情報通信

多心シングルモード光ファイバの耐ダスト、低押圧接続を可能にするレンズコネクタ
Single-Mode Multi-Optical-Fiber Lensed Connector
Enabling Dust Insensitive and Low Mating Force

島川＊修

Osamu Shimakawa

水戸瀬雄一

Yuichi Mitose

荒生肇

Hajime Arao

佐々木Dai Sasaki

松下通生

大村真樹

Naoki Matsushita

大Masaki Ohmura

現在、光コネクタは、押圧力を付与することで光ファイバの端面同士を互いに押し付け、光ファイバ端のコア間を隙間なく面接触させる「フィジカルコンタクト」接続方式が主流である。しかし近年の多心化で押圧力の増加が大きな問題となっている。さらに、コア直径が約10ミクロンのシングルモード光ファイバ（SMF）の場合、ダストに敏感であるため端面の念入りな清掃を必要とする。当社は、レンズを用いた接続方式でこの問題を解決する技術開発に取り組んだ。レンズ方式はレンズと光ファイバ間の高精度な組立精度を要するため、従来SMFには適用困難であったが、高精度な部品成形によりSMFのコネクション技術を開発し良好な光学特性を実現した。
The most popular optical fiber connector today is a “physical-contact” connector. When two connectors are pressed witheach other, both optical fiber end faces are deformed to achieve face contact without any gap between their cores.
However, increase in optical fiber count per connector makes pressing force increase a big challenge. In addition to that,as core diameter in single-mode optical-fibers (SMFs) is only about 10 microns, their end faces are sensitive to dust andrequire careful cleaning. Sumitomo Electric Industries, Ltd. started developing SMF lensed connectors to cope with thechallenges. Requiring high precision in assembly of the lens and optical fiber, the fiber connection using lens has been
hard to be applied to SMF connection. However, Sumitomo Electric has achieved good optical characteristics in multi-SMF
connection by utilizing high precision molding technologies.
キーワード：多心コネクタ、レンズ、拡大ビーム、シングルモード

1.

緒

言

れている。マルチモード光ファイバ（MMF）用に関しては接インターネット上で流通する情報を扱うデータセンターで続損失1.2dB以下のものが既に報告されている（3）。しかしなは、近年の急激なデータ通信量の増大に伴い大規模化が進ん

がら、SMF用に関しては現在のところ実用レベルの接続損でおり、センター内に張り巡らされた光ファイバ配線に、よ失を有するものが報告されていない（4）。一方で今後、データり高速大容量かつ長距離でデータ伝送することが求められてセンター内の光ネットワークの大容量化と光配線の長距離化いる。に伴い、SMFコネクタが重要な役割を果たすとものと予想

現在、データセンター内の機器間光配線は、多心光ファイ（6）される（5）、。

バコネクタのMPO（マルチファイバ・プッシュ・オン）コネ

これまでSMFを低損失に接続するレンズコネクタが報告

クタ が主流である。当コネクタは、光ファイバ間に押圧力されていない主な理由は、光ファイバとレンズの位置精度とを付与することで光ファイバの端面同士を互いに押し付け合して1µm以下が求められるが、それを実現するのが困難でわせ、光ファイバ端の光信号が通過するコア間を隙間なく面あったことである。

※1

接触させるフィジカルコンタクト（PC）接続技術をベースと当社はMTコネクタ※2 やMPOコネクタに用いられているしている（1）。しかしながら、昨今の情報トラフィックの増加

高精度な樹脂成形技術とコネクタ間の位置決め技術に加えでMPOコネクタに求められる光ファイバ心数が増加しておて、グレーデッド・インデックス（GI）ファイバ※3 をレンズり、それに伴いPC接続に要する押圧力も増加している（2）。

として使う技術（7）を融合することで、多心のSMFレンズコ

また、シングルモード光ファイバ（SMF）はコア径がおよそネクタ技術を開発した（8）。

10µmと小さいので、コネクタ端面に付着したダストに対して敏感である。したがって取扱いの際には念入りな端面清掃を必要とする。

2.

構造

これら押圧力とダストの問題に対処する方法として、凸レ24心のSMFレンズコネクタの内部構造を図1に示す。GI

ンズを用いて光ファイバを接続するレンズコネクタが提案さレンズアレイプレートには、24個の光ファイバ挿入穴を持

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多心シングルモード光ファイバの耐ダスト、低押圧接続を可能にするレンズコネクタ

つ樹脂成形プレートに石英ガラス製のGIファイバが挿入さGIファイバレンズの表面は平面であるため、通常の凸面レれている。このプレートを所定の厚みになるように製作すンズに比べて表面の清掃が容易である。

ることでGIファイバはレンズとして機能するようになる。
同じく図中でMTフェルールには24本のSMFが挿入され、端面は研磨されている。GIレンズアレイプレートとMTフェ3.

光学設計

ルールは各々ガイド穴が設けられており、ガイドピンを挿入

光ファイバから出射された光は、レンズでビーム径が拡大することで相対位置決めした状態で互いに接着剤で固定されされたコリメート光となる。ビーム径が拡大されることで、る。GIレンズアレイプレートとMTフェルールは同一樹脂でコネクタ端面に細かなダストが付着しても従来のPCコネクかつ同一プロセスで成形されるため、SMFとGIファイバレタと比べてコネクタ接続損失が増加しにくい。さらに、コネンズ間は高精度に位置決め可能である。MTフェルールにGIクタ間のX，Y方向の軸ずれに対しても接続損失が増加しにレンズアレイプレートが固定されたコネクタから出射されたくい利点がある。その一方で、ビーム径が大きくなるに従ビームは、図2に示すようにGIレンズで拡大されて空間上をい、接続するコネクタ間のθx、θy角度ずれに対して接続損伝搬し、対向するもう一つのコネクタに結合する。コネクタ失が増加しやすくなる。そこで拡大されるビームのサイズは間にスペーサを挿入することで、コネクタ間の距離（Z）を最最適化が必要となる。当レンズコネクタではGIファイバレ適に光学結合するよう一定に保つことができる。またコネク

ンズの把持にもMTフェルール構造をベースとしたレンズ把

タ同士のX，Y相対位置（光軸に垂直な面内方向）はガイドピ持プレートを用いており、MTコネクタと同様の方法で組みンで制御され、コネクタ間のあおり角度（θx、θy）は、コ立てられる。そこでMTコネクタの部品精度や組立て精度をネクタとスペーサ間が面接触することで制御される。写真1

加味し、損失1dB以下のためにビームウェスト直径を52µmは、図1のコネクタをMPO用ハウジングに収納した写真でに設定した。

ある。コネクタの端面には反射防止膜が施されている。

次にモンテ・カルロ解析法※4 によりコネクタ挿入損失分

GIファイバレンズは石英ガラス材であるため、樹脂材の布を計算した。計算に用いた主な部品や組立の公差はMT、レンズに比べて温度変化環境下において焦点距離の変動が小MPOコネクタの典型値を用いて計算している。解析の結さい。したがって安定的な結合損失が得られる。さらに、果を図3に示す。コネクタ挿入損失の平均値は波長1.31、1.55µm各々において、0.78dB、0.53dBである。また、98％以上の確率で損失は2dB以下である。なお、光学設計が波長1.55µmに最適化されているため、損失も1.55µmの方が低くなっている。

MTﾌｪﾙｰﾙ

ｽﾍﾟｰｻ

ｽﾍﾟｰｻ
Lensｱﾚｲﾌﾟﾚｰﾄ

SMF

24心SMFレンズコネクタの内部構造

GIﾌｧｲﾊﾞﾚﾝｽﾞ

図2

100%
80%
λ1.31
λ1.55
λ1.31[%]
λ1.55[%]

60%
40%
20%
0%~0.2~0.4~0.6~0.8~1~1.2~1.4~1.6~1.8~22~

図1度数

GIﾚﾝｽﾞｱﾚｲﾌﾟﾚｰﾄ

3500
3000
2500
2000
1500
1000
5000

積算確率

MTﾌｪﾙｰﾙ

挿入損失[dB]
光学系概略

図34.

モンテ・カルロ解析による損失の計算結果

光学特性

24心（ファイバは12列×2段配置）コネクタを試作し、光学特性を評価した。標準の24MPOコネクタと同じく、同一列内のファイバ配列ピッチは0.25mmで、段間のピッチは0.5mmである。レンズ表面には反射防止膜が施されている。コネクタを嵌合するためのスプリングの圧力は3.3Nで
写真1ハウジングに収納されたコネクタの外観あり、標準的な24心MPOの1/6程度である。

2015 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 187 号

23

4−1

接続損失ある。同一列で隣接するポート5と7が最も近接するためク試作したコネクタの接続における損入損失分布を図4にロストークが発生しやすいが、-70dB以下でほとんど漏光し示す。N数は5コネクタ対×各24心＝120である。棒グラていないことがわかる。

フが試作品の評価結果で、それと対比するために前項で計4−3挿入損失の波長依存性算した解析結果を曲線上にプロットで示す。波長1.31、光スペクトルアナライザを用いて挿入損失の波長依存性を1.55µm各々における測定値の平均値は0.67dB、0.54dB評価した結果を図6に示す。通常、レンズで結合される場合であり、解析値とよく一致している。また最大損失は両波長はレンズの収差や反射防止膜の特性により波長依存性が発生とも1.6dB以下であり、我々が把握している多心のSMFレするが、波長1.28～1.625µmの広範囲において挿入損失のンズコネクタとしてはこれまでに報告されている中で最も良変動は0.2dB以下と小さい。

い結果である。
1
挿入損失 [dB]6050
λ1.31(測定)λ1.31(ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ)

度数4030200.80.60.40.21001.252~~2~1.8~1.6~1.4~1~1.2~0.8~0.6~0.4~0.201.351.451.55

1.65

波長 [µm]

挿入損失[dB]

図660

接続損失の波長特性評価結果

50λ1.55(測定)λ1.55(ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ)

度数

40
30
20

4−4

挿入損失の温度依存性

環境温度-10～60℃における挿入損失の変動結果を図7に10示す。測定波長は1.55µmである。全24ポート（12列×22~~2~1.8~1.6~1.4~1~1.2~0.8~0.6~0.4~0.20
挿入損失[dB]
図4

接続損失の評価結果

段）のうち、1段目の両端2ポートおよび中央4ポートの計8ポートの測定結果を示している。温度サイクル15回における損失変動は0.08dB以下と小さい。これはSMFを把持しているフェルールとGIファイバレンズを把持しているプレートが同一材料からなっており、熱膨張による軸ずれの影響を受けにくいためである。

4−2クロストークある。そこでクロストーク※5 を測定した。ポート6に入射しクロストーク[dB]たときの他のポートへのクロストーク値を示したのが図5で0-10-20-30-40-50-60-70-80

損失変動 [dB]

伝搬するため、散乱した光が他のポートに結合する可能性が

0.2
0.15
0.1
0.05
0-0.05-0.1-0.15-0.2

805020-10-40-70-100-130-160
020304050

時間 [hr]

図71 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324
ポート

図52410

クロストークの評価結果

多心シングルモード光ファイバの耐ダスト、低押圧接続を可能にするレンズコネクタ

接続損失の温度特性評価結果

温度[˚C]

レンズコネクタはPCコネクタと違い、ビームが空間上をﾎﾟｰﾄ1
ﾎﾟｰﾄ2
ﾎﾟｰﾄ5ﾎﾟｰﾄ6ﾎﾟｰﾄ7ﾎﾟｰﾄ8ﾎﾟｰﾄ11ﾎﾟｰﾄ12
温度

4−5

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

反射減衰量

反射減衰量を測定した結果を図8に示す。24ポート全て、1.31、1.55µmの波長において33dB以上を確保している。

※1MPOコネクタ

Multi-fiber Push-onコネクタの略称で、光ファイバをPC接続技術により結合する多心光ファイバコネクタ。コネクタをアダプタにワンタッチで押しつけることで接続が完了する。

反射減衰量 [dB]50※245

Mechanically transferableコネクタの略称で、MPOコネ40クタの基礎となった多心光ファイバコネクタ。MPOコネク

3530

λ1.31

25

λ1.55

20タと同じ樹脂成形フェルールを用いる。
※3

グレーデッドインデックスファイバ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

マルチモードファイバの一種で、光ファイバのコアの屈折率ポートを放射線状に分布させたもの。製法に違いはあるものの、光図8

反射減衰量の評価結果に対してGRINレンズと同じレンズ作用を及ぼす。
※45.

MTコネクタ結言

シングルモード光ファイバを低押圧力で接続可能かつ、モンテ・カルロ解析法

乱数を用いた計算を繰り返し行うことで近似解を求める計算手法。ここでは、SMレンズコネクタの部品や組立精度のばらつきを乱数で与え、予想される損失を計算で求めた。

端面の細かなダストに耐性のある多心レンズコネクタ技術を開発した。MTコネクタ技術をベースとして24心のシ※5

クロストークングルモードファイバコネクタを試作し、平均挿入損失伝送信号が他の伝送路に漏れること。本紙では特定の光ファ0.7dB以下、最大損失1.6dB以下の良好な特性を得た。

イバから他の光ファイバに光が漏れることを指している。

これは我々が把握しているレンズを用いた多心のシングルモード光ファイバ用コネクタの報告の中で、最も良い結果である。
参 考 文 献（1） S. Nagasawa et al.,“A high-performance single-mode multifiberconnector using oblique and direct endface contact between
multiple fibers arranged in a plastic ferrule,”IEEE Photonics
Technol Letters, vol. 3, no. 10, pp. 937-939（1991）（2） S. Kato et al.,“Condition for making physical contact of multimode 2D MPO connector,”Proc. IWCS2010, P-16.
（3） D. Childers et al.,“High density, low cost, no-polish opticalferrule,”IEEE Optical interconnects conference2013, MD4.
（4） D. Childers et al.,“New, single-mode, multi-fiber, expandedbeam, passive optical interconnect,”Proc. SPIE, vol. 8991,89910J-1（2014）（5） C. DeCusatis, “Optical interconnect networks for datacommunications," J. Lightwave Technol., vol. 32, no. 4, pp. 544552（2014）（6） C. Lam et al.,“What devices do data centers need?,”Proc.
OFC2014, M2K.5.
（7） W. Emkey et al.,“Analysis and evaluation of graded-index fiberlenses,”J. Lightwave Technol., vol. LT-5, no. 9, pp. 1156-1164（1987）（8） O. Shimakawa et al.,“Single-mode 24-fiber connector with GI
fiber lens array,”Proc. OFC2015, W4B.2

2015 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 187 号

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執筆

者 ---------------------------------------------------------------------------------＊

島川修 ：光通信研究所

荒生

肇 ：光通信研究所

松下

通 生 ：光通信研究所

主席

水 戸 瀬 雄 一 ：光通信研究所

佐々木大 ：光通信研究所

主査

大村真 樹 ：光通信研究所

主席---------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

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