CN112327407B - 一种双层聚合物波导复合单板 - Google Patents

一种双层聚合物波导复合单板 Download PDF

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Abstract

一种双层聚合物波导复合单板，包括基板、聚合物波导层、上层电印制板；所述聚合物波导层设置在基板、上层电印制板之间，构成聚合物波导复合单板；所述上层电印制板上固定设置有若干垂直腔面发射激光器；所述聚合物波导复合单板侧边固定设置有若干多芯扩束透镜连接器定位座，多芯扩束透镜连接器定位座固定连接有多芯扩束透镜连接器；垂直腔面发射激光器发出的光信号经聚合物波导层直接耦合到多芯扩束透镜连接器，通过多芯扩束透镜连接器与多芯扩束透镜连接头对插耦合，实现了双层聚合物波导复合单板与背板的光耦合连接；本发明的双层聚合物波导复合单板具有占用空间小、工作可靠性高、保养及维修方便的优点。

Description

一种双层聚合物波导复合单板
技术领域
本发明涉及电印制板与背板光信号连接技术领域，具体涉及一种双层聚合物波导复合单板。
背景技术
目前电印制板和背板光信号的互连方式为：电印制板上焊接或表贴有将电信号转换为光信号的电光转换模块，电光转换模块上预留标准MT接口；电印制板边缘装有板间光纤连接器，电光转换模块通过MT光纤带缆连接至板间光纤连接器；相对应地，背板上装有与板间光纤连接器相配合的板间光纤连接器插座，通过板间光纤连接器与板间光纤连接器插座对插，实现电印制板上的光信号传递到背板上；以上这种电印制板和背板光信号的互连方式存在以下三个问题：一、光纤带缆及两端的MT连接件占用空间过大，对于空间要求较高的设备来说，实现困难；二、因光传输连接中间件过多，因此连接可靠性差，对于应用于振动环境的设备，其故障率偏高；三、因MT光纤带缆位于电印制板表面，当MT光纤带缆数量较多时，存在MT光纤带缆分布杂乱、需要捆扎固定的问题，同时MT光纤带缆遮盖了电印制板表面的电子元器件，因此不利于设备的使用保养及维修。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种双层聚合物波导复合单板，包括基板、聚合物波导层、上层电印制板；所述聚合物波导层设置在基板、上层电印制板之间，构成聚合物波导复合单板；所述上层电印制板上固定设置有若干垂直腔面发射激光器；所述聚合物波导复合单板侧边固定设置有若干多芯扩束透镜连接器定位座，多芯扩束透镜连接器定位座固定连接有多芯扩束透镜连接器；本发明的双层聚合物波导复合单板，其垂直腔面发射激光器发出的光信号经聚合物波导层直接耦合到多芯扩束透镜连接器，相比以往的电印制板和背板光信号的互连方式，具有以下三个优点：一、取消了光纤带缆及两端的MT连接件，节省了光纤带缆及两端的MT连接件所占用空间；二、极大减少了光传输连接中间件，因此连接可靠性好，当用于振动环境的设备时，具有较高的可靠性；三、因取消了光纤带缆及两端的MT连接件，电印制板表面非常干净、整齐，所有电子器件均可目视查看到，因此有利于设备的使用保养及维修。
为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种双层聚合物波导复合单板，包括基板、聚合物波导层、上层电印制板，所述基板为FR4板材；所述聚合物波导层设置在基板、上层电印制板之间，构成聚合物波导复合单板；所述上层电印制板上固定设置有若干垂直腔面发射激光器；所述聚合物波导复合单板侧边固定设置有若干多芯扩束透镜连接器定位座，多芯扩束透镜连接器定位座固定连接有多芯扩束透镜连接器。
进一步的，所述聚合物波导层设置有两层；每层聚合物波导层包括聚合物波导芯层、芯层下包层、芯层上包层；所述聚合物波导芯层设置在芯层下包层、芯层上包层之间，构成聚合物波导层；两层聚合物波导层之间设置有聚合物波导层隔离层；所述两层波导芯层的距离为500μm，与标准MT光连接器的尺寸一致，以方便配合使用兼容MT光连接器标准的光连接器。
进一步的，所述聚合物波导层隔离层为PP板，其采用涂胶粘合、压合工艺固定设置在下层聚合物波导层的芯层上包层、与上层聚合物波导层的芯层下包层之间；采用PP板作为聚合物波导层隔离层，具有加工工艺简单的优点，但采用PP板作为聚合物波导层隔离层时，为保证两层波导芯层的距离，在PP板涂胶粘合、压合在下层聚合物波导层的芯层上包层后，需在3D轮廓仪下测试PP固化层的实际厚度，并计算出第二层聚合物波导实际需要的下包层厚度，再进行第二层聚合物波导的制备；在采用PP板作为聚合物波导层隔离层时，上下两层波导芯层的聚合物波导的对位需通过加工设备的定位精度保证。
优选的，所述聚合物波导层隔离层为夹层结构，其包括两层聚合物波导芯层和夹在两层聚合物波导芯层的芯层下包层或芯层上包层，其固定设置在下层聚合物波导层的芯层上包层、与上层聚合物波导层的芯层下包层之间；聚合物波导层隔离层采用夹层结构时，实际为在基板、上层电印制板之间制备了多层聚合物波导层，其优点为通过一台多层聚合物波导层制备设备一次完成，因此上下两层波导芯层的聚合物波导的对位精度高；采用聚合物波导层隔离层采用夹层结构时，对于本发明的双层聚合物波导复合单板，上下两层波导芯层之间的波导芯层在工作时实际是未使用的，其仅仅用于保证上下两层波导芯层之间的距离；但实际上下两层波导芯层之间的波导芯层可以使用，用以构成更高密度的聚合物波导。
进一步的，所述聚合物波导芯层中设置有聚合物波导，其截面为矩形的多模聚合物波导，截面尺寸为50μm×50μm；所述两层聚合物波导芯层中聚合物波导设置有若干组，对于每组聚合物波导，在上层电印制板上对应设置有垂直腔面发射激光器阵列；每组聚合物波导包含若干条平行设置的聚合物波导，且上下两层聚合物波导的位置相对应；每组聚合物波导，其层间距为500μm，相邻两条聚合物波导间距为250μm，其符合标准MT光连接器的尺寸，以方便使用兼容MT光连接器标准的光连接器。
进一步的，所述聚合物波导上设置有球形凹面镜，球形凹面镜上镀有反光层，聚合物波导上设置的球形凹面镜是用于将垂直腔面发射激光器发出的光信号反射汇聚于聚合物波导内，以提高光信号耦合至聚合物波导的效率；对应球形凹面镜，上层电印制板上设有电印制板过光孔，过光孔用于通过垂直腔面发射激光器发出的光信号；所述垂直腔面发射激光器对应、固定设置在上层电印制板的电印制板过光孔处；所述垂直腔面发射激光器出光口处设置有微透镜，微透镜用于将垂直腔面发射激光器发出的光信号准直成平行光。
进一步的，所述双层聚合物波导复合单板在垂直于聚合物波导的侧边设有多芯扩束透镜连接器定位槽，多芯扩束透镜连接器定位槽的槽底设有多芯扩束透镜连接器定位孔，为保证多芯扩束透镜连接器定位孔的位置准确性，在波导芯层制备时，设置与定位孔相同位置及尺寸的mark点作为工艺基准点，该mark点与波导光路设计一起作为掩膜板，保证mark点位置的精确性；在波导制备完成后，采用激光打孔的方式加工出多芯扩束透镜连接器定位孔；所述多芯扩束透镜连接器定位座下部两端设置有定位柱，多芯扩束透镜连接器定位座通过定位柱与多芯扩束透镜连接器定位孔配合，定位设置在聚合物波导复合单板靠近侧边处；在定位设置多芯扩束透镜连接器定位座时，首先将多芯扩束透镜连接器定位座与多芯扩束透镜连接器固定好，在上层电印制板的每组电印制板过光孔处、与多芯扩束透镜连接器之间设置连接多通道插损测试仪，采用850nm波长光源，然后缓慢移动多芯扩束透镜连接器定位座的定位柱在定位孔的位置，待24路链路损耗均为最小时，此刻位置为最佳耦合封装位置，随即将UV胶注入定位座点胶孔中，保证填充的UV胶容量不超过多芯扩束透镜连接器定位座上表面，最后用紫外固化灯进行UV固化，固定多芯扩束透镜连接器定位座在双层聚合物波导复合单板上的位置。
进一步的，所述多芯扩束透镜连接器定位座外侧面上固定设置有导销，其顶面设有导销点胶孔、定位座点胶孔；其中导销点胶孔用于注入UV胶以固定导销；其中定位座点胶孔用于注入UV胶，以固定多芯扩束透镜连接器定位座与双层聚合物波导复合单板之间的相对位置。
进一步的，所述多芯扩束透镜连接器为板状，其板面两侧设有导销孔，其板面中间阵列设置有扩束透镜，扩束透镜用于将波导端面输出的光信号准直为平行光；所述多芯扩束透镜连接器通过导销孔与导销配合，与多芯扩束透镜连接器定位座固定连接；当多芯扩束透镜连接器通过多芯扩束透镜连接器定位座与双层聚合物波导复合单板固定连接后，多芯扩束透镜连接器实际对双层聚合物波导复合单板在端部裸露的波导起到了保护作用，防止裸露的波导受到空气中灰尘的污染；同时增加多芯扩束透镜连接器后，避免了以往标准MTMT光连接器的光传输件直接与波导端面物理接触，解决了标准MTMT光连接器经多次插拔所导致的波导端面局部损伤问题，从而延长了双层聚合物波导复合单板的使用寿命；另外多芯扩束透镜连接器的扩束透镜采用硬度极高的材料制成，如果扩束透镜发生污染，可采用气枪吹拭或不掉屑的KIM布擦拭，而不影响扩束透镜的正常使用，因此具有极高的使用寿命；双层聚合物波导复合单板与背板之间光信号的传输，是通过多芯扩束透镜连接器与多芯扩束透镜连接头的配合来完成；多芯扩束透镜连接头上也设置有扩束透镜，扩束透镜后端连接有光纤，双层聚合物波导复合单板对外输出光信号时，多芯扩束透镜连接器的扩束透镜将波导端面输出的光信号准直为平行光，平行光隔空传输至多芯扩束透镜连接头上的扩束透镜后，经扩束透镜汇聚后进入扩束透镜后端连接的光纤，从而完成双层聚合物波导复合单板与背板之间光信号的传输；采用多芯扩束透镜连接器与多芯扩束透镜连接头实现光信号传输，通过扩束准直过程来消除多芯扩束透镜连接器与多芯扩束透镜连接头之间的连接对位误差，同时通过隔空传输避免了多芯扩束透镜连接器与多芯扩束透镜连接头之间的扩束透镜的物理接触，防止扩束透镜发生接触磨损，因此极大延长了多芯扩束透镜连接器与多芯扩束透镜连接头之间的插拔连接寿命，从而延长了双层聚合物波导复合单板的使用寿命。
进一步的，所述聚合物波导层设置有两层以上，即本发明的双层聚合物波导复合单板结构同样适用于三层、四层及多层聚合物波导复合单板结构。
同样的，本发明的双层聚合物波导复合单板结构同样适用于采用单模聚合物波导的复合单板结构。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明公开的一种双层聚合物波导复合单板，包括基板、聚合物波导层、上层电印制板；所述聚合物波导层设置在基板、上层电印制板之间，构成聚合物波导复合单板；所述上层电印制板上固定设置有若干垂直腔面发射激光器；所述聚合物波导复合单板侧边固定设置有若干多芯扩束透镜连接器定位座，多芯扩束透镜连接器定位座固定连接有多芯扩束透镜连接器；本发明的双层聚合物波导复合单板，其垂直腔面发射激光器发出的光信号经聚合物波导层直接耦合到多芯扩束透镜连接器，相比以往的电印制板和背板光信号的互连方式，具有以下三个优点：
一、取消了光纤带缆及两端的MT连接件，节省了光纤带缆及两端的MT连接件所占用空间；二、极大减少了光传输连接中间件，因此连接可靠性好，当用于振动环境的设备时，具有较高的可靠性；三、因取消了光纤带缆及两端的MT连接件，电印制板表面非常干净、整齐，所有电子器件均可目视查看到，因此有利于设备的使用保养及维修。
附图说明
图1为双层聚合物波导复合单板外观示意图；
图2为隔离层为PP板的双层聚合物波导复合单板剖面示意图；
图3为隔离层为夹层结构的双层聚合物波导复合单板剖面示意图；
图4为垂直腔面发射激光器与聚合物波导耦合结构示意图；
图5为双层聚合物波导复合单板与多芯扩束透镜连接器连接结构示意图；
图6为双层聚合物波导复合单板与背板光信号耦合示意图。
图中：1、基板；2、聚合物波导层；2.1、聚合物波导芯层；2.1.1、聚合物波导；2.1.1.1、球形凹面镜；2.2、芯层下包层；2.3、芯层上包层；2.4、聚合物波导层隔离层；3、上层电印制板；3.1、电印制板过光孔；4、垂直腔面发射激光器；4.1、微透镜；5、多芯扩束透镜连接器定位座；5.1、定位柱；5.2、导销；5.2.1、导销点胶孔；5.3、定位座点胶孔；6、多芯扩束透镜连接器；6.1、导销孔；6.2、扩束透镜；7、多芯扩束透镜连接器定位槽；7.1、多芯扩束透镜连接器定位孔；8、多芯扩束透镜连接头。
具体实施方式
通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。
实施例一：
一种双层聚合物波导复合单板，包括基板1、聚合物波导层2、上层电印制板3；所述聚合物波导层2设置在基板1、上层电印制板3之间，构成聚合物波导复合单板；所述基板1、上层电印制板3上固定设置有若干垂直腔面发射激光器4；所述聚合物波导复合单板侧边固定设置有若干多芯扩束透镜连接器定位座5，多芯扩束透镜连接器定位座5固定连接有多芯扩束透镜连接器6；
所述聚合物波导层2设置有两层；每层聚合物波导层2包括聚合物波导芯层2.1、芯层下包层2.2、芯层上包层2.3；所述聚合物波导芯层2.1设置在芯层下包层2.2、芯层上包层2.3之间，构成聚合物波导层2；两层聚合物波导层2之间设置有聚合物波导层隔离层2.4；
所述聚合物波导层隔离层2.4为夹层结构，其包括两层聚合物波导芯层2.1和夹在两层聚合物波导芯层2.1的芯层下包层2.2或芯层上包层2.3，其固定设置在下层聚合物波导层2的芯层上包层2.3、与上层聚合物波导层2的芯层下包层2.2之间；
所述聚合物波导芯层2.1中设置有聚合物波导2.1.1，其截面为矩形的多模聚合物波导，截面尺寸为50μm×50μm；所述两层聚合物波导芯层2.1中聚合物波导2.1.1设置有四组，每组聚合物波导2.1.1包含二十四条平行设置的聚合物波导2.1.1，二十四条聚合物波导2.1.1分上下两层，每层十二条，且上下两层聚合物波导2.1.1的位置相对应；每组聚合物波导2.1.1，其层间距为500μm，相邻两条聚合物波导2.1.1间距为250μm，符合MT光连接器标准；
所述聚合物波导2.1.1上设置有球形凹面镜2.1.1.1，球形凹面镜2.1.1.1上镀有反光层，球形凹面镜2.1.1.1将光信号汇聚于球形凹面镜2.1.1.1所对应的聚合物波导2.1.1内；对应球形凹面镜2.1.1.1，基板1或上层电印制板3上设有电印制板过光孔3.1；所述垂直腔面发射激光器4对应、固定设置在基板1或上层电印制板3的电印制板过光孔3.1处；所述垂直腔面发射激光器4出光口处设置有微透镜4.1；
所述双层聚合物波导复合单板在垂直于聚合物波导2.1.1侧边设有多芯扩束透镜连接器定位槽7，多芯扩束透镜连接器定位槽7的槽底设有多芯扩束透镜连接器定位孔7.1；所述多芯扩束透镜连接器定位座5下部两端设置有定位柱5.1；所述多芯扩束透镜连接器定位座5通过定位柱5.1与多芯扩束透镜连接器定位孔7.1配合，定位设置在聚合物波导复合单板靠近侧边处；
所述多芯扩束透镜连接器定位座5外侧面上固定设置有导销5.2，其顶面设有导销点胶孔5.2.1、定位座点胶孔5.3；
所述多芯扩束透镜连接器6为板状，其板面两侧设有导销孔6.1，其板面中间阵列设置有扩束透镜6.2；所述多芯扩束透镜连接器6通过导销孔6.1与导销5.2配合，与多芯扩束透镜连接器定位座5固定连接。
实施例二：
一种双层聚合物波导复合单板，包括基板1、聚合物波导层2、上层电印制板3；所述聚合物波导层2设置在基板1、上层电印制板3之间，构成聚合物波导复合单板；所述基板1、上层电印制板3上固定设置有若干垂直腔面发射激光器4；所述聚合物波导复合单板侧边固定设置有若干多芯扩束透镜连接器定位座5，多芯扩束透镜连接器定位座5固定连接有多芯扩束透镜连接器6；
所述聚合物波导层2设置有两层；每层聚合物波导层2包括聚合物波导芯层2.1、芯层下包层2.2、芯层上包层2.3；所述聚合物波导芯层2.1设置在芯层下包层2.2、芯层上包层2.3之间，构成聚合物波导层2；两层聚合物波导层2之间设置有聚合物波导层隔离层2.4；
所述聚合物波导层隔离层2.4为PP板，其固定设置在下层聚合物波导层2的芯层上包层2.3、与上层聚合物波导层2的芯层下包层2.2之间；
所述聚合物波导芯层2.1中设置有聚合物波导2.1.1，其截面为矩形的多模聚合物波导，截面尺寸为50μm×50μm；所述两层聚合物波导芯层2.1中聚合物波导2.1.1设置有四组，每组聚合物波导2.1.1包含四十八条平行设置的聚合物波导2.1.1，四十八条聚合物波导2.1.1分上下两层，每层二十四条，且上下两层聚合物波导2.1.1的位置相对应且上下两层聚合物波导2.1.1的位置相对应；每组聚合物波导2.1.1，其层间距为500μm，相邻两条聚合物波导2.1.1间距为250μm，符合MT光连接器标准；
所述聚合物波导2.1.1上设置有球形凹面镜2.1.1.1，球形凹面镜2.1.1.1上镀有反光层，球形凹面镜2.1.1.1将光信号汇聚于球形凹面镜2.1.1.1所对应的聚合物波导2.1.1内；对应球形凹面镜2.1.1.1，基板1或上层电印制板3上设有电印制板过光孔3.1；所述垂直腔面发射激光器4对应、固定设置在基板1或上层电印制板3的电印制板过光孔3.1处；所述垂直腔面发射激光器4出光口处设置有微透镜4.1；
所述双层聚合物波导复合单板在垂直于聚合物波导2.1.1侧边设有多芯扩束透镜连接器定位槽7，多芯扩束透镜连接器定位槽7的槽底设有多芯扩束透镜连接器定位孔7.1；所述多芯扩束透镜连接器定位座5下部两端设置有定位柱5.1；所述多芯扩束透镜连接器定位座5通过定位柱5.1与多芯扩束透镜连接器定位孔7.1配合，定位设置在聚合物波导复合单板靠近侧边处；
所述多芯扩束透镜连接器定位座5外侧面上固定设置有导销5.2，其顶面设有导销点胶孔5.2.1、定位座点胶孔5.3；
所述多芯扩束透镜连接器6为板状，其板面两侧设有导销孔6.1，其板面中间阵列设置有扩束透镜6.2；所述多芯扩束透镜连接器6通过导销孔6.1与导销5.2配合，与多芯扩束透镜连接器定位座5的固定连接。
最后补充说明，本发明专利双层聚合物波导复合单板的结构，同样适用于单层或两层以上聚合物波导层2的复合单板的结构，用于其他如四十八路、九十六路高密度光信号的传输；同样的，本发明专利双层聚合物波导复合单板的结构也同样适用于采用单模聚合物波导的复合单板结构。
本发明未详述部分为现有技术。

Claims (9)

1.一种双层聚合物波导复合单板，其特征是：包括基板(1)、聚合物波导层(2)、上层电印制板(3)；所述聚合物波导层(2)设置在基板(1)、上层电印制板(3)之间，构成聚合物波导复合单板；所述上层电印制板(3)上固定设置有若干垂直腔面发射激光器(4)；所述聚合物波导复合单板侧边固定设置有若干多芯扩束透镜连接器定位座(5)，多芯扩束透镜连接器定位座(5)固定连接有多芯扩束透镜连接器(6)；所述聚合物波导层(2)设置有两层；每层聚合物波导层(2)包括聚合物波导芯层(2.1)、芯层下包层(2.2)、芯层上包层(2.3)；所述聚合物波导芯层(2.1)设置在芯层下包层(2.2)、芯层上包层(2.3)之间，构成聚合物波导层(2)；两层聚合物波导层(2)之间设置有聚合物波导层隔离层(2.4)。
2.根据权利要求1所述双层聚合物波导复合单板，其特征是：所述聚合物波导层隔离层(2.4)为PP板，其固定设置在下层聚合物波导层(2)的芯层上包层(2.3)、与上层聚合物波导层(2)的芯层下包层(2.2)之间。
3.根据权利要求1所述双层聚合物波导复合单板，其特征是：所述聚合物波导层隔离层(2.4)为夹层结构，其包括两层聚合物波导芯层(2.1)和夹在两层聚合物波导芯层(2.1)的芯层下包层(2.2)或芯层上包层(2.3)，聚合物波导层隔离层(2.4)固定设置在下层聚合物波导层(2)的芯层上包层(2.3)、与上层聚合物波导层(2)的芯层下包层(2.2)之间。
4.根据权利要求1所述双层聚合物波导复合单板，其特征是：所述聚合物波导芯层(2.1)中设置有聚合物波导(2.1.1)，其截面为矩形的聚合物波导；所述两层聚合物波导芯层(2.1)中聚合物波导(2.1.1)设置有若干组，每组聚合物波导(2.1.1)包含若干条平行设置的聚合物波导(2.1.1)，且上下两层聚合物波导(2.1.1)的位置相对应；每组聚合物波导(2.1.1)，其层间距及相邻两条聚合物波导(2.1.1)间距符合MT光连接器标准。
5.根据权利要求4所述双层聚合物波导复合单板，其特征是：所述聚合物波导(2.1.1)上设置有球形凹面镜(2.1.1.1)，球形凹面镜(2.1.1.1)上镀有反光层，球形凹面镜(2.1.1.1)将入射光信号汇聚于球形凹面镜(2.1.1.1)所对应的聚合物波导(2.1.1)内；对应球形凹面镜(2.1.1.1)，上层电印制板(3)上设有电印制板过光孔(3.1)；所述垂直腔面发射激光器(4)对应、固定设置在上层电印制板(3)的电印制板过光孔(3.1)处；所述垂直腔面发射激光器(4)出光口处设置有微透镜(4.1)。
6.根据权利要求4所述双层聚合物波导复合单板，其特征是：所述双层聚合物波导复合单板在垂直于聚合物波导(2.1.1)的侧边设有多芯扩束透镜连接器定位槽(7)，多芯扩束透镜连接器定位槽(7)的槽底设有多芯扩束透镜连接器定位孔(7.1)；所述多芯扩束透镜连接器定位座(5)下部两端设置有定位柱(5.1)；所述多芯扩束透镜连接器定位座(5)通过定位柱(5.1)与多芯扩束透镜连接器定位孔(7.1)配合，定位设置在聚合物波导复合单板靠近侧边处。
7.根据权利要求1所述双层聚合物波导复合单板，其特征是：所述多芯扩束透镜连接器定位座(5)外侧面上固定设置有导销(5.2)，其顶面设有导销点胶孔(5.2.1)、定位座点胶孔(5.3)。
8.根据权利要求7所述双层聚合物波导复合单板，其特征是：所述多芯扩束透镜连接器(6)为板状，其板面两侧设有导销孔(6.1)，其板面中间阵列设置有扩束透镜(6.2)；所述多芯扩束透镜连接器(6)通过导销孔(6.1)与导销(5.2)配合，与多芯扩束透镜连接器定位座(5)固定连接。
9.根据权利要求1所述双层聚合物波导复合单板，其特征是：所述聚合物波导层(2)设置有两层以上。
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