Beschreibung
Bezeichnung der Erfindung: Aufnahme- und Koppelteil für ein opto-elektronisches Sende- und/oder Empfangselement.
Die Erfindung betrifft ein Aufnahme- und Koppelteil für ein opto-elektronisches Sende- und/oder Empfangselement. Das Aufnahme- und Koppelteil mit einem entsprechenden Sende- und/oder Empfangselement ist bevorzugt Teil eines kostengünstigen opto-elektronischen Moduls, dass mit einer POF (plastic optical fibre) -Lichtleitfaser gekoppelt wird.
Aus der DE 199 09 242 AI ist ein opto-elektronisches Modul bekannt, bei dem ein Träger mit einem opto-elektronischen Wandler in einem Modulgehäuse positioniert ist. Der Träger ist mit einem lichtdurchlässigen, formbaren Material umgeben, dass die optischen und auch die elektrischen Bauteile vor Umwelteinflüssen schützt . Aufgrund eines relativ großen Gießvolumens wird bei der Aushärtung eine relativ lange
Prozesszeit benötigt. Nachteilig ist auch, dass es in Folge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von Träger, Bauteilen und Vergussmasse zu einer nur eingeschränkten Stabilität bezüglich Temperaturschwankungen kommt und Spannungen auftreten. Die auftretenden Spannungen sind um so größer, je größer das Gehäuse und die eingebauten Teile sind.
Bei dem bekannten Gehäuse ergibt sich zwischen der Gießöffnung des Gehäuses und der optischen Achse eines Ankoppelbereichs zur Aufnahme einer Lichtleitfaser ein Winkel von 90°. Dies kann bei der Ausbildung von Linsen im Formkörper zu Problemen insofern führen, als sich bei einer nichtvollständigen Füllung der Linsenform eine Luftblase bildet, die die Effektivität der Linse stark reduziert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Aufnahme- und Koppelteil für ein Sende- und/oder
Empfangselement zur Verfügung zu stellen, das die Anordnung des Sende- und/oder Empfangselementes in einer transparenten Vergussmasse und die Ankopplung einer Lichtleitfaser in einfacher Weise ermöglicht und dabei ein hohes Maß an Stabilität gegenüber Temperaturschwankungen bereitstellt. Gleichzeitig soll die Ausbildung von Luftblasen an einer in die Vergussmasse integrierten Linse möglichst vermieden werde .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Aufnahme- und Koppelteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugt und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Danach zeichnet sich die erfindungsgemäße Aufnahme- und
Koppeleinheit dadurch aus, dass das Aufnahme- und Koppelteil eine zylindrische Aussparung aufweist, deren eines Ende das Sende- und/oder Empfangselement enthält und deren anderes Ende der Aufnahme und Ankopplung einer Lichtleitfaser dient . Das Aufnahme- und Koppelteil ist somit im wesentlichen ein
Zylinder, an dessen einem Ende der Formkörper ausgebildet wird. Es liegt einen einfache symmetrische und kostengünstige Struktur für das Aufnahme- und Koppelteil vor.
Dabei kann eine Befullung des Aufnahme- und Koppelteils mit dem Vergussmaterial in Richtung der optischen Achse der zylindrischen Aussparung bzw. in Richtung der Zylinderachse erfolgen. Das andere Ende des Zylinders wird mit einem Stempel mit negativer Linsenform unten verschlossen. In dieser bildet sich die positive Linsenform durch Abformung ab. Aufgrund der Ausbildung des Vergusskörpers unmittelbar in der zylindrischen Aussparung, an die eine anzukoppelnde Lichtleitfaser angekoppelt wird, kann das Vergussmaterial so klein wie möglich gehalten werden, wodurch auch Spannungen durch unterschiedliche Ausdehnungskoefizienten reduziert sind. Zusätzlich wir die Aushärtezeit entsprechend verkürzt. Da die Gießrichtung mit der optischen Achse zusammenfällt,
und nicht wie im Stand der Technik unter einem Winkel von 90° zur optischen Achse erfolgt, ist die Linse beim Befüllvorgang stets vollständig mit Vergussmaterial gefüllt, so dass nicht die Gefahr besteht, dass Luftblasen im Linsenbereich verbleiben.
Alternativ kann allerdings auch vorgesehen sein, dass ein Träger und beim Befüllvorgang auch die Vergussmasse über eine Öffnung in der Wandung der zylindrischen Aussparung unter einem Winkel von 90° zur optischen Achse eingeführt wird. Bei einer solchen ErfindungsVariante ist das eine Ende der zylindrischen Aussparung bevorzugt mit einer Verschlusskappe versehen. Die Wandung des Aufnahme- und Koppelteils besteht bevorzugt aus einem leitenden Kunststoffmaterial und/oder ist mit einer leitenden elektrischen Schicht ummantelt. Hierdurch wird die elektromagnetische Abstrahlung im optischen Sendeelement absorbiert und kann die elektromagnetische Strahlung den offen Teil (d. h. den Ankoppelbereich) des Aufnahme- und Koppelteils nur stark gedämpft verlassen. Die zylindrische Aussparung wirkt dabei quasi als ein Hohlleiter, der weit oberhalb der cut-off Wellenlänge betrieben wird.
Bei dem Träger handelt es sich bevorzugt um einen Leadframe. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass das Aufnahme- und Koppelteil über den Leadframe mit Masseleitungen verbunden wird, die derart in das Aufnahme- und Koppelteil eingefügt werden, dass die Justage eines optischen Sende- und Empfangselemtes in allen drei Dimensionen zur optischen Achse und zu den Außenabmaßen des Aufnahme- und Koppelteil erfolgen kann. Es sind also bevorzugt Ausformungen vorgesehen, die in einem einfachen Fügeschritt die optischen Elemente und die optische Achse im Bezug zu dem Außendurchmesser des Aufnahme- und Koppelteils setzen. Die Positionierung des optischen Elementes auf dem Leadframe erfolgt dabei mit einer hohen Ablagegenauigkeit im Bezug auf die optische Achse.
Bevorzugt stimmt der Innendurchmesser der zylindrischen
Aussparung mit dem Außendurchmesser einer anzukoppelnden Lichtleitfaser überein. Durch Einstecken der Lichtleitfaser, bei der es sich insbesondere um eine Plastikfaser, eine HPCS/HCS-Faser oder eine Multimodeglasfaser mit 50 μm Kerndurchmesser handelt, in das Aufnahme- und Koppelteil, wird die Lichtleitfaser auf der optischen Achse sicher gehalten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Leadframe sich parallel zur optischen Achse der zylindrischen Aussparung des Aufnahme- und Koppelteils erstreckt . Es wird somit gewissermaßen nach hinten von dem Aufnahme- und Koppelteil weggeführt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist eine geringe Abmessung des Aufnahme- und Koppelteils senkrecht zur optischen Achse.
Nachteilig ist allerdings, dass das optische Sende- und/oder Empfangselement bei einer Ausrichtung des Leadframes parallel zur optischen Achse der zylindrischen Aussparung auf einem um 90° abgebogenen Teil des Leadframes aufmontiert werden muss.
In einer alternativen Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass der Leadframe vertikal zur optischen Achse der zylindrischen Aussparung eingebaut wird. Damit können die optischen Wandler auf einem ebenen Leadframe aufgebaut werden.
Bei dieser Ausführungsvariante ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass vor einer Befullung des Aufnahme- und Koppelteils bzw. Zylinders, wiederum in Richtung in optischen Achse, der Leadframe außerhalb der Aufnahmefläche für das optische Sende- und/oder Empfangselement in einer Art S-Form gebogen wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Aufnahmefläche für das optische Sende- und/oder Empf ngselement in das innere der zylindrischen Aussparung hineinragt.
Das Aufnahme- und Koppelteil, das wie erwähnt bevorzugt aus
einem elektrisch leitenden Material besteht oder einen galvanisch aufgebrachten Metallüberzug besitzt, ist dabei an der Stelle, an der der Leadframe vertikal zur Längsachse aus dem Aufnahme- und Koppelteil herausgeführt wird, entweder elektrisch nicht leitend oder gegenüber dem Leadframe isoliert .
Zur Positionierung des Leadframes sind bevorzugt passive Justagestrukturen am Aufnahme- und Koppelteil und am Leadframe vorgesehen, die ineinandergreifen.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die optischen Sende- und/oder Empfangselemente auf einem vollständig planen Leadframe aufgebaut, der also keine S-Form besitzt. Der plane Leadframe wird dabei durch eine seitliche Öffnung in der Wandung des Aufnahme- und Koppelteils in die zylindrische Aussparung eingeführt. Es erfolgt eine Positionierung exakt auf der optischen Achse der zylindrischen Aussparung.
Im Bereich der Faserführung ist das Aufnahme- und Koppelteil zylinderförmig ausgebildet, so dass im Innenzylinder die optische Faser geführt wird. Durch den Außenzylinder kann das Aufnahme- und Koppelteil in einem Steckergehäuse fixiert werden. Zur Montage des Aufnahme- und Koppelteils an einem Steckergehäuse und/oder an einer Schaltungsplatine weist das
Aufnahme- und Koppelteil passive Justagemarken auf.
Weiter kann vorgesehen sein, dass an den Außenzylinder, d. h. die Außenseite der Wandung der zylindrischen Aussparung, Stege zur mechanischen Arretierung aufgebracht sind. Bei einer Montage des Aufnahme- und Koppelteils an einem Steckergehäuse kann das Aufnahme- und Koppelteil auf diese Weise gegen ein Herausschieben gesichert werden. Solchen beispielsweise U-förmig angebrachten Sicherungen können für ein Aufnahme- und Koppelteil mit Sendeelement oder mit Empfangselement unterschiedlich ausgeführt sein. Eine Arretierung könnte auch durch eine kleine keilförmige
Erhöhung ringförmig auf der Außenwand bereitgestellt werden.
Zur Ausführung der Sende- bzw. Empfängerkomponente eines Transceivers müssen nicht immer zwei getrennte Aufnahme- und Koppelteile eingesetzt werden. Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass das Aufnahme- und Koppelteil als Doppelkammer ausgebildet ist, die in parallelen, getrennten Bereichen das Sende- und das Empfangselement aufweist. Der Abstand der beiden Zylinderachsen entspricht dabei dem Abstand der beiden Achsen der Lichtwellenleiter eines mechanischen Stecksystems. Eine Arretierung mit uhrförmiger Drehung ist dann nicht mehr möglich. Eine Arretierung erfolgt beispielsweise durch eine keilförmige Ringstruktur auf den beiden Außenzylindern.
Eine passive Justage ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Abmaße der beiden Außenzylinder gegeben, die formschlüssig in die entsprechenden Aussparungen an einem zugehörigen Steckergehäuse passen. Um ein elektrisches Übersprechen von dem Sendewandler auf den Empfangswandler zu unterdrücken, ist die Verbindungswand zwischen den beiden Kammern elektrisch leitend ausgestaltet . Dies kann beispielsweise durch eine elektrisch leitende Vergussmasse geschehen.
Eine andere Ausführungsform sieht zur Vermeidung eines elektrischen Übersprechens Öffnungen in der Verbindungswand vor. Diese sind dabei derart ausgeführt, dass sie mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen bzw. gefüllt sind und eine metallisch leitende Wand für die elektro-magnetische Abstrahlung darstellen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 den grundlegenden Aufbau eines Aufnahme- und Koppelteils;
Figur 2 ein Aufnahme- und Koppelteil gemäß Figur 1 mit daran angeordneten Masse-Pins in geschnittener Seitenansicht und in Draufsicht;
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aufnahme- und Koppelteils zusammen mit einem Steckergehäuse, das auf das Aufnahme- und Koppelteil aufsetzbar ist;
Figur 4 einen Schnitt durch ein Aufnahme- und Koppelteil bei der Anordnung eines Fotodetektors;
Figur 5 einen Schnitt durch ein Aufnahme- und Koppelteil bei der Anordnung eines Sendeelementes und nach Abtrennen des Leadframes;
Figur 6 das fertigmontierte Aufnahme- und Koppelteil in der Empfängerausführung in der Vorderansicht und in Schnittansicht ;
Figur 7 das montierte Aufnahme- und Koppelteil in der Sendeausführung in der Vorderansicht und als Schnittansicht;
Figur 8 die Ankopplung eines Aufnahme- und Koppelteils in einem Steckergehäuse;
Figur 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aufnahme- und Koppelteils in Seitenansicht, Hintenansicht und Vorderansicht ;
Figur 10 die Anbringung eines Empfangselementes auf einem Leadframe als Verfahrensschritt zur Herstellung eines Aufnahme- und Koppelteils gemäß Figur 9;
Figur 11 einen Verfahrensschritt bei der Herstellung eines Aufnahme- und Koppelteils gemäß der Figur 9;
Figur 12 ein gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Figur 9 leicht abgeändertes Ausführungsbeispiel eines Aufnahme- und Koppelteils mit einem Empfangselement,-
Figur 13 in Vorderansicht ein Aufnahme- und Koppelteil, auf dessen Träger sowohl eine Sendediode als auch eine Monitordiode angeordnet sind;
Figur 14 eine alternative Ausgestaltung eines Aufnahme- und Koppelteils mit einem plan ausgeführten Träger;
Figur 15 das Aufnahme-Koppelteil der Figur 14 in Schnittansicht und Untenansicht während der Herstellung und
Figur 16 ein Verf hrensschritt bei der Herstellung mehrerer Aufnahme- und Koppelteile.
Figur 1 zeigt die Grundkomponente eines Aufnahme- und Koppelteils. Diese besteht aus einem Zylinder 1, der eine ZylinderWandlung 101 aufweist, die eine zylindrische
Aussparung 102 definiert und umgibt. Der Zylinder 1 ist symmetrisch ausgebildet und weist eine optische Achse 103 auf. Die Achse 103 bildet die optische Achse eines Sendebzw. Empf ngselementes, das in dem Aufnahme- und Koppelteil in einem Vergussmaterial angeordnet wird. Der Zylinder 1 besteht aus einem leitenden Spritzgussmaterial oder ist mit einer elektrisch leitenden Ummantelung umgeben.
Zur Aufnahme eines einen Träger bildenden Leadframes mit dem jeweiligen optischen Wandlerelement (beispielsweise Fotodiode oder RCLED) ist das Aufnahme- und Koppelteil mit Aufnahmebuchsen 104 versehen und Zylinderwand in diesem Bereich 105 verstärkt. In die Aufnahmebuchsen 104 werden Masse-Pins des Leadframes eingeführt, die die Masseverbindung vom Aufnahme- und Koppelteil zur Masseschirmung mit der Leiterplatte sicherstellen.
Das Aufnahme- und Koppelteil 1 stellt ein auch als CAI- (Cavity-AS-Interface) Gehäuse bezeichnetes Teil dar, das zum einen der Aufnahme eines Sende- und/oder Empfangselementes, angeordnet auf einem Träger in einem Vergussmaterial, und zum anderen der Ankopplung einer Lichtleitfaser dient . Es wird im folgenden auch als CAI-Gehäuse 1 bezeichnet.
In der Figur 2 sind leicht alternative AusführungsVarianten dargestellt, bei der Masse-Pins 104' bei der Herstellung des CAI-Gehäuses direkt mit eingespritzt werden. Die Justage eines Leadframes erfolgt dann über Führungsnuten 106 am Randbereich des Zylinders 1.
Mittels des CAI-Gehäuses sind alle geometrischen Abmaße in Bezug auf die optische Ankopplung einer Lichtleitfaser vorgegeben. Somit stellen die Abmaße Außendurchmesser, Innendurchmesser und die freie Weglänge bis zum Gießkörper im CAI-Gehäuse ein standardisiertes mechanisches Interface zu einem anzukoppelnden Stecker dar. Die Abmaße eines Steckergehäuses müssen den Abmaßen des CAI-Gehäuses angepasst sein, damit das CAI-Gehäuse passgenau in ein Steckergehäuse eingebaut werden kann.
In der Figur 3 sind die wesentlichen Abmaße A, B, C, D dargestellt, die vom CAI-Gehäuse in ein Steckergehäuse 2 übertragen werden müssen.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 weist der Zylinder 1 ebenfalls einen verstärkten Randbereich 105 auf; dieser ist mit einem Formschlussbereich, beispielsweise einem umlaufenden Graben 107 versehen, der es erlaubt, das CAI- Gehäuse auch in der Wand des Steckergehäuses 2 zu arretieren. Eine vollständige Umhüllung des CAI-Gehäuses durch das Steckergehäuse ist damit nicht erforderlich. Vielmehr kann ersteres auch freibleibend als Rüssel in das Steckergehäuse 2 hineinragen.
Figur 4 zeigt einen Schnitt durch den Aufbau zur Herstellung eines Fotodetektors. Das CAI-Gehäuse mit dem Zylinder 1 ist unten durch einen Stempel 3 verschlossen. Auf der Stempeloberfläche 301 ist eine Ankoppellinse 302 in negativer Form und mit Faseranschlagssicherung ausgeführt . Die
Faseranschlagssicherung bzw. ein Faseranschlagsring ist im Außenbereich ausgebildet und weist einen etwa 50 μm langen Vorsprung 303 in Bezug auf den Linsenscheitel auf. Ein Leadframe 4 mit einer Fotodiode 5 ist in den Gießkörper eingetaucht und wird ausgehärtet. Ein Befüllen des
Zylinderinneren mit einer Vergussmasse erfolgt dabei in Richtung der optischen Achse, also von oben.
Der Leadframe bildet einen Katodenkontakt K und einen Anodenkontakt A aus, die sich in Richtung der optischen Achse erstrecken. Über einen Bonddraht 6a, 6b erfolgt jeweils eine Kontaktierung der Fotodiode 5.
Die Figur 5 zeigt eine Anordnung entsprechend der Anordnung der Figur 4 mit einem Sendeelement 6. Es wird darauf hingewiesen, dass der Leadframe mit den Kontaktelementen K, A einen um 90° abgewinkelten Bereich 401 ausbildet, auf dem das Sendeelement 6 bzw. bei der Figur 4 das Empfangselement 5 montiert wird.
Figur 6 zeigt das montierte CAI-Gehäuse mit einem Al- laminierten Flexfolienschaltungsträger in der Empf ngerausführung in der Vorderansicht und als Schnittansieht . Die „Optik" ist auf den Bereich des transparenten Gießkörpers beschränkt. Die elektrische
Beschaltung ist im Stand der Technik realisiert. Die Al-Folie dient zum einen der Abschirmung gegen elektro-magnetische Strahlen und zum anderen der Wärmeabfuhr .
Die Figur 7 zeigt das montierte CAI-Gehäuse auf einem Al- laminierten Flexfolienschaltungsträger in der Sendeausführung.
In Figur 8 ist die Ankopplung des CAI-Gehäuses in der Empfängerausführung beispielhaft an einem SMI (Small Multimedia Interface-Steckergehäuse) 2 dargestellt. Ein aufgesteckter POF-Stecker 7 mit einer Lichtleitfaser 8 ist in das CAI-Gehäuse eingesteckt und wird ausschließlich durch die Abmaße des CAI-Gehäuses fixiert. Es liegt ein mechanisches Interface vor. Unter Einhaltung der standardisierten mechanischen Abmaße des CAI-Gehäuse kann mit diesem Konzept jedes Steckerbild mit einem optischen Transceiver, bestehend aus Sende- und Empfängerbaustein, versehen werden.
In der Figur 9 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Leadframe 4 vertikal zur optischen Achse aus dem Zylinder 1 herausgeführt wird. Der Leadframe ist dabei S- förmig gebogen, so dass er in das Innere der zylindrischen Aussparung 102 hineinragt und dementsprechend bei einer Befullung mit einem Vergussmaterial vollständig umhüllt wird.
In der Figur 10 ist der Leadframe 4 mit einer Empfangsdiode 5 dargestellt. In der Schnittansieht ist zu erkennen, dass zur Herstellung der „S-Form" der Leadframe gebogen wird.
Die Figur 11 zeigt das Aufnahme- und Koppelteil nach dem Einbringen des Leadframes in das CAI-Gehäuse. Das durch den
Zylinder 1 gebildete CAI-Gehäuse weist zwei offene Enden auf. Das untere Ende ist durch einen Stempel 3 verschlossen. Über das obere Ende wird das Vergussmaterial eingefüllt. Nach dem Aushärten des Vergussmaterials wird der Stempel wieder entfernt.
Figur 12 zeigt eine leicht alternative Ausgestaltung des CAI- Gehäuses der Figur 11, bei dem zusätzliche passive Ausrichtelemente 18 vorhanden sind.
Die Figur 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zusätzlich zu einer Sendediode 6 eine Monitordiode 9 auf dem
Leadframe angebracht ist .
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 14 ist der Leadframe ebenfalls senkrecht zur optischen Achse angeordnet. Der Leadframe ist jedoch plan ausgebildet. Dementsprechend wird es über eine seitliche Öffnung 10 in der Wandung des Zylinders 1 in die zylindrische Aussparung 102 eingeführt. Über die Öffnung 10 erfolgt auch ein Befüllen mit Vergussmaterial .
Die Figur 15 zeigt das Aufnahme- und Koppelteil nach dem Einführen eines Stempels 3 an dem einen Ende des Zylinders 1. Um zum Befüllen einen Hohlraum bereitzustellen, ist das andere Ende des Zylinders durch eine Abdeckkappe 11 verschlossen.
Die Figur 16 schließlich zeigt einen Verfahrensschritt, bei dem ein gemeinsamer Leadframe für mehrere CAI-Gehäuse verwendet wird. Nach einem Biegen der Leadframebeinchen durch ein Presselement 12 werden die Beinchen längs einer Schnittlinie 13 abgetrennt.
Anzumerken ist, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern Modifikationen und Variationen im Rahmen des durch die Ansprüche definierten Schutzbereiches umfasst.