专利名称：芯片间光互连直接耦合的光电混合印刷电路板的制作方法
技术领域：
本发明属于光电子领域、光通信领域。
背景技术：
随着人们对高速数据传输要求的不断提高，要求计算机处理速度向 着每秒百万亿次、千万亿次的超高性能计算机系统方向发展。宽带、高 速、大容量的信息处理和传输对系统内印刷电路板之间、板到背板之间、 芯片之间的互连速率、带宽和密度提出了更高的要求。传统的印刷电路
板PCB上芯片间金属线的"电互连"方式已遇到了瓶颈。由于其本身固 有的严重的串话，RC时延，时钟歪斜，瓶颈阻塞和功耗急剧增加等种种 弊端，已经不能够满足通信和计算机系统高速信息处理和传输的要求。 然而采用"光互连"方式，这一切可以得到迎刃而解。"光互连"充分利 用了 "光"的优势，用光波作为信息载体，具有极高的时空带宽积、高 速、高密度、无电磁干扰、传输功耗极低等优点。用"光互连"替代"电 互连"，发展高速光电混合印刷电路板光互连技术，对于促进高速光互连 集成电路信息处理和传输系统的研究，发展宽带、高速、大容量信息通 信网和高性能计算机处理和传输系统，具有重要的现实意义和应用价值。 光电混合印刷电路板上芯片间光互连技术，在普通印刷电路板PCB中嵌 入一层光波导层作为光信号传输通道，PCB上各芯片的信号通过垂直腔表 面发射激光器件VCSEL发射信号，PIN光接收器件接收高速信号，并通过 PCB光波导层实现芯片间的光互连和信息传输交换。日本NTT公司提出 了一种带芯片到芯片光互连层的光电混合印刷电路板的结构，如图1所 示，图中多层印刷电路板1、光波导层2、 IC芯片3、 VCSEL芯片4、 PIN 芯片5、支座层6、微透镜列阵7、焊块8。该结构采用了两组微透镜列
阵来耦合光波导层和光收发器件，在芯片和印刷电路板上分别制作微透 镜列阵，对器件制作、对准精度要求高、耦合困难。
发明内容
本发明提供一种芯片间光互连直接耦合的光电混合印刷电路板，目 的在于实现芯片间光互连的无透镜直接光耦合、光学元件少、耦合结构 简单、光收发模块可拔插。
本发明的一种芯片间光互连直接耦合的光电混合印刷电路板，垂直
腔表面发射激光器件和PIN光接收器件采用BGA可拔插管座安放在印刷 电路板上，印刷电路板中嵌有水平光波导层，其特征在于
所述垂直腔表面发射激光器件和PIN光接收器件分别通过垂直嵌入 印刷电路板的光耦合接头与所述水平光波导层光耦合；
所述光耦合接头由下定位片、光纤列阵、上盖片组成，下定位片为 刻有平行矩形槽的石英玻璃片，光纤列阵嵌入到平行矩形槽中，光纤列 阵上压有短于下定位片的石英玻璃上盖片，并用UV紫外胶固化在一起； 上盖片、下定位片的一端连同嵌入的光纤列阵一起抛成与光纤列阵垂直 的光学平面，与垂直腔表面发射激光器件的发光窗口或PIN光接收器件 的光接收窗口直接贴近；下定位片与光纤列阵的另一端一起抛光成45° 端面，插入水平光波导层；光纤列阵45°端面对准水平光波导层光波导芯 层，水平光波导层光波导芯层端面与光纤列阵表面的距离小于100pm。
所述的光电混合印刷电路板，其特征在于所述光纤列阵光纤与光 纤之间的间距为127idm或者250pm。
本发明采用光耦合接头，垂直腔表面发射激光器件VCSEL发出的光
束通过光耦合接头的直角端面直接进入光耦合接头中，在另一 45°端面经 反射转变90°后入射到印刷电路板的光波导层中，整个光耦合过程未用到 微透镜列阵，直接光耦合，光学元件少，耦合结构简单，耦合容易。同 时VCSEL激光器和PIN光接收器件采用BGA可拔插管座，插到带光波 导层的印刷电路板上，易于器件的连接与更换。可用于宽带、高速、大 容量信息通信网络系统和高性能计算机处理和传输系统。
图1:现有嵌有光波导层的光电混合印刷电路板结构示意图2:本发明实施例结构示意图3:本发明光耦合接头直接光耦合示意图。
具体实施例方式
本发明实施例结构如图2所示。图中标记多层印刷电路板l，光波 导层2， IC芯片3， VCSEL芯片4，PIN芯片5，驱动电路芯片9，跨阻放 大电路芯片10， VCSEL接口电路板11， PIN接口电路板12，铜热沉管 座13， BGA引线脚管座14，垂直腔表面发射激光器件15， PIN光接收 器件16，光耦合接头17。
垂直腔表面发射激光器件15由VCSEL芯片4、驱动电路芯片9、 VCSEL接口电路板11粘结在铜热沉管座13上组成，BGA引线脚管座 14焊接在VCSEL接口电路板11上。
多层印刷电路板1各层为FR4材料，光波导层2为聚合物光波导， 作为多层印刷电路板中的光互连层嵌入到多层印刷电路板中，提供光信 号的传输通道。垂直腔表面发射激光器件15由VCSEL芯片4，驱动电 路芯片9， VCSEL接口电路板11，铜热沉管座13和BGA引线脚管座14 构成，BGA引线脚管座14通过与印刷电路板上BGA引线管脚相连，将印刷电路板上的集成电路IC芯片3与垂直腔表面发射激光器件15的接 口电路板实现电的连接，并通过驱动电路芯片9将印刷电路板上的集成 电路IC芯片的电信号转变成VCSEL光窗口的光发射驱动信号，驱动VCSEL 光窗口发射光信号光束，实现电——光转换。
VCSEL光发射光束由光耦合接头17的平面一端直接耦合进入光耦合 接头的光纤通道中，无需透镜耦合。在另一45°端面经反射后，改变90° 方向后直接耦合进入嵌入到印刷电路板中的光波导中。
在光波导中传输的光信号光束传输到光波导的另一端，直接耦合进 入到另一光耦合接头的45°端面上，经45。端面反射后，改变90。方向后 向上传送到光耦合接头的平面一端，在该端出射后直接耦合进入PIN光 接收器件的PIN光探测器芯片的光窗口中。
PIN光接收器件16由PIN芯片5、跨阻放大电路芯片IO、 PIN接口 电路板12粘结在铜热沉管座13上组成，BGA引线脚管座14焯接在PIN 接口电路板12上。
BGA引线脚管座14通过与印刷电路板上BGA引线管脚相连，将印 刷电路板上的IC集成电路芯片与PIN光接收器件的接口电路板实现电的 连接，PIN光探测器芯片的光窗口通过光波导和光耦合接头接收到来自 VCSEL光窗口的光发射信号后，转变为电信号，并通过跨阻放大电路芯片 将电信号放大，实现光——电转换。通过BGA引线脚管座与印刷电路板 上BGA引线管脚相连，将转变后的电信号传送到印刷电路板上的另一集 成电路IC芯片上，实现芯片到芯片间的信号传输。由于每个IC集成电 路芯片都有一对光发射/接收模块，故可以同时进行芯片到芯片间的双 向光发射/接收信号，实现芯片间的双向光互连通信。
光耦合接头直接光耦合如图3所示。图中各部分为VCSEL芯片4.，光
耦合接头17， VCSEL发光窗口18，光纤列阵19，下定位片20,上盖片21,光 波导层22,光波导芯层23，光波导上包层24,光波导下包层25。光耦合接
头17可以将垂直腔表面发射激光器件VCSEL发出的光信号转变90°方向后 直接耦合到光波导芯层23中，或将来自光波导芯层23的光信号转变90。方 向后直接耦合到光探测器P頂窗口上。光耦合接头17由光纤列阵耦合接头 下定位片20、光纤列阵19、上盖片21组成，光纤列阵耦合接头下定位片 为刻有平行矩形槽的石英玻璃片，矩形槽用于镶嵌光纤用，并起到光纤 定位的作用，光纤列阵嵌入到石英玻璃片的平行矩形槽中，光纤与光纤 之间的间距为127pm或250pm，以便与VCSEL激光器列阵的发光窗口或 光探测器PIN列阵的光接收窗口相匹配。光纤列阵上压上一块石英玻璃上 盖片，并用UV紫外胶将光纤列阵耦合接头下定位片、光纤列阵和石英玻 璃上盖片固化在一起。石英玻璃上盖片一端与光纤列阵耦合接头下定位 片的一端与嵌入的光纤列阵一起抛成光学平面。光纤列阵耦合接头下定 位片的另一端与光纤列阵的另一端一起抛光成45°端面。石英玻璃上盖片 比光纤列阵耦合接头下定位片短，其另一端面与光纤列阵45°耦合端面的 距离可以使得光波导深入到贴近光纤列阵的地方，光波导端面与光纤列 阵45。耦合端面间的距离小于100^im，可使来自光纤列阵的光束经45。耦合 端面反射90。后，直接进入光波导中，或光波导中的光束经光纤列阵45。耦 合端面反射90。后，直接进入到光纤列阵耦合接头中。光纤列阵耦合接头 的另一平行端面，与VCSEL激光器列阵的发光窗口或光探测器PIN列阵的 光接收窗口直接贴近，便于与VCSEL激光器列阵或光探测器PIN列阵的双 向直接光耦合。这样，通过光耦合接头，可以实现VCSEL激光器列阵或 光探测器PIN列阵与带光波导互连层的光电混合印刷电路板中的光波导
的双向直接光耦合，克服了常规透镜耦合方法带来的不便之处。
权利要求
1.一种芯片间光互连直接耦合的光电混合印刷电路板，垂直腔表面发射激光器件和PIN光接收器件采用BGA可拔插管座安放在印刷电路板上，印刷电路板中嵌有水平光波导层，其特征在于所述垂直腔表面发射激光器件和PIN光接收器件分别通过垂直嵌入印刷电路板的光耦合接头与所述水平光波导层光耦合；所述光耦合接头由下定位片、光纤列阵、上盖片组成，下定位片为刻有平行矩形槽的石英玻璃片，光纤列阵嵌入到平行矩形槽中，光纤列阵上压有短于下定位片的石英玻璃上盖片，并用UV紫外胶固化在一起；上盖片、下定位片的一端连同嵌入的光纤列阵一起抛成与光纤列阵垂直的光学平面，与垂直腔表面发射激光器件的发光窗口或PIN光接收器件的光接收窗口直接贴近；下定位片与光纤列阵的另一端一起抛光成45°端面，插入水平光波导层；光纤列阵45°端面对准水平光波导层光波导芯层，水平光波导层光波导芯层端面与光纤列阵表面的距离小于100μm。
2. 如权利要求l所述的光电混合印刷电路板，其特征在于所述光 纤列阵光纤与光纤之间的间距为127pm或者250pm。
全文摘要
芯片间光互连直接耦合的光电混合印刷电路板，属于光电子、光通信领域，目的在于实现芯片间光互连的无透镜直接光耦合、耦合结构简单、光收发模块可拔插。本发明中，垂直腔表面发射激光器件和PIN光接收器件分别通过光耦合接头与嵌入印刷电路板的光波导层光耦合；光耦合接头由下定位片、光纤列阵、上盖片组成，光纤列阵嵌入到下定位片的平行矩形槽中，上压有上盖片，并用UV紫外胶固化；上盖片、下定位片的一端连同光纤列阵抛成光学平面，下定位片与光纤列阵的另一端一起抛光成45°端面；本发明光学元件少、直接光耦合、结构简单、光收发模块可拔插；可用于宽带、高速、大容量信息通信网络系统和高性能计算机处理和传输系统。
文档编号G02B6/42GK101344624SQ20081004846
公开日2009年1月14日 申请日期2008年7月17日 优先权日2008年7月17日
发明者曹明翠, 罗风光 申请人:华中科技大学