DE69224637T2

DE69224637T2 - Optoelektronisches bauelement

Info

Publication number: DE69224637T2
Application number: DE69224637T
Authority: DE
Inventors: Jan Isaksson
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1991-05-06
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2012-04-01
Also published as: EP0583331B1; SE9101344D0; SE9101344A; SE468150B; US5347605A; JPH06507733A; EP0583331A1; DE69224637D1; WO1992020171A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optoelektronisches Bauelement mit einem Gehäuse, in welchem ein erstes und ein zweites optoelektronisches Halbleiterelement sowie ein teildurchlässiger Spiegel zur Umlenkung von Licht zu oder von dem ersten Haibleiterelement angeordnet sind.

Stand der Technik

Optoelektronische Bauelemente der genannten Art sind bereits bekannt. Eine lichtaussendenen Diode (abgekürzt "LED") und ein Photodetektor sind beispielsweise in einem Gehäuse dicht am Ende eines Lichtleiters angeordnet. Die LED kann dann beispielsweise in der verlängerung der Längsrichtung des Lichtleiter angeordnet sein. Ein teildurchlässiger Spiegel ist zwischen der LED und dem Ende des Lichtleiters angeordnet, und der Spiegel lenkt Licht, welches durch den Lichtleiter einfällt, in Richtung zu dem Photodetektor um. Unter einem teildurchlässigen Spiegel wird hier ein Bauteil verstanden, welches einfallendes Licht teilweise durchläßt und teilweise reflektiert.
Es ist an sich bekannt, eine LED der oben genannten Art so anzuordnen, daß sie in einem gewissen Maße relativ zum Gehäuse justierbar ist, beispielsweise dadurch, daß ein gewisses Spiel zwischen der LED und dem Gehäuse vorgesehen ist. Beim Zusammenbau des Bauelements wird der Lichtleiter zunächst in dem Gehäuse befestigt, worauf die LED in dem Gehäuse plaziert wird und an eine Stromquelle angeschlossen wird. Die Intensität des Lichtes, das aus dem abgelegenen Ende des Lichtleiters austritt, wird gemessen, und die Ori entierung der LED wird so justiert, daß man einen Maximalwert dieser Intensität erhält. In dieser Position wird die LED mechanisch in dem Gehäuse festgesetzt, beispielsweise mit Hilfe eines schnellaushärtenden Kunststoffes, worauf, falls erwünscht, die Spalten zwischen der LED und dem Gehäuse mit einem Kunststoff ausgefüllt werden können, um eine gute mechanische Stabiltät des Bauelementes zu erreichen.
Das oben genannte Verfahren zur Justierung ist jedoch weniger geeignet für einen Photodetektor. Im allgemeinen ist der Lichtleiter nicht genau im Gehäuse zentriert. Ferner weicht seine Längsrichtung normalerweise von der idealen Richtung ab. Der Winkel des teildurchlässigen Spiegels weicht im Allgemeinen etwas von dem theoretisch korrekten Winkel ab. Ebenso liegt das lichtempfangende Halbleiterelement des Photodetektors im allgemeinen nicht exakt genau in einer Ebene senkrecht zu der optischen Achse des Detektors. Aus diesen Gründen ist die Strahlung, die zum Einfallen auf das Halbeiterelement des Photodetektors gebracht wird, im allgemeinen nicht im Verhältnis zu dem Halbleiterelement zentriert. Bei bekannten Bauelementen der hier beschriebenen Art, die bis zur Gegenwart benutzt werden, macht diese Tatsache die Verwendung einer relativ großen Fläche des Haibleiterelementes des Photodetektors erforderlich. Der Grund hierfür besteht darin sicherzustellen, daß ein ausreichend großer Teil der Strahlung, welche am Detektor einfällt, trotz der oben genannten unvermeidbaren Fehlerquellen den Detektor wirklich trifft. Da das Verhalten eines großflächigen Photodetektors schlechter ist als das eines kleinflächigen Detektors, besitzen die bekannten Pauelemente weniger gute Betriebseigenschaften als dies theoretisch möglich wäre.
Aus der EP-A1 0 250 331 ist es bereits bekannt, ein lichtaussendendes Glied und ein lichterfassendes Glied im gleichen Gehäuse anzuordnen für eine bidirektionale optische Signalübertragung über ein und dieselbe optische Faser. Bei diesem Gerät fehlt bei beiden Gliedern die Mlglichkeit einer Justierung, und daher hat insbesondere der Photodetektor die im vorangehenden Absatz genannten Nachteile.
Aus der FR-A1 2 586 305 ist ein Bauelement derselben Art bereits bekannt, bei dem die Stirnfläche der optischen Faser schräg abgeschnitten ist zwecks optischer Kopplung mit einem der Glieder durch Reflektion an der Stirnfläche und mit dem anderen Glied durch Brechung an der Stirnfläche. Die gewünschte Abschrägung der Stirnfläche der Faser ist unter Herstellungsgesichtspunkten mit der gewünschten Genauigkeit schwer erreichbar. Ferner wird das von der Stirnfläche der Faser reflektierte Licht während des Durchtritts durch die Hüllfläche der Faser diffus zerstreut, wodurch die optische Kopplung zwischen der Faser und derjenigen der beiden optoelektronischen Glieder, welches das an der Stirnfläche reflektierte Licht auswertet, bedeutend verschlechert. Diese diffuse Streuung ist auch ein Grund dafür, daß die Justierung komplizierter wird, und - falls das in Rede stehende Glied ein Photodetektor ist - eine relativ große Fläche an dem Glied erfordert ist, wodurch die Betriebseigenschaften des Gliedes verschlechtert werden.
Die Druckschrift IBM Technical Disclosure Bulletin Band 33, Nr. 1A, Juni 1990, Seiten 456/457, zeigt ein Bauelement mit einem einzigen optoelektrischen Glied, einer Laserdiode, die Licht über eine Linse aussendet. Um in der Lage zu sein, die Laserdiode im Verhältnis zur Linse auszurichten, sind doppelte sphärische Lager vorhanden, die eine Ausrichtung in fünf Freiheitsgraden erlauben. Die gleichzeitige Ausrichtung der beiden sphärischen Lager wird kompliziert.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optoelektronisches Bauelement der im einleitenden Teil der Beschreibung beschriebenen Art, welches eine schnelle, einfache und effiziente Justierung der beiden im Bauelement enthaltenen Halbleiterelemente ermöglicht und damit eine schnellere und billigere Herstellung des Bauelements ermöglicht sowie eine Möglichkeit schafft, in Verbindung mit einem Photodetektor Halbleiterelemente mit kleineren Abmessungen und somit besseren Betriebseigenschaften zu verwenden. Die Erfindung hat auch die Schaffung eines Bauelementes zum Ziel, bei welchem die beiden darin enthaltenenen Halbleiterelemente unabhängig voneinander auf maximale Effizienz justiert werden können.
Was ein Bauelement gemäß der Erfindung charakterisiert, ist aus den angefügten Ansprüchen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichungen

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Figuren 1 bis 5 beschrieben.
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch ein Bauelement gemäß der Erfindung, zu welchem eine LED, eine Photodetektor sowie eine Anschlußvorrichtung für einen Lichtleiter gehören,
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch ein zu den Bauelement gehörenden Befestigungskörper zur justierbaren Befestigung des Photodetektors und des Spiegels,
Figur 3 zeigt einen Schnitt durch einen zweiten Befestigungskörper zur justierbaren Befestigung der LED,
Figur 4 zeigt in Verbindung mit einem Schnitt durch das Bauelement das Prinzip der Justierung des Photodetektors,
Figur 5 zeigt in ähnlicher Weise das Prinzip der Justierung einer LED.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt ein optoelektronisches Bauelement, welches ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Das Bauelement enthält zwei optoelektronische Halbleiterelemente, eine LED 1 und einen Photodetektor 2. Diese sind in einem Gehäuse 3 angeordnet, welches mit Gliedern zum Anschluß eines Lichtleiters 7 versehen ist. Die LED ist imstande, Strahlung zum Lichtleiter zum senden, die durch den Lichtleiter geleitet wird. Der Photodetektor ist imstande, optische Strahlung zu empfangen, die über den Lichtleiter kommend in ihn eintritt.
Die LED 1 hat eine Basis 11, auf der ein Haibleiterkörper 16 angebracht ist, welcher das aktive und lichtaussendende Element der LED darstellt. Nahe dem Halbleiterkörper ist eine Linse 17 zur Fokussierung der Strahlung angeordnet. Ferner hat die LED ein Gehäuse 12, welches mit einer Austrittsöffnung für die Strahlung versehen ist, in welche Öffnung eine Linse 18 angeordnet ist. Die Linsen 17 und 18 fokussieren die Strahlung auf das Ende 8 der optischen Faser des Lichtleiters 7. Die LED ist mit schematisch gezeigten Anschlußleitern 14,15 versehen, und ihre Basis ist mit Glas oder Kunststoffmaterial 13 gefüllt.
In der gleichen Weise wie oben hat der Photodetektor 2 eine Basis 21, in welcher ein Anschlußleiter 24 mit Hilfe von Isoliermaterial 23 eingebettet ist. Auf der in der Figur oberen Oberfläche des Leiters ist ein Halbleiterkörper 26 angebracht, welcher das aktive Element des Detektors bildet. Der Halbleiterkörper kann aus einer Photodiode, einem Phototransistor oder einer anderen lichterkennenden Bauteil bestehen. Der Detektor hat ein Gehäuse 22 mit einer Eintrittsöffnung für die einfallende optische Strahlung. In dieser Öffnung ist eine Linse 28 angeordnet zur Fokussierung des einfallenden Lichtes auf den Halbleiterkörper 26.
Das Gehäuse 3 ist aus Metall hergestellt und ist im wesentlichen rotationssymmetrisch in Bezug auf eine Symmetrieachse A-A. Das Gehäuse ist mit einer achsialen Bohrung 32 zur Aufnahme des Lichtleiters 7 versehen. Ferner hat das Gehäuse Einrichtungen zur Befestigung des Lichtleiters am Gehäuse in Gestalt von Vorsprüngen 33,34 für einen Bajonettverschlußsockel sowie einen Führungsschlitz 35. In dem im rechten Teil der Figur gezeigten Teil des Gehäuses hat dieses eine zylindrische Ausnehmung 31, deren dem Lichtleitern zugewandter Teil 311 eine halbkugelförmige Gestalt hat. Ferner hat das Gehäuse eine in der Figur nach unten gerichetete Öffnung 36, in welcher der Photodetektor angeordnet ist. Ferner hat das Gehäuse (nicht dargestellt) Befestigungsglieder in Gestalt von Befestigungsaugen, Vorsprüngen oder dergleichen.
Die Figur zeigt schematisch einen mit I bezeichneten Strahl, der durch den Lichtleiter eintritt, sowie mit II bezeichneten Strahlen, die von der LED ausgesandt werden. Die Symmetrieachse und die optische Achse der LED fallen ungefähr mit der Längsachse des Lichtleiters 7 zusammen, während die optische Achse des Photodetektors 2 ungefähr senkrecht zu der genannten Längsachse verläuft. Zwischen der LED und dem Ende des Lichtleiters 7 ist ein teildurchlässiger Spiegel 5 angeordnet. Dieser kann aus einer Glasplatte bestehen, die mit einem geeigneten halbreflektierenden Belag versehen ist oder die teilweise mit einem Muster aus einem vollständig reflektierenden Belag belegt ist. Auf diese Weise läßt der Spiegel 5 von der LED ausgesandtes Licht in Richtung zu dem Ende des Lichtleiters durch, und ferner reflektiert der Spiegel Licht, welches aus dem Ende des Lichtleiters austritt, im Sinne der Figur nach unten in Richtung zu dem Photodetektor.
Der Photodetektor 2 und der Spiegel 5 sind in einem ersten Befestigungskörper 4 montiert, der eine kugelförmige Mantelfläche hat, die annähernd den gleichen Radius hat wie der halbkugelförmige Teil 311 der Ausnehmung 31. Der Befestigungskörper 4 und folglich der Photodetektor 2 und der Spiegel 5 können daher während des Zusammenbaus des Bauelementes relativ zum Gehäuse 3 in die gewünschte Lage gedreht werden. Der Körper 4 kann zweckmäßigerweise aus Metall oder einem Kunststoffmaterial hergestellt sein. Die LED 1 ist umgeben von einem zweiten Befestigungskörper in Gestalt eines Metallringes 6, der zum Beispiel aus Aluminium besteht. Der Ring hat eine doppeltgekrümmte Mantelfläche, die mit dem Seitenrand eine Ausnehmung 43 im Körper 4 in Kontakt steht. Die Mantelfläche kann beispielsweise eine im wesentlichen kugelförmige Gestalt haben mit einem Radius, der mit dem Radius der Ausnehmung 43 übereinstimmt. Auf diese Weise kann während des Zusammenbaus der Ring 6 mit der darin angebrachten LED 1 in die gewünschte Orientierungslage gedreht werden sowie achsial in Bezug auf den Körper 4 in eine geeignete Position verschoben werden.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch den ersten Befestigungskörper 4. Der Körper ist im wesentlichen rotationssymmetrisch und hat mindestens angenähert eine kugelf:rmige Manteifläche 46. Der Körper hat die Symmetrieachse B-B. Ein Durchmesser C-C der sphärischen Mantelfläche 46, der senkrecht zur Achse B-B verläuft, schneidet die Symmetrieachse in einem Punkt 41, der dadurch das Drehzentrum des Körpers darstellt. Der Körper ist mit einer dreieckigen Ausnehmung 42 versehen, an dessen schrägen Rand der Spiegel 5 beispielsweise durch Kleben befestigt ist. Der Körper hat ein rundes durchgehendes Loch mit der Achse B-B und mit einem Abschnitt 43 mit einem größeren Durchmesser zur Aufnahme der LED mit dem Ring 6 und mit einem Abschnitt 44 mit einem kleineren Durchmesser. Ferner hat der Körper ein rundes Loch 45 mit der Achse D-D, in welchem der Photodetektor 2 durch Einpressen und/oder Kleben befestigt ist.
Figur 3 zeigt den zweiten Befestigungskörper, den Metallring 6. Dessen in der Figur links gezeigte Teil ist rotationssymmetrisch mit einem runden Loch 63 zur Aufnahme der LED 1 und mit einer äußeren Mantelfläche 61 mit einer annähernd kugelförmigen Gestalt und mit einem Zentrum im Punkt 62. Der Körper 6 hat zwei elastisch nachgebende Teile 64, 65, die in der Figur nach rechts vorstehen und die die Befestigung der LED 1 in dem Körper 6 sicherstellen.
Figur 4 zeigt das Ende des Gehäuses 3, in welchem die LED und der Photodetektor angeordnet sind. Die Figur soll das Verfahren beim Zusammenbau illustrieren. Während des Zusammenbaus werden zunächst der Detektor 2 und der Spiegel 5 an dem Befestigungskörper 4 befestigt, der dann in das Gehäuse 3 in der in der Figur gezeigten Position eingesetzt wird. Ferner wird der Lichtleiter 7 an dem Gehäuse 3 befestigt. Am entgegengesetzten Ende des Lichtleiters wird Licht in den Lichtleiter eingeleitet, und der Photodetektor wird an eine Meßvorrichtung zur Messung der Intensität des einfallenden Lichtes angeschlossen. Mit Hilfe eines geeigneten Werkzeuges, zum Beispiel eines Stabes, der in die Ausnehmung 43 des Körpers 4 paßt, wird der Körper 4 und damit der Spiegel und der Detektor dann durch Drehen des Körpers relativ zum Gehäuse justiert bis man eine maximale Lichtintensität von dem Detektor erhält. Mit Hilfe des eben erwähnten Werkzeugs kann der Körper 4 um sein Drehzentrum 41 gedreht werden. Die Rotation kann um eine Achse durch den Punkt 41 erfolgen, welche Achse senkrecht zur Zeichenebene verläuft, was eine Bewegung des Bildes des Faserendes 8 auf dem aktiven Element 26 des Photodetektors längs des mit F-F bezeichneten Pfades zur Folge hat. Eine Rotation kann auch um eine Achse durch den Punkt 41 in der Ebene der Zeichnung und senkrecht zu der Längsachse des Lichtleiters 7 durchgeführt werden. Dies hat eine Bewegung des oben genannten Bildes längs eines Pfades senkrecht zu der Zeichenebene zur Folge. Die Öffnung 36 in dem Gehäuse 3 hat einen solchen Durchmesser, daß dort genügend Spiel zwischen dem Gehäuse und dem Detektor 2 vorhanden ist, um diese Justierung möglich zu machen. Auf diese Weise kann der Detektor 2 einfach und schnell in eine solche Lage gebracht werden, daß der größtmögliche Teil des durch den Lichtleiter einfallenden Lichtes den aktiven Teil 26 des Detektors trifft. Wenn diese Stellung erreicht worden ist, wird der Körper 4 mit Hilfe von in der Figur mit 9 bezeichnetem Klebstoff, thermofixierbarem Harz oder dergleichen, befestigt. Der Klebstoff oder der Kunststoff wird zweckmäßigerweise im gesamten Spalt zwischen dem Körper 4 und dem Gehäuse 3 angebracht.
16 Danach wird, wie Figur 5 zeigt, die in ihrem Befestigungsring 6 befestigte LED 1 in das Loch 43 im Körper 4 eingeführt. Die LED wird an eine Stromquelle angeschlossen und so veranlaßt, Licht auszusenden. Von der LED ausgesandte Lichtstrahlen II werden auf einen Punkt am Ende des Lichtleiters fokussiert. Im allgemeinen wird dieser Punkt nicht an der Stirnfläche der optischen Faser 8 lokalisiert, die unvermeidbaren Abweichungen während der Herstellung und der Zusammenbaus ausgesetzt ist. Ein Meßglied wird am entgegengesetzten Ende des Lichtleiters 7 angeschlossen zur Feststellung der Intensität des Lichtes, welches aus dem Lichtleiter austritt. Die LED mit dem Ring 6 kann nun gedreht werden und auch achsial verschoben werden, bis maximale Intensität des am entgegengesetzten Ende des Lichtleiters gemessenen Lichtes erreicht ist. Die LED befindet sich dann in ihrer optimalen Position und wird relativ zum Körper 4 befestigt, beispielsweise mit Hilfe eines schnelltrocknenden Klebstoffes 10, der in dem Spalt zwischen dem Ring 6 und dem Körper 4 angebracht wird. Zur Erzielung einer verstärkten mechanischen Stabilität kann, falls erwünscht, der Raum 100 zwischen der LED 1, dem Gehäuse 3, dem Körper 4 und dem Ring 6 dann mit einem geeigneten Material, beispielsweise Epoxy harz, ausgefüllt werden.
Wie beispielsweise aus Figur 4 ersichtlich, ist das Drehzentrum 41 des Körpers 4 von dem Punkt, in welchem ein einfallender Strahl den Spiegel 5 trifft, getrennt. Es hat sich gezeigt, daß diese Ausführungsform eine außerordentlich schnelle und effiziente Justierung des Photodetektors auf maximale Wirksamkeit ermöglicht.
Bei einem optoelektronischen Bauelement erreicht man so einen schnellen und einfachen Zusammenbau, während gleichzeitig die effiziente Justierung eine maximale Einsatzfähigkeit der Halbleiterbauteile ermöglicht. Durch die guten Justiermöglichkeiten können die Herstellungstoleranzen kleiner gehalten werden als dies sonst möglich wäre, ohne daß dies Nachteile zur Folge hat. Ferner kann der aktive Halbleiterkörper des Photodetektors mit einer bedeutend kleineren Fläche hergestellt werden als dies bisher möglich war, wodurch beachtlich bessere Eigenschaften erzielt werden, wie zum Beispiel eine kleinerer Kapazität und ein kleinerer Dunkelstrom.
Das oben beschriebene Bauelement gemäß der Erfindung ist nur eines einer großen Anzahl von möglichen Ausführungsformen. So ist die Erfindung auch anwendbar auf solche Bauelemente, bei denen beide zugehörigen Halbleiterbauteile aus Photodetektoren oder beide zugehörigen Halbleiterbauteile aus lichtaussendenden Halbleiterelementen bestehen.
Für das lichtaussendende Halbleiterelement wurde bei dem obigen Ausführungsbeispiel angenommen, daß es eine LED ist; jedoch kann es alternativ natürlich auch aus einem anderen lichtaussendendem Element, wie zum Beispiel einer Laserdiode, bestehen.
Das oben beschriebene Bauelement ist für den Anschluß an einen Lichtleiter bestimmt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Fall beschränkt, sondern kann mit den gleichen Vorteilen auf anderen Anwendungsgebieten verwendet werden, beispielsweise, wenn Licht auf Halbleiterelemente, die in dem Bauelement vorhanden sind, mit Hilfe von Linsensystemen oder dergleichen gesandt wird oder von diesen ausgesandt wird.
Der oben verwendete Begriff "Licht" bezieht sich in dieser Anmeldung auf elektromagnetische Strahlung sowohl im sichtbaren Wellenlängenbereich als auch in angrenzenden Wellenlängenbereichen.
Anstelle des zur Befestigung des Lichtleiters oben beschne benen Bajonettverschlußsockels können natürlich auch andere Anschlußvorrichtungen verwendet werden.

Claims

1. Optoelektronisches Bauelement zum Aussenden und/oder Empfangen von Licht und ein Gehäuse (3), ein erstes (2) und ein zweites (1) optoelektronisches Halbleiterelement sowie ein halbdurchlässiger Spiegel (5) zur Umlenkung von einfallendem und/oder ausgesendetem Licht zu oder von dem zweiten oder ersten Halbleiterelement, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel und das erste Halbleiterelement in einem ersten kugelförmigen Körper (4) angeordnet sind, welcher in einer kugelförmigen Ausnehmung (31) in dem Gehäuse einstellbar gelagert ist, und daß das zweite Halbleiterelement (1) in einem zweiten kugelförmigen Körper (6) gelagert ist, welcher einstellbar in einer zylindrischen Ausnehmung in dem ersten kugelförmigen Körper (4) gelagert ist.

2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse Glieder (32,33,34,35) enthält zur Verbindung eines Lichtleiters (7,8) für die Übertragung von Licht zu und/oder von den optoelektronischen Halbleiterelementen.

3. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste kugelförmige Körper (4) mit einer Ausnehmung (42) versehen ist, in welcher der Spiegel (5) angeordnet ist.

4. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste kugelförmige Körper (4) mit einer Öffnung (45) versehen ist, in welcher das erste Halbleiterelement (2) angeordnet ist.

5. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehpunkt (41) des ersten kugelförmigen Körpers (4) in einem Abstand von dem Teil des Spiegels (5) liegt, in welchem vom Lichtleiter auf den Spiegel fallende Licht den Spiegel trifft.

6. Gptoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleiterelement (2) aus einem Photodetektor besteht und das zweite Halbleiterelement (1) aus einem lichtaus sendenden Halbleiterelement besteht.