用于光学背板连接系统的无插芯光纤设备的制作方法

专利名称：用于光学背板连接系统的无插芯光纤设备的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及用于数据通信的光学接口，更加特别地涉及一种用于光学背板(backplane)连接系统的无插芯光纤设备(ferrule-less optical fiberapparatus)。
背景技术：
用光纤取代用于计算机和网络设备中的印刷电路板(PCB)的铜引线已经有许多公认的益处。这些潜在的益处包括增加带宽和数据传输速度、克服工艺结构中的瓶颈、免受电磁干扰以及减少来自系统的辐射噪声、通过消除光/电(OLE)转换来降低等待时间、在较低的每插脚成本下实现更高的封装密度、以及使新的处理器互联技术(诸如网环(meshed ring))成为可能。这些和其它的因素直接贡献了计算机系统的性能(例如，增大MIPS(百万指令每秒)或FLOPS(浮点运算每秒)的处理功率，增大并行结构中的节点数，等等)。
然而，为了完全实现这些益处，光纤互连还应该接着为现存的电学连接技术提供相同的益处。迄今为止，这一项目已成为了扩展光纤连接技术的使用的阻碍。与铜互连相比，光互连要求相当高的精度、昂贵、并且难于将对于缺乏纤维光学特殊训练的技术人员不是特别“友好”的部件组装起来。
例如，传统的双工光纤连接器(诸如，由IBM和Siecor制造的SC和由AT&T制造的ST)采用非常精密的陶瓷插芯(ceramic ferrule)和对准套筒(alignment sleeve)，从而提供用于使两根光纤端面彼此物理接触的手段。进行有效的物理接触是为了避免过高的光损失、不必要的反射和其它形式的噪声。因此，使用具有一些程度的浮动的弹簧负载(spring-loaded)连接器来方便光纤的对准。提出了其它类型的多纤维插芯，诸如12纤维MT(由Fujikura、Siecor和AMP及其它厂商制造)，其可以由热塑材料制成，并且采用精密的不锈钢插头和引导洞，从而实现光纤阵列的对准。不幸的是，这两种连接设计都很昂贵，因为陶瓷插芯或MT引导插头所需的精度都在几个微米至亚微米量级的尺寸。
另外，尽管插芯是成百万地生产，多年来，其基础的高额价格并没有明显变化。双工连接器的陶瓷部分单独要大约$6的成本，而MT插芯部件其本身可以达到$10至20的范围。用于保持光纤与连接器中相关元件之间的物理接触的金属弹簧进一步增大了成本。另外，将光纤(例如，具有大约125±1微米的外直径)穿入精密的孔(例如，具有小于127微米的最大直径)的工艺对于使用出厂时完成的插芯基连接器自动进行一直是非常困难的工艺。虽然场接线端(field termination)可以用于双工连接器，它却不是多光纤连接器的选择。另外，即使是在使用了非环氧场接线端的地方，仍然要求5至10分钟(或更长)来进行双工光纤连接器(与用于五级(category-5)UTP铜连接器的1至2分钟相比)的场端接，从而进一步增大了整体的安装成本。
因此，需要实现用于多光纤、平行背板接口的光纤连接器，它能为光纤技术和目前使用的铜互连接口都提供了便利。

发明内容
通过一种无插芯光学背板连接组件，克服或消除前面提到的现有技术的缺陷或不足。在典型实施例中，该组件包括衬底，其具有至少一对形成于其中的光导容纳结构，所述光导容纳结构对形成为彼此基本成直角，从而引导对应的第一和第二光导彼此光学对准。
在另一方面中，一种无插芯光学背板连接设备，包括叠层组件，具有形成于其各个层内的多个V形槽。V形槽形成为彼此基本成直角对，并且构造为用于导引并光学耦合插入在叠层组件的正交侧面内的对应光导对。
在又一方面中，一种用于形成无插芯光学背板连接组件的方法，该方法包括在多个工件中形成正交插入的V形槽对。在每对所述V形槽中放入折射率匹配液。然后，堆叠并结合多个工件，从而形成通常为立方形的叠层组件。叠层组件的各个层中的V形槽对垂直地对准，从而将光导阵列接收在组件的正交侧面。


参照典型附图，其中在几个附图中，相同的元件由相同的附图标记表示图1为根据本发明实施例的适于在光学背板连接系统中使用的无插芯光纤连接设备的侧视图；图2示出了图1所示的叠层组件的替换实施例；图3示出了图1所示的叠层组件的透视图；图4为叠层组件各个层中的一层的顶视截面图，其特别示出了叠层组件的V形槽内的单个正交光纤对光纤耦合；图5为框图，其示出了可以在叠层组件的硅实施例的制造中实施的典型工艺流程；图6示出了为了提供额外的弹簧力而与光纤带集成在一起的柔软、塑性强度的部件；以及图7为替代光纤的、可以用于连接组件的典型替换光导的截面图。
具体实施例方式
首先参照图1，其示出了根据本发明实施例的适于在光学背板连接系统中使用的无插芯光学连接设备100。设备100包括堆叠的硅叠层组件102，其具有多个光导容纳部件，在图1中体现为V形槽104，V形槽104形成在叠层组件102的每一层连续层106内。每个沟槽104可以通过诸如蚀刻的技术而形成硅叠层组件102内，并且构造为用于容纳插入其中的单个光导(例如光纤108)。应该注意的是，光纤108是插入在单个沟槽104内，而无须使用或出现插芯或其它附于其上的圆柱插头。而且，光纤108在插入叠层组件102之前基本上是在自由空间中形成悬臂，并且其中是通过V形槽104自己来实现对准的。
特别地，通过在硅中对选定的平面进行亚微米公差的择优蚀刻产生V形槽104的配合平面，并且由此足以用于多模光纤(例如，具有约50或62.5微米的底径)和单模光纤(例如，具有约9微米的底径)。通过V形槽104体现在叠层组件102的各个轴(侧面)中的一个上的光导容纳结构可以用具有矩形截面的多模(例如，尺寸为几十微米的量级)或单模(例如，尺寸为小于10微米的量级)板层波导取代。
另外，V形槽104还可以通过对期望平面使用三角片金属底的喷射模塑工具形成。另外，目前生产中对小塑性部件的典型公差在大约±75微米的量级，并且因此将足以用于多模光纤或波导对准，并且在未来日益改进的工艺条件下可足以用于单模技术。
由图1还可以看出，叠层组件102的沟槽104可以按着垂直或堆叠的方式对准，从而容纳多个光学互连，诸如光纤带(fiber ribbon)110，其中多根光纤108从刚性插头体112上悬垂下来。因此，光纤带110将柔软如单体结构，而每根光纤108一般是一致地移动。另外，光纤带110更像是薄聚合物片，并且因此在这些力的作用下不易从对准平面脱出。正如下面将详细描述的，由于被插入对应的V形槽104，光纤带108最初是直的。其后，带状光纤与V形槽104的45度(或类似角度的)平面相接触。按此方式设置，光纤带110具有稍微的弯曲，其提供了弹性力从而保持光纤的连接。
图2示出了图1的叠层组件102的替换实施例(也称作“立方结构”)。在此实施例中，该组件的中间层106包括一对相对的V形槽104，使得在叠置在相邻的层之上时，形成金刚石形的双V形槽113。然而，在任何一个实施例中，应该理解的是三维叠层组件102特别适于用于多个互连的三维、正交连接系统，如图3的透视图所示。此处，可将多个平行的光线带110插入叠层立方结构102的一侧114，用于与多个对应的插入立方结构102的另一侧116(与侧面114正交)的光纤(未示出)正交光耦合。
参照图4，其示出了立方结构的各个层106中的一个的顶视截面图，特别示出了立方结构102的V形槽104内的单个正交光纤对光纤耦合。如图所示，第一光纤118(包括芯120和覆层122)具有垂直于第一光线118的纵轴形成的一般平坦的抛光端面124。然而，为了实现正交光耦合，第二光纤126(包括芯120和覆层122)具有通过以近似45。的角度切割形成的角度端面128。另外，角度端面128以一种材料(例如，金属或电介质)涂覆，从而利于第一与第二光纤118与126之间的光能转移。可选地，可以在制造立方结构102期间，先于叠置其各个层106，在V形槽104中插入折射率匹配液130。为了更加便于能量转移，第一光纤118还可以以圆端结束，其起到光学透镜的作用。
由于光纤带110插入在立方结构102中，因此单个的插入光纤108保持为基本笔直，在从插头体112起约10至20mm的距离上在自由空间内悬吊，直至与立方结构102发生物理接触。从插入光纤108与背板立方结构102之间接触的第一点起，直至插入光纤108到达其最终位置为止，每条光纤108的顶端随着插头体向前的移动而滑落到相应的V形沟槽104下。对于未切削的插入光纤优选将其端面微微倾斜，从而有利于最小化光纤108与沟槽104之间的摩擦，并减小重复插入导致的机械磨损。
光纤端面与V形槽面的表面之间的接触力是通过弯曲的辐射光纤来控制。对于绝大多数应用，约0.1N的接触力对于绝大多数应用是足够的。V形槽面的角度通常约为45度，尽管对于不同的光纤类型可以有一些变化。
图5为框图，其示出了可以在无插芯光纤连接设备100的硅实施例的制造中实施的典型工艺流程200。如图所示，工艺200主要是并行工艺，其中在框202处，V形槽104被蚀刻成硅加工件，从而在其中建立正交交叉。在框204处，折射率匹配液130可选地插入在交叉沟槽104中。接着，将硅减薄、切削、堆叠并结合，从而形成立方形叠层组件102，如框206所示。在并行的方式中，切削并抛光用作45。光纤的光纤端面，如框208所示，并且其后用反射材料涂覆，如框210所示。完成了光纤带110和叠层组件102两者之后，可以将来自光纤带110的单根光纤插入叠层组件102的对应沟槽104中，如框212所示。
对于传统的连接器，光介质之间的物理接触通过金属弹簧来保持，该金属弹簧通常在相对高的曲率半径上(例如，直径为20mm)施加约4kg的压缩力。按此方式，在约300微米的直径上，两个相邻连接器的端面在至少33kN/平方米的压力下压缩并形变。这种类型的接触压力实际上使陶瓷插芯轻微的变形。相比之下，在无插芯连接组件100中，无需这样高的接触压力。甚至，光纤相对平滑的弯曲就提供了光纤端面与对应V形槽之间足够的接触压力。另外，光纤残留的轻微弯曲提供了背板中与插座中光纤之间的物理接触力。这种力还足以保持光纤在V形槽中的位置，而无需额外的机械元件。
尽管通常希望背板连接器与传统的光纤插头相比具有充分减少的插头循环(plug cycle)(例如，在通常是10年的寿命中不多于大约50)，玻璃纤维的机械一体性对于可靠性关系重大。为解决这一关系，在优选实施例中采用了金属化的光纤。这种光纤可以从诸如Fujikura的公司通过商业购买获得，并且特征在于约5至10微米厚的金、铝或其它金属化合物涂层。结果，光纤接缝可以原位焊接，从而提供密封。另外，连接设备100具有增大金属化光纤的结合强度从而抑制可能影响连接设备100工作的疲劳和细微裂缝的优点。金属涂层可施加在标准化直径的光纤上，或者在光线构造期间施加，使得其外径保持在大约125±1微米。
如前所述，在使用光纤或光纤带时，在光纤中通过使用自然弹性和弹簧力来保证物理接触。在光纤带的特定情况下，图6中进一步的实施例中使用柔软的、塑性强度的部件132，与光纤带110集成在一起，用于提供额外的弹簧力，并且在抽出单根光纤后可以容易地结合到光纤带组装工艺中。通过在从光纤抽塔拉出光纤带的同时组装带状线缆和强度部件132，便于相对地对准光线108和强度部件132。
在又一替换实施例中，在插头和插座光纤端面上采用微角度抛光(例如约7度)，从而便于接触并最小化损失和背反射。还应注意的是，悬吊的光纤可以在插入前通过用惰性气体对其进行吹清，使诸如氢氟醚(hydrofluroether)的清洁液快速蒸发来清洁灰尘和污物。然而，插入动作的力量还足以提供V形槽和光纤端面的自清洁，如前所述。
尽管未在图中示出，优选还要提供外连接体，用于保护光纤或波导免受机械损伤或污染，以及提供需要或不需要特殊的插入工具来结合或脱开背板连接的插锁机构(例如，本领域技术人员所熟知的RJ-45型插销、推拉式SC插销等等)。
最后，图7为替代光纤的、可以用于连接组件100的典型替换光导的截面图。在本示例中，制成了非对称波导140，从而与V形槽104相一致。另外，塑模或构图成的具有矩形截面的波导可以由例如掺杂玻璃、各种聚合物、氮氧化硅、或其它材料制成。另外，此波导可以在宽度或高度上超过100微米，其恰在这种类型的互连的允许范围内。又一种实施例包括将一般的设计扩展到聚合物或其它类型的板层光学波导，以及可以形成波导与光纤之间的接口的混合设计。波导可以制造为具有足以满足起这种类型的互连功能的公差。
由上述本发明实施例可以了解，光学连接设备100不需要用于对准的插芯，取而代之采用了插头和插座设计方式的V形槽。立方形、叠层组件构造为可容纳光纤带(玻璃或塑料)和/或矩形波导，从而提供用于大量(例如，阵列)光学互连的正交光学耦连。由于V形槽的特性，悬吊的光纤被导入叠层组件内，同时被稍微弯曲以提供用于适合的光学耦合的残余弹簧力。通过使用带状连接器而不使用插芯，由于更大或堆叠的插芯变得越来越难以制造的具有适合的公差，该连接器比其它的插芯基设备变得更加可升级。相比之下，本发明实施例的V形槽可以升级至任何尺寸。
本发明已参照优选实施例或实施例描述如上，本领域技术人员将理解，可以在不脱离本发明的范围的基础上进行各种变化或者可以用等效物替换其元件。另外，可以对所教导的本发明进行各种修改从而适于特殊条件或材料，而不脱离其范围。因此应理解，本发明不限于所公开的、用于实施本发明的最佳模式的特定实施例，本发明包括所有属于所附权利要求的范围内的实施例。
权利要求
1.一种无插芯光学背板连接设备，包括衬底，其具有至少一对形成于其中的光导容纳结构，所述一对光导容纳结构形成为彼此基本成直角，从而引导对应的第一和第二光导彼此光学对准。
2.如权利要求1所述的无插芯光学背板连接设备，其中所述光导容纳结构对还包括形成在所述衬底中的一对V形槽；其中所述一对所述V形槽中的第一个用于将所述第一光导容纳于其中，而所述一对所述V形槽中的第二个用于将所述第二光导容纳于其中。
3.如权利要求2所述的无插芯光学背板连接设备，其中所述第一和所述第二光导中的至少一个在其一端伸出悬臂；所述第一和所述第二光导中的至少一个的相对一端插入在对应的V形槽中；以及所述第一和所述第二光导中的一个以基本为45度的角度终止。
4.如权利要求3所述的无插芯光学背板连接设备，还包括沉积在所述V形槽对中的折射率匹配液。
5.如权利要求2所述的无插芯光学背板连接设备，其中所述衬底还包括多个堆叠的叠层，每个所述叠层具有至少一对形成于其中的、彼此基本成直角的V形槽。
6.如权利要求5所述的无插芯光学背板连接设备，其中一个叠层中给定的V形槽对与另一个叠层中给定的V形槽对垂直地对准。
7.如权利要求5所述的无插芯光学背板连接设备，其中所述多个堆叠的叠层包括其顶面和底面上的V形槽，从而在所述衬底的中间层内建立金刚石形的沟槽。
8.如权利要求4所述的无插芯光学背板连接设备，其中所述光导包括光纤。
9.如权利要求1所述的无插芯光学背板连接设备，其中所述光导容纳结构对还包括V形槽，形成在所述衬底中；以及矩形板层波导，相对于所述V形槽基本成直角地形成。
10.一种无插芯光学背板连接设备，包括叠层组件，具有形成于其各个层内的多个光导容纳结构，所述光导容纳结构还形成为彼此基本成直角对；以及每对光导容纳结构用于光学耦合构造在所述叠层组件的正交侧面内的对应光导对。
11.如权利要求10所述的设备，其中每对光导容纳结构还包括一对V形槽，形成在所述叠层组件的各个层内，每对V形槽用于引导并光学耦合插入在所述叠层组件的正交侧面内的对应光导对。
12.如权利要求11所述的设备，其中对于所述各个层，所述V形槽垂直对准，从而容纳光导阵列于其中。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述光导阵列还包括具有其一端悬垂下来的各根光纤；以及所述各根光纤的相对一端插入相应的V形槽内。
14.如权利要求13所述的设备，其中构造所述V形槽对，从而容纳多个插入所述叠层组件的正交侧面的光纤带。
15.如权利要求11所述的设备，其中所述对应光导对中的一个还包括光纤带，具有其末端基本为45度角的各根光纤。
16.如权利要求14所述的设备，其中所述各根光纤构造为其末端被进行了反射抛光。
17.如权利要求11所述的设备，还包括沉积在所述V形槽对内的折射率匹配液。
18.如权利要求11所述的设备，其中所述叠层组件的所述各个层包括在其顶和底面上的V形槽，从而在所述叠层组件的中间层内建立金刚石形的沟槽。
19.如权利要求10所述的设备，其中每个所述光导容纳结构对还包括V形槽，形成在所述叠层组件中；以及矩形板层波导，相对于所述V形槽基本成直角地形成。
20.一种用于形成无插芯光学背板连接组件的方法，该方法包括在多个工件中形成正交交叉的V形槽对；在每对所述V形槽中放入折射率匹配液；以及堆叠并结合所述多个工件的每一个从而形成通常为立方形的叠层组件；其中所述叠层组件的各个层中的所述V形槽对垂直地对准，从而将光导容纳在所述组件的正交侧面内。
全文摘要
本发明公开了一种用于光学背板连接系统的无插芯光纤设备，包括衬底，其具有至少一对形成于其中的光导容纳结构，所述光导容纳结构对形成为彼此基本成直角，从而引导对应的第一和第二光导彼此光学对准。
文档编号G02B6/36GK1506706SQ20031011885
公开日2004年6月23日 申请日期2003年11月28日 优先权日2002年12月2日
发明者卡梅伦·J·布鲁克斯, 菲利普·G·埃玛, 卡西梅尔·M·德库萨蒂斯, 劳伦斯·雅各博维茨, 约翰·U·尼克博克, G 埃玛, 雅各博维茨, U 尼克博克, 卡梅伦 J 布鲁克斯, 尔 M 德库萨蒂斯 申请人:国际商业机器公司