JP4582145B2 - 導波路装置 - Google Patents

Description

本発明は総括的に導波路装置に係り、特に、クラッド部内に形成されたコア部を通して光をガイドする導波路装置に関する。

ＣＰＵのクロック周波数が上がり、大容量のデータ処理が可能になるに従い、信号伝送速度の高速化に伴うノイズ、信号線間のクロストークといった問題が深刻化し、ＣＰＵを用いた金属配線による高速伝送の限界が見え始めている。そこで、大容量データ伝送を行なう手段として光を用いたデータ通信の検討が活発に行われている。

データ伝送に光を用いた場合、高速が可能なだけではなく、光を用いたデータ伝送の特性によりノイズ、配線間クロストークの問題を解決できる。このため、長距離の信号伝送を行なう場合には、既に、光ファイバを用いた光通信が一般に用いられているが、ボード間や回路間といったきわめて短い距離での信号伝送を行なう場合においても光通信が有効となる。ボード間や回路間といったきわめて短い距離での信号伝送において光通信を適用する場合、プリント配線板（ＰＷＢ）との親和性からポリマー光導波路が検討されている。

光配線に用いられているポリマー光導波路は、伝送距離が短いことからコア径も５０μｍ程度と比較的大きなマルチモード導波路であり、受発光素子との結合をいかに簡単に行なえるかが実現のカギとなる。

なお、モジュールと導波路との光軸あわせを容易にするためにコアに対して傾斜して配置されたミラーと、クラッドあるいはコアと同一部材により形成され、ミラーに光を集光させるレンズとを設けた光導波路が提案されている（特許文献１、２、３参照）。
特開２００１−１６６１６７号公報 特開２００１−２８１４８６号公報 特開２００４−３６１８５８号公報

ポリマー光導波路は、例えば、回路基板間、あるいは、回路基板内の光伝送路として注目されており、受発光素子との結合をいかに効率よく行なえるかが課題となっている。

本発明の好適な一実施例によれば、受発光素子と効率よく結合可能な導波路装置が提供される。

本発明の好適な一実施例によれば、クラッド部内に形成されたコア部を通して光をガイドする導波路装置であって、前記クラッド部に前記コア部と連通するように、前記コア部と同じ屈折率で形成された導波部と、前記コア部によってガイドされている光を前記導波部方向に反射すること、及び前記導波部からの光を前記コア部による光のガイド方向に反射することの少なくともいずれか一方を行う反射部とを有することを特徴とする導波路装置が提供される。

本発明の一実施例によれば、クラッド部にコア部と連通するようにコア部と同じ屈折率で形成された導波部と、コア部によってガイドされている光を導波部方向に反射、又は、導波部からの光をコア部による光のガイド方向に反射させる反射部とを導波路装置に設けることにより、コア部による光のガイド方向と直交する方向からの光をコア部に導入することができる。従って、導波路装置の表面実装が可能となり、薄型化が可能となる。

本発明の他の目的、特徴及び利点は添付の図面を参照し以下の詳細な説明を読むことにより、一層明瞭となるであろう。
本発明の一実施例のシステム構成を説明するための図である。 本発明の一実施例の光配線装置の構成例を示す図である。 本発明の一実施例の光配線装置の製造工程を説明するための図である。 本発明の一実施例の光配線装置の動作説明図である。 本発明の一実施例による、レンズ層を設けることによる接続損失改善効果を計算するために用いたモデルを示す図である。 本発明の一実施例による上記接続損失改善効果を説明するためのグラフである。 本発明の一実施例による上記接続損失改善効果を説明するための他のグラフである。 本発明の一実施例による上記接続損失改善効果を説明するための他のグラフである。 本発明の一実施例による上記接続損失改善効果を説明するための他のグラフである。 本発明の一実施例の光配線装置の第１変形例の構成図である。 本発明の一実施例の光配線装置第２変形例の構成図である。

符号の説明

１００ システム
１１１ａ、１１１ｂ プリント配線板
１１２ａ、１１２ｂ コネクタ
１１３ａ、１１３ｂ ＩＣチップ
１１４ａ ケース、１１４ｂ 基板、１１４ｃ カバー
１１５ａ 発光素子、１１５ｂ 受光素子、１１５ｃ ドライバ、１１５ｄ アンプ
１１６、２１１、３１１ 光配線装置
１２１、１２２ フィルム基板、１２３ レンズ層、１２３ａ、１２３ｂ レンズ
１２４、１２５ クラッド層、１２４ａ、１２４ｂ 導光部
１２６ コア部、１２７、１２８ 反射面

以下、添付の図面を参照し、本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の一実施例のシステム構成を説明するための図である。

図１（ａ）を参照すると、本実施例のシステム１００は、プリント配線板１１１ａとプリント配線板１１１ｂとの間、いわゆる、ボード間を光配線装置１１６によって、光学的に結合した構成とされている。各プリント配線板１１１ａ、１１１ｂには、ＩＣチップ１１３、及び、コネクタ１１２ａが搭載されている。コネクタ１１２ａは例えばソケットであって良い。

各コネクタ１１２ａには、対応するコネクタ１１２ｂが電気的に接続される。各コネクタ１１２ｂには、光配線装置１１６の対応する端部が光学的に接続されており、それにより光配線装置１１６とプリント配線板１１１ａ及び１１１ｂとを接続する。

図１（ｂ）を参照すると、各コネクタ１１２ｂは、ケース１１４ａ、基板１１４ｂ、及びカバー１１４ｃを含む。基板１１４ｂには、発光素子１１５ａ、受光素子１１５ｂ、ドライバ１１５ｃ、アンプ１１５ｄが搭載されている。基板１１４ｂは、ケース１１４ａに収納される。

また、ケース１１４ａには、基板１１４ｂの発光素子１１５ａ、受光素子１１５ｂに対向して光配線装置１１６の対応する端部が配置される。発光素子１１５ａは、例えば、面発光ダイオード（ＶＣＳＥＬ）から構成されており、プリント配線板１１１ａ（又は１１１ｂ）からの電気信号を光に変換して、光をプリント配線板１１１ａ（又は１１１ｂ）に直交する矢印Ｚ１方向に放出する。ケース１１４ａには、光の出射方向に光配線装置１１６が配置されている。発光素子１１５ａから出射した光は、光配線装置１１６に入射する。

また、受光素子１１５ｂは、光配線装置１１６からの光を電気信号に変換し、その電気信号をプリント配線板１１１ａ（又は１１１ｂ）に供給する。ドライバ１１５ｃ及びアンプ１１５ｄは、プリント配線板１１１ａ（又は１１１ｂ）からの電気信号を増幅して、増幅した電気信号を発光素子１１５ａに供給する及び／又は受光素子１１５ｂからの電気信号を増幅して、その電気信号をプリント配線板１１１ａ（又は１１１ｂ）に供給する。

カバー１１４ｃは、ケース１１４ａの開口面を閉蓋して、基板１１４ｂ及び光配線装置１１６の対応する端部をケース１１４ａの内部に収納する。基板１１４ｂ及び光配線装置１１６は、ケース１１４ａ内で所定の位置関係となるように固定される。

光配線装置１１６は、発光素子１１５ａからＺ１方向に出射した光を矢印Ｘ１、又は、Ｘ２方向に折曲させ、その他端に導く。光配線装置１１６を導かれた光は、光配線装置１１６のＸ１又はＸ２方向側端部で矢印Ｚ２方向に折曲される。光配線装置１１６のＸ１又はＸ２方向側端部の下面、即ちＺ２方向側の面は、受光素子１１５ｂに対向して配置されている。

これにより、光配線装置１１６によりそのＸ１、又はＸ２方向側端部に導かれた光は、Ｚ２方向に折曲されて受光素子１１５ｂの受光面に入射する。受光素子１１５ｂは、Ｚ１、Ｚ２方向に直交するようにその受光面が形成されており、光配線装置１１６から出射された光を電気信号に変換する。受光素子１１５ｂでの変換により得られた電気信号は、コネクタ１１２ａ、１１２ｂを通してプリント配線板１１１ａ、又は１１１ｂに供給され、ＩＣチップ１１３で処理される。

図２は光配線装置１１６の構成例を示す図である。

光配線装置１１６は、フィルム基板１２１、１２２、レンズ層１２３、クラッド層１２４、１２５、コア部１２６、反射面１２７、１２８を含む。

フィルム基板１２１、１２２は、例えば、ポリイミド、ＰＥＴ、ＰＥＮなどからなる樹脂フィルムから構成されており、基材、カバーとして作用する。

レンズ層１２３は、フィルム基板１２１上に形成される。レンズ層１２３には、レンズ１２３ａ、１２３ｂが形成される。レンズ１２３ａとレンズ１２３ｂの第１の対は光配線装置１１６の一端部に形成され、レンズ１２３ａとレンズ１２３ｂの第２の対は光配線装置１１６の他端部に形成され、第１の対のレンズ１２３ａとレンズ１２３ｂは、第２の対のレンズ１２３ｂとレンズ１２３ａにそれぞれ対応している（図２（ａ））。

各レンズ１２３ａ、１２３ｂはレンズ層１２３に紫外線などを照射することにより他の部分とは異なる屈折率を半球状を有するように成形される。即ち、各レンズ１２３ａ、１２３ｂは、レンズ層１２３の他の部分とは屈折率が異なる半球形状の部分である。各レンズ１２３ａはフィルム基板１２１側から供給された光をコア部１２６に平行化する。各レンズ１２３ｂはコア部１２６から矢印Ｚ２方向に折曲された光を受光素子１１５の受光面に集光させる。

なお、クラッド層１２４のレンズ１２３ａ、１２３ｂに対向する部分にはそれぞれ導光部１２４ａ、１２４ｂが形成されている。導光部１２４ａ、１２４ｂの屈折率は、コア部１２６の屈折率と略同じになるように紫外線の照射により調整されている。この場合、導光部１２４ａ、１２４ｂを、フォトリソグラフ法を用い、クラッド層１２４に穴部を形成し、そこにコア材を埋め込むなどの方法で形成してもよい。

コア部１２６は、クラッド層１２４上に矢印Ｘ１、Ｘ２方向に直線状に形成されており、導光部１２４ａ、１２４ｂを除くクラッド層１２４とは屈折率が異なるように材料が調整されている。尚、コア部１２６の形状は、直線状に限ったものではなく、コア、クラッドの屈折率差による曲げ限界より大きな曲率半径にて自由に形状を変えることができる。クラッド層１２５は、導光部１２４ａ、１２４ｂを除くクラッド層１２４と同じ屈折率となるように材料が調整されており、コア部１２６及びクラッド層１２４上に積層される。

これによって、コア部１２６がコア部１２６とは屈折率の異なるクラッド層１２４、１２５により囲まれる。コア部１２６がコア部１２６とは屈折率の異なるクラッド層１２４、１２５により囲まれることによって、コア部１２６が光を伝送するための導波路として作用する。

図２（ｂ）を参照すると、反射面１２７はＺ１方向に対して４５度の角度で傾斜させた光配線装置１１６のＸ２方向の端面であり、発光素子１１５ａから発光されＺ２方向から入射した光をＸ１方向側に折曲させる。反射面１２８はＺ１方向に対して４５度の角度で傾斜させた光配線装置１１６のＸ１方向の端面であり、Ｘ２方向から入射したその光をＺ２方向側に折曲させ、受光素子１１５ｂの受光面に入射させる。

また、フィルム基板１２２は、クラッド層１２５上に貼付され、クラッド層１２５をカバーする。なお、クラッド層１２４、１２５、コア部１２６、レンズ層１２３は、ポリイミド系樹脂、ポリシラン系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂などから構成される。

〔光配線装置１１６の製造方法〕
図３は光配線装置１１６の製造工程を説明するための図である。

まず、図３（ａ）に示すようにフィルム基板１２１上に一様にレンズ層１２３を形成する。次に、図３（ｂ）に示すようにレンズ層１２３上にフォトマスク１３１を重ねて配置して、フォトマスク１３１上から紫外線を照射する。フォトマスク１３１は、レンズ１２３ａ、１２３ｂを形成する部分に、開口部１３１ａが形成されている。各開口部１３１ａは断面形状が略半円状となるよう成形されている。

レンズ層１２３は、紫外線が照射されると、屈折率が変化する。このため、フォトマスク１３１上から紫外線を照射することにより、その上にフォトマスク１３１の開口部１３１ａが形成されたレンズ層１２３の部分の屈折率がレンズ層１２３の他の部分とは異なる屈折率となる。このとき、フォトマスク１３１の各開口部１３１ａは、断面形状が略半円状に成形されており、紫外線の透過量の違いによって開口部１３１ａの中心部で紫外線量が多く、周辺部で少なくなる。これによって、図３（ｃ）に示すように、フォトマスク１３１の開口部１３１ａに対応するレンズ層１２３の部分に他の部分とは屈折率が異なるレンズ１２３ａ、１２３ｂが半球状に形成される。

次に図３（ｄ）に示すようにレンズ層１２３の上部にクラッド層１２４を形成する。クラッド層１２４の形成後、図３（ｅ）に示すようにクラッド層１２４上にフォトマスク１４１を重ねて配置し、フォトマスク１４１上から紫外線を照射する。フォトマスク１４１は、レンズ１２３ａ、１２３ｂが形成されている箇所に対応する部分に、開口部１４１ａが形成されている。各開口部１４１ａは略矩形状の断面形状を有する。

クラッド層１２４は、紫外線が照射されると、屈折率が変化する。フォトマスク１４１上から光を照射することにより、図３（ｆ）に示すように、その上にフォトマスク１４１の開口部１４１ａが形成されたクラッド層１２４の部分に、コア部１２６の屈折率と略同じ屈折率とされた導光部１２４ａ、１２４ｂを形成する。尚、コア部１２６の形成法に付いては、これに限定するものではない。

次に、図３（ｇ）に示すようにクラッド層１２４上にコア部１２６、クラッド層１２５を形成する。なお、コア部１２６はエッチングなどによって所定の経路となるように成形される。次に、図３（ｈ）に示すようにクラッド層１２５上にフィルム基板１２２を貼付する。

フィルム基板１２２の貼付後、図３（ｉ）に示すようにレンズ１２３ａ、１２３ｂが形成された部分のコア部１２６を端面として、反射面１２７、１２８を形成する。反射面１２７、１２８は、ブレードやレーザー光などにより図３（ｈ）の構造物のレンズ１２３ａ、１２３ｂの上の部分を４５度の傾斜で切断することにより形成される。各反射面１２７、１２８は、各レンズ１２３ａの略中心を通ってきた光をコア部１２６に入射するように折曲し、コア部１２６を通ってきた光を各レンズ１２３ｂの略中心を通るように折曲するように形成することができる。

〔動作〕
図４は光配線装置１１６の動作説明図である。

発光素子１１５ａからＺ１方向に光は出射され、光配線装置１１６のレンズ１２３ａに入射する。レンズ１２３ａは発光素子１１５ａからの光を平行化する。レンズ１２３ａで平行化された光は、反射面１２７に供給され、反射面１２７はその光をＸ１方向に反射する。反射した光は、コア部１２６を通って反射面１２８に入射される。反射面１２８は、コア部１２６からの光をＺ２方向に反射する。反射面１２８で反射された光は、レンズ１２３ｂに供給される。レンズ１２３ａは、反射面１２８からの光を受光素子１１５ｂの受光面に集光する。

〔効果〕
本実施例によれば、光配線装置１１６にレンズ１２３ａ、１２３ｂが一体化されているとともに、面発光ダイオードなどの表面実装可能な発光素子１１５ａ及び表面実装可能な受光素子１１５ｂを用いて光配線を容易に行なえるため、プリント配線板１１１ａ（１１１ｂ）表面からの突出量を小さくできる。また、レンズ１２３ａ、１２３ｂによって、光が平行化、集光されるため、光の損失を低減できる。

また、このとき、光配線装置１１６の下部にも配線パターンを配線したり、電子部品を搭載したりすることが可能となる。

さらに、本実施例によれば、クラッド層１２４の厚さを制御することにより、レンズ１２３ａ、１２３ｂの焦点距離の調整を行なうことが可能となる。

ここで、レンズ層を設けることによる接続損失改善効果を、図５に示すモデルを用いて計算した。図５に示す光配線装置モデル５００は、保護層５２１、５２２、下クラッド層（レンズ層）５２３、上クラッド層５２４、コア層５２５、光源５３０、検出器５３１及びレンズ５４０を含む。損失計算は以下の条件で行った。下クラッド層５２３の厚さを１０μｍ、５０μｍとした時のレンズ層５２３の屈折率及びレンズ５４０の曲率半径をパラメータとした。図５に示すように、レンズ５４０は下クラッド層５２３内に形成されていることとした。光線追跡法を用いた。Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に光源５３０を移動した際の損失を計算した。

上記損失計算の結果の一部を図６、図７、図８、図９に示す。図６は、下クラッド厚さ／コア厚さ＝１．０、レンズ曲率半径／コア厚さ＝１．０とした時のＺ軸方向の位置（光源移動量）と損失との関係をレンズの相対屈折率（コア屈折率に対するレンズ層屈折率；ｎｌｅｎｓ／ｎｃｏｒｅ）毎に示すグラフである。図７は、下クラッド厚さ／コア厚さ＝０．２、レンズ曲率半径／コア厚さ＝１．０とした時のＺ軸方向の位置（光源移動量）と損失との関係をレンズの相対屈折率毎に示すグラフである。図８は、下クラッド厚さ／コア厚さ＝０．２、コア屈折率／レンズ層屈折率＝１．１２とした時のＺ軸方向の位置（光源移動量）と損失との関係をレンズの相対曲率半径（コア厚さに対するレンズ曲率半径；ｒｌｅｎｓ／ｄｃｏｒｅ）毎に示すグラフである。図９は、コア屈折率／レンズ層屈折率＝１．１２、レンズ曲率半径／コア厚さ＝１．０とした時のＺ軸方向の位置（光源移動量）と損失との関係を下クラッドの相対厚さ（コア厚さに対する下クラッド厚さ；ｄｃｌａｄ／ｄｃｏｒｅ）毎に示すグラフである。

図６〜９に示す結果より以下のことが分かる。即ち、レンズ層を挿入することにより、結合損失が改善される。また、レンズ層を下クラッド層内に形成する場合、下記の条件（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を満たすことが望ましい。下記条件（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ損失が改善され、かつ光軸合わせの範囲が狭くならない（狭まる量が１０％以下）という点で望ましいと判断される。

（ａ）レンズ層の屈折率は、コアの屈折率をｎｃｏｒｅ、レンズ層の屈折率をｎｌｅｎｓとした場合、１．０＜ｎｌｅｎｓ／ｎｃｏｒｅ＜１．３を満たし、特に、１．０５＜ｎｌｅｎｓ／ｎｃｏｒｅ＜１．１５を満たす。この条件は図６、７から求められる。

（ｂ）レンズの曲率半径は、レンズの曲率半径をｒｌｅｎｓ、コアの厚さをｄｃｏｒｅとした場合、０．５＜ｒｌｅｎｓ／ｄｃｏｒｅ＜４．０を満たし、特に、１．０＜ｒｌｅｎｓ／ｄｃｏｒｅ＜３．０を満たす。この条件は図８から求められる。

（ｃ）下クラッド層の厚さは、コアの厚さをｄｃｏｒｅ、下クラッド層の厚さをｄｃｌａｄとした場合、０．１＜ｄｃｌａｄ／ｄｃｏｒｅ＜１．０を満たし、特に、０．２＜ｄｃｌａｄ／ｄｃｏｒｅ＜０．３を満たす。この条件は図９から求められる。

〔第１変形例〕
図１０は光配線装置１１６の第１変形例の構成図である。図１０中、図２と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

光配線装置１１６の第１変形例である光配線装置２１１は、レンズ層１２３を削除し、クラッド層１２４にレンズ２１１ａ、２１１ｂを形成した構成とされている。

本変形例によれば、レンズ層１２３が不要となるので、薄型化が可能となるとともに、製造工程数を削減でき、製造を容易に行なえる。

〔第２変形例〕
図１１は光配線装置１１６の第２変形例の構成図である。図１１中、図１０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

光配線装置１１６の第２変形例である光配線装置３１１は、クラッド層１２４のレンズ２１１ａ、２１１ｂに代えて導光部３１１ａ、３１１ｂを形成した構成とされている。

本変形例によれば、フォトマスクの断面形状を矩形状とすることができ、フォトマスクを容易、かつ、安価に製造できる。

本発明の一実施例によれば、クラッド部（１２４、１２５)内に形成されたコア部（１２６）を通して光をガイドする導波路装置（１１６、２１１、３１１）であって、前記クラッド部に前記コア部と連通するように、前記コア部と同じ屈折率で形成された導波部（１２４ａ、１２４ｂ；２１１ａ、２１１ｂ；３１１ａ、３１１ｂ）と、前記コア部によってガイドされている光を前記導波部方向に反射すること、及び前記導波部からの光を前記コア部による光のガイド方向に反射することの少なくともいずれか一方を行う反射部（１２７、１２８）とを有することを特徴とする導波路装置が提供される。
上記導波路装置において、導波部（２１１ａ、２１１ｂ）は、クラッド部（１２４）の屈折率をレンズ状に異ならせて成形することができる。

上記導波路装置はクラッド部（１２４）に積層して形成されたレンズ層（１２３）をさらに有し、レンズ層は導波部に対応する部分に光を、平行化、集光するレンズ部（１２３ａ、１２３ｂ）を有することができる。

上記導波路装置において、クラッド部は、フィルム基板（１２１）上に形成された第１のクラッド層（１２４）と、第１のクラッド層上にコア部を囲むように形成された第２のクラッド層（１２５）とを有することができる。

上記導波路装置において、レンズ層はフィルム基板と第１のクラッド層との間に形成され、レンズ部はレンズ層の屈折率をレンズ状に異ならせることにより成形されることができる。

上記導波路装置において、レンズ部の焦点距離に応じて第１のクラッド層の厚さを設定することができる。

このように、本発明の一実施例によれば、クラッド部にコア部と連通するようにコア部と同じ屈折率で形成された導波部と、コア部によってガイドされている光を導波部方向に反射、又は、導波路からの光をコア部による光のガイド方向に反射させる反射部とを導波路装置に設けることにより、コア部による光のガイド方向と直交する方向からの光をコア部に導入することができる。従って、導波路装置の表面実装が可能となり、薄型化が可能となる。

〔その他〕
上記実施例では、プリント配線板間の信号伝送用の光配線として上記光配線装置を用いているが、上記光配線装置をプリント配線板内の回路間の光配線として用いることもできる。また、分岐路などを形成することにより上記光配線装置を導波路装置、光学装置などとしても用いることもできる。

本発明は具体的に開示された実施例に限定されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変形例、改良例がなされるであろう。

また、本願は２００５年８月３１日に出願した日本国特許出願第２００５−２５１６２２号に基づく優先権を主張するものであり同日本国出願の全内容を本願に参照により援用する。

Claims (2)

1. クラッド部内に形成されたコア部を通して光をガイドする導波路装置であって、
   前記クラッド部に前記コア部と連通するように、前記コア部と同じ屈折率で形成された導波部と、
   前記コア部によってガイドされている光を前記導波部方向に反射すること、及び前記導波部からの光を前記コア部による光のガイド方向に反射することの少なくともいずれか一方を行う反射部と、
   前記クラッド部に積層して形成されたレンズ層と、を有し、
   前記レンズ層は、前記導波部に対応する部分に光を平行化、集光するレンズ部を有し、
   前記クラッド部は、フィルム基板上に形成された第１のクラッド層と、該第１のクラッド層上に前記コア部を囲むように形成された第２のクラッド層とを有し、
   前記レンズ層は、前記フィルム基板と前記第１のクラッド層との間に形成され、前記レンズ部は、前記レンズ層の他の部分とは異なる屈折率の半球状を有するように成形されることを特徴とする導波路装置。
2. 前記レンズ部の焦点距離に応じて前記第１のクラッド層の厚さが設定されていることを特徴とする請求項１記載の導波路装置。

Images