WO2007026843A1

WO2007026843A1 - 導波路装置

Info

Publication number: WO2007026843A1
Application number: PCT/JP2006/317263
Authority: WO
Inventors: Youichi Itagaki
Original assignee: Mitsumi Electric Co., Ltd.
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2007-03-08
Also published as: CN101253434B; US20090257713A1; JP4582145B2; EP1921474A4; EP1921474A1; JPWO2007026843A1; US7856164B2; CN101253434A

Abstract

　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が開示される。導波路装置は、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。

Description

明細書

導波路装置

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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、 c

PU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、る。

[0003] データ伝送に光を用いた場合、高速が可能なだけではなぐ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ぉ、ても光通信が有効となる。ボード間や回路間と、つたきわめて短、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ヽる。

[0004] 光配線に用いられて!/、るポリマー光導波路は、伝送距離が短!、ことからコア径も 50 μ m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。

[0005] 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)。特許文献 1 :特開 2001— 166167号公報

特許文献 2：特開 2001— 281486号公報

特許文献 3 :特開 2004— 361858号公報

発明の開示発明が解決しょうとする課題

[0006] 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。

課題を解決するための手段

[0007] 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。

[0008] 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。

発明の効果

[0009] 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。

図面の簡単な説明

[0010] 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。

[図 1]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 2]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。

[図 3]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。

[図 4]本発明の一実施例の光配線装置の動作説明図である。 [図 5]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。

[図 6]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。

[図 7]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。

[図 8]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。

[図 9]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。

[図 10]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。

[図 11]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

[0011] 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 カノ一

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

発明を実施するための最良の形態

[0012] 以下、添付の図面を参照し、本発明の実施例を説明する。

[0013] 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。

[0014] 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 11 laとプリント配線板 11 lb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 11 la、 11 lbには、 ICチップ 113、及び、コネクタ 112aが搭載されて!、る。コネクタ 112aは例えばソケットであって良!、。

[0015] 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 11 2b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 11 la及び 11 lbとを接続する。

[0016] 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 1 14c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〖こ収納される。

[0017] 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 11 la (又は 11 lb)力らの電気信号を光に変換して、光をプリント配線板 11 la (又は 11 lb)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。

[0018] 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 11 la (又は 11 lb)に供給する。ドライバ 115c及びアンプ 115d は、プリント配線板 11 la (又は 11 lb)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 Z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 11 la (又は 11 lb)に供給する。

[0019] 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 11 6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 11 6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。

[0020] 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 XI、又は、 X 2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 1 16の XI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 XI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。

[0021] これにより、光配線装置 116によりその XI、又は X2方向側端部に導かれた光は、 Z 2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、 Zl、 Z 2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 11 la、又は 11 lbに供給され、 ICチップ 1 13で処理される。

[0022] 図 2は光配線装置 116の構成例を示す図である。

[0023] 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。

[0024] フィルム基板 121、 122は、例えば、ポリイミド、 PET、 PENなどからなる榭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。

[0025] 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 123 a、 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の他端部に开成され、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) )。

[0026] 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 1 23aはフィルム基板 121側から供給された光をコア部 126に平行ィ匕する。各レンズ 12 3b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。

[0027] 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 12 4a、 124b力形成されて!ヽる。導光咅 124a、 124bの屈折率 ίま、コア咅 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、 1 24b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、。

[0028] コア部 126は、クラッド層 124上に矢印 XI、 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ぐコア、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。

[0029] これによつて、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。

[0030] 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方向力入射した光を XI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 XI方向の端面であり、 X2方向力も入射したその光を Z2 方向側に折曲させ、受光素子 115bの受光面に入射させる。

[0031] 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、ポリイミド系榭脂、ポリシラン系榭脂、エポキシ系榭脂、アクリル系榭脂など力も構成される。

[0032] 〔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。

[0033] 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上力も紫外線を照射する。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。

[0034] 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上力も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ぐ周辺部で少なくなる。これによつて、図 3 (c)に示すように、フォトマスク 131の開口部 13 la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。

[0035] 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上力紫外線を照射する。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。

[0036] 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 1 41a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。

[0037] 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。

[0038] 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。

[0039] 〔動作〕

図 4は光配線装置 116の動作説明図である。

[0040] 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 XI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 12 6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

[0041] 〔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 11 la ( 11 lb) 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。

[0042] 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。

[0043] 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。

[0044] 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 54 0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 10 m、 50 m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、 Ζ軸方向に光源 530を移動した際の損失を計算した。

[0045] 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 Ζコア厚さ = 1. 0、レンズ曲率半径 Ζコア厚さ = 1. 0とした時の Ζ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; nlensZncore)毎に示すグラフである。図 7は、下クラッド厚さ Zコア厚さ =0. 2、レンズ曲率半径 Z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 Zコア厚さ =0. 2、コア屈折率 Z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; rl ensZdcore)毎に示すグラフである。図 9は、コア屈折率 Zレンズ層屈折率 = 1. 12 、レンズ曲率半径 Z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； dcladZdcore)毎に示すグラフである。

[0046] 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。

[0047] (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< l. 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。

[0048] (b)レンズの曲率半径は、レンズの曲率半径 ¾rlens、コアの厚さを dcoreとした場合、 0. 5く rlens/dcoreく 4. 0を満たし、特に、 1. 0く rlens/dcoreく 3. 0を満たす。この条件は図 8から求められる。

[0049] (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く dcladZdcoreく 1. 0を満たし、特に、 0. 2く dcladZdcoreく 0. 3を満たす。この条件は図 9から求められる。

[0050] 〔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。

[0051] 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 21 la、 21 lbを形成した構成とされて!/、る。

[0052] 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。

[0053] 〔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。 [0054] 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 21 la、 21 lbに代えて導光部 31 la、 3 l ibを形成した構成とされている。

[0055] 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。

[0056] 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、 12 4b ; 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、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。

[0057] 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。

[0058] 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。

[0059] 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。

[0060] 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。

[0061] 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、導波路力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。

[0062] 〔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力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。

[0063] 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ぐ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。

[0064] 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

請求の範囲

[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を有することを特徴とする導波路装置。

[2] 前記導波部は、前記クラッド部の屈折率をレンズ状に異ならせて成形されることを特徴とする請求項 1記載の導波路装置。

[3] 前記クラッド部に積層して形成されたレンズ層をさらに有し、

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することを特徴とする請求項 1記載の導波路装置。

[4] 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することを特徴とする請求項 1乃至 3のいずれか一項記載の導波路装置。

[5] 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を特徴とする請求項 4記載の導波路装置。

[6] 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 5記載の導波路装置。