DE10209047A1

DE10209047A1 - Faseroptisches Kommunikationsmodul und Verfahren zum Betreiben eines solchen Moduls

Info

Publication number: DE10209047A1
Application number: DE2002109047
Authority: DE
Inventors: Alexander Dabek; Peter Gulden; Martin Vossiek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2003-12-18
Also published as: AU2003212204A8; WO2003075064A2; AU2003212204A1; WO2003075064A3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kommunikationsmodul (10) mit einer Aufnahmeeinrichtung (11) für einen Leiter (12) zum Übertragen optischer Signale, einem Substrat (13; LTCC) mit elektrischen Anschlüssen und/oder Bauelementen, wobei zumindest ein Teil der elektrischen Anschlüsse zum Übertragen elektrischer Signale ausgebildet ist, und einer elektro-optischen Baueinrichtung (15) zum Umwandeln von optischen Signalen in elektrische Signale und/oder umgekehrt, wobei die elektro-optische Baueinrichtung (15) mit dem Substrat gekoppelt ist und deren optische Reaktionsfläche in oder parallel zu einer elektrischen Signalebene der elektro-optischen Baueinrichtung (15) und des Substrats (13) angeordnet ist. DOLLAR A Zum Verbessern der Eigenschaften des Moduls wird vorgeschlagen, den Leiter (12) derart zuzuordnen, dass die Austrittsrichtung optischer Signale aus dem Leiter (12) in einer optischen Ebene liegt, welche von der elektrischen Ebene entkoppelt und nicht parallel verschieden ist, insbesondere senkrecht dazu verläuft, wobei die optischen Signale durch eine optische Öffnung des Substrats laufen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein faseroptisches Kommunikationsmodul mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verbindungsmodul damit bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Moduls.

In Kommunikationssystemen sind für die Übertragung von optischen Signalen Lichtleiter in Form dielektrischer Wellenliter, z. B. optische Fasern und planare Wellenleiter aus Kunststoffen bekannt. Unter Signalübertragung ist insbesondere auch Datenübertragung zu verstehen. Leitungsgebundene elektrische Signale werden in Kommunikationsmodulen zur Übertragung in optische Signale umgewandelt und an der Signalsenke in entsprechenden Kommunikationsmodulen zu elektrischen Signalen zurückgewonnen.

Konventionelle optische Kommunikationsmodule zum Umsetzen optischer Signale in elektrische Signale bestehen dabei, wie aus Fig. 9 ersichtlich, aus einem Detektor, der optische Signale empfängt und entsprechende elektrische Signale ausgibt, diskreten Verstärkern, einem Mischer und einem Integratorelement. Die diskrete Realisierung einer solchen Anordnung macht eine aufwendige Verstärkung zwischen den einzelnen Elementen erforderlich. Außerdem treten durch die Verwendung der vielen Komponenten Anpassungsprobleme, Überkopplungen und eine Erhöhung des Rauschpegels auf.

Diese Probleme können durch die Verwendung von integrierten elektro-optischen Mischern gelöst bzw. vermindert werden, wie sie in Fig. 10 dargestellt sind. Dabei werden elektrische Signale bzw. Daten in einem Modulator moduliert und in optische Signale umgewandelt, welche dann in einen Lichtleiter eingekoppelt werden. Der Lichtleiter führt in das Kommunikationsmodul, in dem ein opto-elektrischer Wandler, ein Mischer und ein Integrator zumindest funktionell aufgenommen sind. Die elektro-optischen Mischer kombinieren die Funktionalität von Detektor und Mischer sowie je nach Realisierung auch des Integrators in einem einzigen Bauteil. Dadurch entfallen die Zwischenverstärker sowie die Übergangsprobleme. Zudem bietet die integrierte Natur bessere Rauschunterdrückung.

Zum Betrieb derzeit bekannter optischer Kommunikationsmodule sind Modulationsverfahren bekannt, die im Basisband arbeiten. Bei diesen Verfahren werden die Daten in binärer Abstufung als 0 oder 1 kodiert. Bei nicht im Basisband arbeitenden Verfahren (ASK, PSK. . .) werden die Daten als Amplitudenzustände, Frequenz oder Phasenzustände mit mehreren diskreten Werten, z. B. A1 = 1, A2 = 2. . ., codiert und gesendet. Bei dem in Fig. 11 schematisch dargestellten System werden optische Signale bzw. Daten mittels eines Lichtleiters in das Kommunikationsmodul eingeführt. Darin sind ein opto-elektrischer Wandler, mindestens ein balancierter Mischer oder zwei einzelne Mischer und je ein Integrator zumindest funktionell aufgenommen. Die Integratorausgänge sind mit einer differenzbildenden Schaltung, z. B. einem Operationsverstärker oder einem sogenannten Switched Capacitor Differenzbilder verbunden, dessen Ausgangssignal einem Codegenerator zugeführt wird. Der vom Codegenerator erzeugte Code wird mit positivem bzw. negativem Wert dem einen bzw. dem anderen der Mischer zugeführt. Signale des Ausgangs des einen Integrators werden über einen Komparator/Schwellenwertentscheider zugeführt, der rekonstruierte elektromagnetische Daten ausgibt.

Bei dieser Verfahrensweise legt die Bandbreite der Elektronik direkt die maximale Übertragungsrate fest. Häufig wird die Datenfehlerrate durch die Verwendung von geeigneten digitalen Modulationscodes reduziert. Dafür werden die zu sendenden Daten mit einer Kodierungsfolge kodiert und gesendet. Anschließend werden dann die Daten von einem Detektor in elektrische Signale zurückverwandelt, in einem Mischer mit der Kodierungsfolge überlagert und im Falle eines optimalen Korrelationsempfängers direkt Kurzzeit-integriert. Solche Verfahren können auch mit neuartigen elektro-optischen bzw. opto- elektrischen Mischerelementen durchgeführt werden, wie sie für sich genommen z. B. aus [I] bekannt sind.

Nachteilhaft bei der Modultechnik faseroptischer Transceiver ist, dass die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) faseroptischer Sende- und Empfangsmodule für alle technischen Einsatzbereiche kostenintensiv ist, da sie fast immer den überwiegenden Anteil an den Modulkosten ausmacht. Verbesserungen der Aufbau- und Verbindungstechnik können deshalb einen wichtigen Wettbewerbsvorteil bringen. Obwohl verschiedene Forscherteams unterschiedliche Realisationen je nach Zielmarkt gewählt haben, ergeben sich trotzdem Gemeinsamkeiten bei den Implementierungen, wie dies aus der Tabelle in Fig. 12 ersichtlich ist.

Die grundlegende Gemeinsamkeit aller veröffentlichter Transceiver, d. h. Sende- und Empfangselemente, ist, dass sie als oberflächenmontierbare Module ausgelegt werden. Das bedingt ein Gehäuse, in das der optische Leiter bzw. die Faser als ein Element eingeführt wird. Es ist bekannt, dass die Faser entweder starr montiert werden kann [1, 6], was zu einer halbautomatischen Montage führt, oder flexibel zugeführt wird. Hier wiederum sind folgende Varianten bekannt: Die Zuführung über V-Nuten in Silizium-Technik [4, 5, 6, 7, 8] oder das Ankoppeln der Faser durch MT-Stecker (MT: Mechanically Transferable). Lediglich NTT führt die Faser im Gehäuse auf 2 Linsen, die alle Grenzflächen ohne präzise/teure V- Nuten prozesstechnisch fertigungstolerant und optisch vollkommen modengefüllt aufeinander abstimmen [2]. Obwohl diese flexiblen Varianten das Ankoppeln an eine Faser ohne optisch transparente Fenster ins Gehäuse ermöglichen, was höhere Reflexionsverluste an zusätzlichen dielektrischen Grenzflächen wie Glasfenster im Gehäuse unterbindet, so ist ihnen ein Nachteil gemeinsam: Es können keine brechzahlangepassten Fluide verwendet werden zwischen der Faserendfläche und einer Laserdiode (LD) oder Photodiode (PD), welche die Reflexionsverluste weiter senken würden.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass beide Techniken Teil eines Gehäuses sind, dessen optische Achse horizontal verläuft, so dass die verschieden hohen Bauelemente oftmals in ihrer vertikalen Position angepasst werden müssen. Dies geschieht durch verschiedene Teilblöcke im Gehäuse. Diese unterschiedlichen Teilblöcke haben positive Eigenschaften, wie z. B. die Verwendung eines Metallkörpers als Temperatursenke bei einer Laserdiode oder die Nutzung unterschiedlicher Trägermaterialien zur Entkopplung von elektrischen (Treibern) und elektro-optischen (LD, PD) Halbleiter-Komponenten, um Rauschleistungsdichten zu minimieren. Nachteil dieser Entwicklung ist, dass die elektrischen Verbindungen zwischen den Teilblöcken über Drahtbondungen (wirebonds) hergestellt werden müssen. Diese Wirebonds limitieren aber die elektrische Modulationsrate bzw. Bandbreite des Transceivers.

Die oben dargestellten Bau- und Verfahrensweisen bringen jedoch auch Nachteile mit sich.

Der Einsatz von optischen Kupplungssteckern ist für den Einsatz von brechzahlangepassten Klebern, welche die Koppeleffizienz erhöhen würden, nicht geeignet.

Ein Nebeneffekt der horizontalen Bauweise besteht in dem Einsatz mehrerer Substrate, mit denen die unterschiedliche Bauhöhe kompensiert wurde. Wenn jedoch mehrere Substrate Verwendung finden, dann muss die Drahtbondtechnik eingesetzt werden, um die notwendige Kommunikation zwischen den Schaltkreisen herzustellen. Dies reduziert aber die elektrische Bandbreite, mit der das optische Signal moduliert werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein faseroptisches Kommunikationsmodul und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Moduls zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch ein faseroptisches Kommunikationsmodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. ein Verbindungsmodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 bzw. Verfahren zum Betreiben eines solchen Moduls mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19 bzw. 20 gelöst.

Ein Kommunikationsmodul mit einer Aufnahmeeinrichtung für einen Leiter, z. B. einer Lichtleitfaser zum Übertragen optischer Signale, einem Substrat mit elektrischen Anschlüssen und/oder Bauelementen, wobei zumindest ein Teil der elektrischen Anschlüsse zum Übertragen elektrischer Signale ausgebildet ist, und einer elektro-optischen Baueinrichtung zum Umwandeln von optischen Signalen in elektrische Signale und/oder umgekehrt, wobei die elektro-optischen Baueinrichtungen mit dem Substrat gekoppelt sind und deren optische Reaktionsfläche in oder parallel zu einer elektrischen Signalebene der elektro-optischen Baueinrichtung und/oder des Substrats angeordnet ist, ist vorteilhaft fertigbar, wenn der Leiter derart angeordnet ist, dass die Austrittsrichtung optischer Signale aus dem Leiter in einer optischen Ebene liegt, welche von der elektrischen Ebene entkoppelt und nicht parallel verschieden zu dieser ist. Zweckmäßigerweise ist der Leiter dazu derart angeordnet, dass die Austrittsrichtung optischer Signale aus dem Leiter im wesentlichen senkrecht zu der elektrischen Ebene liegt und die austretenden optischen Signale aus dem Leiter im wesentlichen senkrecht auf die optische Reaktionsfläche fallen. Dadurch entsteht ein orthogonales Aufbauschema mit Entkopplung elektrischer und optischer Signalebenen, das ohne verschieden hohe Einzelsubstrate auskommt und deshalb auf die Wirebond-Technik verzichten kann zugunsten der elektrisch breitbandigeren Flipchip-Technik.

Vorteilhafterweise weist das Substrat baulich von der elektro-optischen Baueinrichtung bzw. dem e/o-Bauelement in dem Bereich zwischen dem Ende des Leiters und der optischen Reaktionsfläche eine Öffnung auf, so dass durch die Öffnung optische Signale hindurchtreten können. Als Öffnung reicht insbesondere auch ein für optische Signale durchlässiges Medium aus.

Vorteilhafterweise kann der Leiter zum Übertragen optischer Signale in der Aufnahmeeinrichtung oder einer Öffnung im Substrat durch Klemmung oder einen Kleber festgelegt werden. Dabei können auch Linsen zum Bündeln und/oder Ausrichten optischer Signale zwischen Lichtleiter und optischer Reaktionsfläche mit befestigt bzw. eingeklebt werden.

Durch eine derartige Anordnung kann der Leiter V-Nut-frei im Kommunikationsmodul angeordnet werden, da er nicht mehr parallel zu der Substratoberfläche zu einem elektro-optischen Element geführt werden muss.

Die elektro-optische Baueinrichtung kann bei der Fertigung mittels der sogenannten Flipchip-Bond-Technik auf dem Substrat auf einfache Art und Weise befestigt werden.

Die elektro-optische Baueinrichtung kann verschiedene eigenständige Bauelemente und/oder eigenständige Funktionen von verschiedenen Bauelementen aufweisen, vorzugsweise integrierte e/o-Mischer, opto-elektrische Wandler, elektro-optische Wandler, Mischer und Integratoren. Die Verwendung eines sogenannten Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSELs) als optischer Sender ist dabei wegen dessen niedriger Leistungsaufnahme und geringer Verlustleistung besonders vorteilhaft.

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines solchen Kommunikationsmoduls ist es vorteilhaft, wenn die elektro-optische Baueinrichtung Eigenschaften eines elektro-optischen Mischers aufweist und daher im Basisband zur Codierung bzw. Decodierung eines Leitungscodes solche Mischereigenschaften in Form digitaler Modulationsverfahren verwendet werden können. Als digitale Modulationsverfahren können insbesondere Codeteilungs-Mehrfachzugriffsverfahren (CDMA: Code Division Multiple Access) sowie andere für sich bekannte Leitungscodes (Digital Modulation) zur Dekodierung der Codes im Basisband oder bei höherwertigen Modulationsverfahren zur Rückgewinnung der Daten aus dem Träger verwendet werden.

Insbesondere kann bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kommunikationsmoduls die Intensität von durch den Leiter übertragenen optischen Signalen moduliert werden, vorteilhafterweise mit Hilfe von mehr als zwei verschiedenen Intensitäten und/oder Codes.

Um besonders kompakte Systeme mit verbesserter Demodulation zu ermöglichen, können somit elektro-optische Mischer, z. B. PMD (Photonic Mixing Detector) oder MSM (MSM: Metal- Semiconductor-Metal) an Stelle von Photodetektoren verwendet werden. Die besonders vorteilhaften Eigenschaften der integrierten elektro-optischen Mischer können bevorzugt zur Dekodierung des Leitungscodes im Basisbandbetrieb genutzt werden, insbesondere auch bei CDMA-Verfahren. Die besonders vorteilhaften Eigenschaften der integrierten elektro-optischen Mischer können bevorzugt zur Überwindung der im Basisbandbetrieb vorliegenden Probleme, z. B. Bandbreitenbegrenzung, durch Verwendung digitaler Modulationsverfahren wie z. B. Phase Shift Keying (PSK), Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), Frequency Shift Keying (FSK), Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) und Amplitude Shift Keying (ASK) genutzt werden, wobei auch aus dem Mobilfunk für sich bekannte Frequency Division Multiple Access-Systeme implementiert werden können.

Indem verschiedene Intensitäten und Codes aufmoduliert werden, kann die Bandbreite für die effektive Übertragung von Signalen, worunter auch reine Datenübertragung zu verstehen ist, erhöht werden, da nicht mehr nur zwei Zustände 0 und 1 verfügbar sind. Möglich ist insbesondere die Verwendung technisch einfacher, schmalbandiger Bauelemente, was die Fertigungskosten deutlich reduziert. Alternativ können diese Techniken zur Erhöhung der zur Zeit technisch begrenzten maximalen Datenraten eingesetzt werden.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung der Modulationsspannung zur Erhöhung der Empfindlichkeit der elektrooptischen Mischer. Unter bestimmten physikalischen Gegebenheiten ermöglicht das Anlegen einer Modulation die Erzeugung zusätzlicher Photoströme, die proportional zur Lichtintensität sind. Dadurch wird vorteilhafterweise die Empfindlichkeit des Mischers gesteigert, insbesondere beim Empfang von sehr schwachen optischen Signalen.

Hervorhebbar sind somit verschiedene Aspekte. Durch das Verfahren und die Anordnung ist es möglich, eine Glasfaser derart anzuordnen, dass ein Substrat durchleuchtet und ein Halbleiter durch das Substrat hindurch ausgeleuchtet wird. Natürlich ist auch der umgekehrte Strahlenverlauf von einem leuchtenden Halbleiter in die Faser hinein möglich.

Der Halbleiter kann bei dieser Anordnung mittels Flip-Chip- Technik einfach auf dem Substrat befestigt werden. Es ist nicht mehr erforderlich, eine Faser in ein komplexes Modul zu stecken, welches seinerseits als Bauelement mit einer Platine verbunden ist. Insbesondere ist die aufwendige Verdrahtung eines solchen Moduls nicht mehr erforderlich, bei der Bondverbindungen von einem unter dem Modul befindlichen Substrat parallel der Modulseitenwände zu der Moduloberseite geführt und dort angeschlossen wurden. Die nunmehr realisierbaren Bauelemente sind im Vergleich dazu technisch sehr einfach gestaltet.

Hinsichtlich des Verfahrensablaufs kann vorteilhafterweise Licht hinsichtlich der Intensität moduliert werden. Im Empfänger wird das Lichtsignal mit einer Modulationsspannung überlagert, welche einen Code gemäß dem CDMA-Prinzip (CDMA: Code Division Multiple Access) verwendet, so dass das ursprünglich entsprechend modulierte Signal zurückgewonnen wird.

Vorteilhafterweise kann die Bandbreite erhöht werden, indem nicht nur Intensitäten mit den digitalen Werten 0 und 1 im Basisband verwendet werden, sondern als spezieller Fall eines elektro-optischen Mischers ein sogenannter PMD (Photonic Mixing Detector), der Detektor und Demodulator vereint.

Die Detektoren werden hier insbesondere als Photo-Misch- Detektor (PMD) bezeichnet, wobei jedoch keine Beschränkung auf Schwartesche Elemente erfolgen soll. Möglich wäre z. B. auch die Bezeichnung Photo-Detektor-Mischer (PDM: Photonic Detector Mixer) oder allgemein elektro-optischer Mischer.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine optische Faser in vertikaler Ausrichtung zu einem Substrat eines Kommunikationsmoduls in Schnittansicht;

Fig. 2-5 Varianten dazu;

Fig. 6-8 Schaltungsanordnungen zum Betreiben eines solchen Kommunikationsmoduls;

Fig. 9-11 Schaltungsanordnungen gemäß dem Stand der Technik und

Fig. 12 eine Tabelle mit charakteristischen Eigenschaften derzeitiger optischer Aufbautechniken sowie

Fig. 13 einen neuartigen Stecker in Einzelteilen als modularer Baustein,

Fig. 14-16 Anordnungen von einzelnen Elementen eines solchen Steckers in einer Schnittdarstellung und

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist ein Kommunikationsmodul 10 eine Aufnahme 11 für eine optische Faser 12 als Lichtleiter auf. Die Aufnahme 11 hat z. B. die Form eines Doms bzw. einer Glocke, deren Umfangsrand mit dem großen Durchmesser an einem Substrat 13 anliegt. Vorzugsweise ist dieser Umfangsrand der Aufnahme 11 an der Substratoberfläche oder teilweise durch das Substrat 13 hindurchführend an dem Substrat 13 befestigt. Zweckmäßigerweise erfolgt die Befestigung dabei derart, dass ein Lichtdurchtritt weder durch die Aufnahme 11 selber noch durch deren Anlagebereich an dem Substrat 13 möglich ist. Der Dom 11 ist z. B. ein hohles Kunststoffelement.
Durch das dem Substrat 13 gegenüberliegende Ende der Aufnahme 11 ragt die optische Faser 12 in die Aufnahme derart hinein, dass das Ende der Faser 12 senkrecht zu der Ebene des Substrats weist. Der Übergang zwischen Aufnahme 11 und Faser 12 ist zweckmäßigerweise ebenfalls lichtdicht. Unter lichtdicht ist hier insbesondere undurchlässig für Signale mit den Frequenzen der optischen Signalübertragung zu verstehen. Vorteilhafterweise besteht die Aufnahme aus einem elastischen Material, welches sich eng und lichtdicht an die Faser 12 anschmiegt.
Bei dem Substrat 13 handelt es sich vorzugsweise um ein LTCC- Substrat (LTCC: Niedertemperatur-gesinterte Keramik/Low Temperature Cofired Ceramics). Ein solches Substrat 13 besteht oftmals aus einer Vielzahl aufeinander geschichteter Lagen, die in den x-y-Ebenen mit elektrischen Leitungen versehen und in der z-Ebene mit Durchkontaktierungen verbunden sind.
Das Substrat 13 weist in dem Bereich, auf den das Ende der optischen Faser 12 weist, eine Öffnung 14 auf, wobei die Öffnung insbesondere als eine Durchgangs-Öffnung ausgebildet sein kann. Durch die Öffnung 14 können Licht bzw. optische Signale zu einem optischen Bauelement 15, wie einem Sender, Empfänger oder Transceiver, also kombinierten Sender/Empfänger, hindurchtreten. Das optische Bauelement ist z. B. als Sender ein VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) und kann verschiedene Bauelemente oder Funktionen von verschiedenen Bauelementen aufweisen, z. B. opto-elektrische oder elektro-optische Wandler o/e bzw. e/o, Mischer und Integratoren.
Das optische Bauelement 15 wird mittels für sich bekannter Flipchip-Technik auf dem Substrat 13 befestigt, wobei zugleich Kontakte für elektrische Verbindungen ausgebildet werden. Bei der Flipchip-Technik wird ein ungehäuster Chip mit Flipchip Bonds 16, d. h. Lotkugeln, insbesondere aus einer aufschmelzenden Legierung mittels Heterometallisierung, oder Lothöckern, insbesondere mittels nicht schmelzender Homometallisierung, meist unter Verwendung von Gold auf dem Substrat 13 befestigt. Insbesondere Bonden oder Löten werden zur Befestigung und Ankopplung bevorzugt, wobei dies vom gewählten Metallisierungssystem abhängt, das vorliegend unerheblich ist.
Die vertikale Aufbautechnik ersetzt die bisherigen mikromechanisch erzeugten V-Nuten im Silizium durch Ankopplung der Faser durch LTCC-Substrate. Weitere Ausführungsformen sind in den Fig. 2-5 dargestellt, wobei nachfolgend im wesentlichen die Unterschiede beschrieben werden.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Aufnahme 11 für die Faser 12 nicht direkt an dem Substrat sondern an einem Träger 17 anliegt bzw. befestigt ist. Der Träger 17 kann vergleichbar dem zuvor beschriebenen Substrat 13 aufgebaut sein und weist eine Öffnung auf, durch welche optische Signale oder der Endabschnitt der Faser 11 hindurchtreten können. Parallel zu dem Träger 17 ist an diesem das Substrat befestigt, z. B. mittels Flipchip-Kontaktierungen 16. Das Substrat trägt wiederum ein optisches Bauelement 15. Bei der dargestellten Ausführungsform handelt es sich z. B. um eine Realisierung eines Steckers auf einem LP-Systemträger (LP: Leiterplatten). Insbesondere kann es sich bei dem Träger 17 auch nur um eine einfache Leiterplatte handeln, z. B. die Hauptplatine (Motherboard) eines Computers.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Aufnahme 11 für die Faser 12 direkt durch die Öffnung 14 in dem Substrat gebildet wird. Zum Befestigen der Faser 11 in der Öffnung 14 dient ein Kleber 18. Der Kleber 18 weist vorzugsweise lichtdichte Eigenschaften auf, damit aus der Richtung der eintretenden Faser 11 kein Licht zwischen Außenumfang der Faser 11 und Innenwandung der Öffnung 14 eintreten kann. Dargestellt ist somit die Einkoppelung der Faser 12 bzw. der Signale direkt durch ein Loch in der Keramik.
Bei dem Kleber 18 handelt es sich beispielsweise um lichtdichtes Epoxy, welches der Faser 12 einerseits Halt gibt und andererseits zugleich Lichteinfall und Lichtstreuung unterdrückt oder verhindert. Ein solcher Kleber 18 kann auch bei den weiteren Ausführungsformen verwendet werden, wie dies z. B. auch aus Fig. 1 ersichtlich ist.
Der Bereich oberhalb des Klebers 18 bzw. der Bereich zwischen Faser 12 und dem optischen Bauelement 15 kann evakuiert oder mit einem Gas, einem Fluid, einer Flüssigkeit oder einem Kleber 18a gefüllt sein, wie bei den Beispielen der Fig. 1 und 3. Ein solches Medium 18a weist vorzugsweise einen geeigneten Brechungsindex auf, so dass es einen gewünschten Einfluss auf die Kopplungseffizienz des Strahlengangs nehmen kann. Derartige Medien sind allgemein auch unter "Index matching fluids" oder Brechzahl-angepasste Kleber bekannt. Das Medium 18a soll vorzugsweise sowohl optisch transparent sein, d. h. geringe Dämpfungswerte aufweisen, als auch Brechzahl-angepasst sein, d. h. geringe Reflexionen an den 2 dielektrischen Grenzflächen aufweisen, wobei jedes Medium dazwischen optisch brechend sein wird, da Halbleiter und Faser i. a. unterschiedliche Brechzahlen haben. Vorteilhaft ist auch der Einsatz optisch fluoreszierender oder nachleuchtender Medien 18a. Das Medium 18 soll an 18a geeignete Haftungseigenschaften und einen niedrigen Volumenausdehnungskoeffizienten besitzen.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform ähnlich der aus Fig. 3, bei der die Faser 12 mit einem für zumindest die optischen Signale transparenten Kleber 18 in der Öffnung 14 des Substrats 13 befestigt ist. Dargestellt ist somit die Einkoppelung der Faser 12 bzw. der Signale direkt durch ein Loch in der Keramik, wobei die Einkoppelung durch die Verwendung des transparenten Klebers weiter verbessert wird.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich, können zusätzlich oder alternativ auch eine oder mehr Linsen 19 zwischen Faserende und optischem Bauelement angeordnet werden. Derartige Linsen 19 können in den Kleber 18 eingebettet werden, können aber auch in Nuten und Ausnehmungen im Substrat 13 und/oder dessen Öffnung 14 eingesetzt werden. Solche Linsen 19 dienen zum Ausrichten und/oder Bündeln optischer Signale, die aus dem Ende der Faser 12 austreten oder in dieses eintreten sollen, relativ zu der optisch wirksamen Fläche auf dem optischen Bauelement 15. Der Kleber 18 hat vorzugsweise die gleiche Brechzahl wie Faser 12 und/oder Linse 19, kann aber auch eine andere Brechzahl aufweisen.
Die Faser 12, insbesondere SM- oder mm-Faser (SM: Single Mode; MM: Multi Mode) kann also mit einem optischen Kleber 18 z. B. der Brechzahl Sqrt (n_fibercore.n_lens), also der Wurzel des Produkts der Brechzahlen der Linse 19 und des Faserkerns, im Sende-/Empfängerstecker TCP (TransCeiver Plug) fixiert werden, um die Effizienz zu steigern.
Um für hohe Bitraten substratgekoppeltes Rauschen zu unterdrücken, können in dem LTCC-Element Entstörungsmaßnahmen integriert sein, z. B. integrierte passive Filter oder geeignete planare Leitungen oder Dämpfungsmaterialien gewählt werden.
Optimale Verfahren zum Betrieb der Kommunikationsmodule nutzen insbesondere die Möglichkeiten der neuen e/o-Mischer aus.
Beispielhafte Kommunikationsmodule werden mit den neuartigen integrierten elektro-optischen Mischern bestückt, so genannten PMD (Photonic Mixing Device), wie sie z. B. für sich aus R. Schwarte et al., "A new electrooptical mixing and correlating sensor: Facilities and Application of the Photonic Mixer Device (PMD)", Laser 97, Munich, June 1997 bekannt sind, oder MSM-Strukturen (Metal Semiconductor Metal), insbesondere auch BIMSM (Back Illuminated Metal Semiconductor Metal). Diese integrierten elektro-optischen Mischer weisen dabei gegenüber herkömmlichen Detektor-Mischer-Kombinationen viele Vorteile wie geringes Rauschen, kleine Fläche und hohe Bandbreite auf. Diese Eigenschaften ermöglichen die verbesserte Implementierung bisher verwendeter Modulationsverfahren sowie den Einsatz weitergehender, bisher nur in anderen Bereichen, z. B. im Mobilfunk verwendeter Verfahren.
Werden die elektro-optischen Module im Basisband betrieben, so lassen sich auf ihnen besonders günstig Verfahren implementieren, welche die Daten mit einer zusätzlichen Codierungssequenz verwürfeln. Geeignete Codierungssequenzen sind für sich genommen z. B. bekannt [11]. Dabei ermöglichen die in den integrierten Modulen verwendeten elektro-optischen Mischer eine besonders gute Dekodierung des Datenstromes nach Fig. 6. Dabei werden die bei älteren Bauarten getrennten Stufen Detektion, Verstärkung, Extraktion der empfangenen/gesendeten Daten im neuartigen integrierten elektrooptischen Mischer durchgeführt bzw. entfallen teilweise bei Verstärkung.
Bei der dargestellten Anordnung führt ein Lichtleiter 12 zum Übertragen von optischen Signalen in die Baugruppe, d. h. den integrierten elektro-optischen Mischer 20, und endet darin in einem optoelektrischen Wandler 15. In diesem wird das optische Signal in ein elektrisches Signal umgesetzt und dann über entsprechende Leitungszweige an zwei parallel angeordnete Mischer 22 geleitet. Den Mischern 22 ist optional jeweils ein Integrator 23 nachgeschaltet. Der opto-elektrische Wandler 21, die Mischer 22 und optional die Integratoren 23 bilden die integrierte Baugruppe 20, wobei die einzelnen Bauelemente nicht zwingend baulich getrennt ausgebildet sein müssen und insbesondere deren Funktion in der Baugruppe 20 bereitgestellt ist. Die Ausgangssignale der Baugruppe 20 bzw. hier der Integratoren 23 werden einem Differenzbilder, z. B. einem Operationsverstärker 24 zugeführt, dessen Ausgangssignal in für sich bekannter Art und Weise einer Baugruppe mit einer Taktrückgewinnungseinrichtung 25 (Clock Recovery) und mit einem Codegenerator 26 zugeführt wird.
Während der für sich bekannte Codegenerator Codes zum Decodieren der empfangenen Signale für die Mischer 22 bereitstellt, werden vom vorliegenden Codegenerator 26 Modulationssignale, insbesondere Modulationsspannungen U_mod: cos(2πf) und U_mod: -cos(2πf) zum Demodulieren der empfangenen Signale in den Mischern 22 bereitgestellt, um das ursprüngliche Signal zurück zu gewinnen. Anordnungen zum Modulieren der Signale sind entsprechend aufgebaut.
Als Ausgangssignal der Anordnung wird entweder ein Signal eines der Integratoren 23 und/oder ein abgezweigtes Signal des Differenz-Operationsverstärkers 24 bereitgestellt.
Von besonderem Interesse ist dabei die Verwendung von CDMA- und FDMA-(Code bzw. Frequency Multiple Access)Verfahren bzw. von deren Prinzipien. Es können dann mehrere optische Kommunikationsmodule 20 über die gleiche Faserverbindung kommunizieren. Dadurch werden verteilte Systeme möglich. Alternativ können verschiedene Kanäle parallel zwischen zwei Modulen übertragen werden. Von besonderem Interesse sind insbesondere auch Systeme, die mittels eines Differenzsignals und z. B. mittels PLL (phasengekoppelter Schleife/Phase Locked Loop) den Takt zurückgewinnen und so die bisher übliche externe Taktversorgung überflüssig machen.
Besondere Bedeutung erhalten die verwendeten elektrooptischen Mischer jedoch bei Verwendung von Modulationsverfahren, die nicht im Basisband arbeiten. Entsprechende Verfahren wurden auf Grund der schwierigen Demodulation bisher nicht eingesetzt. Die Kombination der elektro-optischen Mischer mit modernster Modultechnik ermöglicht jedoch vorliegend die Herstellung von Modulen, die mit entsprechenden Modulationsverfahren betrieben werden können. Dabei lassen sich insbesondere BPSK- und QPSK-(Binary bzw. Quadrature Phase Shift Keying)Verfahren für optische Systeme einfach realisieren. Die Verwendung dieser Modulationsverfahren ermöglicht eine bessere Nutzung der zur Verfügung stehenden Systembandbreite. Somit können mittels einfacherer, niederfrequenterer optischer Module höhere Datenmengen übertragen werden.
Die Systematik eines solchen BPSK-Empfängers wird in Fig. 6 gezeigt. Das einfallende optische Signal wird nach der Umwandlung in ein elektromagnetisches Signal gesplittet und in einem Zweig 31 in Phase mit U_mod: -cos(2πf) und in einem Zweig 32 mit der Gegenphase U_mod: cos(2πf) heruntergemischt. Die so entstandenen heruntergemischten elektrischen Signale werden Kurzzeit-integriert. Das Einzelsignal des In-Phase-Mischers ist dann das gesuchte Datenbit, das Differenzsignal kann als Eingangssignal für die Taktrückgewinnung verwendet werden und alternativ auch als Datenbit. Es ist proportional zur Phasendifferenz zwischen lokaler Modulation und empfangenem Signal und somit ein gutes Eingangssignal, z. B. um eine phasengekoppelte Schleife (PLL) auf den Takt zu ziehen.
Einen Sonderfall stellt das in Fig. 7 dargestellte sogenannte QPSK-Verfahren dar. Dabei wird nicht nur zwischen zwei einzelnen Phasenzuständen umgeschaltet, sondern zwischen mehreren. Somit kann die Bandbreite noch effektiver genutzt werden. Gegenüber dem BPSK-Verfahren ergibt sich daraus ein wichtiger Unterschied bei der Ansteuerung der Modulationseingänge der verwendeten elektro-optischen Mischer. Der zweite Eingang wird nicht mehr mit dem komplementären Signal angesteuert, sondern mit einem um 90 Grad versetzten Signal. Aus den so gewonnenen Real- und Imaginärteilen lässt sich dann durch Berechnung des inversen Tangens (tan) zwischen den komplexen Signalanteilen die Phase rekonstruieren und somit der Zustand, aus dem die Daten ermittelbar sind. Fig. 7 zeigt die Funktion für die verwendeten elektro-optischen Mischer.
Ist eine komplexe Modulation der beiden e/o-Mischereingänge technisch nicht gewünscht, dann kann ein Modul mit zwei e/o- Mischern bzw. e/o-Mischerbaugruppen 41, 42 aufgebaut werden, wie dies aus Fig. 8 ersichtlich ist. Dabei wird dann der erste e/o-Mischer 41 mit 0° bzw. U_mod: cos(2πf) und eventuell 180° bzw. U_mod: -cos(2πf) moduliert, und der zweite e/o- Mischer 42 wird mit 90° bzw. U_mod: cos(2πf - 3π/2) und 270° bzw. U_mod: cos(2πf - π/2) moduliert. Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber der ursprünglichen Realisierung mit einem einzigen e/o-Mischer liegt darin, dass die Möglichkeit zur Rekonstruktion des Taktsignales erhalten bleibt sowie auch die gute Unterdrückung von Fremdlicht. Zur Kompensation von Gleichanteilen kann es vorteilhaft sein, den unteren Zweig des Systems um weitere Differenzbilder analog zum oberen Zweig zu ergänzen.
Hinsichtlich des Verfahrensablaufs kann dabei Licht hinsichtlich der Intensität moduliert werden. Im Empfänger wird das Lichtsignal mit einer Modulationsspannung überlagert, welche einen Code gemäß dem CDMA-Prinzip verwendet, so dass das ursprünglich entsprechend modulierte Signal zurückgewonnen wird. Außerdem kann die Bandbreite erhöht werden, indem nicht nur Intensitäten mit den digitalen Werten 0 und 1 im Basisband verwendet werden, sondern als spezieller Fall eines elektro-optischen Mischers ein sogenannter PMD (Photonic Mixing Detector), der Detektor und Demodulator vereint verwendet werden. Gegenüber der Verwendung von den Phasen 0° und 180° sind so insbesondere auch die orthogonalen Phasen 90° und 270° verwendbar.
Hinsichtlich des Aufbaus kann im Wesentlichen auf die vorstehend beschriebene Anordnung der Fig. 6 verwiesen werden. Vorliegend wird jedoch der optische Leiter bzw. die Faser 12 gesplittet und das optische Signal den beiden Baugruppen 41 und 42 zugeführt. Von zumindest einem Ausgang der Integratoren, insbesondere einem diesen nachgeschalteten Differenz- Operationsverstärker 24, wird das Signal zum Erzeugen der hier vier Codes im Codegenerator verwendet. Die Bereitstellung des eigentlichen Ausgangssignals erfolgt in einer Baugruppe, die aus den Ausgängen jeweils zumindest eines Integrators einer jeden der beiden Baugruppen 41, 42 gespeist wird. Natürlich sind auch mehr als diese vier Modulationen möglich.
Die verwendeten Anordnungen und Modulationssignale stellen für sich genommen Grundschaltungen der Kommunikationstechnik dar und lassen sich vorliegend auch für andere grundlegende Verfahren wie ASK (Amplitude Shift Keying) oder FSK (Frequency Shift Keying) nutzen. Zur Verbesserung der spektralen Effizienz können auch höherwertige Modulationsverfahren wie Minimum Shift Keying, Continuous Phase Modulation etc. verwendet werden, wie sie z. B. aus [K] bekannt sind.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und -formen sind durch die Verwendung einzelner Elemente und einzelner Fasereingänge gekennzeichnet. Auf Grund der Skalierbarkeit der Konzepte sind jedoch Anordnungen mit mehreren parallelen Sendern und oder Empfängern problemlos zu realisieren. Dadurch kann eine einzelne Faser aufgeteilt werden und das Signal auf mehrere Sender/Empfänger aufgespaltet werden, oder es können komplett parallele Anordnungen realisiert werden, z. B. mit mehreren unabhängigen Fasern, die an eine Arrayanordnung herangeführt werden können.
Besonders vorteilhaft ist gemäß eigenständiger Ausführungsform eine vertikale Aufbautechnik mit elektrischen und elektro-optischen Steckern, wie dies aus Fig. 13 ersichtlich ist. Diese Aufbautechnik ersetzt die mikromechanisch erzeugten V-Nuten im Silizium durch Plastik-Nuten, die, durch kostengünstiges Spritzgussverfahren erzeugt, in einem neuartigen Transceiver-Stecker TCP (TransCeiver-Plug) 50 integriert sind. Zusammen mit einem korrespondierenden LTCC-Design wird erreicht, dass die optische Faser 12, die in den Stecker 50 hineinragt, automatisch zu einer Linse 19 im Stecker 50 und dem Sender- oder Empfängerbaustein 15 ("Tx", "Rx") zentriert wird und auch permanent in einem Brechzahl-Index angepassten Kleber 18 eingebettet ist, um Reflexionen zu minimieren. Der Sender-Empfängerbaustein 15 ist wiederum ein Halbleiter.
Das Linsensystem ist für sich genommen ähnlich konzipiert wie diesbezüglich bekannte Ausführungsformen [2] und dient zur modenfüllenden Ausleuchtung bei gleichzeitig reduzierter Fertigungs- und Montagegenauigkeit. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Strahlengang jedoch in vertikaler Richtung geführt, so dass die elektrischen Signale mit den optischen ein orthogonales Aufbauschema bilden, in dem keine Höhenadaption mehr vorgenommen werden muss. Dieses Aufbauschema begünstigt die Flipchip-Technik, da optische und elektrische Bauelemente nun auf einem Substrat montiert werden können - dies auch beidseitig. Die Flipchip-Technik erlaubt wiederum eine ultrakompakte Bauform, die für eine Steckermontage zweckmäßig ist, und eine höhere elektrische Bandbreite ermöglicht.
Dieses Aufbauschema folgt zweckmäßigerweise folgenden Designregeln: Der Durchmesser der optischen Vias, d. h. einer vertikale Durchkontaktierung, wird an die Brechzahl NA der Faser 12 und den Abstand zur Linse 19 angepasst. Mit der Brennweite der Linsen 19 können auch Fertigungsvorgaben in bezug auf vorteilhafte Viadurchmesser berücksichtigt werden. Weiterhin sollte die Höhe der Bumps bzw. Kontakt- oder Lötverbindungen 16 geeignet gewählt werden. Für Fig. 14 wird sie zu H = f(1 - w/D) dimensioniert, wobei H die Bumphöhe, f die Brennweite der chipseitigen Linse 19, w der Durchmesser der optisch aktiven Fläche auf dem flipchip-montierten Halbleiter und D der Viadurchmesser sind.
Die SM- oder mm-Faser L kann mit einem optischen Kleber 18 der Brechzahl Sqrt (n_fibercore.n_lens) im Stecker TCP fixiert werden, um die Effizienz zu steigern. Um für hohe Bitraten substratgekoppeltes Rauschen zu unterdrücken, können in dem LTCC-Substrat 13 bzw. 50 auch Entstörmaßnahmen integriert sein, z. B. integrierte passive Filter oder die Wahl geeigneter planarer Leitungen.
Durch diese Technik wird die optische Faser 12 für die optischen Signale "transparent". Das Ausgangssignal kann z. B. mit elektrischem Stecker zu einer Systemleiterplatte geführt werden. Vorteilhafterweise kann der Transceiver automatisiert hergestellt und bestückt werden, bevor er in den Stecker TCP montiert wird.
Wie aus Fig. 13 ersichtlich, kann das vorstehende Konzept in einen modulartig aufgebauten Stecker 50 bzw. entsprechend auch in eine modulartig aufgebaute Buchse als Variante eines Steckers eingesetzt werden. Ein solcher Stecker 50 besteht vorzugsweise aus einem Gehäuse 51 mit einer Leitung 52, in welcher die Faser 12 gerührt ist. Auf der vorzugsweise der Leitung 52 gegenüberliegenden Seite weist der Stecker 50 eine Aufnahmeöffnung mit einer Aufnahmewandung 53 auf, in die ein LTCC-Modul 60 eingesetzt werden kann. Von der Bodenseite aus ragt in diese Aufnahmeöffnung des Steckers 50 die Faser 12 hinein. Die Aufnahmewandung 53 weist vorzugsweise Passnuten 54 oder dergleichen auf, um ein entsprechendes LTCC-Modul 60 bzw. Substrat 60 mit entsprechenden Aussparungen 61 bzw. Passnuten geführt in die Aufnahmewandung 53 auto-zentriert einsetzen zu können.
Das Substrat bzw. LTCC-Modul 60 weist einen Aufbau wie die vorstehend beschriebenen Substrate 13 auf. Neben den Aussparungen 61 zum Führen in der Aufnahmeöffnung und/oder zum ausgerichteten Aufsetzen von einem Deckel 66 sind weitere Komponenten skizziert. So ist auf vorzugsweise der Substratoberseite eine Anschlussleiste 62 zum Anschließen elektrischer Kontakte, insbesondere Stecker angeordnet und elektrisch mit dem LTCC-Modul 60 kontaktiert. Weiterhin ist zentral eine Vielzahl von Kontakten 63 zum Kontaktieren des optischen Bauelements 15 bereitgestellt. Das optische Bauelement 15 ist vorzugsweise wieder ein Halbleiter, der Licht bzw. optische Signale als Sender aussenden, als Empfänger empfangen oder als Transceiver senden und empfangen kann. Die Verbindung des optischen Bauelements 15 mit dem Substrat bzw. LTCC-Modul 60 erfolgt vorzugsweise wieder mittels Flipchip-Kontaktierung.
Durch das Substrat 60 führt, wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, wiederum eine Durchtrittsöffnung für Licht, insbesondere eine Durchgangsöffnung 64. Wie aus der Schnittdarstellung ersichtlich ist, sind in der entsprechenden Ober- und Unterseite des Substrates 60 Aussparungen 65 zur Aufnahme von Linsen 19 ausgebildet. Dadurch ist es möglich, aus der Faser kommendes Licht gezielt auf die optisch wirksame Fläche des optischen Bauelements 15 zu richten bzw. Licht in umgekehrter Richtung zu führen. Nach dem Einsetzen des Substrates bzw. LTCC-Moduls 60 in die Aufnahmeöffnung des Steckers 50 ist dieses so angeordnet, dass Licht von der Faser 12 durch die Linsen 19 und die Durchgangsöffnung 64 auf die optisch wirksame Fläche des optischen Bauelements 15 bzw. in umgekehrter Richtung fällt.
Um das LTCC-Modul 60 in der Aufnahmeöffnung sicher festzulegen und vor äußeren Einflüssen zu schützen, können ein Deckel 68 und/oder ein Deckel 66 von der offenen Steckerseite her über das Substrat bzw. LTCC-Modul 60 gesteckt werden. Dabei ist es möglich, zwischen dem Substrat 60 und der Innenseite des Deckels 66 eine isolierende und abdichtende Masse oder ein Schutzgas einzubringen. Der Deckel 66 weist vorzugsweise Öffnungen 67 zum Durchführen eines Steckers in die Öffnungen der elektrischen Anschlussleiste 62 auf. Für eine besonders gute Abdichtung ist es aber alternativ auch möglich, Stecker anstelle der Öffnungen auf diesem Deckel 66 vorzusehen. Möglich sind auch flache Kontaktflächen auf der Oberseite des Deckels 66. Ferner ist es möglich Lötflächen oder Lötbälle zur FC-Montage (FC: Flipchip) auf einem Systemträger bereitzustellen. Eine Alternative zu einem kosteneffektiven Schnappdeckel, wie dem dargestellten Deckel 66, welcher z. B. biegsame Metallzungen aufweist, die in entsprechende Aussparungen 61 des LTCC-Moduls 60 eingreifen können, ist es auch möglich einen Lötrahmen zum hermetischen Abschließen der Oberseite des Steckers zu verwenden, wie dies durch den Deckel 68 skizziert ist.
Die Fig. 14 bis 16 stellen verschiedene Ausführungsformen für die Anordnung der einzelnen Bauelemente dar, wobei bezüglich der Details auch auf die Figuren der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele verwiesen wird.
Fig. 14 stellt den Einbau von Linsen 19 dar, die in die entsprechenden Aussparungen 65 des LTCC-Moduls 60 eingesetzt werden. Aus der Faser 12 austretendes Licht fällt durch diese Linsen, wobei die faserseitige Linse 19 eine Anpassung des Lichtkegels an den Lochdurchmesser d_L vornimmt und die zweite Linse 19 eine Fokussierung auf die optisch wirksame Fläche des optischen Bauelements 15 vorsieht. Die Verbindung des optischen Bauelements 15, z. B. eines VCSEL, eines Senders, eines Empfängers oder eines e/o Mischers erfolgt vorzugsweise wieder mit Hilfe von Flipchip-Kontaktierungen 16.
Fig. 15 stellt eine derartige Anordnung dar, bei der ein Mehrschicht-LTCC-Modul 60 eingesetzt wird. Weiterhin ist das Einkleben der Linsen 19 mit Hilfe eines Klebers 18 skizziert. Fig. 16 stellt das Einsetzen von Linsen 19 in die Aussparungen 65 des LTCC-Moduls 60 dar.
Ein derartiger Stecker kann insbesondere zum Aufstecken einer Faser 12 auf eine bestehende Leiterplatte in einem Computer oder zum Anstecken einer solchen Faser an eine entsprechende Steckvorrichtung an einer Digitalkamera oder einem anderen geeigneten elektro-optischen Gerät dienen.
Hervorzuhebende Vorteile einer solchen Steckeranordnung bestehen z. B. daraus, dass es sich um ein substratangepasstes Steckergehäuse mit einem selbstzentrierenden SM- oder MM- Faserendstück der Faser 12 handelt.
Das Steckergehäuse kann dabei vorteilhafterweise mittels üblichen Spritzgussverfahren kostengünstig hergestellt werden. Mit Blick auf die erhöhte Dissipationslast im Modul ist es auch möglich, ein Metallspritzverfahren, welches als MIM (Metal Injection Molded) für sich bekannt ist, für die Steckerinnenflächen zu verwenden, so dass eine Wärmespreizung bei erhöhter Dissipationslast ausgenutzt werden kann. Insbesondere macht dies die bislang zwingenden erforderlichen TEC- Kühler (TEC: Thermo-Electric Cooler) entbehrlich.
Um besonders kompakte Systeme mit einer verbesserten Demodulation zu ermöglichen, können elektro-optische Mischer, z. B. PMD oder MSM anstelle von bislang üblichen Fotodetektoren verwendet werden. Dabei werden die besonders vorteilhaften Eigenschaften integrierter elektro-optischer Mischer zur Dekodierung von Leitungscodes im Basisbandbetrieb ausnutzbar, insbesondere auch bei Verwendung von CDMA-Verfahren. Diese besonders vorteilhaften Eigenschaften integrierter elektrooptischer Mischer können bevorzugt zur Überwindung der im Basisbandbetrieb vorliegenden Probleme, z. B. der Bandbreitenbegrenzung, durch das Verwenden digitaler Modulationsverfahren, wie z. B. PSK, QPSK, FSK, GFSK und ASK genutzt werden, wobei auch FDMA-Systeme (FDMA: Frequency Division Multiple Access) implementiert werden können.
Neben der dargestellten Anordnung mit einer einzelnen Faser sind natürlich auch Anordnungen von Steckern möglich, welche mehrere derartige Fasern aufnehmen und aus mehreren parallelisierten Sende-/Empfangs-Einheiten oder Transceivern bestehen. Insbesondere können dadurch auch modulare Einheiten ausgebildet werden, welche als Übergangsstationen wahlweise über entsprechende Kontakte an einer weiteren Einrichtung angesteckt oder auch unabhängig von dem Anschluss an weiteren Einheiten betrieben werden können. Vorteilhafterweise ermöglicht eine solche Steckeranordnung auch Anordnungen, bei denen mehrere Systeme parallel auf einer Platine einer Einheit, wie z. B. einem Computer betrieben werden können.
Sofern in den Stecker 50 mehrere Fasern 12 hineinführen, besteht wiederum eine Vielzahl möglicher Ausführungsformen. Möglich ist beispielsweise mehrere Fasern 12 durch entsprechende Durchgangsöffnungen 64 mit jeweils einem eigenen zugeordneten elektro-optischen Bauelement 15 kommunizieren zu lassen. Jedoch können auch eines oder mehrere elektrooptische Bauelemente 15 mit einer Vielzahl von elektrooptisch wirksamen Flächen oder einer großen elektro-optisch wirksamen Fläche für die Kommunikation mit mehreren solchen Fasern ausgebildet sein. Letztendlich ist es auch möglich, nicht nur ein Substrat bzw. LTCC-Modul 60 in der Aufnahmeöffnung zu positionieren, sondern mehrere solcher Substrate bzw. LTCC-Module 60. In der Anmeldung genannte Literatur [1] D. Sieniawski, "Low cost 10 Gb/s Receiver Module", Proc. 1998 ECTC, pp. 181-183
[2] N. Iwasaki, M. Yanagibashi, H. Tsunetsugu, et al., "Packaging Technology for 40 Gb/s Optical Receiver Module with an MU-Connector Interface", Proc. 2000 ECTC, pp. 474-478
[3] F. Ishitsuka, N. Iwasaki, M. Hirose, et al., "A Compact MU Interface 2.5 Gb/s Optical Transmitter Module with Embedded LD-Driver IC", Proc. 1998 ECTC, pp. 184-191
[4] Motorola: J. K. Guenter, P. Waltrip, and J. A, Tatum, "A New Family of Ferruleless Fiber-Optic Transceivers", Proc. 1998 ECTC, pp. 198-202
[5] K. Katsura, M. Usui, N. Sato, et al., "Packaging for a 40-channel Parallel Optical Interconnection Module with an over 25 Gb/s Throughput", Proc. 1998 ECTC, pp. 755-761
[6] NEC: K. Kurata, "Mass Production Techniques for Optical Modules", Proc. 1998 ECTC, pp. 572-580
[7] B. E. Lemoff, L. A. Buckman, A. J. Schmit, and D. W. Dolfi, "A Compact, Low-Cost WDM Transceiver for the LAN", Proc. 2000 ECTC, pp. 711-716
[8] W. Rehm, K. Adam, A. Göth et al., "Low-Cost Laser Modules for SMT", Proc. 2000 ECTC, pp. 736-741
[9] B. Buxbaum, R. Schwarte et al. (2000). "Optisches CDMA auf Basis der PMD-Technologie". Fachtagung "Optik in der Rechentechnik 2000", Hagen.
[10] T. Ringbeck, R. Schwarte et al. (2001), "An Optical GMSK Modem for Infrared Wireless Communication Based on a New Receiver Principle in CMOS-Technology", Optoelectronic Interconnects VIII, SPIE.
[11] Xiong, F. (2000), "Digital Modulation Techniques", Norwood, Ma, Artech House.

Claims

1. Kommunikationsmodul (10) mit

- einer Aufnahmeeinrichtung (11) für einen dielektrischen Leiter (12) zum Übertragen optischer Signale orthogonal zur Substratebene,

- einem Substrat (13; LTCC) mit elektrischen Anschlüssen, wobei zumindest ein Teil der elektrischen Anschlüsse zum Übertragen elektrischer Signale ausgebildet ist, und

- einem elektro-optischen Halbleiter (15) zum Umwandeln von optischen Signalen in elektrische Signale und/oder umgekehrt, wobei der elektro-optische Halbleiter (15) mit dem Substrat (13; LTCC) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

- der Halbleiter (15) mit dem Substrat (13; LTCC) derart verbunden ist, dass der elektro-optisch aktive Bereich des Halbleiters (15) in Richtung des Substrates weist,

- das Substrat (13; LTCC) für die optischen Signale zum elektro-optisch aktiven Bereich des Halbleiters (15) hin durchlässig ist und

- der dielektrische Leiter (12) derart ausgerichtet ist, dass die optischen Signale durch den durchlässigen Bereich (14) des Substrats zum elektro-optisch aktiven Bereich des Halbleiters (15) gerichtet werden.

2. Kommunikationsmodul nach Anspruch 1, bei dem der Leiter derart angeordnet ist, dass die Austrittsrichtung optischer Signale aus dem Leiter (12) im wesentlichen senkrecht zu der elektrischen Ebene liegt.

3. Kommunikationsmodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Leiter derart angeordnet ist, dass die austretenden optischen Signale aus dem Leiter (12) im wesentlichen senkrecht auf die optische Reaktionsfläche des Halbleiters fallen.

4. Kommunikationsmodul nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem das Substrat (13) in dem Bereich zwischen dem Ende des Leiters (12) und der optischen Reaktionsfläche eine Öffnung (14) für zumindest den Durchtritt optischer Signale aufweist.

5. Kommunikationsmodul nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem der Leiter (12) zum Übertragen optischer Signale in der Aufnahmeeinrichtung (11) oder in einer Öffnung (14) im Substrat (13) durch Klemmung oder einen Kleber (18) festgelegt ist, insbesondere durch einen hinsichtlich der Brechzahl angepassten Kleber festgelegt ist.

6. Kommunikationsmodul nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem der Leiter (12) zum Übertragen optischer Signale in der Aufnahmeeinrichtung (11) derart ausgerichtet ist, dass die optischen Signale durch eine Öffnung (14) im Substrat (13) gesendet werden, insbesondere zumindest eine Linse (19) auf der Oberseite, auf der Unterseite und/oder in der Öffnung (14) angeordnet ist.

7. Kommunikationsmodul nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem der Leiter (12) V-Nut-frei im Kommunikationsmodul (10) angeordnet ist.

8. Kommunikationsmodul nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem der Halbleiter als elektro-optische Baueinrichtung (15) bei der Fertigung mittels Flipchip-Technik auf dem Substrat (13, LTCC) befestigt wird.

9. Kommunikationsmodul nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem der Halbleiter als elektro-optische Baueinrichtung (15) verschiedene eigenständige Bauelemente und/oder eigenständige Funktionen von verschiedenen Bauelementen aufweist, insbesondere integrierte e/o-Mischer (20), opto-elektrische Wandler, elektro-optische Wandler (o/e; 15; 21), Mischer (22) und Integratoren (23).

10. Kommunikationsmodul nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem der durchlässige Bereich im Substrat eine durchgehende Öffnung durch die Dicke des Substrats ist.

11. Kommunikationsmodul nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem der Abstand (H) Leiterendfläche zur Oberfläche des elektrooptischen Bereiches so gewählt ist, dass der optisch aktive Bereich des Halbleiters (15) ausgeleuchtet wird bzw. der optisch aktive Bereich des Halbleiters (15) auf die Leiterendfläche abgebildet wird, wobei der Abstand (H) insbesondere definiert ist durch H = f(1 - w/D), wobei H die Bumphöhe, f die Brennweite einer chipseitigen Linse (19), w der Durchmesser der optisch aktiven Fläche auf dem insbesondere flip chip-montierten Halbleiter und D der Viadurchmesser sind.

12. Kommunikationsmodul nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem der Leiter (12) derart angeordnet ist, dass die Austrittsrichtung optischer Signale aus dem Leiter (12) in einer optischen Ebene liegt, welche von der elektrischen Ebene entkoppelt und nicht parallel verschieden, insbesondere senkrecht zu dieser ist.

13. Verbindungsmodul, insbesondere Stecker, mit einem Kommunikationsmodul nach einem vorstehenden Anspruch.

14. Verbindungsmodul nach Anspruch 13 mit

- einer Leitung (19) zum Zuführen eines optischen Leiters (12),

- einer Aufnahmewandung (53) zum Aufnehmen eines Substrates oder LTCC-Moduls (60),

- dem Substrat bzw. LTCC-Modul (60) mit einer Durchgangsöffnung für optische Signale (64) und einem Halbleiter (15),

- wobei diese derart ausgerichtet sind, dass optische Signale von bzw. zu dem Ende des Leiters (12) durch die Durchgangsöffnung (64) von bzw. zur optisch wirksamen Fläche des Halbleiters (15) gerichtet werden, und

- einer Verschlusseinrichtung (66; 68) zum Einschließen des Substrates bzw. LTCC-Moduls (60) und des Halbleiters (15).

15. Verbindungsmodul nach Anspruch 13 oder 14 mit einer elektrischen Kontakteinrichtung (62, 67) zum elektrischen Ankoppeln des Verbindungsmoduls (50) an eine andere Einrichtung zur Übertragung elektrischer Signale.

16. Verbindungsmodul nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die elektro-optisch relevanten Bauelemente (60, 64, 15) mit Hilfe von Passeinrichtungen (61, 54) in dem Außenumfang des Substrates bzw. LTCC-Moduls (60) bzw. dem Innenumfang der Aufnahmewandung (53) selbst-zentrierend zum Leiter (12) ausgebildet sind.

17. Verbindungsmodul nach einem der Ansprüche 13 bis 16 mit einem elektro-optischen Mischer als Halbleiter (15).

18. Verbindungsmodul nach einem der Ansprüche 14 bis 17 mit einer Vielzahl von in das Gehäuse führenden Leitern (12), wobei die einzelnen Leiter (12) mit einem oder mehreren Halbleitern (15) optische Signale austauschen und zwischen den Leitern (12) und dem bzw. den Halbleitern (15) eines oder mehrere Substrate (60) bzw. LTCC-Module (60) angeordnet sind.

19. Verfahren zum Betreiben eines Kommunikationsmoduls (10) bzw. Verbindungsmoduls (50) nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem

- der Halbleiter als elektro-optische Baueinrichtung (15) Eigenschaften eines elektro-optischen Mischers (o/e; 20) aufweist und

- im Basisband zur Codierung bzw. Decodierung eines Leitungscodes solche Mischereigenschaften in Form digitaler Modulationsverfahren zur Realisierung verwendet werden, insbesondere bei Codeteilungs-Mehrfachzugriffsverfahren (CDMA), und

- ein moduliertes Trägersignal zur Erhöhung der Bandbreite verwendet wird, insbesondere Phase Shift Keying (PSK), Amplitude Shift Keying (ASK), Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) oder Frequency Shift Keying (FSK) sowie Mehrfachzugriffsverfahren nach FDMA (Frequency Division Multiple Access).

20. Verfahren zum Betreiben eines Kommunikationsmoduls (10) nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem die Intensität von durch den Leiter (12) übertragenen optischen Signalen moduliert wird, insbesondere mit Hilfe von mehr als zwei verschiedenen Intensitäten und/oder Codes.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, bei dem im Empfänger die empfangenen optischen Signale mit einer Modulationsspannung überlagert werden, insbesondere einer Modulationsspannung, welche einen Code gemäß dem CDMA-Prinzip (CDMA: Code Division Multiple Access) verwendet, so dass das ursprünglich entsprechend modulierte Signal zurückgewonnen wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19-21, bei dem die Bandbreite des optischen Signals erhöht wird, indem außer zweier Intensitäten mit digitalen Werten im Basisband ein elektro-optischer Mischer verwendet wird, insbesondere ein in MSM Technologie aufgebauter elektro-optischer Mischer, der Detektor und Demodulator vereint.