维持光纤电路的光纤的方法及其装置的制作方法

专利名称：维持光纤电路的光纤的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及光电路。特别是，本发明涉及用于路由光纤来制作光电路的方法和装置。
背景技术：
电路的设计需要器件之间的互连，以便合适操作。随着复杂性和操作速度的提高，功能的互连的设计和制作需要仔细的工程。最快的数据处理电路和新兴的技术需要大量能传送极高速信号的互连。由于越来越多地推行越来越高的速度，工程师面临着设计电子互连中的基础限制。
为了处理更高的信号速度和提高的数据传送速率，互连技术已转向光纤寻求下一代的电路。光电路具有超过相似的电路的等级的带宽能力次序，并天生不受电干扰影响。在一些已知设计中，将离散的光缆和光纤束用于互连器件。已知的用于生产光纤电路和将光纤连接至器件的标准光纤连接技术对少量互连来说足够了。但是随着光电路密度加大，光缆和连接器的物理体积使能当前的方法难以使用。
某种基于光纤的光电路的制作在本技术领域是已知的。例如，已知可以通过粘合或嵌入光纤，使用压敏粘合剂(PSA)或涂覆在层压薄膜上的部分固化的单基聚物来制作光电路。然后可以通过例如加一层涂覆层，固化粘合剂，或水浸涂覆和固化来进一步保护粘合光纤组件。在各种情况中，完成的组件由在多层组件的中间层中牢固保持的光纤组成。
然而，存在在涂层薄膜上使用之类的与粘合剂使用相关联的问题。例如在光电路中，光纤被牢固地固定在合适的位置上。一旦组装好，很难或不可能加入、去除或替换给定的光纤，以维修或更新电路设计。另外，嵌入该设计的光纤限制了组件的可塑性，并且如果弯曲或强迫组件符合不平的表面，光纤可能会处于不希望的应力等级。由于电路图形的要求而相互交叉的光纤因为电路层迭加在一起可能会易于遭受微曲和相关联的光损耗。硬直地保持在光电路组件中的光纤也可能会显示出更多由温度生成的应力引起的弯曲损耗。
曾经尝试过解决上述问题。在给Meis等人的US专利号5,902,534和6,427,034中，示出允许将光电路重新定位以实现合适的对准的柔性光电路备用元件。该Meis等人的柔性光电路备用元件提供在垫层上的微结构，使该微结构防止涂覆在垫层上的粘合剂立即粘到基片上去。以此方式，可以重新定位光纤直到实现合适的对准。在一个实施例中，当应用合适的力时，微结构会压坏，从而允许涂覆粘合剂以将该薄膜与基片粘合。另外，当将它们加到粘的表面上时，该微结构还提供一个将光纤路由到准确位置的指导。然而，上述粘合剂仍存在一些缺陷。
仍旧需要在初次组装后允许添加、去除或替换光电路中的光纤并减少或消除不希望的应力(该应力导致光损耗)的光电路。还需要制作提供这些优点的光电路的方法。

发明内容
本发明提供一种用于路由光纤来制作光纤电路的装置。该装置包括一个基片和多个在基片上的保持结构。该保持结构可去除地保持光纤与基片相邻，从而可以在初次组装该光电路后添加、去除或替换光纤。该保持结构被设置成减少或消除光纤中导致光损耗的不希望的应力。
该保持结构定位在基片上以在相邻保持结构之间形成通道，从而可以将一个或多个光纤定位在该通道上。在根据本发明的一个实施例中，保持结构在基片在排成多个簇，其中簇以与光纤的最小弯曲半径相同的数量级相互隔开。
保持结构具有帮助保持与基片相邻的光纤的放大头部分。在根据本发明的一个实施例中，保持结构可以柔性地变形以便插入或从保持结构中去除光纤。
在根据本发明的各种实施例中，基片可以是诸如面板之类的分开的离散元件，或基片还可以是另一器件的完整表面。如果基片为离散元件，则可以在基片的周围设置联锁结构，用于连接多个基片以形成一个更大的元件。该基片可以是平的或不平的，刚性的或柔性的。
本发明还提供一种用于形成光纤电路的方法。该方法包括提供一个具有多个保持结构的基片，其中该保持结构在其间定义通道。在一个预定的图形上将一光纤路由越过基片并将光纤插入保持结构之间的通道。然后通过保持结构将光纤松散地保持在基片附近。
附图简要说明

图1为根据本发明的光纤电路矩阵的一个实施例的透视图。
图1B为图1A的圆周部分“A”的放得很大的剖视图。
图2A为图1A的光纤电路矩阵的顶视图。
图2B为图2A的光纤电路矩阵的右下角的放得很大的顶视图；图3A-3H为图2A的光纤电路矩阵的顶视图，示出在一全混洗电路中路由多个光纤。
图3I为从图3A-3H所示的光纤的路由而来的光电路的顶视图。
图4为图2A的光纤电路矩阵的顶视图，示出另一可能的光电路。
图5A-5D示出根据本发明的的保持特征的附加实施例。
图6A-6C为示出根据本发明的的光纤电路矩阵的附加实施例的照相图。
图7为多个联锁光纤电路矩阵面板的顶视图。
图8为根据本发明的一个实施例的封装的光电路的部分打开的剖视图。
图9示出根据本发明的保持特征整体地形成另一器件的一部分。
较佳实施方式的说明以下参照形成其一部分的附图对较佳实施例进行详细说明，其中通过示例示出对本发明实践的特定实施例。应理解可以使用其它实施例并作出结构或逻辑改变而不偏离本发明的范围。因此，下面的详细说明不旨在限制且本发明的范围由所附权利要求限定。
图1A和1B示出根据本发明的光纤电路矩阵20的一个实施例，它可以用于机械地控制多个光纤以产生一个光纤电路，而无需使用粘合剂来保持该光纤。在图1A和1B的实施例中，光纤电路矩阵20形成一个面板22并包括一个具有多个从其扩展的柔性可变形保持结构26的垫层或基片24。保持结构26各包括一个有一个放大的头部30的支柱或杆部28。该保持结构26可以在基片24上组成簇32(图1A和1B)，或该保持结构26还可以定位在非簇形排列中(图6A-6C)。基片24中提供任选开口34以增加基片的柔性并减少形成基片24所需的材料量。
图2A和2B示出图1A和1B的光纤电路矩阵20，其中光纤40路由在保持结构26之间。在图2A和2B的示例实施例中，保持结构26的杆部28以约等于或稍大于光纤40的直径的距离分隔开来，从而可以在相邻杆28之间的通道42中自由地接受光纤40。然而，在根据本发明的另一实施例中，相邻杆28之间的距离可以远远大于光纤40的直径，只要成形或定位放大的头部30以保持与基片24相邻的光纤40。
图1B的实施例中，保持结构26的放大的头部30以小于光纤40的直径的距离分隔开来，使得在将光纤40插入或从相邻杆28之间的通道42去除时可以柔性地转移放大的头部30。从而光纤通过保持结构26的杆28保持在光纤电路矩阵20上的希望图形中并通过保持结构26的放大的头部30保持在光纤电路矩阵20旁。
有益地，光纤40并不是相对光纤电路矩阵20或其它光纤刚性地固定的。即，形成光电路的光纤40相对光纤电路矩阵20或其它光纤40松散地保持和移动。因此，即使在光电路组装后，也可以添加，去除或替换光纤，以维修或更新电路设计。另外，如果光电路组件经弯曲或强迫与不平的表面符合，该光纤可以相对光纤电路矩阵20或其它光纤移动或滑动，从而减少经历的应力水平和相应的光损耗。另外，光纤电路矩阵20或单个光纤之间的相对移动减少了与温度引起的应力或例如在光纤因电路图形的要求相互交叉时微曲应力相关联的光损耗。
与导电线或电缆的路由相比，光纤的路由具有″最小弯曲半径″的附加限制。光纤40的最小弯曲半径取决于各种机械和光因素。机械因素包括测试光纤40的耐应力40、光纤40的玻璃部分的直径、预计使用光纤40所执行的环境条件和预计光纤40在弯曲半径维持的时间段。如果光纤受到超过这些条件所示的限度的弯曲，光纤会因断裂而失效。限制光纤40的弯曲半径的主要光学因素是数值孔径，用于测量光纤芯中的光被束缚的牢固程度。如果光纤40弯成小于其最小光弯曲半径的曲线，一些通过光纤40的光开始从光纤的一端泄漏出来，从而减弱了光信号。随着弯曲半径变得更小，光损耗增加直到可用的信号等级不再能使用。光纤40的特定结构决定机械或光因素是否会最终限制光纤的最小弯曲性能。因此，为了维持光纤40的机械或光性能，希望确保不将光纤弯成小于其最小弯曲半径的曲线。
在基片24上定位和间隔光纤电路矩阵20的保持结构26，使得可以将光纤40通过和围绕保持结构26路由而不违反光纤40的最小弯曲半径。在根据本发明的一个实施例中，保持结构26组成簇32，且将通过用于该电路的光纤的最小弯曲半径的几分之一将簇32分隔开来。例如保持结构26的簇32可以1/10-1/2或更大最小弯曲半径的距离相互间隔。簇32的间隔会通过维持结构26影响提供给光纤40的保持或支点的数量，因为光纤是越过光纤电路矩阵20路由。随着簇32的间隔的减少，可以将更多保持和支点提供给光纤40。然而，同时光纤电路矩阵20对不同电路设计的适应性通常会降低。
在图2A和2B的示例实施例中，显示使用具有最小弯曲半径30nm光纤的光纤电路矩阵20。该光纤直径为0.25mm，而相邻保持结构26的杆28之间的距离属于0.30nm级别。保持结构26的簇32间隔10mm(即，最小弯曲半径的1/3)。因为将光纤路由越过光纤电路矩阵20，既可以将光纤定位在保持结构对26之间的通道(如在点50)也可以将其靠着单个保持结构26(如在点52)。如图所示，光纤的弯曲半径没有变得小于30mm的最小弯曲半径。
本文所述的光纤电路矩阵20可用于各种不同的电路设计和光纤路由。作为一个例子，图3A-3I示出需要路由64个不同光纤的8×8“全”光混洗转变。全混洗是本领域的技术人员熟知和理解的。所示的全混洗转变出现在8条“输入”光缆(X1，X2，...，X8)和8条“输出”光缆(Y1，Y2，...，Y8)之间，其中各电缆由8条单独的光纤组成。将各输入电缆的8条光纤路由至不同的输出电缆，使得将来自各输入电缆Xm的一个光纤40路由至输出电缆Y1-Y8。图3A-3H分别示出电缆X1-X8的光纤1-8的一种可能的路由图形。图3A-3H各示出来自各电缆X1-X8的一个光纤。图3I示出整个混洗中的所有64个光纤(8条光缆各具有8条光纤)。
图4中示出另一示例电路设计。如图4所示，不一定要将光纤完整地保持在光纤电路矩阵20上，且光纤在路由越过电路矩阵20时可以转弯多次。
如图3I和4所示，电路设计可要求将多条光纤定位在彼此的顶部，即可以以与同一通道42对准的方向也可以以与两个通道42的交点交叉的方向。该叠加出现在例如多光纤电缆进入或退出光纤电路矩阵20的点处。通过调节保持结构26的几何结构和斜度及它们是如何在基片24上定位的，可以将多个光纤40放在保持结构26之间形成的通道42中。例如受到制造限制，可以将保持特征26的杆28制作得合适地高，以在相邻保持结构26之间的通道42中容纳所需数量的层叠的光纤。
当将保持结构26排在X和Y方向时，会在X和Y方向自然形成通道42并且可以将光纤放在任何这些通道42中。在制作光纤电路矩阵20时，可以将保持结构26的和/或保持结构26的簇定位并分隔在基片24上，使通道42(从而光纤40)以所需的间距加以间隔而终止。如果采用不同的终止形式，可以将基片24保持结构26设计成在各X和Y方向上具有不同的间距。
在图1A的示例实施例中，将保持结构26示为具有一个放大的头部30的支柱或杆28。可以用多种方式制造如图1所示的具有保持结构26的面板22。在一个实施例中，如美国专利号5,077,870所述形成支柱28和放大的头部30。用美国专利号5,077,870所述的方法，面板22用没有放大的头部30的整个简单锥形支柱28加以成型。在成型后对支柱28的顶部加热和加压提供了在支柱28上的放大的头部30，以将光纤保持在支柱28之间。
除了上述和图1B中所示的蘑菇形之外，还可以使用多个其它保持结构和用于形成保持结构的方法。已知在美国专利号6,367,128中示出另选的保持结构。例如如图5A-5D所示，保持结构26还可以具有弯勾形(图5A)、具有一个从杆伸出单个边缘的倒L形(图5B)、具有一个以上从杆伸出边缘的T形(图5C)、或球形(图5D)。图5C中的边缘即可以对称也可以不对称。可以用美国专利号6,367,128的方法形成图5A-5C的示例保持结构26，而5D的结构可以用美国专利号5,077,870所述的方法一类的方法形成。
各种保持结构不旨在限定而只是示例。保持结构26可以与基片24分离地形成并加到基片24上形成合成结构。本领域的技术人员会认识到许多保持结构26的变形，该变形是在不偏离本发明的范围和精神的情况下以各种方式构成的。通常，保持结构26具有与自匹配机械紧固件相似的外表和结构。参见上述美国专利号6,367,128和5,077,870，以寻求对自匹配机械紧固件的更详细的说明。
在根据本发明的一个实施例中，将保持结构26做成具有自匹配属性，使得可以通过机械地将多个基片连在一起来制作多层光电路。图6A-6C中示出在用自匹配机械紧固件构成的光纤矩阵上光纤路由。在图6A-6C中，均匀地分隔保持结构(非簇状)，且在保持结构之间路由光纤，以形成各种转弯，同时仍旧满足最小弯曲半径的要求并不显示附加的光损耗。在图6A-6C的实施例中，可以使用如美国明尼苏达州，圣保罗的3M公司的产品编号SJ-3780型250的自匹配紧固件材料。可以使用如美国纽约州康宁公司的产品编号SMF-28的光纤。
为了提供非常紧凑的光电路，例如，用于电信或数据通信应用，希望使用光纤设计成在光学和机械方面耐最小弯曲半径的光纤。在共同拥有和待审的美国专利申请10/172093，名称“Dual-Band Bend Tolerant Optical Waveguide”中描述了这种光纤。
根据光纤电路矩阵20的需要和应用，可以将本文所述的光纤电路矩阵20制作成一个非柔性元件或柔性元件。可以将用柔性基片24制作的光电路用于希望制作更紧凑的大电路应用中，例如，通过将电路卷成管状。可以用柔性基片24制作电路，以在希望使电路符合不规则表面几何形状时便于安装于不平的表面上。
可以配置光纤矩阵面板22使多个面板22连接形成一个更大的光纤电路矩阵结构。在图1A中所示的实施例中，面板22在其周围分别包括联锁凸形和凹形结构60和62，从而可以将两个或两个以上面板22紧固在一起。在图7中，所示的四个单个面板22连锁排列。那些技术领域中的技术人员会认识到可作出对联锁结构的多种不偏离本发明的范围和精神的变形和修改，并会进一步认识到可以用其它方法来联锁或连接多个面板22。
在光纤电路矩阵20上建立光电路之后，可以将光电路封装备用。具体来说，如图8所示，在根据本发明的一个实施例中，光纤电路封装在格70中并用罩盖72涂覆加以保护。格70可包括用于将格70紧固到另一元件(未示出)的安装边缘74。格70可适用于接受耐用电缆附件76并可使用适合目的应用的连接器78终止光纤40。
在根据本发明的另一实施例中，保持结构26以集成特征制作在其它器件上，这样就可以直接在那些器件建立光电路。例如图9示出器件82的不平的表面80上的保持结构26。如图9所示，器件82表示使用光电路的任何器件或元件。以此方式，可以将光电路制作成与许多种元件成为一体的特征来制作，而不是成为孤立元件。通过将光电路合并成其它现有器件的整体部分，可以开发更多紧凑的器件。
本文所述的光纤电路矩阵20允许不使用粘合剂及诸如水浸、固化、或层迭电路组件之类的附加处理步骤来制作光电路。如果将光纤图形化的光纤电路矩阵20的基片24是柔性的，生成的光电路也会是柔性的。在弯曲电路时，光纤被可移动地保持在保持结构26之间，使得光纤本身可以相对于基片24和其它光纤移动。因此，本发明减少或消除了弯曲应力或使电路符合不平的表面，并进一步减少了温度引起的弯曲损耗带来的影响。
虽然本文为了说明较佳实施例示出和描述了具体的实施例，本领域的技术人员应理解在不偏离本发明的范围的情况下可以用各种变形或等效实施来代替所示和所描述的特定实施例。机械、光学和光机领域技术人员会很容易理解可以将本发明可以各种各样的实施例来实现。本申请旨在涂覆本文所述的各种实施例的改写或变形。因此，明白的目的在于本发明仅由权利要求书及其等效物限定。
权利要求
1.一种光纤电路(20)，其特征在于，包括基片(24)；在所述基片上的多个保持结构(26)；和通过保持结构可去除地保持在所述基片旁的至少一个光纤(40)。
2.如权利要求1所述的光纤电路，其特征在于，定位所述保持结构以在其间形成通道(42)，及其中至少一个光纤定位在所述通道中。
3.如权利要求1所述的光纤电路，其特征在于，所述保持结构与所述基片形成一个整体。
4.如权利要求1所述的光纤电路，其特征在于，所述保持结构在所述基片上排成多个簇。
5.如权利要求4所述的光纤电路，其特征在于，所述簇相互间隔，以形成一个簇的矩阵。
6.如权利要求4所述的光纤电路，其特征在于，所述簇以与至少一个光纤的最小弯曲半径相同的数量级相互隔开。
7.如权利要求6所述的光纤电路，其特征在于，所述簇之间的距离在至少一个光纤的最小弯曲半径的范围1/10-1/2内。
8.如权利要求1所述的光纤电路，其特征在于，所述保持结构可以柔性变形。
9.如权利要求1所述的光纤电路，其特征在于，所述多个保持结构各包括一个具有放大的头(30)的杆(28)。
10.如权利要求9所述的光纤电路，其特征在于，所述放大的头包括一个从所述杆的至少一侧或从磨菇形头伸出的凸缘。
11.如权利要求9所述的光纤电路，其特征在于，所述杆和放大的头形成一个T形。
12.如权利要求1所述的光纤电路，其特征在于，还包括通过保持结构与基片保持相邻的第二光纤。
13.如权利要求12所述的光纤电路，其特征在于，其中定位所述保持结构以在其间形成通道，且其中光纤定位在单个通道中。
14.如权利要求1所述的光纤电路，其特征在于，所述基片是不平且柔性的。
15.一种用于路由光纤(40)的装置，其特征在于，所述装置包括基片(24)；和多个在所述基片上的保持结构簇(32)，其中所述簇由至少两个保持结构(26)组成并且以与光纤的最小弯曲半径相同的数量级隔开。
16.如权利要求15所述的光纤电路，其特征在于，所述保持结构各包括一个具有放大的头(30)的杆(28)。
17.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述保持结构是柔性可变形的。
18.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述保持结构与所述基片形成一个整体。
19.如权利要求15所述的装置，其特征在于，还包括在所述基片周围的联锁结构，用于连接多个基片。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，联锁结构包括一个在所述基片第一边缘的凸结构和一个在与所述基片第一边缘相对的基片的第二边缘上的凹结构。
21.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述基片包括一个面板。
22.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述基片是柔性的或是另一器件的整个表面。
23.一种形成光纤电路(20)的方法，其特征在于，所述方法包括提供一个具有多个保持结构(26)的基片(24)，其中所述保持结构限定在其间的通道；在预定图形上路由光纤(40)越过所述基片；和将所述光纤插入所述保持结构之间的通道(42)。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述在通道内的插入光纤包括柔性地变形保持结构。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括用保持结构将光纤松散地保持在所述基片旁。
26.一种用于路由光纤(40)的面板(22)，其特征在于，包括在所述面板上的多组保持结构(26)，所述保持结构各包括一个具有放大的头部(30)的杆(28)，其中，在各组中的杆以与光纤的直径相同的数量级隔开，且其中，所述保持结构组以大于第一距离的第二距离相互间隔。
27.如权利要求26所述的面板，其特征在于，所述第二距离在光纤的最小弯曲半径范围1/10-1/2内。
28.如权利要求26所述的面板，其特征在于，所述保持结构可柔性变形。
29.如权利要求26所述的面板，其特征在于，所述各组中的保持结构的头部以小于光纤直径的间隔相互隔开。
全文摘要
一种用于路由光纤以建立光纤电路(20)的装置，所述电路包括基片(24)；在所述基片上的多个保持结构(26)。所述保持结构可去除地将光纤(40)保持在所述基片旁。
文档编号G02B6/44GK1726416SQ200380105931
公开日2006年1月25日 申请日期2003年11月6日 优先权日2002年12月17日
发明者R·L·西门斯, M·A·梅斯, N·A·李, G·D·汉森, M·L·奥茨, L·卡尔森 申请人:3M创新有限公司