CN104345418B - 用于光学器件的柔性气密封装 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种有两个封套的光电封装，其中第一个非气密封套提供在预定的环境条件范围内保持光学部件对准所需的结构刚度，第二个柔性封套则提供光电封装的气密密封。

Description

用于光学器件的柔性气密封装

技术领域

本发明涉及包装，具体涉及一种用于光学器件的气密封装。

发明背景

波长选择开关(WSS)是一种具有相对较长的光路长度的自由空间光学系统。在这种光学系统中，光束会因反射、折射和衍射而转向。在这些转向中，衍射和折射时的光束传播方向对光学系统的环境折射率(例如，光学元件之间的气体介质的折射率)敏感。该介质的折射率变化会导致光束传播方向变化和WSS光学性能的降级。介质折射率的改变有两种发生方式：

1)介质成分的变化可以改变折射率。成分改变可以是封装内的元件进行排气的结果，也可能是经封装中的泄漏处发生气体交换的结果。通常，对封装气密性的要求是氦气泄漏率为5×10^-8atm cc/s。

2)介质密度的变化也可以改变折射率。密度改变可能是封装容积(volume)随外界压力波动而变化的结果。通常，要求容积变化小于1％，以免过度影响光学性能。应注意，在光学器件与外部封装刚性耦合的情况下，结构刚度也可以产生很重要的作用，在某些紧凑型WSS中即如此，因为封装在外力作用下的变形可以直接耦合至光学器件。

外界温度变化也可能导致封装容积变化，其结果是光学器件周围的自由空间介质的折射率与温度相关，因为该容积内的温度变化会改变密度，由此改变折射率。不过在此情况下，通过对光学材料及其dn/dT的选择，折射率随温度的变化，dn_介质/dT可以由dn_玻璃/dT加以补偿。

光学器件的气密封装代表一种成本很高的元件，这要归因于，当前采用的方法，采用单体式结构的气密封装，要求其设计必须同时折中满足气密性和结构刚度的双重要求。这些设计折中往往会提高封装的成本。示例包括：

1)采用诸如KovarTM(可伐合金)等专用合金作为封装材料，因为其具有在高温共结陶瓷(HTCC)和玻璃金属密封(GTMS)电穿通条件下的热膨胀(CTE)性质。

2)采用专业气密封装供应商来生产整个封装。遗憾的是，由于所有元件被集成到单个封装内，供应商提供的不仅包括他们专业生产的电穿通密封件，还包括封装中不太需要的元件。

3)涉及整个封装的镀层要求和由气密工艺所要求的紧公差。

通过将结构和气密性设计元件分离或解耦，都能以大幅降低它们的成本。

通常采用玻璃金属密封(GMTS)和高温共结陶瓷(HTCC)实现气密封装内的电穿通功能。其中每一种密封方法都要求封装材料的CTE与穿通材料的CTE严格匹配。Kovar的CTE与HTCC材料匹配良好，且Kovar也可用于形成围绕玻璃穿通件的压力密封。遗憾的是，Kovar是一种相当昂贵的材料，且其难以机加工的事实又徒增了Kovar封装的成本。

本发明力图减少与HTCC或GTMS接合所需的Kovar的量，即减少封装面积，并将气密封套的配重替换为成本较低的材料。

在某些WSS产品中，使用了一种可被密封到铝制封装体上的Kovar/GTMS帽，因为铝比Kovar便宜得多。然而，将Kovar与铝进行气密密封的可用密封方法(诸如钎焊等)对镀层有严格的要求，即，要让焊料能够对表面浸润，并形成良好的密封，对密封的配合表面的加工也有严格要求，即，要确保没有焊料缺失的完整密封，同时又避免焊料溢出。在一些采用现有技术的系统中，采用一种镀金的机加工的舌状物与槽的布置来实现良好的密封。但遗憾的是，机加工和镀金的成本会推升总成本。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于光学器件、可将结构要求与气密要求分离的封装，以克服现有技术的缺点。

相应地，本发明涉及一种用于光学部件的封装，包括：

围绕光学部件的柔性气密隔膜；

至少一个被气密密封在所述柔性气密隔膜内、实现与所述光学部件的光耦合和电耦合的至少二者之一的接入口；以及

围绕所述光学部件的固态(solid)结构封装；

其中所述柔性气密隔膜与所述固态结构封装形状贴合，由此所述柔性气密隔膜的容积不会随外界环境中的空气压力的变化而变化。

本发明的另一方面涉及一种制造光学封装的方法，包括：

在柔性气密阻隔内安装光学部件，使所述光学部件的光学元件和电学元件与所述柔性气密阻隔内的气密密封的光穿通件和电穿通件对准；

在所述柔性气密阻隔上覆盖一个涂层，所述涂层硬化后成为围绕所述柔性气密阻隔的固态结构封装。

本发明的另一个实施例提供一种用于光学部件的封装，包括：

围绕光学部件的固态结构封装，所述固态结构封装具有穿过其延伸的开口；

穿过所述固态结构封装上的所述开口延伸的穿通件，其具有延伸穿过所述穿通件的接入口，以实现与所述光学部件的光耦合和电耦合的至少二者之一；以及

围绕所述开口的柔性气密隔膜片，所述柔性气密隔膜片具有围绕所述接入口的对于所述穿通件的第一密封，以及围绕所述开口和第一密封的对于所述固态结构封装的第二密封；

由此所述柔性气密隔膜的容积不会随外界环境中的空气压力的变化而变化。

附图说明

以下将参照代表本发明优选实施例的附图对本发明进行更为详细的介绍，其中：

图1所示为根据本发明的一种示例实施例的一种柔性阻隔封装的横截面图；

图2所示为根据本发明的一种示例实施例的一种光学封装的横截面图；

图3a所示为图2中的光学封装的一个穿通接入口的横截面图；

图3b所示为图3a中的穿通接入口的主视图；

图4所示为本发明的一种替代实施例的横截面图；

图5所示为本发明的一种替代实施例的横截面图；

图6a所示为图5中的光学封装的一个穿通接入口的横截面图；

图6b所示为图6a中的穿通接入口的主视图。

具体实施方式

尽管结合各种实施例和示例对本教导内容进行说明，但并不意味着本教导内容将局限于这些实施例。相反，如本领域技术人员能够理解的，本教导内容涵盖各种替代方式和等效方式。

本发明的一种示例实施例涉及一种光电封装，其有两个封套，其中第一个非气密封套提供在预定的环境条件范围内保持光学部件对准所需的结构刚度，第二个柔性封套则提供光电封装的气密密封，由此通过使封装的体积在外界压力变化时保持不变，来使封装内的介质的折射率保持不变。这样，光束在经光学系统传播时，可得以保持光束的对准。

由于结构封装无需与如上文所述的要求有特定CTE选择、特异性电镀以及紧加工公差的电和光穿通件相兼容，可以有多种成本较低的材料用于非气密性的结构封装。可选材料中包括铸铝或模制塑料，这两者作为原材料的成本均低于Kovar等典型的CTE匹配材料，并可避免额外加工的附加成本。

参见图1，在本发明的一种示例实施例中，柔性气密阻隔封装1可以包括柔性隔膜2，例如具备合适厚度的金属膜箔片(例如铝)，例如厚度可大于25μm，以降低出现针孔缺陷的可能性，同时也使成本具有吸引力。其他金属也属于本发明的适用范围，甚至合适的非金属柔性膜也属于本发明的范围。

除了在密封工艺方面的考虑之外，从应用角度，柔性隔膜2的厚度没有最大值限制。如下文所述，除在其他产品中使用的穿通件之外，还采用了一个刚性铝制外壳来形成封装1的“其余部分”。

此外，25μm的厚度并非一个硬性要求的最小值，即，最小厚度值只需能够避免在柔性气密箔片或薄膜隔膜2内出现将损害气密性的针孔即可。日后箔片和薄膜生产领域的进步很可能允许提供没有针孔的更薄的箔片。

以适中的成本实现改进的一种可能方式是采用一个可以增加柔性隔膜2的强度的聚合物涂层或其他辅助涂层，以提高处理可靠性和抗磨损/穿孔的能力。也可以采用柔性隔膜，该柔性隔膜是被层压在实现气密性的层与实现抗磨损/穿孔能力的层之间的层。

穿过柔性阻隔封装1的各种气密穿通件可能包括电穿通件3、环境创建口(environment creation port)4和光纤穿通件6三者中的任何一个或更多个，其中每一个均带有一个延伸穿过该穿通件的接入口。单独的气密穿通件3、4和6可以通过例如超声波焊接、激光焊接、电阻焊接等多种气密接合方法被耦合至柔性隔膜2。如有必要，可以通过后续应用诸如硅酮等柔性应变消除来实现对气密穿通件3、4和6的密封的机械强化。提供有一个体气密接缝(bulk hermetic seam)7，用以对柔性阻隔封装1进行密封，以实现完全的气密性。

参见图2和图4，柔性阻隔封装1与刚性结构封装11的集成为光学部件提供了必要的机械支承。配有一个或多个穿通件(诸如各种穿通件3、4和6等)的阻隔封装1’被施以气密密封，以获得一个完全气密的内部环境，如图1所示，并与结构封装11集成，集成方式可以是在结构封装11外部被真空密封为罩1’，如图2所示，也可以是在结构封装11内作为膨胀囊袋1”安装，如图4所示。

为满足容积稳定性的要求，柔性阻隔封装1与结构封装11两者的形状基本贴合是重要的。如果在柔性阻隔封装1与非气密性外部结构封装11之间存在间隙，它将允许柔性阻隔封装1在外界压力波动的影响下发生膨胀和收缩，并违背对容积稳定性的要求。

如图2所示，结构封装11初始配有光学部件21，光学部件21具有电学元件22和光学元件23，分别与电穿通件3和光穿通件6对准。柔性阻隔封装1’围绕结构封装11而形成，而穿通件3、4和6延伸穿过结构封装11上对应的开口。优选情况为，结构封装11中的开口包括结构封装11中的一个较宽的外部凹槽26和一个较小的内部凹槽27，两者之间有一个凸肩28，用于邻接相应的穿通件3、4和6。随后柔性阻隔封装1被沿密封7施以密封。

在图2的实施例中，内部空间必须相对外部作减压，例如低至少10％的大气压，优选差值最高达半个大气压，优选低15％的大气压到50％的大气压之间，更优选则低1/4的大气压到1/2的大气压之间，以确保在外部压力因工作海拔高度及环境压力波动而发生改变时，柔性封装1’保持与结构封装11贴合，即“缩靠”在后者上，从而使柔性封装1’的内部容积不变。理想情况下，可将一个真空源连接至环境创建口4，以将内部压力设置到所需水平上。内部减压的结果是，穿通件3、4和6被固定在邻接于凸肩28的外部凹槽26内。换言之，封装的内部压力可能低于90kPa，优选为至少50kPa左右，更优选为50kPa至85kPa之间，更甚优选为50kPa至75kPa之间。

参见图3a和3b，配有各种穿通件3、4和6的柔性阻隔封装1’可以通过第一独立气密密封阻隔12和第二独立气密密封阻隔13被气密密封到结构封装11上，阻隔12和13用于对柔性阻隔封装1’的两个分开的部分进行密封，也就是说，将穿通件3、4或6密封到柔性隔膜2上，而将柔性隔膜2密封到结构封装11上。理想情况下，第一阻隔12和第二阻隔13为环形且同心，第二阻隔13围绕住第一阻隔12；而其他合适的形状也属于本发明的范围。在此实施例中，柔性阻隔封装1’不需要是一个围绕光学元件的单个的密封封套，而是多个单独的片，每个片围绕住结构封装11上的一个或多个开口。(更多细节见图5)。每个单独的片将至少包括围绕穿通件上的接入口的对于诸如3、4和/或6等相应的穿通件的第一密封12，和围绕结构封装11上的开口的对于结构封装11的第二密封13。

在其他实施例中，结构封装11不被密封到柔性阻隔封装1上。

如图4所示，柔性阻隔封装1”也可以可替换地被容纳在结构封装11内。相应地，光学部件21被安装在柔性阻隔封装1”内，电学元件22和光学元件23与电穿通件3和光穿通件6对准。然后柔性阻隔封装1”被沿密封7施以气密密封。随后带有光学部件21的柔性阻隔封装1”被安装在结构封装11内，穿通件3、4和6与结构封装11上的开口对准。在这种实施例中，柔性阻隔封装1”的内部空间相对外部为高压，例如高至少10％的大气压，优选差值为高达半个大气压，更优选为高15％的大气压到50％的大气压之间，最优选则为高1/4的大气压到1/2的大气压之间，以确保在外部压力因工作海拔高度及环境压力波动而发生改变时，柔性封装1”保持“压靠”在结构封装11上，从而使内部容积不变。理想情况下，可将一个压力源连接至环境创建口4，以将内部压力设置到所需水平上。换言之，封装的内部压力可以高于110kPa，优选为至多150kPa左右，更优选在115kPa至150kPa之间，更甚优选为125kPa至150kPa之间。

在上述任何一种实施例中，在结构封装11与柔性封装1之间，可以将合适的黏合剂施用于柔性隔膜2的合适的特定位置处或几乎整个表面上，例如在超过柔性隔膜2的50％的面积上，这样可确保两个封装1与11形状贴合。

在另一种示例实施例中，采用与图2和4中相同的基本结构，但没有任何非平衡压力，可以提供内部压力与外部压力大致相等的装置，以避免显著的过压或欠压，过压或欠压在特定条件下会使通过即使尺寸小而有限的泄漏点而进行的气体交换加速。在这种实施例中，可以采用黏合剂来确保柔性封装1与结构封装11的形状贴合。理想情况是，黏合剂可施用于柔性材料2的特定位置(例如拐角和开口处)，或施用于柔性材料2的几乎整个表面，例如超过柔性隔膜2的50％的面积，优选情况下超过75％，而理想情况下则超过90％。

黏合剂可能更加适用于图4所示的位于结构封装11内的柔性封装1”，由于黏合剂没有被包含在柔性封装1’的气密空间内，由此，在其气密空间内也就不会含有源自于黏合剂的任何排气制品。

与图4类似，柔性阻隔封装1”有可能置于结构封装11内部，但在一种替代性的示例实施例中，结构封装11可以被“施用”到围绕柔性隔膜2的柔性阻隔封装1上，与穿通件3、4和6的边缘形成重叠，就像某种随后可以硬化以提供结构刚度的涂料或其他液体一样。这种实施例的优势是不需要过压来使柔性隔膜2贴合由结构封装11所确定的空间的形状。

在一种稍有差异的实施例中，密封的柔性阻隔封装1(见图1)的内部安装有光学部件21，电学元件和光学元件分别与电穿通件3和光穿通件6对准，然后再浸入一种树脂或其他随后可硬化的物质中，以形成一个形状贴合的结构封装11。在浸入过程中，密封的柔性封装1被固定在一个合适的位置，例如穿通件3、4或6之一处。在浸入步骤中可以采用牺牲罩，以保护穿通件3、4和6，在浸入结束后，硬化步骤之前、期间或之后，将牺牲罩去除。

在如图5所示的一种替代性的实施例中，结构封装11的内部安装有光学部件21，并包含电学元件22和/或光学元件23，电学元件22和/或光学元件23分别与相应的电穿通件3和/或光穿通件4和6对准。柔性阻隔封装可由一个或多个单独的柔性阻隔片51组成，柔性阻隔片51具有贯穿该柔性阻隔片51的孔，该孔与结构封装11上的开口对准。单独的柔性阻隔片用于在结构封装11与诸如穿通件3、4和6的穿通件之间形成密封，穿通件延伸穿过封装11上的相应开口。优选情况为，结构封装11上的开口包括处于结构封装11内的一个较宽的外部凹槽26和一个较小的内部凹槽27，两者之间有一个凸肩28，用于邻接相应的穿通件3、4和6。

参见图6a和6b，柔性阻隔封装片51可以通过第一独立气密密封12和第二独立气密密封13被气密密封到结构封装11上，密封12和13用于分别对柔性阻隔封装片51的两个分开的部分进行密封，即围绕穿通件3、4或6上的接入口密封到柔性隔膜片51上，而将柔性隔膜片51围绕结构封装11上的开口进行密封。理想情况下，柔性阻隔封装片51为环形且与结构封装11上的开口同心。理想情况下，第一阻隔12和第二阻隔13为环形且相互同心，第二阻隔13围绕第一阻隔12；而其他合适的形状和布置方式也属于本发明的范围。

如前文所讨论的，本实施例的结构封装11的内部气压可以与外部压力有差异，也可无差异。

对本发明的一种或多种实施例的前述描述系作为例示和说明给出。其并不意味着已穷尽所有情况，也不意味着将本发明局限在所披露的特定形式上。依照上述教导，可以有许多改动和变化形式。本发明的适用范围并不局限于本详细说明，而是由所附的权利要求加以界定。

Claims (18)

1.一种器件，包括：

容纳光学部件的封装；

延伸穿过所述封装中的第一开口的第一穿通件；

延伸穿过所述封装中的第二开口的第二穿通件，其中:

所述第一穿通件在位于所述第一开口中时，在所述第一穿通件周围形成第三开口，以及

所述第二穿通件在位于所述第二开口中时，在所述第二穿通件周围形成第四开口；与所述第一开口对准的第一柔性、金属阻隔片，所述第一柔性、金属阻隔片覆盖所述第三开口并在所述封装和所述第一穿通件之间形成第一密封，

所述第一柔性、金属阻隔片被焊接到所述第一穿通件；以及

与所述第二开口对准的第二柔性、金属阻隔片，所述第二柔性、金属阻隔片覆盖所述第四开口并在所述封装和所述第二穿通件之间形成第二密封，

所述第二柔性、金属阻隔片被焊接到所述第二穿通件。

2.如权利要求1所述的器件，其中所述第一密封是气密密封以及所述第二密封是气密密封。

3.如权利要求1所述的器件，其中：

所述第一柔性、金属阻隔片利用第一气密密封和第二气密密封形成所述第一密封，以及

所述第二柔性、金属阻隔片利用第三气密密封和第四气密密封形成所述第二密封。

4.如权利要求3所述的器件，其中：

所述第一气密密封和所述第二气密密封是环形的且相对于所述第三开口是同心的，以及

所述第三气密密封和所述第四气密密封是环形的且相对于所述第四开口是同心的。

5.如权利要求3所述的器件，其中：

所述第一气密密封和所述第二气密密封是环形的且相对于彼此是同心的，以及

所述第三气密密封和所述第四气密密封是环形的且相对于彼此是同心的。

6.如权利要求3所述的器件，其中：

所述第一气密密封将所述第一柔性、金属阻隔片密封到所述第一穿通件，

所述第二气密密封将所述第一柔性、金属阻隔片密封到所述封装，

所述第三气密密封将所述第二柔性、金属阻隔片密封到所述第二穿通件，以及

所述第四气密密封将所述第二柔性、金属阻隔片密封到所述封装。

7.如权利要求1所述的器件，其中所述封装的内部气压实质上与外部气压相同。

8.一种器件，包括：

容纳光学部件的封装；

延伸穿过所述封装中的第一开口的穿通件，

其中所述穿通件在位于所述第一开口中时，在所述穿通件周围形成第二开口；

以及

与所述第一开口对准的柔性、金属阻隔片，所述柔性、金属阻隔片覆盖所述第二开口并在所述封装和所述穿通件之间形成密封，

其中所述柔性、金属阻隔片被焊接到所述穿通件。

9.如权利要求8所述的器件，其中所述密封是气密密封。

10.如权利要求8所述的器件，其中所述柔性、金属阻隔片利用第一气密密封和第二气密密封形成所述密封。

11.如权利要求10所述的器件，其中所述第一气密密封和所述第二气密密封是环形的且相对于所述第二开口是同心的。

12.如权利要求10所述的器件，其中所述第一气密密封和所述第二气密密封是环形的且相对于彼此是同心的。

13.如权利要求10所述的器件，其中：

所述第一气密密封将所述柔性、金属阻隔片密封到所述穿通件，以及

所述第二气密密封将所述柔性、金属阻隔片密封到所述封装。

14.如权利要求8所述的器件，其中所述封装的内部气压实质上与外部气压相同。

15.一种气密封装方法，包括：

将光学部件安装在封装内，其中：

所述封装包括第一开口以接收穿通件，以及

所述穿通件在位于所述第一开口中时，在所述穿通件周围形成第二开口；以及

用与所述第一开口对准的柔性、金属阻隔片覆盖所述第二开口，

其中所述柔性、金属阻隔片在所述封装和所述穿通件之间形成密封，以及

其中所述柔性、金属阻隔片被焊接到所述穿通件。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述柔性、金属阻隔片利用第一气密密封和第二气密密封形成所述密封。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述第一气密密封和所述第二气密密封是环形的且相对于以下中的至少一个是同心的：

所述第二开口，或

彼此。

18.如权利要求16所述的方法，其中：

所述第一气密密封将所述柔性、金属阻隔片密封到所述穿通件，以及

所述第二气密密封将所述柔性、金属阻隔片密封到所述封装。

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