CN103097932A

CN103097932A - 光学耦合设备、光学系统和组装方法

Info

Publication number: CN103097932A
Application number: CN2011800441441A
Authority: CN
Inventors: G·德勒斯贝克
Original assignee: FCI SA
Current assignee: FCI SA
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-09-05
Also published as: SG188418A1; EP2616859A1; US20130272647A1; CN103097932B; WO2012035428A1

Abstract

一种光学耦合设备，包括：Z向基准部分，其与第一光学设备的Z向基准协作，以限定出耦合设备的第一光学界面沿方向（Z）的位置；固定部分（17、19），其在不相同的沿所述方向的高度延伸，并且适于被胶接至所述第一光学设备。

Description

光学耦合设备、光学系统和组装方法

技术领域

本发明涉及光学耦合设备、光学系统和组装方法。

背景技术

多数通信系统包括许多系统卡。这种卡通常制造为所谓的印刷电路板（PCB）。因为在数据速率方面不断增加的需求，例如由于互联网，已经达到了使用电通信的极限。保证经过电线的良好信号稳定性变得困难。

为了回应这种带宽需求，高速系统现在被构建出，其中光学层（光纤或平面波导）被引入代替导电金属。的确，光不经受与电相同的限制。

光学耦合设备通常用于将PCB，或所谓的光学电路板（OCB），的光学层与外部的光学设备相互连接。为了确保光穿过光学耦合设备的高效传输，所述光学耦合设备沿竖直方向相对于电路板的非常精确的定位是必要的。为此，耦合设备可以具有Z向基准部分，其相对于电路板的精确定位的Z向基准放置。然后，光学耦合设备的固定部分胶接至光学电路板的固定表面。

然而，在多个光学电路板之间，关于固定表面相对于Z向基准的位置，可能存在大的离差。这是因为，光学电路板包括固定表面的那一部分并未如Z向基准自身那样采用精确工艺来制造，这主要是为了降低光学电路板的成本。为了处理这一问题，方案可以是，系统性地使用对应于最坏可能情况的胶的量，所述最坏可能情况即是，固定表面至光学耦合设备的固定部分的距离最大。

在此情况下，正确的固定将在这种最坏情况下形成。然而，在固定表面至光学耦合设备固定部分的距离不那么大的较好情况下，多余的胶可能会扩散。这是一个问题，因为胶可以扩散到用于接纳其它设备比如连接器外壳的区域中，因此导致错接。胶甚至可以扩散达到光学信号在光学电路板与光学耦合设备的光学路径之间传输的区域。在这种情况下，整个板可能将不可用。

因此，需要改善这种以牺牲光学信号传输效率为代价的光学耦合设备至光学电路板的固定。

发明内容

提供一种光学耦合设备，用于光学通信系统。光学耦合设备包括延伸在第一光学界面和第二光学界面之间的光学路径。第二光学界面将被光学耦合至第二光学设备。第一光学界面将被光学耦合至第一光学设备。所述第一光学设备具有Z向基准。

光学耦合设备另外包括Z向基准部分。其与第一光学设备的Z向基准协作，以限定第一光学界面沿某方向相对于所述Z向基准的位置。

光学耦合设备具有第一固定部分，其在沿所述方向的第一高度延伸。

光学耦合设备具有第二固定部分，其在沿所述方向的第二高度延伸。第二高度大于所述第一高度。

第一或第二固定部分将胶接至第一光学设备。

通过这些特征，对于在固定表面高度离差范围内的任何光学电路板而言，用最少量的胶确保了正确固定。

在一些实施方式中，人们还可以采用限定在权利要求中的一个或多个特征。

附图说明

本发明的其它特点和优点将从以下对于其一个实施方式以及附图的描述中容易地显现出，所述实施方式作为非限制性实施例提供。

在图中：

-图1是光学系统的局部立体俯视图，

-图2是光学耦合设备的底面的立体图，

-图3是用于第一电路板的沿图1的线III-III的局部剖视图，

-图4是用于第二电路板的类似于图3的视图，

-图5是图1系统的俯视图，以及

-图6是组装工艺的流程图。

在不同的图中，相同的参考标记指示相同或类似的元件。

具体实施方式

图1局部地示出了混合或完全的光学PCB 1，例如背板，其是包括多个层的层叠。特别地，所述层叠1从上至下包括铜层101、预浸料层102、光学层103、以及另外的铜层104和预浸料层105。光学层103自身包括第一顶覆壳层106、在第一顶覆壳层106下方的第二传递光学层107、以及在第二传递光学层107下方的第三底覆壳层108（见图3）。

术语“顶”、“底”、“上”、“下”或之类参照方向Z给出，所述方向Z正交于PCB的顶表面la，并且指向将要光学耦合至PCB的匹配的光学设备4。PCB的顶表面平行于X-Y平面延伸，其中X和Y是人为限定的。例如，X对应于层107中的光传播方向，Y对应于横向于该传播方向的方向。

层叠1的光学层107由多个管2制成，所述管一体形成或嵌入在本体3中，所述本体具有比管2低的折射率。因此，管2和本体3分别构成波导的芯和覆壳。嵌入的波导可以是聚合物波导、玻璃片波导或通过嵌入光纤技术所获得的波导，或之类。

应理解的是，PCB的一部分被从图1中移除以方便表示，并且显示为面lc的实际上不是面，而是PCB1的内部。

如图1中可见，切口27形成在PCB1中。特别地，切口27成形为具有正平行六面体这一非常简单的形式。切口由直的壁限定。切口还可以具有平的底部27b，如图所示。

管2在切口处终止时所在的壁限定了PCB的光学界面。即，所有芯2在切口27处终止以限定出PCB的光学界面9（图3）。所述光学界面9包括布置成阵列的离散的光传递区域。根据需要，沿方向Y的传递区域间隔可以是或不是恒定的。例如，在本图中，在邻近的传递区域之间的间隔被设置成恒定于250μm。

被传输至匹配的光学设备4或从该匹配的光学设备传输出的光学信号经过第一光学路径6被提供至层叠1的芯2或被从所述层叠的芯提供，所述光学设备比如是光学设备或光电设备或其它PCB，所述芯2提供平行于X-Y平面的用于光学信号的第二光学路径7。在本实施例中，光学设备4例如可以包括机械转换卡套（“MT卡套”），其包括高精度的套21，光纤22的末端在所述套内延伸在精确限定的相对位置中。匹配的光学设备4因此具有光学界面10，其被定义为指向PCB的一组光纤末端。在本图中，所述界面平行于X-Y平面延伸。

匹配的连接器的光学界面10具有数量与PCB的光学界面9相同的传递区域。匹配的光学设备的光学界面10的每个传递区域对应于PCB的光学界面9的相应传递区域。这意味着，传递区域两两相关联，并且穿过其中一个界面的传递区域而正交地离开的光将被传递至其中另一个界面的对应传递区域。

印刷电路板1另外包括Z向基准。Z向基准是印刷电路板的一部分，所述Z向基准沿Z方向的位置相对于光学界面9精确已知。例如，所述Z向基准对应于底覆壳层的底部（或者说对应于与其重合的下面铜层104的顶部23（见图3））。然而，其它位置也是可能的，例如顶覆壳层的顶部。

为了获得在第一和第二光学路径之间的最佳光学耦合，光学耦合设备8被提供用于对准目的，所述第一和第二光学路径对于这里的光学系统而言垂直于彼此。在本实施例中，光学耦合设备8被设置成单一的单元式部件，尽管不必要一直是如此。

耦合设备8例如是通过模制适合的半透明材料而制造出的单元式件。光学耦合设备8包括第一面24，其限定出第一光学界面25，所述第一光学界面将被置于与PCB的光学界面9光学耦合。第一光学界面25具有传递区域13，所述传递区域放置成以自由间隔（有时穿过半透明的耦合介质，比如空气或适合的胶）与PCB界面的对应传递区域相对。因此，第一光学界面25的布置直接从印刷电路板的光学界面9的布置得出，这里将不再详述。

光学耦合设备8包括第二面11b，其在这种情况下延伸正交于第一面，即平行于X-Y平面延伸。所述第二面限定出第二光学界面26，所述第二光学界面将被置于与匹配的光学设备4的光学界面光学耦合。第二光学界面26具有传递区域13′，所述传递区域将被放置成（有时穿过半透明耦合介质，比如空气或适合的胶）与匹配的光学设备4的界面的对应传递区域相对。因此，第二光学界面26的布置直接从匹配的光学设备4的光学界面的布置得出，这里将不再详述。

光学路径被限定在耦合设备8的第一和第二界面25、26之间。即，来自印刷电路板1的界面的、在其第一界面25进入耦合设备8的发散光将作为基本上平行化的光束穿过耦合设备8被传播至第二界面26，并且将被聚焦到匹配的光学设备4的界面中。光以类似方式沿相反方向传播。

特别地，耦合设备8的每个界面的每个传递区域可以被设置有光束成形结构15、15′，比如透镜。透镜15使芯2的去往/来自耦合设备8的光学信号的光学耦合最优化。透镜15′使卡套4的去往/来自耦合设备8的光学信号的光学耦合最优化。

由于透镜15和15′分别在每个芯2的入口处和在每个光纤22的入口处聚焦光学信号，所以相比没有透镜的光学耦合系统，耦合设备8、卡套4和层叠1的制造公差增大。

如本实施例中所示，透镜15、15′可以形成耦合设备8的一体部分。所述透镜定位在第一和第二界面处。例如，所述透镜可以是Fresnel型或非球面型的。可以理解的是，对于每个界面而言，该界面的所有透镜均可以设置为相同的。

图2更详细地示出耦合设备8的底面。耦合设备8被设置成薄板，其具有第一（底）面11a以及相反的平行的第二（顶）面11b（图1）。本体16优选以居中方式从底面11a向下突伸。所述本体承载有光学界面25以及将光从X方向偏转至Z方向的镜子18。

另外，光学耦合设备8设置有Z向基准部分12。这些Z向基准部分12是光学耦合设备8的一部分，所述Z向基准部分沿方向Z的位置相对于第一光学界面25精确已知。沿Z方向定位的这种精准度可以在通过例如微成型工艺制造耦合设备的过程中获得。所述部分例如是平行于X-Y表面延伸的表面。例如，三个所述部分可以设置为从面11a突伸出的三个脚部14。所述脚部可以设置成不在一条直线上，并且长度相同，从而使得三个Z向基准部分12精确限定出平面。

光学耦合设备8另外包括固定部分。所述固定部分用于将光学耦合设备8固定至印刷电路板1。固定部分例如设置在光学耦合设备8的周缘处。例如，第一固定部分是周向脊部17，所述周向脊部围绕设备的整个周缘连续延伸。另外，第二固定部分被设置成第二周向脊部19，所述第二周向脊部围绕设备的整个周缘连续延伸。第二周向脊部还围绕第一周向脊部17。因此，第二周向脊部19是外固定部分，而第一周向脊部17是内固定部分。因此，第一周向脊部17位于第二周向脊部19与本体16之间。

固定部分17、19从光学耦合设备的面11a突伸出。

如图3中可见，光学耦合设备将被放置在印刷电路板1的切口27上方，从而使得Z向基准部分12将与印刷电路板的Z向基准协作，以便精确限定出光学耦合设备8沿Z轴相对于印刷电路板Z向基准的位置。例如，简单地将Z向基准部分12搁置在印刷电路板1的Z向基准23上。然而，存在其它方法来精确限定光学耦合设备8沿Z方向相对于印刷电路板的Z向基准的位置。

理论上，在该位置中，光学耦合设备和印刷电路板如此沿方向Z相对于彼此定位，使得印刷电路板的界面9（自图3平面离开）与光学耦合设备的光学界面25（本图中不可见）之间产生高效的光学耦合。这是由于：

-通过电路板构造实现的电路板的界面9与Z向基准23的沿方向Z的精确已知的相对定位，

-通过协作实现的Z向基准23与光学耦合设备8的Z向基准部分12的沿方向Z的精确已知的相对定位，以及

-通过耦合设备构造实现的Z向基准部分12与光学界面25的沿方向Z的精确已知的相对定位。

如必要，使用X-Y基准装置（未示出）来仔细地相对于电路板将耦合设备放置在X-Y平面中。

印刷电路板的Z向基准23限定了Z轴的原点O。如上所述，Z轴被定向在离开电路板的主平面朝向匹配的光学设备4的方向上。这是光离开/进入电路板的方向。在这种情况下，光学耦合设备的Z向基准部分的高度为0。

印刷电路板的固定表面20被用于与光学耦合设备8的固定部分17、18协作来将光学耦合设备8固定至电路板1。例如，固定表面20对应于印刷电路板的可触及的顶面la，例如，要么是铜层101的顶面，要么如果铜层101在该区域内被移除则是预浸料层102的顶面。固定表面处在从原点O沿Z方向测得的高度Z_fs。高度Z_fs是根据电路板1的层叠已知的名义高度。然而，由于无法避免的与OCB制造工艺有关的离差，所以，从一个印刷电路板到另一个印刷电路板，固定表面的实际高度将在Z_fs–Z_d（图3）与Z_fs+Z_d（图4）之间变化。

当光学耦合设备8放置在印刷电路板上时，内固定部分17在距原点O的高度Z_i延伸。外固定部分在高度Z_o延伸。这些高度是相应固定部分17、18的与固定表面20相对的底表面的高度。Z_i和Z_o二者均严格大于Z_fs+Z_d，以使Z向基准部分12能够搁置在电路板的Z向基准23上。

另外，高度Z_i和Z_o彼此不同。在本实施方式中，它们至少相差50微米，尽管如此，这一差值将取决于电路板制造工艺的精度，即为Z_d的值。Z_i和Z_o可以相差约Z_d。

特别地，第一（内）固定部分17比第二（外）固定部分19更靠近固定表面20。换言之，高度Z_o大于高度Z_i。

图3表示最坏情况的场景。即，在图3中，固定部分尽可能远离固定表面20。不论对于实际的电路板而言固定表面的实际高度是多少，用于将光学耦合设备8固定至光学电路板的胶28体积总是基于图3的几何条件而事先确定的。一旦光学耦合设备被定位，那么，例如沿箭头29用注射器，使胶从耦合设备的周边流入。胶28将流动在第一固定部分17的底表面与跟其直接相对的电路板的固定表面20之间。固定将发生在这两个表面之间。

图4表示了固定表面20处在高度Z_fs+Z_d上的场景。绝大多数印刷电路板将介于图3与图4的情况之间。高度Z_i被选择为非常接近于Z_fs+Z_d。特别地，Z_i被选择为如此接近Z_fs+Z_d，使得胶被禁止在限定于第一固定部分17与电路板的表面20之间的自由空间内流动。第一固定部分17因此充当了胶的屏障。这种作用可以在不需要固定部分17的表面与固定表面20之间有任何接触的情况下提供，因为它们之间的接触将阻碍光学系统的任何合适的Z向定位。高度差Z_i-（Z_fs+Z_d）可以基于胶本身的特性（譬如其触变性能）而形成。在第一固定部分17与电路板的表面20之间的自由空间因此将充当胶的毛细俘获部（capillary trap）。

如图4中还可见的，在本场景中，外固定部分19将接替在图3的实例中内固定部分17所起的作用。胶将主要在外固定部分19与印刷电路板的固定表面20之间扩散。所使用胶的体积等于图3的。

如必要，耦合设备可以设置有定位在第一和第二固定部分之间的容槽30。在本实施例中，其中第一和第二固定部分是完全沿耦合设备周缘延伸的周向脊部，容槽30则可以被设置为同样完全沿耦合设备周缘延伸的沟槽（见图1）。在本场景中，容槽30将吸收流动在耦合设备与电路板之间的多余的胶。因此，胶将被防止向外回流。围绕光学耦合设备8的空间31因此将基本上没有胶，并且可以接纳连接器壳体或任何其它适合的设备，如必要的话。

现在转向图5和图6，将示意性地描述组装方法。在步骤51中，光学耦合设备8将预先组装至印刷电路板1。例如，所述光学耦合设备将通过使用事先设置在电路板或耦合设备上的几（3-4）个胶点32而被胶接就位。然后，在步骤52中，定位的精准度测试被施行。这种测试例如是主动的步骤，通过该步骤，使已知的光线33传递在电路板1的一个或多个光学芯中，并且通过任意适合方式探测在耦合设备8的第二界面26处的输出光。在步骤52中，确定探测到的光与所期待的光相比是否合适。其他类型的测试是可能的。如果所述测试的结果是否定的（图6中的箭头N），那么耦合设备8可以在步骤53中被移除，并且可能的是，用另一个耦合设备代替该耦合设备，或试图将其放置在更好的相对于印刷电路板的位置中。在自动拾取和放置机器上，一些维护可能是需要的。因此，光学电路板不需要因为这种错误连接而被丢弃。在适合的工艺改变之后，组装方法返回至步骤51。

如果所述测试的结果是肯定的（图6中的箭头Y），那么耦合设备至电路板的永久固定在步骤54中被施行。特别地，例如依照图5中箭头34所示的运动，完全围绕预先定位的耦合设备的周缘用注射器连续施加预定体积的胶。因此，胶可以用作防止材料侵入切口27的密封件。

因此，可以提供一组光学系统，其具有可靠的固定，其中光学耦合设备是相同的，并且其中固定表面的高度可以在Z_fs-Z_d与Z_fs+Z_d之间变化。

尽管本发明以直角的光学耦合设备8的方式呈现，但是本发明可以应用于其它类型的光学耦合设备，其例如具有沿方向Z的直的光学路径的光学耦合设备。

Claims

1.一种用于光学通信系统的光学耦合设备，所述光学耦合设备包括：

-至少一个光学路径，其延伸在第一光学界面（25）与第二光学界面（26）之间，所述第一光学界面将被光学耦合至具有Z向基准的第一光学设备，所述第二光学界面将被光学耦合至第二光学设备，

-Z向基准部分（12），其构造成与所述第一光学设备的Z向基准协作，以限定所述第一光学界面沿方向（Z）相对于所述Z向基准的位置，

-至少一个第一固定部分（17），其在沿所述方向的第一高度延伸，并且配置成被胶接至所述第一光学设备，

-至少一个第二固定部分（19），其在沿所述方向的第二高度延伸，并且配置成被胶接至所述第一光学设备，

其中，所述第二高度大于所述第一高度。

2.根据权利要求1所述的光学耦合设备，其中，所述第一固定部分（17）定位在所述第二固定部分（19）与所述光学路径之间。

3.根据权利要求1或2所述的光学耦合设备，还包括在所述第一固定部分与所述第二固定部分之间的容槽（30）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学耦合设备，其中，所述第一固定部分（17）包括完全沿所述光学耦合设备的周缘延伸的周向脊部。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学耦合设备，其中，所述第二固定部分（19）包括完全沿所述光学耦合设备的周缘延伸的周向脊部。

6.根据权利要求3、4和5所述的光学耦合设备，其中，所述容槽（30）包括完全沿所述光学耦合设备的周缘延伸的周向沟槽。

7.一种用于光学通信系统的光学耦合设备，所述光学耦合设备包括：

-Z向基准部分（12），其构造成与所述第一光学设备的所述Z向基准协作，以限定所述第一光学界面沿方向（Z）相对于所述Z向基准的位置，

-至少一个第一固定部分（17），其包括完全沿所述光学耦合设备的周缘延伸的周向脊部，并且配置成被胶接至第一光学设备，

-至少一个第二固定部分（19），其包括完全沿所述光学耦合设备的周缘延伸的周向脊部，位于所述第一固定部分（17）外侧，并且配置成被胶接至第一光学设备。

8.根据权利要求7所述的光学耦合设备，还包括在所述第一固定部分与所述第二固定部分之间完全沿所述光学耦合设备的周缘延伸的周向沟槽（30）。

9.根据权利要求7或8所述的光学耦合设备，其中，所述第一固定部分（17）在沿所述方向的第一高度延伸，

其中，所述第二固定部分（19）在沿所述方向的第二高度延伸，

其中，所述第二高度大于所述第一高度。

10.一种用于光学通信系统的光学耦合设备，所述光学耦合设备包括：

-至少一个第一固定部分（17），其包括在沿所述方向的第一高度完全沿所述光学耦合设备的周缘延伸的周向脊部，并且配置成被胶接至第一光学设备，

-至少一个第二固定部分（19），其包括在沿所述方向的第二高度完全沿所述光学耦合设备的整个周缘延伸的周向脊部，位于所述第一固定部分（17）外侧，并且配置成被胶接至第一光学设备，

-周向沟槽（30），其在所述第一固定部分与所述第二固定部分之间完全沿所述光学耦合设备的周缘延伸，

其中，所述第二高度大于所述第一高度。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的光学耦合设备，包括板（35），所述板具有正交于所述方向（Z）的相反的第一面（11a）和第二面（11b），其中，所述光学路径至少部分地从所述第一面（11a）突伸出，其中，所述Z向基准部分（12）、所述第一固定部分和所述第二固定部分（17；19）从所述第一面（11a）突伸出。

12.一种光学系统，包括根据权利要求1至11中任一项所述的光学耦合设备（8），并且包括光学电路板（1），所述光学电路板具有：

-Z向基准（23），其构造成与所述光学耦合设备的Z向基准部分（12）协作，

-光学界面（9），其被光学耦合至所述光学耦合设备的第一光学界面（25），

-固定表面（20），其被胶接至所述光学耦合设备的所述第一固定部分和所述第二固定部分（17；19）的至少其中之一。

13.根据权利要求12所述的光学系统，其中，在所述第一固定部分（17）与所述光学电路板的固定表面（20）之间的距离被包括在20微米与50微米之间，其中，胶（28）主要在所述第二固定部分（19）与所述光学电路板的固定表面（20）之间扩散。

14.根据权利要求12所述的光学系统，其中，在所述第一固定部分（17）与所述光学电路板的固定表面（20）之间的距离被包括在50微米与150微米之间，其中，胶（28）主要在所述第一固定部分（17）与所述光学电路板的固定表面（20）之间扩散。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的光学系统，包括触变胶。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的光学系统，其中，胶被完全沿着所述光学耦合设备的周缘提供。

17.一组光学系统，包括：

-至少一个根据权利要求12至16中任一项所述的第一光学系统，其中，所述光学电路板的固定表面（20）延伸在沿所述方向距所述光学电路板的Z向基准的第一距离（Z_fs-Z_d）处，

-至少一个根据权利要求12至16中任一项所述的第二光学系统，其中，所述光学电路板的固定表面（20）延伸在沿所述方向距所述光学电路板的Z向基准的第二距离（Z_fs+Z_d）处，

其中，所述第二距离大于所述第一距离，

其中，所述第一光学系统的光学耦合设备和所述第二光学系统的光学耦合设备是相同的。

18.一种组装光学系统的方法，包括：

a）提供光学电路板（1），其具有Z向基准（23）、光学界面（9）和固定表面（20），

b）提供光学耦合设备（8），其包括：

·至少一个光学路径，其延伸在第一光学界面（25）与第二光学界面（26）之间，所述第二光学界面将被光学耦合至第二光学设备，

·Z向基准部分（12），其被构造成与所述光学电路板的Z向基准（23）协作，以限定所述第一光学界面沿方向相对于所述Z向基准的位置，

·至少一个第一固定部分（17），其在沿所述方向的第一高度延伸，

·至少一个第二固定部分（19），其在沿所述方向的第二高度延伸，其中，所述第二高度大于所述第一高度，

c）将所述第一固定部分和所述第二固定部分的其中之一胶接至所述光学电路板，其中所述Z向基准和所述Z向基准部分彼此协作，以使所述光学电路板的光学界面被光学耦合至所述光学耦合设备的第一光学界面。

19.根据权利要求18的组装方法，其中，c）胶接包括：

cl）将所述光学耦合设备预先胶接（51）在所述光学电路板上的相应位置，

c2）提供（52）所述位置的精准度的测试结果，以及

c3）如果结果是肯定的，将光学耦合设备永久胶接（54）在所述光学电路板上的所述相应位置。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，c）胶接包括完全沿所述光学耦合设备的周缘连续分配胶。