CN1965257A - 光耦合装置 - Google Patents

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CN1965257A CNA2005800185789A CN200580018578A CN1965257A CN 1965257 A CN1965257 A CN 1965257A CN A2005800185789 A CNA2005800185789 A CN A2005800185789A CN 200580018578 A CN200580018578 A CN 200580018578A CN 1965257 A CN1965257 A CN 1965257A
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波格丹·罗辛斯基
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Abstract

本发明的目的是提供一种位于至少一个嵌入在印刷电路(3)中的用于传输光束(F)的波导(6)与外部波导(2)之间的光耦合装置。从电路的外表面(4)开始，所述电路(3)包括至少一个第一绝缘层(5)以及至少一个内层，所述内层中设有形成所述光学路径的嵌入式波导(6)的至少一个芯(1)。所述装置包括耦合元件(9)，其被定位在切口(8)内。所述切口开设于电路(3)中并且切断嵌入式波导(6)。所述耦合元件(9)设有使光束在嵌入式波导(6)和外部波导(2)之间再聚焦的装置，以及至少一个下侧定位面(13)，其位于切口(8)的相对于嵌入式波导(6)的轴线定位的基准面(11)上。

Description

光耦合装置
技术领域
本发明涉及一种光耦合装置，特别是位于设有嵌入式波导层的平面电路例如印刷电路与至少一个外部波导之间的光耦合装置。
背景技术
高速光电***的形成需要使用光耦合器，用以在被称为光学背板卡的卡与卡间光纤或者子卡之间传输光信号。
背板卡，类似于子卡，可组合光学路径和电学路径。电学路径的连接使用电连接器，光学路径的连接使用光耦合器。
光耦合的一个问题是必须使光信号由背板卡内的波导输出，并且为了做到这一点，要中断波导并且光束的方向被改变。
在专利文献WO 02/061481中描述了一种解决方案，其可形成设有光学路径的背板。该文献涉及一个实施例，其中，印刷电路层和光纤层被组装在一起，以形成构成背板的子组件，所述光纤终止于与光纤成90°的耦合元件。
这个实施例的原理较复杂并且需要几个步骤，包括：对光纤分组；将这些光纤的端部封装在耦合元件中；将光纤定位在第一印刷电路上；钻孔，目的是将耦合元件维持在第一印刷电路上；接着将互补印刷电路元件装配在光纤上方和周围，这些互补电路必须被切断以包围耦合元件。
然后，必须执行新的切、钻操作，目的是允许触及耦合元件的耦合端。所述操作结束于将用于互补光学连接插头的接收座定位在耦合元件上。这个实施例较长并且难以操作，特别是难以获得光学插头与嵌入式耦合元件的正确对准。
此外，该原理既不允许在其设计过程中考虑嵌入式光纤作为印刷电路的引线，也不允许形成从耦合元件两侧上延伸的波导向外部的光信号分接。
发明内容
本发明的目的是提出一种光耦合装置，其允许在形成背板的电路的设计过程中，用和电学路径相同的方式处理光学路径，并且用和电连接点相同的方法处理朝向外部的光耦合点。此外，其允许电路制造步骤简单化，而同时保证被连接的光缆和/或外部波导与由嵌入到电路内的波导形成的光学路径的光出口区域之间的精确对准。
特别是，其允许在背板和一或多个外部子卡之间实现简单连接。
根据权利要求1限定的光耦合装置，本发明可以至少部分地达到这些目的。由此，本发明提出了一种紧凑的光耦合装置，其利用在印刷电路上的简单切割操作和将耦合元件***到切口中，允许在嵌入式波导的位置(所在高度)处直接定位并且允许光束在嵌入式波导和外部波导之间以精确方式再聚焦。
具体说，所述切口包括：在绝缘层的位置(所在高度)处直到基准面的具有第一宽度的第一部分；以及位于装有嵌入式波导的内层的位置(所在高度)处的第二部分，第二部分相对于第一部分减小宽度，以致使得基准面形成相对于外表面的下陷部。所述耦合元件包括：上侧体，其设有支撑在基准面上的下侧定位表面；下侧体，其被安置在第二部分内，与位于切口一侧或另一侧的波导段相对。
在特别优选的方式中，所述基准面是波导芯的外表面。
附图说明
通过阅读下面参照附图对本发明的非限定性实施例所作描述，可以更好地理解本发明的其它特征和优点。附图描述如下：
图1是根据本发明第一个实施例的装置的示意性剖视图；
图2a是根据本发明第二个实施例的装置的示意性剖视图；
图2b是根据本发明第三个实施例的装置的示意性剖视图；
在图3是根据本发明第四个实施例的装置的示意性剖视图；
图4a是根据本发明第五个实施例的装置的示意性剖视图；
图4b是根据本发明第六个实施例的装置的示意性剖视图；
图5是本发明一个实施例的具体详图，其中，耦合装置通过焊珠对中；
图6是图1中装置的具体详细部分的放大视图；
图7是根据本发明装置的使用例子，用于在背板卡和子卡之间形成光学连接。
具体实施方式
本发明涉及一种耦合装置，特别是，其允许将固定到印刷电路型卡上的外部波导形式的光学路径连接到嵌入另一个印刷电路型卡的光学路径上。
图1中表示的装置是本发明的一个实施例，根据该实施例，耦合装置包括耦合元件9，在这里是接收光学插头40的光耦合器基座，所述光学插头设有两个形成外部波导的光纤2。根据这个例子，两个光学路径被连接，以便形成光学接合。
例子中描述的印刷电路(板)3是多层电路(板)，其包括：第一绝缘层5(在这里是上层)；电连接引线41、42、43、44；至少一个光波导(或者光学路径)6；下侧绝缘层45。光学路径或者嵌入式光波导6包括被包层7包围的芯1。在本发明的框架内可以容易理解，所述电路包括互补光学路径(supplementary opticalpaths)6，它们被彼此上下叠放并且位于耦合元件的两侧。
为了产生光耦合装置，要在电路中制出切口，以便可到达嵌入式波导6并且将其切成两段19。
根据本发明的切口是以这种方式产生的，即形成基准面11。该基准面被定位成作为限定电路外表面的上表面的下陷部。所述基准面相对于印刷电路内的嵌入式波导6的深度精确定位，具体是相对于波导自身轴线精确定位。
切口、特别是基准面可以通过对电路和/或波导6的光学包层7进行化学腐蚀或者激光切割操作而以这种方式产生，即基准面11恰好是波导芯1的外表面。接着，通过化学腐蚀溶解波导的聚合物包层。
在简化方案中，基准面是波导6的聚合物包层7的外表面。
为简化耦合元件的产生，切口8包括具有第一宽度的第一部分10和宽度小于第一部分的第二部分12，这样形成两个肩部，它们构成切口侧面的基准面11。
耦合元件9自身设有上侧体9a，其包括翼部，在翼部下面形成下侧定位表面13，其在由电路3中开设并且切断嵌入式波导6的切口8产生的空腔的两侧被支撑在基准面11上。
为了光耦合功能，耦合元件9设有下侧体，其被与波导6的段19的进口/出口面相对地安置在第二部分内，
根据这种结构，本发明允许在嵌入式波导6的段19的端部的出口高度上与耦合元件9精确对准。
为了增加耦合元件9相对于嵌入式波导6的段19的定位精确度，在耦合元件9和切口8之间设置互补的对中(定心)轮廓。
根据图2a的例子，通过对中垫导致耦合元件在空腔内的对中，所述对中垫由从切口8的基部15伸出的对中轮廓16构成，并被接收在耦合元件9的下侧体下端部的凹部内的互补对中轮廓17内。
根据这个例子，基部15携带的对中轮廓16是一种具有大致锥形形状的凸形轮廓，具体地是四边金字塔的形式，其将耦合元件定向为与嵌入式波导6的段19对准，耦合元件9在凹部17内设有对中轮廓，其为设在相应凹部内的金字塔形式。
还可以设想截锥形状或者任何对中形状。
为了产生耦合，光束F必须从嵌入式波导6的平面射出，并且被朝向电路的外部及光纤2或者相应的外部波导引导。
为做到这一点，必须经过反射表面进行光束反射，从而在出射光束的情况下，将其引向光纤，或者，在入射光束的情况下，将光束从光纤引向嵌入式波导6。
根据描述的例子，光纤2的光轴与嵌入式波导成90°。所以必须将反射表面定位成与光束轨迹成45°，以便在最通常的光纤垂直于电路的情况下产生90°的反射。
本例中可提出了几种实施方式，特别是在图1的例子中，其在图6中被放大，耦合元件9由一种对于所传输波长的光而言是透明的材料制成。为引导光束，对中轮廓16的倾斜面26被金属化，并且形成允许光束以90°反射的反射镜。
根据图4a中的例子，为实现反射，在耦合元件9的表面上，耦合元件9包括与对中轮廓16相对的倾斜反射面18，上述表面位于与波导出口19相对的那个表面的相反侧，所述面18形成光束(F)的反射面。
对于这两种改型，光学路径射出嵌入式波导6，以便在耦合元件的底部重新进入，接着通过其上端面再次重新射出耦合元件。
在图2a、2b和3的改型中，光学路径穿过耦合元件的上侧体9a的翼部。
根据图2a的例子，底部或者下侧体14的外表面是倾斜的反射面25，其被镜面涂料覆盖，以保证从光学路径6发出的光束具有朝向上侧体9a翼部的良好反射性，反之亦然。
图2b示出光束反射模式的另一个实施例，其使用了包括倾斜反射表面25的互补轮廓16’。所述表面25相对于切口底部15成45°角与波导6的进口/出口面相对设置。这里，同样也是为了保证光束的良好反射性，所述反射表面25由一层金属沉积物修饰。
根据图3的例子，通过对嵌入式波导6的段19形成斜面切口，例如通过激光切除，从而产生反射表面。通过斜面切口反射的光束经过基准面11射出，例如相对于嵌入式波导6轴线成90°，以致进入上侧体9a的翼部内。为了维持光束的良好反射性，即使是在有微粒固定在其上时，反射面27被附加地金属化。
在所有这些结构中，耦合元件设有第一进口/出口面20、21，以及从电路上侧平面射出的光束F的第二进口/出口面22。在耦合元件内，所述光束在耦合元件内在第一和第二面20、21和22之间传输。
为了达到最佳耦合，前述例子中描述的耦合元件9可以包括在其进口/出口面20、21和22上的耦合透镜23，其允许显著地修改光束在由嵌入式波导、波导间缝隙以及耦合元件自身构成的相异背景之间的传播。在一种特定的优选方式中，耦合透镜23可允许减少光束的发散，或者甚至使其再聚焦。基于光束的预期定形以实现最佳耦合性能这一点，透镜的几何特征被确定。因此透镜可以是衍射或者折射以及任何类型的透镜(例如，球形或者非球形)。
这些透镜和包含它们的耦合元件可以通过微成型直接产生。
根据耦合元件的另一实施例，其不再必须使用与嵌入式波导6的段19的进口/出口面相对的透镜，而是采用了弯曲面，以便反射入射的光束。为了在光纤垂直于波导排列的情况下产生90°的反射光束，所述弯曲面设有反射面，其入射角度和反射角度均大约为45°。图4b是一个实施例的剖视图，其中耦合元件9包括下侧体，其提供了进口/出口面20以及与该面相对的弯曲反射面46。在该改型中，从嵌入式波导6射出的光束穿过耦合元件9的进口/出口面20接着到达弯曲的反射面46，光束从该反射面朝向相对于其成90°设置的透镜23反射。
由于不用如图2a、3和4a描述的实施例那样为了保证光束的良好反射性而必须对反射面金属化，所以本实施例是有利的。
根据另一个替代性实施例，为了将在耦合元件9的进口/出口面20和波导的进口/出口面的位置处的反射现象减少到最小，优选地用具有与波导芯和耦合元件接近的折射率的膏或凝胶置换缝隙中俘获的空气。但是，如果这种材料必须充填整个缝隙，则建议对弯曲表面46金属化，以便保证良好的光反射性。
在前面描述的例子中，耦合元件被定位在由切口形成的空腔内。所述耦合元件封闭该切口，由此可防止异物污染嵌入式波导进口/出口面和耦合元件的进口/出口面之间的缝隙区域。
在图5、6中描述的是对耦合元件定位的装置，其作为互补对中轮廓16、17的替代或对这种***的补充。
这些装置由电路基准面11的金属化区域和在耦合元件上产生的金属镀层构成，以便构成金属柱，用于利用焊珠将耦合元件焊接到基准面11上。
实际上可以采用焊珠，通过使焊珠在金属柱之间再熔化来较高精度地定位电子元件。
这种被称作“球栅阵列(BGA)”的技术被公知为用于例如将下表面上包含连接柱的集成电路焊接在印刷电路的表面上，印刷电路设有用于这些元件的引线。
这时，基准面11和耦合元件的下侧定位表面13分别在一侧上设有用于金属化对中球体的安装柱30，在另一侧上设有金属化柱31，在它们之间安置焊珠或焊球32，通过再熔化焊珠或者焊球而将耦合元件对准并固定在切口内。
利用这个原理，在焊球再熔化过程中，耦合元件被固定到切口内，并且透镜23或者耦合元件9的进口/出口面与嵌入式波导对准定位。
基于设置或者不设置对准轮廓，还可实现两种改型。
在不设置对准轮廓的情况下，承载焊球的耦合元件被放置在所述空腔中，并且例如在红外线烤箱中进行再熔化步骤，通过焊珠的熔化及随后的冷却定位并焊接元件。
基准面11及耦合元件的至少一个下侧定位表面13分别设有金属化对中柱30和金属柱31，在它们之间设置焊球32。接着，通过它们的再熔化过程，焊珠使得耦合元件对准并固定在切口8内。根据这个原理，焊球32接着使耦合元件9的透镜23和嵌入式波导6对准。
在设有互补对中轮廓16、17的情况下，承载焊球的耦合元件9被定位在所述空腔中并且支撑在焊球上，接着在焊球的再熔化过程中，所述元件被定位在轮廓16上，通过焊珠的冷却将耦合元件焊接在适当的位置。
根据这个实施例，焊球不会参与元件进口/出口面与所述波导或多个波导的对准，而是仅仅确保光学元件9固定在空腔内。
本发明不限于描述的例子，并且特别地讲，可以以多种方式使用耦合元件。对于耦合元件，可以如图1中描述的一样包括用于设有光纤2的光学插头40的接收座，或者在带有几个波导的结构中，如在图2a、3、4a和4b中所描述的，其可以包括多路连接元件，由此，如描述的一样波导可以彼此上下放置，或者设在平行于印刷电路上侧平面的单一平面内。
此外，利用根据本发明的装置，可以产生电路例如背板卡上的多个光学插头或者端部设有光纤的子卡与自身嵌入的波导之间的光学连接，这些卡被接收在背板上。
利用可通过成型或者微成型以及可能有的金属化步骤而简单制造的耦合元件，本发明可以用与电连接一样的方式处理光学连接，光学连接能够遍布在电路表面上。
图7中描述的应用例子特别设想将子卡C1、C2、C3、C4的光学路径连接到背板卡的嵌入式波导上。为了做到这些，背板卡包括多个光耦合器，它们设有根据本发明的可以接收光学插头40的耦合元件9，随后外部光学路径2在子卡的位置处通过第二耦合器46连接到内部光学路径上。

Claims (17)

1、一种光耦合装置，其设在至少一个嵌入印刷电路(3)中的用于传输光束(F)的波导(6)与外部波导(2)之间；从所述电路的外表面(4)开始，电路(3)包括至少一个第一绝缘层(5)和至少一个波导(6)，所述波导包含至少一个嵌入式波导芯(1)；所述装置包括定位在切口(8)内的耦合元件(9)，所述切口开设于电路(3)中并且切断嵌入式波导(6)；所述耦合元件(9)设有使光束在嵌入式波导(6)和外部波导(2)之间再聚焦的装置，以及至少一个下侧定位面(13)，其位于切口(8)的相对于嵌入式波导(6)的轴线定位的基准面(11)上。
2、根据权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，所述切口(8)包括设在绝缘层(5)的位置处、直到基准面(11)的具有第一宽度的第一部分(10)，以及位于装有嵌入式波导(6)的内层位置上的第二部分(12)，第二部分(12)相对于第一部分减小宽度，以产生作为外表面的下陷部的基准面(11)，耦合元件(9)包括上侧体(9a)，其设有支撑在基准面(11)上的下侧定位表面(13)，以及下侧体(14)，其被安置在第二部分内，面对着切口两侧的波导段(19)。
3、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述基准面是嵌入式波导(6)的芯(1)的外表面。
4、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述基准面是嵌入式波导(6)的芯(1)的包层(7)的外表面。
5、根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述耦合元件至少一部分是透明的，并设有与波导(6)的段(19)的至少一个进口/出口面相对的第一进口/出口面(20)，以及用于从电路上侧平面射出的光束(F)的第二进口/出口面(22)，所述光束在耦合元件内在所述第一和第二面(20、22)之间传输。
6、根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述耦合元件(9)和切口(8)的底部(15)包括用于耦合元件(9)的沿着垂直于电路表面的轴线延伸的互补对中轮廓(16、17)。
7、根据权利要求6所述的耦合装置，其特征在于，底部(15)承载的对中轮廓(16)为具有大致锥形形状的凸形轮廓。
8、根据权利要求6或7所述的耦合装置，其特征在于，所述互补对中轮廓(16)包括与波导(6)的芯(1)的段(19)的进口/出口面相对设置的倾斜的反射表面(26)。
9、根据权利要求1到7任一所述的耦合装置，其特征在于，还包括由切口(8)的底部(15)承载的轮廓(16’)，所述轮廓(16’)包括与波导(6)芯的段(19)的进口/出口面相对设置的倾斜的反射表面(25)。
10、根据权利要求5到7任一所述的耦合装置，其特征在于，所述耦合元件(9)在与其进口/出口面(20)相反的表面上包括倾斜的反射表面(18)，所述反射表面(18)形成光束(F)的反射面。
11、根据权利要求5到7任一所述的耦合装置，其特征在于，所述耦合元件(9)在其进口/出口面(20)上包括使光束反射和返回的倾斜表面(25)。
12、根据权利要求5到7任一所述的耦合装置，其特征在于，所述耦合元件(9)包括使光束反射和返回的至少一个弯曲表面(46)。
13、根据权利要求5到12任一所述的耦合装置，其特征在于，至少一个所述进口/出口面(20、22)设有耦合透镜(23)。
14、根据权利要求1到7任一所述的耦合装置，其特征在于，所述波导(6)的芯(1)的段(19)以倾斜表面(27)的形式终止于切口(8)的位置处，该倾斜表面沿着成90°的方向反射光束；耦合元件(9)的上侧体设有与基准面(11)相对的第一进口/出口面(21)以及位于电路外侧的第二进口/出口面(22)，光束(F)在耦合元件内在第一和第二进口/出口面(21、22)之间传输。
15、根据前述任一权利要求所述的耦合装置，其特征在于，所述基准面(11)和耦合元件的至少一个下侧定位表面(13)分别设有用于金属化对中焊珠或焊球的安装柱(30)以及金属化柱(31)，在它们之间设置焊球(32)，通过再熔化所述焊球而使耦合元件对准并且固定在切口(8)内。
16、根据权利要求15所述的耦合装置，其特征在于，所述焊球(32)使耦合元件(9)的透镜(23)与嵌入式波导(6)对准。
17、根据前述任一权利要求所述的耦合装置，其特征在于，所述耦合元件(9)由用于光纤终端插头的接收基座构成。
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