(57)【要約】【課題】製造期間を短くでき、低コストで、かつ、光損失が小さい光ファイバ気密封止構造を提供することを目的とする。【解決手段】耐圧筐体に導入する複数本の光ファイバ３を、溝２０が形成されたファイバガイド２１と、ファイバガイド２１を挿入する金属スリーブ２２と、ファイバガイド２１を金属スリーブ２２内に固定するナット２３を備えたとファイバフィードスルー内の半田封止部２５に半田により気密封止する光ファイバ気密封止構造において、半田は、この半田の融点と常温との差に、この半田の線膨張係数とヤング率とを掛けた値が９０ＭＰａ以下であるものとする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐圧筐体に導入する複数本の光ファイバをファイバフィードスルー内の半田封止部に半田により気密封止する光ファイバ気密封止構造において、上記半田は、この半田の融点と常温との差に、この半田の線膨張係数とヤング率とを掛けた値が９０ＭＰａ以下であることを特徴とする光ファイバ気密封止構造。
【請求項２】
耐圧筐体に導入する複数本の光ファイバをファイバフィードスルー内の半田封止部に半田により気密封止する光ファイバ気密封止構造において、上記半田は、常温で９．８ＭＰａの応力が加えられたときのクリープ変形速度が５×１０−６／ｓｅｃ以上であることを特徴とする光ファイバ気密封止構造。
【請求項３】
上記半田は、Ｓｎ、Ｐｂ及びＩｎを主成分とし、引張強度が４５ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバ気密封止構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光海底中継器に関するものであり、詳細には、光海底中継器の耐圧筐体に光ファイバを導入するファイバフィードスルーに光ファイバを半田封止により気密封止した光ファイバ気密封止構造における光ファイバの光損失の増加問題を解決する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な光海底中継器の耐圧筐体は、シリンダ内部に放熱・緩衝体を介して中継器回路が収納され、シリンダの両端部に端面板がはめ込まれ、はめ込み部の全周が溶接されて密閉構造とされている。端面板には、この端面板を気密に貫通するファイバフィードスルーが気密に設けられ、ファイバフィードスルーとカプラとの間を、耐水圧パイプからなり、給電線を兼ねるテールケーブルで接続している。テールケーブルは複数の光ファイバを収容しており、パイプの外面はポリエチレン等の絶縁材で被覆されている。テールケーブル内の光ファイバは、ファイバフィードスルー内に気密に導入され、中継器回路側で中継器回路の光ファイバに接続されている。
【０００３】
ファイバフィードスルー内に、複数本の光ファイバが導入され、複数本の光ファイバはファイバフィードスルー内の半田封止部において半田により気密に封止される。
【０００４】
半田封止を行ったファイバフィードスルーを含む光ファイバ気密封止構造は、半田封止部の気密性を確認するために、高圧のＨｅ（ヘリウム）ガス等によってリーク試験を行った後、光ファイバを伝送する光の強度損失（光損失）を測定する検査を実施し、その光損失の値が所望の値以下であることを確認する（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−２０５３７５号公報（第２頁−第３頁、図４）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成された従来のファイバフィードスルーを含む光ファイバ気密封止構造においては、ファイバガイドと金属スリーブと光ファイバとの隙間を半田封止する工程で光損失が増大するという問題があった。
【０００７】
また、半田封止部のリーク試験を行う際に、Ｈｅガスの圧力によって半田が塑性変形して光ファイバに負荷が加わり、光ファイバに大きな負荷が残留して光損失が増大した状態になる。この増大した光損失は、長時間にわたって低下し続けたあと一定値となるので、リーク試験後長時間経過した後に光の強度損失を測定する試験を行わなければならず、製造期間が長くなるとともに、工程途中で滞留する仕掛品が多数発生するという問題があった。
【０００８】
また、一定値になるまでの時間を早めるために、加熱処理を加える方法があるが、この方法では製造コストがアップするという問題があった。
【０００９】
さらに、半田封止部の耐圧性を確保するためには、受圧面積を小さくするために半田封止部の断面積を小さくするか、あるいは、加圧力で発生する剪断力を受ける半田封止部の面積を大きくするために半田封止部の軸方向長さを長くする必要があるが、半田封止部の断面積を小さくするするとファイバフィードスルー内の半田封止部に光ファイバを通す作業が困難になり、半田封止部の軸方向長さを長くすると製品自体が長いものになるいう問題があった。
【００１０】
本発明は、上記のような問題を解決するものであり、光損失が小さい光ファイバ気密封止構造を提供することを目的とする。
【００１１】
また、製造期間を短くでき、低コストで、かつ、光損失が小さい光ファイバ気密封止構造を提供することを目的とする。
【００１２】
また、短尺で、半田封止作業が容易であり、かつ、半田封止の状態が良好な光ファイバ気密封止構造を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光ファイバ気密封止構造は、耐圧筐体に導入する複数本の光ファイバをファイバフィードスルー内の半田封止部に半田により気密封止する光ファイバ気密封止構造において、上記半田は、この半田の融点と常温との差に、この半田の線膨張係数とヤング率とを掛けた値が９０ＭＰａ以下であるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、光海底中継器の耐圧筐体を示す断面図であり、図２は、光ファイバ気密封止構造におけるファイバフィードスルーを示す断面図である。
【００１５】
図１に示したように、光海底中継器の耐圧筐体１２は、シリンダ１４内部に放熱・緩衝体１７を介して中継器回路１６が収納され、シリンダ１４の両端部に端面板１５がはめ込まれ、はめ込み部の全周が溶接されて密閉構造とされている。端面板１５には、この端面板１５を気密に貫通するファイバフィードスルー１８が設けられている。ファイバフィードスルー１８とカプラ１３との間は、耐水圧パイプからなり、給電線を兼ねるテールケーブル１９で接続されている。テールケーブル１９は複数の光ファイバを収容しており、テールケーブル１９の外面はポリエチレン等の絶縁材で被覆されている。テールケーブル１９内の光ファイバは、ファイバフィードスルー１８内に気密に導入され、中継器回路１６側で中継器回路１６の光ファイバに接続されている。
【００１６】
図２（ａ）に示したように、ファイバフィードスルー１８は、周囲に複数本の光ファイバ３を設けるための溝２０が形成されたファイバガイド２１と、ファイバガイド２１を挿入する金属スリーブ２２と、ファイバガイド２１を金属スリーブ２２内に固定するナット２３を備えている。
【００１７】
光ファイバ３は、ファイバフィードスルー１８に封止する部分の保護被膜が除去されている。保護被膜が除去され、金属被覆部２４が露出した光ファイバ３はファイバガイド２１の溝２０に挿入されている。また、図２（ｂ）に示したように、光ファイバ３は半田封止部２５によってファイバフィードスルー１８に気密に封止される。半田封止部２５は、金属被覆部２４と溝２０及び金属スリーブ２２との隙間に溶融半田を流し込む、あるいは隙間に半田を挿入し、加熱・冷却することによって溶融・凝固して形成する。
【００１８】
本発明は、半田封止の工程における光ファイバ３の光損失の増大が、半田封止部２５で半田の凝固収縮により光ファイバ３が締め付けられることにより生じるという知見に基づくものである。
【００１９】
半田封止部２５の光ファイバ３に対する締付力は、半田の融点が高いと大きくなり、半田の線膨張係数及びヤング率が大きくなると大きくなる。そこで、半田の融点と常温との差に、その半田の線膨張係数とヤング率とを掛けた値（以下、半田特性値ということにする）と締付力との相関に着目したものである。
【００２０】
本実施の形態においては、半田特性値が異なる４種類の半田を用いて、図２（ｂ）に示したファイバフィードスルー１８からなる光ファイバ気密封止構造をそれぞれの半田で５個作製し、半田封止から３０分後に光損失を測定した。
【００２１】
半田には、半田特性値が小さいものとして、組成がＳｎ４９％、Ｐｂ１７％、Ｉｎ３４％、及びＳｎ４８％、Ｉｎ５２％、及びＳｎ１６％、Ｐｂ５２％、Ｂｉ３２％のものを使用し、半田特性値が大きいものとして、組成がＳｎ６３％、Ｐｂ３７％のものを使用した。
【００２２】
光ファイバ気密封止構造は、ファイバガイド２１の周方向へ均等に配置した８個の溝２０に光ファイバ３を挿入して半田封止し、同種の半田で４０個の光損失データを収集し、収集したデータの平均値を求めた。
【００２３】
図３は、収集した光損失データの平均値を半田特性値に対してプロットした図である。同図から、許容される光損失、０．０１５ｄＢ以下とするためには、半田特性値を９０ＭＰａ以下にすればよいことがわかる。
【００２４】
光海底中継器等に用いられる光ファイバ封止構造物の半田封止部には高い引張強度が要求される。そこで、上記４種類の半田で引張試験片を作製し、引張強度を測定した。
【００２５】
図４は、上記４種類の半田の引張強度を半田特性値に対してプロットした図である。同図から、望ましい半田の引張強度、４５ＭＰａを得るためには、半田特性値を５５ＭＰａ以上とする。この値は、必ずしも必要とするものではないが、半田特性値を５５ＭＰａ以上とすることによって、半田封止部の軸方向長さを短くすることができる、あるいは半田封止部の径方向の寸法を大きくすることができるので、軸方向長さを短くした場合には光ファイバ封止構造物の長さを短くすることができるとともに、半田封止部の長さ方向における半田の均一性を確保することができ、径方向の寸法を大きくした場合には、ファイバガイド２１の溝２０に光ファイバ３を挿入し易くすることができる。
【００２６】
以上のように、半田特性値を９０ＭＰａ以下とすることによって、半田封止による光損失を許容される光損失である、０．０１５ｄＢ以下とすることができる。
【００２７】
なお、本実施の形態１では、組成がＳｎ４９％、Ｐｂ１７％、Ｉｎ３４％、及びＳｎ４８％、Ｉｎ５２％、及びＳｎ１６％、Ｐｂ５２％、Ｂｉ３２％の半田で半田封止部２５を構成しているが、これらに限定されるものではなく、半田特性値が９０ＭＰａ以下の半田であればよく、その組成成分、組成成分割合等が限定されるものではない。
【００２８】
実施の形態２．
Ｈｅリーク試験による光損失の増大は、高圧のＨｅガスの加圧力によって半田が塑性変形して光ファイバに負荷が発生するためである。
【００２９】
Ｈｅリーク試験後、時間経過とともに光損失が一定値まで低下するのは、半田のクリープ変形によって光ファイバに発生した負荷が回復するためであると想定される。
【００３０】
そこで、半田のクリープ変形速度に着目し、クリープ変形速度が異なる３種類の半田を用いて、図２（ｂ）に示したファイバフィードスルー１８からなる光ファイバ気密封止構造をそれぞれの半田で５個作製し、Ｈｅリーク試験から１時間後に光損失を測定した。
【００３１】
半田には、常温で９．８ＭＰａの応力が加えられたときのクリープ変形速度が大きいものとして、組成がＳｎ４９％、Ｐｂ１７％、Ｉｎ３４％、及びＳｎ４８％、Ｉｎ５２％のものを使用し、クリープ変形速度が小さいものとして、従来から用いられている、組成がＳｎ６３％、Ｐｂ３７％のものを使用した。
【００３２】
光ファイバ気密封止構造は、ファイバガイド２１の周方向へ均等に配置した８個の溝２０に光ファイバ３挿入して半田封止し、同種の半田で４０個の光損失データを収集し、収集したデータの平均値を求めた。
【００３３】
図５は、収集した光損失データの平均値を半田のクリープ変形速度に対してプロットした図である。同図から、リーク試験によって発生する光損失を、許容される光損失である、０．０２ｄＢ以下とするためには、半田の常温におけるクリープ速度（応力値は９．８ＭＰａ）を５×１０−６／ｓｅｃ以上にすればよいことがわかる。
【００３４】
図６は、上記３種類の半田の引張強度をクリープ変形速度に対してプロットした図である。同図から、望ましい半田の引張強度、４５ＭＰａを得るためには、常温で、応力値９．８ＭＰａにおける半田のクリープ変形速度を５×１０−４／ｓｅｃ以下とするのが望ましい。この値は、必ずしも必要とするものではないが、クリープ変形速度を５×１０−４／ｓｅｃ以下とすることによって、半田封止部の軸方向長さを短くすることができる、あるいは半田封止部の径方向の寸法を大きくすることができるので、軸方向長さを短くした場合には光ファイバ封止構造物の長さを短くすることができるとともに、半田封止部の長さ方向における半田の均一性を確保することができ、径方向の寸法を大きくした場合には、ファイバガイド２１の溝２０に光ファイバ３を挿入し易くすることができる。
【００３５】
図７は、上記３種類の半田で構成される光ファイバ気密封止構造のＨｅリーク試験後における光損失の経時変化を示している。図７に示されているように、クリープ変形速度が小さい、組成がＳｎ６３％、Ｐｂ３７％の半田では２週間後においても安定した値になっていないのに対して、クリープ変形速度が大きい、組成がＳｎ４９％、Ｐｂ１７％、Ｉｎ３４％、及びＳｎ４８％、Ｉｎ５２％の半田では、２４時間後にほぼ安定した値になっている。
【００３６】
以上のように、本実施の形態２によれば、常温で、応力値９．８ＭＰａにおける半田のクリープ変形速度が５×１０−６／ｓｅｃ以上の半田を用いることによって、Ｈｅリーク試験後の光損失を許容値である０．０２ｄＢ以下にすることができる。
【００３７】
なお、本実施の形態２では、組成がＳｎ４９％、Ｐｂ１７％、Ｉｎ３４％、及びＳｎ４８％、Ｉｎ５２％の半田で半田封止部２５を構成しているが、これらに限定されるものではなく、常温で、応力値９．８ＭＰａにおけるクリープ変形速度が５×１０−６／ｓｅｃ以上の半田であればよく、その組成成分、組成成分割合等が限定されるものではない。
【００３８】
また、Ｈｅリーク試験後、光損失が安定するまでの時間は半田のクリープ変形速度及びＨｅリーク試験の条件によって決まるものであり、２４時間に限定されるものではない。
【００３９】
実施の形態３．
図８は、光ファイバ気密封止構造を１２００気圧で水圧試験をした結果を示している。水圧試験をした光ファイバ気密封止構造は、上記実施の形態１及び２において、半田封止部を、組成がＳｎ４９％、Ｐｂ１７％、Ｉｎ３４％、及びＳｎ４８％、Ｉｎ５２％、及び従来のＳｎ６３％、Ｐｂ３７％の半田で構成したものである。半田封止部２５における、径方向寸法を１ｍｍ、軸方向寸法を１ｍｍとした（試料Ｎｏ．１〜３）。
【００４０】
組成がＳｎ４９％、Ｐｂ１７％、Ｉｎ３４％の半田を用いた試料Ｎｏ．２は、Ｓｎ６３％、Ｐｂ３７％の半田を用いた試料Ｎｏ．１と同様、１０００時間の水圧試験で漏れが発生せず、合格であった。
【００４１】
これに対して、組成がＳｎ４８％、Ｉｎ５２％の半田を用いた試料Ｎｏ．３は、７００時間で水漏れが発生し、不合格であった。
【００４２】
そこで、組成がＳｎ４８％、Ｉｎ５２％の半田を用い、半田封止部２５における径方向寸法を０．５ｍｍ、軸方向寸法を１ｍｍ（試料Ｎｏ．４）、及び径方向寸法を１ｍｍ、軸方向寸法を２ｍｍ（試料Ｎｏ．５）とした光ファイバ気密封止構造を製作し、１２００気圧の水圧試験を行った。その結果、試料Ｎｏ．４及び５、いずれも１０００時間で水漏れが発生せず、合格であった。
【００４３】
上記図８の結果から、組成がＳｎ４９％、Ｐｂ１７％、Ｉｎ３４％の半田で半田封止部を構成することによって、組成がＳｎ４８％、Ｉｎ５２％の半田で半田封止部を構成する場合よりも、半田封止部の径方向寸法を大きく、また軸方向寸法を小さくできることがわかる。
【００４４】
そして、径方向寸法を大きくした場合には、ファイバガイドの溝に光ファイバを挿入し易くすることができ、軸方向寸法を短くした場合には光ファイバ封止構造物の長さを短くすることができるとともに、半田封止部の長さ方向における半田の均一性を確保することができる。
【００４５】
なお、本実施の形態３では、組成がＳｎ４９％、Ｐｂ１７％、Ｉｎ３４％の半田で半田封止部を構成する例を示したが、これに限られるものではなく、半田封止部を構成する半田は、組成成分がＳｎ、Ｐｂ及びＩｎを主成分とし、引張強度が４５ＭＰａ以上のもの、さらに好ましくは６０ＭＰａ以上であればよい。
【００４６】
また、半田封止部の径方向寸法及び軸方向寸法は、光ファイバ気密封止構造に要求される耐圧性から決まるものであり、本実施の形態３の数値に限定されるものではない。
【００４７】
【発明の効果】
本発明に係る光ファイバ気密封止構造によれば、耐圧筐体に導入する複数本の光ファイバをファイバフィードスルー内の半田封止部に半田により気密封止する光ファイバ気密封止構造において、上記半田は、この半田の融点と常温との差に、この半田の線膨張係数とヤング率とを掛けた値が９０ＭＰａ以下であるものであるので、半田封止による光ファイバの光損失を許容される光損失、０．０１５ｄＢ以下とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光海底中継器の耐圧筐体を示す断面図である。
【図２】光ファイバ気密封止構造におけるファイバフィードスルーを示す断面図である。
【図３】光損失データを、半田の融点と常温との差に、その半田の線膨張係数とヤング率を掛けた値（半田特性値）に対してプロットした図である。
【図４】半田の引張強度を半田特性値に対してプロットした図である。
【図５】光損失データを半田特性値に対してプロットした図である。
【図６】半田の引張強度をクリープ変形速度に対してプロットした図である。
【図７】光ファイバ気密封止構造のＨｅリーク試験後における光損失の経時変化を示すものである。
【図８】光ファイバ気密封止構造を１２００気圧で水圧試験をした結果を示しものである。
【符号の説明】
１２  耐圧筐体、１３  カプラ、１４  シリンダ、１５  端面板、
１６  中継器、１７  放熱・緩衝体、１８  ファイバフィードスルー、
２０  溝、２１  ファイバガイド、２２  金属スリーブ、２３  ナット、
２４  金属被覆部、２５  半田封止部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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