CN1312917A - 光学包装物的制造 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种制造光学包装物的方法,这种方法是故意使光纤(10)的一段裸露长度遭受预定的弯曲。光纤的裸露长度与一在将其支承住的地点(P2)和一在光学器件(4)上的固定点(P1)之间的距离这两者之间的相互关系是通过对光纤内的诱导应变加以考虑而确定的。本发明还描述了一种根据所述方法而设计的光学包装物。

Description

光学包装物的制造

本发明涉及一种光学包装物的制造方法，特别涉及那种可将一段长度的光纤固定于一集成光学器件上的光学包装物制造方法。

本发明具体涉及(但并非只限制于)集成光电子器件的包装，所述集成光电子器件包括一其中单片地形成有光波导的硅一绝缘体晶片。这些波导形成在硅的自身表面内。所述集成光学器件还可以包括一些固定于晶片表面的电子元件或光电子元件。所述光纤用作一将光导引至所述集成光学器件上并使其离开所述集成光学器件的导管。它藉助一进入套圈而支承在所述包装物内部，并从那里延伸至所述集成光学器件上的固定点。安全可靠的光电子器件的设计要求在包装物温度变化的过程中光纤的端部固定装置不能遭受过大的作用力，也不能使光纤遭受过大的应变。

本发明旨在提供一种可实现这些目的的制造方法。

根据本发明，提供了一种制造光学包装物的方法，其中，光纤的一段裸露长度在一支承地点和一在集成光学器件上的固定点之间延伸，其中，光纤的裸露长度(L)与在所述支承地点和在一相垂直的轴线上的固定点之间的距离(Δh)之间的相互关系是通过对光纤内的诱导应变加以考虑来确定的，这样，在装配时，可将一预定的弯曲引入到光纤的裸露长度段中。

所述包装物包括一壳体，所述壳体具有一可容纳一集成光学器件的部分和一可将光纤支承在其内支承地点处的进入部。在首先对壳体进行制造的情况中，所述方法包括以下步骤：确定所述壳体内所固有的、位于所述集成光学器件上的固定点和所述支承地点之间的距离，然后再考虑对诱导应变限制来计算光纤的所需裸露长度(L)。

根据所描述的实施例，所述方法还包括如下装配一光纤结构的步骤：藉助将一段长度的光纤插入并穿过一支承件，将该段长度的光纤切短至所需的裸露长度(L)，将该光纤结构接纳在一容有所述集成光学器件的壳体内，然后将所述光纤固定于固定点。本文中的术语支承件指的是一套圈，在所述较佳实施例中，它包括一容有一陶瓷插件的金属外壳，所述光纤插件插入并穿过所述陶瓷插件延伸，例如如本申请人早先在英国专利No.9814643.4中所描述的那样。

业已发现，可以对这样一种包装物进行设计，其中最大的诱导应变∈_max被保持为0.3％或小于0.3％，其中： ${\∈}_{\max }=\frac{r}{R}\×100$

R是最小弯曲半径，包括即使是在使用中由于热膨胀和/或装配误差而出现了较小的纵向位移时的半径值。

一种可实现上述目的途径是采用如下一种设计技术：如同结合较佳实施例的具体描述的那样，它取决于一根据经验确定的设计应变∈_des。另一种可实现上述目的、用于本文中所描述的具有近似尺寸的包装物的方法是取决于以下公式：

在 至 的范围内，

式中，r是光纤半径。在实践中已发现，它能可靠地导出裸露长度L和距离光电子包装物内的距离Δh之间的相互关系。

可以藉助将光纤结构插入壳体内而将光纤固定于集成光学器件，并使光纤的自由端位于保持在壳体内的集成光学器件的正上方，然后将光纤的自由端向下压入一位于所述集成光学器件上的固定点处的凹槽内。光纤可以藉助环氧树脂而固定在固定点处。这样就可以提供一种所谓的S形弯曲，它可以方便装配，并且可在固定点的前面、在光纤的尖端产生一向下的力。

集成光学器件可以位于壳体内部、位于一诸如一陶瓷晶片之类的基底构件上。

根据本文所描述的具体实施例，揭示了这样一种设计方法，它是故意将光纤装配成在端部固定点之间具有一垂直偏移Δh，从而可以迫使光纤呈现出一种具有已知几何形状的正S形弯曲。所述S形弯曲的重要特点在于：尽管因来自于垂直偏离的弯曲力矩会在光纤内产生较小的附加应变，但是，仍可以使由端部固定点所受到的压力或张紧力保持基本恒定并保持在一已知大小量级上。这对于集成光学器件来说是尤为重要的，由于可以形成粘接面的表面面积有限，故端部的固定可能相对较弱。而且，预计的应变可以被预定成低于在该值时可能出现短暂失效的值，也就是最好不大于0.3％。

为了更好地理解本发明并示出本发明如何实施，下面将结合附图来对本发明作一举例说明，在各附图中：

图1是一光学包装物的局部剖视图；

图2是一示出了S形弯曲的示意图；

图3是用于集成光学器件中的光纤的固定点的放大部；

图4示出了用于所述设计方法的S形弯曲的各参数；以及

图5是不同S形弯曲结构的应变一位移图。

图1示出了一光纤包装物，它包括一例如由KOVAR(镍/铁/钴)或其它具有较高密封性的材料所制成的壳体2。壳体2具有一用来将一集成光纤器件4接纳在一陶瓷晶片6上的碗状部2a。壳体2还具有一管形进入部2b。虽然图中未予示出，但是，就其最终形式来说，所述包装物包括一盖子，这样就可以将整个包装物气密地密封住。进入部2b可将一套圈8固定住，该套圈包括一例如由黄铜制成的金属外壳，它可容有一具有一中心孔的陶瓷插件，一光纤10延伸穿过所述中心孔。所述光纤形成一纤维光缆12的一部分。该纤维光缆12具有一被光学包层所包围的中心光学纤心以及许多防护外层。光纤10已被剥去了各防护外层。套圈8提供了一气密密封结构，纤维光缆12在该气密密封结构的一端部插入其中，并且光纤10从该气密密封结构的另一端突伸出来。图1中的粗实线10示出了呈容纳在成品包装物内这一形式的光纤。正如可以看到的那样，它大体上呈S形弯曲的形式。图1中的虚线示出了在装配过程中的光纤10，这将在下文中作更具体的描述。集成光学器件4在其表面上单块地形成有许多硅波导。此外，它还具有一微切削加工的V形槽14，光纤10的端部位于该V形槽内其固定点附近。

图2更具体地示出了S形弯曲的诸重要组成因素。距离Δh表示固定于集成光学器件上的所述光纤的固定点P1至一支承地点P2之间的差值偏移，所述支承地点也就是光纤10在该点处离开套圈8的地方。垂直偏移Δh是由于套圈8的中心轴线自集成光学器件4的上表面起垂直移动而产生的，这样，在装配过程中，光纤10的那一远离套圈8的端部就不得不向下推压在集成光学器件4上。因此，可以看到，垂直偏移Δh主要是由壳体2的各参数来确定的。

另一重要尺寸是光纤10的“裸露”长度，它是固定点P1和支承地点P2之间的长度。正如本文中所限定的那样，长度L是P1和P2之间的水平距离。根据实践，由于偏移Δh与长度L相比是非常小的，因此，光纤的实际长度L’非常接近于水平长度L。

图3更具体地示出了在集成光学器件处的固定位置。光纤10藉助环氧树脂16而压入V形槽14内并固定在该处。在图3中，示出光纤10穿过一陶瓷盘18，例如一钟表匠的宝石轴承(如本申请人早先在英国专利2313676B中所描述的那样)，它也可以固定于集成光学器件的侧面。这样就可以为该光纤提供抵抗剥离力的性能。

下面将对图1中所示包装物的制造方法进行描述。

提供一呈图1形式的壳体2，具体地说，该壳体具有碗形接纳部2a和进入部2b。接纳部2a有足够的深度，从而可以容有一支承住一集成光学电路4的陶瓷晶片6并且可以离开进入部2b的水平中心轴线一额外的距离Δh。陶瓷晶片6和集成光学器件4位于并固定在壳体2的内部。

藉助剥除一纤维光缆的外防护涂层以提供一具有剥除长度10的光纤来准备一光纤结构。将它插入并穿过一陶瓷插件，所述陶瓷插件被固持在一构成套圈8的金属管的内部。成品包装物中的光纤10的理想长度L’是如本文所描述的那样来计算的。在装配之后，将自套圈8延伸出来的光纤10的实际长度切短至所需的裸露长度L’。将陶瓷盘9旋紧在该光纤的自由端上。然后，将套圈8插设在壳体的进入部2b的内部，从而使光纤10沿着进入部2b的轴线延伸并突伸进入接纳部2a。此时，光纤10具有如图1中虚线所示的轮廓，也就是，其自由端位于集成光学电路的固定点上方。然后，将该光纤向下推压至V形槽14内藉助用环氧树脂进行粘接并固定在那里。以此方式，可故意将一正S形弯曲引入该光纤。

光纤的应力和应变参数是由所述S形弯曲的构造和其在使用过程中的理想位移来决定的。影响纵向位移的最显著的因素是用于壳体2和用于套圈8的金属的热膨胀系数，因此，在设计过程中需要考虑这些因素。事实上，业已证实，如果适当考虑了应变参数，则还可得到较小的位移。

下面将结合图4来描述用于计算光纤最大拉伸应变的方法。在图4中，实线表示固定点P1和P2之间的水平距离L，它接近于光纤10的长度L’。Δh表示如上文所述的垂直偏移。Δz表示因装配过程中的固定误差和热胀冷缩作用而可能出现的光纤轴向距离。本文中，将使光纤处于张紧状态的、长度L的伸长作为Δz的正值，而将使光纤处于压缩状态的缩短作为负值。θ表示在固定点P2处的、套圈的角位移。也就是，虽然在制造过程中，人们希望将套圈定位成角位移为零，也就是，正好沿着包装物的进入部2b的纵向轴线，但是，制造中的误差有时侯即意味着该套圈相对于所述轴线有较小的角位移。这可由图4中的角度θ来表示。Δz的轴线位移表示的不仅是因使用中的热胀或冷缩而可能出现的位移，而且还有在制造过程中固定点P2的位置可能出现的误差。实践中，可以不考虑Δz或θ来对S弯曲的构造加以设计。对一包装物进行装配从而能获得大体上平行的固定点是可能的，它意味着在大多数的实际情况中θ为0或接近于0。同样，业已证实的是，如果如下文所述的那样对各应变参数进行适当处置，则在正常情况下，可以为Δz提供足够的公差。根据各应变参数来对S弯曲的构造进行正确分析，也会涉及到水平位移可能会有的影响。这将在下文中具体论述。

下面将对设计技术进行概述。使最终包装物内的S形弯曲呈一种所谓的正S形弯曲是很重要的，这就是如图2所示的那种情况。为此，首先选择一足够大的垂直偏移Δh以确保光纤的构造呈正S形弯曲。然后，考虑实现光学器件4的陶瓷晶片6和半导体晶片的厚度，从而就能选择一可实现所述垂直偏移Δh的适当壳体。

然后，根据以下公式来计算光纤的长度L’： $L\′=\sqrt{\frac{3\mathrm{rE\Δh}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{des}}}}$

式中，r是光纤半径，E是杨氏模量，而σ_des是没有水平位移Δz或角位移θ的光纤内的设计目标应力。

在一篇由E.Suhir撰写的、题为“在经受弯曲的光纤互连体中的预计曲率和应力”(光波技术杂志1996年2月第2期第40卷)的文章中可以找到根据该公式而作出的、对一经受弯曲的光纤互连体中的应力和应变的分析的详细论述。

设计应力σ_des是根据以下公式来计算的：

σ_des=E×∈_des

式中，E是用于光纤的杨氏模量，∈_des是根据经验确定的、用于应变的值，用以使在包括较小水平位移和角位移在内的正常情况下最大应变不超过0.3％。本发明的发明人已确定，对于具有本文中所描述的尺寸的包装物来说，∈_des在0.01％和0.1％之间，较佳的是在0.02％和0.2％之间。

为了使光纤具有适当的可靠性和使用寿命，该最大应变∈_max不应该超过0.3％。

人们已利用一来自ALGOR公司的通用模拟程序对一用来模拟S形弯曲的有限元模型进行运算，用以根据上文所限定的设计技术来确定其应力和应变特性。

在一秒钟的周期内，以.005微米为步进对.020微米至-.04微米的Δz变化来进行模拟。由于每一位移值Δz和最大弯曲力矩M_max，所述模型可以输出用于光纤内的轴向力T的相应值。可从这些值来求得光纤内的总的最大张紧应变百分比值。

图5的曲线示出了所述结果。图5是从-.04微米至.02微米的位移Δz相对于光纤内的最大张紧应变的曲线图。该图总共具有六条曲线。标有菱形、方形和三角形的曲线表示长度L为10毫米、角误差θ分别为0°、0.5°和1°标有x、*和○的曲线表示长度L为15.5毫米、角误差θ分别为0°、0.5°和1°。

图5曲线所示的其它参数是：

半径r=.625毫米

杨氏模量E=73,000

偏移Δh=.25毫米

因此，可以看到，通过在上述范围内选择一适当的设计应变，由于光纤内的最大应变不超过0.3％，因此，可以适应于较宽范围的水平位移Δz，而不会影响产品的使用寿命。

Claims (13)

1．一种制造光学包装物的方法，其中，光纤的一段裸露长度在一支承地点和一在集成光学器件上的固定点之间延伸，其特征在于，光纤的裸露长度(L’)与在所述支承地点和在一相垂直的轴线上的固定点之间的距离(Δh)之间的相互关系是通过对光纤内的诱导应变加以考虑来确定的，这样，在装配时，可将一预定的弯曲引入到光纤的裸露长度段中。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，它包括以下步骤：确定一用来将所述集成光学器件和光纤保持住的壳体内的距离(Δh)，然后再计算光纤的所需裸露长度(L’)。

3．如权利要求1所述的方法，其特征在于，它包括如下装配一光纤结构的步骤：藉助将一段长度的光纤插入并穿过一支承件，将该段长度的光纤切短至所需的裸露长度(L’)，将该光纤结构接纳在一容有所述集成光学器件的壳体内，然后将所述光纤固定于固定点。

4．如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述裸露长度根据下式来计算： $L\′=\sqrt{\frac{3\mathrm{rE\Δh}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{des}}}}$

式中，r是光纤半径，E是杨氏模量，而σ_des是相对于长度方向没有角位移或水平位移的设计目标应力。

5．如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述设计目标应力σ_des根据下式来计算：

σ_des=E×∈_des

式中，∈_des在.01％至.1％的范围内。

6．如权利要求5所述的方法，其特征在于，∈_des在.02％至.05％的范围内。

7．如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，光纤的裸露长度(L’)与距离(Δh)之间的相互关系根据以下来计算：

在

至

的范围内，

式中，r是光纤半径。

8．如权利要求3至7中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述光纤藉助用粘合剂来粘接而固定于固定点。

9．如权利要求3至8中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述光纤在固定于所述固定点之前先穿过一圆盘，该圆盘固定于所述集成光学器件。

10．如权利要求3至9中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述光纤被向下压入一位于所述集成光学器件上的固定点处的凹槽内。

11．如权利要求2至10中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述集成光学器件藉助固定于一基底构件而定位在所述壳体内。

12．如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，将所述诱导应变设计成小于0.3％。

13．一种大体上如本文中结合附图所描述的方法。

Images