CN103018854A - 光电子器件的光纤准确对准固定结构及其对准固定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光电子器件的光纤准确对准固定结构及其对准固定方法，该对准固定结构包括管壳，管壳底部设置有过渡块，该过渡块上安装有光电功能单元，该尾管的中心通孔中同轴设置有光纤组件，所述的过渡块上设置有过渡块组件，过渡块组件上设置有玻璃预制件，该玻璃预制件具有内孔，所述的光纤组件的裸光纤通过玻璃预制件的内孔，所述的过渡块组件与管壳电连接。本发明不需要采用光纤的金属化及其金属焊料焊接的安装固定技术，其结构和工艺简单，因此耗时少，成本低，同时克服了现有技术中激光焊接和环氧树脂胶安装固定工艺所带来的热应力因素对光电子器件的耦合可靠性造成的影响。

Description

光电子器件的光纤准确对准固定结构及其对准固定方法

技术领域

本发明涉及的是一种光电子器件的光耦合封装技术，特别涉及的是一种光电子器件的光纤准确对准固定结构及其对准固定方法。

背景技术

光通信领域的光电子有源器件包括光发射器，光探测器、光放大器等多种器件。各类光电子器件与外界之间主要利用一种具有某种标准规格的光纤来进行光的传导，以实现外界与光电子器件之间光信号与光能量的传递。对于光发射器和光放大器来说，一般采用有源对准方式，通过检测激光器输出光功率与调整光纤XYZ方向的位置来实现。光纤是由工作人员在相对较小的范围在XYZ方向上移动，直至从激光器芯片检测到的光功率达到最大值然后将光纤固定起来。这种方法可实现微米甚至压微米准确度的光纤对准。当前技术的难点在于如何能控制并且保证整个产品使用期内仍然保持光纤与有源芯片之间的准确定位。现有技术中主要存在激光焊接固定和环氧树脂胶固定两种方法，以下简单介绍这两种方法及结构。

如图1a和图1b所示，管壳110内安装有钨铜热沉120，钨铜热层上安装有光电功能单元130，光纤组件300通过管壳尾管150进入管壳110内部与光电功能单元130之间进行耦合对准，当检测到最大信号时，将鞍马装镍支架150放在光纤组件300的前镍管330上，利用激光焊接，使前镍管330、镍支架150及钨铜热层焊接在一起，形成光纤与光电功能单元的对准固定。如图1c所示，光纤组件300是由125μm裸光纤310焊接在前镍管330及后镍管340上制成的，其中裸光纤310表面具有一层金属化层320（一般为镀镍镀金），利用共晶焊料370（一般是金锡焊料）使裸光纤310与前镍管330和后镍管340焊接在一起。后镍管340的作用是与管壳尾管150用焊料焊接在一起，形成管壳的气密性封装。

如图2a所示，管壳110内安装有氮化铝热沉220，氮化铝热沉220上安装有光电功能单元130，光纤组件400用过管壳尾管150进入管壳110内部与光电功能单元130进行耦合对准，当检测到最大信号时，将环氧树脂胶230注入到氮化铝热沉220上安装有光电功能单元130位置的旁边区域，并且将裸光纤310覆盖，采用一定方法将环氧树脂胶230固化，而使裸光纤310与氮化铝热沉220固定在一起，形成了光纤与光电功能单元的对准固定。如图2b所示，光纤组件400是由125μm裸光纤310焊接在后镍管340上制成，其中裸光纤310在后镍管安装区域表面做有一层金属化层320（一般是镀镍镀金），利用共晶焊料370（一般是金锡焊料）使裸光纤310与后镍管340焊接在一起。后镍管340的作用是与管壳尾管150用焊料焊接在一起，形成管壳的气密性封装。

半导体光电子有源器件经受剧烈的温度变化，或者处于经受冲击和振动的环境中，以上两种方法固定的光纤由于应力的作用会产生位移，从而造成光纤与光电功能单元之间的位置不再是准确对准的位置，光电子有源器件的性能会受到很大的影响，因此远远不能满足当前技术发展所需的高可靠性光电子有源器件的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明所要解决的技术问题为提供一种光电子器件的光纤准确对准固定结构及其对准固定方法，可解决现有技术的采用光纤金属化层及其激光焊接和环氧树脂胶耦合固定的高成本问题，同时克服其应力影响大、可靠性不足的主要技术缺陷。

本发明提出一种光电子器件的光纤准确对准固定结构，包括管壳，管壳的内腔底部设置有过渡块，该过渡块上安装有光电功能单元，该管壳尾管的中心通孔中同轴设置有光纤组件，所述的过渡块上设置有过渡块组件，过渡块组件上设置有玻璃预制件，该玻璃预制件具有内孔，所述的光纤组件的裸光纤通过玻璃预制件的内孔，所述的过渡块组件与管壳电连接。

所述的光电功能单元的中心线与管壳的尾管的轴心线平行或重合。

所述的过渡块组件包括热沉与垫块，该热沉与垫块之间通过共晶焊料焊接，该热沉的底部设置于管壳底部上。

所述的热沉顶部具有开口槽，开口槽的两侧形成有台阶，所述的垫块焊接在台阶上方，所述的垫块包括基板、底部镀金层、电阻加热器、横向镀金层以及纵向镀金层；所述的基板下方具有底部镀金层，基板上方设置有电阻加热器、横向镀金层和纵向镀金层，所述的电阻加热器的横向两侧各设置有一个横向镀金层，电阻加热器的纵向一侧设置有纵向镀金层。

所述的电阻加热器与纵向镀金层之间具有间隔距离。

所述的横向镀金层通过金丝与管壳连接，所述的玻璃预制件为圆环结构，中心具有内孔，该内孔中穿设有裸光纤，圆环结构的外侧壁具有切面结构，该玻璃预制件通过该切面结构设置于纵向镀金层的上方。

所述的管壳具有多个尾管，对应具有多个过渡块、光电功能单元、光纤组件、过渡块组件和玻璃预制件，用于多个裸光纤的对准固定。

本发明还提出一种光电子器件的光纤准确对准固定方法，包括以下几个步骤：

A：将玻璃预制件放置于光电功能单元对准的纵向镀金层上；

B：将光纤组件从管壳尾管处穿过，同时将光纤组件的裸光纤进行机械夹持，并使光纤组件的裸光纤穿过玻璃预制件的内孔；

C：进行光纤组件与光电功能单元的耦合对准，检查的光电信号大小，反馈回调整光纤组件的位置，直至检查的光电信号最大；

D：通过管壳的管脚连接的金丝给电阻加热器注入电流；

E：玻璃预制件融化成熔融的玻璃焊料，将裸光纤包裹住，降低注入电流，对光电功能单元进行加载电信号或光信号使能，在玻璃焊料的融化状态下进行光纤组件与光电功能单元的有源对准，直至检查的光电信号最大；

F：停止向电阻加热器注入电流，玻璃焊料的温度降低进而固化，形成光纤组件与光电功能单元的耦合对准并在过渡块上的固定；

G：撤去裸光纤的机械夹持装置，完成耦合对准的全过程。

本发明具有的优点在于：

本发明提供的一种光电子器件的光纤准确对准固定结构及其对准固定方法，不需要采用光纤的金属化及其金属焊料焊接的安装固定技术，其结构和工艺简单，因此耗时少，成本低，同时克服了现有技术中激光焊接和环氧树脂胶安装固定工艺所带来的热应力因素对光电子器件的耦合可靠性造成的影响。由于本发明的光纤的准确对准固定结构中，使用热膨胀系数小并且热膨胀系数相互接近的裸光纤与低温玻璃焊料的焊接结构，因此在环境温度的变化下该固定结构仍能很好的保持光纤原有的位置，保证光纤与光电功能单元长期稳定的处于准确对准位置，能够很好的解决抵抗恶劣外部环境变化而带来的可靠性问题。同时，本发明提出的光纤的准确对准固定结构，可广泛地应用于各种光电子器件的使用场合。

附图说明

图1a是现有技术中采用激光焊接技术固定光纤的上视图；

图1b是现有技术中采用激光焊接技术固定光纤的剖视图；

图1c是现有技术中采用激光焊接技术固定光纤中光纤组件的示意图；

图2a是现有技术中采用环氧树脂胶固定光纤的示意图；

图2b是现有技术中采用环氧树脂胶固定光纤中光纤组件的示意图；

图3是本发明实施例的一种具体结构的示意图；

图4是本发明实施例中光纤组件的示意图；

图5a是本发明实施例中光纤过渡块组件的分拆示意图；

图5b是本发明实施例中热沉的示意图；

图5c是本发明实施例中垫块的上视图；

图5d是本发明实施例中垫块的分拆示意图；

图6a是本发明实施例中玻璃焊料预置成型的玻璃预制件的示意图；

图6b是本发明实施例中光纤组件穿过玻璃预制件的整体示意图；

图6c是本发明实施例中光纤组件穿过玻璃预制件的局部示意图；

图6d是本发明实施例中玻璃焊料融化后的整体的示意图；

图6e是本发明实施例中玻璃焊料融化后包裹光纤的局部示意图；

图7是本发明实施例的另一种具体结构的示意图；

图8是本发明提供的光电子器件的光纤准确对准固定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明提出的光电子器件的光纤准确对准固定结构，管壳内安装有过渡块块，过渡块上安装有光电功能单元130，管壳110内部靠尾管一侧安装有过渡块组件700，光纤组件500的125μm裸光纤310靠近光电功能单元130的部分用玻璃焊料910固定在过渡块组件700上，光纤组件500的裸光纤310用低温玻璃焊料510与光纤金属管520焊接在一起，光纤组件500的光纤金属管520部分用锡合金焊料与管壳尾管焊接在一起，形成密封。

除上述的基本点外，特别的，过渡块组件700由热沉与垫块采用两片共晶焊料焊接在一起。

特别的，热沉顶部经过特殊加工切口槽，切口槽的两侧各形成一个台阶，垫块焊接在两个台阶上面。

特别的，垫块由基板底部做镀金层，基板的顶部做电阻加热器，基板的顶部电阻加热器的横向两侧各有一个横向镀金层，基板的顶部电阻加热器的纵向一侧有纵向镀金层，光纤组件500的125μm裸光纤310靠近光电功能单元130的部分由低温玻璃焊料910固定在垫块的镀金层上面。

这里，所涉及的玻璃焊料910为低温玻璃焊料，该低温玻璃焊料为现有的，如英国Mansol公司生产的L13系列焊料，其主要为由多种金属及非金属氧化物以一定配比形成的具有玻璃态特性的混合物，软化点一般在280oC～320oC 之间；其主要成份为氧化铅，通过添加其它成份和调节配比得到不同物理指标的低温玻璃焊料材料，其相关物理指标包括软化点、黏度、热膨胀系数、表面浸润性等。根据需要，低温玻璃焊料可预先制作成各种不同几何外形的形状，称为玻璃预制件或预成型玻璃焊料，如图4 中所示的玻璃预制件920。低温玻璃焊料与石英或者其它可能用于光纤的玻璃材质的裸光纤310之间可以形成良好的焊接接触，同时低温玻璃焊料具有低的、与玻璃材料相接近的热膨胀系数，因此焊接固定后与光纤的热匹配好、应力小、可靠性高。

本发明提出一种光电子器件的光纤准确对准固定结构，如图3和图4所示，包括管壳110，管壳110底部设置有过渡块610，该过渡块610上安装有光电功能单元130，该光电功能单元130的中心线与管壳110的尾管150的轴心线平行或重合，该尾管150的中心通孔中同轴设置有光纤组件500。所述的过渡块610朝向管壳110的尾管150方向间隔一定距离d1安装有过渡块组件700，该过渡块组件700由热沉710与垫块730采用两片共晶焊料720焊接在一起，该热沉710的底部设置于管壳110的底部上，一般共晶焊料720选择比玻璃焊料熔点高的焊料，如金锗焊料，如图5a所示。热沉710的顶部经过特殊加工（包括机械的切割、磨洗等加工方式）有开口槽711，开口槽711的两侧各形成一个台阶712，垫块730焊接在两个台阶712上面，如图5b所示。所述的垫块730由基板735、基板底部制备的底部镀金层737、基板735顶部制备的电阻加热器731、电阻加热器731的横向两侧各设置一个横向镀金层732以及电阻加热器731的纵向前方一侧位于基板735顶部的纵向镀金层733构成。该电阻加热器731与纵向镀金层733之间间隔一定距离d2，如图5c和5d所示。

将图6a所示的玻璃预制件920放置在垫块730的纵向镀金层733上，玻璃预制件920整体为圆环结构，中心具有内孔921，内孔921的外侧壁具有一切面结构922，该切面结构922与纵向镀金层733接触，放置玻璃预制件920，使其内孔921与尾管150同轴，使光纤组件500的125μm裸光纤310段通过玻璃预制件920的内孔921，如图6b和6c所示。通过电流流过基板735顶部的电阻加热器731使玻璃预制件920受热，基板735起到热传导的作用，通过基板735的热传导，将电阻加热器731产生的热量传导到玻璃预制件920，玻璃预制件920受热融化。加热时，玻璃预制件920融化且包裹住125μm裸光纤310，玻璃预制件920融化时在纵向镀金层733有很好的浸润和流动，最终会形成如图6d和6e所示的裸光纤310与基板735的粘接固定，玻璃预制件920融化后的形成为焊料910。电阻加热器735由氮化钽制成，阻值约80~120欧姆。电阻加热器731与纵向镀金层733之间有一定的距离d2，是防止玻璃预制件920融化后形成的焊料910向电阻加热器731一侧流动而使电阻加热器731被破坏。距离d2约为0.1mm。

电阻加热器731两侧的横向镀金层732用于给电阻加热器731的电流的注入，横向镀金层732一般是通过金丝740与管壳110连接，再通过管壳110的管脚连接到外部电源设备形成电路流通回路，在完成裸光纤310与光电功能元件130的对准固定后，可去除金丝740。（尾管150轴心线与光电单元130中心线平行或同轴，玻璃预制件920的内孔921与尾管150同轴，光纤组件500的裸光纤310与尾管同轴，这样裸光纤310与光电功能单元130是粗略对准的。）在玻璃预制件920融化并固定光纤后，金丝将没有任何作用。相反为了防止后期使用中误操作，通过管壳110的管脚有电流流通加热电阻器731时，已经融化形成的焊料910会受热再次融化，而裸光纤310与光电功能单元130已经形成的对准固定位置将会被破坏，所以在完成玻璃预制件920的融化固定后，一般将金丝去除。

一般的，玻璃预制件920在大约300℃或者更高的温度时融化，这样的温度和热量对光电功能单元130的性能是有可能有危害的。最好的情况是热量向放置玻璃预制件920区域集中传导，保持其融化的热量，也可以使光电功能单元130和周围的其它元器件不受热。所以，热沉710的顶部通过特殊加工开口槽711，开口槽711更能使热量集中在垫块710上面，也就是玻璃预制件920融化的区域。为了使更少的热量向周围传递，热沉710可以使用热传导系数低、热膨胀系数匹配光纤的材料，例如可伐合金（如GB 4J29、ASTM F15、UNS K94610）。同时过渡块组件700安装时与过渡块610间隔一定的距离d1也是为了防止热量向周围传递。

光纤组件500的125μm裸光纤130采用与玻璃预制件920同样材料的玻璃焊料与光纤金属管510焊接在一起，光纤金属管510与尾管150采用锡合金焊料焊接在一起，形成管壳110的密封固定。

如图8所示，本发明还提出一种光电子器件的光纤准确对准固定方法，用于光纤组件500的125μm裸光纤310与垫块730焊接而形成裸光纤310与光电功能单元130耦合对准固定。该对准固定方法包括以下几个步骤：

步骤801：制备工艺初始化开始。

步骤802：将玻璃预制件920放置在光电功能单元130对准的纵向镀金层733上，玻璃预制件920底部平面922与纵向镀金层733接触。

步骤803：将光纤组件500从管壳尾管150处穿过，将光纤组件500的125μm裸光纤310进行机械夹持，以便对光纤组件500的XYZ方向的移动，向光电功能单元130方向移动光纤组件500，使光纤组件500的125μm裸光纤310从玻璃预制件920的内孔921中穿过。

步骤804：进行光纤组件500与光电功能单元130的耦合对准，通过检查的光电信号大小反馈回调整光纤组件500的XYZ方向的位置，直到检查的光电信号最大。

步骤805：通过管壳相关的管脚流过金丝740给电阻加热器731注入电流。

步骤806：电阻加热器731因注入的电流产生热量，玻璃预制件920开始融化成玻璃焊料910熔融形态，将125μm裸光纤310包裹住，如果玻璃预制件731的阻值是100欧姆，基板733的材料是氮化铝，那么玻璃焊料融化的功耗大约5.6W。稍降低注入电流使注入功耗到约5.1W，对光电功能单元130进行加载电信号或光信号使能，在玻璃焊料融化状态下进行光纤组件500与光电功能单元130的有源对准，直到检查的光电信号最大。

步骤807：关闭注入到电阻加热器731上的电流，电阻加热器731将不再产生热量，玻璃焊料910处温度降低而固化，形成光纤组件500与光电功能单元130的耦合对准并在过渡块730上的固定。

步骤808：撤去125μm裸光纤310的机械夹持装置，光纤组件500已经被玻璃焊料910固定住，不再活动。

步骤809：整个玻璃焊料耦合固定工艺过程结束。

如图7所示，是本发明提供的光电子器件光纤的准确对准固定结构，适用于多个尾管的多个裸光纤的对准固定，每个裸光纤的对准结构均相同，其包括管壳110，管壳110内部安装有热层610，与前述结构不同的是，该管壳具有多个尾管，本实施例中有两个尾管151、152，热层610上安装有两个光电功能单元131、132，热层610靠近尾管一侧安装有两个光纤过渡块组件701、702，两个光纤组件501、502分别穿过尾管151和152进入管壳110内部，光纤组件501、502的125μm裸光纤311、312部分采用玻璃焊料911和912与光电功能单元131、132形成耦合对准固定。其光纤过渡块组件701、702与上述实施例中光纤过渡块组件700的结构相同，玻璃焊料911上述实施例中玻璃焊料910的结构相同，其中整个对准固定制备过程与将上述制备流程800进行两遍即可。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种光电子器件的光纤准确对准固定结构，其特征在于：包括管壳，管壳的内腔底部设置有过渡块，该过渡块上安装有光电功能单元，该管壳尾管的中心通孔中同轴设置有光纤组件，所述的过渡块上设置有过渡块组件，过渡块组件上设置有玻璃预制件，该玻璃预制件具有内孔，所述的光纤组件的裸光纤通过玻璃预制件的内孔，所述的过渡块组件与管壳电连接。

2.根据权利要求1所述的光电子器件的光纤准确对准固定结构，其特征在于：所述的光电功能单元的中心线与管壳的尾管的轴心线平行或重合。

3.根据权利要求1所述的光电子器件的光纤准确对准固定结构，其特征在于：所述的过渡块组件包括热沉与垫块，该热沉与垫块之间通过共晶焊料焊接，该热沉的底部设置于管壳底部上。

4.根据权利要求3所述的光电子器件的光纤准确对准固定结构，其特征在于：所述的热沉顶部具有开口槽，开口槽的两侧形成有台阶，所述的垫块焊接在台阶上方，所述的垫块包括基板、底部镀金层、电阻加热器、横向镀金层以及纵向镀金层；所述的基板下方具有底部镀金层，基板上方设置有电阻加热器、横向镀金层和纵向镀金层，所述的电阻加热器的横向两侧各设置有一个横向镀金层，电阻加热器的纵向一侧设置有纵向镀金层。

5.根据权利要求4所述的光电子器件的光纤准确对准固定结构，其特征在于：所述的电阻加热器与纵向镀金层之间具有间隔距离。

6.根据权利要求4所述的光电子器件的光纤准确对准固定结构，其特征在于：所述的横向镀金层通过金丝与管壳连接，所述的玻璃预制件为圆环结构，中心具有内孔，该内孔中穿设有裸光纤，圆环结构的外侧壁具有切面结构，该玻璃预制件通过该切面结构设置于纵向镀金层的上方。

7.根据权利要求1所述的光电子器件的光纤准确对准固定结构，其特征在于：所述的管壳具有多个尾管，对应具有多个过渡块、光电功能单元、光纤组件、过渡块组件和玻璃预制件，用于多个裸光纤的对准固定。

8.一种光电子器件的光纤准确对准固定方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

A：将玻璃预制件放置于光电功能单元对准的纵向镀金层上；

B：将光纤组件从管壳尾管处穿过，同时将光纤组件的裸光纤进行机械夹持，并使光纤组件的裸光纤穿过玻璃预制件的内孔；

C：进行光纤组件与光电功能单元的耦合对准，检查的光电信号大小，反馈回调整光纤组件的位置，直至检查的光电信号最大；

D：通过管壳的管脚连接的金丝给电阻加热器注入电流；

E：玻璃预制件融化成熔融的玻璃焊料，将裸光纤包裹住，降低注入电流，对光电功能单元进行加载电信号或光信号使能，在玻璃焊料的融化状态下进行光纤组件与光电功能单元的有源对准，直至检查的光电信号最大；

F：停止向电阻加热器注入电流，玻璃焊料的温度降低进而固化，形成光纤组件与光电功能单元的耦合对准并在过渡块上的固定；

G：撤去裸光纤的机械夹持装置，完成耦合对准的全过程。

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