JP6201537B2

JP6201537B2 - 光導波路基板及び情報処理装置

Info

Publication number: JP6201537B2
Application number: JP2013181621A
Authority: JP
Inventors: 大輔薄井; 公平長楽; 正泰岩間
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2033-09-02
Also published as: US20150063746A1; JP2015049404A; US9374163B2

Description

本発明は、光導波路基板及び情報処理装置に関する。

従来、情報処理装置等の機器における高速データ伝送を行うものとして、光素子と光導波路を用いたインターコネクト技術が知られている。インターコネクト技術においては、光素子と光導波路との間の光結合を行う際の光軸調整がデータ伝送の質に影響を及ぼす。このため、光結合損失を低減するものとして、例えば、光データリンク用コネクタ（特許文献１参照）、光ファイバと光導波路の接続構造（特許文献２参照）が知られている。これら以外にも、関連があると考えられる文献として、例えば、特許文献３や特許文献４がある。

実開平１−１７３７１２号公報実開平５−４１１０号公報特開２００７−２７２０４７号公報国際公開ＷＯ２００８／０２３５０８号公報

上記特許文献の多くは、光導波路が形成された基板と光ファイバの保持具との位置決めを容易に行うことができる構造とすることにより、光結合損失の低減を図っている。しかしながら、複数の発光部又は受光部を備えた光素子をそれぞれ光導波路上に搭載する場合に、すべての発光部又は受光部に対する光軸調整を行うのは多大な労力を伴う。

そこで、本明細書開示の光導波路基板及び情報処理装置は、データ伝送を行う光導波路と光素子との間の光軸調整を適切に行うことを課題とする。なお、前記課題に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の課題の1つとして位置付けることができる。

本明細書開示の光導波路基板は、並列配置された複数の光素子に対応させて複数の光導波路が形成された基板本体と、先端部に前記光導波路と対向配置される入射部又は出射部を備える信号ケーブルであって、その外周部に第１の磁気部が設けられた信号ケーブルが収容される円筒形状のケーブル収容穴が複数の前記光導波路に対応させて設けられたケーブル保持部と、前記ケーブル収容穴の内周壁に環状に設けられ、前記第１の磁気部との間で斥力を発生する第２の磁気部と、を備え、前記第１の磁気部は、前記信号ケーブルの前記外周部に環状に設けられ、前記第２の磁気部は、その内周面が前記第１の磁気部の外周面と対向するように設けられている。

また、本明細書開示の情報処理装置は、並列配置された複数の光素子と、並列配置された複数の前記光素子に対応させて複数の光導波路が形成された基板本体と、前記光素子から延設され、先端部に前記光導波路と対向配置される入射部又は出射部を備える信号ケーブルと、前記信号ケーブルの外周部に設けられた第１の磁気部と、前記信号ケーブルが収容される円筒形状のケーブル収容穴が複数の前記光導波路に対応させて設けられたケーブル保持部と、前記ケーブル収容穴の内周壁に環状に設けられ、前記第１の磁気部との間で斥力を発生する第２の磁気部と、を備え、前記第１の磁気部は、前記信号ケーブルの前記外周部に環状に設けられ、前記第２の磁気部は、その内周面が前記第１の磁気部の外周面と対向している。

第１の磁気部と第２の磁気部との間に生じる斥力によって自律的に信号ケーブルの光軸調整が行われる。

本明細書開示の光導波路基板及び情報処理装置によれば、データ伝送を行う光導波路と光素子との間の光軸調整を適切に行うことができる。

図１は実施形態の情報処理装置の概略構成を模式的に示す説明図である。図２は実施形態の光導波路基板を分解した状態を示す説明図である。図３（Ａ）は実施形態の光導波路基板が備える光素子を備えた光モジュールの一部を示す正面図であり、図３（Ｂ）は底面図である。図４（Ａ）は実施形態の光導波路基板が備える基板本体の正面図、図４（Ｂ）は基板本体の一部を示す平面図、図４（Ｃ）は図４（Ｂ）におけるＡ−Ａ線断面図、図４（Ｄ）は図４（Ｂ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。図５は第１の磁気部と第２の磁気部との関係を示す説明図である。図６（Ａ）は実施形態における光モジュールと、基板本体とを分解した状態を示す説明図であり、図６（Ｂ）は光モジュールと基板本体とを組み立てて、光導波路基板とした状態を示す説明図である。図７は実施形態の光導波路基板が備えるミラー部の周辺を拡大して示す説明図である。図８（Ａ）は光導波路基板の光軸がずれた状態を示す説明図であり、図８（Ｂ）は光導波路基板の光軸が自己調整される様子を示す説明図である。図９はケーブル収容穴の中心軸ＡＸ０と光ファイバの中心軸ＡＸ１とが距離Ｄだけずれた状態を示す説明である。図１０は残留磁束密度の説明に用いる概念図である。図１１は光導波路基板の各部の寸法の一例を示す説明図である。図１２（Ａ）は他の実施形態の光導波路基板が備える光素子を備えた光モジュールの一部を示す正面図であり、図１２（Ｂ）は底面図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては、説明の都合上、実際には存在する構成要素が省略されていたり、寸法が実際よりも誇張されて描かれていたりする場合がある。なお、以下の説明において、前後方向、左右方向、上下方向を図２に示す方向とする。

（実施形態）
図１は実施形態の情報処理装置１００の概略構成を模式的に示す説明図である。図２は光導波路基板１の分解した状態を示す説明である。図３（Ａ）は光導波路基板２が備える光素子１１を備えた光モジュール１０の一部を示す正面図であり、図３（Ｂ）はその底面図である。図４（Ａ）は光導波路基板１が備える基板本体の正面図、図４（Ｂ）は基板本体の一部を示す平面図、図４（Ｃ）は図（Ｂ）におけるＡ−Ａ線断面図、図４（Ｄ）は図４（Ｂ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。

図１を参照すると、情報処理装置１００は、光インターコネクティングによりデータ伝送を行う光導波路基板１を備える。光導波路基板１は、前後方向に延びる複数の光導波路３が形成された基板本体２を備える。光導波路３のそれぞれの端部には、光モジュール１０が設置されている。光モジュール１０には、それぞれＩＣ（Integrated Circuit）１５が接続されている。このような情報処理装置１００は、光導波路基板１を備える装置の一例であり、光導波路基板１は、データ伝送処理を行う他の装置に搭載することもできる。

図２を参照すると、光導波路基板２は、左右方向に並列して配置された光導波路３の端部にそれぞれミラー部４を備える。ミラー部４は、光を屈曲させ、光路を変換する。光導波路基板２は、光導波路３の端部を覆うように設けられたケーブル保持部２０を備える。ケーブル保持部２０には、ミラー部４の位置に対応させて設けられた複数のケーブル収容穴２１が設けられている。ケーブル収容穴２１は、円筒形状をなしている。ケーブル保持部２０は、ブロック状の部材であり、このケーブル保持部２０の上側に光モジュール１０が搭載される。

図３を参照すると、光モジュール１０は、内部に光素子１１を備える。光素子１１は、発光素子であり、発光部１２ａを備える。この発光部１２ａは、光素子１１が受光素子である場合には、受光部となる。光モジュール１０は、光素子１１から延設された光ファイバ１２を備える。光ファイバ１２は、データ伝送を行う信号ケーブルに相当するものであり、光モジュール１０の本体部１０ａから外部へ延出した状態とされている。光ファイバ１２は、可撓性を有する。信号ケーブルとしては、可撓性を有する他の信号線を用いてもよい。光ファイバ１２は、光素子１１側と異なる端部に光導波路３と対向配置される射出部１２ｂを備える。この射出部１２ｂは、光素子１１が受光素子である場合には、入射部となる。光ファイバ１２の外周部１２ｂには、第１の磁気部１３が設けられている。第１の磁気部１３は、光ファイバ１２の先端部に設けられている。第１の磁気部１３は、光ファイバ１２の外周部に環状に設けられており、内周面１３ａ側がＳ極とされ、外周面１３ｂ側がＮ極とされている。なお、後述する第２の磁気部２２との関係で、Ｓ極とＮ極とを入れ換えて設定することもできる。第１の磁気部１３は、磁性体又は磁石によって形成することができる。第１の磁気部１３は、例えば、予めパイプ状に成形された部材を装着するようにしてもよい。本実施形態の第１の磁気部１３は、ネオジム系の磁性体を液浸や、塗布により光ファイバ１２の先端部に付着させ、その後、加熱等により硬化させ、外部磁界によって磁化させて設けられている。

図４（Ａ）〜（Ｄ）を参照すると、ケーブル保持部２０は、ミラー部４の位置に対応させて設けられたケーブル収容穴２１のそれぞれの内周壁２１ａに第２の磁気部２２を備えている。第２の磁気部２２は、磁性体又は磁石によって形成することができる。第２の磁気部２２は、第１の磁気部１３との間で斥力を発生させる。本実施形態の第１の磁気部１３は、上述の如く、内周面１３ａ側をＳ極とし、外周面１３ｂ側をＮ極としている。そこで、図５を参照すると、第２の磁気部２２は、第１の磁気部１３の外周面１３ｂと対向する内周面２２ａ側をＮ極とし、外周面２２ｂをＳ極としている。これにより、第１の磁気部１３と第２の磁気部２２との間に斥力が発生する。なお、第１の磁気部１３におけるＳ極とＮ極とが入れ換えて設定されている場合には、これに合わせて第２の磁気部２２のＳ極とＮ極も入れ換えて設定される。要は、第１の磁気部１３と第２の磁気部２２とが相互に対向する面に同極が配置された状態となっていればよい。

ケーブル保持部２０は、基板本体２と接合される際、ケーブル収容穴２１の中心軸ＡＸ０とミラー部４の中心とがそれぞれ一致するように位置決めされる。ケーブル保持部２０は、下面に位置決めピン２３を備えている。この位置決めピン２３が、基板本体２に設けられた位置決め穴５に挿し込まれることによって、ケーブル保持部２０の基板本体２への位置決めがされる。ケーブル保持部２０と基板本体２とは、位置決めピン２３を用いて接合状態とすることができるが、本実施形態では、さらにＵＶ硬化樹脂を用いて接着されている。両者の接着には、従来公知の種々の接着方法や接着剤を用いることができる。

図６（Ａ）、（Ｂ）を参照すると、光ファイバ１２がそれぞれケーブル収容穴２１内に収容されるように、光モジュール１０がケーブル保持部２０上に搭載される。光モジュール１０には、嵌合部１４が設けられており、この嵌合部１４がケーブル収容穴２１の上端部に形成されたテーパ部に嵌め込まれる。このとき、図７に示すように、光ファイバ１２の中心軸ＡＸ１がケーブル収容穴２１の中心軸ＡＸ０と一致することが望ましい。

ところが、図８（Ａ）で示すように、光ファイバ１２の中心軸ＡＸ１がケーブル収容穴２１の中心軸ＡＸ０と一致せず、光軸がずれた状態となることがある。このような状態に対し、本実施形態の光導波路基板１では、図８（Ｂ）に示すように第１の磁気部１３と第２の磁気部２２との磁力、換言すれば両者間に生じる斥力によって自律的に光ファイバ１２の光軸調整が行われる。すなわち、磁力によって光ファイバ１２の先端部である射出部１２ｂが、ケーブル収容穴２１の中心軸ＡＸ０と一致するように誘導される。以下、このような光軸調整について、近似モデルを用いて説明する。

図９はケーブル収容穴２１の中心軸ＡＸ０と光ファイバの中心軸ＡＸ１とが距離Ｄだけずれた状態を示す説明である。光ファイバ１２を撓ませて光軸調整するために必要となる荷重Ｐを簡易的に算出する。具体的に、射出部１２ｂの位置をケーブル収容穴２１の中心側に向かって反り量ｄｍａｘだけ移動させることによって光軸調整がされる場合に必要となる荷重Ｐを算出する。

光ファイバ１２の直径φをφ＝０．１２５ｍｍ、光ファイバ１２の自由長、すなわち、光ファイバ１２が嵌合部１４から露出した部分の長さＬをＬ＝５ｍｍ、射出部１２ｂから光導波路３の上面までの距離ＺをＺ＝０．５ｍｍであると仮定する。さらに、光導波路３のコアサイズ（光導波路の一辺の長さ）ＹをＹ＝０．０５ｍｍ、ヤング率ＥをＥ＝３０００Ｎ／ｍｍ^２、光導波路３の下面における中心軸ＡＸ０と中心軸ＡＸ１との距離ＤをＤ＝０．０２ｍｍであると仮定する。以上のような条件において、必要な荷重Ｐは、以下の式１
式１

を用いて、Ｐ＝１．５５×１０^−５Ｎ＝１．５８ｍｇｆと算出される。
なお、光軸調整が行われ、光導波路３の下面における中心軸ＡＸ０と中心軸ＡＸ１との距離Ｄ＝０．０２ｍｍが補正されると、嵌合部１４から露出した光ファイバ１２が角度θだけ傾く。上述の例において、この傾きθは、おおよそθ＝０．２°程度となり、非常に微小である。このため、角度θが生じ、斜め入射となることに起因する損失は無視することができる。

つぎに、図１０、図１１を参照して、第１の磁気部１３と第２の磁気部２２とによって発生する磁力について検討する。まず、図１０を参照して、残留磁束密度がＢｒであり、寸法がａ×ｂ×ｋの磁性体が距離ｈだけ離れた測定点に及ぼす磁束密度Ｂについて説明する。測定点での磁束密度Ｂは、以下の式２で表される。
式２

ここで、測定点付近での磁束が一様であると仮定し、さらに、斥力は吸引力の５０％〜７０％となることを考慮して、斥力は、吸引力の６０％であるとして、以下の式３で表される。
式３

なお、残留磁束密度は、ネオジム磁石の平均的な値を用いて算出している。

以上のような関係を本実施形態の光導波路基板１に当て嵌めて検証する。光導波路基板１の各部の寸法は、以下のように仮定する。
光ファイバ１２の直径：
φ＝０．１２５ｍｍ
第２の磁気部２２の寸法：
ａ×ｂ＝０．５５ｍｍ（磁束密度Ｂの算出に利用）
第１の磁気部１３の寸法：
ａ’＝ｂ’＝０．１ｍｍ（面積Ｓの算出に利用）
これにより、Ｓ＝ａ’×ｂ’＝１×１０^−８ｍ^２
第２の磁気部２２の厚み
ｋ＝０．６５ｍｍ
ずれ量Ｄ＝０．０２ｍｍのときの第１の磁気部１３と第２の磁気部２２との距離
ｈ＝０．４６ｍｍ
残留磁束密度Ｂｒ
Ｂｒ＝１２００ｍＴ

以上の条件で斥力Ｆを算出すると、Ｆ≒１．５２ｍｇｆとなる。この値を、上述の荷重Ｐと比較すると、ほぼ近い値となり、光ファイバ１２を撓ませることによる光軸調整が可能であることが検証された。磁力は、第１の磁気部１３及び第２の磁気部２２との間の距離によって変化するため、第１の磁気部１３は、周囲の磁力がバランスした位置に収束する。

以上のように、本実施形態の光導波路基板１は、磁力により自律的な光軸調整が行われる。このような自律的な光軸調整は、各光ファイバ１２において行われるため、光軸調整の労力低減となる。また、光素子の実装にはんだ接合を用いた場合、その熱により部材に膨張、反りが生じ、光軸に影響を与えることがあるが、本実施形態の光導波路基板１であれば、光軸は自己調整される。

なお、上記実施形態では、信号ケーブルとして光ファイバ１２を用いているが、図１２に示すように、信号ケーブルとしてフレキシブルケーブル６１を用いることもできる。すなわち、光モジュール６０は、光素子１１から延設されたフレキシブルケーブル６１を備え、その先端部に第１の磁気部１３が設けられている。なお、フレキシブルケーブルは、内部に電気信号を伝送する金属線を備えており、先端部に受光部（又は発光部）６２を備える。このようなフレキシブルケーブル６１に対しても第１の磁気部１３と第２の磁気部２２との間に生じる斥力が作用し、光軸の自己調整が行われる。

１光導波路基板
２基板本体
３光導波路
４ミラー部
５位置決め穴
１０、６０光モジュール
１１光素子
１２光ファイバ
１２ａ発光部
１２ｂ射出部
１２ｃ外周部
１３第１の磁気部
１３ａ内周面（Ｓ極）
１３ｂ外周面（Ｎ極）
２０ケーブル保持部
２１ケーブル収容穴（円筒形状）
２１ａ内周壁
２２第２の磁気部
２２ａ内周面
２２ｂ外周面
６１フレキシブルケーブル
１００情報処理装置

Claims

並列配置された複数の光素子に対応させて複数の光導波路が形成された基板本体と、
先端部に前記光導波路と対向配置される入射部又は出射部を備える信号ケーブルであって、その外周部に第１の磁気部が設けられた信号ケーブルが収容される円筒形状のケーブル収容穴が複数の前記光導波路に対応させて設けられたケーブル保持部と、
前記ケーブル収容穴の内周壁に環状に設けられ、前記第１の磁気部との間で斥力を発生する第２の磁気部と、
を備え、
前記第１の磁気部は、前記信号ケーブルの前記外周部に環状に設けられ、
前記第２の磁気部は、その内周面が前記第１の磁気部の外周面と対向するように設けられた光導波路基板。
並列配置された複数の光素子と、
並列配置された複数の前記光素子に対応させて複数の光導波路が形成された基板本体と、
前記光素子から延設され、先端部に前記光導波路と対向配置される入射部又は出射部を備える信号ケーブルと、
前記信号ケーブルの外周部に設けられた第１の磁気部と、
前記信号ケーブルが収容される円筒形状のケーブル収容穴が複数の前記光導波路に対応させて設けられたケーブル保持部と、
前記ケーブル収容穴の内周壁に環状に設けられ、前記第１の磁気部との間で斥力を発生する第２の磁気部と、
を備え、
前記第１の磁気部は、前記信号ケーブルの前記外周部に環状に設けられ、
前記第２の磁気部は、その内周面が前記第１の磁気部の外周面と対向している、
情報処理装置。