DE102006014795A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Datenübertragung zwischen durch ein Gelenk verbundene Baueinheiten - Google Patents
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Abstract
Die Datenübertragung zwischen zwei durch ein Gelenk (8) miteinander verbundenen Baueinheiten soll über eine Vorrichtung mit hoher Lebensdauer erfolgen, die eine hohe Übertragungsrate bei gleichzeitig besonders kleinen Abmessungen erlaubt. Dazu weist die erste Baueinheit (2) ein erstes optoelektronisches Bauteil (4) und die zweite Baueinheit (3) ein zweites optoelektronisches Bauteil (5) auf, wobei das erste optoelektronische Bauteil (4) mit dem zweiten optoelektronischen Bauteil (5) durch mindestens eine optische Faser (6) verbunden ist. Das eine Ende der optischen Faser (6) ist über eine Molded Interconnect Device (MID)-Steckverbindung (7) mit dem ersten optoelektronischen Bauteil (4) und das andere Ende über eine MID-Steckverbindung (7) mit dem zweiten optoelektronischen Bauteil (5) in Kontakt gebracht.
Description
- Die Erfindung betrifft zwei oder mehr durch ein Gelenk oder Gelenke miteinander verbundene Baueinheiten, von denen jede ein optoelektronisches Bauteil aufweist. Bei den optoelektronischen Bauteilen kann es sich beispielsweise um einen optoelektronischen Sender und einen Empfänger handeln, zwischen denen Signale übertragen werden sollen. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Datenübertragung zwischen zwei solchen Baueinheiten.
- In elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen oder Handcomputern (PDAs), muss eine Datenübertragung zwischen einer Platine des Bildschirms, der über ein Gelenk mechanisch mit einem Sockelteil verbunden ist, und einer der Tastatur zugeordneten Platine gewährleistet sein. Diese Datenübertragung erfolgt typischerweise elektronisch über Flachkabel und/oder Koaxialkabel, was jedoch die Nachteile verhältnismäßig großer Abmessungen, EMV-Probleme und einer erheblichen Verschleißanfälligkeit mit sich bringt.
- Aus der
US 6,470,132 B1 ist eine Vorrichtung bekannt, die die Möglichkeit einer optischen Datenübertragung zwischen zwei durch ein Gelenk miteinander verbundenen Baueinheiten nutzt. Dazu wird ein optisches Gelenk bereitgestellt, das aus zwei aus einem als Lichtwellenleiter geeigneten Material gefertigten Baueinheiten besteht, die gegeneinander um eine Drehachse rotierbar sind. Die beiden Baueinheiten weisen verspiegelte Oberflächen auf, um die Führung des Lichtsignals zu gewähr leisten. Zwischen den beiden Baueinheiten liegt ein Luftspalt, den das Lichtsignal zu durchqueren hat. - Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist die komplizierte Freistrahloptik, die spezielle Materialien für die beiden Baueinheiten sowie eine genaue und vor allem auch dauerhafte Justage erfordert. Eine solche dauerhafte exakte Justage kann jedoch bei einem stark beanspruchten Gebrauchsgegenstand wie einem Mobiltelefon nicht zuverlässig sichergestellt werden, so dass bei dieser Vorrichtung keine gegenüber Vorrichtungen mit Flachkabeln nennenswert verbesserte Lebensdauer zu erwarten ist. Am Ein- und Austritt des Lichtsignals am Luftspalt treten zudem Fokussierungsprobleme bzw. Reflexionsprobleme auf, die nur mit erheblichem Aufwand gelöst werden können und die daher mit unverhältnismäßigen Kosten verbunden sind.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Datenübertragung zwischen zwei durch ein Gelenk miteinander verbundenen Baueinheiten anzugeben, die bei akzeptablen Herstellungskosten eine hohe Lebensdauer aufweist und außerdem eine hohe Übertragungsrate bei gleichzeitig besonders kleinen Abmessungen der Vorrichtung erlaubt.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
- Eine erfindungsgemäße optoelektronische Sende- und Empfangsanordnung weist eine Platine und ein auf der Platine angeordnetes und mit ihr durch Lotverbindungen elektrisch verbundenes erstes optoelektronisches Bauteil auf, wobei das erste optoelektronische Bauteil als Träger ein Molded Interconnect Device (MID) aufweist und mit mindestens einem zweiten optoelektronischen Bauteil, das ebenfalls als Träger ein Molded Interconnect Device (MID) aufweist, durch mindestens eine optische Faser verbunden ist. Das eine Ende der optischen Faser ist über eine in das MID integrierte Steckverbindung mit dem ersten optoelektronischen Bauteil und das andere Ende über eine in das weitere MID integrierte Steckverbindung mit dem zweiten optoelektronischen Bauteil in Kontakt gebracht.
- Die optoelektronische Sende- und Empfangsanordnung kann in eine Vorrichtung, beispielsweise ein elektronisches Gerät, integriert sein. Eine solche Vorrichtung weist eine erste und eine zweite Baueinheit auf, wobei die Baueinheiten miteinander durch ein Gelenk verbunden und relativ zueinander bewegbar sind. Die erste Baueinheit weist ein erstes optoelektronisches Bauteil und die zweite Baueinheit ein zweites optoelektronisches Bauteil auf und das erste optoelektronische Bauteil ist mit dem zweiten optoelektronischen Bauteil durch mindestens eine optische Faser verbunden. Das eine Ende der optischen Faser ist über eine in das MID integrierte Steckverbindung mit dem ersten optoelektronischen Bauteil und das andere Ende über eine in das weitere MID integrierte Steckverbindung mit dem zweiten optoelektronischen Bauteil in Kontakt gebracht.
- Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine optische Faser zur Datenübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil besonders geeignet ist, weil sie nicht so verschleißanfällig ist wie eine komplizierte Freistrahloptik, die eine exakte Justage erfordert. Die Verwendung einer optischen Faser mit dem erfindungsgemäßen MID-Bauteil und optischer Steckverbindung vermeidet zudem Fokussierungsprobleme, weil sie durch ihre günstige geometrische Anordnung die Frei strahllängen minimiert. Somit kann die Anordnung auch für Fasern mit großen Aperturen, wie sie beispielsweise bei POFs (plastic optical fibers) üblich sind, eingesetzt werden. Eine große Apertur ist wünschenswert, weil sie kleine Biegeradien der Faser und somit besonders kleine Gelenke erlaubt, ohne dass bei der Übertragung viel Licht verloren geht. Signale können somit über eine durchgehende Faser besonders einfach übertragen werden.
- Unter einem Gelenk wird dabei eine bewegliche Verbindung zwischen zwei oder mehr Körpern verstanden, so dass sowohl ein Kugelgelenk mit drei Freiheitsgraden, als auch ein scharnierartiges Drehgelenk oder ein Schubgelenk mit jeweils einem Freiheitsgrad oder Kombinationen daraus wie z.B. Drehschubgelenke denkbar sind.
- In ein Gelenk kann eine optische Faser besonders leicht integriert werden, indem in seinem Innern eine Kavität vorgesehen ist, durch die die Faser geführt wird. Die Verformung der Faser beim Bewegen des Gelenkes wird vorzugsweise verteilt auf eine oder mehrere Biegungen und/oder Tordierungen, um die relative Verformung möglichst klein zu halten. Weiter werden vorzugsweise dünne Faserbündel eingesetzt, da diese flexibler sind als eine Faser mit einem dickeren Kern.
- Vorteilhafterweise ist als erstes optoelektronisches Bauteil ein Sender wie beispielsweise eine VCSEL-Diode oder sogar mehrere redundante VCSEL-Dioden vorgesehen und als zweites optoelektronisches Bauteil ein Empfänger wie beispielsweise eine Photodiode. Sind mehrere, beispielsweise drei, redundante VCSEL-Dioden vorgesehen, so hat dies den Vorteil, dass ein kosten- und zeitintensiver Burn-in-Test, der erst die Zuverlässigkeit einer VCSEL-Diode gewährleistet, entfallen kann.
- Eine Monitordiode stellt dann gegebenenfalls den Ausfall einer der redundanten VCSEL-Dioden fest und ein Treiber schaltet auf einen funktionsfähigen um. Auf diese Weise lässt sich ein preiswertes und gleichzeitig zuverlässiges optoelektronisches Bauteil bereitstellen. Die Montage eines Treibers in den Sender bzw. eines Verstärkers in den Empfänger erhöht die Packungsdichte sowie die elektromagnetische Verträglichkeit.
- Die verwendete optische Faser, beispielsweise eine polymere optische Faser (POF), sollte, um möglichst kleine Biegeradien und zugleich eine lange Lebensdauer zu ermöglichen, einen Durchmesser von höchstens einem halben Millimeter aufweisen und eine verhältnismäßig große numerische Apertur von beispielsweise mehr als 0,4. Damit kann verhindert werden, dass das Signal bei einer starken Biegung der Faser unerwünschter Weise ausgekoppelt wird. Statt einer einzelnen Faser kann auch ein Faserbündel verwendet werden, das an seinen Enden in eine Ferrule gefasst ist.
- Eine dünne Faser bringt einen kleinen Aus- und Eintrittsdurchmesser an den Faserenden mit sich, was auf der Senderseite den Nachteil eines erschwerten Einkoppelns (d. h. "Treffens" des Faserendes), auf der Empfängerseite jedoch den Vorteil eines zielgenauen Auskoppelns des Lichtsignals bedeutet.
- Durch die Verwendung eines Faserbündels anstelle einer einzelnen Faser wird das Einkoppeln des Signals auf der Senderseite jedoch erleichtert, das Bündeln des Lichts auf die Empfängerfläche jedoch erschwert, zudem sich der austretende Lichtkegel bei der gewünschten hohen numerischen Apertur sehr schnell aufweitet, so dass ein Kompromiss gefunden werden muss.
- Die Molded Interconnect Device(MID)-Steckverbindung weist vorteilhafterweise einen Kanal mit einer Stirnseite und einer der Stirnseite gegenüberliegenden Eingangsseite auf, wobei die Eingangsseite eine Aufnahme für eine in eine Ferrule gefasste optische Faser oder ein Faserbündel aufweist. Auf der Stirnseite ist als erstes bzw. zweites optoelektronisches Bauteil ein Submodul mit einem Halbleiterchip derart angeordnet, dass die aktive Seite des Halbleiterchips in den Kanal gerichtet ist.
- Bei dieser Steckverbindung ist es möglich, sehr kleine Abstände zwischen der Faser und den optoelektronischen Bauteilen zu erzielen. Solche kleinen Abstände sind wünschenswert, weil bei der verhältnismäßig großen Apertur der Faser sich sonst das Problem stellt, die Empfängerfläche mit dem Lichtaustrittskegel mit einer ausreichenden Lichtausbeute zu überstrahlen. Dieses Problem müsste mit einer aufwendigen Optik oder mit einer großen Empfängerfläche kompensiert werden. Kleine Abstände zwischen Faserende und Sender bzw. Empfänger haben außerdem den Vorteil, dass der verbleibende Zwischenraum einfach versiegelt und/oder mit einer Matchingflüssigkeit zur Anpassung der Brechzahlen versehen werden kann, so dass auch bei extremen Temperaturwechseln ein Beschlagen der Faserenden mit Feuchtigkeit vermieden wird oder wegen des geringen Abstandes keine Rolle spielt. Vorteilhafterweise gilt für die Abstände d1 und d2 zwischen den jeweiligen Faserenden und dem ersten bzw. dem zweiten optoelektronischen Bauteil 0 ≤ d1 ≤ 50 μm bzw. 0 ≤ d2 ≤ 50 μm.
- Das Submodul mit dem Halbleiterchip kann über eine Lötverbindung mit der Stirnseite verbunden sein, während das MID seinerseits ebenfalls über eine Lötverbindung mit einer Platine verbunden ist, wobei die Lötverbindung unterhalb des die in eine Ferrule gefasste Faser aufnehmenden Kanals liegt.
- Ein erfindungsgemäßes Mobiltelefon weist ein Sockelteil und eine Abdeckung auf, wobei die Abdeckung mit dem Sockelteil durch ein Gelenk verbunden ist. Das Sockelteil weist eine Platine mit einem ersten optoelektronischen Bauteil und die Abdeckung eine Platine mit einem zweiten optoelektronischen Bauteil auf, wobei das erste optoelektronische Bauteil mit dem zweiten optoelektronischen Bauteil durch mindestens eine optische Faser verbunden ist. Das eine Ende der Faser ist über eine Molded Interconnect Device(MID)-Steckverbindung mit dem ersten optoelektronischen Bauteil und das andere Ende über eine Molded Interconnect Device(MID)-Steckverbindung mit dem zweiten optoelektronischen Bauteil in Kontakt gebracht.
- Bei einem solchen Mobiltelefon können über die optische Faser beispielsweise Signale von einer der Tastatur zugeordneten Platine zum Display übertragen werden.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass die optische Faser eine besonders langlebige Verbindung mit hohen Übertragungsraten bei niedrigster EMV-Empfindlichkeit ermöglicht. Die Verwendung einer VCSEL-Diode ermöglicht Übertragungsraten im Bereich von Gb/s bei einem gleichzeitig niedrigen Energieverbrauch, so dass ein Einsatz auch in batteriebetriebenen Mobiltelefonen problemlos möglich ist. Ein weiterer, für die Anwendung in Mobiltelefonen und PDAs besonders wichtiger Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr klein und damit platzsparend ausgeführt sein kann.
- Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen durch ein Gelenk miteinander verbundenen Baueinhei ten, weist folgende Schritte auf: Zunächst wird ein optisches Signal durch ein einer ersten Baueinheit zugeordnetes erstes optoelektronisches Bauteil, beispielsweise eine VCSEL-Diode, erzeugt. Das optische Signal wird in eine optische Faser oder ein Faserbündel eingekoppelt, wobei an der Einkoppelstelle eine Molded Interconnect Device-Steckverbindung vorgesehen ist. Durch die Faser wird das optische Signal zu einer Auskoppelstelle übertragen, wobei der gesamte Übertragungsweg von der Einkoppelstelle zur Auskoppelstelle eine konstante Brechzahl aufweist, die Faser somit durchgehend ist und durch das Gelenk geführt wird. An der Auskoppelstelle wird das optische Signals ausgekoppelt, wobei an der Auskoppelstelle eine weitere Molded Interconnect Device-Steckverbindung vorgesehen ist. Das Signal wird durch ein einer zweiten Baueinheit zugeordnetes zweites optoelektronisches Bauteil, beispielsweise eine Photodiode, empfangen.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
-
1 zeigt schematisch zwei Baueinheiten, zwischen denen mit einer optischen Faser Signale übertragen werden können; -
2a zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steckverbindung; -
2b zeigt eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steckverbindung; -
2c zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steckverbindung; -
3a zeigt schematisch eine Vorderansicht eines Submoduls der Steckverbindung gemäß einer ersten Ausführungsform; -
3b zeigt eine Seitenansicht dieser Ausführungsform; -
4a zeigt schematisch eine Vorderansicht eines Submoduls der Steckverbindung gemäß einer zweiten Ausführungsform; -
4b zeigt eine Seitenansicht der zweiten Ausführungsform; -
5a zeigt schematisch eine Vorderansicht eines Submoduls der Steckverbindung gemäß einer dritten Ausführungsform und -
5b zeigt eine Seitenansicht der dritten Ausführungsform. - Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
- Bei einer erfindungsgemäße Vorrichtung
1 mit einer ersten Baueinheit2 und einer zweiten Baueinheit3 soll eine leicht zu montierende, schnelle, möglichst EMV-unempfindliche und wenig verschleißanfällige Datenübertragung zwischen den beiden Baueinheiten gewährleistet sein. Die erste Baueinheit2 ist mit der zweiten Baueinheit3 durch ein Gelenk8 verbunden, wobei es sich bei dem Gelenk8 typischerweise um ein scharnierartiges Drehgelenk handelt, so dass die Bauteile relativ zueinander um eine Achse37 rotierbar sind. Es sind jedoch auch Kugelgelenke oder Schubgelenke denkbar. Zur Daten übertragung ist eine optische Faser6 zwischen den Baueinheiten angeordnet, die ein erstes optoelektronischen Bauteil4 mit einem zweiten optoelektronischen Bauteil5 verbindet. Die Faser6 ist in diesem Ausführungsbeispiel in eine Ferrule gefasst. - Die Faser
6 kann dazu beispielsweise durch eine nicht näher dargestellte Kavität innerhalb des Gelenks8 geführt sein. Mit dem ersten und dem zweiten optoelektronischen Bauteil (4 ,5 ) ist sie durch Steckverbindungen7 verbunden, wobei die Steckverbindungen7 jeweils durch ein Molded Interconnect Device (MID) gebildet sind. Das MID stellt eine dreidimensionale Aufnahme- und Verdrahtungsstruktur zur Verfügung, die es ermöglicht, eine schlüssige und stabile optische Verbindung zwischen der Faser6 und den optoelektronischen Bauteilen (4 ,5 ) herzustellen. Details der Steckverbindung7 werden in den folgenden Figuren gezeigt. - Die Steckverbindung
7 gemäß2a umfasst einen Kanal24 mit einer Eingangsseite26 und einer Aufnahme28 für eine in eine Ferrule34 gefasste Faser6 mit einem Kern23 und einem Mantel22 . Die Steckverbindung7 umfasst weiter ein auf eine Stirnseitenfläche27 der Aufnahme28 mit Hilfe der gestrichelt dargestellten Lotkugeln16 aufgelötetes Submodul33 . In die Aufnahme28 können nicht dargestellte Federleisten integriert sein, die die Ferrule34 in einen Referenzanschlag36 drücken und ein Herausziehen der Ferrule34 mit Faser6 aus der Aufnahme28 zu verhindern. Im Submodul33 ist das mit einem Kunststoffgehäuse9 umgebene optoelektronische Bauteil untergebracht, also typischerweise der oder die Halbleiterchips11 des Senders und/oder des Empfängers. Die gesamte MID-Steckverbindung7 ist über Platinenkontakte35 , beispielsweise Lotkugeln, auf einer übergeordneten Platine25 montiert. Die Lötverbindungen liegen dabei unterhalb der Aufnahme28 . Die Platine25 ist Bestandteil der ersten und zweiten Baueinheit (2 ,3 ). Die Faser6 mit den in diesem Ausführungsbeispiel in Ferrulen34 gefassten Enden wird nach der Montage der Platinen25 in die Baueinheiten (2 ,3 ) mit Gelenk8 in die Aufnahme28 gesteckt. - Die zum Auflöten auf die Oberfläche
21 des Submoduls33 vorgesehenen Lotkugeln16 sind möglichst genau zu den optischen Flächen der relevanten Halbleiterchips11 angebracht, um einen Selbstzentriereffekt des Submoduls33 zu erzielen. Beim Auflöten des Submoduls33 auf die Lötpads der Stirnseitenfläche27 , die wiederum möglichst genau zur Aufnahme28 platziert sind, wird durch den Selbstzentriereffekt eine gute Zentrierung des Submoduls relativ zur Aufnahme28 und somit zum Kanal24 bzw. zum Faserkern23 erreicht. Die Zentrierung kann jedoch auch durch eine passive Justage mittels Pattern Recognition in Verbindung mit Klebung verbessert werden. Das MID kann mit weiteren passiven und/oder aktiven, nicht näher dargestellten Bauelementen bestückt sein und somit ein intelligentes Modul darstellen. Das Submodul33 kann mittels nicht dargestelltem Unterfüllmaterial zusätzlich fixiert werden, so dass keinerlei Verschiebungen während des späteres Auflötens des MIDs auf die Platine25 möglich sind, bei dem die Lotverbindung zur Stirnseitenfläche27 zunächst wieder verflüssigt wird. - Das Submodul
33 kann nach dem Auflöten auch die Stirnseitenfläche27 mit einer Schutzeinfassung29 , die bereits in das MID integriert sein kann, geschützt und sowohl elektrischen als auch optischen Funktionstests unterzogen werden. Die auf diese Weise fertiggestellte MID-Steckverbindung7 kann nun verpackt, gelagert, transportiert und als optoelektronisches Bauteil mit integrierter Steckverbindung wie ein oberflächenmontierbares Standardbauteil mittels Lötverbindungen35 auf die Platine25 aufgelötet werden. Über die Lötverbindungen (16 ,35 ) wird die elektrische Kontaktierung des optoelektronischen Bauteils zur Platine25 realisiert. - Nach der Montage der MID-Steckverbindung
7 kann die in die Ferrule34 gefasste Faser bzw. das Faserbündel6 in die Aufnahme28 gesteckt und bis zum Anschlag gegen das Submodul33 geschoben werden. Auf diese Weise ist ein minimaler Abstand zwischen der Faser und der Oberfläche21 des Submoduls33 möglich, was eine besonders gute und unkomplizierte Einkopplung des Signals vor allem auf der Empfängerseite sicherstellt. - In einer alternativen Ausführungsform gemäß
2b wird das Submodul33 nicht über Lotkugeln, sondern über ein oder mehrere Federelemente30 an der Stirnseitenfläche27 der Aufnahme28 fixiert. Es können zusätzlich auch seitliche Federelemente vorgesehen sein, die eine Kraft senkrecht zur Zeichnungsebene auf das Submodul33 ausüben und dieses gegen eine nicht dargestellte seitliche Begrenzungsfläche drücken. Die Begrenzungsflächen sowie die Federelemente33 sind Bestandteil des MIDs. Außerdem sind zusätzliche Klebeverbindungen zwischen dem Submodul33 und der Stirnseitenfläche27 denkbar. Die elektrische Verbindung zwischen dem Submodul33 und der Platine25 wird durch Lotpads20 des Submoduls realisiert, die beim Auflöten der MID-Steckverbindung7 auf die Platine25 mit den Platinenkontakten35 verbunden werden. Als Platinenkontakte35 der MID-Steckverbindung7 können in diesem Fall auch einfache lötbare Metallflächen, beispielsweise „Lands", eingesetzt werden, die beim Auflöten mit Lotdepots auf der Platine25 in Kontakt gebracht werden. Die Leiterbah nen des MIDs selbst können mittels eingespritztem Flachleiterrahmen oder durch andere herkömmliche Verfahren hergestellt sein, da bei dieser Konstruktion keine Lötpads oder Leiterbahnstrukturen auf der Stirnseitenfläche27 vorgesehen sind. -
2c zeigt eine weitere Ausführungsform der MID-Steckverbindung7 . In2c ist der Halbleiterchip11 mittels Flip-Chip-Kontakten31 in „bare-die-Technologie" direkt auf die Stirnseitenfläche27 aufgelötet. Die Stirnseite27 weist in diesem Fall eine nicht im Detail dargestellte feine Spritzhaut mit einem optischen Durchkontakt32 , etwa einem Loch oder Fenster, auf, wobei der Durchmesser des optischen Durchkontakts32 mindestens so groß ist wie die optisch aktive Fläche des Halbleiterchips11 . Leiterbahnen auf der Spritzhaut, die Kontaktanschlussflächen des Halbleiterchips11 mit den Platinenkontakten35 verbinden, müssen bei diesem Ausführungsbeispiel sehr fein strukturiert sein. Der oder die Halbleiterchips11 können mit einer Schicht aus gegebenenfalls transparentem Unterfüllmaterial versehen werden und können zusätzlich zu den Flip-Chip-Kontakten auch Drahtbond-Kontakte aufweisen. - Details verschiedener Ausführungsformen des Submoduls sind in den folgenden Figuren gezeigt.
-
3a zeigt das Submodul33 mit dem optisch aktiven Sender- bzw. Empfängerbauteil38 , das beispielsweise redundante VCSEL-Dioden12 oder eine Photodiode aufweist, wobei seine Kontaktflächen13 über Leiterbahnen14 mit einem Treiber- bzw. Verstärkerchip15 und/oder mit Lotkugeln16 verbunden sind. -
3a zeigt somit eine Vorderansicht eines Submoduls33 , wobei die Oberfläche21 nach der Montage in den Kanal zeigt und senkrecht zur Längsrichtung der Faser6 bzw. der Ferrule34 liegt, deren Umriss10 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Ist das Submodul33 ein optoelektronisches Sendermodul, so weist es typischerweise einen elektro-optischen Wandler wie z.B. die hier dargestellten VCSEL-Dioden auf, deren Kontaktflächen13 über die Leiterbahnen14 mit einem Treiberchip15 verbunden sind. Ist das Submodul33 dagegen ein optoelektronisches Empfängermodul, so weist es einen optoelektronischen Wandler auf und seine Kontaktflächen13 sind über die Leiterbahnen14 mit einem Verstärker- oder Signalbearbeitungschip15 verbunden. Durch die kurzen Leitungen senderseitig zwischen Treiber (mit Logik für Redundanzschaltung) und VCSEL-Diode wird die elektromagnetische Abstrahlung minimiert. Durch die kurzen Leitungen, die über eine hier nicht näher dargestellte Dünnfilmtechnik hergestellt werden, zwischen Sender und Verstärker wird die Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen minimiert, da die Signale des Empfängers nach kürzestem weg verstärkt werden. - Auf seiner Oberfläche
21 weist das Submodul33 eine Anzahl von Lotkugeln16 auf, mit denen es elektrisch und/oder mechanisch mit der in dieser Figur nicht dargestellten Stirnseite verbunden werden kann. - Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet das Submodul nur ein Sender- bzw. Empfangsbauteil, dessen Kontaktflächen über Leiterbahnen mit Lötpads bzw. Lotkugeln verbunden sind. Weitere Bauteile wie z. B. Treiber, Verstärker und passive Bauteile können separat auf das MID montiert werden oder unter Akzeptanz längerer Leiterbahnen und deren Nachteilen auf die Platine montiert werden.
- Die
3b ,4b und5b zeigen Seitenansichten der Submodule33 mit dem Kunststoffgehäuse9 und auf der Oberfläche21 angeordneten Lotkugeln16 und/oder weiteren Lotkugeln17 . Das Submodul gemäß5b kann außerdem eine Erweiterung19 und auf seiner Oberfläche21 anstelle von Lotkugeln Lotpads20 oder "Lands" aufweisen. - Die Vorderansicht des Submoduls
33 gemäß einer zweiten Ausführungsform ist in4a gezeigt. Dieses Submodul33 ist aus Symmetriegründen etwas breiter als das Submodul33 gemäß3a und weist weitere Lotkugeln17 auf, die eine Selbstzentrierung des Submoduls33 beim Auflöten erleichtern und das Submodul33 außerdem beim Einstecken der Faser stabilisieren sollen. Außerdem sind weitere Leiterbahnen18 zur Verbindung von nicht dargestellten Kontaktflächen des Treiber- oder Verstärkerchips15 mit den Lotkugeln16 und gegebenenfalls auch mit den weiteren Lotkugeln17 vorgesehen, so dass eine "großzügigere" Umverdrahtung ermöglicht wird. Dazu ist eine nicht näher dargestellte, in Dünnfilmtechnik ausgeführte Umverdrahtungslage vorgesehen. Submodule33 gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform können wie in2a dargestellt auf die Stirnseite27 der MID-Steckverbindung7 aufgebracht sein. -
5a zeigt eine Vorderansicht des Submoduls33 gemäß einer dritten Ausführungsform. Das Submodul33 weist keine Lotkugeln16 oder weiteren Lotkugeln17 auf, sondern stattdessen Lotpads20 , die über weitere Leiterbahnen18 mit dem Treiber- oder Verstärkerchip15 oder direkt mit den elektrooptischen bzw. optoelektronischen Wandlern verbunden sind. Zur Stabili sierung des Submoduls33 beim Einstecken der Faser kann eine Erweiterung19 vorgesehen sein, die durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Ein Submodul33 gemäß dieser dritten Ausführungsform kann wie in2b dargestellt auf die Stirnseite27 der MID-Steckverbindung7 aufgebracht sein. -
- 1
- Vorrichtung
- 2
- erste Baueinheit
- 3
- zweite Baueinheit
- 4
- erstes optoelektronisches Bauteil
- 5
- zweites optoelektronisches Bauteil
- 6
- optische Faser
- 7
- Steckverbindung
- 8
- Gelenk
- 9
- Kunststoffgehäuse
- 10
- Umriss der Aufnahme
- 11
- Halbleiterchip
- 12
- redundante VCSEL-Dioden
- 13
- Kontaktfläche
- 14
- Leiterbahn
- 15
- Treiber- bzw. Verstärkerchip
- 16
- Lotkugel
- 17
- weitere Lotkugel
- 18
- weitere Leiterbahn
- 19
- Erweiterung
- 20
- Lotpad
- 21
- Oberfläche
- 22
- Mantel
- 23
- Faserkern
- 24
- Kanal
- 25
- Platine
- 26
- Eingangsseite
- 27
- Stirnseitenfläche
- 28
- Aufnahme
- 29
- Schutzeinfassung
- 30
- Federelement
- 31
- Flip-Chip-Kontakte
- 32
- optischer Durchkontakt
- 33
- Submodul
- 34
- Ferrule
- 35
- Platinenkontakt
- 36
- Referenzanschlag
- 37
- Achse
- 38
- Sender- bzw. Empfängerbauteil
Claims (52)
- Optoelektronische Sende- und Empfangsanordnung mit einer Platine (
25 ) und einem auf der Platine (25 ) angeordneten und mit ihr elektrisch verbundenen ersten optoelektronischen Bauteil (4 ), wobei das erste optoelektronische Bauteil (4 ) als Träger ein Molded Interconnect Device (MID) aufweist und mit mindestens einem zweiten optoelektronischen Bauteil (5 ), das als Träger ein weiteres Molded Interconnect Device (MID) aufweist, durch mindestens eine optische Faser (6 ) verbunden ist, wobei das eine Ende der optischen Faser (6 ) über eine in das MID integrierte Steckverbindung (7 ) mit dem ersten optoelektronischen Bauteil (4 ) und das andere Ende über eine in das weitere MID integrierte Steckverbindung (7 ) mit dem zweiten optoelektronischen Bauteil (5 ) in Kontakt gebracht ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erstens optoelektronisches Bauteil (
4 ) ein Sender und als zweites optoelektronisches Bauteil (5 ) ein Empfänger vorgesehen ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abstände d1 und d2 zwischen den jeweiligen Faserenden und dem ersten (2) bzw. dem zweiten (3) optoelektronischen Bauteil 0 ≤ d1 ≤ 50 μm bzw. 0 ≤ d2 ≤ 50 μm gilt.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (
6 ) eine numerische Apertur NA aufweist mit 0,4 ≤ NA. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als optische Faser (
6 ) eine polymere optische Faser (POF) vorgesehen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (
6 ) einen Durchmesser d aufweist mit 0,5 mm ≤ d. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (
6 ) an ihren beiden Enden in jeweils eine Ferrule (34 ) gefasst ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes optoelektronisches Bauteil (
2 ) eine VCSEL-Diode (12 ) vorgesehen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes optoelektronisches Bauteil (
2 ) eine Anzahl redundanter VCSEL-Dioden (12 ) vorgesehen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites optoelektronisches Bauteil (
3 ) eine Photodiode vorgesehen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Molded Interconnect Device(MID)-Steckverbindung (
7 ) eine Aufnahme (28 ) mit einer Stirnseitenfläche (27 ) aufweist, wobei die Aufnahme (28 ) für eine optische Faser (6 ) vorgesehen ist und auf der Stirnseitenfläche (27 ) als erstes (4 ) bzw. zweites (5 ) optoelektronisches Bauteil ein Submodul (33 ) mit einem Halbleiterchip (11 ) derart angeordnet ist, dass die aktive Seite des Halbleiterchips (11 ) in die Aufnahme (28 ) gerichtet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Submodul (
33 ) über eine Lötverbindung mit der Stirnseite (27 ) verbunden ist. - Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ende der optischen Faser (
6 ) und einer Oberfläche21 des Submoduls (33 ) eine Matchingflüssigkeit zur Anpassung der Brechzahl angeordnet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Molded Interconnect Device-Steckverbindung (
7 ) über eine Lötverbindung mit der Platine (25 ) verbunden ist, wobei die Lötverbindung zumindest teilweise unterhalb der Aufnahme (28 ) für die optische Faser (6 ) liegen. - Vorrichtung (
1 ) mit einer ersten (2 ) und einer zweiten (3 ) Baueinheit, wobei die Baueinheiten miteinander durch ein Gelenk (8 ) verbunden und relativ zueinander bewegbar sind, wobei die erste Baueinheit (2 ) ein erstes optoe lektronisches Bauteil (4 ) mit einem Molded Interconnect Device (MID) als Träger und die zweite Baueinheit (3 ) ein zweites optoelektronisches Bauteil (5 ) mit einem weiteren MID als Träger aufweist und das erste optoelektronische Bauteil (4 ) mit dem zweiten optoelektronischen Bauteil (5 ) durch mindestens eine optische Faser (6 ) verbunden ist, wobei das eine Ende der optischen Faser (6 ) über eine in das MID integrierte Steckverbindung (7 ) mit dem ersten optoelektronischen Bauteil (4 ) und das andere Ende über eine in das weitere MID integrierte Steckverbindung (7 ) mit dem zweiten optoelektronischen Bauteil (5 ) in Kontakt gebracht ist. - Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Gelenk (
8 ) ein Drehgelenk vorgesehen ist. - Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Gelenk (
8 ) ein Schubgelenk vorgesehen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk (
8 ) in seinem Innern eine Kavität zur Aufnahme der optischen Faser (6 ) aufweist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als erstens optoelektronisches Bauteil (
4 ) ein Sender und als zweites optoelektronisches Bauteil (5 ) ein Empfänger vorgesehen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abstände d1 und d2 zwischen den jeweiligen Faserenden und dem ersten (
2 ) bzw. dem zweiten (3 ) optoelektronischen Bauteil 0 ≤ d1 ≤ 10 μm bzw. 0 ≤ d2 ≤ 10 μm gilt. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (
6 ) eine numerische Apertur NA aufweist mit 0,4 ≤ NA. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass als optische Faser (
6 ) eine polymere optische Faser (POF) vorgesehen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (
6 ) einen Durchmesser d aufweist mit 1 mm ≤ d. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur optischen Verbindung des ersten optoelektronischen Bauteils (
4 ) mit dem zweiten optoelektronischen Bauteil (5 ) ein Faserbündel vorgesehen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes optoelektronisches Bauteil (
2 ) eine VCSEL-Diode (12 ) vorgesehen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes optoelektronisches Bauteil (
2 ) eine Anzahl redundanter VCSEL-Dioden (12 ) vorgesehen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites optoelektronisches Bauteil (
3 ) eine Photodiode vorgesehen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Molded Interconnect Device(MID)-Steckverbindung (
7 ) einen Kanal (24 ) mit einer Stirnseite (27 ) und einer der Stirnseite (27 ) gegenüberliegenden Eingangsseite (26 ) aufweist, wobei die Eingangsseite (26 ) eine Aufnahme (28 ) für eine in eine Ferrule (34 ) gefasste optische Faser (6 ) aufweist und wobei auf der Stirnseite (27 ) als erstes (2 ) bzw. zweites (3 ) optoelektronisches Bauteil ein Submodul (33 ) mit einem Halbleiterchip (11 ) derart angeordnet ist, dass die aktive Seite des Halbleiterchips (11 ) in den Kanal (24 ) gerichtet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Submodul (
33 ) über eine Lötverbindung mit der Stirnseitenfläche (27 ) verbunden ist. - Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ende der optischen Faser (
6 ) und einer Oberfläche21 des Submoduls (33 ) eine Matchingflüssigkeit zur Anpassung der Brechzahl angeordnet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die MID-Steckverbindung (
7 ) über eine Lötverbindung mit einer Platine (25 ) verbunden ist, wobei die Lötverbindungen zumindest teilweise unterhalb der Aufnahme (28 ) liegen. - Mobiltelefon mit einem Sockelteil und einer Abdeckung, wobei die Abdeckung mit dem Sockelteil durch ein Gelenk (
8 ) verbunden ist und das Sockelteil eine Platine (25 ) mit einem ersten optoelektronischen Bauteil (4 ) und die Abdeckung eine Platine (25 ) mit einem zweiten optoelektronischen Bauteil (5 ) aufweisen, wobei das erste optoelektronisches Bauteil (4 ) ein Molded Interconnect Device (MID) als Träger und das zweite optoelektronische Bauteil (5 ) ein weiteres MID als Träger aufweisen und das erste optoelektronische Bauteil (4 ) mit dem zweiten optoelektronischen Bauteil (5 ) durch mindestens eine optische Faser (6 ) verbunden ist, wobei das eine Ende der optischen Faser (6 ) über eine in das MID integrierte Steckverbindung (7 ) mit dem ersten optoelektronischen Bauteil (4 ) und das andere Ende über eine in das weitere MID integrierte Steckverbindung (7 ) mit dem zweiten optoelektronischen Bauteil (5 ) in Kontakt gebracht ist. - Mobiltelefon nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass als Gelenk (
8 ) ein Drehgelenk vorgesehen ist. - Mobiltelefon nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass als Gelenk (
8 ) ein Schubgelenk vorgesehen ist. - Mobiltelefon nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk (
8 ) in seinem Innern eine Kavität zur Aufnahme der optischen Faser (6 ) aufweist. - Mobiltelefon nach einem der Ansprüche 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes optoelektronisches Bauteil (
4 ) eine VCSEL-Diode (12 ) vorgesehen ist und als zweites optoelektronisches Bauteil (5 ) eine Photodiode. - Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen durch ein Gelenk (
8 ) miteinander verbundenen Baueinheiten, das folgende Schritte aufweist: – Erzeugung eines optischen Signals durch ein einer ersten Baueinheit (2 ) zugeordnetes erstes optoelektronisches Bauteil (4 ); – Einkoppeln des optischen Signals in eine optische Faser (6 ) oder ein Faserbündel, wobei an der Einkoppelstelle eine Molded Interconnect Device-Steckverbindung (7 ) vorgesehen ist; – Übertragen des optischen Signals durch die Faser (6 ), wobei der gesamte Übertragungsweg von der Einkoppelstelle zu einer Auskoppelstelle eine konstante Brechzahl aufweist und die Faser (6 ) durch das Gelenk (8 ) geführt wird; – Auskoppeln des optischen Signals, wobei an der Auskoppelstelle eine weitere Molded Interconnect Device-Steckverbindung (7 ) vorgesehen ist und – Empfangen des optischen Signals durch ein einer zweiten Baueinheit (3 ) zugeordnetes zweites optoelektronisches Bauteil (5 ). - Optoelektronisches Halbleiterbauteil (
4 ,5 ) mit einer optischen Steckverbindung (7 ) mit MID-Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass – das MID Substrat eine Stirnseitenfläche27 aufweist, auf das ein Submodul (33 ) mit mindestens einem Halbleiterchip (11 ) montiert ist oder auf die ein Halbleiterchip11 direkt montiert ist; – das MID Substrat mindestens eine Aufnahme (28 ) zur Aufnahme einer optischen Faser aufweist, so dass der Abstand des Faserendes zu einer optischen Fläche des Halbleiterchips (11 ) kleiner als 100 μm ist und – das MID-Substrat elektrischen Kontakte (35 ) zum Auflöten auf eine übergeordnete Platine (25 ) aufweist, die zumindest teilweise unter der Aufnahme liegen. - Optoelektronisches Halbleiterbauteil (
4 ,5 ) nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere optische Kanäle aufweist. - Optoelektronisches Halbleiterbauteil (
4 ,5 ) nach Anspruch 38 oder 39, dadurch gekennzeichnet, dass es bidirektional ausgelegt ist. - Optoelektronisches Halbleiterbauteil (
4 ,5 ) nach einem der Ansprüche 38 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass das Submodul (33 ) weitere Halbleiterchips aufweist. - Optoelektronisches Halbleiterbauteil (
4 ,5 ) nach einem der Ansprüche 38 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass das Submodul (33 ) Leiterbahnen (14 ) aufweist, die in Dünnfilmtechnologie hergestellt sind. - Optoelektronisches Halbleiterbauteil (
4 ,5 ) nach einem der Ansprüche 38 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass das Submodul (33 ) mittels Lotverbindungen (16 ) mit dem MID-Substrat verbunden ist und das MID-Substrat Lotkugeln (35 ) oder Lotlands aufweist. - Optoelektronisches Halbleiterbauteil (
4 ,5 ) nach einem der Ansprüche 38 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass das MID-Substrat weitere Halbleiterbauteile aufweist. - Optoelektronisches Halbleiterbauteil (
4 ,5 ) nach einem der Ansprüche 38 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass das Submodul (33 ) mit einem Unterfüllmaterial versehen ist. - Optoelektronisches Halbleiterbauteil (
4 ,5 ) nach einem der Ansprüche 38 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass das Submodul (33 ) mittels eines an das MID-Substrat angespritzten Federelementes (30 ) gegen die Stirnseitenfläche (27 ) gedrückt ist. - Optoelektronisches Halbleiterbauteil (
4 ,5 ) nach einem der Ansprüche 38 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass dass das Submodul mit einem Klebstoff am MID-Substrat fixiert ist. - Optoelektronisches Halbleiterbauteil (
4 ,5 ) nach einem der Ansprüche 38 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass das MID-Substrat auf der Stirnseitenfläche (27 ) keine Leiterbahnen aufweist. - Optoelektronisches Halbleiterbauteil (
4 ,5 ) nach einem der Ansprüche 38 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass das MID-Substrat auf der Stirnseitenfläche (27 ) eine dünne Spritzhaut mit einem optischen Durchkontakt (32 ) und feinen Leiterbahnen aufweist und die Halbleiterchips (11 ) in Flip-Chip-Technik auf die Stirnseitenfläche (27 ) montiert sind. - Optoelektronisches Halbleiterbauteil (
4 ,5 ) nach einem der Ansprüche 38 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (28 ) Federleisten aufweist, die die optische Faser (6 ) gegen eine Referenzfläche (36 ) drückt und/oder selbsthemmend ein Herausziehen der eingesteckten Faser (6 ) verhindert. - Optoelektronisches Halbleiterbauteil (
4 ,5 ) nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, dass die selbsthemmende Wirkung der Federleisten durch ein Werkzeug und/oder Druckausübung lösbar ist. - Optoelektronisches Halbleiterbauteil (
4 ,5 ) nach einem der Ansprüche 38 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass an das MID-Substrat eine Schutzeinfassung (29 ) für die Halbleiterchips angespritzt ist.
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