JP3925081B2

JP3925081B2 - 光結合装置

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Publication number: JP3925081B2
Application number: JP2000394771A
Authority: JP
Inventors: 純二岡田; 勉浜田; 秀則山田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2020-12-26
Also published as: JP2002196174A

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データバスを構成する光結合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、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。この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いる。この接続線の多層化と微細化によって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図られてきた。しかし、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：ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）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。そこで、主に幹線系で脚光を浴びている光インターコネクションが、基板間の電気配線の分野にも応用されるようになってきている。
【０００３】
従来提案されている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、発光／受光デバイスを用いた光データ伝送方式が提案されている。この方式では、各回路基板の表裏両面に発光／受光デバイスが配置され、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・バスが形成される。そして、ある１枚の回路基板から送られた信号光は、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送られる。このように、本方式では、各回路基板が順次直列に配列されており、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。
【０００４】
また、特開昭６１−１９６２１０号公報では、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提案されている。この方式では、１点から発せられた光を、固定された１点にしか接続できないために、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。
【０００５】
さらに、分岐素子を具備した光接続装置を使用した各回路基板相互間のデータ伝送に関しても、いくつかの技術が提案されている。
例えば、特開昭５８−４２３３３号公報には、ハーフミラーを複数使用した回路基板相互間のデータ伝送の例が開示されている。しかしながら、ハーフミラーを複数用いた場合、装置が大型化し、各ミラー毎に発光／受光デバイスとの光学的位置合わせが必要となる。また、ハーフミラーを通過した伝送光は、入射に対してほぼ半分の光強度となるため、複数回、分岐・伝送を繰り返すと光強度が微弱となり、受光デバイスにおいて十分な光強度が得られなくなり、信号伝送が不可能になるという問題がある。
【０００６】
また、特開平４−１３４４１５号公報では、複数個のレンズが形成されたレンズアレイの側面より信号光を入射し、各々のレンズより出射する方式が提案されている。この方式では、光の入射位置に近いレンズほど、出射光量が大きくなる為に入射位置と出射位置の位置関係により出射信号の強度のバラツキが懸念される。また、側面から入射した光が対向する側面から抜けてしまう割合も高い為、入射光量の利用効率も低い。
【０００７】
さらに、分岐比率を入力端から順次大きくすることで、ほぼ均等な光信号を伝送することができる光ファイバを用いた光バス方式が、特開昭６３−１２２３号公報に開示されている。このような方式に適応可能なカプラの形成方法が、ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．８，Ｎｏ．１２，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ（１９９６）に述べられている。ここに示されているカプラの形成方法は、光ファイバに形成されたＶ溝により分岐を行うものである。Ｖ溝のサイズを調整することで、出力光量の調整は可能と考えられるが、その作製は非常に困難であり入射光量の利用効率も低い。
【０００８】
また、分岐された信号光の強度を均一化するスターカプラが、特開平９−１８４９４１号公報に開示されている。このスターカプラは、概略的には、複数の光ファイバの片端を束ねて固定し、その一方の端面に複数の光ファイバを覆う広さの導光路を当接し、他方の端面に光拡散反射手段を備えている。
このようなカプラを用いて回路基板相互間のデータ伝送を行う場合、接続基板数が多くなると受発光素子と接続するファイバの本数が多くなり、構成が複雑となり、装置が大型化するという問題が生じる。
【０００９】
これらの問題に関連して、「エレクトロニクス」２０００年１０月号、４９頁〜５３頁、「新しい概念光シートバステクノロジー」には、平板導光路を用いた光データバスが提案されている。この光データバスは、直方体形状の平板導光路の一方の端面に階段状の複数の段差部を有し、この各段差部に発光素子または受光素子と対向する光信号の入出射部をそれぞれ形成し、導光路の他方の端面には反射拡散光学系を配置している。このような構成において、入出射部から入射した光信号は平板導光路内を反射拡散光学系に進み、そこで反射されて上述の各入出射部に戻って、そこから出射される。この光データバスでは、平板導光路から出射される信号光の強度が概ね均一であり、良好なバスシステムを得ることが可能となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の導光路においては、各入出射部から出射され対応する受光素子で受光される信号光が、当初の信号光に比較してかなり減少し、光の利用効率が悪いという問題があった。
【００１１】
従って本発明の目的は、光データバスにおいて光の利用効率を向上することができる光結合装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、受光素子で受光される信号光が減少する原因について鋭意検討を重ねた結果、この種の導光路に特有の問題があることを見いだして、本発明に至ったものである。すなわち、この種の導光路においては、入出射部から出射される出射光は、導光路内で反射あるいは拡散された光信号が入出射部の斜め面で反射されて出射されるものであり、一定の広がり角をもっている。このため、各入出射部とそれに対応する受光素子との間の距離が離れると、各受光素子で受光される信号光が減少するのである。本発明は、この点に注目してなされたものである。
【００１３】
上記目的は、発光素子及び受光素子を有する基板と、前記発光素子及び受光素子に対応して光信号を反射により入射または出射する複数の入出射部を有する光信号伝達装置と、前記光信号伝達装置と前記基板とを近接配置する取付部材とを備えた光結合装置により、達成される。
ここで、前記取付部材は、前記光信号伝達装置と前記基板との間に透光性板材を有することができる。また、この透光性板材は、前記発光素子及び受光素子の貫通する穴部を備えることができる。さらに、前記取付部材は、前記光信号伝達装置と前記基板との間に前記発光素子及び受光素子の貫通する穴部を備えた板材を有することができる。また、前記取付部材は、前記光信号伝達装置と前記基板との間に設けられたスペーサであってもよい。なお、前記近接配置は光信号伝達装置と発光素子または受光素子との密着を含むものである。
【００１４】
また、本発明に係る光結合装置は、発光素子及び受光素子を有する基板と、前記発光素子及び受光素子に対応して光信号を反射により入射または出射する複数の入出射部を有し前記入出射部が前記発光素子または受光素子に近接配置された透光性媒体とを備えたものである。
ここで、前記入出射部は、前記透光性媒体の一端に形成された階段状の段差部に設けることができる。この場合、前記透光性媒体の他端に光信号を反射する反射手段や光信号を反射拡散する反射拡散手段を備えることができる。また、前記入出射部は、前記透光性媒体の両端に設けることができる。この場合、透光性媒体の一端に光信号を反射拡散する反射拡散手段を備えることができる。なお、前記近接配置は入出射部と発光素子または受光素子との密着を含むものである。
このように構成することによって、受光素子で受光されるべき信号光が減少するのを良好に防止し、光の利用効率を向上することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は本発明に係る光結合装置の一実施形態を示す概略構成図であり、同図（ｂ）はその一部拡大図である。図示のように、プリント配線基板等の支持基板２０の一方の面には、それぞれ基板用コネクタ４０を介して複数の回路基板５０が配置されており、他方の面には、複数の発光素子５２、受光素子５３および電子回路５４が配置されている。また、図示はしないが支持基板２０上には電源ラインや電気信号伝送用の電気配線が配置されている。さらに、支持基板２０には、光信号の伝播を担う複数の光信号伝達装置１０が固定されている。光信号伝達装置１０は一方の側が階段状に形成されており、この階段状の各端部は、図１（ｂ）に示すように、それぞれ発光素子５２または受光素子５３と光学的に結合可能に配置されている。尚、ここで言う回路基板５０は、セラミック基板やガラエポ基板等の他にＣＰＵ等のＬＳＩ、メモリーカードやハードディスクドライブ等のデバイスを含む。
【００１６】
このように構成された光結合装置において、各回路基板５０から出力された電気信号は、基板用コネクタ４０を経由して発光素子５２に伝送され、発光素子５２より出力された光信号は光信号伝達装置１０を介して受光素子５３で受信され電気信号に変換された後、基板用コネクタ４０を経由して各回路基板５０へ伝送される。ここで、光信号伝達装置１０は、各発光素子５２および受光素子５３と光学的に結合されているので、発光素子５２から出射した光信号は、光信号伝達装置１０の階段状の端部の１つに入射し、光信号伝達装置１０内を経由したのち他の端部から出射して、受光素子５３で受光される。このように構成することにより、複数ビットからなる並列光信号の送受信あるいは各々のビットで独立した同時送受信が可能となる。
【００１７】
図２（ａ）は、光信号伝達装置１０の一例を示す図である。図のように、光信号伝達装置１０は、直方体形状の一端に階段状の段差部１２が形成された透光性媒体１を有しており、透光性媒体１の他端には反射層２が配置されている。段差部１２は、斜め４５°に切断された形状の入出射部１３を有する。この入出射部１３より、光信号は透光性媒体１の上面方向（図１の支持基板２０側）に入出射される。
【００１８】
図２（ｂ）は、光信号の伝播（分岐）経路の一例を説明するための図である。本例では、光信号は入出射部１３１より入射し、入出射部１３１、１３２、１３３、１３４より出射する。すなわち、入出射部１３１より入射した光信号は、その斜め４５°の端面で反射され、透光性媒体１内を直進し、反射層２に到達して反射される。反射された光信号は、再び透光性媒体１内を伝播し、入出射部１３１、１３２、１３３、１３４へと導かれ、それらの斜め４５°の端面で反射されて、上面方向へ出射される。尚、本例では、４つの入出射部１３（１３１、１３２、１３３、１３４）を有する透光性媒体１について示したが、入出射部１３の数は、これに限定されることなく、これより多くまたは少なく形成することが可能である。
【００１９】
また、透光性媒体１の上下面または左右の側面には、透光性媒体１よりも屈折率の小さいクラッド層（図示せず）を配置することも可能である。これにより、クラッド層に包囲された透光性媒体１は、導光路を形成するコア部として機能する。透光性媒体１には、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、アモルファスポリオレフィンのようなプラスチック材料又は無機ガラス等を用いることが可能である。階段状の段差部は研削により加工を行うことができるが、プラスチック材料の場合は射出成型等の方法でも作製可能である。
【００２０】
反射層２には、Ａｌ等の金属鏡面を用いることが出来る。また、反射層２には、後述するように反射型拡散層を用いることも可能である。反射型拡散層は、例えばビーム整形ディヒューザ：ＬＳＤ（ＰｈｙｓｉｃａｌＯｐｔｉｃｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）を用いることで、透光性媒体１に対して、拡散光の厚さ方向の広がり角と幅方向の広がり角の制御を行うことができ、出射光強度の均一化の向上が可能となる。
【００２１】
図３は本発明で用いられる光信号伝達装置１０の具体例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図のように、透光性媒体１は、直方体形状の一方の側に階段状の段差部１２を有する。この透光性媒体１の他方の側の端面には反射型拡散層３が配置されている。段差部１２には、それぞれ入出射部１３Ａ〜１３Ｈが設けられており、各入出射部にはそれぞれ４５°の角度の斜め面が形成されている。図示のように、入出射部１３Ａ、１３Ｃ、１３Ｅ、１３Ｇには発光素子５２が、入出射部１３Ｂ、１３Ｄ、１３Ｆ、１３Ｈには受光素子５３が光結合される。
【００２２】
透光性媒体１の材料としては、例えば、ポリメチルメタクリレート（屈折率１．４９）が用いられ、反射型拡散層３としては、拡散光強度分布がガウス分布、拡散角（半値全角）が４０°の反射拡散フィルムが用いられる。また、透光性媒体１は、例えば、全長１５０ｍｍ、幅８ｍｍ、厚さ１ｍｍであり、反射型拡散層３が配置されている端面から、最も近い入出射部１３Ａまでの距離１１が８０ｍｍ、階段状の段差部１２の長さが１０ｍｍ、階段状の段差部１２の幅が１ｍｍとされる。
【００２３】
本例においては、例えば、発光素子５２から入出射部１３Ａに出射された光信号は、入出射部１３Ａに形成された４５°斜め面により光路が９０°曲げられ、透光性媒体１内を伝播して反射型拡散層３へ入射し、そこで反射拡散作用により反射拡散され、各入出射部へと伝播される。各入出射部に到達した拡散光は、４５°斜め面により光路が９０°曲げられ、透光性媒体１の上面方向へと出射され、受光素子５３で受光される。
【００２４】
ここで、発光素子５２としては、例えば広がり角１０°の面発光レーザが、受光素子５３としては、受光エリアがφ０．８ｍｍのＰＩＮフォトダイオードが用いられ、外形寸法がφ４．６ｍｍの缶パッケージとされている。このパッケージングされた発光素子５２、受光素子５３は、プリント配線基板（支持基板）に実装されている。ここで、パッケージの形態は、缶パッケージに限るものではなく、セラミックやプラスチック等を用いることも可能である。
【００２５】
図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る光結合装置の一実施例を示す図である。同図（ａ）に示すように、光信号伝達装置１０は、固定基板ベース６０に形成された溝部６１に挿入される。この溝部６１は、光信号伝達装置１０の厚さと同程度か若干薄く形成されている。溝部６１に挿入された光信号伝達装置１０は、透光性のプラスチック材料で形成された厚さ１ｍｍ程度の固定基板押え板６２を用いて、ネジ６３等により、固定基板ベース６０に固定される。
【００２６】
一方、図４（ｂ）に示すように、プリント配線基板（支持基板）２１には、発光素子５２および受光素子５３が配置されている。このプリント配線基板２１に、上述の光信号伝達装置１０の挿入された固定基板ベース６０を重ねて固定する。すなわち、光信号伝達装置１０の入出射部１３Ａ〜１３Ｈが発光素子５２または受光素子５３と光結合されるように、固定基板ベース６０がプリント配線基板２１に図４（ｃ）に示すような形態で重ねられ、両者はネジ６３等を用いて固定される。
【００２７】
これにより、入出射部１３Ａ〜１３Ｈと各発光素子または各受光素子との距離は均一的に短縮される。このように構成することにより、各受光素子が入出射部に近接配置されるので、出射光が入出射部からある広がり角をもって出射されたとしても、各受光素子で受光される信号光の減少を抑えることができ、光の利用効率を向上することができる。
【００２８】
図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る光結合装置の他の実施例を示す図である。本実施例は、同図（ａ）に示すように、固定基板押え板６２に発光素子５２および受光素子５３が貫通できる穴部６４を設けた点で、図４の実施例と異なる。このような穴部６４を設けることにより、各受光素子または発光素子に対して、入出射部１３Ａ〜１３Ｈのさらなる近接配置が可能となる。本実施例によれば、各受光素子が入出射部に近接配置されるので、光の利用効率を向上することができる。
【００２９】
ここで、固定基板ベース６０は、図６（ａ）に示すように、１ビット毎の光信号伝達装置１０が挿入されるように構成しても良いし、あるいは、図６（ｂ）に示すように、複数ビットの光信号伝達装置１０が挿入されるように構成しても良い。
【００３０】
図７（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る光結合装置の他の実施例を示す図である。本実施例は、図４の実施例の変形例であり、光信号伝達装置１０、発光素子５２、および受光素子５３等の構成及び概略寸法は、先の実施例と同様である。本実施例では、まず、発光素子５２および受光素子５３の配置されたプリント配線基板２１上に固定基板ベース６０をネジ６３等により固定する。この固定基板ベース６０には、光信号伝達装置１０が挿入できるように溝部６１’が形成されている。この溝部６１’に光信号伝達装置１０を配置することにより、光信号伝達装置１０の入出射部と発光素子５２および受光素子５３とが近接配置され、効率のよい光結合が可能となる。この光信号伝達装置１０は、固定基板押え板６２によりネジ６３等を用いて固定基板ベース６０に固定される。本実施例によれば、各受光素子が入出射部に近接配置されるので、光の利用効率の向上を図ることができる。
【００３１】
図８（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る光結合装置の他の実施例を示す図である。本実施例は、同図（ａ）に示すように、固定基板ベース６０に発光素子５２および受光素子５３が貫通できる穴部６４’を設けた点で、図７の実施例と異なる。このような穴部６４’を設けることにより、各受光素子または発光素子に対して、入出射部１３Ａ〜１３Ｈのさらなる近接配置が可能となる。本実施例によれば、各受光素子が入出射部に近接配置されるので、光の利用効率を向上することができる。
【００３２】
図９（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る光結合装置の他の実施例を示す図である。本実施例では、同図（ａ）に示すように、複数の回路基板５１の配置された支持基板２０に光信号伝達装置１０が固定されている。そして、同図（ｂ）に示すように、発光素子５２及び受光素子５３の両方が、光信号伝達装置１０の各入出射部に対して光結合可能に配置される。先の実施例では、光信号伝達装置１０の入出射部に発光素子５２または受光素子５３のいずれかが配置される形態とされているので、この点で本実施例は異なる。本実施例では、例えば、１つのパッケージ内に面発光レーザとＰＩＮフォトダイオードの両方が実装された素子（図示せず）を用いることができる。本実施例によれば、各受光素子が入出射部に近接配置されるので、光の利用効率の向上を図ることができる。
【００３３】
図１０は本発明に係る光結合装置の更に他の実施例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。本実施例は、図示のように、支持基板２０と、その一端に配置された複数の発光素子５２と、その他端に配置された複数の受光素子５３と、これらの発光素子５２および受光素子５３と光結合が可能なように４５°の斜め面が両端に形成された透光性媒体１’を有する光信号伝達装置１０’と、光信号伝達装置１０’を発光素子５２および受光素子５３に近接配置するためのスペーサ７０とを備える。ここで、透光性媒体１’の発光素子５２側の斜め面には、反射型拡散層３が配置される。
【００３４】
本実施例において、１つの発光素子５２から出射された光信号は、透光性媒体１’に入射したのち反射型拡散層３で反射拡散され、その反射拡散光が透光性媒体１’内を受光素子５３側に進んで、もう一方の斜め面で再び反射を受け、これにより複数の受光素子５３で受光される。本実施例によれば、各受光素子が入出射部に近接配置されるので、光の利用効率の向上を図ることができる。
【００３５】
以上、種々の実施例を述べてきたが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。例えば、透光性媒体の構成は上述のものとは別の形態をとることもできる。
このように、本発明では、光信号伝達装置、受光素子、発光素子等で構成された光の利用効率の高い光結合装置が可能となる。また、この光結合装置を用いて、複数の回路基板を有する信号処理装置あるいは光データバスを構成すれば、任意の回路基板間での信号伝送が可能となり、温度変化や埃などの環境変化に対する耐性が高い光バスシステムが得られる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、光データバスにおいて光の利用効率を向上することができる光結合装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る光結合装置の一実施形態を示す概略構成図、（ｂ）はその一部拡大図である。
【図２】（ａ）は光信号伝達装置１０の一例を示す図、（ｂ）は光信号の伝播（分岐）経路の一例を説明するための図である。
【図３】本発明で用いられる光結合装置の具体例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る光結合装置の一実施例を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る光結合装置の他の実施例を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ固定基板ベースの構成例を示す図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は本発明に係る光結合装置の他の実施例を示す図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は本発明に係る光結合装置の他の実施例を示す図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は本発明に係る光結合装置の他の実施例を示す図である。
【図１０】本発明に係る光結合装置の更に他の実施例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。
【符号の説明】
１透光性媒体
２反射層
３反射型拡散層
１０光信号伝達装置
１３、１３１〜１３４、１３Ａ〜１３Ｈ入出射部
２０支持基板
２１プリント配線基板
４０コネクタ
５０、５１回路基板
５２発光素子
５３受光素子
５４電子回路
６０固定基板ベース
６１、６１’ 溝部
６２固定基板押え板
６３ネジ
６４、６４’ 穴部

Claims

発光素子及び複数の受光素子を有する基板と、前記発光素子及び複数の受光素子に対応して光信号を反射により入射または出射する複数の入出射部が形成された透光性媒体を有する光信号伝達装置と、前記発光素子及び複数の受光素子とそれに対応する前記入出射部とが光学的に結合可能なように前記光信号伝達装置と前記基板との間に板材を介在させて前記光信号伝達装置を前記基板に固定する取付部材とを備え、前記板材が、前記発光素子及び受光素子の貫通する穴部を備えたことを特徴とする光結合装置。
前記入出射部が、前記透光性媒体の一端に形成された階段状の段差部に設けられることを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
前記透光性媒体の他端に光信号を反射する反射手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の光結合装置。
前記透光性媒体の他端に光信号を反射拡散する反射拡散手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の光結合装置。