DE102018106504B4

DE102018106504B4 - Anordnung mit einem TO-Gehäuse, Verfahren zu dessen Herstellung sowie optisches Datenübertragungssystem

Info

Publication number: DE102018106504B4
Application number: DE102018106504.3A
Authority: DE
Inventors: Robert Hettler; Georg Mittermeier
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2038-03-21
Also published as: JP2019169706A; US20190293882A1; US10908371B2; JP7452950B2; DE102018106504A1; CN110310949A; US20210033804A1

Abstract

Anordnung mit einem TO-Gehäuse (1) und einer mit dem TO-Gehäuse verbundenen optischen Anschlussbaugruppe (20) zum Anschluss einer lichtleitenden Faser, umfassend einen Sockel (2) mit zumindest einem optoelektronischen Bauelement, wobei der Sockel (2) mit einer tiefgezogenen topfförmig ausgebildeten Metallkappe (3), die ein für elektromagnetische Strahlung durchlässiges Fenster, insbesondere ausgebildet als Linse (9), aufweist, verbunden ist, so dass das optoelektronische Bauelement in einem hermetisch verschlossenen Innenraum (6) angeordnet ist,
wobei die Seitenwand (11) der Metallkappe (3) angrenzend zum Sockel (2) einen Bereich aufweist, welcher eine geringere Wandstärke aufweist als ein darüber liegender Bereich der Seitenwand (11), wobei sich die Wandstärke in einem im Innenraum (6) des TO-Gehäuses (1) angeordneten Übergangsbereich (15) stufenförmig vergrößert, wobei ein Gehäuse der optischen Anschlussbaugruppe an einem gegenüber dem Bereich mit geringerer Wandstärke verdickten Seitenwand- und/oder Stirnwandbereich (13a, 13b) mit der Metallkappe (3) verschweißt ist,
und wobei der Boden des Sockels (2) von dem Übergangbereich (15) beabstandet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem TO-Gehäuse (Transistor Outline Gehäuse) sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Weiter betrifft die Erfindung ein optisches Datenübertragungssystem mit einer solchen Anordnung.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf sendeseitig verwendete TO-Gehäuse, also TO-Gehäuse, mit denen ein elektrisches Signal in ein Lichtsignal umgewandelt wird, um in einen Lichtleiter eingekoppelt zu werden. Insbesondere betrifft die Erfindung ein TO-Gehäuse, welches zur Einkopplung von Licht in eine Monomodefaser ausgebildet ist.
Hintergrund der Erfindung
In der faseroptischen Übertragungstechnik muss eine lichtleitende Faser, insbesondere eine Glasfaser, mit einer hohen Maßhaltigkeit vor eine entsprechende Optik montiert werden, um eine gute Einkopplung von Licht in den Faserkern zu gewährleisten. Dies gilt insbesondere bei Monomode-(engl. single mode) Fasern, deren Lichtleiterkern lediglich einen Durchmesser von etwa 9 µm aufweist. Die Anordnung der Bauteile zueinander darf sich später im Betrieb nicht bzw. nur sehr wenig verändern.
Aus der Praxis bekannt sind hermetisch verschlossene TO-Gehäuse, welche insbesondere aus einer tiefgezogenen Metallkappe bestehen, die durch Schweißen oder Löten mit einem Sockel verbunden ist, auf welchem die Empfangs- oder Sendediode sitzt.
Das TO-Gehäuse hat ein Fenster, das insbesondere als Linse ausgebildet ist. Um eine Einkopplung in einer lichtleitenden Faser zu gewährleisten, ist es aus der Praxis bekannt, das Gehäuse zunächst mit einer optischen Anschlussbaugruppe (Optical Sub Assembly) zu verbinden. Die optische Baugruppe kann entweder selbst als Kopplungselement für die lichtleitende Faser dienen oder kann selbst eine lichtleitende Faser enthalten, in welche Licht ein- oder ausgekoppelt wird und welche sodann, beispielsweise über eine Steckkupplung, mit der lichtleitenden Faser verbunden ist, über die das Datensignal über weite Strecken übertragen wird.
Die optischen Anschlussbaugruppen für Multimode-Fasern sind üblicherweise als Kunststoff-Spritzgussteile ausgebildet. Bereits aufgrund des unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten des Kunststoffs gegenüber dem Metallgehäuse, in welchem die Diode angeordnet ist, ist eine derartige optische Anschlussbaugruppe aus Kunststoff für Monomodefasern wenig geeignet.
Bei Monomodefasern ist es daher vorteilhaft, wenn die optische Anschlussbaugruppe ein Metallgehäuse umfasst und wenn dieses mit dem TO-Gehäuse verschweißt ist. So kann eine Anordnung bereitgestellt werden, bei welcher eine hohe Maßhaltigkeit zwischen TO-Gehäuse und optischer Anschlussbaugruppe gewährleistet ist.
Problematisch dabei ist dabei aber, dass durch das Schweißen, insbesondere durch Laserschweißen, Spannungen in das Gehäusematerial eingebracht werden, welche zumindest nach dem Abkühlen wiederum zu einer Geometrieveränderung führen. Dies gilt insbesondere im Hinblick darauf, dass die Gehäusewand einer tiefgezogenen Kappe für ein TO-Gehäuse in der Regel recht dünn sind, so dass zusätzlich auch die Gefahr besteht, dass die Gehäusewand beim Verschweißen perforiert wird, so dass die hermetische Abdichtung des Gehäuses verloren geht. Es ist aber auch nicht ohne Weiteres möglich, die Wandstärke zu erhöhen, da sich hierdurch die Geometrie des Gehäuses derart ändert, dass dieses nicht mehr den in der Praxis verwendeten Standardgehäusen entspricht.
Gemäß der Lehre der Druckschrift CN 2013 11504 Y ist es daher vorgesehen, dass die optische Anschlussbaugruppe nicht mit der Kappe des TO-Gehäuses verschweißt wird, sondern dass stattdessen ein Adapterring auf den Sockel des TO-Gehäuses geschweißt wird, welcher seinerseits mit der optischen Anschlussbaugruppe verbunden ist. Diese Vorgehensweise ist aufwendig und führt dazu, dass aufgrund des vorhandenen Adapterrings die aus TO-Gehäuse und optischer Anschlussbaugruppe gebildete Kombination von ihren Abmessungen her nicht mehr mit den vorher verwendeten Bauformen kompatibel ist. Des Weiteren werden durch den Adapterring als zusätzliches Bauelement weitere Form- und Lagetoleranzen in das System eingebracht, welche wiederum die Ausrichtung des Faserendes gegenüber dem einzukoppelnden Lichtspot beeinflussen können.
Die US 6,843,609 B2 zeigt ein optisches Modul mit einem Befestigungsmodul, meinem Linsenhalter, einer Linse und einem optischen Halbleiterlement, das optisch mit der Linse gekoppelt ist. Befestigungsmodul und Linsenhalter sind entlang einer festgelegten Achse angeordnet.
Das optische Modul der US 2001/0048794 A1 weist einen Schaft mit einem Abschlusselement auf. Auf dem Schaft ist ein optisches Gerät angeordnet und mit dem Abschlusselement elektrisch verbunden. Eine Kappe auf dem Schaft umschließt das optische Gerät. Da die Kappe mit hoher Präzision gefertigt wird, kann die Höhe der Kappe in Bezug auf den Schaft als Positionsreferenz genutzt werden.
Auch das optische Modul der US 2015/0085388 A1 kann die Genauigkeit bei der Positionierung einzelner Teile verbessern. Innerhalb einer Tonne wird ein Linsenhalter eingepasst. Zwischen Linse und Trommel wid ein Lötmaterial eingebracht. Beim Erhitzen von Trommel und Linse schmilzt das Lötmaterial, was zu einer Hartlötung führt. Dadurch wird das Glas der Linse zwischen Gussmetall fixiert und gepresst.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile des Standes der Technik zumindest zu reduzieren.
Es ist insbesondere die Aufgabe der Erfindung, auf einfache Weise ein TO-Gehäuse bereitzustellen, welches eine verbesserte Anschweißbarkeit einer optischen Anschlussbaugruppe ermöglicht, welches ansonsten aber mit aus dem Stand der Technik bekannten Bauformen kompatibel ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch ein TO-Gehäuse, durch eine Anordnung mit einem TO-Gehäuse, durch eine Metallkappe für ein TO-Gehäuse sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines TO-Gehäuses nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind dem Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie den Zeichnungen zu entnehmen.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem TO-Gehäuse (Transistor Outline Gehäuse) und einer mit dem TO-Gehäuse verbundenen optischen Anschlussgruppe zum Anschluss einer lichtleitenden Faser, umfassend einen Sockel mit zumindest einem optoelektronischen Bauelement wobei der Sockel mit einer tiefgezogenen topfförmig ausgebildeten Metallkappe, die ein für elektromagnetische Strahlung durchlässiges Fenster, insbesondere ausgebildet als Linse, aufweist, verbunden ist, so dass das optoelektronische Bauelement in einem hermetisch verschlossenen Innenraum angeordnet ist,
wobei die Seitenwand der Metallkappe angrenzend zum Sockel einen Bereich aufweist, welcher eine geringere Wandstärke aufweist als ein darüber liegender Bereich der Seitenwand, wobei sich die Wandstärke in einem im Innenraum des TO-Gehäuses angeordneten Übergangsbereich stufenförmig vergrößert, wobei ein Gehäuse der optischen Anschlussbaugruppe an einem gegenüber dem Bereich mit geringerer Wandstärke verdickten Seitenwand- und/oder Stirnwandbereich mit der Metallkappe verschweißt ist, und wobei der Boden des Sockels von dem Übergangbereich beabstandet ist.
Um die auf dem Sockel angeordneten elektronischen und optoelektronischen Bauelemente anschließen zu können, umfasst der Sockel elektrische Durchführungen. Diese verlaufen insbesondere von seiner Oberseite bis zu seiner Unterseite und sind vorzugsweise als eingeglaste Anschlusspins ausgebildet. Der Sockel besteht vorzugsweise aus einem Metall, kann gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung aber auch aus einer Keramik bestehen.
Der Sockel ist mit einer topfförmig ausgebildeten Metallkappe verbunden. Die topfförmige Metallkappe umfasst einen vorzugsweise ebenen Boden, welcher die Stirnwand des TO-Gehäuses bildet und von dem aus eine Seitenwand ausgeht. Die Metallkappe hat insbesondere einen kreiszylindrischen Querschnitt, kann gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung aber auch einen ovalen Querschnitt aufweisen. Die Seitenwand kann aber auch konisch ausgebildet sein.
Die Metallkappe umfasst ein für elektromagnetische Strahlung durchlässiges Fenster, welches insbesondere als Linse ausgebildet ist.
Das Fenster bzw. die Linse ist insbesondere als Glasfenster bzw. Glaslinse ausgebildet, welche mittels eines Glaslots
in einer zentralen Öffnung der Metallkappe in deren Stirnwand befestigt ist.
Metallkappe und Sockel sind insbesondere durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden. Hierdurch wird ein hermetisch verschlossener Innenraum ausgebildet, in welchem das optoelektronische Bauelement angeordnet ist.
Die Metallkappe ist insbesondere als tiefgezogene Metallkappe ausgebildet.
Gemäß der Erfindung umfasst die Wand der Metallkappe zumindest einen Seitenwand- und/oder Stirnwandbereich, welcher in Richtung des Innenraums des TO-Gehäuses gegenüber einem Bereich der Seitenwand der Metallkappe angrenzend zum Sockel verdickt ausgebildet ist.
Die Metallkappe umfasst also angrenzend zum Sockel einen Bereich der Seitenwand, welcher eine geringere Wandstärke aufweist als ein darüber liegender Bereich der Seitenwand und/oder der Stirnwand. Der Übergangsbereich, in welchem sich die Wandstärke, insbesondere stufenförmig, vergrößert, befindet sich im Innenraum des TO-Gehäuses.
So kann eine Metallkappe bereitgestellt werden, welche von den Außenabmessungen, insbesondere vom Durchmesser her, mit bereits aus dem Stand der Technik bekannten Bautypen identisch ist, bei dem aber die Wand stirnseitig und/oder in einem Bereich der Seitenwand derart verdickt ausgebildet ist, dass das Anschweißen einer optischen Anschlussbaugruppe aus Metall, insbesondere mittels Laserpunktschweißen, auf einfache Weise möglich ist, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Gehäusewand der Metallkappe des TO-Gehäuses perforiert wird.
Gleichzeitig wird durch den verdickten Bereich die mechanische Stabilität derart erhöht, dass die durch das Einschweißen eingebrachte Spannung in das Material des Gehäuses reduziert wird.
Die Geometrieeigenschaften scheinen des Weiteren auch dadurch verbessert zu werden, dass durch die dünnere Wandstärke im Bereich des Sockels mechanische Spannungen aufgenommen werden können.
Weitere wird durch die dünnere Wandstärke im Bereich des Sockels die Wärmeübertragung im Betrieb in Richtung der Stirnwand verringert, was ebenfalls dazu beiträgt, Geometriefehler aufgrund thermischer Verformungen zu reduzieren.
Vorzugsweise weist der verdickte Seitenwand- und/oder Stirnwandbereich gegenüber dem Bereich der Metallkappe angrenzend zum Sockel mindestens die 1,2fache, besonders bevorzugt die 1,5fache und/oder weniger als die 5fache, besonders weniger als die 2,5fache Wandstärke auf.
Es ist weiter vorzugsweise vorgesehen, dass der Bereich der Seitenwand angrenzt zum Sockel, eine Wandstärke von 0,1 bis 0,25 mm aufweist, wohingegen der verdickte Seitenwand- und/oder Stirnwandbereich eine Dicke von 0,3 bis 1,0 mm aufweist.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der Boden des Sockels, also die Oberseite des Sockels, auf dem zumindest das optoelektronische Bauelement montiert ist, von einem Übergangsbereich der Seitenwand der Metallkappe, in welchem sich die Wandstärke ändert, beabstandet.
Der mit der Metallkappe verbundene Sockel füllt also nicht den gesamten Bereich, in welchem die Seitenwand dünner ausgebildet ist, aus, sondern endet in dem Abschnitt mit geringerer Wandstärke.
Hierdurch wird die Wärmeübertragung in Richtung der Stirnwand und damit auch in Richtung der optischen Anschlussbaugruppe reduziert.
Weiter ändert sich die Fläche, auf welche auf der Oberseite des Sockels elektronische Bauelemente montiert werden können, nicht.
So ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass ein auf dem Sockel angeordnetes elektronisches Bauelement unter den Übergangsbereich ragt.
Der Übergangsbereich, in dem sich die Wandstärke vergrößert, ist insbesondere als über der Oberseite des Sockels angeordnete Stufe in der Gehäusewand ausgebildet. Unterhalb dieser Stufe kann ein elektronisches Bauelement bzw. der Teil eines elektronischen Bauelements, insbesondere auch eine elektrische Kontaktierung eines elektronischen Bauelements, angeordnet sein.
Die Metallkappe hat vorzugsweise einen Außendurchmesser (gemessen angrenzend zur Stirnwand) von mindestens 2 mm, vorzugsweise mindestens 2,5 mm und/oder höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 4,5 mm.
Das Gehäuse der Metallkappe und/oder das Gehäuse der optischen Anschlussbaugruppe besteht vorzugsweise aus einem Material mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α (Mittelwert zwischen 20 und 300 °C) von weniger als 14 ppm/K, besonders bevorzugt weniger als 12 ppm/K.
Das Gehäuse der Metallkappe kann insbesondere aus einer Eisen-Nickel- oder Nickel-Kobalt-Legierung bestehen. Weiter kann das Gehäuse der Metallkappe mit einer korrosionsschützenden Beschichtung, insbesondere einer nickel- und/oder goldhaltigen Beschichtung, versehen sein. Weiter können für das Gehäuse der Metallkappe auch ferritische Edelstähle verwendet werden. Diese haben den Vorteil, dass diese nicht mit einer korrosionsschützenden Beschichtung beschichtet werden müssen.
Das Gehäuse der optischen Anschlussbaugruppe kann ebenfalls aus einer Eisen-Nickel- oder Nickel-Kobalt-Legierung bestehen.
Weiter können für das Gehäuse der optischen Anschlussbaugruppe auch Edelstähle, insbesondere ferritische Edelstähle, verwendet werden. Diese haben den Vorteil, dass diese nicht mit einer korrosionsschützenden Beschichtung beschichtet werden müssen.
Das Fenster besteht vorzugsweise aus einem Glas, dessen thermischer Längenausdehnungskoeffizient α dem 0,90 bis 1,10fachen Längenausdehnungskoeffizient des Materials der Metallkappe entspricht.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das TO-Gehäuse mit einer optischen Anschlussbaugruppe zum Anschluss einer Monomodefaser verbunden. Die optische Anschlussbaugruppe kann eine Monomodefaser umfassen oder mit einer Monomodefaser verbunden sein. Diese hat insbesondere einen lichtleitenden Kern mit einem Durchmesser von unter 10 µm.
Das TO-Gehäuse ist insbesondere als Gehäuse des Typs TO-41, TO-46, TO-38 oder TO-56 ausgebildet.
Der verdickte Bereich der Seitenwand erstreckt sich vorzugsweise über mindestens 30 %, besonders bevorzugt mindestens 50 % und/oder weniger als 90 %, vorzugsweise weniger als 80 % der Höhe der Seitenwand.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Anordnung mit einem vorstehend beschriebenen TO-Gehäuse und einer mit dem TO-Gehäuse verbundenen optischen Anschlussbaugruppe zum Anschluss einer Monomodefaser.
Ein Gehäuse der optischen Anschlussbaugruppe ist an dem verdickten Seitenwand- und/oder Stirnwandbereich mit der Metallkappe verschweißt.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass ein Metallgehäuse der optischen Anschlussbaugruppe mittels einer Vielzahl von Schweißpunkten, insbesondere Laserschweißpunkten, mit der Metallkappe verbunden ist.
Sofern die optische Anschlussbaugruppe mit der Stirnwand verbunden ist, erstrecken sich die Schweißpunkte vorzugsweise kreisförmig um eine Mittelachse der Metallkappe.
Im Falle einer Verschweißung mit der Seitenwand bildet vorzugsweise das Gehäuse der optischen Anschlussbaugruppe eine Hülse, in welcher die Metallkappe angeordnet ist, wobei sich eine Vielzahl von Schweißpunkten um die Hülse herum erstrecken.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind Metallkappe und Gehäuse der optischen Anschlussbaugruppe mittels einer Vielzahl von Schweißpunkten verschweißt, wobei die Schweißpunkte unregelmäßig um den Umfang des Gehäuses der optischen Anschlussbaugruppe verteilt sind.
Durch das Setzen von Schweißpunkten während eines Testbetriebs kann, wie im Folgenden noch ausführlicher erläutert wird, über die Schweißpunkte selbst eine Korrektur von Form- und Lagetoleranzen derart vorgenommen werden, dass das von einem Emitter abgestrahlte Licht als axial ausgerichteter Spot auf das Ende des lichtleitenden Kerns der optischen Faser fokussiert wird.
Dies führt zu einer unregelmäßig verteilten Anordnung von Schweißpunkten, bei welcher also die Schweißpunkte nicht jeweils zueinander denselben Winkel einnehmen, sondern in unterschiedlichen Winkeln zueinander um den Umfang verteilt sind.
Die Metallkappe der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem TO-Gehäuse kann insbesondere alle vorstehend im Zusammenhang mit der Metallkappe beschriebenen Merkmale aufweisen.
Die Metallkappe umfasst ein topfförmig ausgebildetes Gehäuse, also ein Gehäuse mit einer vorzugsweise kreiszylindrischen Ausgestaltung, bei welchem von dem als Stirnwand bezeichneten Boden, in welchem eine Öffnung für das Fenster angeordnet ist, seitlich eine umlaufende Seitenwand nur in eine Richtung ausgeht.
Die Seitenwand weist einen unteren Bereich auf, der gegenüber dem an den unteren Bereich angrenzenden Bereich der Seitenwand und/oder gegenüber der Stirnwand eine geringere Wandstärke aufweist.
Ein insbesondere stufenförmig ausgebildeter Übergangsbereich, in welchem sich die Wandstärke ändert, ist dabei im Inneren der topfförmigen Kappe, vorzugsweise an deren innerer Seitenwand, angeordnet.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung des vorstehend beschriebenen TO-Gehäuses.
Dabei wird ein Rohling für eine Metallkappe aus einem Blech ausgestanzt und geprägt, so dass Bereiche unterschiedlich dicker Wandstärke sowie eine Öffnung entstehen.
Es ist insbesondere vorgesehen, eine ringförmige Vorstufe in einem Blech zu erzeugen, bei welchem ein äußerer Bereich des Rings derart geprägt wird, dass dieser eine geringere Wandstärke als ein innerer Bereich des Rings aufweist.
Diese Vorstufe wird in nachfolgenden Stationen des Werkzeugs zu einer Metallkappe tiefgezogen und nach dem Tiefziehen wird ein Fenster, insbesondere eine Linse, in die Öffnung gesetzt.
Stanzen, Prägen und Tiefziehen werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in demselben Werkzeug ausgeführt.
Es hat sich herausgestellt, dass es in einem einzigen Verfahrensschritt mit einem geeigneten Werkzeug möglich ist, eine topfförmige Metallkappe bereitzustellen, welche einen unteren Bereich der Seitenwand aufweist, der dünner ausgebildet ist, als ein darüber liegender Bereich der Seitenwand. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass in einem ersten Schritt aus einem Blech ein Ring ausgestanzt und gleichzeitig derart geprägt wird, dass ein äußerer Bereich dünner ausgebildet ist. Sodann kann, beispielsweise mittels eines Dorns, der Ring zu einer Metallkappe, insbesondere einer Metallkappe mit einem Flansch gegenüber der Stirnwand, tiefgezogen werden.
Figurenliste
Der Gegenstand der Erfindung soll im Folgenden bezugnehmend auf die Zeichnungen 1 bis 6 anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

1 zeigt in einer Schnittansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen TO-Gehäuses.
2 zeigt, wie das in 1 dargestellte TO-Gehäuse mit einer optischen Anschlussbaugruppe verbunden ist. Die optische Anschlussbaugruppe ist dabei mit der Stirnwand der Metallkappe des TO-Gehäuses verbunden.
3 zeigt eine gegenüber 2 alternative Ausführungsform, bei welcher das Fenster des TO-Gehäuses als Scheibe ausgebildet ist.
4 ist eine stirnseitige Draufsicht auf das mit der optischen Anschlussbaugruppe verbundene TO-Gehäuse gemäß 2 oder 3.
5 ist eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform, bei welcher eine optische Anschlussbaugruppe mit der Seitenwand des TO-Gehäuses verbunden ist.
6 ist ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels, in welchem die Verfahrensschritte zum Herstellen einer Anordnung aus TO-Gehäuse und optischer Anschlussbaugruppe dargestellt sind.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen TO-Gehäuses 1.
Das TO-Gehäuse 1 umfasst einen Sockel 2, auf dessen Oberseite 26 zumindest ein optoelektronisches Bauelement angeordnet ist.
In diesem Ausführungsführungsbeispiel befindet sich auf dem Sockel 2 ein Emitter 7, der dazu dient, ein elektrisches Signal in ein Lichtsignal umzuwandeln. Weiter befindet sich neben dem Emitter 7 eine Monitor-Diode 8, über die die Ausgangsleitung des Emitters geregelt wird. Der Emitter 7 kann insbesondere als Kantenstrahler mit einem um 45° dazu gedrehten Spiegel (nicht dargestellt) ausgebildet sein.
Der Sockel 2 umfasst eine Mehrzahl elektrischer Durchführungen, über welche Emitter 7 und Monitor-Diode 8 kontaktiert sind. Diese sind als Anschlusspins 4 aus der Unterseite 16 des Sockels 2 herausgeführt.
Die Anschlusspins 4 können mit einer Leiterplatte, insbesondere einer flexiblen Leiterplatte 5, verbunden werden.
Ein derartiger, mit einem optoelektronischen Bauelement bestückter Sockel 2 ist als solcher aus dem Stand der Technik bekannt.
Der Sockel 2 ist mit einer Metallkappe 3 derart verbunden, dass ein hermetisch verschlossenes TO-Gehäuse 1 ausgebildet ist, in dessen Innenraum 6 die elektronischen Bauteile angeordnet sind.
Insbesondere kann der Sockel 2 im Verbindungsbereich 17 mit der Seitenwand 11 der Metallkappe und/oder am Flansch 29 mit einem Flansch 14 der Metallkappe 3 verlötet oder verschweißt sein.
Die Metallkappe 3 ist topfförmig ausgebildet und umfasst eine Stirnwand 27, von welcher die Seitenwand 11 abgeht.
Gegenüber der Stirnwand 27 umfasst die Metallkappe 3 einen seitlich abgekragten Flansch 14, welcher einer verbesserten Anbindung an den Sockel 2 und einer verbesserten mechanischen Stabilität dient.
Die Metallkappe 3 ist im Wesentlichen kreiszylinderförmig ausgebildet und umfasst eine zentrale Öffnung 10, in welcher ein Fenster, in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet als Linse 9, angeordnet ist. Die Linse 9 ist insbesondere mittels eines Lotglases in eine Öffnung 10 der Stirnwand 27 eingesetzt.
Im Unterschied zum Stand der Technik umfasst die Metallkappe 3 einen zumindest abschnittweise an den Sockel 2 angrenzenden Bereich 12 der Seitenwand 11, gegenüber welchem ein in Richtung der Stirnwand 27 angrenzender Bereich der Seitenwand 13a sowie der daran angrenzende Bereich der Stirnwand 13b verdickt ausgebildet ist.
Es ist in diesem Ausführungsbeispiel oberhalb der Oberseite 26 des Sockels 2 ein Übergangsbereich 15, insbesondere ausgebildet als Stufe, vorgesehen, in welchem sich die Wandstärke der tiefgezogenen Metallkappe 3 erhöht.
Die Außenabmessungen der Metallkappe 3 können einer aus dem Stand der Technik bekannten Bauform entsprechen.
Aufgrund der verdickten Wandstärke in den Bereichen 13a und 13b ist in diesen Bereichen die mechanische Stabilität erhöht und es lässt sich auf einfache Weise eine optische Anschlussbaugruppe 20 (Optical Sub Assembly) durch Schweißen anbringen.
Gleichzeitig wird durch den dünneren Bereich 12 der Seitenwand 11 angrenzend zum Sockel 2 die Wärmeübertragung in Richtung der Stirnwand 27 der Metallkappe 3 verringert.
Da der Übergangsbereich 15 von der Oberseite 26 des Sockels 2 beabstandet ist, kann in dem Bereich 28 unterhalb des Übergangsbereichs 15 ein elektronisches Bauelement angeordnet sein.
Die Fläche, auf welcher elektronische Bauelemente auf der Oberseite 26 des Sockels 2 montiert werden können, wird in vorteilhafter Weise gemäß einer Ausführungsform der Erfindung daher nicht eingeschränkt.
Weiter ist gegenüber dem Stand der Technik keine Änderung des Sockels 2, insbesondere seines Durchmessers, erforderlich.
2 zeigt in einer schematischen Schnittansicht, wie das in 1 dargestellte TO-Gehäuse 1 mit einer optischen Anschlussbaugruppe 20 gekoppelt ist.
Die optische Anschlussbaugruppe 20 umfasst ein Gehäuse 18 aus Metall, welches in diesem Ausführungsbeispiel einen Lichtleiter 21 umfasst, welcher vorzugsweise als Monomodefaser ausgebildet ist. Bei dem Lichtleiter 21 handelt es sich insbesondere um eine Monomodefaser mit einem Außendurchmesser von 50 bis 250 µm, welche in eine Ferrule, insbesondere eine Keramik-Ferrule eingesetzt ist und welche zur Kopplung dient.
Die optische Anschlussbaugruppe 20 umfasst einen Flansch 22, mit welchem das Gehäuse 18 an der Stirnwand 27 des TO-Gehäuses 1, welche verdickt ausgebildet ist, angeschweißt ist. Zwischen TO-Gehäuse 2 und optischer Anschlussbaugruppe 20 ist keine hermetische dichte Verbindung erforderlich, es genügen vielmehr Schweißpunkte zum Verbinden dieser Komponenten.
Über die Linse 9 wird in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung das von dem Emitter 7 abgestrahlte Licht direkt auf das Ende des lichtleitenden Kerns des Lichtleiters 21 fokussiert.
Weiter umfasst die optische Anschlussbaugruppe 20 in diesem Ausführungsbeispiel die Kupplung 19, welche der Ankopplung eines Lichtleiters dient. Die Kupplung 19 kann insbesondere als Steckverbindung ausgebildet sein.
3 zeigt eine gegenüber 2 alternative Ausführungsform der Erfindung.
Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kappe 3 des TO-Gehäuses 1 mit einem Fenster versehen, welches nicht als Linse, sondern als Scheibe 23 ausgebildet ist.
Stattdessen umfasst die optische Anschlussbaugruppe 20 eine Linse 24, über welche wiederum Licht auf das Ende des Kerns des Lichtleiters 21 fokussiert wird.
Die optische Anschlussbaugruppe 20 umfasst ebenfalls eine Kupplung 19.
4 ist eine Draufsicht auf die Stirnseite der Anordnung aus TO-Gehäuse und optischer Anschlussbaugruppe, wie sie in 2 oder 3 dargestellt ist.
Zu erkennen ist, dass der Flansch 22 der optischen Anschlussbaugruppe 20 mit einer Vielzahl von Schweißpunkten 25a bis 25g mit der Stirnwand 27 der Metallkappe 3 verbunden ist.
Das Setzen der Schweißpunkte 25a bis 25g erfolgt im Testbetrieb, wobei über die Monitor-Diode (8 in 1) die Effizienz der Einkopplung in den Lichtleiter 21 geprüft wird.
Da über die Schweißpunkte 25a bis 25g aufgrund von thermischer Ausdehnung sowie aufgrund von Gefügeveränderungen des Materials Spannungen in das Material eingebracht werden, kann durch die Position der Schweißpunkte 25a bis 25g eine Feinausrichtung derart vorgenommen werden, dass der über die Linse 9, 24 auf den Kern des Faserendes projizierte Spot axial zum Kern ausgerichtet ist.
Die Schweißpunkte 25a bis 25g sind daher unregelmäßig verteilt, nehmen also zueinander unterschiedliche Winkel bezüglich der Mittelachse ein.
5 ist eine schematische Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform ist eine optische Anschlussbaugruppe 20 mit einem TO-Gehäuse 1 verbunden, wobei die optische Anschlussbaugruppe nicht mit der Stirnwand 27, sondern mit der Seitenwand 11 der Metallkappe 3 verbunden ist.
Die entsprechenden Schweißpunkte, die das Gehäuse 18 mit der Kappe 3 verbinden (nicht dargestellt), sind dabei in einem verdickten Bereich 13a der Seitenwand 11 angeordnet.
Auch das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel einer optischen Anschlussbaugruppe umfasst eine lichtleitende Faser 21 sowie eine Kupplung 19 zum Anschluss an ein optisches Übertragungssystem. Vorzugsweise umfasst die Kupplung 19 eine Ferrule, in welche die lichtleitende Faser eingesetzt ist.
Bezugnehmend auf das Flussdiagramm gemäß 6 soll erläutert werden, wie die vorstehend dargestellten TO-Gehäuse 1 hergestellt werden können.
Zunächst wird aus einem Blech, insbesondere einem Blech aus einer niedrig dehnenden Legierung, ein ringförmiger Rohling für die Metallkappe 3 ausgestanzt und derart geprägt, dass der Randbereich eine dünnere Wandstärke aufweist als der restliche Bereich des Rohlings.
Sodann wird der Rohling zu einer Metallkappe 3 tiefgezogen. Das Tiefziehen erfolgt vorzugsweise im selben Werkzeug wie das Ausstanzen und Prägen.
In eine zentrale Öffnung 10 der Kappe wird ein Fenster, vorzugsweise in Form einer Linse 9, eingesetzt und z.B. mittels eines Glaslots befestigt.
Sodann wird die Metallkappe 3 mit dem Sockel 2 verschweißt oder verlötet, wobei der Sockel bereits mit einem optoelektronischen Bauelement bestückt ist. Das Verschweißen erfolgt unter Schutzgas und erzeugt eine gasdichte Verbindung
Um die optische Anschlussbaugruppe 20 mit dem TO-Gehäuse 1 zu verbinden, wird dieses zunächst in einen Testbetrieb genommen und über einer an der optischen Anschlussbaugruppe angekoppelten Lichtleiter (nicht dargestellt) mit einem Messgerät zur Messung der ausgekoppelten Leistung verbunden.
Die optische Anschlussbaugruppe 10 wird aufgesetzt und gegenüber dem TO-Gehäuse 1 so justiert, dass eine maximale Leistung aus dem TO-Gehäuse 1 ausgekoppelt wird, was laufend über das Messgerät kontrolliert wird. Sodann werden zunächst Schweißpunkte gesetzt, um optische Anschlussbaugruppe 20 und Metallkappe 3 miteinander zu verbinden (z.B. die drei regelmäßig um den Umfang verteilten Schweißpunkte 25a, 25c und 25e).
Anschließend können weitere Schweißpunkte 25b, 25d, 25f, 25g gesetzt werden, um eine Feinjustage der Bauelemente vorzunehmen und so das Signal zu optimieren.
Durch die Erfindung konnte ein TO-Gehäuse bereitgestellt werden, welches insbesondere für eine Sendediode in einem optischen Datenübertragungsnetzwerk verwendet wird. Das TO-Gehäuse ermöglicht eine vereinfachte Befestigung einer optischen Anschlussbaugruppe mittels Schweißen, wobei gleichzeitig die Abmessungen von bekannten Baumustern sowie die Ausgestaltung des Sockels beibehalten werden kann.
Bezugszeichenliste

1: TO-Gehäuse
2: Sockel
3: Metallkappe
4: Anschlusspin
5: Leiterplatte
6: Innenraum
7: Emitter
8: Monitor-Diode
9: Linse
10: Öffnung
11: Seitenwand
12: Bereich der Seitenwand angrenzend zum Sockel
13a: verdickter Seitenwandbereich
13b: verdickter Stirnwandbereich
14: Flansch
15: Übergangsbereich
16: Unterseite
17: Verbindungsbereich
18: Gehäuse
19: Kupplung
20: optische Anschlussbaugruppe
21: Lichtleiter
22: Flansch
23: Scheibe
24: Linse
25a-25g: Schweißpunkte
26: Oberseite
27: Stirnwand
28: Bereich unter dem Übergangsbereich
29: Flansch

Claims

Anordnung mit einem TO-Gehäuse (1) und einer mit dem TO-Gehäuse verbundenen optischen Anschlussbaugruppe (20) zum Anschluss einer lichtleitenden Faser, umfassend einen Sockel (2) mit zumindest einem optoelektronischen Bauelement, wobei der Sockel (2) mit einer tiefgezogenen topfförmig ausgebildeten Metallkappe (3), die ein für elektromagnetische Strahlung durchlässiges Fenster, insbesondere ausgebildet als Linse (9), aufweist, verbunden ist, so dass das optoelektronische Bauelement in einem hermetisch verschlossenen Innenraum (6) angeordnet ist, wobei die Seitenwand (11) der Metallkappe (3) angrenzend zum Sockel (2) einen Bereich aufweist, welcher eine geringere Wandstärke aufweist als ein darüber liegender Bereich der Seitenwand (11), wobei sich die Wandstärke in einem im Innenraum (6) des TO-Gehäuses (1) angeordneten Übergangsbereich (15) stufenförmig vergrößert, wobei ein Gehäuse der optischen Anschlussbaugruppe an einem gegenüber dem Bereich mit geringerer Wandstärke verdickten Seitenwand- und/oder Stirnwandbereich (13a, 13b) mit der Metallkappe (3) verschweißt ist, und wobei der Boden des Sockels (2) von dem Übergangbereich (15) beabstandet ist.
Anordnung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der verdickte Seitenwand- und/oder Stirnwandbereich (13a, 13b) gegenüber dem Bereich der Metallkappe (3) mit geringerer Wandstärke angrenzend zum Sockel (2) mindestens die 1,2fache, vorzugsweise mindestens die 1,5fache und/oder weniger als die 5fache Wandstärke aufweist.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Seitenwand mit geringerer Wandstärke angrenzend zum Sockel (12) eine Wandstärke von 0,10-0,25 mm, und dass der verdickte Seitenwand- und/oder Stirnwandbereich (13a, 13b) eine Wandstärke von 0,3-1,0 mm aufweist.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkappe (3) als tiefgezogene Kappe mit einer eingelöteten Linse (9) ausbildet ist.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkappe (3) einen Außendurchmesser von mindestens 2 mm, vorzugsweise mindestens 2,5 mm und/oder höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 4,5 mm aufweist, und/oder dass das Gehäuse (18) der Metallkappe (3) und/oder das Gehäuse (18) der optischen Anschlussbaugruppe (20) aus einem Material mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α (Mittelwert zwischen 20 und 300 °C) von weniger als 14 ppm/K, vorzugsweise weniger als 12 ppm/K besteht, und/oder dass zumindest das Gehäuse (18) der Metallkappe (3) aus einer Eisen-Nickel- oder Nickel-Kobalt-Legierung oder aus einem ferritischen Edelstahl besteht, und/oder dass das TO-Gehäuse (1) mit einer optischen Anschlussbaugruppe (20) zum Anschluss einer Monomodefaser verbunden ist, und/oder dass das TO-Gehäuse (1) ein Gehäuse des Typs TO-41, TO-46, TO-38 oder TO-56 ausgebildet ist, und/oder dass sich der der verdickte Bereich der Seitenwand (13a) über mindestens 30 %, vorzugsweise mindestens 50 % und/oder weniger als 90 %, vorzugsweise weniger als 80 % der Höhe der Seitenwand erstreckt.
Anordnung mit einem TO-Gehäuse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Metallkappe (3) und Gehäuse (18) der optischen Anschlussbaugruppe (20) mittels einer Vielzahl von Schweißpunkten, insbesondere unregelmäßig um den Umfang des Gehäuses (18) der optischen Anschlussbaugruppe (20) verteilten Schweißpunkten, miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines TO-Gehäuses (1) mit einem der Sockel (2) mit zumindest einem optoelektronischen Bauelement, der und mit einer topfförmig ausgebildeten Metallkappe (3), die ein für elektromagnetische Strahlung durchlässiges Fenster aufweist, verbunden ist, so dass das optoelektronische Bauelement in einem hermetisch verschlossenen Innenraum (6) angeordnet ist, wobei die Wand der Metallkappe (3) zumindest einen Seitenwand- und/oder Stirnwandbereich aufweist, welcher in Richtung des Innenraums (6) gegenüber einem Bereich der Seitenwand der Metallkappe angrenzend zum Sockel (12) verdickt ausgebildet ist, wobei ein Rohling für die Metallkappe (3) aus einem Blech ausgestanzt und geprägt wird, so dass Bereiche unterschiedlich dicker Wandstärke sowie eine Öffnung (10) entstehen und wobei der Rohling zu der Metallkappe (3) tiefgezogen wird, wobei nach dem Tiefziehen ein Fenster, insbesondere eine Linse (9), in die Öffnung (10) gesetzt wird.
Optisches Datenübertragungssystem, umfassend eine Anordnung mit einem TO-Gehäuse (1) und einer optischen Anschlussbaugruppe (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das TO-Gehäuse (1) einen Emitter (7) umfasst, dessen Licht in eine Monomodefaser eingekoppelt wird.