JP6220577B2 - 光デバイス用の金属製筐体および光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光デバイス用の金属製筐体および光デバイスに関し、具体的には複数のコリメータが一つの端面に溶接される光デバイス用の金属製筐体と、その筐体を備えた光デバイスに関する。

光ファイバコリメータは、例えば円筒形のホルダの末端に光ファイバを樹脂で被膜した光ファイバ心線が取り付けられ、ホルダの先端内側にコリメートレンズを保持した構造を備えている。光ファイバはホルダ内部にて開口し、光ファイバコリメータは、その光ファイバの開口から出射した光をホルダの先端側から平行光として出射する。あるいは、ホルダの先端側から入射した平行光を光ファイバの開口端に結合させる。そして、その光ファイバコリメータを備えた光デバイスとしては、例えば、複数の光ファイバコリメータ間で光路を切り替える光スイッチや、一方の光ファイバからの出射した光の強度を減衰させた上で他方の光ファイバに結合させる光アッテネータなどがある。

ところで、光ファイバコリメータを備えた光デバイスでは、内部に光学部品を収納するための筐体を備え、その筐体の外側の端面に光ファイバコリメータが取り付けられている。そして筐体における一つの端面に複数の光ファイバコリメータが取り付けられた光デバイスもある（特許文献１参照）。

図７に一つの端面１２に複数の光ファイバコリメータ（３２、３３）が接続された光デバイス１の一例を示した。ここでは、プリズム５０を用いて三つの光ファイバコリメータ（３１〜３３）から選択される所定の二つの光ファイバコリメータ間（３１−３２、３１−３３）で光路を切り替える光スイッチ１を示した。図７（Ａ）は、三つの光ファイバコリメータ（３１〜３３）の配置を示す図であり、光スイッチ１を上方から見たときの平面図に相当する。（Ｂ）（Ｃ）は当該光スイッチ１を上方から見たときの透視図であり、筐体１０の内部に形成される光ファイバコリメータ間（３１−３２、３１−３３）の光路（１００、１０１）の状態を示している。

例示した光スイッチ１では、図７（Ａ）に示したように、直方体形状の筐体１０において、互いに対向する端面（１１、１２）に一対の光ファイバコリメータ（３１、３２）が同軸２０に取り付けられているとともに、一方の端面１２には、対となる光ファイバコリメータ（３１、３２）とは別の光ファイバコリメータ３３も取り付けられている。ここで対向する一対の光ファイバコリメータ間（３１−３２）の軸２０方向を前後方向として、光ファイバコリメータ３１が一つだけ取り付けられている端面１１の側を前方とすると、（Ｂ）に示したように、対向する光ファイバコリメータ間（３１−３２）には前後方向に直線的な当初の光路１００が形成される。この例では、前方から後方に向かう光路１００が形成されている。次に、（Ｃ）に示したように筐体１０の外部からの駆動機構（図示せず）によってその当初の光路１００にプリズム５０を介在させると、その光路１００が対角にある光ファイバコリメータ間（３１−３３）の光路１０１に切り替わる。

特許４６５５０４５号公報

一般的に、光デバイスでは、筐体の内外に配置されている各種光学部品のそれぞれが高い精度で位置合わせされている必要がある。したがって筐体の端面に光ファイバコリメータが取り付けられている光デバイスでは、筐体および光ファイバコリメータのホルダがともに堅牢で変形しにくい金属で構成されている場合が多い。そして光ファイバコリメータは、金属製のホルダの先端側が金属製の筐体の端面に溶接されている。

ところで、図７に示した光スイッチ１のように、筐体の一つの端面に複数の光ファイバコリメータが溶接された光デバイスでは、その作製過程で、各光ファイバコリメータを光学的に最適な位置となるように微調整しながら一つずつ順番に同じ端面に溶接していくことになる。しかし、同じ端面において二番目以降の光ファイバコリメータを溶接すると、溶接済みの光ファイバコリメータが当初の最適位置からずれるという問題があることが判明した。これは、二番目以降の光ファイバコリメータの溶接時における筐体の熱膨張などに起因して、同じ端面にすでに溶接されている光ファイバコリメータのホルダや筐体における溶接部位などに歪みが発生するためであると考えられる。このような光ファイバコリメータの位置ずれは光路の両端にある光ファイバコリメータ間の結合損失を増大させ、光デバイスの性能を劣化させる要因となる。もちろん熱伝導率や熱膨張率が極めて低い材料を用いて筐体を構成することも考えられるが、材料や加工に掛かるコスト増加する可能性が高い。

本発明は、金属製のホルダを備えた複数の光ファイバコリメータが同じ一つの端面に溶接された場合に、溶接時の熱に起因する光ファイバコリメータの位置ずれを抑制し、光ファイバコリメータの位置を高い精度で維持することができる光デバイス用の金属製筐体を安価に提供することを目的としている。また、その筐体を備えて結合損失特性に優れた光デバイスを提供することも目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、光デバイス用の金属製筐体であって、
内部を光学部品の収納空間とし、
外側に筒状の複数の光ファイバコリメータが先端面を当接させた状態で同一面上に取り付けられる端面が形成され、
前記端面には、前記複数の光ファイバコリメータのぞれぞれの取り付け領域に、内外を連絡させて前記光コリメータにおける入出射光を通す孔が一つずつ形成され、
前記端面における前記複数の光ファイバコリメータのそれぞれの取り付け領域が、当該端面に形成された溝によって区画されており、
前記溝は、前記光ファイバコリメータを溶接で前記取り付け領域に取り付ける際に、溶接時の熱による前記金属製筐体の歪みを吸収するように形成されている、
ことを特徴とする光デバイス用の金属製筐体としている。

上記光デバイス用の金属製筐体を備えた光デバイスも本発明の範囲であり、当該光デバイスは、
金属製筐体の内部に光学部品が収納されているとともに、金属製のホルダ内に光ファイバを保持した光ファイバコリメータが前記筐体の外側に取り付けられてなる光デバイスであって、
前記筐体は、同一面上に筒状の複数の光ファイバコリメータが取り付けられている端面を備え、
当該端面には、内外を連絡させて光を通す孔が前記複数の光ファイバコリメータのそれぞれに対応して形成され、
前記複数の光ファイバコリメータは、光が入出射する前記ホルダの先端面が前記端面に当接しつつ対応する前記孔を覆っているとともに、当該先端面の外周が前記端面に溶接され、
前記端面には、前記複数の光ファイバコリメータのそれぞれの溶接領域を区画する溝が形成されている、
ことを特徴としている。

また、前記筐体内に直線的な光路を形成するように前記先端面同士が対面する二つ一組の光ファイバコリメータを少なくとも一組以上備えた光デバイスとすることもできる。

本発明に係る光デバイス用の金属製筐体によれば、コストアップを伴わずに、複数の光ファイバコリメータを同じ端面に高い位置精度で溶接することができる。そして、その筐体を備えた本発明に係る光デバイスは、光ファイバコリメータが高い位置精度で溶接されて優れた結合損失特性を備えている。なお、その他の効果については以下の記載で明らかにする。

本発明の実施例に係る光デバイスの構造を示す図である。 本発明の比較例に係る光デバイスの構造を示す図である。 上記実施例に係る光デバイスの作製手順を示す図である。 本発明のその他の実施例に係る光デバイスを示す図である。 本発明のその他の実施例に係る光デバイスを示す図である。 本発明のその他の実施例に係る光デバイスを示す図である。 本発明の対象となる光デバイスの一例を示す図である。

＝＝＝光デバイスの構造と構成＝＝＝
本発明に係る光デバイスの一実施例として光スイッチを挙げる。当該実施例に係る光スイッチは実質的に図７に示した光スイッチ１と同様の構成を有して、同様の動作をするものとする。しかし、本実施例に係る光デバイス（以下、光スイッチ）では筐体の構造に特徴を有し、その特徴的な構造により、作製過程で複数の光ファイバコリメータ（以下、コリメータ）が順番に筐体に溶接された際に、最初に溶接したコリメータの位置がずれることがなく、極めて低い結合損失を達成している。以下では、本発明の実施例に係る光スイッチの構造、構成、および作用などについて説明する。なお、その説明に際して参照する図において、同一又は類似の部分に同一の符号を付す場合がある。

図１に実施例に係る光スイッチ１ａの筐体構造を示した。なお、図１では説明を容易にするために、便宜的に光スイッチ１ａに対する相対的な上下前後左右の各方向を直線の矢印によって規定している。したがって図１（Ａ）は、光スイッチ１ａを上方から見たときの平面図となる。ここでは光スイッチ１ａにおける特徴的な構造として、コリメータ（３１〜３３）が取り付けられた状態の筐体１０ａの構造を示した。（Ｂ）はその筐体１０ａを左上後方から見たときの斜視図となる。そして実施例に係る光スイッチ１ａの基本構造は図１に示した従来の光スイッチ１と同様であり、金属製の筐体１０ａは、外側に互いに対向する平坦な端面（１１、１２ａ）を有し、その一方の端面（後端面）１２ａに二つのコリメータ（３２、３３）が取り付けられ、他方の端面（前端面）１１には一つのコリメータ３１が取り付けられている。

筐体１０ａは金属（例えば、ステンレス鋼、アルミニウムなど）からなるブロックを削り出して作製したものであり、下方を底部１３としてその底部１３の前後に側壁（１４、１５）が形成されたコの字型の側面形状を有している。そして前端面１１に一つのコリメータ３１が取り付けられ、後端面１２ａには二つのコリメータ（３２、３３）が取り付けられて、その一方のコリメータ３２と前端面１１のコリメータ３１とが同軸２０上に対向配置されている。

上述したように、光スイッチ１ａにおける筐体１０ａは、金属製で、下方を底部１３としたコの字型側面形状を有している。コの字の両辺に相当する前後の側壁（１４、１５）には内面１６と外面（端面ともいう：１１、１２ａ）を連絡する孔１７が形成されて、この孔１７を通して所定のコリメータ間（３１−３２、３１−３３）に光路が形成される。

各コリメータ（３１〜３３）は、先端３４が開口する円筒状の金属製ホルダＨの末端３５に光ファイバに樹脂被膜を施した光ファイバ心線Ｆが接続された外観形状を有している。ホルダＨ内では光ファイバが開口し、ホルダＨの先端３４側にはコリメートレンズが保持されている。各コリメータ（３１〜３３）は、ホルダＨの先端３４が対応する孔１７を覆うように筐体１０ａの端面（１１、１２ａ）に当接している。また、ホルダＨの先端３４は、その外周が筐体１０ａの端面（１１、１２ａ）に溶接されている。そして本実施例に係る光スイッチ１ａでは、複数のコリメータ（３２、３３）が取り付けられている後端面１２ａに、各コリメータ（３２、３３）の取り付け領域（１８、１９）を区画する溝４０が上下方向に延長するように形成されている。なおこの実施例では、溝は左右幅ｗ＝０．０５ｍｍ、前後の深さｄ＝０．５ｍｍとなっている。

＝＝＝結合損失特性＝＝＝
つぎに実施例に係る光スイッチ１ａ（以下、実施例１ａとも言う）における筐体１０ａの構造に由来する結合損失特性の優位性を確認するために、図１に示した実施例に係る光スイッチ１ａと、その実施例１ａと特性を比較するための光スイッチ（比較例に係る光スイッチ）を作製した。図２（Ａ）は比較例に係る光スイッチ１ｂの上方平面図であり、（Ｂ）は左上後方から見たときの斜視図である。この図２に示したように、比較例に係る光スイッチ１ｂ(以下、比較例１ｂとも言う）では、筐体１０ｂにおいて、複数のコリメータ（３２、３３）が取り付けられている後端面１２ｂに上記溝４０が無く、面一な平坦面となっている。この筐体１０ｂの後端面１２ｂの形状以外の構造や構成については実施例に係る光スイッチ１ａと同様である。そして、各光スイッチ（１ａ、１ｂ）の作製途上でコリメータ間（３１−３２、３１−３３）の結合損失を測定した。

図３は実施例に係る光スイッチ１ａの作製手順を示しており、ここでは、筐体１０ａにコリメータ（３１〜３３）を順次溶接していく過程を上方平面図として図３（Ａ）〜（Ｄ）の順で示した。なお、比較例に係る光スイッチ１ｂの作製手順は、後端面１２ｂに溝４０がない筐体１０ｂを用いただけで、この図３（Ａ）〜（Ｄ）と同様である。以下、図３に基づいて実施例と比較例の各光スイッチ（１ａ、１ｂ）における結合損失特性について説明する。

まず、図３（Ａ）に示したように、同軸２０上に対向して取り付けられる二つのコリメータ（３１、３２）の一方（以下、第１のコリメータ）３１を溶接により取り付ける。ここでは、溝４０がない前端面１１に第１のコリメータ３１を溶接して当該コリメータ３１を取り付ける。

次いで、（Ｂ）に示したように、先に溶接した第１のコリメータ３１と対向配置されるコリメータ（第２のコリメータ）３２を溝４０がある後端面１２ａに溶接する。この溶接に際し、第１と第２のコリメータ間（３１−３２）に光路１００が正しく形成されるように第２のコリメータ３２の溶接位置を微調整する。具体的には、第１のコリメータ３１からビームを出射させるとともに、第２のコリメータ３２に取り付けられている光ファイバ心線Ｆの末端からの出力光強度を測定し、出力光強度が最大（結合損失が最小）となるように、この第２のコリメータ３２の溶接位置を微調整する。そして、互いに対向する第１と第２のコリメータ（３１、３２）を溶接した時点でこの二つのコリメータ間（３１−３２）での結合損失を複数回（例えば１０回）測定する。

つぎに、第２のコリメータ３２と同じ後端面１２ａに第３のコリメータ３３を溶接する。このとき、（Ｃ）に示したように、厚板状で八角形の平面形状を有するプリズム５０を筐体１０ａの内方に挿入し、図３（Ｃ）に示した光路１０１によって第１のコリメータ３１からのビームを第３のコリメータ３３に結合させ、その結合損失が最小となるように第３のコリメータ３３の溶接位置を微調整する。そして第３のコリメータ３３を溶接したら、第１と第３のコリメータ間（３１−３３）の結合損失を測定する。さらに（Ｄ）に示したように、プリズム５０を筐体１０ａから外して第１と第２のコリメータ間（３１−３２）の結合損失を再度測定する。

比較例１ｂについても、同様にして光路（１００、１０１）の両端にあるコリメータ間（３１−３２、３１−３３）での結合損失を測定しながら溶接位置を微調整して順次コリメータ（３１〜３３）を溶接し、全てのコリメータ（３１〜３３）を溶接した時点で結合損失を再度測定する。このようにして作製過程で測定した結合損失と全部のコリメータ（３１〜３３）を溶接し終えた時点で測定した結合損失を、実施例１ａと比較例１ｂとで比較すれば実施例１ａの筐体１０ａ構造に由来する結合損失特性を評価することができる。

以下の表１に実施例１ａと比較例１ｂのそれぞれにおける各測定時点での結合損失と最終的な結合損失を示した。

表１では光スイッチ（１ａ、１ｂ）の作製過程において、第１のコリメータ３１に続いて第２のコリメータ３２を取り付けた時点での第１と第２のコリメータ間（３１−３２）の結合損失δａと、さらに第３のコリメータ３３を取り付けた時点における第１と第３のコリメータ間（３１−３３）の結合損失δｂと、第３のコリメータを取り付けた時点での第１と第２のコリメータ間（３１−３２）の結合損失δｃが示されている。また、各時点における各結合損失δａ〜δｃについて、平均値ａｖｅ、最大値Ｍａｘ、最小値ｍｉｎ、および最大値と最小値との差Ｒａｎｇｅも示されている。

表１に示したように、実施例１ａではδａとδｃで結合損失特性に差がない。すなわち、第２のコリメータ３２と同じ面に第３のコリメータ３３を溶接により取り付けても、第２のコリメータ３２にはその溶接時の熱による位置ずれが発生しない。一方、比較例１ｂではδａは実施例１ａと同じであるものの、δｃはそのδａにおける結合損失よりも増加しており、第３のコリメータ３３の取り付けに際し、第２のコリメータ３２が当初の溶接位置からずれることが確認できた。

このように本実施例に係る光スイッチ１ａでは、第２と第３の二つのコリメータ（３２、３３）が溶接されている面１２ａに、各コリメータ（３２、３３）の溶接領域（１８、１９）を区画する溝４０が設けられて、その溝４０が第３のコリメータ３３を溶接する際の熱による筐体１０ａの歪みを吸収し、第２のコリメータ３２の溶接領域１８にはその歪みが及ばない。それによって第２のコリメータ３２はその溶接時点での位置を正確に維持する。しかも、筐体１０ａは従来と同様の金属材料であり、溝４０は一般的な切削加工によって容易に形成することができる。すなわち、筐体１０ａの作製時に同時に形成することができる。したがって、ほとんどコストアップを伴わずに光路（１００、１０１）を形成する全てのコリメータ間（３１−３２、３１−３３）での結合損失を低減させることができる。位置ずれに伴う歩留まりの低下やコリメータ（３１〜３３）を溶接し直すコストを考慮すると、量産によるコストダウンも十分に期待できる。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記実施例に係る光スイッチ１ａでは、三つのコリメータ（３１〜３３）が筐体１０ａの前後の端面（１１、１２ａ）にそれぞれ一つ二つ取り付けられて、筐体１０ａには、二つのコリメータ（３２、３３）が取り付けられている後端面１２ａにのみ溝４０が形成されていた。もちろん、本発明に係る光デバイスとしては、上記実施例に限らず、例えば図４に示した光デバイス１ｃのように、自身が備えるコリメータ（３１ｃ、３２ｃ）の全てが一つの面１２ｃに取り付けられたものもある。この光デバイス１ｃの筐体１０ｃは、実質的に上記実施例１ａの筐体１０ａの後方部分と同じ構造であり、同じ面１２に取り付けられている二つのコリメータ（３１ｃ、３２ｃ）の一方３１ｃから出射したビームが同じ面１２ｃに取り付けられている他方のコリメータ３２に入射するコの字型の光路１０２を三角プリズム５１を用いて形成している。そしてこの光デバイス１ｃでは、コの字型の光路１０２から三角プリズム５１を離脱させると一方のコリメータ１３１からの出射光が他方のコリメータ１３２にも入射されず、遮光状態となる。すなわち「光シャッタ」として機能する。

また図５に示した光デバイス１ｄのように、筐体１０ｄの前後両端面（１１ｄ、１２ａ）のそれぞれに複数のコリメータ（３１と１３３、３２と３３）が取り付けられていてもよい。この例では、同軸（２０，２１）上に対向配置される二つ一組の光ファイバコリメータ（３１−３２，１３３−３３）を二組備え、二つのコリメータ（３１と１３３、３２と３３）が取り付けられている端面（１１１ｄ、１２ａ）の双方に溝４０が形成されている。

一つの端面に三つ以上のコリメータを取り付ける場合でも、その端面に各コリメータの溶接領域を区画する溝を形成すればよい。三つのコリメータを同一の端面に取り付けるのであれば、例えば、図６（Ａ）に示した光デバイス１ｅのように、その三つのコリメータ（６１〜６３）が取り付けられている端面１２ｅにおいて、隣接するコリメータ同士（６１と６２、６２と６３、６３と６１）が異なる領域（６４〜６６）に分割されるように放射状に延長する三本の溝（４１〜４３）を形成すればよい。あるいは図６（Ｂ）に示した光デバイス１ｆのように、各溶接領域（６４〜６６）がＶ字状の二本の溝（４４、４５）によって端面１２ｆが区画されていてもよい。また、図６（Ｃ）に示した光デバイス１ｇのように一つの端面１２ｇに四つのコリメータ（７１〜７４）を取り付ける場合には、その端面１２ｇを四つの溶接領域（７５〜７８）に区画するように十字形の溝４６を形成すればよい。

この発明は、光ファイバ網を用いた光通信に適用することができる。

１，１ａ〜１ｇ 光デバイス、１０，１０ａ〜１０ｄ 筐体、
１２，１２ａ〜１２ｇ 端面、１４，１５ 側壁、３１〜３３，
５０，５１ プリズム、６１〜６３，７１〜７４，１３４ 光ファイバコリメータ、
４０〜４６ 溝、１００〜１０３ 光路

Claims (3)

1. 光デバイス用の金属製筐体であって、
   内部を光学部品の収納空間とし、
   外側に筒状の複数の光ファイバコリメータが先端面を当接させた状態で同一面上に取り付けられる端面が形成され、
   前記端面には、前記複数の光ファイバコリメータのぞれぞれの取り付け領域に、内外を連絡させて前記光コリメータにおける入出射光を通す孔が一つずつ形成され、
   前記端面における前記複数の光ファイバコリメータのそれぞれの取り付け領域が、当該端面に形成された溝によって区画されており、
   前記溝は、前記光ファイバコリメータを溶接で前記取り付け領域に取り付ける際に、溶接時の熱による前記金属製筐体の歪みを吸収するように形成されている、
   ことを特徴とする光デバイス用の金属製筐体。
2. 請求項１に記載の前記金属製筐体の内部に光学部品が収納されているとともに、金属製のホルダ内に光ファイバを保持した光ファイバコリメータが前記筐体の外側に取り付けられてなる光デバイスであって、
   前記筐体は、同一面上に筒状の複数の光ファイバコリメータが取り付けられている端面を備え、
   当該端面には、内外を連絡させて光を通す孔が前記複数の光ファイバコリメータのそれぞれに対応して形成され、
   前記複数の光ファイバコリメータは、光が入出射する前記ホルダの先端面が前記端面に当接しつつ対応する前記孔を覆っているとともに、当該先端面の外周が前記端面に溶接され、
   前記端面には、前記複数の光ファイバコリメータのそれぞれの溶接領域を区画する溝が形成されている、
   ことを特徴とする光デバイス。
3. 請求項２において 前記筐体内に直線的な光路を形成するように前記先端面同士が対面する二つ一組の光ファイバコリメータを少なくとも一組以上備えたことを特徴とする光デバイス。

Images