專利名稱：具有正反饋和模式轉(zhuǎn)換的光學底板連接器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖連接領(lǐng)域，具體地說，涉及纖維帶狀光纜與電路板上模塊的連接。
背景技術(shù)：
在未來的25年中將突出地顯示出將光學底板相互連接成大服務(wù)器(520兆兆位容量)的需求。
長期以來人們已經(jīng)認識到，使用850nm，1300nm或1500nm激光光源的長距離(＞1km)光纖鏈路需要進行模式調(diào)節(jié)。例如，IEEE 802.3z千兆位以太網(wǎng)標準規(guī)定，在多模光纜線路設(shè)備上使用1300nm激光光源(對于單模光纖最適宜)時使用偏移發(fā)射模調(diào)節(jié)器(offset launch mode conditioners)，不這樣做則會導致過大的模式噪聲和微分模延遲，包括產(chǎn)生誤碼率基數(shù)(biterror rate floors)的相位噪聲(參見例如，Optical Engineering on Fiber OpticData Communications特刊，vol.37，no.12，1998年12月)。在光學底板中將出現(xiàn)同樣的問題，即使距離短得多也不例外。不過，上述偏移發(fā)射條件不能擴展到底板，因為將印制卡(printed circuit card)插入底板中時所能實現(xiàn)的機械容差不夠大(長光纖使用的解決方案要求小于10微米允許容差)。
包括使用透鏡系統(tǒng)重新將光信號分配到多模光纖中的其它可能的模式調(diào)節(jié)方法同樣也要求超高精度。而且，所述方法不易于擴展到具有矩形幾何形狀和更大芯徑(＞100微米，與之相比，常規(guī)的光纖芯為50和62.5微米直徑)的多模波導。
人們已經(jīng)提出了多種類型的光纖空間轉(zhuǎn)換器，使大陣列光纖能擺脫有限空間、如卡片邊緣(card edges)或MCM包(MCM packages)的限制(參見例如C.DeCusatis，L.Jacobowitz，和M.Ecker，“Substrate embeddedpluggable receptacle for connecting clustered optical cables to a multichipmodule”，1994年7月授權(quán)的專利.5,333,225號)。該專利文件沒有涉及到這種應用中可能需要的模式轉(zhuǎn)換或模式混合器的問題。
當使用光纖代替用于計算機和連網(wǎng)設(shè)備中印制板(PCBs)的銅布線時，保證卡插入底板時有效地實現(xiàn)光學連接很重要。尋找連接故障將耗費大量時間。電連接器可提供反饋，如將其插入底板中時指示燈亮，而傳統(tǒng)光學連接器在進行良好連接時不能實現(xiàn)相同程度的確認。通常，希望在其余光鏈路起作用(激光器，接收器等)之前將卡插入底板，期望在需要時該光學連接能夠起作用。這樣做可以使維護時間最短，或者避免潛在的激光眼(potential laser eye)的安全問題(接通光學裝置電源，而未加保護的維護人員處于該區(qū)域內(nèi))。如果電連接器位于光連接器附近，則電連接器的正閉鎖并非必須與光連接器的正閉鎖一致。除非光學底板連接器可同樣保證當前電連接器所提供的連接，否則在底板中采用光學技術(shù)將受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在實現(xiàn)光學底板連接時提供正的保持信號(指示燈)，而且，可根據(jù)連接器的反饋信號確定光學連接的質(zhì)量。該連接器不需要從光學系統(tǒng)其它處提供光，也不需要嵌入連接器主體內(nèi)的昂貴的有源光學部件。
因此，在所屬領(lǐng)域中需要一種能對可制造的光纜進行可移動連接的設(shè)備，并能進行適當?shù)膶?，而無需費時的對準過程。此外，需要一種在光學底板中移動多?；騿文＝橘|(zhì)混合物時能對光信號進行模式混合的設(shè)備。
本發(fā)明通過一種適用于印制板(PCB)與底板連接器的集成模式混合器可解決相位噪聲問題。
本發(fā)明的一特征在于光纜連接器與系統(tǒng)部件之間的接口，該接口可將所述光纜上的單模光轉(zhuǎn)換成滿足系統(tǒng)板上多模波導的模式混合。
本發(fā)明的一特征在于所述?；旌辖涌谖挥诮Y(jié)合到一基底上的模塊中。
本發(fā)明的另一特征在于?；旌辖涌谖挥诮Y(jié)合到一基底上的模塊與所述光纜之間的適配器中。
本發(fā)明再一特征在于將光纖間距從光纜間距調(diào)節(jié)成模塊間距。
本發(fā)明的又一特征在于具有一金屬接觸點、在適當設(shè)置連接器時形成導電路徑的光纖連接器。
本發(fā)明的另一特征在于具有一金屬接觸點、在適當設(shè)置連接器時改變電容值的光纖連接器。


圖1部分以圖解形式、部分以示意形式表示出使用本發(fā)明的系統(tǒng)；圖2表示圖1系統(tǒng)的一部分；圖3以分解方式表示用于本發(fā)明的接口模塊；圖4A至4E表示用于本發(fā)明的耦合機構(gòu)；圖5A至5B表示用于本發(fā)明的反饋連接器；圖6A至6B表示用于本發(fā)明的另一種反饋連接器。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照圖1，該圖表示出一種簡化形式的電子電路系統(tǒng)，諸如大規(guī)模計算機體系結(jié)構(gòu)中用于路由信號的電路系統(tǒng)等。所示部分為該系統(tǒng)中各板或裝置之間的一組連接。每一塊都包括典型邏輯或信號處理模塊104-1的板102-1由帶狀光纜115-1連接。這種光纜中的光纖一般為單模光纖，而通過平版印刷技術(shù)在基底中形成的波導是多模的。纖芯直徑遠小于50-250微米的標準波導尺寸，同時光纖外徑也小于125微米。單模光纖的直徑為9微米，多模光纖的直徑為50或62.5微米，大多數(shù)塑料光纖的直徑為100微米或更小。
圖示中的例子可適用于在多模光纖/波導范圍內(nèi)的850nm激光器和1300nm或1550nm激光器兩者。在前一種情形中，可能需要模式調(diào)節(jié)來避免優(yōu)先模式激發(fā)。在后一種情形中，可能需要模式調(diào)節(jié)來避免微分模延遲。這兩種實施方式均需要用相同幾何形狀的構(gòu)件來實現(xiàn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很方便地對所示例子進行調(diào)整，以滿足需要。
為了在單模光纖與多模光纖或波導之間進行有效耦合，將插入底板中的波導端部制造成錐形或者部分球形的伸長部分，具體幾何形狀與感興趣的波長有關(guān)。可用平版印刷制得這種錐形(例如，在氧氮化硅波導中)，或者隨后作為玻璃或模制塑料零件而固定。來自輸入光纖/波導發(fā)出的光在進入模式混合區(qū)域時發(fā)生強散射，并且每束輸入光線在耦合到輸出多模光纖/波導的支持模式(supported mode)中之前經(jīng)歷至少一次反射，優(yōu)選經(jīng)歷多次反射。結(jié)果，輸出波導中的所有模式能均勻激發(fā)，并且模色散最小，從而可獲得橫過底板的距離更長以及更低的誤碼率。
現(xiàn)在參照圖2，該圖用透視方式表示出圖1中所示系統(tǒng)的細節(jié)，其中基底102支撐一組光、電或混合模塊104。在該圖中心處，兩個所述模塊104接收來自圖中未示出的穿過耦合元件110的帶狀光纜的光輻射。耦合器110接收來自帶狀電纜的光，并將其傳輸?shù)絾卧?04，需要時改變各信號通道(光纖或波導)的間距，并處理光的空間分布，以提供有效耦合。元件110安裝到形成在基底102上的凹進部分112中(具有對準孔103)，并使光通過一組槽口105。優(yōu)選所述槽口105與元件110表面上的相應凸起匹配，光穿過該區(qū)域?；蛘?，可由與光傳輸分開的機械定位裝置進行對準，但最好采用上句中所描述的方式。
通過任何傳統(tǒng)方法將模塊104安裝到板102上的電觸點上，并通過本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的技術(shù)進行對準。由于模塊104和110為固定安裝，與反復移動和更換相比更容易對準。這種方法的顯著優(yōu)點在于，考慮了在電路板系統(tǒng)或多片模塊包內(nèi)光接口位置處的平版印刷容差。
在耦合器110右側(cè)設(shè)有供纖維帶狀光纜粗對準的槽口114。圖3中更加詳細地示出了耦合器110，其中底板112包括一組間距與模塊104匹配的槽口124和間距與光纜匹配的第二組槽口126。作為槽口126與124之間連接的一個例子，圖中示出了一根光纖122-c。該光纖稱之為模式轉(zhuǎn)換單元，其將來自光纜的單模輻射轉(zhuǎn)換成多模式。在光纖122-c右端，第一接口處的圓125示意性地表示下圖4A至4E中所示模式轉(zhuǎn)換耦合器組中之一。如果需要，可以使用一任選的大體積透鏡127作為柱面透鏡，將來自光纜的發(fā)散光聚焦到光纖122-c中。或者，可以將耦合器125設(shè)置在耦合器110與單元104之間的第二接口處。
圖4A至4E表示一組轉(zhuǎn)換耦合器。從圖4A和4B開始示意性地說明通過平版印刷技術(shù)用氧氮化硅在硅基底上形成波導410的情況。通過傳統(tǒng)技術(shù)將四個分別處于頂部和底部的平面反射元件422和424以及左側(cè)和右側(cè)的平面反射元件426和428與導波410結(jié)合。將所述四塊板設(shè)計成錐形，將圖右側(cè)光纖450表面451發(fā)散的光反射到波導的面411中，部分光可通過波導的所述表面之一進入。優(yōu)選(但不必需)經(jīng)過多次反射來增加?；旌狭?。雖然在圖4B的正視圖中看出元件422與元件428在它們的公共邊處結(jié)合，但在圖4A中可以看出，不存在公共邊。標號423表示僅在一點接觸的元件422與428之間的空氣隙。同樣，標號427表示元件428與424之間的空氣隙。如果需要，可以使四側(cè)在它們的公共邊處結(jié)合，以增加強度。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，所示結(jié)構(gòu)適合于光從光纖450傳播到波導。
參照圖4C，該圖示出了一種適合于光從波導410的面411傳播到光纖450的面451并被錐形件460聚集的結(jié)構(gòu)。如果光沿兩個方向傳播，則可將一錐形件設(shè)置在圖4A的光纖450上。
然后，在圖4D中示出了波導410與光纖450之間的一種對稱結(jié)構(gòu)。兩個半球形透鏡455將來自一傳輸元件的光聚焦到另一透鏡上。具有尺寸454(大約100微米)的空氣隙452分隔所述兩個透鏡，優(yōu)選所述透鏡具有使光聚焦到另一透鏡中的焦距。
圖4E表示另一種可選擇的方案，其中通過平版印刷技術(shù)在形成波導410的同時形成所述轉(zhuǎn)換耦合器。在這種情況下，圖3的基底112為適合于平版印刷操作的硅或其它基底。在圖4E中用支撐件125取代V形槽口支撐件125，其中取代光纖122-c的光纖410-c具有與波導同時形成的轉(zhuǎn)換元件425。元件425從其表面上的最初寬度逐漸縮小成與波導410相同的波導寬度。這種結(jié)構(gòu)不具備圖4A至4C結(jié)構(gòu)的垂直聚集特性，卻具有可使用眾所周知的半導體制造技術(shù)的優(yōu)點。有利的是，在模塊104的間距與光纜的間距相同時，元件425可以設(shè)置在圖1或2中模塊104的接口處，從而無需對單元110進行空間間距轉(zhuǎn)換。在圖1和2所示結(jié)構(gòu)中，耦合器110與模塊104相鄰。而在圖4E所示結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在系統(tǒng)模塊104內(nèi)。
圖5A和5B分別示出了單光纖和帶狀連接器中反饋機構(gòu)的接觸點。如今可通過很多商業(yè)來源得到具有金屬涂層的光纖，也可以將連接器主體的其它表面如套管的前表面金屬化。許多連接器具有平坦拋光的或極大的凸半徑(基本平坦)的特征，使纖芯之間能進行玻璃與玻璃的物理接觸。例如在典型的彈性載荷雙口光連接器中，通過這種方法可使半徑超過300微米的表面區(qū)域物理接觸。而光纖芯直徑卻小得多(單模光纖直徑為9微米，多模光纖為50或62.5微米，大多數(shù)塑料光纖為100微米或更小)，同時光纖外徑也小于125微米。因此，與光纖同時實現(xiàn)物理接觸的連接器中存在額外的表面區(qū)域。在本發(fā)明的一實施方式中，將所述套管前表面上的一小區(qū)域455金屬化，因而當所述套管的中心部分處于光接觸時，所述金屬也形成電接觸。要求所述金屬涂層足夠薄，以便對光插入沒有任何阻礙作用，實際上，在任何情況下彈性載荷連接器作用力常使套管端面稍稍變形。如圖5A所示可對所述金屬表面構(gòu)圖，形成用于連接對準的目標，例如保證旋轉(zhuǎn)對稱。圖5B中示出了多纖維帶狀電纜的相應例子。因為金屬閃鍍層(themetal flash coating)易于沉積在多種基底上，所述技術(shù)適用于陶瓷套管和熱塑性多光纖終端套管兩者以及其它材料。在這種情形中，在光接觸的同時可實現(xiàn)電接觸，并且可在橫過光連接器上接通低壓/電流電路(稱為指示電路)?？梢杂迷撾娐穯又甘緹艨刂齐娐贰＠?，當連接器正確插入時，指示燈顯示綠光顯示，而在沒有正確插入時顯示紅光。任何阻止表面實現(xiàn)光接觸的灰塵或較大的污染物也將阻止電路接通。因此，該連接器可對因灰塵或其它問題導致的接觸不良發(fā)出警告。
在另一實施方式中，如圖6A所示，金屬涂層612可以從一個套管的所述表面稍稍突出，而相應涂層610從另一套管的該表面稍稍縮進。這可通過標準的光刻構(gòu)圖方法、或者通過適當拋光或研磨套管或金屬實現(xiàn)。這種卡口連接方法可保證僅在套管物理接觸時產(chǎn)生電接觸信號。光纖的所述表面之間的距離為距離613減去距離611。設(shè)計時可選擇地規(guī)定這兩個距離相等，或者將所述間隔設(shè)計成使兩光纖表面之間存在空氣隙。
在又一實施方式中，連接一測量接口電容的電路。電路460測量兩個電性分離的金屬元件622與624之間的電容。當具有金屬套管625的光纖450處于適當位置時，電容將按照可預測的方式改變。如果光纖沒有接觸，則利用電容測量可確定金屬接觸點之間的間距。由于金屬間距還可確定光纖的相對間距，因此，可以估計連接損耗，并在間隙/損耗超過一定限度時給出指示。這在難以在整個光纖陣列上實現(xiàn)真正物理接觸的多光纖連接器中尤為有用。通過對何時實現(xiàn)良好插入給出反饋，本發(fā)明還能放寬光連接器的容差，并相應降低成本。
這種系統(tǒng)在具有大陣列光纖帶狀電纜的平行光鏈路中尤為有用，因為大陣列連接器上容差的擺動使之更加難以保證該陣列中所有光纖的物理接觸?？梢来斡筛鬟B接器的連接電路460監(jiān)測該陣列中各光纖的光接觸。系統(tǒng)操作人員可以測量電容，并將該接口處電容測量結(jié)果與預期的光損耗聯(lián)系起來，使本發(fā)明可用作間接光功率計。值得一提的是，使用有金屬鍍層的光纖的本發(fā)明實施方式也適用于不使用套管的對接耦合連接器或基于漸逝耦合(evanescent coupling)而非對接耦合的連接器。應該涂覆足夠厚度的金屬涂層，以防止在插入次數(shù)非常多之后金屬發(fā)生磨損(估計20微米鋁涂層可經(jīng)受200次插入而不積累過量磨損)。另一種可能的實施方式包括在金屬頂面上使用具有已知厚度和介電常數(shù)的保護涂層。該涂層用于保護所述金屬不受磨損和短路，而且依然可測量連接器間隔的電容。
雖然上文結(jié)合優(yōu)選實施方式對本發(fā)明進行了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應意識到，在所附的權(quán)利要求書的構(gòu)思和所要求的保護范圍內(nèi)可以作出多種改變。
權(quán)利要求
1.一種光接口模塊，用于在包括至少兩根光纖的連接器與系統(tǒng)模塊中至少兩個相應光傳輸元件之間耦合光輻射，其包括一與所述連接器耦合的第一接口；和一與所述至少兩個相應光傳輸元件耦合的第二接口；其中所述第一和第二接口的至少一個包括一適合于在不同模式之間耦合光的模式轉(zhuǎn)換單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光接口模塊，其中所述模式轉(zhuǎn)換單元在所述第二接口處靠近所述系統(tǒng)模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光接口模塊，其中所述兩個相應的光傳輸元件包括設(shè)置在一基底上的矩形波導，而且所述模式轉(zhuǎn)換單元包括一段多模光纖，借此使從所述連接器發(fā)出的光耦合到所述多模光纖的多個模式中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光接口模塊，其中所述模式轉(zhuǎn)換單元包括在所述第一接口處圍繞所述多模光纖設(shè)置的一反射材料錐形件，借此使所述連接器發(fā)出的光被耦合到所述多模光纖的多個模式中。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光接口模塊，其中所述兩個相應的光傳輸元件包括設(shè)置在一基底上的矩形波導，而且所述模式轉(zhuǎn)換單元包括圍繞所述波導設(shè)置的一組反射板，借此使所述連接器發(fā)出的光被耦合到所述波導的多個模式中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光接口模塊，其中所述矩形波導從所述基底伸出，并且所述模式轉(zhuǎn)換單元包括圍繞所述波導設(shè)置的一組反射板。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光接口模塊，其中所述反射板組圍繞所述波導的三側(cè)設(shè)置。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光接口模塊，其中所述兩個相應的光傳輸元件包括設(shè)置在一基底上的矩形波導，而且所述模式轉(zhuǎn)換單元為從初始寬度逐漸縮小到與所述波導匹配的波導寬度的一錐形光楔，借此使所述連接器發(fā)出的光被耦合到所述波導的多個模式中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光接口模塊，其中所述模式轉(zhuǎn)換單元在所述第一接口處靠近所述連接器，而且該單元適合于將所述連接器發(fā)出的單模輻射轉(zhuǎn)換成所述至少兩個光纖中的多模輻射。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光接口模塊，其中所述模式轉(zhuǎn)換單元包括在所述第一接口處圍繞所述多模光纖設(shè)置的一反射材料錐形件，借此使所述連接器發(fā)出的光被耦合到所述多模光纖的多個模式中。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光接口模塊，其中所述模式轉(zhuǎn)換單元包括所述至少兩根光纖共用的并且設(shè)置在所述第一接口處的一柱形透鏡。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光接口模塊，其中所述模式轉(zhuǎn)換單元包括在所述第一接口處圍繞所述多模光纖設(shè)置的一反射材料錐形件，借此使所述連接器發(fā)出的光被耦合到所述多模光纖的多個模式中。
13.一種光接口模塊，用于在包括至少兩根光纖的連接器與系統(tǒng)模塊中至少兩個相應光傳輸元件之間耦合光輻射，其包括一與所述連接器耦合的第一接口，其中所述連接器具有一組與每根光纖有關(guān)的在連接器正確接合時產(chǎn)生電效應的相應導體。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光接口模塊，其中當所述連接器正確接合時所述相應的導體與指示電路電連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光接口模塊，其中所述相應的導體在所述連接器正確接合時給出指示電路的參考電容值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于纖維光學光纜的連接器系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用設(shè)置在光纜連接器與接收光信號的系統(tǒng)部件之間的接口模塊，將光纜上的單模光轉(zhuǎn)換成模式混合，并提供給系統(tǒng)板上的多模波導，借此減小模式噪聲和微分模延遲。一種特殊的連接器，產(chǎn)生反映光連接是否處于技術(shù)要求之內(nèi)的電信號。
文檔編號G02B6/14GK1497284SQ03158700
公開日2004年5月19日 申請日期2003年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月25日
發(fā)明者勞倫斯·雅各博維茨, 約翰·U·尼克博克, 卡西默·M·德庫薩蒂斯, 卡梅倫·J·布魯克斯, J 布魯克斯, M 德庫薩蒂斯, U 尼克博克, 勞倫斯 雅各博維茨 申請人:國際商業(yè)機器公司