DE19959781C2 - Opto-elektronische Baugruppe mit integriertem Abbildungs-System - Google Patents

Opto-elektronische Baugruppe mit integriertem Abbildungs-System

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Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der optischen Elemente und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung solcher Verbindungen zwischen Lichtleitern und opto-elektronischen Bauelementen anzuwenden, bei denen zwischen einem opto-elektronischen Wandler und einem optischen Pfad, beispielsweise einem nach­ geordneten Linsensystem oder einem Lichtwellenleiter ein Ab­ bildungssystem angeordnet ist, welches einen lichtdurchlässi­ gen Körper mit strahlformenden Grenzflächen aufweist.
Bei einer bekannten opto-elektronischen Baugruppe dieser Art sind mehre opto-elektronische Sende- oder Empfangselemente auf einer Platine angeordnet und mit einem optischen Element zu einem Koppelelement zusammengefaßt. Das optische Element ist mit Abstand zu den Sendeelementen angeordnet und besteht aus einem für Licht im Infrarot-Bereich durchlässigen Körper aus Silizium; dieser lichtdurchlässige Körper hat zwei im Strahlengang des jeweiligen Sendeelementes liegende Seiten­ flächen, von denen die eine mehrere als Konvexlinsen wirkende Wölbungen aufweist und die andere eben ausgebildet ist. - Diesem Koppelelement ist steckbar ein spiegelbildlich gleich­ artig ausgebildetes zweites Koppelelement zugeordnet, das an Stelle der Sendeelemente die Enden mehrerer, jeweils einen optischen Pfad bildender Lichtwellenleiter aufnimmt. Die bei­ den lichtdurchlässigen Körper aus Silizium und die umgebende Luft bilden dabei ein Abbildungssystem (DE 44 42 672 A1).
Bei einer solchen bekannten Baugruppe ist das opto- elektronische Bauelement nicht gegen Umgebungseinflüsse gegeschützt. Opto-elektronische Bauelemente werden gegen Umge­ bungseinflüsse häufig durch Einkapselung in eine Vergußmasse geschützt (DE 197 11 138 C2). Bei Baugruppen mit integriertem Abbildungssystem ist auch eine Anordnung in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse gebräuchlich, welches ein Fenster auf­ weist (EP 0 664 585 A1). Ein solcher Schutz der Baugruppe ist aufwendig und mit erheblichen Kosten verbunden. - Würde man eine Baugruppe mit integriertem Abbildungssystem in eine Ver­ gußmasse einkapseln, so würde die optische Wirkung des Abbil­ dungssystems stark beeinträchtigt werden, weil dann der Be­ reich zwischen dem Abbildungssystem und den benachbarten op­ to-elektronischen Wandlern mit Vergußmasse ausgefüllt wäre; bei Verwendung einer üblichen lichtdurchlässigen Vergußmasse wäre nämlich der Unterschied zwischen den Brechzahlen der Vergußmasse und des Abbildungssystems zu gering für eine aus­ reichende Abbildung.
Die DE 196 16 969 A1 betrifft eine optische Baugruppe zur An­ kopplung eines Lichtwellenleiters, die eine lichtdurchlässige Trägerplatte aufweist, auf der in einer Vertiefung eine La­ serdiode sitzt. Ebenfalls auf der Trägerplatte ist eine Moni­ tor-Fotodiode angeordnet. Beide Element sind von einer op­ tisch transparenten Schicht umgeben. Darüber ist eine zweite Schicht angeordnet. Diese dient als Feuchtigkeitssperre.
Aus der DE 43 23 828 C2 ist eine Anordnung zur Ankopplung ei­ nes Lichtleitfaserendes an einen optoelektronischen Baustein bekannt, mit einer Grundplatte auf deren Oberfläche ein Lichtleitfaserende in einer V-Nut liegt. Am oberen Rand der V-Nut ist das optoelektronische Element angeordnet. Das Lichtleitfaserende und das optoelektronische Element sind da­ bei von einer transparenten Abdeckmasse umschlossen.
Ausgehend von einer opto-elektronischen Baugruppe mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Gesamtaufbau der Baugrup­ pe so zu gestalten, daß die opto-elektronischen Wandler sowie die optisch wirksamen Bereiche der Baugruppe auf einfache Weise gegen Umgebungseinflüsse geschützt werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß mehrere opto-elektronische Wandler und Lichtwellenleiter jeweils als Array angeordnet sind und daß zwischen diesen beiden Arrays der einen einzigen Hohlraum umschließende lichtdurchlässige Körper angeordnet ist, wobei Teilbereiche der innenliegenden optischen Grenzflächen dieses Körpers als Array strahlformender Grenzflächen ausgebildet sind, und wo­ bei der lichtdurchlässige Körper zusammen mit dem Array opto- elektronischer Wandler in eine lichtdurchlässige Vergußmasse eingebettet ist und der optische Pfad zwischen den opto- elektronischen Wandlern des Arrays und dem lichtdurchlässigen Körper innerhalb der Vergußmasse verläuft.
Bei einer derartigen Ausgestaltung der Baugruppe sind die op­ tisch wirksamen Grenzflächen des lichtdurchlässigen Körpers in das innere des Körpers verlegt und dadurch in ihrer Wirksamkeit durch Vergußmassen nicht mehr beeinflußbar. Zweckmä­ ßig werden die beiden Teile des lichtdurchlässigen Körpers hierzu dicht miteinander verbunden, insbesondere verklebt. Der lichtdurchlässige Körper besteht hierzu vorzugsweise aus einem Polymermaterial wie beispielsweise Polycarbonat (PC) oder Polymethylmetacrylat (PMMA).
Der Hohlraum des lichtdurchlässigen Körpers kann mit Luft ge­ füllt sein, es kommt aber auch ein anderes Gas mit niedrigem Brechungsindex wie beispielsweise Stickstoff oder Argon in Betracht. - Der mit inneren strahlformenden Grenzflächen ver­ sehene lichtdurchlässige Körper kann bezüglich der strahlfor­ menden Grenzflächen unterschiedlich ausgebildet sein. Strahl­ formende, als Linsenoberflächen ausgebildete Grenzflächen können parallel aber auch winklig, insbesondere rechtwinklig zueinander angeordnet sein. Umlenkungen der Lichtstrahlen können mit geneigten Reflexionsflächen realisiert werden, wo­ bei die reflektierende Oberfläche auch von einer geneigten Außenfläche des lichtdurchlässigen Körpers gebildet sein kann, insbesondere durch Aufbringen einer Verspiegelungs­ schicht. - Weiterhin kann bei Ausgestaltung des anzukoppeln­ den Lichtpfades als Lichtwellenleiter die Zuordnung des lichtdurchlässigen Körpers zu dem Ende des Lichtwellenleiters so gewählt werden, daß der das Ende des Lichtwellenleiters aufnehmende Trägerkörper den einen Teil des zweiteilig ausge­ bildeten lichtdurchlässigen hohlen Körpers bildet. Dadurch kann das Volumen der Baugruppe reduziert werden.
Zweckmäßig werden bei einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Baugruppe der lichtdurchlässige Körper zusammen mit dem opto- elektronischen Wandler in eine lichtdurchlässige Vergußmasse eingebettet; dabei kann der optische Pfad zwischen dem opto- elektronischen Wandler und dem lichtdurchlässigen Körper innerhalb der Vergußmasse verlaufen. Bei der Vergußmasse han­ delt es sich vorzugsweise um ein Silikongel.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der das Ende ei­ nes Lichtwellenleiters aufnehmende Trägerkörper wenigstens teilweise ebenfalls in die Vergußmasse eingebettet sein. Wei­ terhin können in die im jeweiligen Strahlengang liegenden Wandungen des lichtdurchlässigen Körpers optisch wellenlei­ tende Kanäle eingebettet sein, die einen optischen Pfad von der Außenseite des lichtdurchlässigen Körpers in den Innenbe­ reich bilden.
Die neue Baugruppe kann vorzugsweise auch so ausgebildet sein, daß mehrere opto-elektronische Wandler und Lichtpfade jeweils als array angeordnet sind; zweckmäßig ist dann zwi­ schen diesen beiden arrays ein lichtdurchlässiger Körper an­ geordnet, der einen einzigen Hohlraum umschließt, wobei Teil­ bereiche der innenliegenden optischen Grenzflächen dieses Körpers als array strahlformender Grenzflächen ausgebildet sind.
Mehrere Ausführungsbeispiele der neuen opto-elektronischen Baugruppe sind in den Fig. 1 bis 4 dargestellt. Dabei zeigt
Fig. 1 eine in eine Vergußmasse eingebettete Baugruppe mit winkliger Zuordnung eines Lichtwellenleiters und ei­ nes opto-elektronischen Wandlers und entsprechender Gestaltung der strahlformenden inneren Grenzflächen des lichtdurchlässigen Körpers,
Fig. 2 eine eingebettete Baugruppe mit ebenfalls winkliger Zuordnung eines Lichtwellenleiters und eines opto- elektronischen Wandlers und einem lichtdurchlässigen Körper, bei dem zur Führung der Lichtstrahlen eine Außenfläche verspiegelt ist,
Fig. 3 eine eingebettete Baugruppe mit geradliniger Zuord­ nung eines Lichtwellenleiters und eines opto- elektronischen Wandlers, wobei der Trägerkörper des Lichtwellenleiters einen Teil des lichtdurchlässigen Körpers bildet, und
Fig. 4 eine eingebettete Baugruppe mit als array angeordne­ ten opto-elektronischen Wandlern und Lichtwellenlei­ tern und mit einem einzigen, den arrays zugeordnetem lichtdurchlässigem Körper.
Fig. 1 zeigt einen opto-elektronischen Wandler 2, der auf einem Substrat 1 angeordnet ist und von dem vertikal nach oben austretendes Licht in einen horizontal angeordneten op­ tischen Pfad 3 gelangen soll. Der optische Pfad 3 ist hierzu als Lichtwellenleiter ausgebildet und auf einem Tragkörper 4 angeordnet, der sich ebenfalls auf dem Substrat 1 befindet. Der Lichtwellenleiter 3 endet an einer planen Stirnfläche 5 des Tragkörpers 4.
Im Strahlengang des opto-elektronischen Wandlers 2 ist ein lichtdurchlässiger Körper 10 angeordnet, der aus einem fla­ chen Unterteil 11 und einem in der Höhe stärker ausgeprägten Oberteil 12 besteht, wobei insbesondere das Oberteil 12 mit einer inneren Ausnehmung versehen ist, so daß das Unterteil 11 und das Oberteil 12 einen Hohlraum 13 einschließen. Der hohle Körper 10 hat drei vertikal zur Zeichenebene verlaufen­ de innere Grenzflächen, von denen die Grenzfläche 14 dem Lichtwellenleiter 3 zugeordnet und als Linse ausgebildet ist, von denen die Grenzfläche 15 dem opto-elektronischen Wandler 2 zugeordnet und ebenfalls als Linse ausgebildet ist und von denen die Grenzfläche 16 gegenüber den anderen beiden Grenz­ flächen um etwa 45 Grad geneigt ist. Da der Hohlraum 13 mit Luft gefüllt ist und der Körper 10 aus einem Polymermaterial wie Beispielsweise Polycarbonat besteht, wird ein aus dem Lichtwellenleiter oder vom opto-elektronischen Wandler in den Hohlraum 13 eintretender Lichtstrahl an der Grenzfläche 16 reflektiert.
Der opto-elektronische Wandler 2, der lichtdurchlässige hohle Körper 10 und auch der Tragkörper 4 sind in eine lichtdurch­ lässige Vergußmasse 6 eingebettet, die den Raum zwischen dem opto-elektronischen Wandler 2 und dem Körper 10 vollständig ausfüllt, so daß der optische Pfad zwischen dem opto- elektronischen Wandler und dem lichtdurchlässigen Körper vollständig innerhalb der Vergußmasse verläuft.
Die Baugruppe gemäß Fig. 2 ist im Prinzip gleichartig aufge­ baut wie die Baugruppe gemäß Fig. 1, lediglich der ein Ab­ bildungssystem bildende lichtdurchlässige hohle Körper 20 ist anders gestaltet und der Lichtwellenleiter 3 mit dem Tragkör­ per 4 ist etwas höher angeordnet. Der Körper 20 besteht hier ebenfalls aus einem flachen Unterteil und einem etwas in der Höhe weiter ausgedehnten Oberteil 22, wobei zwischen beiden Teilen ein Hohlraum 23 gebildet ist und jeweils eine innere Grenzfläche 24 des Oberteiles und 25 des Unterteiles als Lin­ sen ausgebildet und einander gegenüberliegend angeordnet sind. Um einen über den Lichtwellenleiter 3 ankommenden oder vom opto-elektronischen Wandler 2 ausgehenden Lichtstrahl in das jeweils andere optische Element einkoppeln zu können, ist das Oberteil 22 des Körpers 20 mit einer um etwa 45 Grad ge­ neigten Außenfläche 26 versehen, wobei auf diese Außenfläche eine Spiegelschicht 27 aufgebracht ist, so daß ein in den Körper 20 eindringender Lichtstrahl an dieser Grenzfläche re­ flektiert wird. - Opto-elektronischer Wandler 2, Körper 20 und Trägerkörper 4 sind auch hier in eine Vergußmasse 7 eingebettet, wobei im vorliegenden Fall der Körper 20 in diese Vergußmasse praktisch eingekapselt ist.
Bei der Baugruppe gemäß Fig. 3 sind der elektronische Wand­ ler 2 und ein optischer Pfad 9 linear zueinander ausgerich­ tet, wobei ein Trägerkörper 91 für den optischen Pfad 9 das Oberteil eines lichtdurchlässigen hohlen Körpers 30 bildet, dessen Unterteil 31 über dem opto-elektronischen Wandler 2 angeordnet und mit einer inneren Grenzfläche 33 in Form einer Linse ausgestaltet ist. Alle Teile der Baugruppe sind in eine Vergußmasse 8 eingebettet.
Bei der Baugruppe gemäß Fig. 4 ist auf einem Substrat 47 ein Diodenarray 48 angeordnet, dem vertikal darüber ein aus opti­ schen Pfaden in Form von Lichtwellenleitern 45 gebildetes array mit einem Trägerkörper 46 zugeordnet ist. Zwischen dem Diodenarray 48 und dem Lichtwellenleiterarray 46 ist ein lichtdurchlässiger einen gasgefüllten Hohlraum 50 aufweisen­ der Körper 40 angeordnet, der ein flaches Unterteil 41 und ein ebenfalls relativ flaches Oberteil 42 aufweist und mit zueinander parallel verlaufenden inneren Grenzflächen verse­ hen ist, die jeweils ein Linsenarray 43 bzw. 44 aufweisen. Daß Diodenarray 48 mit dem Substrat 47, der Körper 40 sowie der Trägerkörper 46 sind in eine Vergußmasse 49 eingebettet, die auch hier den Zwischenraum zwischen dem hohlen licht­ durchlässigen Körper 40 und dem Diodenarray 48 vollständig ausfüllt.

Claims (8)

1. Opto-elektronische Baugruppe zur Ankopplung eines opto- elektronischen Wandlers an einen optischen Pfad mittels eines einen lichtdurchlässigen Körper aufweisenden Abbildungssy­ stems, wobei der lichtdurchlässige Körper zweiteilig ausge­ bildet ist und die beiden Teile (11, 12) des lichtdurchlässi­ gen Körpers (40) einen gasgefüllten Hohlraum (13) umschlie­ ßen, und wobei Teilbereiche der innenliegenden optischen Grenzflächen dieses Körpers strahlformende Grenzflächen (14, 15, 16) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß daß mehrere opto-elektronische Wandler und Lichtwellen­ leiter jeweils als Array (45, 48) angeordnet sind und daß zwischen diesen beiden Arrays der einen einzigen Hohlraum (50) umschließende lichtdurchlässige Körper (40) angeordnet ist, wobei Teilbereiche der innenliegenden optischen Grenz­ flächen dieses Körpers als Array strahlformender Grenzflächen (43, 44) ausgebildet sind, und wobei der lichtdurchlässige Körper (40) zusammen mit dem Array (48) optoelektronischer Wandler in eine lichtdurchlässige Vergußmasse (49) eingebet­ tet ist und der optische Pfad zwischen den opto- elektronischen Wandlern des Arrays und dem lichtdurchlässigen Körper innerhalb der Vergußmasse (49) verläuft.
2. Opto-elektronische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (50) mit Luft gefüllt ist.
3. Opto-elektronische Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlformenden Grenzflächen als Linsenoberflächen (43, 44) ausgebildet sind.
4. Opto-elektronische Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlformenden Grenzflächen teilweise als Linsen­ oberflächen (43, 44) und teilweise als Spiegelflächen ausge­ bildet sind.
5. Opto-elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Teilbereich einer Außenfläche des licht­ durchlässigen Körpers als Spiegelfläche ausgebildet ist.
6. Opto-elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende eines Lichtwellenleiters (45) in einem Träger­ körper angeordnet ist, der ebenfalls in die Vergußmasse (49) eingebettet ist.
7. Opto-elektronische Baugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper den einen Teil des zweiteilig ausgebil­ deten lichtdurchlässigen Körpers bildet.
8. Opto-elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wandung des lichtdurchlässigen Körpers optisch- wellenleitende Kanäle eingebettet sind, die einen optischen Pfad von der Außenseite des lichtdurchlässigen Körpers in den Hohlraum bilden.
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