケルメッキをした金属や、樹脂においては信頼性の観点から耐熱性があり熱膨張を極力抑えたものを使用することが望ましい。また、シェル５によってスリーブ３自体を固定せず、プラグフェルール７を挿入したときに、２０um以下のクリアランスを持つ様なシェル５の内径とすることで、プラグフェルール７の傾きを制限し、スリーブ３のプラグフェルール７に対する保持力のバラツキが少なく、プラグフェルール７の脱着再現性が良いレセプタクルとなる。

この様に、本発明の光レセプタクルでは、プラグフェルール７を光レセプタクルに接続した後、プラグフェルール７に対して横方向に大きな荷重がかかってもスリーブ３が大きく開いたり、傾いたりすることなく、結果として大きな接続損失とならない。従って、図６に示すように、図１の光レセプタクルの後端側に光素子を収納した光学ケースを取り付けることにより、図３の光レセプタクルモジュールに比べて光ファイバコードの自重や張力による横荷重に対して損失が少ない良好な光モジュールが提供できる。

本発明の実施例を説明する。

先ず、本発明実施例として図1に示す光レセプタクルを作製した。なお光レセプタクルに接続される光コネクタはＬＣコネクタとした。ファイバスタブ１となる円筒状のセラミックはジルコニアからなり、押し出し成形によって円筒状のセラミックス成形体を得て焼成工程で焼き固め、切削加工を行った。

こうして得られた円筒状のセラミックのファイバ貫通孔１ｂに光ファイバ２を挿入接着固定し、先端部を曲率半径１０ｍｍ程度の曲面に鏡面研磨し、反対側をＬＤ素子等の光素子から出射された光が、光ファイバ先端部で反射して光素子に戻る反射光を防止するため、８°の傾斜面に鏡面研磨を行い、ファイバスタブ1とした。

また、防錆性、溶接性に優れたＳＵＳ３０４からなるホルダ４へファイバスタブ１を圧入するには圧力センサー付きハンドプレス（不図示）にて、十分な荷重を確認しつつ圧入した。このとき、このサンプルの固定位置付近での圧入強度は１２０Ｎ程度あった。

従って、それ以下の荷重であればファイバスタブ１が動くことが無いため、プラグフェルール７による押し圧や着脱時の衝撃に対して十分強度があることになる。

次にスリーブ３は割りスリーブが用いられ、ジルコニアセラミックス製で全長が5mmとし、ホルダ４の貫通孔４０にファイバスタブ１を挿入する。ファイバスタブ１をホルダ４の端面まで突き当てた後、防錆性に優れたＳＵＳ３０４からなる鍔部５０を有する図のように所定の形状に形成した円筒状シェル５にスリーブ３を嵌め込む。このときのシェル５の内径はプラグフェルール７が挿入されたときのスリーブ３の最大外径に対して４μｍのクリアランスがあるようにした。その後、シェル５の鍔部５０をホルダ４の底面部まで突き当て、その後、防錆性に優れたＳＵＳ３０３の把持部材６をホルダ４に圧入しながらシェル５の鍔部５０を挟み込み固定する。これにより長さ寸法７.5ｍｍの光レセプタクルとすることが出来た。

また、比較の為、シェル５の鍔部５０がなくホルダ４に圧入する従来構造とし、シェル５の内径もプラグフェルール７が挿入されたときのスリーブ３の最外径に対して１００μｍのクリアランスである以外は同等の光レセプタクルとして試作した。

横荷重の比較測定としては、それぞれ本発明と従来構造のレセプタクルを図６に示すように光レセプタクルにＬＤ素子を有する光学ケースを調芯溶接固定したモジュール化したもので行った。電源にて一定の光を出力し、プラグフェルール７を差し込みコネクタ接続した後、その光出力を光出力測定器にて測定する。そして、横荷重の加える前の光出力を基準に、横荷重に対する光出力を測定するという方法で実施した。

この実験方法にて本発明の光レセプタクルと、把持部材６の無い従来構造の光レセプタクルにおいてプラグフェルール７を差した状態で、割スリーブをシェル側に当て付けファイバスタブ側を０．２ｍｍ浮いた状態にしものとで横荷重の比較測定をした結果を図７に示す。

横荷重の測定は図７に示すように、これより本発明が優れており、小型で横荷重の特性に対して優位性があることが確認出来た。特に、横荷重が大きくなったとしても挿入損失が悪化することがなく安定させることが可能となるのが理解できる。

本発明は、光通信用モジュール等に使用されるだけでなく、センサー用途の光モジュールにおいても適用可能である。

本発明の光レセプタクルの一実施形態を示す断面図である。本発明の光レセプタクルの一実施形態を示す断面図である。従来の光レセプタクルの一実施形態を示す断面図である。従来の光レセプタクルモジュールの一実施形態を示す断面図である。従来の光レセプタクルの一実施形態を示す断面図である。横荷重に対する接続損失の測定方法を説明する断面図である。本発明と従来例の横荷重に対する接続損失を示すグラフである。

符号の説明

１：ファイバスタブ
２：光ファイバ
３：スリーブ
４：ホルダ
５：シェル
６：把持部材
７：プラグフェルール
８：光ファイバ
９：光レセプタクル
２１：光学ユニット
４０：貫通孔

Claims

フェルールの中心に光ファイバが固定されたファイバスタブと、該ファイバスタブの後端部を保持するホルダと、一方側がファイバスタブの先端部を保持するとともに他方側がファイバスタブの先端面に接続されるプラグフェルールを保持するスリーブと、該スリーブを収納するとともに後端部が前記ホルダに保持されるケースとからなる光レセプタクルであって、前記ケースは、前記後端部の外周面に鍔部を有しており、該鍔部の後端面が前記ホルダに当接されるとともに、前記鍔部の先端側の面が前記ホルダに嵌合された把持部材に当接されて保持されていることを特徴とする光レセプタクル。
前記ホルダを有底カップ状に形成するとともに、前記ケースの鍔部を前記ホルダの底面に当接させ、前記把持部材を前記ホルダの側壁内周面と前記ケース外周面との間に配置したことを特徴とする請求項１に記載の光レセプタクル。
前記ホルダは筒状に、前記把持部材は筒状に形成するとともに、一端に筒の内壁から突出する突起部を形成し、前記把持部材の内周面と前記ホルダの側壁外周面とを嵌合させるとともに、前記ホルダと前記突起部とが前記鍔部に当接されていることを特徴とする請求項１に記載の光レセプタクル。
前記ケースは、前記スリーブに前記プラグフェルールが挿入されたときの前記スリーブの外径に対してクリアランスを有する内径を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光レセプタクル。
請求項１〜４のいずれかに記載の光レセプタクルの後端側に光素子を収納した光学ケースを取り付けたことを特徴とする光モジュール。