DE10211677A1

DE10211677A1 - Anordnung zum Senden oder Empfangen von optischen Signalen

Info

Publication number: DE10211677A1
Application number: DE10211677A
Authority: DE
Inventors: Norbert Ebel
Original assignee: MergeOptics GmbH
Current assignee: FCI Deutschland GmbH
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2022-03-16
Also published as: US7300211B2; DE10211677B4; US20050058405A1

Abstract

Es wird eine Anordnung zum Senden oder Empfangen von optischen Signalen angegeben, bei welcher ein opto/elektrischer Wandler (5) zusammen mit einer demselben zugeordneten Glasfaser (8) und weiteren für eine Sende- bzw. Empfangsschaltung vorgesehenen Elementen (6, 7) auf einem gemeinsamen Träger angeordnet ist. Der Träger ist eine mehrschichtige, unterschiedliche Lagen aus Isoliermaterial und Zwischenlagen aus Metall aufweisende Leiterkarte (1) mit einer Vertiefung (2), die eine Öffnung (3) und einen Boden (4) aufweist, auf dem Leiterbahnen angebracht sind, von denen zumindest ein Teil impedanzangepaßt ist. Der Wandler (5) und die weiteren Elemente (6, 7) sind vollständig und ohne Überstand innerhalb der Vertiefung (2) angeordnet und mit den Leiterbahnen verbunden. Die Leiterbahnen sind zumindest teilweise seitlich aus der Vertiefung (2) heraus bis in dieselbe umgebende Randbereiche der Leiterkarte (1) geführt und dort zumindest teilweise an impedanzangepaßte Leiter (11) angeschlossen, die innerhalb der Leiterkarte (1) bis zu einer gemeinsamen Oberfläche derselben ragen und dort jeweils in einer Kontaktfläche (12) enden. Die Glasfaser (8) ist durch eine Durchbrechung der Leiterkarte (1) aus der Vertiefung (2) herausgeführt und rund um die Leiterkarte (1) ist ein elektrischer wirksamer Schirm angebracht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Senden oder Empfangen von optischen Signalen, bei welcher ein opto/elektrischer Wandler zusammen mit einer demselben zugeordneten Glasfaser und weiteren für eine Sende- bzw. Empfangsschaltung vorgesehenen Elementen auf einem gemeinsamen Träger angeordnet ist (DE 34 09 146 A1).
Eine solche Anordnung wird beispielsweise bei der Datenübertragung über Glasfasern bzw. Lichtwellenleiter benötigt. Der opto/elektrische Wandler kann als Sender beispielsweise eine Laserdiode sein, welcher eine Treiberschaltung zugeordnet ist. Er kann als Empfänger beispielsweise als Fotodiode ausgeführt sein, die mit einem als Vorverstärker wirkenden Transimpedanzverstärker verbunden ist. Derartige Anordnungen werden auch bei hochratiger Datenübertragung ab beispielsweise 10 GBit eingesetzt. Dabei muß insbesondere im elektrischen Bereich der Anordnungen sichergestellt sein, daß die zu übertragenden Daten bzw. Signale nicht verformt oder sogar nicht auswertbar werden. Störungen können beispielsweise durch Reflexion an Stoßstellen hervorgerufen werden, die durch schlecht bzw. falsch angepaßte Wellenleiter gegeben sein können. Die Anordnungen sollen außerdem vor elektromagnetischen Fremdfeldern geschützt sein und selbst keine elektromagnetische Störstrahlung abgeben. Sie sollen weiterhin optisch dicht und gegen Feuchtigkeit geschützt sein.
Aus der eingangs erwähnten DE 34 09 146 A1 geht eine als optoelektronisches Modul bezeichnete Anordnung hervor, bei der auf einem beispielsweise aus Silizium bestehenden Substrat aus Halbleitermaterial mindestens ein Verstärkerelement in integrierter Technik angebracht ist. Das Substrat weist eine Grube auf, in welche ein zum Senden oder Empfangen von Licht geeigneter Lichtmodulator eingesetzt ist. Er ist in der Grube mit dem Substrat beispielsweise verklebt. Der Lichtmodulator ist mit einem Verstärkerelement des Substrats durch einen Bonddraht elektrisch leitend verbunden. Das Substrat selbst ist auf einer Platte angebracht, durch welche elektrisch leitende Anschlüsse zum Zuführen von Potentialen zum Substrat hindurchragen. Solche Drähte und Anschlüsse können sich bei der schnellen Datenübertragung störend auswirken und zumindest zu einer Signalverformung führen. Die Anordnung ist außerdem nicht gegen elektromagnetische Felder geschützt. Sie ist auch optisch nicht dicht. Das aus Platte und Substrat bestehende Modul wird in ein einen Glasfaseranschluß aufweisendes Gehäuse eingebaut. Ein Schutz gegen Feuchtigkeit ist nicht vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte Anordnung in ihrem Aufbau zu vereinfachen und so zu gestalten, daß sie auch bei höheren Frequenzen störungsfrei arbeitet und auf besonders einfache Weise mit anderen Schaltelementen zusammengeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

- daß der Träger eine mehrschichtige, unterschiedliche Lagen aus Isoliermaterial und Zwischenlagen aus Metall aufweisende Leiterkarte mit einer Vertiefung ist, die eine Öffnung und einen Boden aufweist, auf dem Leiterbahnen angebracht sind, von denen zumindest ein Teil impedanzangepaßt ist,
- daß der Wandler und die weiteren Elemente vollständig und ohne Überstand innerhalb der Vertiefung angeordnet und mit den Leiterbahnen verbunden sind,
- daß die Leiterbahnen zumindest teilweise seitlich aus der Vertiefung heraus bis in dieselbe umgebende Randbereiche der Leiterkarte geführt und dort zumindest teilweise an impedanzangepaßte Leiter angeschlossen sind, die innerhalb der Leiterkarte bis zu einer gemeinsamen Oberfläche derselben ragen und dort jeweils in einer Kontaktfläche enden,
- daß die Glasfaser durch eine Durchbrechung der Leiterkarte aus der Vertiefung herausgeführt ist und
- daß rund um die Leiterkarte ein elektrischer wirksamer Schirm angebracht ist.

In dieser Anordnung sind die für einen optischen Sender bzw. Empfänger benötigten Elemente, einschließlich der zur Führung von optischen Signalen benötigten Glasfaser in einem einzigen, kompakten und einfach zu handhabenden Bauteil - der Leiterkarte - zusammengefaßt. Die fertig bestückte Leiterkarte kann in einem einzigen Arbeitsschritt beispielsweise auf einer Modul-Leiterplatte funktionsgerecht angeordnet werden, die Teil eines vollständigen Übertragungssystems ist. Sie braucht dazu nur mit der Fläche, auf welcher die Kontaktflächen angebracht sind, auf eine die entsprechenden Gegenkontakte aufweisende Leiterplatte aufgesetzt und beispielsweise durch Löten mit denselben verbunden zu werden. Die positionsgenau in der Leiterkarte angebrachte Glasfaser kann dann beispielweise direkt zu einem optischen Steckverbinder geführt werden. Durch die Verbindung der Leiterbahnen mit impedanzangepaßten Leitern ist insbesondere auch bei höheren Übertragungsraten von beispielsweise mehr als 10 GBit eine einwandfreie Arbeitsweise im elektrischen Teil der Anordnung gewährleistet. Da die ganze Anordnung außerdem von einem elektrischen Schirm umgeben ist, besteht ein wirksamer Schutz vor elektromagnetischen Fremdfeldern. Die Anordnung kann auch keine elektromagnetische Störstrahlung abgeben.
In bevorzugter Ausführungsform sind die impedanzangepaßten Leiterbahnen am Boden der Vertiefung als Mikrostrips ausgeführt. Die impedanzangepaßten Leiter, welche innerhalb der Leiterkarte durch deren Lagen hindurchragen, sind vorzugsweise koaxiale Leiter oder differentielle Doppelleitungen in koaxialer Ausführung.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Gesamtansicht der Anordnung nach der Erfindung im Schnitt in schematischer Darstellung.
Fig. 2 einen Schnitt durch Fig. 1 längs der Linie II-II.
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 1.
Fig. 4 eine Stirnansicht der Anordnung nach Fig. 1.
Fig. 5 bis 7 Ausschnitte der Anordnung noch Fig. 1 in vergrößerten Darstellungen.
Fig. 8 ein übergeordnetes System mit einer Anordnung nach der Erfindung.
In Fig. 1 ist eine mehrschichtige Leiterkarte 1 im Schnitt dargestellt. Solche Leiterkarten bes±ehen aus mehreren, beispielsweise zwölf, Lagen aus Isoliermaterial, zwischen den Zwischenschichten aus Metall, insbesondere aus Kupfer, angeordnet sind. Die Zwischenschichten können als Metallflächen und/oder Leiterbahnen ausgeführt sein. Das Material der Leiterkarte 1 ist vorzugsweise für Hochfrequenzanwendungen geeignet. Es kann mit Vorteil mit Fluorethylenpropylen (FEP bzw. "Teflon") und keramischem Material gefüllt sein. Es können aber auch keramische Materialien oder andere Isolierstoffe verwendet werden. Die Leiterkarte 1 hat in ihrem mittleren Bereich eine Vertiefung 2 mit einer Öffnung 3 und einem Boden 4. In der Vertiefung 2 sind die Elemente untergebracht, die für einen Sender oder einen Empfänger für die optische Datenübertragung benötigt werden. Da der Aufbau der Anordnung für beide Anwendungen grundsätzlich der gleiche ist, wird im folgenden der Sender berücksichtigt - stellvertretend auch für den Empfänger.
In der Vertiefung 2 sind beispielsweise eine Laserdiode 5, eine derselben zugeordnete Treiberschaltung 6 und weitere periphere Elemente 7 angeordnet, die für einen Sender der optischen Datenübertragung benötigt werden. Alle erwähnten Elemente sind vorzugsweise in üblicher Halbleitertechnik aufgebaut. Sie liegen vollständig innerhalb der Vertiefung 2 und ragen daher nicht über deren Rand hinaus, also nicht aus der Öffnung 3 heraus. Eine durch die Wandung der Leiterkarte 1 hindurchgeführte Glasfaser 8 ist positionsrichtig zur Laserdiode 5 fixiert. Die Öffnung 3 ist in der fertigen Anordnung durch eine vorzugsweise aus Metall bestehende Platte 9 verschlossen. Die Platte 9 ist in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet.
Durch die versenkte Anordnung der erwähnten Elemente des Senders in der rundum durch die Leiterkarte 1 begrenzten Vertiefung 2 und deren Abdeckung durch die Platte 9 sind die Elemente optisch dicht und gegen Feuchtigkeit geschützt in der Leiterkarte 1 untergebracht.
Zum elektrisch leitenden Anschluß und zur Verbindung der beschriebenen Elemente des Senders untereinander sind am Boden 4 der Vertiefung 2 Leiterbahnen 10 angebracht, die zumindest für die hochfrequenten Signalwege impedanzangepaßt sind. Diese Leiterbahnen 10 sind als impedanzangepaßte Wellenleiter, vorzugsweise als präzise herstellbare Mikrostrips ausgeführt. Die Leiterbahnen 10 können gemäß Fig. 2 aus der Vertiefung 2, deren Ränder gestrichelt eingezeichnet sind, seitlich bis in die dieselbe umgebenden Randbereiche der Leiterkarte 1 herausgeführt sein. Diese Leiterbahnen 10 sind dort mit Leitern 11 verbunden, die innerhalb der Leiterkarte 1 angeordnet sind, deren Lagen durchdringen und bis zu einer Oberfläche derselben ragen. Die nicht aus der Vertiefung 2 herausgeführten Leiterbahnen 10 dienen zum Verbinden der Elemente der Anordnung untereinander.
Die impedanzangepaßten Leiterbahnen 10 sind reflexionsfrei mit impedanzangepaßten Leitern 11 verbunden. Jeder Leiter 11 endet an der Oberfläche der Leiterkarte 1 in einer Kontaktfläche 12. Die Kontaktflächen 12 sind fest auf der Leiterkarte 1 angebracht. Sie liegen in bevorzugter Ausführungsform alle auf der gleichen Fläche der Leiterkarte 1. Das ist mit Vorzug die Fläche der Leiterkarte 1, in der sich die Öffnung 3 der Vertiefung 2 befindet. Die Kontaktflächen 12 und damit auch die Leiter 11 können dann rund um die Vertiefung 2 verteilt angeordnet sein, so wie es in Fig. 3 gezeigt ist.
Die Glasfaser 8 kann gemäß Fig. 4 in einer in der Wandung der Leiterkarte 1 angebrachten Nut 13 angeordnet sein, welche nach der Montage der Glasfaser 8 hermetisch dicht und elektrisch leitend verschlossen wird. Es ist aber auch möglich, die Glasfaser 8 durch eine Bohrung in der Wandung der Leiterkarte 1 in die Vertiefung 2 hineinzuführen, die ebenfalls hermetisch dicht und elektrisch leitend verschlossen wird.
Die Leiter 11 sind in bevorzugter Ausführungsform als impedanzangepaßte, koaxiale Leitungen gemäß Fig. 5 ausgeführt. Eine solche Leitung besteht aus einem Innenleiter 14 und mit Abstand zum Innenleiter 14 konzentrisch rund um denselben herum mit Abstand zueinander angeordneten Durchkontaktierungen 15, die an Masse angeschlossen sind. Sie bilden mit den im Aufbau der Leiterkarte 1 vorhandenen metallischen Zwischenschichten einen impedanzangepaßten Wellenleiter. Das gilt auch für die vorteilhaft einsetzbare Ausführungsform der Leiter 11 als differentielle Doppelleitung in koaxialer Ausführung. Die Durchkontaktierungen 15 umschließen hier zwei Innenleiter 14a und 14b. Die Innenleiter 14, 14a und 14b sind immer gegenüber den metallischen Zwischenschichten der Leiterkarte 1 isoliert.
Am Boden 4 der Vertiefung 2 können metallische Flächen 16 angebracht sein, auf welchen aktive, Wärme erzeugende Elemente des Senders aufgesetzt werden. Sie dienen zum Abführen der Wärme und sind gemäß Fig. 6 durch die Wandung der Leiterkarte 1 hindurch bis zu einer freien Oberfläche derselben geführt. Um diese "Durchführung" zu verkürzen, kann am Boden 4 der Vertiefung 2 eine Senke angebracht sein, in welcher die metallischen Flächen 16 liegen und in welcher die Wärme erzeugenden Elemente angeordnet werden. Die an der korrespondierenden freien Oberfläche der Leiterkarte 1 vorgesehene metallische Fläche 17 führt die Wärme ab. Es kann dort auch eine zusätzliche Kühleinrichtung angeordnet werden. Die Flächen 16 und 17 und ihre wärmeleitende Verbindung können durch eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 18 realisiert werden, so wie es in Fig. 7 angedeutet ist. Es können aber auch metallische Blöcke in die Wandung der Leiterkarte 1 eingebaut sein.
Die Leiterkarte 1 ist rundum von einem elektrisch wirksamen Schirm umgeben, so daß der Sender vor elektromagnetischen Feldern geschützt ist. Er kann dann selbst auch keine Störstrahlung abgeben. Dazu kann die Leiterkarte 1 unter Freilassung der Kontaktflächen 12 rundum mit elektrisch leitendem Material, wie Kupfer, beschichtet werden. Es können aber auch im Außenbereich der Leiterkarte 1 rundum dicht liegende Durchkontaktierungen angebracht werden, die ein gemeinsames Gehäusepotential bilden.
In der fertigen Anordnung liegen - wie bereits erwähnt - alle Kontaktflächen 12 auf einer gemeinsamen Fläche der Leiterkarte 1. Zur Montage der Anordnung braucht dieselbe nur mit ihren Kontaktflächen 12 auf die entsprechenden Gegenkontakte einer Leiterplatte 19 eines übergeordneten Übertragungssystems aufgesetzt und mit denselben elektrisch leitend verbunden zu werden, beispielsweise durch Löten oder über eine Kontaktmatte. Die Leiterplatte 19 kann gemäß Fig. 8 beispielsweise in einem metallischen Gehäuse 20 untergebracht sein, das als Transceiver in ein Übertragungssystem eingesetzt wird. Das Gehäuse 20 kann einen nach innen weisenden Vorsprung 21 haben, der in Montageposition an der zur Wärmeabfuhr vorgesehenen Fläche 17 der Leiterkarte 1 anliegt. Die Glasfaser 8 kann in einem von außen zugänglichen Steckverbinder 22 in der Wandung des Gehäuses 20 enden.

Claims

1. Anordnung zum Senden oder Empfangen von optischen Signalen, bei welcher ein opto/elektrischer Wandler zusammen mit einer demselben zugeordneten Glasfaser und weiteren für eine Sende- bzw. Empfangsschaltung vorgesehenen Elementen auf einem gemeinsamen Träger angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger eine mehrschichtige, unterschiedliche Lagen aus Isoliermaterial und Zwischenlagen aus Metall aufweisende Leiterkarte (1) mit einer Vertiefung (2) ist, die eine Öffnung (3) und einen Boden (4) aufweist, auf dem Leiterbahnen (10) angebracht sind, von denen zumindest ein Teil impedanzangepaßt ist,
daß der Wandler und die weiteren Elemente vollständig und ohne Uberstand innerhalb der Vertiefung (2) angeordnet und mit den Leiterbahnen (10) verbunden sind,
daß die Leiterbahnen (10) zumindest teilweise seitlich aus der Vertiefung (2) heraus bis in dieselbe umgebende Randbereiche der Leiterkarte (1) geführt und dort zumindest teilweise an impedanzangepaßte Leiter (11) angeschlossen sind, die innerhalb der Leiterkarte (1) bis zu einer gemeinsamen Oberfläche derselben ragen und dort jeweils in einer Kontaktfläche (12) enden,
daß die Glasfaser (8) durch eine Durchbrechung der Leiterkarte (1) aus der Vertiefung (2) herausgeführt ist und
daß rund um die Leiterkarte (1) ein elektrischer wirksamer Schirm angebracht ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Führung hochfrequenter Signale dienenden Leiterbahnen (10) als impedanzangepaßte Wellenleiter, insbesondere als Mikrostrips ausgeführt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (3) der Vertiefung (2) durch eine Platte (9) verschlossen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (9) aus Metall besteht.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (12) der Leiter (11) auf der Oberfläche der Leiterkarte (1) angebracht sind, in welcher die Öffnung (3) der Vertiefung (2) liegt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen rund um die Vertiefung (2) verteilt angeordnet sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die impedanzangepaßten Leiter (11) jeweils als koaxiale Leitungen mit einem reflexionsfrei an die impedanzangepaßten Leiterbahnen (10) angeschlossenen Innenleiter (14) und mit Abstand dazu konzentrisch rund um denselben herum mit Abstand zueinander angeordneten Durchkontaktierungen (15) ausgeführt sind, die mindestens an einer Stelle elektrisch leitend miteinander verbunden und an Masse angeschlossen sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die impedanzangepaßten Leiter (11) jeweils als differentielle Doppelleitungen in koaxialer Ausführung mit reflexionsfrei an die impedanzangepaßten Leiterbahnen (10) angeschlossenen Innenleitern (14a, 14b) und mit Abstand dazu konzentrisch rund um dieselben herum mit Abstand zueinander angeordneten Durchkontaktierungen (15) ausgeführt sind, die mindestens an einer Stelle elektrisch leitend miteinander verbunden und an Masse angeschlossen sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden der Vertiefung (2) metallische Flächen (16) angebracht sind, auf welchen Wärme erzeugende Elemente angeordnet sind und die wärmeleitend mit an einer freien Oberfläche der Leiterkarte (1) befindlichen metallischen Flächen (17) verbunden sind.