具有正反馈和模式转换的光学底板连接器的制作方法

专利名称：具有正反馈和模式转换的光学底板连接器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤连接领域，具体地说，涉及纤维带状光缆与电路板上模块的连接。
背景技术：
在未来的25年中将突出地显示出将光学底板相互连接成大服务器(520兆兆位容量)的需求。
长期以来人们已经认识到，使用850nm，1300nm或1500nm激光光源的长距离(＞1km)光纤链路需要进行模式调节。例如，IEEE 802.3z千兆位以太网标准规定，在多模光缆线路设备上使用1300nm激光光源(对于单模光纤最适宜)时使用偏移发射模调节器(offset launch mode conditioners)，不这样做则会导致过大的模式噪声和微分模延迟，包括产生误码率基数(biterror rate floors)的相位噪声(参见例如，Optical Engineering on Fiber OpticData Communications特刊，vol.37，no.12，1998年12月)。在光学底板中将出现同样的问题，即使距离短得多也不例外。不过，上述偏移发射条件不能扩展到底板，因为将印制卡(printed circuit card)插入底板中时所能实现的机械容差不够大(长光纤使用的解决方案要求小于10微米允许容差)。
包括使用透镜系统重新将光信号分配到多模光纤中的其它可能的模式调节方法同样也要求超高精度。而且，所述方法不易于扩展到具有矩形几何形状和更大芯径(＞100微米，与之相比，常规的光纤芯为50和62.5微米直径)的多模波导。
人们已经提出了多种类型的光纤空间转换器，使大阵列光纤能摆脱有限空间、如卡片边缘(card edges)或MCM包(MCM packages)的限制(参见例如C.DeCusatis，L.Jacobowitz，和M.Ecker，“Substrate embeddedpluggable receptacle for connecting clustered optical cables to a multichipmodule”，1994年7月授权的专利.5,333,225号)。该专利文件没有涉及到这种应用中可能需要的模式转换或模式混合器的问题。
当使用光纤代替用于计算机和连网设备中印制板(PCBs)的铜布线时，保证卡插入底板时有效地实现光学连接很重要。寻找连接故障将耗费大量时间。电连接器可提供反馈，如将其插入底板中时指示灯亮，而传统光学连接器在进行良好连接时不能实现相同程度的确认。通常，希望在其余光链路起作用(激光器，接收器等)之前将卡插入底板，期望在需要时该光学连接能够起作用。这样做可以使维护时间最短，或者避免潜在的激光眼(potential laser eye)的安全问题(接通光学装置电源，而未加保护的维护人员处于该区域内)。如果电连接器位于光连接器附近，则电连接器的正闭锁并非必须与光连接器的正闭锁一致。除非光学底板连接器可同样保证当前电连接器所提供的连接，否则在底板中采用光学技术将受到限制。

发明内容
本发明要解决的技术问题是在实现光学底板连接时提供正的保持信号(指示灯)，而且，可根据连接器的反馈信号确定光学连接的质量。该连接器不需要从光学系统其它处提供光，也不需要嵌入连接器主体内的昂贵的有源光学部件。
因此，在所属领域中需要一种能对可制造的光缆进行可移动连接的设备，并能进行适当的对准，而无需费时的对准过程。此外，需要一种在光学底板中移动多模或单模介质混合物时能对光信号进行模式混合的设备。
本发明通过一种适用于印制板(PCB)与底板连接器的集成模式混合器可解决相位噪声问题。
本发明的一特征在于光缆连接器与系统部件之间的接口，该接口可将所述光缆上的单模光转换成满足系统板上多模波导的模式混合。
本发明的一特征在于所述模混合接口位于结合到一基底上的模块中。
本发明的另一特征在于模混合接口位于结合到一基底上的模块与所述光缆之间的适配器中。
本发明再一特征在于将光纤间距从光缆间距调节成模块间距。
本发明的又一特征在于具有一金属接触点、在适当设置连接器时形成导电路径的光纤连接器。
本发明的另一特征在于具有一金属接触点、在适当设置连接器时改变电容值的光纤连接器。


图1部分以图解形式、部分以示意形式表示出使用本发明的系统；图2表示图1系统的一部分；图3以分解方式表示用于本发明的接口模块；图4A至4E表示用于本发明的耦合机构；图5A至5B表示用于本发明的反馈连接器；图6A至6B表示用于本发明的另一种反馈连接器。
具体实施例方式
现在参照图1，该图表示出一种简化形式的电子电路系统，诸如大规模计算机体系结构中用于路由信号的电路系统等。所示部分为该系统中各板或装置之间的一组连接。每一块都包括典型逻辑或信号处理模块104-1的板102-1由带状光缆115-1连接。这种光缆中的光纤一般为单模光纤，而通过平版印刷技术在基底中形成的波导是多模的。纤芯直径远小于50-250微米的标准波导尺寸，同时光纤外径也小于125微米。单模光纤的直径为9微米，多模光纤的直径为50或62.5微米，大多数塑料光纤的直径为100微米或更小。
图示中的例子可适用于在多模光纤/波导范围内的850nm激光器和1300nm或1550nm激光器两者。在前一种情形中，可能需要模式调节来避免优先模式激发。在后一种情形中，可能需要模式调节来避免微分模延迟。这两种实施方式均需要用相同几何形状的构件来实现。本领域技术人员可以很方便地对所示例子进行调整，以满足需要。
为了在单模光纤与多模光纤或波导之间进行有效耦合，将插入底板中的波导端部制造成锥形或者部分球形的伸长部分，具体几何形状与感兴趣的波长有关。可用平版印刷制得这种锥形(例如，在氧氮化硅波导中)，或者随后作为玻璃或模制塑料零件而固定。来自输入光纤/波导发出的光在进入模式混合区域时发生强散射，并且每束输入光线在耦合到输出多模光纤/波导的支持模式(supported mode)中之前经历至少一次反射，优选经历多次反射。结果，输出波导中的所有模式能均匀激发，并且模色散最小，从而可获得横过底板的距离更长以及更低的误码率。
现在参照图2，该图用透视方式表示出图1中所示系统的细节，其中基底102支撑一组光、电或混合模块104。在该图中心处，两个所述模块104接收来自图中未示出的穿过耦合元件110的带状光缆的光辐射。耦合器110接收来自带状电缆的光，并将其传输到单元104，需要时改变各信号通道(光纤或波导)的间距，并处理光的空间分布，以提供有效耦合。元件110安装到形成在基底102上的凹进部分112中(具有对准孔103)，并使光通过一组槽口105。优选所述槽口105与元件110表面上的相应凸起匹配，光穿过该区域。或者，可由与光传输分开的机械定位装置进行对准，但最好采用上句中所描述的方式。
通过任何传统方法将模块104安装到板102上的电触点上，并通过本领域技术人员公知的技术进行对准。由于模块104和110为固定安装，与反复移动和更换相比更容易对准。这种方法的显著优点在于，考虑了在电路板系统或多片模块包内光接口位置处的平版印刷容差。
在耦合器110右侧设有供纤维带状光缆粗对准的槽口114。图3中更加详细地示出了耦合器110，其中底板112包括一组间距与模块104匹配的槽口124和间距与光缆匹配的第二组槽口126。作为槽口126与124之间连接的一个例子，图中示出了一根光纤122-c。该光纤称之为模式转换单元，其将来自光缆的单模辐射转换成多模式。在光纤122-c右端，第一接口处的圆125示意性地表示下图4A至4E中所示模式转换耦合器组中之一。如果需要，可以使用一任选的大体积透镜127作为柱面透镜，将来自光缆的发散光聚焦到光纤122-c中。或者，可以将耦合器125设置在耦合器110与单元104之间的第二接口处。
图4A至4E表示一组转换耦合器。从图4A和4B开始示意性地说明通过平版印刷技术用氧氮化硅在硅基底上形成波导410的情况。通过传统技术将四个分别处于顶部和底部的平面反射元件422和424以及左侧和右侧的平面反射元件426和428与导波410结合。将所述四块板设计成锥形，将图右侧光纤450表面451发散的光反射到波导的面411中，部分光可通过波导的所述表面之一进入。优选(但不必需)经过多次反射来增加模混合量。虽然在图4B的正视图中看出元件422与元件428在它们的公共边处结合，但在图4A中可以看出，不存在公共边。标号423表示仅在一点接触的元件422与428之间的空气隙。同样，标号427表示元件428与424之间的空气隙。如果需要，可以使四侧在它们的公共边处结合，以增加强度。本领域技术人员知道，所示结构适合于光从光纤450传播到波导。
参照图4C，该图示出了一种适合于光从波导410的面411传播到光纤450的面451并被锥形件460聚集的结构。如果光沿两个方向传播，则可将一锥形件设置在图4A的光纤450上。
然后，在图4D中示出了波导410与光纤450之间的一种对称结构。两个半球形透镜455将来自一传输元件的光聚焦到另一透镜上。具有尺寸454(大约100微米)的空气隙452分隔所述两个透镜，优选所述透镜具有使光聚焦到另一透镜中的焦距。
图4E表示另一种可选择的方案，其中通过平版印刷技术在形成波导410的同时形成所述转换耦合器。在这种情况下，图3的基底112为适合于平版印刷操作的硅或其它基底。在图4E中用支撑件125取代V形槽口支撑件125，其中取代光纤122-c的光纤410-c具有与波导同时形成的转换元件425。元件425从其表面上的最初宽度逐渐缩小成与波导410相同的波导宽度。这种结构不具备图4A至4C结构的垂直聚集特性，却具有可使用众所周知的半导体制造技术的优点。有利的是，在模块104的间距与光缆的间距相同时，元件425可以设置在图1或2中模块104的接口处，从而无需对单元110进行空间间距转换。在图1和2所示结构中，耦合器110与模块104相邻。而在图4E所示结构中，转换元件设置在系统模块104内。
图5A和5B分别示出了单光纤和带状连接器中反馈机构的接触点。如今可通过很多商业来源得到具有金属涂层的光纤，也可以将连接器主体的其它表面如套管的前表面金属化。许多连接器具有平坦抛光的或极大的凸半径(基本平坦)的特征，使纤芯之间能进行玻璃与玻璃的物理接触。例如在典型的弹性载荷双口光连接器中，通过这种方法可使半径超过300微米的表面区域物理接触。而光纤芯直径却小得多(单模光纤直径为9微米，多模光纤为50或62.5微米，大多数塑料光纤为100微米或更小)，同时光纤外径也小于125微米。因此，与光纤同时实现物理接触的连接器中存在额外的表面区域。在本发明的一实施方式中，将所述套管前表面上的一小区域455金属化，因而当所述套管的中心部分处于光接触时，所述金属也形成电接触。要求所述金属涂层足够薄，以便对光插入没有任何阻碍作用，实际上，在任何情况下弹性载荷连接器作用力常使套管端面稍稍变形。如图5A所示可对所述金属表面构图，形成用于连接对准的目标，例如保证旋转对称。图5B中示出了多纤维带状电缆的相应例子。因为金属闪镀层(themetal flash coating)易于沉积在多种基底上，所述技术适用于陶瓷套管和热塑性多光纤终端套管两者以及其它材料。在这种情形中，在光接触的同时可实现电接触，并且可在横过光连接器上接通低压/电流电路(称为指示电路)。可以用该电路启动指示灯控制电路。例如，当连接器正确插入时，指示灯显示绿光显示，而在没有正确插入时显示红光。任何阻止表面实现光接触的灰尘或较大的污染物也将阻止电路接通。因此，该连接器可对因灰尘或其它问题导致的接触不良发出警告。
在另一实施方式中，如图6A所示，金属涂层612可以从一个套管的所述表面稍稍突出，而相应涂层610从另一套管的该表面稍稍缩进。这可通过标准的光刻构图方法、或者通过适当抛光或研磨套管或金属实现。这种卡口连接方法可保证仅在套管物理接触时产生电接触信号。光纤的所述表面之间的距离为距离613减去距离611。设计时可选择地规定这两个距离相等，或者将所述间隔设计成使两光纤表面之间存在空气隙。
在又一实施方式中，连接一测量接口电容的电路。电路460测量两个电性分离的金属元件622与624之间的电容。当具有金属套管625的光纤450处于适当位置时，电容将按照可预测的方式改变。如果光纤没有接触，则利用电容测量可确定金属接触点之间的间距。由于金属间距还可确定光纤的相对间距，因此，可以估计连接损耗，并在间隙/损耗超过一定限度时给出指示。这在难以在整个光纤阵列上实现真正物理接触的多光纤连接器中尤为有用。通过对何时实现良好插入给出反馈，本发明还能放宽光连接器的容差，并相应降低成本。
这种系统在具有大阵列光纤带状电缆的平行光链路中尤为有用，因为大阵列连接器上容差的摆动使之更加难以保证该阵列中所有光纤的物理接触。可依次由各连接器的连接电路460监测该阵列中各光纤的光接触。系统操作人员可以测量电容，并将该接口处电容测量结果与预期的光损耗联系起来，使本发明可用作间接光功率计。值得一提的是，使用有金属镀层的光纤的本发明实施方式也适用于不使用套管的对接耦合连接器或基于渐逝耦合(evanescent coupling)而非对接耦合的连接器。应该涂覆足够厚度的金属涂层，以防止在插入次数非常多之后金属发生磨损(估计20微米铝涂层可经受200次插入而不积累过量磨损)。另一种可能的实施方式包括在金属顶面上使用具有已知厚度和介电常数的保护涂层。该涂层用于保护所述金属不受磨损和短路，而且依然可测量连接器间隔的电容。
虽然上文结合优选实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应意识到，在所附的权利要求书的构思和所要求的保护范围内可以作出多种改变。
权利要求
1.一种光接口模块，用于在包括至少两根光纤的连接器与系统模块中至少两个相应光传输元件之间耦合光辐射，其包括一与所述连接器耦合的第一接口；和一与所述至少两个相应光传输元件耦合的第二接口；其中所述第一和第二接口的至少一个包括一适合于在不同模式之间耦合光的模式转换单元。
2.根据权利要求1所述的光接口模块，其中所述模式转换单元在所述第二接口处靠近所述系统模块。
3.根据权利要求2所述的光接口模块，其中所述两个相应的光传输元件包括设置在一基底上的矩形波导，而且所述模式转换单元包括一段多模光纤，借此使从所述连接器发出的光耦合到所述多模光纤的多个模式中。
4.根据权利要求3所述的光接口模块，其中所述模式转换单元包括在所述第一接口处围绕所述多模光纤设置的一反射材料锥形件，借此使所述连接器发出的光被耦合到所述多模光纤的多个模式中。
5.根据权利要求2所述的光接口模块，其中所述两个相应的光传输元件包括设置在一基底上的矩形波导，而且所述模式转换单元包括围绕所述波导设置的一组反射板，借此使所述连接器发出的光被耦合到所述波导的多个模式中。
6.根据权利要求5所述的光接口模块，其中所述矩形波导从所述基底伸出，并且所述模式转换单元包括围绕所述波导设置的一组反射板。
7.根据权利要求6所述的光接口模块，其中所述反射板组围绕所述波导的三侧设置。
8.根据权利要求2所述的光接口模块，其中所述两个相应的光传输元件包括设置在一基底上的矩形波导，而且所述模式转换单元为从初始宽度逐渐缩小到与所述波导匹配的波导宽度的一锥形光楔，借此使所述连接器发出的光被耦合到所述波导的多个模式中。
9.根据权利要求1所述的光接口模块，其中所述模式转换单元在所述第一接口处靠近所述连接器，而且该单元适合于将所述连接器发出的单模辐射转换成所述至少两个光纤中的多模辐射。
10.根据权利要求9所述的光接口模块，其中所述模式转换单元包括在所述第一接口处围绕所述多模光纤设置的一反射材料锥形件，借此使所述连接器发出的光被耦合到所述多模光纤的多个模式中。
11.根据权利要求9所述的光接口模块，其中所述模式转换单元包括所述至少两根光纤共用的并且设置在所述第一接口处的一柱形透镜。
12.根据权利要求11所述的光接口模块，其中所述模式转换单元包括在所述第一接口处围绕所述多模光纤设置的一反射材料锥形件，借此使所述连接器发出的光被耦合到所述多模光纤的多个模式中。
13.一种光接口模块，用于在包括至少两根光纤的连接器与系统模块中至少两个相应光传输元件之间耦合光辐射，其包括一与所述连接器耦合的第一接口，其中所述连接器具有一组与每根光纤有关的在连接器正确接合时产生电效应的相应导体。
14.根据权利要求13所述的光接口模块，其中当所述连接器正确接合时所述相应的导体与指示电路电连接。
15.根据权利要求13所述的光接口模块，其中所述相应的导体在所述连接器正确接合时给出指示电路的参考电容值。
全文摘要
本发明公开了一种用于纤维光学光缆的连接器系统，该系统采用设置在光缆连接器与接收光信号的系统部件之间的接口模块，将光缆上的单模光转换成模式混合，并提供给系统板上的多模波导，借此减小模式噪声和微分模延迟。一种特殊的连接器，产生反映光连接是否处于技术要求之内的电信号。
文档编号G02B6/14GK1497284SQ03158700
公开日2004年5月19日 申请日期2003年9月23日 优先权日2002年9月25日
发明者劳伦斯·雅各博维茨, 约翰·U·尼克博克, 卡西默·M·德库萨蒂斯, 卡梅伦·J·布鲁克斯, J 布鲁克斯, M 德库萨蒂斯, U 尼克博克, 劳伦斯 雅各博维茨 申请人:国际商业机器公司