DE102005062735A1 - Elektrooptische Baugruppe zum Multiplexen bzw. Demultiplexen eines optischen Signals - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine oberflächenmontierbare, elektrooptische Baugruppe (11), die zum Multiplexen oder Demultiplexen eines Multiplex-Signals verwendet werden kann. Diese weist erfindungsgemäß einen Baustein (17) auf, in dem das Multiplexen bzw. Demultiplexen erfolgt, wobei eine Schnittstelle (15a) auf der Montageseite des Bausteins mit einem Wellenleiter (14) im Substrat (13) kommuniziert. Der Baustein kann vorteilhaft weiterhin zur Vormontage von elektrooptischen Wandlern (19a) und weiteren elektrischen Bauteilen (21) dienen, die eine Ausgabe eines elektrischen Signals an Kontakten (22) ermöglichen. Die für optische Bauelemente einzuhaltenden hohen Toleranzanforderungen können daher bereits im Rahmen der Vormontage berücksichtigt werden. Im Endmontageprozess auf der Leiterplatte (13) kann die Baugruppe (11) dann unter lediglicher Berücksichtigung der Toleranzanforderungen für die Schnittstelle (15a) montiert werden, was eine wirtschaftliche Fertigung erlaubt.
Description
- Die Erfindung betrifft eine oberflächenmontierbare, elektrooptische Baugruppe mit einer optischen Schnittstelle zum Einspeisen eines optischen Multiplex-Signals, einer Einrichtung zum Demultiplexen des Multiplex-Signals, elektrooptischen Wandlern zur Umwandlung der durch das Demultiplexen erhaltenen optischen Einzelsignale sowie elektrischen Kontakten zum Ausgeben der umgewandelten elektrischen Einzelsignale. Weiterhin betrifft die Erfindung eine oberflächenmontierbare, elektrooptische Baugruppe mit einer optischen Schnittstelle zum Ausgeben eines optischen Multiplexsignals, einer Einrichtung zum Erzeugen des Multiplex-Signals durch Multiplexen, elektrooptischen Wandlern zum Erzeugen der für das Multiplexen vorgesehenen optischen Einzelsignale sowie elektrischen Kontakten zum Einspeisen von elektrischen Einzelsignalen, die zur Umwandelung in die optischen Einzelsignale bestimmt sind.
- Derartige elektrooptische Baugruppen sind beispielsweise aus der
US 5,793,919 bekannt. Danach kann eine optische Backplane-Verbindung benutzt werden, um Daten zwischen unterschiedlichen Leiterplatten auszutauschen. Auf diesen Leiterplatten sind die eingangs erwähnten Baugruppen zum Multiplexen und Demultiplaexen vorgesehen, um einerseits eine Wandlung der elektrischen Signale in optische Signale und andererseits eine Rückwandlung der optischen Signale in elektrische Signale zu gewährleisten. Dies ist notwendig, da die Baugruppen auf den jeweiligen Leiterplatten auch mittels elektrischer Signale untereinander kommunizieren. - Bei der elektrooptischen Wandlung der Signale wird ein Wellenlängenmultiplexverfahren angewendet (englisch auch wavelength devision multiplexing im Folgenden kurz WDM genannt). Hierbei wird eine Wandlung der elektrischen Signale in optische Signale mehrerer diskreter Wellenlängen durchgeführt, was den Vorteil hat, dass diese gleichzeitig über eine einzige optische Signalleitung geführt werden können, ohne dass diese sich beeinflussen.
- Bei der Montage der Bauelemente der elektrooptischen Baugruppe zur Durchführung des WDM-Verfahrens müssen die im Vergleich zur elektronischen Leiterplattenbestückung engeren Toleranzanforderungen für die Optikmontage berücksichtigt werden. Dies hat zur Folge, dass ein Montageprozess für Leiterplatten, die gemäß der
US 5,793,919 verwendet werden, hinsichtlich der unterschiedlichen Toleranzanforderungen an die Elektronik- bzw. Optikmontage inhomogen ist, wobei die zu montierenden optischen Bauelemente den Fertigungsprozess überproportional stark verteuern. - Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine oberflächenmontierbare, elektrooptische Baugruppe zum Einspeisen bzw. Ausgeben eines optischen Multiplex-Signals anzugeben, welche sich wirtschaftlich in einen entsprechenden Montageprozess eingliedern lässt. Diese Aufgabe wird mit den eingangs erwähnten elektrooptischen Baugruppen erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Baugruppe auf einem optischen Baustein mit einer für die Oberflächenmontage vorgesehenen, die optische Schnittstelle aufweisenden Montageseite aufgebaut ist, wobei der Baustein die Einrichtung zum Demultiplexen bildet und wobei die elektrooptischen Wandler auf dem Baustein außerhalb der Montageseite befestigt sind. Durch Verwendung des Bausteins wird also ein leicht montierbarer Träger für weitere Bauelemente der Baugruppe wie z. B. die elektrooptischen Wandler geschaffen, auf dem diese unter Beachtung hoher Toleranzanforderungen an die optische Montage befestigt werden können. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Vormontage der elektrooptischen Baugruppe möglich, die beispielsweise in einer gesonderten Fertigungsanlage erfolgen kann. Durch eine Standardisierung der elektrooptischen Baugruppe kann diese gesonderte Fertigungsanlage mit einem hohen Mengendurchsatz wirtschaftlich betrieben werden.
- Die auf diese Weise fertig gestellte elektrooptische Baugruppe weist dann lediglich eine optische Schnittstelle pro Wellenleiter auf, über die die Baugruppe mit dem jeweiligen Wellenleiter in einem Substrat kommuniziert, welches zur Oberflächenmontage der elektrooptischen Baugruppe vorgesehen ist. Daher wird der Einfluss der an eine optische Montage gestellten, hohen Toleranzanforderungen bei der Endmontage vorteilhaft auf ein Mindestmaß reduziert. Hierdurch wird eine wirtschaftliche Montage der elektrooptischen Baugruppe, die ihrerseits bereits vormontiert wurde, möglich. Durch eine Kostenreduktion bei dem Einsatz von WDM-Technologien verbreitert sich weiterhin vorteilhaft der Anwendungsbereich für optische Verbindungen, die als technische Lösung dann interessant werden, wenn konventionelle elektrische Verbindungsleitungen hinsichtlich der Übertragungsraten an die physikalischen Grenzen stoßen.
- Gemäß einer Ausgestaltung der Baugruppe zum Demultiplexen kann vorgesehen werden, dass in dem Baustein parallel zur Montageseite ein optischer Wellenleiter ausgebildet ist, wobei dessen eines Ende mit einer Strahlumlenkung versehen ist, die die durchzuleitenden Strahlen von der optischen Schnittstelle aus in den Wellenleiter umlenkt, wobei sich der Wellenleiter zum anderen Ende hin in mehrere Zweige verzweigt, wobei die Wandler als optische Empfänger ausgeführt sind und jeder Zweig an einem Wandler endet und wobei zwischen jedem Zweig und dem zugehörigen Wandler ein wellenlängenselektiver Filter angeordnet ist oder die Wandler wellenlängenselektiv empfindlich sind, wobei die Durchlasswellenlängen der jeweils verwendeten Filter oder die Selektivität der Wandler unter Berücksichtigung der im Multiplex-Signal verwendeten Wellenlängen ausgewählt sind. Bei dieser Variante der Erfindung erfolgt das Demultiplexen also nicht durch eine Aufteilung des Multiplex-Signals in seine verschiedenen Wellenlängen, sondern das Multiplex-Signal wird durch eine Verzweigung des Wellenleiters geteilt und an den jeweiligen Zweigen des Wellenreiters wellenlängenselektiv ausgelesen. Diese wellenlängenselektive Auslesung kann einerseits dadurch erreicht werden, dass die optischen Wandler, beispielsweise Fotodioden, wellenlängenselektiv empfindlich sind, d. h. auf jeweils nur eine bestimmte Wellenlänge des Multiplex-Signals reagieren. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zwischen den Enden des jeweiligen Zweiges und dem optischen Wandler einen wellenlängenselektiven Filter anzuordnen, der jeweils nur eine der zu selektierenden Wellenlängen des Multiplex-Signals durchlässt. In beiden Fällen sind jeweils so viele Zweige bzw. optische Wandler notwendig, wie unterschiedliche Wellenlängen des Multiplex-Signals ausgewertet werden sollen. Dies gilt auch für alle weiteren erfinderischen Varianten, die im Folgenden beschrieben werden.
- Bei einer Baugruppe zum Ausgeben eines optischen Multiplex-Signals kann analog vorgesehen werden, dass in dem Baustein parallel zur Montageseite ein optischer Wellenleiter ausgebildet ist, wobei dessen eines Ende mit einer Strahlumlenkung versehen ist, die die durchzuleitenden Strahlen zur optischen Schnittstelle an der Montageseite hin umlenkt, wobei sich der Wellenleiter zum anderen Ende hin in mehrere Zweige verzweigt und wobei die Wandler als optische Sender ausgeführt sind und jeder Zweig von einem Wandler mit einem Signal einer anderen Wellenlänge gespeist wird. Mit dieser analogen Variante ist es möglich, das Aufbauprinzip, welches für die Baugruppe zum Demultiplexen beschrieben wurde, auch für die Baugruppe zum Multiplexen zu verwenden. Die Verwendung analoger Aufbauprinzipien hat dabei den Vorteil, dass durch Vereinheitlichung der Fertigungstechniken Kosten eingespart werden können. Die Verwendung des beschriebenen Aufbauprinzips einer Verzweigung des Wellenleiters hat den Vorteil, dass es sich hierbei um ein vergleichsweise robustes Konzept handelt. Auf Filter, die eine Richtungsumlenkung des Multiplex-Signals unter Abspaltung seiner einzelnen Wellenlängen gewährleisten, kann nämlich komplett verzichtet werden. Vielmehr wird der Strahl des Multiplex-Signals aufgeteilt, wobei an allen Enden des Zweiges dabei die gleiche Lichtintensität vorliegt. Diese ist schwächer als diejenige des Multiplex-Signals im unverzweigten Wellenleiter. Dafür werden Verluste an Filtern und Reflektionsflächen vermieden.
- Beide Varianten der Baugruppe mit verzweigtem Wellenleiter lassen sich dahingehend fortbilden, dass auch die Enden der Zweige mit Stahlumlenkungen versehen sind, die in einem Fall die durchzuleitenden Strahlen ausgehend von der der Montageseite abgekehrten Seite in den Wellenleiter hinein umlenken und in die im anderen Fall die durchzuleitenden Strahlen ausgehend vom Wellenleiter zu der der Montageseite abgekehrten Seite hin umgelenkt werden, wo die Wandler befestigt sind. Hierdurch wird es möglich, die elektrooptischen Wandler auf der Oberseite des Bausteins zu befestigen, wodurch eine besonders einfache Oberflächenmontage möglich wird. Die Strahlumlenkungen sorgen dabei für eine optische Verbindung der oberflächenmontierten Wandlerelemente in gleicher Weise, wie die Strahlumlenkung am anderen Ende des Wellenleiters dafür sorgt, dass eine Verbindung zu der an der Montageseite befindlichen Schnittstelle möglich ist.
- Im Gegensatz zu einer Ausbildung des Lichtleiters in dem Baustein mit Verzweigungen kann auch vorgesehen werden, dass der optische Baustein für die Wellenlängen des Multiplex-Signals transparent ist und eine Einkopplung bzw. eine Auskopplung der Strahlung an der Schnittstelle bzw. bei den Wandlern durch die Oberfläche des Bausteins gebildet ist. Der optische Baustein stellt mit anderen Worten ein optisches Medium dar, in dem das Multiplex-Signal bzw. die Einzelsignale, aus denen das Multiplex-Signal zusammengesetzt ist, frei geleitet werden können. An den Oberflächen des Bausteins können dann die optischen Elemente befestigt sein, die eine Beeinflussung des Multiplex-Signals zur Anwendung des WDM-Verfahrens möglich machen. Die optischen Elemente können dabei auch Teil eines Multilayer-Aufbaus bilden, der mit dem Baustein verbunden wird. So kann z. B. auf die optischen Elemente eine Glaslage aufgebracht werden, die als Schutz gegen Umwelteinflüsse dient.
- Insbesondere sind die optische Schnittstelle und die Wandler an der Oberfläche des Bausteins angebracht. Über die optische Schnittstelle wird das Multiplex-Signal in den Baustein eingeleitet oder aus dem Baustein ausgegeben. Die optischen Wandler weisen ebenfalls jeweils eine optische Schnittstelle auf, die im Falle von Detektoren wie Fotodioden aus einer optisch sensitiven Fläche und im Falle von Lichtemittern wie beispielsweise Laserdioden aus einer Abstrahlungsfläche für das emittierte Licht bestehen. Durch die Kopplung dieser Fläche mit der Oberfläche des Bausteins ist eine Übertragung der Signale zwischen dem Baustein und dem Wandler möglich.
- Die beschriebene Ausbildung des optischen Bauteils hat den Vorteil, dass dieses sich einfach und kostengünstig herstellen lässt. Außerdem kann der Baustein durch Variation der weiteren Elemente an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden (beispielsweise durch die Anzahl der verwendeten Wandler).
- Letztgenannte Variante kann vorteilhaft weitergebildet werden, indem die Schnittstelle ein als Transmissionsgitter ausgeführtes Beugungsgitter aufweist und die Wandler unter Berücksichtigung der von den im Multiplex-Signal verwendeten Wellenlängen abhängigen Beugung am Beugungsgitter auf dem Baustein angeordnet sind. Das Beugungsgitter bewirkt vorteilhaft eine vergleichsweise verlustarme Aufspaltung des Multiplex-Signals in die jeweiligen Wellenlängen gleich am Eingang des Bausteins, so dass die Einzelsignale an der jeweils nächsten Auftreffstelle auf die Oberfläche des Bausteins ausgewertet werden können. Im Falle der Verwendung des Bausteins als Multiplexer bewirkt das Beugungsgitter eine Zusammenführung der Einzelsignale zum Multiplex-Signal, wobei die Lichtemitter für die Einzelsignale auf das Beugungsgitter ausgerichtet sein müssen (die Ausrichtung kann auch durch eine geeignete Umlenkung der Einzelsignale erfolgen).
- Alternativ kann vorteilhaft auch vorgesehen werden, dass das Multiplex-Signal im Baustein über ein als Reflektionsgitter ausgeführtes Beugungsgitter geleitet wird, welches an der Oberfläche des Bausteins angebracht ist und die Wandler unter Berücksichtigung der von dem im Multiplex-Signal verwendeten Wellenlängen abhängigen Beugung am Beugungsgitter auf dem Baustein angeordnet sind. Bei dieser Variante befindet sich das Beugungsgitter im Strahlengang zwischen den Wandlern und der Schnittstelle, wobei das Beugungsgitter gleichzeitig die Funktion eine Spiegels übernimmt. In dem Fall, dass die Wand ler die Einzelsignale erzeugen, müssen die von den Wandlern ausgehenden Strahlen auf das Reflektionsgitter ausgerichtet sein, durch das eine Bündelung und Weitergabe an die Schnittstelle erfolgt. In dem Fall, dass die Wandler als Detektoren für die durch das Multiplexen gewonnenen Einzelsignale ausgeführt sind, müssen die Wandler an den jeweiligen Auftreffstellen der Einzelsignale auf die Oberfläche des Bausteins angeordnet sein.
- Die Hauptvorteile bei der Verwendung von Beugungsgittern zum Aufteilen bzw. Zusammenführen des Multiplex-Signals liegen darin, dass lediglich eine geringe Zahl von optischen Komponenten notwendig ist. Außerdem lassen sich mit diesem Verfahren bevorzugt große Zahlen von Einzelsignalen (Kanäle) Multiplexen und Demultiplexen, weil die Verluste pro Einzelkanal vergleichsweise gering gehalten werden können und so die erforderliche Lichtintensität des Multiplex-Signals gering gehalten werden kann. Dies ermöglicht den Einsatz verhältnismäßig kostengünstiger Wandler.
- Eine andere alternative Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Multiplex-Signal über eine Anzahl von wellenlängenselektiven Filtern geleitet wird, welche an der Oberfläche des Bausteins angebracht sind und auf denen die Wandler angebracht sind, wobei die Frequenzbänder der jeweils verwendeten Filter unter Berücksichtigung der im Multiplex-Signal verwendeten Wellenlängen ausgewählt sind. Damit ermöglichen die wellenlängenselektiven Filter eine Aufteilung des Multiplex-Signals jeweils an den Wandlern, die die Einzelsignale detektieren. Im Falle des Multiplexens bestehen die Wandler aus Sendern der jeweiligen Einzelsignale, wobei die Filter gewährleisten, dass die Einzelsignale zum Multiplex-Signal zusammengeführt werden.
- Die wellenlängenselektiven Filter können so in dem Baustein angeordnet werden, dass das Signal von Filter zu Filter geleitet wird. Hierdurch können die durch Reflektion auftretenden Verluste verhältnismäßig gering gehalten werden. Geometrisch einfacher im Aufbau ist eine Variante, bei der der Strahlengang zwischen den Filtern jeweils einmal über einen Spiegel geleitet wird. Hierdurch können die Wandler beispielsweise auf der Oberseite des Bausteins angeordnet werden, wobei der Strahlengang jeweils von der Montageseite des Bausteins reflektiert wird. In jedem Fall liegt der Vorteil bei der Verwendung von wellenlängenselektiven Filtern darin, dass die Toleranzanforderungen an die Montage der Baugruppe im Verhältnis geringer ausfallen und damit eine Montage erleichtert wird.
- Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass der Strahlengang des Multiplex-Signals und/oder der aufgeteilten Einzelsignale über Spiegel geleitet wird, die an der Oberfläche des Bausteins angebracht sind. Hierdurch wird vorteilhaft ein größerer Gestaltungsspielraum für den Baustein ermöglicht. Z. B. können die Wandler an bestimmten Stellen angebracht werden, die einer Montage leicht zugänglich sind. Eine Umlenkung über Spiegel kann auch dann vorteilhaft sein, wenn in dem Baustein bei begrenzten Abmaßen eine große Anzahl von Kanälen (d. h. Einzelsignalen) realisiert werden soll.
- Es ist auch vorteilhaft, wenn der Baustein eine Oberseite aufweist, die parallel zur Montageseite ausgerichtet ist und auf der die Wandler angebracht sind. Hierdurch lässt sich eine besonders einfache Montage der Wandler nach dem Verfahren der Oberflächenmontage realisieren. Außerdem sind aufgrund der einfachen Geometrie des Bausteins vorteilhaft die hohen Toleranzanforderungen leichter zu erfüllen. Zuletzt lässt sich der Baustein vorteilhaft einfach aus geeigneten plattenförmigen Halbzeugen herstellen.
- Es kann auch vorgesehen werden, dass bei dem Baustein elektrische Bauelemente angebracht sind, die mit den Wandlern elektrisch kontaktiert sind. Hierzu muss auf dem Baustein ein genügender Platz auf der Oberfläche, insbesondere der Oberseite vorgesehen werden. Unter diesen Bedingungen wird vorteilhaft ermöglicht, dass elektrische Bauelemente, die für eine weitere Signalverarbeitung notwendig sind, mit in die vormontierte Baugruppe integriert werden können. Dies erleichtert die Verwendung der auf dem Baustein vormontierten Baugruppe in der Endmontage auf Leiterplatten.
- Vorteilhaft kann die Schnittstelle auch mit einem Prisma und/oder einer Sammellinse versehen sein. Das Prisma ermöglicht die schräge Einleitung des Multiplex-Signals in den optischen Baustein, welches bevorzugt rechtwinklig auf die Montageseite des Bausteins auftrifft. Die Sammellinse ermöglicht eine Kolimation des eingespeisten Lichtes, welches beim Austritt aus einem das Multiplex-Signal transportierenden Wellenleiter prinzipbedingt eine gewisse Apertur aufweist. Jenseits der Sammellinse verlaufen die Lichtstrahlen dann im Wesentlichen parallel.
- Besonders vorteilhaft besteht der Baustein aus Glas. Insbesondere durch die Verwendung von optischen Gläsern können Verluste bei der Durchleitung der Signale vorteilhaft klein gehalten werden. Außerdem eignet sich eine Oberfläche aus Glas besonders gut für eine Oberflächenmontage der Wandler und eventuell weiterer elektrischer Komponenten. Auch lassen sich auf der Glasoberfläche auf einfache Weise Kontaktierungsbereiche für eine elektrische Kommunikation der Baugruppe mit der die Baugruppe tragenden Leiterplatte ausbilden.
- Zuletzt ist es besonders vorteilhaft, wenn die Funktion des Multiplexens und des Demultiplexens in einem einzigen Baustein zusammengefasst wird. Dieser Baustein kann für eine bidirektionale Kommunikation einer Leiterplatte, auf der dieser Baustein montiert wurde, mit einer anderen Leiterplatte verwendet werden. Dabei können die Multiplex-Signale beider Richtungen durch getrennte Wellenleiter und getrennte Schnittstellen oder auch durch einen Wellenleiter und getrennte Schnittstellen oder durch einen Wellenleiter und eine Schnittstelle geführt werden.
- Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den Figuren mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei diese Elemente nur insoweit mehrfach erläutert werden, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen
-
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Baugruppe, montiert auf einer Leiterplatte mit eingebettetem Wellenleiter als schematischen Schnitt, -
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Baugruppe im schematischen Schnitt, wobei ein Lichtleiter mit Verzweigungen verwendet wird, deren Verlauf in2 zusätzlich angedeutet ist und die -
3 bis8 weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Baugruppe mit MUX- bzw. DEMUX-Bausteinen, wobei die Bausteine aus einem optischen Glas gefertigt sind, an dem die optischen Elemente angebracht werden, als schematische Schnitte. - In
1 ist die erfindungsgemäße Baugruppe in der Ausgestaltung zum Multiplexen eines Multiplex-Signals dargestellt. Die Baugruppe stellt eine oberflächenmontierbare Einheit11 dar, die mittels Justagemarken12 auf einer Leiterplatte13 positioniert und fixiert werden kann. Die Leiterplatte13 weist einen eingebetteten Wellenleiter14 auf, in den das erzeugte Multiplex-Signal über eine Schnittstelle15a der Einheit11 und eine Strahlumlenkung16 in der Leiterplatte13 in den Wellenleiter14 eingespeist werden kann. - Basis der Einheit
11 gemäß1 bildet ein Baustein17 , der aus einem optischen Glas gefertigt ist und in den die Funktionalität des Multiplexens integriert ist. Derjenige Bereich, in dem das Multiplex-Signal durch den Baustein17 geleitet wird, ist eingerahmt dargestellt und mit MUX gekennzeichnet. Dieser Bereich wird im Folgenden anhand der4 ,6 und8 noch näher beschrieben werden. Ein Aufbau zum Demultiplexen (DEMUX) ist in1 nicht dargestellt. Der Aufbau ist jedoch analog zu1 realisierbar. Ein DEMUX-Bereich könnte beispielsweise auf der Einheit11 hinter der dargestellten Schnittebene liegen, so dass die Einheit11 sowohl zum Empfang als auch zum Aussenden von Multiplex-Signalen geeignet wäre, die durch zwei unterschiedliche Wellenleiter in der Leiterplatte13 transportiert werden (der Wellenleiter14 ist dargestellt). Mögliche Aufbauten für den DEMUX-Bereich sind in den3 ,5 und7 dargestellt und werden im Folgenden noch näher erläutert. - Wie bereits erläutert, wird das Multiplex-Signal in dem MUX-Bereich erzeugt. Zu diesem Zweck sind auf der Oberseite
18 des Bausteins17 als VCSEL19a ausgeführte elektrooptische Wandler angebracht, wobei für jede Wellenlänge des Multiplex-Signals ein VCSEL vorgesehen ist (diese sind auf einer Achse senkrecht zur Schnittebene gemäß1 angeordnet, so dass von diesen nur einer zu sehen ist). Die Einzelsignale der VCSEL werden im MUX-Bereich zu einem Multiplex-Signal zusammengeführt (im Folgenden noch näher erläutert) und über die Schnittstelle15a , welche in der der Leiterplatte13 zugewandten Seite des Bausteins17a vorgesehen ist, in den Wellenleiter14 übertragen. In dem nicht dargestellten DEMUX-Bereich breitet sich der Strahlengang des Multiplex-Signals in die entgegengesetzte Richtung aus. Statt der VCSEL19a werden Fotodioden19b verwendet (vgl. beispielsweise3 ). Der Baustein17a dient mit seiner Oberseite18 weiter als Substrat zur Oberflächenmontage von elektrischen Bauelementen21 und elektrischen Kontakten22 . Die elektrischen Bauelemente dienen beispielsweise der Verarbeitung der elektrischen Signale, die beispielsweise über ein Ball Grid Array23 und eine Flexfolie24 von der Leiterplatte13 abgenommen werden und zur Erzeugung des optischen Multiplex-Signals mittels der VCSEL19a verarbeitet werden müssen. Für den Sendeteil der Einheit (MUX) sind hierzu neben den VCSEL'n mit verschiedenen Wellenlängen ein Treiberchip für die VCSEL sowie ein Chip zum Serialisieren der elektrischen Signale von der Leiterplatte13 notwendig. Für den nicht dargestellten Empfängerteil der Einheit (DEMUX) sind neben den Fotodioden noch ein Chip zur Verstärkung der elektrischen Ausgangssignale der Fotodioden sowie ein Chip zum Deserialisieren der elektrischen Signale und Weitergabe an die Leiterplatte13 notwendig. Diese elektrischen Bauelemente21 können auf dem Baustein17 vormontiert sein, damit eine Endmontage des Bausteins auf der Leiterplatte13 mit möglichst geringem Aufwand verbunden ist. Auch die Flexfolie24 kann an den elektrischen Kontakten22 bereits vormontiert sein. Bei der Montage des Bausteins17 auf der Leiterplatte13 wird dieser zur Sicherstellung der optischen Übertragungsgüte (Koppeleffizienz) anhand der Justagemarken12 ausgerichtet und fixiert (beispielsweise mittels eines optischen Klebers). Anschließend wird die elektrische Kontak tierung mittels des Ball Grid Arrays23 vorgenommen, wobei Toleranzen zwischen der elektrischen Kontaktierung und der optischen Kontaktierung des Bausteins17 über die Flexfolie24 ausgeglichen werden können. - Die elektrische Kontaktierung der elektrischen Bauelemente
21 selbst ist zum Zeitpunkt der Endmontage des Bausteins17 mittels Bonddrähten25 auf der Oberseite18 des Bausteins17 bereits erfolgt. - Gemäß
2 ist der Baustein17b so ausgebildet, dass das Multiplex-Signal durch einen Wellenleiter26 geleitet wird. Dieser verläuft parallel zur Montageseite20 des Bausteins17b , wobei eine Strahlumlenkung27a für eine Verbindung des Wellenleiters26 mit der Schnittstelle15b sorgt. In2 ist die Variante des Bausteins17b als DEMUX-Einheit dargestellt, so dass über die Schnittstelle15b aus der nicht dargestellten Leiterplatte ein Multiplex-Signal in den Wellenleiter26 eingespeist wird und in Richtung der angedeuteten Pfeile28 verläuft. Der Wellenleiter26 verzweigt sich in so viele Zweige29 , wie Einzelsignale in dem Multiplex-Signal enthalten sind. Das Multiplex-Signal läuft daher in jeden der Zweige und wird an deren Ende mittels Strahlumlenkungen27b zur Oberseite18 des Bausteins17b hin umgeleitet. Dort trifft das Multiplex-Signal an jedem Ende des Zweiges auf einen anderen wellenlängenselektiven Filter30 (in2 ist nur derjenige in der Zeichenebene erkennbar), wobei jeweils eine der Wellenlängen aus dem Multiplex-Signal durchgelassen wird. Jenseits der wellenlängenselektiven Filter30 sind Fotodioden19b als elektrooptische Wandler vorgesehen, die das ausgefilterte Einzelsignal in ein elektrisches Signal umwandeln und über eine Bondverbindung25 an das elektrische Bauelement21 weitergeben. - Das elektrische Bauelement
21 sowie die Fotodioden19b und die zugehörigen Bonddrähte25 sind in einer Vergussmasse eingeschlossen, die eine Verkapselung31 bildet. Hierdurch werden die empfindlichen Bauteile sowie die optische Übertragung zwischen den Strahlumlenkungen27b und den Filtern18b vor Umwelteinflüssen geschützt. Die einzige verbleibende ungeschützte optische Verbindungsstelle der mittels des Bausteins17b gebildeten Einheit11 ist damit die Schnittstelle15b . Diese ist nach der Montage jedoch ebenfalls geschützt, da sie sich auf der Montageseite20 des Bausteins befindet, die dem Substrat, auf der die Montage erfolgen soll, zugewandt ist. - Eine Einheit zum Multiplexen ist nicht gesondert dargestellt, kann jedoch analog zur in
2 dargestellten Einheit11 aufgebaut sein. Die Ausbreitungsrichtung des Multiplex-Signals in dem Wellenleiter26 erfolgt dann in entgegengesetzter Richtung, wobei das Demultiplex-Signal automatisch gebildet wird, indem die Einzelsignale aus den Zweigen29 zusammen laufen. Anstelle der Fotodioden19b müssten dann entsprechend1 VCSEL19a an den Strahlumlenkungen27b vorgesehen werden, wobei keine wellenlängenselektiven Filter notwendig sind. Der Wellenleiter26 kann beispielsweise durch Gießen eines optisch leitfähigen Kunststoffs in ein durch Nuten vorbereitetes Substratbauteil hergestellt werden, wodurch der Baustein entsteht. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Baustein aus einem optischen Glas herzustellen, wobei der Wellenleiter durch eine gezielte Veränderung des Brechungsindex des optischen Glases erzeugt werden kann. Dies ist beispielsweise durch eine Laserbehandlung des Bausteins möglich. - Das Trägermaterial
17a ,17b gemäß den3 bis8 besteht ausnahmslos aus optischem Glas. Dieses wird verwendet, damit sich das Multiplex-Signal innerhalb des Bausteins frei ausbreiten kann. Die jeweiligen optischen Elemente können mit tels allgemein bekannter Verfahren wie Dünnfilmtechnik, Ätztechnik, Kleben usw. auf dem Baustein hergestellt oder angebracht werden. An der Schnittstelle15a ,15b wird eine Sammellinse32 vorgesehen, die die Lichtstrahlen, die aus dem Lichtwellenleiter eines nicht dargestellten Substratbauteils für den Baustein austreten, in der Ausbreitung zu parallelisieren. Weiterhin kann es nötig sein, dass der Lichtstrahl, der gewöhnlich aus dem Wellenleiter des Substratbauteils senkrecht auf die Montageseite20 des Bausteins17a ,17b trifft, soweit abgelenkt wird, dass nach dem Eintritt in den Baustein an der Oberfläche des Bausteins eine Reflektion des Multiplex-Signals erfolgen kann. Zu diesem Zweck kann die Schnittstelle15a ,15b weiterhin mit einem Prisma33 ausgestattet werden. - Bei dem Baustein
17b zum Demultiplexen gemäß3 wird das Multiplex-Signal aufgespalten. Diese wird mittels wellenlängenselektiver Filter30 bewerkstelligt, die in der zu2 angegebenen Weise jeweils eine Wellenlänge des Multiplex-Signals durchlassen, während die anderen Wellen des Multiplex-Signals reflektiert werden. Die durchgelassene Wellenlänge wird durch die jeweilige Fotodiode19b in ein elektrisches Signal gewandelt. Da sich die Fotodioden19b zwecks einer einfacheren Montage ausnahmslos auf der Oberseite18 des Bausteins17b befinden, muss der Strahl34 des Multiplex-Signals jeweils von der Montageseite20 des Bausteins reflektiert werden, um zum jeweils nächsten Filter30 zu gelangen. Zu diesem Zweck ist auf der Montageseite20 ein Spiegel35 angebracht, der beispielsweise durch eine geeignete Beschichtung der Montageseite20 erzeugt werden kann. Damit der Spiegel35 , das Prisma33 und die Sammellinse32 durch das Substrat, auf dem der Baustein17b befestigt sein soll, nicht beschädigt werden, sind weiterhin Abstandhalter36 vorgesehen, die eine Distanz der Montageseite20 von der Oberfläche des Sub strates gewährleisten. Der so entstehende Spalt kann zwecks einer besseren Übertragung des Multiplex-Signals über die Schnittstelle15b mit einem optischen Füllmaterial ausgefüllt werden. - Gemäß
4 ist ein Baustein17a dargestellt, der nach dem zu3 erläuterten Prinzip funktioniert, jedoch für das Multiplexen eines Multiplex-Signals Verwendung findet. Hierbei wird das Multiplex-Signal durch jeweiliges Hinzufügen einer zusätzlichen Wellenlänge ausgebildet. Zu diesem Zweck werden die VCSEL19a verwendet, die jeweils auf wellenlängenselektiven Filtern30 montiert sind, so dass der erzeugte Strahl des VCSELs in den Baustein17a eintreten kann, jedoch der Strahl des sich ausbildenden Multiplex-Signals jeweils an dem Filter reflektiert wird. Durch indexangepasste Adapterstücke37 können die VCSEL19a entsprechend des Reflektionswinkels des Strahls34 angeschrägt werden, so dass der Einfallswinkel des durch den jeweiligen VCSEL19a ausgestrahlten Lichtes dem Reflektionswinkel entspricht. - Bei dem Baustein
17b zum Demultiplexen gemäß5 wird ein Beugungsgitter verwendet, welches als Transmissionsgitter38 ausgeführt ist. Durch die Transmission des Strahls34 des Multiplex-Signals durch das Beugungsgitter wird dieser in die einzelnen Wellenlängen aufgeteilt und kann auf der Oberseite18 wellenlängenselektiv auf nebeneinander angeordnete Fotodioden19b treffen. Auf diese Weise lassen sich die Einzelsignale des Multiplex-Signals einzeln auswerten. - Die Funktionsvariante gemäß
5 kann ebenfalls zum Multiplexen eines Multiplex-Signals verwendet werden. Dabei werden die Fotodioden19b durch VCSEL19a ersetzt, die, wie bereits zu4 beschrieben, auf Adapterstücken37 angeordnet sind. Zusätzlich können die VCSEL an der Austrittsstelle des Strahls mit Sammellinsen39 versehen werden, die eine Strahlbündelung erzeugen. - Der optische Baustein
17b gemäß7 ist zum Demultiplexen des Multiplex-Signals mit einem als Reflektionsgitter40 ausgebildeten Beugungsgitter ausgestattet. Der Strahl34 des Multiplex-Signals wird zunächst durch einen Spiegel35 von der Oberseite des Bausteins17b reflektiert, um dann auf das an der Montageseite20 angebrachte Reflektionsgitter40 zu treffen, wo eine Aufspaltung des Strahls in der zu5 beschriebenen Weise erfolgt. Die wellenlängenselektiven Einzelsignale können dann in der bereits beschriebenen Weise durch die Fotodioden19b in elektrische Signale gewandelt werden. - Gemäß
8 ist das in7 beschriebenen Funktionsprinzip bei einem im Baustein17a zum Multiplexen eines Signals verwendet. Hierbei müssen die Fotodioden19b in der bereits beschriebenen Weise durch VCSEL19a ersetzt werden, die zur Optimierung des Wirkungsgrades beim Einspeisen mit Linsen39 und Adapterstücken37 ausgestattet sind.
Claims (16)
- Oberflächenmontierbare, elektrooptische Baugruppe mit einer optischen Schnittstelle (
15b ) zum Einspeisen eines optischen Multiplex-Signals, einer Einrichtung zum Demultiplexen des Multiplex-Signals, elektrooptischen Wandlern (19b ) zur Umwandlung der durch das Demultiplexen erhaltenen optischen Einzelsignale sowie elektrischen Kontakten (22 ) zum Ausgeben der umgewandelten elektrischen Einzelsignale, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe auf einem optischen Baustein (17b ) mit einer für die Oberflächenmontage vorgesehenen, die optische Schnittstelle (15b ) aufweisenden Montageseite (20 ) aufgebaut ist, – wobei der Baustein die Einrichtung zum Demultiplexen bildet und – wobei die elektrooptischen Wandler (19b ) auf dem Baustein17b ) außerhalb der Montageseite (20 ) befestigt sind. - Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Baustein (
17b ) parallel zur Montageseite20 ein optischer Wellenleiter (26 ) ausgebildet ist, – wobei dessen eines Ende mit einer Strahlumlenkung (27a ) versehen ist, die die durchzuleitenden Strahlen von der optischen Schnittstelle (15b ) aus in den Wellenleiter (26 ) umlenkt, – wobei sich der Wellenleiter (26 ) zum anderen Ende hin in mehrere Zweige (29 ) verzweigt, – wobei die Wandler (19b ) als optische Empfänger ausgeführt sind und jeder Zweig (29 ) an einem Wandler (19b ) endet und – wobei zwischen jedem Zweig (29 ) und dem zugehörigen Wandler (19b ) ein wellenlängenselektiver Filter (30 ) angeordnet ist oder die Wandler (19b ) wellenlängenselektiv emp findlich sind, wobei die Durchlasswellenlängen der jeweils verwendeten Filter (30 ) oder die Selektivität der Wandler (19b ) unter Berücksichtigung der im Multiplex-Signal verwendeten Wellenlängen ausgewählt sind. - Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Enden der Zweige (
29 ) mit Strahlumlenkungen (27b ) versehen sind, die die durchzuleitenden Strahlen ausgehend vom Wellenleiter (26 ) zur der Montageseite (20 ) abgekehrten Seite hin umlenkt, wo die Wandler (19b ) befestigt sind. - Oberflächenmontierbare, elektrooptische Baugruppe mit einer optischen Schnittstelle (
15a ) zum Ausgeben eines optischen Multiplex-Signals, einer Einrichtung zum Erzeugen des Multiplex-Signals durch Multiplexen, elektrooptischen Wandlern (19a ) zum Erzeugen der für das Multiplexen vorgesehenen optischen Einzelsignale sowie elektrischen Kontakten (22 ) zum Einspeisen von elektrischen Einzelsignalen, die zur Umwandlung in die optischen Einzelsignale bestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe auf einem optischen Baustein (17a ) mit einer für die Oberflächenmontage vorgesehenen, die optische Schnittstelle (15a ) aufweisenden Montageseite (20 ) aufgebaut ist, – wobei der Baustein die Einrichtung zum Multiplexen bildet und – wobei die elektrooptischen Wandler (19a ) auf dem Baustein (17a ) außerhalb der Montageseite (20 ) befestigt sind. - Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Baustein (
17a ) parallel zur Montageseite (20 ) ein optischer Wellenleiter (26 ) ausgebildet ist, – wobei dessen eines Ende mit einer Strahlumlenkung (27a ) versehen ist, die die durchzuleitenden Strahlen zur optischen Schnittstelle (15a ) an der Montageseite (20 ) hin umlenkt, – wobei sich der Wellenleiter (26 ) zum anderen Ende hin in mehrere Zweige (29 ) verzweigt und – wobei die Wandler (19a ) als optische Sender ausgeführt sind und jeder Zweig (29 ) von einem Wandler (19a ) gespeist wird. - Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Enden der Zweige (
29 ) mit Strahlumlenkungen (27b ) versehen sind, die die durchzuleitenden Strahlen ausgehend von der der Montageseite (20 ) abgekehrten Seite in den Wellenleiter (26 ) hinein umlenken. - Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Baustein (
17a ,17b ) für die Wellenlängen des Multiplex-Signals transparent ist und eine Einkopplung bzw. eine Auskopplung der Strahlung an der Schnittstelle (15a ,15b ) bzw. bei den Wandlern (19a ,19b ) durch die Oberfläche des Bausteins (17a ,17b ) gebildet ist. - Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (
15a ,15b ) ein als Transmissionsgitter (38 ) ausgeführtes Beugungsgitter aufweist und die Wandler (19a ,19b ) unter Berücksichtigung der von den im Multiplex-Signal verwendeten Wellenlängen abhängigen Beugung am Beugungsgitter auf dem Baustein (17a ,17b ) angeordnet sind. - Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Multiplex-Signal im Baustein (
17a ,17b ) über ein als Reflexionsgitter (40 ) ausgeführtes Beugungsgitter geleitet wird, welches an der Oberfläche des Bausteins (17a ,17b ) angebracht ist und die Wandler (19a ,19b ) unter Berücksichtigung der von den im Multiplex-Signal verwendeten Wellenlängen abhängigen Beugung am Beugungsgitter auf dem Baustein (17a ,17b ) angeordnet sind. - Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Multiplex-Signal über eine Anzahl von wellenlängenselektiven Filtern (
30 ) geleitet wird, welche an der Oberfläche des Bausteins (17a ,17b ) angebracht sind und auf denen die Wandler (19a ,19b ) angebracht sind, wobei die Frequenzbänder der jeweils verwendeten wellenlängenselektiven Filter (30 ) unter Berücksichtigung der im Multiplex-Signal verwendeten Wellenlängen ausgewählt sind. - Baugruppe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang des Multiplex-Signals und/oder der aufgeteilten Einzelsignale über Spiegel (
35 ) geleitet wird, die an der Oberfläche des Bausteins (17a ,17b ) angebracht sind. - Baugruppe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Baustein (
17a ,17b ) eine Oberseite (18 ) aufweist, die parallel zur Montageseite (20 ) ausgerichtet ist, und auf der die Wandler (19a ,19b ) angebracht sind. - Baugruppe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Baustein (
17a ,17b ) elektrische Bauelemente (21 ) angebracht sind, die mit den Wandlern elektrisch kontaktiert sind. - Baugruppe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (
15a ,15b ) mit einem Prisma (33 ) und/oder einer Sammellinse (32 ) versehen sind. - nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Baustein (
17a ,17b ) aus Glas besteht. - Oberflächenmontierbare, elektrooptische Baugruppe, wobei die Funktionen der Baugruppe gemäß Anspruch 1 und die Funktionen der Baugruppe gemäß Anspruch 4 auf einem einzigen optischen Baustein (
17 ) zusammengefasst sind.
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