DE2618938C3 - Opto-elektronische Koppeleinrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Opto-elektronische Koppeleinrichtung und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine opto-elektronische Koppeleinrichtung der im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der DE-OS 48 188 bekannten Art, sowie auf ein Verfahren zu
ihrer Herstellung.
Bei der bekannten opto-elektronischen Koppeleinrichtung hat der aus einem Halbleitermaterial bestehende
Lichtleiter die Idealform eines an seiner Spitze abgerundeten Kegels. Der so geformte Lichtleiter ist
mittels eines Bindemittels haftend auf der aktiven Oberfläche des Lichtempfängers befestigt oder durch
eine Feder gegen diesselbe gedrückt. Es ist daher unvermeidbar, daß zwischen Lichtleiter und Lichtempfänger
ein Luftspalt besteht, so daß wegen der demzufolge eintretenden Brechungen und Reflexionen
Verluste eintreten, die das Koppelvermögen der bekannten opto-elektronischen Koppeleinrichtung be-
bO
b5 einträchtigen.
Diesem Mangel könnte zwar abgeholfen werden, wenn man, wie aus der CH-PS 4 33 529 an sich bekannt,
den Übergang zwischen Lichtleiterund Lichiempfänger durch Diffusion einteilig ausführt. Damit wäre aber dem
bei der bekannten Koppeleinrichtung weiter bestehenden Mangel nicht beizukommen, daß das Material des
Lichtleiters das Licht verhältnismäßig stark absorbiert, wodurch die Kuppeleigenschaften zwischen Lichtsender
und Lichiempfänger ebenfalls beeinträchtigt werden.
Außerdem ist der Herstellungsvorgang der bekannten Koppeleinrichtung verhältnismäßig kompliziert.
Der Lichtleiter wird nämlich hergestellt, indem zunächst auf GaAs p- und η-leitende Schichten für einen
pn-Übergang hergestellt werden, um ungünstige Einflüsse
auf die p-leitende aktive Oberfläche des Lichtsenders durch das mit der Cr dotierte GaAs zu
vermeiden. Darauf »vird das GaAs zu einem konischen Element geätzt, was bei einer geforderten Länge von
0,2 mm äußerst schwierig und in industriellem Maßstab kaum durchführbar ist. Darauf werden beide Enden des
Elements mit einer flachen bzw. halbkugelförmigen Oberfläche versehen. Schließlich werden die Enden mit
den jeweiligen Elementen verbunden, indem an den Enden zur Halterung Bindemittel injiziert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine in Massenfertigung herstellbare opto-elektronische
Koppeieinrichtung zu schaffen, bei der das Licht zwischen Lichtsender und Lichtempfänger möglichst
verluslfrei übertragen wird. Weiter soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Koppeleinrichtung
angegeben werden.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Koppeleinrichtung erfindungsgemäß durch die im
Patentanspruch 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.
Da durchsichtiges Glas oder durchsichtiger Kunststoff das Licht wesentlich besser leiten als stark
lichtabsorbierende Halbleiter, und weil an den Übergängen zwischen den aktiven Oberflächen und dem
Lichtleiter weder Luft noch Bindemittel vorhanden sind, läßt sich bei dieser eine wesentlich bessere Kopplung
zwischen Lichtsender und Lichtempfänger erzielen als bei der bekannten. Hinzu kommt, daß sich bei der
erfindungsgemäßen Koppeieinrichtung die nach innen gerichtete Krümmung der Seitenfläche des Lichtleiters,
die bei der bekannten Koppeleinrichtung, eigentlich unerwünscht, Ergebnis des bei der Bildung des
Lichtleiters unvermeidlichen Ätzvorganges ist, besonders günstig auswirkt. Durch diese Form wird nämlich
vermieden, daß das Licht zum Teil aus dem Lichtleiter austritt und nutzlos verloren geht.
Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Koppeieinrichtung sind Gegenstand
der Patentansprüche 2 bis 4, wobei es hinsichtlich Patentanspruch 4 aus der DE-AS 12 64 513 an sich
bekannt ist, als lichtleitenden Stoff ein Material zu verwenden, das die Oberfläche eines Lichtempfängers
benetzt.
Das im Patentanspruch 5 beschriebene Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen opto-elektronischen
Koppeieinrichtung ermöglicht eine günstige Massenfertigung bei geringem Ausschußanteil.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruchs 6.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine
opto-elektronische Koppeleinrichtung,
F i g. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung,
Fig.3a bis 3d Querschnitte zur Erläuterung der
Verfahrensschritte zur Herstellung der in Fig. 1 dargestellten Koppeleinrichtung,
Fig.4 eine zweite Ausführungsform der Koppeleinrichtung,
Fig.5a bis 5d Querschnitte zur Erläuterung der Verfahrensbchritte zur Herstellung der in Fig.4
dargestellten Koppeleinrichtung dienen und
Fig.6a bis 6f Querschnitte von weiteren Ausführungsformen
der Koppeleinrichtung.
In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeitpiel einer Koppeleinrichtung
für geringe Leistung dargestellt. Ein Halbleiter-Lichtempfänger
12, z.B. ein auf einem Sockel 11 angebrachter Silicium-Phototransistor und ein Halbleiter-Lichtsender
14, beispielsweise eine GaAs-Diode, die dem Lichtempfänger 12 gegenüberliegt, sind über einen
aus Epoxyharz hergestellten Lichtleiter 13 optisch miteinander gekoppelt. Der Lichtleiter 13 besitzt in der
Mitte einen kleineren Querschnitt als an den Endbereichen, die näher bei dem Lichtempfänger 12 und dem
Lichtsender 14 liegen, so daß eine Seitenfläche des Lichtleiters 13 gegenüber einer gedachten Fläche, die in
der Zeichnung gestrichelt dargestellt ist, nach innen konkav gewölbt ist. Die gedachte Fläche würde
vorliegen, wenn der Rand der aktiven Oberfläche 141 des Lichtsenders 14 mit dem Rand der aktiven
Oberfläche 121 des Lichtempfängers 12 durch gen.de Linien, die die kürzeren Lichtwege darstellen, verbunden
wären. Die gegenüberliegenden Enden des Lichtleiters 13 stehen mit der aktiven Oberfläche 141 und der
aktiven Oberfläche 121 in benetzendem, feuchtem Kontakt, ohne daß an den Berührungsflächen Luftspalte
entstehen, so daß die optische Kopplung sehr gut ist. Eine Siliciumoxid-Schicht 12a überdeckt die Oberfläche
des lichtempfindlichen Bauteils.
Anhand der Fig. 2 wird die Arbeitsweise der in
F i g. 1 dargestellten Koppeleinrichtung erläutert. F i g. 2 gibt die typischen Lichtwege wieder, die von einem
Punkt P auf dem GaAs-Übergang des Lichlsenders 14 ausgehen.
Die Lichtstrahlen a\ und a2, die von einem GaAs-Übergang
A i—A 2 unter einem Winkel ausgehen, der größer ist als der Grenzwinkel für die Aussendung (etwa
27°), unterliegen der Totalreflexion und werden fast vollständig im GaAs-Substrat absorbiert. Die Lichtstrahlen,
die vom GaAs-Übergang mit einem Winkel auftreten, der kleiner als der Grenzwinkel ist, werden
teilweise am GaAs-Übergang reflektiert, gehen jedoch fast vollständig durch das GaAs-Substrat hindurch. Von
den Lichtstrahlen, die durch das Substrat hindurchgehen, unterliegt beispielsweise der Lichtstrahl b wiederholten
Reflexionen an den Punkten V. Wund λ'. Beim
Reflektieren wird der Lichtstrahl b teilweise am Rand des Lichtleiters 13 gebrochen und geht, wie dies durch
die gestrichelten Linien dargestellt ist, nach außen und bo
wird weiterhin im Epoxy-Lichtleiter und im GaAs-Substrat absorbiert. Ein andere· !.ictiisirahl c wird an den
Stellen Q\, R\ und 5 reflektiert, tritt teilweise aus dem Lichtleiter 13 aus und wird teilweise auf einen Punkt Ti
der aktiven Oberfläche 121 zwischen den Punkten B 1-52 des Lichtempfängers 12 geworfen. Ein weiterer
Lichtstrahl d, der von der gekrümmten Fläche des Epoxykörpers unter einem Winkel auftritt, der großer
als der Grenzwinkel (etwa 4!°) ist, wird an den Stellen
Qi und /?2 total reflektiert und gelangt zu einem Punkt T2
auf die aktive Oberfläche 121. Auf die aktive Oberfläche 51-52 fallen also alle die Lichstrahlen auf, die vom
Lichtleiter 13 in der zuvor beschriebenen Weise übertragen werden.
Durch die zuvor beschriebene Bauweise wird das aus dem Lichtsender 14 austretende Licht optisch und
wirkungsvoll im optisch kontinuierlichen Lichtleiter 13 geführt und trifft auf die aktive Oberfläche 121 des
Lichtempfängers 12 auf, so daß die optische Kopplung zwischen dem Lichtsender 14 und dem Lichtempfänger
12 sehr gut isL
Anhand der Fig.3a bis 3d soll ein Beispiel für das
Verfahren zur Herstellung der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung beschrieben werden.
Wie in Fig.3a dargestellt ist, wird der Lichtempfänger
12, etwa ein Silicium-Phototransistor, zunächst durch Hartlöten mit einem Material aus einer
Au-Si-Verbindung angebracht Der Sockel 11 kann beispielweise aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Verbindung
bestehen. Die für den Lichtempfänger 12 vorgesehene Elektrode ist mittels eines Golddrahtes
oder in entsprechender Weise mit dem entsprechenden Stift des Sockels 11 verbunden. Wie in Fig. 3h
dargestellt ist, wird der Lichtsender 14, beispielsweise eine lichtemittierende GaAs-Diode mittels einer Halterung
15 auf dem Lichtempfänger 12 angebracht. In dieser Stellung werden die Elektroden des Lichtleiters
13 beispielsweise über Golddrähte mit den entsprechenden Stiften des Sockels 11 verbunden. Wie in Fig. 3c
dargestellt ist, wird der Lichtsender 14 durch die Halterung 15 nach oben bewegt und um einen
vorgegebenen Abstand von der Oberfläche des Lichtempfängers 12 abgehoben. Eine vorgegebene
Menge flüssigen Epoxyharzes, das als Lichtleitermaterial dient, wird in einen kleinen Zwischenraum gegossen,
so daß sich zwischen dem Lichtsender 14 und dem Lichtempfänger 12 eine Kunstharzschicht 13a ausbildet,
die den Lichtsender 14 und den Lichtempfänger 12 benetzt. Der Teil der Kunstharzschicht 13a, der näher
am Lichtempfänger 12 liegt, benetzt die Siliciumoxid-Schicht 12a. Wie in Fig. 3d dargestellt ist, wird der
Lichtsender 14 dann durch die Halterung 15 um einen vorgegebenen Abstand vom Lichtempfänger 12 abgehoben,
so daß die Kunstharzschicht 13a die gewünschte Ausbildung bzw. Form des Lichtleiters 13 erhält.
Danach wird die Kunstharzschicht 13a durch Wärmebehandlung ausgehärtet. Auf diese Weise wird der
Lichtleiter 13, der Lichtsender 14 und Lichtempfänger 12 direkt verbindet, ausgebildet. Schließlich wird die
Koppeleinrichtung fertiggestellt, indem die Halterung 15 entfernt und Lichtsender und Lichtempfänger 14
bzw. 12, die auf dem Sockel 11 angebracht sind, vergossen werden. Der auf diese Weise hergestellte
Lichtleiter 13 weist eine komplizierte Form auf, die von verschiedenen Faktoren, beispielweise von folgenden
Faktoren abhängt: Von der Oberflächenspannung des Epoxyharzes vor dem Aushärten, der Oberflächenspannung
des GaAs-Substrates, der Oberflächenspannung der Siliciumoxid-Schicht, der Grenzflächenspannung,
die zwischen dem GaAs-Substrat und dem Epoxyharz auftritt, der Grenzflächenspannung, die zwischen der
Siliciumoxid-Schicht und dem Epoxyharz auftritt, der Kohäsionskraft des Epoxyharzes, der speziellen Masse,
Viskosität und Menge des Epoxyharzes, dem Abstand zwischen dem Lichtsender 14 und dem Lichtempfänger
12 und den Formen der entsprechenden Kontaktflächen
vom Lichtsender 14 und Lichtempfänger 12.
Da das Epoxyharz einen Berührungswinkel bezüglich der GaAs-Substrates und des Siliciumoxides (S1O2)
einnimmt, der kleiner als 90° ist und das GaAs-Substrat und das Siliciumoxid ausgezeichnet benetzt, ist es
möglich, auf einfache Weise und mit hoher Ausbeute, also mit geringem Ausschuß, den Lichtleiter 13
auszubilden, der im Mittelbereich eingeschnürt ist, wie dies durch den in Fig. 1 dargestellten Querschnitt zu
ersehen ist, und zv/ar indem eine vorbeslimmte Menge an Epoxyharz eingegossen wird.
Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel wurde als Lichtsender 14 eine GaAs-Diode mit einer aktiven
Oberfläche 141 zwischen den Punkten AX-A2 von 500 μΐη2 und einer Fläche C1-C2 von 350 μπι im
Durchmesser, als Lichtempfänger 12 ein Silicium-Phototransistor
mit einer aktiven Oberfläche 121 von 800 μπι im Durchmesser verwendet. Der Absland
zwischen dem Lichlsender 14 und dem Lichtempfänger 12 betrug 500 μίτι. Dabei wurde festgestellt, daß der
Lichtleiter 13, der durch Eingießen und Aushärten einer kleinen Menge von Epoxyharz (etwa 2 χ 10-4Cm3)
zwischen Lichtsender 14 und Lichtempfänger 12 hergestellt wurde, einen Basiskollektor-Photostrom im
Phototransitor ermöglichte, der 2,1 mal größer war als der Photostrom, der bei einem herkömmlichen Lichtleiter
aus einer 500 μΐη dicken Glasplatte zwischen dem
Lichtsender 14 und dem Lichtempfänger 12 auftrat. Bei einem entsprechenden Vergleich mit einem Phototransistor,
der eine rechteckige aktive Oberfläche von 400 μηι χ 800 μίτι aufwies, stellt sich heraus, daß mit der
Koppeleinrichtung der Fig. 1 bis 3 ein doppelt so großer Photostrom und damit eine wesentlich bessere
optische Kopplung erreicht wird.
Das zuvor beschriebene Verfahren zur Ausbildung des Lichtleiters weist folgende Verfahrensschritte auf:
Ausbilden einer flüssigen Schicht aus Lichtleitermaterial zwischen dem Lichtsender und dem Lichlempfänger,
Einstellen des Abstandes zwischen beiden. Ausbilden der Lichtleiterschicht, wobei das Lichtleitermaterial in
benetzender Berührung mit dem Lichtsender 14 und Lichtempfänger 12 steht, Aushärten der Lichtleiterschicht
nach der lagemäßigen Einstellung und der Ausbildung der Lichtleiterschicht. Das Herstellungsverfahren
ist jedoch nicht notwendigerweise auf die im Zusammenhang mit den Fig.3a bis 3d beschriebenen
Reihenfolge beschränkt. Das Verfahren läßt sich auch in der nachfolgend beschriebenen Weise abwandeln.
Kehrt man nochmals zu Fig. 3a zurück, so wird eine
vorgegebene Menge flüssigen Epoxyharzes, das als Lichtleitermaterial dient, auf den Lichtempfänger
ausgebracht, der zuvor mit einer Schicht oder Barriere um die aktive Oberfläche des Lichtempiängers \2
herum versehen ist, um zu verhindern, daß das Epoxyharz von der aktiven Oberfläche herunterfließt.
Eine solche Schicht kann beispielsweise eine stufenförmige Schicht sein, die am Rand des lichtempfindlichen
Bereiches durch Photoätzen der SiO2-Schicht 12a ausgebildet wird. Die stufenförmige Schicht kann auch
eine Metallschicht für die Elektrode oder eine Glasschicht sein, wenn anstelle der SiO2-Schicht 12a
eine Metall- oder Glasschicht verwendet wird. Das Epoxyharz wird innerhalb der Barriere in Form einer
Kugel aufgebracht. Danach wird die Unterseite (mit der aktiven Oberfläche) des Lichtsenders 14, der von der
Halterung 15 gehalten wird, in benetzenden Kontakt mit dem kugelförmigen Epoxyharz gebracht. Erforderlichenfalls
wird der Lichtsender 14 durch die Halterung 15 wieder auf eine vorgegebene Höhe angehoben und
das Epoxyharz wird zu einer Lichtleiter-Konfiguration geformt und dann ausgehärtet, so daß auf diese Weise
der Lichtleiter 13 gebildet wird. Schließlich werden Verbindungsdrähte am Lichtsender 14 angebracht und
die Halterung 15 entfernt.
Anhand der Fig.4 soll nachfolgend eine opto-elektronische
Koppeleinrichtung für hohe Leistung beschrieben werden. Diese Koppeleinrichtung enthält
einen Lichtsender 14, beispielsweise eine lichtemmitierende GaAs-Diode und einen Lichtempfänger 12,
beispielsweise einen Photothyristor mit den Parameterwerten 1200 V und 100 A, der eine innere Verstärkung
mit dem Steuerstrom ermöglicht. Diese Bauelemente sind über einen Lichtleiter 13 miteinander optisch
gekoppelt. Diese Koppeleinrichlung hat die Eigenschaft,
daß eine hohe Ausgangsleistung durch ein Signal mit niederer Leistung gesteuert werden kann. Der
Lichlempfänger 12 ist zwischen einer unteren Elektrode, die in Form eines Gewindebolzens 21 ausgebildet ist,
und einer oberen Elektrode 25 befestigt, die mit der Hauptleitung 29 in Verbindung steht. Ein zylinderförmiges
Teil 26 mit einer Glashülse 27, durch die eine Steuerleitung 28 hindurchgeht, ist in ein in der oberen
Elektrode 25 ausgebildetes Loch eingesetzt. Der Lichtsender 14, der in den Lichtleiter 13 eingelegt ist, ist
an der Spitze der Leitung 28 befestigt.
Anhand der Fig. 5a bis 5d wird ein Verfahren zur Herstellung der in Fig.4 dargestellten Koppeleinrichtung
erläutert. Wie in Fig. 5a dargestellt ist, wird zunächst auf die obere Fläche des Gewindebolzens 21,
der aus Kupfer hergestellt ist, der Lichtempfänger 12, in diesem Falle ein Photo-Thyristor befestigt, auf dem die
obere Elektrode 25 angebracht wird. Wie in Fig. 5b dargestellt ist, wird im Loch der oberen Elektrode 25
der Sockel mit der Glashülse 27, welche die Leitung 28 hält, an deren Spitze der Lichtsender 14 angebracht ist,
sowie das zylinderförmige Teil 26, das beispielsweise aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung hergestellt ist,
eingesetzt, ausgerichtet und lagemäßig festgelegt. Wie in Fig. 5a dargestellt ist, wird danach zwischen dem
Gewindebolzen 21 und dem Lichtempfänger 12 flüssiges Epoxyharz als Lichtleitermaterial gebracht. Auf diese
Weise wird eine Kunstharzschicht 13a gebildet, die in
4b benetztender Berührung mit der Glashülse 27, dem
Lichtsender 14 und der aktiven Oberfläche des Lichtempfängers 12 steht. Wie in Fig. 5 dargestellt ist.
wird die Kunstharzschicht durch Absaugen und Entfernen eines Teils der Kunstharzschicht 13a,
beispielsweise mittels eines Injektors oder eines Dochtes, der beispielsweise aus Filterpapier hergestellt
ist, in die Lichtleiter-Form gebracht und durch Wärmebehandlung ausgehärtet, bu daß schließlich der
Lichtleiter 13 entsteht. Schließlich wird die dadurch erhaltene Anordnung in bekannter Weise eingeschmolzen,
so daß sich die in Fig.4 dargestellte Einrichtung
ergibt Bei dieser Ausführungsform kann die Verstärkungselektrode des Photo-Thyristors als Grenzschicht
oder Barriere verwendet werden, wie dies zuvor erwähnt wurde, um den Lichtleiter 13 auszubilden.
Die grundsätzliche Funktion der Lichtleiterwirkung, die mit dem Lichtleiter 13 erhalten wird, entspricht der
zuvor beschriebenen Funktion. Um die Lichtleiterwirkung zu verbessern, ist die Leitung 28 aus Kupfer oder
einem entsprechenden Material so angeordnet, daß die Spitze, an der der Lichtsender 14 angebracht ist, aus der
Glashülse 27 vorsteht, so daß der Lichtsender 14 an der engsten Stelle des Lichtleiters 13 liegt und nahe an den
Lichtempfänger heranreicht. Durch diesen Aufbau können die Lichtkomponenten, die teilweise gebrochen
werden und aus dem Lichtleiter 13 austreten, also die Komponenten, die in F i g. 2 als die Lichtstrahlen b und c
bezeichnet wurden, klein gehalten werden, und die andere Lichtkomponente, die am Epoxyharz-Rand total
reflektiert wird, beispielweise der Lichtstrahl d, kann vergrößert werden; und auch die Lichtstrahlen, die von
den Seitenflächen des Lichtsenders 14 (die Lichtkomponenten, die mit f\ und h in Fig.2 bezeichnet werden),
kommen, können zur Lichtübertragung verwendet werden, so daß die optische Kopplung noch wesentlich
verbessert werden kann.
Eine Koppeleinrichtung, wie sie in F i g. 4 dargestellt ist, wurde bei einem konkreten Ausführungsbeispie!
hergestellt, bei dem der Lichtsender 14 eine rechteckige GaAs-Diode mit einem Übergangsbereich von 400 μπι2
und einer Dicke von 200 μπι war. Bei diesem Ausführungsbeispiel
war der Lichtempfänger 12 ein Photo-Thyristor mit einer inneren Steuerstromverstärkung
und mit einem Halbleiterplättchen von 20 mm Durchmesser, das eine zentrale aktive Oberfläche von 2 mm
Durchmesser aufwies. Der Abstand zwischen Lichtsender 14 und Lichtempfänger 12 betrug etwa 0,7 mm.
Der Abstand zwischen der Sockelglashülse 27 und dem Lichtempfänger 12 betrug etwa 1,2 mm und es wurde
eine kleine Menge (etwa 3 χ 10~3cc) Epoxyharz
verwendet, um den Lichtleiter 13 auszubilden und eine Koppeleinrichtung herzustellen, wie sie in Fig.4
dargestellt ist.
Der Thyristor der auf diese Weise hergestellten Einrichtung konnte leicht durch Zuleitung eines
Stromes von 45 mA an den Lichtsender 14 in Funktion gesetzt werden. Wenn man die Tatsache betrachtet, daß
ein Anfangsstrom von etwa 240 mA bei einer Einrichtung mit einem ähnlichen Aufbau erforderlich ist, bei
dem ein Zwischenraum zwischen dem Lichtsender und dem Thyristor mit N2-Gas ausgefüllt ist, und wenn man
weiterhin in Betracht zieht, daß ein Zündstrom von etwa 117 mA bei einer anderen Einrichtung ähnlicher Bauart,
bei der der Zwischenraum mit einem Epoxy-Kunstharz gefüllt ist, erforderliche ist, wird deutlich, daß der
Zündstrom bei einer Einrichtung, die entsprechend dem experimentellen Ausführungsbeispiel hergestellt wurde,
in hohem Maße verringert werden kann, d. h. die optische Kopplung wurde wesentlich verbessert.
Es ist allgemein bekannt, daß die Lebensdauer der zuvor beschriebenen Koppeleinrichtung für hohe
Leistung vom Lichtsender abhängt, und daß eine hohe Dichte des Leitungsstromes durch den Lichtsender
sowie ein hoher Temperaturanstieg im lichtemittierenden Halbleiterübergang auf Grund des Leitungsstromes
opt\ Enerpieveriust des Lichtaus^En^ssi^nals wesentlich
erhöht Bei der Koppeleinrichtung, bei der der erfindungsgemäße Lichtleiter 13 verwendet wird, kann
die Lebensdauer um das 5- bis 8-fache bis zu etwa 105 Stunden erhöht werden, da es möglich ist, die
Stromdichte des durch den Lichtsender fließenden Stromes im Vergleich zu einer Einrichtung um die
Hälfte zu verringern, bei der ein Lichtleiter in Form einer einfachen Kunstharzschicht verwendet wird, und
da es möglich ist, den Temperaturanstieg auf ein Minimum zu beschränken (bei diesem experimentellem
Ausführungsbeispiel kann der Temperaturanstieg auf etwa 35° C beschränkt werden).
In den F i g. 6a bis 6e sind weitere Ausführungsformen
und Abwandlungen dargestellt. Die in Fig.6a dargestellte
Ausbildungsform wird in vorteilhafter Weise bei einem Lichtempfänger verwendet, bei dem der hochempfindliche
Teil im Innern, also von der Haupt-Oberfläche entfernt, ausgebildet ist. Beispielsweise im Falle
des Photo-Thyristors befindet sich der hochempfindliche Teil in der Gegend des zentralen pn-Übergangs, der
in Sperrichtung vorgespannt ist, wenn eine Spannung in Durchlaßrichtung an die Hauplelektroden angelegt
wird. Bei einem solchen hochempfindlichen Sensor wird das auf die Hauptoberfläche auftreffende Licht stark
absorbiert, bevor dieses Licht den hochempfindlichen Bereich erreicht, so daß dadurch die Empfindlichkeit
stark verringert wird. Um einen derartigen Empfindlichkeitsverlust zu vermeiden, wird der Lichtempfänger 12
in der in Fig. 6a dargestellten Einrichtung mit einer geätzten Nut ausgebildet, so daß der hochempfindliche
Bereich an der Oberfläche der Nut freiliegt und der Lichtleiter den Lichtsender Ί4 und die Oberfläche der
Nut, an der der hochempfindliche Bereich freiliegt, optisch koppelt. Da nach dem Ätzvorgang eine
Passivierungsschicht, beispielsweise eine SK^-Schicht
ausgebildet wird, ergibt sich ein Lichtleiter aus einem Material, welches die SiO2-Schicht sehr gut benetzt und
daher in gutem Kontakt mit dieser SiO2-Schicht steht,
eine sehr gute optische Kopplung zwischen einer kleinen rechteckigen aktiven Oberfläche und einer
großen runden, konkav geformten aktiven Oberfläche.
Bei der in Fig.6b dargestellten Ausführungsform ist
der Lichtsender 14, der mit einer Schicht 36 beschichtet ist und der Lichtempfänger 12, der an der aktiven
Oberfläche mit einer Passivierungsschicht 39, beispielsweise einer Schicht aus Glas oder einem Kunststoff auf
Siliciumbasis, also nicht mit einer SKVSchicht 37
versehen ist, miteinander über den Lichtleiter 13 optisch gekoppelt. Der auf einem Sockel 35 angebrachte
Lichtsender ist mit einer Schicht 36, beispielsweise aus Glas oder einem entsprechenden Material beschichtet,
so daß die Bedingung für die Totalreflektion weniger scharf ist, und die Lichtausbeute verbessert werden
kann. Die aktive Oberfläche des Lichtempfängers 12 auf dem Sockel 11 ist ebenfalls mit der Schicht 39 beschichtet.
Der Lichtleiter 13 kann auch bei einer solchen Anordnung leicht verwendet werden. In F i g. 6b dient eine
Elektrodenschicht 38 als stufenförmige Schwelle.
In Fig. 6c ist eine weitere Ausführungsform dargestellt,
bei der der Lichtleiter 13 so ausgebildet ist, daß die von den Seitenflächen des Lichtsenders 14 kommenden
Lichtstrahlen wirkungsvoller ausgenutzt werden können. Der in Fig.6c dargestellte Lichtleiter 13 ist
querschnittsmäßig so ausgebildet, daß der Querschnitt an dem Bereich, der den Lichtsender 14 umgibt,
allmählich zunimmt, im Mittelbereich praktisch die gleiche Größe aufweist und in der Nähe des
Lichtempfängers ebenfalls wieder allmählich größer wird. Der Lichtleiter 13 mit einer solchen Form kann auf
einfache Weise, beispielsweise dadurch ausgebildet werden, daß zwischen ein zylinderförmiges Teil 40 und
eine Leitung 41 eine Schicht 42 aus isolierendem Material (aus beispielsweise Tetrafluoräthylen) gebracht
wird, das von Epoxyharz nur sehr schlecht oder gar nicht benetzt werden kann, daß der Lichtempfänger
14 mit Epoxyharz umgeben wird, wobei das Epoxyharz die Spitze der Leitung 41, die von Epoxyharz
ausgezeichnet benetzt werden kann, und die aktive Oberfläche benetzt, und daß dann das Epoxyharz
ausgehärtet wird. Da der Lichtleiter 13 in dieser Ausbildung die zusätzliche Funktion hat, die aus den
Seitenflächen des Lichtsenders austretenden Lichtstrahlen zu fokussieren und sie auf den Lichtempfänger 12 hin
IO
zu bündeln, kann die optische Kopplung um etwa 30 bis 50% gegenüber dem in F i g. 1 oder F i g. 4 dargestellten
Lichtleiter 13 verbessert werden.
In Fig.6d ist eine weitere Ausführungsform dargestellt,
bei der der Lichtsender 14 und der Lichtempfänger 12 so angeordnet sind, daß die aktiven Oberflächen
gegeneinander vesetzt oder verschoben sind. Der Lichtleiter 13 ist zwischem dem Lichtsender 14 und dem
Lichtempfänger 12 ausgebildet.
Fig.6e zeigt eine weitere Abwandlung, bei der ein
Lichtempfänger 12 mit einem relativ kleinen und der Lichtsender 14 mit einer relativ großen aktiven
Oberfläche miteinander über den Lichtleiter 13 optisch gekoppelt sind.
Die in den F i g. 6d und 6e dargestellten Lichtleiter 13 können auf einfache Weise dadurch ausgebildet werden,
daß ein Kunstharz mit relativ hoher Viskosität verwendet und das Kunstharz schnell ausgehärtet wird.
Beispielsweise wird acyclisches Epoxyharz, das mit einem Aushärtmittel aus Hexahydrophtalsäure gemischt
ist, einer langsamen Aushärtreaktion während 40 bis 50 Stunden bei einer Temperatur von 40°C
unterworfen, so daß dabei die Viskosität des Epoxyharzes 700 bis 1200 Poise aufweist, das Kunstharz wird in
die Lichtleiterform gebracht, wobei es mit den vorgegebenen aktiven Oberflächen, in benetzenden
Kontakt gebracht wird. Danach wirddiese Kunstharz-Form schnell und bei hoher Temperatur ausgehärtet, so
daß der Lichtleiter mit der gewünschten Form in einfacher Weise gebildet wird.
20
25
30
In Fig.6f ist eine weitere Ausführungsform darge-
stellt, bei der Fokussierungseinrichtungen 43 (Linsen oder entsprechende Teile) auf vorgegebenen Bereichen
angeordnet und zu diesen ausgerichtet werden, damit die vorgegebenen Bereiche der aktiven Oberfläche des
Lichtempfängers 12 mit Licht hoher Intensität bestrahlt werden. Die Fokussierungseinrichtungen sollten vorzugsweise
aus Kunstharz, Glas oder einem Halbleiter mit einem Brechungsindex hergestellt werden, der
größer ist als der Brechungsindex des Materials, aus dem der Lichtleiter 13 besteht. Außer den in der Figur
dargestellten Formen sind auch zahlreiche andere Formen für die Fokussierungseinrichtungen möglich.
Die zuletzt beschriebene Ausführungsform weist mehrere Lichtempfänger auf, die zu einer Einheit zusammengefaßt
sind, wobei einige der Lichtempfänger mit einer größeren Lichtintensität bestrahlt werden, als die
übrigen Lichtempfänger.
Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wurde hauptsächlich auf Materialien für die Lichtleiter
Bezug genommen, die auf Epoxyharz-Basis beruhen. Es können jedoch auch andere Materialien verwendet
werden. Beispielsweise können verschiedene Kunstharze auf Siliciumharz-Basis, Kunstharze auf Polyamid-Basis
oder dgl., sowie verschiedene Glassorten mit niederem Schmelzpunkt verwendet werden. Wenn als
Lichtleitermaterial mit niederem Schmelzpunkt verwendet wird, werden zunächst säulen- oder stabförmige
Lichtleiter hergestellt, worauf die lichtemmitierenden und lichtempfindlichen Bereiche direkt mit den jeweiligen
Enden der Lichtleiter verschmolzen werden.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
- Patentansprüche:!. Opto-elektronische Koppeleinrichtung mit einem Halbleiter-Lichtsender (14) und einem diesem gegenüberliegenden Halbleiter-Lichtempfänger "> (12), die durch einen zwischen ihnen angeordneten Lichtleiter (13) optisch miteinander gekoppelt sind, wobei der Lichtleiter (13) einteilig mit dem Lichtsender (14) verbunden und seine Seitenfläche nach innen konkav gekrümmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (13) auch mit dem Lichtempfänger (12) einteilig verbunden ist und aus durchsichtigem Glas oder Kunststoff besteht.
- 2. Koppeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Endflächen des Lichtleiters (13) im wesentlichen kreisförmig sind.
- 3. Koppeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß längs des Randes der aktiven Oberfläche (121) des Lichtempfängers (12) 2<> eine stufenförmige Schwelle (Elektrodenschicht 38) ausgebildet ist.
- 4. Koppeieinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die aktive Oberfläche (121) des Lichtempfängers (12) umgebende Umfangsfläche durch eine Schicht aus einem Material bedeckt ist, das durch das Material des Lichtleiters (13) weniger benetzbar ist als die aktive Oberfläche (121).
- 5. Verfahren zur Herstellung einer opto-elektri- i(| sehen Koppeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Halbleiter-Lichtsender (14) und Halbleiter-Lichtempfänger (12) ein deren aktive Oberflächen (141 bzw. 121) benetzendes durchsichtiges Glas oder ir> durchsichtiger Kunststoff in flüssiger Phase eingebracht wird, daß entweder Lichtsender und Lichtempfänger soweit voneinander entfernt werden, oder die Menge des Glases oder Kunststoffes auf eine Menge reduziert wird, daß sich die nach innen ')() konkave Seitenfläche des Lichtleiters (13) ergibt, und daß der Lichtleiter anschließend ausgehärtet wird.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Oberfläche (121) des Lichtempfängers (12) vom Material des Lichtleiters v' (13) besser benetzbar ist als die umgebende Oberfläche.
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