JP2004318169A - 光データバス - Google Patents

Abstract

【課題】システムの構築時や改造時における回路基板との位置合わせが容易で、かつ、光の利用効率が高い光データバスを提供することを目的とする。
【解決手段】光データバス１の表面に、信号光が入射される信号光入射部５を備え、信号光入射部５から入射した信号光３の進路上の、光伝送部１１の表面に接する位置に、信号光入射部５から入射した信号光３を光伝送部１１に向けて拡散する光拡散体２を備え、光伝送部１１が光拡散体２で拡散し、光伝送部１１の表面により反射した信号光を内部散乱光４として伝播するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、信号光の伝播を担う光データバスに関する。

超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）の開発により、データ処理システムで使用する回路基板（ドーターボード）の回路機能が大幅に増大してきている。回路機能が増大するにつれて各回路基板に対する信号接続数が増大するため、各回路基板（ドーターボード）間をバス構造で接続するデータバスボード（マザーボード）には多数の接続コネクタと接続線を必要とする並列アーキテクチャが採用されてきている。接続線の多層化と微細化により並列化を進めることにより並列バスの動作速度の向上が計られてきたが、接続配線間容量や接続配線抵抗に起因する信号遅延により、システムの処理速度が並列バスの動作速度によって制限されることもある。また、並列バス接続配線の高密度化による電磁ノイズ（ＥＭＩ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）の問題もシステムの処理速度向上に対しては大きな制約となる。

このような問題を解決し並列バスの動作速度の向上を計るために、光インターコネクションと呼ばれる、システム内光接続技術を用いることが検討されている。光インターコネクション技術の概要は、非特許文献１や非特許文献２、非特許文献３に記載されているように、システムの構成内容により様々な形態が提案されている。
内田禎二、第９回 回路実装学術講演大会 １５Ｃ０１，ｐｐ．２０１〜２０２ Ｈ．Ｔｏｍｉｍｕｒｏ ｅｔ ａｌ．，"Ｐａｃｋａｇｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ"，ＩＥＥＥ Ｔｏｋｙｏ Ｎｏ．３３ ｐｐ．８１〜８６，１９９４ 和田修、エレクトロニクス１９９３年４月号、ｐｐ．５２〜５５

従来提案された様々な形態の光インターコネクション技術のうち、特開平２−４１０４２号公報には、高速、高感度の発光／受光デバイスを用いた光データ伝送方式をデータバスに適用した例が開示されており、そこには、各回路基板の表裏両面に発光／受光デバイスを配置し、システムフレームに組み込まれた隣接する回路基板上の発光／受光デバイス間を空間的に光で結合した、各回路基板相互間のループ伝送用の直列光データバスが提案されている。この方式では、ある１枚の回路基板から送られた信号光が隣接する回路基板で光／電気変換され、さらにその回路基板でもう一度電気／光変換されて、次に隣接する回路基板に信号光を送るというように、各回路基板が順次直列に配列され各回路基板上で光電気変換、電気／光変換を繰り返しながらシステムフレームに組み込まれたすべての回路基板間に伝達される。このため、信号伝達速度は各回路基板上に配置された受光／発光デバイスの光／電気変換速度および電気／光変換速度に依存すると同時にその制約を受ける。また、各回路基板相互間のデータ伝送には、各回路基板上に配置された受光／発光デバイスによる、自由空間を介在させた光結合を用いているため、隣接する回路基板表裏両面に配置されている発光／受光デバイスの光学的位置合わせが行なわれすべての回路基板が光学的に結合していることが必要となる。さらに、各回路基板が自由空間を介して結合されているため、隣接する光データ伝送路間の干渉（クロストーク）が発生しデータの伝送不良が予想される。また、システムフレーム内の環境、例えば埃などにより信号光が散乱してデータの伝送不良が発生することも予想される。さらに、各回路基板が直列に配置されているため、いずれかのボードが取りはずされた場合にはそこで接続が途切れてしまい、それを補うための余分な回路基板が必要となる。すなわち、回路基板を自由に抜き差しすることができず、回路基板の数が固定されてしまうという問題がある。

これらのほかに、自由空間を利用した回路基板相互間のデータ伝送技術として、特開昭６１−１９６２１０号公報には、平行な２面を有する、光源に対置されたプレートを具備し、プレート表面に配置された回折格子、反射素子により構成された光路を介して回路基板間を光学的に結合する方式が開示されている。この方式では、１点から発せられた光を固定された１点にしか伝送することができず電気バスのように全ての回路ボード間を網羅的に接続することができない。また、複雑な光学系が必要となり、位置合わせなども難しいため、光学素子の位置ずれに起因して隣接する光データ伝送路間の干渉（クロストーク）が発生しデータの伝送不良が予想される。回路基板間の接続情報はプレート表面に配置された回折格子、反射素子により決定されるため、回路基板を自由に抜き差しすることができず拡張性が低い、という様々な問題がある。

これらの問題を解決する手段として、シート状の光データバスの光伝送部内に、入射した信号光を拡散する光拡散部を設け、光拡散部で拡散した信号光を光伝送部内の全ての方向に伝播させるようにした光データバス方式が考えられる。この光データバスには、精密な光学的位置合わせを必要とせずに、受発光部を有する複数の回路基板を簡易な取付け方法で確実に光結合させることが可能である。また、この方式では、光データバスに取り付ける回路基板の数や取付け位置を自由に変更することができるので、拡張性に富んだ自由度の高いシステムを構築することができる。また、空間を介して光伝送する方式と異なり、光伝送部を介して光伝送する方式であるため、空中の埃などによる環境上の問題も起きにくい。さらに、回路基板を光データバスに取り付ける際の光学的位置合わせを必要としないため温度変化などにも強いという長所を備えている。

しかし、上記の方式では、光伝送部内に設けた光拡散部が、信号光を全ての方向に拡散するため、光伝送部の外部に抜け出てしまう信号光が多く、受光部に到達する信号光が少なく、光の利用効率が低いという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑み、システムの構築時や改造時における回路基板との位置合わせが容易で、かつ、光の利用効率が高い光データバス、およびその光データバスを用いてデータの送受を含む信号処理を行う信号処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の光データバスは、相対的に屈折率の大きい光伝送部と、相対的に屈折率の小さいクラッド部とを備えた、信号光の伝播を担う光データバスであって、
該光データバスの表面に、信号光が入射される信号光入射部を備え、
前記信号光入射部から入射した信号光の進路上の、前記光伝送部の表面に接する位置に、前記信号光入射部から入射した信号光を前記光伝送部に向けて拡散する光拡散体を備え、前記光伝送部が、前記光拡散体で拡散し、前記光伝送部の表面により反射した信号光を内部散乱光として伝播するものであることを特徴とする。

以上説明したように、本発明の光データバスによれば、光データバスの表面に信号光が入射される信号光入射部を有するとともに、信号光入射部から入射した信号光の進路上の、光伝送部の表面ないし裏面に接する位置に、信号光入射部から入射した信号光を光伝送部内に向けて拡散する光拡散体を備えたことにより、光の利用効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の光データバスの第１の実施形態を示す斜視図（図１（ａ））およびそのＡ−Ａ’方向に見た断面図（図１（ｂ））である。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、この光データバス１は、光伝送部１１、および光伝送部１１を挟むクラッド部１２を備えたシート状の光データバスである。光伝送部１１は信号光の伝播を担う層であり、本実施形態では光透過率の高い一層当たり厚さ０．５ｍｍのＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）が用いられる。クラッド部１２は、光伝送部１１内の信号光が光伝送部１１外に洩れるのを防ぐためのものであり、光伝送部１１よりも低い屈折率を有する材料で形成される。本実施形態では、光伝送部１１にＰＭＭＡを用いているため、クラッド部１２には含フッ素ポリマが用いられる。

光データバス１の表面には信号光３を入射する信号光入射部５があり、信号光入射部５から入射した信号光３の進路上の、光伝送部１１の裏面１１ｂに接する位置に、信号光入射部５から入射した信号光３を光伝送部１１内に向けて拡散する光拡散体２が備えられている。なお、本実施形態では、光拡散体２は、信号光入射部５から入射した信号光３の進路上の光伝送部１１の裏面１１ｂに接する位置に備えられているが、光拡散体２の位置は、光伝送部１１の裏面１１ｂに接する位置に限定されるものではなく、光伝送部１１の表面１１ａに接する位置に設けてもよい。その場合の光拡散体は、信号光を拡散するとともに入射した信号光を透過するものとして形成される。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、光データバス１の上方に配置された発光素子１３から信号光３が発せられ、光データバス１の信号光入射部５に入射されると、信号光３はクラッド部１２および光伝送部１１を透過し、光伝送部１１の裏面１１ｂに接する位置に設けられた光拡散体２に入射する。信号光３は光拡散体２で拡散し、その後、光伝送部１１の表面１１ａおよび裏面１１ｂにより反射し内部散乱光４として光伝送部１１内を伝播し、光伝送部１１の端縁に設けられた信号光出射部（図示せず）に到達する。

このように構成された光データバス１において、光伝送部１１の表面および裏面にクラッド部が形成されているか否かにより光データバス１内を伝播する信号光の挙動が変化する。

図２は、図１に示した光データバス１内部を伝播する信号光の挙動を説明する図である。

図２（ａ）に示すように、光伝送部１１の表裏両面ともにクラッド部が形成されていない光データバスの場合は、光データバスの光伝送部１１の裏面１１ｂに備えられた光拡散体２で拡散した信号光のうち、光伝送部１１と空気との界面において全反射の条件を満たす信号光２ａは界面で全反射し内部散乱光４として光伝送部１１内を伝播するが、全反射の条件を満たさない信号光２ｂは光伝送部１１外に抜け出ていく。

次に、図２（ｂ）に示すように、光伝送部１１の表裏両面にクラッド部１２ａ，１２ｂが形成されクラッド部１２ｂの外側に光拡散体２が形成されている光データバスの場合は、光拡散体２で拡散しクラッド部１２ｂに入射角θで入射した信号光２ｂは、クラッド部１２ｂと光伝送部１１との界面で屈折して光伝送部１１に入射するため、次に光伝送部１１とクラッド部１２ａとの界面では信号光２ｂは光伝送部１１内には反射されず全て反対側のクラッド部１２ａに同じ角度θで抜け出てしまう。一部の信号光２ｃはクラッド部１２ａと空気との界面で全反射するが、光伝送部１１内の伝播には寄与しない。このようにクラッド部１２ｂを形成し、そのクラッド部１２ｂの上に光拡散体２を形成したのでは信号光は光伝送部１１内を伝播しない。

これに対して、図２（ｃ）に示すように、光伝送部１１の裏面１１ｂに接する位置に光拡散体２を備えた本実施形態の光データバスの場合は、光拡散体２で拡散した信号光のうち、光伝送部１１とクラッド部１２ａの界面において全反射条件を満たす信号光２ａが光伝送部１１とクラッド部１２ａの界面で全反射し内部散乱光４として光伝送部１１内を伝播していく。また、この場合は、光伝送部１１の表裏面に形成したクラッド部１２ａ，１２ｂはクラッド部本来の、信号光を光伝送部１１内に閉じこめる機能を有効に発揮する。

図２（ｃ）の実施形態では、光伝送部１１の裏面１１ｂに接する位置に光拡散体２を備えた例を示したが、本発明の光データバスは、光伝送部１１の表面１１ｂに接する位置に光拡散体２を備えた構成としてもよい。その場合は、光拡散体２は信号光を透過するとともに信号光を拡散する。

また、図１に示した光データバス１において、光伝送部１１の裏面１１ｂに接する位置に形成された光拡散体２の、光拡散体２への信号光入射側の表面に対する裏面に、光拡散体２を透過してきた信号光を反射する反射層を備えたものとして光データバス１を構成してもよい。このようにすることにより、光データバスの光の利用効率を向上させることができる。反射層の形成方法については後述する。

なお、上記実施形態では、光伝送部１１としてＰＭＭＡを用いているが、ＰＭＭＡの代わりに、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などの、同様な光学特性を有するプラスチック材料を用いることも可能である。光伝送部としてポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）を用いた場合でも、クラッド部にはパーフルオロ溶媒に溶解した非晶質フッ素樹脂材を用いることが可能である。また、上記非晶質フッ素樹脂材に代わって、溶液状態の非晶質系のフッ素ゴムや結晶性のフッ素ポリマーを用いてクラッド部を形成してもよい。

なお、本実施形態では、光データバス１は単層構造として示されているが、実際の信号処理装置に用いられる光データバスは、図１に示すような光データバス１を複数枚積層したバスとして用いられる。

図３は、図１に示した光データバスを複数枚積層した状態を示す図である。

図３には、１枚の光伝送部１１と、光伝送部１１を挟むクラッド部１２とからなる複数枚の光データバス１が光吸収層１５を介して積層された様子が示されている。なお、光吸収層１５は複数枚の光データバス１相互間の信号光の干渉を防止するためのものである。

次に、本発明の光データバスを用いて構成した信号処理装置の実施形態について説明する。

図４は、本発明の信号処理装置の一実施形態を示す概要構成図である。

図４に示すように、この信号処理装置２０には、本発明にいう基体の一例である支持基板２１、支持基板２１に固定された、光伝送部２２と、光伝送部２２を挟むクラッド部２３とを備えた、信号光の伝播を担うシート状の光データバス２４、複数枚の回路基板２７、回路基板２７を支持基板２１上に固定する複数の基板固定部２９が備えられている。光データバス２４としては、前述の、図１を参照して説明した本発明の光データバスを複数枚積層したものが用いられ、これら複数枚の光データバス２４が複数枚の回路基板２７と光学的かつ機械的に結合されて信号処理装置２０が構成される。

支持基板２１上に備えられた複数の基板固定部２９は、回路基板２７に搭載された信号光入出射端２８が信号光入出射部２５において光データバス２４と結合される状態に、回路基板２７を支持基板２１上に固定する。基板固定部２９による回路基板２７の固定機構は着脱自在に構成されている。なお、この実施形態における回路基板２７側の信号光入出射端２８は、本発明にいう信号光入射端および信号光出射端のいずれか一方あるいは双方に相当するものであり、また、光データバス２４側の信号光入出射部２５は、本発明にいう信号光入射部および信号光出射部のいずれか一方あるいは双方に相当するものである。

支持基板２１上には、電源ラインや電気信号伝送用の電気的配線２１ａが設けられており、それらの電気的配線２１ａは、複数の基板固定部２９を経由して、各基板固定部２９に装着される回路基板２７上の回路２６と電気的に接続される。各回路基板２７には、信号光を出射する発光素子と信号光を入射する受光素子とのペアからなる複数の信号光入出射端２８、および信号光入出射端２８から出射される信号光に担持させる信号を生成する回路２６と、信号光入出射端２８から入射した信号光が担持する信号に基づく信号処理を行なう回路２６とのうちの少なくとも一方が搭載されている。

この回路基板２７を基板固定部２９に装着すると、各信号光入出力端２８は、光データバス２４の信号光入出射部２５の各光伝送部２２と対向した位置に配置され、ある信号光入出力端２８中の発光素子から出射された信号光は、光データバス２４の光伝送部２２に入射し、その光伝送部２２内で散乱されるとともに、他の回路基板２７の信号光入出力端２８と対向する位置にある信号光入出射部２５に伝送され、その信号光入出射部２５に光学的に結合された信号光入出力端２８中の受光素子で受光される。

このように光データバス２４として、光拡散体（図１参照）を備えた本発明の光データバスを用いることにより、システムの構築時や改造時における光データバスと回路基板との位置合わせが容易な信号処理装置を得ることができる。

次に、上記のようなシート状の光データバスを製造する方法について説明する。

図５は、図１に示した光データバスの製造工程を示す模式図である。

先ず、予め型を用意しその型をＰＭＭＡの溶融温度に加熱しておき、十分に加熱され溶融状態にあるＰＭＭＡをその型に流し込むことにより厚み０．５ｍｍのシート状の光伝送部３１（図５（ａ））を得る。次に、クラッド部用として、ＰＭＭＡより低屈折率材料である、パーフルオロ溶媒に溶解した非晶質フッ素樹脂材を上記のシート状の光伝送部３１の表面および裏面に塗布、または印刷することにより１０μｍ厚のクラッド部３２を形成する（図５（ｂ））。次に、パターニングを行う準備としてフォトレジストにより２μｍ厚のマスク３３を全面に形成し、所望のパターンを得るための露光を行いマスク３３の所望個所（光拡散体を形成すべき個所）に１ｍｍ角の大きさの開孔３３ａを形成する（図５（ｃ））。次に、この開孔３３ａ部分のクラッド部３２を除去するため、ＣＦ４ などからなるガス系を用いてプラズマエッチングを行う（図５（ｄ））。この時、開孔３３ａ部分のクラッド部３２を完全に除去しようとすると、開孔３３ａ部分の光伝送部３１もダメージを受けることがあるが、この部分には最終的に、光を散乱させる光拡散体が形成されるので若干のダメージが生じても問題はない。次に、蒸着法により酸化マグネシウムなどからなる拡散材料を、開孔３３ａがある側の面全面に着膜させて５μｍ厚の光拡散層３４ａを形成し、さらに、その面全面に、蒸着法によりアルミニウムなどからなる５μｍ厚の反射膜３５ａを形成する（図５（ｅ））。次に、剥離溶液によって光拡散層３４ａ、反射膜３５ａ、およびマスク３３を剥離しリフトオフを行うことにより所望の光拡散体３４および反射層３５を得ることができる（図５（ｆ））。

なお、上記の説明において、開孔３３ａ、すなわち光拡散体３４の大きさは１ｍｍ角としているが、直径１ｍｍの円形状でもよい。また、光伝送部の厚みを０．５ｍｍ、クラッド部の厚みを１０μｍ、光拡散層の厚みを５μｍ、反射膜の厚みを５μｍとしたが、それら各部の光学特性を損なわない範囲であれば上記の寸法より厚くても薄くても差し支えない。

次に、上記のシート状の光データバスの他の製造方法について説明する。

図６は、図１に示した実施形態の光データバスの他の製造工程を示す模式図である。

図６（ａ）に示すように、先ず、図５におけると同様にして、シート状の光伝送部４１を得る（図６（ａ））。次に、光伝送部４１上の光拡散体を形成すべき個所に、蒸着法により酸化マグネシウムなどからなる拡散材料で光拡散体４４を形成し、次いでアルミニウムなどからなる反射層４５を形成する（図６（ｂ））。この場合は、蒸着時にマスクなどを用い予め信号光入射部に対応した部分にのみ光拡散層４４が形成されるようにする。次に、印刷法などにより光伝送部４１の両面にクラッド部４２を形成することにより光データバス４０が得られる（図６（ｃ））。光拡散体４４の厚さは５μｍであり、反射層４５の厚さも５μｍである。クラッド部４２は低屈折材料であるパーフルオロ溶媒に溶解した非晶質フッ素樹脂材を光伝送部４１の両面に塗布するかあるいは印刷するかして形成する。クラッド部４２の厚さは１０μｍである。

次に、光拡散体および反射層を光データバス上に形成する簡便な方法について説明する。

図７は、光データバス上に光拡散体および反射層を簡便に形成するための貼付部材の断面図である。

図７に示すように、この部材は透明性接着剤層５１、光拡散体５２、基材５３、および反射層５４よりなるシール様の貼付部材であり、光データバス上の所望個所に貼付することにより、光データバス上に光拡散体および反射層を簡便に形成するためのものである。透明性接着剤層５１はこの貼付部材を光データバスに接着させるための、２液硬化型アクリル系粘着剤からなる２０μｍの層であり、光拡散体５２はアクリル樹脂にシリカ系顔料を混入した拡散材料からなる１０μｍの層であり、基材５３はポリエステルフィルムなどからなる５０μｍの層であり、反射層５４はアルミニウムなどを蒸着法で形成した反射膜である。このような貼付部材を光データバス上の所望個所に貼付した後、印刷法などにより、パーフルオロ溶媒に溶解した非晶質フッ素樹脂材をこの貼付部材の上に印刷してクラッド部を形成することにより、本発明の光データバスを簡便に形成することができる。なお、透明性接着剤層５１の屈折率は光伝送部に用いるＰＭＭＡの屈折率１．４９よりも小さい１．４６程度とする。これはクラッド部として形成するパーフルオロ溶媒に溶解した非晶質フッ素樹脂材の屈折率１．３４よりも大きい。透明性接着剤層５１の屈折率が光伝送部の屈折率に近い値となっているので、光拡散体５２で拡散されたほとんどの信号光が光伝送部に入射される。また、透明性接着剤層５１の厚みは２０μｍと十分に薄いため、透明性接着剤層５１と光伝送部との界面で反射された光は再び光拡散体５２で散乱されることになるので、この部分での信号光の損失はない。

本発明の光データバスの第１の実施形態を示す斜視図およびそのＡ−Ａ’方向に見た断面図である。 図１に示した光データバス１内部を伝播する信号光の挙動を説明する図である。 図１に示した光データバスを複数枚積層した状態を示す図である。 本発明の信号処理装置の一実施形態を示す概要構成図である。 図１に示した光データバスの製造工程を示す模式図である。 図１に示した実施形態の光データバスの他の製造工程を示す模式図である。 光データバス上に光拡散体および反射層を簡便に形成するための貼付部材の断面図である。

符号の説明

１ 光データバス
２ 光拡散体
２ａ，２ｂ，２ｃ 信号光
３ 信号光
４ 内部散乱光
５ 信号光入射部
１１ 光伝送部
１１ａ 表面
１１ｂ 裏面
１２，１２ａ，１２ｂ クラッド部
１３ 発光素子
１４ 受光素子
１５ 光吸収層
２０ 信号処理装置
２１ 支持基板
２１ａ 電気的配線
２２ 光伝送部
２３ クラッド部
２４ 光データバス
２５ 信号光入出射部
２６ 回路
２７ 回路基板
２８ 信号光入出射端
２９ 基板固定部
３１ 光伝送部
３２ クラッド部
３３ マスク
３３ａ 開孔
３４ 光拡散体
３４ａ 光拡散層
３５ 反射層
３５ａ 反射膜
４０ 光データバス
４１ 光伝送部
４２ クラッド部
４４ 光拡散体
４５ 反射層
５１ 透明性接着剤層
５２ 光拡散体
５３ 基材
５４ 反射層

Claims (1)

1. 相対的に屈折率の大きい光伝送部と、相対的に屈折率の小さいクラッド部とを備えた、信号光の伝播を担う光データバスであって、
   該光データバスの表面に、信号光が入射される信号光入射部を備え、
   前記信号光入射部から入射した信号光の進路上の、前記光伝送部の表面に接する位置に、前記信号光入射部から入射した信号光を前記光伝送部に向けて拡散する光拡散体を備え、前記光伝送部が、前記光拡散体で拡散し、前記光伝送部の表面により反射した信号光を内部散乱光として伝播するものであることを特徴とする光データバス。

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