CN101019056A - 方法、光学器件和计算机程序 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于将第一光学元件连接到第二光学元件以便实现其间光学连接的方法。该方法包括以提供具有插座(3)的第一光学元件和提供具有插座架(1)的第二光学元件的步骤。该方法还包括使所述插座(3)接触所述插座架(1)，将所述插座(3)与所述插座架对准从而在已获得所期望的对准后在所述插座(3)的表面和所述插座架(1)的表面之间形成粘接的步骤。该方法还包括以下步骤：利用套管(9)至少部分围绕所述插座(3)和所述插座架(1)并且利用粘合剂(7)填充所述套管(9)，以便在所述插座(3)的表面和所述插座架(1)的表面之间，以及所述插座(3)和插座架(1)的连接与所述套管(9)之间形成粘接。

Description

方法、光学器件和计算机程序

技术领域

本发明涉及用于将第一光学元件连接到第二光学元件以便实现它们之间的光连接的方法。本发明还涉及利用这种方法制造的光学器件和用于使计算机或处理器执行该方法的步骤中的至少一个的计算机程序。

背景技术

光学器件通常包括至少两个必须被光连接的光学元件。TX-模块(即，发射器模块)例如包括TX-封装，该TX-封装被连接到光纤以便将光线从该TX-封装传输到一个或多个外部位置。TX-封装包括与必要的电子电路一起包含在密封外壳中的激光二极管以及窗口，通过该窗口来自激光二极管的光线离开该TX-封装。TX-封装还包括插座架(receptacle holder)。

插座被插入到插座架中。插座是例如利用套圈来支撑光纤或波导的结构，所述套圈即圆柱护套，其具有中心通道用于容纳光纤的剥皮端以夹持该光纤使之与另一个光学元件准确对准。插座或者TX-模块还可以包括透镜、凹面镜或者其它用来通过TX-封装的窗口将光线聚焦到光纤中的装置。

光纤的在插座内的一端必须与TX-封装的激光二极管准确对准，以便获得具有最小的光学损耗的、从激光二极管到光纤中的最优的光传输。一旦获得了期望的对准，插座就被固定到插座架，以便固定光纤相对于TX-封装的位置。这通常是通过将插座焊接到插座架实现的。

或者，已知可以通过在插座和插座架的重叠表面之间填充粘合剂例如在约100-150℃时固化的树脂粘合剂，从而在它们之间形成粘接。

插座的外表面通常包括与插座架不同的材料。例如，插座可由例如不锈钢或者钝化的铜制成，而插座架可由科伐合金或者陶瓷；真空熔炼的铁-镍-钴低膨胀铝制成。由于在粘合剂融合过程中粘合剂和随之光学元件都要受热，所以插座和插座架由于它们不同的热膨胀系数而经受不同的尺寸改变。

随着粘合剂和随之插座和插座架冷却到环境温度，热膨胀系数比插座架高的插座的长度比插座架缩小的多。由于粘合剂在粘接的边缘处被拉伸或者被压缩，这导致粘合剂中存在应力。这些应力可能导致在粘接的边缘处出现裂隙，这些裂隙可能传播通过粘接，导致粘合剂与插座和/或插座架的表面分离，主要是与插座架分离。插座和插座架承受的温度越高，插座和插座架的重叠表面之间的粘接中的粘合剂体积改变越大。在粘接中存在裂隙可能导致激光二极管不能与光纤对准，结果TX-模块的光透射性能较差从而输出功率下降。

如果粘合剂从其周围环境中吸收了水汽，则粘接的机械性质也可能受到负面影响，因为这可能在粘接中导致水汽引入的应力。因此，实现并维持光学器件中的光学元件之间的准确对准可能是困难的且费时的过程。

将多模光纤连接到其它光学元件几乎都使用粘接结合。将单模光纤连接到其它光学元件要求比连接多模光纤所要求的更高的精度。单模光纤的芯的直径(约5μm)比多模光纤的直径(至少50μm)小很多，因为在单模光纤中仅传输基模，基模是多种光波种的一种可以光纤中传播同时维持全内反射，而多模则允许多种光波传播。维持单模光纤对准所要求的更高的精度要求使得粘接不适于利用根据现有技术的粘合结合方法将单模光纤连接到其它光学元件。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法，用于将第一光学元件连接到第二光学元件以便实现它们之间的光学连接，从而在第一和第二光学元件被彼此固定之后维持它们的对准。

该目的由包括权利要求1中的步骤的方法实现，即包括以下步骤的方法：提供具有插座的第一光学元件和提供具有插座架的第二光学元件。通过例如将插座插入到插座架或者将插座安装到插座架上，使插座接触插座架。将插座与插座架对准，并且在已获得所期望的对准后在插座的表面和插座架的表面之间形成粘接。该方法还包括以下步骤：利用例如管或者半管形式的套管至少部分围绕插座和插座架，然后利用粘合剂填充套管，以便在插座的表面和插座架的表面之间，以及插座和插座架的连接与套管之间形成粘接。这允许粘合剂围绕被完全嵌入在粘合剂中的插座和插座架的表面膨胀和收缩，而不产生裂隙或者不与粘合在一起的表面分离。

表述“光学元件”意指要在其间建立光学连接的任何元件，例如可以包括光学能量源(例如，激光二极管)、光学能量探测器(例如，光电二极管)、或者光学能量传输装置(例如，光纤)，甚至要沿其传输光信号的通道。该方法可以用来例如将激光二极管连接到例如光功率计的测试设备中的一段或多段，或者将一根光纤连接到一个或多个光纤。

根据本发明一个实施例，该方法包括以下步骤：在用粘合剂填充套管之前，密封套管来形成封闭的腔以容纳粘合剂。根据本发明另一个实施例，该方法包括以下步骤：将插座推向位于插座的前面的密封装置(例如，密封环)以便密封腔。

根据本发明又一个实施例，套管被布置为可移动，以帮助在形成粘接之前将插座与插座架对准。

根据本发明又一个实施例，如果例如插座和/或插座架被移动来帮助实现用粘合剂填充套管的步骤，则在套管已被填充了粘合剂后，调整插座和/或插座架的位置。在套管已被用粘合剂填充后，在粘合剂被固化之前将插座和/或插座架移动回正确的对准位置。

根据本发明一个实施例，该方法包括以下步骤：向插座的表面和/或插座架的表面提供至少一个开口，以允许粘合剂通过插座的表面和/或插座架的表面，以使得在插座、插座架和套管之间的粘接中可以容纳更多的粘合剂。根据本发明另一个实施例，所述表面被提供有至少一个指、裂口或孔。根据本发明的又一个实施例，向插座的表面和/或插座架的表面提供多个指，例如6个或12个指，可选地，这些指围绕插座和/或插座架在要形成粘合剂结合的区域中均匀分布。由于指比硬管更柔软，所以它们可用更容易地移动来在粘合剂冷却时帮助粘合剂移动。还可以发现，使用包括12个指的表面提供了比使用6个指时更坚固的粘合剂结合。

根据本发明的一个实施例，利用物理或者化学过程，使插座的至少部分表面和/或插座架的至少部分表面变粗糙，以便增大用于粘合的面积。该表面例如包括金属，并且在形成粘接之前通过例如电火花加工或者向该表面提供螺纹来使所述金属变粗糙，以形成改进的粘接。根据本发明一个实施例，所述多个指被电火花加工。

根据本发明另一个实施例，所述粘合剂至少包括以下之一：用于加固粘接的装置，用于使粘接中机械和水汽引入的应力最小的装置，以及/或者用于降低粘合剂的热膨胀系数的装置。根据本发明又一个实施例，粘合剂包括玻璃纤维。这种填充的粘合剂比未填充的或者“不透明”的粘合剂少吸收约3倍的水汽，并且以约二至五的因子降低线性热膨胀系数。

根据本发明一个实施例，插座包括单模光纤或者多模光纤。由于本发明的方法在插座和插座架被固定之后维持它们之间的对准位置，所以该方法适用于单模光纤，从而扩展了根据现有技术的方法形成的粘接的应用领域。

本发明还涉及用于在上述实施例中的任一个的方法中使用的套管。根据本发明的一个实施例，该套管包括与其一起整体形成为单个单元的密封装置。或者，套管和密封装置作为独立的元件被提供。根据本发明另一个实施例，套管包括至少一个出气孔，用于在用粘合剂填充套管时可以从套管排出气体。出气孔可以被设置在套管的主体中和/或在密封装置中，所述密封装置或者与套管整体形成，或者形成为独立于套管的独立元件。根据本发明又一个实施例，套管的至少一个部分包括对特定类型的辐射例如紫外、红外或可见辐射透明的材料，用于帮助使粘合剂固化。根据本发明又一个实施例，套管包括聚四氟乙烯(PTFE)或者包括柔性材料。

本发明还涉及用于在上述实施例中的任一个的方法中使用的光学元件。根据本发明一个实施例，该光学元件包括具有插座和/或插座架的光学元件，其具有包括至少一个指、裂口或孔的表面。根据本发明的另一个实施例，该光学元件包括具有表面的插座或插座架，该表面包括多个指，例如6个或12个指，可选地，这些指围绕所述插座和/或插座架的一端均匀分布。

本发明还涉及诸如光学接收器或应答器之类的光学器件，包括至少具有一个插座的光学元件和具有至少一个插座架的光学元件，其中所述至少一个插座和至少一个插座架被利用上述实施例中的任一个的方法连接。

本发明还涉及一种计算机程序，包括用于使计算机或处理器执行本发明的方法的步骤中的至少一个的计算机程序代码装置，以及利用计算机可读介质存储的这种计算机程序。计算机程序被用来例如监视和/或控制例如光学元件的对准，以及粘合剂分散和固化过程。

从下面的描述和其它实施例可以清楚本发明的其它优点和有利特征。

附图说明

图1示出了第一光学元件的插座架，

图2示出了第二光学元件的插座，

图3示出了利用根据现有技术的方法可能产生的插座在插座架内的对准，

图4-9示出了根据本发明实施例的方法的步骤，

图10-14示出了根据本发明实施例用粘合剂填充套管的步骤，以及

图15示出了根据本发明实施例的插座架的表面。

下面的描述和附图不是要将本发明局限于所公开的实施例。所公开的实施例仅例示出了本发明的原理。

具体实施方式

图1示出了第一光学元件(即，TX-封装)的具有插座架1的部分。插座架1包括窗口2，通过窗口2来自TX-封装内包含的激光二极管的光线以箭头所示方向传递，以传输到TX-封装外。或者，这两个光学元件可以是RX-封装(即，接收器封装)和光纤，其中来自光纤的光线被传递向RX-封装。

图2示出了包括封套5内所包含的光纤4的插座3。透镜6将穿过插座架1的光线聚焦到光纤4。

在所示示例中，插座3被形成为阳性连接器部分，而插座架1被形成为阴性连接器部分。然而，也可以插座被形成为阴性连接器部分，而插座架被形成为阳性连接器部分，从而插座架可以被插入到插座中，并且插座的表面在插座架的表面的外部呈辐射状。

图3示出了已被固定到插座架1的插座3，插座架1具有硬圆筒的形式。插座3的外表面和插座架1的内表面之间的空间用粘合剂填充。随着粘合剂冷却，粘合剂的体积缩小使得在粘接中产生应力。粘合剂7从插座架1分离，使得在插座架1和插座3之间的粘接中产生不对称的间隙。插座3在插座架1中变得未对准，从而对于从TX-封装到光纤4中的最优光传输来说，处于错误的位置，处于错误的角度。

图4-9示出了根据本发明实施例的方法的步骤。在第一步骤中(图4所示)，插座3被插入到插座架3中。在对准过程中TX-封装的激光二极管被供能，同时光纤4的一端与光强计对准，以测量传输过光纤4的激光束的强度。在插座3和插座架1被最优对准时，光强计将示出最大值。利用微操纵器，插座相对于插座架的位置被优化到期望的标准偏离内(即，其平面位置一般被优化到约±10-20μm内，角位置一般被优到约0.03°内。

根据本发明的实施例，插入步骤可通过按下键盘上的一个按键启动。计算机然后监视光学元件之间的光传输，并且控制插座3相对于插座架1的移动来优化它们彼此之间的位置。

图4示出了用透明PTFE制造的套管9，在插座3被插入到插座架之前，该套管9的一端被安装到插座架1上。一旦插座3被插入，套管9的另一端就被安装到插座上。图5和图6示出了可移动套管9能够处于不同的位置和角度，以帮助插座3与插座架1的对准。

一旦获得期望的对准，如图7所示，就利用两个密封环10a和位于插座3前面的垫圈10b将套管9密封，以形成用于容纳粘合剂的腔11。插座3被推向密封垫圈10b，以便密封腔11。根据优选实施例，套管9和密封环10a被形成为单个单元。

图8示出了针12然后被插入通过套管9中的粘合剂入口13以用粘合剂填充腔11。一旦腔11被填充后，针12就被移除，并且插座3移离密封垫圈10b，移回其正确的对准位置，如图9所示。然后通过例如用紫外光照射套管9的内容，粘合剂被固化，以维持正确的对准位置。或者，如果光学元件能够经受固化过程所导致的热移动，则可以使用空气固化粘合剂或者IR(红外)固化粘合剂。

图10示出了插座3、插座架1和套管9的截面。套管9包括出气孔15，通过该出气孔15，在用粘合剂填充套管9时套管中包含的气体被排出套管。如果必要的话，在密封环10a中也可以提供出气孔。如果密封装置不提供完全的气密密封，则不一定要提供出气孔。插座3、插座架1和套管9被示作具有圆形截面，但是这些元件也可以具有任意截面形状。插座架1表面包括硬圆管。插座3的表面包括其间可以通过粘合剂的指14。

图11示出了将针12穿过粘合剂入口13，用粘合剂7填充插座3和插座架1之间的腔11的步骤。粘合剂7可以是环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨脂、硅树脂或者任何商用UV-/可见光固化光学粘合剂。粘合剂从插座的指14间通过，并且填充插座3和插座架1之间的腔11以及指14间的开口。粘合剂7还填充插座架1的外部和套管9之间的腔11。

在腔已用粘合剂7填充之后，腔内产生的压力最终导致粘合剂7被挤出粘合剂入口13的侧面之外，如图12所示。针12然后被移出，如图13所示，然后通过利用例如UV辐射照射套管的内容使粘合剂固化。套管9然后被移出，如图14所示，留下插座3和插座架1之间的粘接，以及围绕插座架1的粘合剂层，从而粘合剂层完全密封了插座架连接。

图15示出了四个不同的插座架1的表面的部分，分别包括多个指14、一个或多裂口或者一个或多个孔12，以允许粘合剂7通过并且密封插座架1的表面。

当然，本发明决不限于上述优选实施例，在不脱离所附权利要求限定的本发明的基本思想的情况下，多种修改对于本领域技术人员是显而易见的。

Claims (25)

1.一种用于将第一光学元件连接到第二光学元件以便实现它们之间的光学连接的方法，包括以下步骤：提供具有插座(3)的第一光学元件和提供具有插座架(1)的第二光学元件，使所述插座(3)接触所述插座架(1)，将所述插座(3)与所述插座架对准，在已获得所期望的对准后在所述插座(3)的表面和所述插座架(1)的表面之间形成粘接，其特征在于该方法包括以下步骤：利用套管(9)至少部分围绕所述插座(3)和所述插座架(1)，以及利用粘合剂(7)填充所述套管(9)，以便在所述插座(3)的表面和所述插座架(1)的表面之间，以及所述插座(3)和插座架(1)的连接与所述套管(9)之间形成粘接。

2.如权利要求1的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：在用粘合剂(7)填充所述套管(9)之前，密封所述套管(9)来形成封闭的腔(11)用于容纳所述粘合剂(7)。

3.如权利要求2的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：将所述插座(3)推向位于所述插座(3)的前面的密封装置(10b)以便密封所述腔(11)。

4.如前述权利要求中的任一个的方法，其特征在于所述套管(9)被布置为可移动，以帮助在形成所述粘接之前将所述插座(3)与所述插座架(1)对准。

5.如前述权利要求的任一个的方法，其特征在于在所述套管(9)已被填充了粘合剂(7)后，调整所述插座(3)和/或所述插座架(1)的位置。

6.如前述权利要求中的任一个的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：为所述插座(3)的表面和/或所述插座架(1)的表面提供至少一个开口，以允许粘合剂(7)通过所述表面。

7.如权利要求6的方法，其特征在于所述表面被提供有至少一个指(14)、裂口(16)或孔(17)。

8.如权利要求7的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：向所述插座(3)的表面和/或所述插座架(1)的表面提供多个指(14)，例如6个或12个指。

9.如前述权利要求中的任一个的方法，其特征在于，在形成粘接之前，使所述插座(3)的至少部分表面和/或插座架(1)的至少部分表面变粗糙。

10.如权利要求8的方法，其特征在于所述多个指(14)包括金属，并且在形成粘接之前通过例如电火花加工使所述金属变粗糙。

11.如前述权利要求中的任一个的方法，其特征在于，所述粘合剂(7)至少包括以下之一：用于加固所述粘接的装置，用于使所述粘接中机械和水汽引入的应力最小的装置，以及/或者用于降低所述粘合剂的热膨胀系数的装置。

12.如权利要求11的方法，其特征在于所述粘合剂(7)包括玻璃纤维填充器。

13.如前述权利要求中的任一个的方法，其特征在于所述插座(3)包括单模光纤(4)。

14.如前述权利要求中的任一个的方法，其特征在于所述插座(3)包括多模光纤。

15.一种用于在权利要求2-14中的任一个的方法中使用的套管(9)，其特征在于该套管(9)包括与所述套管(9)一起整体形成为单个单元的密封装置(10a)。

16.一种用于在权利要求1-14中的任一个的方法中使用的套管(9)，其特征在于该套管(9)包括至少一个出气孔(15)。

17.一种用于在权利要求1-14中的任一个的方法中使用的套管(9)，其特征在于该套管(9)的至少一个部分包括对特定类型的辐射例如紫外、红外或可见辐射透明的材料。

18.一种用于在权利要求1-14中的任一个的方法中使用的套管(9)，其特征在于该套管(9)包括聚四氟乙烯(PTFE)。

19.一种用于在权利要求1-14中的任一个的方法中使用的套管(9)，其特征在于该套管(9)包括柔性材料。

20.一种用于在权利要求1-14中的任一个的方法中使用的光学元件，其特征在于所述光学元件包括具有表面的插座(3)和/或插座架(1)的光学元件，所述表面包括至少一个指(14)、裂口(16)或孔(17)。

21.如权利要求20的光学元件，其特征在于所述表面包括多个指，例如6个或12个指。

22.如权利要求20或21的光学元件，其特征在于所述表面包括绕所述插座(3)或插座架(1)均匀分布的多个指(14)、裂口(16)或孔(17)。

23.一种诸如光学接收器或应答器之类的光学器件，包括具有插座(3)的光学元件和具有插座架(1)的光学元件，其特征在于所述插座(3)和所述插座架(1)被利用如权利要求1-14中的任一个的方法连接。

24.一种计算机程序，包括用于使计算机或处理器执行本发明的方法的特征步骤中的至少一个的计算机程序代码装置。

25.一种利用计算机可读介质存储的如权利要求24的计算机程序。

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