JP2020085954A

JP2020085954A - レンズ付き光ファイバの接続構造、及びレンズ付き光ファイバにおける端面の曲率半径の設定方法

Info

Publication number: JP2020085954A
Application number: JP2018215257A
Authority: JP
Inventors: 直文丸山; Naofumi Maruyama; 直樹三須; Naoki Misu; 壽英斎藤; Toshihide Saito
Original assignee: Toyo Seikan Group Holdings Ltd
Current assignee: Toyo Seikan Group Holdings Ltd
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-06-04
Also published as: WO2020100452A1; EP3882677A1; US20220011518A1; EP3882677A4; TW202024699A; CN112969945A

Abstract

【課題】ＰＣ接続時の接続損失の増大を抑制しつつ、ＰＣ接続の押圧力の増大を抑制するレンズ付き光ファイバの接続構造を提供する。【解決手段】光ファイバ２の先端にロッド状のＧＲＩＮレンズ３を同軸に融着したレンズ付き光ファイバ１どうしをＰＣ接続するレンズ付き光ファイバの接続構造であって、レンズ付き光ファイバは、球面研磨された端面を有し、端面の曲率半径Ｒが式（１）及び式（２）に示す条件を満たす。（Ｗ／２ａ）≦１・・・（１）、ａ＝（Ｒ・Ｆ・（３／４）・（１−ｖ２／Ｅ））１／３・・・（２）。ここで、Ｗ：ビーム径、ａ：接触面の半径、Ｆ：ＰＣ接続時の押圧力、ｖ：ＧＲＩＮレンズのポアソン比、Ｅ：ＧＲＩＮレンズのヤング率。【選択図】図１

Description

本発明は、レンズ付き光ファイバの接続構造、及びレンズ付き光ファイバにおける端面の曲率半径の設定方法に係り、より詳細には、光ファイバの先端にロッド状のＧＲＩＮレンズを同軸に融着したレンズ付き光ファイバどうしをＰＣ接続するのに好適なレンズ付き光ファイバの接続構造、及び端面の曲率半径の設定方法に関する。

光信号を伝送する光ファイバを接続する光コネクタとして、単芯用のＳＣ（Single fiber Coupling）型光コネクタや、多芯用のＭＴ（Mechanically Transferable）型光コネクタなどが知られている。光コネクタによって光ファイバどうしを接続するには、フレネル反射による接続損失を低減するために、互いの端面を突き合せて物理的に接触させるＰＣ（Physical Contact）接続が一般に採用されている。例えば、ＳＣ型光コネクタなどの単芯用の光コネクタでは、光ファイバの端面をコネクタに装着されたフェルールの端面ごと球面研磨して、コネクタ内の押圧ばねによる押圧力によって光ファイバの端面どうしを圧着することで、ＰＣ接続を実現している。コネクタには、通常、押圧力が１０Ｎ（ニュートン）のばねが組み込まれている。

また、光通信ネットワークにおいて、光信号を伝送する光ファイバどうしを接続するに際し、効率良く低損失で接続できるように、光ファイバの先端にロッド状のＧＲＩＮ（Gradient Index）レンズを同軸に融着したレンズ付き光ファイバ（lensed fiber）が知られている（特許文献１参照）。
そして、レンズ付き光ファイバにおいて、ＧＲＩＮレンズを光ファイバと同径とすることによって、レンズ付き光ファイバどうしのＰＣ接続においても、光コネクタを流用することが可能となっている。

特開２００３−２２７９６３号公報

ところで、近年、光ファイバの多芯高密度化が進み、１つのコネクタで接続される光ファイバの本数が増加している。個々の光ファイバをＰＣ接続するためのばね力（押圧力）を維持したまま、１つのコネクタで接続される光ファイバの本数を増加させると、コネクタ内のばね力の合計が増大する。その結果、ばね力の合計がコネクタの材料強度に対して過大となってしまうおそれがある。さらに、多数のコネクタを一度に光接続するバックプレーン光コネクタにおいては、強いばね力によってバックプレーンが歪んだり、破損したりするおそれがある。

一方、コネクタ内のばね力の合計を抑制したまま、１つのコネクタで接続される光ファイバの本数を増加させると、光ファイバ１本あたりのばね力が低下することになる。光ファイバをＰＣ接続するためのばね力が低下すると、ＰＣ接続により圧着される接触面の直径が小さくなる。その結果、特に、光ファイバのコアから出射したビームがＧＲＩＮレンズによって拡径するレンズ付き光ファイバにあっては、ビーム径が接触面の直径よりも大きくなって、フレネル反射等による接続損失が増大してしまうおそれがある。

そこで、本発明は、ＰＣ接続時の接続損失の増大を抑制しつつ、ＰＣ接続の押圧力の増大を抑制することができるレンズ付き光ファイバの接続構造、及びレンズ付き光ファイバにおける端面の曲率半径の設定方法を提供することを目的としている。

本発明に係るレンズ付き光ファイバの接続構造は、光ファイバの先端にロッド状のＧＲＩＮレンズを同軸に融着したレンズ付き光ファイバどうしをＰＣ接続するレンズ付き光ファイバの接続構造であって、前記レンズ付き光ファイバは、球面研磨された端面を有し、前記端面の曲率半径Ｒが式（１）及び式（２）に示す条件を満たすことを特徴としている。
（Ｗ／２ａ）≦１・・・（１）
ａ＝（Ｒ・Ｆ・（３／４）・（１−ｖ^２／Ｅ））^１／３・・・（２）
ここで、
ａ：レンズ付き光ファイバのＰＣ接続時の圧着した接触面の半径、
Ｗ：前記接触面を含む平面におけるビーム径、
Ｆ：一対のレンズ付き光ファイバあたりのＰＣ接続時の押圧力、
ｖ：ＧＲＩＮレンズのポアソン比、
Ｅ：ＧＲＩＮレンズのヤング率。

本発明に係るレンズ付き光ファイバにおける端面の曲率半径の設定方法は、光ファイバの先端にロッド状のＧＲＩＮレンズを同軸に融着したレンズ付き光ファイバにおける球面研磨された端面の曲率半径を設定する方法であって、前記端面の曲率半径Ｒを式（１）及び式（２）に示す条件を満たすように設定することを特徴としている。
（Ｗ／２ａ）≦１・・・（１）
ａ＝（Ｒ・Ｆ・（３／４）・（１−ｖ^２／Ｅ））^１／３・・・（２）
ここで、
ａ：レンズ付き光ファイバのＰＣ接続時の圧着した接触面の半径、
Ｗ：前記接触面を含む平面におけるビーム径、
Ｆ：一対のレンズ付き光ファイバあたりのＰＣ接続時の押圧力、
ｖ：ＧＲＩＮレンズのポアソン比、
Ｅ：ＧＲＩＮレンズのヤング率。

本発明のレンズ付き光ファイバの接続構造によれば、本発明では、レンズ付き光ファイバの端面の曲率半径Ｒが、上記の式（１）及び式（２）に示す条件を満たすことにより、ＰＣ接続時の接続損失の増大を抑制しつつ、ＰＣ接続の押圧力の増大を抑制することができる。
また、本発明のレンズ付き光ファイバにおける端面の曲率半径の設定方法によれば、レンズ付き光ファイバの端面の曲率半径Ｒを、上記の式（１）及び式（２）に示す条件を満たすように設定することにより、ＰＣ接続時の接続損失の増大を抑制しつつ、ＰＣ接続の押圧力の増大を抑制することができる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係るレンズ付き光ファイバの接続構造の一例について、非接続時の状態を示す模式図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレンズ付き光ファイバの接続構造の一例について、ＰＣ接続時の状態を示す模式図である。レンズ付き光ファイバのＧＲＩＮレンズの端面のＰＣ接続時の圧着変形を説明する模式図である。レンズ付き光ファイバの端面の導波路占有率との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

本実施形態に係るレンズ付き光ファイバの接続構造は、光ファイバ２の先端にロッド状のＧＲＩＮレンズ３を同軸に融着したレンズ付き光ファイバ１どうしをＰＣ接続するためのものである。

本実施形態において、レンズ付き光ファイバ１どうしをＰＣ接続するにあたり、光ファイバ２の先端に融着するＧＲＩＮレンズ３を、光ファイバ２と同径（例えば、１２５μｍ）とすることで、ＳＣ型光コネクタやＭＴ型光コネクタなどの公知の光コネクタを用いることができる。

ここで、図１（ａ）及び図１（ｂ）は、光コネクタ内のバネにより互いの端面を圧着することによって、レンズ付き光ファイバ１どうしをＰＣ接続する例を、光コネクタの図示を省略して、一対のレンズ付き光ファイバ１に着目して示す模式図であり、図１（ａ）は、接続前の状態を示し、図１（ｂ）は、接続時の状態を示している。

かかるレンズ付き光ファイバ１にあっては、例えば、ＧＲＩＮレンズ３の長さを入射光波長の１／４とすることで、光ファイバ２のコア２１からＧＲＩＮレンズ３内に入射した光を拡径して、ＧＲＩＮレンズ３どうしの接触面４から平行光として出射させることができる。図１（ｂ）において、一方のＧＲＩＮレンズ３内を伝搬して、接触面４を含む平面で、一方のＧＲＩＮレンズ３から出射して他方のＧＲＩＮレンズ３に入射し、他方のＧＲＩＮレンズ３内を伝搬するビーム光を鎖線で示す。

かかるレンズ付き光ファイバ１どうしのＰＣ接続にあっては、接触面４におけるビーム光のビーム径Ｗが光ファイバ２のコア２１の直径よりも大きくなる結果、次のような利点を有する。
（１）接触面４に埃などの異物が挟まった場合でも接続損失を低減することができる。
（２）ハイパワー伝送において、接触面４での光のエネルギー密度を低減できるため、焼き付きの発生を抑制することができる。

さらに、ビーム光を、ビーム径が拡径された平行光として接触面４を通過させることによって、軸ずれ、角度ずれなどのミスアライメントに起因する損失を低減して、効率良く低損失でＰＣ接続が可能になる。

なお、本実施形態において、ＧＲＩＮレンズ３には、クラッドのない屈折率分布型レンズのほか、ＧＩ（Graded Index）光ファイバなども含まれるものとし、屈折率分布（Gradient Index）によりレンズ機能を発現するものであれば、特に限定されない。

また、光ファイバ２の先端に融着するＧＲＩＮレンズ３の長さは、上記した例に限らず、ＧＲＩＮレンズ３の屈折率分布や開口数（Numerical Aperture）などに応じて、所望の出射特性が得られるように適宜調整することができる。さらに、ＧＲＩＮレンズ３は、その出射特性を調整するために、開口数の異なるものを二種以上つなげて一体としたものであってもよい。ＧＲＩＮレンズ３の具体的な形態は特に限定されない。

ところで、ＰＣ接続時のフレネル反射による接続損失を低減するためには、拡径したビーム光が、全て、接触面４内で一方のＧＲＩＮレンズ３内から他方のＧＲＩＮレンズ３に入射する必要がある。そのためには、接触面４を含め平面上でビーム径（直径）Ｗのビーム光の円形の断面積Ｓ１＝（（Ｗ／２）^２×π）が、直径２ａの円形の接触面４の面積Ｓ２＝（ａ^２×π）よりも狭いことが条件となる。ＰＣ接続において接触面４上で円形のビーム光と接触面４とは実質的に同心円であるため、この条件は、次の（Ａ）式で与えられる。
（（Ｗ／２）^２×π）／（ａ^２×π）＝（Ｗ／２ａ）^２≦１・・・（Ａ）
さらに、ビーム径（直径）Ｗ、及び接触面４の直径２ａは、いずれも正の値であるため、上記の（Ａ）式は、次の（１）式で表される。
（Ｗ／２ａ）≦１・・・（１）

上記の（１）式中の、接触面４を含む平面Ｐにおけるビーム径Ｗは、上述したように、ＧＲＩＮレンズ３の屈折率分布や開口数（Numerical Aperture）などに応じて適宜設定することができる。
一方、上記の（１）式中の、レンズ付き光ファイバ１どうしをＰＣ接続したときの圧着した接触面４の半径ａは、以下に説明するようにして求めることができる。

ここで、図２に、ＰＣ接続されたレンズ付き光ファイバのＧＲＩＮレンズ３端面３１の圧着変形を模式的に示す。同図において、ＰＣ接続前の輪郭を破線で示し、ＰＣ接続された輪郭を実線で示す。また、図面の理解を容易にするため、ＰＣ接続時の接触面４を太線で示す。

一対のレンズ付き光ファイバ１の球面研磨された端面３１どうしを突き当てたＰＣ接続は、実質的に球体どうしを圧着させた球体接触と見做すことができる。このため、レンズ付き光ファイバ１どうしをＰＣ接続したときの接触面の半径ａは、ヘルツの公式において、球体どうしの曲率半径Ｒ、ポアソン比ｖ及びヤング率Ｅが互いに等しい場合として、次の（２）式で与えられる。
ａ＝（Ｒ・Ｆ・（３／４）・（１−ｖ^２／Ｅ））^１／３・・・（２）
ここで、上記の（２）式中、
Ｒ：レンズ付き光ファイバ１のＰＣ接続前の端面３１の曲率半径、
Ｆは、一対のレンズ付き光ファイバ１あたりのＰＣ接続時の押圧力、
ｖは、ＧＲＩＮレンズ３のポアソン比、
Ｅは、ＧＲＩＮレンズ３のヤング率
をそれぞれ表す。
なお、上記の（２）式中の押圧力Ｆは、レンズ付き光ファイバ１を装着したコネクタ内の押圧ばね（図示せず）により与えられる。

上記の（２）式に示すように、接触面４の半径ａは、曲率半径Ｒと押圧力Ｆとの積に１／３乗に比例している。すなわち、曲率半径Ｒを大きくすれば、接触面４の半径ａを小さくすることなく、押圧力Ｆを小さくすることができることが分かる。
したがって、接触面４の半径ａが上記の（１）式を満たすように、曲率半径Ｒを設定すれば、ＰＣ接続時の接続損失の増大を抑制しつつ、ＰＣ接続の押圧力の増大を抑制することができる。

ここで、表１に、ビーム径Ｗ＝４５μｍの場合において、一対のレンズ付き光ファイバあたりの押圧力としてのばね力Ｆ＝１０Ｎ，５Ｎ、４Ｎ及び３Ｎのときの曲率半径Ｒ（ｍｍ）に応じた導波路占有率（％）の計算結果を示す。
なお、導波路占有率（％）は、上記の（Ａ）式において示した、（（Ｗ／２）^２×π）／（ａ^２×π）の値である。
また、計算にあたって、ＧＲＩＮレンズ３のポアソン比ｖ＝０．１７、ヤング率Ｅ＝７２とした。

さらに、図３に、上記の表１に示した計算結果をプロットしたグラフを示す。図３のグラフでは、ばね力Ｆ＝１０Ｎ、５Ｎ、４Ｎ及び３Ｎのときの計算値を、それぞれ白丸、黒四角、白三角、及び黒丸でプロットしている。
なお、図３のグラフにおいては、導波路占有率が１００％を超える部分の図示を省略している。

上記の表１及び図３のグラフから、
・ばね力Ｆ＝１０Ｎ、かつ曲率半径Ｒ＝１ｍｍのとき、
・ばね力Ｆ＝５Ｎ、かつ曲率半径Ｒ＝１及び２ｍｍのとき、
・ばね力Ｆ＝４Ｎ、かつ曲率半径Ｒ＝１、２，及び３ｍｍのとき、及び
・ばね力Ｆ＝３Ｎ、かつ曲率半径Ｒ＝１、２，３，及び４ｍｍのとき、
には、導波路占有率が１００％を超えてしまっているため、上記の式（１）及び式（２）の条件を満たさず、ビーム径Ｗが接触面４の直径２ａよりも大きくなり、接続損失が増大してしまうことが分かる。

ここで、一対のレンズ付き光ファイバあたりのばね力Ｆ＝１０，５，４，及び３Ｎのときに、導波路占有率が１００％となる曲率半径Ｒを計算すると、表２のようになる。

上記の表２に示すように、ビーム径Ｗ＝４５μｍの場合、例えば、ばね力Ｆ＝１０Ｎの場合には、曲率半径Ｒ＝１．３５ｍｍ以上であれば良いが、ばね力Ｆ＝５Ｎの場合には、曲率半径Ｒ＝２．７０ｍｍ以上である必要がある。したがって、本実施形態において、例えば、ばね力Ｆを５Ｎに抑制する場合には、ＧＲＩＮレンズ３の端面３１の曲率半径Ｒを２．７０ｍｍ以上に設定すれば良いことが分かる。
また、ＧＲＩＮレンズ３の端面３１は、ＰＣ接続するために、平面ではなく、球面研磨された球面である必要があるため、端面３１の曲率半径Ｒは有限値を有する。

以上、本発明について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明は、前述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能である。
例えば、光コネクタの球面研磨に関する技術としては、光ファイバをフェルールに挿入して、接着剤により固定した状態で、フェルール先端を球面研磨することが一般に知られている。本発明において、レンズ付き光ファイバの端面を球面研磨するには、フェルールに挿入、固定した状態でフェルールとともに球面研磨を施してもよいが、レンズ付き光ファイバを適当な治具に保持して、その端面を球面研磨してから、フェルールに保持して互いの端面を圧着するようにしてもよい。また、フェルールは単芯用であっても、多芯用であってもよい。

１レンズ付き光ファイバ
２光ファイバ
３ＧＲＩＮレンズ
４接触面
２１コア
３１端面

Claims

光ファイバの先端にロッド状のＧＲＩＮレンズを同軸に融着したレンズ付き光ファイバどうしをＰＣ接続するレンズ付き光ファイバの接続構造であって、
前記レンズ付き光ファイバは、球面研磨された端面を有し、
前記端面の曲率半径Ｒが式（１）及び式（２）に示す条件を満たす
ことを特徴とする、レンズ付き光ファイバの接続構造。
（Ｗ／２ａ）≦１・・・（１）
ａ＝（Ｒ・Ｆ・（３／４）・（１−ｖ^２／Ｅ））^１／３・・・（２）
ここで、
ａ：レンズ付き光ファイバのＰＣ接続時の圧着した接触面の半径、
Ｗ：前記接触面を含む平面におけるビーム径、
Ｆ：一対のレンズ付き光ファイバあたりのＰＣ接続時の押圧力、
ｖ：ＧＲＩＮレンズのポアソン比、
Ｅ：ＧＲＩＮレンズのヤング率。
光ファイバの先端にロッド状のＧＲＩＮレンズを同軸に融着したレンズ付き光ファイバにおける球面研磨された端面の曲率半径を設定する方法であって、
前記端面の曲率半径Ｒを式（１）及び式（２）に示す条件を満たすように設定する
ことを特徴とする、レンズ付き光ファイバにおける端面の曲率半径の設定方法。
（Ｗ／２ａ）≦１・・・（１）
ａ＝（Ｒ・Ｆ・（３／４）・（１−ｖ^２／Ｅ））^１／３・・・（２）
ここで、
ａ：レンズ付き光ファイバのＰＣ接続時の圧着した接触面の半径、
Ｗ：前記接触面を含む平面におけるビーム径、
Ｆ：一対のレンズ付き光ファイバあたりのＰＣ接続時の押圧力、
ｖ：ＧＲＩＮレンズのポアソン比、
Ｅ：ＧＲＩＮレンズのヤング率。