СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КАНАЛА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА МЕЖДУ КОМПОНЕНТАМИ ЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ
FORMATION METHOD OF CHANNEL FOR TRANSMISSION OF OPTIC SIGNAL BETWEEN COMPONENTS OF ELECTRONIC MODULE

Изобретение относится к радиоэлектронике. В нем предлагается новый способ формирования канала для передачи оптического сигнала между компонентами электронного модуля.
Чем вызван переход в оптику? Дело в том, что при больших частотах (скоростях передачи) в несколько гигабит в секунду в медных проводниках (дорожках) печатной платы возникают сильные искажения сигналов как за счет увеличения сопротивления самих проводников, так и из-за резонансных явлений.
Выход ищут в использовании оптического соединения, когда исходный электрический сигнал при помощи микролазера преобразуют в оптический, затем осуществляют передачу оптического сигнала по волокну (полимерному оптическому волноводу), прием оптического сигнала микрофотодетектором, преобразование оптического сигнала в исходный электрический.
Оптический сигнал в этом случае необходимо передать с наименьшими потерями, так как мощность микролазера очень мала, а излучение имеет свойство в значительной степени рассеиваться.
«Соединения к источникам и детекторам света, связанным с электронными чипами, обеспечивают разнообразные варианты конфигураций оптических межсоединений, герметизированных гибкими прочными пленками <…>:
- волноводы прикреплены к поверхности платы для связи края платы с чипом или между чипами <…>;
- используется гибкая перемычка для соединения с верхней поверхностью чипа. Такая конфигурация обеспечивает разнообразные соединения, такие как концевой контакт к чипу, чип к чипу или чип к зажиму множества стекловолокон вне платы;
- перемычка вне основания от концевого контакта к чипу и между чипами;
- гибридные варианты, содержащие связи либо на, либо вне основания, к зеркалу и набору линз для обеспечения соединений к нижней стороне основания или к оптическому слою между основаниями;
- многоярусный пленочный волновод обеспечивает набор межсоединений между объединительной, дочерней и дочерними платами» (http: //www.circuitry.ru/journal/article/2254).
Для передачи оптического сигнала между компонентами электронного модуля используют лезеры и приемники, выполненные в виде соответствующих кристаллов. Особенности технологии получения этих элементов определяют их конструктивные особенности: излучающая и приемная площадки элементов могут быть направлены либо вверх (кристалл монтируется на подложку "лицом вверх"), либо вниз (кристалл монтируется на подложку "лицом вниз"). Поэтому для передачи оптического сигнала в этом случае существует проблема поворота луча.
В диссертации (Karppinen М. High bit-rate optical interconnects on printed wiring board. Micro-optics and hybrid integration, Edita prima Oy, Helsinki, 2008, p.71-72) для решения этих проблем используют микролинзы и зеркала для поворота луча. Однако линзы и зеркала требуют тщательной юстировки и при серийном производстве это оказывается узким местом.
В (Takahara Н. Optoelectronic Packaging Trends in Japan. Stanford University, US-Asia TMC, May 2003, p.6) луч последовательно от лазера проходит прозрачный полимер, микролинзу, воздух, снова микролинзу, полимер, зеркало, оптический волновод, снова зеркало, полимер, микролинзу, воздух, опять микролинзу, полимер и попадает в микрофотодетектор. Здесь тоже требуется тщательная установка микролинз и зеркал.
В (http://chromisfiber.com/pdf/YSSon_OSAribbonPOF_OEFeb2011.pdf) предлагается использовать гибкую оптоволоконную ленту, а также фокусирующие линзы и призмы 45°. Это позволяет сократить «количество отдельных компонентов, чтобы облегчить пассивное согласование применительно для массового производства».
Следует отметить, однако, что гибкие оптоволоконные соединители обладают низкими эксплуатационными характеристиками.
Этот способ формирования канала для передачи оптического сигнала принимается за прототип.
Мы предлагаем использовать одну единственную призму и при этом вообще отказаться от настройки!
Технический результат изобретения - существенное упрощение в формировании канала для передачи оптического сигнала между компонентами электронного модуля при многократной повторяемости и значительное улучшение эксплуатационных характеристик этого канала.
Этот технический результат достигается следующим образом (фиг.1-5).
1. Из оптически прозрачного материала изготавливают призму 1 (фиг.1), которая в основании имеет трапецию, углы которой равны 45, 135, 135 и 45°, причем призму изготавливают с требуемыми допусками на линейные и угловые размеры, а также допустимой шероховатостью. Все грани призмы, кроме нижней, покрывают алюминием при помощи процесса напыления.
2. Берут кристалл 2, являющийся источником излучения VCSEL, и кристалл 3, являющийся приемником излучения PD, и приклеивают их на подложку 4 (фиг.2).
3. Наносят изолирующий слой (изолирующие слои) 5 до верхней плоскости кристаллов (фиг.3).
4. Известным способом формируют токопроводящие межсоединения 6 от контактных площадок кристаллов, вскрывают изолирующие слои над излучающей и принимающей площадками соответствующих кристаллов (при этом образуются полости 7) и устанавливают призму 1 с рассчитанной точностью на соответствующее место (фиг.4). В случае когда требуется уменьшить расходимость светового пучка, в полости 7 над излучающей и приемной площадками устанавливают микролинзы.
5. Фиксируют призму 1 полимерным слоем по периметру либо тонким слоем фоторезиста, который наносят на контактируемые поверхности перед ее установкой. Наносят изолирующие слои 8 (фиг.5). Показано прохождение излучения лазера от излучающей до приемной площадки.
Нижняя грань призмы должна иметь длину не более 200 мм, что перекрывает практически возможные случаи (но могут быть и исключения). Это объясняется тем, что должно удовлетворяться условие - при любом отклонении нижней грани призмы от основания после ее установки из-за различных факторов в приемник излучения должен попасть допустимый световой поток.
Для малых углов отклонения призмы (до 0,5°) от идеального положения величина смещения осевого луча излучения лазера (отклонение от центра приемника излучения) будет равна: x=a*sin(α), где а - расстояние между центрами излучающей и приемной площадок VCSEL и PD соответственно, α - угол отклонения призмы.
Если принять, что допустимое значение потока, пришедшего на приемник излучения от первоначального (от источника излучения), равно 25%, т.е. смещение осевого луча примерно на 2/3 от центра, то для диаметра приемной площадки, равного 45 мкм (http://www.connector-optics.com/uploaded/Datasheets/25%20Gbit-s%20PD%20chips%20850%20nm%20RUS%20final.pdf), имеем, что допустимый угол для расстояния а=200 мм будет равным:
α=arcsin(x/a), α=arcsin(2/3*45/200000), α=30".
Если принять допустимое смещение на 1/3 от диаметра приемной площадки, то допустимый угол получится равным α=15".
Современное оборудование позволяет получить значение угла α после планаризации равным 0,4" (http://www.dicko.co.jp/eg/solution/library/surfare.html) в пересчете на величину вертикального уклона в 0,039 мкм (см. значение Ry в табл.).
Преимущество от использования изобретения при серийном изготовлении электронных модулей, содержащих оптические межсоединения, - нет необходимости в трудоемкой юстировке зеркал; роль зеркал выполняют грани призмы, которая изготовлена заранее.
Особенно значительный эффект изобретения виден для случая групповой передачи оптических сигналов, когда VCSEL и PD установлены в ряд, и используется всего одна призма.