CN107357006A - 一种基于平窗型to封装的透镜耦合装置、结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光器件技术领域，提供了一种基于平窗型TO封装的透镜耦合装置、耦合结构和耦合方法。透镜耦合装置包括：透镜耦合尾纤、耦合套筒、磁环，其中，所述透镜耦合尾纤由金属外套和陶瓷插芯组成，其中，陶瓷插芯压配于金属外套内部；所述陶瓷插芯上的尾纤的另一端口用于连接测试设备；所述耦合套筒套在所述金属外套的台阶上，两者之间是间隙配合，通过激光焊接完成固定；所述磁环的下表面用于和透镜元件的外围金属的上表面设计成磁力互耦合结构。在本发明中利用磁环和透镜元件中的外围金属之间的磁吸附式耦合方式，带动所述透镜元件在平窗型TO上的位置调整，在达到预设的透镜耦合光路对准指标要求后，完成各耦合接口之间的焊接工作。

Description

一种基于平窗型TO封装的透镜耦合装置、结构和方法

【技术领域】

本发明涉及光器件技术领域，特别是涉及一种基于平窗型TO封装的透镜耦合装置、耦合结构和耦合方法。

【背景技术】

在光通信领域的光器件，TO封装具有工艺简单，成本低，使用方便的优势，在当前10G甚至25G速率下，TO封装得到了广泛应用。透镜在TO型器件中的作用是保证光芯片和光纤之间的耦合效率。目前常见的TO分为带透镜型TO和平窗型TO。

带透镜型TO是TO帽上已集成了非球透镜或球透镜，该类型TO可以直接用于和光纤耦合。这种带透镜型TO，有两点不足，其一：因为透镜在TO帽上的位置已固定，考虑到TO内部元件、TO帽的尺寸公差和元件组装的公差，每只器件中光芯片到透镜距离都不同，即每只器件的焦距都不同，对于激光器输出光功率有较高要求的应用场合，不能保证每只器件都能达到较高的耦合效率。其二：带透镜型TO通常透镜都在TO帽的中心位置，对于TO内部光芯片贴片有偏心的设计需求时，无法满足器件光功率要求。

而目前采用平窗型TO时，必须将透镜通过合适的方法固化于TO上方，同时满足透镜焦距要求，才能实现与光纤耦合。而目前常见的方法是用粘胶的方法将透镜固定于TO上方的管体上，但这种方式只是将透镜在器件的位置固定，无法做到Z轴焦距可调，器件耦合情况和带透镜型TO相似，由于TO内部元件、外部元件的尺寸公差和元件组装的公差，则每只器件的焦距都不同，在对激光器的输出光功率有较高要求的应用场合，不能保证每只器件都能达到较高的耦合效率，器件耦合一致性不好。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是现有的平窗型TO封装中，由于TO内部元件、外部元件的尺寸公差和元件组装的公差，则每只器件的焦距都不同，在对激光器的输出光功率有较高要求的应用场合，现有技术中透镜在器件中的位置无法实现动态可调，不能保证每只器件都能达到较高的耦合效率，器件耦合一致性不好。

本发明用如下技术方案：

本发明第一方面，提供了一种基于平窗型TO封装的透镜耦合装置，透镜耦合装置包括：透镜耦合尾纤1、耦合套筒2、磁环3，其中，

所述透镜耦合尾纤1由金属外套16和陶瓷插芯17组成，其中，陶瓷插芯17压配于金属外套16内部；所述陶瓷插芯17上的尾纤18的另一端口用于连接测试设备；

所述耦合套筒2套在所述金属外套16的台阶上，两者之间是间隙配合，通过激光焊接完成固定；

所述磁环3和所述耦合套筒2通过胶粘和烘烤进行固定；所述磁环3的下表面用于和透镜元件4的外围金属42的上表面设计成磁力互耦合结构。

优选的，根据透镜元件4的焦距，设计陶瓷插芯17的纤芯端面到透镜元件4的距离L。

优选的，透镜元件4包括外围金属42和非球透镜41，所述非球透镜41内嵌在所述外围金属42中，所述外围金属42为具有磁性的不锈钢材料。

优选的，所述陶瓷插芯17的光纤和尾纤18具体为直径50/125um的多模光纤。

本发明第二方面，提供了一种基于平窗型TO封装的透镜耦合结构，包括透镜元件4、透镜耦合调节环5、平窗型TO6，所述透镜元件4包含非球透镜41和外围金属42，非球透镜压配成形于所述外围金属42内部，外围金属42的材质为具有一定磁性的不锈钢；

所述透镜耦合调节环5与透镜元件4的外围金属42的外径之间设置有至少三个激光焊点，其中，外围金属42在透镜耦合调节环5的上下位置设定用于完成Z轴方向上的透镜元件4与平窗型TO6所包含的芯片之间的透镜耦合光路对准；

所述耦合调节环5与平窗型TO6之间设置有至少三个激光焊点，其中，耦合调节环5与平窗型TO6之间XY轴位置的设置用于完成XY轴方向上的透镜元件4与平窗型TO6所包含的芯片之间的透镜耦合光路对准。

优选的，所述平窗型TO6所包含的芯片具体为：

激光器芯片或者光探测器芯片。

优选的，所述透镜耦合调节环5与透镜元件4的外围金属42的外径之间设置有至少三个激光焊点，具体为在所述外围金属42的外径上均匀分布3个或者6个激光焊点；

所述耦合调节环5与平窗型TO6之间设置有至少三个激光焊点，具体为在所述耦合调节环5的底座外环上均匀分布3个或者6个激光焊点。

本发明第三方面，提供了一种基于平窗型TO封装的透镜耦合方法，包括如第一方面所述的透镜耦合装置和如第二方面所述的透镜耦合结构，具体的：

将包含所述透镜耦合尾纤1、耦合套筒2和磁环3的耦合装置，安装到耦合夹具上；

将透镜元件4的外围金属42吸附于磁环3上；

控制所述透镜耦合装置，带动透镜元件4抵达固定于夹具基座上的平窗型TO6上方，并嵌入所述平窗型TO6上的耦合调节环5；

根据耦合装置所连接的测试设备中的第一信号以及平窗型TO6中的第二信号，调节透镜元件4在所述透镜耦合调节环5内位置，在完成所述Z轴方向透镜耦合光路对准后，焊接所述透镜元件4与透镜耦合调节环5的耦合处；

调节透镜耦合调节环5在平窗型TO6水平面上的位置，完成XY轴方向透镜耦合光路对准后，焊接所述透镜耦合调节环5与平窗型TO6的耦合处。

优选的，所述焊接所述透镜元件4与透镜耦合调节环5的耦合处，具体包括：

使用激光斜焊机，采用穿透焊工艺，对所述透镜元件4和所述透镜耦合调节环5进行焊接固定；其中，焊接位置在透镜耦合调节环5的圆周上均匀分布的3个或者6个激光焊点。

优选的，所述焊接透镜耦合调节环5与平窗型TO6的耦合处，具体包括：

使用激光斜焊机，采用搭接焊工艺，对所述透镜耦合调节环5和平窗型TO6进行焊接固定；其中，焊接位置在透镜耦合调节环5的圆周上均匀分布的3个或者6个激光焊点。

本发明所提出的所述透镜耦合装置克服了现有技术中，对于透镜元件4采用预设参数值，根据目标位置完成透镜元件4和平窗型TO的固定，无法克服元件本身和组装工艺可能存在的公差问题。在本发明中，通过固定在夹具上的所述透镜耦合装置，利用磁环3和透镜元件4中的外围金属42之间的磁吸附式耦合方式，带动所述透镜元件4在平窗型TO上的位置调整，在达到预设的透镜耦合光路对准指标要求后，完成各耦合接口之间的焊接工作。提高了平窗型TO器件的耦合精度，并且所述透镜耦合装置可配合夹具和流水线，实现批量的平窗型TO器件的精准加工。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于平窗型TO封装的透镜耦合装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种透镜元件结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种基于平窗型TO封装的透镜耦合结构的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种基于平窗型TO封装的透镜耦合装置和耦合结构组合示意图；

图5是本发明实施例提供的一种基于平窗型TO封装的透镜耦合方法流程示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种基于平窗型TO封装的透镜耦合装置，如图1所示，透镜耦合装置包括：透镜耦合尾纤1、耦合套筒2、磁环3，其中，所述透镜耦合装置可以应用于对平窗型TO封装的激光器的加工制作，也可以应用于对平窗型TO封装的光探测器的加工制作。所述透镜耦合装置在具体使用过程中，是被作为一个透镜元件4的抓取部件使用，并且所述透镜耦合装置还能够在抓取透镜元件4后，利用尾纤18所连接的测试设备完成透镜耦合光路对准，以便进行最终的焊接工艺。接下来将具体阐述所述透镜耦合装置所包含的组成元件之间的连接结构。

如图1所示，述透镜耦合尾纤1由金属外套16和陶瓷插芯17组成，其中，陶瓷插芯17压配于金属外套16内部；所述陶瓷插芯17上的尾纤18的另一端口用于连接测试设备。

其中，对于平窗型TO封装的光探测器来说，所述测试设备可以是信号光发射器；对于平窗型TO封装的激光器来说，所述测试设备可以是激光测量仪。连接哪一种测试设备可以根据所述透镜耦合装置所适用的加工场景而决定。

所述耦合套筒2套在所述金属外套16的台阶上，两者之间是间隙配合，通过激光焊接完成固定。在本发明实施例中，具体可以采用图1所示的标注21位置和标注22位置处，通过激光焊接进行固定耦合套筒2和金属外套16。

所述磁环3和所述耦合套筒2通过胶粘和烘烤进行固定；所述磁环3的下表面用于和透镜元件4的外围金属42的上表面设计成磁力互耦合结构。

具体操作时，可以在所述耦合套筒2的内壁和台阶上，点适量353ND胶，将所述磁环3贴在所述耦合套筒2内部的台阶上，进行高温烘烤固化。

本发明实施例所提出的所述透镜耦合装置克服了现有技术中，对于透镜元件4采用预设参数值，根据目标位置完成透镜元件4和平窗型TO的固定，无法克服器件之间可能存在的公差问题。在本发明实施例中，通过固定在夹具上的所述透镜耦合装置，利用磁环3和透镜元件4中的外围金属42之间的磁吸附式耦合方式，带动所述透镜元件4在平窗型TO上的位置调整，在达到预设的透镜耦合光路对准指标要求后，完成各耦合接口之间的焊接工作。提高了平窗型TO器件的耦合精度，并且所述透镜耦合装置可配合夹具和流水线，实现批量的平窗型TO器件的精准加工。

在本发明实施例实现过程中，由于陶瓷插芯17压配于金属外套16内部，而透镜元件4则是通过磁力耦合在磁环3上，因此，用于保证光纤端与透镜元件4之间的距离就依托于磁环3的高度(作为第一部分参数)和陶瓷插芯17固定后相对于磁环3上表面的距离(作为第二部分参数)。而其中第二部分参数通常在选配组件时候就被确定了，并且第二部分参数的调整会带来较大成本的付出，因此，本发明实施例中提出通过调整第一部分参数，即磁环3自身的高度来完成不同透镜元件4的焦距指标要求。具体的，所设计的陶瓷插芯17的纤芯端面到透镜元件4的距离为L。并且，每一距离L对应一指定高度的磁环3。

作为配套本发明实施例所提出的透镜耦合装置来使用的透镜元件4，同样存在一种更优的实现结构，如图2所示，所示透镜元件4包括外围金属42和非球透镜41，所述非球透镜41内嵌在所述外围金属42中，所述外围金属42为具有磁性的不锈钢材料。之所以采用具有磁性的不锈钢材料，是为了进一步提高透镜元件4与磁环3之间的磁力耦合强度，所述透镜耦合装置带动透镜元件4完成竖直或者水平移动时，能够保证两者之间的耦合面严格贴合。

在本发明实施例中，还用了一种陶瓷插芯17和尾纤18参数指标，具体的，所述陶瓷插芯17的光纤和尾纤18具体为直径为50/125um的多模光纤。除此以外，根据具体的应用场合，所述陶瓷插芯17的光纤和尾纤18还可以采用单模光纤或其它直径的多模光纤，在此不做特殊限定。

实施例2：

本发明实施例的存在价值，是可作为实施例1所述的透镜耦合装置配套使用的透镜耦合结构(即平窗型TO封装的光器件)。如图3所示，为本发明实施例提出的一种基于平窗型TO封装的透镜耦合结构，包括透镜元件4、透镜耦合调节环5、平窗型TO6，所述透镜元件4包含非球透镜41和外围金属42，非球透镜压配成形于所述外围金属42内部，外围金属42的材质为具有一定磁性的不锈钢；

所述透镜耦合调节环5与透镜元件4的外围金属42的外径之间设置有至少三个激光焊点，其中，外围金属42在透镜耦合调节环5的上下位置设定用于完成Z轴方向上的透镜元件4与平窗型TO6所包含的芯片之间的透镜耦合光路对准；

所述耦合调节环5与平窗型TO6之间设置有至少三个激光焊点，其中，耦合调节环5与平窗型TO6之间XY轴位置的设置用于完成XY轴方向上透镜元件4的与平窗型TO6所包含的芯片之间的透镜耦合光路对准。

与实施例中所阐述的透镜耦合装置可以适用于平窗型TO的激光器和平窗型TO的光探测器相对应，同样的所述平窗型TO6所包含的芯片具体可以为：激光器芯片或者光探测器芯片。

在本发明实施例实现过程中，由于耦合调节环5与平窗型TO6之间采用激光焊接固定，为了保证焊接强度和可靠性，所述透镜耦合结构所对应的TO帽壁厚设定为不小于0.3mm。

本发明实施例所提出的透镜耦合结构中各部件的耦合方式，优选的是采用激光焊接的方式完成固定，若激光焊接无法有效满足工艺需求时，才会采用次之的胶合的方式(例如实施例中磁环3与耦合套筒2之间的固定，因为要保证磁环3下表面的平整度，以便与透镜元件4形成紧密耦合状态)，具体的，在本发明实施例实现过程中，

所述透镜耦合调节环5与透镜元件4的外围金属42的外径之间设置有至少三个激光焊点，具体为在所述外围金属42的外径上均匀分布3个或者6个激光焊点；

所述耦合调节环5与平窗型TO6之间设置有至少三个激光焊点，具体为在所述耦合调节环5的底座外环上均匀分布3个或者6个激光焊点。

实施例3：

本发明实施例中，除了提供实施例1所述的透镜耦合装置，以及实施例2所述的透镜耦合结构外，还提供了一种基于平窗型TO封装的透镜耦合方法，所述透镜耦合方法中应用到了如实施例1所述的透镜耦合装置和实施例2所述的透镜耦合结构，如图4和图5所示，所述耦合方法具体包括以下执行步骤：

在步骤201中，将包含所述透镜耦合尾纤1、耦合套筒2和磁环3的耦合装置，安装到耦合夹具上。

其中，所述耦合夹具可以是已有的夹具，现有夹具通常都具有X轴、Y轴和Z轴方向上的微调功能，而与本发明实施例1所提出的透镜耦合装置配合使用时，只需要夹具的夹头固定好所述透镜耦合装置即可，并通过带动所述透镜耦合装置执行X轴、Y轴和Z轴方向上的微调。

在步骤202中，将透镜元件4的外围金属42吸附于磁环3上。

其中，吸附操作可以手动拾取透镜元件4，并将其外围金属42的上表面朝向耦合套筒的内环中磁环3所在位置嵌入。

也可以是在具有更智能的夹具台中，由夹具的机械臂自动地从流水线上，向透镜元件4所在位置拖放透镜耦合装置，完成两者之间的磁力吸附式的耦合。

在步骤203中，控制所述透镜耦合装置，带动透镜元件4抵达固定于夹具基座上的平窗型TO6上方，并嵌入所述平窗型TO6上的耦合调节环5。

其中，平窗型TO6被固定在夹具上不动，等待透镜元件4抵达所述平窗型TO6上方，实现后续的透镜元件4中外围金属42外壁与透镜耦合调节环5内壁之间的嵌入式耦合。

在步骤204中，根据耦合装置所连接的测试设备中的第一信号以及平窗型TO6中的第二信号，调节透镜元件4在所述透镜耦合调节环5内位置，在完成所述Z轴方向透镜耦合光路对准后，焊接所述透镜元件4与透镜耦合调节环5的耦合处。

在步骤205中，调节透镜耦合调节环5在平窗型TO6水平面上的位置，完成XY轴方向透镜耦合光路对准后，焊接所述透镜耦合调节环5与平窗型TO6的耦合处。

本发明实施例所提出的所述透镜耦合方法克服了现有技术中，对于透镜元件4采用预设参数值，根据目标位置完成透镜元件4和平窗型TO6的固定，无法克服元件本身和组装工艺可能存在的公差问题。在本发明实施例中，通过固定在夹具上的所述透镜耦合装置，利用磁环3和透镜元件4中的外围金属42之间的磁吸附式耦合方式，带动所述透镜元件4在平窗型TO上的位置调整，在达到预设的透镜耦合光路对准指标要求后(包括XYZ三轴方向)，完成各耦合接口之间的焊接工作。提高了平窗型TO器件的耦合精度，并且所述透镜耦合装置可配合夹具和流水线，实现批量的平窗型TO器件的精准加工。

在本发明实施例中，所述焊接所述透镜元件4与透镜耦合调节环5的耦合处，存在一种优选的实现方案，具体包括：

使用激光斜焊机，采用穿透焊工艺，对所述透镜元件4和所述透镜耦合调节环5进行焊接固定；其中，焊接位置在透镜耦合调节环5的圆周上均匀分布的3个或者6个激光焊点。

在本发明实施例，所述焊接透镜耦合调节环5与平窗型TO6的耦合处，具体包括：

使用激光斜焊机，采用搭接焊工艺，对所述透镜耦合调节环5和平窗型TO6进行焊接固定；其中，焊接位置在透镜耦合调节环5的圆周上均匀分布的3个或者6个激光焊点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于平窗型TO封装的透镜耦合装置，其特征在于，透镜耦合装置包括：透镜耦合尾纤(1)、耦合套筒(2)、磁环(3)，其中，

所述透镜耦合尾纤(1)由金属外套(16)和陶瓷插芯(17)组成，其中，陶瓷插芯(17)压配于金属外套(16)内部；所述陶瓷插芯(17)上的尾纤(18)的另一端口用于连接测试设备；

所述耦合套筒(2)套在所述金属外套(16)的台阶上，两者之间是间隙配合，通过激光焊接完成固定；

所述磁环(3)和所述耦合套筒(2)通过胶粘和烘烤进行固定；所述磁环(3)的下表面用于和透镜元件(4)的外围金属(42)的上表面设计成磁力互耦合结构。

2.根据权利要求1所述的基于平窗型TO封装的透镜耦合装置，其特征在于，根据透镜元件(4)的焦距，设计陶瓷插芯(17)的纤芯端面到透镜元件(4)的距离L。

3.根据权利要求1所述的基于平窗型TO封装的透镜耦合装置，其特征在于，透镜元件(4)包括外围金属(42)和非球透镜(41)，所述非球透镜(41)内嵌在所述外围金属(42)中，所述外围金属(42)为具有磁性的不锈钢材料。

4.根据权利要求1所述的基于平窗型TO封装的透镜耦合装置，其特征在于，所述陶瓷插芯(17)的光纤和尾纤(18)具体为直径50/125um的多模光纤。

5.一种基于平窗型TO封装的透镜耦合结构，其特征在于，包括透镜元件(4)、透镜耦合调节环(5)、平窗型TO(6)，所述透镜元件(4)包含非球透镜(41)和外围金属(42)，非球透镜压配成形于所述外围金属(42)内部，外围金属(42)的材质为具有一定磁性的不锈钢；

所述透镜耦合调节环(5)与透镜元件(4)的外围金属(42)的外径之间设置有至少三个激光焊点，其中，外围金属(42)在透镜耦合调节环(5)的上下位置设定用于完成Z轴方向上的透镜元件(4)与平窗型TO(6)所包含的芯片之间的透镜耦合光路对准；

所述耦合调节环(5)与平窗型TO(6)之间设置有至少三个激光焊点，其中，耦合调节环(5)与平窗型TO(6)之间XY轴位置的设置用于完成XY轴方向上的透镜元件(4)与平窗型TO(6)所包含的芯片之间的透镜耦合光路对准。

6.根据权利要求5所述的基于平窗型TO封装的透镜耦合结构，其特征在于，所述平窗型TO(6)所包含的芯片具体为：激光器芯片或者光探测器芯片。

7.根据权利要求5或6所述的基于平窗型TO封装的透镜耦合结构，其特征在于，

所述透镜耦合调节环(5)与透镜元件(4)的外围金属(42)的外径之间设置有至少三个激光焊点，具体为在所述外围金属(42)的外径上均匀分布3个或者6个激光焊点；

所述耦合调节环(5)与平窗型TO(6)之间设置有至少三个激光焊点，具体为在所述耦合调节环(5)的底座外环上均匀分布3个或者6个激光焊点。

8.一种基于平窗型TO封装的透镜耦合方法，其特征在于，包括如权利要求1-4任一所述的透镜耦合装置和如权利要求5-7任一所述的透镜耦合结构，具体的：

将包含所述透镜耦合尾纤(1)、耦合套筒(2)和磁环(3)的耦合装置，安装到耦合夹具上；

将透镜元件(4)的外围金属(42)吸附于磁环(3)上；

控制所述透镜耦合装置，带动透镜元件(4)抵达固定于夹具基座上的平窗型TO(6)上方，并嵌入所述平窗型TO(6)上的耦合调节环(5)；

根据耦合装置所连接的测试设备中的第一信号以及平窗型TO(6)中的第二信号，调节透镜元件(4)在所述透镜耦合调节环(5)内位置，在完成所述Z轴方向透镜耦合光路对准后，焊接所述透镜元件(4)与透镜耦合调节环(5)的耦合处；

调节透镜耦合调节环(5)在平窗型TO(6)水平面上的位置，完成XY轴方向透镜耦合光路对准后，焊接所述透镜耦合调节环(5)与平窗型TO(6)的耦合处。

9.根据权利要求8所述的基于平窗型TO封装的透镜耦合方法，其特征在于，所述焊接所述透镜元件(4)与透镜耦合调节环(5)的耦合处，具体包括：

使用激光斜焊机，采用穿透焊工艺，对所述透镜元件(4)和所述透镜耦合调节环(5)进行焊接固定；其中，焊接位置在透镜耦合调节环(5)的圆周上均匀分布的3个或者6个激光焊点。

10.根据权利要求8所述的基于平窗型TO封装的透镜耦合方法，其特征在于，所述焊接透镜耦合调节环(5)与平窗型TO(6)的耦合处，具体包括：

使用激光斜焊机，采用搭接焊工艺，对所述透镜耦合调节环(5)和平窗型TO(6)进行焊接固定；其中，焊接位置在透镜耦合调节环(5)的圆周上均匀分布的3个或者6个激光焊点。