(57)【要約】【課題】耐熱性が高く、高温環境下で使用されても光ファイバと光学素子の位置関係が変化することのない光デバイスを提供する。【解決手段】光ファイバが内孔に挿入された筒体と、一端面が光ファイバの一端面と対向して配置された光学素子と、光ファイバの一端部の周面および光学素子の一端面を筒体と一体的に接合させた接合材と、を備えた。【選択図】  図１Ａ
2007271674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバが内孔に挿入された筒体と、
一端面が前記光ファイバの一端面と対向して配置された光学素子と、
前記光ファイバの一端部の周面および前記光学素子の一端面を前記筒体と一体的に接合させた接合材と、を備えた光デバイス。
【請求項２】
前記筒体は、前記光学素子側の端面に、前記内孔に連通するとともに前記光ファイバの一端部が埋入された凹部を有し、該凹部内に前記接合材が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記光学素子は、前記凹部の開口領域内に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記接合材は、ガラスから構成され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デバイス。
【請求項５】
少なくとも前記光ファイバの一端部の周面に金属部を被覆させるとともに、該金属部と同材質の金属を含んでなる前記接合材を介して前記光ファイバの金属部と前記筒体とを接合させたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項６】
前記光ファイバの一端部に、屈折率分布型ファイバを設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項７】
前記光学素子は、入射される光の偏波状態を９０度回転させるファラデー回転素子を含んでなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項８】
前記光学素子は、対向して配置される一対の部分反射ミラーと、該一対の部分反射ミラー間に介在され、かつ入射光を多重干渉させる導光体と、を備えてなる光センサであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信や光ファイバセンサに用いる、光デバイスに関するものであり、特に耐熱性を要する用途に用いられる光デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信は光ファイバを用いる通信であり、メタルケーブルと比較し大容量・長距離の伝送に優位であり、近年のデータ伝送の増大に伴い、急激な普及を示している。最近までは、幹線網や中継網といった分野が主流であったが、近年は加入者網への普及が増大してきた。こうした光通信において、光ファイバと並んで、送受信を担うＬＤ光源モジュールや受光モジュールは最重要部品であるが、加入者網への普及に伴い、大量生産に適した製法として表面実装技術が検討されている。表面実装技術は電子部品の実装で確立した技術であり、リフロー炉を通して半田実装される。このため局所的な加熱ではなく、実装部品全体が２００℃以上の高熱に曝される。このため、実装部品に高温耐熱が要求され始めている。
【０００３】
光ファイバセンサは、系の経路が主に光ファイバからなり、感知部が光ファイバ、あるいは光学デバイスからなるセンサであり、感知部に加わる外力を光学的な特性変化として検知するものである。
このように光ファイバセンサの感知方法は光学特性の変化を利用するため、感知部に給電を必要とせず、感知部が強電磁界下にあっても測定が可能となる。また、光ファイバ自体の材質は耐熱、耐食性に優れる溶融石英からなるため、感知部の構造により、耐熱、耐食性を要する環境での測定が可能とある。さらに経路に用いる光ファイバは伝送損失が小さいため、遠隔での計測に利点を有し、さらに光ファイバ通信分野で発達した、時分割多重伝送や波長多重伝送といった多重化技術を応用させることで、一本の光ファイバで多点計測が可能といった利点も有する。光ファイバセンサはこれらの特長を活かし、発電施設、土木構造物、海底地震計、製造プロセスラインといった分野での計測が実施されている。
【０００４】
特許文献１では、光通信機器や光ファイバセンサに適用されるピグテイル型の光デバイスが紹介されている。特にＬＤ光源モジュールに用いる光アイソレータを例に挙げている。
図４は特許文献１に示す光デバイス１００を示す断面図である。
光デバイス１００は光ファイバ１０１、フェルール（ジルコニア製キャピラリ）１０２、接着剤１０３ａ、接着剤１０３ｂ、光アイソレータ１０４、金具１０５、磁石１０６からなる。接着剤１０３ａはエポキシ系熱硬化型であり、接着剤１０３ｂはアクリル系紫外線硬化型である。
【０００５】
光ファイバ１０１はフェルール１０２に挿入され、接着剤１０３で接合される。この光ファイバ１０１が挿入されたフェルール１０２の先端部は、光ファイバ１０１の先端部と同時に所定の角度で研磨される。この研磨角度は６度にしているが、これは光アイソレータを構成する素子であるファラデー回転子の屈折率が約２．３と高く、屈折率が１．５前後の光ファイバ等との界面で発生する反射を防止するためである。光アイソレータ１０４は接着剤１０３ｂで光ファイバ１０１とフェルール１０２と接続される。磁石１０４は金具１０５と接続される。
特許文献１では特に接着剤１０３ｂを光アイソレータ１０４の側面に覆う形にし、その量を制限することで光路上への水の浸入を防ぎ、耐湿性を高める構成である。
【特許文献１】特開２００４−２９５６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の光デバイスは耐熱性という観点で特性が劣っていた。たとえば、特許文献１に示された光デバイスでは、光ファイバ１０１と光アイソレータ１０４が互いに異なる接着剤で接合固定されているため、接着剤の温度特性に差異が生じている。そのため、従来の光デバイスは高温環境で使用すると、接着剤の耐熱温度が異なっているため、光ファイバ１０１と光アイソレータ１０４の位置関係が変化し、光学特性が悪化するという問題があった。
したがって、従来の光デバイスは、耐熱性を要する、半田リフロー対応のＬＤ光源モジュールや光ファイバセンサに用いることができないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、耐熱性が高く、高温環境下で使用されても光ファイバと光学素子の位置関係が変化することのない光デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の目的を達成するために、本発明に係る光デバイスは、光ファイバが内孔に挿入された筒体と、一端面が前記光ファイバの一端面と対向して配置された光学素子と、前記光ファイバの一端部の周面および前記光学素子の一端面を前記筒体と一体的に接合させた接合材と、を備えたことを特徴とする。
また、前記筒体は、前記光学素子側の端面に、前記内孔に連通するとともに前記光ファイバの一端部が埋入された凹部を有し、該凹部内に前記接合材が充填されていることが好ましい。
また、前記光学素子は、前記凹部の開口領域内に配置されていることが好ましい。
また、前記接合材は、ガラスから構成されていることが好ましい。
さらに、少なくとも前記光ファイバの一端部の周面に金属部を被覆させるとともに、該金属部と同材質の金属を含んでなる前記接合材を介して前記光ファイバの金属部と前記筒体とを接合させることが好ましい。
さらに、前記光ファイバの一端部に、屈折率分布型ファイバを設けることが好ましい。
また、前記光学素子は、入射される光の偏波状態を４５度回転させるファラデー回転素子を含んでなることが好ましい。
また、前記光学素子は、対向して配置される一対の部分反射ミラーと、該一対の部分反射ミラー間に介在され、かつ入射光を多重干渉させる導光体と、を備えてなる光センサであることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように構成された本発明に係る光デバイスは、光ファイバと光学素子とを同一接合材で一体的に接合することができ、たとえば温度変化によって接合材に膨張や収縮が生じても、光ファイバと光学素子とが同時に動くようになるため、光ファイバと光学素子との相対的な位置関係が維持され、光ファイバと光学素子との位置ずれによって生じる光の挿入損失、不要反射を低減できる。
したがって、本発明は、耐熱性が高く、高温環境下で使用されても光ファイバと光学素子の位置関係が変化することのない光デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態の光デバイスについて説明する。
【００１１】
実施の形態１．
図１Ａは、本発明に係る実施の形態１の光デバイスの構成を示す断面図である。
この実施の形態１の光デバイス１０ａは、石英やガラス材等からなる光ファイバ１１と、ジルコニアやアルミナ等セラミックス、ガラス材、ニッケル等の金属からなり先端部に凹部１２ａを有するフェルール１２と、例えば、ガラス材からなる接合剤１３と、光学素子１４とからなる。光学素子１４には、たとえば透過する光の偏波面を回転させるファラデー回転素子、ＬiＮｂＯ３等の誘電体結晶からなり電場の強さに比例して屈折率が変化するポッケルス素子、ファラデー回転素子の両側面に偏光子が配されてなり、順方向の光を透過し、逆方向からの光を遮断するような光アイソレータ素子、あるいは、以下に詳述するエタロンフィルタ等の光学特性を有するものが使用される。
【００１２】
実施の形態１の光デバイス１０ａにおいて、光ファイバ１１はフェルール１２の内孔に挿入され、一端部が凹部１２ａに充填された接合材１３により、固定される。また、光学素子１４は、光ファイバ１１の端部に対向するようにフェルール１２の端面に設けられ、その外周面で接合材１３により保持されている。尚、光ファイバ１１の端部は研磨等により鏡面状態にされている。
【００１３】
ここで、特に、本実施の形態１の光デバイスでは、光ファイバ１１と光学素子１４が同一の接合材１３により一体化されるように固定されていることを特徴とし、これにより、接着剤の膨張又は収縮により互いの位置関係が変化することなく安定して保持できるので、光ファイバと光学素子との位置ずれによって生じる挿入損失や不要反射を低減できる。
【００１４】
本発明は、このように、光ファイバ１１と光学素子１４が同一の接合材１３により一体化されるように固定されていることにより特有の効果が得られるものであるが、本発明では、実施の形態１に示したように、フェルール１２の一端部に凹部を備えることが望ましく、これにより、より確実に光ファイバ１１と光学素子１４の好ましい相対位置が維持できる。すなわち、凹部１２ａ内に接合材１３を充填するようにすると、フェルール１２および接合材により光ファイバを十分に固定できる。また、フェルールとともに光ファイバの端面を研磨することが容易になり、光ファイバと光学素子との接続損失を低減できる。
【００１５】
また、本実施の形態１において、接合材１３は、エポキシ樹脂、アクリル系樹脂等からなる有機接合材、あるいはガラスからなるような無機接合材を用いることができる。この接合材１３においては、耐熱性を向上させるという観点では、２００℃以上の転移点を有する低融点ガラスと呼ばれる無機接合材を用いることが好ましい。本実施の形態１に示すように、フェルール１２の一端部に凹部１２ａが形成されていると、低融点ガラスは予めプリフォーム化されたものを用いることができる。例えば、このプリフォーム化された低融点ガラスをフェルール１２の凹部１２ａに設置した後、３００℃以上で溶融させることで、光ファイバ１１の一端部を凹部１２ａに充填された接合材１３により固定し、かつ光学素子１４がその一端面で接合材１３により固定される。
【００１６】
この無機接合材である低融点ガラスの熱膨張係数は、フェルール１２より小さく、光ファイバ１１より大きいことが好ましく、この範囲の熱膨張係数を有する低融点ガラスを用いると、溶融した低融点ガラスを硬化させるときに、ガラス材にはフェルール１２により、圧縮応力が掛かり、光ファイバ１１はガラス材により圧縮応力が掛かることで接着強度を高くすることができる。具体的に、このような熱膨張係数を有する部材の組合せの一例としては、たとえば光ファイバ１１が石英（熱膨張係数：０．５×１０−６／℃）、フェルール１２がジルコニア（熱膨張係数：１０×１０−６／℃）、接合材１３が、酸化鉛、酸化ホウ素、および酸化ビスマス材料を含んでなる低融点ガラス（熱膨張係数：８×１０−６／℃、ガラス転移点：２１５℃）が挙げられる。
【００１７】
光学素子１４は、光ファイバ１１と接触するように、フェルール１２の凹部の開口端部に位置合わせされて接合材１３により接続されるが、上述したように、光ファイバ１１をフェルール１２に固定する際に同時に固定するようにしてもよいし、別々に固定するようにしてもよい。
【００１８】
また、光学素子１４が、凹部１２ａの開口端部（開口領域）に配置されていれば、接合材１３に膨張や収縮が生じても、光学素子１４は光ファイバ１１の変動に追従でき、挿入損失や不要反射の増大を防止でき、さらに光学素子１４の剥離などの欠陥の発生を防止できる。
【００１９】
一般に、光ファイバ１１は、外径が１２５μｍと小さいものが主流となっており、光学素子１４は、数百μｍから１ｍｍ角程度の大きさであるため、低融点ガラスを溶融したときに動いてしまうおそれがある。したがって、低融点ガラスを溶融させる際には、光ファイバ１１をフェルール１２とともに治具で固定し、光学素子１４も治具で固定して行う。また凹部１２ａ又はその周辺に光学素子１４が動かないように固定するガイドを形成するようにしてもよい。
【００２０】
以上のように本実施の形態１の光デバイスでは、光学素子１４と光ファイバ１１とを同一の接合材１３で一体的に固定することで、光学素子１４と光ファイバ１１との熱膨張差による、接合材１３からの剥離を防止できる。
【００２１】
以上の実施の形態１では、凹部の形状を円形状とした。このように凹部１２ａを円形状にすると、特にフェルール（筒体）１２の熱膨張係数が接合材１３より大きく、接合材１３の熱膨張係数が光ファイバ１１より大きい場合、接合後の冷却時に熱収縮により、光ファイバを締め付けることができ、光ファイバの接合強度を高めることができる。
【００２２】
接合時に光ファイバ１１をより強固に締め付けるためには、円形状の凹部１２ａに代えて、例えば、図１Ｂに示すように、２段になった凹部１２ｂを設けるようにすればよい。
このようにすると、凹部１２ｂの径の小さくする領域において、フェルール（筒体）の熱収縮がより大きく光ファイバに作用するため、さらに接合強度を高めることができる。
【００２３】
また、本発明では、円筒形状の凹部１２ａに代えて、図１Ｃに示すような、開口部に向かって径が徐々に大きくなるようなテーパ形状の凹部１２ｃを設けてもよい。このようなテーパ形状の凹部１２ｃは、加工が容易で、かつ筒体の熱収縮による締め付けが光ファイバに作用しやすくなるため、接合強度を高めることができる。
【００２４】
さらに、本発明では、光ファイバ１１に、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属被膜１５（金属部）が施されていてもよい。この金属被膜１５は、光ファイバ１１を保護するとともに、接合剤１３としてロウ材を用いることを可能とする。ロウ材はＡｕＳｎやＡｕＧｅ等共晶点を持つものは３００℃程度で溶融するためガラス材に代えて用いることができる。接合剤１３としてロウ材を用いる場合、フェルール１２の内孔にはめっき、蒸着等の金属膜が成膜される。
このように構成しても、構成材料のすべてを比較的耐熱性を有する材料で形成することができるため、耐熱性を向上させることができる。
【００２５】
また、光ファイバ１１に金属被膜１５を施し、その金属被膜と同材質の金属を含む接合材１３を用いて光ファイバ１１の金属被膜１５とフェルール１２とを接合させると、接合材１３と金属被膜１５の熱膨張係数が近似した構成とすることができるため、接合強度を向上させることが可能となる。
【００２６】
以上説明したように、本実施の形態１の光デバイスは、光ファイバ１１と光学素子１４が同一の接合材１３により一体化されるように固定されているので、温度変化のある、あるいは高温の環境で使用した場合であっても、接着剤の膨張又は収縮により互いの位置関係が変化することなく安定して保持できる。従って、本実施の形態１の光デバイスによれば、低温から常温域、常温域から２００℃以上の高温域で使用した場合であっても、光学素子１４と光ファイバ１１の位置ずれに起因する剥離を抑制することによって、高い信頼性を有する光デバイスを提供することができる。
【００２７】
実施の形態２．
本発明に係る実施の形態２の光デバイスは、図２に示すように、光ファイバ１１の先端部に、レンズ効果を持つグレーデッドインデックスファイバ２７を融着し、さらにそのグレーデッドインデックスファイバ２７に光学距離調整用の純石英ファイバ２８を融着している。これ以外の部分は、実施の形態１（図１Ｃに示した構造）と同様に構成される。
グレーデッドインデックスファイバ２７は、石英にＧｅＯ２を添加して拡散させることで、光ファイバの軸中心に高い屈折率を持たせ、外周に向かうほど屈折率が低くなるように、屈折率に分布を持たせた光ファイバである。グレーデッドインデックスファイバ２７に入射されて伝送する光は、ファイバ内の屈折率に応じて屈曲して進行するため、レンズのような集光機能を有する。
純石英ファイバ２８は、グレーデッドインデックスファイバ２７の光学的特性および機械的特性を保護する機能を有するものであり、グレーデッドインデックスファイバ２７と同等な外径で構成され、グレーデッドインデックスファイバ２７とは、たとえば融着等で容易に接合が可能である。また、純石英ファイバ２８は、純粋な石英からなるため、ファイバ内はほぼ同一の屈折率を有しているため、屈折率が変化する界面で生じる不要反射を低減させている。尚、純石英ファイバとは、屈折率の異なるコアを持たず、屈折率分布のないいわゆるコアレスファイバのことである。
【００２８】
この実施の形態２のように、光ファイバ１１を、グレーデッドインデックスファイバ２７と純石英ファイバ２８を介して光学素子１４に結合させるようにすると、ほぼ１００％の結合効率を達成することができる。また、光ファイバ１１とグレーデッドインデックスファイバ２７及びグレーデッドインデックスファイバ２７と純石英ファイバ２８を融着による接続ができるため耐熱性を保てる。
したがって、本実施の形態２により、実施の形態１と同様の効果を有し、かつ結合効率の高い光デバイスを提供することができる。
【００２９】
実施の形態３．
本発明に係る実施の形態３の光デバイスは、実施の形態２の光デバイスにおいて光学素子としてファラデー回転素子を用いて構成したファラデー回転ミラー３０である（図３Ａ）。
このファラデー回転ミラー３０において、ファラデー回転素子は、純石英ファイバ２８の先端に接合されたファラデー回転子３４と、その一端面に蒸着されたミラー３７と、フェルールの外周に取り付けられた磁石３８により構成されている。
【００３０】
このファラデー回転素子は、磁石３８で飽和磁界を発生させ、ファラデー回転子３４内を往復することで偏波状態が９０度回転されるような厚みに設計されている。つまり、ファラデー回転子を透過する光は、偏波状態が４５度回転されるということである。たとえば１５５０ｎｍ近傍で使用する場合は４００〜６００μｍの厚みになる。ここではファラデー回転ミラー３０を構成したが、光アイソレータを構成することもできるし、その他の光デバイスを構成することもできる。
【００３１】
実施の形態４．
本発明に係る実施の形態４の光デバイスは、実施の形態２の光デバイスにおいて光学素子としてエタロンフィルタ４４を用いて構成した光ファイバセンサ４０である（図３Ｂ）。
【００３２】
エタロンフィルタ４４は、例えば、１００μｍの石英ブロックの両端面に部分反射膜４７ａ、４７ｂを形成したものである。石英は約１０ｐｐｍ／℃の光路長変化率を有しており、これをエタロンフィルタに用いると透過または反射波長が温度に応じて変化し、温度センサとして機能するというものである。尚、本実施の形態４では反射波長を利用している。部分反射膜４７ａ、４７ｂは、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５やＳｉＯ２とＴｉＯ２からなる誘電体多層膜で構成することができる。これらのエタロンフィルタ４４を構成する部材は、いずれも耐熱性を有しているので、本発明に係る実施の形態１及び２の構造とともにもちいることで、耐熱性が高く、高温の温度測定の可能な光ファイバセンサを提供できる。
ここで部分反射膜４７ａは、石英ブロックに形成されるより、純粋石英ファイバ２８の石英ブロックに対向する端面に形成してもよい。このような構成によれば、接合材１３の部分反射膜４７ａとの接触を防止することができるため、石英ブロックの一表面とフェルール１２とを、接合材１３を介して強固に接合することができる。一方で、石英ブロックの一表面に部分反射膜４７ａが形成されると、接合材１３と部分反射膜４７ａが接触するため、接合材１３と部分反射膜４７ａの熱膨張差によって部分反射膜４７ａに剥離が生じて、エタロンフィルタ４４と純粋石英ファイバ２８との接合強度が劣化する場合がある。
【実施例】
【００３３】
本発明に係る実施例として、図３Ｂに示す光ファイバセンサを作製した。
エタロンフィルタ４４は、約１００μｍの石英体ブロックの両端面に、ＳｉＯ２膜とＴａ２Ｏ５膜とを相互に積層させて合計２０層積層し、各部分反射膜４７ａ、４７ｂを作製した。
光ファイバ１１はポリイミド樹脂がコートされたシングルモードファイバを用い、フェルール１２との接続部における被覆を除去し、その先端部にはグレーデッドインデックスファイバ２７と純石英ファイバ２８を融着接続した。
フェルール１２はΦ２．５ｍｍのジルコニア製であり、フェルール１２の先端の凹部の開孔径はφ１ｍｍとした。
接合剤１３はガラス転移点２５０℃以上、溶融点３５０℃以上の鉛−ホウ素−ケイ素等からなる低融点ガラスを用いた。この低融点ガラスはフェルール１２先端の凹部の形状に合致するように、予め、成形して焼き固めたガラス体として用い、その内径がΦ２００μｍ、外径がφ１ｍｍとした。
【００３４】
本実施例では、まず、ガラス体をフェルール１２の凹部内に設置し、光ファイバ１１をフェルール１２とガラス体（接合体１３）に挿入し、焼成炉にて約４００℃で１０分間加熱処理した。次いで、光ファイバ１１の端面が露出したフェルール１２の端面部を鏡面研磨した。
次に、フェルール１２と該フェルールの一端から突出する余剰分の光ファイバ１１をセラミック製の治具で固定し、鏡面研磨されたフェルール１２の端部にエタロンフィルタ４４を設置し、セラミック製の治具で固定し、約４００℃で１０分間加熱処理することにより、エタロンフィルタ４４を接合材１３でフェルール１２の端面部に接合した。
【００３５】
作製した光ファイバセンサを−４０℃から３００℃の間でエタロンフィルタ４４からの反射ピーク波長の温度特性を確認し、温度センサとして問題ないことを確認した。また、反射点測定装置にて光ファイバ１１と光学素子１４との界面に空隙発生による反射点がないことを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】本発明に係る実施の形態１の光デバイスの構成を示す断面図である。
【図１Ｂ】実施の形態１の変形例（１）の光デバイスの構成を示す断面図である。
【図１Ｃ】実施の形態１の変形例（２）の光デバイスの構成を示す断面図である。
【図１Ｄ】実施の形態１の変形例（３）の光デバイスの構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係る実施の形態２の光デバイスの構成を示す断面図である。
【図３Ａ】本発明に係る実施の形態３の光デバイスの構成を示す断面図である。
【図３Ｂ】本発明に係る実施の形態４の光デバイスの構成を示す断面図である。
【図４】従来の光デバイスの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ  光ファイバ、１１  光デバイス、１２  フェルール、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ  凹部、１３  接着剤、１４  光学素子、１５  金属被膜、２７  グレーデッドインデックスファイバ、２８  純石英ファイバ、３０  ファラデー回転ミラー、  ３４  ファラデー回転子、３７  ミラー、３８  磁石、４０  光ファイバセンサ、４４  エタロンフィルタ、４７ａ、４７ｂ  部分反射膜。
【図１Ａ】
2007271674.tif 000003
【図１Ｂ】
2007271674.tif 000004
【図１Ｃ】
2007271674.tif 000005
【図１Ｄ】
2007271674.tif 000006
【図２】
2007271674.tif 000007
【図３Ａ】
2007271674.tif 000008
【図３Ｂ】
2007271674.tif 000009
【図４】
2007271674.tif 000010