(57)【要約】【目的】  本発明は、光通信分野で使用される棒状光ピン及びその光接続装置に関し、特に、光波が基板に水平方向に伝搬する光導波路と、光波が基板に垂直方向に入出力する基板上に設置された光学素子とを、光学的に結合する集積化が可能とすること。【構成】  コア部２及びクラッド部３を持つ光導波路からなる棒状光ピン本体１の長手方向の適宜の位置に、前記棒状光ピン本体１の光軸方向と適宜の角度を有して形状されたスリット４内部に金属膜５が蒸着されること。また、該金属膜５で前記コア部２箇所がスリット状ミラー面６として形成され、該スリット状ミラー面６に到達した光波が光路変換・光路分岐を行うことが可能であって、単層接続用とした棒状光ピンとしたこと。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア部及びクラッド部を持つ光導波路からなる棒状光ピン本体の長手方向の適宜の位置に、前記棒状光ピン本体の光軸方向と適宜の角度を有して形状されたスリット内部に金属膜が蒸着されるとともに、該金属膜で前記コア部箇所がスリット状ミラー面として形成され、該スリット状ミラー面に到達した光波が光路変換・光路分岐を行うことが可能であって、単層接続用としたことを特徴とする棒状光ピン。
【請求項２】
請求項１において、前記棒状光ピン本体の光軸方向に対するスリット状ミラー面の傾斜角度が、約３０度から約６０度であることを特徴とする棒状光ピン。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記スリット状ミラー面の形状が、前記コア部の断面の一部から該コア部の全面に達するものまで存在し、前記金属膜の厚さは任意とし、前記スリット状ミラー面の形状に応じて光路変換光量を可変することが可能であることを特徴とする棒状光ピン。
【請求項４】
請求項１，２又は３において、前記棒状光ピン本体のコア部及びクラッド部の断面形状が矩形をなしていることを特徴とする棒状光ピン。
【請求項５】
請求項１，２又は３において、前記棒状光ピン本体のコア部及びクラッド部の断面形状が円形又は楕円をなしていることを特徴とする棒状光ピン。
【請求項６】
請求項１，２，３，４又は５において、前記棒状光ピン本体において、前記スリット状ミラー面を複数とし、最下層のスリット状ミラー面を前記コア部の断面の全体とし、上側のスリット状ミラー面を前記コア部の断面の一部としてなり、多層接続用としたことを特徴とする棒状光ピン。
【請求項７】
請求項６において、前記棒状光ピン本体において、前記複数のスリット状ミラー面において、該スリット状ミラー面に到達した光波の方向が、棒状光ピン本体の断面平面における適宜な方向に変換され、階層毎の光波の方向を変化させることが可能であることを特徴とする棒状光ピン。
【請求項８】
請求項１，２，３，４，５，６又は７において、前記棒状光ピンを、光導波路が設置された基板上で、光導波路の真上に加工された貫通孔に挿入固定することによって、前記棒状光ピンを伝搬した光信号を光路変換し、光導波路へ導波することが可能であることを特徴とする光接続装置。
【請求項９】
請求項６又は７において、前記棒状光ピンが、複数の光導波路が階層状に設置された基板上で、光導波路の真上に加工された貫通孔に挿入固定することによって、前記棒状光ピンを伝搬した光信号を、基板上の各階層ごとの光導波路に分割して導波することが可能であることを特徴とする光接続装置。
【請求項１０】
請求項８又は９において、基板上の各階層の光導波路を伝搬した光波を、貫通孔に挿入固定された前記棒状光ピンと、元の伝搬してきた層の光導波路とに分割して導波することが可能であることを特徴とする光接続装置。
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【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信分野で使用される棒状光ピン及びその光接続装置に関し、特に、光波が基板に水平方向に伝搬する光導波路と、光波が基板に垂直方向に入出力する基板上に設置された光学素子とを、光学的に結合する集積化が可能な棒状光ピン及びその光接続装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータを始めとする情報処理装置が処理する情報量は増大の一途を辿っている。これに伴い、これらの装置を構成している電子回路基板内、あるいは、基板間および素子間での配線数が増大し、電子回路実装の高密度化が要求されている。しかしながら、従来の金属による電気配線間での信号の干渉や配線距離の長尺化による伝搬遅延の問題などが深刻になっている。
【０００３】
このような問題を解決する手段として、光配線を用いた光接続技術が注目されてきた。光信号の伝達には相互干渉の問題がなく、並列実装が行えるため、光接続技術は大量の情報の伝送に適している。電子回路基板内での配線は、基板上に実装した光源（発光素子）から光検出器（受光素子）へ光導波路等の光伝達手段を介して光信号を伝送する、いわゆる光回路によって置き換えることができる。しかし、電子回路と光回路では多くの相違点がある。光回路においては光素子と光導波路などの伝送路との接続を行う必要があるが、光の結合には精密な位置合わせ（調心）が必要とされ、単純な接触でよい電気的接続に比べると容易でない。電子回路基板上で電子素子とプリント配線とを接続するのには通常、電子素子のピンをプリント配線基板に挿入してハンダ付けするが、光接続もこのように挿入固定などの簡便な方法によって行えることが望まれる。このような簡便な光接続手段を、電子素子のピンになぞらえて光ピンと称する。
【０００４】
例えば、光導波路を貫通する孔に光ファイバを挿入して光接続を行う光ピンが知られている（図１５参照）。基板中に光導波路を形成し、該光導波路を貫通するように基板に貫通孔を設ける。この貫通孔に、先端を４５度の角度に斜め加工、あるいは、逆Ｖ字状に加工した光ファイバを挿入することによって、光導波路を伝搬する光を９０度光路変換する。この折り返した光を光ファイバを伝搬させることによって、基板上に設置した光電子集積回路に接続するように構成されている。あるいは逆に、基板上に設置された光電子集積回路から基板に垂直方向に出射した光波を、光ピンの先端で９０度光路変換して、基板内の光導波路へ導いている。
【０００５】
しかしながら、上記の光ピンでは端面加工という手法から、基板の貫通孔挿入時における実装深さ方向の位置合わせや基板に衝突した際に生じる可能性のある加工先端部分の破損など、種々の問題があると考えられる。上記の光ピンはまた、１階層のみの光接続を想定しているため、光導波路が多層に設置された場合、同層の光導波路間での光接続は可能であるが、他層の光導波路間での光接続は不可能であり、光回路素子からの光波を複数層の光導波路に分割することも不可能である。また、特許文献１においても、１階層のみの光接続であり、他層の光導波路間での光接続は不可能であった。
【特許文献１】特開２００３−１４００６１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来の光ピンの問題点に着目して改良されたものであり、その目的は、光導波路または光ファイバを有する光・電気混載基板上において、所定の位置に所定の角度・所定の形状・所定の数のスリット状ミラー面を設けた光ピンを用いることで、光導波路の階層接続という概念を導入し、光の多層接続が可能となることで、光接続の柔軟性が高い棒状光ピン及びその光接続装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、発明者は上記課題を解決すべく鋭意、研究を重ねた結果、請求項１の発明を、コア部及びクラッド部を持つ光導波路からなる棒状光ピン本体の長手方向の適宜の位置に、前記棒状光ピン本体の光軸方向と適宜の角度を有して形状されたスリット内部に金属膜が蒸着されるとともに、該金属膜で前記コア部箇所がスリット状ミラー面として形成され、該スリット状ミラー面に到達した光波が光路変換・光路分岐を行うことが可能であって、単層接続用としたことを特徴とする棒状光ピンとしたことにより、前記課題を解決した。また、前記構成において、前記棒状光ピン本体の光軸方向に対するスリット状ミラー面の傾斜角度が、約３０度から約６０度であることを特徴とする棒状光ピンとしたことにより、前記課題を解決した。
【０００８】
また、前記構成において、前記スリット状ミラー面の形状が、前記コア部の断面の一部から該コア部の全面に達するものまで存在し、前記金属膜の厚さは任意とし、前記スリット状ミラー面の形状に応じて光路変換光量を可変することが可能であることを特徴とする棒状光ピンとしたことにより、前記課題を解決した。また、前記構成において、前記棒状光ピン本体のコア部及びクラッド部の断面形状が矩形をなしていることを特徴とする棒状光ピンとしたことにより、前記課題を解決した。また、前記構成において、前記棒状光ピン本体のコア部及びクラッド部の断面形状が円形又は楕円をなしていることを特徴とする棒状光ピンとしたことにより、前記課題を解決した。
【０００９】
また、前記構成において、前記棒状光ピン本体において、前記スリット状ミラー面を複数とし、最下層のスリット状ミラー面を前記コア部の断面の全体とし、上側のスリット状ミラー面を前記コア部の断面の一部としてなり、多層接続用としたことを特徴とする棒状光ピンとしたことにより、前記課題を解決した。また、前記構成において、前記棒状光ピン本体において、前記複数のスリット状ミラー面において、該スリット状ミラー面に到達した光波の方向が、棒状光ピン本体の断面平面における適宜な方向に変換され、階層毎の光波の方向を変化させることが可能であることを特徴とする棒状光ピンとしたことにより、前記課題を解決した。
【００１０】
さらに、前記構成において、前記棒状光ピンを、光導波路が設置された基板上で、光導波路の真上に加工された貫通孔に挿入固定することによって、前記棒状光ピンを伝搬した光信号を光路変換し、光導波路へ導波することが可能であることを特徴とする光接続装置としたことにより、前記課題を解決した。また、前記構成において、前記棒状光ピンが、複数の光導波路が階層状に設置された基板上で、光導波路の真上に加工された貫通孔に挿入固定することによって、前記棒状光ピンを伝搬した光信号を、基板上の各階層ごとの光導波路に分割して導波することが可能であることを特徴とする光接続装置としたことにより、前記課題を解決した。また、前記構成において、基板上の各階層の光導波路を伝搬した光波を、貫通孔に挿入固定された前記棒状光ピンと、元の伝搬してきた層の光導波路とに分割して導波することが可能であることを特徴とする光接続装置としたことにより、前記課題を解決した。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように請求項１乃至請求項７の発明では、単層接続用又は多層接続用の棒状光ピンは、棒状光ピン本体１自体の形状を変化させる必要がないため、基板の貫通孔へ挿入する側の端面が平坦であり、基板衝突の際における光ピン先端部分の破損の危険を防止できるとともに、特に、多層接続用ができるし、実装深さ方向への位置あわせも容易になる利点がある。さらに小型化及び安価に提供できる。さらに、請求項８乃至請求項１０の本発明の光接続装置では、光素子と光導波路との光結合に階層接続の概念を導入することで、光接続の柔軟性が高くでき、さらに、光導波路を形成した光・電気混載基板上に各種光学素子および電子素子を一体化し、かつ小型に実装できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
まず、本発明の概要について説明する。図１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、本発明の単層接続用の棒状光ピンＡである。コア部２及びクラッド部３を持つ光導波路からなる棒状光ピン本体１の長手方向の適宜の位置に、前記棒状光ピン本体１の光軸１ａ方向と適宜の角度θを有して形状されたスリット４内部に金属膜５が蒸着されるとともに、該金属膜５で前記コア部２箇所がスリット状ミラー面６として形成され、該スリット状ミラー面６に到達した光波が光路変換・光路分岐を行うことが可能となっている。
【００１３】
前記スリット状ミラー面６に到達した光波は、スリット状ミラー面６の加工状態により、光路変換・光路分岐・多層接続を行うことが可能である。また、棒状光ピン本体１自体の形状を変化させる必要がないため、基板の貫通孔へ挿入する側の端面が平坦であり、基板衝突の際における光ピン先端部分の破損の問題は改善される。また、端面が平坦であることから、実装深さ方向への位置あわせも容易になる利点がある。
【００１４】
また、前記棒状光ピン本体１の光軸１ａ方向に対する前記スリット状ミラー面６の傾斜角度が、約３０度から約６０度であることが好ましい。さらに好ましくは約３５度から約５５度であることが好ましい。さらに一層好ましくは約４０度から約５０度である。また、前記棒状光ピン本体のコア部２及びクラッド部３の断面形状が矩形（正方形，長方形）をなしている。かかる断面では、スリット状ミラー面６の成形がしやすい。また、前記スリット状ミラー面６の形状は前記コア部２の一部に達するものから該コア部２の全面に達するものまで存在し、前記金属膜５の厚さ（前記スリット状ミラー面６の厚さ）は任意とし、前記スリット状ミラー面６の形状に応じて光路変換光量を可変可能に構成されることもある。さらに、前記棒状光ピン本体１のコア部２及びクラッド部３の断面形状が円形又は楕円をなしていることもある。何れにしても、単層接続用の棒状光ピンＡは、１階層接続であり、１枚［図１（Ａ）、（Ｃ）参照］のみが設けられている。
【００１５】
次に、本発明の多層接続用の棒状光ピンＡについて説明する。２階層接続であれば２枚〔図２（Ａ），（Ｃ）参照〕、３階層接続であれば３枚〔図３（Ａ），（Ｂ）参照〕というように、光接続を行う階層数に対応する。つまり、前記棒状光ピン本体１において、前記スリット状ミラー面６を複数とし、最下層のスリット状ミラー面６を前記コア部２の断面の全体とし、上側のスリット状ミラー面６を前記コア部２の断面の一部としてなるように構成されている。
【００１６】
一層接続用又は多層接続用の棒状光ピンＡのスリット状ミラー面６について詳述すると、該スリット状ミラー面６については、図示しないカッタ等で形成されたスリット４内部に金属膜５が蒸着されたものであるため、スリット４内部の上面の金属膜５および下面の金属膜５双方が、光を反射するミラーとして機能する。これによって図６に示すように、スリット状ミラー面６が棒状光ピンＡのコア部２を占める割合により、スリット状ミラー面６にて光路変換される光量が比例関係で可変可能であるため、光路変換される光と光路変換されずにスリット状ミラー面６を通過する光との割合により、多種多様な多層光接続が可能となる。
【００１７】
また、多層接続用の棒状光ピンＡを使用して、２階層間の接続を想定とした構成図を図７に示す。この例では、２層での光接続を平等に行えるように、スリット状ミラー面６，６の傾斜角度を４５度、形状を棒状光ピンＡのコア部２の中心に達するものを食い違い状態とした。レーザ光を発する光源（発光素子）から出射した光は、棒状光ピンＡ内を伝搬しながら、該棒状光ピンＡの上部（１層目）のスリット状ミラー面６に達すると、光パワーの５０％が上層の光導波路の光軸に沿って伝搬する。また、棒状光ピンＡ内を伝搬する光パワーの残りの５０％は、前記棒状光ピンＡの下部（２層目）のスリット状ミラー面６に達すると、下層の光導波路の光軸に沿って伝搬する。
【００１８】
一方、受信の場合、上層あるいは下層の光導波路を進行した光波は、棒状光ピンＡのスリット状ミラー面６に達すると、該スリット状ミラー面６で反射され、棒状光ピンＡ内を伝搬した後、光検出器（受光素子）により光検出される。また、スリット状ミラー面６を透過し、あるいはスリット状ミラー面６の上部を通過した光波は、元の光導波路の光路を進行する。すなわち、一部の光パワーが棒状光ピンＡによって取り出されていく。これをタッピング機能という。また、図８に示すように、前記棒状光ピンＡのスリット状ミラー面６，６の設置位置および傾斜方向を変えることにより、上層あるいは下層の光導波路を進行した光波を、上層および下層の光導波路へ分割させることが可能である。
【００１９】
また、多層接続用の棒状光ピンＡにおいて、図４に示すように、前記複数のスリット状ミラー面６，６，…において、該スリット状ミラー面６に到達した光波の方向が、棒状光ピン本体１の断面平面における適宜な方向に変換され、階層毎の光波の方向を変化させるように構成されることもある。つまり、棒状光ピンＡのスリット状ミラー面６の傾斜方向を変えることで、３次元的な多層分岐が可能となるものである。図５は送信モデルを用いた一例であり、棒状光ピンに入射された光波(1) が、Ｘ軸(2) 及びＺ軸(3) の２方向かつ２層の光導波路へ、光波が分割され伝搬していく様子が確認できる。
【実施例】
【００２０】
また、発光素子からの出射光が棒状光ピンおよび上下層の光導波路へ結合されるまでの光結合系を送信モデル、上層および下層の光導波路に発光素子を配置した後、この出射光が棒状光ピン、上層および下層の光導波路へ結合されるまでの光結合系を受信モデル、上層あるいは下層の光導波路に発光素子を配置した後、この出射光が上層および下層の光導波路へ結合されるまでの光結合系を分岐モデルとした。これら３つの光結合系の実施例について、光結合特性を光線追跡法を用いて解析を行った。解析モデルとしては、実際の実装形態よりも簡易化し、２層かつ２方向に設置する４つの矩形光導波路は、コア寸法５０×５０μｍ、クラッド厚４０μｍでモデル化し、棒状光ピンはコア寸法５０×５０μｍ、クラッド厚３７．５μｍの矩形光導波路を用いた。棒状光ピン内に設置するスリット状ミラー面は、２層での光接続を平等に行えるように、傾斜角度を４５度、形状を光導波路のコア部の中心に達するように設定し、金属膜の蒸着を考慮しているため、反射率は１とした。
【００２１】
送信モデルの解析結果の一例を図９に示す。棒状光ピンに入射された光波(1) は、棒状光ピン内を伝搬しながら、棒状光ピンの上部のスリット状ミラー面６に達すると、光パワーの半分が反射し、上層の光導波路の光軸に沿って伝搬する(2) 。また、上部のスリット状ミラー面６で反射しなかった光はそのまま棒状光ピン内を伝搬し、該棒状光ピンの下部のスリット状ミラー面６に達すると、下層の光導波路の光軸に沿って伝搬する(3) 。
【００２２】
解析結果の詳細を図１０に示す。横軸はスリット状ミラー面６のコア部の傾斜面の中心と、隣接する光導波路のコア部の中心が一直線上にある時をゼロ（原点）としている。また、位置ずれ量とは、棒状光ピンがＹ軸方向に対して、原点より上側に実装された場合をプラス＋、下側に実装された場合をマイナス−とし、原点からの位置ずれの大きさを表したものである。縦軸の光結合効率とは、発光素子からの光を０ｄＢ（１００％）とし、この光が棒状光ピンおよび光導波路内に配置した受光素子に到達した光の割合のことである。図１１より、送信モデルにおいては、棒状光ピンが位置ずれ無く実装された場合および位置ずれして搭載された場合のどちらとも、上下層の２つの光導波路へ半分の光が到達していることが分かる。棒状光ピンのＹ軸方向への位置ずれの許容量は、最大光結合効率から１ｄＢダウン時で±１６μｍ程度であり、実装が可能な範囲内にある。
【００２３】
受信モデルの解析結果の一例を図１１に示す。ここでは、解析方法の制限から、２つの発光素子から同時に光を出射させることができなかったため、上層および下層に分けて解析を行った。それぞれの光導波路を進行してきた光波(1) ，(2) が、棒状光ピンのスリット状ミラー面６に到達すると、一部の光波は９０度光路変換し、棒状光ピン内を進行する(3) ，(4) 。また一部の光波は、棒状光ピンを通り越して、元の層の光導波路を進行する(5) ，(6) 。すなわち、タッピング機能が確かめられる。このタッピンの割合は、棒状光ピンの実装深さ位置によって、調整することが可能である。解析結果の詳細を図１３に示す。ここで、棒状光ピンの光結合効率は、上層の受信モデルと下層の受信モデルで求められた棒状光ピンの光結合効率を足し合わせたものである。棒状光ピンの実装深さ位置を変えることで、棒状光ピンへ到達する光と、光導波路へ到達する光を可変可能であることが分かる。すなわち、タッピングの割合が調整できることを示す。
【００２４】
分岐モデルの解析結果の一例を図１３に示す。下層の光導波路を進行してきた光波(1) が、棒状光ピンのスリット状ミラー面６の下部を通過した光波がそのまま下層の光導波路へ(2) 、２つのスリット状ミラー面６、６により、２度の９０度光路変換をした光波が上層の光導波路へ(3) 分割されていることが分かる。解析結果の詳細を図１４に示す。下層を進行してきた光波が、上層の光導波路及び下層の光導波路へ、ほぼ５０％ずつ光を分岐させていることが分かる。
【００２５】
以上の実施例は、所定の位置に所定の角度・所定の形状・所定の数のスリット状ミラー面を設けた棒状光ピン用いることで、光波を他層間に分岐できる光分岐装置や、棒状光ピンの実装深さ位置により、光パワーを自由に可変できる光接続装置の作製が可能であることを意味している。受信光パワーを可変できるという面から、光導波路や棒状光ピンを２次元アレイ上に多数配置することで、複雑な並列処理が行える光接続装置の作製が可能である。
なお、上記の光学素子は半導体レーザ、特に面発光レーザ等の発光素子であるか、もしくはフォトダイオード等の受光素子である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（Ａ）は本発明の第１実施形態の断面図、（Ｂ）は（Ａ）のイ部詳細図、（Ｃ）は（Ａ）の斜視図である。
【図２】（Ａ）は本発明の第２実施形態の断面図、（Ｂ）は（Ａ）のロ部詳細図、（Ｃ）は（Ａ）の斜視図である。
【図３】（Ａ）は本発明の第３実施形態の断面図、（Ｂ）は（Ａ）の斜視図である。
【図４】本発明の第４実施形態の斜視図である。
【図５】本発明の第４実施形態について、光線追跡法による解析結果（３次元分岐モデル）である。
【図６】スリット状ミラー面形状に対する光路変換光量のグラフである。
【図７】本発明の棒状光ピンを用いた光接続装置の構成図（送信モデル・受信モデル）である。
【図８】本発明の棒状光ピンを用いた光接続装置の構成図（分岐モデル）である。
【図９】光線追跡法による解析結果（送信モデル）である。
【図１０】実装位置変化に対する光結合効率の解析結果（送信モデル）のグラフである。
【図１１】光線追跡法による解析結果（受信モデル）である。
【図１２】実装位置変化に対する光結合効率の解析結果（受信モデル）のグラフである。
【図１３】光線追跡法による解析結果（分岐モデル）である。
【図１４】実装位置変化に対する光結合効率の解析結果（受信モデル）のグラフである。
【図１５】従来型の光ピンを用いた構成図である。
【符号の説明】
【００２７】
棒状光ピンＡ、１…棒状光ピン本体、２…コア部、３…クラッド部、４…スリット、
５…金属膜、スリット状ミラー面６。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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