CN100443935C - Eo-pcb板中光波导层输入和输出光耦合接口组件及制备方法 - Google Patents
Eo-pcb板中光波导层输入和输出光耦合接口组件及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种EO-PCB板中光波导层输入和输出光耦合接口组件及制备方法，该耦合接口组件的模块为上、下台阶面的二阶梯型模块，在交界面处设有定位销通孔和光纤定位通孔，在下台阶表面上沿着定位通孔的外切面，刻制V形光纤定位槽，将光纤分别插入光纤定位孔内和搁置在V形定位槽上，从每一条光纤端口注入UV光固化胶或热固化胶固化，固化后，光纤的两端要进行研磨，搁置在V形槽一端的光纤端面研磨成与光纤轴成45°的光学平面，光纤的另一端面进行平面研磨、加工成垂直光纤轴的光学平面，其中n为自然数。本发明耦合接口组件不但可以满足光传输转向、定位误差、紧凑的光耦合和方便测试，而且该耦合接口组件为集成化的模块结构，很方便进行装配。
Description
技术领域
本发明涉及EO-PCB板中光波导层输入和输出光耦合接口组件及制备方法。
背景技术
由于航天、星载、军事现代化和科学技术发展的需要，下一代信息设备必须向着T比特量级处理速率发展，在处理器之间的处理速率必须为10-40Gbps。信号互连的延迟和带宽是必须首先解决的关键问题，高速互连交换技术也已经成为高性能计算机系统研究的重中之重。
虽然高带宽电信号传输具有技术相对成熟、接口实现容易、传输带宽高、交换延迟小、成本相对较低等优点，但由于电互连有限带宽的物理原因，传输高速信号时，互连密度、时钟偏斜、能耗、抗干扰性、传输距离等方面受限，进一步提高电信号的传输带宽面临“电子”瓶颈，难以满足高性能计算机和高速信息设备对更高传输带宽和更长传输距离的要求。光作为信息载体，具有极高带宽，没有信号失真、串话和时钟歪斜问题，并且具有带宽高、能耗低、传输距离长、互连密度高、抗干扰能力强等优点，宽带高密度的光纤网络背板等光互连技术已经在多机柜互连中获得了广泛的应用。
下一代超小型、宽带、高速、大容量的信息设备中，在同一块多层印制板即PCB板上多块高速大规模IC芯片之间的互连，由于PCB印制板的电子互连的有限带宽，已经成为高速信号传输的瓶颈。为了解决此问题，目前正在发展一种新技术，就是带光波道层EO-PCB板技术，即在PCB板中嵌入一层光波导层，传输高速光信号，也就是说，多块高速大规模IC芯片之间的高速电信号，转变成光信号在光波导层中传输，而低速信号仍然在传统的PCB板传输。该带光波道层EO-PCB板技术，已经成为克服该瓶颈的有效途径，见图1。该带光波道层EO-PCB板技术主要解决两大问题，第一个问题是在传统的PCB工艺中嵌入大面积、低成本的光波导层，第二个关键技术是光波导层的输入和输出光耦合接口组件。该输入和输出光耦合接口组件要满足以下要求：其一，光波导网络层中的光信号是在水平面方向传输信息，而输入和输出光耦合接口要将信光号的传输方向转90°，传输方向向上或向下；其二，由于高速超大规模IC芯片的高速信号是以光窗口VCSEL和PIN芯片作为光信号输入和输出端口，VCSEL和PIN芯片中的并行象元之间的间距严格为250μm，其误差为0.2μm。EO-PCB板中的光波导层的并行输入和输出光耦合接口组件的光端口阵列，要与高速超大规模IC芯片光窗口VCSEL和PIN芯片并行象元一一对应，并且每一条输入和输出光位置的定位误差严格为0.2-0.5μm；其三，超大规模IC芯片光窗口和光波导层的并行输入和输出光端口之间要进行一一对应的高效的光耦合；其四，光波导层的并行输入和输出光端口，能对光波导网络层的每一条光波导的性能方便地进行测试。目前，一些论文提出了输入和输出接口的结构，如采用45°反射镜和微透镜阵列的自由空间耦合结构等，这些结构都不可能同时严格满足以上四大要求。所以，光波导层的并行输入和输出光耦合接口组件的结构和制作工艺，已经成为EO-PCB板技术的关键难点。
发明内容
本发明的目的提出一种EO-PCB板中光波导层输入和输出光耦合接口组件及制备方法，该新型的EO-PCB板中光波导层的输入和输出光耦合接口组件不但可以满足以上所述的四大要求，而且该耦合接口组件是一种集成组件，很方便进行装配。
本发明的技术方案如下：
EO-PCB板中光波导层输入和输出光耦合接口组件，为集成化的模块结构。首先设计出模具，其模具制作出的塑料模块具有以下的特征：该模块为一个二阶梯型模块，一个二阶梯型就是一个二阶阶梯型，分上台阶面和下台阶面，在上、下两台阶交界面处设有两类定位销孔、n个光纤定位孔，和分别分布在两侧的2个定位销孔，且这两类孔均为通孔。在下台阶表面上沿着n个通孔下半园的外切面，刻制有n个V形光纤定位槽。将一次n条光纤带中每一条光纤分别从每一个V形定位槽上，插入n个光纤定位孔内，并让n条光纤露出端面外。从每一条光纤端口注入UV光固化胶或热固化胶固化，在注固化胶时，对胶量要进行严格控制，孔内胶完全包围光纤，而V形槽上的胶量严格控制让胶只能占每一条光纤的下半部分。固化时，让每一条光纤下部分紧密牢固地固定在每一条V形槽表面，而每一条光纤的上半部分完全裸露在外。
固化后，定位在模块中光纤的两端，即模块的两端要进行研磨，搁置在V形槽一端的光纤端面研磨成与光纤轴成45°的光学平面。而位于定位孔内的光纤的另一端面进行平面研磨，加工成垂直光纤轴的光学平面，其中n为自然数。
所述两类通孔的的中心位于二阶梯的交界面上，通孔的上、下两半分别在上、下两台阶中。
所述光纤定位孔的孔径φ为126μm，定位销孔的孔径Φ为0.7mm。
所述V形光纤定位槽的角度为60°左右。
所述二阶梯型模块的上台阶层长度为1-1.5mm，下台阶层的长度为0.8-1mm。
所述分别分布在两侧孔径Φ为0.7mm的2个定位销孔，是作为与1xnVCSEL/PIN并行发射和接收模块测试光源匹配的定位销孔，将并行发射和接收模块的定位销孔与光波导层输入和输出光耦合接口组件的定位销孔完全对准，并用孔径Φ为0.7mm的定位销杆固定后，这就是并行发射或接收模块中每一个象元，与光耦合接口组件中的每一条光纤一一对准了。1xn并行发射模块中每一个VCSEL发射的激光，通过光耦合接口组件中的每一条光纤，传送到EO-PCB板中光波导层的相应的每一条光波导，因此，就可以对每一条光波导的性能进行测试。
EO-PCB板中光波导层输入和输出光耦合接口组件的制备方法，按以下步骤进行：
(1)、首先设计出模具，其模具制作出的塑料模块具有以下的特征：一个模块分上台阶面和下台阶面的二阶梯型模块，在上、下两台阶交界面处有两类通孔，两个定位销孔和n个光纤定位孔，在下台阶表面上沿着n个通孔下半园的外切面，有n个V形光纤定位槽；
(2)将n条光纤带中每一条光纤分别从每一个V形定位槽上，插入n个光纤定位孔内，并让n条光纤露出端面外；
(3)从搁置在V形定位槽上，插入n个光纤定位孔内，并露出端面外的n条光纤一端口，注入UV光固化胶或热固化胶固化。在注固化胶时，对胶量要进行严格控制，孔内胶完全包围光纤，而V形槽上的胶量严格控制让胶只能占每一条光纤的下半部分，固化时，让每一条光纤下部分紧密牢固地固定在每一条V形槽表面，而每一条光纤的上半部分完全裸露在外。
(4)将定位在模块中光纤的两端，即模块的两端面要进行研磨，搁置在V形槽一端的光纤端面研磨成与光纤轴成45°的光学平面。而位于定位孔内的光纤的另一端面进行平面研磨，加工成垂直光纤轴的光学平面。
(5)分别分布在两侧孔径Φ为0.7mm的2个定位销孔，要与相应的1xn VCSEL/PIN并行发射和接收模块测试光源的定位销孔完全匹配。以便需要对每一条光波导的性能进行测试时，将并行发射和接收模块的定位销孔与光波导层输入和输出光耦合接口组件的定位销孔完全对准，并用孔径Φ为0.7mm的定位销杆将二者固定后，这就是并行发射或接收模块中每一个象元，与光耦合接口组件中的每一条光纤一一对准了。1xn并行发射模块中每一个VCSEL发射的激光，通过光耦合接口组件中的每一条光纤，传送到EO-PCB板中光波导层的相应的每一条光波导，就可以对每一条光波导的性能进行测试。
本发明提出了一种新型的EO-PCB板中光波导层输入和输出光耦合接口组件，该耦合接口组件不但可以满足以下所述的四大要求：一、在输入和输出接口将光信号传输方向转90°，从水平面传输信号方向转向向上或向下；其二，完全与间距严格为250μm的光窗口VCSEL和PIN芯片中阵列象元一一对应，每一条输入和输出光端口位置的定位误差严格小于0.5μm左右；其三，超大规模IC芯片光窗口和光波导层的并行输入和输出光端口之间一一对应的高效、紧凑的光耦合；其四，光波导层的并行输入和输出光端口，能对光波导网络层的每一条光波导的性能方便地进行测试。而且该光耦合接口组件为集成化的模块结构，很方便进行装配。
附图说明
图1为现有带光波导层EO-PCB板的结构示意图。
图2为本发明的二阶梯型模块的结构示意图。
图3为n条裸光纤用n个V型槽和n光定位孔定位图。
图4为在n个V型槽和n光定位孔的光纤进行注较、固化。
图5为两端面分别加工成45°和平面的光波导层的并行输入和输出光耦合接口组件
图6为该光耦合接口组件与EO-PCB板中光波导层精密耦合。
图7为带90°支撑架的输入和输出光耦合接口组件图。
具体实施方式
本发明的EO-PCB板中光波导层输入和输出光耦合接口组件，为集成化的模块结构，如图2所示。首先设计出模具，其模具制作出的塑料模块具有以下的特征：该塑料模块是一种二阶梯型模块，侧面图为ABCDEF，和A1B1C1D1E1F1，分上台阶面和下台阶面，以上台阶面和下台阶面交界面为中心面，有两类通孔，中间n个通孔为光纤定位孔001，孔径φ约为126μm。分布在两侧的两个孔，为定位销孔002，孔径Φ约为0.7mm。这些通孔的中心位于二阶梯的交界面DD1上，通孔的上、下两半分别在上、下两台阶中。在下台阶表面上沿着6个通孔下半园的外切面，刻制有n个角度约60°V形槽，为光纤定位槽003，上台阶层长度h约1-1.5mm，下台阶层的长度f约0.8-1mm；完成塑料模块制作后，沿着中心n个光纤定位槽，分别将外径为125μm裸光纤，从V形槽003插入到n个孔内004，光纤长度为(h+f)，如图3所示。n条裸光纤一部分在孔内，另一部分搁置在V形槽上，一端露出塑料模块AFF1A1端面，而另一端露出CBB1C1端面。从AFF1A1端面的每一条光纤端口注入UV光固化胶，或热固化胶。注固化胶时，要对胶量要进行严格控制，孔内胶完全包围光纤，而V形槽上的胶量严格控制，只能让胶占每一条光纤下半部分。固化时，让每一条光纤下部分紧密，而又牢固地固定在每一条V形槽表面，而每一条光纤的上半部分完全裸露在外，如图4所示。
在塑料模块光纤定位孔内插入n条光纤，而光纤的另一端搁置在V形槽上，注入UV胶固化后，光纤的两端要进行研磨。露出在塑料模块的AFF1A1端的光纤端面进行平面研磨，加工成垂直光纤轴的光学平面。而搁置在V形槽一端的光纤端面研磨成与光纤轴成45°的光学平面，如图5所示。使得激光束并行光纤轴垂直入射光纤的平面一端时，光沿着光纤传输到光纤的45°端面，在光纤的45°端面进行全反射，成90°垂直输出光纤表面。如将平面波道的平面端口紧密地靠近光纤的45°端面，则从光纤的45°端面进行全反射的光直接耦合到平面波道中进行传输。若将并行发射和接收模块的定位销孔与光波导层输入和输出光耦合接口组件的定位销孔完全对准，并用孔径Φ为0.7mm的定位销杆将二者固定后，这就是将并行发射或接收模块中每一个象元，与光耦合接口组件中的每一条光纤一一对准了。1xn并行发射模块中每一个VCSEL发射的激光，通过光耦合接口组件中的每一条光纤，传送到EO-PCB板中光波导层的相应的每一条光波导，就可以对每一条光波导的性能进行测试，如图6所示。为了使该光耦合接口组件的每一条光纤与EO-PCB板中光波导层相应的每一条波导准确、紧密的对准耦合，在其AKK1A1外侧加一个90°直角支撑架005，如图7所示。一方面可以保证光耦合接口组件的每一条光纤与EO-PCB板中光波导层006相应的每一条波导成90°，另一方面可以加固二者耦合接口的强度。
Claims (8)
1、EO-PCB板中光波导层输入和输出光耦合接口组件，为集成化的模块结构，其特征在于：该模块为一个二阶梯型模块，分上台阶面和下台阶面，在上、下两台阶交界面处设有两个定位销孔、n个光纤定位孔，且这两类孔均为通孔，在下台阶表面上沿着n个光纤定位孔下半圆的外切面，刻制有n个V形光纤定位槽，将n条光纤分别插入n个光纤定位孔内和搁置在V形光纤定位槽上，从每一条光纤端口注入UV光固化胶或热固化胶固化，固化后，光纤的两端要进行研磨，搁置在V形光纤定位槽一端的光纤端面研磨成与光纤轴成45°的光学平面，光纤的另一端面进行平面研磨、加工成垂直光纤轴的光学平面，其中n为自然数，所述二阶梯型就是一个二台阶的梯型。
2、根据权利要求1所述的组件，其特征在于：所述两类通孔的中心位于二阶梯型的交界面上，通孔的上、下两半分别在上、下两台阶中。
3、根据权利要求1所述的组件，其特征在于：所述光纤定位孔的孔径φ为126μm，定位销孔的孔径Φ为0.7mm。
4、根据权利要求1所述的组件，其特征在于：所述V形光纤定位槽的角度为60°。
5、根据权利要求1所述的组件，其特征在于：所述二阶梯型模块的上台阶层长度为1-1.5mm，下台阶层的长度为0.8-1mm。
6、根据权利要求1所述的组件，其特征在于：所述定位销孔的孔径Φ为0.7mm，应与并行发射和接收模块的定位销孔完全匹配。
7、EO-PCB板中光波导层输入和输出光耦合接口组件的制备方法，按以下步骤进行：
(1)、首先设计出模具，其模具制作出的塑料模块具有以下的特征：一个分上台阶面和下台阶面的二阶梯型模块，在上、下两台阶交界面处打通两个定位销孔和n个光纤定位孔，在下台阶表面上沿着n个光纤定位孔下半圆的外切面，刻制有n个V形光纤定位槽；(2)将n条光纤分别从V形光纤定位槽插入n个光纤定位孔内，并让光纤头露出端面；从每一条光纤端口注入紫外光固化胶或热固化胶，与模块固化成一个整体；(3)将光纤的两端进行研磨，搁置在V形光纤定位槽一端的光纤端面研磨成与光纤轴成45°的光学平面，光纤的另一端面进行平面研磨、加工成垂直光纤轴的光学平面，所述二阶梯型就是一个二台阶的梯型。
8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在注固化胶时，对胶量要进行严格控制，孔内胶完全包围光纤，而V形光纤定位槽上的胶量严格控制让胶只能占每一条光纤的下半部分，固化时，让每一条光纤下部分紧密牢固地固定在每一条V形光纤定位槽表面。
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