JP3808521B2 - スマート・スキン・アレイ（利口な表層配列）に織られた光ファイバー・リボンおよび配列物およびそのパッケージ化 - Google Patents

Description

【０００１】
【関連出願との相互参照】
本出願は、同じ出願者による同時係属出願の１９９２年１２月３０日付け米国特許出願一連番号第０７／９９８２３４号の部分継続出願であり、該出願は、１９９１年３月１９日付け米国特許出願一連番号第０７／６７１５８２号すなわち１９９３年１０月２６日付け米国特許第５２５６４６８号の分割出願である。
【０００２】
【産業上の利用分野】
本発明は、光学システムおよび光ファイバーに係わり、より詳しくは、航空機その他高度並列高性能コンピュータ・システムや地域通信網用インターコネクトなどのための光学バックプレーン等に用いられるセンサーあるいは「利口な」表層をつくるために他の材料に織り込まれる光ファイバーに係わる。
【０００３】
【従来の技術】
光ファイバー技術は、各種航空機および宇宙船、高度並列高性能コンピュータ・システムのデータ伝送、および地域通信網用インターコネクトなどにおいてその重要性を増している。大きさ、重量、通信密度の諸点ですぐれていること、妨害を受けないこと、頑丈なことなどから、光ファイバー技術は、高速通信機能や円滑な通信接続機能を必要とする分野でますますその用途を広げている。
航空機および宇宙船の製造においては、機体あるいは船体の表層内に光ファイバーを用い、それによって「利口な」表層をつくって複合材料の中に埋め込まれたセンサーを実現し、別個に通信連絡回路を設ける必要なしにまたそれに伴う不都合なしに機体または船体に関する情報を伝送できるようにするのが最新のコンセプトとなっている。
グラスファイバーを用いて織られた材料の機械的性質はかなりよく知られている。この種の材料は、引張り強さ、可橈性、各種気象条件に対する耐力、化学物質に対する耐力、裂け強さ、寸法の安定性、耐磨耗性などの機械的性質がすぐれている。
【０００４】
個々の光ファイバーが、その全長にわたって光信号を伝送することができ、またきわめて大きい帯域幅を有することも知られている。個々の光ファイバーは、すぐれた光学的性質をもっているが、きわめて脆い。個々のファイバーを損傷を受けない方法で保持する各種技術も開発されている。例えば、ケーブルあるいは他の保護材料の中に収める方法も多く用いられる。さらに、個々のファイバーをまとめて大量の情報を搬送できるケーブルとすることもできる。
光ファイバーの保護に広く用いられている技術に、エポキシ材料のカプセルに入れて剛性と強度をあたえるものがある。例えば、米国特許第４５４７０４０号には、光ファイバーが埋め込み用材料に保持された光ファイバー装置が記載されている。
個々の光ファイバーを織ってシート状にしたものもある。例えば、米国特許第４９０７１３２号には、光ファイバーを織ってパネルにしたものが記載されている。ファイバーが経糸の繊維を横切るところでコーテングが取り除かれ、ファイバーが発光する。すなわち、ファイバーでつくられたパネルが発光する。米国特許第４８８５６６３号は、ファイバーが経糸を横切るところでファイバーが曲げられて不連続となり、そこが発光する構成の織られた光ファイバーを開示している。この構造の目的は、発光パネルを提供することである。
【０００５】
米国特許第４９５２０２０号および第４４６８０８９号など他の参照文献には、光ファイバーがさまざまな方法でカプセルに入れられて上に述べたようなケーブル装置を形成するものが開示さている。遺憾ながら、これらの特許に記載されているケーブル装置は、高価であり、シート状構造物をつくるのに用いることはできない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバーを応用して航空機または宇宙船用の「利口な」表層を形成することを記載した文献は多い。エリック・ユドの「光ファイバー表層および構造的センサー」（Eric Udd:"Fiber Optic Skinand Structural Sensors", Industrial Metrology 1 (1990) 3-18） には、 センサーとして用いられる表層材料に光
ファイバーを使用することが記載されている。しかし、この論文は、ファイバーを単に構造的材料に埋め込まれるものとして扱っているだけである。ファイバーをこのように埋め込むことには、次に紹介する論文に述べられているような不都合が伴う。
コーサー・タラットの「利口な表層および光ファイバー・センサーの応用および問題」（ Kausar Talat: "Smart Skins and Fiber-optic Sensors Application and Issues, Seattle, Washington （未公開出版物））には、光ファイバー自身の物理的性質がセンサーとして用いられる光ファイバーを埋め込んだ材料が記載されている。この論文に記載されている複合材料は、積層構造物の内部に配設された光ファイバーを含むものである。構造物の端部では、光ファイバーが管を通る構成となっており、該管は、光ファイバーが積層構造物から出るところで光ファイバーの微量の曲げを防ぐために挿入される。当該論文にも記載されているように、積層構造は、光ファイバーの硬化中によじれを生じさせ、ファイバーの各種損失その他当該論文に述べられている各種不都合をまねく。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の多くの問題を解決する構造物を提供するものである。本発明にもとづけば、光ファイバーは、導路に導入されて支持構造物に中に織り込まれる。光ファイバーは、ゼロ経糸の位置に配置され、乗り越えあるいは微量曲げを生じることなく導路内に支持される。「ゼロ経糸」は、「ゼロ度経糸」とも呼ばれ、経糸が例えば公知の無地織り法の位置に配置される方法をいう。この方法では、二組の繊維が互いに垂直に織り合わされる。一組の繊維、すなわちゼロ度経糸あるいはゼロ経糸は、針に対して垂直方向にまっすぐ平行に配置される。他の一組の繊維、すなわち緯糸は、経糸に対して９０度の角度で経糸と織り合わされる。
本発明にもとづけば、光ファイバーは、支持材料の繊維から織られた格子状のマットの中に配置されて保持される。支持材料は、必要な性質を提供する任意の材料、例えば、グラスファイバー、グラファイトなどすることができる。支持繊維は、構造物の経糸および緯糸の繊維の両方に使用される。製造中、一本以上の光ファイバーが、経糸の方向に支持繊維の間の導路内に配置される。各導路は、多数の光ファイバーを保持することができる。
【０００８】
上に述べたように、構造物は、光ファイバーをゼロ経糸の位置に配置して織られる。これによって、光ファイバーは、織られた構造物内に支持され、それによって最大透過効率で作動することが可能となる。完成すると、織られた格子状マットは、エラストマーあるいはゴム・エポキシなど各種保護材料でコーテングされ、光ファイバーが中に埋め込まれた可橈性のシートとなる。あるいは、該構造物をエポキシなどの剛性材料でコーテングしあるいは剛性材料の中に埋め込み、硬いあるいは剛性の格子状構造物とすることもできる。
本発明の一つの効果は、織る工程およびそれによって得られる支持構造物が、織られた構造物内に埋め込られた光ファイバーの微量曲げの危険を最小限度に抑制することである。微量曲げは、光ファイバーの各種損失をまねく。光ファイバー内の光の透過は、微量曲げおよび光ファイバー内の他の不連続によって大きく低下し、その結果、モードの拡散および光の発射が生じる。すなわち、光ファイバーは、一端から他端まで光を透過せずに発光する。微量曲げおよび不連続が除去されると、非の縦方向の透過が最大化され、したがって光信号処理能力が大幅の増大する。微量曲げを形成するためには、光ファイバーを、メーカーが表示しているその光ファイバーの定格曲げ半径より小さい曲げ半径で鋭く曲げ、その状態に保持しておく必要がある。光ファイバーは、所定の状態に保持しておかないと、ひとりでにまっすぐ伸びてしまう。曲げ半径が小さすぎると、光ファイバーが折れてしまう。微量曲げは、単に光ファイバーを曲げるだけでは形成されない。実際、光ファイバーは、一般にはコイル状にして保存される。微量曲げおよび／または不連続が生じるのは、曲げが定格曲げ半径より小さい半径で曲げられるときだけである。本発明は、光ファイバーにそのような応力がかかる危険を最小限に抑制する方法および構造物を提供するものである。
【０００９】
本発明にもとづいて製造される構造物は、多くの用途をもち、検知機能、撮像機能、および通信機能を提供するために使用することができる。例えば、該構造物は、航空機または宇宙船の表面上の検知情報の通信用として好適である。さらに、該構造物は、高度並列高性能コンピュータ・システムにおけるデータ伝送および地域情報網用インターコネクトに用いることができる。
本発明の具体的な一実施形態にあっては、織られた構造物は、経糸の方向に配置された複数の第一の織り糸および緯糸の方向に配置された複数の第二の織り糸を含み、第一および第二の織り糸が互いに織られる。該構造物の導路内のゼロ経糸の位置には複数の光ファイバーが配置される。該導路は、複数の第一の織り糸の中の選ばれた織り糸によって画定される。第二の織り糸は、第一の織り糸と織り合わされるが、光ファイバーとは織り合わされない。一つの実施形態にあっては、複数の第一の織り糸の中の選ばれた織り糸は、電気の導体である。より具体的な一実施形態にあっては、該電気の導体は、選ばれた第一の織り糸によって形成される導路内のゼロ経糸の位置に配置される。
一つの実施形態にあっては、電気の導体と光ファイバーは、エラストマーでコーテングされる。より具体的な一実施形態にあっては、エラストマーの厚さを変えて光ファイバーの曲げ半径を制御し、それによって織られた構造物が形成する面から外れた方向でのインターコネクトの機能が高められる。
【００１０】
具体的な一実施形態にあっては、織られた構造物は、さらに、光ファイバーを収納するための開口をもつコネクターを有する。他の一つの実施形態にあっては、該構造物は、さらに、電気の導体に連結された電気コンタクトをもつコネクターを有する。さらに他の実施形態にあっては、上に述べたコネクターは、共に、光ファイバーの実際の曲げ半径を制御して定格曲げ半径より大きくするための面取り構造を含むものである。メーカーが表示する光ファイバーの定格曲げ半径は、曲げ半径をそれ以下にすると光の散乱が生じて光ファイバーを用いた動作の信頼性が失われることを示す値である。あるいは、コネクターに、光ファイバーの実際の曲げ半径を制御して定格曲げ半径より大きくするためのロッドを用いることもできる。これらの実施形態のいずれにおいても、光ファイバーおよび電気の導体をさらに厚さが変化するエラストマーでコーテングし、それによって実際の曲げ半径をさらに制御できるようにすることもできる。
異なる他の一つの実施形態にあっては、織られた構造物は、さらに、光ファイバーを収納するための開口をもつコネクター、電気の導体に連結された電気コンタクト、および該電気コンタクトおよび光ファイバーに連結されて電子信号から光信号および光信号から電子信号への信号の変換を容易にするための複数の光−電子素子を有する。該コネクターは、上述の曲げ制御構造を含むものとすることができる。すなわち、本発明の構造物は、信号の変換が行なわれない受動コネクターと信号の変換が行なわれる能動コネクターを含むものとすることができる。
【００１１】
本発明の性質および効果は、添付の図面を参照して行なう以下の説明によってさらに理解されよう。
【００１２】
【実施例】
第１図は、本発明にもとづいてつくられた構造物の具体的一実施形態の平面図である。図示のように、該構造物は、経糸１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、および緯糸（ピック）１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄで織られている。経糸および緯糸は、通常の重ね無地織りパターンを用いて織られて織物状の構造物となる。経糸および緯糸には、構造物の用途にのぞましい物理的性質をもつ任意の材料を用いることができる。例えば、織り糸には、グラスファイバー、グラファイト、シリカ・カーバイドなどの材料を用いることができる。いくつかの用途に適したシリカ・カーバイド繊維の例としては、ダウ・コーニング・コーポレーションがニカロンの商品名で市販しているものを挙げることができる。
織る工程では、まず、光ファイバー１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、および１２Ｆが支持用経糸と共に導入される。この際に、光ファイバーは、経糸をゼロ経糸の位置に保持し、光ファイバーをこの方向に添って構造物内に導入することが重要である。すなわち、光ファイバーを経糸方向にまっすぐかつ平行に保持しなければならない。光ファイバーが構造物の中で支持される構成とすることによって、光ファイバーに微量曲げあるいは縮れが生じないという効果が得られ、それによって織られた構造物内部での信号の伝送状態にかかわりなく信号の光学的効率および信頼性を最高度に高めることができる。信号が光ファイバーを通って伝送される場合、ファイバーに曲げあるいはよじれがあると損失が生じることはよく知られている。第１図に示す構造物は、非光学的経糸１０Ａ、．．．１０Ｄによって形成される各導路内に一対の光ファイバーを含んだものとなっている。もちろん、光ファイバーの数は、これより多くすることもあるいは少なくすることも可能である。
【００１３】
第２図も、第１図と同様な構造物を示す断面図であるが、この構造物の場合は、さらに、すべての繊維を所定の位置に保持するために保護コーテング材料でコーテングされている。第２図は、第１図に示す構造物を光ファイバー１２Ａに添って切った断面図と考えてよい。第２図に示されるように、光ファイバー１２Ａは、緯糸１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、および１１Ｄを横切って伸びており、光ファイバーの下の面内にあるものと光ファイバーの上の面内にあるものとが認められる。エラストマー、ゴム・エポキシ、または他の適当な材料などから選ばれた公知の材料からなるコーテング２０が、光ファイバーを周囲の構造物に対して所定の位置に保持する。さらに、コーテング２０は、湿気が構造物内に侵入したりあるいは放出されたりするのを防ぐことに加えて、光ファイバーの曲げの半径を制御するために用いることもできる。
第３図は、具体的な一実施形態にもとづいておられた構造物のより広い範囲を示す図で、同図には、該構造物の縁部での緯糸の縁取りの状態が示されている。第３図からわかるように、光ファイバー１２は図の上端から下端まで伸びており、緯糸は図の左の端から右の端まで伸びている。第１図に関連してすでに説明したように、経糸も図の上端から下端まで伸びている。緯糸１１の縁部は、レノ材料３１、３２を用いた公知の方法で縁取りしてもよく、緯糸を互いに結び合わせるなど織物の縁部を固定するための他の方法を用いてもよく、あるいは、その後の処理に先立って単に構造物をコーテングする方法を用いてもよい。
【００１４】
第３図に示す実施形態は、上に挙げたシリカ・カーバイド繊維の１８００デニールの太さのものを用いて１インチ当たり光ファイバー４４本の密度で織られたものである。織る密度は、光ファイバーの直径、周囲の構造物、およびコームの歯の幅によってきまり、また、用途に応じてかつ必要に応じて変えることができる。
第３図に示す織物に埋め込まれ光ファイバーは、コーニング社製のグレード・インデックスＧＥ−ドープド・シリカ・ファイバーあるいはシングル・モード・シリカ・ファイバーなど市販の光ファイバーである。一つの実施形態にあっては、コーニング社の光ファイバーで、数値アパーチャー０．２２、コア１２５ミクロン、温度レーテング８５℃のものが用いられる。上に説明した構造物にこの種の光ファイバーを用いると、構造物の直線１インチ当たり光ファイバー約４４本のものが得られる。構造物の長さは、使用する材料のロールの長さによってきまるが、適当な引張り制御法を用いた市販の織機を使用して１キロメートルを越えるきわめて長い構造物を製造することができる。公知の織機を用いて、光ファイバーを配置し、周囲の構造物を織ることが可能である。例えば、標準的な織機を備えた複合型施設を使用してもよいであろう。光ファイバーの配置には、標準的な織機の一部としてのコームが使用される。コームは、織機の前端部に設置される歯の小さいコームとすることができる。この種のコームを用いれば、他の材料の織り糸の間で用いられる光ファイバーの織り糸の数を誤りなく確定し、重合状態や光ファイバーの曲げを確実になくすことができる。市販の機械では、試験的に織る作業の段階で各種の調節を行なうことが必要となるが、織り紡ぎローラーに繊維がなくなると、引張りに変化が生じる。引張りにこのような変化が生じると光ファイバーが破断するため、全ローラーを監視し保守するための適当なシステムをつくって常に正しい引張りが得られるような制御を行なうことが重要となる。光ファイバーの損傷をなくして最適な結果を得るためには、１インチ当たりのピックの数（１インチ当たりの緯糸の数）および織機の運転速度を使用する光ファイバーおよび光ファイバー以外の材料の種類に適したものとすることが必要である。
【００１５】
過去、光ファイバーを特定の方向の複合的な層に重ねる作業は、手作業で行なわれてきた。光ファイバーの方向がくるうと、各種の損失が大きくなる。ここに記載の方法を用いれば、光ファイバーの配置は、通常の織る工程の中で自動的に行なわれる。各種の損失を少なくすれば、それだき均一性と信頼性が高まり、したがって正確で多様なモード検知、効率的なデータ伝送、簡単なインターコネクト処理が可能となる。ここで重要な二つの問題は、センサー網を構造物内に一体的に組み込むこととコンピュータ・システムの機能を高速化することである。本発明は、大きなシステムに用いられる場合でもこれらの問題に効果的に対応することができる。
第３図に示す実施形態では、二本の光ファイバーが各織り糸の間の導路に配置されている。ただし、各織り糸の間には、任意の数の光ファイバーを配置することができる。例えば、一つの実施形態にあっては、各導路は八本の光ファイバーを含むものとされる。以下では、その他の各種実施形態について説明する。
光ファイバーを所定の位置に配置して構造物が織られると、全体にのぞましい材料のコーテングを施して構造物を保護する機能を高める。第２図に関連して説明したように、織られた格子状のマットにコーテングを施すことによって、該格子状のマットの面内での光ファイバーの位置が固定され、構造物にさらに剛性があたえられる。好ましくは、織られたシートにブラシで塗布したり、織られたシートを硬化性材料の浴内を通したり、あるいは他の公知の塗布方法を用いるなどして、硬化性材料を構造物に塗布する。
【００１６】
本発明の一実施形態にあっては、シェル・ケミカル・カンパニー製のＥＰＯＮ８２８エポキシとジエチレントリアミンの定着剤を容量パーセントでエポキシ８８％対定着剤１２％の割合で混合して得られる硬化性流体を用いて剛性のコーテングが行なわれる。可橈性の構造物がのぞまれる他の実施形態にあっては、市販のゴム・セメントが用いられる。
第４図は、リボンである本発明の構造物の他の実施形態を示す。図示のように、構造物は二つの部分５１および５３に分けられている。これらの部分を分けているのは、付加的レノ繊維５４および５５と余分な支持繊維５７である。レノ繊維５４および５５は、光学的格子状構造物を個々のリボンに分けるのに便利な箇所となり、特定の繊維を識別するための好便なマーカーとしての役割を果たし、さらに構造物がほどけるのを防ぐ作用をする。もちろん、構造物には任意の数の部分を設けることができる。このようにすれば、大型の織機を用いて任意の幅の部分あるいは異なる材料の部分を平行に織り、それらを後で各部分に分割して各種の用途に供することができる。
第５図は、本発明のさらに他の一つの実施形態を示すが、図では、八本の光ファイバー６１、６２、．．．６８が対にされ、各対が二本の支持繊維の間に配置されている。関連する余分な支持繊維７５および７６と共にレノ６４が配設され、複数部分をもつ帯状の構造物がつくられ、それらが必要に応じて個々の部分に分割される。
【００１７】
第６図は、さまざまにパッケージ化するのに適した三次元の織られた構造物を示す。図示のように、該構造物は、光ファイバー導線４２をもつ織られたバックプレーン４０および該バックプレーンに対してほぼ垂直な二つの織られた面４４を含む。この構造物は、プリント回路盤として、あるいはプリント回路盤および／またはバックプレーン内の光ファイバーにインターフェースするウエハーを支持するために用いることができる。この部分は、バックプレーンに対してさまざまな角度ととることができるが、鋭角にすることは好ましくない。動いてバックプレーンから外れる部分は、すべて、メーカーの指定する光ファイバーの定格曲げ半径より大きい角度で丸める必要がある。このようにすることによって、支持構造物の鋭い縁部に不必要な応力が生じるのを避けることができる。構造物にコーテングを施せば、さらに応力を逃すのに役立つ。
第７図は、第１、２、および３図に示す構造物を三次元構造物とするための方法を示す斜視図である。第７図に示す構造物では、光ファイバー１２が織られた構造物の一方の縁部から先に伸び、光学的な接続を容易にしている。第７図に示されるように、緯糸１１は、構造物を通って連続的に織られている。構造物を光ファイバーがマット状に織られている部分の先まで延ばせば、支持材料の付加的部分によって構造物を他の構成要素１５を取付けるための構造物とすることが可能となる。もちろん、構成要素１５を光ファイバーの近くに取り付け、その場所で接続できるようにすることも可能である。構成要素１５は、通常は、電子、光、または光−電子素子である。一例としては、光デテクターを組み込んだ集積回路を織られたクロス・マットまたはインターコネクト（コネクター）の中に取り付け、ワイヤ・ボンディング、フレキシブル・プリント回路盤接続、その他二地点間コンタクトなど他の公知の方法を用いて周囲の集積回路に適当に接続する。もちろん、回路は、構造物の片側または両側、さらには構造物の面外に取り付けて光−電子モジュールの挿入を容易にすることも可能である。
【００１８】
第７図に示す構造物は、個々の用途に応じて、回路を取り付ける前または後に適当な材料でコーテングして剛性の状態を保持するようにあるいは橈うようにすることも可能である。
第７図に示すように、本発明は、回路の各種パッケージ化を容易にするための構造物を提供するものである。図示の構造物を用いれば、光ファイバーを正確に所定の位置に保持し、他の集積回路または他の光学素子との接続を容易に行なうことができる。同様に、織られた構造物を回路の基板部分より先まで延ばして光ファイバーに接続するために回路素子を取り付けける便利で費用が安くしかも総合的な方法が得られる。もちろん、センサーを個々の光ファイバーまたは一群の光ファイバーに接続して大きいセンサー・アレー（センサー配列物）とすることも可能である。さらに、光ファイバー自身を検知素子として使用して利口な表層物とすることもできる。このような「利口な」表層配列物の応用例は、上に引用した二つの技術論文に記載されている。「利口な」表層を用いれば、航空機の表層の光ファイバーの検知用配列物が得られる。また、コンピュータ・ネットワーク用の低コスト高速通信網を製造するためにも利用することができる。例えば、並列演算処理装置など大規模高性能コンピュータ・システムのための光−電子バックプレーンとして該構造物を使用することもできる。
【００１９】
本発明は、また、レーザーで生成した光信号の送受信用構造物ならびにパッケージ用および相互接続用構成要素を提供するものである。これらの実施形態は、高性能コンピュータ・システムにおける構成要素を相互接続するための高速データ・バスまたはチャンネルを構成するために用いることができる。多数の光ファイバーを使用すれば、情報伝送ならびに多チャンネルおよび／または並列情報転送のための冗長な手段を設けることがのぞましいシステムの構成が用意となる。一つの実施形態にあっては、経糸方向の選ばれた一定の光ファイバーが電気の導体を含むものとすることができる。これらの導体は、経糸方向の光ファイバーでない支持用織り糸の代わりにまたはそれらに加えて使用することができる。あるいは、光ファイバーの場合と同様に、支持用織り糸によって形成される導路内に配置することも可能である。このような構成にすれば、本発明にもとづいて形成される光バックプレーンおよびインターコネクト・ケーブルを用いて光検知器およびソース用電力および制御信号を光信号と共に供給することができる。例えば、同期クロッキング信号、光ファイバー・アレー・アドレス、および光および光−電子リンク間のデータおよび電力信号を本発明の構造物を用いて伝送することができる。これに対して、従来のシステムでは、この種電子信号の伝送には個別のインターコネクト装置が必要であった。すなわち、本発明によって、信号変換点である検出器およびソースのアレーを光学的インターコネクト装置の一部として組み込むことが初めて可能となったのである。言い換えれば、電気信号を光信号に変換する装置（例：ソース）のアレーおよび光信号を電気信号に変換する装置（例：検出器）のアレーを本発明にもとづいてつくられる光学的インターコネクト装置（例：リボン・ケーブルまたは光バックプレーン）に連結されるコネクターに組み込むことが可能となったのである。光ファイバー・マトリックスの自動複製機能を用いれば、これを低コストで行なうことができる。
【００２０】
これらの「能動的インターコネクト」によって、インターコネクト装置の外に光−電子変換点を配置する必要性を最小限に抑えあるいは完全になくし、それによって全システムを単純化してコストを節減することができる。この種の能動的インターコネクトのコネクターには、他のアレーをベースにした素子を含めることも可能である。例えば、開閉素子、アドレス指定素子、ゲーティング素子、ならびにクロック回復用素子などを能動的インターコネクトに組み込むこともできる。織られた構造物内の電気の導体を介して連結される共通の動力線および地線を用いれば、従来の相互接続法で生じていたのぞましくない接地ループの影響も低減させることができる。
本発明の上に説明した実施形態にもとづけば、電磁妨害（ＥＭＩ）性が改善されたシステムを実現することもできる高速電子システムでは、電気信号を搬送する伝送線の間でＥＭＩが発生する。この種の線は、互いに近づけば近づくほどまた互いに接近して平行に走る距離が長ければ長いほど、妨害が大きくなる。従来のシステムの個別の電子インターコネクトでは、ＥＭＩを改善するためには電気の導体の間にシールドを施しまた／または間隔を広げる必要があり、そのためにこの種の付加的なインターコネクトの大きさが増大するのが常であった。それに対して、本発明の特徴をなす経糸の繊維は、互いの間隔を一定にして配置しかつそれを繰り返すことができるため、電気の導体を構造物内に設置し、ＥＭＩの影響を受けにくい光ファイバーを実際にはＥＭＩシールドとして用いることができる。また、電気の導体の間の間隔を異なるものとしてさらにＥＭＩを低減することも可能である。
【００２１】
本発明は、従来のシステムの光学的インターコネクトに必要であった容積を大きく低減させるものである。例えば、従来の高性能システムでは、通常の光学的インターコネクト装置のコネクターは、コネクターの長さ１インチ当たり約四つのインターコネクトを備えていた。６４−ビット・システムでは、装置のコネクターの長さは、通常、１６インチ以上ある。それに従属する電気的インターコネクト装置のコネクターは、通常、長さが８インチ程度であった。本発明の構造物および方法は、これらに種類のインターコネクト装置を組み合わせることができるばかりでなく、インターコネクト装置内の光ファイバーの密度をはるかに高め、それによって一定の長さのコネクターに対する光学的インターコネクトの密度をはるかに高くすることができる。
第８図は、本発明の一実施形態にもとづいて設計された能動的インターコネクト装置１３０の一部を示す。インターコネクト１３０は、織られた構造物１３２およびコネクター１３４を含む、すでに説明したように、光ファイバー１３６も電気の導体１３８も共に支持用繊維１４０によって形成される導路内に配置されている。該構造物にはさらに緯糸１４２が含まれることはいうまでもない。コネクター１３４は、三つのセクション１４４、１４６、および１４８を有する。光ファイバー１３６は、セクションを通って伸びている。導体１３８は、電気コンタクト１５０に連結されている。セクション１４６は、案内ピン１５２によってセクション１４４と連結されており、また、光−電子変換装置１５４および電気のフィードスルー１５６を有する。セクション１４６は、やはり案内ピン１５２によってセクション１４８と連結されている。セクション１４６のピン１５８は、セクション１４８のピン１６０に接続される。コネクター・セクション１４６と１４８を省略すると、セクション１４４は、光ファイバーおよび電気コンタクトと共に受動的コネクターとなる。受動的コネクターは、また、光ファイバーのみからなるすなわち電気コンタクトを含まないものとすることもできる。電気コンタクトを含むのが一つのセクションのみである場合には、インターコネクトの能動的部分は一端のみを有する構成となる。
【００２２】
第９−１１図は、本発明にもとづいて構成された光ファイバー・リボン１０２が連結されたコネクター１００を示す。コネクター１００は、３．８１ｃｍの間隔（セラミック・プレート１０４の長さ）の中に５２の光学的インターコネクトを有する。１インチ当たりに直せば約３５の光学的インターコネクトとなる。コネクター１００の長さは、導体の寸法によってきまり、１導体当たり約１２ミルであるが、このインターコネクト装置に電気の導体を付加すれば、コネクター１００の長さはそれだけ増大することになる。
本発明の光学的インターコネクトに電気の導体を組み込むことによって可能となる能動的インターコネクトの機能は、いくつかの効果をもたらす。第一に、インターコネクト・ハードウエアに信号変換素子を配置することによって、該インターコネクト・ハードウエアによって接続されるボード装置の複雑性がそれに対応して軽減される。第二に、システムの・ボード装置から光−電子変換モジュールを除去することによって、システムの電力損失に対する制御性が高まる。これは、変換モジュールを収納したインターコネクト装置の熱移転特性が、従来のシステムのボード環境に比してより高い制御性をもつためである。例えば、適当な熱特性とパッケージの形状を有するパッケージ材料をインターコネクト装置に用いれば、装置の熱移転特性を意図する用途の熱発散要件に合わせることが可能となる。
【００２３】
第三に、ボード・レベルでのインターフェースを完全に光学的または完全に電子的にすることができるので、システムの仕切りが単純化される。最後に、従来のインターコネクトでは必要だった限られた数の高速光ファイバーを通る光信号のマルチプレクシング（多重化）およびディマルチプレクシング（多重解除）は、本発明では光ファイバーの高密度化によって二地点間伝送が可能なため不必要となる。その結果、本発明を組み込んだシステムは、高速運用が可能となり、速度の制約要因は、光ファイバー自身と使用する光ファイバーの数のみとなる。光ファイバーの両端で使用される光−電子アレーの種類も速度に影響することは理解されよう。
本発明の織られた構造物が可橈性を有するために、光学的開閉装置およびミラーやプリズム等の光学素子に必要性も減少する。構造物の可橈性によって、また、織られた構造物が形成する面から外れた方向でのインターコネクト機能の実現も容易となる。第１１図は、そのために、例えば光学的バックプレーン１０６をリボン１０２を介してコネクター１００に連結する方法を示している。例えば光−電子モジュールをこの接続点に挿入することもできる。第１１図は、コネクター１０１と組み合わせたコネクター１００の側面図である。本発明の織られた構造物に適当な曲げの技術を適用すれば、新しい種類の光学的バックプレーン接続を行なうことが可能となる。光ファイバーの曲げ半径を制御するために使用できる一つの曲げの技術としては、エラストマー・コーテングを使用し、コーテングの厚さを構造物の部分によって変えて、構造物の特定のセグメントごとにのぞましい程度の制御性が得られるようにするものが挙げられる。この方法は、単独で使用することもできるし、あるいは以下で説明する他の曲げの技術と組み合わせて使用することもできる。
【００２４】
第１２図は、本発明にもとづいて形成されたバックプレーン１１２の面から外れた接続を、光ファイバー１１４の光学的不連続が生じる危険なしに行なうことのできるコネクター１１０を示す。光ファイバーの曲げ半径の内部制御は、コネクター装置１１０の内部の面取り構造１１６によって行なう。図には、セラミック・プレート１１０の平面図も同時に示してある。面取り構造に加えて上に述べたエラストマー・コーテングを用いて光ファイバーの曲げ半径の制御性をさらに高めることもできる。
第１３図も、本発明にもとづいて形成されたバックプレーン１２２の面から外れた接続を行なうことのできるコネクター１２０を示す。光ファイバーの曲げ半径の内部制御は、光学的バックプレーン１２２の製造中に挿入されるロッド１２４によって行なう。該ロッド１２４の直径は、光ファイバー１２６の実際の曲げ半径が該光ファイバーのメーカーが表示している定格曲げ半径より大きいかあるいは等しくなるように選定される。定格曲げ半径とは、実際の曲げ半径がそれより小さくなると、光の散乱が発生しまた／または光ファイバーの使用の信頼性が失われる値である。図には、セラミック・プレート１２８の平面図も同時に示してある。ロッド構造に加えて上に述べたエラストマー・コーテングを用いて光ファイバーの曲げ半径の制御性をさらに高めることもできる。
【００２５】
本発明にもとづく織られた光ファイバー構造物は、直線的アレーおよびインターコネクトに使用することに加えて、二次元インターコネクトにも使用することができる。二次元インターコネクトは、Ｘ−Ｙアレーとも呼ばれる者である。第１４−１６図は、本発明のこの側面にもとづいて設計されたＸ−Ｙアレー・インターコネクト１８０の一実施形態を示す図である。一つの実施形態にあっては、本発明の織られた構造物は、Ｘ−方向のアレーの寸法（したがって光の導路数）に対応するのぞましい幅１８４を有する帯１８２に切断される。次に、帯１８２をＹ−方向に重ね、間にプレート１８６をはさんでＹ−方向の間隔を制御する。特定の実施形態にあっては、織られた帯１８２を収納するように中を機械加工したセクション１８７を有するものが形成される。プレート１８６は、セラミック、シリコン、プラスチック、あるいは金属等の材料からなるものとすることができる。プレート１８６は、フェースプレート１８８を取り付ける構造物として機能し、情報の伝送、切り替え、あるいは経路選択のために規定された位置で光ファイバー１９０を保持できるようにする。剛性が必要な場合には、プレート１８６を帯１８２の間でインターコネクト装置１８０に添って任意の長さに延ばすことができる。あるいは、装置１８０全体を硬いエポキシの中に配置してもよい。
【００２６】
第８図を参照して上に説明したような能動的インターコネクトならびに受動的インターコネクトは、いずれも上に述べたようにして重層化することができる。特定の実施形態にあっては、フェースプレート１８８が能動的素子を保持する構成がとられる。能動的インターコネクトの場合には、プレート１８６が熱発散素子として機能するようにプレート１８６に金属が用いられる。能動的インターコネクトが大型の場合には、熱の発散のための間隔制御能力の重要性が増大する。配線の経路選択のためには、シリコン基板またはセラミックプレートを用いてもよい。受動的インターコネクトの場合には、間隔を確保する材料としてプラスチックを使用すれば十分である。
比較的小さい空間に多数の導路が配設できるように、多数の帯１８２を重ね合わせてもよい。より具体的な一実施形態にあっては、各帯１８２をエラストマーまたは他の材料（例：ゴム・エポキシ）でコーテングして、応力を逃がす作用と一次元のインターコネクトのエラストマー・コーテングに関して上に述べたように光ファイバー１９０を保護する作用を共に果たさせることができる。このようなエラストマー・コーテングの厚さは、さまざまに変えて、上に述べたプレート１８６の代わりにまたはそれに加えて帯の間の間隔を確保する役割をもたせることができる。帯１８２には、各々に外装を施すことができる。装置１８０全体にも外装を施し、光ファイバー１９０がそこから伸びる構成とすることもできる。
【００２７】
他の一実施形態にあっては、上に述べた織られた構造物の個別の帯１８２を使用する代わりに、本発明の織られた構造物をアコーデオンのように繰り返し折り畳んで重ね合わせることでＸ−Ｙアレー・インターコネクトを構成することもできる。折り重ねは、構造物の経糸方向に添って行なう。このような実施形態にあっては、およびの間で構造物を互いに保持するための緯糸の数を最小限度すなわち１インチ当たり約２本ないし４本とすることが可能である。これによって、上に述べたように折り畳むことで構造物を一体に保持することができ、したがって組立が容易となる。層の間の間隔は、すでに述べた方法で確保することができる。
特定の一実施形態にあっては、フェースプレート１８８は、該フェースプレート１８８の表面で光ファイバー１９０に取り付けられたマイクロレンズ１９２を備えたものとすることができる。マイクロレンズ１９２および光ファイバー１９０には、屈折率を突き合わせる流体および／または反射止めコーテングを施してもよい。マイクロレンズ１９２は、撮像、大規模開閉、大型システムのための光情報管理、その他のアプリケーションなどで小さい空間内に多数の導路を配設することがのぞましい場合に整列の問題を軽減するのに役立つ。あるいは、フェースプレート１８８がボールレンズを含むものとすることも可能である。レンズを用いて整列を容易にすることは、一次元の直線的アレー・インターコネクトの場合にもあるいは二次元Ｘ−Ｙアレー・インターコネクトの場合にも可能である。
【００２８】
以上、本発明の具体的な実施形態にもとづいて詳細に説明し図示したが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく形式および細部に上述のようなあるいは他の変更を行なえることは当業者には明らかであろう。すなわち、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】織られた支持繊維および光ファイバーを共に有する構造物の平面図。
【図２】第１図に示した本発明の構造物の断面図。
【図３】構造物の二つの縁部の織られた構造および終端の拡大断面図
【図４】分離可能な光ファイバー・リボンの平行織りが行なわれる本発明の他の一実施形態を示す図。この実施形態にあっては、該分離可能な光ファイバー・リボンの一種類は、他の材料と共に織られて個々のリボンに分離することが可能である。
【図５】本発明の一実施形態示す図。この実施形態は、各リボンごとに二種類の光ファイバーの織り糸を複数有する。
【図６】三次元包装構造を示す図。
【図７】本発明の応用例を示す図。光ファイバーは、相互接続を容易にするために構造物の先まで伸びている。
【図８】本発明の特定の一実施形態にもとづいて構成されたインターコネクト装置の部分図。
【図９】本発明にもとづいて構成された光ファイバー・リボンを連結するコネクターを示す図。
【図１０】本発明にもとづいて構成された光ファイバー・リボンを連結するコネクターを示す図。
【図１１】
本発明にもとづいて構成された光ファイバー・リボンを連結するコネクターを示す図。
【図１２】
面取り構造を用いることによって光のバックプレーンが形成する面から外れた接続を行なうことができるコネクターを示す図。
【図１３】
ロッド構造を用いることによって光のバックプレーンが形成する面から外れた接続を行なうことができるコネクターを示す図。
【図１４】
本発明にもとづいて設計されたＸ−Ｙアレー・インターコネクトの一実施形態の異なる図。
【図１５】
本発明にもとづいて設計されたＸ−Ｙアレー・インターコネクトの一実施形態の異なる図。
【図１６】
本発明にもとづいて設計されたＸ−Ｙアレー・インターコネクトの一実施形態の異なる図。

Claims (32)

1. 織られた構造物において、
   該構造物のゼロ経糸に配置される複数の第一の織り糸であって、該複数の第一の織り糸の選ばれた織り糸が電気の導体を含む第一の織り糸、
   該構造物の緯糸方向に配置される複数の第二の織り糸であって、第一の織り糸と折り合わされる第二の織り糸、および、
   該構造物内の導路内のゼロ経糸に配置される複数の光ファイバーであって、該導路は第一の織り糸の選ばれた織り糸によって画定される前記光ファイバー、
   からなる織られた構造物。
2. 前記電気の導体および前記光ファイバーがエラストマーでコーテングされた請求項１に記載の織られた構造物。
3. 前記光ファイバーは、一定の曲げ半径で曲げられており、前記エラストマーの厚さは前記曲げ半径を制御するために変化させ、それによって織られた構造物が形成する面から外れた方向での接続を容易にする請求項２に記載の織られた構造物。
4. さらに、コネクターを有し、該コネクターは、
   前記光ファイバーを収納するための複数の開口、および、
   前記電気の導体に連結された複数の電気接続端子、
   を有する請求項１に記載の織られた構造物。
5. 前記光ファイバーは、一定の曲げ半径で曲げられており、また、定格曲げ半径を有し、前記コネクターはさらに前記光ファイバーの前記一定の曲げ半径を定格曲げ半径より大きくするように制御する面取り構造を有し、前記定格曲げ半径はそれより小さい曲げ半径では光の散乱が起こり前記光ファイバーの作用が信頼性を失うものである請求項４に記載の織られた構造物。
6. 前記電気の導体と前記光ファイバーは、厚さの異なるエラストマーでコーテングされ、それによって前記一定の曲げ半径がさらに制御される請求項５に記載の織られた構造物。
7. 前記光ファイバーは、一定の曲げ半径で曲げられており、また、定格曲げ半径を有し、前記コネクターはさらに、前記光ファイバーの前記一定の曲げ半径を前記定格曲げ半径より大きくするように制御するロッドを有し、前記定格曲げ半径はそれより小さい曲げ半径では光の散乱が起こり前記光ファイバーの作用が信頼性を失うものである請求項４に記載の織られた構造物。
8. 前記電気の導体と前記光ファイバーは、厚さの異なるエラストマーでコーテングされ、それによって前記一定の曲げ半径がさらに制御される請求項７に記載の織られた構造物。
9. さらに、コネクターを有し、該コネクターは、
   前記光ファイバーを収納するための複数の開口、
   前記電気の導体に連結された複数の電気接続端子、および、
   信号の変換を容易にするために前記電気接続端子および前記光ファイバーに連結された複数の光−電子素子、
   を有する請求項１に記載の織られた構造物。
10. 織られた構造物において、
    該構造物のゼロ経糸に配置される複数の第一の織り糸であって、該複数の第一の織り糸の選ばれた織り糸が電気の導体を含む第一の織り糸、
    該構造物の緯糸方向に配置される複数の第二の織り糸であって、第一の織り糸と折り合わされる第二の織り糸、
    該構造物内の導路内のゼロ経糸に配置される複数の光ファイバーであって、該導路は第一の織り糸の選ばれた織り糸によって画定される前記光ファイバー、および、
    コネクターであって、
    前記光ファイバーを収納するための複数の開口、
    前記電気の導体に連結された複数の電気接続端子、および、
    信号の変換を容易にするために前記電気接続端子および前記光ファイバーに連結された複数の光−電子素子を有するコネクター、
    からなる織られた構造物。
11. 織られた構造物において、
    該構造物のゼロ経糸に配置される複数の第一の織り糸であって、該複数の第一の織り糸の選ばれた織り糸が電気の導体を含む第一の織り糸、
    該構造物の緯糸方向に配置される複数の第二の織り糸であって、第一の織り糸と折り合わされる第二の織り糸、
    該構造物内の導路内のゼロ経糸に配置される複数の光ファイバーであって、該導路は第一の織り糸の選ばれた織り糸によって画定される前記光ファイバー、および、
    該織られた構造物に連結されて前記光ファイバーを収納するための複数の開口を有するコネクター、からなる織られた構造物。
12. 前記電気の導体および前記光ファイバーが、エラストマーでコーテングされた請求項１１に記載の織られた構造物。
13. 前記電気の導体および前記光ファイバーは、一定の曲げ半径を有し、前記エラストマーの厚さは前記一定の曲げ半径を制御するために変化させ、それによって織られた構造物が形成する面から外れた方向での接続を容易にする請求項１２に記載の織られた構造物。
14. 織られた構造物において、
    該構造物のゼロ経糸に配置される複数の第一の織り糸、
    該構造物の緯糸方向に配置される複数の第二の織り糸であって、第一の織り糸と折り合わされる第二の織り糸、
    該構造物内の第一の導路内のゼロ経糸に配置される複数の光ファイバーであって、該第一導路は第一の織り糸の選ばれた織り糸によって画定される前記光ファイバー、および、
    該構造物内の第二の導路内のゼロ経糸に配置される複数の電気の導体であって、該第二導路は第一の織り糸の選ばれた織り糸によって画定される前記電気の導体、からなる織られた構造物。
15. 前記電気の導体および前記光ファイバーが、エラストマーでコーテングされた請求項１４に記載の織られた構造物。
16. 前記光ファイバーは、一定の曲げ半径を有し、前記エラストマーの厚さは前記一定の曲げ半径を制御するために変化させ、それによって織られた構造物が形成する面から外れた方向での接続を容易にする請求項１５に記載の織られた構造物。
17. さらに、コネクターを有し、該コネクターは、
    光ファイバーを収納するための複数の開口、および、
    電気の導体に連結された複数の電気接続端子、
    を有する請求項１４に記載の織られた構造物。
18. 前記光ファイバーは、一定の曲げ半径と、定格曲げ半径を有し、コネクターはさらに前記光ファイバーの前記一定の曲げ半径を前記定格曲げ半径より大きくするように制御する面取り構造を有し、前記定格曲げ半径はそれより小さい曲げ半径では光の散乱が起こり前記光ファイバーの作用が信頼性を失うものである請求項１７に記載の織られた構造物。
19. 前記電気の導体と前記光ファイバーは、厚さの異なるエラストマーでコーテングされ、それによって前記一定の曲げ半径がさらに制御される請求項１８に記載の織られた構造物。
20. 前記光ファイバーは、一定の曲げ半径で曲げられ、かつ、定格曲げ半径を有し、前記コネクターはさらに前記光ファイバーの前記一定の曲げ半径を前記定格曲げ半径より大きくするように制御するロッドを有し、前記定格曲げ半径はそれより小さい曲げ半径では光の散乱が起こり前記光ファイバーの作用が信頼性を失うものである請求項１７に記載の織られた構造物。
21. 前記電気の導体と前記光ファイバーは、厚さの異なるエラストマーでコーテングされ、それによって前記一定の曲げ半径がさらに制御される請求項１０に記載の織られた構造物。
22. さらに、コネクターを有し、該コネクターは、
    前記光ファイバーを収納するための複数の開口、
    前記電気の導体に連結された複数の電気接続端子、および、
    信号の変換を容易にするために前記電気接続端子および前記光ファイバーに連結された複数の光−電子素子、
    を有する請求項２０に記載の織られた構造物。
23. 前記第一の織り糸の隣接する対が構造物内の導路を画定し、また、
    各導路内には少なくとも一本の光ファイバーが配置される請求項１に記載の織られた構造物。
24. 各導路内には一対の光ファイバーが配置される請求項２３に記載の織られた構造物。
25. 織り糸構造物が上下表面を有し、またさらに、
    該上下表面の双方に配置されて織り糸および光ファイバーを所定の位置に保持するカプセル化材料のコーテングを有する請求項１に記載の織られた構造物。
26. 前記カプセル化材料が、剛性の構造を形成する請求項２５に記載の織られた構造物。
27. 前記カプセル化材料が、エポキシを含む請求項２６に記載の織られた構造物。
28. 前記カプセル化材料が、可橈性の構造を形成する請求項２５に記載の織られた構造物。
29. 前記カプセル化材料が、ゴム化されたセメントの形をとる請求項２８に記載の織られた構造物。
30. さらに該構造物の少なくとも一つの縁部に添って配置されて該縁部がほどけるのを防ぐレノを有する請求項１に記載の織られた構造物。
31. 二次元アレー・インターコネクト装置において、
    層に配置される複数の織られた帯を有し、各帯は、
    該構造物のゼロ経糸に配置される複数の第一の織り糸であって、該複数の第一の織り糸の選ばれた織り糸が電気の導体を含む第一の織り糸、
    該構造物の緯糸方向に配置される複数の第二の織り糸であって、第一の織り糸と折り合わされる第二の織り糸、
    該構造物内の第一の導路内のゼロ経糸に配置される複数の光ファイバーであって、該第一導路は第一の織り糸の選ばれた織り糸によって画定される光ファイバー、
    隣接する帯の間の間隔を確保するための複数の間隔プレート、および、
    該間隔プレートおよび光ファイバーに連結されるフェースプレート、
    を有する二次元アレー・インターコネクト装置。
32. 二次元アレー・インターコネクト装置において、
    少なくとも一つの織られた構造物をであって、前記少なくとも一つの織られた構造物は、
    該構造物のゼロ経糸に配置される複数の第一の織り糸であって、該複数の第一の織り糸の選ばれた織り糸が電気の導体を含む第一の織り糸、
    該構造物の緯糸方向に配置される複数の第二の織り糸であって、第一の織り糸と折り合わされる第二の織り糸、および、
    該構造物内の第一の導路内のゼロ経糸に配置される複数の光ファイバーであって、該第一導路は第一の織り糸の選ばれた織り糸によって画定される光ファイバー、
    前記少なくとも一つの織られた構造物は光ファイバーに平行な複数の折り目を有し、それによって複数の層を形成する織られた構造物、
    隣接する帯の間の間隔を確保するための複数の間隔プレート、および、
    該間隔プレートおよび光ファイバーに連結されるフェースプレート、
    を有する二次元アレー・インターコネクト装置。

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