CN103582834B - 两个光波导用的光耦合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光耦合系统，其用于使具有由第一鞘（14、16）包围的第一芯（18）的第一光波导（14、16、18）与具有由第二鞘（30）包围的第二芯（28）的第二光波导（26）耦合。这里，第一光波导（14、16、18）的第一芯（18）的端面（20）与第二光波导（28、30）的第二芯（28）的端面（34）在耦合位置处抵接，并且第二芯（28）与第一芯（18）在轴向上平齐，其中，在耦合位置附近，在预定的轴向部（23）的至少一部分（22）上，第二光波导（28、30）的第二鞘（30）与第一光波导（14、16、18）的第一鞘（16）一同形成在预定的部分（22）中的光波导的包层。
Description
技术领域
根据方案1的前序，本发明涉及一种用于使第一光波导与第二光波导耦合的光耦合系统，其中第一光波导具有被第一鞘（sheath）包围的第一芯，第二光波导具有被第二鞘包围的第二芯。
背景技术
具有集成光信号连接的印刷电路板代表了下一代的板级（boardlevel）信号连接。所谓的光电印刷电路板（optoelectronicprintedcircuitboard）是被设计用来实现高度复杂的应用的，这种高度复杂的应用需要产品特征的进一步微型化以及集成密度的增加，随之使得能够实现印刷电路板的更高的产品附加值。具有光连接的印刷电路板将被用在如下场合：需要在部件、模块或者功能单元之间的极其高速的数据流的应用（例如，高端计算机应用），抵抗来自电磁场的干扰的应用（例如，汽车或航空应用），连接长度的节省空间的设计的应用（例如，移动电话应用），或者与具有阻抗的铜导线相比期望节省能耗的应用。
在长距离范围中的光数据传输为人知晓已达数十年。例如，光纤或光波导（OWG/LWL）已经被用于洲际、城际以及“本地”网络中的数据传递达许多年之久。光波导的使用是为了将印刷电路板连接在一起，甚或为了实现下一步的在印刷电路板内的集成光连接。玻璃纤维或聚合物纤维被用作光波导，对作为平面聚合物波导（planarpolymerwaveguide）的研究仍在进行。虽然在短距离上（例如使用在印刷电路板上）可被接受的平面聚合物波导在光衰减（opticalattenuation）方面不如玻璃纤维，但是聚合物波导在可加工性、可制造性、微型化、设计自由度以及并非最不重要的成本方面具有巨大的优势。
在印刷电路板上借助于光波导（平面波导技术）实现集成光连接的最大的挑战是波导端到光电部件或到光连接器模块的连接，这产生了到“外部世界”的连接，例如到外部的玻璃纤维电缆的连接。
发明内容
本发明的目的是改善两个光波导的耦合。
根据本发明，通过具有方案1的特征的前述类型的光耦合系统来实现该目的。在其他方案中说明本发明的优选实施方式。
根据本发明，在前述类型的光耦合系统中，所述第一光波导的所述第一芯的端面与所述第二光波导的所述第二芯的端面在耦合位置处抵接，并且所述第二芯与所述第一芯在轴向上对齐；在所述耦合位置附近，在预定的轴向部的至少一部分上，所述第二光波导的所述第二鞘与所述第一光波导的所述第一鞘一同形成在预定的部分中的光波导的包层。
这具有如下优点：两个待被耦合的光波导可以通过简单地将二者推在一起而沿空间中的至少两个方向相对于彼此准确地对准。
印刷电路板上的光学平面聚合物波导与玻璃纤维或聚合物纤维的耦合如下地实现：所述第一光波导是形成于印刷电路板的具有由聚合物鞘包围的聚合物芯的聚合物光波导。
待被耦合的光波导的附加轴向对准如下地实现：所述第二光波导嵌在箍中，至少一个第一导引装置配置于所述箍，至少一个第二导引装置配置于所述印刷电路板，所述第一导引装置和所述第二导引装置被设计为使得这些导引装置相互作用以沿空间中的至少一个方向对所述第二芯和所述第一芯进行轴向对准定位。
以如下方式，实现在用于聚合物光波导的同一制造过程（特别是平板印刷（lithographic）过程）中同时地对第二导引装置进行简便地制造：由与所述聚合物光波导相同的材料制造所述第二导引装置。
印刷电路板上的光学平面聚合物波导与外部信号处理装置的耦合如下地实现：所述第二光波导是相对于所述印刷电路板而言位于外部的光波导，所述第二光波导具有鞘和光波导芯，所述第二光波导特别地是玻璃纤维或聚合物纤维光波导。
待被耦合的光波导的准确定位用的接触面的特别简便但是精确的制造如下地实现：至少在所述预定的轴向部的一部分中，所述第二芯被剥去了所述第二鞘使得所述第二芯的最初面对所述第二鞘的第一表面露出，并且所述第一光波导被剥去了所述第一鞘的一部分和所述第一芯使得所述第一鞘的剩余部分的最初面对所述第一芯的第二表面露出，其中，所述第二芯的所述第一表面与所述第一鞘的所述第二表面接触。
待被耦合的光波导的准确定位的进一步简化如下地实现：至少在所述预定的轴向部的部分中，所述第一芯被剥去了所述第一鞘使得所述第一芯的最初面对所述第一鞘的第三表面露出，并且所述第二光波导被剥去了所述第二鞘的一部分和所述第二芯使得所述第二光波导的所述第二鞘的剩余部分的最初面对所述第二芯的第四表面露出，其中，所述第一芯的所述第三表面与所述第二光波导的所述第二鞘的所述第四表面接触。
附图说明
参照附图，对本发明进行更详细地解释，其中：
图1示出了在印刷电路板上的聚合物光波导的示意性局部视图，
图2示出了在第一组装状态下根据本发明的光耦合系统的示例性实施方式的示意性局部视图，
图3示出了在第二组装状态下如图2所示的根据本发明的光耦合系统的实施方式的示意性局部视图，
图4示出了如图1所示的在印刷电路板上的聚合物光波导的俯视图，以及
图5示出了在图2和图3中仅示意性表示的具有玻璃纤维光波导的箍（ferrule）的示例性实施方式的示意性俯视图。
具体实施方式
图1示出了在具有刚性基板10和附层12的印刷电路板上形成的聚合物光波导。可选地，层10和12也可以由印刷电路板的一部分制成。聚合物光波导以平面结构建立在层12上并且包括第一聚合物鞘14以及第二聚合物鞘16，在聚合物鞘14、16之间配置有聚合物芯18。聚合物芯18和聚合物鞘14、16由相同的聚合物材料制造。聚合物芯18的材料具有比聚合物鞘14、16的材料高的折射率，由此限定光波导。
根据本发明，聚合物光波导在聚合物芯18的端面20附近、在预定的轴向部23（图2）的部分22上被剥去了第二聚合物鞘16和聚合物芯18，使得第一聚合物鞘14的最初面对聚合物芯18的第二表面24露出。可选地，直接以对应的“台阶”制造聚合物光波导。
图2示出了配置于箍32的、具有玻璃纤维芯28和鞘30的玻璃纤维光波导26。根据本发明，玻璃纤维光波导26在玻璃纤维芯28的端面34附近、在预定的轴向部23上被剥去了鞘30的一部分，使得玻璃纤维芯28的最初面对鞘30的第一表面36露出，其中，预定的轴向部23在轴向上比预定的轴向部23的部分22长。
为了制造根据本发明的以光学方式连接聚合物光波导14、16、18和玻璃纤维光波导26以便传导光的耦合系统，如图2中的箭头38所示，将如上所述制备的具有玻璃纤维光波导26的箍32推到具有如上所述制备的聚合物光波导14、16、18的印刷电路板10、12上，使得第一表面36和第二表面24彼此面对或彼此接触。该情形如图3所示。可选地，为了光学连接，在聚合物芯18的端面20与玻璃纤维芯28的端面34之间另外配置粘合层（未示出）。根据本发明，玻璃纤维芯28由此与聚合物芯18直接耦合。可选地，为了机械连接，在刚性基板10的表面25与箍32的表面37之间设置粘合层。
换句话说，聚合物光波导14、16、18在部分22上呈台阶状，玻璃纤维光波导26在比部分22长的部分23上呈台阶状。结果，端面20、34彼此可靠地接触。
图4示出了具有聚合物光波导的印刷电路板10、12的俯视图。图4中的x-y坐标轴40代表空间中的两个方向，即配置于图4所呈现的平面的、彼此垂直的x方向和y方向。第三方向z被定向为垂直于图4所呈现的平面。这可以从图1和图2中的z-y坐标轴42看出。第二表面24确保将要沿z方向耦合的两个光波导的准确定位。抵接的端面20、34确保将要沿y方向耦合两个光波导的准确定位。
为了确保将要沿x方向耦合的两个光波导的准确定位，如可以从图4所看到的，在印刷电路板或印刷电路板的层12上形成横向导引结构44。这些横向导引结构44与如可以从图5看到的、形成于箍32的导引孔46相互作用。
本发明涉及可插拔的光接口，并且该光接口从具有平面聚合物波导系统14、16、18的印刷电路板10、12进入，该光接口在待与光纤耦合的波导端具有特殊的台阶设计。在所示实施方式中，光耦合系统的待与聚合物光波导系统14、16、18光学且机械地连接的第二部件是与至少一个玻璃纤维系统30、34以传统方式连接的MT箍（根据IEC61754-5标准化）或者类似的元件，其中，具有玻璃纤维光波导系统30、34的箍32和聚合物光波导系统14、16、18以这些光波导系统具有台阶设计（图1和图2）的方式制成。现在可以将这两个部件（印刷电路板10、12和示例性的MT箍32）精确地推到一起，从而实现在示例性使用的MT箍32中的玻璃纤维波导26与印刷电路板10、12上的聚合物波导14、16、18之间的最佳光耦合。为了固定的目的，例如将两个部件粘接在一起，即将聚合物波导14、16、18粘接在印刷电路板10、12上并将玻璃纤维波导26粘接于箍32。
这些部件均具有如下特性：波导的端面或聚合物芯18与光波导芯28的端面20、34具有非常高的光学品质，以标记或导引件44、46为基准，使得这些部件依据波导和印刷电路板中的机械地固定这些部件的腔（见表面25）而准确地对准。该构思对多模光波导和单模光波导均适用。
根据本发明，由此提出如下的接口构思（光耦合系统）：该构思包括在印刷电路板10、12上的平面聚合物波导14、16、18与例如在MT箍32中的玻璃纤维波导26之间的直接光耦合。
印刷电路板10、12配备有平面光波导14、16、18。该印刷电路板包括例如FR4的刚性基板10、和例如由聚酰亚胺制成的同样是刚性的（或者还可以是柔性的）附层12。将光波导14、16、18涂布于层12，该光波导具有以平面方式涂布的聚合物鞘（包层（cladding））14、已构造好的波导芯或聚合物芯18、和以平面方式涂布的另一个聚合物鞘（包层）16。聚合物鞘或包层14、16由相同的材料制造。波导芯18的材料具有比包层14、16的材料高的折射率，这限定了聚合物光波导。还涂布了借助于与聚合物光波导14、16、18相同的平板印刷过程由与聚合物光波导14、16、18相同的材料制出的横向导引结构16。
通过以如下三个结构特征精确地限定待相对于聚合物波导芯18进行耦合的部件的位置的方式来构造印刷电路板10、12，这三个结构特征是：借助于第一级48（图4、图5）以待被耦合的部分被导引至与端面20接触的部位的方式来限定y方向上的位置；借助于由第二表面24限定的第二级50（图2）来调整z方向上的位置；借助于第三级52或横向导引结构44来调整x方向上的位置。由于这三个定位结构48、50、52并不是借助于标记间接地确定，而是与波导结构直接连接，所以实现了待被耦合的光波导之间的非常精确的对准。
如图5所示，玻璃纤维波导的一个示例性实施方式是标准MT箍32。该标准MT箍32具有导引孔46。此外，导引孔46在端面上以已知方式进行抛光，使得装配于箍32的纤维在端面34处也具有光学品质高的接口表面（facesurface）。箍32的另外一个特征是台阶，该台阶例如是通过研磨和抛光制成，其中，台阶的深度通过纤维芯28的上侧面36限定，由此形成第四级54。在与印刷电路板10、12上的聚合物光波导14、16、18的耦合中，第四级54限定了y方向上的位置并由此成为第一级48的对应方。第五级56（图2）限定了z方向上的位置并由此成为第二级50的对应方。通过已经存在于MT箍32中的非常精确地形成的导引孔46限定第六级58，由此限定x方向上的位置（第三级52的对应方）。
箍32与印刷电路板10、12这两个部件能够被容易地推到一起而形成光耦合系统。在印刷电路板10、12上的平面聚合物光波导14、16、18的聚合物芯18与在MT箍32中的玻璃纤维的玻璃纤维芯28在x、y和z位置相对于彼此准确地定位。为改善机械稳定性，可以在两个表面25和37之间的接触区域中将这两个部件粘接在一起。还可以在平面波导端（端面20）与纤维端（端面34）之间涂布具有与波导芯18、28匹配的折射率的光学粘合剂，以防止形成空气隙。
通过改良的标准MT箍32或具有类似设计的元件，本发明使得光学印刷电路板（具有平面光学聚合物光波导14、16、18的印刷电路板10、12）能够被动地与玻璃纤维光波导的玻璃纤维或聚合物纤维光耦合。该光接口允许将来会在光数据传输方面发挥日益重要的作用的光学印刷电路板与诸如已经被使用了数十年的标准光纤等相耦合。
本发明能够被用于如下的所有光学应用中：在这些光学应用中，聚合物波导将通过具有例如光纤的耦合模块被连接至印刷电路板。应用的范围从高端计算机领域和光纤入户（fibre-to-the-home）应用中的数据传输解决方案到娱乐业用的光耦合系统。
根据本发明，提供了在光纤和具有三维（即三个相互垂直的方向）精确对准用的结构的印刷电路板上的聚合物波导之间的被动式耦合系统。
Claims (6)
1.一种光耦合系统，其用于使具有由第一鞘包围的第一芯的第一光波导与具有由第二鞘包围的第二芯的第二光波导耦合，其中，所述第一光波导的所述第一芯的端面与所述第二光波导的所述第二芯的端面在耦合位置处抵接，并且所述第二芯与所述第一芯在轴向上对齐；在所述耦合位置附近，在预定的轴向部的至少一部分上，所述第二光波导的所述第二鞘与所述第一光波导的所述第一鞘一同形成在预定的部分中的光波导的包层；所述第一光波导是形成于印刷电路板的具有由聚合物鞘包围的聚合物芯的聚合物光波导，
所述光耦合系统的特征在于，
所述第二光波导嵌在箍中，至少一个第一导引装置配置于所述箍，至少一个第二导引装置配置于所述印刷电路板，所述第一导引装置和所述第二导引装置被设计为使得这些导引装置相互作用以沿空间中的至少一个方向对所述第二芯和所述第一芯进行轴向对准定位，其中，由与所述聚合物光波导相同的聚合物材料制造所述第二导引装置。
2.根据权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于，所述第二光波导是相对于所述印刷电路板而言位于外部的光波导，所述第二光波导具有鞘和光波导芯。
3.根据权利要求2所述的光耦合系统，其特征在于，所述第二光波导是玻璃纤维或聚合物纤维光波导。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光耦合系统，其特征在于，在所述预定的轴向部中，所述第二芯被剥去了所述第二鞘使得所述第二芯的最初面对所述第二鞘的第一表面露出，并且所述第一光波导被剥去了所述第一鞘的一部分和所述第一芯使得所述第一鞘的剩余部分的最初面对所述第一芯的第二表面露出，其中，所述第二芯的所述第一表面与所述第一鞘的所述第二表面接触。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光耦合系统，其特征在于，至少在所述预定的轴向部的部分中，所述第一芯被剥去了所述第一鞘使得所述第一芯的最初面对所述第一鞘的第三表面露出，并且所述第二光波导被剥去了所述第二鞘的一部分和所述第二芯使得所述第二光波导的所述第二鞘的剩余部分的最初面对所述第二芯的第四表面露出，其中，所述第一芯的所述第三表面与所述第二光波导的所述第二鞘的所述第四表面接触。
6.根据权利要求4所述的光耦合系统，其特征在于，至少在所述预定的轴向部的部分中，所述第一芯被剥去了所述第一鞘使得所述第一芯的最初面对所述第一鞘的第三表面露出，并且所述第二光波导被剥去了所述第二鞘的一部分和所述第二芯使得所述第二光波导的所述第二鞘的剩余部分的最初面对所述第二芯的第四表面露出，其中，所述第一芯的所述第三表面与所述第二光波导的所述第二鞘的所述第四表面接触。
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