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Die
Erfindung betrifft im allgemeinen faseroptische Vorrichtungen und
insbesondere eine optische Unterbaugruppe zur Verwendung bei faseroptischen
Systemen.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Bei
der Herstellung einer faseroptischen Vorrichtung zur Zwischenverbindung
optischer Fasern kann es von Vorteil sein, einen Teil der Vorrichtung als
eine optische Unterbaugruppe herzustellen, die als eine getrennte
Einheit getestet werden kann. Beispielweise kann die optische Unterbaugruppe
eine Halbleiterlichtquelle oder einen Photodetektor und andere optische
Komponenten umfassen. Falls die optische Unterbaugruppe von der
transmissiven Bauart ist, wird die optische Unterbaugruppe typischerweise
eine Halbleiterlichtquelle umfassen. Falls andererseits die optische
Unterbaugruppe von der Bauart eines Empfängers ist, wird die optische
Unterbaugruppe einen Photodetektor umfassen.
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Bei
einer wichtigen Bauart einer optischen Unterbaugruppe wird ein Transistor-Outline(TO)-Gehäuse-Paket
(can package) verwendet, das eine Halbleiterlichtquelle oder einen
Photodetektor enthält.
Eine optische Unterbaugruppe, bei der ein TO-Gehäuse-Paket verwendet wird, ist
im US-Patent 5,537,504 von Cina et al. beschrieben. Die optische Unterbaugruppe
von Cina et al. umfaßt
ein gegossenes Kunststoffgehäuse
mit einem an einem Ende des Gehäuses
befestigten TO-Gehäuse-Paket.
Zur Befestigung des Gehäuses
am TO-Gehäuse-Paket
wird ein Epoxidkleber verwendet. Die optische Unterbaugruppe von
Cina et al. umfaßt
auch eine Linse, die im gegossenen Kunststoffgehäuse zwischen dem TO-Gehäuse-Paket
und einer optischen Faser angeordnet ist.
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Ein
Nachteil bei optischen Unterbaugruppen, bei welchen ein TO-Gehäuse-Paket
verwendet wird, besteht darin, daß die TO-Gehäuse-Pakete
relativ kostspielig sind. Zusätzlich
sind TO-Gehäuse-Pakete typischerweise
nicht zur Aufnahme von elektrischen Eingängen und Ausgängen mit
hoher Dichte eingerichtet und sind mit den meisten kommerziell erhältlichen
Hochgeschwindigkeitsmontagegeräten
für Halbleiter
nicht kompatibel. Des weiteren sind TO-Gehäuse-Pakete
sperrig und führen
zu elektrischen Störeffekten
(z.B. Kapazität,
Widerstand, Induktivität),
die die Hochgeschwindigkeitsleistungsfähigkeit dieser Pakete begrenzen.
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Bei
einer weiteren wichtigen Bauart optischer Unterbaugruppen wird ein
Unterträger
verwendet, wie beispielsweise eine Mikro-bearbeitete Mikroplatte
aus Silizium, auf der eine optoelektronische Vorrichtung und andere
optische Komponenten getragen werden. Der Unterträger ist
typischerweise ein Halbleitersubstrat mit einer Anzahl geätzter Vertiefungen
zum Befestigen der Vorrichtung und von Komponenten auf dem Unterträger. Im
US-Patent 5,264,392 von Gaebe et al. wird eine optische Unterbaugruppe
mit einem auf Silizium basierenden Unterträger beschrieben. Der Unterträger trägt eine
zylinderförmige
Gradientenlinse (GRIN), einen optischen Isolator, eine optoelektronische
Vorrichtung und eine sphärische
Linse.
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Ein
Nachteil optischer Unterbaugruppen, bei welchen ein Unterträger verwendet
wird, besteht darin, daß Unterträger ähnlich wie
die optischen Untergruppen der TO-Gehäuse-Bauart im allgemeinen kostspielig
sind. Zusätzlich
ist das Material mit hoher Qualität zur Herstellung der Unterträger momentan lediglich
von einer begrenzten Anzahl von Lieferanten erhältlich.
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Während bekannte
optische Unterbaugruppen ihren Zweck gut erfüllen, sind Verbesserungen bei
der Leistungsfähigkeit
und bei der Reduzierung der Herstellungskosten wünschenswert. Insbesondere werden
Konstruktionen für
kostengünstige
Pakete benötigt,
die die Montage mehrerer optischer Quellen oder Detektoren in einem
kleinen Volumen zulassen.
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Die
US 5,625,732 offenbart ein
Substrat mit einer darauf montierten photonischen Vorrichtung mit einem
Arbeitsabschnitt, der funktionstechnisch mit zumindest einem elektrischen
Anschluß verbunden ist.
Ein gegossenes optisches Teil mit einer Oberfläche für den Eintritt und Austritt
eines Lichtsignals ist so hergestellt, daß das Substrat, die photonische Vorrichtung
und ein Teil des ersten und zweiten elektrischen Anschlusses eingeschlossen
sind.
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Abriß der Erfindung
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Bei
einer optischen Unterbaugruppe gemäß Anspruch 8 und einem Verfahren
zur Herstellung derselben gemäß Anspruch
1 wird ein Unterbaugruppenkörper
verwendet, der durch Formen des Unterbaugruppenkörpers auf ein Substrat hergestellt
wird. Vorzugsweise wird der Unterbaugruppenkörper aus einem Polymermaterial
hergestellt, das mit einer präzisen
Formgebung direkt auf das Substrat geformt werden kann. Der Unterbaugruppenkörper und
das Substrat bilden eine integrierte Einheit, nachdem das geschmolzene
Polymermaterial polymerisiert ist.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung erleichtert die optische Unterbaugruppe den Durchlaß bzw. den
Empfang von Lichtsignalen, die sich ausschließlich in einer einzigen Ebene
ausbreiten. Die optische Unterbaugruppe gemäß der ersten Ausführungsform
umfaßt
ein optisches Element, den Unterbaugruppenkörper, das Substrat, eine optoelektronische
Vorrichtung und einen integrierten Sender- oder Empfängerschaltungschip
(IC).
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Wie
oben erläutert
bilden der Untergruppenbaukörper
und das Substrat eine integrierte Einheit. Die anderen Komponenten
sind an der integrierten Einheit befestigt. Die optoelektronische
Vorrichtung und der Sender/Empfänger-IC-Chip
können
am Substrat befestigt sein, während
das optische Element am Körper
der gegossenen Unterbaugruppe befestigt ist. Vorzugsweise handelt
es sich bei dem Substrat um eine flexible Schaltung mit einer Anzahl
elektrischer Leitungen. Die flexible Schaltung kann aus einem Polymermaterial
hergestellt sein. Die optoelektronische Vorrichtung kann eine Lichtquelle und/oder
ein Detektor sein, der auf einer Seite der flexiblen Schaltung befestigt
ist, während
der Sender/Empfänger-IC-Chip
an der gegenüberliegenden Seite
befestigt ist. Alternativ kann der Sender/Empfänger-IC-Chip auf derselben
Seite der flexiblen Schaltung wie die Lichtquelle und/oder der Detektor befestigt
sein. Die Position des Sender/Empfänger-IC-Chips auf der flexiblen
Schaltung ist für
die Erfindung nicht kritisch. Die optoelektronische Vorrichtung
ist so auf dem Substrat angeordnet, daß sich die optoelektronische
Vorrichtung in einer Öffnung
im Unterbaugruppenkörper
befindet.
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Die
optoelektronische Vorrichtung und der Sender/Empfänger-IC-Chip
können
auf dem Substrat unter Verwendung eines leitfähigen Epoxids, Lötmittels
oder eines anderen vergleichbaren Materials befestigt sein. Zusätzlich können die
optoelektronische Vorrichtung und der Sender/Empfänger-IC-Chip mittels
Drahtverbindungen oder über
Flip-Chip-Kontakte mit dem Substrat elektrisch verbunden sein. Zusätzlich können die
optoelektronischen Vorrichtungen und ihre zugeordneten Sender/Empfänger-IC-Chips
am Substrat befestigt sein.
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Das
optische Element ist vorzugsweise am Unterbaugruppenkörper befestigt.
Die Rückseitige Fläche des
optischen Elements ist so angeordnet, daß die Öffnung des Unterbaugruppenkörpers, der die
optoelektronische Vorrichtung enthält, eine geschlossene Vertiefung
bildet, wel che die optoelektronische Vorrichtung einschließt. Bei
dem optischen Element kann es sich um eine oder mehrere Linsen oder
eine andere Optik handeln, die dazu konfiguriert ist, eine wirksame
Kopplung optischer Fasern mit der optoelektronischen Vorrichtung
zu gewährleisten. Das
optische Element kann mechanische Abstandshalter (Stand-Offs) umfassen,
um sicherzustellen, daß ein
geeigneter Abstand zwischen den optischen Fasern und dem optischen
Element aufrecht erhalten bleibt, wenn ein faseroptisches Bandkabel
an der optischen Unterbaugruppe befestigt wird.
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Eine
zweite Ausführungsform
der Erfindung umfaßt
dieselben Komponenten der optischen Unterbaugruppe wie die erste
Ausführungsform
der Erfindung, jedoch mit einer anderen Konfiguration des optischen
Elements, des Unterbaugruppenkörpers
und des Substrats. Die Konfiguration der optischen Unterbaugruppe
gemäß der zweiten
Ausführungsform ist
primär
so aufgebaut, daß Lichtsignale
aufgenommen werden, die in einer ersten Richtung von der optoelektronischen
Vorrichtung ausgesandt oder empfangen werden. Jedoch werden die
Lichtsignale in einer Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung
ist, zu optischen Fasern durchgelassen oder von optischen Fasern
empfangen. Dies wird durch ein optisches Element ermöglicht,
durch das eine optische Drehung von 90° für Lichtsignale gewährleistet
wird, um sich horizontal ausbreitende Lichtsignale von den optischen
Fasern in eine vertikale Richtung umzulenken, oder um sich vertikal
ausbreitende Lichtsignale von der optoelektronischen Vorrichtung
in eine horizontale Richtung zu lenken. Das optische Element kann
optische Führungsadern
oder Kanäle
umfassen, um die Ausbreitungsrichtung der Lichtsignale zu ändern.
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Um
eine Änderung
der Ausbreitungsrichtung der Lichtsignale zu erleichtern, ist der
Unterbaugruppenkörper
so konfiguriert, daß das
optische Element an der Vorderseite des Körpers der Unterbaugruppe befestigt
ist, während
sich das Substrat an der Unterseite des Unterbaugruppenkörpers befindet.
Die optoelektronische Vorrichtung ist am Substrat befestigt, um
Lichtsignale in einer vertikalen Richtung zu empfangen oder auszusenden.
Bei der zweiten Ausführungsform
sind die optoelektronische Vorrichtung und der Sender/Empfänger-IC-Chip
an derselben Seite des Substrats befestigt. Jedoch ist der Ort der Sender/Empfänger-IC-Chips
auf dem Substrat für
die Erfindung nicht kritisch. Ähnlich
wie bei der ersten Ausführungsform
können
zusätzliche
optoelektronische Vorrichtungen und ihre zugeordneten Sender/Empfänger-IC-Chips
am Substrat befestigt sein, um noch mehr optische Fasern zu koppeln.
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Ein
Verfahren zur Herstellung einer optischen Unterbaugruppe gemäß der Erfindung
umfaßt am
Anfang einen Schritt, bei dem ein Substrat mit elektrischen Leitungen
bereitgestellt wird. Das Substrat kann in Form einer Platte bereitgestellt
werden, so daß eine
Anzahl optischer Unterbaugruppen in paralleler Herstellungsweise
hergestellt werden kann. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Substrat
um eine flexible Schaltung, die ausreichende Schaltungen enthält, um eine
Anzahl optoelektronischer Vorrichtungen und ihre zugeordneten Sender/Empfänger-IC-Chips
aufzunehmen. Als nächstes
wird mittel eines Formungsprozesses ein Unterbaugruppenkörper auf
dem Substrat ausgebildet. Der Formungsprozeß kann ein Spritzpressen oder
Spritzgießen
eines thermoplastischen Harzes auf das Substrat umfassen. Das Substrat
umfaßt Öffnungen,
durch welche das Kunststoffmaterial bei diesem Schritt fließt, wodurch
ermöglicht
wird, daß der
Unterbaugruppenkörper
integral mit beiden Seiten des Substrats verbunden wird, so daß der Unterbaugruppenkörper und das
Substrat eine integrierte Einheit bilden.
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Der
Unterbaugruppenkörper
kann so hergestellt werden, daß er
mechanische Merkmale und Vertiefungen umfaßt. Die mechanischen Merkmale können dazu
verwendet werden, eine optoelektronische Vorrichtung und ein optisches
Element im Verhältnis
zum Unterbaugruppenkörper
auszurichten. Die Vertiefungen ermöglichen, daß die optische Unterbaugruppe,
wenn sie vollständig
zusammengesetzt ist, an einem Gehäuse einer umfassenden faseroptischen
Vorrichtung befestigt werden kann.
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Nachdem
der Unterbaugruppenkörper
auf das Substrat geformt ist, werden eine optoelektronische Vorrichtung
und ein Sender/Empfänger-IC-Chip physisch
am Substrat befestigt und elektrisch damit verbunden. Die optoelektronische
Vorrichtung und der Sender/Empfänger-IC-Chip können am
Substrat unter Verwendung eines leitfähigen Epoxids oder von Lötmaterialien
befestigt werden. Dieser Schritt zur elektrischen Verbindung kann
Drahtverbindungen oder Flip-Chip-Kontakte umfassen. Als nächstes kann
ein optisches Element am Unterbaugruppenkörper befestigt werden.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in den niedrigen Herstellungskosten
der erfindungsgemäßen Unterbaugruppe
durch Verwenden eines kostengünstigen
Formungsprozesses zur Herstellung des Unterbaugruppenkörpers. Zusätzlich gewährleistet
die Verwendung des Formungsprozesses einen Unterbaugruppenkörper mit
Abmessungen hoher Präzision,
der dazu verwendet werden kann, ein optisches Element relativ zur
optoelektronischen Vorrichtung auszurichten.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, daß es das Substrat zuläßt, optoelektronische
Vorrichtungen und ihre zugeordneten Sender/Empfänger-IC-Chips in nächster Nähe zueinander
anzuordnen. Aufgrund der geringen Entfernung wird die Länge der
elektrischen Leitungen, mit welchen die optoelektronischen Vorrichtungen
und die Sender/Empfänger-IC-Chips verbunden
werden, reduziert. Die Abnahme der Länge der elektrischen Leitungen
kann in eine Erhöhung der
Bandbreite einer Vorrichtung umgesetzt werden, bei der die optische
Unterbaugruppe gemäß der Erfindung
verwendet wird.
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Noch
ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine mechanische Spannungsentlastung
für die
elektrischen Kontakte, wie z.B. das Lötmaterial oder für leitende
Epoxidkontakte, zwischen der optischen Unterbaugruppe und einer
sekundären
Schaltungsplatte sichergestellt wird. Die Verwendung einer flexiblen
Schaltung als das Substrat beseitigt tatsächlich Belastungen, die typischerweise
durch Einfügen
oder Entfernen eines angeschlossenen faseroptischen Bandkabels auf
die elektrischen Kontakte übertragen
werden.
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Noch
ein weiterer Vorteil steht in Bezug zur Vereinfachung der Herstellung
der optischen Unterbaugruppen unter Verwendung der Plattenform. Durch
Herstellen der optischen Unterbaugruppen in Plattenform können die
Herstellungskosten gesenkt werden. Zusätzlich können für den Herstellungsprozeß standardisierte
Hochgeschwindigkeitsmontagegeräte
für Halbleiter
verwendet werden.
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Noch
ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch Montieren des optischen
Elements auf den Unterbaugruppenkörper ein versiegelter Hohlraum
bereitgestellt werden kann, welcher die optoelektronischen Vorrichtungen
einschließt,
ohne daß ein
kostenintensiver Schritt eines Überformens
oder Verkapselns (Glob-Toppings) zum Herstellungsprozeß hinzugefügt wird.
Der versiegelte Hohlraum bietet einen Schutz gegen Umgebungseinflüsse für die optoelektronischen
Vorrichtungen während
der Lebensdauer der Produkte.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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1 ist
eine perspektivische Darstellung einer optischen Unterbaugruppe
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2.
ist eine perspektivische Darstellung einer optischen Unterbaugruppe
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer optischen
Unterbaugruppe gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung
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Mit
Bezugnahme auf 1 ist eine optische Unterbaugruppe 10 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Die Komponenten der optischen Unterbaugruppe 10 sind
voneinander entfernt dargestellt, um jede Komponente zu unterscheiden.
Die optische Unterbaugruppe 10 kann in einer Anzahl unterschiedlicher
Umgebungen einschließlich
einer Zwischenverbindung optischer Fasern verwendet werden. Beispielsweise
kann die optische Unterbaugruppe 10 in Telekommunikationsschaltsystemen
verwendet werden. Die optische Unterbaugruppe 10 kann auch
in Computerclustern in lokalen Netzen verwendet werden.
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Die
optische Unterbaugruppe 10 umfaßt ein optisches Element 12,
einen Unterbaugruppenkörper 14,
eine flexible Schaltung 16, eine optoelektronische Vorrichtung 18 und
einen integrierten Sender/Empfänger-Schaltungschip
(IC) 20. Die optische Unterbaugruppe 10 ist dazu
konfiguriert, Lichtsignale zu einem Array optischer Fasern 22,
die in einem Faserhalter 23 angeordnet sind, zu übertragen
oder davon zu empfangen. Das Array optischer Fasern 22 und der
Faserhalter 23 können
ein angeschlossenes faseroptisches Kabel darstellen. Die Fähigkeit
der optischen Unterbaugruppe 10, Lichtsignale zu übertragen
oder zu empfangen, hängt
primär
von der Bauart der optoelektronischen Vorrichtung 18 ab,
die in der optischen Unterbaugruppe 10 verwendet wird.
Die optoelektronische Vorrichtung 18 kann ein Halbleiterphotodetektor
sein. Andererseits kann die optoelektronische Vorrichtung 18 eine
Halbleiterlichtquelle, wie beispielsweise ein Laser oder eine lichtaussendende
Diode (LED) sein. Alternativ kann die optoelektronische Vorrichtung
mehrere Lichtquellen und/oder Empfänger umfassen.
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Der
Sender/Empfänger-IC-Chip 20 kann
so konfiguriert sein, daß er
abhängig
von der Art der optoelektronischen Vorrichtung 18, die
von der optischen Unterbaugruppe 10 verwendet wird, verschiedene
Signalsende- oder Empfangsfunktionen verarbeiten kann. Vorzugsweise
ist der Sender/Empfänger-IC-Chip 20 nahe
an der optoelektronischen Vorrichtung 18 auf der flexiblen
Schaltung 16 angeordnet, so daß kurze Leitungen auf der flexiblen
Schaltung 60 erforderlich sind, um die optoelektronische Vorrichtung 18 und
den Sender/Empfänger-IC-Chip 20 zu
verbinden. Die geringe physikalische Entfernung zwischen der optoelektronischen
Vorrichtung 18 und dem Sender/Empfänger-IC-Chip 20 minimiert parasitäre elektrische
Signale, wodurch die Datenrate maximiert wird. Bei dieser Ausführungsform
ist die optoelektronische Vorrichtung 18 an einer Seite
der flexiblen Schaltung 16 befestigt, während der Sender/Empfänger-IC-Chip 20 auf
der anderen Seite der flexiblen Schaltung 16 befestigt
ist. Jedoch können die
optoelektronische Vorrichtung 18 und der Sender/Empfänger-IC-Chip 20 auf
derselben Seite der flexiblen Schaltung 16 befestigt sein.
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Die
flexible Schaltung 16 kann aus einem Polymermaterial hergestellt
sein. Die flexible Schaltung 16 ist mit einer rechteckigen
Fläche 24 auf
der vorderen Seite gezeigt. Die rechteckige Fläche 24 ist so konfiguriert,
daß die
optoelektronische Vorrichtung 18 aufgenommen werden kann.
Die optoelektronische Vorrichtung 18 kann unter Verwendung
von herkömmlichem
leitfähigen
Epoxid oder von Lötmaterial
auf der rechteckigen Fläche 24 an
die flexible Schaltung 16 gebunden sein. Die elektrischen
Verbindungen zwischen der optoelektronischen Vorrichtung 18 und
der flexiblen Schaltung 16 können durch Drahtverbindungen
oder über
Flip-Chip-Kontakte hergestellt sein. Der Sender/Empfänger-IC-Chip 20 kann
auf ähnliche
Weise an die flexible Schaltung 16 gebunden und damit elektrisch
verbunden sein. Obwohl in 1 lediglich
eine einzelne optoelektronische Schaltung und ein einzelner Sender/Empfänger-IC-Chip
gezeigt sind, können
zusätzliche
optoelektronische Vorrichtungen und IC-Chips von der optischen Unterbaugruppe 10 umfaßt sein.
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Die
flexible Schaltung 16 umfaßt drei kreisförmige Öffnungen 26.
In 1 sind lediglich zwei Öffnungen 26 zu erkennen,
da der Unterbaugruppenkörper 14 die
Ansicht der dritten Öffnung
blockiert. Die Öffnungen 26 gewährleisten
eine stärkere
Befestigung zwischen dem Körper 14 der
Unterbaugruppe und der flexiblen Schaltung 16. Wie in Einzelheiten im
nachfolgenden beschrieben wird, ist der Unterbaugruppenkörper auf
die flexible Schaltung 16 geformt. Der Unterbaugruppenkörper 14 ist
aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Die Öffnungen 26 in der
flexiblen Schaltung 16 ermöglichen, daß das Kunststoffmaterial beim
Formungsprozeß auf
die Rückseite
der flexiblen Schaltung 16 fließen kann. Nach dem Aushärten ist
der Unterbaugruppenkörper 14 durch
das Kunststoffmaterial an der flexiblen Schaltung 16 verankert.
Das Verankern gewährleistet
eine stärkere
Befestigung des Unterbaugruppenkörpers 14 an
der flexiblen Schaltung 16.
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Der
Formungsprozeß kann
ein Spritzpressen von thermohärtbarem
Harz oder ein Spritzgießen von
thermoplastischem Harz auf das Substrat 16 umfassen. Der
geformte Unterbaugruppenkörper 14 umfaßt eine
große
rechteckige Öffnung 28.
Die quadratische Öffnung 28 ist
so ausgerichtet, daß die
optoelektronische Vorrichtung 18 in die Öffnung paßt. Die
rechteckige Öffnung 28 gewährleistet
einen Kanal zur Ausbreitung von Lichtsignalen zwischen den optischen
Fasern des Faserarrays 22 und der optoelektronischen Vorrichtung 18.
Zusätzlich
gewährleistet
die rechteckige Öffnung 28 eine
semihermetische Aushöhlung,
die die optoelektronische Vorrichtung 18 einkapselt und
gegen Umwelteinflüsse
schützt, wenn
sie durch die Rückseite
des optischen Elements 12 abgedichtet ist.
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Der
Unterbaugruppenkörper 14 umfaßt zwei Vertiefungen 30 auf
den Seiten des Unterbaugruppenkörpers 14.
Die Vertiefungen 30 bilden ein Mittel zur Befestigung der
optischen Unterbaugruppe 10 an einem Gehäuse einer
umfassenden faseroptischen Vorrichtung. Das optische Element 12 weist
identische Vertiefungen 30 für denselben Zweck auf. Der Unterbaugruppenkörper 14 umfaßt zwei
Stäbe 32 oder
vergleichbare mechanische Merkmale zur physischen Befestigung des
optischen Elements 12 am Unterbaugruppenkörper 14.
Das optische Element 12 umfaßt zwei kreisförmige Bohrungen 34,
so daß die
Stäbe 32 des
Unterbaugruppenkörpers 14 durch die
Bohrungen 34 eingeführt
werden können,
wenn das optische Element 12 mit dem Unterbaugruppenkörper verbunden
wird, um das optische Element 12 am Unterbaugruppenkörper 14 zu
befestigen. Die Stäbe 32 des
Unterbaugruppenkörpers 14 können eine
Länge aufweisen,
die es ermöglicht,
daß die Stäbe 32 vom
optischen Element 14 vorragen, wenn es mit dem Unterbaugruppenkörper 14 verbunden ist.
Die vorragenden Stäbe 32 können dazu
verwendet werden, das Faserarray an der optischen Unterbaugruppe 10 zu
befestigen.
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Das
optische Element 12 der optischen Unterbaugruppe 10 ist
mit einem Linsenarray 36 dargestellt. Die Linsen sind auf
dem optischen Element hergestellt. Die Linsen fokussieren sich zwischen dem
Faserarray 22 und der optoelektronischen Vorrichtung 18 ausbreitende
Lichtstrahlen. Das Linsenarray 36 ist für die Erfindung nicht kritisch.
Alternativ können
im optischen Element 12 Beugungsoptiken verwendet werden.
Tatsächlich
kann das optische Element 12 durch eine Faserstirnplatte
ersetzt werden, die aus einem Bündel
optischer Fasern mit geringem Durchmesser besteht oder durch ein
dünnes
Stück aus
Glas oder aus einem vergleichbaren Material, wie beispielsweise
Saphir. Wie oben erläutert,
umfaßt
das optische Element 12 Vertiefungen 30 zur Befestigung
der optischen Unterbaugruppe 10 an einer umfassenden faseroptischen
Vorrichtung. Schließlich
umfaßt
das optische Element 12 zwei mechanische Abstandshalter 38.
Die Abstandshalter 38 stellen sicher, daß zwischen
den optischen Fasern des Faserarrays 22 und dem Linsenarray 36 ein
präziser
Abstand für
eine optimale Kopplung zwischen den optischen Fasern und der optoelektronischen Vorrichtung 18 beibehalten
wird.
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Beim
Betrieb wird der Faserhalter 23 zunächst so angeordnet, daß er an
den Abstandshaltern 38 des optischen Elements 12 anliegt.
Der Faserhalter 23 umfaßt zwei Bohrungen, die in ihrem Durchmesser
identisch zu den Bohrungen 34 des optischen Elements 12 sind.
Die Stäbe 32 ragen
aus dem optischen Element vor und werden in die Bohrungen am Faserhalter 23 eingeführt, so
daß der
Faserhalter 23 präzise
am optischen Element 12 positioniert werden kann. Falls
es sich bei der optischen Unterbaugruppe 10 um eine der
transmissiven Bauart handelt, sendet die optoelektronische Vorrichtung 18 Lichtsignale
aus. Die ausgesandten Lichtsignale breiten sich durch die rechteckige Öffnung 28 im
Unterbaugruppenkörper 14 aus.
Als nächstes
bewegen sich die Lichtsignale durch das optische Element 12 zu
den optischen Fasern des Faserarrays 22. Die Lichtsignale
werden dann durch das Linsenarray 36 fokussiert, wenn sie
sich durch das optische Element 12 ausbreiten. Falls die
optische Unterbaugruppe 10 von der Bauart eines Empfängers ist,
werden Lichtsignale von den optischen Fasern des Faserarrays 22 zur
optischen Unterbaugruppe 10 gesandt. Die Lichtsignale bewegen
sich anfangs durch das optische Element 12 und werden dann
durch das Linsenarray 36 fokussiert. Die Lichtsignale breiten
sich dann durch die rechteckige Öffnung 28 des
Unterbaugruppenkörpers 14 zur
optoelektronischen Vorrichtung 18, d.h. zu einem Halbleiterphotoempfänger aus.
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Betrachtet
man 2, so ist dort eine optische Unterbaugruppe 40 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Die optische Unterbaugruppe 40 umfaßt dieselben
Komponenten wie die optische Unterbaugruppe 10. Jedoch
sind einige der Komponenten der optischen Unterbaugruppe 40 anders
konfiguriert als die Komponenten der optischen Unterbaugruppe 10.
Die Konfiguration der optischen Unterbaugruppe 10 aus 1 wird
bei einer Anwendung verwendet, bei der sich Lichtsignale in einer
einzigen Ebene ausbreiten. In der Konfiguration der optischen Unterbaugruppe 40 werden
Lichtsignale von einer Ebene auf eine dazu senkrechte Ebene umgelenkt.
Ein optisches Signal 42 der optischen Unterbaugruppe 40 lenkt
Lichtsignale so um, daß sie sich
in einer vertikalen oder horizontalen Richtung ausbreiten, abhängig davon,
ob die optische Unterbaugruppe von der Bauart eines Empfängers oder von
einer transmissiven Bauart ist. Die Betriebsweise des optischen
Elements 42 wird nachfolgend in Einzelheiten angesprochen.
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Die
optische Unterbaugruppe 40 umfaßt einen Unterbaugruppenkörper 44,
eine flexible Schaltung 46, eine optoelektronische Vorrichtung 48 und einen
Sender/Empfänger-IC-Chip 50.
Der Unterbaugruppenkörper 44 mit
einer zum Unterbaugruppenkörper 14 der
optischen Unterbaugruppe 10 identischen Funktionsweise
wird durch Formen des Unterbaugruppenkörpers 44 auf die flexible
Schaltung 46 hergestellt. Jedoch unterscheidet sich die
Form des Unterbaugruppenkörpers 44 von
der Form des Unterbaugruppenkörpers 14 aus 1.
Der Unterbaugruppenkörper 44 ist
so konfiguriert, daß eine
vertikale Emission bzw. Empfangen von Lichtsignalen von der optischen
Vorrichtung 48 erleichtert ist. Zusätzlich läßt die Form des Unterbaugruppenkörpers 44 zu,
daß sowohl
die optoelektronische Vorrichtung 48 als auch der Sender/Empfänger-IC-Chip 50 auf
derselben Seite der flexiblen Schaltung angeordnet werden können. Der
Ort des Sender/Empfänger-IC-Chips 50 im
Verhältnis
zum Ort der optischen Vorrichtung 48 auf der flexiblen
Schaltung 46 ist jedoch für die Erfindung nicht kritisch.
Die flexible Schaltung 46 läßt zu, daß die optoelektronische Vorrichtung 48 und
der Sender/Empfänger-IC-Chip 50 nahe
beieinander angeordnet werden können,
wodurch parasitäre
elektrische Signale minimiert werden, die durch lange elektrische
Verbindungen zwischen einer optoelektronischen Vorrichtung und dem (den)
ihr zugeordneten Sender/Empfänger-IC-Chip(s) verursacht
werden. Ähnlich
wie bei der optoelektronischen Vorrichtung 18 der optischen Unterbaugruppe 10 kann
es sich bei der optoelektronischen Vorrichtung 48 um eine
Halbleiterlichtquelle oder um einen Halbleiterphotodetektor handeln.
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Der
Unterbaugruppenkörper 44 ist
in 2 so dargestellt, daß er zwei Öffnungen aufweist. Die rechtwinklige Öffnung 52 läßt es zu,
daß der
Sender/Empfänger-IC-Chip 50 an
der flexiblen Schaltung 46 befestigt werden kann, nachdem
der Unterbaugruppenkörper 44 auf
die flexible Schaltung 46 geformt ist. Die weitere Öffnung 53 gibt
eine weitere Fläche
auf der flexiblen Schaltung 46 frei, um die optoelektronische
Vorrichtung 48 auf der flexiblen Schaltung 46 zu
befestigen. Alternativ kann der Unterbaugruppenkörper 44 so konfiguriert
sein, daß er
eine große Öffnung aufweist,
um die Anordnung sowohl der optoelektronischen Vorrichtung 48 als
auch des Sender/Empfänger-IC-Chips 50 auf
der flexiblen Schaltung 46 in der großen Öffnung zu erleichtern. Die
Form(en) und die Anzahl der Öffnungen
sind für die
Erfindung nicht kritisch. Die optoelektronische Vorrichtung 48 ist
an der flexiblen Schaltung 46 an der rechteckigen Fläche 54 befestigt. Ähnlich ist
der Sender/Empfänger-IC-Chip 50 an
der flexiblen Schaltung 46 an der rechteckigen Fläche 56 befestigt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
befinden sich die rechteckigen Flächen 54 und 56 viel
enger beieinander als in 2 dargestellt ist, so daß die optoelektronische
Vorrichtung 48 und der Sender/Empfänger-IC-Chip 50 nahe beieinander angeordnet
werden können,
wenn sie an der flexiblen Schaltung 46 befestigt werden.
Die physische Befestigung und elektrische Verbindung der optoelektronischen
Vorrichtung 48 und des Sender/Empfänger-IC-Chips 50 an
der flexiblen Schaltung 46 kann auf dieselbe, oben mit
Bezug auf das Befestigen der optoelektronischen Vorrichtung 18 und
des Sender/Empfänger-IC-Chips 20 an
der flexiblen Schaltung 16 beschriebene, Weise erreicht
werden.
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Ähnlich zum
Unterbaugruppenkörper 14 der optischen
Unterbaugruppe 10 umfaßt
der Unterbaugruppenkörper 44 zwei
Stäbe 58 zum
Befestigen des optischen Elements 42 am Unterbaugruppenkörper 44.
Jedoch weist der Unterbaugruppenkörper 44 anders als
der Unterbaugruppenkörper 14 Aussparungen
auf der Vorderseite 60 des Unterbaugruppenkörpers 14 auf.
Die Aussparungen ermöglichen
das Einpassen des optischen Elements in den Unterbaugruppenkörper 44.
Die Aussparungen können
so konfiguriert sein, daß die
Vorderseite 62 des optischen Elements 42 bündig mit
der Vorderseite 60 des Unterbaugruppenkörpers 44 sein kann,
wenn das optische Element 42 in den Unterbaugruppenkörper 44 eingepaßt ist.
Obwohl dies in 2 nicht gezeigt ist, kann das
optische Element 42 ein zum optischen Element 12 des
Unterbaugruppenkörpers 10 ähnliches Linsenarray
umfassen. Zusätzlich
kann das optische Element 42 mechanische Abstandshalter
auf der Vorderseite 62 umfassen, um einen geeigneten Abstand
zu gewährleisten,
wenn die optischen Fasern gegen das optische Element 42 angeordnet
werden.
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Das
optische Element 42 umfaßt zwei Bohrungen 64,
die ähnlich
zu den Bohrungen 34 des optischen Elements 12 sind.
Die Bohrungen 64 des optischen Elements 42 lassen
zu, daß die
Stäbe 58 in das
optische Element 42 eingeführt werden können, um
das optische Element 42 an dem Unterbaugruppenkörper 44 zu
befestigen. Das optische Element 42 umfaßt auch
einen L-förmigen
Abschnitt 66. Falls es sich bei der optischen Unterbaugruppe 40 um
eine optische Unterbaugruppe der Bauart eines Empfängers handelt,
werden sich von den optischen Fasern horizontal ausbreitende Lichtsignale
durch den L-förmigen
Abschnitt 66 so gerichtet, daß sie sich in einer vertikalen
Richtung zur optoelektronischen Vorrichtung 48 ausbreiten.
Falls es sich bei der optischen Unterbaugruppe 40 um eine
optische Unterbaugruppe des transmissiven Typs handelt, werden sich
von der optoelektronischen Vorrichtung 48 vertikal ausbreitende
Lichtsignale durch den L-förmigen
Abschnitt 66 so gerichtet, daß sie sich in einer zu den optischen
Fasern horizontalen Richtung ausbreiten. Der L-förmige Abschnitt 66 kann
zur Führung
von sich zu oder von den optischen Fasern ausbreitenden Lichtsignalen
optische Führungsadern
oder Kanäle
umfassen.
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Beim
Betrieb wird ein Array optischer Fasern gegen das optische Element 42 angeordnet.
Das Faserarray kann in einem Faserhalter enthalten sein, der ähnlich zum
Faserhalter 23 ist. Der Faserhalter kann zwei Bohrungen
umfassen, so daß die
Stäbe 58 des
Unterbaugruppenkörpers 44 in
die Bohrungen des Faserhalters eingefügt werden können, so daß das Faserarray mit der optoelektronischen
Vorrichtung 48 ausgerichtet wird. In einer Konfiguration
gemäß einer
Empfängerbauart
werden die Lichtsignale vom Faserarray übertragen. Die Lichtsignale
treffen zuerst auf die Vorderseite 62 des optischen Elements auf
und breiten sich in einer horizontalen Richtung aus. Die sich horizontal
ausbreitenden Lichtsignale werden dann durch den L-förmigen Abschnitt 66 des optischen
Elements 42 so gerichtet, daß sie sich in einer vertikalen
Richtung und abwärts
zur optoelektronischen Vorrichtung 48 ausbreiten. Die Lichtsignale
werden von der optoelektronischen Vorrichtung 48, bei welcher
es sich um einen Photoempfänger
handeln könnte,
empfangen. Bei einer Konfiguration gemäß der transmissiven Bauart
werden die Lichtsignale von der optoelektronischen Vorrichtung 48 ausgesandt.
Bei dieser Konfiguration handelt es sich bei der optoelektronischen
Vorrichtung 48 um eine Halbleiterlichtquelle, wie beispielsweise
um einen Laser oder eine LED. Die Lichtsignale breiten sich anfangs in
einer vertikalen Richtung zum L-förmigen Abschnitt 66 des
vertikalen Elements 42 aus. Jedoch werden die Lichtsignale
vom L-förmigen
Abschnitt 66 so gerichtet, daß sie sich in einer horizontalen
Richtung ausbreiten. Die Lichtsignale werden dann zu den optischen
Fasern im Faserarray übertragen.
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Ein
Verfahren zur Herstellung einer optischen Unterbaugruppe gemäß der Erfindung
wird nun mit Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Im Schritt 110 wird ein Substrat mit elektrischen Leitungen
bereitgestellt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Substrat um
eine flexible Schaltung, die genügend
Schaltkreise umfaßt,
um eine Anzahl optoelektronischer Vorrichtungen und die dazu zugeordneten Sender/Empfänger-IC-Chips 50 unterzubringen.
Das Substrat wird vorzugsweise mit einer Plattenform bereitgestellt,
wobei mehrere Einheiten in Reihen und eng benachbart zueinander
angeordnet sind. Im Schritt 120 wird mittels eines Formungsprozesses ein
Unterbaugruppenkörper
auf das Substrat geformt. Der Formungsprozeß kann ein Spritzpressen von
thermohärtbarem
Harz oder ein Spritzgießen
von thermoplastischem Harz auf das Substrat umfassen. Das Substrat
umfaßt Öffnungen,
durch welche das Kunststoffmaterial bei diesem Schritt fließen kann,
so daß der
Unterbaugruppenkörper
integral an beide Seiten des Substrats gebunden werden kann, so
daß der
Unterbaugruppenkörper
und das Substrat eine integrierte Einheit bilden.
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Der
Unterbaugruppenkörper
kann so hergestellt werden, daß er
mechanische Merkmale und Vertiefungen umfaßt. Die mechanischen Merkmale können dazu
verwendet werden, eine optoelektronische Vorrichtung und ein optisches
Element im Verhältnis
zum Unterbaugruppenkörper
auszurichten. Die Vertiefungen lassen es zu, daß die optische Unterbaugruppe,
wenn sie vollständig
zusammengebaut ist, an einem Gehäuse
einer umfassenden faseroptischen Vorrichtung befestigt werden kann.
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Nachdem
der Unterbaugruppenkörper
auf das Substrat geformt ist, wird eine optoelektronische Vorrichtung
im Schritt 130 am Substrat befestigt. Die optoelektronische
Vorrichtung kann am Substrat unter Verwendung von leitfähigem Epoxid
oder von Lötmaterialen
befestigt werden. Der genaue Ort der optoelektronischen Vorrichtung
kann durch Ausrichten der optoelektronischen Vorrichtung im Verhältnis zu Ausrichtemerkmalen
des Unterbaugruppenkörpers unter
Verwendung herkömmlicher
Ausrichteverfahren, wie beispielsweise von Sichtsystemen oder mechanischem
Befestigen, bestimmt werden. Alternativ kann die Selbstausrichtefähigkeit,
die dem Flip-Chip-integrierten Chip-Befestigungsprozeß inhärent ist,
verwendet werden. Im Schritt 140 wird die optoelektronische
Vorrichtung elektrisch mit dem Substrat verbunden. Beispielsweise
kann die optoelektronische Vorrichtung mittels Drahtverbindungen oder über Flip-Chip-Kontakte
angeschlossen werden. Als nächstes
wird im Schritt 150 der Sender/Empfänger-IC-Chip am Substrat befestigt. Ähnlich wie
im Schritt 140 wird der Sender/Empfänger-IC-Chip im Schritt 160 elektrisch
mit dem Substrat verbunden. An diesem Punkt können die optoelektronische
Vorrichtung und der Sender/Empfänger-IC-Chip
elektrisch getestet werden und „eingebrannt" werden, um Einheiten
mit potentiellen Zuverlässigkeitsproblemen
zu identifizieren. Fehlerhafte Einheiten können physisch markiert und
von einer weiteren Bearbeitung ausgeschlossen werden. Alternativ
kann die Test- und „Einbrenn"-Prozedur auch später im Prozeß stattfinden.
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Nach
dem Befestigen der optoelektronischen Vorrichtung und des Sender/Empfänger-IC-Chips kann ein optisches
Element am Unterbaugruppenkörper
im Schritt 170 befestigt werden. Vorzugsweise wird das
optische Element automatisch im Verhältnis zur optoelektronischen
Vorrichtung mittels der physischen Befestigung des optischen Elements
am Unterbaugruppenkörper
ausgerichtet. Jedoch kann das optische Element mit der optoelektronischen
Vorrichtung unter Verwendung eines Sichtsystems unter Einbeziehung
einer Mustererkennung ausgerichtet werden. Alternativ kann das optische
Element mit der optoelektronischen Vorrichtung unter Verwendung
eines aktiven Ausrichteprozesses ausgerichtet werden. Bei diesem
Prozeß wird Leistung
an die optoelektronische Vorrichtung angelegt und die Position des
optischen Elements durch Messen und Maximieren der optischen Durchlaufleistung
in der optischen Unterbaugruppe bestimmt.