PT99510A

PT99510A - Dispositivo para a interligacao de uma pilha de placas de circuito

Info

Publication number: PT99510A
Application number: PT99510A
Authority: PT
Inventors: Stuart Charles Robertson
Original assignee: Gpt Int Ltd
Priority date: 1990-11-14
Filing date: 1991-11-14
Publication date: 1993-12-31
Also published as: CN1063172A; GB9123577D0; GB2253317A; CA2055301A1; GB9024713D0; EP0486208A2; AU8787491A; FI915357A0; EP0486208A3; JPH04286191A; KR920010320A; FI915357L; FI915357A7; IE913878A1; US5182780A; GB2253317B

Description

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MEMÓRIA DESCRITIVA

Campo do invento

Este invento refere-se a um dispositivo para a interligação de uma pilha de placas de circuito e refere-se, particularmente, embora não exclusivamente, a cartas de circuito, utilizadas em comutadores de telecomunicações ou computadores.

Antecedentes da arte

No campo dos comutadores de telecomunicações, com o aumento da densidade de circuito e velocidades de comutação mais elevadas (200 Mbits-1 aumentando para 2,4 Gbits”1 no futuro) foram feitas muitas propostas de interligações mais eficientes das placas de circuito, compreendendo o comutador. Uma área de importância crítica é o plano traseiro, ou placa mãe, que proporciona as interligações entre as placas de circuito. Além das considerações, tais como a remoção do calor gerado durante o funcionamento, é uma consideração importante a distribuição dos sinais de relógio, etc., para as várias placas? com tais velocidades de bit elevadas, aparecem os problemas do retardo de propagação, da largura de banda e do cruzamento, originados pelos sinais de relógio que são conduzidos ao longo dos condutores no plano traseiro. É conhecido, ver K.H. Brenner e F. Sauer "Diffractive--Reflective Optical Interconnected", Applied Optics de 15 de Outubro de 1988, volume 27, na 20 o emprego de elementos de holograma dispostos na superfície para reflectir ou difractar luz entre os transmissores e receptores num substrato adjacente. Usualmente os transmissores e receptores fazem parte de um feixe de pastilhas de circuito integrado e é empregue luz para distribuir os sinais para as várias pastilhas, com eficiência aumentada. A superfície que suporta os hologramas é normalmente ligada ao substrato da pastilha, através de um meio transparente para formar um conjunto compacto e monolítico: isto é requerido devido à elevada precisão requerida no alinhamento dos diversos

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B/GPT/4020 PT G 11130/S3/W -3- trajectos ópticos.

Sumário do invento É um objectivo do presente invento proporcionar um dispositivo para a interligação de uma pilha de placas de circuito que supera os problemas acima delineados. 0 presente invento proporciona um dispositivo para a interligação de uma pilha de placas de circuito, em que cada de, pelo menos, uma pluralidade de placas de circuito tem uma região de extremidade que suporta um ou mais transmissores de luz ou receptores de luz, uma estrutura óptica, formando um plano traseiro de interligação para as placas de circuito, compreendendo a estrutura óptica uma primeira superfície que suporta uma multiplicidade de elementos de holograma, dispostos para receberem luz dos ditos transmissores de luz e encaminharem essa luz para uma segunda superfície reflectora, onde a luz é reflectida de novo para os ditos elementos de holograma para encaminhamento para os ditos receptores de luz.

Assim, de acordo com o invento, proporcionando uma estrutura óptica, que proporciona um plano traseiro de interligação para placas de circuito, são superados os problemas dos planos traseiros conhecidos, em particular, os problemas das velocidades de bit de sinal muito elevadas.

Uma vantagem adicional de um esquema de interligação óptico é uma redução na força de inserção e dos requisitos de alinhamento das ligações. Uma ligação óptica requer apenas a força para fazer coincidir o invólucro de alinhamento e poucos serviços eléctricos tais como energia e sinais de relógio. Em contraste, a ligação eléctrica tem de fazer coincidir de modo seguro um grande número de pinos, requerendo uma grande força de inserção. Esta força em conjunto com a concepção de placa fina e longa, introduz problemas consideráveis em relação à flexibilidade e arqueamento das cartas e das ligações. -4-

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Adicionalmente, pode ser conseguido um compromisso entre o orçamento energético óptico e os requisitos de alinhamento. Expandindo o feixe laser, a tolerância lateral pode ser consideravelmente relaxada à custa de uma penalidade de orçamento energético anexo. No entanto, uma vez que são utilizadas fontes laser (cuja potência máxima está limitada apenas por considerações de segurança) e que as distâncias de transmissão são curtas, existe uma margem considerável de concepção no orçamento energético. Isto torna possível a permissão do arqueamento nas placas, do ligeiro desalinhamento das ligações, ou ligações não engatando totalmente.

Em relação à estabilidade ambiental da estrutura óptica, as técnicas de interligação ópticas de espaço livre são susceptíveis às partículas, que obscurecem o feixe. Estas podem ser quer efeitos transientes, tais como uma partícula de origem no ar, movendo-se através do feixe, que provoca uma queda momentânea do sinal, quer efeitos mais permanentes, tais como partículas que ficam aderentes à superfície dos espelhos ou das lentes. A estrutura óptica pode utilizar estruturas sólidas de vidro ou plástico para a maioria dos trajectos de propagação de feixe. Adicionalmente à limitação do feixe e assim o evitar dos problemas com a poeira, isto tem a vantagem adicional de proporcionar a estabilidade mecânica da estrutura óptica, reduzindo assim os problemas de alinhamento. A utilização de plástico permite também, que as partes sejam vazadas ou moldadas com custos baixos. A desvantagem da utilização de um meio sólido para a região de interligação óptica é, no entanto, a redução dos trajectos de ventilação ao longo da parte traseira de uma grade. Alternativamente e como preferido, o espaço livre é empregue como meio óptico e é proporcionado um envolvimento de vedação flexível (borracha) entre as cartas de circuito e o plano traseiro óptico, para evitar a entrada de poeira. É requerido um projecto mecânico cuidadoso do dispositivo nos dois andares principais. Primeiro, o dispositivo inicial deve ser recto na frente, para alinhamento durante o fabrico. Segundo, o dispositivo deve permanecer alinhado durante a

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B/GPT/4020 PT G 11130/S3/W -5- distribuição e utilização. Isto é particularmente importante para o dispositivo holográfico, em que a sensibilidade do alinhamento é maior.

Uma consideração adicional com as técnicas holográficas refere-se à temperatura e à gama de humidade experimentada pelos componentes tanto durante a distribuição como durante o funcionamento. Alguns dos materiais de alta eficiência utilizados para o fabrico dos elementos ópticos holográficos, tais como a gelatina dicromada (DCG) têm uma alta sensibilidade à humidade, requerendo revestimento para a sua protecção.

Com esta finalidade/ a dita primeira superfície, sobre a qual são montados elementos de holograma é formada por uma folha transparente que suporta quer a dita segunda superfície reflectora, quer está ligada a uma outra folha transparente, que suporta a segunda superfície reflectora, para formar uma estrutura monolítica. Tal estrutura está seguramente montada numa armação, para alojamento das placas de circuito impresso. Um bloco de metal é seguro na extremidade de cada placa de circuito impresso, adjacente ao plano traseiro e suporta os elementos ópticos transmissores e receptores, os quais estão montados em orifícios posicionados com precisão no bloco de metal. A armação da pilha de PCB suporta as superfícies de referência, adjacentes ao plano traseiro e quando cada PCB está posicionada na armação, o bloco de metal encosta-se nas superfícies de referência para espaçar com precisão o bloco dos hologramas. Adicionalmente de acordo com um aspecto adicional e preferido do invento, o bloco de metal suporta um ou mais componentes de projecção e cónicos, por exemplo um bico, para coincidir em orifícios na primeira superfície, para alinhamento das ópticas. Alternativamente, a primeira superfície pode suportar componentes de projecção, para coincidência em aberturas neste bloco. De qualquer modo, a placa de circuito está munida com elementos de "empurrar" para guiarem e manobrarem a placa para a sua posição de coincidência e alinhamento.

73 341 B/GPT/4020 PT G 11130/S3/W -6- Às velocidades de bit muito elevadas empre'

importante minimizar as distâncias da interface eléctrica, entre o transmissor e o receptor ópticos e as pastilhas MUX/DMUX, respectivamente. Para facilidade de construção pode então ser preferível utilizar uma fibra óptica "tubo de luz" para encaminhar o sinal óptico, para uma posição mais conveniente na placa de circuito impresso.

Breve descrição dos desenhos

Será agora descrita uma concretização preferida do invento, com referência aos desenhos anexos, em que: a figura 1 é uma vista esquemática da disposição de assentamento de um plano traseiro óptico, de acordo com o invento, para a interligação de uma pilha de cartas de circuito; a figura 2 é um padrão de interligação para o plano traseiro da figura 1? a figura 3 são vistas esquemáticas do modo de formação de um holograma; a figura 4 é uma vista mais pormenorizada da construção mecânica do plano traseiro; e a figura 5 é uma vista em corte do bloco da figura 4, fixo a uma carta de circuito que suporta os transmissores e os receptores ópticos.

Descrição da concretização preferida

Referindo agora a figura 1, uma grade 2 proporciona uma armação para o alojamento de uma pilha de cartas de circuito impresso 4. Cada carta tem na sua extremidade traseira um bloco 6, que aloja uma pluralidade de transmissores 8 e de receptores 10. Um plano traseiro óptico 12 está montado rigidamente na grade 2 por componentes de armação 14 e compreende uma

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B/GPT/4020 PT G 11130/S3/W -7-superfície 16, que suporta uma pluralidade de elementos de holograma 18. A superfície 16 está munida com uma placa holográfica de haleto de prata, que está alinhada e ligada a um bloco polimérico sólido e opticamente transparente 20. Um reflector traseiro 22 é directamente depositado na parte traseira da placa polimérica 20.

Os hologramas estão dispostos de tal modo, em relação aos transmissores 8 e aos receptores 10, que a luz de um transmissor é refractada por um primeiro holograma para uma direcção predeterminada, reflectida a partir da placa reflectora 22 para um outro elemento de holograma, enquanto que a mesma é novamente refractada para um receptor ou foto-detector desejado 10. Isto está esquematicamente indicado na figura 1. Os elementos holográficos estão dispostos de modo que, um feixe colimado que entre num primeiro holograma, perpendicular à primeira superfície, emerge perpendicular ao ponto de saída desejado. Uma cobertura de borracha flexível 24 está posicionada em torno do espaço livre, entre a grelha 2 e a chapa traseira óptica, para evitar a entrada de sujidade que pode interferir com os feixes laser.

Referindo agora a figura 4, esta mostra a construção representada na figura 1 em maior pormenor. Adicionalmente, a figura 5 é uma vista em corte do bloco 6.

Cada PCB 4 está montada em calhas de deslizamento de topo e fundo 40, 42, para permitir à PCB deslizar facilmente para dentro e para fora da grelha 2. As calhas de deslizamento 40, 42 são fixas na extremidade traseira da grelha 2 a uma armação perpendicular 44, que proporciona as superfícies de referência 46. Adicionalmente, a armação 44 tem porções prolongadas 48 para fixar um componente de armação rectangular 50, que fixa o bloco 20 em posição.

Cada PCB 4 tem na sua frente componentes de empurrar 52 para empurrarem a carta de circuito para a grelha e para manobrarem a carta de circuito, como será explicado abaixo. A

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B/GPT/4020 PT G 11130/S3/W extremidade traseira da carta de circuito suporta um bloco rectangular de alumínio 6 que está aparafusado no quadro de circuito e que contém filas de orifícios de passagem 56, que alojam foto-detectores 10 e transmissores laser 8, respectivamente. Estes detectores e transmissores de laser estão acoplados por meio de condutores eléctricos curtos 62 a pastilhas MUX/DMUX 64. Como uma construção alternativa, os condutores 62 podem ser substituídos por fibras ópticas, e as fontes laser e os foto-detectores podem ser montados na placa de circuito. A extremidade traseira do bloco 6 suporta dois componentes de bico cónicos e afunilados que engatam em aberturas coincidentes 72 no bloco 20. Os componentes de empurrar 52 são mantidos manualmente, quando a placa de circuito 4 é inserida nas calhas 40, 42 e a placa é manobrada, de modo que o bloco 54 assente nas superfícies de referência 46, enquanto os componentes projectados 70 engatam na abertura 72.

Referindo a figura 5, que mostra as ópticas associadas a um transmissor laser 8, o díodo laser 70 emite luz visível que é colimada, utilizando uma única lente plano-convexa 72. A distância focal da lente era de 1,47 mm, com uma distribuição de menos de 1%. Uma vez que a variação entre a distância focal das lentes é pequena é possível evitar a necessidade de uma disposição de focagem individual para cada lente. É utilizado um ressalto 74 dentro do orifício no bloco dissipador de calor, para proporcionar o alinhamento da posição da lente. Uma vez que a energia de funcionamento normal para o laser é três vezes o limite de segurança do olho, é possível usar uma abertura restrita 76 para reduzir o astigmatismo na saída laser. A abertura 76 foi disposta para fixar o eixo de grande ângulo antes da lente, proporcionando assim um feixe de saída simétrico mais circular, mas ainda com um nível requerido de « 1 mW.

Os hologramas 18 numa chapa fotográfica estão montados num bloco polimérico sólido 20, utilizando uma resina epoxídrica de cura óptica. A cura rápida permitiu ao holograma ser alinhado, e 73 341

B/GPT/4020 PT G 11130/S3/W -9- depois ligado na posição. As vantagens da estrutura sólida são que a mesma ficará alinhada durante a utilização e evitará também que a poeira e outras partículas indesejáveis bloqueiem o feixe. Foi utilizado um polímero de poli(metacrilato de metilo) (PMMA), uma vez que o mesmo tem boas propriedades mecânicas e apresenta uma perda mínima perto do comprimento de onda de funcionamento de 670 nm. O comprimento do percurso de cada feixe varia em função do ângulo projectado, entre 300 mm e 470 mm. 0 bloco 20 é cortado com precisão, de modo que as faces frontal e traseira sejam paralelas e perpendiculares às outras faces. Depois foi aplicado um polimento final às duas faces. Os processos de corte de precisão e polimento são utilizados para minimizarem a quantidade de fadiga induzida nos blocos.

Após o polimento, a superfície reflectora 22 é aplicada directamente na superfície traseira do bloco. O reflector é criado, utilizando um processo de evaporação de alumínio em vácuo elevado. Uma vez que a face traseira foi cortada e polida perpendicularmente, não é necessário alinhamento adicional do reflector. Foi medida a reflexão na superfície com HeNe como 75,6%. A superfície é rigorosamente limpa antes da deposição do alumínio, de modo que é conseguida uma boa adesão ao polímero. No entanto, é requerida uma película ou laminagem protectora para evitar danos de abrasão ou ataque químico.

Os hologramas para o plano traseiro foram fabricados utilizando chapas holográficas de haleto de prata Agfa 8E75HD. A saída de um laser de HeNe (comprimento de onda de 633 nm) foi dividida em duas ondas planas colimadas. Os dois feixes foram feitos incidir na chapa holográfica, a partir do mesmo lado da chapa, de modo que fossem construídas franjas de interferência no material fotográfico (figura 3). Libertando o haleto de prata os átomos de prata livres, quando exposto às franjas brilhantes. A revelação das chapas, fixa então as franjas de interferência como uma variação na absorção da emulsão fotográfica. É então utilizado um processo de lexivagem para converter os átomos de prata de novo em haleto de prata estável, proporcionando assim a

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B/GPT/4020 PT G 11130/S3/W -10- variação de índice de refracção requerida. Uma vez que os hologramas tenham sido registados, utilizando feixes a partir do mesmo lado da chapa, quando o holograma é repetido com um feixe transmitido através do holograma, o feixe é conduzido através de um ângulo Θ. Quando o feixe objecto for normal à chapa, o ângulo Θ é o ângulo pelo qual o ângulo de referência ilumina a chapa no ar. Os hologramas são ligados a um bloco de polímero, e tem de ser feita uma correcção da refracção na interface holograma/polímero utilizando a lei de Snell. A percentagem da energia no feixe de primeira ordem desejado, varia com o ângulo de condução requerido. Para o tipo de meio holográfico utilizado foi testada uma gama de ângulos de 35° a 70°. A gama de ângulos disponível está limitada pela espessura da emulsão holográfica e frequência espacial máxima atingível na emulsão. Nas chapas utilizadas, a espessura de emulsão era de « 5 μιτι, com estas espessuras, a chapas comportam-se parcialmente como um holograma espesso e parcialmente como um holograma fino. Assim, se os feixes de registo tanto de referência como de objecto foram aproximadamente normais à superfície da chapa (ângulos de condução baixos) a espessura da emulsão "vista" pela luz é pequena e o holograma comporta-se como uma grade fina. Num tal caso são geradas ordens múltiplas, que resultam num grande número de feixes não desejados e numa redução da potência no feixe de saída. Com ângulos de deflexão elevados a frequência espacial requerida num material holográfico aumenta. Uma vez que existe um tamanho de grão finito para as chapas de haleto de prata, este determina o ângulo máximo, pelo qual o feixe pode ser desviado.

Utilizando um material de holograma de volume mais espesso, tal como a gelatina dicromada, ou um fotopolímero, aumentar-se-á a gama de ângulos atingíveis. Apesar disto aumentar a gama dos ângulos atingíveis, outros factores limitarão o rendimento eventual.

Cada um dos elementos ópticos holográficos é caracterizado no comprimento de onda HeNe de 633 nm. A percentagem de energia

-11- 73 341 B/GPT/4020 PT G 11130/S3/W é medida na ordem 0 e na primeira ordem (feixe recto de passagem e feixe conduzido requerido). A partir disto é calculada a eficiência de conversão, a relação de potência na primeira ordem como uma percentagem da energia de entrada. São obtidas as mais altas eficiências no meio da gama angular e decrescendo para ângulos maiores. A eficiência média de conversão a 35,06° é de 40% ou 4 db.

Claims

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REIVINDICACÕES 1 - Dispositivo para a interligação de uma pilha de placas de circuito, em que cada de, pelo menos, uma pluralidade de placas de circuito tem uma região de extremidade que suporta um ou mais transmissores de luz ou receptores de luz, uma estrutura óptica, formando um plano traseiro de interligação para as placas de circuito, caracterizado por a estrutura óptica compreender uma primeira superfície que suporta uma multiplicidade de elementos de holograma, dispostos para receberem os feixes de luz dos ditos transmissores de luz e encaminharem os ditos feixes de luz para uma segunda superfície reflectora, onde os ditos feixes de luz são reflectidos de novo para os ditos elementos de holograma para encaminhamento para os ditos receptores de luz.
2 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada placa de circuito ter um bloco dissipador de calor seguro na extremidade traseira da placa de circuito e ter dentro do mesmo aberturas que suportam um ou mais elementos transmissores e/ou receptores.
3 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o bloco ter duas colunas de aberturas, suportando uma coluna uma pluralidade de elementos transmissores, e suportando a outra coluna uma pluralidade de elementos receptores.
4 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado por cada elemento transmissor compreender uma fonte de díodo laser visível.
5 - Dispositivo de acordo com as reivindicações 2 a 4, caracterizado por cada elemento transmissor se encostar contra um ressalto na respectiva abertura, e ser posicionada uma lente colimadora contra um ressalto adicional na abertura.
6 - Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 2 a 6, caracterizado por os elementos transmissor e receptor esta-

73 341 -13- B/GPT/4020 PT G 11130/S3/W rem ligados através de condutores eléctricos curtos a cifeuitds MOX/DEMUX (multiplexadores/desmultiplexadores) na placa de circuito .
7 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por incluir meios para alinhamento das placas de circuito em posições predeterminadas relativas à estrutura óptica para inserção na pilha para correcto encaminhamento dos ditos feixes de luz.
8 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 7, caracteri-zado por os meios de alinhamento incluírem uma superfície de referência, contra a qual o dito bloco se encosta, quando a placa de circuito é inserida, para definir um espaço predeterminado entre o bloco e os elementos de holograma.
9 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado por cada placa de circuito e a dita primeira superfície incluírem componentes e aberturas cooperantes afunilados, que se engatam entre si pela inserção da placa de circuito na pilha, para localizarem os transmissores e receptores em posições predeterminadas relativas aos elementos de holograma.
10 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por cada bloco suportar um ou mais componentes de bico cónicos para engate em aberturas coincidentes na dita primeira superfície.
11 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado por cada placa de circuito incluir um ou mais componentes de impulso engatáveis manualmente, para impulsionar a placa de circuito para a pilha e para engate entre componentes e aberturas cooperantes.
12 - Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 11, caracterizado por a primeira superfície compreender uma chapa fotográfica ligada a um bloco que aloja a dita superfície -14- 73 341 B/GPT/4020 PT G 11130/S3/W reflectora formada na sua superfície traseira.
13 - Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 12, caracterizado por incluir um componente de cobertura flexível envolvendo o espaço de ar livre entre a traseira das placas de circuito e a estrutura óptica. Lisboa 14 m 1991 Por GPT LIMITED =0 AGENTE 0FICIAL=