СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ КАНАЛА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА МЕЖДУ КОМПОНЕНТАМИ ЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ
METHOD OF FORMING CHANNEL FOR TRANSMITTING OPTICAL SIGNAL BETWEEN COMPONENTS OF ELECTRONIC MODULE

Изобретение относится к радиоэлектронике. В нем предлагается новый способ образования 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/jornal/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 (http://chromisfiber.com/pdf/YSSon_OSAribbonPOF_OEFeb2011.pdf) для решения этих проблем 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.
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) 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.
Известна дифракция лазерного излучения на дифракционных решетках (http://mr.jinr.rii/fein/pdf/Optics_lab5.pdf).
Известны дифракционные решетки, которые работают только на отражение с углом отражения, равным 90°. Теоретическое обоснование этого эффекта содержится в работах, представленных в (http://ipes.creol.ucf.edu/Publications.aspx), и иллюстрируется в (S. Lardenois et al., Opt. Lett. 28, 1150 (2003)).
Этот эффект можно использовать для образования канала для передачи оптического сигнала между компонентами электронного модуля. Для этого (см. фиг. 1-5):
1. Изготавливают оптическую деталь (фиг. 1), которая представляет собой волновод оптического излучения, выполненный в виде двух зеркально-симметричных дифракционных решеток и прямолинейного участка между ними. Деталь изготавливают с размерами, учитывающими ее размещение, и требуемыми допусками на линейные размеры и радиусы кривизны штрихов (выступов) решетки, а также заданными параметрами шероховатости (см. ГОСТ 2789-73) всех поверхностей детали. Период решетки рассчитывают исходя из длины волны используемого оптического излучения. Радиусы кривизны для каждого штриха решетки рассчитывают из условия фокусировки оптического излучения с целью уменьшения расходимости излучения от источника излучения и максимальной засветки чувствительной площадки приемника излучения. Материал оптической детали также выбирают исходя из длины волны оптического излучения. Так, используют Si (для длины волны 1,55 мкм); фотополимер EpoCore 10, Micro Resist Technology (для длины волны 0,85 мкм); фотополимер EpoCore 20, Micro Resist Technology (для длины волны 0,85 мкм); фотополимер SU-85 MicroChem Corporation (для длины волны 0,85 мкм).
2. Берут кристаллы 1 и 2 (источник излучения VCSEL и приемник излучения PD соответственно) и приклеивают на подложку 3, которую изготавливают, например, из кремния, оксида кремния или нитрида кремния (фиг. 2).
3. Наносят изолирующий слой или изолирующие слои 4 до верхней плоскости кристаллов (фиг. 3).
4. Известным способом формируют токопроводящие межсоединения 5 от контактных площадок кристаллов, вскрывают изолирующие слои над излучающей и принимающей площадками кристаллов 6 и устанавливают с рассчитанной точностью оптическую деталь 7 (фиг. 4).
5. Оптическая деталь 7 фиксируется полимерным слоем по периметру либо тонким слоем фоторезиста, нанесенного на контактируемые поверхности перед ее установкой. Наносятся изолирующие слои 8 (фиг. 5).
Преимущество от использования изобретения для серийного и массового изготовления электронных модулей, содержащих оптические межсоединения: нет необходимости в трудоемкой юстировке микрозеркал и микролинз; роль микрозеркал и микролинз выполняют дифракционные решетки, изготовленные заранее в виде единого оптического тракта - единой оптической детали.
Технический результат изобретения: существенное упрощение в образовании канала для передачи оптического сигнала между компонентами электронного модуля при многократной повторяемости и значительное улучшение эксплуатационных характеристик этого канала.