CN100523883C - 精密光纤连接 - Google Patents

Abstract

本发明针对光纤连接，它包含热垫块和使光纤安装到热垫块的焊料玻璃。通过光纤在热垫块上面定位并且使光纤对准来形成这种安装。然后抬起光纤把焊料玻璃预制件放在热垫块上。对玻璃预制件加热使其熔化。在预制件熔化的情况下，光纤降落到熔融焊料玻璃内。然后撤去电流，于是焊料玻璃随其冷却而凝固，以致形成光纤和热垫块间的连接。

Description

精密光纤连接

相关申请

本申请要求2002年12月10日提交的美国临时申请No.60/432,332的利益，在此引入完整内容作为参考。

技术领域

本发明涉及光纤的精密连接。

背景技术

微米定位准确度的光纤连接在光学元件工业中处于关键时期。在最高速发射和接收通讯元件的封装方面和在光纤与激光器、调制器或其他光学元件的封装方面一样，不仅定位准确度而且角准确度和转动准确度，以及保持该部分的整个Telcordia认证中的设置位置的能力既是挑战性的又是苛刻的。就光纤和发光二极管各具有十微米数量级直径的有源区来说，以单微米定位容许偏差安装光纤是个技术标准。

有二种适用的基本对准方法：无源对准和有源对准。无源对准包含在放入光纤之前精细布置好所有的光学元件。这些元件其中之一是经常用硅做成V形形状的光纤夹具。这种夹具也相对于要与光纤耦合的光电二极管精确定位。在安装好所有元件(常用自动捡取和装入机械装置)以后，然后把光纤放入预对准光纤夹具，并且在不需要进一步对准的情况下把光纤接入工作区。如果元件位置放在准确，那么从光纤端面发射出的光将对准光电二极管。这样的工艺方法时常使用环氧树脂粘合剂来连接。无源光纤连接方法的缺点在于它仅提供不太高的～10微米定位准确度。这样的准确度适用于较慢的(≤2.5Gb)光接收器，但是对较高速度10-Gb和40-Gb光接收器来说就不是如此。

对较高速度光接收器来说，其中检测器直径能够缩短到小于10微米，光纤与检测器的有源对准是最理想的。通过在检测器的电输出和调整光纤的定位平台之间放入反馈环路来实现有源对准。对有源对准操作来说，在组合装置中没有预定位的光纤夹具。而是，光纤在相当小的范围内自由移动，直到从光电二极管检测到的信号(通常以电流的形式)达到令人满意的值而然后把光纤锁定(固定)在工作区。反馈环路常常是技术人员简单移动XYZ定位平台一直到他/她使从光电二极管流出的电流达到最大值为止。就这样的方法而言，以微米或者甚至亚微米准确度使光纤对准是可以实现的。

理想的是，选择易于控制并且确保整个产品使用期内会保持光纤精确定位的光纤连接工艺方法。以上所述的后面一点由于这些种类的元件不但经受过很大的温度变化而且经受过冲击和振动所以可能是有希望的。由于环氧树脂类和一些低温熔化焊料在整个使用时间和温度变化范围内塑性变形几微米之多，因此是不令人满意的。由于这些原因，在高速光接收器和发射器的精密光纤连接方面现在没有几种工艺方法倘在应用之中。原来采用的方法包含光纤与安装在光接收器模块内底座的低温焊接和焊接的组合方法。这种方法能够提供必要的定位准确度并且能够在整组Telcordia测试范围内严格保持这样的准确度。然而，为了便于焊料连接到底座，光纤在其端面附近需要涂(镀)Ni/Au膜。对光纤组件来说这样的光纤金属处理会大大增加费用。按整体情况而论，由于在最后的封装步骤期间为了使光纤与接收机模块气密焊封需要金属化的光纤，因此直到最近，这样的费用似乎还是不可省的。近来，已经有了促使减少低速光接收器制造成本的方法包括不需要使光纤金属化而是使用一种称之为低温焊料玻璃的新型材料来使光纤与模块气密焊封。低温焊料玻璃除它们在300℃左右熔化以外是含玻璃所有属性(即其硬度、抗塑性变形性，温度循环能力和气密性)的材料。对气密焊封操作来说，把环形焊料玻璃预制件伴随着(穿过环形孔的)光纤插入kovar光纤管。在与组件完全装配好的情况下，常常使热量从感应型加热器传导给Kovar光纤管。然后使焊料玻璃预制件熔化、浸润并且焊封未固紧的光纤和Kovar管内壁之间的容积。这是一种玻璃对金属的焊封，并且是不透潮气的。

发明内容

本发明一般针对用于光纤连接在自身模块内的低温焊料玻璃应用。这种光纤连接在像高性能光接收器之类的光电子学方面容许使用非金属化光纤，而在光纤连接中对准容许偏差是严格的。光纤连接包含热垫块和使光纤与热垫块联接或连接的焊料玻璃

通过光纤在热垫块上面定位和使光纤例如相对于光接收器元件对准可以形成光纤连接。然后抬起光纤把焊料玻璃预制件放在热垫块上。通过给热垫块通电流来使玻璃预制件熔化。在焊料玻璃预制件熔化的情况下光纤降落到熔融焊料玻璃内。然后撤去电流，于是焊料玻璃随其冷却而凝固而在光纤和热垫块之间形成连接。用另一种替换方法，可以包据用激光器或者感应型加热器对焊料玻璃加热来使焊料玻璃熔化。

能够以远低于原有成本获得以替换焊料封装的预制件形式同时改进抗疲劳性能，抗塑性变形性能和抗腐蚀性能的焊料玻璃。

根据下面的附图、详细描述和权利要求书，本发明的其他特点和优点将是显而易见的。

附图说明

图1A是根据本发明用于光电子器件的光纤连接的透视图。

图1B是用于光电子器件的光纤连接的顶视图。

图2A是用于光纤连接的热垫块的透视图。

图2B是热垫块的顶视图。

图2C是热垫块的组合件分解图。

图3是用于光纤连接的焊料玻璃预制件的透视图。

图4A是在焊料玻璃熔化之前光纤连接的顶视图。

图4B是图4A中沿线4B-4B所示的光纤连接的侧视图。

图5是光纤与热垫块用焊料玻璃连接的沿图1B中沿线5-5的视图。

图6是根据本发明用熔融焊料使光纤连接于热垫块的步骤的顺序流程图。

具体实施方式

根据本发明一个实施方式，图1A和1B具体说明在模块内支撑用于光电子元件14的光纤12的光纤连接10。光纤连接10能够用来固定与光电二极管、激光器或者包含太赫兹收发器、发射器和接收器的其他光电子器件对准的光纤。进一步，光纤连接10能够用来获得一条光纤对另一个或任一其他光器件的对准。

参阅图2A、2B、2C和3，光纤连接10包含加热元件或热垫块16和焊料玻璃18。热垫块16包含基板20、位于基板20上面的电阻元件或电阻器22、位于电阻器22上面的电介质层24、位于电介质层24上面的中心垫片26以及位于电阻器22上面和电介质层24两侧的一对旁侧垫片28。热垫块16的底表面可以装有可选项的垫片32，以便例如用像80Au/20Sn之类常规焊接焊料把热垫块16焊接到模块底板。一开始如图4A和4B所示那样把焊料玻璃18以矩形预制件的形式放置在中心垫片26上面。

因此，热垫块16构成微型装配式电阻加热器，通过电流流过电阻器22来加温以使焊料玻璃18受热。因而，中心垫片26呈片状并起熔化焊料玻璃的导热板作用。当加热时，焊料玻璃预制件熔化并且浸润中心垫片26和光纤12而形成如图5所示那样在光纤12和热垫块16之间的连接。在一些实施例中，光纤12在中心导热体26上表面上方大约几十微米的高度h处通过焊料玻璃18连接到热垫块16。用另一种替换，高度h能够到毫米或毫米以上那么高。

在电阻器22两侧的旁侧垫片28是一些用于热垫块16的电接触点。电介质层24使旁侧垫片28与中心垫片26电绝缘。而中心垫片26把热量从电阻器22传导到焊料玻璃预制件18。经由电探头或用与模块的电馈入装置电连接的导线接头能够与旁侧垫片26电连接。一般来说，旁侧垫片26和从旁侧垫片26到位于模块壁的端子的导线30是线焊接的。在这样的方法中，模块可以安装在光纤对准定位装置内而在对准步骤期间在没有把外探头插入到模块里面的情况下供电是正常的。

应该指出，就像Pb/Sn焊料之类用于与Au金属化光纤连接的常规焊料来说，焊料熔化温度可以如200℃那样之低。在这样的温度时，模块里的一些元件当然会升高温度，但是仍能正常工作。因而，操作人员可以在接收器全部开动的同时有源地使光纤对准。

一般来说，焊料玻璃预制件18在大约300℃或者更高时熔化。然而，这些温度可能危及接收器的性能和对准。并且，向离开热垫块表面方向传导热量不仅为保持焊料玻璃熔化温度而需要较高电力而且也没有必要使模块和周围元件受热。因而，基板20装有可选项的切口槽34，切口槽34可用来较好地使热量限制在热垫块16的上表面上，也就是电阻器22附近需要熔化焊料玻璃之处。可以通过锯掉过剩基板20构成切口槽34。用于使热量限制在热垫块16的另一种方法是对热垫块跨立在其上方的模块底板开槽沟。

在一些特定的实施方式中，用氧化铝(Al₂O₃)制造粒度大约4～7μm和表面光洁度大约20～36μm的基板。切口槽34的深度可以为基板20厚度的二分之一左右。可以用TaN制造具有电阻大约100～150欧姆的电阻器22。可以用聚酰亚胺制造具有厚度大约2～3μm的电介质层24。中心垫片26、旁侧垫片28和/或底部垫片32可以是金垫片，或者任何其他适合的材料。在某些实施方式中。旁侧垫片28约为1mm长和0.5mm宽，并安装在离中心垫片26两边约0.25mm的位置上，在中心垫片26的边缘和基板20的边缘之间可以有大约0.05mm的间隙g。

如图1和1B所示。光纤12垂直于焊料玻璃18的纵向长度。换言之，光纤12能够放置在焊料玻璃18预制件中间的区域内，因此预制件位于光纤12两侧。在一些实施方式中，玻璃预制件具有安装在预制件孔内的光纤12的部分环形形状。

玻璃预制件18可以是压制成各种尺寸和形状并且在没有有机残留物的情况下烧结以致在焊封过程期间不排出气体的玻璃粉末。例如，玻璃预制件可以是从位于Byfield，Massachusetts的Diemat，Inc.，可以买到的预制件(例如型号DM2700PF)。就这些预制件来说，在大约320℃的温度时在几秒钟内能够在空气中获得光纤12的气密焊封。

现在参阅图6，表示用于形成光纤12与热垫块16焊接而因此光纤12与光电子元件14耦合的连接10的工艺过程100。在步骤101中工艺过程初始化后，在步骤102后，使光纤12对光学组件14定位。例如，可以用镊子钳把光纤12夹住在热垫块16和组件所在的模块的后壁之间位置上。能够使用微米定位镊子钳或其他夹紧光纤的装置夹住光纤12并且调准光纤12直到完成焊接过程为止，在或是有源对准或是无源对准的光纤定位操作情况中能够使用焊料玻璃。用镊子钳夹住光纤的优选位置是在热垫块16后面，也就是，从光纤的终端端面向在热垫块16上面定位的光纤端面离开一定距离。在热垫块16后面夹紧光纤确保在焊料玻璃凝固并且放开镊子钳或夹紧装置以后光纤端面不会发生移动。

下一步，在步骤104中，使光纤12与光学组件14对准。例如，如果光学组件14是光电二极管，则可以使其光电流达到最大值，很容易就使光纤12对准。

接着，在步骤106中，在最适宜位置上面使光纤12抬起一个预定距离h并且把焊料玻璃预制件18放在热垫块16上面。在预制件处于工作区情况下，在步骤108中，通过用与旁侧垫片28焊接的导线连接装置30给电阻元件22通电流来使热垫块16升温。

在大约300℃时熔化焊料玻璃所要求的电功率最值大致是二至三瓦，取决于基板20的热导率。如果电阻元件22的电阻大约是150欧姆，则从焊料玻璃18开始低温处理时候到完全熔化时候的电压范围大约是18～22伏。

当玻璃预制件的温度达到其熔化温度时，焊料玻璃预制件18开始出现光泽并起熔珠。使电流保持在这样的强度而因此也使温度保持在这样的度数，直到焊料玻璃开始浸润中心垫片26为止。这时候，这样电流一般通了大致不足一分钟。在玻璃完全熔化并且浸润中心垫片26情况下，在步骤110中，光纤12降落回到其在中心垫片26上表面上面高度h的预定对准位置而且降落到熔融焊料玻璃中。当光纤12达到焊料玻璃18的温度时，光纤12也开始被焊料玻璃18浸润。可稍微增大热垫块16的功率以便保持玻璃预制件18的熔化温度。

在步骤112中，撤去流到热垫块16的电流，于是焊料玻璃随其冷却而重新凝固。在步骤114中，拆除像摄子钳之类的定位机械装置，完成光纤连接。如果焊料玻璃在冷却期间收缩，那么能够在光纤的定位方面作出例如在垂直于热垫块顶面的方向上的初始预定位置修正以补偿收缩。

能够对前面所有的工艺过程拟定程序编入控制器或者可编程功率计。与传统的焊料不一样，焊料玻璃不具有从固体到液体和返回到固体的突变临界温度。而是，玻璃随着热垫块的温度增高而逐渐变得不太粘稠。这就为在进行一个冷却操作过程时在光纤定位方面的大量调整创造条件。

视应用而定，能够把焊料玻璃预先涂盖在热垫块16上，而光纤12能够有金包层或者是无包裹玻璃。光纤12除了连接到热垫块16以外，为了构成加固和气密的焊封还可以与安装它的模块焊接。

热垫块16可以具有在绝缘层上面例如另外一层金属层之类的顶面导热层，有助于使热量分布均匀。或者，热垫块16可以是用二个电接触部分构成的电阻层以使焊料玻璃18直接焊接到电阻区。所焊接的光纤可以直接在照射它的器件前面定位或者所焊接的光纤通过像GRIN透镜之类的透镜来对准。光纤12本身在其终端端面上可以是锥形的或者是透镜形的。光纤12可以是单模或多模

其他一些实施方式是在下面的权利要求书的范围内，例如，熔化焊料玻璃的方法可以包括使用激光器或者感应型加热器对焊料玻璃加热的方法。

Claims (15)

1.一种用于形成光纤连接的方法，包括如下顺序执行的步骤：

使光纤在热垫块上方定位；

使光纤对准以便限定预定对准位置；

抬起光纤；

把焊料玻璃预制件放在热垫块上；

使焊料玻璃预制件熔化成熔融焊料玻璃；

使光纤降落到熔融焊料玻璃内并回到其预定对准位置；和

使焊料玻璃冷却而形成在光纤和热垫块之间的连接。

2.根据权利要求1所述的方法，其中用调整光纤移动的镊子钳夹紧光纤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中的熔化包含为了对热垫块加热而使电流通过热垫块。

4.根据权利要求3所述的方法，其中的冷却包含撤去热垫块的电流。

5.根据权利要求3所述的方法，其中对热垫块施加的电压是18～22伏范围内。

6.根据权利要求1所述的方法，其中的定位光纤包含把光纤定位在热垫块上面一个预定高度的位置。

7.根据权利要求6所述的方法，其中的降落包含使光纤降落到预定高度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中的熔化发生在焊料玻璃温度为300℃以上的时候。

9.根据权利要求8所述的方法，其中的熔化发生在大约320℃时。

10.根据权利要求1所述的方法，其中的对准包含相对于一种光电子元件的对准。

11.根据权利要求10所述的方法，其中光电子元件是光电二极管。

12.根据权利要求11所述的方法，其中的对准包含使光电二极管的光电流达到最大值。

13.根据权利要求1所述的方法，其中的对准包含相对于太赫兹收发器的对准。

14.根据权利要求1所述的方法，其中的熔化包含用激光器对焊料玻璃加热。

15.根据权利要求1所述的方法，其中的熔化包含用感应加热器对焊料玻璃加热。

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