JP7552915B2 - フェルール回転かん合部および光スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、主に光ファイバネットワークにおいてシングルモード光ファイバを用いた光線路の経路を切り替えるために用いるフェルール回転かん合部及びこれを用いた光スイッチに関する。

光を光のまま経路切替を行う全光スイッチとして、マルチコアファイバが挿入された円筒フェルールを回転させることによって切り替えを行う方式（例えば、特許文献１参照。）が提案されている。これにより、レンズやプリズム等の光学部品を不要とし、光スイッチ構成の簡略化が可能となる。

特開平２－８２２１２

Ｂ．Ｊｉａｎ，"Ｔｈｅ Ｎｏｎ－Ｃｏｎｔａｃｔ Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ：Ａ Ｎｅｗ Ｃａｔｅｇｏｒｙ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ，" ２０１５ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ（ＯＦＣ），Ｗ２Ａ．１，２０１５． 荒生 肇、矢加部 祥、上原 史也、佐々木 大、島津 貴之、"低損失／低嵌合力を特徴とする耐ダスト光多心コネクタＦｌｅｘＡｉｒＣｏｎｎｅｃＴ，" ２０１８ 年７ 月・ＳＥＩテクニカルレビュー、第１９３号、ｐｐ．２６－３１、２０１８．

しかしながら、特許文献１に記載のマルチコアファイバが挿入された円筒フェルールを用いた光経路切替では、フェルールがスリーブに密着挿入することにより中心軸を合わせており、フェルールとスリーブ間の摩擦力により、回転の駆動に大きなエネルギーが必要であり大きな電力を要する。さらに、フェルールが回転する際に、向かい合うファイバ端面に傷をつけて接続損失などの光学特性の劣化を防ぐ目的で、フェルールが回転するたびにフェルール端面を引き離す機構が必要であり、回転の駆動に余計なエネルギーを要する。そのため、特許文献１には、光経路切替に要するエネルギーの削減という課題があった。

一方、光ファイバを挿入した円筒フェルールにおいて、あらかじめ間隙を設けてファイバ接触を行わない接続形態（例えば、非特許文献１）により接触によるファイバ端面の傷を防止する方法もある。しかし、間隙によりファイバ端面間に生じる空気層を原因とした反射による信号劣化を抑制するため、反射を防止するための特殊コーティングが必要となり、コストが増加する。そのため、非特許文献１には、光経路切替の構造に対するコストの削減という課題があった。

また、反射を防止するための別の方法として、フェルール端面を斜めに研磨する方法（例えば、非特許文献２）もある。しかし、斜めに研磨したフェルールでは、回転による切替の際にフェルール端面の干渉が発生する、又は、大きな間隙を要するために接続損失が大きくなる。そのため、非特許文献２には、光経路切替の構造による干渉や接続損失の低減という課題があった。

前記課題を解決するために、本発明は、光経路切替における安定的な光学特性を低消費電力で、かつ、より経済的に実現できるフェルール回転かん合部及びこれを用いた光スイッチを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示のフェルール回転かん合部および光スイッチは、中心軸に平行かつ中心軸から同一距離にシングルコアファイバが配置された２つのフェルールそれぞれの一端が凸形状であり、２つのフェルールのどちらかに一方に対してスプリングによる押圧を加えることで、２つのフェルールの一端の先端部を中心軸が一致するように突き合わせ、いずれか一方のフェルールを中心軸を中心として回転させる。

具体的には、本開示に係るフェルール回転かん合部は、
フェルール断面において中心から同一の円周上に一又は複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第１のフェルールと、
フェルール断面において中心から、前記第１のフェルールにおける前記シングルコアファイバのコア中心が配置された前記円周と同じ直径の円周上に複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第２のフェルールと、
前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの中心軸が一致するように前記第１のフェルールの一端及び前記第２のフェルールの一端が挿入される中空部を有し、前記第１のフェルール又は前記第２のフェルールが回転可能なように、前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの各外径と前記中空部の内径との間に所定の隙間が設けられている円筒のスリーブと、
前記第１のフェルールの他端に取り付けられ、前記第１のフェルールと中心軸が同軸である円形のつばを有する第１のフランジと、
前記第２のフェルールの他端に取り付けられ、前記第２のフェルールと中心軸が同軸である円形のつばを有する第２のフランジと、
前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールが突き合わされる向きに前記第１のフランジ又は前記第２のフランジに押圧を加えるスプリングと、
前記第１のフェルール、前記第２のフェルール、前記スリーブ、前記第１のフランジ、及び前記第２のフランジを、前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの中心軸が一致するように保持する保持具と、を備え、
前記第１のフェルールの一端は、
前記中心軸方向に凸形状であり、前記第１のフェルールに配置された前記シングルコアファイバの端面が露出する円環部と、前記円環部よりも内側にあり、かつ、前記円環部よりも前記中心軸方向に突出している先端部と、からなり、
前記第２のフェルールの一端は、
前記中心軸方向に凸形状であり、前記第２のフェルールに配置された前記シングルコアファイバの端面が露出する円環部と、前記円環部よりも内側にあり、かつ、前記円環部よりも前記中心軸方向に突出している先端部と、からなり、
前記第１のフェルールの先端部と前記第２のフェルールの先端部とが突き合わされる。

例えば、本開示に係るフェルール回転かん合部は、
前記第１のフェルールの先端部及び前記第２のフェルールの先端部がフラット面である。

例えば、本開示に係るフェルール回転かん合部は、
前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールのそれぞれにおいて、前記先端部と前記円環部とがなす角度が５度以上である。

例えば、本開示に係るフェルール回転かん合部は、
前記第１のフェルールの円環部に露出するシングルコアファイバの端面と、当該シングルコアファイバに光軸が一致する前記第２のフェルールの円環部に露出するシングルコアファイバの端面との間隙が２０μｍ以下である。

例えば、本開示に係るフェルール回転かん合部は、
前記第１のフランジのつば又は前記第２のフランジのつばは、外縁に溝を有し、
前記保持具は、前記溝とかん合する形状の突起部を有し、前記突起部を前記溝にかん合させて前記第１のフランジ又は前記第２のフランジの前記中心軸を中心とする回転を防ぐ。

具体的には、本開示に係る光スイッチは、
前記フェルール回転かん合部と、
前記フェルール回転かん合部の前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールのどちらか一方を前記中心軸を中心として回転させる回転機構と、を具備する。

具体的には、本開示に係る光スイッチは、
前記フェルール回転かん合部と、
前記フェルール回転かん合部の前記第１のフランジ及び前記第２のフランジのうち、回転可能な一方を前記中心軸を中心として回転させる回転機構と、を具備する。

本発明は、中心軸に平行かつ中心軸から同一距離にシングルコアファイバが配置された２つのフェルールそれぞれの一端が凸形状であり、２つのフェルールのどちらかに一方に対してスプリングによる押圧を加えることで、２つのフェルールの一端の先端部を中心軸が一致するように突き合わせ、いずれか一方のフェルールを中心軸を中心として回転させる。これにより、対向する光ファイバの端面同士が接触せず、接触によって光ファイバの端面にキズがつくことによる接続損失などの光学特性の劣化を防ぐことができる。また、対向する光ファイバの端面同士を非平行とすることで光の反射量を減らすことができるので、反射コーティングを要せず、より経済的なフェルール回転かん合部および光スイッチを提供することができる。

さらに、本発明は、光スイッチングを行うフェルール回転かん合部の２つのフェルールの一方を軸回転可能な機構としているため、アクチュエータで必要となるエネルギー、すなわちトルク出力を限りなく小さくすることが可能であり、低消費電力化が可能である。また、フェルールの軸回転以外の方向における光軸ずれ量は、フェルール回転かん合部においてスリーブ及びスプリングにより保証されているために、低損失化が可能となる。加えて、本発明にはコリメートや特別な防振機構を具備しておらず、フェルールやスリーブといった一般的に広く用いられている光接続部品から構成されているため小型かつ経済的である。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本開示によれば、光経路切替における安定的な光学特性を低消費電力で、かつ、より経済的に実現できるフェルール回転かん合部及びこれを用いた光スイッチを提供することができる。

本発明の使用形態の一例を示す。 本発明の実施形態に係るフェルール回転かん合部の構成図である。 本発明の実施形態に係るフェルール回転かん合部の固定フランジ側の断面図である。 本発明の実施形態に係る固定側フェルールの一端を正面から表した模式図である。 本発明の実施形態に係る回転側フェルールの一端を正面から表した模式図である。 本発明の実施形態に係るフェルール回転かん合部のフェルール及び円筒スリーブを長手方向に沿った面で表した模式図である。 フェルール外径とスリーブ内径のクリアランスに対する過剰損失の関係の一例を示す。 本発明の実施形態に係るフェルール回転かん合部のフェルールの一端近傍をより詳細に示した模式図である。 先端部と円環部とがなす角度と反射減衰量の関係の一例を示す。 光ファイバの間隙に対する過剰損失の関係の一例を示す。 本発明のフェルール回転かん合部を用いた光スイッチの構成図である。 コア配置半径に対する回転角度ずれによる接続損失の関係の一例を示す。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態）
図１は本発明の実施形態の一例を示す図である。本実施形態は、光が入力側光ファイバＳ０１から入射され、出力側光ファイバＳ０４へ出射する形態を説明するが、光の方向は逆でもよい。本発明は、前段光スイッチ構成部Ｓ００に接続された入力側光ファイバＳ０１を、前段光スイッチ構成部Ｓ００において光スイッチ間光ファイバＳ０２の特定のポートに切り替えて、光スイッチ間光ファイバＳ０２のポートを、後段光スイッチ構成部Ｓ０３において所望の出力側光ファイバＳ０４に切り替えることを可能とする。本発明は、前段光スイッチ構成部Ｓ００及び後段光スイッチ構成部Ｓ０３に該当する光スイッチである。以下、前段光スイッチ構成部Ｓ００を光スイッチＳ００と、後段光スイッチ構成部Ｓ０３を光スイッチＳ０３と略記する。光スイッチＳ００と光スイッチＳ０３は左右反転の関係にあり、構成が同一であるため、以下、光スイッチＳ００を用いて詳細な構成を示す。

図２は本発明の実施形態に係るフェルール回転かん合部Ｓ２０の構成図である。
本実施形態に係る光スイッチＳ００が有するフェルール回転かん合部Ｓ２０は、
フェルール断面において中心から同一の円周上に一又は複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第１のフェルールＳ１と、
フェルール断面において中心から、第１のフェルールＳ１におけるシングルコアファイバのコア中心が配置された円周と同じ直径の円周上に複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第２のフェルールＳ２と、
第１のフェルールＳ１及び第２のフェルールＳ２の中心軸が一致するように第１のフェルールＳ１の一端及び第２のフェルールＳ２の一端が挿入される中空部を有し、第１のフェルールＳ１又は第２のフェルールＳ２が回転可能なように、第１のフェルールＳ１及び第２のフェルールＳ２の各外径と前記中空部の内径との間に所定の隙間が設けられている円筒のスリーブＳ３と、
第１のフェルールＳ１の他端に取り付けられ、第１のフェルールＳ１と中心軸が同軸である円形のつばＳ４ａを有する第１のフランジＳ４と、
第２のフェルールＳ２の他端に取り付けられ、第２のフェルールＳ２と中心軸が同軸である円形のつばＳ５aを有する第２のフランジＳ５と、
第１のフェルールＳ１及び第２のフェルールＳ２が突き合わされる向きに第１のフランジＳ４又は第２のフランジＳ５に押圧を加えるスプリングＳ６と、
第１のフェルールＳ１、第２のフェルールＳ２、スリーブＳ３、第１のフランジＳ４、及び第２のフランジＳ５を、第１のフェルールＳ１及び第２のフェルールＳ２の中心軸が一致するように保持する保持具Ｓ７と、
を備える。

第１のフェルールＳ１の一端及び第２のフェルールＳ２の一端は、中心軸が一致するように円筒スリーブＳ３の中空部に挿入される。

第１のフランジＳ４は、第１のフェルールＳ１の他端に取り付けられる円形のつばＳ４ａ、及び第１のフェルールＳ１の他端とつばＳ４ａを挟んで接続される本体部Ｓ４ｂを有する。

第２のフランジＳ５は、第２のフェルールＳ２の他端に取り付けられる円形のつばＳ５ａ、及び第２のフェルールＳ２の他端とつばＳ５ａを挟んで接続される本体部Ｓ５ｂを有する。

スプリングＳ６は、第１のフェルールＳ１の一端及び第２のフェルールＳ２の一端同士が突き合わされるように押圧を加えることができれば、構成は任意である。例えば、スプリングＳ６は、図２に示すように、本体部Ｓ４ｂを内部に含みながらつばＳ４ａに取り付けられ、本体部Ｓ４ｂ側からつばＳ４ａに押圧を加えてもよい。本体部Ｓ４ｂを内部に含んでいなくてもよく、また、複数のスプリングが取り付けられてもよい。スプリングＳ６は、第１のフランジＳ４に取り付けられるのと同様に、第２のフランジＳ５に取り付けられてもよい。

フェルール回転かん合部Ｓ２０の第１のフランジＳ４付近の断面図の一例を図３に示す。図３のＡ－Ａ断面図は、固定側光ファイバＳ９の長軸に垂直な面での断面を表す。図３のＢ－Ｂ断面図は、第１の光ファイバＳ９の長軸に沿った面での断面を表す。
本実施形態に係るフェルール回転かん合部Ｓ２０は、
第１のフランジＳ４のつばＳ４ａは、外縁に溝を有し、
保持具Ｓ７は、溝とかん合する形状の突起部Ｓ８を有し、突起部Ｓ８を溝にかん合させて第１のフランジＳ４の中心軸を中心とする回転を防いでもよい。

つばＳ４ａの溝及び突起部Ｓ８の形状は、これらがかん合可能であれば任意である。例えば、図３のＡ－Ａ断面図に示すように、突起部Ｓ８が矩形状であって、つばＳ４ａが突起部Ｓ８と同様の矩形状の溝を有し、これらがかん合することで第１のフランジＳ４の中心軸を中心とする回転を防いでもよい。

また、つばＳ４ａの溝及び突起部Ｓ８は、第１の光ファイバＳ９の長軸方向の長さも任意である。例えば、図３のＢ－Ｂ断面図に示すように、つばＳ４ａの溝が第１の光ファイバＳ９の長軸方向に貫通しており、かつ、突起部Ｓ８の第１の光ファイバＳ９の長軸方向の長さが、つばＳ４ａの第１の光ファイバＳ９の長軸方向の厚さよりも長く、つばＳ４ａの溝の全体と、突起部Ｓ８の一部とがかん合してもよいがこれに限定されない。
なお、第１のフランジＳ４のつばＳ４ａが溝を有し、つばＳ４ａの溝と突起部Ｓ８とをかん合させている例を示すが、第２のフランジＳ５において同様の構造で第２のフランジＳ５の中心軸を中心とする回転を防いでもよく、この場合、第１のフランジＳ４を回転させることで光経路切替を実現してもよい。なお、当該フェルール回転かん合部において、フェルール、並びにフランジにおいて、回転のための駆動力を低減するために、ベアリングや低摩擦加工を施してもよい。

第１の光ファイバＳ９は図１の入力側光ファイバＳ０１に対応し、第２の光ファイバＳ１０は図１の光スイッチ間光ファイバＳ０２に対応する。第１の光ファイバＳ９から光を入射した場合、第１のフェルールＳ１が固定され、第２のフェルールＳ２を回転させることで第１の光ファイバＳ９を第２の光ファイバＳ１０の任意の１心と接続させ、入射した光を第２の光ファイバＳ１０の１心から出力させることのできる光スイッチＳ００であり、１ｘＮのリレー型光スイッチとして使用できるものである。逆に、第２の光ファイバＳ１０から光を入射することも可能である。例えば、第２の光ファイバＳ１０のうちの複数のシングルコアファイバに光を入射し、第２のフェルールＳ２を回転させることで第２の光ファイバＳ１０の任意の１心を第１の光ファイバＳ９と接続させ、入射した複数の光の中から選択した１つの光のみを第１の光ファイバＳ９から出力することができる。また、図１のように、光スイッチを複数組み合わせることにより、Ｎ×Ｎの光スイッチを構成することが可能である。ここで、第１のフェルールＳ１を１心としたが、複数の光ファイバを配置することも可能である。また、第１のフェルールＳ１を１心とし、第２のフェルールＳ２を複数心とすることとしたが、第２のフェルールＳ２を１心とし、第１のフェルールＳ１を複数心とすることも可能である。この場合、第１の光ファイバＳ９は図１の光スイッチ間光ファイバＳ０２に対応し、第２の光ファイバＳ１０は図１の入力側光ファイバＳ０１に対応する。以下では、第１のフェルールＳ１を１心とし、第２のフェルールＳ２を複数心とし、さらに、第１のフェルールＳ１を固定側フェルールとし、第２のフェルールを回転側フェルールとする光スイッチＳ００について説明する。以降、第１の光ファイバを固定側光ファイバとし、第２の光ファイバを回転側光ファイバとする。

本実施形態に係るフェルール回転かん合部Ｓ２０においては、後述するように、
固定側フェルールＳ１の一端は、
中心軸方向に凸形状であり、固定側フェルールＳ１に配置された固定側光ファイバＳ９の端面が露出する円環部Ｓ１２と、円環部Ｓ１２よりも内側にあり、かつ、円環部Ｓ１２よりも中心軸方向に突出している先端部Ｓ１１と、からなり、
回転側フェルールＳ２の一端は、
中心軸方向に凸形状であり、回転側フェルールＳ２に配置された回転側光ファイバＳ１０の端面が露出する円環部Ｓ１２と、円環部Ｓ１２よりも内側にあり、かつ、円環部Ｓ１２よりも中心軸方向に突出している先端部Ｓ１１と、からなり、
固定側フェルールＳ１の先端部Ｓ１１と回転側フェルールＳ２の先端部Ｓ１１とが突き合わされる。

図４は本発明の実施形態に係る固定側フェルールＳ１の一端を正面から表した模式図である。図４に示すように固定側光ファイバＳ９のコア中心が固定側フェルールＳ１の中心に対してコア配置半径Ｒｃｏｒｅの円の円周上に配置されていることを特徴とする。図４では１心の固定側光ファイバＳ９がｙ軸（ｘ＝０）上に配置された例を挙げているが、固定側光ファイバＳ９のコア中心がコア配置半径Ｒｃｏｒｅを有する円の円周上に配置されていればよく、これに限らない。また、固定側光ファイバＳ９は先端部Ｓ１１の外側に配置された円環の円環部Ｓ１２に配置されている。さらに、固定側光ファイバＳ９の端面は、円環部Ｓ１２に露出している。

図５は本発明の実施形態に係る回転側フェルールＳ２の一端を正面から表した模式図である。図に示すように複数の回転側光ファイバＳ１０のそれぞれのコア中心が回転側フェルールＳ２の中心に対してコア配置半径Ｒｃｏｒｅの円の円周上に配置されていることを特徴とする。図５では合計８つの回転側光ファイバＳ１０が配置された例を挙げているが、コア配置半径Ｒｃｏｒｅを有する円の円周上に複数の回転側光ファイバＳ１０のコア中心が配置されていればよく、これに限らない。また、回転側光ファイバＳ１０は、固定側光ファイバＳ９と同様に、先端部Ｓ１１の外側に配置された円環の円環部Ｓ１２に配置されている。さらに、回転側光ファイバＳ１０の端面は、円環部Ｓ１２に露出している。

固定側光ファイバＳ９と回転側光ファイバＳ１０の接続における透過損失をできるだけ小さくすることが重要であり、回転側光ファイバＳ１０の各コアは、固定側光ファイバＳ９のコアと同程度のモードフィールド径を有する点で同じ光学特性である方が望ましい。また、軸ずれによる過剰損失をできるだけ小さくすることが重要であり、回転側フェルールＳ２のフェルール外径Ｓ１３は、固定側フェルールＳ１のフェルール外径Ｓ１３と同程度である方が望ましい。

本実施形態では、固定側光ファイバＳ９及び回転側光ファイバＳ１０は石英ガラスで形成されることとするが、通信波長帯の信号光を通信可能な光ファイバであればよく、これに限らない。なお、本実施形態では、固定側フェルールＳ１及び回転側フェルールＳ２の先端部Ｓ１１がフラット形状の面である例を示すが、先端部Ｓ１１はフラット形状である必要はなく、例えば、固定側フェルールＳ１及び回転側フェルールＳ２のうち一方を凸形状とし、もう一方を凸形状と密着する凹形状にしてもよい。

図６は本発明の実施形態に係るフェルール回転かん合部Ｓ２０のフェルール及び円筒スリーブを長手方向に沿った面で表した模式図である。固定側光ファイバＳ９を挿入した固定側フェルールＳ１と、回転側光ファイバＳ１０を挿入した回転側フェルールＳ２が、それらのフェルール外径Ｓ１３に対してサブμｍ程度一回り大きい内径Ｓ１４を有する円筒スリーブＳ３で調心されており、軸ずれを一定許容範囲に制御し、回転側フェルールＳ２の軸回転を妨げないようにするためにサブμｍ程度の僅かなクリアランスＣを固定側フェルールＳ１及び回転側フェルールＳ２に対して設けている。また、固定側フェルールＳ１と回転側フェルールＳ２の端面同士を突き合わせるため、円筒スリーブＳ３の長手方向の長さＳ２１は、固定側フェルールＳ１の長手方向の長さと回転側フェルールＳ２の長手方向の長さを足し合わせた長さＳ２２、つまり、固定側フランジＳ４と回転側フランジＳ５の間の距離よりも短く設定される。

図７は固定側フェルールＳ１及び回転側フェルールＳ２のフェルール外径Ｓ１３と円筒スリーブＳ３のスリーブ内径Ｓ１４のクリアランスＣに対する過剰損失Ｔｃの関係の一例を示す図である。光ファイバ間の光結合において、ファイバコアの軸ずれは過剰損失の要因となる。過剰損失の増大は光経路の全長を制限する要因となるため、ファイバコアの軸ずれを小さくすることが必要となる。ここで、フェルール外径Ｓ１３とスリーブ内径Ｓ１４のクリアランスＣはファイバコアの軸ずれに相当するため、フェルール外径Ｓ１３とスリーブ内径Ｓ１４のクリアランスＣ（単位：μｍ）と過剰損失Ｔｃ（単位：ｄＢ）の関係は数１に表すことができる。

ここでＷ_１及びＷ_２はそれぞれ固定側光ファイバＳ９及び回転側光ファイＳ１０のコアのモードフィールド半径であり、図７は固定側光ファイバＳ９及び回転側光ファイバＳ１０コアのモードフィールド径が、ともに９μｍの時の損失を示す図である。例えば、クリアランスＣが０．７μｍ以下となるように、フェルール外径Ｓ１３及びスリーブ内径Ｓ１４を加工した場合、最大過剰損失を約０．１ｄＢ以下に抑えることができる。また、最大過剰損失を０．２ｄＢに設定するとクリアランスＣが１μｍ以下になるようにフェルール外径Ｓ１３とスリーブ内径Ｓ１４を加工する必要がある。

図８は本発明の実施形態に係るフェルール回転かん合部Ｓ２０のフェルールの一端近傍をより詳細に示した模式図である。固定側フェルールＳ１及び回転側フェルールＳ２の一端は、中心軸方向に凸形状である。固定側フェルールＳ１及び回転側フェルールＳ２はそれぞれの先端部Ｓ１１が突き合わされている。固定側光ファイバＳ９及び回転側光ファイバＳ１０は、前述したように、固定側フェルールＳ１及び回転側フェルールＳ２の円環部Ｓ１２に配置されており、端面が露出している。固定側光ファイバＳ９及び回転側ファイバＳ１０は、回転による切り替えの際にそれぞれの端面が接触して傷つくことを防止するため、端面が先端部Ｓ１１より後退している。また、固定側光ファイバＳ９及び回転側光ファイバＳ１０の端面では、反射による信号特性劣化を抑制するため、先端部Ｓ１１と円環部Ｓ１２とがなす角度θが制御されている。なお、本実施形態では、円環部Ｓ１２の端面は、図８において、先端部Ｓ１１から後退する方向に直線状に形成されている例を示すが、円環部Ｓ１２は直線形状である必要はなく、例えば、球面形状にしてもよい。

図９は先端部Ｓ１１に対する円環部Ｓ１２の角度θと反射減衰量Ｒの関係の一例を示す図である。フェルール回転かん合部Ｓ２０において、固定側光ファイバＳ９の端面と回転側光ファイバＳ１０の端面との間に屈折率の異なる領域があると反射によって信号特性が劣化する。図８に示す本発明の構成において、固定側光ファイバＳ９の端面と回転側光ファイバＳ１０の端面の間に間隙Ｇがあり、石英ガラスと空気は屈折率が異なるため、反射を低減する工夫が必要である。本発明では円環部Ｓ１２の角度θを制御することにより、反射を低減することとしている。先端部Ｓ１１に対する円環部Ｓ１２の角度θ（単位：度）と反射減衰量Ｒ（単位：ｄＢ）の関係は数２に表すことができる。

ここでｎ_１、ω_１、λはそれぞれ光ファイバの屈折率、光ファイバコアのモードフィールド半径、信号波長である。また、Ｒ_０はフラット端面での反射減衰量であり、数３に表すことができる。

ここでｎ_２は受光媒体の屈折率である。本実施形態では、波長λが１３１０ｎｍでモードフィールド半径ω_１が４．５μｍの場合に、フラット端面での反射減衰量Ｒ_０が１４．７ｄＢであり、例えば、先端部Ｓ１１に対する円環部Ｓ１２の角度を５度以上にすることによって、４０ｄＢ以上の反射減衰量Ｒを保持することができる。

図１０は間隙Ｇに対する過剰損失Ｔ_Ｇの関係の一例を示す図である。固定側光ファイバＳ９と回転側光ファイバＳ１０との間の光結合において、固定側光ファイバＳ９の端面と回転側光ファイバＳ１０の端面との間に間隙Ｇが存在すると、固定側光ファイバＳ９の出射光の分布が広がり、回転側光ファイバＳ１０のコアとの結合効率が減少するため、過剰損失の要因となる。間隙Ｇ（単位：μｍ）と過剰損失Ｔ_Ｇ（単位：ｄＢ）の関係は数４に表すことができる。

ここでＷ_１及びＷ_２はそれぞれ固定側光ファイバＳ９及び回転側光ファイバＳ１０のコアのモードフィールド半径であり、図１０は固定側光ファイバＳ９及び回転側光ファイバＳ１０のコアのモードフィールド径が、ともに９μｍの時の損失を示す図である。例えば、固定側光ファイバＳ９の端面と回転側光ファイバＳ１０の端面との間の間隙Ｇが２０μｍ以下となるように調整することによって、過剰損失を０．１ｄＢ以下に抑えることができる。

図１１は本発明のフェルール回転かん合部Ｓ２０を用いた光スイッチの構成図である。本開示に係る光スイッチは、フェルール回転かん合部Ｓ２０と、フェルール回転かん合部Ｓ２０の第１のフェルールＳ１及び第２のフェルールＳ２のどちらか一方を中心軸を中心として回転させる回転機構Ｓ１５と、を具備する。

ここで、本開示に係る光スイッチの回転機構Ｓ１５は、第１のフランジＳ４及び第２のフランジＳ５のうち、回転可能な一方を中心軸を中心として回転させてもよい。例えば、図２及び図３に示すようなフェルール回転かん合部Ｓ２０の構造により、第１のフランジＳ４の回転が止められている場合には、回転機構Ｓ１５は、図１１に示すように、第２のフランジＳ５に接続され、第２のフランジＳ５を回転させる。

アクチュエータＳ１６は制御回路Ｓ１７からの信号により任意の角度回転を行う。回転側フランジＳ５は、アクチュエータＳ１６の出力が回転機構Ｓ１５を介して伝達されることにより回転する。回転側光ファイバＳ１０には回転によるねじれを許容するための一定の余長部を設けてもよい。

次に、図１１におけるアクチュエータＳ１６と図４で述べた固定側フェルールＳ１、並びに図５で述べた回転側フェルールＳ２に係る要件について説明する。アクチュエータＳ１６には、制御回路Ｓ１７からのパルス信号により任意の角度ステップで回転を行い、角度ステップ毎で一定の静止トルクを有する駆動機構となっており、例えば、ステッピングモータが用いられる。なお、アクチュエータＳ１６は、制御回路Ｓ１７からのパルス信号により任意の角度ステップで回転を行い、角度ステップ毎で一定の静止トルクを有する駆動機構となっていれば、これ以外の方法を用いてもよい。回転速度や回転角度は制御回路１７からのパルス信号の周期とパルス数で決定され、角度ステップや静止トルクは減速ギヤを介して調整されたものでもよい。なお、前述のとおり、フェルール回転かん合部Ｓ２０における回転側フェルールＳ２は軸回転するように設計されているため、回転側フェルールＳ２の回転角度の保持に必要な静止トルクはアクチュエータＳ１６によって付与されるものであるという特徴を有する。

これにより、切り替え後の静止時において電力を必要としない自己保持機能を有し、かつ、光経路を切り替える際の駆動エネルギーを限りなく小さくすることが可能であり、低消費電力な光スイッチを提供することが可能である。

ここで、ステッピングモータにおいて、電源供給停止時に角度位置が保持される角度ステップ数を静止角度ステップ数と定義すると、静止角度ステップ数は回転側光ファイバＳ１０の同じコア配置半径Ｒｃｏｒｅを有するコア数の自然数倍であることを特徴とする。

また、フェルール回転かん合部Ｓ２０における回転角度ずれによる接続損失をＴ_Ｒ（単位：ｄＢ）、ステッピングモータの静止角度精度に係る回転角度ずれをΦ（単位：°）、コア配置半径Ｒｃｏｒｅ（単位：μｍ）とした場合、これらの関係は数６に表すことができる。

コア配置半径Ｒｃｏｒｅに対する回転角度ずれによる接続損失Ｔ_Ｒの関係の一例を図１２に示す。一般的にステッピングモータの角度精度は３～５％程度であり、図１２では、回転角度ずれΦが０．０５度とした。コア配置半径Ｒｃｏｒｅが大きいほど接続損失が大きくなり、厳しい静止角度精度が求められ、例えば接続損失０．１ｄＢとすれば、モードフィールド径（ＭＦＤ）が９μｍのとき、コア配置半径Ｒｃｏｒｅを８００μｍ以下にする必要がある。また、モードフィールド径がより大きな光ファイバを用いる場合には、接続損失を低減することも可能である。

本発明は、中心軸に平行かつ中心軸から同一距離にシングルコアファイバが配置された２つのフェルールそれぞれの一端が凸形状であり、２つのフェルールのどちらかに一方に対してスプリングによる押圧を加えることで、２つのフェルールの一端の先端部を中心軸が一致するように突き合わせ、いずれか一方のフェルールを中心軸を中心として回転させることにより、対向する光ファイバを切り替えることが可能である。２つのフェルールの一端を凸形状とし、２つのフェルールの一端における先端部Ｓ１１を中心軸が一致するように突き合わせて、いずれか一方のフェルールを回転させることにより、対向する光ファイバの端面同士が接触せず、接触によって光ファイバの端面にキズがつくことによる接続損失などの光学特性の劣化を防ぐことができる。また、対向する光ファイバの端面同士を非平行とすることで光の反射量を減らすことができるので、反射コーティングを要せず、より経済的なフェルール回転かん合部および光スイッチを提供することができる。

さらに、本発明は、光スイッチングを行うフェルール回転かん合部の入力側及び出力側の一方を軸回転可能な機構としているため、アクチュエータで必要となるエネルギー、すなわちトルク出力を限りなく小さくすることが可能であり、低消費電力化が可能である。また、回転側フェルールＳ２の軸回転以外の方向における光軸ずれ量は、スリーブＳ３により保証されているために、低損失化が可能となる。加えて、本発明にはコリメートや特別な防振機構を具備しておらず、フェルールやスリーブといった一般的に広く用いられている光接続部品から構成されているため小型かつ経済的である。

従って、本発明により、温度や振動等の外的要因に対して安定的な光学特性を低消費電力で、かつ、より経済的に実現できるフェルール回転かん合部および光スイッチを提供することが可能である。その結果、光ファイバネットワークのシングルモード光ファイバを用いた光線路において、場所を問わず、あらゆる設備において、経路を切り替える光スイッチに利用することが可能である。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本開示に係るフェルール回転かん合部および光スイッチは、光通信産業に適用することができる。

Ｓ００：前段光スイッチ構成部
Ｓ０１：入力側光ファイバ
Ｓ０２：光スイッチ間光ファイバ
Ｓ０３：後段光スイッチ構成部
Ｓ０４：出力側光ファイバ
Ｓ１：第１のフェルール
Ｓ２：第２のフェルール
Ｓ３：円筒スリーブ
Ｓ４：第１のフランジ
Ｓ５：第２のフランジ
Ｓ６：スプリング
Ｓ７：保持具
Ｓ８：フランジ固定用突起部
Ｓ９：第１の光ファイバ
Ｓ１０：第２の光ファイバ
Ｓ１１：先端部
Ｓ１２：円環部
Ｓ１３：フェルール外径
Ｓ１４：スリーブ内径
Ｓ１５：回転機構
Ｓ１６：アクチュエータ
Ｓ１７：制御回路
Ｓ２０：フェルール回転かん合部
Ｓ２１：円筒スリーブの長手方向の長さ
Ｓ２２：第１のフェルールの長手方向の長さと第２のフェルールの長手方向の長さを足し合わせた長さ

Claims (7)

1. フェルール断面において中心から同一の円周上に一又は複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第１のフェルールと、
   フェルール断面において中心から、前記第１のフェルールにおける前記シングルコアファイバのコア中心が配置された前記円周と同じ直径の円周上に複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第２のフェルールと、
   前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの中心軸が一致するように前記第１のフェルールの一端及び前記第２のフェルールの一端が挿入される中空部を有し、前記第１のフェルール又は前記第２のフェルールが回転可能なように、前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの各外径と前記中空部の内径との間に所定の隙間が設けられている円筒のスリーブと、
   前記第１のフェルールの他端に取り付けられ、前記第１のフェルールと中心軸が同軸である円形のつばを有する第１のフランジと、
   前記第２のフェルールの他端に取り付けられ、前記第２のフェルールと中心軸が同軸である円形のつばを有する第２のフランジと、
   前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールが突き合わされる向きに前記第１のフランジ又は前記第２のフランジに押圧を加えるスプリングと、
   前記第１のフェルール、前記第２のフェルール、前記スリーブ、前記第１のフランジ、及び前記第２のフランジを、前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの中心軸が一致するように保持する保持具と、を備え、
   前記第１のフェルールの一端は、
   前記中心軸方向に凸形状であり、前記第１のフェルールに配置された前記シングルコアファイバの端面が露出する円環部と、前記円環部よりも内側にあり、かつ、前記円環部よりも前記中心軸方向に突出している先端部と、からなり、
   前記第２のフェルールの一端は、
   前記中心軸方向に凸形状であり、前記第２のフェルールに配置された前記シングルコアファイバの端面が露出する円環部と、前記円環部よりも内側にあり、かつ、前記円環部よりも前記中心軸方向に突出している先端部と、からなり、
   前記第１のフェルールの先端部と前記第２のフェルールの先端部とが突き合わされる
   ことを特徴とするフェルール回転かん合部。
2. 前記第１のフェルールの先端部及び前記第２のフェルールの先端部がフラット面であることを特徴とする請求項１に記載のフェルール回転かん合部。
3. 前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールのそれぞれにおいて、前記先端部と前記円環部とがなす角度が５度以上である
   ことを特徴とする請求項1又は２に記載のフェルール回転かん合部。
4. 前記第１のフェルールの円環部に露出するシングルコアファイバの端面と、当該シングルコアファイバに光軸が一致する前記第２のフェルールの円環部に露出するシングルコアファイバの端面との間隙が２０μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のフェルール回転かん合部。
5. 前記第１のフランジのつば又は前記第２のフランジのつばは、外縁に溝を有し、
   前記保持具は、前記溝とかん合する形状の突起部を有し、前記突起部を前記溝にかん合させて前記第１のフランジ又は前記第２のフランジの前記中心軸を中心とする回転を防ぐことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のフェルール回転かん合部。
6. 請求項１から４のいずれかに記載のフェルール回転かん合部と、
   前記フェルール回転かん合部の前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールのどちらか一方を前記中心軸を中心として回転させる回転機構と、を具備する、
   ことを特徴とする光スイッチ。
7. 請求項５に記載のフェルール回転かん合部と、
   前記フェルール回転かん合部の前記第１のフランジ及び前記第２のフランジのうち、回転可能な一方を前記中心軸を中心として回転させる回転機構と、を具備する、
   ことを特徴とする光スイッチ。

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