DE19714170C1 - Elektrooptisches Modul - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet insbesondere mehrkanaliger elektrooptischer Datenübertragungs-Verbindungen und betrifft ein elektrooptisches Modul mit mindestens einem elektroopti­ schen Wandler. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird un­ ter einem elektrooptischen Wandler sowohl ein Sende- als auch ein Empfangselement verstanden (z. B. lichtemittierende Dioden, oberflächenemittierende Laserdioden oder Fotodioden). Der oder die jeweils optisch aktive(n) Oberflächenbereich(e) des Wandlers - d. h. bei einem Sender lichtabstrahlende bzw. bei einem Empfanger lichtempfindliche Zonen - wird bzw. wer­ den nachfolgend verallgemeinert als optisch aktive Zone(n) bezeichnet.

Eine im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit und den Kopp­ lungswirkungsgrad eines Moduls besonders kritischer Bereich im Modulaufbau ist die Koppelstelle zwischen dem Wandler und dem Einkoppelbereich einer der Lichtwellenleitung dienenden Lichtleitfaser (Lichtwellenleiter). Für mehrkanalige Module ist eine der Kanalanzahl entsprechende Anzahl von Koppelstel­ len notwendig. Grundsätzlich müssen derartige Koppelbereiche vor Außeneinflüssen, insbesondere z. B. kondensierender Luft­ feuchtigkeit und Temperaturwechseln, geschützt werden.

Eine bislang angewandte Schutzmäglichkeit ist eine hermetisch dichte Einkapselung des Moduls in ein vergleichsweise aufwen­ diges und teures Hermetikgehäuse. Bei der grundsätzlich z. B. aus der EP 0 466 975 A1 oder der DE 43 23 828 A1 bekannten individuellen Kapselung des Koppelspaltes mit einer Abdeck- oder Vergußmasse treten insbesondere bei mehrkanaligen Modu­ len mit Wandlern mit mehreren optischen aktiven Zonen auf­ grund der Bauteilgeometrie und -erstreckung erhebliche Pro­ bleme infolge des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs­ verhaltens der einzelnen Bauteile - insbesondere des Wandlers und des anzukoppelnden Lichtwellenleiterarrays - auf. Ein weiteres Problemfeld bei mehrkanaligen Hochleistungsmodulen besteht darin, daß zur Ansteuerung der Wandler (Sender) bzw. zur Weiterverarbeitung der Wandlersignale (Empfänger) die da­ zu erforderlichen integrierten elektrischen Schaltungen zur Erreichung hoher Betriebsfrequenzen möglichst in unmittelba­ rer Nähe der Wandlerbausteine angeordnet und mit kurzen Bond­ drähten verbunden sein sollten. Die dazu verwendeten inte­ grierten elektrischen Schaltungen sind in der Regel lichtemp­ findlich und müssen daher vor dem Zutritt von Außenlicht bzw. vor einer Belastung durch wandlerseitiges Streulicht ge­ schützt werden.

Für diese komplexen und spezifischen Schutzbedürfnisse des Koppelspalts einerseits und der elektrischen Schaltung ande­ rerseits auf engstem Raum ist bislang keine befriedigende Ge­ samtlösung bekannt geworden. Bei in ihrer Zusammensetzung oder Struktur unterschiedlichen, hinsichtlich der optischen Eigenschaften optimierten Schutzmaterialien erweist sich die Durchführung der Bonddrähte aufgrund der unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der Materialien als problematisch.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung ei­ nes elektrooptischen Moduls, insbesondere eines mehrkanaligen Moduls, das bei einem zuverlässigen Schutz sowohl der Kop­ pelspalte zwischen der oder den optisch aktiven Zone(n) und dem oder den zugeordneten Lichtwellenleiterende(n) bei einfa­ cher Herstellbarkeit auch mit hohen Frequenzen betreibbar ist, indem der Wandler und eine diesem zugeordnete elektri­ sche Schaltung auf engstem Raum angeordnet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektro­ optisches Modul mit einem elektrooptischen Wandler mit mindes­ tens einer optisch aktiven Zone, an die unter Bildung eines Koppelspaltes ein Ende eines Lichtwellenleiters optisch ange­ koppelt ist,
mit einer lichtempfindlichen integrierten elektrischen Schal­ tung, die in der Umgebung des Wandlers angeordnet und die mittels Drahtbonden elektrisch mit dem Wandler verbunden ist,
wobei ein erstes, für das wandlerspezifische Licht durchläs­ siges Material den Koppelspalt ausfüllt,
wobei ein zweites Material die elektrische Schaltung umgibt, das in seiner Grundzusammensetzung dem ersten Material ent­ spricht, das jedoch in seinen optischen Ligenschaften derart modifiziert ist, daß es für die Schaltung beeinflussendes Licht undurchlässig ist, und
wobei das erste und das zweite Material eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen, durch die zumindest ein Bonddraht tritt.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch Verwendung sich in ihrer (chemischen und strukturellen) Grundzusammensetzung entsprechender Materialien gleiche und homogene mechanische Eigenschaften sichergestellt und dadurch Belastungen aufgrund thermischer Einwirkungen auf die betei­ ligten Bauteile und insbesondere auf die Bonddrähte zuverläs­ sig vermieden werden. Durch Verwendung chemisch gleich aufge­ bauten Materials für das erste und das zweite (Verguß-)Ma­ terial ist im übrigen nur ein einziger Materialtyp zu verar­ beiten und in der Applikation zu beherrschen. Die erfindungs­ gemäß vorzusehende Modifizierung der optischen Eigenschaften des zweiten Materials kann z. B. durch Beimischung geeigneter lichtabschirmender und/oder lichtabsorbierender Partikel (beispielsweise Ruß, Farbpigmente, Farbstoffe, Graphit, Al₂O₃, CaCO₃, Talkum, TiO₂, Silicate, pyrogene Kieselsäure) erfolgen. Es ist auch eine Einfärbung des zweiten Materials mit Substanzen denkbar, die zumindest in dem Wellenlängenbe­ reich des betriebsgemäß und ggf. von außen auftretenden Lich­ tes undurchlässig sind. Die Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Material erlaubt in vorteilhafter Weise einen vollständigen Einschluß und damit Schutz des die Grenzfläche durchtretenden Bonddrahtes.

Eine fertigungstechnisch bevorzugte Ausgestaltung des erfin­ dungsgemäßen Moduls besteht darin, daß die Lichtwellenlei­ terendfläche in der Ebene der Grenzfläche liegt. Die übli­ cherweise verwendbaren Materialien lassen sich bei einer der­ artigen konstruktiven Gestaltung besonders präzise und wohl­ dosiert aufbringen.

Der Koppelspalt wird vorzugsweise mit einem Polymer verfüllt, das eine besonders niedrige Glasübergangstemperatur besitzt und für den betriebsgemäßen Wellenlängenbereich optisch transparent ist. Dafür eignen sich insbesondere Silikone; diese weisen auch bei extremen Temperaturwechselbeanspruchun­ gen eine hohe Zuverlässigkeit auf, ohne daß sich Verschlech­ terungen ihres Transmissionsverhaltens erkennen lassen. Die niedrige Viskosität des Silikons und dessen Fließfähigkeit erlauben eine zuverlässige und gezielte Füllung des Koppel­ spaltes.

Eine fertigungstechnisch besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das zweite Material auf ei­ ner die Schaltung tragenden Grundplatte in einem Bereich auf­ gebracht ist, der zumindest teilweise von einer zuvor auf die Grundplatte aufgetragenen Vergußraupe begrenzt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung weiter erläutert;
die Fig. 1 bis 3 zeigen ein erfindungsgemäßes Modul im Längsschnitt, in Aufsicht und im Querschnitt.

Das Modul umfaßt einen elektrooptischen Wandler 1 mit einer Vielzahl optisch aktiver Zonen 1a bis 1l (Wandlerarray). Im vorliegenden Beispiel sei angenommen, daß es sich bei dem Wandler um ein Sendeelement handelt. Den optisch aktiven Zo­ nen ist über einen Koppelspalt 2 jeweils ein Ende eines Lichtwellenleiters 3a bis 3l zugeordnet. Das jeweilige Licht­ wellenleiterende ist mit der jeweils zugeordneten optisch ak­ tiven Zone derart gekoppelt, daß bei Ansteuerung von der Zone ausgestrahlte Lichtsignale über einen Lichtsignalpfad durch die Mantelfläche des Lichtwellenleiters eintreten und an des­ sen schräg polierter, verspiegelter Stirnfläche (z. B. 4 g/Fig. 1) in die Längsachsenrichtung Z des Lichtwellenlei­ ters 3g reflektiert wird. Die Lichtwellenleiterenden sind in einem Koppelelement 7 achsparallel angeordnet und enden zur weiteren Ankopplung an einer rückwärtigen Stirnfläche 7a des Koppelelementes. Der elektrooptische Wandler ist über eine Vielzahl von ersten Bonddrähten 8a bis 8l mit Leiterbahnen 9a bis 91 eines Wandlerträgers 10 verbunden. Der Wandlerträger weist weitere Bonddrahtanschlüsse auf, die mit weiteren Bond­ drähten 12 kontaktiert sind. Die weiteren Bonddrähte verbin­ den eine lichtempfindliche integrierte elektrische Ansteuer­ schaltung 14 mit dem elektrooptischen Wandler 1 derart, daß gemäß den Ausgangssignalen der Ansteuerschaltung individuell die aktiven Zonen aktiviert und damit zur gezielten Lichtaus­ sendung angeregt werden können. Rückwärtig sind weitere Kon­ taktierungspunkte für die elektrische Schaltung vorgesehen, über die diese mittels weiteren Bonddrähten an Leiterbahnan­ schlüsse 16 zur externen Kontaktierung des Moduls angeschlos­ sen ist.

Ein erstes, für das von den optisch aktiven Zonen 1a bis 1l ausgesendete Licht durchlässiges Material 20 füllt den Kop­ pelspalt 2 und einen dahinterliegenden Raum 21 aus. Das erste Material endet an einer Grenzfläche 24, die die verspiegelte Lichtwellenleiter-Endfläche 4g (Fig. 1) einschließt. Ein zweites Material 26 umgibt die elektrische Schaltung 14 und entspricht in seiner chemischen Grundzusammensetzung dem er­ sten Material 20. Bei den Materialien handelt es sich um Si­ liconharze, vorzugsweise Polymethyl-, Polymethyl-Phenyl-Siloxane, Siliconkautschuke, zumindest derart, daß beide Ma­ terialien 20, 26 gleiche mechanische und thermische Eigen­ schaften aufweisen. Insbesondere weisen beide Materialien denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, so daß von dem ersten Material 20 unter Durchdringung der Grenzflä­ che 24 in das zweite Material 26 gelangende Bonddrähte 8g keinen unterschiedlichen thermisch bedingten Beanspruchungen ausgesetzt sind.

Auf einer gemeinsamen Grundplatte 28 sind eine die Leiterbah­ nenanschlüsse 16 tragende Platine 29, die integrierte elek­ trische Schaltung 14 und der überwiegende Teil des Wandler­ trägers 10 angeordnet und vollständig von dem zweiten Materi­ al 26 umgeben. Das zweite Material 26 ist durch Beimengung von Partikeln (z. B. Ruß, Farbpigmente, Farbstoffe, Graphit, Al₂O₃, CaCO₃, Talkum, TiO₂, Silicate, pyrogene Kieselsäure) derart in seinen optischen Eigenschaften modifiziert, daß es für die Schaltung beeinflussendes Licht undurchlässig ist.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen elektrooptischen Moduls wird der Koppelspalt 2 zwischen dem Wandlerarray 1 und den Lichtwellenleiterenden mit dem ersten Material 20 ver­ füllt, das sich vorteilhafterweise infolge von Kapillarwir­ kungen vollständig in den Koppelspalt 2 zieht. Bei Verwendung von Silikon machen sich insbesondere dessen niedrige Viskosi­ tät und dessen Fließfähigkeit vorteilhaft bemerkbar. Nach dem Aushärten des transparenten ersten Materials wird zur weite­ ren Begrenzung des Vergußbereichs eine Vergußraupe 30 auf die Grundplatte 28 aufgetragen und ausgehärtet. Die Vergußraupe 30 kann vorzugsweise aus einem Epoxydharz bestehen. Anschlie­ ßend wird das damit von der Vergußraupe und stirnseitig von der Wandleranordnung begrenzte Vergußbett 32 mit dem zweiten Material 26 ausgefüllt. Das zweite Material, das die gleiche chemische Basis wie das erste Material besitzt, schirmt die empfindliche Schaltung aufgrund der beigefügten lichtundurch­ lässigen Komponenten ausreichend ab.

Claims (4)

1. Elektrooptisches Modul mit

• - einem elektrooptischen Wandler (1) mit mindestens einer op­ tisch aktiven Zone (1a), an die unter Bildung eines Kop­ pelspaltes (2) ein Ende eines Lichtwellenleiters (3a) op­ tisch angekoppelt ist,
• - mit einer lichtempfindlichen integrierten elektrischen Schaltung (14), die in der Umgebung dem Wandlers (1) ange­ ordnet und die mittels Drahtbonden elektrisch mit dem Wand­ ler (1) verbunden ist,
• - wobei ein erstes, für das wandlerspezifische Licht durch­ lässiges Material (20) den Koppelspalt (2) ausfüllt,
• - wobei ein zweites Material (26) die elektrische Schaltung (14) umgibt, das in seiner Grundzusammensetzung dem ersten Material (20) entspricht, das jedoch in seinen optischen Eigenschaften derart modifiziert ist, daß es für die Schal­ tung (14) beeinflussendes Licht undurchlässig ist, und
• - wobei das erste (20) und das zweite Material (26) eine ge­ meinsame Grenzfläche (24) aufweisen, durch die zumindest ein Bonddraht (8g) tritt.

2. Modul nach Anspruch 1, wobei die Lichtwellenleiter-Endfläche (4g) in der Ebene der Grenzfläche (24) liegt.

3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste (20) und das zweite Material (26) ein Poly­ mer, insbesondere Silikon, ist.

4. Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Material (26) auf einer die Schaltung (14) tragenden Grundplatte (28) in einem Bereich aufgebracht ist, der zumindest teilweise von einer zuvor auf die Grundplatte (28) aufgetragenen Vergußraupe (30) begrenzt ist.