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Die
Erfindung betrifft Führungselemente
für die
Kopplung von Lichtleitern einer optischen Lage.
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Für zukünftige Informations-
und Kommunikationsgeräte
sind Leiterplatten vorgesehen, die neben elektrischen auch optische
Leiter enthalten. Der Artikel "New
Technology for Electrical/Optical Systems on Module and Board Level:
The EOCB Approach" von
D. Krabe, F. Ebling, N. Arndt-Staufenbiel, G. Lang und W. Scheel,
Proc. 50th Electronic Components & Technology
Conference 2000, pp. 970-4 (ISBN 0-7803-5908-9), gibt einen Überblick hierüber.
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Eine
zentrale Aufgabe in dieser Technologie ist die Kopplung der optischen
Sender und Empfänger
von Bauelementen mit den optischen Leitern, die durch die kleinen
Abmessungen der optischen Fasern eine Genauigkeit der Positionierung
erfordert, die mit den herkömmlichen
Bestückungsautomaten nicht
geleistet werden kann. Insbesondere entfällt bei optischen Verbindungen
die bei der Löttechnik
der elektrischen Verbindungen durch die Oberflächenspannung des Lots bewirkte
Korrektur von Positionierungsfehlern.
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In
der Offenlegungsschrift
DE 19917554 ist eine
Lösung
beschrieben, bei der parallel zu der Oberfläche Hohlkörper eingelassen sind, die
die Position optischer Koppler bestimmen, an denen Führungsstifte
angebracht sind. Die optischen Koppler bewirkten eine Umsetzung
in elektrische Signale oder lenken das Licht zu einem auf der Oberfläche befindlichen
Umsetzer um. Das Einbetten der Hohlkörper und das spätere Ausfräsen sind
jedoch immer noch relativ aufwendig.
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In
der noch unveröffentlich
DE-Patentananmeldung 101327943 A1 wird vorgeschlagen, nahe den Enden
der optischen Wellenleiter mechanische Führungskonturen vorzusehen,
die in die optische Lage integriert sind. Hierbei werden für die optischen Leiter
in eine Trägerfolie
Gräben
geprägt,
an den um 45º geneigten
Enden verspiegelt und mit einem optisch dichteren Material aufgefüllt.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen alternativen Herstellungsprozeß für die optischen
Wellenleiter, bei dem die Wellenleiter geprägt werden. Dieser Vorgang ist
beispielsweise in dem Artikel von S. Lehmacher und A. Neyer, "Integration of polymer
optical waveguides into printed circuit boards", Electronic Letters Vol. 36 No. 17,
vom 8. Juni 2000 beschrieben.
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Die
Herstellung einer optischen Lage mit Führungselementen für Koppler
gemäß der Erfindung
erfolgt folgendermaßen:
In 1 wird
eine Prägeform 10 im
Querschnitt gezeigt, in der Vertiefungen 12a und 13a sowie
weitere, wie angedeutet, ausgeformt sind. Die Vertiefungen 13a sind
Kanäle
mit rechteckigem oder trapezförmigem
Querschnitt, einer Kantenlänge
von 100 μm
in Querschnitt und einer Länge
von mehreren Zentimetern. Die Vertiefung 12a ist, wie in 1a in
Aufsicht gezeigt, bevorzugt ein ringförmiger Graben größerer Tiefe,
beispielsweise 300 μm.
Für die
Verwendung von MT-Führungsstiften
ist der Innenradius 700 μm; aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
ist in den Figuren dieses Gebilde höher als breit anstatt umgekehrt
dargestellt.
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Auf
diese Prägeform 10 wird
eine Kernpolymerfolie 14 aus transparentem Material wie
Polycarbonat gelegt und sodann mit einem heissen Stempel 16 in
Richtung des Pfeils A in die Vertiefungen gedrückt. Bei entsprechendem Druck
und einer Temperatur, die höher
als der Glaspunkt der Kernpolymerfolie 14 ist, kann erreicht
werden, daß die
Kanäle 12a und 13a voll gefüllt werden,
aber zwischen Prägeform 10 und
Stempel 16 kein Material verbleibt. Gegebenenfalls müssen ausreichend
Hilfskanäle
ohne Funktion vorgesehen werden, um bei großen Flächen die Masse der Folie aufzunehmen.
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Das
Ergebnis ist in 2 gezeigt. In den Vertiefungen
der Form befinden sich nunmehr transparente Gebilde 22a, 23a aus
dem Material der Kernpolymerfolie 14. Der Überschuss 24 ist
am Rand gezeigt und wird entfernt. Der Stempel 16 wird,
nach einer passend gewählten
Abkühlzeit,
wieder in Richtung des Pfeils B abgehoben.
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Nunmehr
wird, wie in 3 gezeigt, eine Trägerfolie 30 aufgelegt
und durch denselben oder einen anderen Stempel 16 aufgedrückt. Hierbei
sind Druck und Temperatur so zu bemessen, daß das in den Vertiefungen 22a, 23a sich
befindende transparente Material an der Trägerfolie haftet, diese jedoch im
wesentlichen unverändert
bleibt. Die Trägerfolie 30 ist
gleichfalls im benutzten Wellenlängenbereich transparent
und hat, damit sich optische Wellenleiter bilden, einen kleineren
Brechungsindex als das Material der Kernpolymerfolie 14,
das sich nunmehr in den Gräben
der Prägeform 10 befindet.
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Trennt
man nunmehr die Prägeform 10 und den
Stempel 16, so kann die Trägerfolie 30 von der Prägeform 10 bzw.
die Prägeform 10 von
der Trägerfolie 30 abgehoben
werden, wobei die zukünftigen Wellenleiter 23a sowie
die zukünftigen
Führungselemente 22a aus
der Prägeform
gehoben werden, da sie an der Trägerfolie 30 haften.
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In
der Regel werden nunmehr die um 45º abgeschrägten Enden 54 der
Lichtleiter verspiegelt, die damit durch die Trägerfolie 30 senkrecht
hindurch ausgekoppelt werden, wie in 4 durch
den Pfeil C angedeutet ist. In 4 ist die
Kombination von Trägerfolie 30 und
zukünftigen
Wellenleitern umgedreht, so daß die
Trägerfolie 30 nunmehr
nach unten zeigt.
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Daraufhin
wird eine Deckschicht 40a, 40b, 40c aufgebracht,
so daß die
in 4 gezeigte Anordnung entsteht. Die optische Dichte
dieser Deckschicht ist im wesentlichen dieselbe wie die der Trägerfolie.
Bevorzugt wird dabei die Deckschicht aufgegossen, wobei in 4 nicht
gezeigte Ränder
ein Wegfließen
nach außen
verhindern. Die Führungselemente 23a sind
als Hohlzylinder ausgebildet, die höher sind als die Wellenleiter 23a.
Die Deckschicht fließt
daher zwar über
die Wellenleiter, so daß diese vollständig von
einem optisch weniger dichten Material umgeben sind, jedoch nicht
in das Innere der Führungselemente 22a;
durch deren größere Höhe bleibt
das Innere derselben frei.
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Alternativ
dazu, die Deckschicht 40 aufzugießen, kann diese auch als Folie
aufgelegt und dann heiß aufgepreßt werden,
so daß die
Lichtleiter 23a eingeschlossen werden. Die dafür notwendige
Temperatur hängt
von den Glaspunkt-Temperaturen von Deckschicht 40a, 40b, 40c und
Wellenleiter 23a sowie weiteren Prozessparametern ab und
ist in bekannter Art experimentell derart zu ermitteln, daß die entstehenden
Wellenleiter minimale Dämpfung
und Dispersion haben. In diesem Fall ist es zweckmäßig, in
der Folie eine Aussparung 42 um die Führungselemente 22b vorzusehen.
Dann können,
wie in 4 angedeutet, die Führungselemente in der Gesamtdicke
der fertigen Deckschicht 40c ausgeführt werden.
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Anstatt
wie in 3 die Trägerschicht 30 als Folie
aufzudrücken,
kann diese auch aus dem gleichen Material wie die Deckschicht auf
die in der Prägeform
befindlichen Wellenleiter 23a und Führungselemente 22a aufgegossen
werden.
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In
einem weiteren Schritt werden nunmehr Bohrungen an den Positionen
der Führungselemente 22a durchgeführt, damit
die von den Führungselementen 22a gebildeten
Kanäle
durch die Trägerschicht 30 hindurchgehen
und von der Seite der Abstrahlung zugängliche Führungslöcher 22 entstehen. Die
Innenwandungen der Führungselemente 22a dienen
dabei als Zentrierhilfe für den
Bohrer. Bevorzugt entspricht der innere Durchmesser der Führungselemente 22a dem
Durchmesser des Bohrers; es ist jedoch auch möglich, daß der Bohrer den Querschnitt
des entstehenden Führungslochs
vergrößert. Für die bevorzugt
verwendeten MT-Stifte beträgt
der Durchmesser der fertigen Bohrung 0,7 mm. Die Führungselemente 22a bleiben
bevorzugt erhalten, um ein durchgehendes Führungsloch 22 zu erhalten.
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Nachdem
die Führungslöcher 22 in
der optischen Lage fertiggestellt sind, kann diese nach bekannten
Verfahren in eine Leiterplatte eingebracht werden. Das Ergebnis
ist in 5 gezeigt. Die optische Lage ist auf eine untere
Leiterplatten-Lage 50 aufgebracht
und wird durch eine obere Leiterplatten-Lage 51a, 51b bedeckt.
Durch eine als Freistellung bezeichnete Lücke 52 in der Oberseite
ist die optische Lage an den verspiegelten Enden 54 der
optischen Wellenleiter zugänglich.
Die Freistellung 52 ist so groß, daß auch die Führungslöcher, die
lediglich durch ihre Wandungen 22a angedeutet sind, zugänglich sind.
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In 6 ist
ein Blick von oben in die Freistellung 52 gezeigt, bei
dem die Wellenleiter 23a der Deutlichkeit halber mit übertrieben
starkem trapezförmigem
Querschnitt, der dem besseren Auslösen aus der Prägeform 10 dient,
dargestellt sind.
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Der
Anschluß an
die optischen Leiter erfolgt nunmehr durch Koppler, die von oben
eingesetzt werden. 7 zeigt schematisch den in die
Freistellung 52 einzusetzenden Teil eines möglichen
Kopplers 70. An der Unterseite 74 befinden sich
in Einsetzrichtung Führungsstifte 71,
wobei die aus der Kopplung optischer Leiter bereits bekannten MT-Stifte
von 0,7 mm Durchmesser verwendet werden. Zwischen diesen enden Lichtleiter 72.
Das eine Ende der Lichtleiter endet an der Oberfläche der
Unterseite 74, das andere in Sende- bzw. Empfangswandlern 73.
Diese sind dann (nicht gezeigt) über
elektrische Verbindungen mit Verstärkerschaltungen und elektrischen
Kontakten verbunden, die in Regel als Lötkontakte ausgebildet sind.
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Die
Führungsstifte 71 der
Koppler haben denselben Abstand wie die Führungslöcher 22 in den Führungselementen 22a in
der optischen Lage. Normalerweise liegen sowohl die Enden der optischen Leiter
in der optischen Lage als auch die Enden der optischen Leiter in
dem Koppler symmetrisch auf der Verbindungslinie der Führungselemente 22a bzw. Führungsstifte 71 und
haben in der optischen Lage wie auch dem Koppler den gleichen Abstand.
Dieses wird beispielsweise dadurch erreicht, daß in einem Formteil Gräben für sowohl
die optischen Leiter als auch die Führungsstifte vorgesehen sind.
Nach dem Einlegen der optischen Leiter wird ein zweites, meist gleiches,
Formteil aufgelegt und so dieser Teil des Kopplers – meist
durch Verkleben – geschlossen.
Danach wird die Fläche,
in der die optischen Leiter austreten, poliert, um die Übergangsverluste
zu vermindern. Anschließend
werden die Führungsstifte
in die durch die Gräben
bewirkten Löcher
eingesetzt.
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Die
Härte der
optischen Lage, die beispielsweise aus Polycarbonat besteht, reicht
aus, um die Führungsstifte
auf den Bruchteil eines Durchmessers eines Lichtleiters genau zu
positionieren. Die Oberfläche
der Unterseite 71 der Koppler liegt auf der Deckfolie der
optischen Lage bündig
auf. Das Licht von bzw. zum Koppler tritt durch diese Decklage hindurch.
Zur besseren optischen Kopplung kann ein transparenter Kleber mit
angepaßtem
Brechungsindex verwendet werden.
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Bevorzugt
haben die Führungsstifte
nur eine aus der Unterseite herausragende Länge, die der Dicke der optischen
Lage entspricht, im Beispiel also 0,3 mm. In diesem Fall ist eine
Freistellung an der Stelle der Führungslöcher in
der unteren Lage 50 nicht notwendig. Alternativ kann jedoch
auch um jedes der Führungslöcher eine
relativ kleine Freistellung von beispielsweise 2 mm Durchmesser
in der unteren Lage 50 vorgesehen sein (in 5 nicht
gezeigt). In diesem Fall werden die Führungsstifte in dem Koppler
wesentlich länger
als die Dicke der optischen Lage ausgeführt und bevorzugt mit einer deutlichen
Fase am Ende versehen oder konisch ausgebildet.
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Nach
dem Einsetzen und dem durch die Führungslöcher bestimmten Einrasten in
die richtige Position werden die Koppler mit anderen Mitteln endgültig befestigt.
Dies können
Schraub- oder Klebeverbindungen sein. Auf jeden Fall müssen diese
so gestaltet sein, daß durch
die Lötung
der elektrischen Anschlüsse
die Koppler auf der optischen Lage nicht verrutschen. Beispielsweise
kann die Freistellung nach dem Einsetzen des Kopplers mit einem
selbstpolymerisierenden optischen Kleber ausgefüllt werden, der gleichzeitig
in die Übergangsschicht
zwischen der Unterseite des Kopplers und der Oberseite der optischen
Lage eindringt und damit die Kopplung verbessert. Alternativ kann
hier und den weiter unten dargestellten Fällen auch ein indexangepasstes
Gel verwendet werden.
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Alternativ
kann der Koppler über
lösbare Kontakte
mit der Leiterplatte verbunden werden, wobei die Einsetzrichtung
senkrecht zur Oberfläche
der Leiterplatte ist. Durch die Führungselemente an dem Koppler
bzw. in der optischen Lage werden die optischen Anschlüsse passend
ausgerichtet. Entweder werden die Koppler wie vor verschraubt, verklebt oder
sonst wie dauerhaft befestigt. Es ist aber auch möglich, durch
einen Federbügel
oder andere Maßnahmen
einen Andruck in Richtung senkrecht zur Oberfläche der Leiterplatte zu bewirken.
Dies fixiert einerseits die Führungselemente
zueinander. Andererseits kann damit gleichzeitig die lösbare elektrische
Kontaktverbindung gesichert werden.
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Bislang
wurde beschrieben, daß MT-Führungsstifte
in dem Koppler verwendet werden, die in Führungslöcher in der optischen Lage
greifen. Es ist aber ohne weiteres auch möglich, bei der Herstellung der
Formteile für
den Koppler 70 an deren Unter seite 74 Einbuchtungen
oder Ausnehmungen zu erzeugen, so daß die Verwendung von separaten
MT-Stiften entfällt.
Bei einer Dicke von 100 μm
der Deckschicht und 200 μm
der optischen Lage müßten diese Ausformungen
um 300 μm
oder 0,3 mm auftragen. Dies ist bei bekannten Ausformverfahren problemlos möglich. Da
sie mit demselben Herstellungsschritt hergestellt werden, mit dem
auch die Gräben
für die optischen
Fasern 72, die von der Oberfläche zu den elektro-optischen
Elementen 73 führen,
hergestellt werden, ist die notwendige hohe Genauigkeit erreicht.