CN1336705A - 光学组件 - Google Patents

Abstract

一个密封盖型的光学半导体元件(14)是与放在树脂外壳中光学部件的光轴对准后安装在树脂外壳(12)中的。在此情况下,光学半导体盖的上表面是和外壳端面对接,并(用紫外塑胶20)与之相粘合。在如此结构的光学组件中,光学半导体元件盖的表面,及至少其外壳侧面的一部分是被罩起来的,而该两者之间的缝隙则可用树脂加以密封。

Description

光学组件

背景技术

本发明涉及一种具有小直径结构的光学组件，其中密封盖型光学半导体元件与含有光学部件的外壳对接并固定住，使该两者之间具有最佳的光学位置。

技术领域

光学组件是指一器件，其中光学半导体元件(例如，一个半导体光发射器件，即激光二极管；或者是一个半导体光检测器件，即光电二极管)是与光学部件(例如，一个棱镜和一个光纤包头)相互对准的而固定住的。其中也可将多个这样的光学组件进行排列而形成阵列组件(光学组件)。应用于光通讯领域中的光学组件包括：一个光学半导体器件，一个棱镜和一个将光学半导体元件与棱镜固定在一起的外壳，该外壳还可以非常合适地接受一个与之相适配的连接部件上的光插头上的一个包头。只要光插头与之相连，则光学半导体元件就通过棱镜和包头中的光导纤维耦合在一起，和光导纤维的光耦合通常都根据不同的连接器的标准由机械结构加以实现。

在光学组件中广泛使用球镜作为棱镜的理由如下。因为只需要采用机械加工就能制得很高的精度，这就使得生产成本降低。而且它还没有指向性。因此，装配了这种棱镜后，根本不需要作什么方向调整，这就使装配工作简单易行。光学组件中的棱镜可以采用球镜，梯度柱镜或其类似透镜。普通采用金属外壳固定和包装光学半导体元件和棱镜，近来，常用环氧封装的理由如后。环氧包装方法便于以嵌模的方法将棱镜放置其中。或者，棱镜也可以用多个爪状凸片夹住。这样，就易于制造，并可降低成本。广泛使用的光学半导体元件是属于密封盖型的，其中的光学元件是被密封在一个带有窗孔的盖中。

光学组件的常规制造方法是将光学半导体元件，棱镜和光导纤维相互之间按最佳光学相对位置对准后，再将已装好棱镜的外壳予以固紧。当光学半导体元件是激光二极管时，激光二极管被驱动而发射激光。并投入光导纤维中，对从光导纤维中发出的激光加以监测，就在传出激光的强度是最大值时，对光学半导体在外壳中的位置加以固定。

在采用封盖型光学半导体元件的光学组件中，外壳的设计可使半导体元件的盖插到外壳中从而使光学半导体元件的底座部分和外壳的端面相联接。当外壳是由环氧树脂制成时，任何类型的的粘合剂都可用来固定；而当使用金属外壳时，通常是用钇铝石榴石激光焊(YAG Welding)加以固定。不论何种情况，这种固定方法都使光学半导体元件的盖的侧面都被外壳中的一部分完全复盖住了。

最近，随着光通讯容量的增长，在光发射器件等设备中就需要安装高密度的光导纤维。因此就要求进一步减少安装在其中的光学组件的尺寸。尤其是，市场更需要光学组件改进得能够适应于LC，MU和其他类型的小型光学联接件；而现有的光学组件却只能满足于使用的SC型联接件中。

在采用封盖型光学半导体元件的光学组件中，光学组件的外周直径必然会大于光学半导体元件底座部分的直径。在这方面，光学组件直径和尺寸的减少是受到一定限制的。

发明内容

因此本发明的目的就是要提供一种小尺寸的光学组件。

本发明的另一目的是提供一种能和LC，MU等类似型号的小型光学联接件相适配的光学组件。

本发明还有一个目的是提供一种易于应用在片型等类型的小型光学组件中的小型光学组件。

根据本发明的一个方面是提供一种光学组件，其中的封盖型光学半导体元件是安装在一个外壳上，该外壳将和含在外壳中的光学部件的光轴相对准。光学组件的特征在于：光学半导体元件的盖的上表面和外壳的端面结合在一起。采用这种结构可以使得光学组件的最大外径小于光学半导体元件的最大外径。

所说的含在光学组件中的光学部件的实例包括一个棱镜和一个光导纤维包头。包含在外壳中的光学部分不仅可为一个单一的光学部分，也可为多个光学部分。外壳可以做成只包含一个棱镜，外壳的结构还可以非常合适地接受一个与之相适配的连接部件上的光插头上的一个包头，加到内置棱镜的结构上。在后面这种情况下，封盖型光学半导体元件是和棱镜和光纤包头相对准后，再固定安装在外壳上。本发明即可应用在其光学半导体元件是直接和光纤包头插座相固定联接的这种类型的光学组件之中，通常外壳是用合成树脂制成。最好采用紫外塑胶将光学半导体元件的盖的上表面粘连到外壳上去。当然可以用任何合适的胶来粘结。

在光学组件中，光学半导体元件盖的表面和至少一部分外壳的外侧面会罩有一个外套，这两者之间的间隙可以用树脂加以密封。在这种结构的光学组件中，光学半导体元件盖的上表面最好是用紫外塑胶和外壳端面粘结在一起，而外套的内表面和光学半导体元件盖的侧表面以及至少一部分外壳的侧面之间的间隙用热固树脂进行密封。因为用于紫外塑胶粘结所需的时间是很短的。于是，光学最佳位置的耦合工作是比较容易实现的。因为采用了热固树脂进行密封，所以结合强度和耐气候变化能力都改善了。

根据本发明的另一方面是提供一种光学组件，其中有多个按上述结构的光学组件并列设置，但合用一个单一的外套而构成，其中存在的间隙则用树脂加以密封。典型的实例是一种片型的光学组件，其中的半导体光学发射元件和半导体光接收元件在一个单元中是按组而组成的。

与本公开内容相关的主题的日本专利是：专利号2000-223328(2000年7月25日申请)，特意指明在此以作全面参考。

附图说明

附图说明：

图1是用于解释根据本发明的光学组件的一个实施例的解释图。

图2是一个表示涂布状态的视图；其中树脂外壳已被紫外塑胶所涂布。

图3是一表示粘结过程的示意图。

图4是用于解释本发明的光学组件的另一实施例的解释图。

图5是一个表示图4中光学组件的装配组合的视图。

图6是一个光学组件体正被装入一个树脂外壳中的解释图。

图7是表示根据本发明的光学组件的再一实施例的示图。

具体实施方式

图1是用于解释本发明的一个实施例的解释性示图。光学组件是按LC或MU型IEC标准(国际电子技术协议)而设计的。如图所示，在光学组件中，有一光学半导体器件(亦即一激光二极管)14是和树脂外壳12结合在一起。树脂外壳12包括一球镜10并可适用于配接一个与之相配的联接件的光学插头的包头(画中未表示)。光学半导体元件14的结构是使半导体元件被一个顶部有窗口的盖所密封。在与外壳的接合时即完成光轴的对准工作，从而使光学半导体元件14依靠球镜10而和光插头联接在其中时的包头中的光导纤维实现光学耦合。

树脂外壳12是一个成一整体的管状模制产品。树脂外壳12的一端面或第一端面12a就是装配面，光学半导体元件14即装配在这个面上。其中第一端的内部就是球镜的固定部；而其另一端或第二端的内部就是一个插座部16。而在沿着整个球镜固定部的外周面上制有一个槽12b。插座部16是一个具有内孔(凹腔)18的部分，配用联接件的光学插头的包头即可适配于其中。在本实例中，用于接纳包头的内孔18的内径是1.25毫米。

球镜固定部的结构是使球镜10用快速压配法压入其中或是粘合或焊接等方法而被紧固住的。当是采用快速压入法时，球镜的固定部其有一种快速压配结构，在中心轴的周围布有多个爪状凸片，其端头突向光学半导体元件一侧，并环悬在内周面一侧。这种爪状凸片和树脂外壳体是用注模方法制成一个单元结构。光将球镜压入时，爪状凸片因树脂的韧性而向外弯曲，并将球镜接纳进来。然后球镜即座落并定位在其中。于是爪状凸片将回到其原有位置，而使球镜被它们的反作用力紧紧地夹持住。

光学半导体元件14装到树脂外壳12上时就将球镜10包容在内，光学半导体元件14的上表面14b(即窗口14a的外周部分)是和树脂外壳12的端面12a相对接，并相对准而处在光学最佳位置上，而在该状态下粘结而固定住。

在这个实施例中，是用紫外塑胶20来粘结的。为了避免光学半导体元件的受热损坏，只要环境允许就应在最低温度下将光学半导体元件盖的上表面和外壳的端面进行粘结。光学对准后，就应尽快将它们固定住。最好是采用紫外塑胶粘结，因为它能满足这个条件。在粘结之前、有可能获得一机械强度(抗拉强度应等于或大于19.6牛顿)，使之足够忍受后加工过程中对它们的处理。

树脂外壳用紫外塑胶涂布后的涂布状态如图2所示。图2A中表示了树脂外壳的部分剖面图。图2B是上述的平面视图。树脂外壳12是依其端面向上位置而设置(即将与光学半导体元件结合的端面应向上)。在其端面12a上采用自动或手动回转涂胶机沿整个圆周涂以紫外塑胶(白色、不透明、Tg＝100℃)20，其粘度约为45帕(斯卡).秒(Pa.S)粘结剂的涂布高度约为0.1到0.25毫米。

图3是专门表示粘结过程的示意图。如图2所示，树脂外壳12被固定在一个固定状态(图2中未显示)以使其涂布有紫外塑胶20表面向上放置。光学半导体元件14(激光二极管)被一元件夹持工具30所夹持使其盖的上端面(具有窗口的表面)处在向下状态。然后，光学半导体元件的对准工作就在树脂外壳的端面和盖的上端面之间的间隙为50到25微米的状态下实现的。为了进行光学对准，即从光学半导体元件(激光二极管)中发射出一束激光，而对光插头的包头的光导纤维(未在画中表示)中输出的激光加以监测，调整其位置致使输出光的强度为最大值即少。

在得到其光学最佳位置后，就用紫外线发射设备向它照射紫外光，这种紫外线照射设备可以采用金属卤素灯，其中心波长是365毫微米，输出功率为200瓦，采用其发射直径为5毫米的双支路光纤束32向目标区照射。紫外线的照度是1500到2000毫瓦/平方厘米/每一根光导纤维。在实际辐照时，取用两个紫外线照射设备，这样，目标区可以从四个方向(按90°角间距安排)接受辐照。就如图3所示状态使紫外辐照时间约为10秒，此时，树脂外壳12是呈水平放置，双支路光纤束32的光发射终端呈水平设置并与树脂外壳间有10毫米的间距。在紫外线辐照期间，树脂外壳12和光学半导体14都被元件夹持工具30夹持在装配固定状态，以便保持其对准位置。

图4是本发明的光学组件另一实施例的解释图。在该实施例中，如图1实施例那样的光学组件被直接用作一个光学组件的本体，因此与图1中相似或相等同的部件就采用相同的标号。

在该实施例中，光学半导体元件的侧面和至少一部分外壳的侧面，它们形成光学组件本体40，是被一个树脂制的外套42所覆盖，而这两者之间的间隙则用树脂44加以密封，就如图5中的装配解释图中可见，外套42几乎是一个管状物，它包含一个台阶部42a，是处在它的内周之中，一个薄部42b和一个厚部42c是两个互相连续的部，以及一个槽42d是处在厚度42c的整个外周上。薄部42b的内径是比光学半导体元件14盖的外径稍大一些。厚部42c的内径是几乎等于树脂外壳12的插座部16的外径。薄部42b的长度是等于或略小于树脂外壳12的插座部端12c到光学半导体元件14的管座部14c之间的距离。当光学组件本体40被外套42罩住时(如图6所示)，则台阶部42a就和树脂外壳12的插座部端12c相接触。而且厚部42c的内周表面就插座部16底部时的周表面紧接在一起。薄部42b和光学半导体元件14的盖的侧面之间有很小的间隙，薄部42b和球镜固定部之间也形成一些间隙。

在外套42的薄部42b上相对于球镜固定部处预先(按等角距分布在圆周方向上)在径向制成一个或多个通孔46(其直径可以约0.7毫米大小)，目的是通过它们注入树脂。

光学组件本体40放置在外套42之中，再通过外套周边上的通孔46用针注入热固性环氧树脂(粘度＝15帕.秒(Pa.s)和Tg＝110℃)。然后再使注入的树脂处在100℃的热处理温度下两小时。固化树脂。光学半导体元件和树脂外套就因用热固性树脂44填充在间隙中密封之后并经紫外塑胶牢固地耦合在一起而装配成一整体。

就这样，在上述的结构中，光学半导体元件的盖的上表面和外套的端面是被紫外塑胶粘合在一起，而且在外套的内表面和盖的侧面及至少一部外壳的侧面之间的间隙用热固性树脂加以密封。而采用紫外塑胶所需粘结过程的时间是很短的。于是光学最佳位置的耦合工作是很容易的。因为采用热固树脂密封，结合强度和耐气候变化能力都改善了。

在本发明的另一个实施例中，用多个上述结构的光学组件并列而组成，这些光学组件本体作如此安排后再用一个共用的单一外套罩在一起，并且用热固树脂将其中间隙密封起来。图7表示了这样的一个实施例的一个实例，其中有三个光学组件本体40，并列地设置在一块共用的底板100上，并用一个共用的外套142罩起来。这种实施例的结构可典型地应用于片型光学组件中，其中的几个半导体光发射器件和几个半导体光检测器件形成几个组而容在一个单元之中。只要略为改变其外套的结构即可实现这种类型的光学组件。

在各个实施例中，都采用紫外塑胶来装配光学组件本体。显然，根据所用各部件的材料可以选用其适用的胶和粘结方法。对于棱镜的外形和结构以及棱镜固定部的结构而言也是的道理。例如，对于光学部分，一个梯度柱镜，如SELFOC棱镜，也可以取代球镜10而被采用。另外，光学部分也可由多个光学元件构成，诸如透镜的组合，梯度柱镜的组合，和凹透镜的组合以及梯度棱镜和平—凹镜的组合。光学组件本体的排列数量和外套的结构也是可选择的。

由上述可见，在本发明的光学组件中，外壳的端面是和光学半导体元件的盖的上表面直接结合在一起。这样，光学组件的直径就可减少，外周直径只有5.6毫米或更少的光学组件就可以实现了。因此，本发明的光学组件可被适用于小型LC或MU型光学联接件中。

光学半导体元件和外壳结合在一起，然后它们又独立地组装在一个外套中作为光学组件的罩。本发明是适用于片型光学组件中。这将导致光学组件尺寸的进一步减少。

Claims (13)

1.一种光学组件，其特征在于包括：

一个光学半导体元件用一个盖加以密封，盖的上表面上制有一个窗口：

至少一个光学部处在窗口的对面；

一个外壳，其中固定有光学部，且有一个开口的端面；和

一个连接层，直接将盖的上表面连接到外壳的开口的端面上。

2.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，其中外壳的开口的端面的外直径等于或小于盖的上表面的外直径。

3.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，其中的光学半导体元件的相对于盖的上表面的另一面具有一个底座部，外壳的开口的端面的外直径等于或小于底座部的外直径。

4.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，其中光学半导体元件的相对于盖的上表面的另一面具有一底座部；底座部和外壳的开口的端面有一定的距离。

5.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，其中连接层是由紫外线辐射而凝固的胶构成。

6.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，其中的外壳具有一个可以适配于接纳一个光学插头的插座部。

7.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，其中还包括：

一个外套，至少部分地罩住盖和外壳；并延伸跨过连接层。

8.如权利要求7所述的光学组件，其特征在于，其中还包括：

一个密封层，将外套的和连接层之间的间隙加以填满，密封层是由热固性树脂构成。

9.一个光学组件，其中的密封盖型光学半导体元件是安装在其中含有光学部件的外壳中，外壳还和包含在壳体中的至少一个光学部件的光轴相对准，其特征在于：

所述的光学半导体元件的盖的上表面是和所述的外壳的端面相结合在一起。

10.一种光学组件，其中的密封盖型光学半导体元件安装在其中含有棱镜的外壳中，外壳还和其中的棱镜的光轴相对准，外壳还适用于非常适配地接纳和夹持一个与之相配的连接件的光学插头的包头，其特征在于，其中：

所述的光学半导体元件的盖的上表面是和所述外壳的端面相结合在一起。

11.如权利要求9或10所述的光学组件，其特征在于，其中：

所述光学半导体元件的所述盖的所述表面和所述外壳的所述表面至少有一部分被外套所罩住，该两者之间的间隙是由树脂密封。

12.如权利要求11所述的光学组件，其特征在于，其中所述光学半导体元件的所述盖的上表面和所述外壳的端面是由紫外塑胶所粘合，所述外套的内表面和所述光学半导体元件的所述盖的侧面之间以及和所述外套的所述表面之间的间隙是由热固性树脂密封。

13.一种有多个如权利要求9或10所述的结构的光学组件，其特征在于其排列成行的单元，用一个共用的外套将其罩在一起，而其中的间隙由树脂加以密封。

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