DE2506373A1 - Optisch-elektronischer lichtkoppler und verfahren zum herstellen desselben - Google Patents

Optisch-elektronischer lichtkoppler und verfahren zum herstellen desselben

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DE2506373A1 DE19752506373 DE2506373A DE2506373A1 DE 2506373 A1 DE2506373 A1 DE 2506373A1 DE 19752506373 DE19752506373 DE 19752506373 DE 2506373 A DE2506373 A DE 2506373A DE 2506373 A1 DE2506373 A1 DE 2506373A1
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Description

FPHN. 74-51*
ONTh'nr? M. DAVID ' " wijn/vjm/gei
Α™*"-' -;■"■ ' '■■ - ,-:..;..:.:. ^r^.icKEN 5-2-1975.
*i.;S: PHF 74-515
Anmeldung vom: 12. Febr. 1975
"Optisch-elektronischer Lichtkoppler und Verfahren zum Herstellen desselben".
Di« Erfindung bezieht sich auf einen
optisch—elektronischen Lichtkoppler mit einem halbleitenden Lichtstrahler und einem halbleitenden lichtempfindlichen Empfänger, die durch einen Lichtleiter auf optische Weise miteinander gekoppelt und je mit elektrischen Ausgängen verbunden sind.
Es sind mehrere optisch-elektronische Kombinationen bekannt, die aus einem Strahler und einem Empfänger bestehen, und die in bezug auf Übertragung eines elektrischen Signals von einer ersten Schaltungsanordnung zu einer zweiten Schaltungsanordnung die gegenüber der ersten völlig isoliert ist,
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mittels eines Lichtsignals auf optische Weise gekoppelt sind. Die genannten Kombinationen, die als "Lichtkoppler" bezeichnet werden, enthalten üblicherweise eine elektrolumineszierend e Diode als Strahler und eine Photodiode als Empfänger, wobei der genannte Strahler und Empfänger meistens Halbleiter sind. Es ist bekannt, dass ein Lichtkoppler zum Erhalten der richtigen Kennlinien eine Anzahl geometrischer, elektrischer, thermischer und wirtschaftlicher Anforderungen entsprechen muss. Denn aus geometrischem Gesichtspunkt muss der Strahler und der Empfänger auf derselben optischen Achse liegen und zwar derart, dass der Strahlungskonus mit dem Empfangskonus des Empfängers, der durch die Flächen des lichtstrahlenden und lichtempfindlichen Überganges bestimmt wird, zusammenfällt. Aus elektrischem Gesichtspunkt betrachtet, ist es notwendig, einen optimalen Abstand zwischen dem Lichtstrahler und dem Empfänger zu bestimmen, da dies den Isolierungswert sowie den TJbertragungswert beeinflusst.
Aus mechanischem Gesichtspunkt betrachtet, gibt es zwei Methoden, Photokoppler herzustellen. Die erste Methode besteht aus der frontalen Gegenüberstellung von zwei Kristallen, wobei der eine der Lichtstrahler und der andere der Empfänger ist, oder von zwei mittels eines transparenten Heftmaterials zusammengestellten Kristallen, die als Indexadapter wirk» sam sind«Dienzweite Methode besteht aus der frontalen
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Gegenüberstellung von zwei Kristallen, die auf optische Weise mittels eines Lichtleiters miteinander verbunden sind und danach in einem härtbaren Kunstharz eingegossen oder in einem luftdichten Gehäuse eingeschlossen sind.
Diese zwei Herstellungsmethoden bedingen ein Kompromiss zwischen dem Isolierungswert und dem übertragungswert. Sie >. erden oft angewandt, aber weisen trotzdem e-'ne Anzahl Nachteile auf.
Ein Lichtkoppler mit einem Lichtleiter aus einem plastischen, elastischen Material, das strahlungsdurchlässig ist, in dem das das Ganze enthaltende Gehäuse wenigstens teilweise aus einem keramischen Material besteht, ist beispielsweise aus der französischen Patentschrift Nr. 2.063.024 bekannt. Der Lichtleiter ist mit einem seiner Enden an der Oberfläche des Lichtstrahlers befestigt und mit dem anderen Ende am lichtempfindlichen Empfänger. Der Lichtleiter befindet sich in einer Gasatmosphäre, deren Volumen durch das Gehäuse bestimmt wird das die Isolierungsgüte des Lichtkopplers , beeinträchtigt: Versuche haben gezeigt, dass in einem gleichartigen Fall die Leckströme sich längs des Leiters aus Kunstharz erstrecken, nicht jim Inneren desselben sondern in der Gasschicht, wobei die dielektrische Festigkeit eines derartigen Gasmediums sehr niedrig ist (1 kV/mm). Es gibt jedoch ein Bedürfnis nach bestimmten Lichtkopplern, die sehr hohe Spannungen
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befördern können.
Ein Koppler für Fernsehen beispielsweise, der 10 kV gewährleisten muss, müsste eine Faser von 1 cm Länge haben, was zu einer unakzeptierbaren Lichtverstärkung und zu Problemen in bezug auf mechanische Festigkeit führen würde, die auf industrielle Weise nicht gelöst werden könnten. Weiter wäre aus technologischem Gesichtspunkt eine derartige Zusammensetzung auf industrielle Weise schwer verwirklichbar, wobei es einleuchten dürfte, dass die Einstellung der Teile, ihre Anordnung an der richtigen Stelle und die Ausrichtung derselben Handlungen sind, die Sorgfalt und Genauigkeit erfordern.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, diese Nachteile auszuschalten. Die erfindungsgemässe Ausführungsform gründet hauptsächlich auf den Qualitäten der dielektrischen Festigkeit und mechanischen Festigkeit, bestimmter Kunstharze und auf den Eigenschaften von Spiegeln in Form von Rotationsparaboloiden. Es dürfte einleuchten, dass in der vorliegenden Beschreibung der Ausdruck Kunstharz als Kunststoff zu verstehen ist, welches Material einer Formänderung ausgesetzt werden kann, insbesondere durch eine Polymerisation, die insbesondere durch Wärme oder durch einen als Katalysator wirksamen Festkörper verursacht wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen optisch-elektronischen Licht-
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koppler mit einem halbleitenden Lientstrahler und einem demselben gegenüberliegenden halbleitenden lichtempfind lichen Empfänger, die auf optische Weise durch einen Lichtleiter miteinander gekoppelt sind und je mit elektrischen Ausgängen versehen sind und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter durch einen Tropfen eines ersten transparenten Harzes mit einem verhältnismässig hohen Brechungsindex gebildet wird, der in einem zweiten transparenten Kunstharz eingebettet ist, dessen Brechungsindex niedriger ist als der des ersten transparenten Kunstharzes.
Diese Erfindung bietet viele Vorteile:
da die dielektrische Festigkeit der Kunstharze zwanzigfach grosser ist als die von Luft wird es möglich, Hochspannungsdioden mit einer hohen dielektrischen Festigkeit und einem geringen Volumen herzustellen.
Mit einer identischen Topologie wird die
Wirksamkeit des Lichtleiters mit der Differenz zwischen dem Brechungsindex des Leiters und dem des Mediums, das diesen Leiter umgibt, grosser.
Es gibt Harze, deren Brechungsindex 1,6 (grosser als 1,55) ist, wie die Epoxyharze, die sich zum Herstellen von Faseroptiken eignen, und Harze, deren Brechungsindex, 1,4 ist, (niedriger als 1,45)i wie die Elastomere auf Basis von Silikonen, die sich zum Herstellen der transparenten Fassung eignen.
Der Gebrauch von Kunstharzen bietet einen
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zusätzlichen Vorteil, der ihren Hafteigenschaften zuzuschreiben ist, denn in der obengenannten französischen Patentschrift ist ein Haftstoff zwischen dem Lichtleiter einerseits und den zwei Halbleiterkristallen andererseits vorgesehen. Der Unterschied im Brechungsindex zwischen dem Haftstoff und dem Leiter erzeugt eine Abweichung und einen Verlust im Lichtstrahl. Der Wert des Brechungsindex von Glas (in der Grössenordnung von 1,4) der niedrig genug ist, ist an sich für eine gute Anpassung gegenüber dem von Silikon (grosser als 2), dem am meisten verwendeten Halbleiter, ungünstig. Das Vorhandensein von Haftstoffen meistens mit geringem Index verursacht Diskontinuitäten des Brechungsindexes, was zu Verlusten führt.
In der Anordnung nach der Erfindung machen
die Hafteigenschaften der Harze die Verwendung von Haftschichten überflüssig und der hohe Brechungsindex 1,6 ermöglicht eine bessere optische Anpassung, wodurch Verluste verringert werden. Veiter ist die Form des Leiters an die der gegenüber angeordneten Kristalle angepasst und diese Form kann zu einer verschiedenen Geometrie entsprechend den Bedürfnissen führen-«·
Die Wirksamkeit des Lichtleiters der Anordnung nach der Erfindung wird durch eine längliche Form verbessert, wobei die ideale Form eine .Zusammensetzung ist, die aus zwei koaxialen Rotationsparaboloiden besteht, die in bezug auf einer Ebene symmetrisch sind.
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Vorzugsweise hat der Übergang zwischen den zwei Paraboloiden eine nahezu sphärische Form.
Die Reflexion in Richtung parallel zur
Achse aller in der Mitte des Paraboloids ausgesendeten Strahlen ist eine bekannte geometrische Eigenschaft. Nach der Erfindung liegen einerseits der Strahler und andererseits der Empfänger wenigstens nahezu in der Mitte der zwei Paraboloiden. Wenn in der praktischen Ausführung lie erfindungsgemässe Anordnung nicht einwandfrei geometrisch ist und aus diesem Grunde der Lichtstrahl nicht genau aus der Mitte austritt oder sogar wenn die Form des Auftreffpunktes des Lichtstrahles nicht genau parabolisch ist, ist die Differenz klein genug, damit bei fehlender Parallelität zur Achse, der Lichtstrahl mit der genannten Achse einen derart geringen Winkel einschliesst, dass dieser im Leiter bleibt.
Unter diesen Umständen kann keiner der
vom lichtausstrahlenden Kristall ausgestrahlen Strahlen den durch die Zusammensetzung der ersten und zweiten Harze gebildeten Leiter verlassen. Dadurch ist die Ubertragungswirksamkeit einwandfrei. Weiter ist es durch eine geeignete Wahl der Form und der Länge des Lichtleiters möglich, den Lichtstrahler weiter vom Empfänger anzuordnen, damit der Wert der Isolierung ohne Verringerung der übertragung verbessert wird.
Auf vorteilhafte Weise wird die Zusammen-
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Setzung aus dem Lichtstrahler, dem Empfänger, dem ersten und dem zweiten Harz von einem lichtundurchlässigen Gehäuse umgeben. Das genannte Gehäuse vermeidet das Hineintreten von Streulicht, das die Wirkung des Lichtkopplers beeinträchtigen könnte. Es vermeidet ebenfalls, das Ausströmen von Licht, das andere Anordnungen behindern könnte. Das genannte Gehäuse kann ein Metallgehäuse sein, das gewünschtenfalls jeden Streustrahl zum Innern reflektiert. Es kann auch ein lichtundurchlässiges Harz, insbesondere ein Epoxyharz sein, das eine Ladung erhalten hat, und das den Vorteil einer einfachen Herstellung zu einem geringen Preis bietet.
Der Lichtstrahler einerseits und der Empfänger andererseits können an den Enden von Metallträgern befestigt sein, die je einen der Kontakte bilden und in einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die genannten Träger aus Metallzungen, an deren Rand der genannte Lichtstrahler und Empi'änger befestigt sind. Vorzugsweise ist die Zusammensetzung des ersten und des zweiten Harzes ebenfalls derart, dass das transparente Harz die Zusammensetzung des Lichtstrahlers, Empfängers und wenigstens einen Teil der Träger und der Kontaktzungen umgibt.
Einer der Vorteile der genannten Ausführungsform besteht aus der Möglichkeit, den Lichtkoppler in Reihenproduktion herzustellen und zwar durch Anwendung der sogenannten Kamm-Technik, nach der die
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Halbleiter mit dem Rand von Zungen, die aus Streifen ausgestanzt sind, verschweisst werden. Dies führt zu einem geringen Gestehungspreis.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich
ebenfalls auf ein Verfahren zum Herstellen des elektronischen Lichtkopplers mit einem halbleitenden lichtausstrahlenden Kristall und einem halbleitenden Empfangskristall die auf optische und mechanische Weise miteinander verbunden und in einem lichtundurchlässigen Harz eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet,
dass während der viskosen Phase der Polymerisation des ersten transparenten Harzes dieses Harz eine optisch geeignete Form bekommt, dass nach der Totalpolymerisation das genannte erste· Harz und die Halbleiterkris— talle mit einem zweiten transparenten Harze mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als dor des ersten Harzes und mit demselben einen Lichtleiter bildet, bedeckt werden, und dass die Zusammensetzung gegebenenfalls in dem lichtundurchlässigen Harz eingebettet
werden.
Vorzugsweise ist die Form des Tropfens .
des ersten transparenten Harzes durch eine Querbewegung des Lichtkopplers in bezug auf den Lichtstrahler und auf vorteilhafte Weise bei der Anordnung des genannten Empfängers in bezug auf den genannten Lichtstrahler
gebildet. Der Tropfen nimmt leicht die gewünschte
Form an.
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In diesem Fall gibt es keine zusätzliche Behandlung und die Methode ist sehr einfach.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht von unten, teilweise weggeschnitten, einer Anordnung nach der Erfindung,
Fig. 2 einen schematischen Schnitt gemäss der Linie II-II in derselben Anordnung.
Es sei bemerkt, dass die Abmessungen in
den Figuren deutlichkeitshalber wesentlich übertrieben und nicht massgerecht sind.
Die in Fig". 1 und 2 dargestellte Anordnung enthält einerseits einen Lichtstrahler 1, beispielsweise eine elektroluraineszierende Diode, die ausgehend von einem Monokristall aus Galliumarsenid durch zwei Zonen entgegengesetzter Leitfähigkeit gebildet wird und andererseits einen Lichtempfänger 2 der ausgehend von einem Siliziumkristall gebildet ist, und der in diesen Figuren eine Photodiode ist. Eine der zwei Zonen des Lichtausstrahlers 1 ist mit im Rand einer ersten Verbindungszunge 3a eines Musters 3 verlötet, dessen zweite Zunge 3b über einen Draht k elektrisch mit der zweiten Zone des genannten Lichtstrahlers 1 verbunden ist.
Die Photodiode 2 ist mit einer der Zonen mit dem Rand einer Zunge 5a eines Musters 5 verlötet, wobei die Zunge 5b mit der anderen Zone über einen
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Draht 6 verbunden ist.
Der Lientstrahler 1 und der Lichtempfänger 2, die an ihren jeweiligen Mustern 3 und 5 auf diese Weise befestigt sind und einen Teil von Streifen in Form von 'Kämmen" bilden liegen einander gegenüber und sind in einem Tropfen aus einem ersten transparenten Harz 7 mit einem hohen Brechungsindex, beispielsweise aus einem Novolack-Epoxidharz mit Amin-Katalysator im Handel als ,raldit bezeichnet und mit einem Brechungsindex im wesentlichen entsprechend 1,6 eingebettet. Ein zweites ähnliches transparentes Harz 8 bedeckt die Kristalle 1 und 2 und das Harz 7· Das genannte Harz mit einem niedrigen Brechungsindex, beispielsweise Silikonelastomer mit einem Index 1,4, im Handel bekannt unter dem Namen Rhodorsil, bildet mit dem Harz 7 einer geeigneten Form den Lichtleiter, der den Gegenstand der Erfindung bildet.
Diese jeweiligen Elemente und das Ende
der Muster 3 und 5 sind in einem lichtundurchlässigen Harz 9 eingebettet, das das luftdichte Gehäuse meistens in Form eines Parallelopipeds bildet.
Zum Erhalten dieser Anordnung werden zunächst die Kristalle mit dem Rand der Verbindungen 3a und 5a der Muster 3 und 5 verlötet. Nachdem die Drähte 4 und 6 mit den geeigneten Zonen der genannten Kristalle 1 und 2 und mit den Verbindungen 3b und 5b der genannten Muster 3 und 5 verbunden sind, werden die
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Kristalle 1 und 2 einander gegenüberliegend in einem Tropfen eines ersten transparenten Harzes 7 eingebettet. Wenn die Polymerisation des genannten Harzes in der viskosen Phase ist werden die zwei Kristalle aufeinander zu bewegt bis eine maximale Ubertragungswirksamkeit erhalten wird: die genannte Bewegung drückt den Harztropfen 7 zusammen und bildet die in den Figuren dargestellte Form, die der der zwei Rotationsparaboloiden mit einem sphärischen Übergang, in dessen Mitte im wesentlichen die an den Kristallen gebildeten Übergänge voirhanden sind, nähert, wobei die Oberfläche der genannten Übergänge in bezug auf die der Kristalle sehr klein ist.
Nach, der totalen Polymerisation des Tropfens 7 während zwei Stunden bei 1500C werden der genannte Tropfen, die Kristalle 1 und 2 und das Ende der. Verbindungen 3a, 3b und 5a, 5b mit einem zweiten transparenten Harz 8 bedeckt, das dann eine Stunde lang bei 1000C polymerisiert wird. Zum Vergiessen wird letzten Endes das lichtundurchlässige Harz 9 verwendet, das das Gehäuse der Zusammensetzung bildet.
Die erfindungsgeinässe Anordnung kann auf diese Weise mit einer grossen Genauigkeit, Bequemlichkeit und auf industrielle Weise zu einem niedrigen Gestehungspreis erhalten werden.
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Claims (1)

  1. FPHN. 74-515.
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    ■- 13 PATENTANSPRÜCHE .
    1 ./ Optisch.—elektronischer Lichtkoppler mit
    einem halbleitenden Lichtstrahler und einem halbleitenden lichtempfindlichen Empfänger, die auf optische leise durch einen Lichtleiter miteinander gekoppelt und je mit elektrischen Ausgängen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter durch einen Tropfen eines ersten transparenten -Harzes mit einem verhältnismässig hohen Brechungsindex gebildet wird und in einem zweiten transparenten Harz eingebettet ist, wobei der Brechungsindex des genannten zweiten transparenten Harzes niedriger ist als der1 des genannten ersten transparenten Harzes.
    2. Optisch-elektronischer Lichtkoppler nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Tropfen des ersten Harzes ein länglicher Drehkörper ist, insbesondere in der Nähe der Zusammensetzung, die durch zwei Paraboloide gebildet ist, die in bezug auf eine Ebene symmetrisch sind, und wobei der Lichtstrahler und der Empfänger nahezu in den zwei Brennebenen liegen.
    3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex des ersten Harzes grosser ist als 1,55 und der Brechungsindex des zweiten Harzes niedriger ist als 1,45·
    h. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2,
    oder 3f dadurch gekennzeichnet, dass das erste transparente Harz ein Epoxidharz ist.
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    5· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder
    3» dadurch gekennzeichnet, dass das zweite transparente Harz ein Silikonelastomer ist.
    6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahler, der Empfänger, das erste und das zweite Harz in einem lichtundurchlässigen Gehäuse eingebettet sind.
    7· Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte lichtundurchlässige Gehäuse aus lichtundurchlässigem Harz besteht.
    8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahler einerseits und der Empfänger andererseits mit dem Ende metallener Träger verlötet sind, die je einen der Kontakte bilden. 9· Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass- die genannten Träger durch Metallzungen gebildet worden, wobei der genannte Lichtstrahler und der genannte Empfänger mit dem Rand derselben verlötet sind.
    10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn-/ zeichnet, dass das zweite transparente Harz, die Zusam- mexxseizvaag aus Lichtstrahler, Empfänger xind wenigstens einen Teil der Träger sowie die Kontaktzungen xungxbt.
    11. Verfahren zum Herstellen einer Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der viskosen Phase der Polymerisation des ersten transparenten Harzes demselben eine optisch geeignete Form . 509835/0665
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    gegeben "wird und zwar derart, dass nach der" totalen Polymerisation das genannte erste Harz und die Kristalle mit dem zweiten durchsichtigen Harz bedeckt werden.
    12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die. Form des Tropfens des ersten transparenten Harzes durch eine relative Bewegung zum Ändern des Abstandes zwischen dem Lichtstrahler und dem Empfänger gebildet wird.
    13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahler einerseits und der Empfänger andererseits je am Rand von metallenen Zungen festgelötet werden, die aus zwei Streifen ausgeschnitten sind, welche Streifen je eine Anzahl ausgerichteter Muster enthalten, dass die zwei Streifen einander frontal gegenübergestellt sind, dass der Lichtstrahler und der Empfänger miteinander gekoppelt sind, dass ein Tropfen des ersten.Harzes auf dem Lichtstrahler und auf dem Empfänger angeordnet ist' und dass die Form des Lichtleiters durch Regelung des Abstandes zwischen dem Lichtstrahler und dem Empfänger während der Polymerisation erhalten worden ist. 1^. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 und
    13i dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Abstandes, die zur Bildung des Harztropfens notwendig ist, während der viskosen Phase des genannten Harzes durchgeführt wird.
    15· Verfahren nach einem der Ansprüche 12
    509835/066&
    FPHN. 7^-515. 5-2-1975.
    - 16 -
    und 13t dadurch gekennzeichnet! dass die Regelung des Abstandes zwischen dem Lichtstrahler und dem Empfänger, die zur Bildung des Tropfens notwendig ist, gleichzeitig mit der Regelung des Abstandes zwischen dem Lichtstrahler und dem Empfänger durchgeführt wird, die zum Erhalten einer optimalen Ubertragungswirksamkeit notwendig ist.
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