DE3921441C2 - Optoelektrisches Bauelement mit angekoppelter Glasfaser und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Derartige optoelektrische Bauelemente werden in zunehmendem Maße vorzugsweise in Einrichtungen der optischen Nachrichtentechnik verwendet.

Aus der DE-OS 30 43 613 ist bereits eine hermetisch gekapselte Fotodiode bekannt, deren Gehäuseunterteil aus einem den Wandler tragenden Sockel und deren Gehäuseoberteil aus einer ein eingelötetes Faserende enthaltenden Kappe mit aufgesetztem Halteblock bestehen, in den die angekoppelte Glasfaser eingeführt ist. Sockel und Kappe haben Flansche, mit denen beide Teile durch Schweißen aneinander befestigt sind. Der Halteblock ist an die Kappe geklebt. Bei dieser Faserankopplung ist es unwirtschaftlich erst ein Faserende auf den Wandler zu justieren, danach in der Kappendurchführung zu fixieren und anschließend eine separate Glasfaser an das Faserende anzukoppeln. Diese Verfahrensweise ist fertigungstechnisch relativ aufwendig und macht die Verwendung des zusätzlichen Halteblocks notwendig. Außerdem verursacht die Koppelstelle zwischen der Stirnseite des rückwärtigen Faserendes und der Stirnseite der angekoppelten Glasfaser bei der Übertragung von Lichtwellen eine unerwünschte Zunahme von Dämpfungsverlusten.

In der europäischen Druckschrift 0 050 051 B1 ist ein Verfahren zum Ausrichten einer optischen Faser auf den Wandler eines optoelektrischen Bauelementes beschrieben, bei dem eine einen Faserhalter übergreifende Kappe mit der Unterseite an den Flansch eines Sockels geschweißt ist. Deren Oberseite weist eine zentrische Bohrung auf, und sie ist mit einem nach innen gerichteten Rand an den Faserhalter geklebt, gelötet oder durch Eingießen in Kunstharz befestigt. Der Faserhalter weist rückseitig einen im Durchmesser reduzierten Ansatz mit Durchführung auf, in welcher die auf den Wandler gerichtete optische Faser z. B. durch Löten befestigt ist. Zwischen der Kappeninnenwand und der hülsenartigen Außenwand des Faserhalters ist ein Spielraum vorgesehen. Beim Justieren wird die Kappe von außen eingedrückt, wobei die Verformungen innen gegen den Faserhalter angreifen und diesen auf der Oberseite des Sockels in x-y Richtung verschieben. Die Art der Kappenbefestigung erfordert jedoch Schweißen und Löten. Außerdem ist das Justierverfahren umständlich und zeitraubend.

Aus der DE 36 28 391 A1 ist ferner eine gasdichte Gehäusedurchführung für einen Lichtwellenleiter aus Quarzglas und ein Verfahren zur Herstellung der Gehäusedurchführung bekannt. Die Gehäusedurchführung besteht im wesentlichen aus einer eine Gehäusewand durchsetzenden Bohrung und einem an der Gehäusewand fixierten Hohlkörper, durch den der Lichtwellenleiter hindurchgeführt ist. Die die Gehäusewand durchsetzende Bohrung hat einen der Zentrierung des Hohlkörpers dienenden Bohrungsabschnitt, in dem der Hohlkörper mittels Lotmaterial befestigt ist. Der von der Kunststoff-Schutzschicht befreite Lichtwellenleiter wiederum ist in eine eng tolerierte Bohrung des Hohlkörpers eingelötet. Es ist vorgesehen, daß die Befestigung des Hohlkörpers im Bohrungsabschnitt der Gehäusewand und das Einlöten des Lichtwellenleiters in die Bohrung des Hohlkörpers unter Schutzgasatrnosphare in einem einzigen Lötvorgang vorgenommen werden.

In der DE 27 10 949 ist schließlich ein Verfahren zum Herstellen einer hermetisch verschlossenen Durchführung für eine optische Faser beschrieben, das bei einer in einem Gehäuse angeordneten optischen Koppelanordnung zur Anwendung kommt. Hier ist ein elektrooptischer oder optoelektrischer Wandler vorgesehen, vor dem der Lichtwellenleiter endet. Dieser ist mit einem von der äußeren Kunststoffumhüllung befreiten Faserende gasdicht in eine Führungshülse eingelötet, die sich ihrerseits durch eine Haltehülse bis in das Innere des Gehäuses erstreckt, wobei die Führungshülse mit der Haltehülse und die Haltehülse mit der Außenwand des Gehäuses mittels Löten verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst einfaches und preisgünstig herstellbares Bauelement mit an eine Fotodiode gekoppelter Glasfaser zu schaffen und ein geeignetes Herstellungsverfahren dafür anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen konstruktiven Merkmale und die in Anspruch 7 angegebenen Verfahrensmerkmale gelöst. Ein weiteres Herstellungsverfahren ist im Anspruch 8 genannt. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Anspruchs 1 sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Verwendung eines handelsüblichen Transistorsockels als Gehäuseunterteil und das aus einer einteiligen Überwurfhülse bestehende Gehäuseoberteil ergeben nach der Montage ein mechanisch robustes Bauelement, das sich zur Serienherstellung in großen Stückzahlen besonders eignet und äußerst rationell gefertigt werden kann. Die überwurfhülse ist ein einfaches Drehteil, das keine Hinterschneidungen hat und mit in der Feinwerktechnik üblichen Toleranzen herstellbar ist. Bei den üblicherweise verwendeten Fotodioden sind keine Justiermaßnahmen erforderlich.

Die Erfindung wird anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wie folgt näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein optoelektrisches Bauelement im Längsschnitt.

Das optoelektrische Bauelement besteht im wesentlichen aus einem Gehäuseunterteil 1 mit Fotodiode 2 und einem Gehäuseoberteil 3, in dem die Glasfaser 4 befestigt ist. Das Gehäuseunterteil 1 ist ein handelsüblicher T-Sockel 5 aus Metall z. B. T018 oder T042, wie er bei der Herstellung von Transistoren verwendet wird. Der Sockel 5 hat wenigstens zwei Anschlußdrähte 6, 7 für die Fotodiode 2 und einen Flansch 8 zur Befestigung des Gehäuseoberteiles 3.

Das Gehäuseoberteil 3 ist als kappenartige überwurfhülse 9 ausgebildet, die einteilig aus Metall hergestellt wird und die an der Rückseite einen Stutzen 10 mit Durchführung für die Glasfaser 4 hat. Die Durchführung besteht aus einer zentrisch angeordneten Bohrung mit vier im Durchmesser abgestuften Abschnitten. Von der Hülseninnenseite her gesehen, dient der erste relativ kurze Abschnitt 11 zur im wesentlichen nur groben Zentrierung des Faserendes 12. Er hat deshalb gegenüber dem Faserende einen etwas größeren Durchmesser. In dem zweiten Abschnitt 13 größeren Durchmessers ist das Faserende 12 mit Lot 14 befestigt oder eingeklebt. Daran schließt sich für die Aufnahme des Fasermantels 15 ein im Durchmesser dem Fasermantel angepaßter dritter Abschnitt 16 an, der am Übergang zum zweiten Abschnitt 13 eine sich quer zur Durchführung erstreckende Schulter 17 bildet. Dem dritten Abschnitt 16 folgt ein vierter Abschnitt 18 mit gegenüber dem vorherigen nochmals vergrößertem Durchmesser. In diesem Abschnitt 18 ist der Fasermantel 15 mittels Kleber 19 befestigt, wodurch die Anordnung als Zugentlastung wirkt. Als Alternative oder zusätzlich kann auch ein Schrumpfschlauch vorgesehen sein, der den Fasermantel 15 und den Stutzen 10 der Überwurfhülse 9 eng umschließt. Durch das in die Durchführung eingelötete Faserende 12 ist das Gehäuseoberteil 3 rückseitig gasdicht abgeschlossen. Dessen Randunterseite wird mit Lot 20 am Flansch 8 des T-Sockels 5 befestigt, so daß das komplette Gehäuse des Bauelementes hermetisch verschlossen ist.

Bei der Herstellung des Bauelementes wird zunächst die Glasfaser 4 präpariert. Dies geschieht durch Abmanteln eines Faserendes 12 und Anschmelzen einer Faserlinse an der Stirnseite des blanken Faserendes. Das Entfernen des Fasermantels 15 wird in einer Vorrichtung vorgenommen, in der die Länge des zu entfernenden Fasermantels 15 genau einstellbar ist. Dessen Längenmaß wird so berechnet, daß die Faserlinse nach der Montage des Bauelementegehäuses den gewünschten Abstand zur aktiven Fläche der Fotodiode hat, wobei der Schulterabstand bis zur Randunterseite sowie die Sockel- und Lotspalthöhe der beiden Gehäuseteile 1, 3 mit berücksichtigt werden. Das Längenmaß für das Faserende 12 ist insofern wichtig, weil die Stirnfläche des verbleibenden Fasermantels 15 und die Schulter 17 in der Durchführung maßgeblichen Einfluß auf den Wirkungsgrad des Bauelementes haben.

Die soweit präparierte Glasfaser 4 wird nun mit dem blanken Faserende 12 soweit in die Durchführung eingesetzt, bis die Stirnfläche des Fasermantels 15 an der die Einstecktiefe begrenzenden Schulter 17 zur Anlage kommt. Anschließend wird sie in dem mit der Schulter abschließenden zweiten Abschnitt 13 befestigt. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß vor dem Einsetzen in die Durchführung auf die blanke Mantelfläche des Faserendes 12 ein aushärtbarer Kleber aufgebracht wird. Eine weitere Möglichkeit der Befestigung des Faserendes 12 besteht darin, die Mantelfläche zu metallisieren und diese in den zuvor mit einem lötbaren Innenbelag versehenen Bohrungsabschnitt 13 einzulöten.

Das gasdichte Befestigen des metallisierten Faserendes 12 erfolgt jedoch vorzugsweise dadurch, daß das kappenartige Teil der Überwurfhülse 9 erwärmt und Lot von der offenen Innenseite her zugegeben wird. Das relativ dünnflüssige Lot 14 dringt dabei von außen her durch den ersten in den zweiten Bohrungsabschnitt 11, 13 der Durchführung. An sich genügt eine Befestigung des Faserendes 12 im ersten Abschnitt 11. Praktisch fließt das Lot jedoch unter dem Einfluß von Kapillarwirkung auch in den zweiten Abschnitt 13, den es aber nicht vollständig auszufüllen braucht.

Danach wird die Zugentlastung für den Fasermantel 15 hergestellt, indem in einen sich entweder hinter der Schulter 17 unmittelbar anschließenden oder einen Abstand zur Schulter aufweisenden Abschnitt 18 ein Kleber 19 eingebracht wird. Das Vorsehen eines Abschnittes 18, der einen Abstand zur Schulter 17 hat, bietet den Vorzug, daß der zwischen dem zweiten und vierten Liegende dritte Abschnitt 16 als Aufnahme für den Fasermantel 15 ausgebildet werden kann, die jedoch nur eine relativ grobe Zentrierfunktion hat.

Zur Montage des Gehäuseunterteiles 1 wird der Sockel 5 in eine Haltevorrichtung eingelegt, danach die Fotodiode 2 auf der Oberfläche zentrisch z. B. durch Kleben fixiert und anschließend Bondverbindungen zu den Anschlußdrähten 6, 7 hergestellt. Bei der Fotodiode 2 kann es sich um einen Typ mit großer aktiver Fläche für die Umwandlung von niederfrequentem Licht oder um eine Ausführung mit kleiner aktiver Fläche für die Umwandlung von hochfrequentem Licht handeln. Ist der Sockel 5 mit einer Fotodiode 2 vom erstgenannten Typ bestückt, wird das Gehäuseoberteil 3 manuell oder maschinell auf den Flansch 8 des Gehäuseunterteiles 1 gesetzt, auf dem zuvor eine ausreichende Menge Lötmittel deponiert wurde. Anschließend werden beide Gehäuseteile durch induktive oder Widerstandserwärmung hermetisch dicht aneinander befestigt. Nach dem Abschalten der Wärmezufuhr wird das fertige Bauelement der Haltevorrichtung entnommen.

Da die Überwurfhülse 9 zweckmäßigerweise als Drehteil konzipiert ist, kann sie wahlweise in zwei Ausführungen mit unterschiedlichem Innendurchmesser des kappenförmigen Hülsenteiles hergestellt werden. Bei einer Ausführung übergreift die Überwurfhülse 9 den Sockel 5 des Gehäuseunterteiles 1 mit nur kleinem Toleranzspiel, so daß beim Zusammenfügen der beiden Gehäuseteile 1, 3 eine Selbstzentrierung erfolgt und keine zusätzliche Justierung erforderlich ist.

Bei der anderen Ausführung hat der den Sockel 5 übergreifende Teil der Überwurfhülse 9 einen größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser des Sockels 5, so daß zwischen den Teilen ein Spielraum verbleibt. Wird der Sockel 5 z. B. mit einer Fotodiode 2 zur Umwandlung von hochfrequentem Licht bestückt, kann in den Fällen, in denen eine hochpräzise Faserankopplung erforderlich ist, vor Herstellung der Lötverbindung zwischen der Randunterseite der Überwurfhülse 9 und dem Flansch 8 des Sockels 6 das Gehäuseoberteil 3 mit einem Mikromanipulator gekuppelt und vom rückwärtigen Ende her Licht in die Glasfaser 4 eingekoppelt und die Anordnung auf optimale Ausgangsleistung justiert werden. Dies geschieht unter Ausnutzung des Spielraumes zwischen Überwurfhülse 9 und Sockel 5 durch Verschieben des Gehäuseoberteiles 4 in x-y Richtung. Ist die optimale Justierposition erreicht, werden die Gehäuseteile 1, 3 durch Löten aneinander befestigt. Nach dem Abschalten der Wärmezufuhr und der Lichteinkopplung wird die Kupplungsverbindung zum Mikromanipulator gelöst und das fertige Bauelement der Haltevorrichtung entnommen.

Claims (8)

1. Optoelektrisches Bauelement mit angekoppelter Glasfaser, das ein eine Fotodiode tragendes Gehäuseunterteil und ein gasdicht daran befestigtes Gehäuseoberteil umfaßt, welches eine Durchführung mit einem Bohrungsabschnitt enthält, in dem ein auf die Fotodiode ausgerichtetes Faserende fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseunterteil (1) aus einem handelsüblichen T-Sockel (5) und das Gehäuseoberteil (3) aus einer einteiligen überwurfhülse (9) bestehen, daß die Durchführung einen das Faserende (12) zentrierenden ersten Abschnitt (11), den das Faserende (12) gasdicht fixierenden zweiten Abschnitt (13) und eine den Fasermantel (15) aufnehmenden dritten Abschnitt (16) hat, in dem der Fasermantel (15) mit der Stirnfläche an einer sich quer zur Durchführung erstreckenden Schulter (17) anliegt und daß die überwurfhülse (9) eine den Fasermantel (15) haltende Zugentlastung aufweist.

2. Optoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugentlastung aus einem in der Durchführung hinter der Schulter (17) angeordneten Abschnitt (18) besteht, in dem der Fasermantel (15) mit einem Kleber (19) befestigt ist.

3. Optoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugentlastung aus einem den Fasermantel (15) und den Stutzen (10) der Überwurfhülse (9) umfassenden Schrumpfschlauch besteht.

4. Optoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das blanke Faserende (12) in dem zweiten Abschnitt (13) der Durchführung mit einem Kleber befestigt ist.

5. Optoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserende (12) metallisiert und mittels Lot (14) in dem ersten und/oder zweiten Abschnitt (11, 13) der Durchführung befestigt ist.

6. Optoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Randunterseite der zylindrischen Überwurfhülse (9) mit Lot (20) am Flansch (8) des T-Sockels (5) befestigt ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines optoelektrischen Bauelementes mit angekoppelter Glasfaser, das ein eine Fotodiode tragendes Gehäuseunterteil und ein gasdicht daran befestigtes Gehäuseoberteil umfaßt, welches eine Durchführung mit einem Bohrungsabschnitt enthält, in dem ein auf die Fotodiode ausgerichtetes Faserende fixiert ist, gekennzeichnet durch die Anwendung folgender Verfahrensschritte:

• a) Präparieren der Glasfaser (4) durch Abmanteln eines Faserendes (12) vorbestimmter Länge;
• b) Einsetzen der Glasfaser (4) in die Durchführung des zuvor separat angefertigten Gehäuseoberteiles (3) bis der Fasermantel (15) an einer Schulter (17) der Durchführung zur Anlage kommt;
• c) Befestigen des Faserendes (12) in der Durchführung und zugentlastendes Befestigen des Fasermantels (15) am Stutzen (10) der Überwurfhülse (9);
• d) Einlegen des separat bereitgestellten Sockels (5) in eine Haltevorrichtung sowie Positionieren und Fixieren der Fotodiode (2) auf dem Sockel (5);
• e) Deponieren eines Lötmittels auf dem Flansch (8) des Sockels (5), Aufsetzen des Gehäuseoberteiles (3) auf das Lötmittel und Herstellen der Lötverbindung zwischen den Gehäuseteilen (1, 3) durch Erwärmung;
• f) Abschalten der Wärmezufuhr nach erfolgter Lötung und Entnehmen des fertigen Bauelementes aus der Haltevorrichtung.

8. Verfahren zur Herstellung eines optoelektrischen Bauelementes mit angekoppelter Glasfaser, das ein eine Fotodiode tragendes Gehäuseunterteil und ein gasdicht daran befestigtes Gehäuseoberteil umfaßt, welches eine Durchführung mit einem Bohrungsabschnitt enthält, in dem ein auf die Fotodiode ausgerichtetes Faserende fixiert ist, gekennzeichnet durch die Anwendung folgender Verfahrensschritte:

• a) Präparieren der Glasfaser (4) durch Abmanteln eines Faserendes (12) vorbestimmter Länge und Metallisieren des Faserendes;
• b) Einsetzen der Glasfaser (4) in die Durchführung des zuvor separat angefertigten Gehäuseoberteiles (3) bis der Fasermantel (15) an einer Schulter (17) der Durchführung zur Anlage kommt;
• c) Befestigen des Faserendes (12) durch Einlöten (Lot 14) in den ersten und/oder zweiten Abschnitt (11, 13) der Durchführung und zugentlastendes Befestigen des Fasermantels (15) am Stutzen (10) der Überwurfhülse (9);
• d) Einlegen des separat bereitgestellten Sockels (5) in eine Haltevorrichtung sowie Positionieren und Fixieren der Fotodiode (2) auf dem Sockel (5);
• e) Deponieren eines Lötmittels auf dem Flansch (8) des Sockels (5), Aufsetzen des Gehäuseoberteiles (3) auf das Lötmittel;
• f) Kuppeln des Gehäuseoberteiles (3) mit einem Mikromanipulator und Einkoppeln von Licht in die Glasfaser (4);
• g) Justieren der Anordnung auf optimale Ausgangsleistung durch Verschieben des Gehäuseoberteites (3) in x-y Richtung;
• h) Fixieren der justierten Position durch Löten, Abschalten der Wärmezufuhr sowie Abschalten der Lichteinkopplung und Lösen der Kupplungsverbindung zum Mikromanipulator;
• i) Entnehmen des fertigen Bauelementes aus der Haltevorrichtung.