JP2001196625A

JP2001196625A - 配線基板間光相互接続装置

Info

Publication number: JP2001196625A
Application number: JP2000000679A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yamamoto; 剛山本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-01-06
Filing date: 2000-01-06
Publication date: 2001-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】配線基板間光相互接続装置（ボード間光イン
タコネクション装置）において、低コストであり、かつ
高精度に構成部品間の位置合わせを行う。【解決手段】電子回路、光送信部及び光受信部を搭載
した複数の配線基板が、同一の基板上に平行に並ぶよう
に垂直に実装されており、前記複数の配線基板間の信号
伝達を光ビームにより行う配線基板間光相互接続装置で
あって、前記光送信部は、複数のレンズアレイを内包す
るフェルールと半導体レーザが搭載されたチップキャリ
アを備え、前記光受信部は、前記フェルールとフォトダ
イオードが搭載されたチップキャリアを備えており、第
１配線基板の光送信部の前記フェルールと第２配線基板
の光受信部の前記フェルールの間に、透明スペーサと割
りスリーブからなるリレー光学ブロックが設けられてい
る配線基板間光相互接続装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光相互接続装置に
関し、特に、複数の配線基板をブックシェルフ状に並べ
て実装基板に実装（挿入）し、前記配線基板間の信号伝
達を光ビームにより行う配線基板間光相互接続装置に適
用して有効な技術である。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体プロセス技術の進展によ
り、中央演算処理装置（ＣＰＵ）の性能を示す一つの指
標である動作クロック周波数は飛躍的に向上している
が、前記ＣＰＵにおける入出力データバスの動作クロッ
ク周波数はＥＭＣ(electromagneticcompatibility)ノイ
ズやインピーダンス不整合に起因する信号反射、さらに
線路における信号減衰により著しく制限され、これに起
因する通信ボトルネックがコンピュータ全体の処理能力
向上を妨げている。この通信ボトルネックは、ＣＰＵや
メモリに代表される機能素子が搭載された複数のプリン
トボード（配線基板）を収容するプラグインユニット内
の信号伝送において顕著に見られ、スーパーコンピュー
タや大規模交換機においてそのデータバスの動作クロッ
ク周波数は数１００メガヘルツ（ＭＨｚ）以下に制限さ
れている。

【０００３】このような状況の中で、高速大容量通信に
適したボード間光インタコネクション装置（配線基板間
光相互接続装置）の導入が検討されている。前記ボード
間光インタコネクション装置は、半導体レーザ光源とフ
ォトダイオードにより構成された光送受信ブロックを備
えており、各プリントボード（配線基板）間の光送受信
ブロックを光ファイバで接続し、光ビーム（光信号）に
より相互接続を行う形態が一般的である。

【０００４】一方、チャンネル密度の向上を目的とし
て、信号伝達媒体に導波構造を持たないバルク光学系を
用いるフリースペース光インタコネクションが検討され
ている。前記フリースペース光インタコネクションは、
３次元高密度光配線が可能なことから、スループットが
１Ｔｂｉｔ／ｓを超える大規模光インタコネクション装
置をコンパクトに実現できる可能性がある。さらに、前
記フリースペース光インタコネクションでは、前記光フ
ァイバを用いる構成で問題となる信号到達時間のばらつ
き、すなわちファイバスキューの影響を受けないだけで
なく、光結合損失が比較的小さいという特徴を持つこと
から、大規模並列伝送に適している。

【０００５】しかし、前記フリースペース光インタコネ
クションでは光結合効率、および隣接チャンネルに対す
るクロストークは構成部品間の位置ずれ量に大きく依存
するため、各部品を高い精度で位置合わせする必要があ
る。この問題を解決するため、ハンディビデオカメラや
双眼鏡等の手ぶれ補正に広く用いられる頂角可変プリズ
ムと光ビーム位置センサから構成されるアクティブアラ
イメント装置を光学系内に挿入し、これを用いて動的に
光ビーム位置の補正を行う構成が検討されている（T. Y
amamoto, et. al.,“Active alignment of massively p
arallel free-space board-to-board optical intercon
nections using an adjustable liquidprism”, in Tec
h. Dig. Of PS96, Vol.1, pp. 192-193, 1996 参照）。
前記フリースペース光インタコネクション装置において
は、従来の電気コネクタを用いたプラグインユニットの
構成部品の仕様を変更することなく流用でき、さらにシ
ンプルな制御回路により構成されているので、大規模フ
リースペース光インタコネクション装置の実現の可能性
（フィージビリティ）は高い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の技術では、各プリントボードに光軸調整用の頂角可
変プリズムを搭載する必要があるが、前記頂角可変プリ
ズムは比較的高価であるため、前記頂角可変プリズムを
多数導入すると、前記ボード間光インタコネクション装
置が高価になるという問題があった。

【０００７】また、前記フリースペース光インタコネク
ション装置のような構成では地震等による外部振動に対
する機械的な信頼性、例えば、接続損失や隣接チャンネ
ルに対するクロストーク、エラーレートの変動について
詳細に評価された例がなく、不明な点が多いため、外部
振動の大きい場所に設置する場合などでの信頼性に問題
があった。

【０００８】本発明の目的は、配線基板間光相互接続装
置において、低コストであり、かつ高精度に構成部品間
の位置合わせを行うことが可能な技術を提供することに
ある。

【０００９】本発明の他の目的は、配線基板間光相互接
続装置において、地震等による外部振動が加えられた場
合にも安定した信号伝送を行うことが可能な技術を提供
することにある。

【００１０】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面によって明ら
かにする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００１２】（１）電子回路、光送信部及び光受信部を
搭載した複数の配線基板が、同一の実装基板上に平行に
並ぶように垂直に実装されており、前記複数の配線基板
間の信号伝達を光ビームにより行う配線基板間光相互接
続装置であって、前記光送信部は、複数のレンズアレイ
を内包するフェルールと半導体レーザが搭載されたチッ
プキャリアを備え、前記光受信部は、前記フェルールと
フォトダイオードが搭載されたチップキャリアを備えて
おり、第１配線基板の光送信部の前記フェルールと第２
配線基板の光受信部の前記フェルールの間に、透明スペ
ーサと割りスリーブからなるリレー光学ブロックが設け
られている配線基板間光相互接続装置である。

【００１３】（２）前記手段（１）の配線基板間光相互
接続装置において、前記チップキャリアは弾性体を介し
て前記配線基板に支持されており、前記弾性体は、前記
チップキャリアを前記配線基板の主面に対して垂直方向
に支持するとともに、前記第１配線基板の光送信部の前
記フェルールと前記第２配線基板の光受信部の前記フェ
ルールを接続する際に、前記割りスリーブ内で光軸方向
に対して一定の圧力を加える。

【００１４】（３）前記手段（１）または（２）の配線
基板間光相互接続装置において、前記フェルールは、側
面に板形のガイド部が設けられており、前記割りスリー
ブは、前記ガイド部に対応する溝が形成されており、前
記フェルールを前記割りスリーブへ挿入する際に、前記
ガイド部が前記溝の内部に挿入されることにより、前記
レンズアレイの光軸方向を回転軸とした位置合わせが行
われる。

【００１５】前記手段によれば、配線基板間光相互接続
装置（ボード間光インタコネクション装置）において、
低コストで、かつ高精度に構成部品間の位置合わせを行
うことができる。

【００１６】また、配線基板間光相互接続装置（ボード
間光インタコネクション装置）において、地震等による
外部振動が加えられた場合にも安定した信号伝送を行う
ことができる。

【００１７】以下、本発明について、図面を参照して実
施の形態（実施例）とともに詳細に説明する。

【００１８】なお、実施の形態（実施例）を説明するた
めの全図において、同一機能を有するものは、同一符号
をつけ、その繰り返しの説明は省略する。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による一実施形態
の配線基板間光相互接続装置（ボード間光インタコネク
ション装置）の概略構成を示す模式斜視図であり、１は
配線基板、２は実装基板、３はプラグインコネクタ、４
はマルチチップモジュール、５は光送信ブロック、６は
光ビームアレイ、７は配線である。

【００２０】本実施形態の配線基板間光相互接続装置
（以下、ボード間光インタコネクション装置と称する）
は、図１に示すように、複数の配線基板１が、実装基板
２上のプラグインコネクタ３に垂直に挿入されたブック
シェルフ状になっている。前記配線基板１として、例え
ばプリントボードを用い、前記実装基板２としてマザー
ボードを用いる。以下、前記配線基板１をプリントボー
ド１と称し、前記実装基板２をマザーボード２と称す
る。

【００２１】前記各プリントボード１は、コンピュータ
の構成部品、例えば、ＣＰＵやメモリに代表されるＬＳ
Ｉチップをアレイ状に集積したマルチチップモジュール
４と、光送信ブロック５とを搭載している。また、図１
では示していないが、前記プリントボード１の前記光送
信ブロック５の裏側には、前記光送信ブロック５と光信
号を相互接続させるための光受信部が設けられている。

【００２２】本実施形態のボード間光インタコネクショ
ン装置は、前記各プリントボード１間の信号伝達媒体と
して光ビームアレイ６を用いるものであり、前記各プリ
ントボード１に設けられた前記光送信ブロック５から出
射した光ビームアレイ６は図１に示す矢印の方向に進行
する。前記各光送信ブロックには２次元半導体レーザア
レイが搭載されており、信号光源として動作する。一
方、図１では示していないが、前記各光送信ブロックと
対応する光受信ブロックには、２次元フォトダイオード
アレイが搭載されており受光器として動作する。

【００２３】図２及び図３は、本実施形態のボード間光
インタコネクション装置における光送受信ブロックの概
略構成を示す模式図で、図２は正面図、図３は図２の左
側面図で、一部省略して示している。また、図２及び図
３では、光送信ブロックについて示している。

【００２４】図２及び図３において、８は半導体レーザ
アレイ、９はマイクロレンズアレイ、１０はリレーレン
ズアレイ、１１は円筒形フェルール、１２はチップキャ
リア、１３はガイド板、１４はフラットケーブル、１５
はコイル形バネ、１６はパッケージシェル、１６Ａは開
口部、１７はストッパーボールである。

【００２５】本実施形態の光送信ブロックは、図２及び
図３に示すように、半導体レーザアレイ８を搭載するチ
ップキャリア１２と、前記半導体レーザアレイ８により
発生させた光ビームを外部に導くマイクロレンズアレイ
９及びリレーレンズアレイ１０を内包する円筒形フェル
ール１１と、前記円筒形フェルール１１の側面に取り付
けられたガイド板１３と、前記チップキャリア１２への
給電に用いるフラットケーブル１４と、前記チップキャ
リア１２をプリントボード１の主面に対して垂直方向に
押し上げるコイル形バネ１５と、前記チップキャリア１
２全体をカバーするパッケージシェル１６と、前記コイ
ル形バネ１５により押し上げられたチップキャリア１２
を支持するストッパーボール１７により構成される。前
記円筒形フェルール１１の材質としては、例えば、ジル
コニアに代表されるセラミックが考えられるが、これに
限定されない。なお、図２及び図３ではチップキャリア
１２に半導体レーザアレイ８が搭載された光送信ブロッ
クを示しているが、光受信ブロックの場合も前記光送信
ブロックとほぼ同様の構成であり、前記半導体レーザア
レイ８の代わりにフォトダイオードアレイが前記チップ
キャリア１２上に搭載される。また、前記光受信ブロッ
クは、図３では示していないが、プリントボード１を挟
んで光送信ブロックの裏側に設けられている。

【００２６】ここで、前記パッケージシェル１６の上部
と下部に取り付けられた前記ストッパーボール１７の大
きさを変えることにより、前記円筒形フェルール１１を
搭載した前記チップキャリア１２は、図３に示すよう
に、プリントボード１の主面の垂直方向に対してφ度傾
く。また、前記パッケージシェル１６の中央には開口部
１６Ａが設けられ、その開口部１６Ａを通じて前記円筒
形フェルール１１が突出する。

【００２７】図４は、本実施形態のボード間光インタコ
ネクション装置における、マザーボード（実装基板）の
概略構成を示す模式図であり、図４（ａ）は正面図、図
４（ｂ）は右側面図、図４（ｃ）は上面図である。

【００２８】図４において、１８はリレー光学ブロッ
ク、１９は透明スペーサ、２０は割りスリーブである。

【００２９】本実施形態のボード間光インタコネクショ
ンでは、図４（ａ）に示すように、前記マザーボード２
上の前記プラグインコネクタ３が設けられている間にリ
レー光学ブロック１８が設けられている。

【００３０】前記リレー光学ブロック１８は、図４
（ａ）、図４（ｂ）、及び図４（ｃ）に示すように、前
記プリントボード１をプラグインコネクタ３に挿入した
時に、前記フェルール１１が挿入される円筒形の割りス
リーブ２０が設けられており、前記割りスリーブ２０の
中間部分には透明スペーサ１９が設けられている。な
お、透明スペーサ１９、割りスリーブ２０の材質として
は、それぞれ石英系ガラス、ジルコニアが適している
が、これに限定されない。また、前記フェルール１１を
挿入しやすいように、前記リレー光学ブロック１８及び
割りスリーブ２０の両端は斜めに切り落とされている。

【００３１】図５及び図６は、本実施形態のボード間光
インタコネクション装置の接続手順を説明するための模
式図であり、１Ａは第１プリントボード、１Ｂは第２プ
リントボード、２１はフォトダイオードアレイである。

【００３２】まず、図５に示すように、第２プリントボ
ード１Ｂをプラグインコネクタ３に挿入する。このと
き、前記第２プリントボード１Ｂのチップキャリア１２
Ｂ上の円筒形フェルール１１Ｂは、第２プリントボード
１Ｂの主面の垂直方向に対してφ度傾いており、前記リ
レー光学ブロック１８内の割りスリーブ２０へ挿入しや
すくなっているとともに、前記円筒形フェルール１１が
前記コイル形バネ１５により、図５に示す矢印の方向に
応力を受けているので、前記割りスリーブ２０を第１プ
リントボード１Ａ側にずらした状態になっている。

【００３３】次に、図６に示すように、前記第２プリン
トボード１Ｂに対向して配置された第１プリントボード
１Ａを隣接するプラグインコネクタのスロット部３Ｂに
挿入すると、前記第１プリントボード１Ａの円筒形フェ
ルール１１Ａも前記割りスリーブ２０に挿入される。こ
のとき、前記透明スペーサ１９の長さを前記第１プリン
トボード１Ａの円筒形フェルール１１Ａの端面と前記第
２プリントボード１Ｂの円筒形フェルール１１Ｂの端面
との距離よりもわずかに長くしておくことにより、前記
コイル形バネ１５が収縮して、前記コイル形バネ１５に
よる応力の方向が図６の矢印で示す方向になる。そのた
め、前記第１プリントボード１Ａの円筒形フェルール１
１Ａの端面と前記透明スペーサ１９の端面、及び第２プ
リントボード１Ｂの円筒形フェルール１１Ｂと前記透明
スペーサ１９の端面同士が接触する。

【００３４】以上のような方法で接続することにより、
構成部品間の光学的な位置合わせに特別な装置を必要と
しないうえ、コイル形バネによる応力により円筒形フェ
ルール端面と透明スペーサとの密着性が高まり、地震等
の外部振動に対して安定した接続状態を保つことが可能
となる。さらに、プリントボードの抜き差しを繰り返し
行った際に生じる接続損失ばらつきが低減される。

【００３５】図７は、前記光送受信ブロックを構成する
光学系の動作を説明するための模式図であり、図６の信
号接続部分の拡大図である。

【００３６】本実施形態のボード間光インタコネクショ
ン装置では、前記第１プリントボード１Ａのチップキャ
リア１２Ａ上に搭載された前記半導体レーザアレイ８か
ら出射された光ビーム（光信号）は、前記円筒形フェル
ール１１Ａに内包されたマイクロレンズアレイ９Ａによ
り平行光ビームに変換され、前記円筒形フェルール１１
Ａ内を伝搬する。

【００３７】前記平行光ビームは、リレーレンズアレイ
１０Ａによりビーム径が狭められた後、前記透明スペー
サ１９を伝搬し、対向する第２プリント基板１Ｂの円筒
形フェルール１１Ｂに内包されたリレーレンズアレイ１
０Ｂ及びマイクロレンズアレイ９Ｂをそれぞれ通過した
後、前記第２プリントボード１Ｂのチップキャリア１２
Ｂ上に搭載されたフォトダイオードアレイ２１に到達す
る。

【００３８】このように、レンズアレイを積層する光学
系は構成が比較的単純であり、マイクロレンズアレイ２
枚だけで構成される微小光学系に比べて、光軸のずれに
対する許容誤差（トレランス）が大きいという特徴を持
つ。

【００３９】図８乃至図１０は、円筒形フェルールの側
面に設けられたガイド板による回転軸方向の位置合わせ
動作について示す模式図である。なお、図９及び図１０
は、前記円筒形フェルールと割りスリーブの位置関係を
わかりやすくするために、透視図的に示している。

【００４０】図８は、前記マザーボード２に対して前記
プリントボード１を挿入する前の時点に相当し、ここで
前記チップキャリア１２が光軸方向を回転軸としてθ度
回転軸方向に傾いている様子を示している。

【００４１】次に、図９に示すように、前記プリントボ
ード１のプラグ部３Ａをマザーボード２上のプラグイン
コネクタのスロット部３Ｂに浅く挿入する。このとき、
前記プリントボード１と前記マザーボード２との相対的
な位置関係は、図９に示したようになり、前記フェルー
ル１１が割りスリーブ２０に挿入されて、前記ガイド板
１３は割りスリーブ２０の溝部２０Ａに接触する。

【００４２】次に、図１０に示すように、前記プリント
ボード１をさらに挿入すると、図示はしないが、前記チ
ップキャリア１２を支持するコイル形バネ１５の作用に
より、前記ガイド板１３が割りスリーブ２０の溝部２０
Ａに導かれるように前記チップキャリア１２が回転す
る。以上のようにして、回転軸方向の位置合わせも行わ
れる。

【００４３】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、第１プリントボードに搭載された半導体レーザアレ
イ上、及び第２プリントボードに搭載されたフォトダイ
オードアレイ上に設けられたマイクロレンズアレイ及び
リレーレンズアレイを内包する円筒形フェルールが、そ
の中間に設けられたリレー光学ブロックの割りスリーブ
に挿入されることにより、低価格な光学部品を用いて高
精度の位置合わせを行うことができる。

【００４４】また、前記半導体レーザアレイ、あるいは
フォトダイオードアレイを搭載するチップキャリアをコ
イル形バネのような弾性体で支持することにより、前記
円筒形フェルールに光軸方向の圧力が加わるため、前記
円筒形フェルールとリレー光学ブロックに設けられた透
明スペーサとの密着性が高まり、地震等の外部振動に対
して安定した接続状態を保つことができるとともに、前
記プリントボードの抜き差しを繰り返し行った時の接続
損失のばらつきを低減することができる。

【００４５】また、前記円筒形フェルールの側面にガイ
ド板を設け、前記割りスリーブに前記ガイド板に対応す
る溝を設けることにより、光軸方向を回転軸とした位置
合わせを容易に行うことができる。

【００４６】以上、本発明を、前記実施形態に基づき具
体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種
々変更可能であることは勿論である。

【００４７】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００４８】（１）配線基板間光相互接続装置（ボード
間光インタコネクション装置）において、低コストであ
り、かつ高精度に構成部品間の位置合わせを行うことが
できる。

【００４９】（２）配線基板間光相互接続装置（ボード
間光インタコネクション装置）において、地震等による
外部振動が加えられた場合にも安定した信号伝送を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施形態の配線基板間光相互接
続装置（ボード間光インタコネクション装置）の概略構
成を示す模式斜視図である。

【図２】本実施形態の配線基板間光相互接続装置におけ
る光送受信ブロックの概略構成を示す模式正面図であ
る。

【図３】図２の模式側面図である。

【図４】本実施形態の配線基板間光相互接続装置におけ
る実装基板の概略構成を示す模式図である。

【図５】本実施形態の配線基板間光相互接続装置の接続
手順を説明するための図である。

【図６】本実施形態の配線基板間光相互接続装置の接続
手順を説明するための模式図である。

【図７】本実施形態の配線基板間光相互接続装置の動作
を説明するための模式図である。

【図８】円筒形フェルールの側面に設けられたガイド板
による回転軸方向の位置合わせ動作について示す模式図
である。

【図９】円筒形フェルールの側面に設けられたガイド板
による回転軸方向の位置合わせ動作について示す模式図
である。

【図１０】円筒形フェルールの側面に設けられたガイド
板による回転軸方向の位置合わせ動作について示す模式
図である。

【符号の説明】

１…配線基板（プリントボード）、１Ａ…第１プリント
ボード、１Ｂ…第２プリントボード、２…実装基板（マ
ザーボード）、３…プラグインコネクタ、３Ａ…プラグ
部、３Ｂ…スロット部、４…マルチチップモジュール、
５…光送信ブロック、６…光ビームアレイ、７…配線、
８，８Ａ…半導体レーザアレイ、９，９Ａ，９Ｂ…マイ
クロレンズアレイ、１０，１０Ａ，１０Ｂ…リレーレン
ズアレイ、１１，１１Ａ，１１Ｂ…円筒形フェルール、
１２，１２Ａ，１２Ｂ…チップキャリア、１３…ガイド
板、１４…フラットケーブル、１５…コイル形バネ、１
６…パッケージシェル、１６Ａ…開口部、１７…ストッ
パーボール、１８…リレー光学ブロック、１９…透明ス
ペーサ、２０…割りスリーブ、２０Ａ…溝部、２１…フ
ォトダイオードアレイ。

フロントページの続きＦターム(参考） 2H037 AA01 BA03 BA05 BA12 BA14 CA12 DA03 DA05 DA06 DA13 DA18 5F073 AB04 AB27 BA01 FA01 FA06 FA11 FA23 FA30 5F089 AC07 AC10 AC11 AC15 AC24 AC25 BC11 CA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子回路、光送信部及び光受信部を搭載
した複数の配線基板が、同一の実装基板上に平行に並ぶ
ように垂直に実装されており、前記複数の配線基板間の
信号伝達を光ビームにより行う配線基板間光相互接続装
置であって、前記光送信部は、複数のレンズアレイを内
包するフェルールと半導体レーザが搭載されたチップキ
ャリアを備え、前記光受信部は、前記フェルールとフォ
トダイオードが搭載されたチップキャリアを備えてお
り、第１配線基板の光送信部の前記フェルールと第２配
線基板の光受信部の前記フェルールの間に、透明スペー
サと割りスリーブからなるリレー光学ブロックを設けて
いることを特徴とする配線基板間光相互接続装置。
【請求項２】前記チップキャリアは、弾性体を介して
前記配線基板に支持されており、前記弾性体は、前記チ
ップキャリアを前記配線基板の主面に対して垂直方向に
支持するとともに、前記第１配線基板の光送信部の前記
フェルールと前記第２配線基板の光受信部の前記フェル
ールを接続する際に、前記割りスリーブ内で光軸方向に
対して圧力を加えることを特徴とする前記請求項１に記
載の配線基板間光相互接続装置。
【請求項３】前記フェルールの側面には突出したガイ
ド部が設けられており、前記割りスリーブには前記ガイ
ド部に対応する溝が形成されており、前記フェルールを
前記割りスリーブへ挿入する際に、前記ガイド部が前記
溝の内部に挿入されることにより、前記レンズアレイの
光軸方向を回転軸とした位置合わせが行われることを特
徴とする前記請求項１または２に記載の配線基板間光相
互接続装置。