DD242101A1 - Optoelektronisches bauelement mit genauer ausrichtung zu einer optischen achse - Google Patents

Abstract

Der Einsatz solcher optoelektronischen Bauelemente ist fuer die optische Informationsuebertragung mit Lichtleitern vorgesehen. Sie sind besonders fuer die optische Informationsuebertragung mit Lichtleitern groesseren Kerndurchmessers, einschliesslich fuer die Lichtleiterkurzstreckenuebertragung (LLKUe) mit 200 m Glasfasern geeignet. Anwendungsgebiete liegen im industriellen Bereich und in Forschung und Entwicklung. Unter Ausnutzung der technisch-oekonomischen Vorteile einer hochproduktiven Traegerstreifentechnologie sollen optoelektronische Bauelemente hergestellt werden, die nicht nur fuer die Lichtleiterultrakurzstreckenuebertragung mit Plastlichtleitern extrem grosser Kerndurchmesser, sondern auch fuer die LLKUe mit Glaslichtleitern (200 m Kerndurchmesser) verwendbar sind. Erfindungsgemaess ist das optoelektronische Bauelement zur Informationsuebertragung mittels Lichtleiter, das mindestens zwei Anschluesse besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass ein chipmontierter, drahtkontaktierter, mit Fuehrungs- und Zentrierelementen versehener Vielfachtraegerstreifen durch einen Plastverguss mit einer vorgefertigten und mit inneren Fuehrungs- und Zentrierelementen versehenen optischen Kappe untrennbar verbunden ist.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement mit genauer Ausrichtung zu einer optischen Achse.

Der Einsatz solcher optoelektronischen Bauelemente ist für die optische Informationsübertragung mit Lichtleitern vorgesehen.

Sie sind besonders für die optische Informationsübertragung mit Lichtleitern größeren Kerndurchmessers einschließlich für die Lichtleiterkurzstreckenübertragung (LLKÜ) mit200/xm-Glasfasern geeignet. Anwendungsgebiete liegen im industriellen Bereich und in Forschung und Entwicklung.

Die Erfindung stellt eine ökonomische Variante dar, die die Forderungen der Anwender nach preiswerten LLKÜ-Systemen für extrem kurze Übertragungslängen realisiert.

Darüber hinaus ist der Einsatz dieser optoelektronischen Bauelemente immer dort zu finden, wo eine gute Ausrichtung eines optoelektronischen Bauelementes zu einer optischen Hauptachse gefordert wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Verwendung unterschiedlicher Vielfach-Trägerstreifen zur Herstellung optoelektronischer Bauelemente für die verschiedensten Anwendungsgebiete ist seit Jahren bekannt und wird von allen namhaften Elektronikfirmen praktiziert. Durch die hochproduktive Weiterverarbeitung der Trägerstreifen, wie Chip- und Drahtbondprozesse, Verkappungsprozesse etc. werden große Stückzahlen ökonomisch vorteilhaft realisiert. Bei der Anwendung dieser Trägerstreifentechnologie auf die Herstellung von optoelektronischen Bauelementen für die Lichtleiterkurzstreckenübertragung (LLKÜ) ergeben sich Probleme bezüglich der aus der LLKÜ resultierenden Toleranzforderungen für die Kopplung emittierende oder empfangende Fläche des Chips — optische Systeme — Lichtleiter.

In den Patentschriften DE 3138687 A1, DE 3117571 A1 und DE 3302660 A1 sind optoelektronische Bauelemente (LED's), die mit der Trägerstreifentechnologie hergestellt wurden, beschrieben. Diese Bauelemente sind jedoch für die LLKÜ nicht bzw. sehr bedingt geeignet. Patentschriften, die sich auf Sender- und Empfängerbauelementen für die optische Übertragung oder Verfahren zu deren Herstellung mit einer Trägerstreifentechnologie beziehen, sind unbekannt. In der Fachliteratur werden optoelektronische Bauelemente (Sender- und Empfänger-BE) beschrieben, die den in den oben genannten Patentschriften dargelegten optoelektronischen Bauelementen im Prinzipaufbau entsprechen und bezüglich der äußeren, im Verkappungsprozeß hergestellten Bauform, den veränderten Bedingungen angepaßt wurden. Die von General Electric (USA),

Stanley (USA, Japan) und Hewlett Packard (USA) entwickelten optoelektronischen Sender- und Empfängerbauelemente werden generell für die Lichtleiterultrakurzstreckenübertragung mit Plastlichtleitern extrem großer Kerndurchmesser (1 mm) eingesetzt.

FürdieGFOE/GFOD-Serievon General Electric wird ein Vertikalträgerstreifen benutzt, auf dem die Chips chip-und drahtgebondet wurden. Der Chipbondpfosten ist als Reflektor ausgebildet. Diese Anordnungen werden in Rechteckform .

verkappt, die gegenüber dem Chip durch eine gekrümmte Oberfläche in Form einer Linse unterbrochen ist. Ebenfalls wird die FH-S11, eine im 660 nm-Bereich emittierende LED auf einen Vertikalträgerstreifen aufgebaut. Die von Stanley offensichtlich im Spritzpreßprozß hergestellte LED besitzt evtl. ein Zentrierloch für den Lichtleiter, genauere Aussagen läßt ein Prospekt der Firma Stanley nicht zu. Die LED's werden ähnlich den bekannten 5 mm-LED's verkappt, wobei Aussparungen längs zur Hauptachse die Aufnahme in ein optoelektronisches Kupplungsgehäuse erleichtern.

Hewlett Packard verwendet für seine optoelektronischen Bauelemente einen Horizontalträgerstreifen, ähnlich dem, der für die Herstellung von Optokopplern verwendet wird. Der Chip- und drahtgebondete Trägerstreifen wird mit einem transparenten klaren Epoxydharz verkappt. Oberhalb des Chips befindet sich bei dieser Dual-in-line Bauform eine Halbkugellinse, die bereits innerhalb des Verkappungsprozesses hergestellt wird.

Die von den Firmen ausgewiesenen Parameter der optoelektronischen Bauelemente einschließlich die Bauform selbst zeigen, daß al Ie Bauelemente mit der üblichen Trägerstreifentechnologie hergestellt wurden und gegenüber den in den obengenannten Patentschriften niedergelegten optoelektronischen Bauelementen nur die äußere Bauform dem Einsatzgebiet Lichtleiterkurzstreckenübertragung mit Plastlichtleitern extrem großer Kerndurchmesser angepaßt wurde.

Der stark begrenzte Einsatz der bekannten technischen Lösungen ist bedingt durch die der üblichen Trägerstreifentechnologie anhaftenden Fertigungstoleranzen. Während sich die Fertigungstoleranzen für den Trägerstreifen, die Kavitätenleiste, Spritzgieß- oder Spritzpreßwerkzeuge usw. minimieren lassen, sind große Toleranzen beim Verkappungsprozeß durch die starre Zuordnung des Vielfachträgerstreifens zu Kavitätenleisten bzw. Spritzgieß- oder Spritzpreßwerkzeugen

technologiebedingt. «

Diese Toleranzen bewirken eine Abweichung der Lage der emittierenden oder empfangenen Fläche zu einer optischen Hauptachse und damit einen Seiten- und Winkelversatz zu optisch abbildenden Systemen und zum Lichtleiter.

Ziel der Erfindung

Unter Ausnutzung der technisch-ökonomischen Vorteile einer hochproduktiven Trägerstreifentechnologie sollen optoelektronische Bauelemente hergestellt werden, die universell einsetzbar sind.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen solchen Aufbau des optoelektronischen Bauelements zu finden, daß dieses nicht nur für die Lichtleiterultrakurzstreckenübertragung mit Plastlichtleitern extrem großer Kerndurchmesser, sondern auch für die LLKÜ mit Glaslichtleitern (200 μιη Kerndurchmesser) verwendbar ist. Ausgehend von einem Vielfach-Trägerstreifen, dessen Chipablagepfosten für die Aufnahme von Senderchips zu Reflektoren ausgebildet sind und damit eine Zwangsjustierung und höhere einkoppelbare Leistung ermöglichen bzw. einem Vielfach-Trägerstreifen, auf dessen planen großflächigen Chipablagepfosten Justiermarken die mittige Ablage der Detektorchips ermöglichen, werden erfindungsgemäß die Grundlagen für eine Minimierung der Toleranzen bezüglich der Chipablage zur optischen Hauptachse geschaffen und damit eine Erweiterung des Einsatzgebietes auf die LLKÜ mit 200μιη-ΚβΓηί33βΓη erreicht.

Die Erfindung geht von folgender Grundidee aus: Eine z. B. im Spritzpreßprozeß hergestellte optische Kappe, bestehend aus optisch inaktivem Epoxydharz, wird auf eine Einzelposition des chip- und drahtgebondeten Vielfach-Trägerstreifens aufgesteckt. Stege oder Nasen an den Drahtbondpfosten des Trägerstreifens erzeugen einen definierten Abstand der optischen Kappe zum Chip. Der definierte Abstand ist ebenfalls durch ein Tauchen der Bondkontakte in Epoxydharz oder durch Aufbringen eines definierten Epoxydharztropfens mittels eines Dosiergerätes und anschließendem Aushärten erreichbar. Eine weitere Möglichkeit bietet eine geeignete Gestaltung der Bondpfosten, diesen für die angezielte maximal einkoppelbare Leistung bzw. maximal empfangene Leistung exponierten Abstand zu erreichen. Um ein Verkippen der optischen Kappen auf den Einzelpositionen des Trägerstreifens zu verhindern, sind die Kappen innen beidseitig mit Führungen versehen. Diese Steckung kann rastend oder als Übergangspassung bzw. Spielpassung erfolgen. In der rastenden Ausführung ist keine Justierung möglich, die Zuordnung ist jedoch für Empfänger ausreichend. Bei einer Übergangspassung sind die Führungen in der Kappe so angeordnet, daß sie eine Justierung der Kappe in x-Richtung bezüglich der optischen Hauptachse ermöglichen, wird die Steckung der optischen Kappe auf die Einzelposition des Trägerstreifens als Spielpassung ausgeführt, ist eine x-, y-Justierung erreichbar. Beide Passungsarten bewirken besonders für Senderbauelemente erhebliche Vorteile. Der Winkelversatz, der bei der optischen Informationsübertragung durch einen Kippwinkel zwischen der Ebene der emittierenden bzw. empfangenden Fläche und der optischen Hauptachse entsteht, wird durch die Führungen nahezu ausgeschlossen.

Der äußere Boden der optischen Kappe ist so ausgelegt, daß eine Zentrierung der optischen Fasern zur optischen Hauptachse und damit zur emittierenden bzw. empfangenden Fläche des Chips erfolgt. Diese Zentrierung erfolgt sowohl für steckergefaßte Lichtleiter als auch für unkonfektionierte Lichtleiter. Eine Halbkugellinse bzw. Kugelsegmentlinse, die bezüglich des Radius, des Abstandes des Chip zur Linse und des Abstandes Linse—Faserendfläche optimiert ist, erhöht den Einkoppelwirkungsgrad. Hier sind alle, die maximal einkoppelbare Leistung erhöhenden Anordnungen denkbar.

So ist eine optische Kappe, deren Boden ein Loch hat, in das eine Kugellinse oder ähnliches eingeklebt wird, ebenfalls leicht herstellbar.

Durch die komplexe Wirkung einer Wulst, außen auf der optischen Kappe, und einer Längsaussparung der Kappe wird die Fixierung und Verdrehsicherheit des optoelektronischen Bauelementes in einem elektro-optischen Kupplungsgehäuse gewährleistet. Auch hier sind viele Anordnungen denkbar. Nach dem Aufsetzen der optischen Kappen auf die Einzelpositionen des Trägerstreifens CTS) werden die Kappen in einem Umkehrmagazin mit optisch angepaßtem Epoxydharz vergossen. Der Brechungsindex n₂ des in diesem 1 .Vergießvorgang verwendeten Gießharzes erfüllt gegenüber dem Brechungsindex Πτ des Materials der optischen Kappe die Forderung Πτ < ri₂.

Mit einem 2. Vergießvorgang unter Verwendung eines in dem optischen Übertragungsbereich des Sender-und Empfängerbauelementes absorbierenden Materials wird der Einfluß von Störlicht verhindert. Dieses Störlicht trifft im allgemeinen nur bei einer Bauelemente-Gehäusekonzeption auf, die „Snap in" oder ähnliche Zuordnungen vorsieht, bei denen die Rückseite der optoelektronischen Bauelemente zugänglich bleibt. Der 2. Vergießvorgang kann z.B. zur Typenkennzeichnung genutzt werden.

Zusammenfassend kann festgestelltwerden, daß durch die Anordnung optische Kappe + TS- optoelektronisches Bauelement und die damit verbundene Minimierung der Toleranzen, die hochproduktive Trägerstreifentechnologie für die Herstellung von Sender- und Empfängerbauelementen zur optischen Informationsübertragung mit 200Mm-Glaslichtleitern sinnvoll wird. Dabei lassen sich alle geometrischen Formen, die in einem Spritzpreß- oder Spritzgießvorgang der üblichen Trägerstreifentechnologie erreichbar sind, ebenfalls bei der Herstellung der optischen Kappe realisieren.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel erläutert, das nachfolgend näher beschrieben wird.

Fig. 1 a zeigt in vergrößerter Darstellung die Vorderansicht des optoelektronischen Bauelementes. Fig. 1 b zeigt die Ansicht nach Fig. 1 a von unten.

Die optische Kappe 2 ist auf eine Einzelposition des Trägerstreifens 3 aufgesteckt. Die seitlichen Nasen 4 und 4' des TS3 gewährleisten durch die Anschläge 5 und 5' der Ayssparungen 6 und 6'in der optischen Kappe 2 einen definierten Abstand des in der optischen Hauptachse liegenden Chips 7 zur Kugelsegmentlinse 8. Chipoberfläche auf dem Bondpfosten 9 und Drahtbondpfosten 10 und 10' bilden nahezu eine Ebene, so daß die höchste Erhebung der Bonddrähte 11 und 11' den maximalen Abstand des inneren Kappenbodens 12 der optischen Kappe 2 bestimmen. Das optisch inaktive Harz 13 füllt die Räume zwischen optischer Kappe 2 und TS3. Der störende Einfluß äußeren Lichts wird in einem 2. Vergießschritt mit einem eingefärbten Epoxydharz 14 verhindert. Ein konisches Führungsloch 15 der optischen Kappe garantiert eine Zwangsjustierung des konfektionierten bzw. unkonfektionierten Lichtleiters (hier nicht dargestellt) zur optischen Hauptachse. Der Anschlag 16 des Führungsloches 15 garantiert einen definierten Abstand zur Kugelsegmentlinse 8 der optischen Kappe 2. Eine äußere Wulst 17 der optischen Kappe 2 ermöglicht das Einschnappen des optoelektronischen Bauelementes in Verbindung mit „Snap over" Einrichtungen eines elektrooptischen Kupplungsgehäuses (hier nicht dargestellt). Fig. 1 b, eine Ansicht des optoelektronischen Bauelementes von unten, verdeutlicht die Schlitze 18 und 18'der optischen Kappe 2, die eine Führung für die Bondpfosten 10 und 10' darstellen und eine Justierung des Chip 7 zur Kugelsegmentlinse 8 bezüglich einer optischen Hauptachse garantieren. Die Schlitze 18 und 18' sind so angeordnet, daß eine Justierurng der optischen Kappe 2 zur Einzelposition des TS 3 in der X-Achse erreicht wird.

Die Aussparung 19 sichert die Verdrehsicherheit des optoelektronischen Bauelementes 1 in einem, das Bauelement aufnehmenden elektrooptischen Kupplungsgehäuse. Das komplexe Zusammenwirken der Aussparung 19 und der Wulst 17 gestattet wahlweise ein Einlegen oder Einstecken in ein Gehäuse.

Claims (10)

1. Optoelektronisches Bauelement mit genauer Ausrichtung zu einer optischen Achse, insbesondere zur Informationsübertragung mittels Lichtleiter, mit mindestens zwei Anschlüssen, gekennzeichnet dadurch, daß ein chipmontierter, drahtkontaktierter, mit Führungs- und Zentrierelementen versehener Vielfachträgerstreifen durch einen Plastverguß mit einer vorgefertigten und mit inneren Führungs- und Zentrierelementen versehenen optischen Kappe untrennbar verbunden ist.

2. Optoelektronisches Bauelement nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß Führungsstege in der optischen Kappeso angeordnet sind, daß eine Preß-, Übergangs- oder Spielpassung erreicht wird.

3. Optoelektronisches Bauelement nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Führungsstege der optischen Kappe so angeordnet sind, daß eine Übergangspassung eine x-Justierung und eine Spielpassung eine x-, y-Justierung bezüglich einer optischen Hauptachse zulassen.

4. Optoelektronisches Bauelement nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß im Kappenboden Nuten oder Erhebungen angebracht sind, die einen definierten Abstand in z-Richtung einer optischen Hauptachse garantieren.

5. Optoelektronisches Bauelement nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der definierte Abstand in z-Richtung einer optischen Hauptachse über Nasen am Trägerstreifen erreichbar ist.

6. Optoelektronisches Bauelement nach Punkt 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Boden der Kappe eine im Herstellungsprozeß der optischen Kappe entstehende Linse oder ähnliche optisch wirksame Konfigurationen enthält.

7. Optoelektronisches Bauelement nach Punkt 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß eine optisch wirksame Linse oder ähnliches in eine optische Kappe ein- und/oder aufgeklebt ist.

8. Optoelektronisches Bauelement nach Punkt 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die optische Kappe eine Wulst aufweist, die in „Snasp over"-Einrichtungen eine Fixierung bewirkt und weitere Erhebungen und Nuten, die eine Verdrehsicherheit des opto-elektronisch'en Bauelementes in einem elektrooptischen Kupplungsgehäuse garantieren.

9. Optoelektronisches Bauelement nach Punkt 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß in einem Vergießschritt mit einem im optischen Übertragungsbereich des Sender- und Empfängerbauelementes absorbierendem Material der rückseitige Einfluß von Störlicht verhindert und gleichzeitig eine Kennzeichnung erreicht wird.

10. Optoelektronisches Bauelement nach Punkt 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß für den Brechungsindex n-i des Materials, aus dem die optische Kappe hergestellt wird und dem Brechungsindex Π2 des Epoxydharzes, mit dem die Anordnung optische Kappe — Trägerstreifen vergossen wird, gilt: n, < n₂.