DE3743528A1 - Lichtleiteranordnung, sowie verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft zunächst eine lichtleitende An­ ordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine solche Anordnung ist aus DE-OS 35 43 558 bekannt. Dabei sind im Träger, z. B. in im Querschnitt V-förmige Nuten, Lichtleiter eingelegt, die an ihren Enden Vorrichtungen, z. B. Linsen, zur Bündelung des Lichtes aufweisen. Hieran anschließend sind spiegelartige Umlenkmittel vorgesehen, welche durch Bohrungen im Träger das Licht zu einem auf der Ausgangsseite der Bohrung befindlichen Fotodetektor leiten. Diese Anordnung ist in mehrfacher Hinsicht nach­ teilig. Die Ausbildung der Lichtleiter und das Anordnen der Umlenkmittel ist fertigungstechnisch sehr kompliziert und mit entsprechenden Kosten verbunden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Abmessungen solcher Träger und Lichtleiter außerordentlich klein sind und daß außerdem bei dem bevorzugten Anwendungsgebiet der Rechnerschalt­ kreise eine Vielzahl solcher Lichtleiter mit zugehöriger Optik und Umlenkmittel vorgesehen werden müssen. Die Um­ lenkmittel müssen ganz exakt justiert sein, da sie andern­ falls nicht das Licht zum Fotodetektor weiterleiten können.

Insgesamt entsteht ein Fertigungsaufwand, dessen Kosten in aller Regel nicht vertretbar sein werden. Hinzu kommt, daß die vorbekannte Anordnung das Anbringen der Fotodetek­ toren unmittelbar am Ausgang der Bohrung bedingt, da an­ dernfalls sie nicht vom Lichtstrahl des jeweiligen Umlenk­ mittels erreicht werden können. Es sind aber in der Praxis eine ganze Reihe von Fällen, bzw. Konditionen denkbar, welche die Anordnung der Fotodetektoren an einer anderen Ober­ flächenstelle des Trägers als direkt oberhalb der Umlenk­ mittel bedingen. In solchen Fällen ist die Anordnung nach DE-OS 35 43 558 nicht einsetzbar.

Der Erfindung liegt daher zunächst die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dahingehend zu verbessern, daß bei einer einwandfreien Übertragung des Lichtes die hierzu erforderliche Ausgestaltung der Anord­ nung, einschließlich der Lichtleiter, mit einem relativ ge­ ringen Herstellungsaufwand möglich ist.

Der Lösung dieser Aufgabe dienen zunächst, ausgehend vom Ober­ begriff des Anspruches 1, die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1. Mit diesen, von einer Anschlußstelle zur anderen Anschlußstelle einstückig durchgehenden Lichtleitern erfolgt zum einen eine einwandfreie, nicht durch Umlenkmittel oder der­ gleichen gestörte bzw. unterbrochene Lichtübertragung von der einen Anschlußstelle zur anderen Anschlußstelle. Durch ungenau eingestellte Umlenkmittel auftretende Fehler sind vermieden. Der Herstellungsaufwand und damit die hierdurch bedingten Kosten einer Anordnung nach der Erfindung ist um ein mehrfaches geringer als der Herstellungsaufwand für die Anordnung nach dem erläuterten Stand der Technik. Es werden also mit der Er­ findung Vorteile sowohl in der Funktion, als auch in der Fertigung erreicht.

Die Erfindung erlaubt eine Anordnung der elektrischen Bauelemente gemäß Anspruch 7 oder auch gemäß Anspruch 8. Beschränkungen in der Positionierung der elektrischen Bauelemente auf der Oberfläche des Trägers sind also vermieden.

Die Ansprüche 10 bis 13 beinhalten verschiedene Möglich­ keiten der Verhinderung der Abstrahlung des Lichtes vom Lichtleiter nach außen.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, Ver­ fahren zur kostengünstigen Herstellung von Anordnungen gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zu schaffen.

Eine bevorzugte Ausführungsform eines solchen Verfahrens ist Gegenstand des Anspruches 14 und dabei insbesondere in Verbindung mit Anspruch 15. Hierdurch entsteht ein Licht­ leiter, dessen Maße sich kontinuierlich und innig an der Wand des Kanals anliegend von der einen Anschlußstelle zur anderen Anschlußstelle erstreckt. Eine Variante dieses Ver­ fahrens ist Gegenstand des Anspruches 16.

Ferner kann auch das Verfahren gemäß Anspruch 17 ausgeübt werden. Dies empfiehlt sich dann, wenn aus anderem Grund ein Brennvorgang im Ofen erfolgen soll, so daß man diesen Brennvorgang für das Einbringen der Leitermasse in den Kanal und die Schaffung einer durchgehenden Lichtleiter­ masse von der einen Anschlußstelle zur anderen Anschluß­ stelle mit einsetzen kann.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen, sowie der nachfolgenden Be­ schreibung und der zugehörigen Zeichnung von erfindungs­ gemäßen Ausführungsbeispielen zu entnehmen. In der im wesentlichen nur schematischen Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung in der Draufsicht,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 1,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung,

Fig. 6 eine andere Ausführungsmöglich­ keit der Erfindung,

Fig. 7 die Einzelheit A aus Fig. 4 im vergrößerten Maßstab mit einer anderen Ausführungsmöglichkeit der Erfindung.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 4 ist in einem unteren Träger, Schicht oder auch Laminat (im folgenden kurz Träger genannt) 1 eine im Querschnitt rechteckige, quadratische oder halbrunde Nut 2 vorgesehen, die oberseitig von einem anderen Träger, Laminat oder Schicht (im folgenden eben­ falls kurz Träger genannt) 3 abgedeckt ist. Die Nut 2 und sich an deren offenen Enden 2′ anschließende Bohrungen 4 entsprechenden Querschnittes im Träger 3 bilden einen durchgehenden Kanal. Dieser Kanal endet einerseits in einer Anschlußstelle 5 und andererseits in einer Anschlußstelle 6, die sich in diesem Ausführungsbeispiel jeweils an der gleichen Oberfläche 7 des in der Zeichnung oberen Trägers 3 befinden. Die Anschlußstelle 5 hat Kontakt zu einem lichtsendenden Bauelement 8, das sich direkt auf dieser Anschlußstelle befindet, während die Anschlußstelle 6 in einer anderen Ausführungsmöglichkeit der Erfindung über eine lichtleitende Masse 9 mit einem lichtempfangenden Ele­ ment 10 verbunden ist. Diese optoelektronischen Elemente können sogenannte Fotodetektoren oder auch Halbleiter sein, die elektrische Ströme in Licht umwandeln bzw. Licht in elektrische Ströme. Solche optisch/elektrischen Verbindungen werden vor allem in Rechnerschaltkreisen oder dergleichen eingesetzt, um die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen, da die Fließgeschwindigkeit des elektrischen Stromes wesentlich geringer ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes. Die Rechengeschwindigkeit wird also durch Verwendung von Lichtleitern entsprechend erhöht. Die Träger können Keramik­ platten, Epoxidharzschichten oder dergleichen sein. Auch sind Platinen (Träger) aus Polyestermaterial verwendbar.

Insbesondere Fig. 4 zeigt, daß somit ein in sich einstückiger von der Anschlußstelle 5 zur Anschlußstelle 6 verlaufender Lichtleiter 11 geschaffen ist, der den gesamten aus den Bereichen 4, 2, 4 bestehenden Kanal ausfüllt. Verfahrens­ mäßig kann dies auf verschiedene Weise erreicht werden. So kann die Nut 2 in einen zunächst weichen Träger 1, z. B. in eine ungebrannte weiche Keramikplatte eingefräst und danach ein Lichtleiter eingelegt werden. Anschließend wird, bei Hindurchführung des Lichtleiters durch die Bohrungen 4, der Träger 3 aufgelegt. Diese gesamte Anordnung wird in einem Ofen gebrannt, wobei zugleich die Keramikträger gebrannt, als auch der aus einer Glasfaser bestehende Lichtleiter geschmolzen und damit eine in sich homogene, lichtleitende und strangartige Masse gebildet wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Herstellung besteht nach der Erfindung darin, daß die Träger 1, 3, wie darge­ stellt, übereinandergelegt und durch einen Brenn- oder Laminierprozeß verbunden werden, d. h. die Bohrungen 4 auf den offenen Enden 2′ der Nut 2 bilden einen durch­ gehenden Kanal. Danach wird der von den Bohrungen 4 und der Nut 2 umschlossene Raum (Kanal) mit einer lichtleit­ fähigen Masse, z. B. einem lichtleitfähigen Kunststoff oder Glas, in flüssiger Form durch Einspritzen, Einsaugen oder Kapillarwirkung gefüllt. Auch hiermit wird der in sich einstückige lichtleitende Strang zwischen den Anschluß­ stellen 5, 6 erreicht.

Bereits dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist zu entnehmen, daß der Kanal aus einem mittleren, sich entlang des Trägers erstreckenden Bereich, hier in Form der Nut 2, und von des­ sen Enden ausgehenden Abbiegungen oder Abknickungen, hier den Bohrungen 4 bestehen kann, wobei letztere zu den An­ schlußstellen 5, 6 führen. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 zeigt, wie dieser Gedanke der Erfindung auch so variiert werden kann, daß ein Kanal aus einem sich entlang der Trä­ gerrichtung erstreckenden Teil 12 und davon abgehenden Ab­ zweigungen 13, 14, 15 und 16 bestehen kann, die an ihren offenen Enden 13′, 14′, 15′ und 16′ jeweils Anschlußstellen bilden. Die optoelektronischen Elemente sind in diesem Falle nicht gesondert dargestellt. Es ist ersichtlich, daß das Einfüllen, bevorzugt Einspritzen, einer flüssigen, licht­ leiterbildenden Kunststoffmasse auch in eine Kanalanord­ nung gemäß Fig. 5 keine praktisch ins Gewicht fallenden Mehrkosten gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 verursacht. Somit können bereits mit einem Kanal mehrere Anschlußstellen (im Beispiel der Fig. 5 vier Anschlußstel­ len) gebildet und die zugehörigen optoelektronischen Ele­ mente miteinander verbunden werden. Dies läßt sich beliebig weiterverzweigen.

Auch sind Anordnungen gemäß Fig. 6 möglich, bei denen eine obere, aus zwei Schichten 17 bestehende Anordnung mit einem Lichtleiter 19 und eine untere, ebenfalls aus zwei Schichten bestehende Anordnung 18 mit einem Lichtleiter 20 vorgesehen sind. Dabei haben die Lichtleiter 19, 20 im wesentlichen die gleiche Formgebung, nur sind sie zueinander um 90° verdreht, bilden also übereinanderliegend eine Überkreuzung. Da die Lichtleiter 19, 20 aber voneinander mechanisch getrennt und (siehe die nachstehenden Ausführungen) auch optisch voneinan­ der abgeschirmt sind, können sie sich nicht gegenseitig beein­ flussen. Die Schichten oder Träger sind relativ dünn, z. B. im üblichen Bereich der Substratdicken von ca. 0,5 bis 2,0 mm.

Das bereits erläuterte Beispiel der Fig. 1 bis 4 zeigt die prinzipielle Lichtleiterverbindung zweier optoelektronischer Elemente 8 und 10. Dabei zeigt die Variante des Elementes 8, daß dieses mit seiner, die Umwandlung von elektrischen Impul­ sen in Licht und umgekehrt bewirkenden Fläche 8′ unmittelbar auf der Oberseite dieser Bohrung 4 und damit auf der Anschluß­ stelle 5 aufliegt. Dagegen ist in der Variante des optoelektro­ nischen Elementes 10 gezeigt, daß dieses auch in einer Entfer­ nung von der zugehörigen Anschlußstelle 6 vorgesehen und damit über eine Verlängerung des Lichtleiters verbunden sein kann. Diese Verlängerung besteht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einem aufgebrachten, zunächst flüssigen Tropfen 9 aus dem lichtleitenden Material, z. B. einem Kunst­ stoff, der sowohl an der Anschlußstelle 6, als auch auf der Schicht 10′ aufliegt, welche am Element 10 zur optisch/elek­ trischen Umwandlung dient. Es versteht sich, daß die Elemente 8, 10 elektrisch mit Leiterbahnen oder dergleichen der erwähn­ ten Rechnerschaltkreise oder anderer Schaltkreise verbunden sind. Schließlich wäre es auch möglich, ein Kabel mit einer Lichtleitfaser, das von einem Rechner oder von einer anderen Stelle her kommt, über einen mechanischen Adapter direkt an das Ende des jeweiligen Lichtleiters anzukoppeln und durch diesen dann das Licht zu einem optoelektronischen Element (entsprechend den Elementen 8, 10) weiterleiten zu lassen, wobei diese Elemente die optischen Impulse oder Signale in entsprechende elektrische Impulse oder Ströme umsetzen oder umgekehrt.

Es ist dafür zu sorgen, daß das durch den bzw. die Licht­ leiter fließende Licht so vollständig als möglich an die jeweilige Empfängerstelle geleitet wird, d. h. nicht auf dem Wege von der "Sender"-Anschlußstelle zur "Empfänger"- Anschlußstelle verloren geht. Hierzu empfehlen sich, ge­ gebenenfalls in Kombination, die folgenden Maßnahmen:

Die Träger 1, 2 sind aus einem lichtundurchlässigen Material, z. B. der bereits erwähnten Keramik.

Der Lichtleiter selber muß einen hohen Brechungsindex aufweisen, dagegen von einem Material oder Medium mit einem sehr geringen Brechungsindex umgeben sein. Dies kann der zuvor erwähnte Träger (Platine oder dergleichen) selber sein. Es kann sich aber, insbesondere wenn die Innenfläche der Nuten, Bohrungen und dergleichen für die Aufnahme des Lichtlei­ ters zu rauh sind, empfehlen, diese Nuten, Bohrungen und dergleichen Kanäle mit einem Medium von geringem Brechungs­ index vor dem Einbringen des eigentlichen lichtleitenden Mediums auszukleiden. Dies kann z. B. ein Lack oder eine zweite Glas- oder Kunststoffschicht sein. Verfahrensmäßig kann man so vorgehen, daß man ein verflüssigtes Medium mit dem geringen Brechungsindex durch die Kanäle hindurchleitet und diese anschließend durchbläst. Ein Teil dieses Mediums bleibt an der Innenwand der Kanäle als Schicht 21 haften. Danach wird die Masse des Lichtleiters in einer der beschrie­ benen Weisen eingebracht. Eine solche Schicht 21 ist in Fig. 7 gezeigt. Sie kleidet die Bohrungen 4 und die Nut 2 aus und umgibt den Lichtleiter 11. Als Beispiele für die Werkstoffe einer solchen Schicht 21 seien genannt: Glas, Epoxy.

Der erläuterte Tropfen bzw. Verbindungsstück 9 zwischen der Anschlußfläche 6 und dem Element 10 ist oberseitig mit einer lichtundurchlässigen Schicht 22 überzogen, die an der Grenz­ fläche zum lichtleitenden Verbindungsstück (Tropfen) eben­ falls zu Totalreflxion führt.

Die dargestellten und/oder beschriebenen Merkmale, sowie ihre Kombinationen miteinander, sind erfindungswesentlich, sofern sie nicht ausdrücklich als bekannt bezeichnet wurden.

Claims (17)

1. Lichtleitende Anordnung als Verbindung in elektroni­ schen Schaltkreisen, wobei in einem oder mehreren Kanälen eines oder mehrerer Träger Lichtleiter vorge­ sehen und optisch mit am Träger, bzw. an den Trägern angebrachten lichtemittierenden, bzw. lichtempfangen­ den (optoelektronischen) Bauelementen (z. B. Halbleitern) in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß sich der oder die Lichtleiter (11, 12 bis 16, 19, 20) jeweils in sich einstückig durch den gesamten Kanal (4, 2, 4) zwischen zumindest zwei Anschlußstellen (5, 6; 13′ bis 16′) des oder der Träger (1, 3) erstrecken, wobei sich die Anschlußstellen jeweils an einer Oberfläche des oder der Träger befinden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Kanäle, der bzw. die jeweils aus einem mittleren sich entlang des Trägers (1, 3) erstreckenden Bereich (2) und von dessen Enden ausgehenden Abbiegun­ gen oder Abknickungen (4) bestehen, die zu den Anschluß­ stellen (5, 6, 13′ bis 16′) führen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der oder die Lichtleiter (11, 12 bis 16, 19, 20) den Kanal bzw. die Kanäle vollständig ausfüllen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die Anschlußstellen (13′ bis 16′) eines Kanales (12 bis 16) an unterschiedlichen Oberflä­ chen des oder der Träger (1, 3) befinden (Fig. 5).

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Gruppen (17, 18) von Trägern mit, z. B. sich kreuzenden, Lichtleitern (19, 20) über­ einander vorgesehen sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Träger (1, 3) aus Keramik oder aus Kunststoffmaterial bestehen.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das optoelektronische Bauelement (8) unmittelbar oberhalb der Anschlußstelle (5) auf dieser aufliegend am Träger angebracht ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das optoelektronische Bauelement (10) im Abstand von der zugehörigen Anschlußstelle (6) auf der Oberfläche des Trägers angebracht ist, und daß ent­ weder der Lichtleiter selber oder eine zusätzliche licht­ leitende Verbindung (9) von der Anschlußstelle (6) zum Element (10) hin sich erstreckt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß von externen Quellen kommende Licht­ leiter an die Anschlußstellen angeschlossen sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an den Oberflächen (Grenzflächen) der Lichtleiter (11, 12 bis 16, 19, 20) und einer zusätz­ lichen lichtleitenden Verbindung, z. B. einem Verbindungs­ tropfen (9), Schichten zur Erzeugung einer Totalreflexion vorgesehen sind.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Totalreflexion der Lichtleiter aus einem Material mit hohem Brechungsindex besteht und von einem Material, bzw. Schicht von geringem Brechungsindex umgeben ist.

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium mit geringem Brechungsindex ein Lack oder eine zweite Glas- oder Kunststoffschicht an der Innenseite der Kanäle vorgesehen ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeich­ net durch Träger (1, 3) aus einem lichtundurchlässigen Material.

14. Verfahren zur Herstellung einer lichtleitenden Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des Lichtleiters in flüssigem Zustand in den Kanal bzw. die Kanäle von einer Anschlußstelle zur andern Anschlußstelle eingebracht wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Masse des Lichtleiters eingespritzt oder eingesaugt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Masse des Lichtleiters durch Kapillarwirkung des Kanals eingebracht wird.

17. Verfahren zur Herstellung einer lichtleitenden Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Lichtleiters in den jeweiligen Ka­ nal eingelegt und durch Erhitzen auf eine entsprechend hohe Temperatur (Brennen im Ofen) verflüssigt und danach durch Abkühlen zum Erstarren gebracht wird.