DE19618149B4

DE19618149B4 - Optische Verbindungsleiste

Info

Publication number: DE19618149B4
Application number: DE1996118149
Authority: DE
Inventors: Manfred Rode
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1996-05-07
Filing date: 1996-05-07
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2016-05-08
Also published as: DE19618149A1

Abstract

Optische Verbindungsleiste zur Vernetzung von Baugruppen innerhalb und/oder zwischen Baugruppenträgern, dadurch gekennzeichnet, daß kombinierte Linsen/Spiegel-Elemente als Umlenkelemente in der Verbindungsleiste integriert sind, die das vom Baugruppenträger emittierte oder detektierte, kollimierte Strahlenbündel umlenken, fokussieren und in einen Lichtwellenleiter einkoppeln.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Verbindungsleiste nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 393 829 A2 ist eine optische Verbindungsleiste zur Vernetzung von Baugruppen innerhalb und/oder zwischen Baugruppenträgern bekannt, bei der ein durch optische Elemente geformtes Strahlenbündel in Lichtwellenleiter eingekoppelt werden.

Weiterhin ist aus dem deutschen Patent DE 44 16 563 C1 die Verwendung von integrierten Spiegeln bekannt, die dazu verwendet werden, die Justierbarkeit der Strahleinrichtung zu ermöglichen.

Optische Verbindungsleisten sog. Backplaneleisten finden Verwendung in komplexen leistungsfähigen Signalprozessoren, insbesondere im Höchstfrequenzbereich.

In 1 ist die Funktionsweise der optischen Verbindung mittels einer Backplaneleiste dargestellt. Dabei sind z.B. eine Laserdiode L und eine Photodiode P auf einem Baugruppenträger, einem sog. Elektronik-Board, angeordnet.

Das vom Lasersender L emittierte Licht wird von der Kugellinse 1 kollimiert trifft im weiteren Verlauf auf einen um 45° gekippten Spiegel 2 in der Backplaneleiste. Hier wird das Strahlenbündel umgelenkt, an einer zweiten Kugellinse 3 fokussiert und über die Endflächen des Lichtwellenleiters (LWL) in den LWL eingekoppelt. Das Licht durchläuft den LWL und trifft am Ende auf eine weitere Anordnung aus Kugellinse 4 und Spiegel 5. Wird umgelenkt, durchläuft die Optik des Empfängers und gelangt auf die lichtempfindliche Fläche der Photodiode P.

Die Gesamtdämpfung einer derart realisierten Punkt zu Punkt-Verbindung beträgt ca. 3dB.

Um eine kompakte Bauform einer Backplane zu realisieren, wird ein Teil der Koppeloptik vom Board zur Backplane über ein Umlenkelement in die Backplane-Ebene umgeklappt ( 1).

Ein möglicher Weg der Lichtumlenkung, ist die Totalreflexion eines Lichtstrahls am Übergang vom dichteren ins dünnere Medium. Trifft ein Lichtstrahl, vom Medium mit der Brechzahl n₁ kommend, unter einen Winkel θ₁ auf die Grenzfläche zum Medium mit der Brechzahl n₂, so wird ein Teilstrahl reflektiert und der Reststrahl über die Grenzfläche hinweg gebrochen transmittiert. Der transmittierte Strahl folgt dem Brechungsgesetz. n1 sin θ1 = n2 sin θ2 Geht der Winkel θ₂ gegen 90° so läßt sich aus der Beziehung θG = arc sin n2 / n1 der Grenzwert der Totalreflexion θ_G für ein bestimmtes Brechzahlverhältnis errechnen. Ein weiteres Prinzip ist die Lichtumlenkung durch Reflexion an einer Spiegelfläche. Beim Auftreffen eines Lichtstrahls auf die Spiegelfläche wird ein Großteil des Lichtes reflektiert, dabei erfährt der Lichtstrahl eine Richtungsänderung. Der Einfallswinkel ist dabei gleich dem Ausfallswinkel. α = α'

Ein kleiner Restteil des Lichtstrahls dringt in das zweite Medium ein und wird dort absorbiert. Wird eine Spiegelschicht entsprechend der Senderwellenlänge λ gewählt und optimiert, so sind Reflexionsgrade bis zu 98% möglich.

Beide Möglichkeiten der Strahlumlenkung verlangen eine prinzipspezifische Umgebung um eine störungsfreie Funktion zu gewährleisten, was sich natürlich im Design der Koppeloptik und des Umlenkelements niederschlagen muß. So ist bei Totalreflexion die Schaffung eines optischen Übergangs von dichterem in dünneres Medium in Ausbreitungsrichtung der optischen Strahlen erforderlich. Die Einhaltung der Bedingung Einfallswinkel > Grenzwinkel und der Schutz der Grenzfläche gegen Störungen der Totalreflexion (z.B. Verschmutzung) sind weitere wichtige Voraussetzungen für die einwandfreie Funktion des Umlenkelements. Die Strahlumlenkung durch Reflexion setzt die Bereitstellung von Umlenkflächen und die Möglichkeit ihrer Bedampfung voraus.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Umlenkelement für eine Verbindungsleiste anzugeben, bei dem die Integration der Optik wie Linse, Spiegel und Lichtwellenleiter in der Verbindungsleiste in kompakter Bauweise und kostengünstig möglich ist und die Anzahl der Einzelkomponenten der Verbindungsleiste reduziert wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Anzahl der Einzelkomponenten des gesamten optischen Pfades reduziert wird durch ein kombiniertes Linsen/Spiegelelement, das sich einfach und kostengünstig in die Verbindungsleiste (Backplane) mit modernen Fertigungsverfahren (z.B. LIGA-Technik) integrieren läßt.

Aufgrund der Reduzierung der Einzelkomponenten ist eine kompakte Bauform durch Strahlenumlenkung und Umklappung eines Teils der Koppeloptik in die Backplaneebene realisierbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.
Der Pfad einer optischen Punkt zu Punkt Verbindung auf der Backplaneleiste beginnt an deren Eintrittsöffnung. Über Umlenkelemente, Linsen und Lichtwellenleiter gelangt das Licht zur Austrittsöffnung der Verbindung. Für die Herstellung der optischen Verbindungen in der Backplaneleiste sind verschiedene Verfahren anwendbar.
Bei kleinen Stückzahlen ist es sinnvoll, deren Herstellung in Hybridtechnik vorzunehmen. Es werden Linsen, Spiegel und Kunststoff-LWL in präzise, grabenförmige Vertiefungen eingelegt und fixiert. Die Vertiefungen werden durch spanabhebende Verformung erzeugt. Das Umlenkelement wird hier durch eine um 45° gekippte Halbkugellinse 6 gebildet (2b). Das vom Laser L emittierte Licht wird in der Kugellinse 1 kollimiert und trifft auf die verspiegelte Planfläche der Halbkugellinse 6. Bei Stückzahlen über 1000 sind andere Herstellungsverfahren wie Präge-, Abform- und Spritzgußtechnik in Kunststoff vorteilhafter. Die Herstellung der optischen Bauelemente wie Linsen und Umlenkspiegel kann dann zeitgleich mit der Herstellung der Gesamtform der Backplaneleiste erfolgen. Eine beispielhafte Anordnung und Ausgestaltung von Elektronik-Board und Backplaneleiste ist in 2a dargestellt.
Die Fertigungsverfahren erfordern eine fertigungsgerechte Umgestaltung der optischen Bauelemente ohne wesentliche Änderung ihrer Funktion. Die hierzu gefundenen und weiterentwickelten Lösungswege sind in 3a, b zusammengefaßt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 3a wird die Backplane so gestaltet, daß im Bereich der Ein- bzw. Austrittsöffnung eine kugelförmige Erhebung in der Oberfläche der Backplaneleiste entsteht. Sie bildet die Linsenfläche der Halbkugellinse 6. Gegenüberliegend dieser Oberfläche werden zeitgleich keil- und grabenförmige Vertiefungen 7, 8 eingebracht. Die um 45° gekippte Fläche der keilförmigen Vertiefung 7 wird metallisiert und bildet den Umlenkspiegel der optischen Anordnung. Der verbindende Lichtwellenleiter LWL zwischen Ein- und Austrittsöffnung der optischen Verbindung wird durch Einlegen von z.B. konventionellen Kunststoffasern in die grabenförmige Vertiefung oder z.B. durch Füllen der Gräben mit einem brechungsindexangepaßten Kunststoff für optische Anwendungen erzeugt. Der kollimierte Lichtstrahl eines Lasers wird durch die Halbkugellinse umgelenkt, fokussiert und in den LWL eingekoppelt. Der Lichtstrahl wird anschließend aus dem LWL durch die Halblkugellinse auf den Empfänger umgelenkt und kollimiert. Die Umlenkung erfolgt durch Totalreflexion oder Reflexion.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3b wird eine parabolische oder eine kugelförmige sowie eine grabenförmige Vertiefung in der Backplaneleiste abgeformt. Der Lichtwellenleiter LWL endet um 90° gedreht im Fokuspunkt 10 des z.B. parabolischen Reflektors 9. Der so entstandene Hohlspiegel erfüllt gleichzeitig strahlformende und strahlumlenkende Funktion. Die Realisierung der Lichtwellenleiter LWL kann in gleicher Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 erfolgen.
Der kollimierte Lichtstrahl eines Lasers wird vom Reflektor 9 umgelenkt, fokussiert und in den Lichtwellenleiter LWL der Backplaneleiste eingekoppelt. Umgekehrt wird dann auch der Lichtstrahl aus dem Lichtwellenleiter durch den Reflektor auf den Empfänger umgelenkt und kollimiert.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die in den Ausführungsbeispielen angegebenen Umlenkelemente beschränkt, sondern Linse, Spiegel und Lichtwellenleiter sind in anderen Ausgestaltungen in die Backplaneleiste integrierbar.
Weiterhin kann auch eine optische Punkt zu Punkt Verbindung von Elektronik-Board zu Elektronik-Board durch derartige Umlenkelemente erfolgen und damit optische Verbindungen in komplexen, leistungsfähigen Signalprozessoren hergestellt werden.

Claims

Optische Verbindungsleiste zur Vernetzung von Baugruppen innerhalb und/oder zwischen Baugruppenträgern, dadurch gekennzeichnet, daß kombinierte Linsen/Spiegel-Elemente als Umlenkelemente in der Verbindungsleiste integriert sind, die das vom Baugruppenträger emittierte oder detektierte, kollimierte Strahlenbündel umlenken, fokussieren und in einen Lichtwellenleiter einkoppeln.
Optische Verbindungsleiste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement als Halbkugellinse oder Hohlspiegel ausgebildet ist.
Optische Verbindungsleiste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleiste geeignet geformte Vertiefungen enthält, in die Linsen, Spiegel und Lichtwellenleiter einfüg- und fixierbar sind.
Optische Verbindungsleiste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – daß das Umlenkelement aus einer um 45° zur Oberfläche der Verbindungsleiste geneigten Halbkugellinse mit verspiegelter Planfläche besteht, die in eine keilförmige Vertiefung in der Verbindungsleiste derart integriert ist, daß eine kugelförmige Erhebung auf der Oberfläche der Verbindungsleiste entsteht und eine Linsenfläche bildet und daß die um 45° geneigte, metallisierte Fläche der keilförmigen Vertiefung die Planfläche der Halbkugellinse bildet, – daß die verspiegelte Planfläche der Halbkugellinse den Umlenkspiegel für das kollimierte Strahlenbündel bildet, der die Strahlen in einen in eine grabenförmige Vertiefung in der Verbindungsleiste integrierten Wellenleiter einkoppelt.
Optische Verbindungsleiste nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, – daß das Umlenkelement aus einer in die Verbindungsleiste eingebrachten kugelförmigen oder parabolischen, verspiegelten Vertiefung besteht, die einen Hohlspiegel bildet, – daß ein in eine grabenförmige Vertiefung integrierter Wellenleiter um 90° gedreht im Fokuspunkt des Hohlspiegels angeordnet ist, in der die Strahlen einkoppelbar sind.
Optische Verbindungsleiste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkele ment das Strahlenbündel aus dem Wellenleiter auf einen Empfänger umlenkt und kollimiert.
Verwendung einer optischen Verbindungsleiste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß optische Punkt zu Punkt Verbindungen auf einem Baugruppenträger herstellbar sind.
Verwendung einer optischen Verbindungsleiste nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß optische Punkt zu Punkt Verbindungen zwischen mehreren Baugruppenträgern herstellbar sind.