CN102933998B - 光学系统 - Google Patents

Abstract

一种光学系统，包括：光学电路板（1），所述光学电路板具有嵌入在顶面与底面之间的光导（2）并且限定出X-Y平面的底基准层的切口（27），光学耦合设备，其具有延伸在切口中的定位件（19），机械固定系统（31），其将光学电路板附接至光学耦合设备，并且包括在定位件（19）处延伸穿过光学电路板的固定销（32）。

Description

光学系统

技术领域

本发明涉及光学系统。

背景技术

大多数通信系统含有很多系统卡。这种卡通常被制造成所谓的印刷电路板（PCB）。通常，被称为子卡的其中一些系统卡在被称为背板或母卡的刚性且更厚的PCB上组装在一起。

各子卡通常彼此相互平行地延伸并且通过背板相互连接在一起，所述背板垂直于这些子卡延伸。对于这种构造存在一些实用优点：子卡方便的插入、移除和更换。

由于在数据速率方面不断增长的需求，例如因为互联网，所以使用子板之间通过背板的电通信的极限接近于被达到。在路由于背板内的电线路上获得良好的信号完整性变得困难。

为了回应这种带宽需求，现在利用纳入的光学层（光纤或平面波导）以取代导电金属构建高速系统。确实，光并不受与电一样的限制。光学层被平行于背板的平均平面设置。光学耦合设备用于相互连接这种光学层与外部系统卡。因为光在非常薄的层（几微米厚）中传播，需要高精度以使光学耦合设备对准电路板的光学层以及保持光学耦合设备与电路板的光学层对准。

已知的是，在这种对准被判定符合要求之后将光学耦合设备胶合至光学板。

然而，胶合并不总是符合要求的。其可靠性和预期寿命并不为大众所知。具体而言，这种附接可能意外松动，因为对背板处的环境条件（主要是温度）要求苛刻。相反地，例如为维修而移除胶合的光学耦合设备是困难的。

因此，存在一种需求，即提供一种将光学耦合设备固定至光学电路板的替代方式，所述替代方式仍然可以提供可靠的光学连接。

发明内容

提供一种系统，所述系统包括光学电路板和光学耦合设备。

光学电路板具有顶面、与顶面相反的底面以及嵌入在顶面和底面之间的至少一个光学层。光学层具有第一光学界面。

在顶面中形成至少一个切口。光学电路板具有限定X-Y平面的基准层。

光学耦合设备具有至少一个定位件，所述定位件在所述切口中延伸并且具有放置在光学电路板的基准层上的底面。光学耦合设备另外限定至少一个光学路径，所述光学路径适于在第一光学界面和第二界面之间传递光。光学耦合设备的第一光学界面被光学耦合至光学板的第一光学界面。

系统另外包括机械固定系统，所述机械固定系统将光学电路板附接至光学耦合设备。所述机械固定系统包括固定销，所述固定销在定位件处延伸穿过光学电路板。

通过这些特征，实现可靠的光学耦合。

在一些实施例中，人们还可以采用限定在从属权利要求中的一个或多个特征。

附图说明

在以下对于作为非限制性示例提出的本发明实施例中的八个和对于附图的描述的基础上，本发明的其他特征和优点将容易地显现。

在附图中：

图1a、1b是光学系统两个示例的俯视立体图，

图2是根据第一实施例的光学系统沿图1a的线II-II的截面图，

图3-7是用于本发明其他实施例的类似于图2的视图。

图8是用于第七实施例的类似于图2的视图，

图9是用于第八实施例的类似于图2的视图，以及

图10是图2的改型的局部放大图。

在不同的附图中，同样的附图标记指示相像或类似的元件。

具体实施方式

图1a部分地示出混合光学背板或PCB1，其是包括多个层的层叠。在后文中，这种背板1也将被称为层叠1。层叠1包括左手侧波导结构3，所述左手侧波导结构包括至少一个光学波导2（示出每个结构10个光学波导）。PCB 1另外包括右手侧波导结构3’，所述右手侧波导结构例如与左手侧波导结构3对称。本发明还可以应用于只具有一个波导结构的PCB。波导2位于X-Y平面内。方向Y对应于光学波导结构的对称轴。方向Z被限定为与所述X-Y平面正交。“顶”、“底”、“上”和“下”通过光学设备4相对于PCB 1的相对位置来使用。波导2或波导结构3集成或嵌入在层叠1的至少一个层中。嵌入的波导2可以是聚合物波导、玻璃片波导或通过嵌入纤维技术获得的波导，或之类的。

去往或来自配合光学设备4，比如光学设备或光电设备或其它PCB，传输的光学信号，（图1中不可见，见图2），经过第一光学路径6被提供至层叠1的波导2，所述波导2在X-Y平面内为光学信号提供第二光学路径7。在本示例中，也示出在图1b中，光学设备4包括例如机械传输箍（“MT箍”）。在图2中，光学设备包括外壳（比如高精度衬套21），光纤22的末端在所述外壳中在精确限定的相对位置中延伸。每个纤维22在指向PCB的一个末端22a处包括第一光学界面。在另一末端（未示出）处，光纤包括用于连接至另一光学传递、发射或探测设备的另一光学界面。

为了实现相互垂直的第一和第二光学路径之间的最佳的光学耦合，为对准目的提供耦合设备8。

为了使光学信号能够在平行于Z方向的第一光学路径6与平行于X方向的第二光学路径7之间偏转，可以采取各种方案。这是这些方案中的其中之一，其示意性地表明在图2中。尽管只表明了垂直偏转，其它偏转角度也是可能的。

波导2包括顶覆层10、波导芯11和底覆层12。层叠1可以包括在波导2的下方和/或上方的各种其它层。这种层例如是安置在波导2下方的环氧树脂（epoxy）层13，或者是安置在波导2上方的环氧树脂层13’。还可以提供附加的基准层23、23’。这种基准层是刚性层，所述刚性层相对于光学波导芯层11的位置是被知晓为非常精确的。这是从良好控制的制造工艺已知的，或是通过后续成像（比如通过在制造工艺过程中施行的探测基准标记）已知。例如，这些基准层由金属（铜）制成。再者，层叠1可以在Z方向上包括多个波导2或波导结构3。

在图2中，第一光学路径6与垂直的第二光学路径之间的光学信号偏转通过采用镜座17来实现，所述镜座放置在第一和第二光学路径上。例如，镜座17形成全反射，并且包括相对于X方向倾斜45°且平行于Y方向延伸的连续侧面14。表述“镜座”17意指任意能够偏转光学信号的部件，并且因此还例如意指光栅或棱镜。波导2适于容置这种镜座17。如必要，波导2末端与侧面14之间的间隙填充有折射率匹配材料，光学信号通过所述间隙传播。作为替代方式，在波导结构3的侧面上设置反射层。

在对称的本实施例中，镜座17还是关于Y-Z平面对称的。

因此，光学电路板1包括第一光学界面1a，所述第一光学界面对应于来自波导芯11的光离开PCB 1（在本情况下，在侧面14上反射之后）的点。

层23’在侧面14的上方被移除，从而使得光在被侧面14反射之后离开PCB。

光学电路板1还可以包括在图2中不可见的第二光学界面，在波导芯11中传播的光通过所述第二光学界面离开电路板。然后，在第二光学界面处，所述光通过光发射设备被发射，或者通过光电探测器被探测，或之类的。

一个或多个光学部件15的使用增强了或最优化了第一光学路径6与第二光学路径7之间的光学耦合。例如，多个透镜或透镜阵列被用来校正发散的光束以此避免光损失。

光学连接器总成另外包括耦合设备8。耦合设备8例如是通过模制半透明的合适材料制造的一体件。光学耦合设备8包括底面24，所述底面限定出与PCB的界面1a光学耦合的第一光学界面25。耦合设备8另外包括第二界面26。光学路径限定在耦合设备8的第一和第二界面25、26之间。换言之，来自印刷电路板1的界面1a、在其第一界面25处进入耦合设备8的光通过耦合设备8传播至第二界面26。第二界面26被光学耦合至配合光学设备4的界面22a。

光学设备的区域18包含界面25与界面26之间的光学路径。其可以设置有光学部件15，比如透镜阵列，用于使，波导2的通过耦合设备8去往箍4的/从箍4通过耦合设备8传至波导2的，光学信号的光学耦合最优化。透镜或透镜阵列可以形成耦合设备8的集成部分。

耦合设备8包括X-Y基准装置（未示出），所述基准装置用于使耦合设备8在X方向和Y方向二者上与波导结构3对准。这种对准如此施行，使得耦合设备8位于X-Y平面内并且使得耦合设备8的第一界面25直接在PCB的界面1a上方。另外，耦合设备8包括Z轴基准装置19以精确地限定耦合设备相对于PCB的光学层的高度。Z轴基准装置19与形成在层叠1的层中的互补Z轴基准装置20协作。大体上，Z轴基准装置20被应用在相对于波导结构3的沿Z轴的预定高度处的层中，从而使得，当这些Z轴基准装置20与耦合设备8的Z轴基准装置19协作时，在PCB与耦合设备8之间实现最优的光学耦合。优选地，Z轴基准装置19从光学耦合设备8的底面24突起。

优选地，各Z轴基准装置均位于层叠1的同一层中。在本实施例中，所述层是光学层的顶层23’的顶面。使用这种PCB 1的内层是有利的，因为在这种情况下Z轴基准装置20可以与用于制造层叠的各工艺步骤的其中之一同时被施加或接着所述用于制造层叠的各工艺步骤的其中之一被施加。所述Z轴基准装置20可以通过使用激光烧蚀或光刻被精确地施加在优选的层中。如果其它层来补充层叠1，Z轴基准装置20保持可用于对准。这可以如此实现，即通过在后续制造步骤的过程中覆盖Z轴基准装置20，并且使其在层叠1完成之后可用。

因此，切口27形成在印刷电路板1的顶面中。切口27具有形成作为切口27底部的基准表面28，相对于波导芯层11的沿轴Z的确切位置在所述基准表面处被知晓为具有足够的良好精确性。在图2的示例中，这种基准表面28被设置作为层23’的顶面。

耦合设备8包括定位件29，所述定位件具有布设在基准表面28上的底表面30。例如，定位件29被设置作为在光学耦合设备的角区中的光学耦合设备8的四个支脚（见图1）。所述四个支脚从光学耦合设备8的底面24上突起。所述四个支脚还可以设置在区域18的外面。

机械固定系统31示出在图2中。根据图2的示例，机械固定系统31包括延伸经过耦合设备8的通孔33、经过PCB的通孔34的销32。销32被设置作为与耦合设备8相独立的部件。通孔33在模制工艺的过程中形成，或者之后在模制的耦合设备中钻出。通孔通过任意合适方法形成在PCB中。销32延伸经过耦合设备的定位件29。例如，销32设置在定位件29的中间区域处。在示出的示例中，机械系统31设置在每个定位件29处，尽管这只是说明性的。

具体而言，销32从耦合设备8的顶面8a延伸至PCB的底面1b。具体而言，机械固定系统可以包括支承表面35，所述支承表面分别支承在耦合设备8的顶表面8a上以及在PCB的底表面上。例如，机械固定系统是可释放的。例如，在示出在图2中的实施例中，销32具有一体的头部36，所述头部包括支承表面35，所述支承表面支承在光学耦合设备8的顶面8a上，销32还具有相反的末端37，部件38可以以可移除方式装配在末端37上。部件38包括支承在PCB的底面1b的支承表面35。例如，销32是螺钉，部件38是用于紧固在PCB的底面上的螺栓。

作为替代方式，支承表面35并未应用于PCB的底面，而是应用于任意的适于提供这种固定的面。因此，应用于PCB的支承表面35能够应用于任意合适的中间层（例如，比如基准层23）的底面。在底层1b中的局部切口可以被设置以施行这种连接，如图10的局部放大图所示。

根据固定的方法，销32连同其一体的头部36从顶部插入、首先经过光学耦合设备8的通孔33、然后经过PCB的通孔34，直到其末端37突出到PCB的底面1b下方，并且螺栓38装配至此处。

根据另一实施例，从PCB底面的反向安装也是可能的，其中螺栓在光学耦合设备的顶面上。

将光学耦合设备8在Z轴基准装置19、20（参考表面28和定位件29）处附接至PCB 1在一定程度上提高了Z轴定位的精确度。另外，其使得能够在固定的过程中不影响区域18的Z轴位置。具体而言，通过这种方法没有导致对光学耦合设备8的弯曲。这种弯曲可能不希望的，因为其可以使界面25和/或界面26移离它们的最佳Z轴位置。另外，附接是可释放的，这对于在必要时更换光学耦合设备是有用的。

现在参照图3公开本发明的第二实施例。本实施例对应于图2的实施例，区别在于PCB的Z轴基准层20被限定为直接设置在波导芯11的顶面上方的基准层23”。定位件因此更深地延伸到PCB的切口27中。采用波导芯11的顶面作为Z轴基准层的基础，沿轴Z的定位是最佳的，因为这种定位降低了考虑在制造芯11与耦合设备8之间的层10的方法的精确度的必要性。

根据示出在图4中的第三实施例，PCB中的Z轴基准20被设置作为PCB的底层23的顶面。定位件29被设置成比在前述实施例中的更长，以延伸直到所述定位件的底面被放置在基准层上。

这种构造的另一益处是，例如当PCB包括可压缩材料比如形成芯和/或覆层的塑料层时，这些层的压缩可能在将配合光学设备4连接至PCB 1的过程中发生，因为施加了太高的压缩力以施行这种连接。如果这种压缩在配合之后不是100%地恢复，那么存在各部件沿Z方向不对准的风险。上面这两种结构能够降低这种永久压缩导致永久不对准的风险。

根据示出在图5中的又一实施例，基准层20不是必须被设置作为切口的底面，而是被设置作为来自设置在PCB中的切口27的突起39的顶面。作为替代方式，突起39被设置作为独立的物体，所述物体与PCB不同，并且精确地定位在其中。

图6现在提供一种用于机械固定系统31的替代方式。如联系图3至图5所述的Z轴基准装置19和20的各种位置也可以应用于图6的实施例。根据图6，机械固定系统31包括延伸穿过孔33和34的压配栓钉40。它不同于图2的机械固定系统相在于，即销32包括弹性件41，所述弹性件在孔34中延伸，并且被这些通孔的圆柱形表面42偏压。在弹性件外表面与孔34的内表面42之间发生机械摩擦，以在PCB1上保持耦合设备8。在本示例中，孔33和34并不必须是通孔。

现在联系图7描述第六实施例。本实施例通过机械固定系统31的性质与图2的实施例相区别。各种实施例也可以用关于图3至图5中描述的方式实施。根据本实施例，机械固定系统并不使用独立部件作为销32，而是销32与光学耦合设备8一体形成。例如，销32与光学耦合设备8一体模制。销32设置在定位件29上。

在PCB的底面1b上的固定可以通过任意合适方式施行，从而使得独立部件38被固定至PCB 1的底面上。

回到图2，在耦合设备8如上所述被固定至光学电路板1之后，使光学设备4对准光学耦合设备8和电路板1是必要的。在图2中，光学装置4与上述二者的对准通过使用在区域18外侧的对准系统43同时施行，所述对准系统在本情况下包括销44，所述销沿Z方向延伸经过PCB的孔45和光学耦合设备8的孔46二者。销44因此从光学耦合设备的顶表面8a突出，并且与光学设备4的通孔或容槽47协作。这还联系图3至图7被示出。

图8现在示出本发明的第七实施例。可以以将联系图2至图7描述的一个或多个特征进行组合的方式想到各种实施例。

在图8的实施例中，光学耦合设备8包括从光学耦合设备的顶面8a突起的销147。具体而言，销147与光学耦合设备8一体形成，所述光学耦合设备例如与其一体模制。光学设备4与先前描述的光学设备相同。因此，光学设备4在X-Y平面内相对于耦合设备8的对准可以独立于光学耦合设备8在X-Y平面内相对于PCB 1的对准而施行。

根据图8的实施例，光学耦合设备8另外包括围壁48，所述围壁自光学耦合设备的顶面8a突起，并且适于在朝向光学耦合设备8沿方向Z配合光学设备4的过程中至少部分地包围光学设备4。具体而言，围壁48包括径向向内面对的面49，并且被定尺寸成在光学设备4的配合到PCB 1的过程中引导光学设备4的外部互补面50。具体而言，通过引导表面49和受引导表面50的组合而设置的保护系统51提供至少一个如下功能：

—防止光学设备4相对于配合轴线的倾斜，因而保护避免弯曲甚至折断一个或多个销47（壁48比销47更抗弯）；

—通过在已配合的构造中隔离光学耦合设备8的第二界面26与光纤的末端22a之间的光学耦合来提供光学保护，以防止来自外界的光被传输经过PCB，和/或

—提供这些界面的防尘保护，以降低不透明粒子可能进入光学系统并且阻止在光学设备4与耦合设备8之间的光传输的风险。

这些措施也可以独立于耦合设备8附接至PCB 1的方式而提供。

现在联系图9描述第八实施例。可以以将联系图2至图8描述的一个或多个特征进行组合的方式想到各种实施例。

如图9所示，侧面14现在与光学耦合设备8一体设置。例如，所述侧面与其一体地模制。光学耦合设备8至PCB 1的固定如上文参照图2至图8中任一幅所解释的那样。因此，根据本实施例，PCB的光学界面1a没有被设置成平行于PCB的顶面，而是在Y-Z平面内延伸。光学耦合设备8的界面25和界面26不再如图2所示相互平行，而是现在相互垂直。

相比图2的实施例的另一区别（尽管所述区别可以独立于上述第一个区别而提供）是这里的PCB被设置有两个平行的光学层2和光学层2’。因此，系统并不关于Y-Z平面对称。

对于本领域技术人员清楚的是，尽管说明书有时提到光从一个位置被传递至另一位置，但是这仅是为了说明书的清楚性，并且所述光还可以根据应用的类型而沿相反方向传播，除了从背景明显得出这不可能的情况以外。

Claims (14)

1.一种光学系统，包括：

——光学电路板(1)，所述光学电路板具有：

·顶面，

·底面(1b；23)，所述底面与所述顶面相反，

·至少一个光学层(11)，所述光学层嵌入所述顶面与所述底面之间，并且具有第一光学界面(1a)，

·至少一个切口(17)，所述切口形成在所述顶面中，并且具有限定出X-Y平面的底基准层(20)，

——光学耦合设备(8)，所述光学耦合设备具有：

·至少一个定位件(19)，所述定位件延伸在所述切口中，并且具有放置在所述光学电路板的基准层上的底面(30)，

·至少一个光学路径，所述光学路径适于在第一光学界面(25)与第二光学界面(26)之间传递光，所述光学耦合设备(8)的光学路径的第一光学界面(25)被光学耦合至所述光学电路板的第一光学界面(1a)，

——机械固定系统(31)，所述机械固定系统适于将所述光学耦合设备附接至所述光学电路板，并且包括在定位件(19)处延伸穿过至少部分所述光学电路板(1)的固定销(32)，其中，所述机械固定系统(31)是可释放的。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定位件(19)具有中间区域，并且其中销在所述中间区域中延伸。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述光学耦合设备具有顶面(8a)，所述顶面与所述光学电路板的底面相反，并且其中销(32)从所述光学耦合设备的顶面延伸至所述光学电路板(1)的底面(1b)。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述机械固定系统(31)包括支承表面(35)，所述支承表面支承在所述光学电路板的底面(1b)和所述光学耦合设备的顶面(8a)的至少其中之一上，所述光学耦合设备的顶面与所述定位件的底面(30)相反。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述光学电路板包括通孔(34)，并且其中销(32)延伸穿过所述光学电路板的通孔。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述光学耦合设备包括通孔(33)，所述通孔从所述定位件的底面延伸至所述光学耦合设备的相反的顶面(8a)，并且其中销延伸经过所述光学耦合设备的通孔(33)。

7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述光学电路板包括通孔，所述通孔具有内圆柱面(42)，并且其中销(32)通过摩擦与所述内圆柱面协作。

8.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，销(32)与所述光学耦合设备是一体的。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述固定销(32)在所述定位件(19)处延伸穿过所述光学电路板(1)。

10.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，另外包括：

——MT箍(4)，其具有第一光学界面(22a)，

——对准系统(43)，所述对准系统适于使所述MT箍(4)在所述光学电路板(1)上对准，以使所述MT箍的第一光学界面(22a)光学耦合至所述光学耦合设备(8)的第二光学界面(26)。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述对准系统包括在所述MT箍中的至少一个容槽(47)和至少一个相应销(147)，所述至少一个相应销与所述容槽互补并且与所述光学耦合设备(8)一体形成。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述MT箍具有受引导表面(50)，所述受引导表面沿垂直于所述X-Y平面的配合轴线延伸，并且其中所述光学耦合设备(8)具有抗弯系统(48)，所述抗弯系统具有引导表面(49)，所述引导表面与所述受引导表面(50)互补并且适于沿所述配合轴线引导所述MT箍。

13.根据权利要求9所述的系统，还包括：

——MT箍(4)，其具有第一光学界面(22a)，其中所述第二光学界面(26)被光学耦合至所述MT箍的第一光学界面(22a)，并且所述系统还包括：

——对准系统(43)，所述对准系统适于使所述MT箍(4)在所述光学电路板(1)上对准，其中所述MT箍具有受引导表面(50)，所述受引导表面沿正交于所述X-Y平面的配合轴线延伸，并且其中所述光学耦合设备(8)具有抗弯系统(48)，所述抗弯系统具有引导表面(49)，所述引导表面与所述受引导表面(50)互补，并且适于沿所述配合轴线引导所述MT箍。

14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述受引导表面(50)是所述MT箍的外表面，并且所述光学系统包括保护系统(51)，所述保护系统包括包围箍的所述外表面的内壁(48)。