DE2913262A1 - Elektro-optische verbindungsvorrichtung - Google Patents

Elektro-optische verbindungsvorrichtung

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Description

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Elektro-optische Verbindungsvorrichtung.
Die Erfindung betrifft eine elektro-optische Verbindungsvorrichtung für eine Lichtleitfaser nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es isb bekannt, Stromkreise durch Einschaltung eines Lichtsenders, eines Lichtleitelementes und eines Lichtempfängers an einen anderen Stromkreis anzukoppeln, so daß die dem sendenden Stromkreis entnommenen Signale dem empfangenden Stromkreis mitgeteilt werden (DE OS 27 07 190) Dieser Vorschlag läßt die Wahl der technischen Mittel für die Licht-/elektrische Kopplung offen. Ein diesbezüglicher Vorschlag ist in der deutschen Patentanmeldung DE-OS 27 24 850 enthalten. In dem Vorschlag ist eine Optoelektronische Anordnung zur lösbaren Verbindung einer elektrischen Schaltung mit einem Lichtleitelement beschrieben. Das beschriebene Element ist großbauend, und zu seiner Darstellung sind viele Einzelteile und Arbeitsgänge durchzuführen. Beschrieben ist zudem ein einfacher Anschluß.
Die deutsche Patentanmeldung DE-OS 27 36 460 zeigt eine Opto-elektrische Anordnung, die mit einem Führungsrohr und einem Gehäuse, in dem eine Linse eingebaut ist, ausgestattet ist. Diese Anordnung ist ebenfalls umfangreich und großbauend. Weitere Details solcher Anordnungen sind enthalten in den deutschen Patentanmeldungen DE-OS 24 44 144, DE-OS 27 03 465, und DE-OS 27 46 497. Alle aufgeführten Vorveröffentlichungen zeigen Detail-Lösungen in aufwendiger Anordnung.
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Weiterhin ist bekannte, eine lichtemittierende Diode (LED) für die Ankopplung an Lichtleitelemente dadurch vorzubereiten, daß aus einer für Beleuchtungszwecke konstruierten LED das Kunststoffgehäuse teilweise zerstört wird und daß auf die Trümmerflüche die Lichtleitfaser in einem handwerklichen Verfahren durch zwei Klebevorgänge befestigt wird, vergleiche Opto electronics Applications Manual, 1977, Hewlett-Packard-Company, Nr. 34567890 HDHD 78654321098, Seite 2.53. Die gezeigte Anordnung erfordert große Sorgfalt und wesentliche Arbeitszeit und läßt sich praktisch nur mit dicken Lichtleitfasern mit einem Durchmesser von ca. 1 mm durchführen.
Es ist weiterhin bekannt, lichtempfindliche oder lichtaussendende Chips auf eine Metallplatte zu bonden und die dazu erforderlichen Zuleitungen durch die Metallplatte hindurch herauszuführen. In einem bekannten Fall ist die Vorderseite des Chips durch eine Versiegelung mit transparentem Expoxiglas so durchgeführt, daß eine planparellele Fläche zum Chip besteht (Siemens, FV 21 R). Die Halterung der Lichtleitfaser vor dem Chip erfordert große Sorgfalt und eine umfangreiche Konstruktion, da die lichtemittierende Fläche des Chips sehr klein ist.
Des weiteren ist bekannt, die Montage der Lichtleitfaser fabrikmäßig dadurch vorzunehmen, daß zu dem Metallboden ein passendes Metallrohr auf der lichtemittierenden Seite des Chips angebracht wird, in welches eine Lichtleitfaser isolierend eingeklebt wird. Diese Anordnung ist aufwendig durch die vielen Einzelteile und die erforderlichen, aufeinander abgestimmten Arbeitsvorgänge.
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Des weiteren ist ein Vorschlag bekannt, in den lichtaussendenden Chip ein Loch zu litzen, um die Lichtleitfaser in dieses Loch hineinstecken zu können. Solche Anordnungen können nur für labortechnische Zwecke Verwendung finden, eine serienmäßige Verwendung scheidet wegen des großen Aufwandes aus.
Die zueinander genau auszurichtenden Körper bestehen in der Praxis im technisch machbaren Bereich aus winzigen Chip-Plättchen mit aussendenden oder lichtempfangenSen Flächen einerseits und den Stirnflächen der Lichtleitfaser andererseits. Zwischen beiden Flächen soll, um eine gute Kopplung zu erreichen, möglichst nur noch ein einziges Medium sich befinden. Bei einer aussendenden oder empfangenden Fläche aus GaAs mit einem Brechungsindex von η = 3,6 und einer Stirnfläche einer Quarzoder Kunststoff-Faser andererseits liegt der wünschenswerte Brechungsindex des verbindenden Mediums bei η = 1,8. Da sich technisch ein solcher Brechungsindex nicht ohne weiteres realisieren läßt, wird bereits ein nicht ganz so guter Effekt, aber immer noch brauchbar, bei einem etwas niedrigeren Brechungsindex, wie ζ. B. η = 1,54 erreicht, ζ. B. durch Epoxy-Harz. In einer technischen Fertigung macht zudem noch ein Umstand Schwierigkeiten, die theoretisch durch die Vorveröffentlichungen bereits bekannt gewordenen Voraussetzungen für eine gute Kontaktierung zu erreichen. Es handelt sich dabei um die beengten Raumverhältnisse in einer elektronischen Schaltung, vor allen Dingen dann, wenn aus dieser Schaltung heraus nicht nur ein einzelner Lichtleiter sondern eine Gruppe von Lichtleitern herausgeführt werden soll.
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Die Erfindung hat deshalb die Aufgabe, unter Wahrung möglichst guter optischer Verhältnisse einerseits und unter Ausnutzung bekannter Fertigungstechniken für opto-elektronische Elemente (Chips) andererseits eine kleinbauende Kontaktstelle anzugeben, die sowohl bei einzelnen als auch bei einer Mehrzahl von Lichtleitern in kleinen engen Verhältnissen elektronischer Schaltungen untergebracht werden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 niedergelegt. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Insbesondere können nach den Patentansprüchen 2 und 3 in der das elektro-optische Element bzw. den Lichtleiter aufnehmenden öffnung Anschläge für das Element bzw. den Lichtleiter angeordnet sein.
Zur Vermeidung von Verlusten kann das Gehäuse in seinem Inneren eine optisch wirksame Höhle aufweisen, die durch einen transparenten Klebstoff gefüllt wird.
Der Brechungsindex des Werkstoffes des Gehäuses kann erfindungsgemäß so gewählt werden, daß er niedriger liegt, als der Brechungsindex des die Flächen verbindenden Klebstoffes, so daß in der Höhlung zwischen Faser-Stirnfläche und lichtempfindlicher bzw. -aussendender Fläche ein total reflekierendes Zwischenglied (LINK) entsteht.
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Das Gehäuse kann aus Werkstoffen mit einem niedrigeren Brechungsindex als der Klebstoff hergestellt sein. Hierzu werden vorgeschlagen: Polyäthylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Fluoräthylen-Propylen, Polyvinylchlorid, Silikon-Gummi, während der Verklebungswerkstoff, der gleichzeitig in den Raum zwischen Faser-Stirnfläche und li-chtaussendender bzw. -empfangender Fläche ausfüllt, aus Epoxy-Harz oder Polyester-Harz bestehen kann. Ebenso ist ein Außenkörper aus Metall,-wie Zinkdruckguß, möglich; die notwendige elektrische Isolierung übernimmt dann der Epoxy-Harz-Kleber.
Das Gehäuse kann so kleinbauend angelegt v/erden, daß es in das Norm-Raster eingepaßt werden kann, wie z.B. 1/10 Zollraster oder bei Querstellung 2/10 Zollraster.
Die aus dem Gehäuse nach der elektrischen Seite hin herausgeführten Kontakt-Stife, Elektroden usw. können durch Abwinkein so für eine winklige Schaltung abgebogen werden, daß sie in die Normabständo. des Platten-Rasters passen. Die Abmessungen für Chips und Faser liegen im Bereich kleiner als 1 mm, so daß geringe Abweichungen der Achsen zueinander bereits erhebliche Veränderungen der Kopplung verursachen können. Dazu kann, um die Lage der Teile zueinander zu fixieren, ein Kragen in der Größe eines Chips im Inneren des Gehäuses vorgesehen werden, in welchen der Chip eingesteckt werden kann, so daß Chip-Mitte, Längsachse des Gehäuses und Faserachse identisch sind. Die Außenseiten des Gehäuses können Verbindungsmittel zum Aneinanderfügen von.identischen Gehäusen aufweisen.
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Die Erfindung ist an einigen Ausführungsbeispiel'enerläutert, die im nachfolgenden näher beschrieben werden.
Figur 1 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch einen elektro-optischen Verbinder nach der Erfindung.
Figur 2 zeigt in weiter vergrößerter Darstellung eine zweite, spezielle Ausführung der Erfindung im Bereich einer LED und einer Glasfaser.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt in vergrößerter Darstellung eines dritten vorbereiteten, elektro-optischen Verbinders mit elektrischem, aber ohne optisches Teil.
Figur 4 zeigt mehrere elektro-optische Verbinder in der Draufsicht, auf-eine Printplatte montiert.
Figur 5 zeigt die elektro-optischen Verbinder nach Figur 4 in der Seitenansicht.
Figur 6 ^eigt eine Anordnung von mehreren miteinander verbundenen Verbindern mit einem abgewandelten Gehäuse.
In Figur 1 umfaßt ein Gehäuse 1 aus Kunststoff eine durchgehende Bohrung 2. Die Bohrung 2 besteht aus einem Abschnitt 2a mit relativ kleinem Durchmesser und einem Abschnitt 2b mit größerem Durchmesser, der einem Mehrfachen des kleineren Durchmessers entspricht. Der Abschnitt 2a tritt als Trichter 2 c erweitert aus dem Gehäuse 1 aus.
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Zwischen den Abschnitten 2 und 2b erstreckt sich'ein weiterer Abschnitt 2d mit einem mittlerem Durchmesser, so daß eine Schulter 3 gebildet ist.
In den Abschnitt 2b der Bohrung 2 ist ein elektrooptisches Sende-/Empfangsteil in Form eines Chip 4, wie Diode oder dergl., so eingebracht, daß es dem Abschnitt 2a genau gegenüberliegt. Der Chip 4 ist einerseits über einen elektrischen Leiter 5 in Form" eines Golddrahtes mittels Bondung mit einer Elektrode
6 verbunden, die als Anschlußkontakt dient. Andererseits ist der Chip 4 durch Bondung mit einer Elektrode
7 elektrisch-leitend mittels Kleben verbunden. Der Chip 4 wird hierbei von einer als Hohlspiegel wirkenden Mulde 8 der Elektrode 7 aufgenommen. Die Elektrode 7 umfaßt des weiteren einen Haltezahn 9. Die Elektroden 6 und 7 sind zunächst durch einen Kamm zusammengehalten, der nach der Montage in das Gehäuse entfernt wird.
Zur Herstellung der elektro-optischen Verbindung wird eine Lichtleitfaser- 11 in die Bohrung 2 so eingeschoben, daß sie gerade in den Abschnitt D austritt. Die axiale Fixierung erfolgt mittels Verklebung mit dem Abschnitt 2a der Bohrung 2. Der Chip 4 wird zusammen mit den Elektroden 6 und 7 in den Abschnitt 2b eingeführt, bis die Elektroden 6 und 7 sich an die Schulter 3 anlegen können und der Chip 4 der Stirnfläche 11a der Lichtleitfaser gegenüberliegt. Nach dieser axialen Fixierung werden die Abschnitte 2b und d der Bohrung 2 mit einem optisch-leitenden Kleber 12 ausgefüllt. Wahlweise kann die Fixierung
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der Lichtleitfaser 11 und des Chips 3 auch gleichzeitig in einem Arbeitsgang erfolgen. Wird das Gehäuse 1 aus einem durchsichtigen Material wie z. B. PS, PMMA oder ähnlichem hergestellt, so läßt sich beim Montieren aller Teile sehr gut verfolgen, welche Lage die Teile zueinander einnehmen. Der Abschnitt 2d der Bohrung 2 verhindert, daß der elektrische Leiter 5 einen Kurzschluß zwischen den Elektroden 6 und 7 verursacht.
In Figur 2 ist eine Abwandlung des Gehäuses 1 nach der Erfindung dargestellt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen, aber mit einem Index versehen und entsprechen den in Figur 1 beschriebenen.
Zwischen den Abschnitten 2a1 und 2b1 der Bohrung 2' ist ein vorspringender Kragen 2 0 angeformt. Für den elektrischen Leiter 51 ist im Kragen 20 ein Schlitz 21 vorgesehen, der den Leiter 51 bei der Montage aufnimmt; somit kann kein Kurzschluß zwischen den Elektroden 61 und 7' eintreten. Die Mulde 81 ist teilweise aufgebrochen gezeichnet. Der Kragen 2 0 greift etwas in die Mulde 8f ein und ist- mit einer flachen Ausnehmung 2e versehen. Der Chip 4' ist somit teilweise von der Mulde 81 und teilweise von der Ausnehmung 2e umfaßt.
Die Stirnfläche lla1 der Lichtleitfaser II1 befindet sich unmittelbar über dem Chip 4'. Die Bondung des Leiters 5' ist seitlich vorgenommen, so daß - anders als in Figur 1 - die Lichtleitfaser II1 unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung eines anderen Mediums, auf die Oberflä-che des Chip 4' aufgesetzt werden kann.
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Man spricht hier auch von "butt-joint". Das Kladding 11b ist dabei etwas kürzer als der Kern lic der Lichtleitfaser 11 · .
Durch Wahl geeigneter Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex kann erreicht werden, daß die Bohrung 2a, d. h. also die Innenwandung, im Kragen 20 einen kleineren Brechungsindex η hat als der Kleber 12', der die Zwi-. schenräume ausfüllt. Dadurch entsteht eine totale Refiektion. Fügedifferenzen zwischen der Lichtleitfaser 11' und der Oberfläche des Chips 41 an der Stirnfläche 11a' werden insofern dadurch geheilt, daß die evtl. an der Stirnfläche 11a1 der Lichtleitfaser 11" vorbeigestrahlte Energie nach innen zurückgeworfen wird und wenigstens zum Teil wieder in die Lichtleitfaser 11' eingestrahlt wird.
Der gesamte Hohlraum ist, wie schon bereits bei Figur 1 geschildert, mit dem optisch-leitenden Kleber 12' gefüllt. Die Bohrung 2' ist in der unteren Zone verjüngt, um die Lichtleitfaser 11' zu führen. Die Bohrung 2' kann durch einen andersgearteten Klebstoff gefüllt sein, falls es bei der Herstellung zweckmäßig ist, zuerst einen der beiden Teile einzuführen und vorzufixieren. In Frage kommen insbesonsere Schnellkleber auf der Basis von Cyanocrylat.
Figur 3 zeigt einen vorbereiteten, vorkonfektionierten, elektro-optischen Anschluß, der bereits die elektrischen Teile enthält, bei dem jedoch noch zur Vervollständigung die Befestigung der Lichtleitfaser fehlt. Verbinder dieser Art können "vorgefertigt werden, damit die erforder-
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liehen Anschlüsse außerhalb des Herstellerwerkes ohne große Schwierigkeiten vorgenommen werden können. Die den Figuren 1 und 2 entsprechenden Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen, jedoch mit einem Index versehen.
Das Gehäuse 1" hat eine Bohrung 2", die über einen kegeligen übergang 31 in eine genau vermaßte zylindrische, oder auch konische, Halsbohrung 32 übergeht. Die öffnung 2b" enthält die Elektrode 7", deren Haltemulde 8" über die-Bondmasse den Chip 4" faßt. Aufgefüllt ist die Bohrung 2b" mit einem glasklaren Kleber 12", der im Bereich der Halsbohrung bis zu der Fläche 33 vorgedrungen ist. Im Kleber 12" selbst befindet sich eine Drahtbondung 34". Das Gehäuse 1" hat einen vorspringenden Kragen 20', der in einer Ausnehmung 2 E1 den Chip 4" hält. Der Kleber 12" schließt nicht nur den Chip 4" hermetisch ab, sondern bildet auch durch geeignete Wahl des Werkstoffes ein kurzes Zwischenstück 35, das sich zwischen der Oberfläche des Chips 4" und der Fläche 33 des Klebers 12" durch teilweises Ausfüllen der Bohrung 32 bildet. Das Zwischenstück 35 kann wahlweise auch schon vor dem Einbringen des elektrischen Teiles auf den Chip 4 zum Schutz desselben aufgebracht sein.
Der Werkstoff, aus dem das Gehäuse 1" hergestellt wurde, ist ein Werkstoff mit einem niedrigeren Brechungsindex als der des Klebers 12". Dadurch entsteht an den Enden der Halsbohrung' 32 unterhalb der Fläche 33 totale Re-
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flektion für Energiestrahlen, die aus der Oberfläche des Chips 4" ausdringen. Die Fläche 33 kann dabei zum Erreichen eines Linseneffektes gewölbt sein.
Falls der elektro-optische Verbinder zum optischen Empfang benutzt wird, kann die Reflektion in der Fläche 33, der Halsbohrung 32 und des Zwischenstükkes 35 sich auch darauf beziehen, daß aus der Lichtleitfaser, die in der Zeichnung nicht eingezeichnet"" ist, austretende Lichtstrahlen auf den Chip 4" geworfen werden".
Der so nach Figur 3 vorbereitete elektro-optische Verbinder kann durch einfaches Auffüllen der Bohrung 2" mit Klebstoff und dem nachträglichen Einstecken der Lichtleitfaser in jeder Umgebung montiert werden. Die für eine optische Verbindung kritische Fläche 33 des Zwischenstückes 35 bzw. die Oberfläche des Chip 4" ist durch die Bohrung 32 ausreichend sicher geschützt. Der zum Verkleben der Lichtleitfaser in der Bohrung 2" verwendete Kleber kann zudem optisch so abgestimmt werden, daß ein ungewolltes Durchtreten des Lichtsignals durch die Bohrung sicher verhindert wird.
In den Figuren 4 und 5 ist eine vorteilhafte Anordnung von elektro-optischen Verbindungen auf einer Printplatte gezeigt. Die Printplatte 41 hat Löcher 42 und 43, die durch aufgebrachte Kupferbahnen zu elektrischleitenden Anschlußpunkten ausgebildet sind. Die Elektroden 11 und 13 sind rechtwinklig umgebogen, wie in Figur 5 von· der Seite her gezeigt ist. Die abgewinkelten Elektroden sind in die Löcher 42 und 43 gesteckt und dort verlötet.
030041 /G425— - ■'·■· —
KABELWERKEREINSHAGEN GMBH WUPPERTAJ.
- 15 - LN
In Figur 6 sind an den Seiten des Gehäuses l"1 Verbindungsmittel in Form von schwalbenschwanzförmigen Ausnehmungen bzw. Rippen 60 angeordnet; hierdurch kann ein Steckergehäuse - z.B. für eine Flachbandleitung o. dgl. - aufgebaut werden.
0300A 1/0 A2 5 ::".;:::.■.r.1,·..:

Claims (10)

KABELWERKE REINSHAGEN GMBH WUPPEfl" Oi-- = ; :.,..;■ , =ϊ j. 02.04.79 ' - X - LN Patentansprüche
1. Elektro-optische Verbindungsvorrichtung mit einem ein elektro-optisches Element umfassenden Gehäuse, das mindestens zwei elektrische und mindestens einen optischen Anschluß aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das.Gehäuse (1, 1", l"1) einstückig ausgebildet ist, aus elektrisch und evtl. optisch isolierendem Material besteht und mindestens zwei Aufnahmeöffnungen (2, 2', 2", 2b, 2b1, 2b") für die elektrischen bzw. optischen Anschlüsse aufweist, die axial hintereinanderliegend angeordnet sind und Führungsmittel (3, 20, 20', 2e, 2e') umfassen, die ein einzuführendes elektro-optisches Element (4, 41, 4") bzw. ein einzuführendes lichtleitendes Element (11, II1) zueinander ausrichten.
2. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der das elektro-optische Element (4, 4', 4") aufnehmende öffnung. (2b, 2b1, 2b") Anschläge (3, 20, 20·, 2e, 2e') für das Element (4, 41-, 4") oder seine Anschlüsse (6, 6', 7, 71, 7") angeordnet sind.
3. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der den Lichtleiter (11, II1) aufnehmenden öffnung (2a1) Anschläge für dessen Isolierung (lib) angeordnet sind.
030041 /0 42 5 '
ORIGINAL INSPECTED
CABELWERKEREINSHAGENGMBH WUPPfRTAt . „. ......
291326
' - 2 - LN
4. Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1, I1, 1", l"1) in seinem Inneren eine optisch wirksame Höhle (2d, 2e, 35) aufweist, die durch einen transparenten Klebstoff (12, 12', 12") gefüllt ist.
5.. Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der -" ' Brechungsindex des Materials des Gehäuses niedriger liegt als der Brechungsindex des die Flächen verbindenden Klebstoffes, so daß in der Höhlung zwischen Fasor-Stirnflache und lichtempfindlicher bzw. aussendender Fläche ein total reflektierendes Zwischenglied (LINK) entsteht.
6. Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1, I1, 1", l"1) aus Werkstoffen mit einem niedrigeren Brechungsindex als der des Klebstoffes (12, 12', 12")-hergestellt ist.
7. Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1, I1, 1", I111) einem Norm-Raster (1/10 Zoll-Raster oder 2/10 Zoll-Raster) angepaßt ist.
0300 41/0A25
KABELWERKEREINSHAGENGMBH WUPFERTWL
_ 3 - LN 191
8. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Gehäuse (1, I1, 1", 1"') nach der elektrischen Seite hin herausgeführten Kontakt-Stifte (6, 6', 7, 71) durch Abwinkein so für eine winklige Schaltung abgebogen sind, daß sie
in die Normabstände des Platten-Rasters passen.
9. Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche·
1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kragen (20) in der Grüße eines Chips (4') im Inneren des Gehäuses (I1) vorgesehen ist, in welchem der Chip (41) eingesteckt werden kann, so daß die Achse von Chip,(4'), Gehäuse (I1) und Lichtleitfaser (II1) identisch sind.
10. Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche
1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an den Außenseiten des Gehäuses (1"') Verbindungsmittel (Ausnehmungen, Rippen 60) zur Verbindung mit identischen Gehäusen (I"1) angeordnet sind.
03 0041 /0 42 5 ::;;;:.■:'
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