專利名稱：用于電路板互連的光學(xué)底板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)用于互連一組電路板的系統(tǒng)，特別是涉及一種不僅是專用于電通信開關(guān)或計(jì)算機(jī)上的電路板的互連系統(tǒng)。
在電通信開關(guān)的領(lǐng)域中，隨著電路密度的增加和開關(guān)速率的增大(將從200Mbit/秒增大到2.4Gbit/秒)，為了更有效地互連開關(guān)電路板，人們已經(jīng)提出了很多建議。其中一個(gè)極為重要的方面就是在電路板之間形成互連的底板或母板。除了需要考慮到的問題，例如操作期間的散熱問題之外，還有一個(gè)重要的條件，那就是各個(gè)板上時(shí)鐘等等信號(hào)的分配問題;在如此高的速率下，在底板上沿著導(dǎo)體傳導(dǎo)的時(shí)鐘信號(hào)會(huì)引起傳播延遲，帶寬以及交擾等問題。
已知有一種全息照相元件，它布置在一個(gè)表面上，用于在一個(gè)相鄰基片上的發(fā)送器和接收器之間反射或折射光線，參見《應(yīng)用光學(xué)》，1988年10月15日，第27卷第20號(hào)由K.H.Brenner和F.Sauer所著的“繞射-反射光學(xué)互連”一文。這種發(fā)送器和接收器通常構(gòu)成集成電路芯片的電路陣列的一部分，而光線被用來(lái)以遞增的效率為各個(gè)芯片分配信號(hào)。傳播全息圖象的表面通常是由一個(gè)透明介質(zhì)固定在芯片的基片上，形成一個(gè)緊湊和整體的部件，這是由于各個(gè)光通路的匹配要求很高的精度所致。
本發(fā)明的目的是提供一種能解決上述問題的，用于一組電路板互連的系統(tǒng)。
本發(fā)明提供了一種用于一組電路板互連的系統(tǒng)，其中有多個(gè)電路板，每個(gè)電路板上都有一個(gè)端區(qū)，該端區(qū)上裝有一個(gè)或多個(gè)光發(fā)送器或光接收器，以及一個(gè)構(gòu)成電路板的互連底板的光學(xué)構(gòu)件，該光學(xué)構(gòu)件包括一個(gè)裝有大量全息照相元件的第一表面，用于從上述光發(fā)送器接收光線，并把該光線發(fā)送到一個(gè)第二反射表面，光線從第二反射表面反射回上述全息照相元件，發(fā)送給上述光接收器。
因此，按照本發(fā)明，通過一個(gè)提供一種電路板的互連底板的光學(xué)構(gòu)件，克服了現(xiàn)有底板存在的問題，特別是解決了高信號(hào)比特率所帶來(lái)的問題。
光學(xué)互連線路的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是降低了連接器的插入力和匹配要求。一個(gè)光學(xué)連接器僅僅需要聯(lián)接一個(gè)匹配外殼的力和很少的供電設(shè)施，例如電源和時(shí)鐘。相比之下，電連接器需要很大的插入力來(lái)可靠地聯(lián)接大量插頭。這種力和又長(zhǎng)又薄的電路板結(jié)構(gòu)一起，會(huì)導(dǎo)致電路卡和連接器出現(xiàn)很大的撓曲和彎曲問題。
在光能量聚集和匹配要求之間還可以采用進(jìn)一步的折衷方案。由于激光束的擴(kuò)展，其橫向容限可以大大放寬，這是以伴隨的能量聚集損失為代價(jià)的。然而，由于使用了激光源(其最大功率僅受到安全條件的限制)，并且傳送的距離很短，能量聚集存在很大的設(shè)計(jì)余量，這就有可能為電路板的彎曲，連接器的輕微失調(diào)，或者連接器的不完全嚙合留出余量。
在該光學(xué)構(gòu)件的環(huán)境穩(wěn)定性方面，自由空間光學(xué)互連技術(shù)對(duì)遮擋光束的粒子是敏感的。這些粒子可以造成暫時(shí)的影響，例如一個(gè)空氣攜帶的粒子穿過光束造成信號(hào)的瞬時(shí)噪聲，或者也可以造成更持久的影響，例如在粒子粘在鏡片或透鏡表面上的情況下。光學(xué)構(gòu)件可以使用固體玻璃或塑料結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)成大多數(shù)的光束傳播路徑。除了把光束限制在一定范圍之內(nèi)以防止塵埃的問題之外，這種光學(xué)構(gòu)件還有一個(gè)附加的優(yōu)點(diǎn)，就是這種光學(xué)構(gòu)件具有機(jī)械穩(wěn)定性，從而減少了匹配問題。塑料的使用還允許對(duì)元件進(jìn)行澆注或模壓，費(fèi)用較低。然而，使用固體介質(zhì)構(gòu)成光學(xué)互連區(qū)域的缺點(diǎn)是，沿著導(dǎo)軌背面的通風(fēng)道減少了。換句話說，最佳的自由空間被用做了光學(xué)介質(zhì)，并且在電路卡和光學(xué)底板之間裝了一個(gè)防止塵土侵入的彈性(橡膠)密封環(huán)。
在兩個(gè)主要步驟中，該系統(tǒng)要求精細(xì)的機(jī)械設(shè)計(jì)。第一，為了在制造過程中的匹配，最初的系統(tǒng)必須是平直的。第二，系統(tǒng)在運(yùn)輸和使用時(shí)必須保持匹配。這一點(diǎn)對(duì)于匹配靈敏度極高的全息攝影系統(tǒng)尤其重要。
全息攝影技術(shù)中的另一個(gè)需要考慮的問題是關(guān)于元件在運(yùn)輸和使用期間所經(jīng)受的溫度和濕度范圍。有些用于制造全息光學(xué)元件的高效材料，例如重鉻酸鹽明膠(DCG)，對(duì)濕度有很高的靈敏度，要求有保護(hù)涂層。
為此，用一個(gè)透明薄片構(gòu)成裝有全息照相元件的上述第一表面，該透明薄片上可以安裝上述第二反射表面，也可以與裝有上述第二反射表面的另一個(gè)透明薄片固定在一起，構(gòu)成一個(gè)整體的構(gòu)件。把該構(gòu)件牢固地安裝在一個(gè)容納印刷電路板的機(jī)殼上。把一個(gè)金屬部件固定在每個(gè)印刷電路板靠近底板并裝有發(fā)送器和接收器光學(xué)元件的一端，這些光學(xué)元件安裝并精確定位在金屬部件的孔中。容納印刷電路板疊層的機(jī)殼上靠近底板處，裝有基準(zhǔn)表面，當(dāng)每個(gè)印刷電路板在機(jī)殼中定位時(shí)，上述金屬部件靠近該基準(zhǔn)表面，以便在金屬部件與全息圖之間留出精確的間隔。此外，按照本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的特征，該金屬部件上裝有一個(gè)或多個(gè)投影和錐形元件，例如一個(gè)尖釘，它用于光的匹配，把光信號(hào)記錄在第一表面上的孔中。另一方面，第一表面上可以安裝投影元件，把光信號(hào)記錄在金屬部件的孔中。在任何情況下，電路板上都裝有“推進(jìn)器部件”，用于引導(dǎo)和操縱電路板進(jìn)入其記錄和匹配位置。
在使用很高的比特率的情況下，重要的一點(diǎn)是要把各個(gè)光發(fā)送器，光接收器以及MUX/DEMUX芯片之間的電接口距離減至最小值。為了便于制作，最好使用由光纖構(gòu)成的“光管”向印刷電路板上的一個(gè)更合適的位置傳送光信號(hào)。
以下將參考附圖描述本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，其中
圖1是按照本發(fā)明的用于互連一組電路板的光學(xué)底板的外形示意圖;
圖2是圖1所示底板的一個(gè)互連圖表;
圖3是表示全息圖形成方法的示意圖;
圖4是底板機(jī)械結(jié)構(gòu)的一個(gè)更詳細(xì)的示意圖;以及圖5表示圖4中固定在電路卡上，并裝有光發(fā)送器和光接收器的部件的局部示意圖。
參見圖1，框架2構(gòu)成容納一組印刷電路卡4的機(jī)殼，每個(gè)卡的后端具有一個(gè)裝有多個(gè)發(fā)送器8和接收器10的部件6。用一個(gè)框架部件14把一個(gè)光學(xué)底板12固定安裝在框架2上，該光學(xué)底板包括一個(gè)裝有多個(gè)全息照相元件18的表面16。該表面16是由鹵化銀感光板構(gòu)成，該感光板對(duì)準(zhǔn)并且固定在一個(gè)透明的固體聚合物板20上。一個(gè)后部反射器22直接放置在聚合物板20的背部。
全息圖相對(duì)于發(fā)送器8和接收器10是這樣布置的，即由一個(gè)第一全息圖把來(lái)自一個(gè)發(fā)送器的光折射到一個(gè)預(yù)定的方向，再由反射板22反射到另一個(gè)全息元件上，從那里再折射給一個(gè)所需的接收器或者光檢測(cè)器10，如圖1所示。全息元件的布置使一束直線光束進(jìn)入垂直于第一表面的一個(gè)第一全息圖，并從所需的輸出點(diǎn)垂直出射。用一個(gè)彈性的橡膠保護(hù)層24封住框架2與光學(xué)底板之間的空間，防止可能干擾激光束的灰塵侵入。
現(xiàn)參見圖4，該圖更詳細(xì)地示出了圖1中所表示的結(jié)構(gòu)。此外，圖5是部件6的一個(gè)局部視圖。
每個(gè)印刷電路板4都裝在頂部和底部導(dǎo)軌40，42內(nèi)，以便使印刷電路板在框架2內(nèi)便于放入和取出。導(dǎo)軌40和42在框架2的后端固定到一個(gè)直角的機(jī)殼44上，機(jī)殼44構(gòu)成基準(zhǔn)表面46。此外，機(jī)殼44伸出一個(gè)延長(zhǎng)部分48，用于固定一個(gè)矩形框架部件50，該框架部件使板20定位。
每個(gè)印刷電路板4的前端有一個(gè)推進(jìn)部件52用于把電路卡推入框架內(nèi)，并且用于操縱電路卡，如下所述。電路卡的后端裝有鋁制的矩形部件6，它是用螺釘釘在電路板上的，并且含有成排的通孔56，這些孔中分別裝設(shè)光檢測(cè)器10和激光發(fā)送器8。這些檢測(cè)器和激光發(fā)送器通過很短的電氣引線62連接到MUX/DEMUX芯片64上。在另一種實(shí)施結(jié)構(gòu)中，引線62可以由光纖代替，并且激光源和光檢測(cè)器可以裝在電路板上。
部件6的后端裝有兩個(gè)圓錐形尖釘部件70，它嵌入方框20中的記錄孔72。在把電路板4插入導(dǎo)軌40和42時(shí)，用手握住推進(jìn)部件52使電路板運(yùn)動(dòng)，當(dāng)投影部件70嵌入孔72時(shí)，電路板4靠在基準(zhǔn)表面46上停止移動(dòng)。
圖5表示與激光發(fā)送器8有關(guān)的光學(xué)元件，激光二極管70發(fā)射可見光線，由單平凸透鏡72準(zhǔn)直。透鏡的焦距為1.47mm，并具有小于1%的30°分布范圍。由于透鏡之間的焦距誤差很小，所以不必為每個(gè)透鏡單獨(dú)裝設(shè)聚焦裝置。在散熱部件內(nèi)的孔中有一個(gè)軸肩74，用于調(diào)整透鏡的位置。由于激光的正常工作功率為眼睛安全限度的3倍，盡可能用一個(gè)限制孔76來(lái)減少激光輸出的象散現(xiàn)象，孔76的設(shè)置是為了限制透鏡前的大角度軸外光，從而形成較圓的對(duì)稱輸出光束，同時(shí)仍保證所需的大約1mw的功率。
感光板上的全息圖18是用光學(xué)固化環(huán)氧樹脂膠固定在一個(gè)固體聚合物板20上的，快速凝固使全息圖對(duì)準(zhǔn)并粘接在指定位置上。固定結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是在使用中可以保持對(duì)準(zhǔn)，并能阻止灰塵和其他有害粒子遮擋光束。此處使用一種聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物，它具有良好的機(jī)械特性，并且在670nm的工作波長(zhǎng)附近具有最小的損耗。每個(gè)光束的路徑長(zhǎng)度是投影角的函數(shù)，在300mm和470mm之間變化。
板20是精密切削而成的，使其前面和背面平行，并且垂直于其他面。然后在兩個(gè)面上進(jìn)行最后的拋光處理。精密切削和拋光程序是用來(lái)使板內(nèi)部形成的應(yīng)力減至最小。
在拋光以后，把反射表面22直接裝在板的背面上。該反射器采用高真空鋁蒸汽鍍膜工藝制成。由于板的背面已經(jīng)過了切削和拋光處理，不需要對(duì)反射器的垂直做進(jìn)一步的校正。用氦氖光對(duì)該表面進(jìn)行了測(cè)試，反射率為75.6%。該表面在鍍鋁之前經(jīng)過了嚴(yán)格的清潔處理，使聚合物具有良好的粘附力。然而仍需要有一個(gè)保護(hù)薄膜或墊片來(lái)防止由劃傷或化學(xué)腐蝕造成的損害。
底板的全息圖是用Agfa8E75HD鹵化銀感光板裝配的。來(lái)自一個(gè)氦氖激光器(波長(zhǎng)為633nm)的輸出光分成兩束準(zhǔn)直平面波，這兩束光從感光板的同一側(cè)面入射到感光板上，從而在感光材料上形成干擾條紋(圖3)，明亮的條紋使釋放自由銀原子的鹵化銀曝光，使感光板顯影，然后隨著感光乳劑的吸收所產(chǎn)生的變化使干涉條紋定形。之后進(jìn)行漂白處理使銀原子還原成穩(wěn)定的鹵化銀，從而形成所需的折射率變化。由于全息圖是由來(lái)自感光板的同一側(cè)的光束記錄下來(lái)的，如果用一個(gè)穿過全息圖發(fā)送的光束使全息圖重現(xiàn)，該光束以一個(gè)角度θ轉(zhuǎn)向。因?yàn)槲矬w光束是垂直于感光板的，角度θ就是基準(zhǔn)光束在空氣中照亮感光板的入射角。全息圖固定在一個(gè)聚合物部件上，并且需要根據(jù)斯涅耳折射定律對(duì)全息圖/聚合物界面處的折射進(jìn)行校正。
在所希望的第一級(jí)光束中的功率百分?jǐn)?shù)隨所需的轉(zhuǎn)向角而變化。對(duì)這種類型的全息介質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，得到的角度范圍為35°至70°，角度的有效范圍受到全息乳劑厚度以及用這種乳劑所能獲得的最高空間頻率的限制。此處使用的感光板的乳劑厚度約為5μm，這種厚度的感光板局部地表現(xiàn)為厚全息圖，另一部分表現(xiàn)為薄全息圖。因此，如果基準(zhǔn)光束和物體記錄光束兩者都近似地垂直于板面(小轉(zhuǎn)向角)，由此所能“看見”的乳劑厚度很小，全息圖表現(xiàn)為一個(gè)薄的光柵。在此情況下會(huì)產(chǎn)生多級(jí)光束，形成大量的無(wú)用光束，并使輸出光束的功率減小。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角較大時(shí)，全息材料所需要的空間頻率增大，這是因?yàn)?，使穿過的光束偏轉(zhuǎn)的最大角度是由鹵化銀板的顆粒度決定的，而這一顆粒度是有限的。
可選擇采用一種較厚的體積全息照相材料，例如重鉻酸鹽明膠，或一種感光聚合物，這將擴(kuò)大可實(shí)現(xiàn)的角度范圍。雖然這樣做可以達(dá)到增大角度范圍的目的，但是其他因素將會(huì)限制其最終的性能。
每個(gè)全息光學(xué)元件的特征是氦氖633nm波長(zhǎng)。測(cè)量在零點(diǎn)處和第一級(jí)(直接穿過的光束和所需的偏轉(zhuǎn)光束)的功率百分?jǐn)?shù)。根據(jù)測(cè)量值計(jì)算出轉(zhuǎn)換效率，第一級(jí)功率的比例作為所述輸入功率的百分?jǐn)?shù)。在角度范圍的中間處可獲得最高效率，角度增大時(shí)效率降低。在35.06°處的平均轉(zhuǎn)換效率為40%或40dB。
權(quán)利要求
1.一種用于互連一組電路板的系統(tǒng)，其中有多個(gè)電路板，每個(gè)電路板上都有一個(gè)裝有一個(gè)或多個(gè)光發(fā)送器或光接收器的端區(qū)，一個(gè)光學(xué)構(gòu)件構(gòu)成電路板的互連底板，其特征是上述光學(xué)構(gòu)件包括一個(gè)裝有大量全息照相元件的第一表面，用于從上述光發(fā)送器接收光束，并把上述光束發(fā)送到一個(gè)第二反射表面，上述光束從上述第二表面反射回上述全息照相元件，發(fā)送給上述光接收器。
2.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是每個(gè)電路板都有一個(gè)固定在電路板后端的散熱部件，并且在該散熱部件內(nèi)具有安裝一或多個(gè)發(fā)送和/或接收元件的孔。
3.按照權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征是上述部件具有兩行孔，其中一行孔裝有多個(gè)發(fā)送元件，以及另一行孔裝有多個(gè)接收元件。
4.按照權(quán)利要求2或3所述的系統(tǒng)，其特征是每個(gè)發(fā)送元件包括一個(gè)可見激光二極管光源。
5.按照權(quán)利要求2至4中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征是，每個(gè)發(fā)送元件緊靠在各個(gè)孔中的一個(gè)臺(tái)肩上，并且貼著上述孔中的另一個(gè)臺(tái)肩布置一個(gè)準(zhǔn)直透鏡。
6.按照權(quán)利要求2至5中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征是上述發(fā)送和接收元件是通過短的電氣引線連接到電路板上的MUX/DEMUX電路上的。
7.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是包括匹配裝置，用于在電路卡插入機(jī)箱時(shí)使電路卡插到相對(duì)于光學(xué)構(gòu)件的預(yù)定位置，以便準(zhǔn)確地發(fā)送上述光束。
8.按照權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征是上述匹配裝置包括一個(gè)基準(zhǔn)表面，當(dāng)插入上述電路板時(shí)，上述散熱部件緊靠在該基準(zhǔn)表面上，以便在上述部件與全息照相元件之間限定一個(gè)預(yù)定的間隔。
9.按照權(quán)利要求7或8所述的系統(tǒng)，其特征是每個(gè)電路卡和上述第一表面都包括協(xié)同操作的錐形定位部件和孔，當(dāng)電路卡插入機(jī)箱時(shí)，錐形定位部件與孔互相嚙合，以便把發(fā)送器和接收器固定在相對(duì)于全息照相元件的預(yù)定位置上。
10.按照權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征是每個(gè)上述部件內(nèi)裝有一個(gè)或多個(gè)錐形尖釘部件，用于嵌入上述第一表面上的記錄孔中。
11.按照權(quán)利要求9或10所述的系統(tǒng)，其特征是每個(gè)電路卡包括一個(gè)或多個(gè)可手動(dòng)推動(dòng)的推進(jìn)器部件，用于把電路卡推入機(jī)箱并使上述協(xié)同操作部件和孔互相嚙合。
12.按照權(quán)利要求1至11中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征是上述第一表面包括一個(gè)感光板，該感光板固定在一個(gè)聚合物部件上，在該部件的背面上裝有上述反射表面。
13.按照權(quán)利要求1至12中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征是包括一個(gè)有彈性的保護(hù)層部件，該部件環(huán)繞電路板尾部與光學(xué)部件之間的自由空間。
全文摘要
一種用于互連一組電路板的系統(tǒng)，其中有多個(gè)電路板，每個(gè)電路板上都有一個(gè)裝有一或多個(gè)光發(fā)送器或光接收器的端區(qū)，一個(gè)光學(xué)構(gòu)件構(gòu)成電路板的互連底板，該光學(xué)構(gòu)件包括一個(gè)裝有大量全息照相元件的第一表面，用于從上述光發(fā)送器接收光束并發(fā)送到一個(gè)第二表面，第二表面把上述光束反射回上述全息照相元件，發(fā)送給上述光接收器。
文檔編號(hào)G03H1/00GK1063172SQ91111548
公開日1992年7月29日 申請(qǐng)日期1991年11月14日 優(yōu)先權(quán)日1990年11月14日
發(fā)明者S·C·羅伯遜 申請(qǐng)人:Gpt有限公司