JP3651131B2 - 光バス装置および信号処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号の伝送を担う光バスを有する光バス装置、およびその光バス装置を用いたデータの送受を含む信号処理を行なう信号処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
起大規模集積回路（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為、各回路基板（ドーダーボード）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。
【０００３】
この様な問題を解決し並列バスの動作速度の向上を計る為に、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、『内田禎二、回路実装学術講演大会 １５Ｃ０１，ｐｐ．２０１〜２０２』や『Ｈ．Ｔｏｍｉｍｕｒｏ ｅｔ ａｌ．，“Ｐａｃｋａｇｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ”，ＩＥＥＥ Ｔｏｋｙｏ Ｎｏ．３３ ｐｐ．８１〜８６，１９９４』に記載されている様に、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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
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。この為、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・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為、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、自由空間を介して結合されている為、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することにより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。
【０００５】
自由空間を利用した回路基板相互間のデータ伝送の他の技術が、特開昭６１−１９６２１０号公報に開示されている。ここに開示された技術は、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、自由空間を利用した光路を介して回路基板間を光学的に結合する方式である。この方式では、１点から発せられた光を固定された１点にしか接続できず電気バスの様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、自由空間を利用しているので複雑な光学系が必要となり、位置合わせ等も難しい為、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、あるいは、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。
【０００６】
これらの問題を解決する手段として、入射した光を拡散して伝搬する光バスを採用することが考えられるが、このような光バスでは、拡散して伝搬した光の大部分が所望の出射ポイント以外の部分に伝搬し、あるいは、出射ポイントに伝搬しても、出射ポイントから出射した光が分散してしまうので、光の利用効率が低く、信号処理装置にこのような光バスを用いると、信号処理装置の処理速度が遅くなったり、消費電力が大きくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑み、温度変化や埃などの環境変化に対する耐性が高く、かつシステムの拡張に応じて回路基板の自由な脱着が容易に可能であって、しかも信号光の伝達効率を向上させた光バス装置、およびその光バス装置を採用した信号処理装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の光バス装置は、シート状に形成され入射端面から信号光を入射し該信号光を該入射端面とは反対側の出射端面に向け内部の伝送部を伝送して該出射端面から出射する光バスと、
前記出射端面と向き合う位置であって該出射端面とは離間した位置に配置された受光素子とを備え、
前記出射端面が、該出射端面から出射した信号光を、該前記受光素子に向けて集光するレンズ作用をなす、前記伝送部と一体形成された曲面からなることを特徴とする。
【０００９】
本発明の光バス装置は、上記のように、光バスの出射端面がその出射端面から出射する信号光を集光する曲面で形成されているので出射端面から出射する信号光を確実に受光素子に伝達することができ、光の利用効率を向上させることができる。また、信号光入射端面，信号光出射端面において、それぞれ、光バスと光学的に結合される回路基板の数を、この回路基板の、信号光入射端面，信号光出射端面と対向する最大数以内では自由に増減することができ、本発明の光バスを用いることにより、環境変化に強くかつ拡張性に富んだシステムを構築することができる。
【００１２】
また、上記光バス装置を採用した本発明の信号処理装置は、
（１）基体、
（２）信号光を出射する発光素子および該発光素子から出射される信号光に担持させる信号を生成する電子回路と、信号光を入射する受光素子および該受光素子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電子回路とのうちの少なくとも一方が搭載されるとともに複数枚に跨る全体として双方が搭載された複数枚の回路基板、
（３）シート状に形成され入射端面から信号光を入射し該信号光を該入射端面とは反対側の出射端面に向け内部の伝送部を伝送して該出射端面から出射する光バス、および
（４）前記回路基板に搭載された発光素子から出射した信号光が前記光バスの入射端面から入射するとともに、該光バスの出射端面から出射した信号光が前記回路基板に搭載された受光素子に入射する状態に、該回路基板を前記基体上に固定する複数の基体固定部を備え、
（３）の光バスの出射端面が、該出射端面から出射した信号光を前記回路基板に搭載された受光素子に向けて集光するレンズ作用をなす、前記伝送部と一体形成された曲面からなることを特徴とする。
【００１３】
本発明の信号処理装置によれば、本発明の光バス装置を利用しているので、光信号による高速通信を実現することができる。
さらに、本発明の信号処理装置は、回路基板は基体固定部に固定すると同時に、その回路基板に搭載された発光素子ないし受光素子が光バスと結合されるように構成することができ、微妙な位置合わせは不要となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の光バス装置を構成する光バスの実施形態であるシート状光データバスの平面図、図２は、図１に示すシート状光データバスの出射端面側の一部分を示す斜視図、図３は、図１に示すシート状光データバスのＡ−Ａ’断面図である。
【００１５】
図１に示すシート状光データバス１０は、光伝送層１１と、図２、図３に示すように、光伝送層１１を挟むように形成されたクラッド層１２とを備えている。図１に示すように、光伝送層１１の一端面は信号が入射する信号光入射端面１３であり、その一端面の反対側に位置する他端面は信号光が出射する信号光出射端面１４であり、この信号光出射端面１４は、図２、図３に示すように凸面形状をなしている。このため、この信号光出射端面１４から出射する信号光は、信号光出射端面１４から少し離れた位置に集光する。そこで、その位置を、例えば受光素子を配置するための信号光受光部とすることができる。
【００１６】
光伝送層１１は、信号光の伝送を担う層であり、この実施形態では光透過率の高い、一層当り厚さ０．５ｍｍのポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）が用いられている。
また、クラッド層１２は、光伝送層１１内の光が層の厚さ方向に漏れるのを抑える作用をなす層であり、光伝送層１１の屈折率よりも低い屈折率を有する材料が選定されている。ここでは、光伝送層１１にＰＭＭＡを採用したため、クラッド層には、含フッ素ポリマが好適に採用される。
【００１７】
以下に、上述した光伝送層１１の製造方法について述べる。
先ず、ＰＭＭＡが流し込まれる光伝送層の型を用意する。この型の、ＰＭＭＡが流し込まれる空間部分の厚さは、製造後の光伝送層の厚さが０．５ｍｍになるように調整されている。次に、この型をＰＭＭＡが充分に溶ける温度に加熱しておき、充分に加熱され溶融状態にあるＰＭＭＡをその型に流し込み、ゆっくりと時間をかけて冷却した後型から取り出す。このようにして、光伝送層１１の単層シートが製造される。
【００１８】
このようにして製造された光伝送層の単層シートを、クラッド層の単層シートで挟むようにして積み重ねた後、圧着することによって図１に示すシート状光データバス１０が構成される。
このように構成された本発明の第１実施形態のシート状光データバス１０は、クラッド層１２を備えているので、信号光入射端面１３から入射した信号光は層の厚さ方向に洩れることなく信号光出射端面１４へ伝搬させることができ、信号光出射端面１４が凸面形状をなしているので、信号光出射端面１４から出射した信号光を収束させることができる。
【００１９】
また、上記実施形態のシート状光データバス１０は、信号光の波長を互いに異なるようにして信号光を区別することにより、複数の信号光の同時送受信をすることができる。
尚、上記実施形態のシート状光データバス１０は、光伝送層１１を一層だけ備えているが、光伝送層１１を複数層備え、各伝送層に対応したビットからなる信号光を並列信号として送受信してもよい。
【００２０】
尚、上記実施形態のシート状光データバス１０では、光伝送層としてポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を用いたが、その代わりに、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネイト（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。
尚、上述の実施形態のシート状光データバス１０では、光伝送層のシート厚を０．５ｍｍとしたが、光学特性を損なわない範囲であれば、これより厚くても薄くても何ら問題はない。光伝送層あるいはクラッド層を薄く形成することにより、小さなスペースでバス幅の極めて広い光データバスが構成され、従ってデータの伝送レートを飛躍的に向上させることができる。
【００２１】
さらに、上記実施形態のシート状光データバス１０では、光伝送層、クラッド層として、プラスチック材料を用いたが、その代わりに石英系ガラス材料を用いることも可能である。石英系ガラス材料を用いる場合には、屈折率調整材料としてＰ2 Ｏ5 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，Ｂ2 Ｏ3 などを用いて特定の屈折率制御を施したシートを作製し、屈折率差の大きい組み合わせとすることが好ましい。
【００２２】
また、上記実施形態のシート状光データバス１０では、光伝送層とクラッド層の各単層シートを予め用意した後、圧着等によって積層構造を形成しているが、化学的気相成長法、電子線蒸着法、プラズマ重合法などの真空成膜装置内で所望の積層構造を連続形成することも可能であり、また、それらの構成物質を溶剤に溶かした材料を用いてスピンコーティング法やロールコーティング法により所望の積層構造を形成することも可能である。
【００２３】
図４は、信号光出射端面の信号光受光部に受光素子が配置された光データバスの一部破断平面図、図５は、図４に示す光データバスのＡ−Ａ’断面図である。
この光データバス４０は、一層の光伝送層４５から構成されており、この光伝送層４５の信号光入射端面４１から信号光が入射され、その反対側の信号光出射端面４２からその信号光が出射する。この信号光出射端面４２は、前述の第１実施形態と同様、凸面形状をなしている。また、光データバス４０の表裏面の、信号光出射端面４２に配置される各受光素子４４の近傍部分の表裏面には、この近傍部分の表裏面に向かって進んだ信号光をこれら表裏面で反射しながら、各受光素子４４が配置された信号光受光部に集光する反射面４３が形成されている。この反射面４３には、各受光素子４４を中心として同心円状に広がるとともに互いに平行であって、かつそのＡ−Ａ’断面が、図５に示すようにのこぎり歯形状をなす複数の帯状の面が形成されている。
【００２４】
上述した光データバス４０の製造方法は、図１に示すシート状光データバスの製造方法と同様であり、先ず、ＰＭＭＡが流し込まれる光伝送層の型を用意し、次に、この型をＰＭＭＡが充分に溶ける温度に加熱しておき、充分に加熱され溶融状態にあるＰＭＭＡをその型に流し込み、ゆっくりと時間をかけて冷却した後型から取り出すことによって製造される。
【００２５】
このようにして製造された光データバス４０は、表裏面に同心円状に広がる複数の帯状の面が形成された反射面４３を備えているので、信号光入射端面４１から入射し、表裏面に向かって伝搬してきた信号光を、表面に形成された反射面４３と裏面に形成された反射面４３とで反射しながら受光素子４４に集光することができる。
【００２６】
図６は、信号光出射端面の信号光受光部に受光素子が配置された光シートバスの信号光出射端面側の一部を示した斜視図である。
この光データバス６０は、一層の光伝送層６１から構成されており、光データバス６０の、信号光出射端面６２に配置される各受光素子６３の近傍部分には、この近傍部分に向かって進んだ信号光を各受光素子６３に集光する屈折率分布部６４が形成されている。
【００２７】
以下に、光データバス６０の製造方法を説明しながら、屈折率分布部６４の形成方法について述べる。尚、光伝送層６１の材料には、光透過率の高いＰＭＭＡを用いる。
先ず、ＰＭＭＡが流し込まれる光伝送層の型を用意する。
次に、この型をＰＭＭＡが充分に溶ける温度に加熱しておき、充分に加熱され溶融状態にあるＰＭＭＡをその型に流し込み、ゆっくりと時間をかけて冷却した後型から取り出す。このようにして、光伝送層６１が作製される。
【００２８】
次に、光伝送層６１の、屈折率分布部６４を作製する部分に、反応性発色団（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅｓ）を、信号光出射端面６２の延びる方向と同一方向に延びる帯形状にドーピングする。この実施形態では、反応性発色団としてＤＭＡＰＮが用いられる。
次に、ＤＭＡＰＮがドーピングされた領域内の、この領域内の中心部分から両端部分に向かうにつれて順次間隔が広くなる、同一方向に並ぶ極めて幅の狭い帯状領域６４ａだけがＵＶ（紫外線）露光されるように作製されたフォトマスクを用意し、このフォトマスクを用いて帯状領域６４ａだけをＵＶ露光する。図６では、帯状領域６４ａどうしの間隔を理解しやすいように、帯状領域６４ａの数を減らして示しているが、実際には、ＵＶ露光される帯状領域６４ａの数は図６に示す以上に存在する。このようにＵＶ露光されることにより、光伝送層６１の、ＤＭＡＰＮがドーピングされた領域は屈折率が変化し、屈折率分布部６４が形成される。
【００２９】
このようにして、屈折率分布部６４が形成された光データバス６０が製造される。
上述したようにして形成された屈折率分布部６４は、その屈折率分布部６４の内部で全体として屈折率分布を持った領域である。以下に、屈折率が分布を持つ理由について述べる。
【００３０】
光伝送層６１の露光されない領域の屈折率は１．４９であるが、光伝送層６１の、ＤＭＡＰＮのドーピングされた領域がＵＶ露光されると、この領域の屈折率は１．５７以上に変化する。ＤＭＡＰＮのドーピングされた領域内の中心部分では、ＵＶ露光された帯状領域６４ａどうしの間隔は狭いが、ＤＭＡＰＮのドーピングされた領域内の中心部分から両端部分に向かうにつれて、ＵＶ露光された帯状領域６４ａどうしの間隔が広くなる。したがって、ＤＭＡＰＮのドーピングされた領域では、この領域の中心部分では屈折率が大きく、中心部分から両端部分に向かうにつれて屈折率は小さくなる。したがって、屈折率分布部６４は中央部の屈折率が大きく両端に向かうに従って屈折率が低下する屈折率分布をもつ。連続的に屈折率が変化する。
【００３１】
このように、光データバス６０は、屈折率分布部６４が形成されているので、屈折率分布部６４信号光入射端面から入射した信号光を受光素子６３に向けて集光することができる。
図７は、光データバスと、その光データバスによって相互に光学的に接続された複数の回路基板とを有する本発明の信号処理装置の一実施形態の概略構成図である。
【００３２】
光データバス７０は、光伝送層７１と、その光伝送層７１を挟むように形成されたクラッド層７２とが多数層にわたって積層された構造を有しており、光伝送層７１の、回路基板７７が備えている発光素子７９と対向する面が信号光入射面７３であり、光伝送層７１の、回路基板７７が備えている受光素子８０と対向する面が信号光出射面７４であり、この信号光出射面７４は凸面形状をなしている（図２、図３参照）。
【００３３】
光伝送層７１は、図１〜図３に示す光伝送層１１と同様の方法で製造されており、またクラッド層７２は、図２、図３に示すクラッド層１２と同様に光伝送層７１よりも低い屈折率を有する材料が選定される。ここでは、光伝送層７１にＰＭＭＡを採用し、クラッド層には含フッ素ポリマが好適に採用される。
これらの光伝送層及びクラッド層の各単層シートを用意し、光伝送層の単層シートをクラッド層の単相シートで挟むようにして積み重ねた後圧着することによって光データバス７０が構成される。
【００３４】
このように構成された光データバス７０は、本発明にいう基体の一例であるマザーボード７５上に固定されている。また、マザーボード７５上には、本発明にいう基体固定部の一例であるコネクタ７６が複数固定され、各コネクタ７６には、各回路基板７７が着脱自在に装着される。
マザーボード７５上には、電源ラインや電気伝送用の、図示しない電気的配線が設けられており、それらの電気的配線は、コネクタ７５を経由してコネクタ７６に装着された回路基板７７上の起大規模集積回路（ＶＬＳＩ）７８と電気的に接続されている。
【００３５】
また、各回路基板７７には、発光素子７９、受光素子８０が備えられており、その回路基板７７をコネクタ７６に装着すると、発光素子７９は、光データバス７０の信号光入射端面７３と光学的に結合されるように配置され、また、受光素子８０は、光データバス７０の信号光出射端面７４と光学的に結合されるように配置される。
【００３６】
このように構成された信号処理装置では、ある回路基板７７の発光素子７９から出射された信号光は、光データバス７０の光伝送層７１に入射し、光伝送層７１内を伝搬して、光データバス７０の信号光出射面７４に伝送され、その信号光出射面７４に光学的に結合された受光素子８０で受光される。
上述したように上記実施形態の光データバスは、信号光出射端面７４が凸面形状をなしているので、信号光出射端面７４から出射した信号光を受光素子８０に向けて集光することができ、また、複数の光伝送層を備えているので、光伝送層に対応したビットからなる信号光を並列信号として送受信することができる。
【００３７】
また、上述したように上記実施形態の信号処理装置は、光データバス７０を備えているので、この光データバス７０の信号光出射端面７４から出射した信号光は効率よく各回路基板７７の受光素子８０で受光され、高速信号処理と低消費電力を実現できる。
さらに、上記実施形態の信号処理装置は、回路基板をコネクタに正しく装着するだけで、回路基板とマザーボード上の電気的配線との電気的結合及び回路基板と光データバスとの光学的結合を完了することができ、微妙な位置合わせは不要になる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光バス装置は、光バスの信号光入射端面から信号光を入射し、光バスを伝搬する信号光を受光素子に向かって集光するものであるため、信号光を効率よく受光素子に伝達することができるとともに環境変化に強く、かつその光バスによって電気信号伝送用バスのような電磁ノイズを発生させることもない。
【００３９】
また、本発明の信号処理装置によれば、ある回路基板からの出力信号は、光バスを介して他の全ての回路基板に同時に効率よく伝送されるため、高速に信号処理ができるとともに低消費電力を実現することができる。また、本発明の信号処理装置によれば、システム拡張のために回路基板を自由に抜き差し可能であり、この際、空きスロットに特別な短絡コネクタなどを用いる必要もなく、拡張性に富んだシステムが構成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の光バス装置を構成する光バスの実施形態であるシート状光データバスの平面図である。
【図２】図１に示すシート状光データバスの出射端面側の一部分を示す斜視図である。
【図３】図１に示すシート状光データバスのＡ−Ａ’断面図である。
【図４】 信号光出射端面の信号光受光部に受光素子が配置された光データバスの一部破断平面図である。
【図５】図４に示す光データバスのＡ−Ａ’断面図である。
【図６】 信号光出射端面の信号光受光部に受光素子が配置された光シートバスの信号光出射端面側の一部を示した斜視図である。
【図７】 光データバスと、その光データバスによって相互に光学的に接続された複数の回路基板とを有する本発明の信号処理装置の一実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
１０，４０，６０，７０ 光データバス
１１，４５，６１，７１ 光伝送層
１２，７２ クラッド層
１３，４１，７３ 信号光入射端面
１４，４２，６２，７４ 信号光出射端面
４３ 反射面
４４，６３，８０ 受光素子
６４ 屈折率分布部
６４ａ 帯状領域
７５ マザーボード
７６ コネクタ
７７ 回路基板
７８ 起大規模集積回路（ＶＬＳＩ）
７９ 発光素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号の伝送を担う光バスを有する光バス装置、およびその光バス装置を用いたデータの送受を含む信号処理を行なう信号処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
起大規模集積回路（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為、各回路基板（ドーダーボード）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。
【０００３】
この様な問題を解決し並列バスの動作速度の向上を計る為に、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、『内田禎二、回路実装学術講演大会 １５Ｃ０１，ｐｐ．２０１〜２０２』や『Ｈ．Ｔｏｍｉｍｕｒｏ ｅｔ ａｌ．，“Ｐａｃｋａｇｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ”，ＩＥＥＥ Ｔｏｋｙｏ Ｎｏ．３３ ｐｐ．８１〜８６，１９９４』に記載されている様に、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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
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。この為、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・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為、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、自由空間を介して結合されている為、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することにより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。
【０００５】
自由空間を利用した回路基板相互間のデータ伝送の他の技術が、特開昭６１−１９６２１０号公報に開示されている。ここに開示された技術は、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、自由空間を利用した光路を介して回路基板間を光学的に結合する方式である。この方式では、１点から発せられた光を固定された１点にしか接続できず電気バスの様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、自由空間を利用しているので複雑な光学系が必要となり、位置合わせ等も難しい為、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、あるいは、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。
【０００６】
これらの問題を解決する手段として、入射した光を拡散して伝搬する光バスを採用することが考えられるが、このような光バスでは、拡散して伝搬した光の大部分が所望の出射ポイント以外の部分に伝搬し、あるいは、出射ポイントに伝搬しても、出射ポイントから出射した光が分散してしまうので、光の利用効率が低く、信号処理装置にこのような光バスを用いると、信号処理装置の処理速度が遅くなったり、消費電力が大きくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑み、温度変化や埃などの環境変化に対する耐性が高く、かつシステムの拡張に応じて回路基板の自由な脱着が容易に可能であって、しかも信号光の伝達効率を向上させた光バス装置、およびその光バス装置を採用した信号処理装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の光バス装置は、シート状に形成され入射端面から信号光を入射し該信号光を該入射端面とは反対側の出射端面に向け内部の伝送部を伝送して該出射端面から出射する光バスと、
前記出射端面と向き合う位置であって該出射端面とは離間した位置に配置された受光素子とを備え、
前記出射端面が、該出射端面から出射した信号光を、該前記受光素子に向けて集光するレンズ作用をなす、前記伝送部と一体形成された曲面からなることを特徴とする。
【０００９】
本発明の光バス装置は、上記のように、光バスの出射端面がその出射端面から出射する信号光を集光する曲面で形成されているので出射端面から出射する信号光を確実に受光素子に伝達することができ、光の利用効率を向上させることができる。また、信号光入射端面，信号光出射端面において、それぞれ、光バスと光学的に結合される回路基板の数を、この回路基板の、信号光入射端面，信号光出射端面と対向する最大数以内では自由に増減することができ、本発明の光バスを用いることにより、環境変化に強くかつ拡張性に富んだシステムを構築することができる。
【００１２】
また、上記光バス装置を採用した本発明の信号処理装置は、
（１）基体、
（２）信号光を出射する発光素子および該発光素子から出射される信号光に担持させる信号を生成する電子回路と、信号光を入射する受光素子および該受光素子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電子回路とのうちの少なくとも一方が搭載されるとともに複数枚に跨る全体として双方が搭載された複数枚の回路基板、
（３）シート状に形成され入射端面から信号光を入射し該信号光を該入射端面とは反対側の出射端面に向け内部の伝送部を伝送して該出射端面から出射する光バス、および
（４）前記回路基板に搭載された発光素子から出射した信号光が前記光バスの入射端面から入射するとともに、該光バスの出射端面から出射した信号光が前記回路基板に搭載された受光素子に入射する状態に、該回路基板を前記基体上に固定する複数の基体固定部を備え、
（３）の光バスの出射端面が、該出射端面から出射した信号光を前記回路基板に搭載された受光素子に向けて集光するレンズ作用をなす、前記伝送部と一体形成された曲面からなることを特徴とする。
【００１３】
本発明の信号処理装置によれば、本発明の光バス装置を利用しているので、光信号による高速通信を実現することができる。
さらに、本発明の信号処理装置は、回路基板は基体固定部に固定すると同時に、その回路基板に搭載された発光素子ないし受光素子が光バスと結合されるように構成することができ、微妙な位置合わせは不要となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の光バス装置を構成する光バスの実施形態であるシート状光データバスの平面図、図２は、図１に示すシート状光データバスの出射端面側の一部分を示す斜視図、図３は、図１に示すシート状光データバスのＡ−Ａ’断面図である。
【００１５】
図１に示すシート状光データバス１０は、光伝送層１１と、図２、図３に示すように、光伝送層１１を挟むように形成されたクラッド層１２とを備えている。図１に示すように、光伝送層１１の一端面は信号が入射する信号光入射端面１３であり、その一端面の反対側に位置する他端面は信号光が出射する信号光出射端面１４であり、この信号光出射端面１４は、図２、図３に示すように凸面形状をなしている。このため、この信号光出射端面１４から出射する信号光は、信号光出射端面１４から少し離れた位置に集光する。そこで、その位置を、例えば受光素子を配置するための信号光受光部とすることができる。
【００１６】
光伝送層１１は、信号光の伝送を担う層であり、この実施形態では光透過率の高い、一層当り厚さ０．５ｍｍのポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）が用いられている。
また、クラッド層１２は、光伝送層１１内の光が層の厚さ方向に漏れるのを抑える作用をなす層であり、光伝送層１１の屈折率よりも低い屈折率を有する材料が選定されている。ここでは、光伝送層１１にＰＭＭＡを採用したため、クラッド層には、含フッ素ポリマが好適に採用される。
【００１７】
以下に、上述した光伝送層１１の製造方法について述べる。
先ず、ＰＭＭＡが流し込まれる光伝送層の型を用意する。この型の、ＰＭＭＡが流し込まれる空間部分の厚さは、製造後の光伝送層の厚さが０．５ｍｍになるように調整されている。次に、この型をＰＭＭＡが充分に溶ける温度に加熱しておき、充分に加熱され溶融状態にあるＰＭＭＡをその型に流し込み、ゆっくりと時間をかけて冷却した後型から取り出す。このようにして、光伝送層１１の単層シートが製造される。
【００１８】
このようにして製造された光伝送層の単層シートを、クラッド層の単層シートで挟むようにして積み重ねた後、圧着することによって図１に示すシート状光データバス１０が構成される。
このように構成された本発明の第１実施形態のシート状光データバス１０は、クラッド層１２を備えているので、信号光入射端面１３から入射した信号光は層の厚さ方向に洩れることなく信号光出射端面１４へ伝搬させることができ、信号光出射端面１４が凸面形状をなしているので、信号光出射端面１４から出射した信号光を収束させることができる。
【００１９】
また、上記実施形態のシート状光データバス１０は、信号光の波長を互いに異なるようにして信号光を区別することにより、複数の信号光の同時送受信をすることができる。
尚、上記実施形態のシート状光データバス１０は、光伝送層１１を一層だけ備えているが、光伝送層１１を複数層備え、各伝送層に対応したビットからなる信号光を並列信号として送受信してもよい。
【００２０】
尚、上記実施形態のシート状光データバス１０では、光伝送層としてポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を用いたが、その代わりに、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネイト（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。
尚、上述の実施形態のシート状光データバス１０では、光伝送層のシート厚を０．５ｍｍとしたが、光学特性を損なわない範囲であれば、これより厚くても薄くても何ら問題はない。光伝送層あるいはクラッド層を薄く形成することにより、小さなスペースでバス幅の極めて広い光データバスが構成され、従ってデータの伝送レートを飛躍的に向上させることができる。
【００２１】
さらに、上記実施形態のシート状光データバス１０では、光伝送層、クラッド層として、プラスチック材料を用いたが、その代わりに石英系ガラス材料を用いることも可能である。石英系ガラス材料を用いる場合には、屈折率調整材料としてＰ2 Ｏ5 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，Ｂ2 Ｏ3 などを用いて特定の屈折率制御を施したシートを作製し、屈折率差の大きい組み合わせとすることが好ましい。
【００２２】
また、上記実施形態のシート状光データバス１０では、光伝送層とクラッド層の各単層シートを予め用意した後、圧着等によって積層構造を形成しているが、化学的気相成長法、電子線蒸着法、プラズマ重合法などの真空成膜装置内で所望の積層構造を連続形成することも可能であり、また、それらの構成物質を溶剤に溶かした材料を用いてスピンコーティング法やロールコーティング法により所望の積層構造を形成することも可能である。
【００２３】
図４は、信号光出射端面の信号光受光部に受光素子が配置された光データバスの一部破断平面図、図５は、図４に示す光データバスのＡ−Ａ’断面図である。
この光データバス４０は、一層の光伝送層４５から構成されており、この光伝送層４５の信号光入射端面４１から信号光が入射され、その反対側の信号光出射端面４２からその信号光が出射する。この信号光出射端面４２は、前述の第１実施形態と同様、凸面形状をなしている。また、光データバス４０の表裏面の、信号光出射端面４２に配置される各受光素子４４の近傍部分の表裏面には、この近傍部分の表裏面に向かって進んだ信号光をこれら表裏面で反射しながら、各受光素子４４が配置された信号光受光部に集光する反射面４３が形成されている。この反射面４３には、各受光素子４４を中心として同心円状に広がるとともに互いに平行であって、かつそのＡ−Ａ’断面が、図５に示すようにのこぎり歯形状をなす複数の帯状の面が形成されている。
【００２４】
上述した光データバス４０の製造方法は、図１に示すシート状光データバスの製造方法と同様であり、先ず、ＰＭＭＡが流し込まれる光伝送層の型を用意し、次に、この型をＰＭＭＡが充分に溶ける温度に加熱しておき、充分に加熱され溶融状態にあるＰＭＭＡをその型に流し込み、ゆっくりと時間をかけて冷却した後型から取り出すことによって製造される。
【００２５】
このようにして製造された光データバス４０は、表裏面に同心円状に広がる複数の帯状の面が形成された反射面４３を備えているので、信号光入射端面４１から入射し、表裏面に向かって伝搬してきた信号光を、表面に形成された反射面４３と裏面に形成された反射面４３とで反射しながら受光素子４４に集光することができる。
【００２６】
図６は、信号光出射端面の信号光受光部に受光素子が配置された光シートバスの信号光出射端面側の一部を示した斜視図である。
この光データバス６０は、一層の光伝送層６１から構成されており、光データバス６０の、信号光出射端面６２に配置される各受光素子６３の近傍部分には、この近傍部分に向かって進んだ信号光を各受光素子６３に集光する屈折率分布部６４が形成されている。
【００２７】
以下に、光データバス６０の製造方法を説明しながら、屈折率分布部６４の形成方法について述べる。尚、光伝送層６１の材料には、光透過率の高いＰＭＭＡを用いる。
先ず、ＰＭＭＡが流し込まれる光伝送層の型を用意する。
次に、この型をＰＭＭＡが充分に溶ける温度に加熱しておき、充分に加熱され溶融状態にあるＰＭＭＡをその型に流し込み、ゆっくりと時間をかけて冷却した後型から取り出す。このようにして、光伝送層６１が作製される。
【００２８】
次に、光伝送層６１の、屈折率分布部６４を作製する部分に、反応性発色団（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅｓ）を、信号光出射端面６２の延びる方向と同一方向に延びる帯形状にドーピングする。この実施形態では、反応性発色団としてＤＭＡＰＮが用いられる。
次に、ＤＭＡＰＮがドーピングされた領域内の、この領域内の中心部分から両端部分に向かうにつれて順次間隔が広くなる、同一方向に並ぶ極めて幅の狭い帯状領域６４ａだけがＵＶ（紫外線）露光されるように作製されたフォトマスクを用意し、このフォトマスクを用いて帯状領域６４ａだけをＵＶ露光する。図６では、帯状領域６４ａどうしの間隔を理解しやすいように、帯状領域６４ａの数を減らして示しているが、実際には、ＵＶ露光される帯状領域６４ａの数は図６に示す以上に存在する。このようにＵＶ露光されることにより、光伝送層６１の、ＤＭＡＰＮがドーピングされた領域は屈折率が変化し、屈折率分布部６４が形成される。
【００２９】
このようにして、屈折率分布部６４が形成された光データバス６０が製造される。
上述したようにして形成された屈折率分布部６４は、その屈折率分布部６４の内部で全体として屈折率分布を持った領域である。以下に、屈折率が分布を持つ理由について述べる。
【００３０】
光伝送層６１の露光されない領域の屈折率は１．４９であるが、光伝送層６１の、ＤＭＡＰＮのドーピングされた領域がＵＶ露光されると、この領域の屈折率は１．５７以上に変化する。ＤＭＡＰＮのドーピングされた領域内の中心部分では、ＵＶ露光された帯状領域６４ａどうしの間隔は狭いが、ＤＭＡＰＮのドーピングされた領域内の中心部分から両端部分に向かうにつれて、ＵＶ露光された帯状領域６４ａどうしの間隔が広くなる。したがって、ＤＭＡＰＮのドーピングされた領域では、この領域の中心部分では屈折率が大きく、中心部分から両端部分に向かうにつれて屈折率は小さくなる。したがって、屈折率分布部６４は中央部の屈折率が大きく両端に向かうに従って屈折率が低下する屈折率分布をもつ。連続的に屈折率が変化する。
【００３１】
このように、光データバス６０は、屈折率分布部６４が形成されているので、屈折率分布部６４信号光入射端面から入射した信号光を受光素子６３に向けて集光することができる。
図７は、光データバスと、その光データバスによって相互に光学的に接続された複数の回路基板とを有する本発明の信号処理装置の一実施形態の概略構成図である。
【００３２】
光データバス７０は、光伝送層７１と、その光伝送層７１を挟むように形成されたクラッド層７２とが多数層にわたって積層された構造を有しており、光伝送層７１の、回路基板７７が備えている発光素子７９と対向する面が信号光入射面７３であり、光伝送層７１の、回路基板７７が備えている受光素子８０と対向する面が信号光出射面７４であり、この信号光出射面７４は凸面形状をなしている（図２、図３参照）。
【００３３】
光伝送層７１は、図１〜図３に示す光伝送層１１と同様の方法で製造されており、またクラッド層７２は、図２、図３に示すクラッド層１２と同様に光伝送層７１よりも低い屈折率を有する材料が選定される。ここでは、光伝送層７１にＰＭＭＡを採用し、クラッド層には含フッ素ポリマが好適に採用される。
これらの光伝送層及びクラッド層の各単層シートを用意し、光伝送層の単層シートをクラッド層の単相シートで挟むようにして積み重ねた後圧着することによって光データバス７０が構成される。
【００３４】
このように構成された光データバス７０は、本発明にいう基体の一例であるマザーボード７５上に固定されている。また、マザーボード７５上には、本発明にいう基体固定部の一例であるコネクタ７６が複数固定され、各コネクタ７６には、各回路基板７７が着脱自在に装着される。
マザーボード７５上には、電源ラインや電気伝送用の、図示しない電気的配線が設けられており、それらの電気的配線は、コネクタ７５を経由してコネクタ７６に装着された回路基板７７上の起大規模集積回路（ＶＬＳＩ）７８と電気的に接続されている。
【００３５】
また、各回路基板７７には、発光素子７９、受光素子８０が備えられており、その回路基板７７をコネクタ７６に装着すると、発光素子７９は、光データバス７０の信号光入射端面７３と光学的に結合されるように配置され、また、受光素子８０は、光データバス７０の信号光出射端面７４と光学的に結合されるように配置される。
【００３６】
このように構成された信号処理装置では、ある回路基板７７の発光素子７９から出射された信号光は、光データバス７０の光伝送層７１に入射し、光伝送層７１内を伝搬して、光データバス７０の信号光出射面７４に伝送され、その信号光出射面７４に光学的に結合された受光素子８０で受光される。
上述したように上記実施形態の光データバスは、信号光出射端面７４が凸面形状をなしているので、信号光出射端面７４から出射した信号光を受光素子８０に向けて集光することができ、また、複数の光伝送層を備えているので、光伝送層に対応したビットからなる信号光を並列信号として送受信することができる。
【００３７】
また、上述したように上記実施形態の信号処理装置は、光データバス７０を備えているので、この光データバス７０の信号光出射端面７４から出射した信号光は効率よく各回路基板７７の受光素子８０で受光され、高速信号処理と低消費電力を実現できる。
さらに、上記実施形態の信号処理装置は、回路基板をコネクタに正しく装着するだけで、回路基板とマザーボード上の電気的配線との電気的結合及び回路基板と光データバスとの光学的結合を完了することができ、微妙な位置合わせは不要になる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光バス装置は、光バスの信号光入射端面から信号光を入射し、光バスを伝搬する信号光を受光素子に向かって集光するものであるため、信号光を効率よく受光素子に伝達することができるとともに環境変化に強く、かつその光バスによって電気信号伝送用バスのような電磁ノイズを発生させることもない。
【００３９】
また、本発明の信号処理装置によれば、ある回路基板からの出力信号は、光バスを介して他の全ての回路基板に同時に効率よく伝送されるため、高速に信号処理ができるとともに低消費電力を実現することができる。また、本発明の信号処理装置によれば、システム拡張のために回路基板を自由に抜き差し可能であり、この際、空きスロットに特別な短絡コネクタなどを用いる必要もなく、拡張性に富んだシステムが構成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の光バス装置を構成する光バスの実施形態であるシート状光データバスの平面図である。
【図２】図１に示すシート状光データバスの出射端面側の一部分を示す斜視図である。
【図３】図１に示すシート状光データバスのＡ−Ａ’断面図である。
【図４】 信号光出射端面の信号光受光部に受光素子が配置された光データバスの一部破断平面図である。
【図５】図４に示す光データバスのＡ−Ａ’断面図である。
【図６】 信号光出射端面の信号光受光部に受光素子が配置された光シートバスの信号光出射端面側の一部を示した斜視図である。
【図７】 光データバスと、その光データバスによって相互に光学的に接続された複数の回路基板とを有する本発明の信号処理装置の一実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
１０，４０，６０，７０ 光データバス
１１，４５，６１，７１ 光伝送層
１２，７２ クラッド層
１３，４１，７３ 信号光入射端面
１４，４２，６２，７４ 信号光出射端面
４３ 反射面
４４，６３，８０ 受光素子
６４ 屈折率分布部
６４ａ 帯状領域
７５ マザーボード
７６ コネクタ
７７ 回路基板
７８ 起大規模集積回路（ＶＬＳＩ）
７９ 発光素子
Claims (2)
- シート状に形成され入射端面から信号光を入射し該信号光を該入射端面とは反対側の出射端面に向け内部の伝送部を伝送して該出射端面から出射する光バスと、
前記出射端面と向き合う位置であって該出射端面とは離間した位置に配置された受光素子とを備え、
前記出射端面が、該出射端面から出射した信号光を、該前記受光素子に向けて集光するレンズ作用をなす、前記伝送部と一体形成された曲面からなることを特徴とする光バス装置。 - 基体、
信号光を出射する発光素子および該発光素子から出射される信号光に担持させる信号を生成する電子回路と、信号光を入射する受光素子および該受光素子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電子回路とのうちの少なくとも一方が搭載されるとともに複数枚に跨る全体として双方が搭載された複数枚の回路基板、
シート状に形成され入射端面から信号光を入射し該信号光を該入射端面とは反対側の出射端面に向け内部の伝送部を伝送して該出射端面から出射する光バス、および
前記回路基板に搭載された発光素子から出射した信号光が前記光バスの入射端面から入射するとともに、該光バスの出射端面から出射した信号光が前記回路基板に搭載された受光素子に入射する状態に、該回路基板を前記基体上に固定する複数の基体固定部を備え、
前記光バスの出射端面が、該出射端面から出射した信号光を前記回路基板に搭載された受光素子に向けて集光するレンズ作用をなす、前記伝送部と一体形成された曲面からなることを特徴とする信号処理装置。
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