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Optoelektronisches Modulgehäuse.
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Die Erfindung betrifft eine Weiterentwicklung des im Oberbegriff des
Patentanspruches 1 definierten Modulgehäuses, welches für sich z.B. der älteren
Anmeldung P 33 37 131.8 = VPA 83 P 1838 DE entnehmbar ist. Die Erfindung wurde insbesondere
für ein spezielles optoelektronisches 200-Megabit-Empfangsmodul eines Glasfaser-Fernmeldesystems
entwickelt. Sie eignet sich aber darüberhinaus schlechthin für optoelektronische
Modulgehäuse, welchen über eine Glasfaser Lichtsignale zugeführt oder von welchen
über eine Glasfaser Lichtsignale abgegeben werden.
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Die Erfindung gestattet eine Erleichterung der mechanisch-optischen
Justierung der Glasfaserachse auf das Bauelement durch die im Patentanspruch 1 angegebenen
Maßnahmen auf eine elegante Weise mit hoher Präzision, um die anzustrebende maximale
optische Kopplung zwischen der Glasfaser und dem Bauelement zu erreichen.
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Die in den Unteransprüchen angegebenen Weiterbildungen gestatten zusätzliche
Vorteile, nämlich die Maßnahmen gemäß Patentanspruch 2, die Justierung des Bauelementes
besonders leicht zu erreichen, 3, die Formen der antennenartigen optischen Abstrahl-bzw.
Empfangskeulen des Glasfaserendes und des Bauelementes einander entsprechen zu lassen,
und damit deren optische Kopplung zu optimieren,
4, hochfrequenzmäßig
günstige geringe Leitungslängen einzuhalten, sowie 5, Rückkopplungen zwischen den
Verstärkerbestandteilen und den Verstärkerelementen zu vermeiden.
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Die Erfindung und deren Weiterbildungen werden durch die in den beiden
Figuren gezeigten Schemen von Ausführungsbeispielen weiter erläutert, wobei die
Figur 1 die Draufsicht auf ein Beispiel der Platte mit Bauelement und Verstärkerelementen,
und 2 eine Anwendung der in Fig. 4 gezeigten Platte in einem optoelektronischen
Modulgehäusebeispiel gemäß der Erfindung zeigen.
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Das in Fig. 2 aufgeschnitten gezeigte Modulgehäuse G/W enthält eine
Wanne G, sowie einen'bevorzugt licht- und gasdicht'aufsetzbaren Deckel W, so daß
das Innere dieses Modulgehäuses G/W für Montagen, Justierungen und abschließende
Uberprüfungen leicht zugänglich ist. Am Boden der Wanne G ist, wieder bevorzugt
licht- und gasdicht, der Glasfaseranschluß S, hier nämlich GlasfasersteckerS für
einen mittels Schraube X und Anschlag Y festschraubbaren Glasfasersteckstift MZangebracht,
welcher bei einem Empfangsmodulgehäuse G/W zur Zuführung bzw. bei einem Sendemodulgehäuse
G/W zur Wegleitung des mit Informationen modulierten Lichtes durch die Gehäusewand
G dient. In Richtung der Achse des Lichtleiters L des Glasfasersteckstiftes Liegt
das optoelektronische Bauelement D, welches das Licht empfängt oder sendet, z.B.
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eine GaAs-PIN-Photodiode D oder eine Laserdiode D.
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Die in Fig. 2 in Seitenansicht gezeigte Platte P, die der in Fig.
1 in Draufsicht gezeigten Platte P entspricht, ist in Wahrheit in den Justierrahmen
E geschoben, so daß sich zumindest Teile der Flächen H und C berühren. Der Justierrahmen
E berührt zumindest mit
einem Teil seiner Fläche B zumindest einen
Teil der Fläche A des Glasfasersteckers S. Da die Platte P in Richtung der Glasfaserachse
verschiebbar ist und da der Justierrahmen E auf der Fläche A in zwei weiteren lateralen
Richtungen bewegbar ist, ist das auf der Platte P befestigte Bauelement D in allen
drei Dimensionen beliebig exakt justierbar. Nach dieser Justierung ist der Justierrahmen
E an den Flächen A/B starr endgültig und bleibend am Glasfaserstecker S und damit
an der Wanne G starr befestigbar, sowiesbevorzugt anschließend, die Platte P an
den Flächen H/C endgültig und bleibend am Justierrahmen E und damit an der Wanne
G starr befestigbar, jeweils z.B. durch Klemmen, Kleben oder Löten. Diese Justierung
sowie diese endgültigen starren Befestigungen an der Wanne G erfolgen bevorzugt
unter Beobachtung bzw. Messung der optischen Kopplung zwischen Glasfaserende N und
Bauelement D unter entsprechender optoelektronischer Inbetriebnahme des Bauelements
D und der Glasfaser L, wobei angestrebt wird, durch die Justierung eine maximale,
damit optimale optische Kopplung zwischen dem Bauelement D und der Glasfaser L zu
erreichen.
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Statt des gezeigten Glasfasersteckers S kann auch ein eine Glasfaser
L enthaltender Glasfaseranschluß S unlösbar - statt z.B. mittels der Verschraubung
X/Y lösbar - am Gehäuse G/W angebracht sein. Ebenso ist zwar der in Fig. 2 gezeigte
Justierrahmen E im wesentlichen ein kreisrunder Ring, in den die, auch in Fig. 1
gezeigte, runde Platte P geschoben ist. Aber sowohl die Platte P, ebenso der Justierrahmen
Ekann auch andere, einander angepaßte Formen aufweisen, z.B. bei quadratischer statt
runder Platte P eine quadratische Innenöffnung C im Justierrahmen E.
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Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel fällt jene erste Dimension, in
der die Platte P im Justierrahmen E zur
Justierung des Bauelementes
D bewegt werden kann, mit der Richtung der Achse der Glasfaser L und mit der optisch
aktivsten Richtung des Bauelementes D zumindest weitgehend zusammen. Das erleichtert
die Optimierung der optischen Kopplung, nämlich die nachträgliche endgültige Justierung
der Platte P,wenn der in den zweianderen Dimensionen verschiebbare Justierrahmen
E zumindest bereits justiert, möglichst aber bereits endgültig starr am Gehäuse
G/W befestigt ist. Diese endgültige Bewegung und Befestigung der Platte P im Justierrahmen
E kann hier,wegen des Fluchtens oder weitgehenden Fluchtens der Glasfaserachse mit
dem Bauelementterst viel später erfolgen, nachdem nämlich die optische Kopplung
zwischen dem auf der Platte P befestigten Bauelementes D und der Glasfaser L allein
durch Bewegen und Befestigen des Justierrahmens E an der Fläche A, also ohne zusätzliches
Bewegen der Platte P vorläufig optimiert wurde.
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Die Fig. 2 zeigt ferner ein Linsensystem K zwischen dem Glasfaseranschluß
S und dem Bauelement D, welches mindestens eine Linse K. darunter mindestens eine
Sammel-
linse, z.B. eine besonders einfach herstellbareVoRt auch ein besonders einfach herstellbarer
Glaszylinder K,enthalten kann. Diese Linsen dien zur optischen Ankopplung der optisch
aktiven Stelle des Bauelements D an das Glasfaserende S. Sammellinsen in Kugel-
oder Kreiszylinderform am Ende einer GlasfaserXzur Bündelung des Lichtes und damit
zur Verbesserung optischer Kopplungen bei GlasfaseranschlüssenXsind für sich z.B.
durch - DE-OS 30 12 118, - GB-OS 2 002 136, - DE-OS 28 31 935 und - DE-OS 27 03
887 vorbekannt.
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Es zeigte sich, daß oft bereits eine einzige Linse, also eine Sammellinse,
zumindest aber ein mehrlinsiges optisches System zwischen dem Bauelement D und dem
Glasfaserende N, auch bei der Erfindung einen besonderen Vorteil ermöglicht: Häufig
hat nämlich einerseits die antennenartige Charakteristik der optischen Eigenschaften
des Bauelementes D eine relativ breite, gespreizte Keule, also eine breite Lichtabstrahlungskeule
oder Lichtempfangskeule. Das Glasfaserende N hat andererseits meistens eine antennenartige
Charakteristik mit sehr schmaler, scharf gerichteter Keule. Die verschiedenen Keulenformen
dieser beiden Teile N/D, ferner auch die verschiedenen absoluten Größen der optisch
aktiven Oberflächen dieser beiden Teile N/D lassen sich mit Hilfe solcher Linsen,
aber oft schon ausreichend mit Hilfe einer Kugel K kombinieren, wodurch erreichbar
ist, daß die Kopplung zwischen dem Bauelement D und dem Glasfaserende Nsoft sogar
bei besonders großer Toleranz für die Justierung, reflexionsarm und verlustarm wird,
wobei insbesondere also oft die Toleranz für Abweichungen der räumlichen Lagen der
beiden Teile N/D groß wird: Wenn nämlich das Bauelement D ein Lichtempfangselement,
z.B. eine GaAs-PIN-Diode D ist, dann stört ein unpräzises, von Zeit zu Zeit geändertes
Einschieben des Glasfasersteckstiftes M oft nur wenig, weil alles aus dem Glas-Iblont.
-faserende N abgestrahltetwegen'de}Sen enger Keule, mittels der entsprechend am
Gehäuse befestigten Linse(n), stets über die breite Keule der im Lichtbrennpunkt
liegenden, optisch aktivsten Stelle der Diode D empfangen werden kann. Der Abstand
zwischen dem Glasfaserende N und
fest justierten Linse(n) K kann hierbei angenehmerweise oft ein für ein optisches
System extrem große Toleranz aufweisen, besonders wenn der Durchmesser des Linsensystems
K, insbesondere einer Kugel K als alleinige Linse K, sehr gro& gegen den Glasfaserduchmesser
ist.
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Wenn hingegen das im Gehäuse justierte Bauelement D Licht aussendet,
also z.B. eine breitkeulige Laserdiode D ist, dann kann man die(oder eine der)Sammellins
K - bei geeignet geähltern Brechungsindex der Linsen K - so dicht neben dem Bauelement
D am Gehäuse G/W befestigen, daß die Strahlung des Bauelementes Dstrotz breiter
Keule nur über einen kleinen Ausschnitt der benachbarten Linsenoberfläche in diese
Sammellinse K eintritt, aber als weitgehend parailel gebündelter dünner Strahl die
letzte Linsenoberfläche wieder verläßt, wodurch die breite Keule dieses sendenden
Bauelements D, insbesondere mittels einer Kugel K, an die enge Keule des Glasfaserendes
N zur Reduzierung von Reflexionen und Abbildungsungenauigkeiten anpaßbar ist. Die
Toleranz für den Abstand zwischen dem Glasfaserende N und der ihm benachbarten Linsenoberfläche
bei fest justiertem Linsensystem K,kann angenehmerweise auch hierbei insbesondere
durch geeignete Wahl der Linsen fast beliebig groß gemacht werden, also eine für
ein optisches System extrem große Toleranz aufweisen.
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In -Fig. 1 und 2 ist schematisch angedeutet, daß auf der Platte P
noch weitere Elemente angebracht werden können.
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So kann die Platte P nahe dem Bauelement D mindestens ein Verstärkerelement
V, z.B. einen Vorverstärker V, aufweisen, welches hochfrequenzmäßig leitend mit
dem Bauelement D verbunden ist, z.B. mittels möglichst kurzen, kapazitäts- bzw.
induktivitätsarmen Bonddrähten, welche in den Figuren der Übersichtlichkeit wegen
nicht mehr eingezeichnet sind. Zusätzlich kann zwischen dem bauelement D, z.B. einer
Licht empfangenden GaAs-PIN-Diode D'und einem Vorverstärker D ein weiteres Hochfrequenzelement
eingefügt sein, z.B. ein GaAs-FET F insbesondere zur Anpassung des Spannungspegels
der Diode D an den Spannungs- bzw. Strompegel des Verstärkers V; - wieder sind in
den Figuren die entsprechenden
elektrischen Leitungenvder Ubersichtlichket weggelas-
sen . Außerdem
können noch sonstige, eng mit den Funktionen des Bauelements D verbundene Elemente
dort angebracht sein, z.B. ein Vorwiderstand R des Bauelements D insbesondere als
gedruckter Dickschichtwiderstand R. Hierbei können alle solche Elemente R, F, V,
auch zusammen mit dem Bauelement D,zunächst auf einer Trägereinheit T - bevorzugt
"Step by Step - montiert, geprüft, hochfrequenzmäßig verbunden und bei Bedarf justiert
worden sein, bevor die Trägereinheit T und damit das Bauelement D endgültig auf
der Platte befestigt wird, wodurch die Ausschußquote bei der Herstellung des Modulgehäuses
entsprechend niedrig gehalten werden kann.
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Bevorzugt wird hierbei das Bauelement D in der Mitte der Platte P
- dementsprechend oft auch in der Mitte der Trägereinheit T - befestigt, weil dieser
symmetrische Aufbau später die endgültige Justierung des Justierrahmens E auf der
Fläche A und damit die endgültige Justierung des Bauelementes D auf das Glasfaserende
N erheblich erleichtern kann.
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Die Platte P kann an sich auch selbst ein billiges normiertes Teil
P sein, vgl. Fig. 1, nämlich z.B. ein etwa 6 mm Durchmesser aufweisender gewöhnlicher
Stiftsockel eines TO-Gehäuses, wobei die elektrischen äußeren Anschlüsse der Elemente
D, V, F, R einschließlich der Stromversorgung und Erdung auch über die mitgenormten,
in Isolatoren I eingebetteten Durchführungen Z zur Rückseite der Platte P hindurchgeführt
werden können und damit, auch noch der endgültigen Justierung und starren Befestigung
der Platte P an der Gehäusewand G, nach Abheben des Gehäusedeckels W z.B. für Abschlußprüfungen
gut zugänglich bleinen. Selbst in engsten, kleinsten Gehäusen G/W sind damit'nach
dieser Befestiging'auf engstem RaumXpriswert, gut justiert und geschützt selbst
viele Elemente 3, V, F, R so unterge-
bracht, daß sie über die
Durchführungen Z elektrisch zugänglich bleiben.
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Überdies kann die Platte P, der Justierrahmen E und der Anschluß S/A
aus elektrisch leitend miteinander verbundenen, geerdeten Metallmassen gebildet
werden, wodurch auch eine sehr gute Hochfrequenzabschirmung aller dieser durch Hochfrequenz
und Streukapazitäten leicht störbaren Elemente D, V, F, R, bei optischer Empfindlichkeit
eines Licht empfangenden,Bauelements D erreichbar ist.
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Zusättlich ist dann, wegen der Wärmeleitfähigkeit solcher Metallmassen,
die Platte P und damit auch das Bauelement D relativ leicht auch noch kühlbar, besonders
wenn auch das Gehäuse G/W aus Metall besteht und außen gut gekühlte Kühlrippen aufweist
s daher kann dann auch insbesondere ein Licht abstrahlendes Bauelement D, z.B.
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eine Laserdiode D, von außen angenehmerweise gut gekühlt werden.
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Auf der metallischen, geerdeten Platte P, auf der oft große Platznot
herrscht, kann - auch aus Streukapazitätsgründen -,nR lich aufl;-rer rückseitigen
Oberfläche welche abgewandt ist von ihrer das Bauelement D tragenden Oberfläche,
mindestens ein Verstärkerbestandteil U angebracht werden, welcher hochfrequenzmäßig
über mindestens eine isolierte Leitung, z.B. über Durchführungen Z der Platte P,
elektrisch leitend mit dem Bauelement D oder mit mindestens einem Verstärkerelement
V/F verbunden ist. So können auch störende Hochfrequenzrückkopplungen zwischen diesen
Verstärkerbestandteilen U, z.B. einem IFachverst?rker U, und den Elementen D, V,
F, R unterdrückt bzw. gedämpft werden.
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5 Patentansprüche 2 Figuren.