DE10196763B3

DE10196763B3 - Optische Kopplungsanordnung und optischer Stecker

Info

Publication number: DE10196763B3
Application number: DE10196763A
Authority: DE
Inventors: Andreas Stockhaus; Mario Festag
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2021-08-01
Also published as: WO2003014790A1; US20040156595A1

Abstract

Optische Kopplungsanordnung mit
– mindestens einem optischen Stecker (1), der mindestens ein optisches Faserendstück (4) aufweist, das mittels einer Feder (6) axial federnd angeordnet ist,
– einem Kopplungspartner (3), der einen optischen Port (30) zur Aufnahme des mindestens einen optischen Steckers (1) sowie mindestens ein opto-elektronisches Bauelement aufweist, und
– einer metallischen Struktur (9), wobei der Kopplungspartner (3) derart in Bezug auf die metallische Struktur (9) anordbar ist, daß der optische Port (30) durch einen Ausschnitt (91) der metallischen Struktur (9) ragt und sich außerhalb der metallischen Struktur befindet, während das opto-elektrische Bauelement sich innerhalb der metallischen Struktur befindet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Feder (6) des optischen Steckers (1) aus einem keramischen Werkstoff besteht oder einen solchen enthält.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Kopplungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen optischen Stecker gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Es ist bekannt, opto-elektronische Transceiver für die optische Datenübertragung auf einer Leiterplatte anzuordnen. Insbesondere sind steckbare, sogenannte Small-Form-Factor-Pluggable (SFP)-Transceiver kleiner Bauart bekannt, die in einem Gehäuse auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Die Transceiver weisen in an sich bekannter Weise opto-elektronische Wandler wie einen Fabric Perot Laser oder VCSEL-Laser und eine Fotodiode auf. Eine Ein- bzw. Auskopplung von infrarotem Licht zwischen einem Transceiver und einem optischen Netzwerk erfolgt über eine Steckeraufnahme oder allgemeiner einen optischen Port, in den ein optischer Stecker einsteckbar ist.

Dabei ist es üblich, die Leiterplatte mit dem opto-elektronischen Transceiver in einem metallischen Gehäuse, etwa dem Gehäuse eines Großrechner oder Servers anzuordnen. Das Gehäuse dient unter anderem der Abschirmung elektromagnetischer Störstrahlung, die insbesondere bei hohen Taktraten im Gigahertz-Bereich entsteht. Es besteht jedoch das Problem, das der optische Port mit dem eingesteckten optischen Stecker oder zumindest ein mit dem optischen Stecker verbundenes Kabel aus dem Gehäuse herausgeführt werden müssen. Über die dabei entstehende Diskontinuität bzw. Öffnung in der Gehäusewand (backplane) wird elektromagnetische Störstrahlung aus dem Inneren des Gehäuses nach außen abgestrahlt. Das Problem nimmt mit ansteigenden Taktraten der verwendeten Transceiver zu.

Zur Minimierung der elektromagnetischen Abstrahlung existieren mehrere Lösungsvorschläge. Beispielsweise wird im Falle eines Kabels, das durch die Gehäusewand hindurchgeführt wird, die Kabelabschirmung elektrisch an die Gehäusedurchführung angeschlossen.

Bei optischen Steckern besteht diese Möglichkeit jedoch nicht. Vielmehr kommt es zu elektromagnetischen Überkopplungen zwischen leitenden Teilen der optischen Stecker und leitenden Teilen des Transceivers, die gegenüber dem Gehäuse potentialverschieden sind. Bei letzteren handelt es sich beispielsweise um Signalmasseflächen des Transceivers, d.h. Flächen, die auf „Signal Ground" gelegt sind. Die auf die leitenden Teile eines optischen Steckers überkoppelten Signale werden von diesen ungestört nach außen abgestrahlt.

Leitende bzw. metallische Teile eines optischen Steckers, auf die eine Überkopplung elektromagnetischer Störstrahlung erfolgt, sind insbesondere Stahlfedern, die regelmäßig zur Vorspannung eines optischen Faserendstücks (Ferrule) in einem optischen Stecker angeordnet sind. Ein optischer Stecker mit Stahlfedern ist beispielsweise in der US-A-6 234 682 beschrieben. Versuche, diese Überkopplung durch die Verwendung von Federn aus einem Kunststoffmaterial zu verhindern, blieben insofern erfolglos, als Kunststofffedern bei Dauerbelastung ihre Federspannung verlieren und daher nicht brauchbar sind.

Aus der US 6 200 041 B1 ist eine optische Kopplungsanordnung bekannt, bei der ein optischer Stecker mit einem Kopplungspartner verbunden wird. Der Kopplungspartner weist opto-elektronische Bauelemente und einen optischen Port auf. Über den optischen Port und die opto-elektronischen Bauelemente wird eine äußere metallische Abschirmung geschoben, um den Einfluss der Störemission durch elektromagnetische Wellen, insbesondere durch elektromagnetische Interferenz (EMI), zu reduzieren.

Aus der EP 0 393 226 B1 ist eine Keramikfeder sowie deren Herstellungsverfahren zur Anwendung im Hochtemperaturbereich und in starken Säuren bekannt.

Aus dem US-Patent 5 678 809 ist eine Feder mit einem in seine Oberfläche eingearbeiteten keramischen Werkstoff zur Anwendung im Hochtemperaturbereich bekannt.

Aus der Druckschrift Iyer, V.R.; Ungvichian, V.; Neelakanta, P.S.: „A titanium-dioxide based ceramic composite dispersed with conducting inclusions as an EMI shielding material"; Electromagnetic Compatibility, 1993. Symposium Record. 1993 IEEE International Symposium on 9–13 Aug. 1993, p. 168–169 ist es bekannt, dass sich ein auf Titanoxid basierender keramischer Verbundwerkstoff als Material zur Reduzierung der Störemission durch elektromagnetische Wellen, insbesondere zur Abschirmung der elektromagnetischen Interferenz (EMI), eignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Kopplungsanordnung und einen optischer Stecker zur Verfügung zu stellen, die Störemissionen durch elektromagnetische Wellen auch bei hohen Frequenzen wirkungsvoll reduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Kopplungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen optischen Stecker mit den Merkmalen des Anspruch 8 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Feder des optischen Steckers zumindest teilweise aus einem keramischen Werkstoff besteht, d.h. einen keramischen Werkstoff enthält oder vollständig aus einem solchen besteht. Durch Verwendung einer nichtmetallischen Feder aus einem keramischen Werkstoff wird verhindert, daß elektromagnetische Störstrahlung auf den optischen Stecker überkoppelt und dann von diesem wie von einer Antenne abgestrahlt wird. Hierdurch wird insbesondere die elektromagnetische Störstrahlung im Bereich der Diskontinuität einer metallischen Struktur, durch die der optische Port des Kopplungspartners des optischen Steckers ragt, erheblich reduziert. Gleichzeitig wird durch eine Keramikfeder eine Feder mit einer auch im Dauerbetrieb im wesentlichen konstanten Federkonstanten bereitgestellt. Dies folgt aus den inhärenten Eigenschaften keramischer Werkstoffe.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Feder aus einem oxidkeramischen Werkstoff, insbesondere Aluminiumtitanat oder Aluminiumoxid. Die Herstellung der Feder erfolgt dabei zum Beispiel durch Herausarbeiten der Feder aus einem extrudierten, länglichen Keramikrohr mittels Schleifen. Ein weiteres Herstellungsverfahren sieht vor, einen Draht aus einem keramischen Material zu extrudieren, den Draht zu einer Feder zu wickeln und dann zu brennen bzw. zu verfestigen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Feder aus einem Kunststoff, in den Keramikpartikel eingelagert und verfestigt sind. Bei den Keramikpartikeln kann es sich wiederum beispielsweise um Partikel aus Aluminiumtitanat oder Aluminiumoxid handeln.

Die Herstellung einer solchen Feder erfolgt bevorzugt durch Spritzgießen mit Keramikmaterial. Dabei werden Keramikpartikel in eine Kunststoffmatrix eingelagert und ähnlich einem Kunststoffteil in einer Spritzgußform geformt und nachfolgend entbindert und verfestigt. Im sogenannten „ceramic injection molding" wird der Kunststoff dabei vollständig entfernt, so daß ein reines Keramikmaterial übrig bleibt. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, daß der Kunststoff nicht vollständig entfernt wird, so daß ein Kunststoff mit darin eingelagerten Keramikpartikeln vorliegt. Die gewünschten physikalischen Eigenschaften des Materials können dabei insbesondere durch den Anteil der Keramikpartikel eingestellt werden.

Bei der Feder handelt es sich bevorzugt um eine zylindrische Schraubendruckfeder (helical compression spring). Je nach Art der Verbindung der Feder mit dem optischen Faserendstück können jedoch auch andere Federn wie etwa Tellerfedern verwendet werden.

Der optische Stecker ist in einer Ausgestaltung einkanalig ausgebildet, wobei das optische Faserendstück eine Lichtleitfaser enthält. Die Lichtleitfaser koppelt dabei mit einer zugehörigen Lichtleitfaser eines Kopplungspartners. Es liegt jedoch ebenso im Rahmen der Erfindung, den Stecker mehrkanalig auszubilden, wobei das optische Faserendstück ggf. eine Vielzahl von Lichtleitfasern enthält. Eine typische Anwendung in letzterem Fall ist die Datenübertragung über mehrere parallele optische Datenkanäle. Wichtig ist allein, daß es sich bei der Feder des Steckers um eine Keramikfeder handelt, d.h. die Feder aus einem keramischen Material besteht oder solches enthält und dabei nichtleitend ist.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer Kopplungsanordnung mit einem optischen Stecker und einem Kopplungspartner;

2 eine perspektivische Ansicht der Kopplungsanordnung der 1 nach Einstecken des optischen Steckers in den Kopplungspartner;

3 schematisch eine perspektivische Ansicht des Vorderteils eines optischen Steckers entsprechend der 1 und

4 schematisch eine perspektivische Ansicht des Vorderteils eines alternativen optischen Steckers.

1 zeigt zwei gleichartig ausgebildete optische Stecker 1, die jeweils am Ende eines optischen Kabels 2 montiert und dazu vorgesehen sind, in einen optischen Port 30 mit zwei Steckeraufnahmen 31, 32 eines Transceivers 3 eingesteckt zu werden.
Die optischen Stecker 1 weisen jeweils ein Kunststoffgehäuse 11 auf, in dem in an sich bekannter Weise ein an der Frontseite des Steckers 1 herausragendes, in Steckrichtung in dem Gehäuse federnd gelagertes optisches Endstück 4 angeordnet ist (vgl. 3), das üblicherweise als Ferrule bezeichnet wird. Die Ferrule 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Keramikferrule, in der eine optische Faser 5 geführt wird.
Zur federnden Lagerung der Ferrule 4 ist eine schematisch dargestellte zylindrische Schraubendruckfeder 6 vorgesehen, die in axialer Richtung einen Federdruck auf die Ferrule 4 ausübt. Die Feder 6 besteht aus einem keramischen Werkstoff, beispielsweise Aluminiumtitanat oder Aluminiumoxid. Ebenfalls kann vorgesehen sein, daß die Feder 6 aus in Kunststoff verfestigten Keramikpartikeln besteht.
Der optische Stecker 1 weist des weiteren ein Rastelement 12 mit Rastnasen 13 und einem Betätigungshebel 14 auf. Das Rastelement 12 dient zur Verrastung des optischen Steckers 1 in korrespondierenden Strukturen der Steckeraufnahme 31, 32 des Transceivers 3.
Alternativ sind die beiden Stecker 1 als Duplex-Stecker ausgebildet und hierzu mit einem Plastikclip (nicht dargestellt) miteinander verbunden.
Der Transceiver 3 weist in an sich bekannter Weise ein Sendebauelement (z.B. Farbic Perot Laser oder VCSEL-Laser) und ein Empfangsbauelement (z.B. Fotodiode) auf (nicht gesondert dargestellt), die über den optischen Port 30 mit den beiden Steckeraufnahmen 31, 32 optische Signale empfangen bzw. senden. Alternativ besitzt der Transveiver nur ein Sendebauelement oder nur ein Empfangsbauelement, wobei der optische Port dann nur eine Steckeraufnahme aufweist.
Der Transceiver 3 ist in ein Gehäuse 7 eingeschoben, das auf eine Leiterplatte 8 aufgesetzt ist und der Halterung, Abschirmung und Kontaktierung des Transceivers 3 dient. Das Gehäuse 7 bildet einen Blechkäfig aus, der üblicherweise aus einer Kupferlegierung oder Stahllegierung besteht und aus einem mit der Leiterplatte 8 verbundenen Unterteil 71 und einem darauf aufsetzbaren Oberteil 72 ausgebildet ist. Ein in dem Gehäuse 7 angeordnetes Steckerteil (nicht dargestellt) dient der Kontaktierung entsprechender Kontakte des Transceivers 1.
Der Transceiver 3 ist gemäß 1 und 2 hinter einer metallischen Gehäusewand bzw. Rückwand (Backplane) 9 angeordnet, die Teil des Gehäuses beispielsweise eines Servers oder anderen Computers ist. Der Transceiver 3 ist derart in der Rückwand 9 angeordnet, daß der optische Port 30 des Transceivers durch eine Öffnung 91 in der Rückwand 9 hindurchragt, während die opto-elektronischen Komponenten (Laserdiode, Fotodiode) hinter der Rückwand 9 angeordnet sind. Das Gehäuse 7 des Transceivers 3 ist dabei über Kontaktfedern 73 mit der metallischen Rückwand 9 gekoppelt. Die Öffnung 91 der Rückwand 9 stellt eine Diskontinuität dar, über die elektromagnetische Störstrahlung nach außen ausgekoppelt werden kann.
In der 2 sind die beiden Stecker 1 in den optischen Port 30 des Transceivers 3 eingesteckt. Die Rastnasen 13 des Rastelements 12 sind dabei mit entsprechenden Strukturen der Steckeraufnahmen 31, 32 lösbar verrastet. Die Ferrule 4 mit der optischen Faser 5 koppelt mit einer entsprechenden Ferrule des Transceivers (nicht dargestellt). Durch die keramische Feder 6 und die durch die keramische Feder 6 zur Verfügung gestellte axiale Federkraft wird eine sichere Kopplung mit der jeweiligen Ferrule oder auch anderen Strukturen des Kopplungspartners 3 bereitgestellt.
Der optische Stecker besteht ausschließlich aus nichtmetallischen Komponenten. Insbesondere besteht auch die Feder 6 aus einem nichtmetallischen Material, nämlich einem keramischen Werkstoff. Der keramische Werkstoff stellt eine auch bei Dauerbelastung der Feder 6 nur geringfügig abnehmbare Federkraft zur Verfügung.
Da die Feder 6 des optischen Steckers aus einem keramischen Werkstoff besteht, werden die Überkopplung von elektromagnetischer Störstrahlung auf die Feder und eine anschließende Abstrahlung der Störstrahlung von der Feder in den Außenraum wirkungsvoll verhindert. Die Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung durch die Öffnung 91 der Rückwand 9 wird dadurch auch bei hohen Signalfrequenzen im Gigahertz-Bereich reduziert. Dies ermöglicht erst, den optischen Port 30 des Transceivers auch bei hohen Signalfrequenzen in einfach zugänglicher Weise aus der Rückwand 9 herausragen zu lassen.
In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der optische Stecker mehrkanalig ausgebildet ist. Das Vorderteil eines derartigen Steckers 1' ist in 4 dargestellt. Das ebenfalls als "Ferrule" bezeichnete optische Faserendstück 4' enthält neben Öffnungen 41' für Positionierstifte eine Vielzahl von Lichtfasern 5'. Es handelt sich bei dem Faserendstück 4' beispielsweise um eine Standard MT-Ferrule. Dabei ist wiederum vorgesehen, daß eine in dem Stecker 1' angeordnete Feder aus einem keramischen Werkstoff ausgebildet ist.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausgestaltung nicht auf die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf besondere optische Stecker oder deren spezielle Anordnung in einem Kopplungspartner oder in Bezug auf eine metallische Rückwand beschränkt. Wesentlich ist allein, daß eine Feder eines optischen Steckers aus einem keramischen Material besteht oder ein solches enthält und somit in reduziertem Maße oder sogar überhaupt nicht elektromagnetische Strahlung abstrahlen kann.

Claims

Optische Kopplungsanordnung mit – mindestens einem optischen Stecker (1), der mindestens ein optisches Faserendstück (4) aufweist, das mittels einer Feder (6) axial federnd angeordnet ist, – einem Kopplungspartner (3), der einen optischen Port (30) zur Aufnahme des mindestens einen optischen Steckers (1) sowie mindestens ein opto-elektronisches Bauelement aufweist, und – einer metallischen Struktur (9), wobei der Kopplungspartner (3) derart in Bezug auf die metallische Struktur (9) anordbar ist, daß der optische Port (30) durch einen Ausschnitt (91) der metallischen Struktur (9) ragt und sich außerhalb der metallischen Struktur befindet, während das opto-elektrische Bauelement sich innerhalb der metallischen Struktur befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (6) des optischen Steckers (1) aus einem keramischen Werkstoff besteht oder einen solchen enthält.
Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (6) aus einem oxidkeramischen Werkstoff besteht.
Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (6) aus einem Kunststoff besteht, in den Keramikpartikel eingelagert und verfestigt sind.
Kopplungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Stecker (1) einkanalig ausgebildet ist und das optische Faserendstück (4) eine Lichtleitfaser (5) enthält.
Kopplungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Stecker (1') mehrkanalig ausgebildet ist und das optische Faserendstück (4') eine Vielzahl von Lichtleitfasern (5') enthält.
Kopplungsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stecker (6) betätigbare Rastmittel (12, 13, 14) zu einer rastenden Verbindung mit dem Kopplungspartner (3) aufweist.
Kopplungsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Struktur (9) eine Gehäusewand eines Computers ist.
Optischer Stecker, insbesondere für eine optische Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, mit mindestens einem optischen Faserendstück (4, 4'), das mittels einer Feder (6) axial federnd angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (6) aus einem keramischen Werkstoff besteht oder einen solchen enthält.
Optischer Stecker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (6) aus einem oxidkeramischen Werkstoff besteht.
Optischer Stecker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (6) aus einem Kunststoff besteht, in den Keramikpartikel eingelagert und verfestigt sind.
Optischer Stecker nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (6) eine zylindrische Schraubenfeder ist.
Optischer Stecker nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stecker (1) betätigbare Rastmittel (12, 13, 14) zu einer rastenden Verbindung mit einem Kopplungspartner (13) aufweist.