WO2011044606A1 - Leiterplattenelement und verfahren zur herstellung eines solchen leiterplattenelements - Google Patents

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Gregor Langer
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At & S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a printed circuit board element having a substrate, on which at least one optical component is mounted and connected to the at least one waveguide component.
  • the invention relates to a method for producing such a printed circuit board element.
  • optical component is both a purely optical component, such as a mirror, a grating (grating), an optical connector, etc., as well as an opto-electronic component, such as a light-emitting diode or a laser diode or As a receiver, a photodiode or a phototransistor understood, the waveguide component can
  • the optical components are mechanically aligned with the waveguide components or, conversely, the waveguide components are mechanically aligned with the optical components to achieve proper light conduction between the optical components and the waveguide components.
  • This alignment process is laborious, expensive, and nonetheless less effective, and accordingly there is a need for a technique that can easily ensure efficient light coupling between said components.
  • Printed circuit boards with integrated optical signal connections are being used more and more frequently, in particular for the realization of highly complex applications, whereby a further miniaturization and an increase in the integration density and thus a higher product value creation is made possible.
  • Printed circuit boards with Connections are used where applications require the highest data flows between components or components, modules and functional units (eg high-end computer applications) where interference immunity to electromagnetic fields is desired (eg in automotive and aeronautical applications) - or in general, where a space-saving design of connections (eg mobile applications) is needed.
  • waveguide components are traditionally eg glass fibers or polymer fibers used as optical light guides, but also planar polymer waveguide, which can not achieve the properties of glass ⁇ fibers in terms of attenuation, but less for short connections Meaning, but in terms of production,
  • the invention provides a printed circuit board element as in claim 1 and a method as defined in claim 11 before.
  • waveguide components are conventional optical fibers as well as previously produced planar
  • the assembly of the components is first carried out for the realization of optical waveguides, and these components are then embedded in an optical material. Thereafter, the structuring of the optical waveguide between the components by means of irradiation, in particular with a laser.
  • a chemical reaction namely polymerization, activated by simultaneous absorption of several - usually two - photons in the optical material.
  • the material itself is transparent to the irradiated laser wavelength (eg 800 nm). This results in the material initially no absorption and no single-photon process. In the focal region of the light beam or laser beam, however, the intensity is so high that the optical material absorbs two (or more) photons simultaneously, whereby the said chemical reaction is triggered.
  • Transparency of the optical material for the excitation wavelength reaches all the points in the optical layer and thus can be written without problems three-dimensional structures in the optical layer.
  • three-dimensional is to be understood that the optical waveguide not only in one plane (the xy plane) - possibly reciprocating - run, but also in height, in the z-direction, can vary, the optical waveguide can In other words, the optical waveguide can also change its (cross-sectional) shape over its longitudinal extension in the x, y and z directions, for example by making the cross section smaller or larger, from circular to flat elliptical, and then again to circular, to elliptical, etc.
  • the said multiphoton absorption process is further a one-step structuring process in which no multiple exposures and no wet-chemical development ⁇ steps are required.
  • the aforementioned three-dimensional optical waveguide structuring is particularly advantageous in providing an optical connection between a waveguide component and an optical (optoelectronic) component, with previous rather coarse positioning, the interface optical waveguide in particular directly to the waveguide structure of the waveguide component connects and can lead to the optical component, optionally to a deflection mirror at this.
  • the present invention can be used in opto-electronic circuit boards with multimode or singlemode waveguides for high data transfer rates and more design freedom. It can be used with Rigid-Flex and Rigid-Flex-Rigid PCBs and is mainly used for the production of high-volume products.
  • An interface between a conventional optical fiber technology and a planar waveguide technology based on plastics and an optical component is made possible, which has significant advantages, as mentioned, in the connection to the optical or opto-electronic components.
  • a particularly advantageous application is, for example, that of the optical connection of an active one
  • Optical cable for optical connection of a high-end computer Optical cable for optical connection of a high-end computer.
  • the components are mounted in advance, and prior to structuring the interface optical waveguide between them, their positions are measured by means of an optical system (called a "vision" system) the components, in particular the waveguide component in its end region, at least one - preferably formed of a reflective material - mark
  • a “vision” system the components, in particular the waveguide component in its end region, at least one - preferably formed of a reflective material - mark
  • the optical material has a similar refractive index as the waveguide component, so that the latter would be difficult to detect by the optical system within the optical layer for example, colored or wi e mentioned may be formed of a reflective material, in particular a metallic material, however, the detection can be accomplished easily.
  • the mark can be made by printing a paint or by sputtering a metal.
  • the components can be measured precisely with regard to their position, and also their rotation or tilt, so that data for the control of the laser beam during structuring of the interface optical waveguide are obtained, thus the course, in exact alignment of its ends to the mentioned Components to be able to determine.
  • the waveguide component can have a planar waveguide structure with at least one waveguide core, preferably with a plurality of waveguide cores (similar to a ribbon line), or else an optical fiber.
  • These waveguide components usually consist of a cladding layer (called cladding layer) and a core, whose refractive index is higher than that of the cladding layer, so that a total reflection at the boundary layer can take place.
  • the waveguide component is also advantageous if it is attached with its end on a separate substrate ⁇ part, which is provided with at least one mark;
  • This substrate portion may further preferably at the same time a spacer element, a spacer for adjusting the height "waveguide component form relative to the optical component, that is selected a substrate portion having an appropriate thickness, the waveguide component is connected to the with their end region, for example by adhesive bonding, is, after which the substrate part mounted on the PCB element substrate, for example glued, is.
  • the interface optical waveguide can also be designed, for example, as a waveguide splitter, as a waveguide crossing or similar optical component.
  • the Wel ⁇ lenleiter component may be a waveguide array having a plurality
  • Waveguide cores included In this case, if all the waveguide cores are to be used, a corresponding number and arrangement of Inter.face optical waveguides can be provided.
  • the optical component can be a light-emitting component, for example a laser diode, or a light-receiving component, such as a photodiode or a phototransistor, in a manner known per se.
  • a light-emitting component for example a laser diode
  • a light-receiving component such as a photodiode or a phototransistor
  • These components can also like also already known per se deflecting mirrors, in order to direct the light respectively out of the component or into the component. It is also conceivable, however, if the optical component is a (standardized) optical plug.
  • the positions of the components can be measured prior to attaching the optical layer or even after its attachment.
  • FIG. 1A and 1B schematically show a printed circuit board element with an optical coupling of a waveguide component with an opto-electronic component in a longitudinal section (Fig. 1A) and in plan view (Fig. 1B); 2A and 2B in a longitudinal section (along the line AA in Fig. 2B) and cross-section (along the line BB in Fig. 2A) as a waveguide component usable, per se conventional optical fiber; 3A, 3B and 3C in a longitudinal section, in a plan view and in a cross-section along the line CC in Figure 3B, a planar waveguide component, for example with an array of four optical fiber cores.
  • FIGS. 4A and 4B in a schematic longitudinal section and in a plan view of the construction of a rigid-flex-rigid printed circuit board element in an intermediate stage of production, prior to attachment of the optical material and the structuring of the interface optical waveguide for the purpose of optical coupling between the individual components; 5A and 5B of this printed circuit board element according to FIGS. 4A and 4B, but now in a state after the application of the optical material in the form of a layer, FIG. 5A again showing a schematic longitudinal section and FIG. 5B a schematic top view of FIG. see shows; 6A and 6B turn, in a schematic longitudinal section and a schematic plan view of the printed circuit board element according to FIG. 4A, 4B and 5A, 5B, now after completion, after structuring of the interface optical waveguide.
  • FIG. 7 shows a schematic longitudinal section of a multilayer structure of a printed circuit board element with interface optical waveguides between waveguide components and optoelectronic components
  • Figure 8 is a schematic longitudinal section through a PCB ⁇ element with a three-dimensional (3D) -Wellenleiterarray as a waveguide component.
  • FIGS. 11 and 12 two examples of circuit board elements similarity ⁇ Lich Fig. 1A, in corresponding schematic longitudinal sections, wherein, compared to Fig.
  • FIG. 1A an interface optical fiber with changing in the direction of extension cross-section, namely on the one hand with one of the waveguide component to the optoelectronic component increasing cross-section (Figure 11) and the other with an increasing from the opto-electronic component to the waveguide component cross-section (Figure 12), is shown;
  • Figures 13A and 13B are a schematic plan view and in a schematic longitudinal section of embodiments of the printed circuit board element according to the invention with different struc tured ⁇ interface optical waveguides.
  • 14 shows a further embodiment of a printed circuit board element with an optical connector (optical coupler) as optical component in conjunction with a waveguide component via a slanted interface optical waveguide.
  • each printed ⁇ tenelement 1 further comprises a substrate 5, 5, 5 on '.
  • optical component or “optical component” is to be understood quite generally as a component which can have both a purely optical function and an opto-electronic function, such as, for example, a mirror, a grating, an optocoupler (optical plug) , or transmission components such as LEDs, Laserdi ⁇ oden, or receiver components such as photodiodes or phototransistors.
  • optical components 3 may also be directed by folding mirror alone or by an opto-electronic component with a reflecting mirror ge ⁇ forms.
  • a waveguide component 2 is attached in the region of its end 6 to the upper side of the substrate 5 of the printed circuit board element 1, for example with the aid of an adhesive layer 7.
  • the deflection mirror 8 as a light input or light output of the optical component 3 is located at a distance from the end 6 of the 'waveguide component 2.
  • the optical coupling of these two components 2, 3 is a bridging or interface optical fiber 4 in a layer 9 of an optical, polymerizable material, as known per se (cf., for example, AT 413 891 B).
  • An edge or boundary layer 10 limited the optical layer 9.
  • a per se known optical fiber as shown in Figures 2A and 2B, be provided;
  • Such an optical fiber has a core 11, also called a core, within a cladding or cladding layer 12.
  • a planar waveguide component 13 as can be seen in FIGS. 3A, 3B and 3C, is provided as the waveguide component, whereby this waveguide component 13 according to FIG. 3C exemplarily has an array with four optical waveguides Cores 14 has.
  • These optical waveguide cores 14 are located within a cladding, similar to the cladding layer 12 according to FIGS. 2A and 2B, wherein usually in a planar structure on a lower cladding layer 15 after structuring or attachment of the optical waveguide cores 14 an upper cladding Layer 16 is attached.
  • the entire structure 14, 15, 16 takes place according to FIGS. 3A-3C as well as according to FIG. 1A on a flexible substrate 17, e.g. a polyimide film.
  • the components to be optically coupled that is to say 3 and 2 according to FIG. 1A, are fastened to the substrate 5 of the printed circuit board element 1 without special alignment measures; in other words, with this assembly, unlike previous techniques, there is no (or no exact) mechanical alignment of components 2 and 3 relative to each other.
  • this interfacial optical fiber 4 is known per se in the optical material of layer 9 by multiphoton absorption, in particular two photon absorption (TPA) Structured by a laser beam focused on the particular desired location within the layer 9 and in the focus area through the high intensity material polymerization is caused by the absorption of several, mostly two, photons.
  • TPA photon absorption
  • FIGS. 4A-6B show a printed circuit board element 1 in the form of a so-called rigid-flex-rigid-board, wherein a waveguide component 2, for example in the form of a planar waveguide component 13 according to FIGS. 3A, 3B and 3C, with a flexible own substrate part 17, which is provided in its two end regions 6, 6 'on substrates 5 and 5' of rigid material, eg Epoxy resin, for example by gluing, is attached.
  • a waveguide component 2 for example in the form of a planar waveguide component 13 according to FIGS. 3A, 3B and 3C
  • a flexible own substrate part 17 which is provided in its two end regions 6, 6 'on substrates 5 and 5' of rigid material, eg Epoxy resin, for example by gluing
  • the space between the parts of the delimiting layers 10 and 10 ' which are likewise provided here, similar to FIGS. 1A and 1B, is provided with an optical, photopolymerizable material in the form of a layer 9 or 9 'filled, wherein the optical components 3 and 3' and the
  • End regions 6 and 6 'of the waveguide component 2 are embedded in the optical material of these layers 9, 9', as can be seen best from FIG. 5A.
  • the components 2, 3 or 3 ' are measured with respect to their positions with the aid of an optical system, a vision system 18, so as to control signals for the structuring of the interface optical waveguides 4 and 4' according to FIG. 6A 6B, as is also known per se.
  • a vision system 18 so as to control signals for the structuring of the interface optical waveguides 4 and 4' according to FIG. 6A 6B, as is also known per se.
  • the xyz positions of the components 2, 3, 3 'as well as any twists or tilts of these components can be detected, so that the interface optical waveguides 4 and 4' optimally in alignment with each other the components 2, 3, 3 'structured can be.
  • AT 503 585 B reference may also be made to AT 503 585 B.
  • the waveguide component 2 which usually has a similar refractive index as the optical material of the layer 9 or 9 ', is poorly visible in this optical system 18.
  • markings are applied in the end regions 6, 6 'of the waveguide component 2, for example in the form of a reflective material on the upper surface of the upper cladding layer 16, e.g. by sputtering of metals, or in the form of a colored imprint.
  • markings- which, of course, can also be provided on the component 3 or 3 ', as is known per se-are not apparent;
  • markings 19 - there on a separate substrate part 20 of the waveguide component 2 - are shown. Similar markings as the markings 19 may, in the exemplary embodiment according to FIGS. 4A-6B, be mounted on the upper side of the upper cladding layer 16 (and on the components 3, 3 ') as mentioned.
  • the interface optical waveguides 4, 4 ' After receiving the position data, including alignment data, the components 2, 3, 3 '(as far as the waveguide component 2 is concerned, more precisely its end regions 6, 6'), the interface optical waveguides 4, 4 'are "written in", as mentioned Placement inaccuracies can be compensated because the interface optical waveguide 4 or 4 'quite an oblique or arcuate course between the respective core 14 of the waveguide component 2 and, for example, the respective deflection mirror 8 of the optical component 3 can be obtained.
  • the aforementioned rigid-flex-rigid printed circuit board 1 will have two rigid regions (substrates 5, 5') and one therebetween
  • the assembly of the optical components 3, 3 ' can be carried out both before and after the waveguide assembly.
  • an optical fiber as shown in FIGS. 2A and 2B may also be used.
  • Such an optical fiber or a fiber optic cable may be made of glass or polymer (POF), for example.
  • planar polymer waveguide component having the lower cladding layer 15, the core layer 14, and the upper cladding layer 16 may be made of a polymer such as
  • planar waveguide components 2 can be made by a variety of known technologies, such as by
  • optical components 3 or 3 'with order ⁇ directing optics mirrors 8 and 8'
  • they can, of course, optical components 3, 3 'with no such reflecting mirror 8, 8' also be provided.
  • the optical material of the layer 9, 9', so ei ⁇ should here the index of refraction in order to minimize reflections, preferably between the refractive indexes of the to be coupled to components 3 and 3 'ne réelle and 2, on the other hand.
  • a printed circuit board element 1 is shown with a multi-layer structure, wherein on a lower element similar to the printed circuit board element 1 shown in FIG. 6A via a substrate intermediate layer 5A, 5A 'another waveguide component 2', for example of the same type "planar waveguide component "as the lower waveguide component 2 (see Figures 3A-3C.), for example as ⁇ derum 'is attached stacked; on the interlayer substrates 5A, 5A' through adhesive layers 7, in turn, are optical components 3, 'attached 3
  • interface optical waveguides 4 and 4 ' are provided for the purpose of optical coupling, and a cover layer 22, for example a standard solder resist, for protecting the multilayer structure shown is provided as the upper terminus Begren ⁇ wetting layer 10A protected.
  • a waveguide- Kom ⁇ component 2 is provided with a three-dimensional array of optical waveguide cores 14, wherein the three-dimensional array for example, four optical waveguide cores adjacent to each other (see Fig. 3C) and adjacent arrays three times one above the other (see Fig. 8), so that a 3D arrangement of 3x4 waveguide cores 14 is given.
  • a corresponding array of optical waveguides interface 4 is then in the respective op ⁇ tables layer 9 'is patterned in the optical layer 9 for the optical coupling of the waveguide Comp ⁇ component 2 with the respective optical component 3 and 3 respectively.
  • Fig. 9 is the end portion and the end 6 of a waveguide component 2 with its own substrate part 20, wherein the already mentioned markings 19 for measuring the end region 6 of the waveguide component 2 are mounted on this own substrate part 20 instead of on the waveguide component 2 itself.
  • the waveguide component 2 is attached by means of this own sub ⁇ stratteils 20 on the substrate 5 of the printed circuit board element. 1
  • the substrate part 20 (from an assortment with several thicknesses) with such a thickness, ie height, can be selected such that the waveguide component 2 with its
  • Fiber optic core 11 and 14 in height already the height of the optical component 3 and the deflection mirror 8 of the optical component 3 is approximately adjusted.
  • the substrate part 20 thus also has the function of a spacer or spacer element here.
  • FIGS. 11 and 12 show modifications of the embodiment according to FIG. 1A, the interface optical waveguide 4 having a varying cross-section, for example being conical, being designed; it increases according to FIG. 11 from the waveguide component 2 to the optical component 3, which is of particular advantage when the optical component is a photodiode; 12, the cross-section of the in ⁇ terface optical waveguide 4, starting from the optical Kompo ⁇ component 3 'to the waveguide component 2 towards, for example, in turn tapered, which is advantageous if it is in the optical component 3' is a laser diode or the like.
  • the light Kopp ⁇ development efficiency can be increased through the tapered design of the interface waveguide 4 and 4 '.
  • the respective interface optical waveguide 4 or 4 ' can undergo an adaptation change not only in the diameter size but also in the cross-sectional shape, for example from round to elliptical or from round to more or less rectangular, to improve the light coupling between the components 2 and 3 or 3 '.
  • the light emitting field of a laser diode is round, but the waveguide cross section of a planar waveguide 13 is rectangular (see Fig. 3C); a "sliding" transition from the round cross-section to the rectangular cross-section is more favorable for light coupling than an abrupt transition.
  • the light is transmitted between the waveguide component 2, e.g. in the form of an optical fiber or in turn in the form of a planar waveguide component, and an optical component 3 coupled via a TPA-structured interface optical waveguide 4; this optical waveguide 4 can also have various other forms depending on the need and objectives than a simple waveguide configuration.
  • various configurations are apparent from FIG. 13A, such as a waveguide splitter 4A and a waveguide crossing 4B.
  • the optical waveguides 4 are in Fig. 13A only very schematically, with dashed lines, indicated, as well as the components 2, 3, wherein for the sake of simplicity, a waveguide component 2 with a plurality of optical waveguide cores 14 and an optical component 3 with multiple receiving areas 24 are schematically illustrated.
  • the two optical waveguides can be arranged one above the other in height, but it is quite conceivable that the two optical waveguides form a mutual (possibly partial) penetration, provided that the angle is chosen such that a crosstalk of the light signal of a waveguide channel is minimized in the other waveguide channel.
  • an interface optical waveguide 4 that splits in a vertical plane that is to say with a waveguide splitter 4A in the z direction, is located between a waveguide component 2 with at least one waveguide core 14 and an optical component 3 with a plurality of reception regions 24 provided.
  • FIG. 14 an embodiment with a standardized optical connector (coupler) finally is illustrated 23 as an optical component 3, the optical fiber 23 'as ⁇ derum a within an optical layer 9 TPA-structured Interface optical waveguide 4 - here
  • the modified printed circuit board element 1 formed in this way again has a substrate 5, so that the printed circuit board element 1 is stiff in this area, and that a flexible area with the waveguide component 2 adjoins this rigid area.
  • optical component 3 also more active or carried ⁇ ve optical components come into question, such as, more generally, to understand a VCSEL component or a lens, a grating (grating), etc., and thus the term "optical component" ,

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Abstract

Leiterplattenelement (1) mit einem Substrat (5, 5'), auf dem zumindest eine optische Komponente (3, 31) angebracht und mit dem zumindest eine Wellenleiter-Komponente (2) verbunden ist, wobei zwischen dem Ende (6) der Wellenleiter-Komponente (2) und der optischen Komponente (3, 3') zumindest ein in einer Schicht (9, 9') aus optischem Material durch Mehrphotononenabsorption strukturierter Interface-Lichtwellenleiter (4, 4') vorgesehen ist, sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Leiterplattenelements.

Description

Leiterplattenelement und Verfahren zur Herstellung eines
solchen Leiterplattenelements
Die Erfindung betrifft ein Leiterplattenelement mit einem Substrat, auf dem zumindest eine optische Komponente angebracht und mit dem zumindest eine Wellenleiter-Komponente verbunden ist.
Weiters bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leiterplattenelements.
Bei Vorliegen einer optischen Komponente auf einem Substrat und einer damit verbundenen Wellenleiter-Komponente ergibt sich das Problem einer geeigneten optischen Kopplung (optisches Interface) zwischen der Wellenleiterstruktur und der optischen Komponente. Unter „optische Komponente" wird dabei sowohl eine rein optische Komponente, wie etwa ein Spiegel, ein Gräting (Gitter) , ein optischer Stecker etc., als auch eine opto-elektronische Komponente, z.B. eine Licht emittierende Diode bzw. eine Laserdiode oder aber, als Empfänger, eine Fotodiode oder ein Fototransistor, verstanden. Die Wellenleiter-Komponente kann
mindestens einen Wellenleiter, gegebenenfalls auch mehrere Wellenleiter nebeneinander und/oder übereinander enthalten.
In der Praxis werden bisher für die optische Kopplung die optischen Komponenten zu den Wellenleiter-Komponenten oder umgekehrt die Wellenleiter-Komponenten zu den optischen Komponenten mechanisch ausgerichtet, damit eine geeignete Lichtleitung zwischen den optischen Komponenten und den Wellenleiter-Komponenten erzielt wird. Dieser Ausrichtprozess ist äufwändig, teuer und nichtsdestoweniger wenig effektiv, und es besteht demgemäß ein Bedarf an einer Technik, mit der auf einfache Weise eine effiziente Lichtkopplung zwischen den genannten Komponenten sichergestellt werden kann.
Dieser Bedarf ist umso größer, wenn berücksichtigt wird, dass Leiterplatten mit integrierten optischen Signalverbindungen immer häufiger, insbesondere zur Realisierung hochkomplexer Applikationen, eingesetzt werden, wobei eine weitere Miniaturisierung und eine Erhöhung der Integrationsdichte und somit eine höhere Produktwertschöpfung ermöglicht wird. Leiterplatten mit opti- sehen Verbindungen kommen dort zum Einsatz, wo Applikationen höchste Datenströme zwischen Bauelementen bzw. Komponenten, Modulen und Funktionseinheiten vorsehen (z.B. High-End-Compu- ter-Anwendungen) , wo Störsicherheit gegen elektromagnetische Felder gewünscht ist (z.B. bei Automobil- und Aeronautik-Anwen- dungen) oder ganz allgemein, wo ein platzsparendes Design von Verbindungen (z.B. mobilen Anwendungen) benötigt wird.
In der Regel kommen als (vorgefertigte) Wellenleiter-Komponenten traditionell z.B. Glasfasern oder Polymerfasern als optische Lichtleiter zum Einsatz, aber auch planare Polymer-Wellenleiter, die hinsichtlich Dämpfung zwar nicht die Eigenschaften von Glas¬ fasern erreichen können, was aber bei kurzen Verbindungen weniger von Bedeutung ist, die aber hinsichtlich Herstellung,
Bearbeitung und Design-Möglichkeiten ebenso wie hinsichtlich Kosten enorme Vorteile bieten.
Es ist an sich eine Verbindung von zwei Lichtfasern mittels einer TPA-Lichtwellenleiterstruktur aus WO 2006/003313 AI bekannt, jedoch liegt hier kein Leiterplattenelement mit einer auf einem Substrat angebrachten optischen Komponente vor, zu der eine ef¬ fiziente Lichtkopplung herzustellen wäre, so dass sich das vorstehend beschriebene spezielle Ausrichtproblem hier nicht ergibt .
An sich ist die Strukturierung von Lichtwellenleitern in einer optischen Schicht mit Hilfe von Mehrphotonenabsorption, insbesondere Zweiphotonenabsorption (TPA - Two Photon Absorption) be¬ reits bekannt, vgl. beispielsweise AT 413 891 B, AT 503 027 B und AT 503 585 B, wobei hier jedoch nur allgemein die TPA-Struk- turierung, beispielsweise in Zuordnung zu aktiven bzw. passiven optischen Bauelementen, beschrieben wird; in der AT 413891 B, Fig. 13A und 13B, ist überdies ein Übergangsbereich zwischen einem optoelektronischen Bauelement und einem Licht-Wellenleiter geoffenbart, jedoch werden dort der Licht-Wellenleiter und der Übergangsbereich gleichzeitig, d.h. in ein und demselben Vorgang, durch Photonenbestrahlung strukturiert.
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei der Herstellung von optischen Verbindungen mittels (vorgefertigten) Wellenleiter-Komponenten deren Ankopplung an optische bzw. opto-elektronische Komponenten auf einem Substrat eines Leiterplattenelements in einer effizienten Weise und genau zu ermöglichen, um so etwaige optische Verluste so gering wie möglich zu halten und eine optimale
Lichtkopplung zwischen den genannten, von ihrer Bauweise her ebenso wie von ihrer Fixierung sehr unterschiedlichen Komponenten zu gewährleisten.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung ein Leiterplattenelement wie in Anspruch 1 bzw. ein Verfahren wie in Anspruch 11 definiert vor. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei der vorliegenden Technik wird davon ausgegangen, dass auf einem Substrat, z.B. einer Leiterplatten-Innenlage, sowohl optische bzw. opto-elektronische Komponenten als auch lichtführende Strukturen, hier einfach Wellenleiter-Komponenten genannt, montiert werden. Als Wellenleiter-Komponenten kommen dabei herkömmliche Lichtfasern ebenso wie zuvor hergestellte planare
Polymerwellenleiter in Frage. Anders als bei den bisherigen Techniken, bei denen diese Komponenten körperlich zueinander ausgerichtet werden mussten, wird nun bei der vorliegenden Technik zuerst die Bestückung des Leiterplatten-Substrats mit den Komponenten durchgeführt, und danach wird das Interface zwischen den Komponenten realisiert, und zwar mit Hilfe eines TPA-struk- turierten (oder allgemein durch Mehrphotonenabsorption strukturierten) Lichtwellenleiters. Diese Technik bietet unter anderem auch den Vorteil, dass die Montage der Komponenten mit geringem Aufwand, also durchaus grob, erfolgen kann, da die gewünschte Lichtkopplung zwischen den Komponenten durch den strukturierten Interface-Lichtwellenleiter hergestellt wird.
Wie in der bereits erwähnten AT 413 891 B beschrieben, wird beim Strukturierungsverfahren mittels Mehrphotonenabsorption, insbesondere TPA, zur Realisierung von Lichtwellenleitern zunächst die Montage der Komponenten (einschließlich elektrischer Kontak- tierung) vorgenommen, und diese Komponenten werden dann in ein optisches Material eingebettet. Danach erfolgt die Strukturierung des Lichtwellenleiters zwischen den Komponenten mittels Bestrahlung, insbesondere mit einem Laser. Bei dieser Strukturierung wird eine chemische Reaktion, nämlich Polymerisation, durch gleichzeitige Absorption von mehreren - in der Regel zwei - Photonen im optischen Material aktiviert. Das Material ist an sich für die eingestrahlte Laserwellenlänge (z.B. 800 nm) transparent. Dadurch kommt es im Material zunächst zu keiner Absorption und zu keinem Einphotonenprozess . Im Fokusbereich des Lichtstrahls bzw. Laserstrahls ist jedoch die Intensität so hoch, dass das optische Material zwei (oder mehr) Photonen gleichzeitig absorbiert, wodurch die genannte chemische Reaktion ausgelöst wird. Von Vorteil ist dabei auch, dass durch die
Transparenz des optischen Materials für die Anregungswellenlänge alle Punkte in der optischen Schicht erreicht und somit problemlos dreidimensionale Strukturen in der optischen Schicht eingeschrieben werden können. Unter „dreidimensional" ist dabei zu verstehen, dass der Lichtwellenleiter nicht nur in einer Ebene (der x-y-Ebene) - gegebenenfalls hin- und hergehend - verlaufen, sondern auch in der Höhe, in der z-Richtung, variieren kann; der Lichtwellenleiter kann somit in x-, y- und z-Richtung in beliebiger Form strukturiert werden; darüber hinaus kann der Lichtwellenleiter aber auch seine (Querschnitts- ) Form über seine Längserstreckung in x-, y- und z-Richtung ändern, etwa indem der Querschnitt kleiner oder größer wird, von kreisförmig auf flachelliptisch und dann wieder auf kreisförmig, auf hochstehend elliptisch usw.. Der genannte Mehrphotonenabsorptionsprozess ist weiters ein Ein-Schritt-Strukturierungsprozess , bei dem keinerlei Mehrfachbelichtungen und keine nass-chemischen Entwicklungs¬ schritte erforderlich sind.
Die vorgenannte dreidimensionale Lichtwellenleiter-Strukturierung ist gerade beim Vorsehen einer optischen Verbindung zwischen einer Wellenleiter-Komponente und einer optischen (optoelektronischen) Komponente, mit vorhergehender eher grober Positionierung, von besonderem Vorteil, wobei der Interface-Lichtwellenleiter insbesondere direkt an die Wellenleiterstruktur der Wellenleiter-Komponente anschließt und zur optischen Komponente, gegebenenfalls zu einem Umlenkspiegel an dieser, führen kann.
Die vorliegende Erfindung kann in opto-elektronischen Leiterplatten mit Multimode- oder Singlemode-Wellenleitern für hohe Datentransferraten und mehr Designfreiheiten eingesetzt werden. Sie kann bei Rigid-Flex- und Rigid-Flex-Rigid-Leiterplatten eingesetzt werden und ist vor allem für die Produktion von High-Vo- lume-Produkten einsetzbar. Es wird ein Interface zwischen einer herkömmlichen Lichtfasertechnologie bzw. einer planaren Wellenleitertechnologie basierend auf Kunststoffen und einer optischen Komponente ermöglicht, die wesentlichen Vorteile, wie erwähnt, bei der Anbindung zur optischen bzw. opto-elektronischen Komponenten aufweist. Eine besonders vorteilhafte Anwendung ist beispielsweise jene der optischen Verbindung eines aktiven
optischen Kabels zum optischen Anschluss eines High-End-Compu- ters.
Bei der vorliegenden Technik werden wie erwähnt vorab die Komponenten (Wellenleiter-Komponente und optische Komponente) montiert, und vor der Strukturierung des Interface- Lichtwellenleiters zwischen ihnen werden ihre Positionen mit Hilfe eines optischen Systems („Vision"-System genannt) ausgemessen. Hiefür weisen die Komponenten, insbesondere die Wellenleiter-Komponente in ihrem Endbereich, wenigstens eine - vorzugsweise aus einem reflektierenden Material gebildete - Markierung auf. Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn diese optische Positions-Ausmessung nach dem Anbringen der Schicht aus optischem Material, unter Einbettung der optischen Komponente und des Endes der Wellenleiter-Komponente, erfolgt. Das optische Material hat nämlich einen ähnlichen Brechungsindex wie die Wellenleiter-Komponente, so dass letztere vom optischen System innerhalb der optischen Schicht nur schwer zu detektieren wäre. Mit Hilfe der genannten Markierung, die beispielsweise färbig oder aber wie erwähnt aus einem reflektierenden Material, insbesondere einem metallischen Material, gebildet sein kann, kann die Detektion jedoch problemlos bewerkstelligt werden. Beispielsweise kann die Markierung durch Aufdrucken einer Farbe oder durch Aufsputtern eines Metalls hergestellt werden.
Beim Ausmessen können die Komponenten genau hinsichtlich ihrer Position, auch ihrer Verdrehung oder Verkippung, vermessen werden, so dass damit Daten für die Ansteuerung des Laserstrahls beim Strukturieren des Interface-Lichtwellenleiters gewonnen werden, um so dessen Verlauf, in genauer Ausrichtung seiner Enden zu den genannten Komponenten, bestimmen zu können. Wie bereits erwähnt kann die Wellenleiter-Komponente eine plana- re Wellenleiterstruktur mit zumindest einem Wellenleiter-Kern, vorzugsweise mit mehreren Wellenleiter-Kernen (ähnlich einer Bandleitung), oder aber auch eine Lichtfaser aufweisen. Diese Wellenleiter-Komponenten (planare Struktur ebenso wie Lichtfaser) bestehen üblicherweise aus einer Mantelschicht (Cladding- Schicht genannt) und einem Kern, dessen Brechungsindex höher als jener der Cladding-Schicht ist, so dass eine Totalreflexion an der Grenzschicht erfolgen kann.
Für die Ausmessung der Wellenleiter-Komponente ist es auch von Vorteil, wenn diese mit ihrem Ende auf einem eigenen Substrat¬ teil angebracht ist, der mit wenigstens einer Markierung versehen ist; dieser Substratteil kann weiters vorzugsweise zugleich ein Distanzelement, einen Abstandhalter, zur Höheneinstellung der "Wellenleiter-Komponente relativ zur optischen Komponente bilden, d.h. es wird ein Substratteil mit geeigneter Dicke ausgewählt, mit dem die Wellenleiter-Komponente mit ihrem Endbereich, beispielsweise durch Aufkleben, verbunden wird, wonach der Substratteil auf dem Leiterplattenelement-Substrat befestigt, z.B. aufgeklebt, wird.
Zur Anpassung an die Licht-Ein- bzw. Ausgänge der optisch zu verbindenden Komponenten ist es mit Vorteil möglich, den Interface-Lichtwellenleiter mit einem sich in Richtung des Lichtwellenleiters ändernden Querschnitt vorzusehen.
Der Interface-Lichtwellenleiter kann auch beispielsweise als Wellenleitersplitter, als Wellenleiterkreuzung oder ähnliche optische Komponente ausgebildet sein. Andererseits kann die Wel¬ lenleiter-Komponente ein Wellenleiter-Array mit mehreren
Wellenleiter-Kernen enthalten; in diesem Fall kann, wenn alle Wellenleiter-Kerne zu nützen sind, eine entsprechende Anzahl und Anordnung von Inter.face-Lichtwellenleitern vorgesehen werden.
Die optische Komponente kann wie erwähnt in an sich bekannter Weise eine Licht emittierende Komponente, z.B. eine Laserdiode, oder aber eine Licht empfangende Komponente, wie eine Fotodiode oder ein Fototransistor, sein. Diese Komponenten können auch wie ebenfalls an sich bereits bekannt Umlenkspiegel enthalten, um das Licht jeweils aus der Komponente heraus- oder in die Komponente hineinzuleiten. Denkbar ist es aber auch, wenn die optische Komponente ein (standardisierter) optischer Stecker ist.
Die Positionen der Komponenten können vor dem Anbringen der optischen Schicht oder aber auch nach deren Anbringen ausgemessen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
Die Fig. 1A und 1B schematisch ein Leiterplattenelement mit einer optischen Kopplung einer Wellenleiter-Komponente mit einer opto-elektronischen Komponente in einem Längsschnitt (Fig. 1A) bzw. in Draufsicht (Fig. 1B) ; die Fig. 2A und 2B in einem Längsschnitt (gemäß der Linie A-A in Fig. 2B) bzw. Querschnitt (gemäß der Linie B-B in Fig. 2A) eine als Wellenleiter-Komponente einsetzbare, an sich herkömmliche Lichtfaser; die Fig. 3A, 3B und 3C in einem Längsschnitt, in einer Drauf¬ sicht und in einem Querschnitt gemäß der Linie C-C in Fig. 3B, eine planare Wellenleiter-Komponente, beispielsweise mit einem Array von vier Lichtwellenleiter-Kernen; die Fig. 4A und 4B in einem schematischen Längsschnitt und in einer Draufsicht den Aufbau eines Rigid-Flex-Rigid-Leiterplat- tenelements in einem Zwischenstadium der Herstellung, noch vor Anbringung des optischen Materials und der Strukturierung des Interface-Lichtwellenleiters zwecks optischer Kopplung zwischen den einzelnen Komponenten; die Fig. 5A und 5B dieses Leiterplattenelement gemäß Fig. 4A und 4B, nun jedoch in einem Stadium nach Anbringung des optischen Materials in Form einer Schicht, wobei Fig. 5A wiederum einen schematischen Längsschnitt und Fig. 5B eine schematische Drauf- sieht zeigt; die Fig. 6A und 6B wiederum in einem schematischen Längsschnitt und einer schematischen Draufsicht das Leiterplattenelement gemäß Fig. 4A, 4B bzw. 5A, 5B, nunmehr nach Fertigstellung, nach Strukturierung des Interface-Lichtwellenleiters;
Fig. 7 in einem schematischen Längsschnitt einen Mehrlagenaufbau eines Leiterplattenelements mit Interface-Lichtwellenleitern zwischen Wellenleiter-Komponenten und opto-elektronischen Komponenten;
Fig. 8 einen schematischen Längsschnitt durch ein Leiterplatten¬ element mit einem dreidimensionalen ( 3D) -Wellenleiterarray als Wellenleiter-Komponente ;
Fig. 9 schematisch eine Draufsicht auf den Endbereich einer Wellenleiter-Komponente mit einem eigenen Substratteil, auf dem Markierungen zwecks Vermessung angebracht sind; die Fig. 10A und 10B einen schematischen Teil-Längsschnitt bzw. eine Teil-Draufsicht auf ein Leiterplattenelement mit einer der¬ artigen Wellenleiter-Komponente mit eigenem Substratteil, der am Substrat des Leiterplattenelements befestigt ist; die Fig. 11 und 12 zwei Beispiele für Leiterplattenelemente ähn¬ lich Fig. 1A, in entsprechenden schematischen Längsschnitten, wobei im Vergleich zu Fig. 1A ein Interface-Lichtwellenleiter mit sich in Erstreckungsrichtung änderndem Querschnitt, nämlich zum Einen mit einem von der Wellenleiter-Komponente zur optoelektronischen Komponente zunehmenden Querschnitt (Fig. 11) und zum Anderen mit einem von der opto-elektronischen Komponente zur Wellenleiter-Komponente zunehmenden Querschnitt (Fig. 12), gezeigt ist; die Fig. 13A und 13B in einer schematischen Draufsicht bzw. in einem schematischen Längsschnitt Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Leiterplattenelements mit unterschiedlich struktu¬ rierten Interface-Lichtwellenleitern; und Fig. 14 eine weitere Ausführungsform eines Leiterplattenelements mit einem optischen Stecker (optischen Koppler) als optische Komponente in Verbindung mit einer Wellenleiter-Komponente über einen schräg verlaufenden Interface-Lichtwellenleiter.
In der Zeichnung sind verschiedene Leiterplattenelemente, teilweise in Phasen bei der Herstellung, veranschaulicht, denen gemeinsam ist, dass eine Wellenleiter-Komponente mit zumindest einer optischen Komponente über einen durch Mehrphotonenabsorp¬ tion in einem optischen Material strukturierten Interface
(Schnittstellen) -Lichtwellenleiter optisch gekoppelt ist. Der Einfachheit halber werden in der Zeichnung alle Leiterplattenelemente mit 1, alle Wellenleiter-Komponenten mit 2, alle opti¬ schen Komponenten mit 3 bzw. 3, 3' und alle Interface- Lichtwellenleiter mit 4 bzw. 4, 4' bezeichnet. Jedes Leiterplat¬ tenelement 1 weist weiters ein Substrat 5 bzw. 5, 5' auf.
Unter „optische Komponente" oder auch „optisches Bauelement" ist dabei ganz allgemein ein Bauteil zu verstehen, der sowohl eine rein optische Funktion als auch eine opto-elektronische Funktion haben kann, wie z.B. ein Spiegel, ein Gitter, ein Optokoppler (optischer Stecker) , oder aber Sende-Bauteile wie LEDs, Laserdi¬ oden, oder aber Empfänger-Bauteile, wie Fotodioden oder Fototransistoren. Diese Bauteile, d.h. optischen Komponenten 3, können dabei auch durch einen Umlenkspiegel allein oder aber durch eine opto-elektronische Komponente mit Umlenkspiegel ge¬ bildet sein.
Gemäß Fig. 1A und 1B ist eine Wellenleiter-Komponente 2 im Bereich ihres Endes 6 an der Oberseite des Substrats 5 des Leiterplattenelements 1, beispielsweise mit Hilfe einer Kleberschicht 7, angebracht. In Abstand davon ist das Substrat 5 mit der optischen Komponente 3, die hier einen Umlenkspiegel 8 aufweist, be¬ stückt. Der Umlenkspiegel 8 als Lichteingang oder Lichtausgang der optischen Komponente 3 befindet sich im Abstand vom Ende 6 der ' Wellenleiter-Komponente 2. Zur optischen Kopplung dieser beiden Komponenten 2, 3 ist ein Überbrückungs- oder Interface- Lichtwellenleiter 4 in einer Schicht 9 eines optischen, polyme- risierbaren Materials, wie an sich bekannt (vgl. z.B. AT 413 891 B) , strukturiert. Eine Rand- oder Begrenzungsschicht 10 begrenzt die optische Schicht 9.
Als Wellenleiter-Komponente 2 könnte beispielsweise eine an sich bekannte Lichtfaser, wie aus Fig. 2A und 2B ersichtlich, vorgesehen sein; eine derartige Lichtfaser weist einen Kern 11, auch Core genannt, innerhalb einer Mantel- oder Cladding-Schicht 12 auf .
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1A und 1B ist jedoch als Wellenleiter-Komponente eine planare Wellenleiter-Komponente 13, wie aus Fig. 3A, 3B und 3C ersichtlich, vorgesehen, wobei diese Wellenleiter-Komponente 13 gemäß Fig. 3C beispielhaft ein Array mit vier Lichtwellenleiter-Kernen (Cores ) 14 aufweist. Diese Lichtwellenleiter-Kerne 14 befinden sich innerhalb einer Umman- telung, ähnlich der Mantelschicht 12 gemäß Fig. 2A und 2B, wobei üblicherweise in einem planaren Aufbau auf eine untere Cladding- Schicht 15 nach Strukturierung oder Anbringung der Lichtwellenleiter-Kerne 14 eine obere Cladding-Schicht 16 angebracht wird. Der gesamte Aufbau 14, 15, 16 erfolgt gemäß Fig. 3A-3C sowie auch gemäß Fig. 1A auf einem flexiblen Substrat 17, z.B. einer Polyimidfolie .
Beim vorliegenden Leiterplattenelement 1 werden die optisch zu koppelnden Komponenten, also 3 und 2 gemäß Fig. 1A, ohne besondere Ausrichtmaßnahmen auf dem Substrat 5 des Leiterplattenelements 1 befestigt; mit anderen Worten, bei dieser Bestückung erfolgt, anders als bei früheren Techniken, keine (bzw. keine genaue) mechanische Ausrichtung der Komponenten 2 und 3 relativ zueinander. Dies ist deshalb möglich, weil nach der Bestückung ein optisches Interface zwischen den Komponenten 2, 3 realisiert wird, das einen durch seine Strukturierung genau von der einen Komponente, z.B. der Wellenleiter-Komponente 2, zu der anderen Komponente, z.B. zum Umlenkspiegel 8 der Komponente 3, führenden Lichtwellenleiter 4 enthält, der hier als „Interface-Lichtwellenleiter" 4 bezeichnet wird. Dieser Interface-Lichtwellenleiter 4 wird wie erwähnt durch Mehrphotonenabsorption, insbesondere Zweiphotonenabsorption (TPA - Two Photon Absorption) , im optischen Material der Schicht 9 in an sich bekannter Weise strukturiert, indem ein Laserstrahl auf die jeweils gewünschte Stelle innerhalb der Schicht 9 fokussiert und im Fokusbereich durch die hohe Intensität eine Material-Polymerisation zufolge der Absorption von mehreren, zumeist zwei, Photonen verursacht wird. Hinsichtlich dieses Mechanismus und der hiefür möglichen
Materialien ist der Einfachheit halber auf die AT 413 891 B zu verweisen .
Aus den Fig. 4A und 4B, weiters aus den Fig. 5A und 5B und schließlich den Fig. 6A und 6B ergibt sich diese Vorgangsweise mehr im Detail. In den Fig. 4A-6B ist dabei ein Leiterplattenelement 1 in Form eines sogenannten Rigid-Flex-Rigid-Boards gezeigt, wobei eine Wellenleiter-Komponente 2, beispielhaft in Form einer planaren Wellenleiter-Komponente 13 gemäß Fig. 3A, 3B und 3C, mit einem flexiblen eigenen Substratteil 17, vorgesehen ist, das in seinen beiden Endbereichen 6, 6' an Substraten 5 bzw. 5' aus starrem Material, z.B. Epoxidharz, beispielsweise durch Aufkleben, befestigt ist. Die beiden Substrate 5, 5' tragen je eine optische Komponente 3 bzw. 3', beispielsweise wieder mit Umlenkspiegeln 8 bzw. 8' (im gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechend den vier Lichtwellenleiterkernen 14 gemäß Fig. 3C jeweils vier Umlenkspiegel 8 bzw. 8', siehe Fig. 4B) .
Als nächstes wird nun gemäß Fig. 5A und 5B der Raum zwischen den Teilen der Begrenzungsschichten 10 bzw. 10', die ähnlich Fig. 1A und 1B auch hier vorgesehen sind, mit einem optischen, fotopoly- merisierbaren Material in Form einer Schicht 9 bzw. 9' ausgefüllt, wobei die optischen Komponenten 3 bzw. 3' sowie die
Endbereiche 6 bzw. 6' der Wellenleiter-Komponente 2 im optischen Material dieser Schichten 9, 9' eingebettet werden, wie am bes¬ ten aus Fig. 5A ersichtlich ist.
Davor oder aber danach werden die Komponenten 2, 3 bzw. 3' mit Hilfe eines optischen Systems, eines Vision-Systems 18, hinsichtlich ihrer Positionen vermessen, um so Steuersignale für die Strukturierung der Interface-Lichtwellenleiter 4 bzw. 4' gemäß Fig. 6A, 6B zu erhalten, wie dies ebenfalls an sich bekannt ist. Bei diesem Ausmessen mit Hilfe des Vision-Systems 18 können die x-y-z-Positionen der Komponenten 2, 3, 3' ebenso wie etwaige Verdrehungen oder Verkippungen dieser Komponenten erfasst werden, so dass der Interface-Lichtwellenleiter 4 bzw. 4' optimal in seiner Ausrichtung zu den Komponenten 2, 3, 3' strukturiert werden kann. Hinsichtlich einer solchen Vermessung bzw. der Anbringung von Markierungen kann auch auf AT 503 585 B verwiesen werden .
Insbesondere im Fall, dass die Komponenten 2, 3, 3' erst nach Anbringung der Schicht 9 bzw. 9' mit Hilfe des Vision-Systems 18 ausgemessen werden, ist zu beachten, dass die Wellenleiter-Komponente 2, die zumeist einen ähnlichen Brechungsindex wie das optische Material der Schicht 9 bzw. 9' aufweist, in diesem optischen System 18 nur schlecht sichtbar ist. In diesem Fall ist es daher besonders vorteilhaft, wenn Markierungen in den Endbereichen 6, 6' der Wellenleiter-Komponente 2 angebracht werden, beispielsweise in Form eines reflektierenden Materials auf der oberen Fläche der oberen Cladding-Schicht 16, z.B. durch Auf- sputtern von Metallen, oder in Form eines färbigen Aufdrucks. In Fig. 5A sind derartige Markierungen - die selbstverständlich auch am Bauelement 3 bzw. 3' vorgesehen werden können, wie dies an sich bekannt ist - nicht ersichtlich; im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 und 10B sind jedoch Markierungen 19 - dort an einem eigenen Substratteil 20 der Wellenleiter-Komponente 2 - gezeigt. Ähnliche Markierungen wie die Markierungen 19 können im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4A-6B wie erwähnt auf der Oberseite der oberen Cladding-Schicht 16 (und auf den Komponenten 3, 3') angebracht sein.
Nach Erhalt der Positionsdaten einschließlich Ausrichtdaten be¬ treffend die Komponenten 2, 3, 3' (was die Wellenleiter-Komponente 2 betrifft, genauer deren Endbereiche 6, 6') werden wie erwähnt die Interface-Lichtwellenleiter 4, 4' „eingeschrieben", wobei Bestückungsungenauigkeiten ausgeglichen werden können, da der Interface-Lichtwellenleiter 4 bzw. 4' durchaus einen schrägen oder bogenförmigen Verlauf zwischen dem jeweiligen Kern 14 der Wellenleiter-Komponente 2 und beispielsweise dem jeweiligen Umlenkspiegel 8 der optischen Komponente 3 erhalten kann.
Auf diese Weise wird, zufolge der beiden starren Substrate 5, 5' und der flexiblen Wellenleiter-Komponente 2 dazwischen, die erwähnte Rigid-Flex-Rigid-Leiterplatte 1 mit zwei starren Bereichen (Substrate 5, 5') und einem dazwischen befindlichen
flexiblen Bereich (Wellenleiter-Komponente 2 mit dem flexiblen Substratteil 17) erhalten.
Bei der Bestückung kann die Montage der optischen Komponenten 3, 3' sowohl vor als auch nach der Wellenleiter-Bestückung durchgeführt werden.
Als Wellenleiter-Komponente 2 kann außer der gezeigten planaren Wellenleiter-Komponente 13 gemäß Fig. 3A-3C auch eine Lichtfaser wie in Fig. 2A und 2B gezeigt verwendet werden. Eine derartige Lichtfaser oder ein Lichtfaserkabel kann beispielsweise aus Glas oder Polymer (POF) gefertigt sein.
Die planare Polymer-Wellenleiter-Komponente mit der unteren Cl- adding-Schicht 15, der Kernschicht 14 und der oberen Cladding- Schicht 16 kann andererseits aus einem Polymer, wie einem
Acrylat, Polyimid, Polysiloxan, Epoxidharz usw. , oder aus Hybridpolymeren (anorganisch-organischen Hybridmaterialien, z.B. Ormocere) aufgebaut sein. Derartige planare Wellenleiter-Komponenten 2 können durch verschiedenste bekannte Technologien hergestellt werden, wie beispielsweise durch
Maskenbelichtungstechniken, Inprint-Techniken, Ionendiffusionsverfahren, aber auch Laser-Direktschreiben usw..
Wenn weiters bislang die optischen Komponenten 3 bzw. 3' mit Um¬ lenkoptiken (Spiegel 8 bzw. 8') gezeigt wurden, so können selbstverständlich optische Komponenten 3, 3' ohne derartige Umlenkspiegel 8, 8' ebenso vorgesehen sein.
Was den Interface-Lichtwellenleiter 4 bzw. 4' oder allgemein das optische Material der Schicht 9, 9' betrifft, so sollte hier der Brechungsindex, um Reflexionen zu minimieren, bevorzugt zwischen den Brechungsindizes der zu koppelnden Komponenten 3 bzw. 3' ei¬ nerseits und 2 andererseits liegen.
Mit dem Vision-System 18 können die x- und y-Koordinaten sowie die Höhe ( z-Koordinate ) , weiters Verdrehungen oder Verkippungen der montierten Komponenten, also der Endbereiche 6, 6' der Wel¬ lenleiter-Komponente 2 und der optischen Komponente 3, 3', insbesondere auch von deren Umlenkspiegeln 8 bzw. 8', anhand von Markierungen (z.B. 19 in Fig. 9 und 10B) , aber auch anhand der Umrisse bestimmt werden.
Bei den folgenden, anhand der Fig. 7-14 erläuterten Ausführungsbeispielen wird in entsprechender Weise das vorstehend ausführlich erläuterte Prinzip der Interface-Lichtwellenleiter 4, 4' zwischen Wellenleiter-Komponenten 2 und optischen Komponenten 3, 3' angewandt, so dass sich diesbezüglich weitere Erläuterungen erübrigen können. Es soll daher im Nachfolgenden vor allem auf die Besonderheiten dieser Ausführungsbeispiele eingegangen werden.
In Fig. 7 ist ein Leiterplattenelement 1 mit einem Mehrlagenaufbau gezeigt, wobei auf einem unteren Element ähnlich dem Leiterplattenelement 1 gemäß Fig. 6A über eine Substrat-Zwischenlage 5A, 5A' eine weitere Wellenleiter-Komponente 2', beispielsweise von derselben Bauart „planare Wellenleiter-Komponente" wie die untere Wellenleiter-Komponente 2 (siehe Fig. 3A-3C) , z.B. wie¬ derum über Kleberschichten 7', stapelartig angebracht ist; auf den Zwischenlagen-Substraten 5A, 5A' sind wiederum optische Komponenten 3, 3' angebracht. Wiederum sind zur optischen Kopplung Interface-Lichtwellenleiter 4 bzw. 4' vorgesehen. Als oberer Ab- schluss ist eine Deckschicht 22, z.B. ein Standard-Lötstopplack, zum Schutz des gezeigten Mehrlagenaufbaus vorgesehen. Seitlich wird die Anordnung auch in der oberen Lage durch eine Begren¬ zungsschicht 10A geschützt.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 ist eine Wellenleiter-Kom¬ ponente 2 mit einem dreidimensionalen Array von Lichtwellenleiter-Kernen 14 vorgesehen, wobei das dreidimensionale Array beispielsweise vier Lichtwellenleiter-Kerne nebeneinander (siehe Fig. 3C) und diese Nebeneinander-Anordnungen dreimal übereinander (siehe Fig. 8) aufweist, so dass eine 3D-Anordnung von 3x4 Wellenleiter-Kernen 14 gegeben ist. Ein entsprechendes Array von Interface-Lichtwellenleitern 4 ist sodann in der jeweiligen op¬ tischen Schicht 9 zur optischen Kopplung der Wellenleiter-Kompo¬ nente 2 mit dem jeweiligen optischen Bauelement 3 bzw. 3' in der optischen Schicht 9 strukturiert.
In Fig. 9 (vgl. auch Fig. 10B) ist der Endbereich bzw. das Ende 6 einer Wellenleiter-Komponente 2 mit einem eigenen Substratteil 20 gezeigt, wobei die bereits erwähnten Markierungen 19 für das Ausmessen des Endbereichs 6 der Wellenleiter-Komponente 2 statt auf der Wellenleiter-Komponente 2 selbst auf diesem eigenen Substratteil 20 angebracht sind.
Die Wellenleiter-Komponente 2 wird mit Hilfe dieses eigenen Sub¬ stratteils 20 auf dem Substrat 5 des Leiterplattenelements 1 angebracht. Dabei kann der Substratteil 20 (aus einem Sortiment mit mehreren Dicken) mit einer derartigen Dicke, d.h. Höhe, gewählt werden, dass die Wellenleiter-Komponente 2 mit ihrem
Lichtwellenleiter-Kern 11 bzw. 14 (siehe Fig. 2 und 3) in der Höhe bereits der Höhenlage der optischen Komponente 3 bzw. des Umlenkspiegels 8 der optischen Komponente 3 ungefähr angepasst ist. Der Substratteil 20 hat somit hier auch die Funktion eines Abstandhalters oder Distanzelements. Nach der Montage der beiden Komponenten 2, 3 erfolgt wiederum die Einbettung der Komponenten 2, 3 im optischen Material der Schicht 9, wonach die Markierun¬ gen 19 am Substratteil 20 ausgemessen werden. Danach wird wie beschrieben der Interface-Lichtwellenleiter 4 strukturiert; vgl. auch Fig. 10A.
In Fig. 11 und 12 sind Abwandlungen der Ausführungsform gemäß Fig. 1A gezeigt, wobei der Interface-Lichtwellenleiter 4 mit sich änderndem Querschnitt, z.B. kegelig, ausgeführt ist; dabei vergrößert er sich gemäß Fig. 11 von der Wellenleiter-Komponente 2 zur optischen Komponente 3 hin, was von besonderem Vorteil ist, wenn es sich bei der optischen Komponente um eine Fotodiode handelt; gemäß Fig. 12 vergrößert sich der Querschnitt des In¬ terface-Lichtwellenleiters 4 ausgehend von der optischen Kompo¬ nente 3' zur Wellenleiter-Komponente 2 hin, beispielsweise wiederum kegelig, was dann von Vorteil ist, wenn es sich bei der optischen Komponente 3' um eine Laserdiode oder dergl. handelt. In beiden Fällen, Fig. 11 und Fig. 12, kann durch die kegelige Ausführung des Interface-Wellenleiters 4 bzw. 4' die Lichtkopp¬ lungseffizienz erhöht werden.
Der jeweilige Interface-Lichtwellenleiter 4 bzw. 4' kann aber nicht nur in der Durchmessergröße, sondern auch in der Querschnittsform eine Anpassungs-Änderung erfahren, z.B. von rund auf elliptisch oder von rund auf mehr oder weniger rechteckig, um die Lichtkopplung zwischen den Komponenten 2 und 3 bzw. 3' zu verbessern. Beispielsweise ist normalerweise das Lichtemissionsfeld einer Laserdiode rund, der Wellenleiter-Querschnitt eines planaren Wellenleiters 13 jedoch rechteckig (siehe Fig. 3C) ; ein „gleitender" Übergang vom runden Querschnitt auf den rechteckigen Querschnitt ist für die Lichtkopplung günstiger als ein abrupter Übergang.
In den Ausführungsformen gemäß Fig. 13A und 13B wird ebenfalls das Licht zwischen der Wellenleiter-Komponente 2, z.B. in Form einer Lichtfaser oder aber wiederum in Form einer planaren Wellenleiter-Komponente, und einer optischen Komponente 3 über einen TPA-strukturierten Interface-Lichtwellenleiter 4 gekoppelt; dieser Lichtwellenleiter 4 kann dabei je nach Notwendigkeit und Zielvorstellungen auch verschiedene andere Formen haben außer einer einfachen Wellenleiterkonfiguration. Aus Fig. 13A sind dabei beispielhaft verschiedene Konfigurationen ersichtlich, wie etwa ein Wellenleitersplitter 4A und eine Wellenleiterkreuzung 4B. Die Lichtwellenleiter 4 sind dabei in Fig. 13A nur ganz schematisch, mit strichlierten Linien, angedeutet, ebenso wie die Komponenten 2, 3, wobei der Einfachheit halber eine Wellenleiter-Komponente 2 mit mehreren Lichtwellenleiter-Kernen 14 und ein optischer Bauteil 3 mit mehreren Empfangsbereichen 24 schematisch veranschaulicht sind.
Selbstverständlich wäre es aber auch denkbar, von einer Laserdiode ausgehend einen Interface-Lichtwellenleiter 4 vorzusehen, der sich dann zu mehreren Lichtwellenleiter-Kernen einer Lichtwellenleiter-Komponente 2 aufteilt. Was die Wellenleiterkreuzung 4B betrifft, so können hier die beiden Lichtwellenleiter höhenmäßig übereinander liegen, es ist aber durchaus denkbar, dass die beiden Lichtwellenleiter eine gegenseitige (eventuell teilweise) Durchdringung bilden, vorausgesetzt, dass der Winkel derart gewählt ist, dass ein Übersprechen des Lichtsignals von einem Wellenleiterkanal in den anderen Wellenleiterkanal minimiert wird. Weiters ist es vorstellbar, die beiden Wellenleiter im Kreuzungsbereich 4B so zu führen, dass sie einander nicht durchdringen oder berühren, sondern in unterschiedlichen Höhen kreuzen, was ein Übersprechen des Lichtsignals von einem Wellenleiterkanal zum anderen Wellenleiterkanal praktisch nicht mehr ermöglicht . Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13B ist ein sich in einer vertikalen Ebene teilender Interface-Lichtwellenleiter 4, also mit einem Wellenleiter-Splitter 4A in z-Richtung, zwischen einer Wellenleiter-Komponente 2 mit zumindest einem Wellenleiterkern 14 und einem optischen Bauteil 3 mit mehreren Empfangsbereichen 24 vorgesehen.
Es sei erwähnt, dass mit der vorliegenden Technologie auch die Möglichkeit gegeben ist, den Wellenleiter-Splitter 4A schräg im Raum vorzusehen, so dass die beiden Wellenleiter-Arme des Spli- ters 4A nicht nur in verschiedenen Tiefen, sondern auch seitlich zueinander versetzt vorliegen.
In Fig. 14 ist schließlich ein Ausführungsbeispiel mit einem standardisierten optischen Stecker (Koppler) 23 als optische Komponente 3 veranschaulicht, deren Lichtwellenleiter 23' wie¬ derum über einen innerhalb einer optischen Schicht 9 TPA-struk- turierten Interface-Lichtwellenleiter 4 - der sich hier
beispielsweise zwecks Höhenanpassung schräg erstreckt - mit dem Wellenleiter-Kern 14 einer z.B. planaren Wellenleiter-Komponente 2 gemäß Fig. 3A-3C gekoppelt ist. Das so gebildete modifizierte Leiterplattenelement 1 besitzt dabei wiederum ein Substrat 5, so dass das Leiterplattenelement 1 in diesem Bereich steif ist, und dass an diesen steifen Bereich ein flexibler Bereich mit der Wellenleiter-Komponente 2 anschließt.
Als optische Komponente 3 kommen auch weitere aktive bzw. passi¬ ve optische Bauteile in Frage, wie z.B. ein VCSEL-Bauelement oder aber eine Linse, ein Gitter (Gräting) usw., und insofern ist der Ausdruck „optische Komponente" ganz allgemein zu verstehen .

Claims

Patentansprüche :
1. Leiterplattenelement (1) mit einem Substrat (5, 5'), auf dem zumindest eine optische Komponente (3, 3') angebracht und mit dem zumindest eine Wellenleiter-Komponente (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ende (6) der Wellen¬ leiter-Komponente (2) und der optischen Komponente (3, 3') zumindest ein in einer Schicht (9, 9') aus optischem Material durch Mehrphotononenabsorption strukturierter Interface-Lichtwellenleiter (4, 4') vorgesehen ist.
2. Leiterplattenelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Wellenleiter-Komponente (2) in ihrem Endbereich (6) wenigstens eine Markierung (19) aufweist, die
vorzugsweise aus einem reflektierenden Material gebildet ist.
3. Leiterplattenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter-Komponente (2) eine auf einem flexiblen Substrat (17) angebrachte planare Wellenleiterstruktur (13) mit zumindest einem Wellenleiter-Kern (14) oder aber zumindest eine Lichtfaser aufweist.
4. Leiterplattenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter-Komponente (2) mit ihrem Ende auf einem eigenen Substratteil (20) aufgebracht ist, der mit wenigstens einer Markierung (19) versehen ist, wobei vorzugsweise der Substratteil (20) zugleich ein Distanzelement zur Höheneinstellung der Wellenleiter-Komponente (2) relativ zur optischen Komponente (3) bildet.
5. Leiterplattenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Interface-Lichtwellenleiter (4, 4') einen sich in Leiterrichtung ändernden Querschnitt aufweist.
6. Leiterplattenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Interface-Lichtwellenleiter (4) als optische Komponente, z.B. als Wellenleitersplitter (4A) oder Wellenleiterkreuzung (4B), ausgebildet ist.
7. Leiterplattenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter-Komponente (2) ein Wellenleiterarray mit mehreren Lichtwellenleiter-Kernen (14) enthält, wobei vorzugsweise eine entsprechende Zahl und Anordnung von Interface-Lichtwellenleitern (4) vorgesehen ist.
8. Leiterplattenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (3, 3') eine Fotodiode oder eine Licht emittierende Diode bzw. eine Laserdiode, vorzugsweise mit Umlenkspiegel (8'), ist.
9. Leiterplattenelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (3) ein optischer Stecker (23) ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Leiterplattenelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter-Komponente (2) auf dem Substrat (5, 5') fixiert und das Substrat (5, 5') mit der optischen Komponente (3, 3') bestückt wird, wonach die Schicht (9) aus optischem Material unter Einbettung der optischen Komponente (3, 3') und des Endes (6) der Wellenleiter-Komponente (2) auf dem Substrat (5, 5') aufgebracht und darin der Interface-Lichtwellenleiter (4, 4') mit Hilfe eines Laserstrahls durch Mehrphotonenabsorption struk¬ turiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter-Komponente (2) mit ihrem Ende (6) auf dem Substrat (5, 5') aufgeklebt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Endes (6) der Wellenleiter-Komponente (2) und die Position der optischen Komponente (3, 3') mittels eines optischen Systems (18) ausgemessen werden, wonach der Interface- Lichtwellenleiter (4, 4') unter Verwendung der gewonnenen Posi¬ tionssignale strukturiert wird, wobei vorzugsweise im Endbereich (6) der Wellenleiter-Komponente (2) eine optisch detektierbare Markierung (19) angebracht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen ausgemessen werden, bevor die Schicht (9) aus opti- schem Material aufgebracht wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen nach dem Aufbringen der Schicht (9) aus optischem Material ausgemessen werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (6) der Wellenleiter-Komponente (2) auf einem eigenen Substratteil (20) aufgebracht wird, der mit wenigstens einer Markierung (19) versehen wird bzw. wurde, und dass vorzugsweise der Substratteil (20) zugleich als Distanzelement zur Einstellung der Höhe des Endes (6) der Wellenleiter-Komponente (2) in Bezug auf die optische Komponente (3) verwendet wird.
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