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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine optische Verbindung für
integrierte elektronische Schaltkreise und insbesondere die Zusammenschaltungen solcher
Schaltkreise.
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Stand der Technik
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Die Notwendigkeit immer schnellerer
Arbeitstakte für
den Betrieb von integrierten elektronischen Schaltkreisen führt bei
diesen Schaltkreisen zu einer immer höheren Integration. Diese Integration
stößt an ihre
Grenzen aufgrund der unvermeidlichen Zunahme der Größe der Schaltkreise,
die zu einer Kostensteigerung bei diesen letzteren führt (aufgrund
eines Sinkens der Fabrikationsausbeute bzw. des Fabrikationsausstoßes). Ein
Kompromiss besteht dann darin, integrierte elektronische Schaltungen
von vernünftiger
Größe zusammenzuschalten.
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Man kann zwei integrierte Schaltkreise
oder ICs ohne weiteres elektrisch verbinden, aber mit der Zunahme
der Arbeitstakte dieser ICs (Taktfrequenzen über 500 MHz) treten zwischen
parallelen elektrischen Leitern elektromagnetische Kopplungsphänomene auf,
die eine Verschlechterung des Rauschabstand und Funktionsstörungen bewirken.
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Man kennt auch optische Verbindungen
anstelle der elektrischen Leiter, wobei diese optischen Verbindungen
eine bessere Trennung zwischen Übertragungskanälen ermöglichen.
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Solche optischen Verbindungen umfassen Lichtsender
und -empfänger
sowie Verbindungskanäle.
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Die Verbindungskanäle können Hologramme oder
schwach eingeschlossene Luft-Strahlen
bzw. Luft-durchquerende Strahlen (faiscaux aériens) oder auch optische
Fasern benutzen.
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Die Lichtsender und -empfänger sind
auf die ICs montiert, die man zusammenschalten möchte, und sind elektrisch mit
ihnen verbunden.
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Es sei präzisiert, dass die Sender generell Laser
mit Emission durch die vertikale Resonatortläche ("vertical cavity surface
emission laser") oder VCSELs sind, die auf den Substraten, auf die
sie montiert sind, nur eine kleine Fläche einnehmen und einen kleinen
Schwellenstrom haben.
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Die 1 zeigt
schematisch eine bekannte Zusammenschaltung von zwei ICs 2 und 4.
Ein optoelektronisches Bauteil 6 ist durch. Lot-Mikrokugeln 8 mit
dem IC2 elektrisch verbunden. Ein anderes optoelektronisches Bauteil 10 ist
durch Lot-Mikrokugeln mit dem IC4 elektrisch verbunden. Ein weiteres
optoelektronisches Bauteil 10 ist durch Lot-Mikrokugeln 12 mit
dem IC4 elektrisch verbunden.
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Ein IC 14, ausgebildet auf einem
Substrat 15, einen Lichtwellenleiter 16 umfassend,
ist vorgesehen, um die optoelektronischen Bauteile 6 und 10 miteinander
zu verbinden.
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Das Bauteil 6 ist zum Beispiel
ein Lichtsender, während
das Bauteil 10 ein Lichtempfänger ist.
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Elektrische Signale, gesendet durch
den IC 2, werden dann durch das Bauteil 6 in Lichtsignale umgewandelt.
Diese Lichtsignale breiten sich in dem Lichtwellenleiter 16 aus
und werden durch das Bauteil 10 detektiert, das diese Lichtsignale
in elektrische Signale rückverwandelt.
Der IC 4 empfängt
diese letzteren: Man verfügt
also sehr wohl über
eine Verbindung zwischen den ICs 2 und 4.
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Die optischen Zusammenschaltungen
von ICs in der Art der in der 1 gezeigten
Zusammenschaltung hat jedoch einen Nachteil: diese Zusammenschaltungen
erfordern eine große
Präzision
bei der Ausrichtung, das heißt
der optischen Kopplung der optischen Verbindungskanäle mit den
Lichtsendern und -empfängern.
Im Falle der 1 ist zum Beispiel
eine große
Genauigkeit nötig
bei der optischen Kopplung zwischen dem optischen Wellenleiter 14 und
dem Bauteil 6; ja sogar dem Baufeil 10.
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Darstellung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung hat die
Aufgabe, den oben genannten Nachteil zu beseitigen, indem sie eine
Zusammenschaltung von ICs vorschlägt, die leichter zu realisieren
ist wie die bekannten, weiter oben erwähnten Zusammenschaltungen,
denn bei ihr müssen
die Ausrichtungen nicht so genau sein.
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Allgemein ausgedrückt, betrifft die vorliegende
Erfindung eine optische Verbindung für einen IC, deren Realisierung
eine Kopplung des elektrischen Typs benutzt, da die Genauigkeit
bei elektrischen Kopplungen weniger kritisch ist als bei optischen Kopplungen.
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EP
0 617 314 (Fujitsu Ltd) beschreibt optische Schaltkreise.
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US 5 835 646 A (ISHITSUKA TAKESHI et al. beschreibt
aktive optische Schaltkreise.
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DE 195 23 580 A (MOTOROLA INC) beschreibt
eine optoelektronische Zusammenschaltungsvorrichtung.
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Die vorliegende Erfindung hat genau
eine optische Verbindung für
einen integrierten elektronischen Schaltkreis oder IC zum Gegenstand,
wie definiert in Anspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung hat auch
eine optische Verbindung zwischen ersten und zweiten integrierten
elektronischen Schaltkreisen oder ICs zum Gegenstand, wie definiert
in Anspruch 3.
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Bei der Erfindung ist jeder elektronisch-optische
Wandler ein Laser mit einem durch zwei Spiegel begrenzten Resonator,
die in dem Lichtwellenleiter ausgebildet sind, und einem Verstärkermedium,
angeordnet in einer Aussparung, die in dem Lichtwellenleiter zwischen
den beiden Spiegeln vorgesehen ist.
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Der erste und der zweite IC können jeweils auf
verschiedenen Substraten ausgebildet sein oder, im Gegenteil, auf
demselben.
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Vorzugsweise ist die optische Schaltung
und jeder elektronische Schaltkreis oder IC aus Materialen gefertigt,
die im Wesentlichen gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten
haben. Jede rein elektrische Verbindung kann durch Mikrokugeln aus
einem schmelzbaren Material hergestellt werden.
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Die beiden Spiegel des Lichtwellenleiters können Bragg-Gitter
sein, photoinduziert oder geätzt.
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Als Variante kann jeder Spiegel ein
Schlitz sein, der den Lichtwellenleiter durchquert.
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Vorzugsweise enthält der zwischen dem Verstärkermedium
und der Wand der Aussparung enthaltene Raum einen Brechzahl-Adapter,
zum Beispiel ein Fluid oder ein Gel.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird besser
verständlich
durch die Lektüre
der nachfolgenden Beschreibung von rein erläuternden und keinesfalls einschränkenden
Ausführungsbeispielen,
bezogen auf die beigefügten
Figuren:
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die 1 ist
eine schematische Querschnittansicht einer bekannten, schon beschriebenen
optischen Zusammenschaltung von zwei ICs,
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die 2 ist
eine schematische Querschnittansicht einer optischen Zusammenschaltung
von zwei ICs nach der vorliegenden Erfindung, und
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die 3, 4 und 5 sind schematische Querschnittansichten
weiterer optischer Zusammenschaltungen nach der Erfindung.
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Detaillierte Darstellung
spezieller Ausführungsarten
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In der vorliegenden Erfindung werden
die Techniken der integrierten Optik angewendet, um optische Zusammenschaltungen
von ICs zu realisieren.
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Eine integrierte optische Schaltung
dient als physische Verbindung zwischen diesen ICs.
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Die Techniken der integrierten Optik
ermöglichen,
in einem Stapel geätzter
Schichten (eventuell partiell geätzt)
Lichtwellenleiter zu realisieren, deren . Dimensionen generell einige μm betragen.
Zwei benachbarte Lichtwellenleiter können einer Diaphotie unterliegen,
die schwach ist ab dem Moment, wo der Abstand zwischen diesen Lichtwellenleitern
größer ist
als die Ausdehnung des abklingenden Feldes, die im Allgemeinen 10 μm beträgt.
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Zudem, da das Licht die natürliche Bestreben
hat, sich geradlinige auszubreiten, kann man Kreuzungen bilden zwischen
Lichtwellenleitern mit schwachen Kreuzungsverlusten und wenig Diaphotie.
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Die Lichtwellenleiter sind bzw. werden
also angepasst an die Realisierung von Verbindungen für die optischen
Zusammenschaltungen.
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Die Techniken der integrierten Optik
können mit
Materialien wie InP, AsGa, SiO2 und Si realisiert werden.
Solche Materialien können
bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die optische Schaltung
zu bilden.
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Es ist vorteilhaft, bei der Erfindung
für die
optische Schaltung und die ICs Materialien zu verwenden, die im
Wesentlichen gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten
haben. Wenn zum Beispiel die ICs aus Silicium sind, ist es vorteilhaft,
die optische Schaltung ebenfalls aus Silicium herzustellen.
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Die optische Zusammenschaltung der 2 ist dazu bestimmt, zwei
ICs 18 und 20 mit einander zu verbinden. Diese
optische Zusammenschaltung umfasst eine optische Schaltung 22,
ausgebildet in einem Substrat 24, der einen Lichtwellenleiter 26 sowie
zwei optoelektronische Bauteile 28 und 30 umfasst,
die optisch jeweils mit zwei Enden des Lichtwellenleiters 26 gekoppelt
sind und jeweils den ICs 18 und 20 zugeordnet
sind.
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Die optische Schaltung 22 ist
mit diesen ICs 18 und 20 durch die Bauteile 28 und 30 verbunden, wobei
diese Verbindungen rein elektrisch sind und zum Beispiel mittels
Mikrokugeln 32 und 34 hergestellt werden, die
aus einem schmelzbaren Material sind, zum Beispiel aus Indium. Es
gibt auch noch andere Techniken, insbesondere die Verwendung von Polymeren
mit anisotroper Leitung.
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Der Raum, den man in der 2 zwischen den Mikrokugeln
und der optischen Schaltung sieht, existiert in Wirklichkeit natürlich nicht:
er dient in der 2 zur
besseren Unterscheidung von der 1.
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Man nimmt an, dass der IC 18 dazu
dient, dem IC 20 Informationen bzw. Daten zu senden. In diesem Fall
ist das Bauteil 28 ein elektronisch-optischer Wandler,
zum Beispiel eine Laserdiode, die die elektrischen Signale, die
sie von dem IC 18 dank der Mikrokugeln 32 erhält, in optische
Signale umwandelt. Diese letzteren werden dann über den Leiter 26 zum
Bauteil 30 übertragen,
das in diesem Fall ein opto-elektrischer Wandler ist, zum Beispiel
eine Photodiode. Diese letztere rückverwandelt diese optischen Signale
in elektrische Signale, die dann dank der Mikrokugeln 34 vom
IC 20 empfangen werden.
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Wenn der IC 20 dazu bestimmt ist,
Informationen bzw. Daten an den IC 18 zu senden, verwendet man als
Bauteil 30 einen elektronisch-optischen Wandler und als
Bauteil 28 einen opto-elektrischen Wandler. Die durch den
IC 20 in Form von elektrischen Signalen gesendeten Informationen
werden dann von dem IC 18 empfangen, nachdem sie durch das Bauteil 30 in
optische Signale verwandelt wurden und dann durch das Bauteil 28 wieder
in elektrische Signale.
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Wenn die ICs 18 und 20 dazu
bestimmt sind, Informationen miteinander auszutauschen, wobei der IC
18 Informationen an den IC 20 sendet und umgekehrt, verwendet man
Bauteile 28 und 30 mit der Doppelfunktion des
elektronisch-optischen und opto-elektrischen Wandlers. Man kann
auch "absteigende" und "aufsteigende" Verbindungen vorsehen.
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Die hybride Montage der Bauteile 28 und 30 auf
ihren jeweiligen ICs 18 und 20, zum Beispiel mittels
Mikrokugeln 32 und 34, erfordert weniger Genauigkeit
als die Positionierung der optischen Schaltung 14 der 1 in Bezug auf die Bauteile 6 und 10.
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Wenn die ICs und die optische Schaltung aus
dem wegen seines indirekten Gaps zur Herstellung optischer Quellen
ungeeigneten Silicium sind, dann empfiehlt es sich, hybridisierte
optisch geschaltete Lichtemitter zu verwenden, zum Beispiel gebildet aus
einem Halbleitermaterial mit direktem Gap, wie etwa GaAs. Für diese
Hybridisierung kann man jede klassische Technik benutzen, zum Beispiel
das Haften, Kleben oder Metallschmelzen.
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In diesem Fall, um den Lichtemitter
mit dem Lichtwellenleiter zu koppeln, sorgt man dafür, dass dieser
Lichtwellenleiter spezifisch zur Lichtemission dieses Emitters beiträgt. Derart
reduziert man die Positionierungszwänge des Emitters in Bezug auf
den Lichtwellenleiter.
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Dazu realisiert man einen Laser,
dessen Resonator einen Teil des Lichtwellenleiters umfasst: man
bildet die Spiegel dieses Resonators auf dem Lichtwellenleiter aus
und man fügt
ein Laserverstärkermedium
in den Leiter ein.
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Dies wird schematisch durch das Beispiel der 3 dargestellt, in der man
einen IC 36 sieht, dazu bestimmt, einem anderen IC (nicht dargestellt) über eine
optische Schaltung 38 Informationen zu liefern, die auf
einem Substrat 40 ausgebildet ist und einen Lichtwellenleiter 42 sowie
einen Laser 44 umfasst, der einen elektro-optischen Wandler
bildet.
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Dieser Laser 44 wird durch
den. IC 36 gesteuert und ist mit diesem letzteren durch eine rein elektrische
Verbindung verbunden, realisiert zum Beispiel mit Hilfe von Mikrokugeln 46 aus
einem schmelzbaren Material.
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Der Laser 44 umfasst einen
durch zwei Spiegel 48 und 50 abgegrenzten Resonator,
die auf dem Lichtwellenleiter 42 ausgebildet sind, sowie
ein Halbleiter-Verstärkermedium 52,
das sich in der Nähe
des Leiters befindet, zum Beispiel in einer Aussparung 54 in
der optischen Schaltung 38, die diesen Lichtwellenleiter 42 durchquert,
zwischen den beiden Spiegeln 48 und 50.
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Der Laser der 3 umfasst Elektroden (nicht dargestellt),
dazu bestimmt, das Verstärkermedium
zu erregen. Diese Elektroden sind mittels Mikrokugeln mit dem IC
36 verbunden.
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Der zwischen dem Verstärkermedium
und der Wand der Aussparung enthaltene Raum ist vorzugsweise mit
einem Brechzahlanpassungsmaterial gefüllt, zum Beispiel einem Fluid
oder Gel, um die optische Kopplung zwischen diesem Verstärkermedium und
dem optischen Wellenleiter 42 zu verbessern.
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Zur Bildung des Verstärkermediums 52 sind diverse
Materialien möglich.
Man kann zum Beispiel Halbleitermaterialien mit Quantenbrunnen bzw.
-töpfen
verwenden, von der Art derjenigen, die man bei den VCSELs benutzt
und die mehrere Einschließungsschichten
(Brunnen) umfassen.
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Man kann vorsehen, dass diese Schichten mehr
oder weniger geneigt sind in Bezug auf die Wand 54 der
Aussparung 56 (4),
um eine Positionierungstoleranz und die erwünschte Verstärkung des
Lasers zu berücksichtigen.
Diese Verstärkung hängt von
dem Reflexionskoeffizienten der Spiegel ab, die den Resonator des
Lasers begrenzen.
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Wenn eine optische Integrationstechnik
des Silicium-auf-Silicium-Typs gewählt wird, ist es vorteilhaft,
Spiegel zu verwenden, die durch Bragg-Beugungsgitter 58 und 60 gebildet
werden (4), die man
in dem Lichtwellenleiter 42 photoinduziert.
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Zum Thema der mittels Bragg-Gittern
realisierten Spiegel kann man sich zum Beispiel auf das folgende
Dokument beziehen: A. Goyal und M. Muendel, Photonics Spectra, September
1998, Seiten 116 bis 121. Wenn der Lichtwellenleiter aus einem Material
mit einer hohen Brechzahl gebildet wird, zum Beispiel mittels der
Silicium-auf-Isolator-Technik, bei dem eine Lichtleitschicht aus
Silicium zwischen zwei Siliciumdioxidschichten enthalten ist, können die
Spiegel Schlitze 62 und 64 sein (5), vorgesehen in der optischen Schaltung,
den Lichtwellenleiter 42 unterbrechend, senkrecht zu diesem, beiderseits
der Aussparung 54, in der sich das Verstärkermedium 52 befindet.
Die Reflexionen des Lichts finden dann an den Luft-Schlitzwände-Grenzflächen statt.
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Die Erfindung ist nicht begrenzt
auf die Zusammenschaltung zweier ICs, ausgebildet auf zwei verschiedenen
Substraten (Inter-Chip-Zusammenschaltung), wie dargestellt in der 2. Sie betrifft auch die
Zusammenschaltung von zwei auf einem einzigen Substrat ausgebildeten
ICs (Intra-Chip-Zusammenschaltung).
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Zudem ist die Erfindung nicht auf
die Zusammenschaltung zweier ICs begrenzt. Sie betrifft auch die
optische Verbindung eines IC mit Hilfe einer in einem Substrat ausgebildeten
optischen Schaltung, wieder mit einem Lichtwellenleiter sowie einem
opto-elektronischen Bauteil, das optisch mit diesem Lichtwellenleiter
gekoppelt ist und mit dem IC verbunden ist durch eine rein elektrische
Verbindung zwischen diesem Bauteil und diesem IC.
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Wenn das Bauteil als elektronisch-optischer Wandler
verwendet wird, ermöglicht
dies, elektrische Signale, die der IC aussendet, in Lichtsignale
umzuwandeln, die sich dann in dem Lichtwellenleiter ausbreiten.
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Wenn man das Bauteil hingegen als
opto-elektrischen Wandler benutzt, ermöglicht dies diesem letzteren,
Lichtsignale zu empfangen, die sich in dem Lichtwellenleiter ausbreiten,
und sie in elektrische Signale umzuwandeln, die dann durch den IC empfangen
werden.
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Eine solche Verbindung findet Anwendungen bei
den Eingängen/Ausgängen eines
IC: irgend eine Einrichtung kann Lichtsignale in den Lichtwellenleiter einspeisen,
die der IC in Form von elektrischen Signalen empfangen kann, oder
umgekehrt kann dieser IC elektrische Signale aussenden, die dann
in optische Signale umgewandelt werden, die sich in dem Lichtwellenleiter
ausbreiten und dann von einem Photodetektor detektiert werden können, der
durch irgendeine geeignete Einrichtung mit diesem Lichtwellenleiter
optisch gekoppelt ist.