CN1740830A - 一种基于软光刻的光互联耦合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于软光刻的光互联耦合结构。包括两个反射面和两个中间耦合设配段，依次连接在方形波导管的两侧，形成一个对称连接的连接体安装在印刷电路板上，印刷电路板上开有通孔，光源和光接收器则安置在印刷电路板的另一侧，光源经第一通孔对准于一个反射面，光接收器经第二通孔对准于另一个反射面。其中反射面，耦合设配段，方形波导管利用软光刻工艺一次成形，既降低了耦合结构的安装误差，又减小了光波导的模数以增大带宽。对中间耦合设配段的斜面进行曲面优化，使其耦合光路更易进入方形波导管从而使耦合效率更高，降低器件功耗；更加适合于计算机内部的短距离高速数据传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于软光刻的光互联耦合结构。
背景技术
随着全球通信业务量的飞速增长，业务形式亦日趋多样化，图像传输与处理技术日趋发展，带宽需求呈***性增长，要求网络上的各个节点提供更高的传输速率。在过去的二十几年来，光信号做为信息传播媒介已经广泛运用于长距离网络传输，长途通讯网络***利用并行光纤来连接光开关，路由器，WDM终端***用于长距离的网络互联。另一方面微电子工业已经极大的提高了电子电路的性能来缓解这个问题，但是随着大规模集成电路(LSI)的高度集成化以及板间数据传输率提高，诸如引脚增多布线密集不够灵活，损耗较大，电磁干扰以及电路封装等问题成为LSI的发展瓶颈。
基于铜互联的印刷电路板已无法适应下一代的发展。镶嵌在印刷电路板高聚物光波导连接应运而生，光学互连是光纤通信技术在短距离上的全新应用，提供了下一代高速计算机中的数据传输解决方案，同时对光互连波导和耦合结构的设计及制作提出了新挑战。国际上自2000年左右开始研发印刷电路板之间的光学互连(board to board)。在最近几年，光学互连的发展将不断缩短长度，由初期的印刷电路板之间互连迅速发展为芯片之间的高速互连，将计算机技术推向一个的全新领域。可以预见，目前的铜箔印刷电路板在几年内将迅速被带有光学互连层的“光电印刷电路板”替代，同时对光互连波导和耦合结构的设计及制作提出了新挑战。国内在光学互连方面的研究报导极少，尚处于起步阶段。
与铜箔线相比，镶嵌在印刷电路板高聚物光波导连接具有下列突出优势：1.克服了铜箔线数据传输率的限制，使传输率上升至THz；2.简化了电路设计；3.低功率消耗；4.大幅度降低电磁干扰。因此在印刷电路板上应用光互联是一个有效解决方法。最近的研究方向是如何把光互连结构耦合进普通印刷电路板上。通常把高聚物材料光波导做为光传输层耦合进光一电基板上。高聚物光学互连得以应用到芯片间互联(如印刷电路板上)的需同时解决两个关键问题：一是如何把光源发射的光束耦合至与之呈垂直放置的光波导，并使光束对准容忍精度下降至0.1-0.3mm，使实用成为可能。二是如何解决光发射器和接收器与光波导之间的有效光学传输问题。为解决上述两个问题，目前提出的方案有：光波导45°端面切割，微透镜和圆柱型耦合器件等。然而，这几种方案对VCSEL/PD的安装定位误差有过高的要求，通常在几十微米左右。如此高的配合精度要求对光学互连的实际应用是一个极大的限制，必须予以解决。目前已经提出的耦合结构采用的方法有利用微透镜，微光耦合器，微棱镜等光器件。仍然存在的主要问题是如何把光发射器模块以及光探测器之间的信号光路偏转90度更有效的与光波导耦合；另一个是如何减小由于安装误差导致光信号耦合效率的降低。还有已经提出的几种方式的制作工艺复杂成本过高，难以批量生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于软光刻的光互联耦合结构，有效解决光路偏转及使耦合效率更高，减小安装误差要求。
本发明采用的技术方案如下：包括光源，两个反射面，两个中间耦合设配段，方形波导管，光接收器，驱动电路，接收电路。一个反射面和一个中间耦合设配段，依次连接在方形波导管的一侧，另一个中间耦合设配段和另一个反射面，依次连接在方形波导管的另一侧，形成一个对称连接的连接体安装在印刷电路板上，印刷电路板上开有两个通孔，光源和光接收器则安置在印刷电路板的另一侧，光源经第一通孔对准于一个反射面，光接收器经第二通孔对准于另一个反射面。
该光互联耦合结构的工作原理是：数据信号经过驱动电路控制垂直腔变激光器发出调制光信号，其激光光束扩散角约为8-12℃，光束能量为近似高斯分布，穿过印刷电路板通孔后，光斑由表面的数个微米宽展至0.2-0.3mm，投射于连接体的反射面。光束通过全内反射由反射面、中间耦合设配段进入方形波导管。光束通过在连接体内传输后到达光接收器后经过接收电路处理，由此完成一次信号传输与处理。
与背景技术相比，本发明具有的有益的效果是：
1、较大的降低了安装精度要求：相比于其他结构的安装精度要求几十微米对于目前的生产制作工艺很难实现，本结构安装精度达到几百个微米，几倍于已经提出几个结构的安装精度；
2、设计灵活，可以对中间耦合设配段的斜面进行曲面优化，使其耦合光路更易进入方形波导管从而使耦合效率更高，降低器件功耗；
3、利用软光刻技术来制作的本结构制作简单，易于安装，适合各种用途，易大批量生产的优点；
4、实现高聚物结构的高精度复制，表面粗糙度为10微米左右；
5、耦合光束以很高的效率引入印刷电路板板上的光波导采用硅酮模具一体化制成，具有便捷，低损耗，与印刷电路板完全兼容等一系列优越性，更加适合于计算机内部的短距离高速数据传输。
附图说明
图1是光互联耦合结构示意图；
图2是连接体的中间耦合设配段的斜面采用平面时的尺寸设计示意图；
图3是连接体的中间耦合设配段的斜面采用曲面时的示意图。
图中：1光源、，2、两个反射面，3、两个中间耦合设配段，4、方形波导管，5、光接收器。
具体实施方式
如图1所示，包括光源1，两个反射面2，两个中间耦合设配段3，方形波导管4，光接收器5。一个反射面2和一个中间耦合设配段3，依次连接在方形波导管4的一侧，另一个中间耦合设配段3和另一个反射面2，依次连接在方形波导管4的另一侧，形成一个对称连接的连接体安装在印刷电路板上，印刷电路板上开有两个通孔，光源1和光接收器5则安置在印刷电路板的另一侧，光源1经第一通孔对准于一个反射面2，光接收器5经第二通孔对准于另一个反射面2。
所述的光源1为垂直腔面发光激光器，工作波长为850nm，其光束扩散角为8-12°，光束能量为近似高斯分布；所述的光接收器采用光敏二级管。
如图2所示，所述的反射面2，中间耦合部件)和方形波导管4采用光学高聚物材料利用软光刻技术一次制作成形，反射面横截面尺寸≥0.1×0.1mm2，方形波导管3横截面与反射面2横截面之间的相似截面比例范围在40％-80％，反射面2与底面所成角度θ为30-60°。
如图2、图3所述，中间耦合设配段3的长度为反射面2长度的8-13倍，该中间耦合设配段3的斜面采用平面或曲面。
图1是光互联耦合结构示意图，设计结构的光波导两端的两个反射面2为较大尺寸以使在更大的尺寸范围内更加容易耦合进光线从而降低耦合敏感度，而处于中间的方形波导管4保持较小尺寸尽可能保持较低的模数增大带宽，在反射面2和方形波导管4之间增加中间耦合设配段3使光路平稳的耦合。
图2所示的反射面与水平面的夹角θ的范围为30-60°，方形波导管3横截面与反射面2横截面之间的相似截面比例范围在40％-80％。取θ为45°，h1＝500微米，h2＝300微米，(h2/h1＝0.6)，L的大小会改变中间耦合设配段的锲形角从而影响耦合效率。经过ZEMAX分析当L＝6mm时，耦合效率最高。
图3为中间耦合设配段3可以采用的曲面设计的示意图。采用软件ZEMAX对耦合效率进行分析使达到最优化。
由于本结构在水平和垂直方向上都有尺寸变化，传统的光刻技术无法达到制作要求。因此采用可以制作复杂三维结构并且能在曲面应用的软光刻技术来制作本光互联结构。在制作过程中，首先应用0.6微米分辨率的三微雕刻机在黄铜版上刻制设计好的模型，然后进行光学面的抛光。进一步，用硅酮弹性体在80℃温度下加热2小时以低收缩率翻制阴模，该弹性体成为适合尺寸、能产生光学抛光面的翻印模具。然后将硅酮弹性体制成的模具覆盖于已涂有低折射率树脂的电路版或玻璃光学表面，由于硅酮模具有较好的紫外透过率，将UV固化树脂通过毛细效应填充该模具，采用紫外光曝光固化，而后将硅酮模具剥离，即形成本文提出的结构。固化在光滑表面的成形波导可容易地从表面剥离，成为自承载结构，可非常便利的安装于电路板的各部位。
Claims (4)
1、一种基于软光刻的光互联耦合结构，其特征在于：包括光源(1)，两个反射面(2)，两个中间耦合设配段(3)，方形波导管(4)，光接收器(5)；一个反射面(2)和一个中间耦合设配段(3)，依次连接在方形波导管(4)的一侧，另一个中间耦合设配段(3)和另一个反射面(2)，依次连接在方形波导管(4)的另一侧，形成一个对称连接的连接体安装在印刷电路板上，印刷电路板上开有两个通孔，光源(1)和光接收器(5)则安置在印刷电路板的另一侧，光源(1)经第一通孔对准于一个反射面(2)，光接收器(5)经第二通孔对准于另一个反射面(2)。
2、根据权利要求1所述的一种基于软光刻的光互联耦合结构，其特征在于：所述的光源(1)为垂直腔面发光激光器，工作波长为850nm，其光束扩散角为8-12°，光束能量为近似高斯分布；所述的光接收器采用光敏二级管。
3、根据权利要求1所述的一种基于软光刻的光互联耦合结构，其特征在于：所述的反射面(2)，中间耦合部件(3)和方形波导管(4)采用光学高聚物材料利用软光刻技术一次制作成形，反射面横截面尺寸≥0.1×0.1mm2，方形波导管(3)横截面与反射面(2)横截面之间的相似截面比例范围在40％-80％，反射面(2)与底面所成角度θ为30-60°。
4、根据权利要求1所述的一种基于软光刻的光互联耦合结构，其特征在于：所述的中间耦合设配段(3)的长度为反射面(2)长度的8-13倍，该中间耦合设配段(3)的斜面采用平面或曲面。
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