JPH0980262A - 光コネクタ及び並列光リンクモジュール構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】広範囲の温度変化があった場合でも常に光学的
に損失の少ない光結合が得られる並列光リンクモジュー
ルを提供することを目的とする。 【構成】光コネクタにおける光ファイバーリボンの先端
部が位置する部位に温度補償部材を設けている。この場
合、温度補償部材は、光ファイバーリボンの先端部を光
ファイバー配列方向に覆うように構成することが好まし
く、また金属枠又は温度特性の異なる少なくとも２種の
プラスチックを層状に組合せてなる部材を採用すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光コネクタ及び並列光
リンクモジュール構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】大容量光通信技術の発展や高度情報機器
における光インタコネクション技術などの発達によっ
て、光信号を並列化して高密度に一括接続でき、しかも
それが機械的に、かつ、熱的に安定に実現できる光結合
技術が注目されている。中でも、電気配線に代わって高
速機器間またはボード間を接続する有効な手段として開
発が活発な並列光リンクでは、光半導体素子アレイ間を
光ファイバーリボンで結合する多芯一括光接続技術が不
可欠である。さらに、マルチメディア時代に向けた通信
インフラであるＦＴＴＨ技術においても、光半導体素子
アレイと光ファイバーリボンの一括光接続技術の要求が
急速に高まって来ている。

【０００３】上述した要請に対して、基板上に装着され
た光半導体素子アレイとして半導体レーザーアレイ（Ｌ
Ｄアレイ）と、同一のピッチでアレー状に素線が配列さ
れた光ファイバーリボンとの間を、結合損失が小さく、
効率的に一括光接続する手段として、種々の提案がなさ
れている。中でも光学的調整を省略でき、低コスト化と
大量生産にマッチする手段として、例えば、先行技術と
して特願平６−２３１９４７号に見られる次のような手
段が提案されている。

【０００４】かかる先行技術で開示する並列光リンクモ
ジュールは、光ファイバーリボンのピッチに合わせて作
られたＬＤアレイと、同じピッチのＶ溝ガイドを形成し
た基板上に個々の光ファイバー素線を埋め込み設置し、
光学的調整を行わずにＬＤアレイと対向させて機械的に
正確な光学的接続を実現する構造を持った並列光リンク
モジュールである。また、モジュール実装上の取り扱い
容易さの要請から、並列光リンクモジュールの入出力
は、光コネクタによる接続とするものが多くなってお
り、Ｖ溝に埋め込まれた光ファイバーリボンの基板切断
端面を光コネクタとの接続面として使うことが行われて
いる。

【０００５】Ｖ溝ガイド構造を持つ基板として実際に利
用されているものは、セラミックス基板にＶ溝を機械加
工したり、結晶性のＳｉ基板の異方性エッチング技術を
利用して光リソグラフィーで加工したものである。これ
らセラミックスやＳｉ基板のＶ溝上に搭載された光ファ
イバーリボンのピッチは、基本的に基板のＶ溝のピッチ
で決まるため、並列光リンクモジュールの温度が変化し
た場合でも、通常の使用条件下では熱膨張による変化量
は０．１μｍ程度と小さく、光結合特性から要求される
精度に対して無視できる量である。

【０００６】一方、ＭＴコネクタに代表される多芯光フ
ァイバー用の標準的光コネクタのフェルールは、プラス
チックで作られている。さらに、それらファイバー素線
が多数密着連設された光ファイバーリボン自身も、中心
のコアとクラッドは石英ガラスで低膨張率の素材であっ
ても、それら外被は、ポリアミド樹脂や紫外線硬化樹脂
などのプラスチックの保護材で被われたものが連設した
構造となっている。このため、１２芯または１６芯の光
ファイバーリボン自身の幅は２−３ｍｍとなり、光ファ
イバーリボンの端部でのファイバー芯線位置は、通常の
使用温度範囲でも熱膨張によっても±１−２μｍの変化
が生じる。当然、フェルールに埋め込まれた光コネクタ
内のファイバー取り付け位置も同量の変化が起こる。勿
論、並列光リンクモジュールに接続する光ファイバーリ
ボンが全てプラスチックで作られたものである場合に
は、熱膨張による光ファイバー取り付け位置の変化は、
さらに２倍以上大きな変化値を示すことが知られてい
る。それでも、並列光リンクモジュールの端面にプラス
チック光コネクタが接続されている場合と異なり、プラ
スチック光コネクタ同士が接続されている場合には、温
度がいくら変わっても互いの熱膨張が同じであるので、
相対的なファイバー対向位置ズレは生じない。

【０００７】一般に、光導波路として単一モード光ファ
イバーを互いに接続して、光損失を小さく高効率で光結
合を実現するためには、各々伝搬する光ビーム導波路の
光軸を１μｍ未満の精度で厳密に一致させることが必要
であることが知られている。

【０００８】しかし上記熱膨張によるピッチ誤差量は、
光コネクタで許容される限界精度の１μｍ以下を満たし
ていない。このため、コネクタ接続型の並列光リンクモ
ジュール構造体では、通常使用される温度範囲でも、光
結合損失がケース温度と共に変わるという大きな問題が
あった。

【０００９】別の先行技術として特願平３−２５２１６
６号がある。すなわち、図７、図８に示すように、この
先行技術は、直接ＬＤアレイと光ファイバーリボン間の
良好な光結合を得る手段を提案している。図７、図８に
おいて、基板１０にはＬＤアレイ１１が配置され且つ調
節機構１２が形成されている。調節機構１２は、光ファ
イバーリボン１３の幅寸法より大きい幅寸法を持つ矩形
空間１２Ａを持ち、この矩形空間１２Ａに光ファイバー
リボン１３の端部が導入されている。また矩形空間１２
Ａ内には、矩形空間１２Ａ内で光ファイバーリボン１３
の幅方向を規定する介在部材１２Ｂが設けられている。
この介在部材１２Ｂは調節機構１２に設けたねじ１２に
より矩形空間１２Ａ内でその幅方向に移動可能となって
いる。

【００１０】かかる構成では、光ファイバーリボン１３
の芯線ピッチとＬＤアレイ１１のピッチとを一致するよ
うにねじ１２を調節すると同時に、その調節したピッチ
が温度変化があっても相対的に変化しないようにでき
る。

【００１１】しかし、この構成では、ＬＤアレイ１１と
光ファイバーリボン１３とが同一基板１０に搭載されて
いることを前提とし、光コネクタのように互いに接触は
するが、分離した構造体を想定してはいなかった。ま
た、熱的に良好な結合が得られるよう構造に工夫を凝ら
して図７の手段がもし適用できたとしても、機構上サイ
ズは大きくなり小型の光コネクタを実現することが難し
いという問題があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、広範
囲の温度変化があった場合でも常に光学的に損失の少な
い光結合が得られる光コネクタ及び並列光リンクモジュ
ール構造体を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の光コネクタは、
光ファイバーリボンの配列部において、光ファイバーリ
ボンの先端部が位置する部位に設けられ、前記光ファイ
バーリボンの先端部を光ファイバー配列方向に覆う温度
補償部材を設けたことを特徴とする。この場合、前記温
度補償部材は、低膨張率で剛性の高い型枠部材として金
属枠又は温度特性の異なる少なくとも２種のプラスチッ
クを層状に組合せてなる部材を採用することができる。

【００１４】また、本発明は、光コネクタの光ファイバ
ーリボンの配列部に対向する半導体レーザアレイを具備
する光モジュールと、この光モジュールに着脱可能に接
続された請求項１に記載の光コネクタとで構成された並
列光リンクモジュール構造体を提供する。

【００１５】このような構成によれば次のように作用す
る。すなわち、光ファイバーリボンの中心部材はガラス
である場合でも、外被はプラスチックであるため、塑性
変形や弾性変形を受け易いが、本発明の光コネクタの温
度補償部材により、光ファイバーリボンを温度補償する
ことが可能となるので、光ファイバーリボンの熱膨張に
抗して熱膨張によるピッチ間隔のズレを防止することが
できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。図１は本発明の光コネクタの一
実施形態に係わる先端部に金属製型枠で被われている構
造のプラスチック光コネクタの斜視図である。本実施例
の光コネクタは、金属型枠３及びプラスチック温度補償
材２を持ち、これらの内部に形成された矩形空間内に
は、光ファイバーリボン５が接着剤で充填固定されてい
る。矩形空間の水平中心線は、光ファイバーリボン５の
光軸面と一致するようになっており、並列光リンクモジ
ュールの光コネクタの端面部の導波路ピッチ間隔は、光
コネクタで接続する光ファイバーリボン５のピッチ間隔
２５０μｍに合わせて製作する。 プラスチック温度補
償材２の線膨張係数は、金属型枠３の膨張係数より大き
く、常用温度でのプラスチック温度補償材２のヤング率
は、金属のものより小さい。 ここでプラスチック温度
補償材２として用いることができる具体例を説明する。
すなわちプラスチック温度補償材２としては、ガラス繊
維強化エポキシ材、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレー
ト）材、ＰＰＯ（ポリフェリレンオキシド）材、ＰＰＳ
（ポリフェニレンサンファイド）材、ポリアミド樹脂、
ＬＣＰ（液晶ポリマー）材等を用いることができる。上
記におけるＰＢＴ材、ＰＰＯ材、ＰＰＳ材、ポリアミド
樹脂、ＬＣＰ材はガラス繊維充填型材料である。

【００１７】なお、金属型枠材としては、所定の強度、
弾性を有するものであれば材質は限定されないが、加工
性、実用性からＳＵＳ系の鉄合金、銅合金、アルミニウ
ム合金等が好ましく適用できる。

【００１８】次に、図２を参照して、プラスチック光コ
ネクタの先端部の金属枠機構部の詳細構造を説明する。
図２の（ａ），（ｂ）に示すように、金属型枠３の長さ
は、最低限で光コネクタの先端部を被う長さが必要であ
るが、光コネクタのフェルール全体を被っていても良
い。

【００１９】プラスチック光コネクタの先端部が、厚さ
０．３ｍｍ以上のＳＵＳ系金属製型枠で被われている光
コネクタの場合には、プラスチックに較べて金属のヤン
グ率は大きいので金属の弾性変形を無視できる。また並
列光リンクモジュールに備わる図示しないＶ溝ガイド基
板の熱膨張係数も十分に小さいので無視できる。また、
ガラスを心線としている光ファイバーリボン５の場合に
は、心線の弾性変形と熱膨張は無視できるので、光コネ
クタからファイバー径の総和を差し引いた構造で考えれ
ばよい。

【００２０】次に、図３を参照して本実施例の作用を説
明する。すなわち、本実施例は、光コネクタ接続間の相
対的な導波路のピッチ変化を温度補償して抑制すること
ができるというものである。図３において、金属型枠３
の物質、プラスチック温度補償材２、及び、光ファイバ
ーリボン５を、フェルール矩形開口に接着固定した場合
の接着充填材１、及びガラスファイバーを除いたプラス
チック保護外被材の平均熱膨張係数を、α₃ 、α₂ 、α
₁ 、α₀ とし、物理長をｌ₃ 、ｌ₂ 、ｌ₁ 、ｌ₀ とし、
ヤング率をＥ₃ 、Ｅ₂ 、Ｅ₁ 、Ｅ₀ として金属型枠３の
厚さをｔとした場合、次の式が成立するように、α₁ 、
α₂ 、α₃ 、ｌ₁ 、ｌ₂ 、ｌ₃ を決めれば良い。

【００２１】α₁ （ｌ₁ −ｌ₀ ）＋α₂ （ｌ₂ −ｌ₁ ）
−α₃ （ｌ₂ ＋ｔ）＝α₀ ｌ₀ Ｅ₀ （１／Ｅ₁ ＋１／Ｅ
₂ ）／２ この式を満たすことによって、Ｖ溝ガイド基板のピッチ
間隔と、金属製型枠で抑え込まれた光ファイバーリボン
のピッチ間隔とは、実効的にＶ溝ガイド基板の熱膨張と
一致するので、互いの接触端面が密着した並列光リンク
モジュールと光コネクタを接続した並列光リンクモジュ
ール構造体内の光導波路素子の相対的ピッチは変化しな
いようにすることができる。

【００２２】この場合、使用する光半導体素子アレイの
アレー素子数が決まると、光ファイバーリボン５の寸法
は２５０μｍであるので、上式の物理長ｌ₁ の値は自動
的に決まる。

【００２３】また膨張係数の大きいプラスチック補償材
２、および、接着充填材１と、膨張係数の小さな金属
を、予め適宜選んでも、物理長の変数の自由度は１つ残
っているので、上式を満足することは常に可能である。
現実には物理的大きさに限度があり、まったく自由に物
質の組み合わせができるわけではないが、ヤング率の選
択まで含めればリーズナブルのサイズで原理的には多数
の組み合わせが実現可能である。

【００２４】ただし、上式は、図３から明らかなように
解析を複雑にするガイドピンの穴（図７，図８における
ねじ１２Ｃの穴）を省略し、光コネクタの基板の熱膨張
と金属の弾性変形は無視でき、光軸面に沿った弾性変形
だけを考慮した簡略式であり、実際に適用を試みた結果
では、最適な物理長の中心値は、上式から求まる値から
１５％以内で微調整が必要な場合があった。

【００２５】以上の実施例では、プラスチック光コネク
タのフェルールの最外部を、金属製型枠３で被う構成で
あったが、金属枠３はフェルールの最外部に設置されて
いる必要はなく、プラスチック構造体内部に埋め込まれ
た場合でも良い。何故ならば、原理的には金属枠から内
側を考えれば上記構造と同じであるからである。また、
ファイバー芯線がプラスチックである場合には、光ファ
イバーリボン５の実効的物理長と平均熱膨張率を適宜修
正した値を用いることによって、同一の温度補償効果を
実現できることは明白である。

【００２６】次に別の実施形態を図４及び図５を参照し
て説明する。すなわち、図４及び図５の実施形態は、金
属製型枠を温度補償構造体の構成要素としてだけ利用す
るだけでなく、光コネクタのクランプ機構の構造体の機
能を兼ね備えるものである。図４に示す実施例は、並列
光リンクモジュール側にクランプ用バネ針金７が設けら
れ、クランプ枠６に引っ掛ける構造であり、図５に示す
実施例は、クランプ用バネ針金７をクランプバネ針金押
さえ８に止める構造である。

【００２７】このような構成のものにおいては、同じク
ランプ作用を期待できて、かつ、これらの基本構造を変
形したと看做せるもので、金属型枠の外部に付設した構
造の他の実施形態でも、同様の効果が期待できる。更
に、挿抜可能な光コネクタのクランプ機構にはバネ機構
が不可欠であるが、金属としてバネ特性を持つ板材を使
用し、光コネクタの先端部では温度補償機構の型枠とし
て構成し、光コネクタの後ろ側ではバネ構造体の一部を
構成させた複合構造でも良い。また、金属としてＳＵＳ
系の金属の代わりに、バネ材としての燐青銅や、熱的安
定性を狙える銅やセラミックでもよく、光コネクタに磁
気的結合機構を導入できる可能性を持つＮｉ、Ｃｏ系の
金属やバリウムフェライト系の磁気材料を適用しても同
様の効果が期待できるのは明らかである。

【００２８】以上、金属製型枠を具備した実施形態を示
したが、光コネクタが全てプラスチックで構成された場
合でも、同じ効果を備えたものができることを、図６で
説明する。この場合には、２種以上の物理特性の異なる
プラスチック材料を積層状に重ねた構造であり、外層に
ヤング率が高く熱膨張率の小さいプラスチック材料（外
層材）を、その内層にヤング率が小さく熱膨張率の大き
いプラスチック材料（内層材）を配置する構成とする。
また外層材９としては、図１の実施形態におけるプラス
チック温度補償材２と同様のガラス繊維強化エポキシ
材、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）材、ＰＰＯ
（ポリフェリレンオキシド）材、ＰＰＳ（ポリフェニレ
ンサンファイド）材、ポリアミド樹脂、ＬＣＰ（液晶ポ
リマー）材等の中から物理特性を勘案した選択に基づき
使用することができる。また、内層材２としては、紫外
線硬化樹脂、ポリアミド樹脂等も用いることができる。

【００２９】図１の実施形態のような金属枠を具備した
構造では、第一近似として金属の弾性変形を無視して良
いが、２種以上のプラスチック材で層状に構成したフェ
ルールで同様の温度補償効果を得るためには、構成材料
の全ての弾性変形を考慮することが重要である。熱膨張
係数は平均値として取り扱うことができるが、弾性変形
については個々に切り分けて取り扱う必要がある。ガラ
スを芯線としている光ファイバーリボンの場合には、芯
線の弾性変形と熱膨張は無視できるので、コネクタ構造
体から差し引いた構造で考えればよいことは、第１の実
施形態と同様である。ただし、この場合には形状が複雑
になるほか、定量的に扱い難い塑性変形も無視できない
ため、温度補償条件を満たす厳密な構造の計算式を求め
ることはかなり難しい。ここでは、フェルールが３層の
プラスチックで構成される図６に示す構造説明図に対し
て、余り複雑でない実用的な近似式を与える。並列光リ
ンクモジュールのＶ溝ガイド基板の熱膨張係数はαs は
プラスチック材料に比べて一桁小さいので無視する。最
外層のプラスチック材料９、プラスチック温度補償材
２、及び、光ファイバーリボン５をフェルール矩形開口
部に接着固定する接着充填材１と光ファイバーの保護外
被のプラスチックの平均熱膨張係数をα₃ 、α₂ 、α
₁ 、α₀ 、光軸面に沿った実効的物理長をｘ₃ 、ｘ₂ 、
ｘ₁ 、ｘ₀ 、光軸面に垂直な物理長をｙ₃ 、ｙ₂ 、ｙ
₁ 、ｙ₀ 、ヤング率Ｅ₃ 、Ｅ₂ 、Ｅ₁ 、Ｅ₀として、次
式が与えられる。

【００３０】 Ｅ₃ ／Ｅ₂ （ｙ₃ −ｙ₂ ）｛α₃ ｘ₂ −α₁ （ｘ₁ −ｘ₀ ） −α₂ （ｘ₂ −ｘ₁ ）＋α₀ ｘ₀ Ｅ₀ ／２（１／Ｅ₁ ＋１／Ｅ₂ ） ＋Ｅ₁ ／Ｅ₂ α₁ ｘ₀ （１−ｙ₀ ／ｙ₁ ）｝ ＝２α₂ ｘ₁ （ｙ₂ −ｙ₁ ）＋α₂ ｘ₂ （ｙ₂ ＋ｙ₁ ） ＋α₁ （ｘ₁ −ｘ₀ ）（ｙ₁ −ｙ₂ ）＋α₀ ｘ₀ Ｅ₀ ／２ ｛（１／Ｅ₁ ＋１／Ｅ₂ ）ｙ₂ −ｙ₁ ／Ｅ₁ ｝ ＋Ｅ₁ ／Ｅ₂ α₁ ｘ₀ ｙ₂ （１−ｙ₀ ／ｙ₁ ） この式より、Ｅ₃ がＥ₂ とＥ₁ と比べて十分に大きく、
ｙ₁ がほぼｙ₀ であるの場合には、金属枠が付いたとき
の上記条件式と一致する。この条件式に対し、予め使用
する光ファイバーリボンが選択済みであっても、光コネ
クタのフェルールを構成する材料に関して選べる変数が
６個あるので、ある程度目星をつけた材料を選択し、最
後にｘ₃ とｘ₂ を調整することによって常に現実的解を
見出すことができる。ただし、これらの条件式から求ま
る値は近似解であるので、現実に加工して求められた最
適構造の中心値からは、２５％以内でズレる可能性があ
り、調整を要する。

【００３１】以上、光コネクタのフェルール本体を３種
のプラスチックを積層する実施形態について詳しく説明
してきたが、この発明の適用範囲は以上の例に限られる
ものではない。例えば、材料の選択は厳しくなるがもっ
とシンプルに接着充填材とフェルール本体だけの２種を
積層して作ったもの、逆に製作が複雑になるが原理的に
４種以上を積層して構成できることも明白である。ま
た、光コネクタ全体が全てプラスチックで構成されてい
る図６の実施形態の場合も、再外周部を構成するプラス
チックは相対的にヤング率の高い材料が選択されている
ので、金属型枠が具備された図４及び図５の実施形態と
同様に光コネクタの接続固定機構としてのクランプ構造
体の一部を外部に付設した構造を採っても構わない。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、内部
発熱のあるコネクタ接続型並列光リンクモジュールと光
ファイバーリボン用光コネクタの光接続端面同士のアレ
イピッチ間隔の熱膨張による相対的誤差を抑えて、温度
変化に左右されず低損失で光学的に接続することが可能
となり、常に高効率で光結合させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す斜視図。

【図２】第１の実施形態の金属枠機構部の詳細図。

【図３】第１の実施形態の基本原理の説明図。

【図４】第２の実施形態の金属枠機構部の詳細図。

【図５】第３の実施形態の金属枠機構部の詳細図。

【図６】第４の実施形態の詳細図。

【図７】従来例におけるＬＤアレイと光ファイバーリボ
ンとのピッチ誤差を温度補償す構造体を示す斜視図。

【図８】図７におけるVIII−VIII方向に見た断面図。

【符号の説明】

１…接着充填材 ２…温度補償プラスチック（内層材） ３…押さえ金属製型枠 ４…ガイドピン穴 ５…光ファイバーリボン ６…コネクタクランプ枠 ７…クランプバネ針金 ８…クランプバネ押さえ ９…外層材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバーリボンと、 この光ファイバーリボンを所定位置に配列する配列部
   と、 この配列部における前記光ファイバーリボンの先端部が
   位置する部位に設けられ、前記光ファイバーリボンの先
   端部を光ファイバー配列方向に覆う温度補償部材とを具
   備する光コネクタ。
2. 【請求項２】 前記温度補償部材は、 金属枠である請求項１に記載の光コネクタ。
3. 【請求項３】 前記温度補償部材は、 温度特性の異なる少なくとも２種のプラスチックを層状
   に組合せてなる部材である請求項１に記載の光コネク
   タ。
4. 【請求項４】 光コネクタの光ファイバーリボンの配列
   部に対向する半導体レーザアレイを具備する光モジュー
   ルと、 この光モジュールに着脱可能に接続された請求項１に記
   載の光コネクタとで構成された並列光リンクモジュール
   構造体。