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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.
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Derartige
elektrooptische Baugruppen sind beispielsweise aus der
US 5,793,919 A 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.
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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.
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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 A verwendet
werden, hinsichtlich der unterschiedlichen Toleranzanforderungen
an die Elektronik- bzw. Optikmontage inhomogen ist, wobei die zu
montierenden optischen Bauelemente den Fertigungsprozess überproportional
stark verteuern.
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Gemäß der
DE 103 12 500 A1 ,
der
US 6,870,976 B2 und
der
US 5,371,813 A sind
elektrooptische Baugruppen beschrieben, welche eine flache Unterseite
aufweisen und deswegen auf der Oberfläche eines Substrates montiert
werden können.
Diese elektrooptischen Bausteine weisen die Möglichkeit auf, optische Signale
zu multiplexen bzw. zu demultiplexen. Hierzu sind elektrooptische
Wandler angeordnet, die elektrische Ein- bzw. Ausgänge aufweisen.
Weiterhin stellen die elektrooptischen Baugruppen Aufnahmebohrungen
zur Verfügung,
die als optische Schnittstelle zum Einsatz kommen. In diese Bohrungen
können
optische Lichtleitfasern eingeschoben werden.
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Gemäß der
US 2005/0259910 A1 ist
eine Einrichtung zum Demultiplexen eines optischen Multiplexsignals
beschrieben, bei der das Multiplexsignal durch einen in ein Substrat
eingebetteten Lichtleiter geführt
wird. Die Einrichtung zum Demultiplexen ist in Gräben untergebracht,
die in das Substrat eingebracht werden und den eingebetteten optischen Lichtwellenleiter
schneiden.
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Weiterhin
ist es gemäß der
US 6,563,976 B1 bekannt,
eine optische Baugruppe zum Multiplexen und Demultiplexen modular
aus verschiedenen Einzelbausteinen zusammenzusetzen. Hierzu gehört auch
ein Einzelbaustein, der Rillen aufweist, in die optische Lichtleitfasern
derart aufgenommen werden können,
dass die Verbindung dieses Einzelbausteins mit den restlichen Einzelbausteinen
zu einer Justierung der Lichtleitfasern führt. In den optischen Bausteinen
können
auch gleichzeitig Einrichtungen zum Multiplexen und Demultiplexen
realisiert sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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1 ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Baugruppe,
montiert auf einer Leiterplatte mit eingebettetem Wellenleiter als
schematischen Schnitt,
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Baugruppe
im schematischen Schnitt, wobei ein Lichtleiter mit Verzweigungen
verwendet wird, deren Verlauf in 2 zusätzlich angedeutet
ist und die
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3 bis 8 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.
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In 1 ist
die erfindungsgemäße Baugruppe
in der Ausgestaltung zum Multiplexen eines Multiplex-Signals dargestellt.
Die Baugruppe stellt eine oberflächenmontierbare
Einheit 11 dar, die mittels Justagemarken 12 auf
einer Leiterplatte 13 positioniert und fixiert werden kann.
Die Leiterplatte 13 weist einen eingebetteten Wellenleiter 14 auf,
in den das erzeugte Multiplex-Signal über eine Schnittstelle 15a der
Einheit 11 und eine Strahlumlenkung 16 in der Leiterplatte 13 in
den Wellenleiter 14 eingespeist werden kann.
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Basis
der Einheit 11 gemäß 1 bildet
ein Baustein 17, 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 Baustein 17 geleitet wird, ist eingerahmt dargestellt
und mit MUX gekennzeichnet. Dieser Bereich wird im Folgenden anhand
der 4, 6 und 8 noch näher beschrieben
werden. Ein Aufbau zum Demultiplexen (DEMUX) ist in 1 nicht
dargestellt. Der Aufbau ist jedoch analog zu 1 realisierbar.
Ein DEMUX-Bereich
könnte
beispielsweise auf der Einheit 11 hinter der dargestellten Schnittebene
liegen, so dass die Einheit 11 sowohl zum Empfang als auch
zum Aussenden von Multiplex-Signalen
geeignet wäre,
die durch zwei unterschiedliche Wellenleiter in der Leiterplatte 13 transportiert
werden (der Wellenleiter 14 ist dargestellt). Mögliche Aufbauten
für den
DEMUX-Bereich sind in den 3, 5 und 7 dargestellt
und werden im Folgenden noch näher
erläutert.
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Wie
bereits erläutert,
wird das Multiplex-Signal in dem MUX-Bereich erzeugt. Zu diesem Zweck sind
auf der Oberseite 18 des Bausteins 17 als VCSEL 19a ausgeführte elektrooptische
Wandler angebracht, wobei für
jede Wellenlänge
des Multiplex-Signals
ein VCSEL vorgesehen ist (diese sind auf einer Achse senkrecht zur
Schnittebene gemäß 1 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 Schnittstelle 15a, welche in der der Leiterplatte 13 zugewandten
Seite des Bausteins 17a vorgesehen ist, in den Wellenleiter 14 übertragen.
In dem nicht dargestellten DEMUX-Bereich
breitet sich der Strahlengang des Multiplex-Signals in die entgegengesetzte Richtung
aus. Statt der VCSEL 19a werden Fotodioden 19b verwendet
(vgl. beispielsweise 3). Der Baustein 17a dient
mit seiner Oberseite 18 weiter als Substrat zur Oberflächenmontage
von elektrischen Bauelementen 21 und elektrischen Kontakten 22.
Die elektrischen Bauelemente dienen beispielsweise der Verarbeitung
der elektrischen Signale, die beispielsweise über ein Ball Grid Array 23 und
eine Flexfolie 24 von der Leiterplatte 13 abgenommen
werden und zur Erzeugung des optischen Multiplex-Signals mittels
der VCSEL 19a 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 Leiterplatte 13 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 Leiterplatte 13 notwendig.
Diese elektrischen Bauelemente 21 können auf dem Baustein 17 vormontiert
sein, damit eine Endmontage des Bausteins auf der Leiterplatte 13 mit
möglichst
geringem Aufwand verbunden ist. Auch die Flexfolie 24 kann an
den elektrischen Kontakten 22 bereits vormontiert sein.
Bei der Montage des Bausteins 17 auf der Leiterplatte 13 wird
dieser zur Sicherstellung der optischen Übertragungsgüte (Koppeleffizienz)
anhand der Justagemarken 12 ausgerichtet und fixiert (beispielsweise
mittels eines optischen Klebers). Anschließend wird die elektrische Kontak tierung
mittels des Ball Grid Arrays 23 vorgenommen, wobei Toleranzen
zwischen der elektrischen Kontaktierung und der optischen Kontaktierung
des Bausteins 17 über die
Flexfolie 24 ausgeglichen werden können.
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Die
elektrische Kontaktierung der elektrischen Bauelemente 21 selbst
ist zum Zeitpunkt der Endmontage des Bausteins 17 mittels
Bonddrähten 25 auf
der Oberseite 18 des Bausteins 17 bereits erfolgt.
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Gemäß 2 ist
der Baustein 17b so ausgebildet, dass das Multiplex-Signal
durch einen Wellenleiter 26 geleitet wird. Dieser verläuft parallel
zur Montageseite 20 des Bausteins 17b, wobei eine Strahlumlenkung 27a für eine Verbindung
des Wellenleiters 26 mit der Schnittstelle 15b sorgt.
In 2 ist die Variante des Bausteins 17b als
DEMUX-Einheit dargestellt, so dass über die Schnittstelle 15b aus
der nicht dargestellten Leiterplatte ein Multiplex-Signal in den
Wellenleiter 26 eingespeist wird und in Richtung der angedeuteten
Pfeile 28 verläuft.
Der Wellenleiter 26 verzweigt sich in so viele Zweige 29, wie
Einzelsignale in dem Multiplex-Signal enthalten sind. Das Multiplex-Signal
läuft daher
in jeden der Zweige und wird an deren Ende mittels Strahlumlenkungen 27b zur
Oberseite 18 des Bausteins 17b hin umgeleitet.
Dort trifft das Multiplex-Signal an jedem Ende des Zweiges auf einen
anderen wellenlängenselektiven
Filter 30 (in 2 ist nur derjenige in der Zeichenebene
erkennbar), wobei jeweils eine der Wellenlängen aus dem Multiplex-Signal
durchgelassen wird. Jenseits der wellenlängenselektiven Filter 30 sind
Fotodioden 19b als elektrooptische Wandler vorgesehen,
die das ausgefilterte Einzelsignal in ein elektrisches Signal umwandeln
und über
eine Bondverbindung 25 an das elektrische Bauelement 21 weitergeben.
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Das
elektrische Bauelement 21 sowie die Fotodioden 19b und
die zugehörigen
Bonddrähte 25 sind
in einer Vergussmasse eingeschlossen, die eine Verkapselung 31 bildet.
Hierdurch werden die empfindlichen Bauteile sowie die optische Übertragung zwischen
den Strahlumlenkungen 27b und den Filtern 18b vor
Umwelteinflüssen
geschützt.
Die einzige verbleibende ungeschützte
optische Verbindungsstelle der mittels des Bausteins 17b gebildeten
Einheit 11 ist damit die Schnittstelle 15b. Diese
ist nach der Montage jedoch ebenfalls geschützt, da sie sich auf der Montageseite 20 des
Bausteins befindet, die dem Substrat, auf der die Montage erfolgen
soll, zugewandt ist.
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Eine
Einheit zum Multiplexen ist nicht gesondert dargestellt, kann jedoch
analog zur in 2 dargestellten Einheit 11 aufgebaut
sein. Die Ausbreitungsrichtung des Multiplex-Signals in dem Wellenleiter 26 erfolgt
dann in entgegengesetzter Richtung, wobei das Demultiplex-Signal
automatisch gebildet wird, indem die Einzelsignale aus den Zweigen 29 zusammen
laufen. Anstelle der Fotodioden 19b müssten dann entsprechend 1 VCSEL 19a an den
Strahlumlenkungen 27b vorgesehen werden, wobei keine wellenlängenselektiven
Filter notwendig sind. Der Wellenleiter 26 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.
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Das
Trägermaterial 17a, 17b gemäß den 3 bis 8 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 Schnittstelle 15a, 15b wird eine Sammellinse 32 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 Montageseite 20 des Bausteins 17a, 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 Schnittstelle 15a, 15b weiterhin
mit einem Prisma 33 ausgestattet werden.
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Bei
dem Baustein 17b zum Demultiplexen gemäß 3 wird das
Multiplex-Signal aufgespalten. Diese wird mittels wellenlängenselektiver
Filter 30 bewerkstelligt, die in der zu 2 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 Fotodiode 19b in ein elektrisches
Signal gewandelt. Da sich die Fotodioden 19b zwecks einer
einfacheren Montage ausnahmslos auf der Oberseite 18 des
Bausteins 17b befinden, muss der Strahl 34 des
Multiplex-Signals jeweils von der Montageseite 20 des Bausteins reflektiert
werden, um zum jeweils nächsten
Filter 30 zu gelangen. Zu diesem Zweck ist auf der Montageseite 20 ein
Spiegel 35 angebracht, der beispielsweise durch eine geeignete
Beschichtung der Montageseite 20 erzeugt werden kann. Damit
der Spiegel 35, das Prisma 33 und die Sammellinse 32 durch
das Substrat, auf dem der Baustein 17b befestigt sein soll,
nicht beschädigt
werden, sind weiterhin Abstandhalter 36 vorgesehen, die
eine Distanz der Montageseite 20 von der Oberfläche des
Sub strates gewährleisten.
Der so entstehende Spalt kann zwecks einer besseren Übertragung
des Multiplex-Signals über
die Schnittstelle 15b mit einem optischen Füllmaterial
ausgefüllt
werden.
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Gemäß 4 ist
ein Baustein 17a dargestellt, der nach dem zu 3 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 VCSEL 19a verwendet,
die jeweils auf wellenlängenselektiven
Filtern 30 montiert sind, so dass der erzeugte Strahl des
VCSELs in den Baustein 17a eintreten kann, jedoch der Strahl
des sich ausbildenden Multiplex-Signals jeweils an dem Filter reflektiert
wird. Durch indexangepasste Adapterstücke 37 können die
VCSEL 19a entsprechend des Reflektionswinkels des Strahls 34 angeschrägt werden, so
dass der Einfallswinkel des durch den jeweiligen VCSEL 19a ausgestrahlten
Lichtes dem Reflektionswinkel entspricht.
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Bei
dem Baustein 17b zum Demultiplexen gemäß 5 wird ein
Beugungsgitter verwendet, welches als Transmissionsgitter 38 ausgeführt ist. Durch
die Transmission des Strahls 34 des Multiplex-Signals durch
das Beugungsgitter wird dieser in die einzelnen Wellenlängen aufgeteilt
und kann auf der Oberseite 18 wellenlängenselektiv auf nebeneinander
angeordnete Fotodioden 19b treffen. Auf diese Weise lassen
sich die Einzelsignale des Multiplex-Signals einzeln auswerten.
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Die
Funktionsvariante gemäß 5 kann ebenfalls
zum Multiplexen eines Multiplex-Signals verwendet werden. Dabei
werden die Fotodioden 19b durch VCSEL 19a ersetzt,
die, wie bereits zu 4 beschrieben, auf Adapterstücken 37 angeordnet
sind. Zusätzlich
können
die VCSEL an der Austrittsstelle des Strahls mit Sammellinsen 39 versehen werden,
die eine Strahlbündelung
erzeugen.
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Der
optische Baustein 17b gemäß 7 ist zum
Demultiplexen des Multiplex-Signals mit einem als Reflektionsgitter 40 ausgebildeten
Beugungsgitter ausgestattet. Der Strahl 34 des Multiplex-Signals wird
zunächst
durch einen Spiegel 35 von der Oberseite des Bausteins 17b reflektiert,
um dann auf das an der Montageseite 20 angebrachte Reflektionsgitter 40 zu
treffen, wo eine Aufspaltung des Strahls in der zu 5 beschriebenen
Weise erfolgt. Die wellenlängenselektiven
Einzelsignale können
dann in der bereits beschriebenen Weise durch die Fotodioden 19b in
elektrische Signale gewandelt werden.
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Gemäß 8 ist
das in 7 beschriebenen Funktionsprinzip bei einem im
Baustein 17a zum Multiplexen eines Signals verwendet. Hierbei
müssen
die Fotodioden 19b in der bereits beschriebenen Weise durch
VCSEL 19a ersetzt werden, die zur Optimierung des Wirkungsgrades
beim Einspeisen mit Linsen 39 und Adapterstücken 37 ausgestattet
sind.