JP2004533024A - 回路基板に埋め込まれた光導波路への結合 - Google Patents

Abstract

回路基板の光学層には光導波路が存在し、これらの光導波路はエンボシングプロセスによって作られ、斜めのミラーコーティングされた端部を通して垂直に出力結合される。カプラの位置決めのためにエンボシングプロセスによって機械的なガイドマークが作られ、これらの機械的なガイドマークは有利にはＭＴピンのガイド穴として使用される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は回路基板に埋め込まれた光導波路への結合に関する。
【０００２】
将来の情報通信機器には回路基板が設けられ、これらの回路基板は電気的導体の他に光学導波路も含む。D.Krabe, F.Ebling, N.Arndt-Staufenbiel, G.Lang及びW.Scheelの.論文“New Technology for Electrical／Optical Systems on Module and Board level: The EOCB Approarch”,Proc. 50th Electronic Components & Technology Conference2000, pp.970-4（ISBN０-７８０３-５９０８-９）がこれに関する概観を与える。
【０００３】
このテクノロジーにおける中心的課題は、光送信器及び光受信器を有する構成部材と光導波路との結合であり、これらの光導波路は光ファイバの小さい寸法によって位置決めの正確さを必要とし、この位置決めの正確さは従来の自動マウント装置によっては達成できない。とりわけ光学的接続の際には電気的接続のハンダ技術においてハンダの表面張力によって惹起される位置決め誤差の補正が無い。
【０００４】
公開文献ＤＥ１９９１７５５４には解決法が記述されており、この解決法では表面に対してパラレルに中空体がはめ込まれ、これらの中空体が光カプラの位置を決定し、これらの光カプラにはガイドピンが取り付けられている。光カプラは電気信号への変換を惹起するか又は光を表面に存在する変換器に導く。しかし、中空体の埋め込み及びその後のリーミングはやはり相当面倒である。
【０００５】
本発明はより面倒ではない別の解決法を記述する。この場合、回路基板において光学層に光導波路が存在し、これらの光導波路はエンボシングプロセスによって作られ、斜めのミラーコーティングされた端部によって垂直に入力乃至は出力結合する。カプラの位置決めのためにエンボシングプロセスによって機械的なガイドマークが作られ、これらの機械的なガイドマークが有利にはＭＴピンのガイド穴として使用される。
【０００６】
この場合、光導波路が使用され、これらの光導波路の端部には４５°の角度でミラー面が設けられる。これらは例えばR.Wiesmann, S.Kalveram, A.Neyerの論文“Monomode Polymer Waveguides with Integrated Mirrors”;Proc. 22nd Europ. Conf. on Optical Communications (ECOC 96), vol.2 pp.265-8, Oslo 1996 (ISBN 8242304181) に記述されている。光学層に対して横方向の放射を惹起するためには、別の角度も可能である。
【０００７】
説明のために図１は光導波路のうちの１つの長手方向の断面図を示す。ここでは例えば２００μｍの厚さの透明な担体フィルム１０が使用され、この担体フィルム１０の中にはエンボシングプロセスによって導波路のためのチャネル１１が作られる。これらのチャネルの端部にはミラー１２のための傾斜部が設けられている。これらの傾斜部は金属被覆される。次にチャネル１１が充填され、充填物は当然同様に透明であり、エンボシングされた材料よりも高い屈折率を有する。その後でカバー層１３として充填物よりも小さい屈折率を有しかつ例えば１００μｍの厚さの透明なフィルムが載せられる。この結果、充填されたチャネル１１は導波路として使用されうる。
【０００８】
図２は図１に示された矢印Ａの方向から見た図を示す。チャネル１１は、エンボシングの際のアンダーカットを回避するために下に向かって細くなっていてもよい。この効果が過剰にはっきりと図示されている。Ｄによって光導波路のラスタ間隔が示されており、このラスタ間隔は１００μｍの光導波路の幅の場合には、すなわちほぼ正方形の断面の場合には例えば２５０μｍである。
【０００９】
本発明においては、充填の後で光導波路となるチャネル１１に加えて、基準マーク２４が光導波路の端部１２の近傍にいっしょに刻み込まれる。光導波路の端部１２に対する相対的なこれらの基準マーク２４の位置はエンボシング工具の高い製造精度によって決定され、光導波路の直径よりもはるかに良好な精度で作られうる。
【００１０】
カバー層１３を取り付けた後で、これらの基準マークは所定の直径の垂直の穴２２を光学層に設けるために使用される。有利には０．７ｍｍの直径の機械的ガイドピンが使用され、この機械的ガイドピンは例えばＭＴ差し込みコネクタから周知である。基準マークは光学的に走査可能であり、例えば十字形であり及びＶ字状の断面を有し、その結果、正確かつ光学的に良好に識別可能な中心をもたらし、この中心は光学的位置決めシステムを介してドリルを位置決めする。選択的にカバー層の方向から、すなわち上側から又は下側から穴があけられる。これらの基準マークが単にエンボシングされるか又はミラーコーティングのために利用される金属被覆によって覆われるかは、ドリルシステムの特性に依存する。両面エンボシング工具の使用の際には基準マークは担体フィルム１０の下側からも作られ、この場合、例えば円錐として形成され、下から穴あけされる場合にはドリルのガイドに寄与する。
【００１１】
ガイド穴２２が光学層に設けられた後で、この光学層は周知の方法に従って回路基板の中に入れられる。この結果は図３に示されている。光学層は下の層３０の上に載置され、上の層３１ａ、３１ｂによって被覆される。開口部として示されている上側の隙間３２によって光学層は光導波路のミラーコーティングされた端部１２において露出している。開口部３２は、図３ではその内壁２３ａ、及び２３ｂによってのみ示されているガイド穴２２が露出するほどに大きい。
【００１２】
光導波路への接続はカプラによって行われ、このカプラは上からはめ込まれる。図４は概略的にカプラ４０の開口部３２にはめ込まれる部分を示す。下側４４にははめ込み方向にガイドピン４１が存在する。これらのガイドピン４１の間で光導波路４２が終端する。光導波路の一方の端部は下側４４の表面で終端し、他方の端部は送信乃至は受信変換器４３において終端している。これらの送信乃至は受信変換器４３はこの場合（示されていないが）電気的接続部を介して増幅器回路に及びハンダ接点として通常は形成されている電気的接点に接続されている。
【００１３】
カプラのガイドピン４１は光学層のガイド穴２２と同じ間隔を有する。通常は光学層における光導波路の端部もカプラにおける光導波路の端部もガイド穴２２乃至はガイドピン４１の２点を結ぶ線の上にシンメトリカルにあり、カプラと同様に光学層において同一の間隔を有する。これは例えば、成形部材（Formteil）において光導波路のためにもガイドピンのためにもトレンチが設けられていることによって達成される。光導波路のはめ込みの後で第２の、大抵の場合同じ成形部材が取り付けられ、カプラのこの部分が、大抵の場合接着によって閉じられる。この後で光導波路が外に出てくる面が研磨され、この結果、接合部損失が回避される。次いで、ガイドピンがトレンチにより作られた穴にはめ込まれる。
【００１４】
例えばポリカーボネートから成る光学層の硬度は、ガイドピンを光導波路の直径以下の精度で位置決めするのに十分である。カプラの下側４４の表面は光学層のカバーフィルムに密着される。カプラから出る光乃至はカプラに入る光はこのカバー層を通り抜ける。
【００１５】
有利にはガイドピンは例えば０．３ｍｍの光学層の厚さに相応する下側４４から突き出す長さしか持たない。この場合、下の層３０におけるガイド穴の箇所の開口部は必要ではない。しかし、代わりに、ガイド穴の各々の周りに例えば２ｍｍの直径の比較的小さい開口部が下の層３０に設けられていてもよい（図３では図示されていない）。この場合、カプラのガイドピンは光学層の厚さよりもはるかに長く構成され、有利には明瞭な斜角面が端部に設けられるか又は円錐形に構成される。
【００１６】
ガイド穴の製造のための更に別の方法はエンボシング鋳型を使用し、このエンボシング鋳型によってとりわけ円柱状のガイド穴が全材料厚を貫いてエンボシングされる。この過程は「貫通エンボシング（Durchpraegen）」とも呼ばれる。カバー層１３は今や完全に平らではなく、同様にエンボシング又は穴あけによって穴が設けられている。これらの穴はガイド穴が次のカバー層の載置の際の位置決め精度と同じであるだけに少なくともそれだけ大きい。これは例えば０．１ｍｍであり、この結果、担体フィルムの中に存在する貫通エンボシングされた穴を確実にあけるためにはカバー層における穴は０．９５ｍｍの直径を有する。カプラ４０のガイドピンはこれまでのように形成され、この場合１／３に、すなわちカバー層に相応する厚さにはならない。
【００１７】
正しい位置へのはめ込み及びガイド穴により決定される固定の後で、カプラは別の手段で最終的に固定される。これはネジ又は接着結合でよい。いずれにせよ、これらネジ又は接着結合は、電気的接続部のハンダ付けによってカプラが光学層においてはずれないように形成されなくてはならない。例えば、開口部はカプラのはめ込みの後で自己重合光学接着剤（selbstpolymerisierende optische Kleber）によって充填され、この自己重合光学的接着剤は同時にカプラの下側と光学層の上側との間の接合層へと侵入し、これによって結合が改善される。代わりにこの場合及び後に述べるケースでは屈折率適合されたゲル（indexangepasstes Gel）も使用できる。
【００１８】
代替的に、カプラがハンダ付け可能な接点を介して回路基板に接続されてもよい。この場合、はめ込み方向は回路基板の表面に対して垂直である。カプラ乃至は光学層におけるガイドエレメントによって光学的接続部は適合的に配向される。カプラは前述のようにネジ止めされるか又は接着されるか又は何か他の方法かで堅牢に固定されるかのいずれかである。しかし、スプリングバンド又は他の手段によって回路基板の表面に対して垂直な方向に押圧を惹起することも可能である。これは一方でガイドエレメントを互いに固着させる。他方でこれによって同時にハンダ付け可能な電気的接点接続が保証される。
【００１９】
これまでは光学層におけるガイド穴にはまるＭＴガイドピンがカプラにおいて使用されることを記述してきた。しかし、カプラ４０の成形部材の製造の際にこのカプラ４０の下側４４にへこみ又は切欠部を作り、この結果、別個のＭＴピンの使用を無くすことが簡単に可能である。カバー層の厚さ１００μｍ及び光学層の厚さ２００μｍの場合には、３００μｍ又は０．３ｍｍ分のこれらの成形部（Ausformungen）が付加されなければならないだろう。これは周知の成形方法では問題なく可能である。これらは表面から光電素子４３まで延びている光ファイバ４２のためのトレンチも製造する製造ステップによって製造されるので、必要な高い精度は達成される。
【００２０】
このように形成された成形部が使用される場合、これらの成形部の高さは良好にコントロール可能である。よって、この場合には貫通する穴を光学層に設ける必要もない。むしろ、そこで例えばこの光学層の厚さの３／４の、例えば１５０μｍの凹部をエンボシングすれば十分である。カバー層が１００μｍの厚さであるならば、これらの成形部が３５０μｍ付加されなければならない。
【００２１】
この場合、円柱状の穴及びピンの代わりに別の形状を使用することも可能である。これはとりわけ直方体状の切欠部及び成形部である。断面が少し台形であれば、位置決めの際にエッジが良好にはまる。適切に選択された材料では三角形状の断面を有するトレンチも有効である。さらに、各側面に２つのガイドエレメントを設けることもでき、これらの２つのガイドエレメントが互いにくっついてとりわけ矩形状の又は台形状の又は三角形状の脚の断面を有する十字状の形成物になる。極限ではこの場合ピラミッドの形状の構造物が生ずる。
【００２２】
この場合、簡単に成形部を光学層に設け、切欠部をカプラに設けることができる。後者は、光学的に有効な部分を有する表面の研磨がはるかに簡単であるという利点を有する。光学層に対して機械的なガイドエレメントを成形部としても切欠部としても設けることが可能である。後者はエンボシングスタンプにおける凹部によって達成される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】光導波路のうちの１つの長手方向の断面図を示す。
【００２４】
【図２】図１に示された矢印Ａの方向から見た図を示す。
【００２５】
【図３】ガイド穴２２が光学層に設けられた後で、この光学層は周知の方法に従って回路基板の中に入れられた図を示す。
【００２６】
【図４】概略的にカプラ４０の開口部３２にはめ込まれる部分を示す。
【符号の説明】
【００２７】
１０ 透明な担体フィルム
１１ 導波路のためのチャネル
１２ ミラー
１３ カバー層
２２ ガイド穴
２４ 基準マーク
２３ ガイド穴の内壁
３０ 下の層
３１ 上の層
３２ 隙間、開口部
４０ カプラ
４１ ガイドピン
４２ 光導波路
４３ 送信乃至は受信変換器
４４ 下側

Claims (15)

1. 光導波路を有する光学層であって、前記光導波路の端部において前記光学層の平面に対して横方向の放射によって光信号の結合が惹起される、光導波路を有する光学層において、
   前記光導波路の端部の近くで機械的なガイド輪郭が前記光学層上に設けられており、前記ガイド輪郭の位置は前記光導波路の端部を基準にして予め決定されていることを特徴とする、光導波路を有する光学層。
2. 光学層は担体フィルムを有し、該担体フィルムにおいて導波路の位置もガイド輪郭の位置も製造プロセスの同一のステップで決定される、請求項１記載の光学層。
3. 機械的なガイドエレメントは角柱形の又は円柱形の開口部であり、この開口部の内壁が位置を決定する、請求項１又は２記載の光学層。
4. ガイドエレメントは担体フィルムの中の貫通する穴である、請求項３記載の光学層。
5. 機械的なガイドエレメントは突出した成形部である、請求項１又は２記載の光学層。
6. 光学層は担体フィルム及びカバー層から成り、ガイドエレメントは前記担体フィルムの中に存在し、前記カバー層は前記ガイドエレメントの領域において切欠部を有する、請求項１〜５のうちの１項記載の光学層。
7. 光導波路はその端部においてミラーコーティングされている、請求項１〜６のうちの１項記載の光学層。
8. 電気的な層及び光学層を有する回路基板において、
   この光学層は請求項１〜７のうちの１項に従って構成されている、電気的な層及び光学層を有する回路基板。
9. 光学的接続を有する回路基板のための光学層の製造方法において、該製造方法は次のステップを有する、すなわち、
   前記光学層は、担体フィルム上の光導波路のためのチャネルのエンボシング、該チャネルの充填及びカバー層によるラミネートによって製造されるステップ、
   エンボシングにより決定された位置には機械的なガイドエレメントが製造されるステップを有する、光学的接続を有する回路基板のための光学層の製造方法。
10. ガイドエレメントは、エンボシングによって位置マークが作られ、さらに該位置マークによってドリル工具がガイド開口部を作ることによって製造される、請求項９記載の製造方法。
11. 担体フィルムのエンボシングよって貫通ガイド穴が作られ、カバー層は前記ガイド穴のための切欠部を有する、請求項９記載の製造方法。
12. 光学的接続を有する回路基板に対する製造方法であって、該方法ではまず最初に光学層が請求項９〜１１のうちの１項に従って製造され、さらにこの光学層が回路基板に埋め込まれる、光学的接続を有する回路基板に対する製造方法において、
    少なくとも１つの側面の開口部を設け、該開口部は光導波路の端部及びガイド開口部を露出させる、光学的接続を有する回路基板に対する製造方法。
13. 回路基板に含まれる光導波路への接続のための結合エレメントは、次の構成を有する、すなわち、
    前記結合エレメントは平坦な結合面を有する領域を有し、
    前記平坦な結合面には光学的に有効なゾーンがあり、
    機械的なガイドエレメントが存在し、該ガイドエレメントの位置は前記光学的に有効なゾーンを基準にして予め決定されている、回路基板に含まれる光導波路への接続のための結合エレメント。
14. 機械的なガイドエレメントの位置及び光学的に有効なゾーンの位置は製造プロセスの同一ステップによって決定される、請求項１３記載の結合エレメント。
15. 機械的なガイドエレメントとして円柱状のピンが利用され、該円柱状のピンは結合エレメントの切欠部にはめ込まれている、請求項１３又は１４記載の結合エレメント。