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HINTERGRUND
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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Paralleloptik-Verbindungsbauteile
im Allgemeinen und faseroptische Maschinen im Besonderen.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Bei
der Übermittlung
von Signalen mittels Lichtleiter ist es nötig, das optische Signal, das
sich aus Licht oder Photonen zusammensetzt, in elektrische Signale
umzuwandeln, und elektrische Signale in optische Signale.
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Die
große
Mehrheit von Produkten, die heute am Markt sind, um die Umwandlung
zwischen optischen und elektrischen Signalen zu bewerkstelligen, verwenden
eine Kombination diskreter Komponenten. Die diskreten Komponenten
enthalten aktive und passive Elemente. Aktive Elemente für Sender
verwenden Licht emittierende Bauteile, die Licht emittierende Dioden
oder Laser sein könnten,
um elektrische Signale in optische Signale umzuwandeln. Oft sind
die Laser Halbleiterlaser von entweder kantenemittierender oder
flächenemittierender
Art. Aktive Elemente für
Empfänger
verwenden Photodetektoren, um optische Signale in elektrische Signale
zurückzuwandeln.
Passive Elemente sind diskrete Linsenelemente, die konventionelle
Brechungsoptiken oder Beugungsoptiken enthalten könnten. Bei
Faseroptiken sind die Linsenelemente von sehr komplizierter Art,
die mit Hilfe von Computern erzeugt und typisch als „Computer-erzeugte" Optiken bezeichnet werden.
Zusätzlich
ist komplizierte Elektronik erforderlich, üblicherweise in der Form von
integrierten Schaltkreisen, die wiederum aktive und passive Elemente
haben.
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Weil
die derzeitigen Gestaltungen eine Ansammlung diskreter Elemente
sind, gibt es Mehrfach-Packages, welche die verschiedenen Elemente enthalten.
Dies verursacht weitere Probleme in der parasitären Induktivität und Kapazität, die mittels
der Gehäuse
eingeführt
werden, was zu Leistungsbegrenzungen führt.
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Alle
Elemente müssen
in sehr präziser
Weise in Modulen angeordnet werden. Typischerweise sind alle die
Elemente auszurichten und in einem Großserien-Fabrikationsbereich mit einer Genauigkeit
von besser als einigen Mikrometern zu platzieren. Daher ist sowohl
die Herstellung als auch die Gestaltung dieser Module extrem schwierig
und zeitaufwendig, und auch wenig ergiebig.
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Die äußerste Grenze
der Technik für
faseroptische Anordnungen ist heute 10 Gigabits pro Sekunde in einem
einzelnen seriellen Kanal. Sie erfordert ein sehr aufwendiges und
ungewöhnliches
Design und ist nicht zugänglich
für die
Großserienfertigung.
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Seit
kurzem hat sich ein neuer Markt entwickelt, der Parallel-Optik genannt
wird, bei der ein einzelnes faseroptisches Modul mehrere Kanäle optischer
Pfade enthält.
Alle der gegenwärtigen
Produkte sind Einzelkanal Nur-Empfänger, Nur-Sender oder Empfänger-und-Sender innerhalb eines
einzelnen Moduls. Neue Parallel-Optiken erfordern bis zu zwölf Kanäle in einem
gleichen physikalischen Raum wie ein Einzelkanalmodul. Dies stellt
eine große
Hürde dar,
da sich herkömmliche
Gestaltungen und Fertigungstechniken als ungeeignet erwiesen haben,
die physikalischen Raumerfordernisse unter Beibehaltung eines noch signifikanten
Grads von Herstellbarkeit zu erfüllen.
Die Ausbeute ist gering, was bedeutet, dass die Kosten des Endprodukts
extrem hoch sind.
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Lösungen für diese
Probleme sind lange gesucht worden, blieben aber dem Fachmann des
technischen Gebiets lange verwehrt.
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Dokument
WO 97/25638 offenbart eine
faseroptische Maschine, aufweisend ein optisches Element, das ein
optisches Substrat und Optiken, ein optoelektronisches Element und
einen integrierten Schaltkreis aufweisend photoempfindliche Vorrichtungen
besitzt, um Rückkopplung
zur Steuerung des optoelektronischen Elements bereitzustellen.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer
faseroptischen Maschine gemäß Anspruch
1 bereit. Ein optoelektronisches Element, das zwischen Lichtsignalen
und elektrischen Signalen konvertiert, wird an dem optischen Substrat
befestigt und wird passiv mit der Optik ausgerichtet. Ein integrierter
Schaltkreis zur Steuerung des optoelektronischen Elements wird an
dem optischen Substrat befestigt. Ein elektrisches Substrat wird
an dem optischen Element befestigt. Die faseroptische Maschine ist
zum Einsatz im hohen Giga-Hertz (GHz) Frequenzbereich im Stande,
wohingegen sie unter Verwendung handelsüblicher Materialien, Ausrüstung und
in Fertigungsprozessen für Großserien
hergestellt wird. Die Maschine kann auch kleiner hergestellt werden
und erfordert weniger Ausrichtungsarbeit als herkömmliche
Systeme.
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Gewisse
Ausführungsformen
der Erfindung haben weitere Vorteile zusätzlich zu den oben erwähnten oder
anstelle der oben erwähnten.
Für den Fachmann
werden die Vorteile durch Lektüre
der folgenden detaillierten Beschreibung offenbar werden, wenn Bezug
auf die beigefügten
Figuren genommen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist
eine isometrische Ansicht der endgültig montierten Form einer
exemplarischen faseroptischen Maschine;
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2 ist
eine isometrische Ansicht des optischen Elements, wie es in der
vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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3 ist
eine Ansicht von Komponenten in einem Zwischenstadium der Montage
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 ist
eine Ansicht von Komponenten, die für die Verbindung gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung räumlich
angeordnet sind;
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5 ist
eine andere Ansicht von Komponenten, die für die Verbindung in einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung angeordnet sind;
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6 ist
eine schematische Schnittdarstellung einer montierten exemplarischen
faseroptischen Maschine gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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7 ist
eine Schnittdarstellung der endgültig
montierten Form einer faseroptischen Maschine der vorliegenden Erfindung.
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BESTE FORM ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Nun
wird Bezug auf 1 genommen, darin ist eine isometrische
Ansicht der endgültig
montierten Form einer exemplarischen faseroptischen Maschine 10 gezeigt.
Die faseroptische Maschine 10 enthält ein optisches Element 12,
einen integrierten Schaltkreis, Sender, Empfänger oder Transceiver, 14,
ein optoelektronisches Element 16, ein elektrisches Substrat 18 und
ein thermisches Substrat 20. Das optische Element 12,
der integrierte Schaltkreis 14 und das optoelektronische
Element 16 sind „passiv
ausgerichtet", was
heißt,
dass die Komponenten während
der Montage ausgerichtet werden, um geeignet ausgerichtete Lichtpfade 22 bis 26 zwischen den
verschiedenen Komponenten der faseroptischen Maschine 10 bereitzustellen.
Der Ausdruck „passiv ausgerichtet" bildet den Gegenbegriff
zu „aktiv
ausgerichtet", wo
die Komponenten mechanisch oder elektrisch nach der Montage ausgerichtet
werden.
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Wenn
montiert, definieren die Lichtpfade 22 bis 26 den
optischen Pfad, der den Pfad der Photonen beschreibt, die von dem
optoelektronischen Element 16 in das optische Element 12 gelangen.
Der Strahl wird in zwei Pfade 23 und 24 aufgeteilt,
in einen, der das optoelektronische Element 16 trifft und einen
anderen, der reflektiert wird, um den integrierten Schaltkreis 14 zu
treffen. Dies ermöglicht
die Ausbildung eines vollständigen
optischen Pfads, der die Steuerung des Verhaltens des optoelektronischen Elements 16 mittels
des integrierten Schaltkreises 14 gestattet, was derzeit
mit einem herkömmlichen
Design und Herstellungsverfahren nicht erreicht werden kann.
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Nun
wird Bezug auf 2 genommen, darin ist eine isometrische
Ansicht des optischen Elements 12 der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Das optische Element 12 enthält ein transparentes optisches
Substrat 30, das obere und untere horizontale Flächen 32 bzw. 34 hat.
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Der
in dieser Anmeldung gebrauchte Ausdruck „horizontal" ist definiert als
eine Ebene parallel zu der konventionellen Ebene oder Fläche des
transparenten optischen Substrats 30, unabhängig von der
Orientierung des Substrats. Der Ausdruck „vertikal" bezieht sich auf eine Richtung senkrecht
zu der horizontalen, wie soeben definiert. Ausdrücke wie „auf", „seitlich", „höher", „tiefer", „über" und „unter" sind definiert mit
Bezug auf die konventionelle Ebene oder Fläche, die auf der oberen Fläche des
transparenten optischen Substrats 30 liegt, unabhängig von der
Orientierung des Substrats. Zum leichteren Verständnis haben ähnliche
Strukturen in verschiedenen Ausführungsformen
die gleichen Nummern, obwohl klar sein muss, dass jede Ausführungsform
nur für ein
Beispiel der vorliegenden Erfindung steht.
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Auf
der oberen horizontalen Fläche 32 des transparenten
optischen Substrats 30 befinden sich Optik 36 und
ein oberer Spiegel 38. Auf der unteren horizontalen Fläche 34 befindet
sich ein unterer Spiegel 40. Weiter sind auf der unteren
horizontalen Fläche 34 eutektische
Lötbumps 42 bis 47.
Die Lötbumps 43 und 44 sind
verbunden mittels Integrierte-Schaltkreis-Leiterbahnen 50,
und die Lötbumps 45 bis 47 sind
verbunden mit Integrierte-Schaltkreis-Leiterbahnen 52.
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Das
transparente optische Substrat 30 kann aus einem beliebigen
Material sein, das transparent für
die Wellenlänge
von Licht ist, mit der die faseroptische Maschine 10 arbeiten
wird, wie zum Beispiel Glas, Quarz, Saphir oder Silizium. Die oberen
und unteren Spiegel 38 und 40 können entweder
geätzt oder
abgeschieden sein, unter Verwendung von Prozessen ähnlich wie
bei der Verarbeitung von Halbleiterwafern. In ähnlicher Weise könnte die
Optik 36 geätzt
oder abgeschieden sein, in das bzw. auf das optische Substrat 30.
Die verschiedenen Methoden zum Bilden von Spiegeln und Optiken sind
im Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel können Brechungs- und Beugungslinsen
und Stapel von Linsen auf den oberen und unteren horizontalen Flächen 32 und 34 gebildet
werden. Die oberen und unteren Spiegel 38 und 40 könnten auch
als Reflexionslinsen gebildet werden, um bessere Steuerung über den Lichtpfad 22 zu
ermöglichen.
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Nun
wird Bezug auf 3 genommen, darin sind eine
Anzahl von Komponenten in einem Zwischenstadium der Montage gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Das optische Element 12 ist mit seiner unteren
horizontalen Fläche 34 nach
oben zeigend dargestellt.
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Das
optoelektronische Element 16 ist in einer Position zur
Verbindung mit den Lötbumps 42 und 43. Das
optoelektronische Element 16 könnte von einer Anzahl von unterschiedlichen
Typen sein, abhängig von
der besonderen Anwendung für die
faseroptische Maschine 10. Es kann ein Licht übermittelndes und/oder
ein Licht empfangendes Bauteil sein. Die Funktionen sind schematisch
dargestellt mit einem Licht emittierenden Bauteil 54 und
einem Licht empfangenden Bauteil 56 in dem optoelektronischen
Element 16. Das Licht emittierende Bauteil 54 könnte eine
Anordnung von Licht emittierenden Dioden oder flächenemittierenden oder kantenemittierenden
Festkörperlasern
sein. Das Licht empfangende Bauteil 56 könnte eine
Photodiode sein, wie zum Beispiel ein P/N-Übergang. Im Wesentlichen wandelt
das Licht emittierende Bauteil 54 elektrische Signale in
Lichtsignale als einen Senderanteil, und das Licht empfangende Bauteil 56 wandelt
Lichtsignale in elektronische Signale als den Empfängeranteil.
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In ähnlicher
Weise wird der integrierte Schaltkreis 14 positioniert
zur Verbindung mit den Lötbumps 44 bis 47 auf
dem transparenten optischen Substrat 30. Der integrierte
Schaltkreis 14 kann ein Empfänger, Sender und/oder Steuer
Halbleiter-Integrierter-Schaltkreis sein. Auf der Oberseite des
integrierten Schaltkreises 14 befindet sich eine Monitor-Diodenanordnung 15 (zu
erkennen in 1), wie zum Beispiel P/N-Übergänge, die
photosensitiv sind und Photonen in Elektronen konvertieren.
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Die
Optik 36 ist ein speziell gestaltetes beugungsoptisches
Element, aber die Gestaltung ist Standardtechnologie. Die Optik 36 ist
ein beugungsoptisches Element, das den Strahl aufteilt, einen durch
den Hauptpfad. Ein kleiner Anteil dieser Energie wird zurück gelenkt
in das Substrat. Er prallt auf Spiegel. Es könnte zu mehr als einem Abprall
kommen. Darüber
hinaus könnten
die oberen und unteren Spiegel 38 und 40 in sich
selbst Fokussierungslinsen enthalten, die eine Aufweitung des Strahls
bei seinem Durchgang durch das transparente optische Substrat 30 vermeiden
würden.
Schließlich
verläuft er
zu der Monitor-Dioden-Anordnung 15,
die ein in dem integrierten Schaltkreis 14 enthaltener P/N-Übergang
sein könnte,
an welcher Stelle Photonen in Elektronen konvertiert werden. Diese
Information wird verwendet, um das Verhalten des Senders oder Licht
emittierenden Bauteils 54 zu steuern. Diese Rückkopplungsschleife
gestattet es, die antreibende Signalamplitude zu ändern, ihre
Dauer ebenso wie ihre Amplitude, abhängig von der überwachten
Intensität
der Photonen oder der optischen Energie.
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Die
Monitor-Diodenanordnung 15 könnte in dem integrierten Schaltkreis 14 enthalten
sein, wie dargestellt, oder könnte
selbst ein separates Element sein, das getrennt mit dem transparenten
optischen Substrat 30 verbunden werden könnte, mit
seinen eigenen Integrierte-Schaltkreis-Leiterbahnen.
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Die
Verbindung des optoelektronischen Elements 16 und des integrierten
Schaltkreises 14 mit dem optischen Element 12 in
der obigen Ausführungsform
wird erreicht durch die Selbstausrichtung von Anschlusspads an den
Komponenten und den eutektischen Lötbumps auf dem transparenten
optischen Substrat 30. Sehr genaue Ausrichtung ist anfangs
nicht erforderlich. Wenn die Anordnung in einen Reflow-Ofen eingebracht
wird, in dem die Lötbumps 42 bis 47 über ihren
Schmelzpunkt gebracht werden, zieht die Oberflächenspannung des geschmolzenen
Lötmittels
das optoelektronische Element 16 und den integrierten Schaltkreis 14 in
korrekte Ausrichtung zu dem transparenten optischen Substrat 30.
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Nun
wird Bezug auf 4 genommen, darin sind die Komponenten
in einer Position zur Verbindung gemäß einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Eine Schicht von anisotrop leitfähigem Klebstoff
(anisotropically conductive adhesive, ACA) wird auf dem transparenten
optischen Substrat 30 gebildet. Der ACA kann mit Schablone
aufgebracht werden oder als ausgestanzte Folie, um ACA 48 und 49 zu
bilden, platziert zwischen den Lötbumps 42 und 43 in
der Form des optoelektronischen Elements 16 oder zwischen
den Lötbumps 44 bis 47 in
dem Umriss des integrierten Schaltkreises 14. Die ACA 48 und 49 werden
dann ausgehärtet,
indem sie Wärme
oder ultraviolettem Licht ausgesetzt werden, abhängig von dem spezifischen Typ des
ACA-Materials. Aushärten
durch ultraviolettes Licht ist vorzuziehen, da Härten bei Raumtemperatur weniger
optische Fehlausrichtung hervorruft als Härten mittels Wärme, wegen
der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen
Komponenten.
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Ausrichtung
wird in dieser Ausführungsform erreicht
mittels Referenzmarken (herkömmliche Halbleiter-Ausrichtungsstrukturen,
die nicht dargestellt sind), die auf die Flächen der Komponenten, die auszurichten
sind, gesetzt werden. Dann wird ein Druck angewendet, während die
ACA 48 und 49 ausgehärtet werden.
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Nun
wird Bezug auf 5 genommen, darin sind die Komponenten,
die zur Verbindung in einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung angeordnet sind, gezeigt. Darin sind ein optisches Element 12', ein integrierter
Schaltkreis 14' und
ein optoelektronisches Element 16' gezeigt.
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Der
integrierte Schaltkreis 14' und
das optoelektronische Element 16' haben Drahtbumps 60 bis 63,
gebildet auf den dem optischen Element zugewandten Seiten. Die Drahtbumps 60 bis 63 werden mittels
des Prozesses gebildet, bei dem die Enddrähte von Kugelbonds genommen
werden, die Enddrähte
abgeschnitten werden und die Enddrähte abgeflacht werden, um die
Drahtbumps zu bilden.
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Auf
der unteren horizontalen Fläche 34 des transparenten
optischen Substrats 30 wird eine UV- oder wärmehärtbare Klebstoffschicht
angebracht. Die Klebstoffschicht besteht aus einem Klebstoffstreifen 66,
einem Klebstoffstreifen 68 über einem Ende der IC-Leiterbahnen 50,
und einer Klebstoffwand 70 über dem anderen Ende der IC-Leiterbahnen 50 und über den
IC-Leiterbahnen 52.
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Während des
Herstellungsprozesses sind der integrierte Schaltkreis 14 und
das optoelektronische Element 16 Flip-Chip-verbunden und
werden unter Belastung auf dem transparenten optischen Substrat 30 gehalten.
Ausrichtung des integrierten Schaltkreises 14 und des optoelektronischen
Elements 16 zu dem transparenten optischen Substrat 30 wird
erreicht mittels Ausrichtungs-Passermarken oder
Strukturen auf den Anschlussflächen.
Die Härtung
der Klebstoffstreifen 66 und 68 und der Klebstoffwand 70 findet
statt, während
die Komponenten zusammen gehalten werden. Die Schrumpfung des Klebstoffs
bei dem Aushärten
führt zwangsläufig zu einer
Kontaktbildung der Drahtbumps mit den IC-Leiterbahnen auf dem transparenten
optischen Substrat 30.
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Nun
wird Bezug auf 6 genommen, darin ist eine schematische
Schnittdarstellung der montierten faseroptischen Maschine 10 von 1 gezeigt.
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Das
optische Element 12 mit dem integrierten Schaltkreis 14 und
dem damit verbundenen optoelektronischen Element 16 wird
gesichert an dem elektrischen Substrat 18, das ein flexibles
Band sein kann, das aufgedruckte Leiterbahnen 72 besitzt.
Das optische Element 12 ist gesichert an dem elektrischen
Substrat 18 mittels eines härtbaren anisotrop leitfähigen Klebstoffs 74,
der auf dem elektrischen Substrat 18 so strukturiert wird,
dass er unter dem Umfang des optischen Elements 12 liegt.
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Das
thermische Substrat 20 wird gesichert an dem elektrischen
Substrat 18, in Kontakt mit sowohl dem integrierten Schaltkreis 14 als
auch dem optoelektronischen Element 16, um entstehende Wärme abzuführen und
die Komponenten zu kühlen.
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Im
Betrieb werden Signale an den Leiterbahnen 72 empfangen
und durch den anisotrop leitfähigen
Klebstoff oder durch Lötbumps 74 zu
den IC-Leiterbahnen 52 geleitet. Die Signale werden dann durch
die IC-Leiterbahnen 52 durch die verschiedenen Lötbumps 45 bis 47 in
den integrierten Schaltkreis 14 hinein geleitet. Die Signale
werden in dem integrierten Schaltkreis 14 verarbeitet und über die
Lötbumps 44,
die IC-Leiterbahnen 50 und die Lötbumps 43 dem optoelektronischen
Element 16 zugeführt, das,
wenn es als Sender wirkt, die elektrischen Signale in Lichtsignale
umwandelt, den Lichtpfad 22 in dem transparenten optischen
Substrat 30 entlang.
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An
der Optik 36 folgt der Hauptteil des Lichts dem Lichtpfad 23,
und ein kleiner Anteil wird reflektiert, den Lichtpfad 24 entlang
zu dem unteren Spiegel 40. Der untere Spiegel 40 reflektiert
das Licht den Lichtpfad 25 entlang zu dem oberen Spiegel 38,
der das Licht den Lichtpfad 26 entlang zu der Monitor-Diodenanordnung 15 in
dem integrierten Schaltkreis 14 reflektiert. Die Monitor-Diodenanordnung 15 ermöglicht Rückkopplungssteuerung
mit dem integrierten Schaltkreis 14 des optoelektronischen
Elements 16.
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Licht,
das aus einem faseroptischen Kabel kommend auf die faseroptische
Maschine 10 trifft, tritt durch die Optik 36 ein
und folgt dem Lichtpfad 22 zu dem optoelektronischen Element 16,
das als Empfänger
wirkt, um Lichtsignale in elektrische Signale zu konvertieren, für den Durchgang
durch die Lötbumps 43,
die IC-Leiterbahnen 50 und die Lötbumps 44. Die Signale
werden in dem integrierten Schaltkreis 14 verarbeitet und
dann durch die Lötbumps 45 bis 47 zu
dem IC-Leiterbahnen 52 gesandt. Von den IC-Leiterbahnen 52 überträgt der anisotrop
leitfähige
Klebstoff 74 die Signale zu den Leiterbahnen 72 auf
dem elektrischen Substrat 18.
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Der
integrierte Schaltkreis 14 justiert kontinuierlich die
Lichtausgabe einer Mehrzahl von Kanälen des optoelektronischen
Elements 16 durch die Monitor-Diodenanordnung 15. Die Verwendung
der oberen und unteren Spiegel 38 und 40 des transparenten optischen
Substrats 30 vereinfacht die Signalrückkopplung, indem sie einen
Teil-Lichtstrahl von dem optoelektronischen Element 16 auf
die Monitor-Diodenanordnung umlenken.
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Wie
dem Fachmann evident sein wird, führen kürzere Verbindungen, wie sie
die Lötbumps
anstelle von Verbindungsdrähten
bieten, zu geringeren parasitären
Kapazitäten
zwischen den Verbindungsdrähten
und ermöglichen
es der faseroptischen Maschine bei hohen Giga-Hertz Geschwindigkeiten
zu operieren, das heißt
elektromagnetische Strahlung wird unterdrückt, wenn keine Verbindungsdrähte vorhanden sind.
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Ein
großer
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Ausrichtung aller
Schlüsselkomponenten
passiv erreicht werden kann. Alle verwendete Ausrüstung und
Materialien sind kommerziell erhältlich.
In ähnlicher
Weise sind die Montageverfahren weit verbreitet.
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Wie
dem Fachmann ebenso evident sein würde, könnten das optoelektronische
Element 16 und der integrierte Schaltkreis 14 auf
einem Wafer-großen
transparenten optischen Substrat 30 ausgeführt werden.
Diese Fertigung im Wafer-Format würde für eine höhere Durchsatzrate während der Produktion
sorgen.
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Schließlich resultieren
geringere Kosten des Endprodukts aus der Vor-Testbarkeit der faseroptischen
Maschine 10, während
sie noch auf der Stufe des Wafers ist. Das Burn-in der faseroptischen
Maschine 10 kann erfolgen, und nur gute Einheiten können verwendet
werden, um das endgültige
faseroptische Produkt herzustellen.
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In
einem Fabrikationsbereich für
eine Ausführungsform
werden Teile sequentiell zusammengesetzt, beginnend mit dem optischen
Element 12 und endend mit dem thermischen Substrat 20.
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Erstens
wird ein so genanntes Unterfüllungs-Verfahren
oder Glue-down-Verfahren
verwendet, durch welches Klebstoffe auf der Basis von Polymer entlang
der Ränder
des integrierten Schaltkreises 14 und des optoelektronischen
Elements 16 verteilt werden, um sie auf dem optischen Element 12 zu sichern.
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Zweitens
werden der integrierte Schaltkreis 14 und das optoelektronische
Element 16 mittels eines Flip-Chip-Verfahrens verbunden
oder an dem optischen Element 12 Chip-befestigt.
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Drittens
wird dann die zusammengesetzte Anordnung des integrierten Schaltkreises 14,
des optoelektronischen Elements 16 und des optischen Elements 12 unter
Verwendung des anisotrop leitfähigen Klebstoffs 74 auf
dem elektrischen Substrat 18 Chip-befestigt, welches ein
Substrat ist, das eine PC Platine, flexibles Laminat, keramisches
Material oder ein beliebiges Substrat sein könnte, auf dem Leiterbahnen
angebracht werden können,
um Elektronen aus der zusammengesetzten Anordnung nach außen zu leiten.
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Viertens
wird das thermische Substrat 20 als Mittel für das thermische
Management an dem integrierten Schaltkreis 14 und dem optoelektronischen Element 16 befestigt.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber existierenden Ansätzen sind:
1)
höhere
Effizienz; 2) sie beansprucht viel weniger Volumen; 3) es gibt nur
zwei Ausrichtungen; das heißt,
Schritte zur optischen Ausrichtung, die erforderlich sind, nämlich Montage
des optoelektronischen Elements 16 auf dem optischen Element 12, gefolgt
von der Montage oder Chip-Befestigung des integrierten Schaltkreises 14.
Dies wird alles mit Genauigkeit im Mikrometerbereich ausgeführt, was
zu sehr hoher Präzision
der Anordnung und letztlich zu sehr geringen Kosten führt.
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Das
optoelektronische Element 16 kann nicht nur eine lineare
Anordnung, sondern auch eine mehrdimensionale Anordnung von Licht
emittierenden Bauteilen sein, die bei denselben oder verschiedenen
Frequenzen arbeiten könnten.
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Die
Montage kann durchgeführt
werden auf dem Level des Wafer-Formats. Das heißt, ein Wafer-großes optisches
Element 12 wird verwendet, die Halbleiter Komponenten werden
auf dem Wafer Level befestigt, es wird eingekapselt, auf dem Wafer
Level getestet, die schlechten Stellen werden geinkt, und er wird
dann ganz wie ein Standardwafer behandelt, vereinzelt und geht dann
durch die nachfolgenden Montageschritte.
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Nun
wird Bezug auf 7 genommen, darin ist eine Schnittdarstellung
der endgültig
montierten Form einer faseroptischen Maschine 100 der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Die faseroptische Maschine 100 enthält ein optisches
Element 102, einen integrierten Schaltkreis 104,
ein optoelektronisches Element 106, ein Schaltkreis-Substrat 112,
ein elektrisches Substrat 18 und ein thermisches Substrat 120. Das
Schaltkreis-Substrat 112, der integrierte Schaltkreis 104 und
das optoelektronische Element 106 sind „passiv-ausgerichtet", was heißt, dass
die Komponenten während
der Montage so ausgerichtet werden, dass geeignet ausgerichtete
Lichtpfade 22 bis 26 zwischen den verschiedenen
Komponenten der faseroptischen Maschine 100 bereitgestellt
werden können,
bei Ausrichtung auf das optische Element 102.
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Das
Schaltkreis-Substrat 112 könnte aus Silizium, Saphir oder
Keramik sein. Das Schaltkreis-Substrat 112 enthält elektrische
Bahnen, die für die
Lichtwellenlängen
in den Lichtpfaden 22 bis 26 transparent sind.
In Fällen,
in denen das Material des Schaltkreis-Substrats 112 nicht
für die
Lichtwellenlängen
in den Lichtpfaden 22 bis 26 transparent sind, werden
optische Durchgänge 113 durch
das Schaltkreis-Substrat 112 geschaffen, mittels mechanischer Fertigung
oder mittels chemischer Nass- oder Trockenätzverfahren. Der integrierte
Schaltkreis 104 und das optoelektronische Element 106 werden ebenso
wie andere Komponenten 114, zum Beispiel passive Elemente,
auf das Schaltkreis-Substrat 112 montiert.
Dann wird das transparente optische Substrat 30 ausgerichtet
und mit dem Schaltkreis-Substrat 112 verbunden. Ein Vorteil
dieses Vorgehens ist, dass das Konzept der Fabrikation des transparenten optischen
Substrats 30 viel einfacher wird, weil die Lötbumps 42 bis 47 und
die in den 3 bis 5 gezeigten
IC-Leiterbahnen 50 und 52 nicht mehr benötigt werden.
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Das
Schaltkreis-Substrat 112 kann ein Standard-Siliziumwafer
sein, der, mit Befestigungspads, für mehrfache Verbindungsschichten,
ebenso wie für sowohl
aktive als auch passive Elemente zusätzlich zu dem Element integrierter
Schaltkreis 104 sorgt. Zum Beispiel können Filter, Ladungspumpen,
Spannungsregler, usw., enthalten sein, bei Verwendung des Schaltkreis- Substrats 112 als
ein gemeinsames elektrisches Substrat. Im Ergebnis ist die faseroptische
Maschine 100 ein komplettes faseroptisches System, das
für sich
allein in seiner Funktionalität
autark ist, ebenso wie es dafür
geeignet ist, auf dem Level der Skala von Wafern produzierbar zu
sein.
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Das
optoelektronische Element 106 (Sender, Empfänger und/oder
Transceiver) kann einen Sender verwenden, der eine kantenemittierende
Lichtquelle 108 ist anstelle einer flächenemittierenden Lichtquelle.
Die kantenemittierende Lichtquelle 108 wird auch auf die
gleiche Art und Weise befestigt werden wie ein Flächenelement,
aber unter Anwendung eines Prismas oder eines Spiegels 110,
der den Strahl unter einem 90-Grad Winkel ablenkt, was die Verwendung
einer viel größeren Vielfalt
von Licht emittierenden Bauteilen ermöglicht. Der Spiegel 110 könnte ein Polymer
sein oder ein direkt geätzter
Spiegel auf dem transparenten optischen Substrat 30 oder
auf dem Schaltkreis-Substrat 112.
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Darüber hinaus
könnten
mikromechanische Elemente 116, wie zum Beispiel bewegbare
und/oder einstellbare Spiegel, in oder auf das Schaltkreis-Substrat 112 einbezogen
werden, was aktive Bewegung des Lichtpfads 22 erlaubt,
um die Ausrichtung zu verändern
oder jede Fehlausrichtung des Lichts relativ zu der optischen Faser
auf einer Echtzeitbasis unter Verwendung optischer Rückkopplung
auszugleichen, oder elektrisch eingestellte oder bewegte Spiegel könnten verwendet
werden, um Licht von optischer Faser zu optischer Faser zu bewegen,
so dass die faseroptische Maschine 100 auch als Schalter
verwendet werden kann.
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Obwohl
die Erfindung in Verbindung mit einer spezifischen besten Betriebsart
beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass dem Fachmann im Licht
der vorhergehenden Beschreibung viele Alternativen, Modifikationen
und Variationen offenkundig sein werden. Demgemäß ist beabsichtigt, alle diese Alternativen,
Modifikationen und Variationen mit einzubeziehen, die in den Umfang
der enthaltenen Ansprüche
fallen. Alle Angelegenheiten, die hierin dargelegt oder in den begleitenden
Abbildungen gezeigt sind, sind in einem illustrierenden und nicht
in einem begrenzenden Sinn auszulegen.