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STAND DER TECHNIK
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In
den letzten Jahren haben sich Glasfasernetzwerke, die Optik-Signale übertragen,
für Telekommunikation
und Datenkommunikation weit verbreitet. Wegen der ständig ansteigenden
Nachfrage nach schnelleren Datenübertragungsraten
wurden die Bemühungen
auf die Entwicklung von optischen Hochleistungskommunikationssystemen
gerichtet. Derartige Systeme verwenden typischerweise ein oder mehrere
Optik-Signale, um über
ein Optik-Transportmedium
Daten, Anwendungen, Inhalte oder andere Informationen zu transportieren,
die hier zusammen als "Informationen" bezeichnet werden.
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Eine
Technik, um die Kapazität
eines Optik-Kommunikations- bzw. Netzwerksystems zu erhöhen, ist das
Multiplexen von Informationen aus mehreren Quellen. Beim Wellenlängenmultiplexen
(WDM) werden mehrere Informationskanäle auf verschiedenen, sich
nicht überlagernden
Wellenlängen
transportiert, die durch ein einziges Optik-Transportmedium übertragen
werden. Zu den geeigneten Optik-Transportmedien gehören u. a.:
eine Freiraumzusammenschaltung für
optische Nahkommunikation; oder ein Glasfaserkabel.
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Beim
Wellenlängenmultiplexen
wird ein Mehrkanal-Optik-Signal transportiert, das eine Anzahl von Komponenten
umfasst, von denen jede unabhängige
Informationen trägt.
Jede Optik-Signalkomponente wird von einer Lichtquelle ausgesendet,
die dieser Signalkomponente entspricht, und wird auf einer Wellenlänge ausgesendet,
die innerhalb des Mehrkanal-Optik-Signals einzigartig ist. Die Optik-Signalkomponenten
interferieren nicht miteinander, weil sie verschiedene Wellenlängen haben.
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Ein
Problem beim WDM ist es jedoch, dass die zusätzliche Komplexität bei der
Gestaltung, Fertigung und Verpackung der erforderlichen Vorrichtungen
die Herstellungs- und Wartungskosten drastisch steigern können. Es
wird z. B. oft ein Optik-Wellenlängenmultiplexer
verwendet, um die Optik-Signalkomponenten von verschiedenen Quellen
zu sammeln und diese Komponenten dazu zu bringen, sich räumlich zu überlagern
und in eine einzige Lichtleitfaser einzudringen. Ein Optik-Multiplexer
kann eine kostspielige Präzisionsvorrichtung sein.
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Dieser
Nachteil der Verwendung des WDM ist besonders problematisch bei
Anwendungen, die nur relativ kurze Übertragungswege benötigen. Solche
Anwendungen von Optik-Kommunikationssystemen sind typischerweise
kostenkritischer als andere Anwendungen. Ist ein aufwändiger Optik-Multiplexer
erforderlich, so ist ein Optik-Kommunikationssystem für derartige Übertragungswege
gegebenenfalls nicht kostengünstig.
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Die
US 2002/009 258 A1 offenbart
einen WDM-Optik-Übertragungsweg,
der eine kreisförmige
Anordnung von VCSEL-Sendern verwendet, die unmittelbar mit einer
Multimodefaser gekoppelt sind. Die VCSEL-Anordnung ist einstückig auf
einem Substrat integriert. Alle VCSEL sind kreisförmig innerhalb
des Bereichs des Faserkerns angeordnet, so dass die ganze Anordnung
gleichzeitig mit der Faser gekoppelt werden kann.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt einen Mehrkanal-Optik-Signalsender für ein Wellenlängenmultiplex
(WDM) Kommunikationssystem bereit, der mehrere Signalkomponenten
in ein Mehrkanal-Optik-Signal kombiniert, ohne einen Optik-Multiplexer oder
eine andere im Verhältnis
zum Sender externe Vorrichtung zu verwenden.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein Mehrkanal-Optik-Signalsender mehrere Halbleiterchips.
Jeder Chip ist konfiguriert, um einen Kanal des Mehrkanal-Optik-Signals
aus einer Sendeapertur auszusenden, die sich vom Mittelpunkt des
Chips in Richtung auf eine Öffnungsecke
des Chips hin versetzt befindet. Die Chips sind auf einem Substrat
angebracht, wobei die Sendeaperturen zusammen einen Signalsendebereich
definieren, und die Öffnungsecken
oder jeder Chip auf den Mittelpunkt des Signalsendebereichs hin weist.
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Bei
anderen Ausführungsformen
der Erfindung wird ein Mehrkanal-Optik-Signalsender dadurch hergestellt, dass
mehrere Optik-Signalsender gefertigt werden, wobei jeder konfiguriert
ist, um ein Optik-Signal aus einer Sendeapertur auszusenden, die
sich in der Nähe
einer Öffnungsecke
des Optik-Signalsenders befindet. Dann werden die Optik-Signalsender
auf dem Substrat positioniert, wobei die Sendeaperturen nahe aneinander
liegen; und werden auf dem Substrat angebracht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die
Zeichnung veranschaulicht mit der Erfindung verwandte Technologien,
zeigt Ausführungsbeispiele der
Erfindung und nennt Beispiele zur Verwendung der Erfindung. Die
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden besser aus
der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung hervorgehen, wenn sie zusammen mit der beiliegenden
Zeichnung durchgelesen wird.
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1A und 1B zeigen
ein erstes Beispiel der Erfindung, das ein Optik-Signal mit fünf unabhängigen Komponenten
in eine Lichtleitfaser aussendet, wobei 1A eine
Draufsicht und 1B eine Querschnittsansicht
entlang der Schnittlinie 1B-1B
ist.
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2 zeigt
eine Querschnittsansicht eines zweiten Beispiels der Erfindung,
wobei eine Linse unabhängige
Komponenten eines Mehrkanal-Optik-Signals in eine optische Faser
fokussiert.
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3 zeigt
eine Draufsicht eines dritten Beispiels der Erfindung, das ein Mehrkanal-Optik-Signal
mit sechzehn unabhängigen
Kanälen
aus Sendeaperturen aussendet, die in zwei konzentrischen Kreisen
angeordnet sind.
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4 illustriert
einige Prozessblöcke
in einem beispielhaften Verfahren zur Herstellung der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegenden Beschreibungen und Erwägungen schildern mit der Erfindung
verwandte Technologien, zeigen Beispiele der Erfindung und nennen
Beispiele zur Verwendung der Erfindung. Bekannte Verfahren, Prozeduren,
Systeme, Schaltkreise oder Bestandteile können beschrieben werden, ohne
Einzelheiten anzugeben, um die Grundlagen der Erfindung nicht unklar
zu machen. Andererseits werden Einzelheiten von spezifischen Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben, obwohl derartige Einzelheiten eventuell
nicht auf andere Ausführungsformen
der Erfindung anwendbar sind.
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Einige
hier verwendete Begriffe sind nicht in ihrer mathematischen Bedeutung
als ideal, genau und perfekt auszulegen, sondern vielmehr als allgemein
veranschaulichend, trotz eventuell grober Annäherungen, Variationen und Kompromisse
bei der Gestaltung. Dazu gehören,
jedoch ohne darauf beschränkt
zu sein, die Begriffe Kreis, Mittelpunkt, konzentrisch, Zylinder,
gleich, größer als, überschreiten,
kleiner als, Winkel, Dreieck, Parallelogramm und Vieleck.
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Herstellungstoleranzen,
Herstellungsabweichungen von den technischen Daten, Produktfehler, Änderungen
an einer Vorrichtung nach der Herstellung, Kompromisse bei der Gestaltung,
Annäherungen
bei der Gestaltung und dergleichen sind bei Handelsprodukten gang
und gäbe.
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1A und 1B zeigen
einen Mehrkanal-Optik-Signalsender 100 nach einer Ausführungsform
der Erfindung. Der Optik-Signalsender 100 sendet ein Mehrkanal-Optik-Signal
mit fünf
unabhängigen
Komponenten in eine Lichtleitfaser aus. 1A ist
eine Draufsicht auf den Optik-Signalsender 100. 1B ist
eine Querschnittsansicht, die entlang der Schnittlinie 1B-1B geht,
die in 1A gezeigt wird.
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Bei
der in 1A und 1B gezeigten
Ausführungsform
der Erfindung werden fünf
Halbleiterchips 110 verwendet. Jeder Chip 110 umfasst
eine Sendeapertur 120, die ein Optik-Signal aussendet,
das eine Komponente des Mehrkanal-Optik-Signals ist. Jede Sendeapertur 120 befindet
sich vom Mittelpunkt des Chips 110 entfernt und in der
Nähe der Öffnungsecke 115 des
Chips 110. Der Abstand zwischen der Sendeapertur 120 und
den Rändern
des Chips 110, welche die Öffnungsecke 115 bilden,
kann nur wenige Mikrometer (μm)
klein sein, obwohl auch größere Abstände verwendet
werden können.
Die Öffnungsecke 115 weist
einen spitzen Winkel auf, insbesondere einen Winkel, der kleiner
oder gleich einem Fünftel
von 360 Grad, d. h. 72 Grad, ist. Jeder Chip 110 umfasst
auch eine Anzahl von Bond-Anschlussflächen 130, die dem
Chip elektrische Energie zuführen,
eine elektronische Form der Informationen, die als Optik-Signalkomponente
und gegebenenfalls als Steuersignale übertragen werden sollen.
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Die
Chips 110 werden oben auf dem Substrat 140 positioniert
und daran angebracht. Die Chips 110 werden derart angeordnet,
dass die Öffnungsecken 115 sich
nahe aneinander befinden. Die verwendeten Chips werden im Allgemeinen,
jedoch nicht unbedingt mit einem Abstand dazwischen angeordnet,
um unerwünschte
elektronische Verbindungen oder eine Beschädigung während des Zusammenbaus zu vermeiden. Dieser
Abstand kann nur ein paar Mikrometer klein sein. Bei dieser Ausführungsform
der Erfindung liegen die Öffnungsecken 115 nebeneinander,
d. h. sie sind nur durch diesen Abstand getrennt.
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Die
Sendeaperturen 120 aller Chips 110 definieren
zusammen einen Signalsendebereich 125. Der Signalsendebereich 125 ist
kreisförmig,
und die Sendeaperturen 120 sind innerhalb seines Umfangs
gleichmäßig beabstandet.
Jeder Chip 110 ist derart orientiert, dass seine Öffnungsecke 115 auf
den Mittelpunkt des Signalsendebereichs 125 hin weist,
wodurch jede Sendeapertur 120 neben den anderen Sendeaperturen 120 positioniert
wird.
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Die
Optik-Leitung 150 ist zylinderförmig und weist einen kreisförmigen Querschnitt
auf. Dieser kreisförmige
Querschnitt ist zum Signalsendebereich 125 konzentrisch
und weist einen etwas größeren Durchmesser
auf. Der Einfachheit und Sichtbarkeit anderer Merkmale halber wird
die Optik-Leitung 150 in 1A als transparent
gezeigt. Das Ende 155 der Optik-Leitung 150 ist
der Signalempfangsbereich der Optik-Leitung 150. Zwischen
dem Signalsendebereich 125 und der Optik-Leitung 150 wird
eine direkte Muffenkupplung verwendet.
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Bei
einigen Ausführungsformen
der Erfindung ist die Optik-Leitung 150 der Kern einer
Lichtleitfaser. Die bei einigen Ausführungsformen verwendete Lichtleitfaser
hat einen Kerndurchmesser, der nicht weniger als 100 μm beträgt. Andere
Ausführungsformen
(insbesondere aber nicht notwendigerweise diejenigen für Nahkommunikation)
können
Lichtleitfasern mit relativ großen
Kerndurchmessern verwenden, z. B. bis zu 1000 μm. Bei einigen Ausführungsformen
weist die Lichtleitfaser einen Kerndurchmesser auf, der dem Durchmesser des
Signalsendebereichs entspricht.
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Einige
Ausführungsformen
der Erfindung koppeln das Mehrkanal-Optik-Signal mit einer Optik-Leitung, die
keine Lichtleitfaser ist. Eine derartige Optik-Leitung kann, ohne
darauf beschränkt
zu sein, einen Lichtweg im freien Raum, eine externe Abbildungsvorrichtung,
einen optischen Wellenleiter oder eine Optik-Signal-Transportvorrichtung umfassen.
Die verwendete externe Abbildungsvorrichtung kann z. B. eine Linse
oder eine Anordnung von Linsen, Spiegeln oder beidem sein, die zusammen
mit optischen Freiraumübertragungswegen
verwendet wird, um das Mehrkanal-Optik-Signal von dem Optik-Signalsender
an einen Empfänger
zu übertragen.
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Jeder
Chip 110 ist so gestaltet, dass er eine Öffnungsecke 115 hat,
die einen spitzen Winkel von weniger oder gleich 72 Grad aufweist,
und die Sendeapertur 120 befindet sich vom Mittelpunkt
des Chips 110 in Richtung zu der Öffnungsecke 115 hin
versetzt. Diese beiden Merkmale ermöglichen es, fünf oder
mehrere Chips 110 auf das Substrat 140 zu setzen,
wobei die Öffnungsecken 115 und
die Sendeaperturen 120 nahe aneinander liegen, d. h. dass
sie sich innerhalb eines Bereichs befinden, dessen Durchmesser dem
des Signalempfangsbereichs 155 der Optik-Leitung 150 ähnlich ist.
Eine Reduzierung des Durchmessers des Signalsendebereichs kann vorteilhaft
die Verwendung einer Lichtleitfaser mit kleinerem Kerndurchmesser
ermöglichen,
die Notwendigkeit eines optischen Abbildungselements oder beides
beseitigen.
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Bei
verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung können
verschiedene Anzahlen von Chips verwendet werden, um Optik-Signalkomponenten
zu erzeugen, die ein einzelnes Optik-Signal bilden und mit der gleichen
Optik-Leitung gekoppelt
sind. Typischerweise steht die Anzahl der Chips, die verwendet werden
können,
in Zusammenhang mit der Geometrie des einzelnen Chips. Im Allgemeinen
gilt, dass je kleiner der Winkel der Öffnungsecke ist, desto mehr
Sender können
mit derselben Optik-Faser gekoppelt werden.
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Bei
einigen Ausführungsformen
der Erfindung steht die Geometrie des einzelnen Chips durch folgende Gleichung
in Zusammenhang mit der Höchstanzahl
der Chips:
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Dabei
ist θ der
Winkel der Öffnungsecke
des Chips und N die Höchstanzahl
der Chips, die in dem Optik-Signalsender verwendet werden. Z. B.
ist θ kleiner
oder gleich 72°,
wenn N gleich 5 ist. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung,
z. B. der in 3, gilt die Gleichung 1 nicht.
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Bei
verschiedenen Ausführungsformen
hat jeder Chip eine Form, die unter anderen möglichen Formen ein Parallelogramm,
ein Trapezoid oder ein Dreieck ist. Bei einigen Ausführungsformen
ist die Öffnungsecke
jedes Chips abgerundet. Andere spitzwinklige Ecken jedes Chips können abgerundet
sein, oder es können alle
Ecken jeden Chips abgerundet sein. Abgerundete Ecken können vorteilhaft
verhindern, dass der Chip bei Handhabung und Zusammenbau beschädigt wird,
oder sie können
es ermöglichen,
dass die Chips etwas näher
zusammen positioniert werden.
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Bei
verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung können
die Chips derart angeordnet sein, dass die Sendeaperturen in einem
Kreis, einem Oval, einem Vieleck oder einer anderen Form positioniert
sind. Eine kreisförmige
Anordnung neigt dazu, die Größe des Signalsendebereichs
zu reduzieren. Andere Anordnungen können jedoch einen Signalsendebereich
bereitstellen, der klein genug ist, um den Anforderungen eines bestimmten
Modells gerecht zu werden, können
einfacher zu gestalten sein oder können vorteilhaft herzustellen sein.
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Wenn
eine kreisförmige
Anordnung verwendet wird, kann die Größe des Signalsendebereichs
durch den Durchmesser des kleinsten Kreises dargestellt werden,
der alle Sendeaperturen umgreift. Die Größe der Signalsendebereiche
mit nicht kreisförmigen
Formen kann durch Höhe
und Breite oder durch andere Parameter gemessen werden.
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Die
Sendeapertur jedes Chips ist Teil einer optoelektronischen Vorrichtung
innerhalb des Chips. Die optoelektronische Vorrichtung ist konfiguriert,
um eine Komponente des Mehrkanal-Optik-Signals aus der Sendeapertur
auszusenden. Bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung
können
verschiedene Arten von optoelektronischen Vorrichtungen verwendet
werden. Zu den geeigneten optoelektronischen Vorrichtungen gehören, ohne
jedoch darauf beschränkt
zu sein, Leuchtdioden, Halbleiterlaser und vertikal emittierende Laser
(VCSEL).
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Einige
Ausführungsformen
der Erfindung verwenden vorteilhafterweise VCSEL, die derzeit eine
Spitzentechnologie für
Halbleiter-Optoelektronik sind. Die VCSEL können überprüft werden, während sie
sich noch in einem Wafer befinden. Sie sind höchst zuverlässig. Sie erzeugen einen Strahl
mit relativ geringer oder sogar ohne Winkelabweichung, im Vergleich
zu Kanten emittierenden Lasern. Der kreissymmetrische Ausgangsstrahl,
den die VCSEL erzeugen, erleichtert das Sammeln der emittierten
Strahlen. Da die Wellenlänge,
auf welcher der Laservorgang erfolgt, ausgewählt werden kann, indem VCSEL
mit unterschiedlichen Hohlraumlängen
gefertigt werden, sind sie gut zur Verwendung in WDM-Systemen geeignet.
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Bei
einigen Ausführungsformen
der Erfindung hat die Optik-Signalkomponente, die von jedem Chip ausgesendet
wird, eine andere Wellenlänge
als die der Optik-Signalkomponente,
die von einem beliebigen anderen Chip ausgesendet wird. Bei anderen
Ausführungsformen
senden mehrere Chips Optik-Signalkomponenten auf derselben Wellenlänge, um
eine betriebssichere Redundanz bereitzustellen, um die Stärke dieser Komponente
zu erhöhen,
oder aus anderen Gründen.
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Eine
wirksame Kopplung zwischen dem Optik-Signalsender und der Optik-Leitung
ist üblicherweise wünschenswert.
D. h. dass ein wesentlicher Teil jeder der ausgesendeten Optik-Signalkomponenten
in die Optik-Leitung eintreten sollte. Bei einigen Ausführungsformen
der Erfindung wird die Kopplungseffizienz vorteilhaft durch ein
Modell verbessert, das die beiden Bedingungen erfüllt. Zunächst sollte
der Durchmesser des Signalempfangsbereichs 155 gleich oder
größer als
der Durchmesser des Signalsendebereichs 125 sein. Zweitens
sollte die numerische Apertur der Lichtleitfaser gleich oder größer sein
als die numerische Apertur der Sendeaperturen.
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Die
numerische Apertur eines Lichtsenders gibt die Winkelabweichung
des emittierten Lichts an. Ähnlich
gibt die numerische Apertur eines Lichtempfängers den Winkelbereich an,
von dem Licht auf den Empfänger
auftreffen und noch wirksam in den Empfänger gekoppelt werden kann.
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Einige
Ausführungsformen
der Erfindung umfassen ein optisches Abbildungselement, wie etwa
eine Linse, die konfiguriert ist, um die Optik-Signalkomponenten abzubilden, die von
dem Signalsendebereich in die Optik- Leitung ausgesendet werden. Bei einigen
Ausführungsformen
tritt ohne optimale Kopplungseffizienz genug Licht in die Optik-Leitung
ein. Die Kopplungseffizienz wird jedoch bei Ausführungsformen erhöht, die
ein optisches Abbildungselement verwenden, wenn der Signalempfangsbereich
der Optik-Leitung einen Durchmesser aufweist, der durch folgendes
Verhältnis
gegeben ist: Df ≥ De·M (Gl. 2)
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Dabei
ist Df der Durchmesser des Signalempfangsbereichs der Optik-Leitung,
De der Durchmesser des Signalsendebereichs des Optik-Signalsenders
und M der Vergrößerungsfaktor
des optischen Abbildungselements. Der optimale Durchmesser des Signalempfangsbereichs
ist z. B. größer oder
gleich 50 μm,
wenn der Signalsendebereichsdurchmesser 100 μm beträgt und der Vergrößerungsfaktor
0,5 ist.
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Die
Kopplungseffizienz wird auch erhöht,
wenn jede Sendeapertur eine numerische Apertur aufweist, die durch
das folgende Verhältnis
gegeben ist: Ae ≤ Af·M (Gl. 3)
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Dabei
ist Ae die numerische Apertur der Sendeaperturen, Af die numerische
Apertur der Optik-Leitung und M der Vergrößerungsfaktor des optischen
Abbildungselements. Die optimale numerische Apertur der Sendeaperturen
ist z. B. kleiner oder gleich 0,1, wenn die numerische Apertur der
Optik-Leitung 0,2 beträgt
und der Vergrößerungsfaktor
0,5 ist.
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Während M
typischerweise kleiner als 1 ist, d. h. dass die Linse typischerweise
verkleinert, bleiben die Gleichungen 2 und 3 gültig, wenn die Linse das Licht
aus den Sendeaperturen vergrößert, d.
h. wenn der Wert von M größer als
1 ist.
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2 ist
eine Querschnittsansicht des Optik-Signalsenders 200 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Der Optik-Signalsender 200 umfasst die Chips 110,
die Sendeaperturen 120, die Kontaktflächen 130 und das Substrat 140,
die ähnlich
sind wie diejenigen, die zuvor mit Bezug auf 1A und 1B beschrieben
wurden.
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Der
Optik-Signalsender 200 umfasst auch eine Aufnahme 260,
eine Lichtleitfaser 250 und einen Metallring 255,
die zusammen ähnlich
wie bei der Optik-Leitung 150 funktionieren, wie in 1 gezeigt. Während des Zusammenbaus wird
das Endstück
der Lichtleitfaser 250 in den Metallring 255 eingefügt, der
das Endstück der
Faser umgibt und festhält.
Dann können,
wenn auch nicht notwendigerweise, das Endstück der Lichtleitfaser 250 und
der Boden des Metallrings zusammen poliert werden, um eine glatte
Oberfläche
zu bilden, die zur Kopplungseffizienz beiträgt. Die Baugruppe aus Faser
und Metallring wird dann in die Aufnahme 260 eingefügt, der
die Baugruppe aus Faser und Metallring umgibt und festhält. Die
Aufnahme 260 und der Metallring 255 bilden einen
Anschluss über
den verschiedene Lichtleitfasern in den Optik-Signalsender 200 eingesteckt oder
daraus entnommen werden können,
wenn der Sender ursprünglich
in einem Optik-Kommunikationssystem eingebaut wird oder wenn ein
Wartungsvorgang erfolgt.
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Die
Sendeaperturen 120 bilden den Signalsendebereich, dessen
Größe durch
den Durchmesser 240 angegeben wird. Das Endstück des Kernabschnitts
der Lichtleitfaser 250 bildet der Signalempfangsbereich, dessen
Größe durch
den Durchmesser 245 angegeben wird.
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Der
Optik-Signalsender 200 umfasst auch das optische Abbildungselement 220,
das eine einfache bikonvexe Linse ist, die konfiguriert ist, um
die Optik-Signalkomponenten
abzubilden, die von dem Signalsendebereich in den Signalempfangsbereich
ausgesendet werden, d. h. von den Sendeaperturen 120 in
den Kern der Lichtleitfaser 250.
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Der
Optik-Signalsender 200 umfasst auch ein Gehäuse 230,
das den Sitz 260, das optische Abbildungselement 220 und
das Substrat 140 festhält
und sie zueinander fluchtrecht hält.
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Verschiedene
Ausführungsformen
der Erfindung können
optische Abbildungselemente verwenden, die eine plankonvexe Linse,
eine Gradientenlinse (GRIN), ein diffraktives optisches Element,
eine Fresnel-Linse, eine andere Art von Linse oder eine beliebige
Anordnung aus einem oder mehreren Optikteilen umfassen, die dazu
dienen, die Optik-Signalkomponenten aus dem Signalsendebereich auf
dem Signalempfangsbereich abzubilden.
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Um
die Wirksamkeit zu erhöhen,
mit der die Optik-Signalkomponenten vom Optik-Signalsender 200 in die
Lichtleitfaser 250 übertragen
werden, sind die Gleichungen 2 und 3 anzuwenden. D. h. das optische
Abbildungselement 220 sollte einen Vergrößerungsfaktor
aufweisen, der gleich oder kleiner ist als der Durchmesser 245 des
Signalempfangsbereichs geteilt durch den Durchmesser 240 des
Signalsendebereichs. Und die numerische Apertur der Sendeaperturen 120 sollte
kleiner als oder gleich der numerischen Apertur der Lichtleitfaser 250 multipliziert
mit dem Vergrößerungsfaktor
des optischen Abbildungselements 220 sein.
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Bei
verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung kann das Gehäuse 230 eine
beliebige Vorrichtung, ein beliebiges Gerät oder Material sein, das den
Sitz 260, das optische Abbildungselement 220 und
das Substrat 140 festhält
und sie zueinander ausgerichtet hält.
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3 ist
eine Draufsicht des Optik-Signalsenders 300 nach einer
Ausführungsform
der Erfindung. Der Optik-Signalsender 300 sendet ein Optik-Signal aus, das sechzehn
unabhängige
Komponenten umfasst, die von sechzehn Sendeaperturen 120 im
Innern von acht inneren Chips 310 und acht äußeren Chips 315 ausgesendet
werden. Außer
wie nachstehend beschrieben, sind die Chips 310 und 315,
die Sendeaperturen 120 und das Substrat 140, wie
in 3 gezeigt, ähnlich
wie zuvor mit Bezug auf 1A, 1B und 2 beschrieben.
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Jeder
Chip 310 oder 315 weist die Form eines Parallelogramms
auf. Zwei Ecken des Parallelogramms bilden einen ersten spitzen
Winkel und zwei Ecken des Parallelogramms bilden einen zweiten stumpfen
Winkel. Jede Sendeapertur 120 befindet sich in der Nähe einer
der spitzwinkligen Ecken des Parallelogramms, welche die Öffnungsecke
des Chips ist. Es werden zwei Auslegungen für die Chips 310 und 315 verwendet. Die
Auslegungen unterscheiden sich durch diejenige der spitzwinkligen
Ecken des Parallelogramms, welche die Öffnungsecke ist.
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Bei
dem Optik-Signalsender 100 aus 1A und 1B,
werden die Chips 110 auf das Substrat 140 gesetzt,
wobei die Öffnungsecken 115 genau
innerhalb des Umfangs eines einzigen Kreises liegen, wobei es sich
um den Sendebereich 125 handelt. Die Chips 110 liegen
nebeneinander, d. h. die Öffnungsecken 115 sind nur
durch den Abstand zwischen den Chips getrennt. Die Öffnungsecken 115 des
Chips 110 weisen alle zum Mittelpunkt des Sendebereichs 125 hin.
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Ähnlich weisen
bei dem Optik-Signalsender 300 aus 3 die Öffnungsecken
der Chips 315 und 315 alle zum Mittelpunkt des
Sendebereichs 125 hin. Die Chips 310 sind derart
positioniert, dass ihre Sendeaperturen 120 auf dem Umfang
des inneren Kreises 320 und nebeneinander liegen.
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Im
Gegensatz zu den Chips 110 des Optik-Signalsenders 100 haben
die Chips 315 des Optik-Signalsenders 300 jedoch
Sendeaperturen, die auf dem Umfang des äußeren Kreises 325 liegen.
Ferner liegen die Öffnungsecken
der Chips 315 nicht nebeneinander. Stattdessen sind die Öffnungsecken
der Chips 315 durch die Breite der Chips 310 getrennt.
Die Öffnungsecken
der Chips 315 liegen jedoch nahe aneinander und in der Nähe der Öffnungsecken
der Chips 310, d. h. die Trennung ist nur die Breite der
Chips 310 und der geeignete Abstand zwischen benachbarten
Chips.
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Bei
einigen Ausführungsformen
der Erfindung können
mehr als zwei konzentrische Öffnungskreise verwendet
werden. Bei anderen Ausführungsformen
kann die Breite von mehr als einem Chip die Öffnungsecken trennen, die auf
einem äußeren Kreis
liegen.
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Der
Signalsendebereich des Optik-Signalsenders 300 ist der
kleinste Kreis, der alle Sendeaperturen der Chips 310 und 315 umfasst.
Es ist im Allgemeinen vorteilhaft, den Durchmesser des Signalsendebereichs klein
zu halten; somit ist es bei dieser Ausführungsform von Vorteil, die
Breite der Chips 310 gering zu halten.
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4 ist
ein Flussdiagramm, das einige der Prozessblöcke abbildet, die bei einem
Verfahrensbeispiel zur Ausführung
eines Optik-Signalsenders nach einer Ausführungsform der Erfindung verwendet
werden. Es werden verschiedene Verfahren verwendet, um verschiedene
Ausführungsformen
der Erfindung herzustellen. Zu diesen Verfahren gehören, jedoch
ohne darauf beschränkt
zu sein, diejenigen, welche die in 4 gezeigten
Prozessblöcke
verändern,
auslassen, hinzufügen
oder umordnen.
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In
Block 410 wird eine Anzahl von getrennten Halbleiterchips
gefertigt. Jeder Chip ist konfiguriert, um aus einer Sendeapertur
eine Komponente eines Mehrkanal-Optik-Signals auszusenden. Die Sendeapertur
ist nicht im Mittelpunkt des Chips angeordnet, sondern befindet
sich vielmehr vom Mittelpunkt in Richtung zur Öffnungsecke des Chips hin versetzt.
Im Allgemeinen befindet sich die ausgesendete Komponente auf einer
Wellenlänge,
die bei den Chips einzigartig ist, die auf demselben Substrat zusammengebaut
werden sollen. Bei Ausführungsformen
der Erfindung, die VCSEL verwenden, kann die emittierte Wellenlänge dadurch
gesteuert werden, dass die Länge
des Hohlraums gesteuert wird, der während des Herstellungsverfahrens
innerhalb des VCSEL gebildet wird.
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Danach
wird in Block 420 jeder Halbleiterchip gestaltet. Der Chip
wird gestaltet, um die Öffnungsecke zu
bilden, obwohl der Block 420 die Gestaltung aller Ränder und
Ecken des Chips umfassen kann. Block 420 kann ausgelassen
werden, wenn quadratische oder rechteckige Chips verwendet werden.
Der Gestaltungsvorgang kann das Bilden einer oder mehrerer Ecken
des Chips, damit sie einen spitzen Winkel umfassen, das Bilden einer
oder mehrerer Ecken des Chips, damit sie abgerundet sind, oder eine
Kombination davon umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Eine abgerundete Ecke muss nicht die Form eines Kreisbogens aufweisen;
die Ecke kann die Form eines Ellipsenbogens oder die Form einer
anderen Kurve aufweisen.
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Im
Vergleich zur Verwendung von rechteckigen Halbleiterchips ermöglicht es
ein Gestaltungsvorgang, der Öffnungsecken
in den Chips mit einem spitzen Winkel bildet, auf vorteilhafte Weise,
dass mehr Sendeaperturen innerhalb eines kleineren Signalsendebereichs
positioniert werden können.
Im Vergleich zur Verwendung von Chips mit spitzen Ecken kann ein
Gestaltungsvorgang, der Chipecken bildet, die abgerundet sind, es
vorteilhaft ermöglichen,
mehr Sendeaperturen innerhalb eines kleineren Signalsendebereichs
zu positionieren, es vorteilhaft ermöglichen, eine Beschädigung der
Chips während
Handhabung und Zusammenbau zu vermeiden, oder beides.
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Bei
einigen Ausführungsformen
der Erfindung gestaltet der Gestaltungsvorgang die Chips und trennt auch
einzelne Chips von einem Halbleiterwafer ab, der viele von diesen
Chips enthält.
Bei anderen Ausführungsformen
werden die Chips vom Wafer getrennt unter Verwendung von Techniken,
die typischerweise verwendet werden, um quadratische oder rechteckige
Chips zu trennen, und dann wird die Form jedes einzelnen Chips geändert.
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Eine
typische Ritz- und Spalttechnik, um einen Halbleiterwafer in Chips
zu vereinzeln, umfasst zunächst
das Abschwächen
des Wafers unter Verwendung eines Anreißers, der typischerweise über eine
Diamantenspitze verfügt,
um Rillen in die Oberfläche
des Wafers zu schneiden. Diese Rillen werden immer parallel zu einer
Achse der Kristallstruktur des Halbleitermaterials geschnitten,
aus dem der Wafer besteht. Dann wird der Wafer gespalten und bricht
an diesen Rillen entlang ab. Da die Schneid- und Spalttechniken
von der Ausrichtung der Achsen der Kristallstruktur abhängig sind,
können
sie nicht verwendet werden, um Ecken zu bilden, die andere Winkel
als 90 Grad aufweisen, und können
auch nicht verwendet werden, um abgerundete Ecken zu bilden.
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Bei
einigen Ausführungsformen
der Erfindung wird die Photolithographie verwendet, um Form und Größe zumindest
der Öffnungsecke
des Chips oder der gesamten Form des Chips zu definieren. Das photolithographische
Gestalten von Merkmalen ist in der Technik der Halbleiterfertigung
wohl bekannt.
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Bei
einigen Ausführungsformen
der Erfindung werden die Chips durch reaktives Ionenätzen des
Halbleitermaterials gestaltet. Reaktives Ionenätzen kann verwendet werden,
um eine senkrechte Wand durch die ganze Dicke der Chips an der Stelle
eines erwünschten
Randes oder einer erwünschten
Ecke zu ätzen.
Form und Position des erwünschten
Randes können
unter Verwendung von standardmäßigen photolithographischen
Techniken oder unter Verwendung anderer Techniken genau definiert
werden. Sowohl das reaktive Ionenätzen von Halbleitermaterial
als auch die Verwendung von photolithographischen Techniken zum
Steuern des reaktiven Ionenätzens
sind in der Technik der Halbleiterfertigung wohl bekannt.
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Block 420 ist
bei Ausführungsformen
der Erfindung, die quadratische oder rechteckige Chips verwenden,
optional.
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Danach
wird in Block 430 der Chip auf einem Substrat positioniert,
wobei sich die Sendeaperturen nahe nebeneinander befinden. Die Sendeaperturen
bilden einen Signalsendebereich. Danach werden in Block 440 die
Chips an dem Substrat angebracht. Bei einigen Ausführungsformen
der Erfindung werden das Positionieren aus Block 430 und
das Anbringen aus Block 440 in einem einzigen Arbeitsgang
ausgeführt.
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Danach
wird in einem wahlweisen Block 450 ein optisches Abbildungselement,
wie etwa eine Linse, in der Nähe
des Signalsendebereichs befestigt und mit dem Substrat gekoppelt,
z. B. durch ein Gehäuse.
Dann wird in dem wahlweisen Block 460 eine Optik-Leitung,
wie etwa eine Lichtleitfaser, mit dem Substrat gekoppelt, z. B.
durch das Gehäuse.
Bei verschiedenen Ausführungsformen
wird die Optik-Leitung
in der Nähe
des abbildenden Optikteils oder in der Nähe des Signalsendebereichs
positioniert.
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Einzelheiten
zur Art und Weise, wie diese und andere Techniken anzuwenden sind,
um verschiedene Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zu fertigen, sind dem Fachmann auf dem
Gebiet der betreffenden Technologien leicht zugänglich.
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Bei
einigen Ausführungsformen
der Erfindung kann ein automatisiertes Montagesystem verwendet werden,
um die Halbleiterchips auf dem Substrat zu positionieren und daran
anzubringen, wodurch es leichter sein kann, den genauen und engen
Abstand zu erreichen, der zwischen den Chips und ihren Sendeaperturen notwendig
ist. Bei anderen Ausführungsformen
kann ein Vakuumapparat verwendet werden, um die Chips zu handhaben
und zu positionieren, statt Pinzetten oder andere Randgreifmechanismen
zu verwenden.
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Unter
Verwendung der hier offenbarten Verfahren können Ausrichtungstoleranzen
in einer Größenordnung
von einem Mikrometer zwischen dem Rand der Sendeapertur innerhalb
eines Chips und der innenseitigen Ränder des Chips selber erreicht
werden. Insbesondere das reaktive Ionenätzen bewältigt die Probleme, die mit
den vorhergehenden Verfahren verbunden sind, dadurch dass der Abstand
zwischen der Sendeapertur und dem Rand des Chips verringert werden
kann. Reaktives Ionenätzen
führt zu
relativ geringeren Ausrichtungsfehlern. Die durch reaktives Ionenätzen erzeugten
Chipränder
sind relativ stabil und relativ unempfindlich gegen Beschädigungen,
die durch Kräfte
verursacht werden, wie sie während
der Handhabung der einzelnen Chips auftreten können, nachdem sie getrennt
wurden und bevor sie an dem Substrat angebracht wurden.
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Zudem
ist es durch die Verwendung von reaktivem Ionenätzen nicht mehr nötig, die
Form der Chips auf ein Rechteck oder Quadrat zu beschränken. Es
können
Ränder
mit einem beliebigen Winkel, gebogene Ränder und abgerundete Ecken
geschaffen werden. Unter Verwendung der hier offenbarten Verfahren
können die
einzelnen Chips in verschiedenen Formen konfiguriert werden und
nach verschiedenen Modellen oder Mustern angeordnet werden, um die
Anzahl der Chips zu maximieren, die innerhalb des Durchmessers der Lichtleitfaser
angeordnet sind, oder um den Signalsendebereich des Optik-Signalsenders
zu minimieren.
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Die
vorhergehenden Zeichnungsfiguren und Beschreibungen sind nicht dazu
gedacht, vollständig
zu sein, oder die Erfindung auf die offenbarten Formen einzuschränken. Stattdessen
werden spezifische Einzelheiten vorgestellt, um die Erfindung zu
erläutern.
Angesichts der vorliegenden Lehren, der dem Fachmann bekannten Techniken
und der noch kommenden Fortschritte in der Technik können zahlreiche Änderungen,
Variationen, Wahlen zwischen Alternativen, Formänderungen und Verbesserungen
an der Erfindung vorgenommen werden. Der Umfang der Erfindung wird
in den nachstehenden Ansprüchen
und ihren gesetzlichen Entsprechungen dargelegt.
