CN1063172A - 用于电路板互连的光学底板 - Google Patents

Abstract

一种用于互连一组电路板的系统，其中有多个电 路板，每个电路板上都有一个装有一或多个光发送器 或光接收器的端区，一个光学构件构成电路板的互连 底板，该光学构件包括一个装有大量全息照相元件的 第一表面，用于从上述光发送器接收光束并发送到一 个第二表面，第二表面把上述光束反射回上述全息照 相元件，发送给上述光接收器。

Description

本发明涉及一个用于互连一组电路板的系统，特别是涉及一种不仅是专用于电通信开关或计算机上的电路板的互连系统。

在电通信开关的领域中，随着电路密度的增加和开关速率的增大（将从200Mbit/秒增大到2.4Gbit/秒），为了更有效地互连开关电路板，人们已经提出了很多建议。其中一个极为重要的方面就是在电路板之间形成互连的底板或母板。除了需要考虑到的问题，例如操作期间的散热问题之外，还有一个重要的条件，那就是各个板上时钟等等信号的分配问题;在如此高的速率下，在底板上沿着导体传导的时钟信号会引起传播延迟，带宽以及交扰等问题。

已知有一种全息照相元件，它布置在一个表面上，用于在一个相邻基片上的发送器和接收器之间反射或折射光线，参见《应用光学》，1988年10月15日，第27卷第20号由K.H.Brenner和F.Sauer所著的“绕射-反射光学互连”一文。这种发送器和接收器通常构成集成电路芯片的电路阵列的一部分，而光线被用来以递增的效率为各个芯片分配信号。传播全息图象的表面通常是由一个透明介质固定在芯片的基片上，形成一个紧凑和整体的部件，这是由于各个光通路的匹配要求很高的精度所致。

本发明的目的是提供一种能解决上述问题的，用于一组电路板互连的系统。

本发明提供了一种用于一组电路板互连的系统，其中有多个电路板，每个电路板上都有一个端区，该端区上装有一个或多个光发送器或光接收器，以及一个构成电路板的互连底板的光学构件，该光学构件包括一个装有大量全息照相元件的第一表面，用于从上述光发送器接收光线，并把该光线发送到一个第二反射表面，光线从第二反射表面反射回上述全息照相元件，发送给上述光接收器。

因此，按照本发明，通过一个提供一种电路板的互连底板的光学构件，克服了现有底板存在的问题，特别是解决了高信号比特率所带来的问题。

光学互连线路的另一个优点是降低了连接器的插入力和匹配要求。一个光学连接器仅仅需要联接一个匹配外壳的力和很少的供电设施，例如电源和时钟。相比之下，电连接器需要很大的插入力来可靠地联接大量插头。这种力和又长又薄的电路板结构一起，会导致电路卡和连接器出现很大的挠曲和弯曲问题。

在光能量聚集和匹配要求之间还可以采用进一步的折衷方案。由于激光束的扩展，其横向容限可以大大放宽，这是以伴随的能量聚集损失为代价的。然而，由于使用了激光源（其最大功率仅受到安全条件的限制），并且传送的距离很短，能量聚集存在很大的设计余量，这就有可能为电路板的弯曲，连接器的轻微失调，或者连接器的不完全啮合留出余量。

在该光学构件的环境稳定性方面，自由空间光学互连技术对遮挡光束的粒子是敏感的。这些粒子可以造成暂时的影响，例如一个空气携带的粒子穿过光束造成信号的瞬时噪声，或者也可以造成更持久的影响，例如在粒子粘在镜片或透镜表面上的情况下。光学构件可以使用固体玻璃或塑料结构来构成大多数的光束传播路径。除了把光束限制在一定范围之内以防止尘埃的问题之外，这种光学构件还有一个附加的优点，就是这种光学构件具有机械稳定性，从而减少了匹配问题。塑料的使用还允许对元件进行浇注或模压，费用较低。然而，使用固体介质构成光学互连区域的缺点是，沿着导轨背面的通风道减少了。换句话说，最佳的自由空间被用做了光学介质，并且在电路卡和光学底板之间装了一个防止尘土侵入的弹性（橡胶）密封环。

在两个主要步骤中，该系统要求精细的机械设计。第一，为了在制造过程中的匹配，最初的系统必须是平直的。第二，系统在运输和使用时必须保持匹配。这一点对于匹配灵敏度极高的全息摄影系统尤其重要。

全息摄影技术中的另一个需要考虑的问题是关于元件在运输和使用期间所经受的温度和湿度范围。有些用于制造全息光学元件的高效材料，例如重铬酸盐明胶（DCG），对湿度有很高的灵敏度，要求有保护涂层。

为此，用一个透明薄片构成装有全息照相元件的上述第一表面，该透明薄片上可以安装上述第二反射表面，也可以与装有上述第二反射表面的另一个透明薄片固定在一起，构成一个整体的构件。把该构件牢固地安装在一个容纳印刷电路板的机壳上。把一个金属部件固定在每个印刷电路板靠近底板并装有发送器和接收器光学元件的一端，这些光学元件安装并精确定位在金属部件的孔中。容纳印刷电路板叠层的机壳上靠近底板处，装有基准表面，当每个印刷电路板在机壳中定位时，上述金属部件靠近该基准表面，以便在金属部件与全息图之间留出精确的间隔。此外，按照本发明的一个进一步的特征，该金属部件上装有一个或多个投影和锥形元件，例如一个尖钉，它用于光的匹配，把光信号记录在第一表面上的孔中。另一方面，第一表面上可以安装投影元件，把光信号记录在金属部件的孔中。在任何情况下，电路板上都装有“推进器部件”，用于引导和操纵电路板进入其记录和匹配位置。

在使用很高的比特率的情况下，重要的一点是要把各个光发送器，光接收器以及MUX/DEMUX芯片之间的电接口距离减至最小值。为了便于制作，最好使用由光纤构成的“光管”向印刷电路板上的一个更合适的位置传送光信号。

以下将参考附图描述本发明的一个最佳实施例，其中：

图1是按照本发明的用于互连一组电路板的光学底板的外形示意图;

图2是图1所示底板的一个互连图表;

图3是表示全息图形成方法的示意图;

图4是底板机械结构的一个更详细的示意图;以及

图5表示图4中固定在电路卡上，并装有光发送器和光接收器的部件的局部示意图。

参见图1，框架2构成容纳一组印刷电路卡4的机壳，每个卡的后端具有一个装有多个发送器8和接收器10的部件6。用一个框架部件14把一个光学底板12固定安装在框架2上，该光学底板包括一个装有多个全息照相元件18的表面16。该表面16是由卤化银感光板构成，该感光板对准并且固定在一个透明的固体聚合物板20上。一个后部反射器22直接放置在聚合物板20的背部。

全息图相对于发送器8和接收器10是这样布置的，即由一个第一全息图把来自一个发送器的光折射到一个预定的方向，再由反射板22反射到另一个全息元件上，从那里再折射给一个所需的接收器或者光检测器10，如图1所示。全息元件的布置使一束直线光束进入垂直于第一表面的一个第一全息图，并从所需的输出点垂直出射。用一个弹性的橡胶保护层24封住框架2与光学底板之间的空间，防止可能干扰激光束的灰尘侵入。

现参见图4，该图更详细地示出了图1中所表示的结构。此外，图5是部件6的一个局部视图。

每个印刷电路板4都装在顶部和底部导轨40，42内，以便使印刷电路板在框架2内便于放入和取出。导轨40和42在框架2的后端固定到一个直角的机壳44上，机壳44构成基准表面46。此外，机壳44伸出一个延长部分48，用于固定一个矩形框架部件50，该框架部件使板20定位。

每个印刷电路板4的前端有一个推进部件52用于把电路卡推入框架内，并且用于操纵电路卡，如下所述。电路卡的后端装有铝制的矩形部件6，它是用螺钉钉在电路板上的，并且含有成排的通孔56，这些孔中分别装设光检测器10和激光发送器8。这些检测器和激光发送器通过很短的电气引线62连接到MUX/DEMUX芯片64上。在另一种实施结构中，引线62可以由光纤代替，并且激光源和光检测器可以装在电路板上。

部件6的后端装有两个圆锥形尖钉部件70，它嵌入方框20中的记录孔72。在把电路板4插入导轨40和42时，用手握住推进部件52使电路板运动，当投影部件70嵌入孔72时，电路板4靠在基准表面46上停止移动。

图5表示与激光发送器8有关的光学元件，激光二极管70发射可见光线，由单平凸透镜72准直。透镜的焦距为1.47mm，并具有小于1%的30°分布范围。由于透镜之间的焦距误差很小，所以不必为每个透镜单独装设聚焦装置。在散热部件内的孔中有一个轴肩74，用于调整透镜的位置。由于激光的正常工作功率为眼睛安全限度的3倍，尽可能用一个限制孔76来减少激光输出的象散现象，孔76的设置是为了限制透镜前的大角度轴外光，从而形成较圆的对称输出光束，同时仍保证所需的大约1mw的功率。

感光板上的全息图18是用光学固化环氧树脂胶固定在一个固体聚合物板20上的，快速凝固使全息图对准并粘接在指定位置上。固定结构的优点是在使用中可以保持对准，并能阻止灰尘和其他有害粒子遮挡光束。此处使用一种聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物，它具有良好的机械特性，并且在670nm的工作波长附近具有最小的损耗。每个光束的路径长度是投影角的函数，在300mm和470mm之间变化。

板20是精密切削而成的，使其前面和背面平行，并且垂直于其他面。然后在两个面上进行最后的抛光处理。精密切削和抛光程序是用来使板内部形成的应力减至最小。

在抛光以后，把反射表面22直接装在板的背面上。该反射器采用高真空铝蒸汽镀膜工艺制成。由于板的背面已经过了切削和抛光处理，不需要对反射器的垂直做进一步的校正。用氦氖光对该表面进行了测试，反射率为75.6%。该表面在镀铝之前经过了严格的清洁处理，使聚合物具有良好的粘附力。然而仍需要有一个保护薄膜或垫片来防止由划伤或化学腐蚀造成的损害。

底板的全息图是用Agfa8E75HD卤化银感光板装配的。来自一个氦氖激光器（波长为633nm）的输出光分成两束准直平面波，这两束光从感光板的同一侧面入射到感光板上，从而在感光材料上形成干扰条纹（图3），明亮的条纹使释放自由银原子的卤化银曝光，使感光板显影，然后随着感光乳剂的吸收所产生的变化使干涉条纹定形。之后进行漂白处理使银原子还原成稳定的卤化银，从而形成所需的折射率变化。由于全息图是由来自感光板的同一侧的光束记录下来的，如果用一个穿过全息图发送的光束使全息图重现，该光束以一个角度θ转向。因为物体光束是垂直于感光板的，角度θ就是基准光束在空气中照亮感光板的入射角。全息图固定在一个聚合物部件上，并且需要根据斯涅耳折射定律对全息图/聚合物界面处的折射进行校正。

在所希望的第一级光束中的功率百分数随所需的转向角而变化。对这种类型的全息介质进行测试，得到的角度范围为35°至70°，角度的有效范围受到全息乳剂厚度以及用这种乳剂所能获得的最高空间频率的限制。此处使用的感光板的乳剂厚度约为5μm，这种厚度的感光板局部地表现为厚全息图，另一部分表现为薄全息图。因此，如果基准光束和物体记录光束两者都近似地垂直于板面（小转向角），由此所能“看见”的乳剂厚度很小，全息图表现为一个薄的光栅。在此情况下会产生多级光束，形成大量的无用光束，并使输出光束的功率减小。当偏转角较大时，全息材料所需要的空间频率增大，这是因为，使穿过的光束偏转的最大角度是由卤化银板的颗粒度决定的，而这一颗粒度是有限的。

可选择采用一种较厚的体积全息照相材料，例如重铬酸盐明胶，或一种感光聚合物，这将扩大可实现的角度范围。虽然这样做可以达到增大角度范围的目的，但是其他因素将会限制其最终的性能。

每个全息光学元件的特征是氦氖633nm波长。测量在零点处和第一级（直接穿过的光束和所需的偏转光束）的功率百分数。根据测量值计算出转换效率，第一级功率的比例作为所述输入功率的百分数。在角度范围的中间处可获得最高效率，角度增大时效率降低。在35.06°处的平均转换效率为40%或40dB。

Claims (13)

1、一种用于互连一组电路板的系统，其中有多个电路板，每个电路板上都有一个装有一个或多个光发送器或光接收器的端区，一个光学构件构成电路板的互连底板，其特征是上述光学构件包括一个装有大量全息照相元件的第一表面，用于从上述光发送器接收光束，并把上述光束发送到一个第二反射表面，上述光束从上述第二表面反射回上述全息照相元件，发送给上述光接收器。

2、按照权利要求1所述的系统，其特征是每个电路板都有一个固定在电路板后端的散热部件，并且在该散热部件内具有安装一或多个发送和/或接收元件的孔。

3、按照权利要求2所述的系统，其特征是上述部件具有两行孔，其中一行孔装有多个发送元件，以及另一行孔装有多个接收元件。

4、按照权利要求2或3所述的系统，其特征是每个发送元件包括一个可见激光二极管光源。

5、按照权利要求2至4中任何一项所述的系统，其特征是，每个发送元件紧靠在各个孔中的一个台肩上，并且贴着上述孔中的另一个台肩布置一个准直透镜。

6、按照权利要求2至5中任何一项所述的系统，其特征是上述发送和接收元件是通过短的电气引线连接到电路板上的MUX/DEMUX电路上的。

7、按照权利要求1所述的系统，其特征是包括匹配装置，用于在电路卡插入机箱时使电路卡插到相对于光学构件的预定位置，以便准确地发送上述光束。

8、按照权利要求7所述的系统，其特征是上述匹配装置包括一个基准表面，当插入上述电路板时，上述散热部件紧靠在该基准表面上，以便在上述部件与全息照相元件之间限定一个预定的间隔。

9、按照权利要求7或8所述的系统，其特征是每个电路卡和上述第一表面都包括协同操作的锥形定位部件和孔，当电路卡插入机箱时，锥形定位部件与孔互相啮合，以便把发送器和接收器固定在相对于全息照相元件的预定位置上。

10、按照权利要求9所述的系统，其特征是每个上述部件内装有一个或多个锥形尖钉部件，用于嵌入上述第一表面上的记录孔中。

11、按照权利要求9或10所述的系统，其特征是每个电路卡包括一个或多个可手动推动的推进器部件，用于把电路卡推入机箱并使上述协同操作部件和孔互相啮合。

12、按照权利要求1至11中任何一项所述的系统，其特征是上述第一表面包括一个感光板，该感光板固定在一个聚合物部件上，在该部件的背面上装有上述反射表面。

13、按照权利要求1至12中任何一项所述的系统，其特征是包括一个有弹性的保护层部件，该部件环绕电路板尾部与光学部件之间的自由空间。

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