專利名稱：芯片間光互連直接耦合的光電混合印刷電路板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子領(lǐng)域、光通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著人們對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸要求的不斷提高，要求計(jì)算機(jī)處理速度向 著每秒百萬(wàn)億次、千萬(wàn)億次的超高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向發(fā)展。寬帶、高 速、大容量的信息處理和傳輸對(duì)系統(tǒng)內(nèi)印刷電路板之間、板到背板之間、 芯片之間的互連速率、帶寬和密度提出了更高的要求。傳統(tǒng)的印刷電路
板PCB上芯片間金屬線的"電互連"方式已遇到了瓶頸。由于其本身固 有的嚴(yán)重的串話，RC時(shí)延，時(shí)鐘歪斜，瓶頸阻塞和功耗急劇增加等種種 弊端，已經(jīng)不能夠滿足通信和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高速信息處理和傳輸?shù)囊蟆?然而采用"光互連"方式，這一切可以得到迎刃而解。"光互連"充分利 用了 "光"的優(yōu)勢(shì)，用光波作為信息載體，具有極高的時(shí)空帶寬積、高 速、高密度、無(wú)電磁干擾、傳輸功耗極低等優(yōu)點(diǎn)。用"光互連"替代"電 互連"，發(fā)展高速光電混合印刷電路板光互連技術(shù)，對(duì)于促進(jìn)高速光互連 集成電路信息處理和傳輸系統(tǒng)的研究，發(fā)展寬帶、高速、大容量信息通 信網(wǎng)和高性能計(jì)算機(jī)處理和傳輸系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。 光電混合印刷電路板上芯片間光互連技術(shù)，在普通印刷電路板PCB中嵌 入一層光波導(dǎo)層作為光信號(hào)傳輸通道，PCB上各芯片的信號(hào)通過(guò)垂直腔表 面發(fā)射激光器件VCSEL發(fā)射信號(hào)，PIN光接收器件接收高速信號(hào)，并通過(guò) PCB光波導(dǎo)層實(shí)現(xiàn)芯片間的光互連和信息傳輸交換。日本NTT公司提出 了一種帶芯片到芯片光互連層的光電混合印刷電路板的結(jié)構(gòu)，如圖1所 示，圖中多層印刷電路板1、光波導(dǎo)層2、 IC芯片3、 VCSEL芯片4、 PIN 芯片5、支座層6、微透鏡列陣7、焊塊8。該結(jié)構(gòu)采用了兩組微透鏡列
陣來(lái)耦合光波導(dǎo)層和光收發(fā)器件，在芯片和印刷電路板上分別制作微透 鏡列陣，對(duì)器件制作、對(duì)準(zhǔn)精度要求高、耦合困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種芯片間光互連直接耦合的光電混合印刷電路板，目 的在于實(shí)現(xiàn)芯片間光互連的無(wú)透鏡直接光耦合、光學(xué)元件少、耦合結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、光收發(fā)模塊可拔插。
本發(fā)明的一種芯片間光互連直接耦合的光電混合印刷電路板，垂直
腔表面發(fā)射激光器件和PIN光接收器件采用BGA可拔插管座安放在印刷 電路板上，印刷電路板中嵌有水平光波導(dǎo)層，其特征在于
所述垂直腔表面發(fā)射激光器件和PIN光接收器件分別通過(guò)垂直嵌入 印刷電路板的光耦合接頭與所述水平光波導(dǎo)層光耦合；
所述光耦合接頭由下定位片、光纖列陣、上蓋片組成，下定位片為 刻有平行矩形槽的石英玻璃片，光纖列陣嵌入到平行矩形槽中，光纖列 陣上壓有短于下定位片的石英玻璃上蓋片，并用UV紫外膠固化在一起； 上蓋片、下定位片的一端連同嵌入的光纖列陣一起拋成與光纖列陣垂直 的光學(xué)平面，與垂直腔表面發(fā)射激光器件的發(fā)光窗口或PIN光接收器件 的光接收窗口直接貼近；下定位片與光纖列陣的另一端一起拋光成45° 端面，插入水平光波導(dǎo)層；光纖列陣45°端面對(duì)準(zhǔn)水平光波導(dǎo)層光波導(dǎo)芯 層，水平光波導(dǎo)層光波導(dǎo)芯層端面與光纖列陣表面的距離小于100pm。
所述的光電混合印刷電路板，其特征在于所述光纖列陣光纖與光 纖之間的間距為127idm或者250pm。
本發(fā)明采用光耦合接頭，垂直腔表面發(fā)射激光器件VCSEL發(fā)出的光
束通過(guò)光耦合接頭的直角端面直接進(jìn)入光耦合接頭中，在另一 45°端面經(jīng) 反射轉(zhuǎn)變90°后入射到印刷電路板的光波導(dǎo)層中，整個(gè)光耦合過(guò)程未用到 微透鏡列陣，直接光耦合，光學(xué)元件少，耦合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耦合容易。同 時(shí)VCSEL激光器和PIN光接收器件采用BGA可拔插管座，插到帶光波 導(dǎo)層的印刷電路板上，易于器件的連接與更換?？捎糜趯拵?、高速、大 容量信息通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和高性能計(jì)算機(jī)處理和傳輸系統(tǒng)。


圖1:現(xiàn)有嵌有光波導(dǎo)層的光電混合印刷電路板結(jié)構(gòu)示意圖2:本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖3:本發(fā)明光耦合接頭直接光耦合示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中標(biāo)記多層印刷電路板l，光波 導(dǎo)層2， IC芯片3， VCSEL芯片4，PIN芯片5，驅(qū)動(dòng)電路芯片9，跨阻放 大電路芯片10， VCSEL接口電路板11， PIN接口電路板12，銅熱沉管 座13， BGA引線腳管座14，垂直腔表面發(fā)射激光器件15， PIN光接收 器件16，光耦合接頭17。
垂直腔表面發(fā)射激光器件15由VCSEL芯片4、驅(qū)動(dòng)電路芯片9、 VCSEL接口電路板11粘結(jié)在銅熱沉管座13上組成，BGA引線腳管座 14焊接在VCSEL接口電路板11上。
多層印刷電路板1各層為FR4材料，光波導(dǎo)層2為聚合物光波導(dǎo)， 作為多層印刷電路板中的光互連層嵌入到多層印刷電路板中，提供光信 號(hào)的傳輸通道。垂直腔表面發(fā)射激光器件15由VCSEL芯片4，驅(qū)動(dòng)電 路芯片9， VCSEL接口電路板11，銅熱沉管座13和BGA引線腳管座14 構(gòu)成，BGA引線腳管座14通過(guò)與印刷電路板上BGA引線管腳相連，將印刷電路板上的集成電路IC芯片3與垂直腔表面發(fā)射激光器件15的接 口電路板實(shí)現(xiàn)電的連接，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路芯片9將印刷電路板上的集成 電路IC芯片的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成VCSEL光窗口的光發(fā)射驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)VCSEL 光窗口發(fā)射光信號(hào)光束，實(shí)現(xiàn)電——光轉(zhuǎn)換。
VCSEL光發(fā)射光束由光耦合接頭17的平面一端直接耦合進(jìn)入光耦合 接頭的光纖通道中，無(wú)需透鏡耦合。在另一45°端面經(jīng)反射后，改變90° 方向后直接耦合進(jìn)入嵌入到印刷電路板中的光波導(dǎo)中。
在光波導(dǎo)中傳輸?shù)墓庑盘?hào)光束傳輸?shù)焦獠▽?dǎo)的另一端，直接耦合進(jìn) 入到另一光耦合接頭的45°端面上，經(jīng)45。端面反射后，改變90。方向后 向上傳送到光耦合接頭的平面一端，在該端出射后直接耦合進(jìn)入PIN光 接收器件的PIN光探測(cè)器芯片的光窗口中。
PIN光接收器件16由PIN芯片5、跨阻放大電路芯片IO、 PIN接口 電路板12粘結(jié)在銅熱沉管座13上組成，BGA引線腳管座14焯接在PIN 接口電路板12上。
BGA引線腳管座14通過(guò)與印刷電路板上BGA引線管腳相連，將印 刷電路板上的IC集成電路芯片與PIN光接收器件的接口電路板實(shí)現(xiàn)電的 連接，PIN光探測(cè)器芯片的光窗口通過(guò)光波導(dǎo)和光耦合接頭接收到來(lái)自 VCSEL光窗口的光發(fā)射信號(hào)后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并通過(guò)跨阻放大電路芯片 將電信號(hào)放大，實(shí)現(xiàn)光——電轉(zhuǎn)換。通過(guò)BGA引線腳管座與印刷電路板 上BGA引線管腳相連，將轉(zhuǎn)變后的電信號(hào)傳送到印刷電路板上的另一集 成電路IC芯片上，實(shí)現(xiàn)芯片到芯片間的信號(hào)傳輸。由于每個(gè)IC集成電 路芯片都有一對(duì)光發(fā)射/接收模塊，故可以同時(shí)進(jìn)行芯片到芯片間的雙 向光發(fā)射/接收信號(hào)，實(shí)現(xiàn)芯片間的雙向光互連通信。
光耦合接頭直接光耦合如圖3所示。圖中各部分為VCSEL芯片4.，光
耦合接頭17， VCSEL發(fā)光窗口18，光纖列陣19，下定位片20,上蓋片21,光 波導(dǎo)層22,光波導(dǎo)芯層23，光波導(dǎo)上包層24,光波導(dǎo)下包層25。光耦合接
頭17可以將垂直腔表面發(fā)射激光器件VCSEL發(fā)出的光信號(hào)轉(zhuǎn)變90°方向后 直接耦合到光波導(dǎo)芯層23中，或?qū)?lái)自光波導(dǎo)芯層23的光信號(hào)轉(zhuǎn)變90。方 向后直接耦合到光探測(cè)器P頂窗口上。光耦合接頭17由光纖列陣耦合接頭 下定位片20、光纖列陣19、上蓋片21組成，光纖列陣耦合接頭下定位片 為刻有平行矩形槽的石英玻璃片，矩形槽用于鑲嵌光纖用，并起到光纖 定位的作用，光纖列陣嵌入到石英玻璃片的平行矩形槽中，光纖與光纖 之間的間距為127pm或250pm，以便與VCSEL激光器列陣的發(fā)光窗口或 光探測(cè)器PIN列陣的光接收窗口相匹配。光纖列陣上壓上一塊石英玻璃上 蓋片，并用UV紫外膠將光纖列陣耦合接頭下定位片、光纖列陣和石英玻 璃上蓋片固化在一起。石英玻璃上蓋片一端與光纖列陣耦合接頭下定位 片的一端與嵌入的光纖列陣一起拋成光學(xué)平面。光纖列陣耦合接頭下定 位片的另一端與光纖列陣的另一端一起拋光成45°端面。石英玻璃上蓋片 比光纖列陣耦合接頭下定位片短，其另一端面與光纖列陣45°耦合端面的 距離可以使得光波導(dǎo)深入到貼近光纖列陣的地方，光波導(dǎo)端面與光纖列 陣45。耦合端面間的距離小于100^im，可使來(lái)自光纖列陣的光束經(jīng)45。耦合 端面反射90。后，直接進(jìn)入光波導(dǎo)中，或光波導(dǎo)中的光束經(jīng)光纖列陣45。耦 合端面反射90。后，直接進(jìn)入到光纖列陣耦合接頭中。光纖列陣耦合接頭 的另一平行端面，與VCSEL激光器列陣的發(fā)光窗口或光探測(cè)器PIN列陣的 光接收窗口直接貼近，便于與VCSEL激光器列陣或光探測(cè)器PIN列陣的雙 向直接光耦合。這樣，通過(guò)光耦合接頭，可以實(shí)現(xiàn)VCSEL激光器列陣或 光探測(cè)器PIN列陣與帶光波導(dǎo)互連層的光電混合印刷電路板中的光波導(dǎo)
的雙向直接光耦合，克服了常規(guī)透鏡耦合方法帶來(lái)的不便之處。
權(quán)利要求
1.一種芯片間光互連直接耦合的光電混合印刷電路板，垂直腔表面發(fā)射激光器件和PIN光接收器件采用BGA可拔插管座安放在印刷電路板上，印刷電路板中嵌有水平光波導(dǎo)層，其特征在于所述垂直腔表面發(fā)射激光器件和PIN光接收器件分別通過(guò)垂直嵌入印刷電路板的光耦合接頭與所述水平光波導(dǎo)層光耦合；所述光耦合接頭由下定位片、光纖列陣、上蓋片組成，下定位片為刻有平行矩形槽的石英玻璃片，光纖列陣嵌入到平行矩形槽中，光纖列陣上壓有短于下定位片的石英玻璃上蓋片，并用UV紫外膠固化在一起；上蓋片、下定位片的一端連同嵌入的光纖列陣一起拋成與光纖列陣垂直的光學(xué)平面，與垂直腔表面發(fā)射激光器件的發(fā)光窗口或PIN光接收器件的光接收窗口直接貼近；下定位片與光纖列陣的另一端一起拋光成45°端面，插入水平光波導(dǎo)層；光纖列陣45°端面對(duì)準(zhǔn)水平光波導(dǎo)層光波導(dǎo)芯層，水平光波導(dǎo)層光波導(dǎo)芯層端面與光纖列陣表面的距離小于100μm。
2. 如權(quán)利要求l所述的光電混合印刷電路板，其特征在于所述光 纖列陣光纖與光纖之間的間距為127pm或者250pm。
全文摘要
芯片間光互連直接耦合的光電混合印刷電路板，屬于光電子、光通信領(lǐng)域，目的在于實(shí)現(xiàn)芯片間光互連的無(wú)透鏡直接光耦合、耦合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光收發(fā)模塊可拔插。本發(fā)明中，垂直腔表面發(fā)射激光器件和PIN光接收器件分別通過(guò)光耦合接頭與嵌入印刷電路板的光波導(dǎo)層光耦合；光耦合接頭由下定位片、光纖列陣、上蓋片組成，光纖列陣嵌入到下定位片的平行矩形槽中，上壓有上蓋片，并用UV紫外膠固化；上蓋片、下定位片的一端連同光纖列陣拋成光學(xué)平面，下定位片與光纖列陣的另一端一起拋光成45°端面；本發(fā)明光學(xué)元件少、直接光耦合、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光收發(fā)模塊可拔插；可用于寬帶、高速、大容量信息通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和高性能計(jì)算機(jī)處理和傳輸系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G02B6/42GK101344624SQ20081004846
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月17日
發(fā)明者曹明翠, 羅風(fēng)光 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)