DE3902579C2 - Optoelektronisches Bauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dieses Bauteil ermöglicht einen Hochfrequenzbetrieb und koppelt die von einem lichtemittierenden Halbleiterelement ausge­ sandten, für eine optische Übertragung verwendeten Strahlen mit einer optischen Faser oder umgekehrt.

Im folgenden wird ein bekanntes optoelektronisches Bauteil, das mit einer Laserdiode ausgestattet ist, beschrieben.

Fig. 4 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht ei­ nes solchen optoelektronischen Bauteils. Eine Laser­ diode 1 und eine Linse 2 werden von einem metalli­ schen Träger 3 getragen, der über ein elektronisches Kühlelement 4 in einem luftdichten Gehäuse 5 befe­ stigt ist. Eine elektrische Verdrahtung zum Betreiben der Laserdiode 1 besteht aus zwei unabhängigen dünnen Golddrähten 7a und 7b. Der Draht 7a verbindet einen Eingangsanschluß 6a mit einem Anschluß der Laserdiode 1 zur Übertragung eines Signals, und der Draht 7b verbindet den anderen Eingangsanschluß 6b oder Masse­ anschluß über den Träger 3 mit dem anderen Anschluß der Laserdiode 1. Der Eingangsanschluß 6a ist durch isolierendes Glasmaterial 8 gegenüber dem Gehäuse 5 elektrisch isoliert. Von der Laserdiode ausgehende Strahlen 9 werden durch die Linse 2 gebündelt und verlassen das Gehäuse 5 durch ein Fenster 10, das am Gehäuse 5 mittels niedrigschmelzendem Glasmaterial 11 angebracht ist.

Das so ausgebildete optoelektronische Bauteil 12 wird normalerweise in Verbindung mit einer optischen Faser 13 verwendet, die in ihrer Lage so ausgerichtet ist, daß die von der Laserdiode 1 ausgesandten Strahlen 9 in die Faser 13 eintreten. Weiterhin wird die opti­ sche Faser 13 über einen Halter 14 am optoelektroni­ schen Bauteil 12 befestigt. Das elektronische Kühl­ element 4 ist so ausgestaltet, daß eine Temperatur­ differenz zwischen seiner den Träger 3 berührenden oberen Oberfläche und seiner das Gehäuse 5 berühren­ den unteren Oberfläche auftritt. In dieser Anordnung hat das Kühlelement 4 ein solches Kühlvermögen, daß die Temperatur des Trägers 3 und der Laserdiode 1 trotz etwaiger Schwankungen der Temperatur des Gehäu­ ses 5 konstant gehalten werden kann.

Fig. 5 zeigt ein vereinfachtes elektrisches Ersatz­ schaltbild des optoelektronischen Bauteils nach Fig. 4. Hierbei sind der Eingangsanschluß 6a und die La­ serdiode 1 über eine Induktivität (L_A) 15 des dünnen Golddrahts (A) 7a miteinander verbunden.

Die Induktivität (L_B) 16 des dünnen Golddrahtes 7b und die Kapazität (C_P) 17, die durch das Kühlelement 4 als Streukapazität gebildet wird, sind zwischen dem Eingangsanschluß 6b und der Laserdiode parallelge­ schaltet. Der Ersatzschaltkreis nach Fig. 5 ist ein Filterkreis, in dem die Induktivität (L_B) 16 und die Kapazität (C_P) 17 zusammen eine parallele Resonanz bei der Frequenz

erzeugen, die eine hohe Impedanz ergibt. Daher ist das bekannte optoelektronische Bauteil insofern nachteilig, als die Amplitude und die Phase des zur Laserdiode 1 übertragenen Signals in der Nähe der Resonanzfrequenz f_r großen Veränderungen unterworfen sind und damit eine getreue Übertragung des Signals verhindert wird.

Um diesen Nachteil zu verhindern, könnten die Induk­ tivität (L_B) 16 oder Kapazität (C_P) 17 reduziert wer­ den, wodurch der Frequenzbereich, bei dem der Effekt des vorbeschriebenen Filterkreises zum größten Teil auftritt, angehoben würde, so daß dieser Effekt in einem im allgemeinen in der Fernmeldetechnik benutz­ ten Frequenzbereich nicht so stark aufträte. Jedoch ist die Kapazität (C_P) 17 dem elektronischen Kühlele­ ment 4 inhärent und kann daher nicht verringert wer­ den. Die Induktivität (L_B) 16 könnte durch Verkürzung der Länge oder Vergrößerung des Durchmessers des Drahtes 7b verringert werden. Jedoch wäre jede dieser Maßnahmen dadurch nachteilig, daß der Wärmefluß vom Gehäuse 5 zum Träger 3 erhöht würde und dadurch das Kühlvermögen des elektronischen Kühlelements 4 ver­ schlechtert würde.

Aus der DE-PS 33 07 933 ist eine optoelektronische Sendeeinheit bekannt, die eine in einem Gehäuse auf­ genommene und auf einem metallischen Träger angeord­ nete Laserdiode aufweist, wobei ein auf die Laserdio­ de ausgerichteter Lichtwellenleiter durch das Gehäuse hindurchgeführt ist. Weiterhin ist ein Peltierelement mit dem metallischen Träger verbunden, das als Heiz- oder Kühlelement dient. In der Nähe der Laserdiode ist in dem Gehäuse eine auf einem Dünn- oder Dick­ schichtsubstrat aufgebrachte Ansteuer- und Regel­ schaltung mit einer Verbindungsleitung zur Laserdiode vorgesehen. Damit bei Temperaturänderungen der durch Materialausdehnung bewirkte Versatz des Lichtwellen­ leiters und der Laserdiode im wesentlichen gleich ist, werden die Materialien für die Gehäusewand und den Träger entsprechend ihren Temperaturkoeffizienten gewählt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optoelektronisches Bauteil nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs anzugeben, das die Wirkung der parasi­ tären Kapazität des Kühlelementes bei im wesentlichen unverändert gutem Kühlvermögen eliminiert und dadurch störungsarme Nachrichtenübertragung bei höchsten Fre­ quenzen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfin­ dungsgemäßen optoelektronischen Bauteils ergibt sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Ausbildung der Übertragungsleitungen als Streifenleitung (18) ist die Wirkung der Kapazität des elektronischen Kühlelements vernachlässigbar, da die Kapazität durch die Masseleitung im wesentlichen kurzgeschlossen ist und keine unerwünschte Resonanz zur Folge hat. Somit ist ein Hochfrequenzbetrieb des elektrooptischen Halbleiterelements 1 möglich. Da weiterhin die Wärmeleitung der Übertragungsleitung gering ist - beispielsweise wird Keramik als Trägermaterial der Streifenleitung verwendet -, ist die Abnahme des Kühlvermögens des elektronischen Kühlelements vernachlässigbar klein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Darstel­ lung eines optoelektronischen Bauteils gemäß der Erfindung,

Fig. 2 und 3 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des optoelektronischen Bauteils nach Fig. 1,

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Darstel­ lung eines bekannten optoelektroni­ schen Bauteils, und

Fig. 5 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des optoelektronischen Bauteils nach Fig. 4.

Das optoelektronische Bauteil nach Fig. 1 enthält ebenfalls eine Laserdiode 1, eine Linse 2, einen me­ tallischen Träger 3, ein elektronisches Kühlelement 4 und ein luftdichtes Gehäuse 5. Der Eingangsanschluß 6a und der Masseanschluß 6b empfangen die elektri­ schen Signale zum Betreiben der Laserdiode 7a, iso­ lierendes Glasmaterial 8 zur gegenseitigen Isolierung der Eingangsanschlüsse 6a und 6b, von der Laserdiode 1 ausgehende Strahlen 9, ein Fenster 10 für die Strahlen 9, ein Glasmaterial 11 zum Abdichten des Spaltes zwischen dem Fenster 10 und dem Gefäß 5, so­ wie eine miniaturisierte Streifenleitung 18 als Lei­ tung mit verteilten Konstanten gezeigt.

Die miniaturisierte Streifenleitung 18 weist ein die­ lektrisches Keramiksubstratmaterial 19 auf, auf des­ sen beiden Seiten je eine Dünnschichtleitung aus Gold von mehreren µm Dicke aufgebracht ist. Weiterhin ist die obere Schichtleitung 20 mit dem Eingangsanschluß 6a und dem Draht 7a verbunden, während die untere Dünnschichtleitung 21 mit dem Masseanschluß 6b und einem Anschluß der Laserdiode 1 über den Träger 3 verbunden ist.

Fig. 2 enthält ein vereinfachtes elektrisches Ersatz­ schaltbild des optoelektronischen Bauteils nach Fig. 1. Gezeigt sind die Induktivität (L_A) 15 des Drahts 7a und die Kapazität (C_P) des elektronischen Kühlele­ ments 4. Die Induktivität 15 und die obere Dünn­ schichtleitung 20 der Streifenleitung 18 sind in Rei­ he miteinander zwischen die Laserdiode 1 und den Ein­ gangsanschluß 6a geschaltet, während die Kapazität 17 und die untere Dünnschichtleitung 21 der Streifenlei­ tung 18 parallel zueinander zwischen die Laserdiode 1 und den Masseanschluß 6b geschaltet sind.

Der elektrische Strom fließt vom Eingangsanschluß 6b zur Laserdiode 1 zum größten Teil durch die untere Dünnschichtleitung 21, jedoch kaum über die Kapazität (C_P) 17. Dies folgt daraus, daß die untere Dünn­ schichtleitung 21 in einem weiten Frequenzbereich eine höhere elektrische Leitfähigkeit besitzt und eine stärkere elektromagnetische Kopplung mit der oberen Dünnschichtleitung 20 der Streifenleitung 18 aufweist als die Kapazität (C_P) 17. (Nur eine Leitung mit verteilten Konstanten kann eine starke elektroma­ gnetische Kopplung herleiten.) Daher kann die Kapazi­ tät (C_P) 17 vernachlässigt werden. Somit kann das elektrische Ersatzschaltbild nach Fig. 2 gemäß dem Ersatzschaltbild nach Fig. 3 vereinfacht werden. Das Ersatzschaltbild nach Fig. 3 erzeugt nicht die vor­ beschriebene schädliche Resonanz, da die Kapazität (C_P) 17 durch die mit Masse verbundene Dünnschicht­ leitung 21 der Streifenleitung bzw. Leitung mit ver­ teilten Konstanten 18 kurzgeschlossen wird. Daher ermöglicht das vorliegende Ausführungsbeispiel eine getreue Signalübertragung, auch wenn die Laserdiode 1 in einem hohen Frequenzbereich betrieben wird.

Die Wärmeleitfähigkeit der miniaturisierten Streifen­ leitung 18 könnte einen Anstieg in dem Wärmefluß vom Gehäuse 5 zum Träger 3 bewirken. Da jedoch die obere und untere Dünnschichtleitung 20, 21 der Streifenlei­ tung 18 als dünne Goldschichten von einigen µm Dicke aufgebracht sind, ist diese Wärmeleitung ausreichend gering und kann vernachlässigt werden. Die Streifen­ leitung 18 kann in einer Dicke von etwa 0,4 mm und einer Breite von etwa 1 mm ausgebildet sein. Auch ist der Anstieg im Wärmefluß aufgrund des dielektrischen Keramikmaterials 19 vernachlässigbar, insbesondere, wenn ein Keramikmaterial mit einer extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeit wie Forsterit, Steatit oder Zirkon als dielektrisches Keramikmaterial 19 der Streifen­ leitung 18 verwendet wird.

Im vorliegenden Fall wurde die Laserdiode 1 als elek­ trooptisches Halbleiter-Element eingesetzt, jedoch können auch andere Ausführungsformen, zum Beispiel solche, in denen andere lichtemittierende oder licht­ empfangende Halbleiter-Elemente verwendet werden, entsprechende Wirkungen zeigen.

Claims (4)

1. Optoelektronisches Bauteil bestehend aus

• a) einem elektro-optischen Halbleiterelement, das einen ersten und einen zweiten elektrischen An­ schluß aufweist,
• b) einem Kühlelement, das als Träger für das Halb­ leiterelement mit einer Seite mit diesem Halbleiter­ element verbunden ist, wobei diese Seite auf das­ selbe Potential wie der erste elektrische Anschluß des Halbleiterelementes gelegt ist,
• c) einem luftdichten, elektrisch leitenden Gehäuse zur Aufnahme des Halbleiterelementes und des Kühl­ elementes, wobei das Gehäuse einen Signalanschluß und einen mit ihm elektrisch verbundenen Masse­ anschluß aufweist,
• d) zwei Übertragungsleitungen zwischen dem Signalan­ schluß und dem ersten elektrischen Anschluß bzw. dem Masseanschluß und dem zweiten elektrischen An­ schluß
• e) und einem im Gehäuse eingesetzten Fenster zum Durchtritt optischer Strahlung,

dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitungen als Streifenleitung (18) ausgebildet sind, die ein dielektrisches Substrat (19) niedriger Wärmeleitfähigkeit aufweist, auf dessen oberer (20) und unterer Seite (21) Dünnschichtleitun­ gen aufgebracht sind.

2. Optoelektronisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Substrat (19) Keramikmaterial ist.

3. Optoelektronisches Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial Forsterit, Steatit oder Zirkon ist.