两个光波导用的光耦合系统.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103582834 A (43)申请公布日 2014.02.12 CN 103582834 A (21)申请号 201280026552.9 (22)申请日 2012.04.04 11002933.7 2011.04.07 EP G02B 6/30(2006.01) (71)申请人 罗森伯格 OSI 股份有限公司 地址 德国奥格斯堡 申请人 奥特斯有限公司 (72)发明人 克林曼斯乌斯特 S施密特 G兰格 H施塔尔 (74)专利代理机构 北京林达刘知识产权代理事 务所 ( 普通合伙 ) 11277 代理人 刘新宇 张会华 (54) 发明名称 两个光波导用的光耦合系统 。

2、(57) 摘要 本发明涉及一种光耦合系统， 其用于使具有 由第一鞘 （14、 16） 包围的第一芯 （18） 的第一光波 导 （14、 16、 18） 与具有由第二鞘 （30） 包围的第二 芯 （28） 的第二光波导 （26） 耦合。这里， 第一光波 导 （14、 16、 18） 的第一芯 （18） 的端面 （20） 与第二 光波导 （28、 30） 的第二芯 （28） 的端面 （34） 在耦 合位置处抵接， 并且第二芯 （28） 与第一芯 （18） 在 轴向上平齐， 其中， 在耦合位置附近， 在预定的轴 向部 （23） 的至少一部分 （22） 上， 第二光波导 （28、 30） 的第二鞘 （。

3、30） 与第一光波导 （14、 16、 18） 的第 一鞘 （16） 一同形成在预定的部分 （22） 中的光波 导的包层。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2013.11.27 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/EP2012/001503 2012.04.04 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2012/136365 DE 2012.10.11 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图5页 (10)申请公布号 CN 10358283。

4、4 A CN 103582834 A 1/1 页 2 1. 一种光耦合系统， 其用于使具有由第一鞘 （14、 16） 包围的第一芯 （18） 的第一光波导 （14、 16、 18） 与具有由第二鞘 （30） 包围的第二芯 （28） 的第二光波导 （26） 耦合， 其中， 所述 第一光波导 （14、 16、 18） 的所述第一芯 （18） 的端面 （20） 与所述第二光波导 （28、 30） 的所述 第二芯 （28） 的端面 （34） 在耦合位置处抵接， 并且所述第二芯 （28） 与所述第一芯 （18） 在轴 向上对齐 ； 在所述耦合位置附近， 在预定的轴向部 （23） 的至少一部分 （22） 。

5、上， 所述第二光 波导 （28、 30） 的所述第二鞘 （30） 与所述第一光波导 （14、 16、 18） 的所述第一鞘 （16） 一同形 成在预定的部分 （22） 中的光波导的包层 ； 所述第一光波导 （14、 16、 18） 是形成于印刷电路 板的具有由聚合物鞘 （14、 16） 包围的聚合物芯 （18） 的聚合物光波导， 所述光耦合系统的特征在于， 所述第二光波导 （28、 30）嵌在箍 （32） 中， 至少一个第一导引装置 （46）配置于所述 箍 （32） ， 至少一个第二导引装置 （44） 配置于所述印刷电路板 （10、 12） ， 所述第一导引装置 （46） 和所述第二导引装置 。

6、（44） 被设计为使得这些导引装置相互作用以沿空间中的至少一 个方向对所述第二芯 （28） 和所述第一芯 （18） 进行轴向对准定位， 其中， 由与所述聚合物光 波导 （14、 16、 18） 相同的材料制造所述第二导引装置 （44） 。 2. 根据权利要求 1 所述的光耦合系统， 其特征在于， 所述第二光波导 （28、 30） 是相对于 所述印刷电路板 （10、 12） 而言位于外部的光波导， 所述第二光波导 （28、 30） 具有鞘 （30） 和 光波导芯 （28） ， 所述第二光波导 （28、 30） 特别地是玻璃纤维或聚合物纤维光波导。 3. 根据前述至少一项权利要求所述的光耦合系统，。

7、 其特征在于， 在所述预定的轴向部 （23） 中， 所述第二芯 （28） 被剥去了所述第二鞘 （30） 使得所述第二芯 （28） 的最初面对所述 第二鞘 （30） 的第一表面 （36） 露出， 并且所述第一光波导 （14、 16、 18） 被剥去了所述第一鞘 （14、 16） 的一部分和所述第一芯 （18） 使得所述第一鞘 （14、 16） 的剩余部分 （14） 的最初面 对所述第一芯 （18） 的第二表面 （24） 露出， 其中， 所述第二芯 （28） 的所述第一表面 （36） 与 所述第一鞘 （14） 的所述第二表面 （24） 接触。 4. 根据前述至少一项权利要求所述的光耦合系统， 其特。

8、征在于， 至少在所述预定的轴 向部 （23） 的部分 （22） 中， 所述第一芯 （18） 被剥去了所述第一鞘 （14、 16） 使得所述第一芯 （18） 的最初面对所述第一鞘 （14、 16） 的第三表面露出， 并且所述第二光波导 （28、 30） 被剥 去了所述第二鞘 （30） 的一部分和所述第二芯 （28） 使得所述第二光波导 （28、 30） 的所述第 二鞘 （30） 的剩余部分的最初面对所述第二芯 （28） 的第四表面露出， 其中， 所述第一芯 （18） 的所述第三表面与所述第二光波导 （28、 30） 的所述第二鞘 （30） 的所述第四表面接触。 权 利 要 求 书 CN 1035。

9、82834 A 2 1/4 页 3 两个光波导用的光耦合系统 技术领域 0001 根据方案 1 的前序， 本发明涉及一种用于使第一光波导与第二光波导耦合的光耦 合系统， 其中第一光波导具有被第一鞘 （sheath） 包围的第一芯， 第二光波导具有被第二鞘 包围的第二芯。 背景技术 0002 具有集成光信号连接的印刷电路板代表了下一代的板级 （board level） 信号连 接。所谓的光电印刷电路板 （optoelectronic printed circuit board） 是被设计用来实 现高度复杂的应用的， 这种高度复杂的应用需要产品特征的进一步微型化以及集成密度的 增加， 随之使得能够。

10、实现印刷电路板的更高的产品附加值。具有光连接的印刷电路板将被 用在如下场合 ： 需要在部件、 模块或者功能单元之间的极其高速的数据流的应用 （例如， 高 端计算机应用） ， 抵抗来自电磁场的干扰的应用 （例如， 汽车或航空应用） ， 连接长度的节省 空间的设计的应用 （例如， 移动电话应用） ， 或者与具有阻抗的铜导线相比期望节省能耗的 应用。 0003 在长距离范围中的光数据传输为人知晓已达数十年。例如， 光纤或光波导 （OWG/ LWL） 已经被用于洲际、 城际以及 “本地” 网络中的数据传递达许多年之久。光波导的使用是 为了将印刷电路板连接在一起， 甚或为了实现下一步的在印刷电路板内的集。

11、成光连接。玻 璃纤维或聚合物纤维被用作光波导， 对作为平面聚合物波导 （planar polymer waveguide） 的研究仍在进行。虽然在短距离上 （例如使用在印刷电路板上） 可被接受的平面聚合物波导 在光衰减 （optical attenuation） 方面不如玻璃纤维， 但是聚合物波导在可加工性、 可制造 性、 微型化、 设计自由度以及并非最不重要的成本方面具有巨大的优势。 0004 在印刷电路板上借助于光波导 （平面波导技术） 实现集成光连接的最大的挑战是 波导端到光电部件或到光连接器模块的连接， 这产生了到 “外部世界” 的连接， 例如到外部 的玻璃纤维电缆的连接。 发明内容 。

12、0005 本发明的目的是改善两个光波导的耦合。 0006 根据本发明， 通过具有方案 1 的特征的前述类型的光耦合系统来实现该目的。在 其他方案中说明本发明的优选实施方式。 0007 根据本发明， 在前述类型的光耦合系统中， 所述第一光波导的所述第一芯的端面 与所述第二光波导的所述第二芯的端面在耦合位置处抵接， 并且所述第二芯与所述第一芯 在轴向上对齐 ； 在所述耦合位置附近， 在预定的轴向部的至少一部分上， 所述第二光波导的 所述第二鞘与所述第一光波导的所述第一鞘一同形成在预定的部分中的光波导的包层。 0008 这具有如下优点 ： 两个待被耦合的光波导可以通过简单地将二者推在一起而沿空 间中。

13、的至少两个方向相对于彼此准确地对准。 0009 印刷电路板上的光学平面聚合物波导与玻璃纤维或聚合物纤维的耦合如下地实 说 明 书 CN 103582834 A 3 2/4 页 4 现 ： 所述第一光波导是形成于印刷电路板的具有由聚合物鞘包围的聚合物芯的聚合物光波 导。 0010 待被耦合的光波导的附加轴向对准如下地实现 ： 所述第二光波导嵌在箍中， 至少 一个第一导引装置配置于所述箍， 至少一个第二导引装置配置于所述印刷电路板， 所述第 一导引装置和所述第二导引装置被设计为使得这些导引装置相互作用以沿空间中的至少 一个方向对所述第二芯和所述第一芯进行轴向对准定位。 0011 以如下方式， 实现。

14、在用于聚合物光波导的同一制造过程 （特别是平板印刷 （lithographic） 过程） 中同时地对第二导引装置进行简便地制造 ： 由与所述聚合物光波导 相同的材料制造所述第二导引装置。 0012 印刷电路板上的光学平面聚合物波导与外部信号处理装置的耦合如下地实现 ： 所 述第二光波导是相对于所述印刷电路板而言位于外部的光波导， 所述第二光波导具有鞘和 光波导芯， 所述第二光波导特别地是玻璃纤维或聚合物纤维光波导。 0013 待被耦合的光波导的准确定位用的接触面的特别简便但是精确的制造如下地实 现 ： 至少在所述预定的轴向部的一部分中， 所述第二芯被剥去了所述第二鞘使得所述第二 芯的最初面对所。

15、述第二鞘的第一表面露出， 并且所述第一光波导被剥去了所述第一鞘的一 部分和所述第一芯使得所述第一鞘的剩余部分的最初面对所述第一芯的第二表面露出， 其 中， 所述第二芯的所述第一表面与所述第一鞘的所述第二表面接触。 0014 待被耦合的光波导的准确定位的进一步简化如下地实现 ： 至少在所述预定的轴向 部的部分中， 所述第一芯被剥去了所述第一鞘使得所述第一芯的最初面对所述第一鞘的第 三表面露出， 并且所述第二光波导被剥去了所述第二鞘的一部分和所述第二芯使得所述第 二光波导的所述第二鞘的剩余部分的最初面对所述第二芯的第四表面露出， 其中， 所述第 一芯的所述第三表面与所述第二光波导的所述第二鞘的所述。

16、第四表面接触。 附图说明 0015 参照附图， 对本发明进行更详细地解释， 其中 ： 0016 图 1 示出了在印刷电路板上的聚合物光波导的示意性局部视图， 0017 图 2 示出了在第一组装状态下根据本发明的光耦合系统的示例性实施方式的示 意性局部视图， 0018 图3示出了在第二组装状态下如图2所示的根据本发明的光耦合系统的实施方式 的示意性局部视图， 0019 图 4 示出了如图 1 所示的在印刷电路板上的聚合物光波导的俯视图， 以及 0020 图 5 示出了在图 2 和图 3 中仅示意性表示的具有玻璃纤维光波导的箍 （ferrule） 的示例性实施方式的示意性俯视图。 具体实施方式 0。

17、021 图 1 示出了在具有刚性基板 10 和附层 12 的印刷电路板上形成的聚合物光波导。 可选地， 层 10 和 12 也可以由印刷电路板的一部分制成。聚合物光波导以平面结构建立在 层 12 上并且包括第一聚合物鞘 14 以及第二聚合物鞘 16， 在聚合物鞘 14、 16 之间配置有聚 合物芯 18。聚合物芯 18 和聚合物鞘 14、 16 由相同的聚合物材料制造。聚合物芯 18 的材料 说 明 书 CN 103582834 A 4 3/4 页 5 具有比聚合物鞘 14、 16 的材料高的折射率， 由此限定光波导。 0022 根据本发明， 聚合物光波导在聚合物芯 18 的端面 20 附近、。

18、 在预定的轴向部 23 （图 2） 的部分 22 上被剥去了第二聚合物鞘 16 和聚合物芯 18， 使得第一聚合物鞘 14 的最初面 对聚合物芯 18 的第二表面 24 露出。可选地， 直接以对应的 “台阶” 制造聚合物光波导。 0023 图 2 示出了配置于箍 32 的、 具有玻璃纤维芯 28 和鞘 30 的玻璃纤维光波导 26。根 据本发明， 玻璃纤维光波导 26 在玻璃纤维芯 28 的端面 34 附近、 在预定的轴向部 23 上被剥 去了鞘 30 的一部分， 使得玻璃纤维芯 28 的最初面对鞘 30 的第一表面 36 露出， 其中， 预定 的轴向部 23 在轴向上比预定的轴向部 23 的。

19、部分 22 长。 0024 为了制造根据本发明的以光学方式连接聚合物光波导 14、 16、 18 和玻璃纤维光波 导 26 以便传导光的耦合系统， 如图 2 中的箭头 38 所示， 将如上所述制备的具有玻璃纤维光 波导 26 的箍 32 推到具有如上所述制备的聚合物光波导 14、 16、 18 的印刷电路板 10、 12 上， 使得第一表面 36 和第二表面 24 彼此面对或彼此接触。该情形如图 3 所示。可选地， 为了 光学连接， 在聚合物芯 18 的端面 20 与玻璃纤维芯 28 的端面 34 之间另外配置粘合层 （未示 出） 。根据本发明， 玻璃纤维芯 28 由此与聚合物芯 18 直接耦。

20、合。可选地， 为了机械连接， 在 刚性基板 10 的表面 25 与箍 32 的表面 37 之间设置粘合层。 0025 换句话说， 聚合物光波导 14、 16、 18 在部分 22 上呈台阶状， 玻璃纤维光波导 26 在 比部分 22 长的部分 23 上呈台阶状。结果， 端面 20、 34 彼此可靠地接触。 0026 图 4 示出了具有聚合物光波导的印刷电路板 10、 12 的俯视图。图 4 中的 x-y 坐标 轴 40 代表空间中的两个方向， 即配置于图 4 所呈现的平面的、 彼此垂直的 x 方向和 y 方向。 第三方向 z 被定向为垂直于图 4 所呈现的平面。这可以从图 1 和图 2 中的z。

21、-y 坐标轴 42 看 出。第二表面 24 确保将要沿 z 方向耦合的两个光波导的准确定位。抵接的端面 20、 34 确 保将要沿 y 方向耦合两个光波导的准确定位。 0027 为了确保将要沿x方向耦合的两个光波导的准确定位， 如可以从图4所看到的， 在 印刷电路板或印刷电路板的层12上形成横向导引结构44。 这些横向导引结构44与如可以 从图 5 看到的、 形成于箍 32 的导引孔 46 相互作用。 0028 本发明涉及可插拔的光接口， 并且该光接口从具有平面聚合物波导系统 14、 16、 18 的印刷电路板 10、 12 进入， 该光接口在待与光纤耦合的波导端具有特殊的台阶设计。在所 示实。

22、施方式中， 光耦合系统的待与聚合物光波导系统 14、 16、 18 光学且机械地连接的第二 部件是与至少一个玻璃纤维系统 30、 34 以传统方式连接的 MT 箍 （根据 IEC61754-5 标准化） 或者类似的元件， 其中， 具有玻璃纤维光波导系统 30、 34 的箍 32 和聚合物光波导系统 14、 16、 18 以这些光波导系统具有台阶设计 （图 1 和图 2） 的方式制成。现在可以将这两个部件 （印刷电路板 10、 12 和示例性的 MT 箍 32） 精确地推到一起， 从而实现在示例性使用的 MT 箍 32 中的玻璃纤维波导 26 与印刷电路板 10、 12 上的聚合物波导 14、 。

23、16、 18 之间的最佳光耦 合。为了固定的目的， 例如将两个部件粘接在一起， 即将聚合物波导 14、 16、 18 粘接在印刷 电路板 10、 12 上并将玻璃纤维波导 26 粘接于箍 32。 0029 这些部件均具有如下特性 ： 波导的端面或聚合物芯 18 与光波导芯 28 的端面 20、 34 具有非常高的光学品质， 以标记或导引件 44、 46 为基准， 使得这些部件依据波导和印刷 电路板中的机械地固定这些部件的腔 （见表面 25） 而准确地对准。该构思对多模光波导和 单模光波导均适用。 说 明 书 CN 103582834 A 5 4/4 页 6 0030 根据本发明， 由此提出如下。

24、的接口构思 （光耦合系统） ： 该构思包括在印刷电路板 10、 12 上的平面聚合物波导 14、 16、 18 与例如在 MT 箍 32 中的玻璃纤维波导 26 之间的直接 光耦合。 0031 印刷电路板10、 12配备有平面光波导14、 16、 18。 该印刷电路板包括例如FR4的刚 性基板 10、 和例如由聚酰亚胺制成的同样是刚性的 （或者还可以是柔性的） 附层 12。将光波 导 14、 16、 18 涂布于层 12， 该光波导具有以平面方式涂布的聚合物鞘 （包层 （cladding） ） 14、 已构造好的波导芯或聚合物芯 18、 和以平面方式涂布的另一个聚合物鞘 （包层） 16。聚合物。

25、 鞘或包层 14、 16 由相同的材料制造。波导芯 18 的材料具有比包层 14、 16 的材料高的折射 率， 这限定了聚合物光波导。还涂布了借助于与聚合物光波导 14、 16、 18 相同的平板印刷过 程由与聚合物光波导 14、 16、 18 相同的材料制出的横向导引结构 16。 0032 通过以如下三个结构特征精确地限定待相对于聚合物波导芯 18 进行耦合的部件 的位置的方式来构造印刷电路板 10、 12， 这三个结构特征是 ： 借助于第一级 48（图 4、 图 5） 以待被耦合的部分被导引至与端面20接触的部位的方式来限定y方向上的位置 ； 借助于由 第二表面 24 限定的第二级 50 。

26、（图 2） 来调整 z 方向上的位置 ； 借助于第三级 52 或横向导引 结构 44 来调整 x 方向上的位置。由于这三个定位结构 48、 50、 52 并不是借助于标记间接地 确定， 而是与波导结构直接连接， 所以实现了待被耦合的光波导之间的非常精确的对准。 0033 如图 5 所示， 玻璃纤维波导的一个示例性实施方式是标准 MT 箍 32。该标准 MT 箍 32 具有导引孔 46。此外， 导引孔 46 在端面上以已知方式进行抛光， 使得装配于箍 32 的纤 维在端面 34 处也具有光学品质高的接口表面 （face surface） 。箍 32 的另外一个特征是台 阶， 该台阶例如是通过研磨。

27、和抛光制成， 其中， 台阶的深度通过纤维芯28的上侧面36限定， 由此形成第四级54。 在与印刷电路板10、 12上的聚合物光波导14、 16、 18的耦合中， 第四级 54 限定了 y 方向上的位置并由此成为第一级 48 的对应方。第五级 56（图 2） 限定了 z 方 向上的位置并由此成为第二级 50 的对应方。通过已经存在于 MT 箍 32 中的非常精确地形 成的导引孔 46 限定第六级 58， 由此限定 x 方向上的位置 （第三级 52 的对应方） 。 0034 箍32与印刷电路板10、 12这两个部件能够被容易地推到一起而形成光耦合系统。 在印刷电路板 19、 12 上的平面聚合物光。

28、波导 14、 16、 18 的聚合物芯 18 与在 MT 箍 32 中的玻 璃纤维的玻璃纤维芯 28 在 x、 y 和 z 位置相对于彼此准确地定位。为改善机械稳定性， 可以 在两个表面25和37之间的接触区域中将这两个部件粘接在一起。 还可以在平面波导端 （端 面 20） 与纤维端 （端面 34） 之间涂布具有与波导芯 18、 28 匹配的折射率的光学粘合剂， 以防 止形成空气隙。 0035 通过改良的标准MT箍32或具有类似设计的元件， 本发明使得光学印刷电路板 （具 有平面光学聚合物光波导 14、 16、 18 的印刷电路板 10、 12） 能够被动地与玻璃纤维光波导的 玻璃纤维或聚合物。

29、纤维光耦合。 该光接口允许将来会在光数据传输方面发挥日益重要的作 用的光学印刷电路板与诸如已经被使用了数十年的标准光纤等相耦合。 0036 本发明能够被用于如下的所有光学应用中 ： 在这些光学应用中， 聚合物波导将通 过具有例如光纤的耦合模块被连接至印刷电路板。 应用的范围从高端计算机领域和光纤入 户 （fibre-to-the-home） 应用中的数据传输解决方案到娱乐业用的光耦合系统。 0037 根据本发明， 提供了在光纤和具有三维 （即三个相互垂直的方向） 精确对准用的结 构的印刷电路板上的聚合物波导之间的被动式耦合系统。 说 明 书 CN 103582834 A 6 1/5 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103582834 A 7 2/5 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 103582834 A 8 3/5 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103582834 A 9 4/5 页 10 图 4 说 明 书 附 图 CN 103582834 A 10 5/5 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 103582834 A 11 。