DE2506373B2 - Optisch-elektronischer Lichtkoppler - Google Patents

Optisch-elektronischer Lichtkoppler

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Description

55
Die 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, mittel1; eines Lichtsignals auf optische Weise gekoppelt sind. Die genannten Kombinationen, die als »Lichtkoppler« bezeichnet werden, enthalten üblicherweise eine elektrolumineszierende 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 einer Anzahl geometrischer, elektrischer, thermischer und wirtschaftlicher Anforderungen entsprechen muß. Was die geometrischen Anforderungen betrifft, müssen die Strahler und der Empfänger auf derselben optischen Achse liegen und zwar derart, daß der Strahlungskonus mit dem Empfangskonus des Empfängers, der durch dieFIächen des lichtstrahlenden und lichtempfindlichen .Oberganges bestimmt wird, zusammenfällt Bezüglich der elektrischen Anforderungen ist der Abstand zwischen dem Lichtstrahler und dem Empfänger wichtig, da der Isolierungswert davon abhängig ist Da der Wirkungsgrad der Lichtübertragung auch durch diesen Abstand beeinflußt werden kann, ist eine optimale Größe zu bestimmen.
Im Hinblick auf die mechanischen Anforderungen, gibt es zwei Methoden, Lichtkoppler herzustellen. Die erste Methode besteht aus der frontalen Gegenüberstellung von zwei Kristallen, wobei der eine der Lichtstrahler und der andere der Empfänger ist, die mit einem transparenten Klebstoff mechanisch verbunden und gleichzeitig optisch gekoppelt werden. Bei der zweiten Methode Findet die optische Kopplung mittels eines Lichtleiters statt Die Kombination aus den Kristallen und dem Lichtleiter wird zur mechanischen Kopplung mit einem härtbaren Kunstharz umgössen oder in ein luftdichtes Gehäuse eingeschlossen.
Diese zwei Herstellungsmethoden bedingen einen Kompromiß zwischen dem Isolierungswert und dem Übertragungswert Sie werden oft angewandt aber weisen trotzdem eine Anzahl Nachteile auf.
Weiter ist in der DE-OS 23 13 288 eine Anordnung zur optischen Datenübertragung beschrieben, bei der ein optischer Wellenleiter einen durchsichtigen kegelförmigen Kern hat aus einem Material, dessen Brechungsindex größer ist als der eines den Kern umgebenden Mantels. Bei diesem Wellenleiter wird das Prinzip der Totalreflexion angewandt; um einen besseren Wirkungsgrad zu erhalten, ist bei dieser Ausführung der Mantel mit einer Reflexionsschicht versehen.
Ein Lichtkoppler mit einem Lichtleiter aus einem plastischen, elastischen Material, das strahlungsdurchlässig ist, wobei das das Ganze enthaltende Gehäuse wenigstens teilweise aus einem keramischen Material besteht, ist beispielsweise aus der FR-PS 20 63 024 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 und die die Isolationsgüte des Lichtkopplers beeinträchtigt: Versuche haben gezeigt, daß sich die Leckströme in einem gleichartigen Fall nicht im Innern des Leiters erstrekken, sondern in einer an den Leiter grenzenden Gasschicht, wobei die dielektrische Festigkeit eines derartigen Gasmediums sehr niedrig ist (1 kV/mm). Es gibt jedoch einen Bedarf für bestimmte Lichtkoppler, die sehr hohe Spannungen 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; diese Probleme können auf industrielle Weise nicht gelöst werden. Weiter wäre technologisch eine derartige Anordnung auf industrielle Weise schwer verwirklichbar, denn die Einstellung der Teile, ihre Anordnung an der richtigen Stelle und die Ausrichtung derselben erfordern Sorgfalt und Genauigkeit
Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, einen optisch-elektronischen Lichtkoppler zu schaffen, dessen Konstruktion eirrn große Lichtübertragung ermöglicht und der eine ausgezeichnete elektrische Isolation zwischen Lichtstrahler und Empfänger aufweist Diese Aufgabt: wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lichtleiter durch einen Tropfen eines ersten transparenten Harzes mit einem verhältnismäßig hohen Brechungsindex gebildet wird, der in ein zweites transpa- rentes Kunstharz eingebettet ist, dessen Brechungsindex niedriger ist als der des ersten transparenten Kunstharzes.
In der vorliegenden Beschreibung ist der Ausdruck Kunstharz als Kunststoff zu verstehen, der einer Formänderung ausgesetzt werden kann, insbesondere durch eine Polymerisation, die z. B. durch Wärme oder durch einen Katalysator verursacht wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die dielektrische und die mechanische Festigkeit bestimmter Kunstharze sowie die Anwendung von Spiegeln in Form von Rotationsparaboloiden für die Herstellung eines optisch-elektronischen Lichtkopplers ausgenutzt werden können.
Da die dielektrische Festigkeit der Kunstharze um den Faktor zwanzig größer ist als die von Luft, wird es möglich, Hochspannungsdioden mit einer hohen dielektrischen Festigkeit und einem geringen Volumen herzustellen.
Die Brechungsindizes der beiden transparenten Kunstharze bestimmen den Grenzwinkel der Totalreflexion. Je größer die Differenz zwischen den Brechungsindizes ist, um so besser ist die Wirksamkeit des Lichtleiters.
Es gibt Harr.s, deren Brechungsindex 1,6 (größer als 1,55) ist, wie die Epoxydharze, die sich zum Herstellen von Faseroptiken eignen, und Harze, deren Brechungsindex 1,4 ist (niedriger als 1,45), wie die Elastomere auf Basis von Siliconen, die sich zum Herstellen der transparenten Fassung eignen.
Der Gebrauch von Kunstharzen bietet einen zusätzlichen Vorteil, der ihren Hafteigenschaften zuzuschreiben ist, denn in der obengenannten französischen Patentschrift ist ein Haftstoff zwischen dem Lichtleiter einerseits und i'.en 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 Silizium (größer als 2), dem am meisten verwendeten Halbleiter, ungünstig. Das Vorhandensein von Haftstoffen, die meistens einen geringeren Brechungsindex haben, verursacht Diskontinuitäten des Brechungsindex, bo was zu Verlusten führt.
In der Anordnung nach der Erfindung machen die Hafteigenschaften der Harze die Verwendung von Haftschichten überflüssig und der hohe Brechungsindex von 1,6 ermöglicht ».'me bessere optische Anpassung, wodurch Verluste verringert werden. Weiter ist die Form des Leiters an die de * ihm gegenüber angeordneten Kristalle angepaßt; und diese Form kann je nach
Bedarf unterschiedlich sein.
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 eine Ebene symmetrisch sind.
Vorzugsweise hat der Übergang zwischen den zwei Paraboloiden eine nahezu sphärische Form.
Die Reflexion in Richtung parallel zur Achse aller in der Brennebene des Paraboloids ausgesendeten Strahlen ist eine bekannte geometrische Eigenschaft Nach der Erfindung liegen einerseits der Strahler und andererseits der Empfänger wenigstens nahezu in der Brennebene der zwei Paraboloide. Wenn in der praktischen Ausführung die erfindungsgemäße Anordnung nicht einwandfrei geometrisch ist und aus diesem Grunde der Lichtstrahl nicht genau auü der Brennebene austritt oder sogar dann, wenn die Form des Auftreffpunktes des Lichtstrahles nicht genau parabolisch ist ist die Differenz klein genug, ds 0 der Lichtstrahl bei fehlender Parallelität zur Achse rnii der genannten Achse einen derart geringen Winkel einschließt daß er im Leiter bleibt
Unter diesen Umständen können die vom lichtausstrahlencten Kristall ausgestrahlten Strahlen den aus der Anordnung eines ersten und eines zweiten Harzes gebildeten Lichtleiter nicht verlassen. Dadurch ist die libertragungswirksamkeit einwandfrei. Weiter ist es durch eine geeignete Wahl der Form und der Länge des Lichtleiters möglich, den Lichtstrahler weiter entfernt vom Empfänger als bei bekannten Anordnungen anzuordnen; damit wird der Wert der Isolation ohne Verringerung der Übertragung verbessert
Auf vorteilhafte Weise wird die Anordnung aus Lichtstrahler, Empfänger, dem ersten und dem zweiten Harz von einem lichtundurchlässigen Gehäuse umgeben. Das genannte Gehäuse verhindert das Eintreten von Streulicht, das die Wirkung des Lichtkopplers beeinträchtigen könnte. Es vermindert ebenfalls ein Austreten von Licht das andere Anordnungen behindern könnte. Das genannte Gehäuse kann ein Gehäuse aus Metall sein, das gewünschtenfalls jeden Streustrahl zum Innern reflektiert Es kann auch ein Gehäuse aus einem lichtundurchlässigen Kunstharz, insbesondere aus einem Epoxidharz sein, das mit einem Füllstoff vermischt ist, 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 Stirnseiten der Lichtstrahler und der Empfänger befestigt sind, wobei aas zweite transparente Harz den Lichtstrahler, den Empfänger und wenigstens einen Teil tier Metallzungen umgibt.
Einer der Vorteile der genannten Ausführungsform des Lichtkopplers besteht in der Möglichkeit, den Lichtkoppler in Serienfertigung herzustellen und zwar durch Anwendung der sogenannten Kamm-Technik, nach der die Halbleiterkristalle mit der Stirnseite von Zungen, die aus Streifen ausgestanzt sind, verschweißt werden. Dies führt zu einem geringen Gestehungspreis.
Ein optisch-elektronischer Lichtkoppler gemäß der Erfindung kann so ge^rtigt werden, daß während der viskosen Phase der Polymerisation des ersten transpa* renten Harzes dieses Harz eine optisch geeignete Form bekommt daß nach der Totalpolymerisation das erste
Harz und die Halbleiterkristalle mit einem zweiten transparenten Harz mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als der des ersten Harzes und das mit dem ersten Harz einen Lichtleiter bildet, bedeckt werden, und daß diese Anordnung gegebenenfalls in ein lichtundurchlässiges Harz eingebettet wird.
Die Form des Tropfens des ersten transparenten Harzes kann durch eine Querbewegung des Lichtkopp· lers in bezug auf den Lichtstrahler auf vorteilhafte Weise bei der Anordnung des Empfängers in bezug auf den Lichtstrahler gebildet werden. Der Tropfen nimmt leicht die gewünschte Form an.
Es ist eine zusätzliche Behandlung erforderlich und die Methode ist sehr einfach.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Unteransicht (Gehäuse teilweise weggeschnitten) eines Lichtkopplers nach der Erfindung,
Pig. 2 einen Sciiniii gemäß der Linie ii-ii in Fig i (schematische Darstellung).
Die Abmessungen in den Figuren sind deutlichkeitshalber wesentlich übertrieben und nicht maßgerecht.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Anordnung enthält einerseits einen Lichtstrahler 1, beispielsweise eine elektrolumineszierende Diode, die aus einem Einkristall aus Galliumarsenid mit zwei Zonen entgegengesetzter Leitfähigkeit gebildet ist und andererseits einen Lichtempfänger 2, beispielsweise eine Photodiode, die aus einem Siliziumkristall mit zwei Zonen entgegengesetzter Leifähigkeit gebildet ist. Eine der zwei Zonen des Lichtstrahlers 1 ist mit der Stirnseite einer ersten Verbindungszunge 3a eines Leitermusters 3 verlötet, dessen zweite Zunge Zb über einen Draht 4 elektrisch mit der zweiten Zone des Lichtstrahlers 1 verbunden ist.
Der Lichtempfänger 2 ist mit einer der zwei Zonen mit der Stirnseite einer Zunge 5a eines Leitermusters 5 verlötet, wobei eine Zunge 5b mit seiner anderen Zone über einen Draht 6 verbunden ist. Der Lichtstrahler I und der Lichtempfänger 2, die an den jeweiligen Leitermustern 3 und 5 auf diese Weise befestigt sind, welche einen Teil von Leiterstreifen in Form von »Kämmen« bilden, liegen einander gegenüber und sind in einen Tropfen aus einem ersten transparenten Harz 7 mit einem hohen Brechungsindex, beispielsweise in ein Epoxidharz mit Amin-Katalysator (im Handel als Araldit bezeichnet) mit einem Brechungsindex in der Größenordnung von 1,6 eingebettet. Ein zweites ähnliches transparentes Harz 8 bedeckt den Lichtstrah ler 1 und den Lichtempfänger 2 sowie das Harz 7. Das Harz 8 mit einem niedrigen Brechungsindex, beispiels weise Silikonelastomer mit einem Brechungsindex von 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.
to Diese Elemente und das Ende der Leitermuster 3 und 5 sind in ein lichtdurchlässiges Harz 9 eingebettet, das das luftdichte Gehäuse — meistens in Form eines Quaders — bildet.
Zum Erhalten dieser Anordnung werden zunächst der Lichtstrahler 1 und der Lichtempfänger 2 mit der Stirnseite der Zungen 3a und 5a der Leitermuster 3 und 5 verlötet. Nachdem die Drähte 4 und 6 mit den geeigneten Zonen des Lichtstrahlers I und des Lichtempfängers 2 und mit d:n Zungen 3b und 5b der
μ Leiiermuster i und 5 verbunden sind, werden der Lichtstrahler I und o?r Lieht empfänger 2 einander gegenüberliegend in einen Tropfen eines ersten transparenten Harzes 7 eingebettet. Wenn die Polymerisation des genannten Harzes in der viskosen Phase ist, werden die Lichtstrahler und der Lichtempfänger aufeinander zu bewegt, bis eine maximale Übertragungswirksamkeit erhalten wird: die genannte Bewegung drückt den Harztropfen 7 zusammen und bildet die i.i den Figuren dargestellte Form, die der von zwei Rotationsparaboloiden mit einem sphärischen Übergang angenähert ist, in deren Brennebenen überwiegend die in den Kristallen des Lichtstrahlers J und des Lichtempfängers 2 gebildeten PN-Übergänge liegen, wobei die Oberfläche der
genannten PN-Übergänge in bezug auf die Oberfläche der Kristalle des Lichtstrahlers und des Lichtempfängers sehr klein ist.
Nach der totalen Polymerisation des Harztropfens 7 während zwei Stunden bei 150°C werden der genannte Tropfen, der Lichtstrahler 1 und der Lichtempfänger 2 und das Ende der Zungen 3a, 3b und 5a, 5b mit einem zweiten transparenten Harz 8 bedeckt, das dann eine Stunde lang bei 1000C polymerisiert wird. Zum Vergießen wird schließlich das lichtundurchlässige Harz 9 verwendet, das das Gehäuse der Anordnung bildet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 Patentansprüche:
1, Optisch-elektronischer Lichtkoppler mit einem halbleitenden Lichtstrahler und einem halbleitenden lichtempfindlichen Empfänger, die auf optische s Weise durch einen Lichtleiter miteinander gekoppelt und je mit elektrischen Ausgängen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter durch einen Tropfen eines ersten transparenten Harzes (7) mit einem verhältnismäßig hohen Brechungsindex gebildet wird, der in ein zweites transparentes Kunstharz (8) eingebettet ist, dessen Brechungsindex niedriger ist als der des ersten transparenten Harzes.
2 Optisch-elektronischer Lichtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tropfen des ersten Harzes (7) die Form eines Rotationskörpers hat, dessen Achse mit der optischen Achse des Lichtkopplers zusammenfällt, daß der Rotationskörper symmetrisch in bezug auf die Ebene in der Mitte zwischen licätstrahler (1) und Empfänger (2) und senkrecht zur Rotationsachse ist, und daß* beide symmetrischen Teile eine paraboloidartige Oberfläche haben, wobei der Lichtstrahler (1) und der Empfänger (2) nahezu in der Brennebene der Paraboloide liegen.
3. Optisch-elektronischer Licntkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des ersten Harzes (7) größer als 1,55 und der Brechungsindex des zweiten Harzes (8) niedriger als 1,45 ist
4. Optisch-elektronischer Lichtkoppler nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Cransparenie Harz (7) ein Epoxydharz und das zweite traft parente Harz (8) ein Siliconelastomer ist.
5. Optisch-elektronischer Lichtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahler (1), der Empfänger (2), das erste Harz (7) und das zweite Harz (8) in ein lichtundurchlässiges «o Gehäuse eingebettet sind, das aus lichtundurchlässigem Harz (9) besteht.
6. Optisch-elektronischer Lichtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahler (1) einerseits und der Empfänger (2) andererseits auf die Stirnseiten je einer Metallzunge (3a und 5a) aufgelötet sind, die als Träger und als elektrisches Kontaktelement dienen, wobei das zweite transparente Harz (8) den Lichtstrahler (1), den Empfänger (2) und wenigstens einen Teil der Metallzungen (3a und 5ajumgibt.
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