СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ МЕЖДУ ЭЛЕКТРОННЫМИ МОДУЛЯМИ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 2015 года по МПК H04B10/00 

Изобретение относится к микроэлектронике - разделу электроники.

«В начале 21 века в электронике обострилась серьезная техническая проблема, которую называют "тиранией межсоединений".<…> Все плоды миниатюризации стали съедать межсоединения» ().

В данном изобретении предлагается один из путей решения или снижения остроты этой проблемы.

Технический результат изобретения - расширение арсенала способов решения задачи миниатюризации в микроэлектронике.

Рассмотрим такую часть межсоединений, как разъемы, причем разъемы оптические, и будем рассматривать связь между электронными модулями.

«Оптические разъемные соединители (ОРС) имеют такое же предназначение в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), что и электрические разъемы (ЭР) в электрических линиях связи. Разница лишь в том, что оптические разъемы обеспечивают непрерывность оптического, а не электрического потока. Первые ОР появились одновременно с оптическими кабелями (ОК), намного позднее, чем ЭР» (из elc.com/index.php?option=com content&view=article&id=120:opticheskie-razemy&catid=44:2011-03-01-13-53-39&Itemid=1).

«Оптический разъем состоит из оболочки, внутри которой расположен керамический наконечник (ферул) с прецизионным продольным концентрическим каналом. Наиболее распространенный внешний диаметр ферула - 2,5 мм, но в оптических разъемах с малым форм-фактором используются ферулы диаметром 1,25 мм.

Ферул соединяется с оптическим волокном: отрезок волокна без оболочки вставляется в канал наконечника и фиксируется, выступающий конец волокна скалывается параллельно с поверхностью торца ферула, сам торец ферула полируется. Далее ферул с волокном совмещается с корпусом разъема. После соединения волокна и ферула, качество сборки тестируется на наличие дефектов (например, на микроскопе и интерферометре). Для одномодового волокна точность выравнивания должна быть выше чем 0,1 мкм, угловое отклонение не более 5 град, а возвратные потери не менее 40 дБ» (из opt информация взята с сайта ).

«Назначение оптического разъема - обеспечить прохождение света из одного элемента ВОЛС в другой с самыми минимальными оптическими потерями на стыке, формируемом разъемом.

Сложность минимизации потерь на стыке связана в первую очередь с необходимостью центрирования поперечного сечения передающего и приемного ОВ в разъеме, которое должно быть выполнено с высокой точностью, так как диаметр ОВ мал - 50 и 62,5 мкм для многомодового (ММ) и 10 мкм для одномодового (ОМ) волокон. Это центрирование осуществляется с помощью наконечника - ферула.

Оптический разъем должен обеспечить минимальные вносимые потери (параметр стыка) как в нормальных климатических условиях, так и при воздействии различных внешних факторов. Кроме того, должна гарантироваться стабильность параметров стыка при многократном соединении-разъединении.

<…>

К основным характеристикам оптических коннекторов относятся: параметры передачи, долговременная стабильность и стойкость к воздействию внешних условий.

Главными параметрами передачи ОР являются вносимое затухание и обратное отражение. Эти параметры зависят, в основном, от таких факторов, как поперечное смещение осей и угла между ними, а также от френелевского отражения оптического сигнала на границе раздела двух оптических сред.

Оптическое затухание оказывает основное влияние на величину суммарных потерь в оптическом тракте. Величина оптического затухания главным образом зависит от поперечного отклонения сердцевин стыкуемых оптических волокон.

Еще одной важной оптической характеристикой является обратное отражение. Основной источник отраженного сигнала - граница раздела двух сред, к примеру, материал оптического волокна и воздуха. Эта составляющая потерь может достигать значительных величин. Кроме того, обратное отражение является непостоянным во времени. Под влиянием внешних воздействий оно может нарушить стабильность работы системы. Наиболее серьезные проблемы обратное отражение создает для узкополосных лазеров с высокой когерентностью излучения (которые, например, используются в DWDM-системах и в оборудовании для сетей кабельного телевидения).

<…>

Основные типы оптических коннекторов:

ST - одиночный коннектор. Небольшого размера с байонетным замком для фиксации (разъединение и соединение гайку требуется повернуть на четверть оборота - 90°). Этот тип разъема предпочтительно использовать там, где не требуется защита от вибрации, например в офисе. Рекомендуется к использованию в многомодовых соединениях. Технология монтажа этих коннекторов - клеевая или обжимная. Не рекомендованы для новых инсталляций.

FC - одиночный коннектор, имееющий металлический или пластмассовый корпус и фиксирующийся резьбовым соединением. Наиболее часто используется с одномодовыми волокнами и имеет уровень вносимых потерь порядка 0,4 дБ. Устойчив к ударам и вибрации. Рекомендован для одномодовых соединений в системах дальней радиосвязи и специализированных системах. Используемое в разъемах резьбовое соединение обеспечивает надежную защиту от случайного разъединения.

SC - самый популярный тип оптического коннектора, изготавленный из пластмассы, с прямоугольным поперечным сечением. Фиксация осуществляется за счет защелки с фиксатором по принципу "тяни-толкай", чем обеспечивается защита от случайных механических воздействий. Благодаря своей форме и принципу действия, эти разъемы могут устанавливаться в распределительные устройства с высокой плотностью монтажа. Преимуществами коннектора типа SC являются легкость и быстрота соединения благодаря отсутствию вращательных движений при его осуществлении. Также в отличие от одинарного (simplex) коннектора применяется двойной (duplex), в котором два коннектора SC объединены в один корпус. Технология установки - клеевая или обжимная. Вносимые потери оптического разъема SC составляют 0,4 дБ и ниже.

SMA - коннектор небольшого размера с фиксирующей гайкой, обеспечивающий жесткое соединение. Раньше использовался в устройствах связи передачи данных в измерительной аппаратуре. Кроме техники ЛВС и СКС разъем данного вида достаточно широко применяется в промышленных системах, медицинской и военной технике. За счет применения специальных конструктивных мероприятий степень защиты сращиваемых волокон может составлять уровень IP-65.

LC - Миниатюрные разъемы, имеющие размеры примерно в два раза меньшие, чем обычные варианты SC, FC, ST, диаметр наконечника составляет 1,25 мм, а не 2,5 мм. Это позволяет реализовать большую плотность при установке на коммутационной панели и плотную схему установки в стойку. Разъем фиксируется с помощью прижимного механизма, который исключает случайное разъединение.

D4 - этот тип оптических разъемов широко применяется для одномодового волокна. Он похож во многом на разъем FC, но имеет наконечник меньшего диаметра - 2,0 мм. Вносимые потери разъема D4 составляют около 0,4 дБ.

FDDI -Разъем спроектирован как двухканальный, использует два керамических наконечника и механизм боковых защелок. Прочный кожух защищает наконечники от случайных повреждений, а плавающий стык обеспечивает ему плотное сочленение без усилий. Уровень вносимых потерь составляет порядка 0,3 дБ для одномодового волокна и порядка 0,5 дБ для многомодового. FDDI - технология локальных сетей, используемая

для пакетной передачи данных со скоростью 100 Мбит/с в соответствии со стандартом ANSI.

Е-2000 и F-3000 разъемы. Для разъединения разъемов требуется специальный ключ, поэтому вероятность случайного разъединения разъема Е-2000 сводится к нулю. После разъединения коннектора, отверстие закрывают специальные шторки. Данные разъемы отличаются большим количество циклов соединений - до 2000.

Существует еще большое количество типов оптических разъемов -HDSC, FJ, Mini-MPO, SC-Compact, MU, SCDC, SCQC, Mini-MT, MT-RJ, Optoclip II, VF-45 и пр. Эти разъемы имеют узкое прикладное назначение и не получили широкого применения настоящее время» (из http://partner-elc.com/index.php?option=com content&view=article&id ^: =120:opticheskie-razemy&catid=44:2011-03-01-13-53-39&Itemid=l).

Корпуса в существующих оптических разъемах ограничивают возможности миниатюризации.

Предлагается избавиться от этих корпусов, перейдя на непосредственный контакт электронных модулей таким образом, что их оптические окна, расположенные заподлицо с внешними поверхностями, непосредственно соприкасаются.

Оптическое окно - конструктивный оптический элемент, предназначенный для входа/выхода оптического излучения в оптическую систему. Обычно оптическое окно представляет собой плоскопараллельную пластину (ГОСТ 1121-75 Пластины плоскопараллельные стеклянные. Наборы. Технические условия). Однако оно может быть и Г-образным.

Крепление оптического окна (защитного стекла) в предлагаемом способе осуществляется приклеиванием в корпус модуля, в котором подготовлено сквозное отверстие соответствующей формы и размера (http://ru-auto./pics/204188302350006/). Такой способ крепления позволяет расположить оптическое окно заподлицо с внешней поверхностью электронного модуля.

Требование к любому оптическому разъему - «обеспечить прохождение света из одного элемента ВОЛС в другой с самыми минимальными оптическими потерями на стыке, формируемом разъемом» (там же). Так как роль оптического разъема в данном случае выполняют сами электронные модули - с этой целью поверхности электронных модулей, которые должны соприкасаться, выполняют с заданными параметрами плоскостности (допусками по ГОСТ 24643-81) и шероховатости (см. ГОСТ 2789-73). Совпадение соответствующих окон с заданной точностью достигается и с помощью ключа.

«Применительно к разъемам, ключ означает наличие различных выступов или выемок, которые позволяют осуществлять единственно правильное соединение штыря и гнезда»

(http://\vww.hyperline.rii/catalog/jacks/). To же значение имеет слово «ключ» и здесь, если заменить «разъемы», «штырь» и «гнездо» на «корпуса электронных модулей». После замены получится: Применительно к

электронным модулям, ключ означает наличие различных выступов или выемок, которые позволяют осуществлять единственно правильное соединение электронных модулей. Эти выступы и выемки с использованием хорошо известных технологий, например, штамповки и отливки, могут быть изготовлены в нужном количестве и любого размера и размещены в разных местах электронных модулей, обеспечивая их однозначную стыковку. Образовавшаяся после такой стыковки группа электронных модулей закрепляется и включается в состав соответствующей аппаратуры, также как и один электронный модуль. Ввиду крайней простоты этого процесса он на фигурах не показан.

На фиг. 1-3 показаны примеры различных видов электронных окон и их расположения (фиг. 1 - оптические окна прямоугольной 2 и квадратной 3 формы на боковой поверхности корпуса электронного модуля 1; фиг. 2 - два ряда круглых оптических окон 4 на боковой поверхности корпуса электронного модуля 1; фиг. 3 - оптические окна 5 одновременно на верхней и боковой поверхностях корпуса электронного модуля 1).

Фиг. 4-6 иллюстрируют примеры способов доставки оптического информационного сигнала до оптического окна (оптических окон) внутри электронного модуля.

На фиг. 4 изображена структура высокоплотного электронного модуля, не имеющего воздушные полости. Здесь 1 - корпус электронного модуля, 6 -оптическое окно, 7- подложка, 8 - интегрированный оптический волновод, 9 - диэлектрический наполнитель, 10 - защитный слой полимера. "Дорожку" из полимера - интегрированный (в одном из слоев печатной платы) оптический волновод 8 (например, SU-8) - соединяют непосредственно с оптическим элементом - оптическим окном 6.

На фиг. 5 изображена структура электроного модуля, в составе оптической системы информационного канала которого имеется согласующий оптический элемент - микролинза 12, задачей которого является согласование апертуры пучка лучей на выходе интегрированного оптического волновода 8 и размера оптического окна 6. Здесь также показаны корпус электронного модуля 1, подложка 7 и крепежный слой полимера 11.

На фиг. 6 показана схема, в которой в качестве оптических каналов используются стандартные оптические волноводы 13, которые передают сигнал (сигналы) в оптические окна 6. Соединение волновода может быть как путем оптической сварки, так и посредством оптического полимера с соответствующим показателем преломления. Этим же способом сигналы внутри электронного модуля могут передать из оптического окна 6.

Ясно, что переход от известных оптических разъемов к безразъемному (в обычном смысле) соединению электронных модулей является шагом в направлении дальнейшей миниатюризации электронной аппаратуры.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в системах оптической связи. Технический результат состоит в расширении арсенала методов решения задачи миниатюризации в микроэлектронике. Для этого в способе, заключающемся в том, что корпуса электронных модулей соединяют непосредственно с использованием ключа, который предварительно изготавливают и устанавливают так, чтобы их соответствующие оптические окна, которые предварительно располагают заподлицо с внешними поверхностями, которые выполняют с заданными параметрами плоскостности и шероховатости, совпали с заданной точностью. 6 ил.

Способ соединения между электронными модулями для передачи оптических сигналов, заключающийся в том, что корпуса электронных модулей соединяют непосредственно с использованием ключа так, чтобы их соответствующие оптические окна, которые предварительно располагают заподлицо с внешними поверхностями, которые выполняют с заданными параметрами плоскостности и шероховатости, совпали с заданной точностью.