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Die
Erfindung betrifft eine optische Sende- und Empfangseinheit nach
den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich
dabei auf die Befestigung der Sende- und Empfangsdiodenchips an einer Montageplattform,
welche Durchgangsöffnungen
aufweist. Eine erfindungsgemäße Sende-
und Empfangseinheit ist insbesondere für den Einsatz bei Receptacle-Bauelementen
vorgesehen, bei welchen auf die Montageplattform eine optische Einrichtung
zur Strahlführung,
insbesondere ein Strahlumlenkreceptacle mit Faseranschlußöffnung, montiert
ist.
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Wegen
der bei vielen optischen Anwendungen gewünschten hohen Packungsdichte
kommt der Oberflächenmontagetechnik
im Bereich der Optoelektronik eine besondere Bedeutung zu. Es sind
bereits zahlreiche optoelektronische Bauelemente bekannt, die nach
dem SMT-(surface mounting technology)Konzept oberflächenmontierbar
ausgelegt sind.
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Bei
faseroptischen Sende- oder Empfangsbauelementen besteht ein Ziel
darin, eine möglichst gute
optische Ankopplung zwischen einer Lichtleitfaser und einem optoelektronischen
Sender oder Empfänger,
in der Regel einem Halbleiterlaser oder einer Halbleiterphotodiode,
zu erzielen. Die im Stand der Technik bekannten oberflächenmontierbaren,
faseroptischen Sende- oder Empfangsbauelemente weisen einen SMD-Montagerahmen
auf, der äußere Anschlußpins enthält, die über elektrische
Durchführungen
mit einem im Montagerahmen eingebauten Sender oder Empfänger, wie
einem Halbleiterlaser oder einer Halbleiterphotodiode, verbunden
sind. Auf dem Montagerahmen wird eine Strahlumlenkeinrichtung montiert,
die mindestens eine Linse, einen Umlenkspiegel und ein zumeist axial
verschiebbares Führungsrohr
aufweist. Innerhalb des Montagerah mens befindet sich eine Montageplattform,
welche Durchführungen
aufweist, auf deren einer Seite ein Sender oder Empfänger auf
einem transparenten Silizium-Submount befestigt ist. Der Sender,
beispielsweise ein kantenemittierender Halbleiterlaser, emittiert ein
Laserstrahlungsbündel
parallel zur Ebene der Montageplattform. Dieses wird durch eine
Anordnung prismenoptischer Elemente auf dem Submount um einen Winkel
von 90° umgelenkt
und tritt durch den transparenten Submount durch die Durchgangsöffnung der
Montageplattform hindurch. In einem auf der anderen Seite der Montageplattform
befestigten Strahlumlenkreceptacle befindet sich ein Umlenkspiegel,
der das Laserstrahlungsbündel
in eine Lichtleitfaser einkoppelt, die in einer Faseranschlußöffnung befestigt
ist. In einer bidirektionalen Anwendung wird ein aus der Lichtleitfaser
ausgekoppeltes Strahlungsbündel
von dem Umlenkspiegel durch den transparenten Submount auf eine
Empfängerdiode gerichtet.
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Bei
den bisher bekannten Einrichtungen ist es somit erforderlich, den
Submount für
den Sende- oder Empfangsdiodenchip aus einem transparenten Material
zu fertigen. Als Material wird somit im allgemeinen Glas oder ein
geeignetes, semi-isolierendes Halbleitermaterial mit genügend großem Bandabstand
verwendet. Dadurch ist die Materialauswahl für den Submount von vornherein
eingeschränkt,
wobei auch ausgewählte
transparente Materialien eine Restabsorption bei der interessierenden
Wellenlänge aufweisen,
was mit einem Lichtverlust einhergeht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische
Sende- und Empfangseinheit anzugeben, bei welcher ein optischer
Sende- und ein Empfangsdiodenchip auf möglichst praktische Weise an
einer Montageplattform der bekannten Art befestigt sind. Insbesondere
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Befestigung derart vorzunehmen,
daß eine
gegebenenfalls zur Befestigung zu verwendende Trägerplatte oder ein Submount
keiner besonderen Einschränkung
in der Materialauswahl unterliegt.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Der
Sendediodenchip kann entweder direkt auf der Trägerplatte befestigt sein oder
er kann auf einem Submount befestigt sein, der seinerseits auf der Trägerplatte
befestigt ist. In beiden Fällen
kann der einen Sendediodenchip halternde Träger, also im ersteren Fall
die Trägerplatte oder
im letzteren Fall der Submount, aus einem Halbleitermaterial, insbesondere
Silizium, hergestellt sein, und die Oberfläche der Trägerplatte oder des Submounts
kann als Lichtempfangsfläche
einer Empfangsdiode, insbesondere einer Monitordiode für die Senderdiode,
verwendbar und ausgebildet sein.
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Für den Fall,
daß ein
Submount verwendet wird, so kann dieser auch aus einem Halbleitermaterial
gefertigt sein, ohne daß er
gleichzeitig eine optoelektronische Funktion aufweist, also als
Empfangsdiodenchip verwendet wird. Auch die Trägerplatte kann – unabhängig davon,
ob sie den Sendediodenchip direkt trägt oder ob dieser von einem
Submount getragen wird – aus
jedem beliebigen Material, beispielsweise einem Halbleitermaterial
oder einem Keramikmaterial, hergestellt sein.
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Die
Montageplattform kann zum einen aus einem Kunststoffmaterial hergestellt
sein, wobei auf der ersten Hauptoberfläche elektrische Leiterbahnen zur
Kontaktierung des Sende- oder Empfangsdiodenchips vorgesehen sind.
Die Montageplattform kann andernfalls auch aus einem Leadframe oder Leiterrahmen
in an sich bekannter Weise hergestellt sein.
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Die
optische Sende- und Empfangseinheit kann zu einem optischen Sende-
und/oder Empfangsbauelement weitergebildet werden, indem auf der
zweiten Hauptoberfläche
der Montageplattform eine optische Einrichtung zur Strahlführung befestigt wird.
Diese kann beispielsweise in an sich bekannter Weise durch ein Strahlumlenkreceptacle
gebildet sein, welches einen Umlenkspiegel und eine Anschlußöffnung für eine Lichtleitfaser
aufweist. Der Umlenkspiegel ist dabei oberhalb der Durchgangsöffnung und
gegenüberliegend
dem Sende- oder Empfangsdiodenchip angeordnet. Durch den Umlenkspiegel
wird der Sendestrahl in einem 90°-Winkel
in eine Richtung parallel zur Ebene der Montageplattform umgelenkt
und in eine angeschlossene Lichtleitfaser eingekoppelt. Umgekehrt
tritt ein Empfangsstrahl aus der Lichtleitfaser aus und wird durch
den Umlenkspiegel in einem 90°-Winkel
durch die Durchgangsöffnung
auf einen Empfangsdiodenchip umgelenkt. Des weiteren kann eine Linse,
wie eine Kugellinse oder eine andere Sammellinse, innerhalb der Durchgangsöffnung oder
zwischen dem Umlenkspiegel und der Faseranschlußöffnung in geeigneter Weise
gehaltert sein oder der Umlenkspiegel kann als fokussierender Spiegel
ausgebildet sein.
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Die
optische Sende- und Empfangseinheit kann auch zu einem oberflächenmontierbaren
optischen Sende- und Empfangsbauelement weitergebildet werden, indem
sie mit äußeren elektrischen
Anschlüssen
versehen wird, die mit entsprechenden Anschlußabschnitten der Montageplattform
verbunden sind und derart nach außen geführt sind, daß sie jeweils
in einer gemeinsamen Ebene liegende Endabschnitte aufweisen. Zusätzlich können die
optische Sende- und Empfangseinheit und die elektrischen Anschlüsse mindestens
teilweise von einer Kunststoffmasse umspritzt sein, aus der die
elektrischen Anschlüsse
in der beschriebenen Art nach außen geführt werden. Innerhalb der Kunststoffumspritzung
können
die elektrischen Anschlüsse
durch Bonddrähte
mit den Leiterbahnen der Montageplattform oder direkt mit einer
aus einem Leadframe hergestellten Montageplattform verbunden sein.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel
einer optischen Sende- und/oder Empfangseinheit in einem Längsschnitt
entlang der Durchgangsöffnung;
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2 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße optische
Sende- und Empfangseinheit in einem Längsschnitt entlang der Durchgangsöffnungen;
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3 ein
nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel
für eine
optische Sende- und/oder Empfangseinheit mit einem Sende- und/oder
Empfangsdiodenchip in einem Längsschnitt
entlang einer Ebene entlang der Durchgangsöffnung;
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4 eine
Weiterbildung des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen optischen
Sende- und Empfangseinheit zu einem oberflächenmontierbaren Bauelement
in einem Längsschnitt
entlang einer Ebene durch die Durchgangsöffnungen;
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5 eine
perspektivische Ansicht eines oberflächenmontierbaren Bauelements.
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Gemäß 1,
die nicht zur Erfindung gehört wird,
eine Montageplattform 9 in an sich bekannter Weise aus
einem Leiterrahmen oder Leadframe hergestellt. Die Montageplattform 9 besteht
somit im Endzustand aus leitfähigen
Anschlußabschnitten,
die anfänglich
noch als zusammenhängendes
Gebilde vorliegen, jedoch im Laufe des Herstellungsprozesses durch
Auftrennen von Verbindungsstegen zwischen ihnen vereinzelt werden.
Die Montageplattform 9 weist eine erste Hauptoberfläche 4 und
eine zweite Hauptoberfläche 8 auf,
zwischen denen sich eine im allgemeinen kreisrunde Durchgangsöffnung 7 durch
die Montageplattform 9 erstreckt. Die 1 bis 4 stellen
jeweils Längsschnitte
entlang der Mittelebenenachsen derartiger kreisrunder Durchgangsöffnungen 7 dar.
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Die
erste Hauptoberfläche 4 der
Montageplattform 9 dient der Befestigung eines optischen Sende-
oder Empfangsdiodenchips 1. Ein Sendediodenchip 1 ist
derart montiert, daß das
von ihm emittierte Strahlungsbündel
durch die Durchgangsöffnung 7 hindurchtritt,
während
ein Empfangsdiodenchip 1 derart montiert ist, daß das durch
die Durchgangsöffnung 7 einfallende
Strahlungsbündel
auf seine photosensitive Empfangsoberfläche auftrifft.
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Auf
der zweiten Hauptoberfläche 8 der
Montageplattform 9 kann eine optische Strahlführungseinrichtung,
wie ein sogenanntes Strahlumlenkreceptacle (nicht dargestellt),
montiert werden, welches eine Faseranschlußöffnung für eine optische Licht- leitfaser aufweist
und mit welchem eine optische Ankopplung des Sende- oder Empfangsdiodenchips 1 an
die Lichtleitfaser hergestellt wird. Ein Strahlumlenkreceptacle
weist in der Regel einen integrierten Umlenkspiegel auf, der in
einem 45°-Winkel zur zweiten
Hauptoberfläche 8 oberhalb
der Durchgangsöffnung 7,
also gegenüberliegend
dem Sende- oder Empfangsdiodenchips 1, angeordnet ist.
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Ein
von einem Sendediodenchip 1 emittiertes Strahlungsbündel wird
somit von dem Umlenkspiegel in eine in das Strahlumlenkreceptacle
eingesteckte Lichtleitfaser eingekoppelt, während ein aus einer derartigen
Lichtleitfaser austretendes Strahlungsbündel durch den Umlenkspiegel
auf einen Empfangsdiodenchip 1 gerichtet wird. Zusätzlich kann
eine Linse, wie eine Kugellinse oder eine andere Sammellinse, entweder
zwischen dem Umlenkspiegel und dem Sende- oder Empfangsdiodenchip 1,
also beispielsweise innerhalb der Durchgangsöffnung, oder zwischen dem Umlenkspiegel
und der Faseranschlußöffnung angeordnet
sein.
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Ein
wesentliches Merkmal der in der 1 dargestellten
Einheit besteht darin, daß der
Sende- oder Empfangsdiodenchip 1 der Durchgangsöffnung 7 unmittelbar
zugewandt ist. Dies wird bei dem Ausführungsbeispiel der 1 dadurch
erreicht, daß der Sende-
oder Empfangsdiodenchip 1 auf einem Submount 2 montiert
wird, der seinerseits auf einer Trägerplatte 5 montiert
wird, die die Durchgangsöffnung 7 auf
der ersten Hauptoberfläche 4 überdeckt
und beidseits der Durchgangsöffnung 7 auf
der ersten Hauptoberfläche 4 befestigt
ist. Die Herstellung erfolgt derart, daß auf die Trägerplatte 5 der
Submount 2 und der Sende- oder Empfangsdiodenchip 1 montiert
werden und die Trägerplatte 5 dann
derart auf der ersten Hauptoberfläche 4 befestigt wird,
daß der Sende-
oder Empfangsdiodenchip 1 in die Durchgangsöffnung 7 hineinragt.
Auf diese Weise wird erreicht, daß ein von einem Sendediodenchip 1 emittiertes
Strahlungsbündel
oder ein auf einen Empfangsdiodenchip 1 auf treffendes Strahlungsbündel nicht
durch ein transparentes Trägermaterial
hindurchtreten muß.
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Der
Submount 2 kann ein mechanischer Träger ohne jede optoelektronische
Funktion sein, auf dem ein Sende- oder Empfangsdiodenchip 1 montiert
ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß der Submount 2 eine
Empfangsdiode bildet, deren obere Oberfläche eine photosensitive Oberfläche bildet.
Die Empfangsdiode kann beispielsweise eine Monitordiode für den Halbleiterlaser
des Sendediodenchips 1 sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein,
daß die
außerhalb
des aufmontierten Sendediodenchips 1 liegende obere Oberfläche des
Submounts als Lichtempfangsfläche
ausgebildet ist und somit der Submount 2 generell als Empfangsdiode für Empfangsstrahlung
genutzt werden kann. Für
diese Anwendungsfälle
ist der Submount 2 aus einem Halbleitermaterial, wie Silizium,
hergestellt. Die Trägerplatte 5 kann
aus jedem beliebigen Material hergestellt sein, wobei beispielsweise
ein keramisches Material verwendet werden kann. Die Trägerplatte 5 kann
elektrische Durchgangskontaktierungen 6 aufweisen, um mittels
Bonddrähten
beidseits der Trägerplatte 5 die
Sende- und/oder Empfangsdiodenchips 1 und 2 elektrisch
zu kontaktieren.
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Auf
der ersten Hauptoberfläche 4 der
Montageplattform 9 können
zudem weitere elektronische oder optoelektronische Bauelemente,
wie ein Vorverstärker 12,
angeordnet und mittels Bonddrähten
mit den Sende- und/oder Empfangsdiodenchips 1 und 2 elektrisch
verbunden werden.
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Bei
einem in 2 dargestellten erfindungsgemässen Ausführungsbeispiel
wird eine elektrisch isolierende Montageplattform 9 verwendet,
die jedoch auf ihrer ersten Hauptoberfläche 4 mit elektrischen
Leiterbahnen 9A versehen ist. Im übrigen weist die Montageplattform 9 der 2 zwei
kreisrunde Durchgangsöffnungen 7 auf.
In der linken Bildhälfte
ist dargestellt, wie eine Trägerplatte 5 mit
aufmontiertem Submount 2 und Sende- oder Empfangsdiodenchip 1 in
die Durchgangsöffnung 7 montiert ist. Beidseits
der Durchgangsöffnung 7 befinden
sich auf der ersten Hauptoberfläche 4 Leiterbahnen 9A.
In der rechten Bildhälfte
der 2 ist der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung
beispielshalber dargestellt. Hier wird ein Empfangsdiodenchip 3 als
solcher über die
Durchgangsöffnung 7 auf
der ersten Hauptoberfläche 4 geschoben
und mit Leiterbahnen 9A beidseits der Durchgangsöffnung 7 kontaktiert.
Der Empfangsdiodenchip 3 kann dabei zusätzlich einen integrierten Vorverstärker enthalten.
Die photosensitive Empfangsfläche
des Empfangsdiodenchips 3 ist somit der Durchgangsöffnung 7 direkt
zugewandt, so daß das
ankommende Strahlungsbündel
nicht noch vorher durch einen transparenten Träger hindurchtreten muß.
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Das
in 3 dargestellte nicht zur Erfindung gehörende Beispiel
einer optischen Sende- oder Empfangseinheit ist gegenüber dem
in 1 dargestellten Beispiel in zweifacher Hinsicht
abgeändert. Zum
einen wird anstelle einer aus einem Leadframe gefertigten Montageplattform 9 eine
wie in dem erfindungsgemässen
Ausführungsbeispiel
der 2 verwendete, elektrisch isolierende Montageplattform 9 aus
einem Kunststoffmaterial mit auf die erste Hauptoberfläche 4 aufgebrachten,
strukturierten Leiterbahnen 9A verwendet. Die wesentliche Änderung gegenüber dem
ersten Ausführungsbeispiel
liegt jedoch darin, daß die
Trägerplatte 5 weggelassen
wird und stattdessen ein Submount 2 verwendet wird, welches
mindestens in einer Richtung eine Ausdehnung aufweist, die größer ist
als der Durchmesser der Durchgangsöffnung 7, so daß mit dem
Submount 2 die Durchgangsöffnung 7 auf der ersten
Hauptoberfläche 4 zumindest
in dieser Richtung überdeckt
werden kann. Der Submount 2 kann wiederum ein reiner mechanischer
Träger
sein, wobei er in diesem Fall aus jedem beliebigen Festkörpermaterial
gefertigt sein kann. Er kann jedoch vorteilhafterweise auch aus
einem Halbleitermaterial, wie Silizium, hergestellt sein und eine
optoelektronische Funktion als Monitordiode für den auf ihn montierten Sendediodenchip 1 oder
als generelle Empfangsdiode – wie oben
beschriebenerfüllen.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß bei einer
optischen Sende- und Empfangseinheit bei Verwendung und Bestückung mehrerer
Durchgangsöffnungen
die in ihnen befestigten Sende- und Empfangsdiodenchips durch die Art
der Anordnung optimal gegeneinander abgeschirmt sind.
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Die
Durchgangsöffnungen 7 müssen nicht wie
in den gezeigten Ausführungsbeispielen
die Durchgangsöffnungen 7 der
ersten Hauptoberfläche 4 vollständig überdecken.
Vielmehr reicht es aus, wenn sie sie teilweise überdecken, solange die optoelektronischen
Wandler der Durchgangsöffnungen 7 direkt
zugewandt sind und sicher und fest gehaltert sind.
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In
der 4 ist schließlich
eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels
der 2 zu einem oberflächenmontierbaren Sende- und
Empfangsbauelement dargestellt. Eine Weiterbildung dieser Art ist ebenfalls
in der 5 in einer perspektivischen Darstellung zu sehen.
Die Weiterbildung besteht darin, daß die Montageplattform 9 und
die mit ihr verbundenen Sende- und
Empfangsdiodenchips 1 und 3 von einer Kunststoffumspritzung 11 umgeben
werden, in die am Rand geeignete elektrische Anschlüsse 10 eingeformt
werden. Diese elektrischen Anschlüsse 10 sind derart
geformt, daß sie äußere Endabschnitte aufweisen,
die in einer gemeinsamen Ebene liegen, die parallel zu den Hauptoberflächen der
Montageplattform 9 liegt. Diese Ebene kann dabei auf der Lichtaustrittsseite
der Durchgangsöffnungen 7 wie
in dem Ausführungsbeispiel
der 4 liegen oder auf der entgegengesetzten Seite
positioniert sein. Im erstgenannten Fall, der in der 4 dargestellt
ist, sind in die Platine Durchgangslöcher gebohrt, durch die das
Licht der Sendestrahlung und der Empfangsstrahlung hindurchtritt.
Im letztgenannten Fall kann auf der Platine eine optische Strahlführungseinrichtung,
wie ein Strahlumlenkreceptacle, montiert sein.
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Wie
in 5 gezeigt ist, umschließt die Kunststoffmasse 11 die
Montageplattform 9 kastenförmig, wobei die zweite Hauptoberfläche der
Montageplattform 9 nicht mit Kunststoffmasse bedeckt wird und
auch in die Durchgangsöffnungen 7 keine
Kunststoffmasse eingefüllt
wird. Die elektrischen Anschlüsse 10 werden
auf ihrem jeweiligen Endabschnitt innerhalb der Kunststoffmasse 11 durch
Bonddrähte mit
entsprechenden Endabschnitten der Leiterbahnen 9A auf der
ersten Hauptoberfläche 4 der
Montageplattform 9 verbunden. Wie bereits angedeutet, kann
als Montageplattform 9 auch ein Leadframe verwendet werden,
so daß die
Bonddrähte
mit den entsprechenden leitfähigen
Anschlußabschnitten
des Leadframes verbunden werden müssen.