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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optoelektronisches Modul mit einem optoelektronischen Bauelement, das wenigstens eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung für optische Signale und ein Gehäuse aufweist. Des Weiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen des optoelektronischen Moduls.
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In der Automobilentwicklung ist ein eindeutiger Trend dahingehend zu beobachten, elektronische Systeme anstatt mechanischer Komponenten einzusetzen, immer mehr Komfort- und Sicherheitsfunktionen zu realisieren und gleichzeitig Rücksicht auf die Umwelt zu nehmen. Dies ist mit einer steigenden Komplexität der Fahrzeugelektronik bei gleichzeitig wachsender Anzahl von Funktionen, Sensoren und Aktoren verbunden. Diese Anforderungen sind mit einem zentralen Steuergerät nicht zu realisieren. Eine Lösung hierfür besteht in einer Vernetzung der verschiedenen Elektronikbaugruppen über einen Hochleistungs-Datenbus zur Reduzierung des Verkabelungsaufwands und zur Mehrfachnutzung von Sensordaten.
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Bei der Entwicklung eines solchen Hochleistungsdatenbussystems kommt dem Aspekt der elektromagnetischen Verträglichkeit wegen der hohen zu verarbeitenden Datenrate eine besondere Bedeutung zu. Elektrische Verbindungsleitungen müssen mit besonderen Maßnahmen vor externen Störeinflüssen geschützt werden. Dies geschieht meist durch die Verwendung von beschirmten oder verdrillten Leitungen. Trotz des damit verbundenen hohen Fertigungs- und damit Kostenaufwands ist eine galvanische Trennung der einzelnen Systemkomponenten nicht möglich. Deshalb wurde ein Bussystem entwickelt, das auf der Kunststoff-Lichtwellenleiter-Technik (plastic optical fiber: POF) basiert.
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Die optische Übertragung hat bei Datenbus-Systemen den Vorteil, dass sie von elektromagnetischen Störeinflüssen verschont bleibt. Zudem sind die verbundenen Systemkomponenten galvanisch voneinander getrennt, wodurch eine ungewollte gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Module ausgeschlossen wird.
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Die einzelnen Teilnehmer des Datenbussystems sind über jeweils einen Lichtwellenleiter (LWL) und einen aktiven Sternkoppler miteinander verbunden. Im Sternkoppler ist zur Anbindung jedes Teilnehmers eine optische Sende- und Empfangseinrichtung vorgesehen, in der eine Sende- und Empfangsdiode sowie ein Transceiver-Chip integriert sind, in welchem eine LED-Treiberschaltung, ein Empfangsverstärker und einige Logik- und Diagnosefunktionen enthalten sind. Die Sende- und die Empfangsdiode der Sende- und Empfangseinrichtung sind in Chip-on-Chip-Technologie übereinander montiert, um eine optimale Kopplung beider Bauteile an den Lichtwellenleiter zu erreichen.
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In dem Datenbussystem ist es möglich, dass die Sende- und/oder Empfangseinrichtungen direkt in Steuergeräte-Stiftleisten integriert werden, womit die Koppelverluste minimiert werden und auf einen kostenintensiven Justiervorgang verzichtet werden kann. Hierfür besteht ein Bedarf an Spezialgehäusen für die Sende- und Empfangseinrichtung. An diese werden hohe Anforderungen hinsichtlich Reproduzierbarkeit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit gestellt, um eine Automatisierung der Stiftleistenmontage und gleichzeitig eine hochgenaue Positionierung der leitungsseitigen Stiftelemente zu ermöglichen. Parallel dazu muss solch ein Spezialgehäuse eine langzeitstabile und dichte Verbindung zwischen den optoelektronischen Bauelementen und eingekoppelten Lichtwellenleitern aufweisen.
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Ein Standardverfahren zum Einkapseln mikroelektronischer Bauelemente ist das sogenannte Transfermolding. Dabei wird ein Trägerstreifen (Leadframe) mit darauf gebondeten Bauelementen in ein Spritzwerkzeug eingelegt und mit einem Duroplast umspritzt. Um beispielsweise Dioden zu fertigen, kann hierfür ein durchsichtiges Duroplast verwendet werden.
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Weiterhin ist das sogenannte Pottingverfahren bekannt. Dabei wird ein Behälter mit einem Zwei-Komponenten-Epoxidharz gefüllt und anschließend ein mit Bauelementen bestücktes Leadframe in den Behälter getaucht. Das Epoxidharz wird ausgehärtet und das fertige Modul (Leadframe, Bauelemente und Epoxidharz) aus dem Behälter entfernt. Um Dioden einzukapseln, wurde dieses Verfahren so abgeändert, dass der Tauchbehälter eine sogenannte ”Cavity as Interface” (CAI) mit einem Stempel ist, der sich an der Stelle befindet, an der die Diode mit einem Lichtwellenleiter gekoppelt werden soll. Aus Genauigkeitsgründen wird in dieser abgeänderten Technologievariante der Behälter nicht von dem Harz entfernt.
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Mit den obengenannten herkömmlichen Technologien ist es nur unter hohem Aufwand möglich, die optoelektronischen Bauelemente genau zum Lichtwellenleiter zu justieren und eine dauerhaft stabile Kopplung zwischen diesen Elementen herzustellen. Des Weiteren ist jeweils eine Vielzahl umständlicher Verfahrensschritte notwendig, die den Prozessablauf verlängern und verteuern. Zudem erreichen die gefertigten Module häufig nicht die geforderte Reproduzierbarkeit, um sie einfach an externe Systemelemente anbinden zu können.
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Im Pottingverfahren gefertigte optoelektronische Module weisen nach dem Vergießen mit zwei Komponenten Epoxidharz einen Stempel auf, der zur Endmontage entfernt werden muss und an dessen Stelle meist ein sogenanntes Pigtail, ein kurzes, meist flexibles, Lichtwellenleiter-Stück mit einem Stecker, der in das durch den Stempel gebildete entsprechende Gegenstück eingreift, an das optoelektronische Modul angekoppelt wird.
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Dies bedeutet nicht nur einen weiteren Verfahrensschritt in der Herstellung und Montage, sondern birgt auch die Problematik, das Pigtail mechanisch stabil an dem optoelektronischen Modul zu befestigen und dabei eine zuverlässige Ankopplung des Lichtwellenleiters des Pigtails an eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung des optoelektronischen Moduls zu ermöglichen.
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Ein direktes Verbinden von Lichtwellenleitern mit dem optoelektronischen Modul hat sich als problematisch herausgestellt, da insbesondere die Hitzeeinwirkung beim Einfassen des Modulgehäuses den empfindlichen Lichtwellenleiter beschädigen kann und somit das optoelektronische Modul unbrauchbar wird.
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Die Offenlegungsschrift
DE 100 01 875 A1 beschreibt ein einfach und kostengünstig herzustellendes Sende- und Empfangsmodul an das ein Lichtwellenleiterstück gekoppelt werden kann. Dazu ist ein Steckeraufnahmeteil an einem Modulgehäuse angebracht mit dessen Hilfe ein Lichtwellenstecker mit dem Modulgehäuse verbunden werden kann und eine elektrooptische Kopplung mit einem elektrooptischen Wandler ermöglicht wird. Im Inneren des Steckeraufnahmeteils befindet sich ein Lichtwellenleiterstück, das von der Umgebung einer Außenfläche des Steckeraufnahmeteils ausgehend durch das Innere des Steckeraufnahmeteils und eine Gehäuseöffnung sich bis in das Gehäuseinnere erstreckt und mit einem elektrooptischen Wandler gekoppelt ist. Zur Kopplung von elektrooptischem Wandler und Lichtwellenleiterstück ist dessen wandlerseitige Endfläche in einem geringen Abstand von der Sende- und Empfangsfläche des elektrooptischen Wandlers angeordnet. Zur Herstellung eines solchen Moduls wird das Lichtwellenleiterstück zuerst teilweise in das Modulgehäuse eingeführt und anschließend der aus dem Modulgehäuse herausragende Teil des Lichtwellenleiterstückes mit Kunststoff angespritzt.
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Zwar ist es somit möglich einen einfacheren Wellenleiterstecker anzugeben, jedoch wird dadurch nicht die Problematik der möglichen Beschädigung des Lichtwellenleiters durch einen Vergießprozess gelöst. Auch ist die Herstellung eines solchen Moduls immer noch aufwendig und umfasst viele kostenintensive Arbeitsschritte. Des weiteren ist die Qualität der Ein- bzw. Auskopplung von Lichtsignalen in bzw. aus dem Lichtwellenleiterstück nicht optimal.
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Aus der
JP 05-188 250 A ist ein optoelektronisches Modul bekannt, das eine Multicoreglasfaserplatte aufweist, die in einem Gehäuse gehalten ist und optisch mit einem Array von Laserdioden, LEDs oder Photodioden verbunden ist.
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Weiterhin offenbart die
US 5,473,716 A eine Verbinderanordnung für ein optisches Plastikfaserbündel, bei der das Wellenleiterbündel in einem Verbindergehäuse eingegossen ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein optoelektronisches Modul anzugeben, welches eine dauerhafte und stabile Ankopplung von Lichtwellenleitern an das optoelektronische Modul ermöglicht und/oder das weiterhin einfach herzustellen und zu montieren ist. Auch ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine möglichst gute Ein- und Auskopplung von Lichtsignalen in einen Lichtwellenleiter zu ermöglichen. Ferner ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen optoelektronischen Moduls anzugeben.
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Diese Aufgabe wird in erfindungsgemäßer Weise durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand mehrerer Unteransprüche.
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Die vorliegende Erfindung baut auf der Erkenntnis auf, dass der Einsatz von temperaturbeständigen Lichtwellenleitern eine Vielzahl der oben genannten Probleme lösen kann. Zum einen lässt sich durch die hohe Temperaturbeständigkeit ein Lichtwellenleiter direkt in das Gehäuse des optoelektronischen Moduls einkoppeln, was gegenüber dem Pottingverfahren mehrere Vorteile aufweist.
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Durch das direkte Koppeln eines Lichtwellenleiter-Stifts, an das Gehäuse erübrigt sich der Einsatz von Stempeln und Pigtails. Durch eine geeignete Dimensionierung des Lichtwellenleiter-Stifts ist es möglich diesen, und damit das optoelektronische Modul, direkt an weitere Peripherieeinrichtungen zu koppeln. Weiterhin kann auf Sammellinsen verzichtet werden, die teilweise benötigt werden, um einen Daten tragenden Lichtstrahl aus einer Sende- und/oder Empfangsvorrichtung in einen Lichtwellenleiter ein- bzw. auszukoppeln. Durch die direkte Verbindung zwischen Lichtwellenleiter-Stift und einer elektrooptischen Sende- und Empfangseinrichtung lassen sich Lichtsignale besonders gut in/aus dem Lichtwellenleiter-Stift ein-/auskoppeln.
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Zusätzlich vereinfacht sich dadurch der Herstellungsprozess, da es nun nicht mehr notwendig ist, komplizierte Halterungen zur Aufnahme der Pigtails vorzusehen und diese im Anschluss an die Herstellung des Moduls nach dem Entfernen des Stempels an das optoelektronische Modul anzubringen.
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Des Weiteren können die durch die nachträgliche Einkopplung von Lichtwellenleitern entstehenden Probleme, wie zum Beispiel die exakte Ankopplung an der Sende- und Empfangseinrichtung sowie die mechanische Stabilität der Kopplung, gelöst werden, da beim Vergießen des Lichtwellenleiter-Stifts mit dem Gehäuse dieses einerseits abgedichtet wird, der Lichtwellenleiter-Stift starr mit dem Gehäuse verbunden ist und nicht mehr entfernt werden muss um ein Pigtail anzukoppeln. Das direkte Vergießen des Lichtwellenleiter-Stifts mit dem Gehäuse erlaubt eine sehr zuverlässige Kopplung des Stifts mit der Sende- und Empfangseinrichtung des optoelektronischen Moduls.
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Auch ist es technisch einfacher eine Kopplung zwischen zwei Lichtwellenleitern herzustellen, als ein optoelektronisches Modul mit einem Lichtwellenleiter zu verbinden.
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Es ist vorteilhaft, temperaturbeständige Lichtwellenleiter zu verwenden, da diese es erlauben, sie in das Gehäuse des optoelektronischen Moduls einzugießen, ohne dass dadurch der Lichtwellenleiter selbst beschädigt wird. Insbesondere der Einsatz eines Lichtwellenleiter-Stifts ausgeführt als Multicorefaserstab, ein steifer, starrer Stab, der aus vielen einzelnen Glasfasern, je bestehend aus Kern und Cladding, die zu einem Bündel warm verpresst sind, besteht, hat sich als vorteilhaft herausgestellt, da diese einerseits temperaturbeständig sind und des Weiteren eine geringere Dämpfung als Kunststofflichtwellenleiter aufweisen.
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Um eine mechanisch stabile Verbindung zwischen Multicoreglasfaserstab und Gehäuse zu ermöglichen, ist es sinnvoll, eine Rauhigkeit entlang des äußeren Umfangs des Multicoreglasfaserstabs im Verbindungsbereich mit dem Gehäuse auszubilden. Diese Rauhigkeit kann insbesondere durch wenigstens eine Vertiefung, wie zum Beispiel eine umlaufende Rille, und/oder Erhöhung, wie beispielsweise ein umlaufender Vorsprung, gebildet sein.
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Beim Vergießen des optoelektronischen Moduls mit einem aushärtbaren Material, wie zum Beispiel ein Epoxidharz, umschließt dieses die umlaufenden Vorsprünge und fließt in die umlaufenden Vertiefungen ein. Nach dem Aushärten des Materials erhält man so eine mechanisch stabile Verbindung und kann den Multicoreglasfaserstab mit geringerer Fehlertoleranz an die Sende- und/oder Empfangseinrichtung des optoelektronischen Moduls ankoppeln.
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Als Sende- und Empfangseinrichtung in einem optoelektronischen Modul können alle handelsüblichen Ausführungsformen eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Fotodiode als Empfangseinrichtung dienen und eine Lichtemitterdiode als Sendeeinrichtung eingesetzt werden.
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Das Herstellungsverfahren eines optoelektronischen Moduls lässt sich durch die vorliegende Erfindung vorteilhaft vereinfachen. Zuerst wird der Multicoreglasfaserstab mit einer Stirnseite an einen Stelle so positioniert; dass er mit der Sende- und/oder Empfangseinrichtung des optoelektronischen Bauelements eine Kopplung ermöglicht. Anschließend wird der Multicoreglasfaserstab zumindest teilweise in das Gehäuse eingegossen. Dazu wird ein aushärtbares Material benutzt, mit dem das optoelektronische Bauelement umgossen wird.
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Um eine mechanisch stabile und durch geringe Fehlertoleranz gekennzeichnete Verbindung zwischen Multicoreglasfaserstab und Gehäuse zu ermöglichen, ist es, wie beschrieben, vorteilhaft, eine Rauhigkeit an dem einzugießenden Ende des Multicoreglasfaserstabs anzubringen, bevor dieser gegenüber dem optoelektronischen Bauelement positioniert und umgossen wird. Die Rauhigkeit am Lichtwellenleiterstift kann auf einfache Weise durch das Ätzen einer umlaufenden Rille bzw. das Anbringen von Erhöhungen durch Stauchen des Multicoreglasfaserstabs hergestellt werden.
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Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 eine Frontansicht des optoelektronischen Moduls;
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2 einen Schnitt des optoelektronischen Moduls entlang der Schnittlinie A-A;
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3 ein Detail des in 2 dargestellten Schnittes;
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4 ein optoelektronisches Modul mit Doppelkammer-Gehäuse und zwei angekoppelten Multicoreglasfaserstäben;
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5 eine Seitenansicht eines mit elektrischen Kontakten versehenen optoelektronischen Moduls;
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6 eine Frontansicht eines mit elektrischen Kontakten versehenen optoelektronischen Moduls.
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1 zeigt eine Frontansicht eines optoelektronischen Moduls. Ein Multicoreglasfaserstab (Lichtwellenleiter-Stift) 1 ist an eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung 2 angekoppelt und wird durch eine Rauhigkeit 4, 5 im Gehäuse 3 des optoelektronischen Moduls gehalten, wie in der Beschreibung der folgenden Figuren näher erläutert wird.
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2 zeigt eine Seitenansicht des optoelektronischen Moduls aus 1 entlang der Schnittlinie A-A. Der Multicoreglasfaserstab 1 ist mit seiner Stirnseite an die Sende- und/oder Empfangseinrichtung 2 angekoppelt. Vorzugsweise liegt die Stirnseite des Multicoreglasfaserstabs 1 plan an der Sende- und/oder Empfangseinrichtung 2 an. Es ist natürlich auch denkbar Signale von der Sende- und/oder Empfangseinrichtung 2 durch ein optisches Netzwerk zu leiten bevor sie in den Multicoreglasfaserstab 1 ein- bzw. ausgekoppelt werden.
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Der Multicoreglasfaserstab 1 ist teilweise mit dem Gehäuse 3 verbunden. Eine Erhöhung 4 und Vertiefungen 5 stellen eine mechanisch feste Verbindung von Multicoreglasfaserstab 1 und Gehäuse 3 sicher. Die durch die Erhöhungen 4 bzw. Vertiefungen 5 ausgebildete Rauhigkeit 4, 5 ermöglicht eine stabile Befestigung des Multicoreglasfaserstabs 1 im Gehäuse 3 und stellt gleichzeitig eine durch geringe Fehlertoleranz gekennzeichnete Ankopplung des Multicoreglasfaserstabs 1 mit der Sende- und/oder Empfangseinrichtung 2 sicher.
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Im Inneren des Gehäuses 3 befindet sich ein optoelektronisches Bauelement 6, mit dem die Sende- und/oder Empfangseinrichtung 2 verbunden ist. Das optoelektronische Bauelement 6 steuert die Sende- und/oder Empfangseinrichtung 2 und leitet die Sendesignale zur Sende- und/oder Empfangseinrichtung 2. Auch ist es möglich, die empfangenen Signale in dem optoelektronischen Bauelement 6 weiter zu verarbeiten.
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3 zeigt den in 2 mit D gekennzeichneten Bereich in einer detaillierteren Darstellung. In ihr ist die Rauhigkeit 4, 5 des Multicoreglasfaserstabs 1, mit der dieser im Gehäuse 3 gehalten wird, genauer gezeigt. Es ist dargestellt, wie die Rauhigkeit 4, 5 des Multicoreglasfaserstabs 1 sich in das Gehäuse 3 einfügt. Eine detaillierte Darstellung der Erhöhung 4 bzw. die Vertiefungen 5 zeigt, wie der Multicoreglasfaserstab 1 im Gehäuse 3 gehalten wird.
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Durch die Rauhigkeit 4, 5 am Multicoreglasfaserstab 1 wird im Einkoppelbereich desselben keine zusätzliche Dämpfung auftreten, wenn es sich um einen Multicoreglasfaserstab handelt, da nur die äußeren Multicoreglasfasern beeinträchtigt werden, welche jedoch bei der Signalübertragung nicht genutzt werden müssen.
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4 zeigt ein optoelektronisches Modul mit einem Doppelkammer-Gehäuse, an das zwei Multicoreglasfaserstäbe 1, 7 angekoppelt sind. Das optoelektronische Bauelement 6 weist in diesem Falle zwei Sende- und/oder Empfangseinrichtungen 2, 8 auf, die jeweils an einen Multicoreglasfaserstab 1, 7 gekoppelt sind. Die Multicoreglasfaserstäbe 1, 7 werden jeweils durch eine Rauhigkeit 4, 5, 11, 12 im Gehäuse 3 gehalten. Beispielhaft ist eine Abschirmung 10 dargestellt, die eine galvanische Trennung zwischen den beiden um die Sende- und/oder Empfangseinrichtungen 2, 8 angeordneten Bereiche sicherstellt, um eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Bereiche durch Störgrößen zu verhindern.
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5 zeigt eine Seitenansicht, eines optoelektronischen Moduls gemäß einer weiteren Ausführungsform mit elektrischen Kontakten 9. Die Kontakte 9 sind an das optoelektronische Bauelement 6 gekoppelt, das wiederum mit einer Sende- und/oder Empfangseinrichtung 2 verbunden ist. Diese ist wiederum mit einem Multicoreglasfaserstab 1 verbunden, der vom Gehäuse 3 mechanisch stabil und mit geringer Fehlertoleranz in seiner Positionierung gegenüber der Sende- und/oder Empfangseinrichtung 2 gehalten wird.
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6 zeigt eine Frontansicht des optoelektronischen Moduls aus 5. Die Ausführung entspricht der Frontansicht aus 1, wobei das optoelektronische Modul in 6 zusätzlich elektrische Kontakte 9 aufweist.
