CN103782212B - 用于塑料光纤网络的封装的气密小形状系数光学器件 - Google Patents

Abstract

一种设备包括外壳（100），其配置为容纳至少一个光电器件（402）并且将该至少一个光电器件连接到聚合物包层石英光纤（412）。该外壳（100）包括第一区段（110），其包括基座部分（120）和壁部分（130）。壁部分被耦合到基座部分上。壁部分（130）限定末端开口的狭槽（142），其配置为接收聚合物包层石英光纤导线的延伸穿过壁部分的第一部分。第二区段（160）被配置为密封地接合壁部分的第一边缘和聚合物包层石英光纤导线的第一部分。使用特殊设计的具有完整U形槽的精密模型陶瓷块，完成在封装内将聚合物包层石英光纤导线被动对准到光电器件。

Description

用于塑料光纤网络的封装的气密小形状系数光学器件

技术领域

本公开大体涉及用于在严酷的航空环境中使用的塑料光纤网络的气密密封的光学组件。

背景技术

相比使用铜或其它金属电线的网络，使用塑料光纤（POF）的光网络可以提供优势。塑料光纤网络可以具有较低的安装和维护成本。而且，因为塑料光纤比传输相同数据数量的数据所需的金属电线更轻，使用塑料光纤可以导致明显减轻重量。对于交通工具比如飞行器上的网络来说，该重量减轻是显著的，其中该重量减轻可以导致减少燃料燃烧和较低的排放。

为了在可能无法严格控制的环境中使用塑料光纤网络，比如传送器、接收器和收发器等光学器件可以被气密密封。例如，在飞行器的情况中，光学器件可以被布置在飞行器外部的位置上，比如靠近发动机或者靠近起落架，这些位置可能没有相对于外部环境被密封或隔离。如果在这种位置中的光学器件没有被气密密封，则冷凝物、颗粒物以及其他不期望的材料可以在该光学器件上或者在塑料光纤的暴露端上形成。气密密封光学器件的常规方法可以包括很多昂贵的精密的制造步骤。此外，常规方法中的某些步骤可能使用可损坏塑料光纤的处理温度。

发明内容

所公开的实施例使得能够形成用于塑料光纤网络的气密密封光学器件。例如，光学器件（包括在外壳中的一个或更多个光电器件）可以被气密密封至一个或更多个光纤导线/引线（lead）以形成可以被耦合到具有低插入损失的塑料光纤的端面上的气密密封的光学组件。例如，光纤导线可以包括聚合物包层石英光纤的部分或长度，比如光纤，这是FURUKAWA ELECTRIC NORTH AMERICA公司的注册商标。将光学器件气密密封到一个或更多个光纤导线使得能够在潜在的严酷环境中使用气密密封光学组件。气密密封光学组件的生产包括相对少的步骤，因此，使气密密封光学组件能够以较低的成本被生产。

用于气密密封光学组件的特定的外壳可以包括第一区段，其包括基座部分和壁部分以接收光电器件。第一区段包括在一个壁部分中的末端开口的狭槽，聚合物包层石英（PCS）光纤导线可以通过该末端开口的狭槽被接收。通过对准体（alignment body），该PCS光纤导线可以被引导邻近被容纳在第一区段中的光电器件的合适位置。在PCS光纤导线被接收到第一区段的壁部分中的末端开口的狭槽中的点处，PCS光纤导线可以具有金属化区段。PCS光纤导线可以对准光电器件并且可以比如通过环氧树脂机械地耦合到第一区段，以将PCS光纤导线固定到第一区段的壁部分外侧的第一区段。

在PCS光纤导线处于合适位置后，该外壳的第二区段被安装在第一部分之上。第二区段可以被成形为接合第一区段的壁部分的边缘。第二区段可以包括焊料层或者被耦合到焊料层以使第二区段与壁部分的边缘结合并且与PCS光纤导线的金属化部分结合。热可以在邻近第二区段与第一区段的边缘会合的位置被施加到第二区段以熔化焊料。因此，第二区段可以被结合到第一区段并且PCS光纤导线可以在合适位置被焊接并且被密封到外壳的第一区段和第二区段。容纳光电器件的外壳和PCS光纤导线一起形成可以以低插入损失被耦合到塑料光纤的光学组件。

在特定的实施例中，设备包括外壳，其被配置为包含至少一个光电器件并且将该至少一个光电器件接合到PCS光纤导线上。该外壳包括第一区段，其包含基座部分和壁部分。壁部分被耦合到围绕基座部分的周边。壁部分限定第一边缘中的末端开口的狭槽，其包含配置为接收延伸穿过该壁部分的PCS光纤导线的第一部分的开口端。第二区段被配置为在末端开口的狭槽的开口端将壁部分的第一边缘与PCS光纤导线的第一区段密封地接合。

在另一个特定实施例中，方法包括，在具有基座部分和被耦合到基座部分的周边的壁部分的外壳的第一区段，在壁部分的第一边缘中的末端开口的狭槽的开口端接收PCS光纤导线的第一部分。PCS光纤导线的第一部分被接收，使得PCS光纤导线的末端与光电器件的光学表面对准，并且PCS光纤导线的第一部分延伸穿过壁部分。PCS光纤导线被物理地固定到壁部分外侧的外壳的第一部分上。通过将外壳的第二区段固定地结合到壁部分的第一边缘和PCS光纤导线的第一部分，外壳被气密密封。

在另一个特定实施例中，外壳包括第一区段，其包括基座部分和壁部分。壁部分被耦合到围绕基座部分的周边。壁部分包括第一末端开口的狭槽，其配置为接收延伸穿过该壁部分的第一PCS光纤导线的第一金属化部分。该外壳也包括第二区段。第二区段包括第二边缘，其具有预成形的焊料层，以便当邻近该第二边缘施加热时，将壁部分的第一边缘和第一PCS光纤导线的第一金属化部分固定地接合在末端开口的狭槽处。

根据本发明的一方面，提供一种设备，其包括外壳，其配置为包含至少一个光电器件并且将该至少一个光电器件接合到聚合物包层石英（PCS）光纤。该外壳包括第一区段，其包含基座部分和被耦合到围绕基座部分的周边的壁部分。壁部分限定第一边缘中的末端开口的狭槽，并且末端开口的狭槽包含开口端，该开口端配置为接收延伸穿过该壁部分的PCS光纤导线的第一部分。第二区段被配置为在末端开口的狭槽的开口端密封地接合壁部分的第一边缘和光纤导线的第一部分。

有利地，PCS光纤导线的第一部分包括金属化的外部区域。优选地，第二区段可以包括由延伸到第二边缘的第二壁部分环绕的盖部分。第二边缘被配置为密封地接合壁部分的第一边缘和PCS光纤导线的第一部分。优选地，盖部分可以包括凹表面并且该凹表面被配置为容纳至少一个光电器件。优选地，本发明可以进一步包含第二边缘的预成形的焊料层并且邻近第二边缘施加的热量引起预成形的焊料层流动以将第二边缘密封到第一区段的第一边缘以及PCS光纤导线的第一部分。

有利地，第一区段包括从邻近末端开口的狭槽的壁部分延伸的第一电缆支撑件，其中第一电缆支撑件被配置为接合壁部分外侧的PCS光纤导线。优选地，第二区段包括第二电缆支撑件，其中第二电缆支撑件被配置为接合PCS光纤导线。优选地，本发明可以进一步包含将PCS光纤导线耦合到第一电缆支撑件和第二电缆支撑件的粘合剂。优选地，本发明可以进一步包含被配置为可滑动地设置在第一电缆支撑件和第二电缆支撑件上的套管/滑脚（boot）。

有利地，本发明可以进一步包含对准体，其被耦合到基座部分并且配置为引导PCS光纤导线对准到至少一个光电器件的光学表面。

有利地，本发明可以进一步包含延伸穿过基座部分的多个导电引脚，其中基座部分与多个导电引脚密封地接合。

根据本发明进一步的方面，提供一种方法，其包括，在具有基座部分和被耦合到基座部分的周边的壁部分的外壳的第一区段，在壁部分的第一边缘中的末端开口的狭槽的开口端接收聚合物包层石英（PCS）光纤导线的第一部分，使得PCS光纤导线的末端与光电器件的光学表面对准，并且PCS光纤导线的第一部分延伸穿过壁部分，将PCS光纤导线物理地固定到壁部分外侧的外壳的第一部分，并且通过将外壳的第二区段固定地结合到壁部分的第一边缘和PCS光纤导线的第一部分而气密地密封外壳。

有利地，PCS光纤导线的第一部分可以包括金属化的外部区域，并且其中将外壳的第二区段固定地结合到壁部分的第一边缘和PCS光纤导线的第一部分包括将第二区段焊接到第一边缘和PCS光纤导线的第一部分的金属化外部区域。优选地，本发明可以进一步包括沿着第二区段定位预成形的焊料层并且使用加热辊邻近第二区段施加热。

有利地，PCS光纤导线的石英纤心可以延伸穿过第一区段的壁部分并且PCS光纤导线的外部套被物理地固定到壁部分外侧的外壳。

有利地，将PCS光纤导线的第一部分物理地固定到壁部分外侧的外壳的第一区段可以包括，将PCS光纤导线的第一部分粘接到从外壳的第一区段延伸的第一电缆支撑件。优选地，本发明可以进一步包括将PCS光纤导线的第一部分物理地固定到从外壳的第二区段延伸的第二电缆支撑件。优选地，本发明可以进一步包括将套管耦合到第一电缆支撑件、第二电缆支撑件和PCS光纤导线的第一部分上。

根据本发明的进一步的方面，提供一种包括第一区段的外壳，该第一区段包括基座部分和被耦合到基座部分的壁部分。壁部分包括第一末端开口的狭槽，其配置为接收延伸穿过壁部分的聚合物包层石英（PCS）光纤导线的金属化部分。该外壳也包括第二区段，该第二区段包括第二边缘，其配置为支撑预成形的焊料层以便当邻近第二边缘施加热时使壁部分的第一边缘和PCS光纤导线的金属化部分密封地接合。

有利地，本发明可以进一步包括使用金属-陶瓷铜焊附连到基座部分和壁部分中的至少一个的对准块。优选地，对准块可以被配置为接收光电器件和PCS光纤的部分，使得光电器件的光学表面和PCS光纤导线的末端被对准。优选地，光电器件可以具有TO18类型的封装。可替换地，光电器件可以具有陶瓷或金属底座类型的封装。优选地，对准块可以使用陶瓷成形工艺而形成。

所描述的特征、功能以及优势可以在各种实施例中单独实现，或者可以在其他实施例中结合，其进一步的细节参考以下说明书和附图公开。

附图说明

图1是具有第一区段和第二区段的外壳的特定实施例的横截面侧视图，该外壳配置为接收一个或更多个光电器件并且气密地密封到一个或更多个光纤导线；

图2是图1的外壳的第一区段的俯视图；

图3是图1的外壳的第二区段的仰视图；

图4是光电器件和PCS光纤导线被安装在其中的图1的外壳的第一区段的横截面侧视图；

图5是在受控制的大气室中被气密地密封的图1的外壳的第一区段和第二区段的横截面侧视图；

图6是图1的完整的气密密封的外壳的横截面侧视图，其配备有电缆应力释放套管以形成气密地密封的光学组件；

图7是形成气密地密封的光学组件的方法的特定实施例的流程图；

图8A是外壳主体的特定实施例的俯视图；

图8B是纤维对准块的特定实施例的几个视图；

图8C是图8A的外壳主体中的图8B的纤维对准块的特定实施例的几个视图；

图9A是在基座上的光电器件的特定实施例的几个视图；

图9B是图8C的外壳主体中的图9A的光电器件和接口电路的特定实施例的俯视图；

图10是光纤导线的特定实施例的俯视图；

图11是插入到图9B的外壳主体中的图10的PCS光纤导线的特定实施例的俯视图；

图12是图11的外壳主体和外壳顶部的特定实施例的横截面侧视图；

图13是图12的外壳顶部通过密封辊被密封到图12的外壳主体上的特定实施例的横截面侧视图；

图14是图13的被密封的外壳主体和外壳盖的特定实施例的横截面侧视图；

图15是具有形成气密密封的光学组件的纤维套管的图14的密封的外壳主体和外壳盖的特定实施例的侧视图；

图16A是用于TO类型封装中的光电组件的纤维对准块的特定实施例的几个视图；

图16B是在图8A的外壳主体中的图16A的纤维对准块的特定实施例的俯视图；

图17A是在TO类型封装中的光电器件的特定实施例的几个视图；

图17B是图16B的外壳主体中的图17A的光电器件和接口电路的特定实施例的俯视图；

图18是插入到图17B的外壳主体中的图10的PCS光纤导线的特定实施例的俯视图。

具体实施方式

包括气密密封的光学组件的设备以及用于形成气密密封的光学组件的方法和外壳被公开。气密密封的光学组件可以容纳一个或更多个光电器件，并且可以适合于被耦合到光纤作为光纤网络的一部分。气密密封的光学组件可以使用低成本、高容量制造加工而被形成。气密密封光学组件可以尤其适合用于以相对低的插入损失耦合到塑料光纤。

在特定的实施例中，外壳包括第一区段，其包括基座部分和壁部分以接收一个或更多个光电器件。第一区段包括在壁部分的一个中的一个或更多个末端开口的狭槽，通过该一个或更多个末端开口的狭槽可以接收一个或更多个光纤导线。光纤导线可以通过高精度的对准体（例如，精密成形陶瓷块）被引导与被容纳在第一区段中的光电器件对准。光纤导线可以在光纤导线被接收到第一区段的壁部分中的末端开口的狭槽中的地方具有金属化区域。光纤导线的一部分可以比如通过环氧树脂或其它粘合剂被物理地耦合到第一区段，以将光纤导线固定到壁部分外侧的第一区段。光纤导线可以包括石英纤心和硬聚合物包层。例如，光纤导线可以包括聚合物包层石英（PCS）光纤的一部分或长度。光纤导线可以适合于以相对低的插入损失耦合到塑料光纤。例如，光纤导线可以具有基本等同于标准聚酯（聚甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）塑料光纤的外径和数值孔径。

在光纤导线处于合适位置之后，外壳的第二区段可以安装在第一区段之上。第二区段可以成形为接合第一区段的壁部分的边缘。第二区段可以包括或者被耦合到焊料层以将第二区段结合到壁部分的边缘和光纤导线的金属化部分。如此处所使用的，金属化部分可以是金属化的外部区域。热可以邻近第二区段与第一区段的边缘会合的位置被施加到第二区段以熔化焊料。因此，第二区段可以被密封到第一区段和光纤导线以形成气密地密封的光学组件。

图1是具有第一区段110和第二区段160的外壳100的特定实施例的横截面侧视图，其被配置为接收一个或更多个光电器件（图1中未示出）并且在光纤导线的端部处（图1中也未示出）气密地密封一个或更多个光电器件。第一区段包括基座部分120。多个导电引脚124延伸穿过基座部分120以使第一区段110内的光电器件能够被电耦合到外壳100外的其他器件。导电引脚124被气密地密封到基座部分120。例如，基座部分120可以环绕导电引脚124成形使得导电引脚124的表面与基座部分120成整体。外壳100和导电引脚124可以被布置为符合多源协议（MSA）小形状系数（small form-factor）（SFF）规格。例如，导电引脚124可以被布置为2×5双列直插式配置。而且，外壳100可以具有符合MSA SFF规格的物理尺寸。外壳100也可以包括由MSASFF规格所规定的对准柱128。

基座部分120可以与围绕基座部分120的周边122延伸的第一壁部分130相结合。外壳100的第一壁部分130包括围绕第一壁部分130的周边延伸的第一边缘140。如下文将进一步描述的，第一壁部分130的第一边缘140被配置为被密封到第二区段160的第二边缘180。

在图1的横截面侧视图中，第一壁部分130包括在基座部分120的一端的第一壁132和在基座部分120的相对端的第二壁134。第一壁132包括在第一边缘140中形成的末端开口的狭槽142。末端开口的狭槽142包括开口端144，其配置为接收光纤导线的末端（未在图1中示出）。例如，参照图1，通过降低穿过末端开口的狭槽142的开口端144的光纤导线，直到光纤导线搁置在末端开口的狭槽142中，光纤导线可以被接收到末端开口的狭槽142中。第一壁132也可以包括或者被耦合到从第一壁132向外延伸的第一电缆支撑件150。如参考图4进一步所描述的，在特定实施例中，光纤导线可以比如通过粘合剂被物理地耦合到第一电缆支撑件150，以当外壳100被气密密封时将光纤导线保持在合适位置。

外壳100的第一区段110也可以包括或者被耦合到高精度对准体156。例如，高精度对准体156可以包括精密成形的陶瓷块元件，其被耦合到基座部分120和第一壁部分132中的一个或两个上。对准体156包括一个或更多个槽158和159，例如，一个槽用于将被外壳100接收的每个光纤导线。槽158或159均可以被配置为对准光纤导线的末端与外壳100内的光电器件（未在图1中示出），使得在外壳100被气密地密封之后光纤导线和光电器件被正确地对准。此外，对准体156的精密模制使光电器件和光纤导线能够被动地对准（例如，通过110的内部组件的准确的物理放置）并且不需要主动对准。在本文中，主动对准是指使光线穿过光纤导线并且移动光纤导线以测试光纤导线是否与光电器件合适地对准。

外壳100的第二区段160包括由第二壁部分172环绕的盖部分170。盖部分170可以具有凹的内表面以便容纳外壳100内的器件（例如，一个或更多个光电器件和接口电路126）。第二壁部分172延伸到第二边缘180，其配置为密封地接合第一区段110的第一边缘140和光纤导线，如参考图5进一步描述的。第二边缘180可以包括或者被耦合到预成形焊料层190，其环绕第二边缘180的周边充分延伸。预成形焊料层190被配置成使得当热邻近第二边缘180被施加到第二区段160时，预成形焊料层190熔化以密封地接合第二区段160的第二边缘180与第一区段110的第一边缘140和光纤导线，如参考图5所进一步描述的。第二电缆支撑件166可以从与外壳100的第一区段110的第一电缆支撑件150相对的第二区段160的第二边缘180延伸以支撑一个或更多个光纤导线（未在图1中示出）。

图2是图1的外壳100的第一区段110的俯视图。基座部分120支撑导电引脚124，导电引脚124允许被接收在第一区段110内的光电器件（在图2中未示出）与外壳100外的电气系统或者器件的电连接。第一区段也包括对准体156，对准体156包括用于每个光纤导线的一个槽。例如，在图2的实施例中，对准体156包括两个槽158和159，以使两个光纤导线与外壳的第一区段110内的光电器件（在图2中未示出）对准。第一区段110的第一壁部分130围绕基座部分120的周边122延伸。第一壁部分130延伸到第一边缘140，第一边缘140环绕除了第一壁部分130的第一壁132中的末端开口的狭槽142和143之外的第一区段110。当光纤导线（在图2中未示出）处在合适位置时，光纤导线和第一边缘140可以形成表面，其通过预成形焊料层190与第二区段160（图1）结合。第一电缆支撑件150从第一壁部分130的第一壁132向外延伸以物理地接合并且支撑光纤导线（在图2中未示出）。

图3是图1的外壳的第二区段160的仰视图。第二区段160包括由第二壁部分172环绕的盖部分170。第二壁部分172延伸到第二边缘180，第二边缘180将与外壳（图1和图2）的第一区段110的第一边缘140配合。预成形焊料层190围绕第二边缘180的周边延伸以使第二区段160能够密封地接合外壳100（图1）的第一区段110。第二电缆支撑件166从第二边缘180向外延伸以支撑一个或更多个光纤导线（在图3中未示出）。

图4是图1的外壳100的第一区段110的横截面侧视图，光电器件402和光纤导线412的末端410被安装其中。光电器件402可以包括检测器、发光二极管（LED）、激光二极管或其他光学器件。光电器件402包括光学表面404，取决于光电器件402的特性，光信号从该光学表面404被传输、接收，或者两者。光电器件402通过电导线406和接口电路126被结合到两个或更多个导电引脚124以使一旦图1的外壳100被密封，光电器件402能够被电连接到图1的外壳100外的系统或者设备。光电器件402也可以被机械地固定到第一区段110的基座部分120，比如通过粘合剂、焊料、金属-陶瓷铜焊或者其他物理耦合工艺或器件（未在图4中示出）。在特定的实施例中，光电器件402的定位可以通过校准体156被引导。例如，校准体156可以包括开口（如在图8B和16A及相关附图的说明性实施例中所示），光电器件402被定位到该开口中以便于光纤导线412与光电器件402的光学表面404对准。

光纤导线412的末端410通过穿过第一壁132中的末端开口的狭槽142（图1和图2）而延伸穿过外壳100的第一区段110的第一壁部分130的第一壁132。光纤导线412的末端410可以被接收到对准体156中的槽158中以在外壳100被组装并密封时对准光纤导线412的末端410与光电器件402的光学表面404。光纤导线412可以使用粘合剂420或者其他附连工艺或器件而被物理地耦合到第一电缆支撑件150。当其他步骤被执行以气密地密封外壳100时，粘合剂420可以将光纤导线412保持在合适位置。在特定实施例中，光纤导线412是具有石英纤心418和硬聚合物包层416的聚合物包层石英光纤。在这个实施例中，粘合剂420可以将聚合物包层416或者石英纤心418的一部分固定到第一电缆支撑件150并且石英纤心418的一部分可以延伸穿过外壳100的第一壁132。光纤导线412可以包括金属化部分414，金属化部分414大约位于石英纤心418延伸穿过壁部分130的第一壁132的位置。如参考图5所描述的，当外壳100被气密地密封时，金属化部分414可以密封地接合末端开口的狭槽（图4中未示出）和外壳100的第二区段160的第二边缘180。

图5是在被控制的大气室510中被气密地密封的图1的外壳100的第一区段110和第二区段160的横截面侧视图。在特定实施例中，被控制的大气室510可以被填充惰性气体（未在图5中示出），使得外壳100在其被气密地密封之后将被填充惰性气体。结果，惰性气体环境可以防止在光电器件402的光学表面404和/或在光纤导线412的末端410上形成冷凝物。

为了密封外壳100，加热的密封辊520或者其他加热的器件可以邻近第二边缘180被应用到第二区段160。加热的密封辊520的应用导致外壳100的第二区段160的第二边缘180上的预成型焊料层190熔化。熔化的预成形焊料层190将第二区段160的第二边缘180结合到第一区段110的第一边缘140和光纤导线412的金属化部分414。因此，在单个焊接步骤中，外壳100和光纤导线412被气密地密封。

图6是完成的气密密封的光学组件600的横截面侧视图，其配备有电缆应力释放套管（boot）610。当光学组件600从被控制的大气室510中移出时，完成的气密密封的光学组件600被密封，其中第一区段110、第二区段160和光纤导线412被结合在一起。为了进一步支撑光纤导线412，可以在光纤导线412和第二电缆支撑件166之间添加粘合剂620。当气密密封的光学组件包括多于一个的光纤导线412时，粘合剂620也可以填充光纤导线之间的区域。

电缆应力释放套管610可以被移动至光纤导线412、第一电缆支撑件150和第二电缆支撑件166上的合适位置。例如通过将光纤导线412的第二端面耦合到光纤，比如塑料光纤（例如，PMMA光纤），完成的气密密封的光学组件600可以准备用于安装和使用。

图7是形成气密密封的光学组件的方法的特定实施例的流程图。在702，在具有基座部分和耦合到基座部分的周边的壁部分的外壳的第一区段，光纤导线的第一部分（例如，聚合物包层石英纤维的一部分）被接收在壁部分的第一边缘中的末端开口的狭槽的开口端。光纤导线的第一部分被接收在光电器件的光学表面并且与其对准，并且光电缆的第一部分延伸穿过壁部分。例如，参考图4，外壳100包括基座部分120，壁部分130围绕基座部分120的周边122被耦合至基座部分120。光纤导线412的末端410在第一壁132处被接收在壁部分130的第一边缘140中的末端开口的狭槽142的开口端144处。光纤导线412的末端410被接收在对准体156中，使得末端410与安装在外壳100的第一区段110中的光电器件402的光学表面404对准。

在704，光纤导线被物理地固定到壁部分的周边外侧的外壳的第一部分。例如，光纤导线412通过粘合剂420被固定到第一区段110的第一电缆支撑件150，以便当外壳100被气密地密封时将光纤导线412保持在合适位置。在706，通过将外壳的第二区段固定地结合到壁部分的第一边缘并结合到光纤导线的第一部分，而气密地密封外壳。例如，如参考图5所描述的，加热的密封辊520可以邻近外壳100的第二区段160的第二边缘180应用，导致第二边缘180上的预成形焊料层190将第二区段160结合到外壳100的第一区段110的第一边缘140并且结合到光纤导线412的金属化部分414。

图8-15图示说明了包括第一类型光电器件（即，科伐合金基座（Kovar submount）上的激光二极管和陶瓷基座上的检测器）的气密密封的光学组件的形成，并且图16-18图示说明了包括第二类型光电器件（即，在TO18类型头中的激光和检测器）的气密密封的光学组件的形成。第一类光电器件和第二类光电器件是市场上可购买到的具有不同形状系数的光电器件。本文所公开的实施例能够使用各种形状系数的光电器件组装气密密封的光学组件，包括第一类光电器件、第二类光电器件和潜在的其他类型的光电器件。每种气密密封的光学组件可以具有对准块，对准块被设计为用于特定形状系数的光电器件。无论使用的光电器件或多个光电器件的形状系数如何，气密密封的光学组件的其他构成部分可以是不变的。

图8A是外壳主体800的特定实施例的俯视图。例如，外壳主体800可以对应于图1-6的外壳100的第一区段110。外壳主体800可以具有两排2×5双列直插式引脚824，用于引线结合到外壳主体800内的电子组件（例如，一个或更多个光电器件和接口电路，如下文所详细描述的）。引脚824可以按照工业多源协议（MSA）标准布置。外壳主体800也可以包括按照工业MSA标准布置的两个机械封装对准柱826。

图8B是纤维对准块850的特定实施例的几个视图。例如，纤维对准块850可以对应于图1-6的对准体的特定实施例。纤维对准块850以多个视图被示出，包括俯视图、侧视图、后视图（即在图8B图示的取向从俯视图的右侧的视图）和正视图（即在图8B图示的取向从俯视图的左侧的视图）。在特定实施例中，纤维对准块850使用高精度陶瓷成形工艺而形成。

在图8A中图示的实施例中，外壳主体800包括靠近纤维鼻部/进口（snout）830的两个U形槽828。U形槽828可以对应于图1-6的末端开口的狭槽142和143，并且纤维鼻部830可以对应于图1-6的第一电缆支撑件150。两个U形槽828被布置为接收两个光纤导线（图8A中未示出）并便于其对准。因此，例如，U形槽828可以具有与光纤导线的延伸到外壳主体800中的部分的直径对应的宽度。为了说明，U形槽828的尺寸和位置可以被配置为容纳两个聚合物包层石英光纤，每个具有1mm的核心直径和3mm的外部套直径。当不同数量的光纤导线延伸到外壳壳体800中时（例如，多于两个或少于两个），外壳壳体800可以包括用于每个光纤导线的一个U形槽。

纤维对准块850可以被配置为容纳一个或更多个光电器件，比如安装在精密基座上的检测器和激光（或者其他光源）。例如，纤维对准块850可以包括开口852以接收并对准每个光电器件。纤维对准块850也可以包括U形槽854，其具有与外壳壳体800的U形槽828基本相同的宽度和深度。例如，U形槽854可以被设计为接收具有1mm核心直径的聚合物包层石英光纤。纤维对准块850的开口852和U形槽854可以被布置成使得当光电器件被定位在开口852之一中并且光纤导线被定位在U形槽854和828中时，光纤导线的端面与光电器件的光学表面对准。

图8C是图8A的外壳主体800中的图8B的纤维对准块850的特定实施例的几个视图。具体地，图8C示出了外壳主体800和纤维对准块850的俯视图和正视图（从最靠近纤维鼻部830的一端）。在特定实施例中，纤维对准块850可以永久地附连到外壳主体800（例如，使用高温燃烧或者其他陶瓷金属结合工艺）。外壳主体800壁的U形槽828和纤维对准块850的U形槽854可以精确地对准，用于在之后的加工步骤中放置光纤导线。

图9A是光电器件900和950的特定实施例的几个视图。光电器件900和950可以是相同的类型或者可以不同。例如，当将形成的气密密封的光学组件是光收发器时，第一光电器件900可以包括光检测器以接收信号，并且第二光电器件950可以包括光源以产生并发送光信号。每个光电器件900和950均可以包括光学表面，比如第一光电器件900的第一光学表面902和第二光电器件950的第二光学表面952。例如，第一光学表面902可以被布置为检测从光纤导线输出的光，并且第二光学表面952可以是激光或者被耦合到光纤导线的其他光源的光发射表面。

光电器件900和950可以均包括安装表面，比如第一光电器件900的第一安装表面904和第二光电器件900的第二安装表面954。光电器件900和950可以是商业化的现成组件。因此，安装表面904、954可以具有各种配置，这取决于使用哪种组件。为了说明，安装表面904、954可以由陶瓷、金属（例如科伐合金）、另一种材料或其组合形成。在一些实施例中，安装表面904、954中的一个或更多个可以包括基座。特定光电器件的基座可以被配置为调整特定光电器件的光学表面的高度908以对准纤维对准块850的U形槽854中的光纤导线的光学中心。在特定实施例中，用于检测器（例如，第一光电器件900）的基座由氧化铝陶瓷材料制成，用于发射器（例如，第二光电器件950）的基座由科伐合金或者另一种金属或合金制成以提高基座的散热特性并降低基座的热阻。

图9B是图8C的外壳主体800中的图9A的光电器件和接口电路910的特定实施例的俯视图。在图9B中，光电器件900和950的安装表面904、954已经被安装到外壳主体800的内部表面。光电器件900和950被安装在纤维对准块850的开口852中。每个开口852均具有与被安装在开口852中的光电器件900和950的宽度906、956对应的宽度。因此，开口852以使每个光学表面902、952与纤维对准块850的对应U形槽854对准的方式引导光电器件900和950的安装。因此，以简单且精确地使光电器件900和950与纤维对准块850的U形槽854和外壳主体800的U形槽828对准的方式，光电器件900和950可以被安装到各自的基座上。在光电器件900、950被安装到外壳壳体800之后，光电装置900、950被附连到（例如，引线结合）到接口电路910。引脚824将接口电路910连接到外部系统（未示出），外部系统输入电信号以驱动光源950和/或接收从检测器900转换的电信号。

图10是光纤导线1000的特定实施例的俯视图。在特定实施例中，光纤导线1000可以对应于图4-6的光纤导线412。光纤导线1000可以是具有石英纤心1018和具有外部套1016的聚合物包层的聚合物包层石英（PCS）光纤的一部分。石英纤心1018的一部分是暴露的。光纤导线1000也可以包括在石英纤心1018的暴露部分上的金属化部分1014。

图11是插入图9B的外壳主体800中的图10的一对光纤导线1000的特定实施例的俯视图。每个光纤导线1000均被放置到纤维对准块850的对应的U形槽和外壳主体800的对应的U形槽中。每个光纤导线1000的金属化部分1014可以被完全嵌入在纤维对准块850和外壳主体800的对应的U形槽中。每个光纤导线1000的具有外部套1016的聚合物包层可以使用快速固化粘合剂1102被耦合到外壳主体800的纤维鼻部830。在随后的制造加工步骤中，粘合剂1102将光纤导线1000保持在合适位置（例如，U形槽内）。

光纤导线1000被自动地对准光电器件900、950的光学表面，而不使用主动纤维对准处理。例如，光纤导线1000可以具有大约为1mm的核心直径（即，石英核心1018的直径）。具有外部套1016的聚合物包层可以具有大约为3mm的外径。金属化部分1014的位置和长度可以被设计为匹配外壳主体800的U形槽和纤维对准块850的U形槽。金属化部分1014可以包括厚度分别大约为0.2微米和4微米的金（Au）层和镍（Ni）层。在随后封装气密密封步骤中，金/镍层便于将光纤导线1000密封到外壳主体800。

图12是图11的外壳主体800和外壳顶部1200的特定实施例的横截面侧视图。当光纤导线1000被附连到外壳主体800之后（如参考图11所描述的），外壳顶部1200可以被密封到外壳主体800。外壳顶部1200的底部部分可以包括或者被耦合到焊料层1202以用于封装密封。焊料1202可以作为预成形焊料被涂敷在外壳顶部1200的底部部分上。焊料1202可以是金/锡焊料以产生高可靠度的焊接结合。金/锡焊料的熔化温度可以是大约280摄氏度，其高于通常所使用的大多数焊料合金。因此，高温盖密封加工可以被用于通过金/锡焊料形成可靠的气密封装。光纤导线1000的金属化部分1014可以在高温盖密封加工期间承受显著的加热。据此，金属化部分1014被应用在石英纤心1018上，其可以比具有外部套1016的聚合物包层更容易抵抗加热。

图13是通过密封辊1300被密封到图12的外壳主体800的图12的外壳顶部1200的特定实施例的横截面侧视图。在外壳顶部1200被放置在外壳主体800的顶部之后，接缝密封器可以被用于熔化焊料1202。例如，一对平行的接缝密封辊1300可以沿着外壳顶部1200的边缘移动。当密封辊1300沿着外壳顶部1200的边缘移动时，密封辊1300可以被加热到大约300摄氏度。当密封辊1300邻近纤维鼻部830沿着外壳顶部1200的边缘移动时，焊料1202可以回流在U形槽和光纤导线的金属化部分1014上。焊料1202可以通过熔化的焊料填充U形槽。在密封辊1300完成其沿着外壳顶部1200的边缘的移动之后，停止加热并且焊料1202凝固，在外壳顶部1200、外壳主体800和光纤导线之间形成气密密封。该接缝密封加工可以在被控制的环境中执行，比如在填充惰性气体（例如，氮气）的干燥外壳内部。因此，气密密封的外壳主体的内部可以被填充惰性气体。

图14是图13的密封的外壳主体800和外壳顶部1200的特定实施例的几个视图。在外壳主体800和外壳顶部1200被气密地密封之后，额外的粘合剂（例如，环氧树脂）可以被回填到纤维鼻部830内用于纤维应力释放。

图15是具有纤维套管1500形成完整的气密密封的光学组件的图14的密封的外壳主体800和外壳顶部1200的特定实施例的横截面侧视图。在粘合剂1400被添加之后，纤维套管1500可以被安装在纤维鼻部830上。纤维套管1500可以支撑光纤导线1000的外部套。纤维套管1500也可以防止光纤导线1000被弯曲超过其允许的弯曲半径。

很多低成本光电器件，比如检测器、激光器、发光二极管（LED）和垂直腔面发射激光器（VCSEL），被供应在TO18封装或者其他类似封装中。在特定实施例中，用于形成如此处所公开的气密密封的光学组件的一个或更多个光电器件可以用在TO18封装中。在本实施例中，纤维对准块适合于接收TO18封装并且便于光电器件与光纤导线的对准。此外，外壳顶部可以更高以容纳TO18封装。图16-18图示说明了使用TO18封装（也被称为TO头）中的光电器件形成气密密封的光学组件的实施例。在图16-18图示说明的实施例中，一些组件与以上参考图8-15所描述的组件类似。因此，这些组件的详细描述被省略。在图8-15中所使用的附图标记也可以在图16-18中使用以表示相同或具有细微变化的相似的元件。

如16A是纤维对准块1650的特定实施例的几个视图。例如，纤维对准块1650可以对应于图1-6中的纤维对准体156。纤维对准块1650从多个视图被示出，包括俯视图、横截面侧视图、后视图（即，在图16A图示说明的取向从俯视图的右侧的视图）和正视图（即，在图16A图示说明的取向从俯视图的左侧的视图）。在特定实施例中，纤维对准块1650使用高精度陶瓷模制工艺而形成。纤维对准块1650可以适合于在开口1652接收光电器件，例如TO18封装中的检测器和激光器。纤维对准U形槽1654的位置和大小可以与图8B的纤维对准块850的U形槽854基本相同；然而，纤维对准块1650的前侧1656可以更高以容纳TO18封装并且使光电器件与U形槽1654的中心对准。

图16B是图8A的外壳主体800中的图16A的纤维对准块1650的特定实施例的俯视图。在特定实施例中，纤维对准块1650可以被永久地附连到外壳主体800（例如，使用高温燃烧或者其他陶瓷金属结合加工）。外壳主体800壁的U形槽828和纤维对准块1650的U形槽1654可以被精确地对准以用于在之后的加工步骤中放置光纤导线。

图17A是TO18封装中的光电器件1700和1750的特定实施例的几个视图。光电器件1700和1750可以是相同的类型或者可以是不同的类型。例如，当将形成的气密密封的光学组件是光收发器时，第一光电器件1700可以包括光检测器以接收信号，并且第二光电器件1750可以包括光源以产生并发送光信号。光电器件1700和1750每个都可以包括光学表面，比如第一光电器件1700的第一光学表面1704和第二光电器件1750的第二光学表面1754。为了说明，第一光学表面1704可以布置为检测基于光的信号的光，并且第二光学表面1754可以是激光器或者其他光源的光发射表面。光电器件1700和1750每个都可以分别包括TO18头1702、1752和导线1706、1756。TO18头1702、1752可以被接收到纤维对准块1650中，与纤维对准块1650的U形槽1654对准。参考图17B，导线1706、1756可以通过接口电路910（例如，通过引线结合）电耦合到引脚824。

图18是插入图17B的外壳主体中的图10的光纤导线1000的特定实施例的俯视图。通过纤维对准块1650使光电组件1700、1750与纤维对准块1650的U形槽以及外壳主体800对准，光纤导线100自动地与光电组件1700、1750对准。光纤导线1000可以使用粘合剂1802耦合到外壳主体800，粘合剂1802在随后的制造加工步骤中将光纤导线1000保持在合适位置（例如，U形槽内）。随后的制造加工步骤可以以与参考图12-15所描述的相同的方式被执行。例如，外壳顶部（被设计为容纳纤维对准块1650）可以被放置在外壳主体800上并且接缝被密封以气密地密封外壳主体800、外壳顶部以及光纤导线1000。粘合剂可以被回填到外壳主体的纤维鼻部，并且纤维套管可以被定位在光纤导线和纤维鼻部上。

因此，低成本的气密密封的光学组件可以使用此处所公开的加工方法制造。气密密封的光学组件可以很好的适合于耦合到PMMA塑料光纤，因为当气密密封的光学组件被耦合到PMMA塑料光纤时，使用的光纤导线的核心和包层直径提供相对低的耦合损失。气密密封的光学组件可以包括发射器、接收器、收发器或者其他光学器件或光电器件。

此处所描述的实施例的图示说明是为了提供各种实施例的结构的总体理解。该图示说明不是为了作为利用此处所描述的结构或方法的设备和系统的所有元件和特征的完整描述。在阅读本公开后，很多其他实施例对本领域的技术人员是显而易见的。其他实施例可能被使用或者来源于本公开，使得可以进行结构和逻辑替换和改变，而不脱离本公开的范围。例如，方法步骤可以以与附图中示出的顺序不同的顺序被执行或者一个或更多个方法步骤可以被省略。因此，本公开和附图被认为是说明性的而不是限制性的。

而且，尽管已经在此说明和描述了具体实施例，但是应当领会到的是，任何设计为实现相同或相似结果的后续设置可以替代所示的具体实施例。本公开是为了涵盖各种实施例的任何以及所有后续变形或变化。在阅读本说明书后，以上实施例的组合以及本文没有具体地描述的其他实施例对本领域的技术人员而言是显而易见的。

应当理解所提交的本公开的摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被集合在一起或者在单个实施例中描述，其目的是为了简化本公开。本公开不应被解释为反映出要求保护的实施例要求比每个权利要求中明确引用的特征更多的特征的倾向。而且，如随附权利要求所反映的，所要求保护的主题可以比任何所公开的实施例的所有特征更少。

Claims (10)

1.一种气密光学设备，其包含：

外壳(100)，其配置为包含至少一个光电器件(402)并且将所述至少一个光电器件(402)连接到聚合物包层石英光纤导线即PCS光纤导线(412)，其中所述外壳(100)包括：

第一区段(110)，其包括：

基座部分(120)；以及

壁部分(130)，其耦合到所述基座部分(120)的周边(122)，其中所述壁部分(130)限定在第一边缘(140)中的末端开口的狭槽(142)，并且其中所述末端开口的狭槽(142)包括开口端(144)，所述开口端(144)配置为接收所述PCS光纤导线(412)的第一部分，其中所述PCS光纤导线(412)的所述第一部分朝向所述外壳(100)的内部延伸穿过所述壁部分(130)并且包括石英纤心和第一端面，其中在一部分所述石英纤心上具有金属化的外部区域(414)，并且所述第一端面适于与所述至少一个光电器件(402)的光学表面(404)对准，并且其中所述PCS光纤导线(412)的第二部分朝向所述外壳(100)的外部延伸并且包括适于耦合到塑料光学纤维的第二端面；以及

第二区段(160)，其配置为在所述末端开口的狭槽(142)的所述开口端(144)处密封地接合所述壁部分(130)的所述第一边缘(140)和所述PCS光纤导线(412)的所述金属化的外部区域(414)。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二区段(160)包括由延伸到第二边缘(180)的第二壁部分(172)围绕的盖部分(170)，其中所述第二边缘(180)被配置为密封地接合所述壁部分(130)的所述第一边缘(140)和所述PCS光纤导线(412)的所述第一部分。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述盖部分(170)包括凹表面，其中所述凹表面被配置为容纳所述至少一个光电器件(402)。

4.根据权利要求2所述的设备，其进一步包含所述第二边缘(180)的预成形焊料层(190)，其中靠近所述第二边缘(180)施加的热量导致所述预成形焊料层(190)流动以将所述第二边缘(180)密封到所述第一区段(110)的所述第一边缘(140)并密封到所述PCS光纤导线(412)的所述第一部分。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述第一区段(110)包括邻近所述末端开口的狭槽(142)从所述壁部分(130)延伸的第一电缆支撑件(166)，并且所述第二区段(160)包括第二电缆支撑件(166)，其中所述第一电缆支撑件(166)被配置为接合所述壁部分(130)外侧的所述PCS光纤导线(412)，并且所述第二电缆支撑件(166)被配置为接合所述PCS光纤导线(412)。

6.一种用于形成气密光学设备的方法，其包含：

将聚合物包层石英光纤导线即PCS光纤导线(412)物理地固定到外壳(100)的第一部分，其中所述PCS光纤导线(412)的第一部分朝向所述外壳(100)的内部延伸穿过第一区段(110)的壁部分(130)并且包括石英纤心和第一端面，其中在一部分所述石英纤心上具有金属化的外部区域(414)，并且所述第一端面适于与光电器件(402)的光学表面(404)对准，并且其中所述PCS光纤导线(412)的第二部分朝向所述外壳(100)的外部延伸并且包括所述PCS光纤导线(412)的第二端面，所述第二端面适于耦合到塑料光纤；以及

通过将所述外壳(100)的第二区段(160)固定地结合到所述第一区段(110)和所述PCS光纤导线(412)的所述金属化的外部区域(414)，气密地密封所述外壳(100)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中将所述外壳(100)的所述第二区段(160)固定地结合到所述壁部分(130)的第一边缘(140)和所述PCS光纤导线(412)的所述第一部分包括将所述第二区段(160)焊接到所述第一边缘(140)并焊接到所述PCS光纤导线(412)的所述第一部分的所述金属化的外部区域(414)。

8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包含沿着所述第二区段(160)定位预成形焊料层(190)并且使用加热的辊邻近所述第二区段施加热。

9.根据权利要求6、7或8所述的方法，其中所述PCS光纤导线(412)的石英纤心延伸穿过所述第一区段(110)的所述壁部分(130)，并且所述PCS光纤导线(412)的外部套被物理地固定到所述壁部分(130)外侧的所述外壳(100)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中将所述PCS光纤导线(412)的所述第一部分物理地固定到所述壁部分(130)外侧的所述外壳(100)的所述第一区段(110)包括将所述PCS光纤导线(412)的所述第一部分粘合到从所述外壳(100)的所述第一区段(110)延伸的第一电缆支撑件(166)，以及将所述PCS光纤导线(412)的所述第一部分物理地固定到从所述外壳(100)的所述第二区段(160)延伸的第二电缆支撑件(166)，并且将套管(610)耦合到所述第一电缆支撑件(166)上、所述第二电缆支撑件(166)上和所述PCS光纤导线(412)的所述第一部分上。