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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung mit mindestens zwei unterschiedlichen
elektronischen Halbleiterschaltungen, bei welcher jede der Halbleiterschaltungen
ein Bauteil aus Halbleitermaterial ist, das eine elektrisch aktive
Fläche
und elektrische Kontakte aufweist, und bei welcher korrespondierende
Kontakte der Halbleitschaltungen elektrisch leitend miteinander
verbunden sind (
DE
34 09 146 A1 ). Die Erfindung bezieht sich ebenso auf eine
Verwendung einer solchen Anordnung.
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Eine
solche Anordnung wird beispielsweise bei der Datenübertragung über Glasfasern
bzw. Lichtwellenleiter benötigt.
Die Anordnung aus Halbleiterschaltungen kann dabei als Empfänger oder
als Sender ausgeführt
sein. Bei einem Empfänger
werden beispielsweise eine Fotodiode und ein als Vorverstärker wirkender
Transimpedanzverstärker
eingesetzt. Bei einem Sender können
als Halbleiterschaltungen eine Laserdiode und eine Treiberschaltung
verwendet werden. Da die Problematik beim Aufbau entsprechender
Anordnungen in allen Fällen etwa
die gleiche ist, wird im folgenden -stellvertretend für alle anderen
Anwendungsfälle-
ein aus Halbleiterschaltungen bestehender Empfänger für optische Signale berücksichtigt.
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In
heute üblicher
Technik werden elektronische Halbleiterschaltungen auf sogenannten
Wafern erzeugt. Das sind relativ dünne, von einem Block abgetrennte
Scheiben aus einem geeigneten Halbleitermaterial. Geeignete Halbleitermaterialien
sind beispielsweise Silizium, Gallium-Arsenid und Indium-Phosphid.
Auf solchen Wafern wird eine sehr große Anzahl von in der Regel
identischen Halbleiterschaltungen in speziellen Prozessen erzeugt.
Neben den dabei aufgebrachten aktiven Flächen (Halbleiterschaltungsflächen) werden
auch elektrische Kontakte erzeugt, die mit den aktiven Flächen verbunden sind
und beispielsweise zum elektrisch leitenden Verbinden zu korrespondierenden
Halbleiterschaltungen, zu einem Leadframe, zu einem Trägersubstrat oder
zu einer tragenden Leiterplatte dienen. Dazu werden in bekannter Technik
Drähte
aus elektrisch gut leitendem Material verwendet, beispielsweise aus
Gold oder Aluminium, die durch Bonden elektrisch leitend mit den
Kontakten von beispielsweise zwei Halbleiterschaltungen verbunden
werden (
DE 43 10 170
A1 ). Solche Drähte
können
sich bei einer schnellen Datenübertragung
mit im GHz-Bereich
liegenden Frequenzen störend
auswirken und dabei zu einer Signalverformung bis hin zu unbrauchbaren,
d. h. nicht auswertbaren Signalen führen.
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In
der
DE 38 33 311 A1 ist
eine optoelektronische Sende- und Empfangsvorrichtung beschrieben,
bei der neben anderen Bauteilen als Halbleiterschaltungen ein Laserchip
als Sender und ein Empfangsdiodenchip vorhanden sind. Der Laserchip
ist als gesondertes Bauteil in eine Siliziumscheibe eingesetzt.
Der Empfangsdiodenchip kann ebenfalls als gesondertes Bauteil in
die Siliziumscheibe eingesetzt oder als Metall-Halbleiter-Diode
in die Siliziumscheibe monolitisch integriert sein. Über die
Art und Weise, wie die beiden Halbleiterbauteile und andere Teile der
Vorrichtung kontaktiert werden, ist der Druckschrift nichts, zu
entnehmen.
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Das
Dokument
JP 2000-28858
A (Patent Abstracts of Japan) offenbart einen Halbleiterlaser
und eine Fotodiode, welche auf einem Substrat angeordnet sind.
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Aus
dem Dokument
JP 08-327859
A (Patent Abstracts of Japan) geht eine optische Halbleitervorrichtung
hervor.
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Das
Dokument
DE 39 00 562
A1 beschreibt eine monolitische Schaltungsanordnung zur
Verstärkung
und Auswertung von Wechsellichtsignalen mit integriertem Lichtsensor.
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Das
Dokument
DE 36 06 471
A1 offenbart eine monolitisch integriert aufgebaute Eingangsstufe eines
optischen Empfängers.
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Aus
dem Dokument
DE 36
44 410 A1 geht ein Fotoempfänger mit mindestens einer PIN-Fotodiode
mit angekoppeltem Wellenleiter hervor.
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Das
Dokument
US 4,904,036 beschreibt
integrierte optoelektronische Schaltungen und speziell Baugruppen
bzw. Unterbaugruppen für
hybride Versionen von OEICs (Optoelectronic integrated circrits, OEICs),
in welchen individuelle Chips auf einer Basis befestigt und optisch
und/oder elektronisch miteinander verbunden werden. Die Chips selbst
können
diskrete Einrichtungen sein, beispielsweise Laserdioden oder Fotodioden.
Die
1 in dem Dokument
US 4,904,036 zeigt
ein Einkristall-Halbleitersubstrat
aus Silizium, auf welchem verschiedene optoelektronische Chips angeordnet
sind, welche mittels Wellenleiter und optische Koppler verbunden
sind. Beispielsweise können
die optoelektronischen Chips eine Laserdiode, eine Fotodiode, eine
Monitorfotodiode oder eine Laserdiode sein. Weiterhin sind leitende
Kontakte zwischen den einzelnen optoelektronischen Chips ausgebildet.
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Das
Dokument
US 5,534,442 beschreibt
ein Verfahren zum Herstellen einer gleichförmigen fotoresistenten Schicht
auf einer optoelektronischen Vorrichtung.
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Aus
der eingangs erwähnten
DE 34 09 146 A1 geht
eine als optoelektronisches Modul bezeichnete Anordnung hervor,
bei der auf einem beispielsweise aus Silizium bestehenden Substrat
aus Halbleitermaterial mindestens ein Verstärkerelement in integrierter
Technik angebracht ist. Das Substrat weist eine Grube auf, in welche
ein Lichtmodulator, beispielsweise ein Festkörperlaser, eingesetzt ist.
Er ist in der Grube mit dem Substrat beispielsweise verklebt. Der
Lichtmodulator ist mit einem Verstärkerelement des Substrats durch
einen Bonddraht elektrisch leitend verbunden. Die Herstellung dieser
bekannten Anordnung ist aufwendig. Sie kann nur für vertikalen Lichteinfall
verwendet werden. Der Bonddraht kann sich, wie oben erwähnt, insbesondere
bei sehr hohen Datenraten störend
auswirken.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte
Anordnung so zu gestalten, daß sie
bei einfachem Aufbau auch bei höchsten Übertragungsgeschwindigkeiten
eine störungsfreie Datenübertragung
sicherstellt.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung entsprechend
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und den Merkmalen des Patentanspruchs
17 gelöst.
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In
dieser Anordnung können
bei maximaler Ausnutzung des aus einheitlichem Material bestehenden
Trägers
beispielsweise alle für
einen Sender und/oder Empfänger
optischer Signale zur Datenübertragung über Glasfasern
benötigten
Elemente als Halbleiterschaltungen in einer einteiligen Einheit
vorhanden und zusammengeschaltet sein. Neben Sende- und Empfangsdioden
sowie Verstärkern
können so
auch weitere Halbleiterschaltungen im gemeinsamen Träger erzeugt
werden, welche für
eine gute Qualität
der Datenübertragung
benötigt
werden bzw. sinnvoll sind. Solche weiteren Halbleiterschaltungen sind
beispielsweise R-C-Glieder und Monitordioden oder auch Mikrocontroller
zur Durchführung
und Kontrolle von Übertragungsabläufen. Die
Anordnung ist außerdem
von der Richtung des einfallenden Lichts weitgehend unabhängig, da
sowohl Fotodiode als auch Laserdiode unterschiedliche Positionen
einnehmen können.
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Die
aus dem gleichen Material wie der Träger bestehende und eine Einheit
mit demselben bildende Erweiterung desselben bietet die Möglichkeit,
auf einfache Weise durch mikromechanische Strukturierung beispielsweise
einen V-Graben zur Aufnahme eines Lichtwellenleiters in derselben
anzubringen. Ein Lichtwellenleiter kann dann auf sehr einfache Weise
positionsgenau zu einer Fotodiode oder einer Laserdiode auf bzw.
in der Erweiterung angeordnet werden. Durch mikromechanische Strukturierung
der Erweiterung können
auch mehr als ein V-Graben in derselben angebracht sowie eine Unterlage
zur Anbringung weiterer Schaltungselemente bzw. Komponenten geschaffen
werden, die dann auf sehr einfache Weise mit den Halbleiterschaltungen
des Trägers
verbunden werden können.
Solche Schaltungselemente bzw. Komponenten sind beispielsweise Relais,
Linsen, Spiegelelemente, optische Filter, optische Isolatoren, optische
Verstärker
und als Verbinder dienende Lichtleiter.
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Die
Anordnung umfaßt
auch die Möglichkeit, eine
oder auch mehr als eine Halbleiterschaltung nachträglich auf
dem Träger
bzw. dessen Erweiterung anzuordnen, um eine komplette Schaltung
zu erhalten. Das kann beispielsweise eine separat hergestellte Fotodiode
oder Laserdiode sein, die so auf dem Träger angebracht werden kann,
daß ihre
elektrischen Kontakte direkt auf korrespondierenden Kontakten an
der Oberfläche
desselben liegen. In allen Ausführungsformen
sind die Abstände
zwischen den korrespondierenden Kontakten der einzelnen Halbleiterschaltungen
sehr kurz. Diese elektrisch leitenden Verbindungen sind dementsprechend
ebenfalls sehr kurz. Sie können
dadurch keine wesentlichen parasitären Induktivitäten oder
Kapazitäten
erzeugen. Sie bewirken gegenüber
bekannten Anordnungen auch deutlich geringere elektromagnetische Verkopplungen.
Eine störende
Wirkung der elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Halbleiterschaltungen
auf die zu übertragenden
Daten ist somit auch bei sehr hohen Frequenzen weitestgehend vermieden,
insbesondere bei über
1 GHz liegenden Frequenzen.
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Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstands sind in den Zeichnungen dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
eine Schaltung zum Empfang optischer Signale.
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2 und 3 ebenfalls
schematisch zwei unterschiedliche Halbleiterschaltungen.
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4 eine
Draufsicht auf einen Wafer mit eine Vielzahl von Halbleiterschaltungen.
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5 eine
Anordnung nach der Erfindung in schematischer Darstellung.
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6 eine
Seitenansicht eines in der Anordnung verwendbaren Trägers.
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7 eine
Einzelheit der Anordnung in schematischer Darstellung.
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8 eine
Stirnansicht der Anordnung nach 7 im Ausschnitt
und in vergrößerter Darstellung.
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Zum
besseren Verständnis
der Anordnung nach der Erfindung werden anhand der 1 bis 4 zunächst grundlegende
Erläuterungen
für eine Empfangsschaltung
optischer Signale bei der Datenübertragung über Glasfasern
bzw. Lichtwellenleiter gegeben.
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Die
Empfangsschaltung nach 1 hat als eigentlichen Lichtempfänger eine
Fotodiode 1, beispielsweise eine PIN-Diode, auf welche
das Licht eines über
einen Lichtwellenleiter 2 übertragenen Datenstroms fällt. An
die als opto/elektrischer Wandler arbeitende Fotodiode 1 ist
ein Verstärker 3 für elektrische
Signale angeschlossen, durch welchen die von der Fotodiode 1 gelieferten
Signale in weiterverarbeitbare Signale verstärkt werden. Als Verstärker 3 ist
insbesondere ein Transimpedanzverstärker geeignet. Die für die Fotodiode 1 erforderliche
Vorspannung ist mit UB bezeichnet. Fotodiode 1 und
Verstärker 3 sind
Halbleiterschaltungen. Sie sind in diesem Sinne in 1 jeweils
durch eine strichpunktierte Linie umrahmt.
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Die
Fotodiode 1 besteht gemäß 2 in
herkömmlicher
Technik aus einem Träger 4 aus
Halbleitermaterial, beispielsweise aus Gallium-Arsenid oder Indium-Phosphid.
Auf dem Träger 4 ist
mit einem speziellen Prozess eine aktive Fläche 5 erzeugt worden.
Die Fotodiode 1 hat im dargestellten Ausführungsbeispiel
außerdem
zwei an der gleichen Fläche des
Trägers 4 liegende
elektrische Kontakte 6. Die Kontakte 6 könnten auch
an unterschiedlichen Flächen
des Trägers 4 angebracht
sein, beispielsweise an zwei einander gegenüberliegenden Flächen. Es können auch
mehr als zwei Kontakte 6 vorhanden sein.
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Ein
in 3 schematisch dargestellter Träger 7 für den Verstärker 3 besteht
beispielsweise aus dem gleichen Halbleitermaterial wie der Träger 4.
Er hat eine aktive Fläche 8,
die hier eine integrierte Schaltung beinhaltet. Auf dem Träger 7 ist
außerdem eine
größere Anzahl
von Kontakten 9 angebracht. Sie können ebenso wie die Kontakte 6 der
Fotodiode 1 beispielsweise aus Kupfer, Gold oder Aluminium bestehen.
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Die
Halbleiterschaltungen für
Fotodiode 1 und Verstärker 3 werden
in herkömmlicher
Technik auf Wofern 10 hergestellt. Das sind Scheiben mit
vorgegebener Dicke von beispielsweise 500 μm aus Halbleitermaterial, wie
beispielsweise Silizium, Gallium-Arsenid
und auch Indium-Phosphid. Auf einem Wafer 10 wird gleichzeitig
eine sehr große
Anzahl von Halbleiterschaltungen 11 hergestellt. Dabei
werden zweckmäßig auf
einem Wafer 10 identische Halbleiterschaltungen 11 erzeugt.
Sie werden abschließend
zur Weiterverarbeitung aus dem Wafer 10 vereinzelt. Die
für eine
komplette Schaltung erforderlichen Bauteile, hier beispielsweise
Fotodiode 1 und Verstärker 3,
werden dann durch elektrisch leitende Verbindung ihrer Kontakte
zusammengeschaltet.
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In
der Anordnung nach der Erfindung sind mindestens zwei unterschiedliche
Halbleiterschaltungen auf einem gemeinsamen Träger 12 aus Halbleitermaterial
erzeugt, der eine durch eine strichpunktierte Linie abgegrenzte
Erweiterung 13 aus dem gleichen Material hat. Bei der in 5 dargestellten
Ausführungsform
der Anordnung weist der Träger 12 aus Halbleitermaterial,
wie Silizium, Gallium-Arsenid oder auch Indium- Phosphid, vier unterschiedliche Halbleiterschaltungen
HS auf. Diese sind gemeinsam mit identisch aufgebauten oder auch
anderen Anordnungen auf einem Wafer 10 erzeugt worden,
so wie es für 4 erläutert ist.
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Die
Erfindung wird mit der Anordnung nach 5 zunächst nur
in Teilen beschrieben, wenn deren Halbleiterschaltungen HS beispielsweise
zu einer Empfangsschaltung für
optische Signale gehören.
Es sind beispielsweise eine Fotodiode 14, ein Verstärker 15,
ein R-C-Glied 16 und ein Mikrocontroller 17. Auf der
Oberfläche
des Trägers 12 befinden
sich außerdem
mehrere elektrisch leitende Kontakte 18, die mit den Halbleiterschaltungen
HS verbunden sind. Sie dienen gegebenenfalls zum elektrisch leitenden
Anschluß weiterer,
für eine
optimale Datenübertragung benötigter oder
sinnvoller Bauteile, die nicht im Träger 12 integriert
sind.
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Der
Träger 12 wird
in an sich üblicher
Technik mit den Halbleiterschaltungen HS versehen. Beim Aufbau der
unterschiedlichen Halbleiterschaltungen 14 bis 17 mit
individuellen aktiven Flächen
und Kontakten, können
die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen denselben gleichzeitig
mit hergestellt werden. Abschließend wird der Träger 12 metallisiert, wodurch
die mit den zugehörigen
Halbleiterschaltungen HS verbundenen Kontakte 18 und gegebenenfalls
auch die Verbindungen zwischen den Halbleiterschaltungen 14 bis 17 erzeugt
werden. An die komplette Empfangsschaltung des Trägers 12 braucht nur
noch mindestens ein Lichtwellenleiter (Glasfaser) angeschlossen
zu werden, und zwar an die Fotodiode 14. Der Träger 12 kann
dann zur Vervollständigung
eines Übertragungssystems
beispielsweise auf einem Verbindungsträger, beispielsweise einer Leiterplatte,
angebracht werden. Die erforderlichen elektrisch leitenden Verbindungen
werden über
seine Kontakte 18 hergestellt.
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Falls
beispielsweise die Fotodiode 14 nicht gleichzeitig mit
den anderen Halbleiterschaltungen HS im gemeinsamen Träger 12 erzeugt
werden soll, kann sie vorteilhafterweise als separat hergestelltes Bauteil
mit einer Dicke von beispielsweise 100 μm bis 200 μm sehr einfach auf dem Träger 12 angebracht werden.
Dazu braucht sie beispielsweise mit ihren Kontakten nur direkt auf
die entsprechenden Kontakte 18 des Trägers 12 aufgelegt
zu werden. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Kontakten von
Fotodiode 14 und Träger 12 ist
dabei extrem kurz. Für
die Fotodiode 14 kann als separates Bauteil beispielsweise
Indium-Phosphid verwendet werden, während für die anderen Halbleiterschaltungen
HS im gemeinsamen Träger 12 beispielsweise
Gallium-Arsenid eingesetzt wird.
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Die 5,
die schematisch die Erfindung wiedergibt, zeigt weiterhin den Aufbau
einer einteiligen, aus Träger 12 und
Erweiterung 13 bestehenden Halbleiter-Anordnung, in der
möglichst
viele – günstigsten
Falls alle – für eine komplette
Schaltung benötigten
bzw. zu verwendenden Halbleiterschaltungen HS und Schaltelemente
bzw. Komponenten vorhanden und elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Für die
schnelle Datenübertragung über Glasfasern
verwendbare Halbleiterschaltungen HS sind einschließlich der
für 5 bereits
erwähnten
Halbleiterschaltungen auch Laserdioden und Monitordioden. Als Halbleiterschaltung
HS kann mit Vorteil auch ein intelligentes elektronisches Bauteil
mit Speicherfunktion auf dem Träger 12 vorhanden
sein, beispielsweise der oben bereits erwähnte Mikrocontroller 17.
Ein solcher Mikrokontroller 17 kann beispielsweise Verfahrensabläufe bei
der Datenübertragung kontrollieren,
einschalten, beenden und verändern. Er
kann dabei insbesondere auf einzelne Halbleiterschaltungen HS oder
auch weitere Schaltelemente und elektrische Komponenten zugreifen.
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Die
Erweiterung 13 des Trägers 12 ist
eine zusätzliche
Freifläche,
die bereits auf dem Wafer 10 als solche besteht. Die Oberfläche der
Erweiterung 13 kann durch mikromechanische Bearbeitung
bzw. Strukturierung, wie beispielsweise Ätzen, so behandelt und verändert werden,
daß sie
zur Aufnahme der weiteren Schaltelemente und Komponenten geeignet ist,
die für
die Datenübertragung
eingesetzt werden sollen. So kann in der Erweiterung 13 beispielsweise ein
in den 7 und 8 dargestellter V-Graben 19 zur
Aufnahme eines positionsgenau an die Fotodiode 14 angekoppelten
Lichtwellenleiters 20 angebracht sein. Der V-Graben 19 ist
beispielsweise 150 μm
tief. Es kann selbstverständlich
auch mehr als ein V-Graben 19 auf der Erweiterung 13 erzeugt
werden. Durch geeignete Strukturierung kann auch eine Unterlage
für weitere
Schaltelemente und Komponenten auf der Erweiterung 13 geschaffen
werden. „Strukturierung" kann dabei Entfernung
von Material bedeuten, beispielsweise beim V-Graben 19, aber auch Aufbau
von Materialien. Schaltelemente und Komponenten sind beispielsweise
Temperatursensoren, Kühlelemente,
Gitter, Dämpfungselemente
und Justierelemente sowie Relais, Linsen, Spiegelelemente, optische
Filter, optische Isolatoren und optische Verstärker.
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Auf
der Erweiterung 13 des Trägers 12 kann gemäß 6 auch
ein Lichtleiter 21 angebracht sein, der aus Glas oder aus
einem Polymer oder aus dem Halbleitermaterial der Erweiterung 13 selbst
bestehen kann. Er kann zur optischen Verbindung von auf dem Träger 12 befindlichen
Komponenten dienen, beispielsweise einer Laserdiode 22 mit
einem Modulator oder einem optischen Isolator 23. Der Lichtleiter 21 kann
beispielsweise aus Siliziumdioxid erzeugt werden, beispielsweise
in Form eines durch PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)
abgeschiedenen LTOs (Low Temperature Oxide).
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Der
Mikrocontroller 17 kann – wie bereits erwähnt – beispielsweise
zur Überwachung
der einwandfreien Arbeitsweise einer kompletten, auf einem Träger 12 mit
Erweiterung 13 angebrachten Schaltung und gegebenenfalls
zur Korrektur von Parametern dienen. Das gilt beispielsweise auch
für die
Temperaturstabilisierung der kompletten Schaltung über Temperatursensoren
und Kühlelemente.
Das gilt auch für
die Einhaltung oder Veränderung
der Wellenlänge
bei der Datenübertragung
durch Beeinflussung eines Gitters oder Spiegels. Ebenso können Relais
und Linsen sowie Dämpfungs-
und Justierelemente durch den Mikrocontroller 17 überwacht
und beeinflußt
werden. Der Mikrocontroller 17 kann auch zur Verstellung
von Spiegelelementen verwendet werden, die beispielsweise Schalterfunktion
haben oder mittels derer der Strahlengang von für die Datenübertragung verwendetem Licht
verändert
werden kann. Es ist dann beispielsweise möglich, an eine Fotodiode 14 oder
an eine Laserdiode unterschiedliche, auf der Erweiterung 13 vorhandene
Lichtwellenleiter 20 anzuschalten.
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Im
Vorangehenden ist eine der Erfindung ähnliche Anordnung anhand einer
Empfangsschaltung beschrieben. Die Erfindung im eigentlichen Sinne
liegt in der Anordnung gemäß der 5–8 dann
vor, wenn sie die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, beispielsweise
für eine
Sendeschaltung, bei welcher statt der Fotodiode 14 eine
Laserdiode mit einer Treiberschaltung und eventueller Monitordiode
eingesetzt wird.