DE19931944A1 - Umlenkende Auskopplung in einer Leiterplatte eingebetteter Lichtleiter - Google Patents

Abstract

Anordnung zur Kopplung an eine Koppelfläche eines Lichtleiters, der sich im Inneren einer Leiterplatte befindet, wobei ein Umlenkkoppler das Bild der Koppelfläche in eine Ebene parallel zu der Oberfläche der Leiterplatte abbildet.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft die Kopplung in einer Leiterplatte eingebetteter Lichtleiter an auf der Oberfläche der Lei­ terplatte befindliche Bauelemente.

Stand der Technik

Für zukünftige Informations- und Kommunikationsgeräte sind Leiterplatten vorgesehen, die neben elektrischen auch optische Leiter enthalten. Eine zentrale Aufgabe in dieser Technologie ist die Kopplung der elektischen mit den optischen Leitern.

Für die elektrischen Verbindungen einer Leiterplatte ist eine entwickelte Technologie bekannt, bei der auf der Oberfläche der Leiterplatte elektrische Komponenten mit hoher Genauigkeit von Millimeterbruchteilen positioniert und dann festgelötet werden.

Für die Herstellung von optischen Leitern in einer Lei­ terplatte sind eine Anzahl von Verfahren bekannt.

Bei dem Übergang der optischen in die elektrischen Leiter sind elektro-optische Wandler verwendet. Diese müssen je­ doch sehr genau an die Enden der Lichtleiter positioniert werden, damit eine effiziente und zuverlässige Kopplung gewährleistet ist. Dabei ist nicht nur die hohe Genauig­ keit der Position an sich das Problem; vielmehr liegen die Lichtleiter im Innern der Leiterplatten.

Ein Vorschlag für einen Zugang zu in einer Leiterplatte eingebetteten Lichtleitern führt diese in nicht allzugro­ ßem Biegeradius an die Oberfläche, wo die optischen Fa­ sern dann einzeln an einen Verbinder angeschlossen werden müssen. Der Verbinder sorgt über mechanische Präzisions­ flächen oder -Öffnungen für die notwendige mechanische Positioniergenauigkeit. Die prozesstechnische Behandlung der Lichtleiter ist jedoch recht aufwendig; insbesondere müssen die einzelnen Fasern einzeln an die Steckverbinder angeschlossen werden. Auch müssen die Enden der Fasern während der Herstellung und Bearbeitung der Leiterplatte gesondert und aufwendig geschützt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine wesentlich ver­ einfachte Auskopplung von in einer Leiterplatte eingebet­ teten Lichtleitern an elektro-optischen Bauelemente anzu­ geben.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung benutzt optische Umlenkeinheiten, die die Enden der Lichtleiter von einer Ebene senkrecht zu der Oberfläche in die Ebene der Oberfläche der Leiterplatte umsetzen. Hierzu werden die Lichtleiter zunächst voll­ ständig in die Leiterplatte eingebettet und erst später in einem Arbeitsgang freigelegt und dabei von überflüssi­ gen Enden abgetrennt. Eine unkritisch zu positionierende Umlenkeinheit wird sodann an die freigelegten Enden ange­ fügt und lenkt das aus den Enden austretende Licht auf die Oberfläche um.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Leiterplatte mit einem Lichtleiter, welche Ausgangsbasis für die Anwendung der Erfindung ist,

Fig. 2 wie Fig. 1 nach Anwendung des ersten Ferti­ gungsschritts,

Fig. 3 wie Fig. 1 nach dem zweiten Fertigungschritt,

Fig. 4 einen alternativen Umlenkkoppler,

Fig. 5 eine fertiggestellte Anordnung.

Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen nicht maßstabsgerechten Querschnitt durch eine Leiterplatte 10 mit isolierenden, elektrischen und optischen Lagen. Die isolierenden und elektischen La­ gen sind der Übersichtlichkeit halber nicht getrennt dar­ gestellt, sondern lediglich zu den Lagen 11a und 11b zu­ sammengefaßt. In einer optischen Lage 12 befindet sich ein optischer Leiter 13, wobei der gezeigte Querschnitt so gewählt ist, daß die Schnittebene senkrecht auf der Oberfläche 10a der Leiterplatte und ferner durch die Mit­ telachse des optischen Leiters 13 geht, der beispielswei­ se einen runden Querschnitt hat, der in Fig. 1 als per­ spektivisches Oval angedeutet ist. Um als Lichtleiter dienen zu können, weist die Faser einen Kern 13b mit ho­ hem Brechungsindex und einen Mantel 13a mit dagegen klei­ nerm Brechungsindex auf. Ob diese als Stufen- oder Gra­ dientenindex-Lichtleiter ausgeführt sind, ist dabei ohne Bedeutung. Es ist auch ohne Bedeutung für die Erfindung, wie eine Leiterplatte mit solchen Lichtleitern herge­ stellt wird. Eine, wenn auch möglicherweise nicht opti­ male, Herstellungsform besteht darin, in die untere Lage 11b Gräben zu fräsen, in diese bekannte Fasern aus Po­ lyacrylat oder Glas einzulegen, eine Einbettungsmasse aufzutragen und durch diese die obere Lage 11a mit der unteren 11b zu verkleben. Denn die Aufgabe der Erfindung besteht ja darin, eine Kopplung an die optischen Wellen­ leiter anzugeben, wenn diese im Innern einer Leiterplatte durch welches Verfahren auch immer eingebettet sind. Da­ bei ist zu beachten, daß dieses, wie auch die bislang be­ kannte, Verfahren zwar durchaus einen sehr gut reprodu­ zierbaren Abstand der Lichtleiter zueinander - in dersel­ ben Lage, versteht sich - erreicht, aber durch das Zusam­ menpressen der Lagen der Abstand der optischen Lage und insbesondere der Achsen der Lichtleiter von der Oberflä­ che der fertigen Leiterplatte wesentlich weniger gut re­ produzierbar ist und insbesondere größer ist als der Durchmesser der Lichtleiter.

Die Erfindung löst die Aufgabe, eine Kopplung an die in der Leiterplatte eingebetteten Lichtleiter zu bewirken.

Hierzu wird in einem ersten Schritt der Herstellung eine Öffnung 14 angelegt, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Öffnung geht von der Oberfläche 10a aus und ist mindestens so tief, wie der optische Leiter 13 tief in der Leiterplatte ist. Der optische Leiter wird dabei un­ terbrochen. Die bevorzugte Methode zum Erstellen der Öff­ nung 14 ist ein Fräsvorgang, der senkrecht zur Ebene der Fig. 2 erfolgt. Durch den Fräsvorgang entsteht an dem Übergang von der Öffnung 14 zu dem Lichtleiter 13 eine plane Koppelfläche 15.

Zwar wird durch das Anlegen der Öffnung der Lichtleiter unterbrochen. Dieses erfolgt meist nahe dem Ende des Lichtleiters; der verbleibende Rest ist ohne Bedeutung. Dieser Vorgang entspricht dem Abschneiden eines Kabels bei der Montage in einem Verteiler, bei dem ja auch die überschüssigen Enden abgeschnitten und verworfen werden.

Die Tiefe dieser Öffnung 14 ist, wie bereits erwähnt, so groß, daß der Lichtleiter vollständig durchtrennt wird. Die Breite in der Richtung der Achse des Lichtleiters richtet sich nach der Ausdehnung eines Umlenkkopplers, der im folgenden näher beschrieben ist. Die Breite quer zur Achse des Lichtleiters richtet sich nach der Anzahl der gleichzeitig zu koppelnden Lichtleiter; dies wird gleichfalls weiter unten beschrieben.

In diese Öffnung 14 wird ein Umlenkkoppler 20 eingesetzt, wie dies in Fig. 3 angedeutet ist. In Fig. 3 wurden die Proportionen etwas angepaßt, damit klar sichtbar wird, daß der Lichtleiter relativ dünn ist.

Der Umlenkkoppler 20 besteht bevorzugt im wesentlichen aus einem kurzen Stück 22, in Fig. 3 gepunktet darge­ stellt, eines faseroptischen Bildleiters, der nach dem Stand der Technik aus einer großen Anzahl sehr dünner op­ tischer Fasern besteht, die zu einem Bündel derart zusam­ mengefügt sind, daß die relative Lage der Fasern in dem Bündel gleich bleibt, die Fasern nicht in Längsrichtung koppeln und zudem aneinander fixiert sind. Solche Bild­ leiter werden unter der Bezeichnung 'image conduit' bei­ spielsweise von der Firma Schott nach Kundenspezifikatio­ nen gefertigt. Die Enden sind plan abgeschnitten. Wird auf eines der beiden Enden ein Bild projiziert, dann er­ scheint eben dieses Bild an dem anderen Ende. In dem in der Erfindung bevorzugt verwendeten Umlenkkoppler 20 be­ schreibt, wie in Fig. 3 angedeutet, das Fasernbündel ei­ nen Winkel von 90°. Damit kann also ein in der Eintritt­ sebene 23a liegendes Bild in die Austrittsebene 23b umge­ setzt werden. Da die optischen Effekte in der Regel um­ kehrbar sind, ist klar, daß auch umgekehrt Licht in die Austrittsebene 23b eintreten kann und dann aus der Ein­ trittsebene 23a wieder austritt. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird jedoch diese Bezeichnung beibehalten.

Die Faserbündel haben für jede der Faser eine numerische Apertur; die an der Ein- und Austrittsebene unterschied­ lich eingestellt sein kann, womit dann auch deren Flächen entsprechend unterschiedlich sind. Auf jeden Fall sollte zur Minimierung der Kopplungsverluste die numerische Apertur des Fasernbündels an der Eintrittsfläche gleich der des Lichtleiters sein. Die Apertur an der Austritts­ fläche sollte an die des anzukoppelnden elektro-optischen Wandlers angepaßt sein.

Der Umlenkkoppler 20 wird also in die Öffnung 14 derart eingesetzt, daß die Eintrittsebene 23a plan auf die Kop­ pelfläche 15 des Lichtleiters 13 aufliegt und diesen überragt. Mit anderen Worten, die Eintrittsebene 23a hat eine wesentlich größere Fläche als der Querschnitt des Lichtleiters plus die mechanischen Toleranzen, mit denen die Öffnung relativ zur Achse des Lichtleiters gefräst werden kann. Bevorzugt haben die Fasern in dem Fasernbün­ del 22 einen Durchmesser unterhalb der Hälfte des Durch­ messers des Lichtleiters, um geringe Verluste bei der An­ kopplung sicherzustellen. Der Zwischenraum zwischen der Eintrittsebene 23a des Umlenkkopplers 22 und der Koppel­ fläche 15 des Lichtleiters 13 wird durch einen transpa­ renten Füll- und Klebstoff mit geeignetem Brechungsindex ausgefüllt. Die anderen in der Leiterplatte befindlichen Oberflächen des Umlenkkoppler 20 werden bevorzugt gleich­ falls durch Kleben befestigt, so daß der Umlenkkoppler in der Leiterplatte fixiert ist. Es sei darauf hingewiesen, daß, da der Querschnitt der Eintrittsfläche wesentlich größer als der Duchmesser des Lichtleiters ist, hierbei keine besondere mechanische Positionierung des Umlenk­ kopplers erforderlich ist; dieser wird lediglich in die Öffnung 14 eingelassen und während des Aushärtens der Klebstoffe gegen die Koppelfläche 15 gedrückt, um hier die Übergangsverluste klein zu halten. Es ergibt sich da­ mit, daß in den Lichtleiter 13 eingespeistes Licht von dem Umlenkkoppler an die Oberfläche gebracht wird und dort als Lichtpunkt auf der Austrittsfläche 23b er­ scheint. Dessen Lage in der x-y-Ebene der Leiterplat­ tenoberfläche ist relativ ungenau vorbestimmt, da diese insbesondere von der Tiefe abhängt, in der sich der Lichtleiter in der Leiterplatte befindet.

In einer Weiterbildung der Erfindung werden mehrere, in der Leiterplatte in Bezug auf die Oberfläche nebeneinan­ der liegende Lichtleiter angekoppelt. Die optischen Wel­ lenleiter können auch übereinander liegen, wenn sie in derselben optischen Lage angeordnet sind und der Herstel­ lungsprozeß geringe vertikale Toleranzen zuläßt. Wie oben dargestellt, kann mit den bekannten Verfahren zur Her­ stellung von Leiterplatten mit eingebetteten Lichtleitern ein gut reproduzierbarer Abstand der Achsen der Lichtlei­ ter erreicht werden, dessen Fehler deutlich unterhalb dem optischen Durchmesser der Lichtleiter liegt. Damit haben dann die Austrittspunkte der Lichtleiter nach ihrer Um­ lenkung auf die Oberfläche gleichfalls untereinander ei­ nen gut reproduzierbaren Abstand, wenn auch die Lage die­ ses Bandes von Punkten in der x-y-Ebene in Bezug auf die auf der Oberfläche angebrachten Leiterbahnen wesentlich stärker variiert.

Anstelle eines Bildleiter-Fasernbündels kann auch ein Hohlspiegel 29 als Umlenkkoppler verwendet werden, wie in Fig. 4 angedeutet. Auch dieser muß jedoch an die Apertur des aus dem Lichtleiter austretenden Lichtbündels ange­ paßt werden. Dieser Umlenkkoppler ist bevorzugt quader­ förmig mit senkrecht aufeinander stehenden Ein- und Aus­ trittsflächen ausgebildet. Die Achse des Hohlspiegels steht senkrecht auf und geht durch die Schnittlinie der Ein- und Austrittsflächen bzw. deren Verlängerungen. Die Achse des Lichtleiters steht senkrecht auf der Eintritts­ fläche. Der Hohlspiegel bewirkt damit, daß das den Licht­ leiter verlassende, an der Eintrittsfläche eintretende, divergierende Lichtbündel gesammelt, umgelenkt und durch die Austrittsebene den Umlenkkoppler verläßt. Da der Hohlspiegel wesentlich größer ausgeführt ist als der Durchmesser des Lichtleiters, so ist die Positionierung wie bei der Ausführungsform mit Fasernbündeln relativ un­ kritisch, auch wenn die Anpassung der Aperturen nicht so problemlos ist wie bei dem Fasernbündel.

Dieser Hohlspiegel eignet sich durchaus auch für die Kopplung von mehreren Lichtleitern. Dabei tritt dann eine rechts-links-Vertauschung auf, die jedoch problemlos bei der Verschaltung der elektro-optischen Wandler berück­ sichtigt werden kann.

Der Umlenkkoppler 22 bildet also die Koppelflächen 15 der Lichtleiter bevorzugt in eine Ebene parallel zu der Ober­ fläche der Leiterplatte ab. Der Abstand von der Ebene der Oberfläche wird durch die zu montierenden Bauelemente be­ stimmt und kann im Prinzip frei bestimmt werden. In Fig. 5 ist eine Montage eines elektro-optischen Wandlers 50 gezeigt. Dieser wird mit elektrischen Anschlüssen 51a, 51b an (nicht gezeigten) Leiterbahnen auf der Oberfläche 10a der Leiterplatte 10 bevorzugt durch Löten verbunden. In Fig. 5 ist diese Verbindung nur symbolisch darge­ stellt. Dabei ist die Position des Wandlers 50 in Bezug auf diese elektrischen Anschlußpunkte relativ unkritisch, da das Lot eine Verschiebung in der x-y-Ebene der Ober­ fläche 10a ausgleicht. Ferner wird der Wandler 50 an den Umlenkkoppler 20 optisch angeschlossen, wie es durch die Verbindung 52 stark symbolisiert ist. Diese besteht in der Regel nur aus einem Kleb- und Füllstoff passenden op­ tischen Brechungsindexes; bevorzugt mündet der optische Koppler 53 in dem Wandler an der glatten Unterseite, die dann die Höhe des Wandlers vorgibt. Eine Bewegung des Koppelelements senkrecht zur Leiterplattenoberfläche ver­ schiebt lediglich die Bilder der Koppelfläche in der Aus­ trittsebene des Umlenkkopplers. Diese sind jedoch ohnehin nicht genau bestimmt, da die Tiefe der Lichtleiter in der Leiterplatte relativ schlecht reproduzierbar ist, bezogen auf den Durchmesser der Lichtleiter. Es ist also im An­ schluß an das Einsetzen der Umlenkkoppler eine Positions­ bestimmung in der Austrittsebene der Ummlenkkoppler not­ wendig. Hierzu werde angenommen, daß beide Enden eines Lichtleiters durch Koppler gemäß dieser Erfindung umge­ lenkt sind. Dann wird auf der einen Seite großflächig, d. h. auf die gesamte Austrittsebene des Kopplers, ein Lichtstrahl eingespeist, beispielsweise durch einen star­ ken stationären Laser. Davon geht ein großer Teil der Lichtenergie verloren, da der Lichtleiter nur einen klei­ nen Teil der Eintrittsebene des Umlenkkopplers bedeckt. Auf der anderen Seite entsteht auf der Austrittsebene für jeden Lichtleiter ein scharf begrenzter Punkt. Dieser kann mit bekannten Verfahren, insbesondere durch CCD- Kameras, gegenüber anderen Fixpunkten sehr genau vermes­ sen werden. Danach werden beide Seiten vertauscht und der Vorgang wiederholt. Mit den so gemessenen Positionen wer­ den die Bauelemente, die in diesem Fall die elektro­ optischen Wandler an der Unterseite haben, mit eine Prä­ zisions-Positioniereinrichtung plaziert und befestigt.

Claims (6)

1. Anordnung zur Kopplung an eine Koppelfläche (15) ei­ nes Lichtleiters (13), der sich im Innern einer Lei­ terplatte (10) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umlenkkoppler (20) das Bild der Koppelfläche (15) in eine Ebene parallel zu der Oberfläche (10a) der Leiterplatte (10) abbildet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Umlenkkoppler im wesentlichen aus einem als Fasernbündel ausgebilde­ ten, gebogenen Bildleiter besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, wobei die wirksame Bild­ fläche des Umlenkkopplers um mindestens die mechani­ sche Toleranzen bei der Einbettung der Lichtleiter größer als der Querschnitt derselben ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Umlenkkoppler einen Hohlspiegel umfaßt.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Koppel­ fläche senkrecht zu der Achse des Lichtleiters steht.

6. Verfahren zur Herstellung einer Kopplung an einen Lichtleiter, der sich im Innern einer Leiterplatte befindet, mit den Schritten:

• - Der Lichtleiter wird vollständig in die Leiterplat­ te eingebettet,
• - in die Leiterplatte wird eine Öffnung eingebracht, die den Lichtleiter vollständig durchtrennt, so daß eine Austrittsfläche freigelegt wird,
• - in die Öffnung wird ein Umlenkkoppler mit zwei Bildflächen eingesetzt, so daß eine der Bildflächen auf die Austrittsfläche zu liegen kommt und die an­ dere in oder über der Oberfläche der Leiterplatte liegt,
• - der Umlenkkoppler wird in der Öffnung dauerhaft be­ festigt.