三井
章仁
†a)鳥飼
俊敬
†瀧塚
博志
††小池
康博
††Ball-Point Pen Technology for Easy Optical Inter-Connection of Graded-Index
Plastic Optical Fiber
Akihito MITSUI
†a), Toshitaka TORIKAI
†, Hiroshi TAKIZUKA
††,
and Yasuhiro KOIKE
††あらまし 光通信の普及に伴い，簡便な光接続が求められている．しかしながら，従来からの接続方式では コストが高く，扱いにくいといった課題がある．そこで，高精度な量産機械加工であるボールペン技術を光コリ メータに応用した光接続を提案した．このボールペン技術を紹介するとともに，屈折率分布型プラスチック光 ファイバ(GI-POF) と組み合わせたボールペン技術を使った光コリメータ，更に光コリメータを搭載した光コネ クタを用いて高精細画像を非圧縮で伝送した． キーワード GI-POF，ボールペン，光コリメータ
1.
ま え が き
機器内・機器間データ伝送には高速光通信が進展し ており，コンシューマ機器にも高速通信可能な光配線 が普及する可能性が出てきている．その際，通信速度 と取り扱いの簡易性・安全性から屈折率分布型プラス チック光ファイバ（GI-POF）が適している[1]∼[4]． しかし，既存の光コネクタでは，光ファイバ端面を物 理的に接触させる接続方式が主流である．この方式に おいてはPOF端面に傷が発生し，塵挨が付着するこ とで接続損失を増大させる．更に小径コアGI-POFで は，接続の際に正確な位置決め機構が必要となり，コ スト上昇の要因となっている． 我々は，上記の課題を解決するために，ボールペン 技術の特長を生かした光学部品として小型の光コリ メータを提案し，このボールペン光コリメータを光コ ネクタに応用した[5]．GI-POF端面を保護し，出射 †三菱鉛筆株式会社，横浜市Mitsubishi Pencil Co, LTD, 2–5–12 Irie, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, 221–8550 Japan
††KPRI/慶應義塾大学，川崎市
Keio Photonics Research Institute, Keio University, 7–1 Shin-Kawasaki, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, 212–0032 Japan a) E-mail: [email protected] ビーム径を拡大できるため，塵挨付着や軸ずれに起因 する接続損失を抑制することができる．更に，接着剤 を使用しない簡易な光ファイバ実装が可能となり，低 コスト化に有利となる[4]∼[9]．
2.
ボールペン技術を光コリメータへ応用
ボールペンにおいて，最も重要な機械部品はボール ペン先端のボールペンチップである．ボールペンチッ プは，超鋼ボールとそれを保持する金属スリーブから 構成される．この二つの部品がボールペンの機能（イ ンク流出量・書き味など）を左右するため，超精密加 工が可能な量産技術が鍵となっている．ここでは，こ の加工技術をボールペン技術と呼ぶ． 一般に，ボールペンチップは砲弾型とパイプ型の2 種類に分類される．今回は，細径GI-POFに適合する パイプ型のボールペン技術を採用した．また，ボール ペンで使用されるボール径は，0.18 mmから1.4 mm まで選択可能あるが，その中で一般的なボール径は 0.5 mm∼1.0 mmである． 2. 1 ボールペン光コリメータの構成[9] このボールペン技術とGI-POFを組み合わせて光 コリメータを実現した．開発した光コリメータの構 成を図1に示す．先端の超鋼ボールを球レンズ（硝材図 1 ボールペン光コリメータの構成 Fig. 1 Schematics of a ballpoint pen optical
collima-tor. BK7）に替え，金属スリーブ内にはインクの代わりに GI-POFを挿入して，光ファイバコリメータを構成す る．球レンズは金属スリーブ内径よりわずかに大き く，軽圧入で固定する．ボール受け座は，金属スリー ブ外円周上から3点のプレス加工によって形成され る．GI-POFは，低コスト化のために接着剤を用いな いで，多点プレス加工（かしめ）によって固定する． 今回使用したGI-POFは10 Gb/s以上の高速光伝 送が可能なFontexTM（旭硝子製）で，外径0.49 mm， コア径80 µmである．球レンズ径は0.55 mmである． また，金属スリーブは，外径0.72 mm，内径0.5 mm， 長さ8 mmである． ボールペン技術を光コリメータに応用することには， 二つの特長がある．一つはGI-POF端面をボール受 け座に突き当てることで，球レンズと光ファイバとの 距離が高精度に決定されること，もう一つは，金属ス リーブを，かしめることで接着剤を使わずGI-POFを 簡単に固定できることである． 2. 2 球レンズと光ファイバ端面との距離 ボールペン光コリメータ組み立て精度を確認するた めに，球レンズからの出射ビーム広がり角度と球レン ズ-GI-POF端面間距離の関係を検証した．図2は，光 学定盤上で球レンズとGI-POF端面との距離を変化 させたときのビーム広がり角度測定結果を計算結果と ともに示している．使用した光源の波長は850 nmで ある．測定と計算は良く一致している． 次に，実際にボールペン光コリメータを試作し，コ リメータからの出射ビーム広がり角を測定した．こ の結果を図3に示す．ビーム広がり角は7.2 ±0.3◦ （標準偏差0.11◦）であった．図2の結果に照合させ ると，球レンズからGI-POF端面までの距離は0.135 ±0.01 mmの機械精度で組み立てられていることを実 証している．ここで，球レンズからGI-POF端面ま での距離0.13 mmは，一対のボールペン光コリメー タを対向させたときに結合損失が最小になる距離であ 図 2 ビーム広がり角の球レンズ–光ファイバ間距離依存性
Fig. 2 Beam divergence angle vs. ball lens-optical fiber spacing.
図 3 ビーム広がり角のヒストグラム
Fig. 3 Histogram of beam divergence angle.
図 4 対向するボールペン光コリメータの光線追跡
Fig. 4 Ray tracing of opposed ballpoint pen optical collimators. る．図2で示したビーム広がり角が最小になる距離 (0.17 mm)が，必ずしも結合損失が最小になる距離と 一致していないことに注意しなければならない．この 不一致は，図4の光線追跡に示すように，一対の同 一構造のボールペン光コリメータを対向させたとき， 送信側の出射ビーム径（ここでは，GI-POFコア径
2. 3 多点プレス加工によるGI-POF固定 金属スリーブに装填されたGI-POFは，多点プレ ス加工によって固定される．すなわち，金属スリーブ 外円周上に等間隔に3方向から，3列にわたってかし めている．図5は．多点プレス加工によるPOFへの 食い込み深さに対する光ファイバ引抜力を示している． 食い込み深さに対して光ファイバ引抜力は，ほぼ線形 に比例して増加するが，食い込み深さ0.08 mm以上で は，約10 Nで飽和する．これは，使用したGI-POF (FontexTM)の引っ張り強度定格値（公称7 N）で支配 されており，それ以上の引っ張りではPOFが伸長する ためである．図5から，多点プレス加工は，GI-POF の引抜力を制御できるとともに，充分な固定力を有し ていることがわかる． 一方，多点プレス加工による過剰光学損失を評価し た結果を図6に示す．図は，金属スリーブにGI-POF を装填し，多点プレス加工で固定したサンプル（20 個）の，GI-POFへの食い込み深さとGI-POF端面 からの光出力の関係である．約0.08 mmまでの食い 込み深さでは，光学損失はほぼ一定の0.3 dBである が，これは，無反射コーティングしていない球レンズ 両端のフレネル反射損失によるものである．食い込み 深さが0.08 mm以上では，過剰光学損失が発生して いる．これは，食い込みが深くなることで，GI-POF 自身が変形したことに起因している．GI-POFの変形 による過剰損失の発生を抑制し，かつ，GI-POFを固 定するための十分な引抜力を維持するためには，適切 な食い込み深さが必要であることがわかる．例えば， 5 N以上の光ファイバ引抜力と過剰光学損失の抑制を 両立させるためには，食い込み深さを0.04∼0.07 mm に調整する必要がある． 2. 4 光コリメータ同士の結合損失 ボールペン光コリメータ同士をV溝上で対向させて 光結合させた場合の，最も結合損失が最小になる位置 を基準にした結合損失相対値を図7に示す．図7 (a) は光軸に垂直な方向，(b)は光軸方向のずれ量に対す る結合損失である．結合損失最小値は，球レンズ表面 とGI-POF端面のフレネル反射損失，及び球レンズの 収差損失に起因して，約1.2 dBであった．図には，比 図 5 GI-POF引抜力と POF へのプレス加工深さの関係
Fig. 5 Extraction force vs. crimping depth into GI-POF.
図 6 光学損失と POF へのプレス加工深さの関係
Fig. 6 Optical loss vs. crimping depth into GI-POF.
較として球レンズのない場合の結合損失も示している． いずれも球レンズのある方が結合トレランスの高い ことがわかる．図7が示すように，1 dB以下の過剰光 結合損失に対して，光軸に垂直な方向では±0.06 mm のずれ量まで許容される．また，光軸方向では，ずれ 量0.8 mmにおいても光結合損失増加は0.5 dB以下 である． 2. 5 光コネクタへの応用 実際にボールペン光コリメータを使用して光コネク タを試作した．図8に光コネクタの外観を示す．光コ ネクタは，ボールペン光コリメータ12本を内蔵し，一 本あたり最大10 Gb/sとして，合計120 Gb/sの信号 を一括で接続できる．コネクタかん（嵌）合部の寸法 は，幅12.2 ×高さ3.05 mm（プラグ），幅12.9 ×高 さ3.73 mm（レセプタクル）である．光コネクタのプ ラグとレセプタクルを接続したときの接続損失平均値 と偏差は，各々，1.44 dB，0.6 dBと良好な接続結果 を得た．先に述べたように，コリメータ同士を対向さ せたときの結合損失最小値は，理論上約1.2 dBであ
図 7 ボールペン光コリメータ同士の結合損失 Fig. 7 Optical coupling loss between opposed
ball-point pen optical collimators.
るので，コネクタのかん（嵌）合に起因する過剰損失 は，0.2∼0.3 dBと見積もられる．光コネクタにセル フアライン機構を設けることによって，コネクタの過 剰損失は最小化されている[5]． 図8の光コネクタを用いて4K，及び8K高精細 画像の非圧縮多チャンネル10 Gb/s伝送に成功して いる[6]∼[8]．伝送に使用した面発光レーザの波長は 850 nmである．このときのパワーバジェットを図9 に示す．画像伝送実験では，機器間の接続のために 伝送路内の2ヶ所に光コネクタを使用している．そ のため，光コネクタによる接続損失は2.88 dBであ る．更に，GI-POFのケーブル伝搬損とパワーペナル ティ（Back-to-back伝送を基準とした受信感度劣化） が加わる．パワーバジェット目標値は，IEEE802.3ae
の規定する受光感度(Stressed Receiver Sensitivity)
−9 dBmとアイセーフティを考慮したレーザ出射パ
ワー−1.6 dBmとの差分である7.4 dBとした[8]．図
図 8 120 Gb/s接続容量の 12 チャンネル光コネクタ Fig. 8 120 Gb/s Optical connector using ball-point
pen optical collimators.
図 9 非圧縮画像伝送 (10 Gb/s) のパワーバジェット Fig. 9 Power budget for 10 Gb/s video signal
trans-mission. より，GI-POFを用いて10 Gb/s，50 mまではマー ジンのある伝送が可能である[6]∼[8]． 2. 6 光学損失の低減 ボールペン光コリメータで発生する光学損失の大 部分（約1 dB）は球レンズの入射面と出射面，及び GI-POF端面のフレネル反射による損失である．そこ で，フレネル反射損失を低減するため，球レンズへの 無反射(Anti-Reflection: AR)コーティングを試みた． ARコーティングは，第1層：TiO2（厚さ239 nm）， 第2層：SiO2（厚さ195 nm）とした．ARコーティン グにより，球レンズ表面の反射率は波長850 nmにお いて0.2%まで低減された．ARコーティング付き球レ ンズを搭載したボールペン光コリメータを試作し，V 溝上で光結合接続損失を測定した結果，平均0.54 dB であった．ARコーティングなしの光コリメータの光
図 10 磁石接続ボールペン光コリメータ Fig. 10 Magnet-coupled ball-point pen optical
colli-mators. 学損失が1.2 dBであったことから，約0.7 dBの改善 が確認できた． ボールペン光コリメータのコンシューマ機器への光 配線用途には，コストメリットと充分なパワーマージ ン（図9の50 m以下の短距離伝送を参照）の観点か ら，ARコーティングは不要かと考えられる．しかし ながら，低光学損失を重視する用途（例えば，図9の 100 m伝送）には，球レンズやGI-POF端面にAR コーティングを施す，球レンズとGI-POFの間に屈折 率調整材を挿入することなどで，対応可能である． 2. 7 より簡便な光接続に向けて ボールペン光コリメータを用いた光接続は，ボール ペン技術の機械精度と球レンズによるビーム拡大効果 とにより，光結合損失が低く，かつ軸ずれに対するト レランスが高いことを実証した．ここでは，より簡便 なセルフアライン接続の可能性を検討した． 図10は，ボールペン光コリメータの先端にリング 状磁石を装着し，磁力でボールペン光コリメータ同士 をセルフアライン接続するものである．リング状磁石 は圧入または接着でボールペン光コリメータに装着さ れる．磁石外径は，1.3∼2.0 mmである．20回の脱 着での接続損失の平均は1.35 dB，偏差は0.01 dBで あった．これは，先述の光コネクタ（図8参照）の場 合の接続損失平均値1.44 dBと比べて遜色のない値で ある．
3.
む す び
ボールペン技術は，±0.01 mm精度の機械加工技術 である．このボールペン技術と10 Gb/s以上の高速 伝送が可能なGI-POFを組み合わせることにより，簡 便実装，かつ低結合損失であるボールペン光コリメー タを開発した．また，ボールペン光コリメータを適用 した光コネクタを試作し，非圧縮で高精細画像を伝送 できることを実証した．今後，このボールペン光コリ Face-to-Face コミュニケーションシステム開発」のリーダーである 慶應義塾大学大学院システムデザイン・マネジメント 研究科，当麻哲哉准教授のご協力，及びコネクタ開発 に携わった日本航空電子工業（株）の関係各位に感謝 します． 文 献[1] Y. Koike and T. Ishigure, “High-bandwidth plastic optical fiber for fiber to the display,” J. Lightwave Technol., vol.24, no.12, pp.4541–4553, 2006. [2] I. Mollers, D. Jager, R. Gaudino, A. Nocivelli, H.
Kragl, O. Ziemann, N. Weber, T. Koonen, C. Lezzi, A. Bluschke, and S. Randel, “Plastic optical fiber technology for reliable home networking: Overview and results of the EU project POF-ALL,” IEEE Com-mun. Mag., vol.47, no.8, pp.58–68, 2009.
[3] P. Decker, A. Polley, J. Kim, and S. Ralph, “Sta-tistical study of graded-index perfluorinated plastic optical fiber,” J. Lightwave Technol., vol.29, no.3, pp.305–315, 2011.
[4] 一 般 財 団 法 人 光 産 業 技 術 振 興 協 会 ，技 術 資 料 (TP)， http://www.oitda.or.jp/main/st/TP-j.html
[5] T. Torikai, T. Yamauchi, S. Mine, N. Moriya, A. Mitsui, H. Suzuki, Y. Watanabe, T. Toma, and Y. Koike, “Optical I/O connectors employing ball-point pen type optical collimator lenses suitable for plastic optical fiber communications,” Proc. 21th International Conference on Plastic Optical Fibers (POF2012), pp.227–231, Atlanta, 2012.
[6] T. Toma and Y. Koike, “A study on 40GBPS GI-POF interface for 4K3D video transmis-sion,” Proc. 21th International Conference on Plastic Optical Fibers (POF2012), pp.30–35, Atlanta, 2012.
[7] H. Takizuka, T. Torikai, A. Mitsui, H. Suzuki, Y. Watanabe, T. Toma, and Y. Koike, “A study on 120 GBPS GI-POF interface for 8K-UHD video transmis-sion,” Proc. 22th International Conference on Plastic Optical Fibers (POF2013), pp.156–161, Buzios, 2013. [8] T. Toma, H. Takizuka, T. Torikai, H. Suzuki, T. Ogi, and Y. Koike, “Development of a house-hold high-definition video transmission system based on ballpoint-pen technology—A low cost, easily deployed optical connection using a ballpoint-pen type,” Synthesiology, vol.7, no.2, pp.118–128, 2014. [9] A. Mitsui, H. Suzuki, T. Torikai, H. Takizuka, T.
Toma, and Y. Koike, “Optimization of ball lens as-sembly design for GI-POF optical micro-collimator,” Proc. 23th International Conference on Plastic
Opti-cal Fibers (POF2014), Yokohama, 2014. （平成 28 年 2 月 4 日受付，4 月 28 日再受付， 8月 9 日公開） 三井 章仁 2006年三菱鉛筆株式会社入社．横浜研 究開発センター所属．入社後主に新規事業 に従事．2010 年よりボールペン技術を使っ た光コリメータの開発に着手．2011 年より 慶應大学小池教授の開発した GI 型 POF と組み合わせた光コリメータ開発．2012 年より開発リーダー． 鳥飼 俊敬 1977年 3 月鳥取大学電子工学科卒業，4 月日本電気株式会社 (NEC) 入社．2004 年 まで研究所にて光通信デバイス開発に従事． 2004年から 2013 年まで日本航空電子工 業株式会社 (JAE) にて，コネクタ，光イ ンターコネクション開発などに従事．2013 年 4 月より技術コンサルティングとして独立．三菱鉛筆株式会 社技術顧問． 瀧塚 博志 1978年慶應義塾大学大学院工学研究科 電気工学専攻修士課程修了，同年ソニー株 式会社入社．ホームネットワーク技術の開 発に従事し，多くの製品を市場に送りだす とともに，家庭向け光インターフェース規 格 OP i.Link，広色域規格 xvYCC，映像 伝送規格 HDMI など，様々な規格化を推進してきた．2013 年 6月より，慶應フォトニクス・リサーチ・インスティテュート 研究員． 小池 康博 （正員） 1982年慶應義塾大学大学院工学研究科 博士課程修了．1997 年より慶應義塾大学教 授．専門は，屈折率分布型プラスチック光 ファイバ（GI-POF），光散乱導光ポリマー （HSOT），ゼロ複屈折ポリマー等の新規光 機能をもつフォトニクスポリマーの研究開 発．米国プラスチック工学会（SPE）International Engineer-ing and Technology Award -Fred O. Conley Award-，藤原 賞，紫綬褒章，等受賞．
