DE10105943A1 - Faseroptisches Linsensystem zum Koppeln von Fasern mit oberflächenbefestigten Bauelementen - Google Patents

Abstract

Ein System zum Koppeln einer Sendefaser und einer Empfangsfaser mit einer Lichtquelle bzw. einem Photodetektor umfaßt ein einstückiges durchsichtiges Kunststoffbauglied, das Linsen und Totalreflexions-Spiegel aufweist, die zusammenwirken, um eine Ausbreitung entlang senkrechter X-, Y- und Z-Achsen vorzusehen. Die Lichtquelle, der Photodetektor und das einstückige optische Bauglied sind an einer gedruckten Schaltungsplatine oberflächenbefestigt, die eine Treibschaltungsanordnung für die Lichtquelle und eine Verarbeitungsschaltungsanordnung für den Photodetektor aufweist. Durch Ermöglichen eines Oberflächenbefestigens des Detektors und der Lichtquelle wird der Fertigungsaufwand wesentlich reduziert.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Systeme zum Kop­ peln von Signalen unter Verwendung einer optischen Faser­ ausrüstung und insbesondere auf das Koppeln von Signalen zwischen optischen Fasern und Bauelementen, die optische Signale erzeugen oder erfassen.

Bei Kommunikationsanwendungen ist das hochdichte Häusen ein wichtiger Punkt. Dies gilt unabhängig davon, ob die Kommu­ nikation auf der Übertragung von elektrischen Signalen oder optischen Signalen basiert. Eine verwandte Erwägung ist der Fertigungsaufwand. Die Dichte der faseroptischen Module, die entlang einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB; PCB = Printed Circuit Board) eines faseroptisch basierten Lokal­ bereichsnetz-(LAN-; LAN = Local Area Network)Hubs oder eines ähnlichen Systems plaziert sein können, beeinflußt bedeutend den Aufwand des Systems pro Kanal.

Kleine faseroptische Module ermöglichen eine hohe Dichte von Sende- und Empfangskanälen. Solche Module umfassen fa­ seroptische Sende-Empfangs-Vorrichtungen, die ermöglichen, daß eine Lichtquelle mit einer Sendefaser gekoppelt wird, und ermöglichen, daß ein Detektor mit einer Empfangsfaser gekoppelt wird. Fig. 1 stellt eine bekannte Anordnung zum Koppeln von optischen Fasern 10 und 12 mit einem Paar von Festkörperbauelementgehäusen 14 und 16 dar, die an einer PCB, nicht gezeigt, befestigt sind. Die optischen Fasern sind in einem Verbinder 18 eingebettet bzw. integriert. Bei einem standardisierten MT-RJ-Faserpaar ist der Mitte-zu- Mitte-Abstand der zwei Fasern 0,75 mm. Der Verbinder kann beispielsweise ein mechanisch übertragbarer Miniatur- Aufschiebe- (Mini-MPO; MPO = Mechanically-transferrable Push-On) Verbindertyp sein. Die Dichte der Sender- und Emp­ fänger-Kanäle ist typischerweise durch die Größenerforder­ nisse der Bauelementgehäuse bestimmt. Die Festkörperbauele­ mente müssen gehäust sein, um sowohl eine optische als auch elektrische Trennung der Sende- und Empfangssignale sowie einen Schutz vor der Umgebung vorzusehen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind die Gehäuse der Bauelemente als herkömmliche Transistorumriß- (TO-; TO = Transistor Outli­ ne) Typ-Behälter gezeigt. Jeder der Behälter umfaßt ein Paar von Leitungen 20 und 22, die an die gedruckte Schal­ tungsplatine gelötet sind, die die Treib- und Verarbei­ tungselektronik für einen Senderchip 24 und einen Detektor­ chip 26 umfaßt. Der Senderchip kann eine lichtemittierende Diode (LED) oder eine Laserdiode sein. Der Detektorchip 26 kann eine Photodiode sein.

Die TO-Behälter 14 und 16 von Fig. 1 sind derart positio­ niert, daß, wenn der Verbinder 18 in einen weiblichen Verb­ inder eingeführt ist, der auf der gleichen PCB wie die TO- Behälter sitzt, der Austausch von optischen Signalen ent­ lang einer einzigen Ebene stattfindet. Hinsichtlich des Sendekanals erzeugt der Senderchip 24 ein optisches Signal, das zu einer Linse 28 des TO-Behälters 14 gerichtet ist. Die Behälterlinse 28 wirkt mit einer kollimierenden Linse bzw. Kollimatorlinse 30 zusammen, um einen kollimierten Strahl zu erzeugen, der auf den Spiegel 32 trifft. Der er­ ste Spiegel richtet bzw. lenkt den Lichtweg zu einem zwei­ ten Spiegel 34 um, der wiederum den Lichtweg zur Ausrich­ tung mit der Sendefaser 10 umrichtet. Eine Linse 36 fokus­ siert das Signal auf die ausgerichtete Faser 10.

Der Empfangskanal folgt einem Weg ähnlich zu dem Sendeka­ nal, jedoch in der entgegengesetzten Richtung. Licht von der Faser 12 wird durch eine Linse 38 kollimiert und trifft auf einen dritten Spiegel 40. Das umgerichtete bzw. umge­ lenkte optische Signal wird wiederum durch einen vierten Spiegel 42 umgerichtet. Das optische Signal wird dann durch eine Linse 44 und eine Behälterlinse 46 bearbeitet, um die empfangenen Signale auf den Detektorchip 26 zu fokussieren.

Die Anordnung von Fig. 1 liefert eine Strahlübersetzung entlang von zwei Achsen, d. h. der X-Achse und der Z-Achse, die in Fig. 1 gezeigt sind. Dies ermöglicht, daß die Beab­ standung zwischen den zwei Kanälen von der Beabstandung von 0,75 mm des Verbinders 18 zu einer größeren Beabstandung zwischen den zwei TO-Behältern 14 und 16, z. B. einer Beab­ standung von 6,2 mm, erhöht wird.

Andere optische Koppler zum Verbinden von optischen Fasern mit TO-Behältern sind bekannt. Das U. S.-Patent Nr. 4,701,010 an Roberts beschreibt einen geformten Körper mit reflektierenden Oberflächen zum Verbinden einer Faser mit einem Detektor-TO-Gehäuse oder einem Emitter-TO-Gehäuse. Ein Schlitz erstreckt sich in den Körper, um ein Einführen eines Filters, wie z. B. eines dichroitischen Spiegels oder eines Strahlteilers, abhängig von der gewünschten Anwendung zu ermöglichen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung zum Koppeln von optischen Fasern mit optischen Bauelementen und ein optisches System zu schaffen, die wei­ tere Reduktionen des Fertigungsaufwands ohne ein Opfern der optischen Leistung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zum Koppeln von op­ tischen Fasern mit optischen Bauelementen gemäß Anspruch 1 und ein optisches System gemäß Anspruch 9 gelöst.

Ein System zum Koppeln von optischen Fasern mit optischen Bauelementen umfaßt Linsen und Spiegel, die zusammenwirken, um eine Ausbreitung in senkrechten X-, Y- und Z-Richtungen vorzusehen, so daß die Bauelemente eine größere Mitte-zu- Mitte-Beabstandung als die Fasern aufweisen können und be­ festigt werden können, um Achsen aufzuweisen, die senkrecht zu den Achsen der Fasern sind. Bei einem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel umfassen die optischen Bauelemente einen Lichtdetektor und einen Lichtsensor, die an einer gedruck­ ten Schaltungsplatine oberflächenbefestigt sind, während die Linsen und Spiegel in einem einstückigen optischen Bauglied gebildet sind, das ebenfalls an der Oberfläche der gedruckten Schaltungsplatine befestigt ist. Durch Ermögli­ chen eines Oberflächenbefestigens des Detektors und des Senders wird der Fertigungsaufwand reduziert. Außerdem re­ duziert das Oberflächenbefestigen möglicherweise den Bau­ grund auf der Schaltungsplatine, der zum Positionieren des Detektors und des Senders erforderlich ist.

Das optische Bauglied besteht aus einem klaren bzw. durch­ sichtigen Kunststoffmaterial und umfaßt ein Paar von Licht­ ausbreitungswegen, die Spiegelbilder voneinander sind, je­ doch entgegengesetzt gerichtet sind. Der Ausdruck "klar" bzw. durchsichtig ist hierin als durch niedrige Verluste bei der Transmission eines optischen Signals charakteri­ siert. Ein erstes Paar von Eingangs/Ausgangs-Linsen ist auf einer Oberfläche des optischen Bauglieds positioniert. Die Eingangs/Ausgangs-Linsen sind vorzugsweise hyperbolisch, um eine Strahlkollimation zu liefern. Es ist dieses erste Paar von Eingangs/Ausgangs-Linsen, das mit der optischen Sende­ faser und der optischen Empfangsfaser ausgerichtet ist. Die Linsen weisen Achsen auf, die mit einem ersten Paar von Spiegeln ausgerichtet sind. Die Spiegel sind total reflek­ tierende Oberflächen bzw. Totalreflexions-(TIR-; TIR = To­ tal Internal Reflection)Oberflächen zum Reflektieren von optischen Signalen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegen die TIR-Oberflächen in 45°-Winkeln zu den Achsen der zugeordneten Linsen, so daß ein rechtwinkliges Biegen auf­ tritt. Jeder der Spiegel ist mit einem zweiten Spiegel aus­ gerichtet, der ein rechtwinkeliges Biegen zu einem zweiten Paar von Eingangs/Ausgangs-Linsen auf einer Oberfläche senkrecht zu der Oberfläche, die das erste Paar von Ein­ gangs/Ausgangs-Linsen aufweist, liefert. Die Eingangs/Aus­ gangs-Linsen sind wiederum vorzugsweise hyperbolisch.

Auf der ersten Oberfläche umfaßt das optische Bauglied Aus­ richtungsstifte oder eine äquivalente Struktur zum Sicher­ stellen einer genauen Registrierung zwischen eng beabstan­ deten Duplexfasern und dem ersten Paar von Fasern. An den entgegengesetzten Enden der Ausbreitungswege ist das zweite Paar von Linsen mit einem Photodetektor und einer Licht­ quelle ausgerichtet. Der Photodetektor kann beispielsweise eine Photodiode sein, und die Lichtquelle kann eine LED oder eine Laserdiode sein. Der Photodetektor und die Licht­ quelle sind auf einer PCB oberflächenbefestigt.

Für den Senderweg werden Signale durch die Lichtquelle er­ zeugt, die mit einer der Linsen ausgerichtet ist. Der Strahl von der Lichtquelle wird durch die Linse zur Aus­ breitung zu einer ersten TIR-Oberfläche kollimiert. Der Ab­ stand zwischen der ersten Linse und der ersten TIR- Oberfläche definiert ein substratgerichtetes Segment des Sendeausbreitungswegs. Die erste TIR-Oberfläche richtet den Strahl zu einer zweiten TIR-Oberfläche um. Das Zwischenweg­ segment zwischen den zwei TIR-Oberflächen ist senkrecht zu dem substratgerichteten Segment und parallel zu der PCB, auf der die Lichtquelle befestigt ist. Die zweite TIR- Oberfläche reflektiert den Strahl entlang eines faserausge­ richteten Segments zu der hyperbolischen Linse, die den Strahl auf die Sendefaser fokussiert.

Für den Empfängerkanal richtet die Empfangsfaser die opti­ schen Signale zu der hyperbolischen Linse, die eine Achse aufweist, die ein faserausgerichtetes Segment eines Empfän­ gerausbreitungswegs definiert. Der Strahl wird durch die Linse kollimiert und wird durch eine TIR-Oberfläche zu ei­ nem Zwischensegment des Wegs reflektiert. Der Strahl wird wiederum zu einem substratgerichteten Segment reflektiert, das mit der hyperbolischen Linse ausgerichtet ist, die den Strahl auf den Photodetektor fokussiert.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Photode­ tektor und die Lichtquelle direkt an der PCB befestigt sind. Die zwei Vorrichtungen können mechanisch und elek­ trisch unter Verwendung eines Silber- oder Gold- Epoxidharzes an einer goldplattierten PCB befestigt sein, die die Verarbeitungselektronik für den Photodetektor und die Treibelektronik für die Lichtquelle umfaßt. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Befestigen des Photo­ detektors und der Lichtquelle weniger aufwendig ist als das Häusen, das herkömmlichen TO-Behältern zugeordnet ist. Au­ ßerdem kann das Oberflächenbefestigen ermöglichen, daß die Bauelemente enger beabstandet sind, als wenn die Bauelemen­ te innerhalb getrennter TO-Behälter befestigt sind. Für das optische Bauglied, das gemäß der Erfindung gebildet ist, ist die Beabstandung zwischen den substratgerichteten hy­ perbolischen Linsen durch die Zwischensegmente der Ausbrei­ tungswege durch das optische Bauglied bestimmt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines bekannten Lö­ sungsansatzes zum Koppeln von optischen Fasern mit Licht-erzeugenden und Licht-erfassenden Bau­ elementen;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines oberflächenbefestigten optischen Bauglieds und von oberflächenbefestig­ ten elektronischen Bauelementen zum Vorsehen ei­ nes optischen Koppelns mit Fasern gemäß der Er­ findung;

Fig. 3 eine Vorderansicht des optischen Bauglieds von Fig. 2;

Fig. 4 eine Draufsicht des optischen Bauglieds von Fig. 3;

Fig. 5 eine Draufschnittansicht des optischen Bauglieds von Fig. 3 entlang der Linie 5-5 von Fig. 3;

Fig. 6 eine Draufsicht des optischen Bauglieds von Fig. 5, das mit einer fasertragenden Hülse verbunden ist;

Fig. 7 eine untere Ansicht des optischen Bauglieds von Fig. 2;

Fig. 8 eine Hinteransicht des optischen Bauglieds von Fig. 7; und

Fig. 9 eine Hinteransicht des optischen Bauglieds ent­ lang der Linie 9-9 in Fig. 7.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist ein optisches Bauglied 48 als an einer Oberfläche einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB) 50 befestigt gezeigt. Die PCB umfaßt ferner eine oberflächenbefestigte Lichtquelle und einen oberflächenbe­ festigten Photodetektor. Lediglich eine Oberfläche der oberflächenbefestigten elektronischen Bauelemente 52 ist in der Seitenansicht von Fig. 2 gezeigt. Chips von integrier­ ten Schaltungen 54 und 56 stellen die Treibschaltungsanord­ nung für die Lichtquelle und die Verarbeitungsschaltungsan­ ordnung für den Photodetektor dar. Eine solche Schaltungs­ anordnung ist in der Technik gut bekannt.

Das optische Bauglied 48 ist ein faseroptisches optisches Modulsystem, in dem Sende- und Empfangs-Ausbreitungswege drei Segmente aufweisen, wobei jedes Segment senkrecht zu den anderen zwei Segmenten ist. Für den Sendeausbreitungs­ weg ist der Strahl von einer Lichtquelle (z. B. dem Bauele­ ment 52) nach oben entlang der Y-Achse, nach innen entlang der Z-Achse und dann nach vorne entlang der X-Achse gerich­ tet. Auf der anderen Seite ist der Empfangsausbreitungsweg nach hinten entlang der X-Achse, nach außen entlang der Z- Achse und dann nach unten entlang der Y-Achse zu dem Photo­ detektor (z. B. dem Bauelement 52) gerichtet.

Jeder der Ausbreitungswege umfaßt hyperbolische kollimle­ rende und fokussierende Eintritts- und Austritts-Linsen. Jeder Weg umfaßt ferner ein Paar von TIR-Oberflächen, die 45°-Spiegel und ein rechtwinkliges Biegen vorsehen. Die Länge der Zwischenwegsegmente zwischen den zwei Spiegeln bestimmt die Mitte-zu-Mitte-Beabstandung zwischen der Lichtquelle und dem Photodetektor. Das heißt, die Längen der Zwischenwegsegmente bestimmten die Beabstandung zwi­ schen den substratausgerichteten Wegsegmenten der Ausbrei­ tungswege. Die faserausgerichteten Wegsegmente sind entlang der X-Achse ausgerichtet. Der Abstand zwischen den faser­ ausgerichteten Wegsegmenten ist durch den Faser-zu-Faser- Abstand des passenden faseroptischen Verbinders bestimmt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das optische Bauglied 48 zum Anpassen an ein standardisiertes MT-RJ- Faserpaar entworfen. Gemäß dem MT-RJ-Standard ist die Beab­ standung 0,75 mm. Auf der anderen Seite kann die Trennung der Lichtquelle und des Photodetektors 6,2 mm sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Zwischenwegsegmente da­ her jeweils 2,725 mm lang (d. h. (6,2 mm-0,75 mm)/2).

Die Lichtquelle ist ein optischer Sender, der eine LED, ei­ ne Laserdiode oder ähnlich sein kann. Die Lichtquelle ist gepulst, um Datensignale zur Kommunikation zu erzeugen. Der Photodetektor kann eine Photodiode oder jedes andere Bau­ element sein, das optische Signale in entsprechende elek­ trische Signale umwandelt.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das optische Bauglied 48 ein einstückig geformtes Bauglied, das konfigu­ riert ist, um vier Oberflächenlinsen und vier TIR- Oberflächen zu umfassen. Obwohl die Spiegel als "Totalre­ flexions"-Oberflächen beschrieben sind, kann ein uner­ wünschter Streuverlust an jeder Oberfläche auftreten.

Fig. 3 ist eine Vorderansicht des optischen Bauglieds 48. Das geformte Kunststoffbauglied umfaßt zwei Ausrichtungs­ stifte 58 und 60, die gleich von der Mitte beabstandet sind. Die Ausrichtungsstifte können direkt eine fasertra­ gende Hülse berühren, um ein wiederholbares Bilden einer Schnittstelle mit der Hülse sicherzustellen, oder können verwendet werden, um eine Präzisionsmetallplatte (die Plat­ te 62 in Fig. 2) ordnungsgemäß zu positionieren, die ver­ wendet wird, um eine wiederholbare genaue Bildung einer Schnittstelle mit einer fasertragenden Hülse sicherzustel­ len. Eine Linse 64 ist ein Austrittstor für einen Senderka­ nal, während eine getrennte Linse 66 ein Eintrittstor für den Empfängerkanal ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbei­ spiel sind die Linsen hyperbolische Linsen. Für den Sender­ kanal fokussiert die hyperbolische Linse 64 einen Aus­ trittsstrahl auf die ausgerichtete optische Faser. Bei dem Empfängerkanal kollimiert die hyperbolische Linse 66 den Strahl, der in das optische Bauglied 48 von der ausgerich­ teten optischen Empfangsfaser eingeführt wird.

Fig. 4 ist eine Draufsicht des optischen Bauglieds 48, wäh­ rend Fig. 5 eine Draufsicht entlang der Schnittlinie 5-5 in Fig. 3 ist. Das optische Bauglied umfaßt eine planare obere Region 68 und geneigte Regionen 70, 72, die in 45°-Winkeln relativ zu der oberen Region liegen. Die Konfigurationen der geneigten Regionen sind klarer in den Hinteransichten von Fig. 8 und 9 zu sehen. Wie es im folgenden erklärt ist, funktionieren die geneigten Regionen als die TIR- Oberflächen, die den Sendestrahl und den Empfangsstrahl zwischen der X-Richtung und der Z-Richtung reflektieren.

Wie am besten in der oberen Schnittansicht von Fig. 5 zu sehen, umfaßt der feste Abschnitt des optischen Bauglieds 48 zwischen den zwei geneigten Regionen 70 und 72 einen V- förmigen Wegschnitt, der zwei TIR-Oberflächen 74 und 76 bildet. Diese Oberflächen reflektieren die Sende- und Emp­ fangs-Strahlen zwischen der Ausbreitung in der Z-Richtung und der Ausbreitung in der X-Richtung. In Fig. 5 sind fer­ ner eine Sendefaser 78 und eine Empfangsfaser 80 gezeigt. Die Achse der Sendefaser 78 ist mit einer hyperbolischen fokussierenden Linse 82 ausgerichtet. Die Empfangsfaser 80 weist eine optische Achse auf, die mit einer hyperbolischen kollimierenden Linse 84 ausgerichtet ist. Ein Lichtsignal, das von der Empfangsfaser 80 austritt, tritt in das opti­ sche Bauglied 48 bei der hyperbolischen fokussierenden Lin­ se 82 ein. Der Strahl wird von der Z-Richtung zu der X- Richtung durch die TIR-Oberfläche 76 reflektiert. Der Strahl wird dann von der X-Richtung zu der Y-Richtung durch die TIR-Oberfläche reflektiert, die durch die geneigte Re­ gion 72 gebildet ist.

Der Ausbreitungsweg eines optischen Signals zu der Sendefa­ ser 78 folgt einem entgegengesetzten Weg, der ansonsten das Spiegelbild des Empfangswegs ist. Das heißt, ein nach oben gerichtetes optisches Signal entlang der Y-Achse wird zu der X-Richtung durch die TIR-Oberfläche reflektiert, die durch die geneigte Region 70 gebildet ist. Der umgerichtete Strahl wird wiederum zu der Z-Richtung durch die TIR- Oberfläche 74 umgerichtet. Der Strahl tritt über die hyper­ bolische fokussierende Linse 82 aus, wodurch derselbe auf die Sendefaser 78 fokussiert wird.

Abschnitte des Sende- und des Empfangs-Ausbreitungswegs sind in Fig. 6 gezeigt. Wie kurz oben bemerkt, werden die Ausrichtungsstifte 58 und 60 des optischen Bauglieds 48 verwendet, um eine Präzisionsmetallplatte 62, die Stiftauf­ nahmebohrungen 85 und 87 aufweist, zu positionieren. Die Platte 62 umfaßt ein zweites Paar von Ausrichtungsstiften 89 und 91. Die Sende- und Empfangs-Fasern 78 und 80 sind in einer Hülse 86, die Bohrungen 88 und 90 mit einer Mitte-zu- Mitte-Beabstandung aufweist, die mit der Beabstandung zwi­ schen den zwei Ausrichtungsstiften 89 und 91 der Präzi­ sionsmetallplatte übereinstimmt, integriert. Wenn die Hülse an die Platte angepasst wird, nehmen die Bohrungen 88 und 90 die Ausrichtungsstifte 89 und 91 auf, was eine ordnungs­ gemäße Registrierung der Fasern 78 und 80 mit den Achsen der hyperbolischen Linsen 82 und 84 sicherstellt. Wie in Fig. 6 gezeigt, divergiert, wenn ein Strahl aus der Emp­ fangsfaser 80 austritt, der Strahl, sowie sich derselbe der kollimierenden Linse 84 nähert. Die Linse kollimiert die Lichtenergie, die von der TIR-Oberfläche 76 zu der TIR- Oberfläche der geneigten Region 72 reflektiert wird. Der Bogen 92 stellt keine strukturelle Eigenschaft dar. Statt dessen stellt der Bogen den Abschnitt der geneigten Region 72 dar, der das Auftreffen des Empfangsstrahls auf der TIR- Oberfläche zeigt, die den Strahl zu der Y-Richtung umrich­ tet. Ein ähnlicher Bogen 94 ist für den Sendestrahl ge­ zeigt. Der Sendestrahl wird durch die TIR-Oberfläche der geneigten Region 70 von einer Aufwärtsrichtung zu einer In­ nenrichtung reflektiert und wird durch die TIR-Oberfläche 74 von der Innenrichtung zu der Z-Richtung reflektiert. Der Strahl wird durch die hyperbolische Linse 82 auf die Sende­ faser 78 fokussiert.

In Fig. 6 wird auf die Segmente der Ausbreitungswege zwi­ schen den hyperbolischen Linsen 82 und 84 und den TIR- Oberflächen 74 und 76 hierin als "faserausgerichtete Seg­ mente" Bezug genommen. Diese Segmente erstrecken sich in der Z-Richtung. Auf die Segmente, die sich von den TIR- Oberflächen 74 und 76 zu den TIR-Oberflächen der geneigten Regionen 70 und 72 erstrecken, wird als die "Zwischenseg­ mente" Bezug genommen. Diese Segmente breiten sich in der X-Richtung aus und bestimmen den Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Photodetektor auf der PCB- Ebene. Auf das Segment von den geneigten Regionen 70 und 72 zu dem Photodetektor und dem Lichtgenerator wird als "sub­ stratgerichtete Segmente" Bezug genommen. Diese Segmente erstrecken sich in der Y-Richtung.

Bezugnehmend nun auf Fig. 7 zeigt die untere Ansicht des optischen Bauglieds 48 die hyperbolischen Linsen 96 und 98, die mit dem Lichtgenerator und dem Photodetektor ausgerich­ tet sind. Wie im vorhergehenden bemerkt, kann der Mitte-zu- Mitte-Abstand zwischen den Linsen 96 und 98 6,2 mm sein. Die Linse 96 ist die kollimierende Linse zum Einfügen von optischen Signalen von dem Lichtgenerator in das Innere des optischen Bauglieds. Die Linse 98 ist die fokussierende Linse für optische Signale, die aus dem optischen Bauglied austreten.

Das geformte Bauglied umfaßt eine Wand 100, die die Ab­ schnitte für die Lichtquelle und den Photodetektor trennt. Durch Vorsehen von getrennten Abschnitten 102 und 104 für die elektronischen Bauelemente, werden die optische und elektrische Trennung der Sender- und Empfänger-Operationen verbessert. Die zwei Abschnitte 102 und 104 sind in Fig. 9 deutlicher zu sehen. Fig. 9 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 9-9 von Fig. 7, wobei jedoch das optische Bauglied 48 in einem aufrechten Zustand gezeigt ist und an der PCB 50 befestigt ist. An der PCB sind ferner eine Lichtquelle 106 und ein Photodetektor 108 befestigt.

Die Schnittlinien durch das optische Bauglied 48 in Fig. 9 sehen eine deutlichere Darstellung des V-förmigen "Ein­ gangs" vor, der die 45°-TIR-Oberflächen 74 und 76 definiert (der gesamte "Eingang" ist in Fig. 8 gezeigt). Beim Betrieb werden die optischen Signale, die durch die Lichtquelle 106 erzeugt werden, einer Kollimation beim Erreichen der hyper­ bolischen kollimierenden Linse 96 ausgesetzt. Der kolli­ mierte Strahl wird sich in der Y-Richtung ausbreiten bis derselbe auf die TIR-Oberfläche der geneigten Region 70 trifft. Der Strahl wird dann in einem rechten Winkel zur Ausbreitung in der X-Richtung reflektiert. Die Reflexion von der TIR-Oberfläche 74 richtet die Strahlausbreitung mit der hyperbolischen fokussierenden Linse 82 von Fig. 6 aus. Die Linse 82 fokussiert den Strahl dann auf die Sendefaser 78.

Weiter bezugnehmend auf Fig. 6 und 9 richten die optischen Signale von der Empfangsfaser 80 einen Strahl hin zu der hyperbolischen kollimierenden Linse 84. Der kollimierte Strahl wird von der Z-Richtung zu der X-Richtung durch die TIR-Oberfläche 76 reflektiert. Der Strahl wird wiederum durch die TIR-Oberfläche der geneigten Region 72 umgerich­ tet. Diese zweite Reflexion positioniert den Strahl für ei­ ne Abwärtsausbreitung in der Y-Richtung zu der hyperboll­ schen fokussierenden Linse 98. Der Strahl wird dann durch die Linse 98 auf den Photodetektor 108 fokussiert.

Wie im vorhergehenden bemerkt, besteht ein Vorteil der Er­ findung darin, daß der Photodetektor 108 und die Lichtquel­ le 106 direkt an der PCB 50 befestigt sind. Diese Bauele­ mente können mechanisch und elektrisch unter Verwendung ei­ nes Silberepoxidharzes an der Goldplattierung auf der PCB oberflächenbefestigt sein. Das Resultat besteht darin, daß eine aufwandseffizientere Anordnung vorgesehen wird als dieselbe, die unter Verwendung der herkömmlichen TO- Behälter erreicht wird, um den Photodetektor und die Licht­ quelle zu häusen.

Claims (17)

1. Eine Anordnung zum Koppeln von optischen Fasern (78, 80) mit optischen Bauelementen (106, 108), mit folgen­ den Merkmalen:
einem durchsichtigen optischen Bauglied (48), das eine erste und eine zur ersten Oberfläche im wesentlichen senkrechte zweite Oberflächen aufweist, und das Sende- und Empfangs-Lichtausbreitungswege aufweist, die sich zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche erstre­ cken, wobei jeder der Lichtausbreitungswege mindestens drei Segmente aufweist, und wobei das optische Bau­ glied folgende Merkmale aufweist:

• a) ein erstes Paar von Eingangs/Ausgangs-(I/O-)To­ ren (82, 84) bei der ersten Oberfläche, wobei das erste Paar für ein optisches Koppeln mit den op­ tischen Fasern konfiguriert ist;
• b) ein erstes Paar von Spiegeln (74, 76), das bezüg­ lich des ersten Paars von I/O-Toren zum Austau­ schen von optischen Signalen entlang erster Seg­ mente der Lichtausbreitungswege positioniert ist;
• c) ein zweites Paar von Spiegeln (70, 72), das be­ züglich des ersten Paars von Spiegeln zum Austau­ schen der optischen Signale entlang zweiter Seg­ mente der Lichtausbreitungswege positioniert ist; und
• d) ein zweites Paar von I/O-Toren (96, 98), das be­ züglich des zweiten Paars von Spiegeln (70, 72) zum Austauschen der optischen Signale entlang dritter Segmente der Lichtausbreitungswege posi­ tioniert ist, wobei das zweite Paar von I/O-Toren (96, 98) auf der zweiten Oberfläche positioniert ist und eine Tor-zu-Tor-Beabstandung aufweist, die größer als eine Tor-zu-Tor-Beabstandung des ersten Paars von I/O-Toren (82, 84) ist.

2. Anordnung gemäß Anspruch 1, die ferner ein Substrat (50) aufweist, das benachbart zu dem zweiten Paar von I/O-Toren (96, 98) positioniert ist, wobei das Sub­ strat (50) eine Lichtquelle (106) aufweist, die eine optische Achse aufweist, die mit einem Sendetor (96) des zweiten Paars von I/O-Toren (96, 98) ausgerichtet ist, und wobei das Substrat (50) ferner einen Detektor (108) aufweist, der eine optische Achse aufweist, die mit einem Empfangstor (98) des zweiten Paars von I/O- Toren (96, 98) ausgerichtet ist.

3. Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der jedes I/O- Tor (82, 84, 96, 98) des ersten und des zweiten Paars eine hyperbolische Linse ist.

4. Anordnung, gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei der das op­ tische Bauglied (48) eine Einrichtung (58, 60) zum An­ ordnen des optischen Bauglieds auf dem Substrat (50) aufweist, derart, daß die I/O-Tore (96, 98) des zwei­ ten Paars in einer beabstandeten Beziehung zu dem De­ tektor (108) und der Lichtquelle (106) sind.

5. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das erste und das zweite Paar von I/O-Toren (82, 84, 96, 98) und Spiegeln (70, 72, 74, 76) zusammenwirken, um

• a) die ersten Segmente der Lichtausbreitungswege als zueinander parallel, senkrecht zu der ersten Oberfläche und parallel zu der zweiten Oberfläche einzurichten;
• b) die zweiten Segmente als miteinander axial ausge­ richtet und parallel zu sowohl der ersten als auch der zweiten Oberfläche einzurichten; und
• c) die dritten Segmente als parallel zueinander, pa­ rallel zu der ersten Oberfläche und senkrecht zu der zweiten Oberfläche einzurichten.

6. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das optische Bauglied (48) ein einstückig geformtes Kunststoffbauelement ist.

7. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, die fer­ ner eine Hülse (86) aufweist, in der die optischen Fa­ sern (78, 80) integriert sind, wobei das optische Bau­ glied (48) eine Einrichtung (58, 60, 62) zum genauen Ausrichten der Hülse relativ zu. dem optischen Bauglied derart aufweist, daß die optischen Fasern mit dem ers­ ten Paar von I/O-Toren (82, 84) ausgerichtet sind.

8. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das optische Bauglied (48) ein im wesentlichen trans­ parenter Block ist, und jeder Spiegel (70, 72, 74, 76) eine Totalinnenreflexions-(TIR-)Oberfläche des Blocks ist.

9. Optisches System mit folgenden Merkmalen:
einem Substrat (50), das einen Lichtdetektor (108) und eine Lichtquelle (106) aufweist, die optische Achsen aufweisen, die senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Substrats (50) sind;
einer Sendefaser (78) und einer Empfangsfaser (80), die optische Achsen aufweisen, die senkrecht zu den optischen Achsen des Lichtdetektors (108) und der Lichtquelle (106) sind, wobei die Sendefaser (78) und die Empfangs-Faser (80) voneinander durch einen Ab­ stand beabstandet sind, der kleiner als ein Abstand zwischen dem Lichtdetektor (108) und der Lichtquelle (106) ist; und
einem durchsichtigen einstückigen optischen Block (48), der vier Linsen (82, 84, 96, 98) und vier Tota­ linnenreflexions-(TIR-)Oberflächen (70, 72, 74, 76) aufweist, die in demselben integriert sind, um entge­ gengesetzt gerichtete Spiegelbild-Sende- und Empfangs- Ausbreitungswege zwischen einer ersten (96) und einer zweiten (82) Linse, die jeweils mit der Lichtquelle (106) und der Sendefaser (78) ausgerichtet sind, und zwischen einer dritten (98) und einer vierten (84) Linse, die jeweils mit dem Lichtdetektor (108) und der Empfangsfaser (80) ausgerichtet sind, zu bilden.

10. Optisches System gemäß Anspruch 9, bei dem der Licht­ detektor (108) und die Lichtquelle (106) direkt auf einer Oberfläche des Substrats (50) befestigt sind.

11. Optisches System gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem die Achsen der ersten (96) und der dritten (98) Linse durch einen größeren Abstand beabstandet sind als die Achsen der zweiten (82) und der vierten (84) Linse.

12. Optisches System gemäß Anspruch 9, 10 oder 11, bei dem die entgegengesetzt gerichteten Spiegelbild-Sende- und Empfangs-Ausbreitungswege folgende Merkmale aufweisen:
faserausgerichtete Segmente, die allgemein parallel sind und die sich von der zweiten (82) und der vierten (84) Linse zu einer zweiten (74) bzw. einer vierten (76) TIR-Oberfläche erstrecken;
Zwischensegmente, die axial ausgerichtet sind, wobei sich das Zwischensegment des Sendeausbreitungswegs von der zweiten TIR-Oberfläche (74) zu einer ersten TIR- Oberfläche (70) erstreckt, und wobei sich das Zwi­ schensegment des Empfangsausbreitungswegs von der vierten (76) TIR-Oberfläche zu einer dritten TIR- Oberfläche (72) erstreckt; und
substratgerichtete Segmente, die parallel sind und die sich von der ersten (70) und der dritten (72) TIR- Oberfläche zu der ersten (96) bzw. der dritten (98) Linse erstrecken.

13. Optisches System gemäß Anspruch 12, bei dem die paral­ lelen faserausgerichteten Segmente X-Richtungs-Achsen folgen, die Zwischensegmente entlang einer Y-Rich­ tungs-Achse entgegengesetzt gerichtet sind, und die parallelen substratgerichteten Segmente Z-Richtungs- Achsen folgen.

14. Optisches System gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem die Achsen der zweiten (82) und der vierten (84) Linse um 0,75 mm beabstandet sind, und die Achsen der ersten (96) und der dritten (98) Linse um mindes­ tens 6,2 mm beabstandet sind.

15. Optisches System gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem der optische Block (48) ein einstückig geform­ tes Kunststoffbauelement ist.

16. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 oder opti­ sches System gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die Lichtquelle (106) entweder eine Laserquelle oder eine lichtemittierende Diode ist.

17. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 oder opti­ sches System gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei der Lichtdetektor (108) eine oberflächenbefestigte Photodiode ist.