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Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und bezieht sich demgemäß auf aktive optische Verbindungen.
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Datenverarbeitung erfordert zunehmend, dass große Mengen Daten zwischen verschiedenen Stellen übertragen werden können; dies kann innerhalb eines Rechners, etwa zwischen der CPU und Speichern oder zwischen Hauptplatine und Festplatten der Fall sein, aber auch innerhalb von lokalen Netzen, beispielsweise zwischen Arbeitsplatzrechnern und lokalen Firmenservern sowie auch zur Verbindung mit dem Internet. Datenübertragung ist zudem wichtig von jenen Stellen, an denen große Mengen an Daten anfallen, zu jenen Stellen, wo sie verarbeitet werden.
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Genannt seien zum Beispiel Experimente der Hochenergiephysik mit Teilchendetektoren.
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Die Datenübertragung kann rein elektrisch unter Verwendung von elektrischen Kabeln geschehen; eine Übertragung ist jedoch auch mittels optischer Signale möglich. Dabei können Lichtsignale mit einem modulierten Lichtsender, beispielsweise einer entsprechend den Datensignalen modulierten Laserdiode, in einen Lichtleiter wie eine Multi-Mode-Faser eingestrahlt und vom Lichtleiter zu einem Lichtempfänger, wie einer Fotodiode, übertragen werden, wo die Lichtsignale wieder in elektrische Signale umgesetzt und verarbeitet werden können. Die erwünscht hohen Übertragungsraten optischer Datenverbindungen erfordern dabei, dass das vom Lichtsender erzeugte Licht mit hoher Frequenz moduliert und zur Erzielung eines guten Signal-Rausch-Verhältnisses effizient in den Lichtleiter eingekoppelt wird.
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Bei schnell modulierbaren opto-elektrischen Sendeelementen wie Laserdioden ist deswegen auch das Emissionsverhalten für die Qualität der optischen Verbindung zu beachten. Wichtig ist, dass ein größtmöglicher Teil des von einem aktiven optischen Sendeelement emittierten Lichts in den Lichtleiter, das heißt typisch die Multi-Mode-Glasfaser, eingekoppelt wird. Dies ist vor allen Dingen bei den sogenannten oberflächenemittierenden Halbleiterlasern, Vertical Cavity Surface Emitting Lasers, VCSELs, schwierig. Diese emittieren den Laserstrahl allgemein in der Richtung ihrer Oberflächennormalen, während eine hohe Einkoppeleffizienz des Laserlichtes in die Lichtleiterfasern erfordert, dass deren Stirnflächen quer zur Richtung des Strahls angeordnet werden. Auf Grund der schwierigen Montage und des typisch beschränkten zur Verfügung stehenden Raums verbietet sich dies aber in der Regel, wenn das aktive opto-elektronische Sendeelement plan auf einer Ebene wie einer Platine oder einem anderen Trägersubstrat montiert wird, weil dazu die Faser senkrecht auf das Trägersubstrat stehen müsste.
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Weil die Anordnung des aktiven optischen Sendeelements senkrecht zur Platine im Regelfall sowohl aus Platz- wie auch aus Montagegründen ebenfalls nicht in Betracht kommt, ist bereits vorgeschlagen worden, ein VCSEL oder ein anderes opto-elektronisches Element plan auf einem Trägersubstrat anzuordnen und das Licht mittels einer geeigneten Lichtleiterfaser parallel zum Substrat wegzuleiten; es ist ebenfalls bereits vorgeschlagen worden, ein Umlenkmittel wie ein Spiegelelement zwischen dem aktiven opto-elektronischen Element und der Lichtleiterfaser vorzusehen.
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Das Umlenkmittel kann durch einen Reflektor gebildet sein. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Verbindung zwischen einem opto-elektronischen Bauelement und einem Lichtwellenleiter ist insbesondere aus der
DE 10 2004 038 530 bekannt. Auf die Dissertation von Denis WOHLFELD wird gleichfalls verwiesen. Die genannten Dokumente werden durch Bezugnahme vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung eingegliedert.
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Aus der
DE 43 23 681 A1 ist eine Anordnung zur Ankopplung wenigstens einer Lichtleiterfaser an wenigstens ein optisches Empfangs- oder Sendelement und ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung bekannt. Dabei sollen Lichtleiterfaser und optisches Element an gegenüberliegenden Seiten eines gemeinsamen Trägers angeordnet werden. Der Lichtleiterfaser ist im Bereich der optischen Achse eine Lichtstrahlumlenkung zugeordnet. Verwendet werden soll ein optisch transparenter Träger wie ein Siliziumsubstrat, wobei auf sich gegenüberliegenden Seiten eine Führungsstruktur für die Lichtleitfaser und eine Haltestruktur eingearbeitet werden sollen, was durch Ätzen geschehen kann. Die Anbringung alkalihaltigen Glases an dem Träger wird erwähnt.
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Aus der
JP 2003 131088 ist ein optisches Modul bekannt, welches einen optischen Pfad zwischen einem optischen Element und einer Lichtleitfaser vorsehen soll. Das Faserende und andere optische Wellenführungskörper sollen in einer V-förmigen Furche angeordnet werden, die auf einem Träger vorgesehen wird.
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Aus der
US 5,168,537 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kopplung von Licht zwischen Wellenleiter und einer opto-elektronischen Vorrichtung bekannt, bei welcher in einem Abschlussblock eine Vielzahl collimierender Zylinderlinsen, die aus einem ersten Blockende hervorstehen, eingebettet ist. Eine Mehrzahl von Fasern wird longitudinal bezüglich der Linsen angeordnet und ebenfalls in den Block eingebettet. Ein Umlenkblock nimmt dieses Endteil auf und lenkt Licht um auf opto-elektronische Elemente. Die Anordnung ist groß, weist hohe Abstände zwischen Faserenden und opto-elektronischem Element auf und hat damit erhebliche Nachteile.
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Aus der
US 6,389,202 ist eine Anordnung bekannt, bei welcher die von einem VCSEL emittierte optische Leistung bestmöglich in eine Faser eingekoppelt werden soll, das heißt mit maximalem Leistungstransfer. Dazu werden in einem Siliziumsubstrat Trägerfurchen eingeätzt, beispielsweise durch Plasmaionenätzen. Eine Glasabdeckung soll über den Furchen angeordnet werden, wobei dann in den Furchen Fasern mit hoher Genauigkeit angeordnet werden soll. Die Glasschicht soll besonders glatt sein, was es erlauben soll, die Technik des Flip-Chip-Bondens zur Anbringung optischer Komponenten zu verwenden. Unter solchen optischen Komponenten werden unter anderem VCSEL und dergleichen genannt. Hier ist noch ein hoher Ausrichtungsaufwand bei der Montage erforderlich.
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Die
US 5,764,832 führt aus, dass der Aufwand für die Montage von optischen Fasern an Steckerverbindern für opto-elektronische Kommunikation sehr hoch sei. Es wird vorgeschlagen, eine Furche in einem Trägersubstrat vorzusehen, eine flache Oberfläche auf dem Trägersubstrat mit der Furche zu bilden und eine optische Komponente auf der flachen Oberfläche zu positionieren und dann eine optische Faser in der Furche zu positionieren. Die Positionierung soll visuell überwacht werden. Auch dies ist aufwändig.
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Es besteht der Bedarf, eine preiswerte, hochintegrierte opto-elektronische Verbindung, die mit nur geringem Aufwand herstellbar ist, zu schaffen.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht. Bevorzugt Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
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Es wird somit in einem ersten Grundgedanken ein Verfahren zur Herstellung einer aktiven optischen Verbindung mit einem opto-elektronischen Element und einem Lichtumlenkmittel zur Lichtumlenkung zwischen dem opto-elektronischen Element und einem quer zu dessen Strahlrichtung angeordneten Lichtleiter vorgeschlagen. Hierbei ist vorgesehen, dass ein Trägersubstrat für das opto-elektronische Element in einer hochpräzise wiederholbar positionierenden Maschine, insbesondere einer Flip-Chip-Maschine angeordnet, das opto-elektronische Element mit einer oder der hochpräzise wiederholbar positionierenden Maschine auf dem Substrat montiert und eine aushärtbare, formbare Masse über dem opto-elektronischen Element aufgebracht sowie die formbare Masse mit einer von einer oder der hochpräzise wiederholbar positionierenden Maschine bewegten Form zur Lichtumlenkmittelformung geformt und frühestens danach das Substrat aus der hochpräzise wiederholbar positionierenden Maschine entfernt wird.
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Eine erste wesentliche Erkenntnis liegt demgemäß darin, dass die Lichtumlenkmittel abgeformt werden, und zwar unter Verwendung einer hochpräzise repetitiv bewegbaren Maschine, wie sie ohne weiteres in der Industrie bereits seit langem zur Verfügung steht. Indem eine aushärtbare formbare Masse über einem zuvor mit zum Beispiel dieser Maschine, insbesondere bevorzugt sogar dem gleichen Arm derselben positionierten, opto-elektronischen Element aufgebracht und mittels der Maschine geformt wird, ist eine hochpräzise Übereinstimmung der kritischen Relativposition von Lichtumlenkmittel und opto-elektronischem Element ohne großen Aufwand gewährleistet. Es sei aber explizit darauf hingewiesen, dass die Abformung weder zwingend mit derselben Maschine noch unmittelbar nach der VCSEL-Montage erfolgen muss, sondern lediglich eine hohe Wiederholgenauigkeit bei der Positionierung gewährleistet sein muss. Dies kann durch Wechsel des Werkzeugkopfes am Montagearm geschehen, durch Verwendung eines zweiten Montagearms an einer Bestückungsmaschine, so dass ein erster Arm für die VCSEL-Montage verwendet wird und ein zweiter Arm für die Formung einer aufgebrachten Masse. Dabei muss zum Aufbringen selbst keine extrem hohe Genauigkeit verwendet werden, sofern das Vorhandensein geringer Mengen überschüssigen Materials tolerierbar ist. Es wäre möglich, erst eine Reihe von Platinen zu bestücken, um danach mit derselben oder einer anderen, hochpräzise repetitiv positionierbaren Maschine die Formung der Masse zu bewirken.
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Hochpräzise repetitiv positionierbar wird vorliegend so verstanden, dass eine für Zwecke der Ein- beziehungsweise Auskopplung ausreichende Genauigkeit erzielbar ist. Dies bedeutet bei herkömmlicher Technologie, dass eine Genauigkeit von besser als 50 μm, bevorzugt besser als 10 μm Wiederholbarkeit gewährleistet sein muss. Dazu ist gegebenenfalls eine Platinenfixierung beziehungsweise -justierung mit entsprechender Präzision erforderlich.
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Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt es, die Lichtleiterfasern sehr dicht an den opto-elektronischen Elementen anzuordnen. Dies ist deshalb besonders günstig, weil damit auch die Einkoppeleffizient signifikant erhöht werden kann und somit ein besonders gutes Signal-Rausch-Verhältnis erzielt wird, was wiederum die übertragbaren Datenraten erhöht. Es kommt hier die enge räumliche Nähe zwischen Lichtleiterfasern und optischem Element, die präzise Ausrichtung bei der Fertigung von Lichtleiter relativ zu opto-elektronischem Element und die durch geeignete Strukturierung des Lichtumlenkmittels gegebenen Vorteile zusammen. Die vorliegende Erfindung bringt eine wesentliche Verbesserung der Kopplungseffizienz; die erzielbare Effizient liegt im Vergleich zu dem Schutzrecht eines der Miterfinder um circa 50% höher.
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Es ist möglich, dass als opto-elektronisches Element wenigstens ein, bevorzugt mehrere Photodioden vorgesehen werden, das heißt als opto-elektronisches Element (auch zumindest) ein Empfänger vorgesehen ist. Die Strahlrichtung ist in einem solchen Fall typisch definiert als die Flächennormale auf die photoempfindliche Fläche.
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Alternativ und/oder zusätzlich kann als opto-elektronisches Element auch zumindest eine lichtemittierende Diode vorgesehen werden, bevorzugt eine Laserdiode wie ein VCSEL, wobei dieser so montiert wird, dass der emittierte Lichtstrahl weg vom Trägersubstrat abgestrahlt, das heißt emittiert wird, insbesondere senkrecht vom Trägersubstrat weg. Es ist möglich, mit dem Verfahren nebeneinander sowohl eine oder mehrere Photodioden oder andere lichtempfindliche opto-elektronische Elemente vorzusehen, als auch ein oder mehrere lichtemittierende Elemente, insbesondere lichtemittierende, bevorzugt schnell modulierbare Dioden. Die gemeinsame Anordnung von Lichtempfängern und Lichtsendern erlaubt es, eine in zwei Richtungen arbeitende, opto-elektronische Verbindung vorzusehen, was die Datenübertragungsprotokolle, die mit einem erfindungsgemäß hergestellten Stecker verwendbar sind, praktisch einschränkungsfrei macht. Die gegebenenfalls vorzusehende Vielzahl von Elementen kann parallel zueinander angeordnet werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Anordnung von Glasfasern auch in baulich kleinen Steckern ohne weiteres möglich wird.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die mit Flip-Chip-Maschinen erzielbaren Positioniergenauigkeiten hoch sind, was einen nur geringen optischen Verlust gewährleistet.
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Es ist möglich, mit der vorliegenden Erfindung Koppeleffizienzen von bis zu 96% zu erreichen, indem sämtliche Funktionen wie Halterung, Einführungstrichter, Faserfixierung sowie optimierte Spiegeloberfläche in eine einzige, gemeinsam gefertigte und ausgerichtete Mikrostruktur integriert werden, die direkt auf den aktiven Komponenten oder Multi-Chip-Modulen repliziert wird.
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Es ist überdies ohne weiteres möglich, am Lichtumlenkmittel eine den Energieübertrag optimierende Form zu gewährleisten. Die Formoptimierung erfolgt dabei bevorzugt so, dass ein optimaler Energieeintrag bei typischen VCSEL-Emissionsmustern erreicht wird. Damit ergibt die erfindungsgemäße monolithische Koppelstruktur besonders hohe Effizienzen. Die Erfindung ermöglicht somit insgesamt wesentlich verbesserte aktive optische Verbindungen bei gleichzeitig reduzierten Kosten.
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Das Lichtumlenkmittel wird typisch zum Einkoppeln oder Auskoppeln von Licht in die Stirnfläche einer Lichtleiterfaser, insbesondere einer Multi-Mode-Faser ausgebildet sein. Es ist damit nicht nötig, eine seitliche Einkopplung in eine optische Faser vorzusehen. Die Ausbildung des Lichtleiters als Multi-Mode-Faser erleichtert wegen des größeren Faserdurchmessers die Einkopplung.
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Die aktive optische Verbindung, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, kann in einem aktiven optischen Kabel realisiert werden und/oder in einem Optokoppler.
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Es sei darauf hingewiesen, dass als aktives optisches Kabel eine Verbindung verstanden wird, in welcher zumindest ein Teil der zu übertragenden Daten als elektrische Daten eingespeist, in optische Signale umgesetzt, als optische Signale übertragen und wieder rückgewandelt wird in elektrische Datensignale; es kann als ebenfalls ausreichend angesehen werden, wenn wenigstens einseitig elektrische Signale in optische Signale umgesetzt werden oder umgekehrt. Überdies ist es möglich, neben den optischen Signalen gegebenenfalls auch elektrische Signale und/oder elektrische Energie entlang des Kabels zu transportieren. Dies ermöglicht unter anderem, lange Verbindungen mit aktiven optischen Kabeln aufzubauen, bei denen Repeater, das heißt Zwischenverstärker, Signalkonditionierer, fremdversorgte Switches, Router und Hubs und dergleichen vorgesehen werden, ohne dass eine separate Stromversorgungsinfrastruktur bereit gestellt werden muss. Dies kann bei Langstreckenübertragungen von signifikantem Vorteil sein. Dabei ist eine elektrische Leistungsversorgung zum Beispiel über parallel zu den Lichtleitern laufende Kabel oder mechanisch schützende hohle Drahtgeflechte ohne großen Aufwand integrierbar, zumal im Regelfall lediglich niedrige Gleichspannungen benötigt werden.
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Es ist im übrigen auch möglich, als aktive optische Verbindung etwa Optokoppler vorzusehen, um in einem begrenzten räumlichen Gebiet wie innerhalb eines Computers, auf einem Motherboard oder dergleichen, eine optische Hochgeschwindigkeitsverbindung vorzusehen und/oder eine galvanische Trennung von Sender und Empfänger bei hohen bis höchsten Datenübertragungsraten zu ermöglichen.
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Als Trägersubstrat kann eine gedruckte Schaltung oder ein Multi-Chip-Modul verwendet werden. Dies ist vorteilhaft gegenüber Trägersubstraten aus Silizium, in welche optische Elemente mit den Methoden der Siliziumverarbeitung aufwändigst hineinstrukturiert werden müssen. Die Verwendung von gedruckten Schaltungen ist besonders preisgünstig und erlaubt überdies die Erzielung sehr hoher Packungsdichten, was auch für die Verwendung von Multi-Chip-Modulen gilt.
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Die Masse, welche als formbare, aushärtbare Masse über dem opto-elektronischen Element aufgebracht wird, ist bevorzugt eine UV-härtbare Masse. Die UV-Härtung erlaubt es, die mit der von der Flip-Chip bewegten Form geformte Masse sehr schnell und mit einfachen Mitteln auszuhärten. Damit werden sehr kurze Fertigungstaktzeiten allein durch Einstellung geeigneter Parameter der UV-härtbaren Masse erzielbar. Dass Härtungsverfahren möglich sind, zum Beispiel durch IR-Einstrahlung, Erwärmung mit Heizelementen etc. sei erwähnt.
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Es sei darauf hingewiesen, dass es möglich und bevorzugt, aber nicht zwingend ist, während der Montage der opto-elektronischen Elemente eine Funktionsprüfung vorzunehmen. Bei Defekten oder Abweichungen von einer zulässigen Norm kann gegebenenfalls noch vor Weiterverarbeitung und insbesondere Formung der Lichtumlenkmittel ein Element als Ausschuss verworfen werden. Diese frühe Qualitätskontrolle senkt die Fertigungskosten insgesamt weiter. Es sei darauf hingewiesen, dass dieselben Massen, die zur Bildung der Lichtumlenkmittel verwendet werden, auch zur Fixierung der Lichtleiterfasern einsetzbar sind. Dies verringert Lagerhaltungskosten und sorgt für ein homogenes Verhalten über einen Baustein hinweg.
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Die formbare Masse kann bevorzugt mit einem PDMS-Stempel geformt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die PDMS-Formung per se bekannt ist; auf entsprechende Dokumente wie Lehrbücher und Lexika, die sich mit der Verwendung von Polydimethylsiloxan-(PDMS-)Stempeln zur Abformung von Reliefoberflächen befassen, sei hingewiesen. Der verwendete PDMS-Stempel kann insbesondere von einem Zwischenmaster abgeformt sein, der seinerseits photolithographisch hergestellt wird. Als geeigneter Photolack für UV-Tiefenlithograpie, wie sie zur Herstellung des Zwischenmasters anwendbar ist, sei insbesondere handelsüblicher SU-8-Epoxidharz genannt, beispielsweise EPON-SU-8 Epoxidharz von SHELL CHEMICAL. Mit solchen Photolacken ist es möglich, hohe mechanische Stabilität, UV-Empfindlichkeit, ohne weiteres ausreichend hohe Aspektverhältnisse und Dicken bis 2 mm zu realisieren, wie in der Technik per se bekannt ist.
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Im übrigen sei darauf hingewiesen, dass neben PDMS-Stempeln auch andere Abformwerkzeuge in Frage kommen, zum Beispiel Stempel aus Metall oder Kunststoff. Weiter sei darauf hingewiesen, dass gegebenenfalls andere Herstellungsverfahren für eine Masterform abgesehen vom Photolithographieverfahren möglich sind. Nur beispielhaft sei etwa das Hochpräzisionsfräsen genannt. Auch eine unmittelbare Formgebung ohne Zwischenmaster sei als Möglichkeit offenbart.
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Bei der Herstellung des Zwischenmasters kann ein mögliches Schrumpfen der Form während der Härtung ohne weiteres berücksichtigt werden, so dass dadurch keine negativen Effekte für die fertiggestellte optische Verbindung auftreten.
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Die Verwendung derartiger Materialien erlaubt es, dreidimensional geformte Lichtumlenkmittel auszubilden, mit welchen Licht zwischen opto-elektronischem Element und Lichtleiterfaser wie erforderlich gebündelt beziehungsweise kollimiert wird, um das Licht aus der Lichtleitfaser besonders gut in einen opto-elektronischen Empfänger zu transferieren oder eine hohe Einkoppeleffizienz des von einem opto-elektronischen Sender wie einem VCSEL emittierte Licht besonders gut in eine (Multi-Mode-)Faser einzukoppeln.
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Es ist möglich und besonders bevorzugt, wenn zumindest eines der opto-elektronischen Elemente auf einem Substrat oder anderem Träger mit Wirebond-Technik angebracht wird und in der Form zur Strukturierung der UV-härtbaren beziehungsweise auf andere Weise härtbaren Masse Bereiche vorgesehen werden, in denen die Wirebonds zumindest partiell eingeschlossen werden. Dies erhöht die strukturelle Beständigkeit der gesamten Verbindung erheblich.
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In einer besonders bevorzugten Variante wird die formbare Masse noch in der Flip-Chip-Maschine gehärtet, was sowohl thermisch als auch unter Verwendung von UV-Strahlung geschehen kann. Es ist möglich, beide Härtungsvarianten zu kombinieren, etwa indem die Masse während der UV-Härtung zusätzlich erwärmt wird, was durch Anlegen von Heizspannung an elektrische Heizelemente oder durch Einstrahlung geeigneter, erwärmender elektromagnetischer Strahlung in die härtbare Masse geschehen kann, beispielsweise durch UV- oder IR-Licht oder dergleichen. Es sei darauf hingewiesen, dass gegebenenfalls Mehrkomponentengemische einsetzbar sind, die nach Mischung schnell härten, ohne dass es weiterer Aktvierungen bedarf.
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Schutz wird auch beansprucht für eine aktive optische Verbindung, insbesondere ein Kabel oder einen Optokoppler, mit zumindest einem opto-elektronischen Element und einem Lichtumlenkmittel, um Licht zwischen dem zumindest einen opto-elektronischen Element und einem quer zu dessen Strahlrichtung angeordneten Lichtleiter, worin das opto-elektronische Element mittels Wirebond auf einem Substrat aufgebracht und das Lichtumlenkmittel aus polymerisiertem Material gebildet ist, dass zumindest wesentliche Teile der Wirebond-Verbindung einstückig umschließt, insbesondere mit einer optischen Faser, insbesondere einer lichtleitenden Multi-Mode-Faser als optischem Leiter und bevorzugt insbesondere weiter einstückig mit einem zumindest sich in einer Ebene, bevorzugt in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen öffnenden Faserzufuhrtrichter versehen ist.
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Durch die Verwendung von Faserzufuhrtrichtern wird die Montage weiter vereinfacht. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung von sich in zwei Ebenen öffnenden Zufuhrtrichtern. Es ist möglich, diese sich in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen öffnenden Faserzufuhrtrichter mit einem Verfahren wie vorstehend beschrieben herzustellen, insbesondere, indem die lichtleitende Faser in einem von einem Trägersubstrat beabstandeten Kanal geführt wird und die trichterartige Öffnung in der Ebene senkrecht zum Substrat durch eine in Richtung auf das Substrat hin zulaufende schräge Ebene oder dergleichen realisiert wird, also eine einseitige Trichtererweiterung für diese Ebene gewählt wird.
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Es wird bevorzugt, wenn die Lichtumlenkmittel aus polymerisierbarem Material und von einer Matrix, das heißt einem Stempel oder dergleichen, abgeformt sind.
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Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser ist dargestellt durch
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1 eine aktive optische Verbindung auf einem Multi-Chip-Modul in Seitenansicht zusammen mit einem lichtumlenkmittelformenden Stempel;
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2 eine Draufsicht auf das Multi-Chip-Modul mit der aktiven optischen Verbindung von 1.
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Nach 1 umfasst eine allgemein mit 1 bezeichnete aktive optische Verbindung ein opto-elektronisches Element 2 auf einem Träger 3, ein Lichtumlenkmittel 4 und eine quer zur Strahlrichtung 2a des opto-elektronischen Elements 2 angeordnete Lichtleitfaser 5, wobei das opto-elektronische Element 2 mittels Wirebonds 6 auf dem Substrat 3 angebracht und das Lichtumlenkmittel 4 aus polymerisiertem Material gebildet ist, das zumindest Teile der Wirebond-Verbindung 6 einstückig umschließt und wobei, wie möglich, jedoch nicht zwingend erforderlich, das Lichtumlenkmittel 4 hier einstückig mit sich hier in einer Ebene öffnenden Faserzuführtrichtern 4a1, 4a2 zur Zuführung der Lichtleitfaser in Richtung auf das Lichtumlenkmittel bei Montage gebildet ist.
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Die aktive optische Verbindung 1 ist im vorliegenden Fall, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist, im Stecker eines aktiven optischen Elements gebildet, der das Multi-Chip-Modul umfasst. Das aktive opto-elektronische Element ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein VCSEL 2, der über die Wirebond-Verbindungen 6 angesteuert wird und Licht senkrecht nach oben emittiert, das heißt es handelt sich hier wie möglich, aber nicht zwingend, um einen sogenannten „Topemitter”. Das Substrat 3 ist eine für Multi-Chip-Module herkömmliche Anordnung, die in herkömmlicher Weise mit weiteren elektrischen Schaltkreisen bestückt ist und wie üblich elektrisch kontaktiert werden kann, ohne dass hier näher darauf eingegangen werden muss.
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Das Lichtumlenkmittel 4 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine totalreflektierende Fläche 4d, auf welche der vom VCSEL in die Formmasse hinein emittierte Strahl zurückläuft und die, anders als aus Gründen der einfacheren graphischen Darstellung in der Figur gezeigt, nicht zwingend eben sein muss, sondern typisch gekrümmt geformt ist, und zwar wie ein Hohlspiegel derart, dass sich eine maximale Energieeinkopplung in eine Lichtleiterfaser 5 ergibt.
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Das Lichtumlenkmittel 4 ist einstückig mit den Einschlüssen für die den VCSEL kontaktierenden Drahtanschlüsse, Wirebonds 6, und den Faserzuführkanälen 4b mit endseitigen Zuführtrichteröffnungen 4a gebildet, und zwar aus UV-härtbarem Epoxidharz, der mittels eines PDMS-Zwischenstempels 8, wie noch zu beschreiben sein wird, in einer Flip-Chip-Maschine strukturiert und danach in der Maschine gehärtet wird. Die Lichtleiterfasern 5 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel Multi-Mode-Fasern mit einem Durchmesser von hier 32,5 μm und einem Abstand zwischen zwei benachbarten Faserzentren von 250 μm. Die zwischen zwei Lichtleitfasern 5a1, 5a2 (vergleiche 2) liegende Stegwandung 4c ist ebenfalls einstückig mit dem Lichtumlenkmittel 4 gebildet und ausreichend, um ein erhebliches Übersprechen, das heißt eine signifikante wechselseitige Einstrahlung von Licht zwischen den Fasern, zu vermeiden; es sei darauf hingewiesen, dass jeder Lichtleitfaser 5a1, 5a2 ein eigener VCSEL zugeordnet ist, der separat ansteuerbar ist, dass in einem typischen Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Lichtleitfasern, beispielsweise etwa 16 Lichtleitfasern oder mehr, vorgesehen sein können und dass im übrigen als aktive opto-elektronische Elemente nicht nur Lichtsender, sondern auch Lichtempfänger wie schnelle Photodioden vorgesehen sein können, deren Signal in üblicher Weise auf dem Multi-Chip-Modul konditioniert werden und die, wie für den VCSEL in 1 gezeigt, ebenfalls mittels insbesondere in Kunststoffmasse des Lichtumlenkmittels 4 weitgehend eingebetteten Drahtverbindungen, vergleichbar Bezugszahl 6 für den dargestellten VCSEL, kontaktiert werden können.
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Das Lichtumlenkmittel 4 weist zur Stirnfläche 5b jeder Lichtleitfaser 5 eine gerade Fläche 4d auf. Der Zwischenraum zwischen Stirnfläche 5b der Lichtleitfaser 5 und dem Bereich 4d ist mit einem brechungsindexangepassten Material 9 gefüllt, bei dem es sich im wesentlichen um den gleichen Epoxidharz handeln kann, der auch zur Bildung des Lichtumlenkmittels verwendet wird.
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Die Anordnung kann hergestellt werden wie folgt:
Zunächst wird ein Multi-Chip-Modul in üblicher Weise bestückt.
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Es werden dann die opto-elektronischen Elemente 2 montiert, und zwar unter Verwendung einer hochpräzise wiederholbar zu positionierenden Maschine, hier einer Flip-Chip-Maschine, wie sie per se bekannt ist. Die Kontaktierung der opto-elektronischen Elemente kann hier mit Wirebonds vorgenommen werden, was jedoch nicht zwingend ist; andere Verbindungsmöglichkeiten seien als Möglichkeit ebenfalls erwähnt, insbesondere für Unterseitenemitter-VCSEL. Die Höhe der Oberkante des opto-elektronischen Elements beträgt typisch unter 200 μm; zusammen mit der Umlenkspiegelfläche 4 und den weiteren Bereichen ergibt sich damit eine Gesamtaufbauhöhe über der Substratoberfläche von typisch unter 0,3 mm.
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Nach Montage der opto-elektronischen Elemente in der Flip-Chip-Maschine wird, während das Substrat in dieser Maschine verbleibt, eine ausreichende Menge an UV-härtbarer Masse zur Bildung des Lichtumlenkmittels 4 über den opto-elektronischen Elementen aufgebracht und dann mit einem an einem Montagearm der Flip-Chip-Maschine angebrachten PDMS-Stempel die UV-härtbare Masse so geformt, wie es die Ausgestaltung der Lichtumlenkmittel, der Stegwände, Einführtrichter erfordert. Der PDMS-Stempel ist dazu aus einem über tiefenlithographische Verfahren hergestellten Ursprungsmaster abgeformt und ohne Probleme wiederholt zur Fertigung einer großen Zahl von Steckerverbindern benutzbar.
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Je nach verwendeter formbarer Masse kann der Stempel entfernt und dann eine Härtung vorgenommen werden oder eine Härtung mit noch aufgebrachtem Stempel 8 vorgenommen werden. Nach Entfernung des Stempels können die Fasern 5 in die Kanäle eingeschoben werden, was durch die trichterförmige Erweiterung am Einführende ohne weiteres möglich ist. Die Zwischenräume zwischen Stirnfläche 5b der einzelnen Fasern und der senkrechten Fläche 4d vor dem Lichtumlenkmittel 4 werden dann mit einer brechungsindexanpassenden Masse aufgefüllt, die gleichfalls gehärtet wird, was zugleich die Lichtleiterfasern fixiert.
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Auf diese Weise wird mit hoher Taktfrequenz ein aktiver optischer Verbinder geschaffen, der hohe Datenübertragungsragen zulässt.
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Während vorstehend eine bevorzugte Variante des Herstellungsverfahrens beschrieben wurde, sind Variationen hierzu ohne weiteres möglich. So wurde im Ausführungsbeispiel beschrieben, dass das Aufbringen und Formen der Masse unmittelbar nach der Bestückung der Platine erfolgen soll; dies ist jedoch nicht zwingend, sofern nur eine hinreichend hohe Positionierwiederholbarkeit gewährleistet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004038530 [0007]
- DE 4323681 A1 [0008]
- JP 2003131088 [0009]
- US 5168537 [0010]
- US 6389202 [0011]
- US 5764832 [0012]
