CN1299450C - 用于插件和底板之间光波导的连接的装置和方法 - Google Patents

用于插件和底板之间光波导的连接的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种形成用于插件和底板之间的光波导连接的阶梯形结构安排的装置和方法。具有光波导和电导体嵌入的插件具有终止于一个阶梯形结构的边缘，并有光纤带从该边缘中伸出。一个引导结构与该边缘连接并包含沟道来引导和对准光纤带。具有嵌入的光波导和电导体的底板也具有终止于一个阶梯形结构的边缘，以一个引导结构连接于该边缘和锥形开口，这些开口接收和引导光纤带使其紧密靠近光波导，并形成插件和底板之间连接的波导的阶梯形结构安排。

Description

用于插件和底板之间光波导的连接的装置和方法
发明领域
一般地说，本发明涉及数据通信用的光接口，更具体地说，涉及具有改进的对准能力的光接口。
背景技术
光数据通信技术比有线(电线)技术有若干好处，如带宽、数据速率和响应特性都优于传统的有线技术。再有，光技术基本上不受伴随有线技术的射频干扰(RFI)和电磁干扰(EMI)问题的影响。所以在多种应用中希望采用光数据通信，如多芯片模块(MCM)、印刷电路板(PCB)技术以及集成底板。
在传统的光连接器中，电子电路、光源和光检测器通常安装在PCB上，而该PCB被收容在安装于设备框架上的插件导槽(card guide)中。安装在框架尾部的底板(背板，backplane)包括与插件导槽对准的板缘连接器和互连各板缘连接器的电连接器。电路板具有板缘电触点，当电路板可滑动地插入插件导槽时这些电触点被接受到板缘连接器中，以使电路与底板上的电导体实现电连接。这些电导体提供各电路板之间需要的电连接。
电路板还包括光连接器部件，它们与光源以及接收机和发射机的光检测器进行光耦合。装在板上的光连接器部件必须与装在框架上的光连接器部件装配在一起，以使光源和光检测器与终止于装在框架上的光连接器的光纤进行光连接。
在当前的板缘光连接器结构安排中，装在电路板上的光连接器被安装在电路板的前缘。这些前缘已经被板缘电触点挤满了。再有，在板缘光连接器结构安排中，装在框架上的光连接器部件被安装在底板上，该底板已经被电板缘连接器和电导体挤满了。在当前的系统中，光纤被松弛地挂在光纤捆或扎之间，这容易造成光纤的“鼠窝”(rat’s nest)。
发明内容
考虑到这些问题，本发明的一个目的是提供一种装置和方法把大量光纤与一个光底板连接并避免多重光纤到光纤连接和/或路由系统所伴随的“鼠窝”问题。
本发明的另一目的是提供一种改进的涉及90度转弯和可插连接的母板和子板(或底板)之间的光接口。
本发明的另一目的是提供利用波导和光纤的互连阵列。
在结合附图参考下文的描述之后，本发明的这些及其他目的将变得更加显然。
通过提供形成阶梯形结构安排的装置用于插件(card)和底板间光波导的连接，可以实现本发明的目的和优点，该装置包含：
具有第一光波导的插件，该第一光波导具有围绕高折射率核心(芯)区的低折射率区域；
嵌入该插件的电连接器，而且这里该插件具有终止于阶梯形结构安排中的第一边缘；
光纤带(optical fiber-ribbon)，具有围绕高折射率核心区的低折射率区域，并具有紧密靠近第一光波导的一端，该光纤带从第一边缘中伸出；
与第一边缘连接的第一引导结构，该第一引导结构包含通道引导和对准这些光纤带，并具有构成阶梯形结构安排的第一内侧边和带有倾斜的第一外侧边；
具有第二光波导的底板，该第二光波导具有围绕高折射率的核心区的低折射率区域；
嵌入该底板的附加电导体，而且该底板具有终止于第二阶梯形结构安排的第二边缘；以及
与第二边缘连接的第二引导结构，该第二引导结构具有构成阶梯形结构安排的第二内侧边和带有倾斜和锥形(削尖)开口的第二外侧，当第一引导结构的外侧边被带到与第二引导结构的外侧边接触时，这些开口接收并引导光纤带的第二端紧密靠近第二个光波导，从而形成在插件和底板之间被连接的波导的阶梯形结构安排。
光纤带可以具有D形截面，使得高折射率核心区紧密靠近D形截面的平坦边缘，而且该平坦边缘紧密靠近第一和第二光波导。这种紧密靠近对于有效的核心到核心耦合是必要的。这些光纤带可为多模高折射率聚合物光纤，其弯曲半径约1mm。
该装置还可以具有形成于第一或第二光波导的低折射率区域中，或者形成于波导或光纤带的核心区中的光栅结构，使得能够由光栅协助耦合。
本发明的另一目的是提供在插件和底板之间形成光波导连接的方法，该方法包含如下步骤：
提供具有第一光波导的插件，该第一光波导具有围绕高折射率核心区的低折射率区域；
在该插件中形成终止于第一阶梯形结构安排的第一边缘；
提供光纤带，这些光纤带具有围绕高折射率核心区的低折射率区域，并具有紧密靠近第一光波导的第一端，这些光纤带从第一边缘伸出；
将第一引导结构与第一边缘连接，该第一引导结构包含通道引导和对准这些光纤带，并具有构成阶梯形结构安排的第一内侧边和带有倾斜的第二外侧边；
提供具有第二光波导的底板，该第二光波导具有围绕高折射率核心区的低折射率区域；
形成终止于第二阶梯形结构安排的第二边缘；
将第二引导结构与第二边缘连接，该第二引导结构具有构成阶梯形结构安排的第二内侧边和带有倾斜和锥形开口的第二外侧边；
将光纤带的第二端插入锥形开口，这些开口接收和引导光纤带的第二端；以及
使第一引导结构的外侧边与第二引导结构的外侧边接触，从而使光纤带紧密靠近第二光波导并形成在插件和底板之间被连接的波导的阶梯形结构安排。
附图说明
在所附权利要求中具体提出了相信是新颖的本发明的特性和本发明的特征元素。附图只是为了说明的目的，而且不是按比例画的。然而，结合附图参考下文的详细说明可以最好地理解发明本身，诸如其组织结构和操作方法等，其中：
图1是该装置的立体图，显示阵列式正交互连系统。
图2a是未配合(未装配)的用于连接多层嵌入波导的结构安排示意图。
图2b是已配合(已装配)的用于连接多层嵌入波导的结构安排示意图。
图3a是用于光纤与波导对准的一种结构的剖面图。
图3b是用于光纤与波导对准的一种结构的剖面图。
图3c是用于光纤与波导对准的一种结构的顶视图，该结构包括在波导核心上物理地引导光纤核心(光纤芯)的漏斗。
图4是光纤核心与波导核心对准的剖面图。
图5a是用于光纤与波导对准的锥形结构的剖面图。
图5b是用于光纤与波导对准的锥形结构的剖面图。
图5c是用于光纤与波导对准的锥形结构的顶视图，该结构包括提供模式转换的能力。
图6是包括光栅结构的光耦合器的剖面图。
图7是包括光栅结构的光耦合器的顶视图。
具体实施方式
通过提供装置和方法使大量光纤连接到一个光底板，优选地，形成插件和底板之间光波导的正交连接，从而实现了本发明的目的。尽管下文的描述是针对一种正交连接，但本发明不限于正交连接。本发明能容易地配置成以任何希望的角度连接插件和底板。
参考图1，图中显示的本发明的第一实施例包含插件10和底板70之间多层嵌入波导的正交连接结构。这一实施例允许从板表面上的单个波导层扩展到嵌入板中的多层波导。在层叠结构或插件10和底板70中分别形成嵌入波导20、25的平行平面阵列。波导20、25由光纤带50实现从插件10到底板70的光耦合。如在其后的附图中更详细地看到的那样，光纤带50在退出插件10和进入底板70时，光纤带50形成90度弯曲。在下文的描述中，术语“光纤带”可以指单个光纤或光纤阵列。
在图1所示具体例子中，显示了一个具有4个平行的周期性间隔的波导20的阵列，它们是在插件10和底板70上的3层1、2、3中形成的，从而构成12路光连接系统。本领域技术人员将清楚看出，这一实施例可以容易地扩展为更复杂的在M层中形成的N个平行的有周期性间距的波导阵列，从而形成N×M路光连接系统。
参考图2A，图中显示在连接之前插件10和底板70的剖面图，其中有三层第一光波导20和二层第一电导体30嵌入板材料40中，在本例中是FR4。另一个实施例(未画出)将在插件或底板表面提供彼此邻接的光波导和电导体层。
插件10具有第一边缘45，它终止于第一阶梯形结构安排。如图中所示，这“阶梯形结构安排”是一系列台阶，它们由具有增加的垂直长度的光波导20和电导体30的相继层形成。这样的“阶梯”能机械地或化学地形成，或者可以作为板设计的一部分制造出来(即包括在板的布局之中)。
类似地，底板70具有第二边缘75，它终止于第二阶梯形结构安排，那里由具有增加的水平长度的光波导25和电导体35的相继层形成一系列台阶。
光纤带50的第一端53永久性地固定(附加)在第一光波导20上。为使因弯曲半径光泄漏造成的损失减至最小，有必要从弯曲半径在1mm量级的多模高折射率聚合物光纤中选择这些光纤段。Paradigm Optics的MMPOF5A提供了市场上可得到的例子。这一固定(附加)可使用已有的技术完成，如热熔接或折射率匹配的UV固化的环氧树脂。在固定过程中还能使用传统的主动对准技术以使耦合效率达到极大(active alignment，主动对准)。
第一引导结构60永久性固定于第一边缘45。引导结构60包含通道65去引导和对准光纤带50。第一引导结构60具有形成阶梯形结构安排的第一内侧边61以及有大约45度倾斜的第一外侧边62。在更一般的情况中，其倾斜可以大于或小于45度。
相应地准备底板70，但不是以光纤带50而是以第二连接器80固定于该阶梯。第二连接器80具有形成阶梯形结构安排的第二内侧边81和有大约45度倾斜的第二外侧边82。同样，在更一般的情况中，其倾斜可以大于或小于45度。
第二连接器80还可有漏斗形开口90，以便于在装配(配合)过程中插入和引导光纤带的第二端54。另一种作法是，突出的光纤带50能从第二连接器80延伸，从而使突出的光纤带50以及传统的尘埃和眼睛防护复合体都放在底板70上。除了这种可能的公(male)、母(female)交换外，其他如单层到多层等的变化也是可能的。
现在参考图2B，来自插件10的光纤带50相对于底板70中波导20的对准在三个阶段中完成。第一阶段(图中未画出)是插件10相对于底板70的粗略的机械引导。这一引导包括保持插件10在支架中的机械以及电连接(电源、接地等)。第二阶段利用母光连接器80中的漏斗90。这些漏斗90把光纤带50引导到很靠近光波导25。最后阶段(如图2B中所示并将参考其后的附图加以讨论)包括板上的引导结构，它是在板制造过程中确定的(例如在波导层中)，所以它被高精度地定位。
参考图3A，在本发明的另一方面，与被用来确定光波导20、25或，可替代地，电连接30、35的过程相同的过程被用于确定直接在底板70上的第三引导结构100。第三引导结构100有利于要与波导25耦合的光纤带50的精细对准。图3C是顶视图，显示第三引导结构100及光纤带50插入之前的光波导25。这一方法的好处在于第三引导结构100相对于光波导25的位置由制造光波导25的板制造过程的精度控制。
如图3A中所示，第二光波导25由围绕高折射率核心区26的低折射率区域27构成。类似地，参考图4，第一(插件)光波导20由围绕高折射率核心区21的低折射率区域22构成。光纤带50也由围绕高折射率核心区51的低折射率区域52构成。光纤的核心区51必须是可接近的并与核心区26紧密对准以优化光耦合。
再参考图3C，图中显示具有被制成漏斗形状的第三引导结构100的一个波导25在两个位置AA和BB的剖面。光纤带50从下方插入对准漏斗100。在一个优选实施例中，对准漏斗的构成材料与光波导的构成材料相同，从而实现所讨论的制造效率。
再参考图3A，在一个优选实施例中，光纤带50被制成“D形”几何形状，使得高折射率核心区51紧密靠近D形截面的平坦边缘，从而提供光纤带核心51和光波导核心26的紧密对准靠近。这种紧密对准靠近对于有效的核心到核心耦合是必要的。
粗略引导是由第二连接器80提供的。在一个优选实施例中，第二连接器80具有引导凹槽的形状。在这一例子中，粗略引导是由V形凹槽引导提供的，如前所述，它可以是连接器结构的一部分。需要适量的压力以得到好的耦合，所以施加机械力以将光纤带50压向光波导25。该机械力是在光纤带50就位之后经由连接器施加的。如果只用第二连接器引导凹槽80施加机械力，则可能造成波导损坏并产生最终阻碍良好耦合的刮削碎屑。
此外，聚合物可以被模制以行成“自对准”结构，关键点是聚合物核心能在从8um和更高的范围。现在参考图5A，图中显示一个优选实施例，其中第一和第二光波导20、25的高折射率核心区21、26被用于当把直径和折射率显著不同的光纤与波导核心耦合(例如聚合物核心到二氧化硅核心)时提供模式转换。参考5c，在这种情况下高折射率核心区21、26具有扩张成喇叭形的几何形状140以增强波导核心区21、26和光纤带核心区51之间的对准。
本发明中的光波导和光纤核心之间的光耦合的方法是通过紧密靠近或“衰减”模式传送(“evanescent”mode transfer)。这种传送依赖于光波导核心分离和临界“耦合长度”二者。如图2A和3A中所示，两个核心26、51需要被放置成紧密靠近和共线(co-linear)，以能有效地光耦合。共线约束是由第二引导结构80和第三引导结构100提供的。光纤带50的D形截面使两个核心能被紧密靠近。
在插件10上光纤带50与光波导20的结合是由任何一种固定技术实现的，如环氧树脂、熔接等。这是一种“永久性”连接。底板70和光纤带50之间的连接不是永久性连接，而是利用上述对准结构的可插接连接。
通过在耦合区内周期性折射率微扰提高两个不同波导之间紧密靠近或衰减光耦合的效率(参见：H.Nishihara，M.Haruna，T.Suhara的“光集成电路”，1989，McGraw-Hill光学和电光工程系列，第63页)。这一微扰是使用Bragg(布拉格)光栅结构产生的，该结构能通过沿特征耦合长度方向折射率的调制来实现。由光栅协助的耦合器的物理理论可在该参考文献(Nishihara)中找到。有各种可能的替代配置实现这一“光栅耦合器”。
参考图6，图中显示的优选实施例包含一个光栅结构150，它形成于第二光波导25之上。具体地说，该光栅结构150形成于围绕波导核心26的低折射率区域27之中。该光栅结构150的顶视图示于图7。这一光栅结构150是周期性折射率微扰。
在另一实施例(未画出)中，光栅结构150也可在波导核心26或光纤带核心51中形成，从而调制波导核心26或光纤带核心51的折射率。优选地，通过光刻定义或物理蚀刻光栅在低折射率区域27中形成光栅结构150。优选地，通过以干涉方式向波导或光纤核心写入折射率变化在波导核心26或光纤带核心51中形成光栅结构150，优选地，波导或光纤核心包含UV(紫外线)敏感材料，如掺入Ge的二氧化硅(silica)。
还可以以类似的结构安排形成这一光栅结构150以增强第一光波导20和光纤带50之间的耦合。在这一实施例中，该装置具有形成于第一光波导20的低折射率区域22的光栅结构150，以能构成由光栅协助的耦合。
对于考虑了这一说明的本领域技术人员而言，显然在这里具体描述的那些实施例之外可对本发明做各种修改而不脱离本发明的精神。因此，这些修改被认为是在所附权利要求唯一限定的本发明范围之内。

Claims (26)

1.一种提供插件和底板之间光波导连接的阶梯形结构安排的装置，包括：
具有第一光波导的插件，所述第一光波导具有围绕高折射率核心区的低折射率区域；
嵌入所述插件的第一电连接器，所述插件具有终止于第一阶梯形结构安排中的第一边缘；
光纤带，具有围绕高折射率核心区的低折射率区域并具有紧密靠近所述第一光波导的第一端，所述光纤带从所述第一边缘中伸出；
与所述第一边缘连接的第一引导结构，所述第一引导结构包含沟道来引导和对准所述光纤带并具有构成阶梯形结构安排的第一内侧边及具有倾斜的第一外侧边；
具有第二光波导的底板，所述第二光波导具有围绕高折射率的核心区的低折射率区域；
嵌入所述底板的第二电导体，所述底板具有终止于第二阶梯形结构安排的第二边缘；以及
与所述第二边缘连接的第二引导结构，所述第二引导结构具有构成阶梯形结构安排的第二内侧边及具有倾斜和锥形开口的第二外侧边，当第一引导结构的所述第一外侧边被带到与第二引导结构的所述第二外侧边接触时，这些锥形开口接收并引导所述光纤带的第二端紧密靠近所述第二光波导，从而形成在插件和底板之间被连接的波导的阶梯形结构安排。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤带具有D形截面，使得所述高折射率核心区紧密靠近所述D形截面的平坦边缘，而且所述平坦边缘紧密靠近所述第一和第二光波导。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤带是多模高折射率聚合物光纤，其弯曲半径约1mm。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述插件和所述底板进一步包含第三引导结构以提供所述光纤带与所述第一和第二光波导之间的精细对准。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第三引导结构是漏斗形的而且是与所述光波导同时制造的。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二引导结构具有V形凹槽几何形状。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤带通过环氧树脂固定于所述第一边缘。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤带通过熔接固定于所述第一边缘。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包含形成于所述第一和第二光波导的所述低折射率区域中的光栅结构，使得所述光栅结构紧密靠近所述光纤带的所述高折射率核心区。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包含形成于所述第一和第二光波导的所述高折射率核心区中的光栅结构，使得所述光栅结构紧密靠近所述光纤带的所述高折射率核心区。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包含形成于所述光纤带的所述高折射率核心区中的光栅结构，使得所述光栅结构紧密靠近所述第一和第二光波导。
12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，通过光刻定义和物理蚀刻所述光栅结构，将所述光栅结构形成于所述第一和第二光波导的所述低折射率区域。
13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，通过以干涉方式向所述第一和第二光波导的高折射率核心区写入折射率变化，将所述光栅结构形成于所述第一和第二光波导的所述高折射率核心区。
14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，通过以干涉方式向所述光纤带的高折射率核心区干涉地写入折射率变化，将所述光栅结构形成于所述光纤带的所述高折射率核心区。
15.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一和第二光波导核心区或光纤带核心区是由UV敏感材料构成的。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述UV敏感材料是掺杂Ge的二氧化硅。
17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二光波导的所述高折射率核心区具有扩张的几何形状以增强所述波导核心区和所述光纤带核心区之间的对准。
18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述插件和所述底板进一步包含所述第一和第二光波导的平行平面阵列。
19.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述插件和所述底板进一步包含多个嵌入的第一光波导层和多个嵌入的第二光波导层，而且相继的第一和第二光波导层具有递增的长度，以与所述第一和第二阶梯形结构安排配合。
20.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述插件和所述底板的连接是正交连接，而且所述第一外侧边和所述第二外侧边有大约45度的倾斜。
21.一种在插件和底板之间形成光波导连接的方法，包含如下步骤：
提供具有第一光波导的插件，所述第一光波导具有围绕高折射率核心区的低折射率区域；
在所述插件中形成终止于第一阶梯形结构安排的第一边缘；
提供光纤带，这些光纤带具有围绕高折射率核心区的低折射率区域，并具有紧密靠近所述第一光波导的第一端，所述光纤带从所述第一边缘伸出；
将第一引导结构与所述第一边缘连接，所述第一引导结构包含沟道来引导和对准所述光纤带，并具有构成阶梯形结构安排的第一内侧边及具有倾斜的第一外侧边；
提供具有第二光波导的底板，所述第二光波导具有围绕高折射率核心区的低折射率区域；
形成终止于第二阶梯形结构安排的第二边缘；
使第二引导结构与所述第二边缘连接，所述第二引导结构具有构成阶梯形结构安排的第二内侧及具有倾斜和锥形开口的第二外侧边；
将所述光纤带的第二端插入所述锥形开口，这些锥形开口接收和引导光纤带的所述第二端；以及
使第一引导结构的所述第一外侧边与第二引导结构的所述第二外侧边接触，从而使所述光纤带紧密靠近所述第二光波导并形成在插件和底板之间被连接的波导的阶梯形结构安排。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述光纤带具有D形截面，使得所述高折射率核心区紧密靠近所述D形截面的平坦边缘，而且所述平坦边缘紧密靠近所述第一和第二光波导，而且所述底板进一步包含引导结构来提供所述光纤带和所述第二光波导之间的对准。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，进一步包含如下步骤：
在所述第一和第二光波导的所述低折射率区域中形成光栅结构，使得所述光栅结构紧密靠近所述光纤带的所述高折射率核心区。
24.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，进一步包含如下步骤：
在所述第一和第二光波导的所述高折射率核心区中形成光栅结构，使得所述光栅结构紧密靠近所述光纤带的所述高折射率核心区。
25.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，进一步包含如下步骤：
在所述光纤带的所述高折射率核心区中形成光栅结构，使得所述光栅结构紧密靠近所述第一和第二光波导。
26.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述插件和所述底板的连接是正交连接，而且所述第一外侧边和所述第二外侧边具有大约45度的倾斜。
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