光ファイバハーネスの開発 光ファイバハーネスの開発 Development of the Optical Fiber Circuit Sheet ＊1 近 藤 克 昭 吉 田 実 K. Kondo ＊2 生 西 省 吾 M. Yoshida ＊3 服 部 邦 裕 S. Ikunishi 今 村 一 雄 K. Hattori ＊1 ＊1 K. Imamura 要 約 近年，通信装置並びにコンピュータ内部において，伝送容量の増大および数 Mbits/s 以上の高速伝送が必要とされ てきている。これに伴い，伝送機器のバックボードやプラグインユニット内において，メタル配線接続に代わり，光 ファイバを含む光導波路を用いた光インターコネクションが適用されつつある。我々は，光伝送機器配線において 有用とされている光ファイバの高密度実装および光クロスコネクトを目的とした光ファイバハーネスを開発した。 光ファイバハーネスは，他の光部品との接続のため，あらかじめ決められた入出力ポート間を結線するパターンを 設計し，そのパターンどおりに光ファイバを基板に固定し作製する。光ファイバ配線パターン設計は，この光ファ イバハーネスの信頼性を考える上で重要である。 今回，我々は，光ファイバハーネスの開発および故障率計算により，パターン設計形状に対する機械強度信頼性 について検討した。 キーワード： 光ファイバシート，光ファイバ配線板，インターコネクション，信頼性設計 Summary In recent years high speed transmission and increase in transmission capacity is demanded in transmission devices such as telecommunication switching systems and computers. As a result, optical interconnection is replacing metal interconnection for intra-board communication, inter-unit communication and backplane in telecommunication systems. We suggest optical fiber circuit sheets as the transmission medium for various optical interconnections, and studied the method of calculation for its mechanical reliability of the optical circuit sheet depended on pattern design. Key words： optical fiber circuit, interconnection, reliability design １．まえがき 合，クロスコネクトを含む接続には有利であるが，心線数 の増大に伴い，取り付け工数の増大，誤配線の問題が生じ 近年，通信装置並びにコンピュータ内部において，伝送 る。 容量の増大および数 Mbits/s 以上の高速伝送が必要となっ このようなことから，光伝送機器内および光伝送機器間 ている。これに伴い，伝送機器のバックボードやプラグイ の配線において，光ファイバを伝送媒体とした，光ファイ ンユニット内において，メタル配線接続に代わり，光配線 バ配線板が提案されている 。 を用いた光インターコネクションが適用されつつある。こ 光ファイバ配線板の利点として，複数本の光ファイバを れらの光配線用の伝送媒体として，光導波路や光ファイバ 一括で取り扱え，且つ，心線間の配列を変換しクロスコネ が考えられる。光導波路は伝送損失が大きいために，接続 クトが実現できる。また，遅延時間制御や高密度設計が容 する装置間の距離が長い場合は，光ファイバの適用が最適 易であるという点が挙げられる。この有用性から実際に となる。光ファイバを用いた装置間配線の形態として，一 O E − E O モジュール間に光ファイバ配線板を適用した装 般にテープ心線や，単心線コードが用いられている。テー 置も報告されている 。 プ心線では多心一括接続が可能だが，心線間の配列を変換 以前より，エルビウムドープドファイバ（EDF）を高密 することができないため，クロスコネクトを含む接続には 度に収納し，シート状としたEDF シートの開発を行ってき 使用することができない。また，単心線コードを用いた場 た 。この技術を応用して，光伝送機器配線において有用と ＊１ 情報通信事業本部 光・電子技術部 ＊２ 情報通信事業本部 情報通信・フォトニクス研究所 ＊３ 伊丹製作所 − 23 − 三 菱 電 線 工 業 時 報 第98号 されている光ファイバ配線板（光ファイバハーネス）の開 2001年10月 配し，光部品との高い接続性を持たせている。 発を行った。 ２．光ファイバハーネス 光ファイバハーネスは，決められた入出力部分の位置と 接続される光部品種別により，その複数の入出力ポート間 の光ファイバ結線パターンを設計し，そのパターンどおり に光ファイバを配線し，一体化固定したものである。現在 提案されている光ファイバハーネス構造としては，光ファ イバをゴム状の材料内に埋め込んだ構造 や粘着材付きの Fig. 2 シート上に光ファイバを配線し，保護樹脂でラミネーショ ンする構造 が提案されている。今回，製造工程が簡易で Example for an optical fiber circuit pattern 光ファイバハーネス配線例 あり，EDF シートにおいて実績のある後者の方式を採用し た。作製した光ファイバハーネスの構造をFig. 1に示す。 ３．配線設計における機械的信頼性 光ファイバハーネス内の光ファイバは，交差や曲がりな カバー材 ど複雑な形状で配線されている。このため光ファイバハー 光ファイバ ネスの信頼性を考える上で，シート内部の配線パターン設 計は重要である。今回，光ファイバハーネスのパターン設 計形状に対する故障率計算を行い，機械強度信頼性につい 粘着材 基材 Fig. 1 て検討した。 The structure of the optical fiber 3.1 光ファイバハーネス内の配線張力評価 circuit sheet 光ファイバハーネス内の光ファイバの張力状態を明ら 光ファイバハーネス構造 かにしておくことは，機械信頼性設計において重要であ る。光ファイバの破断には，光ファイバの曲がり部での曲 本方式では，粘着層を設けた基材を準備し，その上に任 げ応力と光ファイバの張力が重要なパラメータとなるた 意の形状に光ファイバの配線を行う。光ファイバは，比較 め，配線パターンを設計するにあたり，実装された光ファ 的緩やかな拘束状態で基材へ粘着層を介して接着され，温 イバの残留張力を見極めておく必要がある。 度変化による光ファイバと基材との材料の線膨張係数の 違いに起因する応力を受けにくい。開発した光ファイバ 3.1.1 配線張力計測 ハーネスでは，基材に難燃ポリエチレンテレフタレート 光ファイバハーネスのような光部品において，光部品内 （P E T ）樹脂，粘着剤にシリコーンゴム，ラミネート材に 部の光ファイバに残留する張力を評価する上で，光ファイ フッ化エチレンプロピレン（FEP）樹脂を用い，全体で難 バ型張力センサを使用することにより，確実に光ファイバ 燃化を実現している。 に残留する張力を評価できる。光部品内部の微少区間の張 光ファイバハーネスの製作方法は，粘着材付きシートを 力を評価する上で，距離分解能と張力分解能が高いファイ 準備し，その粘着面に光ファイバ自動配線装置により，決 バブラッググレーティング（FBG）を内蔵した光ファイバ められた配線パターンに従い光ファイバを一筆書きの要 センサの使用が有効である。FBG 内蔵の光ファイバセンサ 領で，二次元的に配線し，その後，配線面を保護するため を用いた配線を行うにあたり，通常の FBG 付き光ファイバ にラミネーションを行う工程を採用している。この装置 心線は，FBG 作製にあたり被覆樹脂除去，保護樹脂による は，光ファイバの布線圧力および張力が制御されており， リコート工程が含まれる。このような光ファイバ心線を用 光ファイバハーネス内における，光ファイバの破断の低 いると配線装置を通過させる際，光ファイバに印加される 減，配線長のマネージメントが可能となっている。 屈曲力や張力による破断や，リコートされた部分において F i g . 2 に光ファイバハーネスの配線例を示す。この光 張力量が変化するなどの問題が生じる。このため，今回，被 ファイバハーネスでは，8 チャンネル，8 ポート合計 64 本 覆樹脂除去，保護樹脂によるリコート工程が不要である紫 の光ファイバをマトリクス反転の並び替えを行うととも 外線透過樹脂被覆光ファイバを使用し，被覆上照射法によ に，すべての光ファイバを± 1mm で等長化させている。入 り作製した FBG センサ内蔵心線を用いて配線を実施し， 出力の挿入損失は 0.1dB 以下（1.31µm）で有り，低損失性 光ファイバハーネス内の光ファイバに残留する張力を測 を実現させている。なお，端末には，8 心 MPO コネクタを 定した。 − 24 − 光ファイバハーネスの開発 0.45 Fig. 3 に張力測定用に作製したパターンを示す。形状は， 0.40 円弧と直線を組み合わせた形とした。光ファイバハーネス 0.35 の構成は，Table 1 のとおりである。 残留張力は，配線前 0.30 後における F B G の反射中心波長の差より張力量に換算し た。 配線張力 (N) 3.1.2 光ファイバハーネス内の配線張力評価 0.25 0.20 0.15 0.10 FBG8 0.05 FBG7 FBG3 FBG4 0.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 FBG20 FBG16 FBG12 FBG15 FBGポイント番号 FBG2 FBG9 FBG19 Fig. 4 FBG11 FBG14 FBG17 FBG13FBG10 circuit sheet 光ファイバ配線張力分布測定結果 FBG18 FBG5 R5.4 R5.7 R6 R6.3 FBG1 5.4 15 Distribution of wiring tension in an optical fiber FBG6 R17.5 R18.5 R19.5 R20.5 R21.5 り，配線が安定せず光ファイバに座屈が発生しやすく信頼 性が低下する。また，多段に光ファイバを交差させると光 ファイバによる段差が大きくなり，上部を交差する光ファ イバが座屈する要因となるため，光ファイバハーネスで Fig. 3 The circuit path on an optical fiber circuit sheet は，基本的に交差部一カ所において光ファイバが 2 本以上 used on measurement of wiring tention 重ならないように交差部を分散させた設計を行っている。 張力評価配線パターン Table 1 Fig. 5 に光ファイバハーネスにおける光ファイバ交差部 The factor of the optical fiber の設計例を示す。交差部で乗り越える光ファイバにたわみ circuit sheet used on が生じず，かつ緩やかな円弧状に光ファイバを交差させる measurement of wiring tension ために，乗り越える光ファイバの交差点と粘着材への接点 張力評価用光ファイバハーネス との距離を片側 4 ∼ 5mm 程度としている。この設定で，曲 構成 げ半径16∼25mmの円弧形状の乗り越えが可能となる。 サイズ 100mm（横）× 100mm（縦）× 0.35mm（厚さ） シート構造 中間粘着材によるサンドイッチ構造 光ファイバ 紫外線透過樹脂光ファイバ ファイバ長 3m FBG 間隔 50mm ピッチ 20 ポイント 4∼5mm 曲げ半径16∼20mm Fig. 4 に測定結果を示す。FBG による残留張力測定の結 果により，張力が高い場合平均 0.30N，最大 0.45N の張力 を確認した。この手法では，長手方向の残留張力変化が精 Fig. 5 Cross section of a cross portion on the optical fiber 度良く観測できており，配線時の光ファイバ張力変化を見 circuit sheet 積ることが可能である。 光ファイバハーネス内の光ファイバ交差部 3.2 光ファイバ配線パターン設計 3.3 光ファイバハーネスの信頼性 光ファイバハーネスの光ファイバ配線パターンは，基本 光ファイバハーネスの配線パターン設計を実施する際 的に円弧および直線を用いて設計している。また，光ファ に，光ファイバの配線数，曲がりや交差部の長さ，光ファ イバハーネス内において光ファイバ同士の交差がある場 イバ破断特性などにより，破断率を算出し，最小曲げ半径 合，交差部で乗り越える光ファイバは，座屈の発生による， の最適設計を行う必要がある。今回，配線パターン設計の 破断や損失増加を引き起こす要因となる。このため，緩や 指針となる光ファイバの破断率という観点から，機械特性 かな円弧状に光ファイバ交差するような配線設計が必要 面の信頼性評価を実施した。光ファイバハーネスの光ファ となる。しかし，粘着材の上部より光ファイバを配線する イバ配線パターンにおける故障率の計算には，光ファイバ 方式を用いているため，緩やかな交差では，交差部で乗り 心線に関して確立している光ファイバへ加わる歪みや曲 越える光ファイバは，基材へ接着されない部分が長くな げなどの機械的な要因や，環境状態の要因による破断寿命 − 25 − 2001年10月 三 菱 電 線 工 業 時 報 第98号 は，A1 ∼An区間において少なくとも一カ所に破断が起こる の推定手法 を用いた。 確率となる。この場合，1∼ n 区間において一カ所も故障が 3.3.1 光ファイバハーネスの故障率 起こらない確率は， （1 − ls1）×（1 − ls2）×・・・×（1 光ファイバハーネスの故障率は以下の手順で導出した。 − lsn）となり，光ファイバハーネス内での光ファイバ破断 光ファイバハーネス内の光ファイバ破断率を計算するに 率は，1 から 1 ∼ n区間において破断しない確率を引き算し あたり，必要となるパラメータをTable 2 に示す。光ファイ たものとなる。従って，光ファイバ全長の破断率を ltotal と バのパラメータは，代表値を採用している。 すると 式となる。 Table 2 Parameter of optical fiber used for calculating the （回／個）・・・ failure rate of the optical fiber circuit sheet 故障率計算に用いた光ファイバパラメータ 記号 内容 数値 np スクリーニング環境での光ファイバの疲労係数 24 n 使用環境での光ファイバの疲労 19.5 εp スクリーニング試験時の光ファイバへの印加応力 1.00% εa 使用環境での光ファイバへの印加応力（等価付加歪） 0.125/ 曲げ直径× 100 % tp t 光ファイバへ印加応力 εp が付加される時間 光ファイバへ印加応力 εa が付加される時間 （設計保証時間） 故障率は，一般的に Fit で表現され，1（Fit）＝ 10 − 9（h − 1） （1 時間あたり，10 − 9 個に 1 個の故障）によって定義されて いる。 破断率ltotal から故障率（Fit）を導出する。 1sec 3.3.2 故障率計算結果 20 年 Np スクリーニング試験時の単位長さあたりの破断回数 0.01 回 /km m 光ファイバの形状係数 2.42 環境によって決定される定数 10 α m/(np − 2) − β (np − 2)/(n − 2) − FL 故障率(1Fit=10 − 9 ) − λ 使用環境での光ファイバの単位長さあたりの破断率 − ∼ 式および Table 2 のパラメータを用い，Fig. 6 の 光ファイバハーネスについて故障率を計算した。Fig. 6 に 示す光ファイバハーネスの配線は，Table 3に示す曲がりや 交差数などのパーツにより構成されている。なお，歪み量 3 には，曲げによる等価負荷歪みと配線張力を考慮してい る。 ファイバ張力 ε a が加わった 1 k m の光ファイバ心線におけ る，t（s） 使用時間後の破断率は， 式で導出できる 。 （回／ km） ・・・ ファイバ長 L（km）あたりの破断率 ls′（回）と単位長さあ たりの破断率 l′（回 /km）は，長さあたりの破断率が対数 分布するとして， 式の関係式となる。 （回／ km） ・・・ 光ファイバハーネスでは，配線パターンにより径の異な る曲がりや交差を含む経路が生じる。 式において，計算 できる破断率は，等価負荷歪みが一定条件でしか成り立た ない。このため，光ファイバハーネスでは，曲がりや交差 の部分ごとに εa の値が変化するので，各部分において破断 率を計算することが必要となる。 光ファイバハーネス内の曲がりや直線，交差部分を分割 し区間 1 ∼ n とする。それぞれの区間で，曲げ半径に応じ た等価付加歪みを εa1 ∼ εan とし，区間ごとに破断率 ls1 ∼lsn を算出する。このとき光ファイバハーネス全体の破断率 − 26 − Fig. 6 Wiring paths of an 8x8 cross connecting type optical fiber circuit sheet 8×8 光ファイバハーネス配線パターン 光ファイバハーネスの開発 Table 3 Parameter of optical fiber paths on the optical 10 交差部曲げ：半径16mm fiber circuit sheet 光ファイバハーネス配線パラメータ 曲がり半径 歪み量 数 総長 （mm） （%） （箇所） （mm） 交差部 曲がり部 （1/4 円） 16.00 0.655 161 1288 20.00 0.655 64 2010 20.25 0.647 64 2035 20.50 0.640 64 2060 20.75 0.632 64 2085 21.00 0.625 64 2110 21.25 0.618 64 2135 21.50 0.611 64 2160 21.75 0.605 64 2185 0.030 直線部 6 Fit数 配線形状 最小曲げ半径 R16mm R20mm R30mm 8 4 2 0 0 25600 0.5 1.0 1.5 2.0 配線張力(N) Fig. 8 最小曲げ半径依存性 Wiring tension dependence on the failure rate 故障率の配線張力依存性 最小曲げ半径を10∼30mmとしたときの計算結果をFig. 7 に示す。このとき光ファイバ配線張力は 0N，0.3N，1N としている。 よび，光ファイバハーネスを製作する際の配線張力の上限 故障率 2 . 5 F i t を上限とすると 0 N の配線張力のとき を設定することが可能となる。 14mm，0.3N のとき 16mm，1N のとき 22mm 以上の最小 ４．む す び 曲げ半径を設定すればよいこととなる。 10 今回，光ファイバハーネスの開発を行った。この光ファ 交差部曲げ：半径16mm イバハーネスの配線設計における配線パターン形状に対 配線張力 0N 0.3N 1.0N 8 する故障率の計算を行い，機械強度信頼性について検討し た。現在，光ファイバハーネスは，光通信を支える重要な 技術として注目されており，通信用光部品としての信頼性 6 Fit数 を設計面から保証する技術も重要である。開発した光ファ イバハーネスは，機械強度計算結果を配線設計にフィード 4 バックし，信頼性のある配線形態としており，高信頼性型 の光部品として利用可能な製品となっている。 2 参考文献 0 0 5 10 15 20 25 30 最小曲げ半径(mm) Fig. 7 Holland R.A. et. al. Advanced Optical Interconnection Technology in Switching Equipment. J. Lightwave Technology. 13（6） , 1995, p.987-996. Minimum curve radius dependence on the failure rate Eriksen P. et.al. The Apoll Demonstrator New Low-Cost Technologies for Optical Interconnects. Ericsson Rev. （2） , 1995, p.80-88. 故障率の最小曲げ半径依存性 近藤ほか.EDF シートの開発. 三菱電線工業時報.（95） , 1999, p.54-58. 配線張力依存性 有島ほか . 光ファイバ配線技術 . NTT 技術ジャーナル Fig. 8 に示す。 Imamura, K. et. al. High reliability tin-codoped 配線張力を0Nから2Nまで変化させたときの計算結果を 故障率 2.5Fit を上限とすると最小曲げ半径 16mm のとき . 12（2）, 2000, p.46-48. germanosilicate fiber Bragg gratings fabricated by direct 0.3N，最小曲げ半径 20mm のとき 0.75N，最小曲げ半径 writing method. Electron. Lett. 34（18）, 1998, p.1772- 30mm のとき 1.4N 以下の張力を設定すればよいことが 1773. 明らかになった。 このように，光ファイバハーネスの故障率を設定するこ とにより，配線パターンにおける最小曲げ半径の下限，お − 27 − 満永ほか . スクリーニング光ファイバ強度保証方法 . 電 子通信学会論文誌 .J.66-B（7）1983/7, p.489-496. 三 菱 電 線 工 業 時 報 第98号 近藤克昭（こんどう かつあき） 情報通信事業本部 光・電子技術部 光部品技術課 光コンポーネントの設計・開発に従事 電子通信情報学会会員 吉田 実（よしだ みのる） 情報通信事業本部 情報通信・フォトニクス研究所 光エレクトロニクスグループ 光ファイバならびにファイバデバイス，ファイバアン プの研究・開発に従事 レーザー学会，電気学会，応用物理学会会員，レー ザー学会研究会委員，文部科学省 核燃料サイクル分野 レーザー応用調査委員会委員，光増幅装置で科学技術 庁第56回注目発明に選定される（1997年） 生西省吾（いくにし しょうご） 情報通信事業本部 光・電子技術部 光部品技術課 光ファイバハーネス，レーザー伝送光ファイバの開 発・設計に従事 電子情報通信学会，応用物理学会会員 服部邦裕（はっとり くにひろ） 伊丹製作所 光学ファイバ製造課 光部品製品開発・製造の統括に従事 日本結晶成長学会会員 今村一雄（いまむら かずお） 情報通信事業本部 光・電子技術部 光応用技術課 光コンポーネントの研究・開発に従事 レーザー学会，電気学会，応用物理学会会員 − 28 − 2001年10月
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