CN101253434B - 波导装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波导装置，其经形成于被覆部内的芯部进行导光。所述波导装置包括：导波部，其具有与所述芯部相同的折射率，以使其在所述被覆部内与所述核心部光学连通；反射部，其将所述核心部导引的光反射至所述导波部方向、或者、将来自所述导波部的光反射至所述核心部的导光反向。

Description

波导装置

技术领域

本发明总体涉及一种波导装置，特别地，涉及一种经形成于被覆部内的芯部进行导光的波导装置。

背景技术

CPU的时钟频率增高，能够进行大容量的数据处理，所以，伴随着信号传送速度高速化的杂音、信号线间的串扰等问题愈加严重，已接近到使用CPU的金属布线的高速传送的极限。因此，作为大容量数据传送的手段，用光来进行数据通讯的研究正在广泛进行。

用光来进行数据传送时，不仅可以实现高速化，还可以解决由于光数据传送的特性而产生的杂音、布线间的串扰等问题。所以，尽管在远距离信号传送中，使用光纤的光通讯已经被广为采用，但是，在端口间和电路间等极近距离的信号传送中，光通讯也是有效的。在端口间和电路间等极近距离的信号传送中使用光通讯时，考虑到与印刷电路板(PWB)的亲和性，聚合物光导成为研究对象。

由于传送距离短，用作光传输线内的聚合物光导的芯直径也达50μm左右，成为比较大的多模式波导。如何简单地与发光元件和接收元件耦合成为关键问题。

另外，为了容易地将模块和波导的光轴对准，已有人提出了一种光导，其包含相对芯部倾斜配置的镜子、以及、在与被覆部或芯部相同的部件上形成的、将光聚集在镜子上的透镜(参考日本发明专利公开“特开2001-166167号公报”、“特开2001-281486号公报”、“特开2004-361858号公报”)。

发明内容

本发明的课题在于，聚合物光导例如在电路基板间、或者、作为电路基板内的光传送路来使用时，如何才能高效地与发光元件和接收元件进行耦合。

根据本发明的一个实施例，本发明提供一种可以高效地与发光元件和接收元件耦合的波导装置。

根据本发明的一个实施例，本发明提供一种波导装置，其经形成于被覆部内的芯部进行导光，其特征在于，包括：导波部，其具有与所述芯部相同的折射率，以使其在所述被覆部内与所述芯部光学连通；反射部，其将所述芯部导引的光反射至所述导波部方向、或者、将来自所述导波部的光反射至所述芯部的导光反向。

根据本发明的一个实施例，通过在波导装置内设置具有与芯部相同折射率的、以使其在被覆部内与芯部光学连通的导波部、以及、用来将芯部导引的光反射至导波部方向或者将来自导波部的光反射至芯部的导光反向的反射部，可以将来自与芯部的导光方向垂直的方向的光导入芯部。因此，可以进行波导装置的表面安装，实现薄型化。

附图说明

图1是用于说明本发明的一个实施例的系统结构的示意图。

图2是表示本发明的一个实施例的光布线装置结构的例子的示意图。

图3是用于说明本发明的一个实施例的光布线装置的制造工序的示意图。

图4是本发明的一个实施例的光布线装置的动作说明图。

图5是表示基于本发明的一个实施例的、为了计算设置透镜层时的接续损失改善效果而使用的模型的示意图。

图6是用于说明本发明的一个实施例的上述接续损失改善效果的图表。

图7是用于说明本发明的一个实施例的上述接续损失改善效果的其他图表。

图8是用于说明本发明的一个实施例的上述接续损失改善效果的其他图表。

图9是用于说明本发明的一个实施例的上述接续损失改善效果的其他图表。

图10是本发明的一个实施例的光布线装置的第一变形例的构成图。

图11是本发明的一个实施例的光布线装置的第二变形例的构成图。

具体实施方式

以下参考附图说明本发明的实施方式。

图1是用于说明本发明的一个实施例的系统结构的示意图。

参考图1(a)可知，本实施例的系统100通过光布线装置116对印刷线路板111a和印刷线路板111b之间，所谓的端口之间进行光学结合。在各印刷线路板111a、111b上搭载了IC芯片113以及连接器112a。连接器112a例如可以是插口。

在各连接器112a上电性连接了对应的连接器112b，各连接器112b上光学连接了光布线装置116的对应的端部，因此，光布线装置116和印刷线路板111a、111b被连接在一起。

参考图1(b)可知，各连接器112b包含盒体114a、基板114b以及盒盖114c。在基板114b上搭载了发光元件115a、受光元件115b、驱动器115c、放大器115d。基板114b被收容在盒体114a中。

另外，在盒体114a中配置了面对基板114b的发光元件115a和受光元件115b的光布线装置116的对应的端部。发光元件115a例如由面发光二极管(VCSEL)构成，将来自印刷线路板111a(或者111b)的电性信号变换成光之后，沿与印刷线路板111a(或者111b)垂直的箭头Z1的方向将光射出。在盒体114a中，沿光的射出方向配置了光布线装置116。从发光元件115a射出的光入射至光布线装置116。

另外，受光元件115b将来自光布线装置116的光变换为电性信号，然后将该电性信号提供给印刷线路板111a(或者111b)。驱动器115c和放大器115d将来自印刷线路板111a(或者111b)的电性信号放大，然后将放大后的电性信号提供给发光元件115a、以及/或者、将来自受光元件115b的电性信号放大，然后将该电性信号提供给印刷线路板111a(或者111b)。

盒盖114c用来覆盖盒体114a的开口面，将基板114b和光布线装置116的对应的端部收容在盒体114a的内部。基板114b和光布线装置116固定在盒体114a内以具有预定的位置关系。

光布线装置116使从发光元件115a沿Z1方向射出的光向箭头X1或者X2的方向偏折，并将其导向另一端。被光布线装置116导引的光在光布线装置116的X1或者X2方向侧端部被偏折向箭头Z2的方向。光布线装置116的X1或者X2方向侧端部的下面、即Z2方向侧的面被配置为面向受光元件115b。

因此，被光布线装置116导引至X1或者X2方向侧端部的光被偏折向Z2方向后，入射至受光元件115b的受光面。受光元件115b的受光面与Z1、Z2方向垂直，从光布线装置116射出的光被受光元件变换成电性信号。经受光元件115b变换而得到的电性信号经由连接器112a、112b被提供给印刷线路板111a或者111b，然后由IC芯片113来进行处理。

图2是表示光布线装置116的结构的例子的示意图。

光布线装置116包含薄膜基板121、122、透镜层123、被覆层124、125、芯部126、反射面127、128。

薄膜基板121、122例如由聚酰亚胺、PET、PEN等形成的树脂薄膜构成，作为基材和覆盖物来使用。

透镜层123在薄膜基板121上形成。在透镜层123中形成透镜123a、123b。第一对透镜123a和透镜123b形成于光布线装置116的一端，第二对透镜123a和透镜123b形成于光布线装置116的另一端，第一对透镜123a和透镜123b与第二对透镜123b和透镜123a分别对应(图(2))。

各透镜123a、123b是通过将紫外线等照射至透镜层123，使具有与其他部分不同的折射率的半球状而形成的。也就是说，各透镜123a、123b是与透镜层123的其他部分的折射率不同的半球状部分。各透镜123a用来将由薄膜基板121侧提供的光平行化至芯部126。各透镜123b用来将从芯部126偏折至箭头Z2方向的光聚集在受光元件115的受光面上。

另外，被覆层124面对透镜123a、123b的部分分别形成导光部124a、124b。导光部124a、124b的折射率通过紫外线的照射进行调整以使其大约等于芯部126的折射率。此时，导光部124a、124b可以由采用光刻法在被覆层124上形成孔部，然后在该孔部埋入芯材等方法来形成。

芯部126在被覆层124内沿箭头X1、X2方向呈直线状形成，其材料被调整为使其折射率不同于导光部124a、124b之外的被覆层124的折射率。另外，芯部126的形状也不限于直线状，也可以以大于基于芯部和被覆部的折射率差的弯曲界限的曲率半径来自由地改变其形状。被覆层125的材料被调整为使其折射率与导光部124a、124b之外的被覆层124的折射率相同，并且被层叠在芯部126和被覆层124上。

这样，芯部126就被具有与芯部126的折射率不同的折射率的被覆层124、125所包围。通过以具有与芯部126的折射率不同的折射率的被覆层124、125来包围芯部126，芯部126就可以作为用来传送光的波导来使用。

参考图2(b)可知，反射面127是相对于Z1方向以45度角倾斜的光布线装置116的X2方向的端面，使自发光元件115a发出的、沿Z2方向入射的光偏折至X1方向侧。反射面128是相对于Z1方向以45度角倾斜的光布线装置116的X1方向的端面，使自X2方向入射的所述光偏折至Z2方向侧，并使其射入受光元件115b的受光面。

另外，薄膜基板122贴附在被覆层125上以覆盖被覆层125。另外，被覆层124、125、芯部126、透镜层123由聚酰亚胺(polyimide)系列树脂、聚硅烷(polysilane)系列树脂、环氧(epoxy)系列树脂、丙烯(acrylic)系列树脂等构成。

[光布线装置116的制造方法]

图3是用于说明光布线装置116的制造工序的示意图。

首先，如图3(a)所示，在薄膜基板121上均质地形成透镜层123。然后，如图3(b)所示，在透镜层123上层叠地设置光罩131，并从光罩131上侧照射紫外线。光罩131在形成透镜123a、123b的部分形成开口部131a。各开口部131a的断面形状略为半圆状。

透镜层123被紫外线照射后其折射率发生变化。因此，通过从光罩131上侧照射紫外线，其上形成光罩131的开口部131a的透镜层123的部分的折射率就变为不同于透镜层123的其他部分的折射率。此时，光罩131的各开口部分131a的断面形状略为半圆形，另外，由于紫外线透过量不同，紫外线量在开口部131a的中心部较多、周边部则较少。因此，如图3(c)所示，在与光罩131的开口部131a对应的透镜层123的部分就形成了折射率与其他部分不同的半圆球状的透镜123a、123b。

其次，如图3(d)所示，在透镜层123上部形成被覆层124。被覆层124形成后，如图3(e)所示，在被覆层124上层叠地设置光罩141，并从光罩141上侧照射紫外线。光罩141在与形成透镜123a、123b的位置对应的部分形成开口部141a。各开口部141a具有近似矩形的断面形状。

被覆层124被紫外线照射后其折射率发生变化。通过从光罩141上方照射紫外线光，如图3(f)所示，其上形成光罩141的开口部141a的被覆层124的部分就形成了折射率与芯部126的折射率大约相同的导光部124a、124b。另外，对于芯部126的形成方法，也并不仅限于此。

接下来，如图3(g)所示，在被覆层124上形成芯部126、被覆层125。另外，芯部126是应用蚀刻法等按预定的路径成形的。然后，如图3(h)所示，在被覆层125上贴附薄膜基板122。

贴附薄膜基板122后，如图3(i)所示，将形成了透镜123a、123b的部分的芯部126作为端面以形成反射面127、128。反射面127、128是通过使用刀具或激光等将图3(h)中的构造物的透镜123a、123b的上部以倾斜45度角的方式切断而形成的。各反射面127、128可以将经由各透镜123a中心而到达的光偏折使其射入芯部126、再将经由芯部126而到达的光偏折使其通过各透镜123b的中心。

[动作]

图4是光布线装置116的动作说明图。

发光元件115a发出的光沿Z1方向射出，入射至光布线装置116的透镜123a。透镜123a将发光元件115a发出的光平行化。被透镜123a平行化的光入射至反射面127，然后，反射面127将所述光反射至X1方向。发射的光经芯部126入射至反射面128。反射面128将来自芯部126的光反射至Z2方向。被发射面128反射的光入射至透镜123b。透镜123a将来自反射面128的光聚集在受光元件115b的受光面。

[效果]

由本实施例可知，透镜123a、123b被一体地形成在光布线装置116上，同时，因为可以容易地使用面发光二极管等的表面安装可能的发光元件115a、以及、表面安装可能的受光元件115b进行光布线，所以就可以减少从印刷线路板111a(111b)表面突起的突起量。另外，使用透镜123a、123b对光进行平行化并使其聚集，还可以降低光损失。

另外，此时，因为在光布线装置116的下部也配置了布线图案，所以在其上也可以搭载电子部件。

再有，由本实施例可知，通过控制被覆层124的厚度，还可以对透镜123a、123b的焦点距离进行调整。

这里，使用图5所示模型对设置透镜层的接续损失改善效果进行了计算。图5所示光布线装置模型500包含保护层521、522、下被覆层(透镜层)523、上被覆层524、芯层525、光源530、检测器531以及透镜540。损失计算在以下条件下进行。将下被覆层523的厚度设为10μm、50μm，并将此时的透镜层523的折射率以及透镜540的曲率半径作为参数。另外，如图5所示，将透镜540设为形成在下被覆层523内。使用光线追踪法，计算了沿X、Y、Z轴方向移动光源530时的损失。

上述损失计算的结果的一部分表示在图6、图7、图8和图9中。图6是按透镜的相对折射率(透镜层折射率与芯层折射率之比；nlens/ncore)分别表示下被覆层厚度/芯部厚度＝1.0、透镜曲率半径/芯层厚度＝1.0时的Z轴方向的位置(光源移动量)与损失之间的关系的图表。图7是按透镜的相对折射率分别表示下被覆层厚度/芯层厚度＝0.2、透镜曲率半径/芯层厚度＝1.0时的Z轴方向的位置(光源移动量)与损失之间的关系的图表。图8是按透镜的相对曲率半径(透镜曲率半径与芯层厚度之比；rlens/dcore)分别表示下被覆层厚度/芯层厚度＝0.2、芯层折射率/透镜层折射率＝1.12时的Z轴方向的位置(光源移动量)与损失之间的关系的图表。图9是按下被覆层的相对厚度(下被覆厚度与芯部厚度之比；dclad/dcore)表示芯层折射率/透镜层折射率＝1.12、透镜曲率半径/芯层厚度＝1.0时的Z轴方向的位置(光源移动量)与损失之间的关系的图表。

由图6-图9所示结果可以得出以下结论。即：通过插入透镜层，可以改善耦合损失。另外，在下被覆层内形成透镜层时，最好满足下面的条件(a)、(b)、(c)。下面的条件(a)、(b)、(c)在改善损失并且不缩小光轴对准范围(缩小量在10％以下)这点上被判断为是较佳的。

(a)当芯层折射率为ncore、透镜层折射率为nlens时，透镜层的折射率满足1.0＜nlens/ncore＜1.3，最好是满足1.05＜nlens/ncore＜1.15。此条件由图6和图7求得。

(b)当透镜曲率半径为rlens、芯层厚度为dcore时，透镜的曲率半径满足0.5＜rlens/dcore＜4.0，最好是满足1.0＜rlens/dcore＜3.0。此条件由图8求得。

(c)当芯层厚度为dcore、下被覆层厚度为dclad时，下被覆层的厚度满足0.1＜dclad/dcore＜1.0，最好是满足0.2＜dclad/dcore＜0.3。此条件由图9求得。

[第一变形例]

图10是光布线装置116的第一变形例的构成图。在图10中，与图2一样的构成部分用同一符号标记，这里省略其说明。

作为光布线装置116的第一变形例的光布线装置211是通过去除透镜层123，在被覆层124上形成透镜211a、211b而形成的。

由本变形例可知，因为不需要透镜层123，不仅可以实现薄型化，而且还能减少制造工序数，使制造容易进行。

[第二变形例]

图11是光布线装置116的第二变形例的构成图。在图11中，与图10一样的构成部分用同一符号标记，这里省略其说明。

作为光布线装置116的第二变形例的光布线装置311是通过形成导光部311a、311b以取代被覆层124的透镜211a、211b而形成的。

由本变形例可知，因为可以将光罩的断面形状作成矩形，所以，可以容易和低价地制造光罩。

由本发明的一个实施例可知，本发明提供一种波导装置，其经形成于覆部(124、125)内的芯部(126)进行导光，其特征在于，包含：导波部(124a、124b；211a、211b；311a、311b)，其具有与所述芯部相同的折射率，以使其在所述被覆部内与所述芯部光学连通；反射部(127、128)，其将所述芯部导引的光反射至所述导波部方向、或者、将来自所述导波部的光反射至所述芯部的导光方向。

在所述波导装置中，导波部(211a、211b)能够以使被覆部(124)的一部分的折射率变化，并使折射率变化的该部分变成透镜状的方式成形。

所述波导装置可以还具有透镜层(123)，其层叠在被覆部(124)上，透镜层具有透镜部(123a、123b)，其用来将光平行化，然后将其聚集至与导波部对应的部分。

在所述波导装置中，被覆部可以具有形成于薄膜基板(121)上的第一被覆层(124)，以及在第一被覆层上形成的、包围芯部的第二被覆层(125)。

在所述波导装置中，透镜层可以形成在薄膜基板与第一被覆层之间，透镜部可以通过使透镜层的一部分的折射率变化，并使折射率变化的该部分变成透镜状的方式成形。

在所述波导装置中，可以根据透镜部的焦点距离设定第一被覆层的厚度。

因此，根据本发明的一个实施例，通过在波导装置内设置具有与芯部相同折射率的、以使其在被覆部内与芯部光学连通的导波部、以及、用来将芯部导引的光反射至导波部方向或者将来自导波部的光反射至芯部的导光反向的反射部，可以将来自与芯部的导光方向垂直的方向的光导入芯部。因此，可以进行波导装置的表面安装，实现薄型化。

[其他]

在上述实施例中，尽管将所述光布线装置作为印刷线路板间的用于信号传送的光布线来使用，但是也可以将所述光布线装置作为印刷线路板内的电路间的光布线来使用。另外，通过形成分支路，还可以将所述光布线装置作为波导装置、光学装置等使用。

本发明并不局限于上述具体实施例，只要不脱离权利要求书的范围，亦可采用其他变化形式代替，但那些变化形式仍属于本发明所涉及的范围。

另外，本申请引用了2005年8月31日提出申请的日本专利申请第2005-251622号说明书的全部内容。

Claims (2)

1.一种波导装置，经由形成于被覆部内的芯部进行导光，其特征在于，包含：

导波部，形成为具有与所述芯部相同的折射率，以使其在所述被覆部内与所述芯部光学连通；

反射部，将所述芯部导引的光反射至所述导波部方向、或者、将来自所述导波部的光反射至所述芯部的导光方向；以及

透镜层，层叠地形成在所述被覆部上，

所述透镜层具有透镜部，该透镜部用来使光平行，然后使该平行的光聚集至与所述导波部对应的部分，

所述被覆部具有：形成在薄膜基板上的第一被覆层、和以包围所述芯部的方式形成在该第一被覆层上的第二被覆层，

所述透镜层形成在所述薄膜基板与所述第一被覆层之间，

所述透镜部形成为具有折射率与所述透镜层的其它部分不同的半球状。

2.根据权利要求1所述的波导装置，其特征在于，

所述第一被覆层的厚度根据所述透镜部的焦点距离设定。

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