DE10064580C1 - Opto-elektronische Baugruppe zum Empfangen optischer Signale - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine opto-elektronische Baugruppe zum Empfangen optischer Signale mit mindestens zwei Detektoren (10', 20'), ob jeweils eine optisch aktive Fläche (11', 21') zum Umwandeln optischer Signale in elektrische Signale (A, B) aufweisen. Erfindungsgemäß sind zwei der Detektoren (10', 20') aufeinander angeordnet und ist die optisch aktive Fläche (21') des einen Detektors (20') abgeschirmt. Die Erfindung stellte eine opto-elektronische Baugruppe zum Empfangen optischer Signale zur Verfügung, die Störsignale sicher detektiert, wenig Platz innerhalb eines opto-elektronischen Aufbaus benötigt und einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine opto-elektronische Baugruppe zum Empfangen optischer Signale nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

In der optischen Nachrichtentechnik werden zur Umwandlung von optischen Signalen in elektrische Signale optische Empfänger eingesetzt. Ein solcher Empfänger, in der Regel eine Photodi­ ode, besitzt eine optisch aktive Fläche. Optische Signale, die auf die optisch aktive Fläche fallen, werden von dieser detektiert und in elektrische Signale umgewandelt. Diese Signale werden direkt im Empfänger oder in gesonderten Auswerteinheiten nachverstärkt.

Aufgrund von Streulichteinfall, Dunkelströmen und anderen elektromagnetischen Störungen treten in den optischen Empfängern Störsignale auf. Diese beeinträchtigen die Funktion der optischen Empfänger, da sie das Signal/Rausch- Verhältnis verschlechtern.

In der US 4 792 997 ist eine gattungsgemäße optoelektron­ ische Baugruppe zum Empfangen optischer Signale beschrieben, die zur Störsignalunterdrückung die Signale zweier Photodioden miteinander mischt und nachverstärkt. Ein Signal stammt dabei von einer unbeleuchteten Photodiode, die neben einer beleuteten, baugleichen Photodiode angebracht und in gleicher Weise elektrisch kontaktiert ist. Die unbeleuchtete Photodiode liefert ein dem der beleuchteten Photodiode gleiches oder zumindest ähnliches Störsignal. Das Störsignal kann dann beispielsweise mittels eines Differenzverstärkers vom zu detektierenden Signal getrennt werden.

Nachteilig an derartigen Baugruppen ist, dass der Einsatz einer zweiten Photodiode den doppelten Platz im Bauelement erfordert. Zusätzlich sind gesonderte Maßnahmen zur Abdunkelung des Störsignalgebers, d. h. der zweiten Photodiode erforderlich, beispielsweise eine Metallisierung der aktiven Fläche. Es sind somit ein aufwendiges Design des Trägers sowie eine kostenaufwendige Abschirmung der zweiten Photodi­ ode erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine opto-elektronische Baugruppe zum Empfangen optischer Signale zur Verfügung zu stellen, die Störsignale sicher detektiert, dabei möglichst wenig Platz innerhalb eines optoelektron­ ischen Aufbaus benötigt und einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optoelektroni­ schen Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung sieht vor, zwei Detektoren optischer Signale nicht nebeneinander, sondern aufeinander anzuordnen. Dadurch wird mehr als die Hälfte des sonst benötigten Bauraumes eingespart und ein hoher Integrationsgrad erreicht. Auch die elektrische Kontaktierung der Detektoren kann platzsparender und einfacher durchgeführt werden. Die optisch aktive Fläche des einen Detektors ist dabei von der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung abgeschirmt. Dieser Detektor fungiert damit als Störsignalgeber.

Die Abschirmung der optisch aktiven Fläche des einen Detektors kann durch den anderen Detektor, jedoch auch in beliebiger anderer Weise erfolgen. Beispielsweise ist es ebenfalls möglich, daß die Abschirmung des einen Detektors mittels eines Trägers erfolgt, auf dem der Detektor angeordnet ist, oder durch Verspritzen der optisch aktiven Fläche mit einem optisch dichten Material. Auch ist denkbar, den einen Detektor durch ein Gehäuse oder Gehäuseteile abzuschirmen, sofern die optisch aktiven Flächen der Detektoren in entgegengesetzte Richtungen weisen.

Die direkte Montage der zwei Detektoren aufeinander läßt sich in vorteilhafterweise Weise durch die aus Chip-flip- bzw. Chip-on-Chip-Aufbauten bekannten Fertigungsschritte durchfüh­ ren. Ein erster Detektor wird dabei auf einen Träger montiert und ein zweiter Detektor auf den ersten Detektor aufgesetzt, entweder mit oder ohne Zwischenlage eines zusätzlichen Substrats, beispielsweise elektrisch isolierenden Materials.

Durch die Chip-on-Chip Anordnung der Detektoren kann dabei grundsätzlich auf eine üblicherweise unter einer einzelnen Photodiode eingesetzte Keramik verzichtet werden.

Die Montage der Detektoren erfogt bevorzugt derart, dass entweder die beiden aktiven Flächen der Detektoren in zwei entgegengesetzte Richtungen oder in die gleiche Richtung weisen. Dadurch wird entweder die aktive Fläche des dem Träger zugewandten Detektors abgeschirmt, falls keine Lichtdurchlaßöffnungen am Träger vorgesehen sind, oder aber die aktive Fläche, die zwischen den zwei Detektoren liegt.

Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass spezielle Beschich­ tungen der aktiven Fläche bzw. spezielle Abschirmelemente entfallen können, was wiederum Kosten einspart.

Im Fall der Montage mit zwei in entgegengesetzte Richtungen weisenden aktiven optischen Flächen ist vorteilhafterweise die Außenfläche des einen Detektors größer als die ihr gegenüberliegende Außenfläche des anderen Detektors, wodurch eine Kontaktierung und die Montage vereinfacht werden.

Eine Kontaktierung der Detektoren erfolgt bevorzugt entweder über eine leitende Zwischenschicht oder über elektrische Zuleitungen, die ihrerseits wiederum durch entsprechende Zwi­ schenschichten voneinander isoliert oder leitend verbunden sein können.

Für den Empfang optischer Signale durch den Träger hindurch weist dieser eine optisch durchlässige Öffnung auf, insbesondere eine Aussparung oder ein Fenster. Die optischen Detektoren werden dabei derart aufeinander montiert, daß ihre optisch aktiven Flächen beide in Richtung des Trägers zeigen und der unmittelbar auf dem Träger montierte Detektor mit seiner optisch aktiven Fläche über der optischen Öffnung angeordnet ist.

Damit die Störsignale der Detektoren vergleichbar sind, sind die Detektoren mit Vorteil baugleich oder bauähnlich oder zu­ mindest ihre optisch aktiven Flächen baugleich oder bauähn­ lich ausgebildet.

Die Signale der übereinander angeordneten Detektoren werden in einer nachgeschalteten Auswerteinheit gemischt und nachverstärkt. Die Auswerteinheit wird bevorzugt durch einen Differenzverstärker gebildet, der das Störsignal von dem detektierten Nutzsignal subtrahiert.

Die Detektoren sind bevorzugt geeignet ausgelegte Photodioden. Insbesonder werden zwei Photodioden mit ihren Kathodenflächen elektrisch leitend aufeinander montiert. Dadurch bestehen keine oder nur sehr geringe Spannungsunterschiede zwischen den Kathodenflächen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Störsignalunterdrückung unter Verwendung zweier Photodioden,

Fig. 2a eine erste erfindungsgemäße Anordnung von zwei Photodioden auf einem Träger,

Fig. 2b eine zweite erfindungsgemäße Anordnung von zwei Photodioden auf einem Träger und

Fig. 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Chip-on-Chip-Aufbaus mit einer Montage- Untereinheit.

In Fig. 1 ist das Prinzip der Störsignalunterdrückung bei getrennter Detektion zum einen eines Nutz- und Störsignal und zum anderen lediglich des Störsignal dargestellt.

Zwei Photodioden 10, 20 sind an die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers 40 angeschlossen. Die eine Photodiode 10 ist derart angeordnet, daß ein optisches Signal detektiert und als elektrisches Signal A dem Differenzverstärker 40 zugeführt wird. Die Photodiode 20 ist gegen einen Lichteinfall abgeschirmt. Sie erzeugt dementsprechend lediglich ein Störsignal B, das dem anderen Eingang des Differenzverstärkers 40 zugeführt wird.

Das Signal B der unbeleuchteten Photodiode 20 ist insbesondere auf Dunkelströme oder andere elektromagnetische Störungen zurückzuführen. Diese Störungen erzeugen auch im Signal A der beleuchteten Photodiode 10 ein Störsignal, das dem Nutzsignal überlagert ist.

Um vergleichbare Störsignale zu erhalten, sind die Photodi­ oden 10, 20 möglichst baugleich ausgebildet, so dass sie die gleichen Photonenausbeuten und Verluste besitzen.

Im Differenzverstärker 40 wird das Signal B der unbeleuchte­ ten Photodiode 20 vom Signal A der beleuchteten Photodiode 10 abgezogen und die Differenz der Signale A-B verstärkt. Durch die getrennte Detektion von Nutz- und Störsignal zum einen und Störsignal zum anderen und die nachfolgende Differenzbildung wird das Störsignal vom Nutzsignal getrennt. Dieses ermöglicht ein von Umgebungsbedingungen wie Temperatur, kosmischer Strahlung oder anderen Strahlungfeldern in einem weiten Bereich unabhängiges und sehr hohes Signal/Rauschverhältnis der Empfangseinheit.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Art der Mischung und Verstärkung der Signale A, B der Photodioden 10, 20 auch über andere elektronische Schaltungen als einen Differenzverstärker durchgeführt werden kann.

In Fig. 2a ist eine erste erfindungsgemäße Anordnung zweier Photodioden 10', 20' mit optisch aktiven Flächen 11', 21' auf einem Träger 30' dargestellt. Bei dem Träger 30' handelt es sich beispielsweise um ein Leadframe oder eine Trägerplatte.

Die Photodioden 10', 20' sind übereinander bzw. aufeinander montiert. Ihre optisch aktiven Flächen 11', 21' zeigen in entgegengesetzte Richtungen, da die Photodiode 20', wie durch den 180° Pfeil angedeutet, um 180° gedreht auf dem Träger 30' befestigt wird. Die Abschirmung der optisch aktiven Fläche 21' der Photodiode 20' erfolgt dabei durch den Träger 30'. Dagegen kann die optisch aktive Fläche der Photodiode 10' ungehindert optische Signale detektieren.

Alternativ kann vorgesehen sein, das die optisch aktiven Flächen der beiden Photodioden in die gleiche Richtung, und zwar vom Träger 30' weg weisen. Die Photodiode 10' deckt dabei die optisch aktiven Fläche 21' der Photodiode 20' ab (nicht dargestellt).

Die Photodioden 10', 20' der Fig. 2a weisen einander zugewandte Kathodenkontakte 12', 22' auf. Die Kontaktierung der Kathodenkontakte 12', 22' erfolgt dementsprechend mittels eines gemeinsamen Rückkontakts. Dadurch wird eine Zuleitung gespart. Die beiden Kathodenkontakte 12', 22' sind beispielsweise mit einem Leitkleber miteinander verbunden, so daß sich beide Kathodenkontakte 12', 22' auf einem gleichem elektrischen Potential befinden. Die elektrischen Signale A, B der Photodioden 10', 20' werden an Anodenkontakten 13', 23' der Photodioden abgegriffen.

Die auf dem Träger 30' montierte Photodiode 20' weist in der Anordnung der Fig. 2a einen größeren Umfang als die auf ihr montierte Photodiode 10' auf. Dadurch werden sowohl die Montage als auch die Kontaktierung erleichtert.

Es wird darauf hingewiesen, daß in alternativen Ausführungsformen (nicht dargestellt) unter der das Nutzsignal detektierenden Photodiode 10' ein zusätzliches Substrat, insbesondere ein Isolator angebracht sein kann. Ebenso kann auch zwischen der unteren Photodiode 20' und dem Träger 30' ein zusätzliches Substrat vorgesehen sein.

Bei der in Fig. 2b dargestellten Anordnung weist der Träger 30" eine optisch durchlässige Öffnung 31" auf, durch die Licht auf die aktive Fläche 11" der auf den Träger 30" mon­ tierten Photodiode 10" fällt. Die optisch aktiven Flächen 11", 21" der Photodioden 10", 20" zeigen bei dieser Ausführungsform in die gleiche Richtung, und zwar in Richtung des Trägers 31".

Die Öffnung 31" besteht entweder aus einer Bohrung oder ist mit optischen Fenstern oder auch Linsen versehen.

Ebenfalls kann vorgesehen sein, die Empfangseinheit mit einem optisch dichten Material zu verspritzen. Das verhindert unerwünschten Streulichteinfall auf die Photodioden, der zu einem erhöhten Störsignal führt.

In einer alternativen Gestaltung der Fig. 2b zeigt die optisch aktive Fläche der Photodiode 20" nach oben, d. h. die beiden optisch aktiven Flächen zeigen in entgegengesetzte Richtung. Die optisch aktive Fläche der Photodiode 20" ist dann bevorzugt durch eine Spritzmasse, etwa eine Metallschicht, abgedunkelt. Auch ist es bei einem "auseinander schauen" der optisch aktiven Flächen möglich, die optisch aktive Fläche der abzuschirmenden Photodiode 20" durch ein Gehäuse abzuschirmen.

Die Anordnungen der Fig. 2a, 2b sind sehr platzsparend ausgebildet und ermöglichen eine Störsignaldetektion und - kompensation auch in kleinen optischen Empfängern. Zudem können gegenüber dem Stand der Technik Vorrichtungen zur Ab­ schirmung der aktiven Flächen der Photodioden eingespart werden.

Die Montage der Photodioden 10' 10", 20', 21" auf dem Träger 30', 30" kann durch direkte Bestückung der Einzelkomponenten auf dem Träger erfolgen. Dabei werden die Photodioden "Chip-on-Chip" direkt aufeinander bzw. auf dem Träger befestigt. Dies erfolgt beispielsweise durch Verkleben, Verschmelzen, Verlöten oder ein Einsetzen in Füh­ rungsrahmen oder andere Führungselemente auf dem Träger. Dabei ist wie erwähnt auch die Anbringung von Zwischenschich­ ten zur Verhinderung oder auch Verbesserung eines elektri­ schen und/oder thermischem Kontakts zwischen den einzelnen Bauteilen möglich.

Der Chip-on-Chip-Aufbau ermöglicht auch die Fertigung im Waferverbund unter Bildung von Montage-Untereinheiten, sogenannten Submounts, die auf ihre Funktion vor dem Einbau in größere Einheiten getestet werden können. Damit fallen eventuelle Fehlfunktionen nicht erst in einem fertigen Empfangselement und nach kompletter Fertigstellung auf.

In Fig. 3 ist ein solcher Submount 50 angedeutet. Er besteht aus den auf einem Träger angeordneten Photodioden 10, 20 und den entsprechenden Kontaktierungs- bzw. Anschlusstellen für die Spannungsversorgung und die Auskopplung der elektrischen Signale A, B.

Es wird darauf hingewiesen, daß die das Störsignal detektierende Photodiode auf dem Submount noch nicht abgedunkelt sein muß. Dies kann beispielsweise nach Montage des Submounts durch Verspritzen mit einem optisch dichten Material erfolgen.

Die Fertigung dieser Submounts erfolgt beispielsweise derart, daß zuerst ein Photodiodenwafer komplett mit Photodioden 10, 20 bestückt und getestet und danach in einzelne Submounts gesägt wird. Dabei kann der Wafer ein Substrat mit umfassen. Es ist jedoch ebenfalls möglich, auf ein Substrat zu verzichten, d. h. der ungesägte Photodiodenwafer besteht lediglich aus Photodioden 10, 20 sowie ggf. einer oder mehrerer Bondverbindungen dazwischen. Dabei wird bevorzugt zunächst die eine Photodiode als Wafer hergestellt und dann mit der zweiten Photodiode bestückt. Nach Testen der Anordnung wird der Photodiodenwafer gesägt und der Submount dann beispielsweise auf einem Leadframe montiert.

Sofern unter der das Nutzsignal detektierenden Photodiode 10 zusätzlich ein Substrat vorgesehen ist, kann auch dieses Substrat als Wafer oder allgemein im Verbund hergestellt und dann mit Photodioden 10, 20 bestückt und getestet und dann in Submounts gesägt werden, wobei diese dann verbaut werden.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele. Wesentlich für die Erfindung ist allein, daß bei einer opto-elektronische Baugruppe mindestens zwei Detektoren aufeinander angeordnet sind und dabei die optisch aktive Fläche des einen Detektors abgeschirmt ist.

Bezugszeichenliste

10

,

10

',

10

" Photodiode

20

,

20

',

20

" Photodiode

11

',

11

" optisch aktive Fläche

21

',

21

" optisch aktive Fläche

12

' Kathodenkontakt

13

' Anodenkontakt

22

' Kathodenkontakt

23

' Anodenkontakt

30

',

31

" Träger

31

" optisch durchlässige Öffnung

40

Differenzverstärker

50

Submount
A, B elektrische Signale
A-B Differenz der Signale A und B

Claims (14)

1. Opto-elektronische Baugruppe zum Empfangen optischer Signale mit mindestens zwei Detektoren (10, 20), die jeweils eine optisch aktive Fläche (11, 21) zum Umwandeln optischer Signale in elektrische Signale (A, B) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Detektoren (10', 10"; 20', 20") aufeinander angeordnet sind und die optisch aktive Fläche (21', 21") des einen Detektors (20', 20") abgeschirmt ist.

2. Opto-elektronische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Detektoren (10', 10"; 20', 20") auf einem Träger (30', 30") angeordnet ist.

3. Opto-elektronische Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Flächen (11', 11"; 21', 21") der Detektoren (10', 10"; 20', 20") in entgegengesetzte Richtung weisen.

4. Opto-elektronische Baugruppe nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Fläche (21') des einen Detektors (20') der Trägeroberfläche direkt gegenüberliegend angeordnet und dadurch von optischen Signalen abgeschirmt ist.

5. Opto-elektronische Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Flächen (11", 21") der Detektoren in die gleiche Richtung weisen, wobei die aktive Fläche (21") des einen Detektors (20") durch den anderen Detektor (10") abgeschirmt ist.

6. Opto-elektronische Baugruppe nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Detektoren (10', 10"; 20', 20") mindestens eine Zwischenschicht angeordnet ist.

7. Opto-elektronische Baugruppe nach mindestens einem der Anspruche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem einen Detektor (10", 20') und dem Träger (30", 30') mindestens eine Zwischenschicht angeordnet ist.

8. Opto-elektronische Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (30") mindestens eine optisch durchlässige Öffnung (31") aufweist, die der aktiven Flache (11") des nicht abgeschirmten Detektors (10") zugeordnet ist.

9. Opto-elektronische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch aktive Fläche des einen Detektors durch ein optisch dichtes Material, insbesondere eine Spritzmasse abgedunkelt ist.

10. Opto-elektronische Baugruppe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinander angeordnete Detektoren identische oder ähnliche aktive Flachen aufweisen.

11. Opto-elektronische Baugruppe nach mindestens einem der vorhergehenden Anspruche, gekennzeichnet durch eine mit den Detektoren (10, 20) verbundene Auswertvorrich­ tung (40) zum Auswerten der Detektorsignale (A, B).

12. Opto-elektronische Baugruppe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertvorrichtung mindestens einen Differenzverstärker (40) aufweist.

13. Opto-elektronische Baugruppe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren Photodioden (10', 10"; 20', 20") sind.

14. Opto-elektronische Baugruppe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodioden (10', 20') Kathoden- und Anodenkontakte (12', 13'; 22', 23') zur elektrischen Kontaktierung aufweisen, wobei die Kathodenkontakte (12', 22') der Photodioden (10', 20') elektrisch leitend aufeinander angeordnet sind.