CN1375711A - 光波导模块 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种光波导模块,具有例如良好的抗冲击性和良好的抗振动性。光波导电路芯片受到周边部分的至少一个边缘部分的支承并且储存在封装外壳的储存部分中。通过在基板上设有光波导形成区域形成该光波导芯片。用于缓冲光波导电路芯片的冲击的弹性元件设置在光波导电路芯片的周边部分附近的至少一个部分中。例如,弹性元件设置在光波导电路芯片的每四个边角的附近中。

Description

光波导模块
领域领域
本发明涉及一种光波导模块，通过将主要用于光通信的光波导电路芯片储存在封装外壳中形成。
背景技术
分别具有形成在基板上的一个光波导形成区域的多个光波导电路芯片用于光通信。例如，通常使用的诸如分光器和耦合器等光波导电路芯片。这些光波导电路芯片基本上具有从几毫米到几十毫米的芯片尺寸。
通常，通过将芯片与光纤连接来使用这种光波导电路芯片。例如，用粘结剂等将光波导电路芯片与光纤块固定，使得光波导电路芯片与光纤维彼此连接。通过将光纤固定到光纤布置工具上形成该光纤块。
光波导电路芯片通常具有大约从0.5mm到1mm的芯片尺寸，并且在外力作用下很脆弱。如上面所提到的，当光波导电路芯片与光纤块彼此相互连接时，光纤块与光波导电路芯片的连接部分的强度同样脆弱。因此，光波导电路芯片和光波导电路芯片与光纤块之间的连接部分常常储存在封装外壳中使用。
大力研究和开发的光波长多路分割是极大地提高光通信中的传输容量的方法，并且促进它的实践使用。在光波长多路分割中，例如对具有彼此不同的波长的多个光进行多路化和传输。在近些年中，诸如阵列光波导电路芯片和光开关等光波导电路芯片，和通过将阵列波导光栅和光开关组合构成的具有高性能的集成型的光波导电路芯片用于波长多路分割已得到实际使用。
诸如阵列波导光栅等光波导电路芯片和高性能的集成型的光波导电路芯片的尺寸范围大约从30×30mm到80×80mm，并且大于诸如分光器和耦合器的传统的光波导电路芯片的尺寸。
发明内容
本发明的光波导模块包括：
光波导电路芯片，具有形成在基板上的光波导形成区域；和
封装外壳，用于至少在周边部分的边缘区域中支承和储存光波导电路芯片；
其中，用于缓冲光波导电路芯片的冲击的弹性元件设置在光波导电路芯片的周边部分附近的至少一个部分中。
附图说明
现在结合所附附图描述本发明的优选实施例，其中：
图1A是表示本发明的光波导模块的第一个实施例的主结构图。
图1B是第一个实施例的剖面结构图。
图2A是表示作用到第一个实施例中的弹性元件的剖面示意图。
图2B是表示作用到第一个实施例中的弹性元件的平面示意图。
图2C是表示作用到第一个实施例中的弹性元件的透视示意图。
图3是表示本发明的光波导模块的第二个和第三个实施例的主结构图。
图4是表示本发明的光波导模块的第三个实施例的剖面结构图。
图5A是表示作用到本发明的光波导模块的另一个实施例中的弹性元件的结构示例的透视示意图。
图5B是表示作用到本发明的光波导模块的另一个实施例中的弹性元件的结构示例的透视示意图。
图6是表示中心波长的偏移关系和位于阵列波导光栅中的光输入波导和光输出波导的位置的示意图。
具体实施方式
如上所述，与传统的光波导电路芯片相对比，阵列波导光栅和具有高性能的集成型的光波导电路芯片的整体尺寸较大。因此，在光波导模块中存在以下问题，其中阵列波导光栅和具有高性能的集成型的光波导电路芯片储存到封装外壳中。也就是说，没有这种类型的光波导模块能够抗在运输过程中的振动和当光波导模块掉下时所受到的冲击。因此，存在一种情况在于光波导电路芯片受到损坏和光波导电路芯片与光纤之间的连接部分受到损坏。
例如，当本发明人将尺寸为32mm×34mm的光波导电路芯片储存到封装外壳中并且进行抗冲击试验时，得到以下结果。光波导电路芯片与光纤块之间的连接部分在200G×1ms中断裂(8次/方向，x，y，z轴的3个方向)，和光传输损耗增大0.25dB。该结果不能满足作为被动光学元件的参数标准的GR-1221-CORE，这是个严重的问题。
本发明一方面涉及一种光波导模块，它具有很高的稳定性和很高的抗振动性能，甚至当光波导模块在运输过程中振动和掉下时能够防止在光波导电路芯片和光波导电路芯片与光纤块之间的连接部分中引起的断裂等等。
下面将参照附图描述本发明的实施例。
图1A表示本发明的光波导模块的第一个实施例的主要结构图。第一个实施例的光波导模块包括具有顶盖的封装外壳，并且图1A表示在去掉了封装外壳的顶盖的状态中的光波导模块平面图。图1B是沿图1A中的直线A-A′的剖面图。图1B表示具有封装外壳顶盖的安装状态。
如图1A和1B中所示，通过将光波导电路芯片11储存到位于封装外壳30中的储存部分28中，形成第一个实施例的光波导模块。光波导电路芯片11支撑和储存在封装外壳30的周边部分的至少一个边缘部分中。封装外壳30具有封装外壳盒体30a和封装外壳顶盖30b。光波导电路芯片11的储存部分28形成在封装外壳盒体30a中，并且储存部分28中填充了用来作为折射率匹配剂的硅油。
通过在基板1上形成光波导形成区域10构成该光波导电路芯片11，并且，它的重量是大约10g。光波导电路芯片11的平面形状设定成四边形，光波导电路芯片11具有50mm的宽度(在Y轴方向中的长度)，和在X方向中的70mm的长度。
第一个实施例的特征在于，用来缓冲光波导电路芯片11的冲击的弹性元件12设置在光波导电路芯片11的三个或更多个(这里是四个)边角部分附近。在该结构中，弹性元件12设置在与光波导电路芯片11的相对的两组边角的附近中。
如图1B中所示，弹性元件12的剖面形成为U形形状，其中光波导电路芯片11从光波导电路芯片11的前和后两侧狭窄。弹性元件12由例如氟橡胶等氟化橡胶制成。
图2A至2C表示作用到第一个实施例中的四个弹性元件12中的一个弹性元件12的结构。与用到第一个实施例中的四个弹性元件12的结构彼此相似。图2A表示弹性元件12的剖面图。图2B表示弹性元件12的平面图。图2C表示弹性元件12的透视图。
如图1A和1B中所示，将弹性元件12装配到其中的装配凹入部分14形成在封装外壳30的封装外壳盒体30a中。在光波导电路芯片11与弹性元件12之间形成大约80μm的间隙，并且在弹性元件12与封装外壳30的装配凹入部分14之间也形成该间隙。这些间隙使得光波导电路芯片11能在封装外壳30中或多或少地运动。
光波导电路芯片11是阵列波导光栅，具有按100GHz间隔分开的50个波长数的波长多元光多路分解或多路传输的功能。下面的波导结构形成在光波导形成区域10中。
也就是说，波导结构具有至少一个光输入波导2，与至少一个光输入波导2的输出侧连接的第一板条形波导3，与第一板条形波导3的输出侧连接的波导阵列4，与波导阵列4的输出侧连接的第二板条形波导5，和与第二板条形波导5的输出侧连接并且并排排列的多个光输出波导6。波导阵列4包括多个信道波导4a，用于扩散由第一板条形波导3传输的并且具有彼此相差指定数量的长度的光。
在第一个实施例中，第一板条形波导3和第二板条形波导5中的至少一个(这里是第一板条形波导3)在一个平面(交叉分隔平面8)上分开穿过第一板条形波导3的交叉光通路，以形成分开的板条形波导3a、3b。
从光波导形成区域10的一个侧端(图1A中的顶侧端)到光波导形成区域的中间部分形成交叉分离平面8。形成与该交叉分离表面8连接但不与第一板条形波导3交叉的非交叉分离表面18。非交叉分离表面18设置成与交叉分离表面8垂直。不需要将非交叉分离表面18设定成与交叉分离表面8垂直，但图1A表示非交叉分离表面18与交叉分离表面8相垂直的一个情况。
光波导形成区域10分离成包括位于一侧上的分离板条形波导3a的第一光波导形成区域10a，和第二光波导形成区域10b，包括通过交叉分离表面8和非交叉分离表面18在另一侧上形成的分离的板条形波导3b。与光波导形成区域10a、10b一致，还通过交叉分离表面8和非交叉分离表面18分离基板1。
以穿过第一光波导形成区域10a和第二光波导形成区域10b的方式，形成具有大于基板1和光波导形成区域10的热膨胀系数的滑动元件7。滑动元件7的末端侧通过固定部分13分别固定到第一光波导形成区域10a和第二光波导形成区域10b上。
滑动元件7使得分离的板条形波导3a、3b(这里是分离的板条形波导3a)的至少一侧，随波导阵列拉伸温度沿着交叉分离表面8滑动。滑动元件7使得第一光波导形成区域10a沿着交叉分离表面8相对于第二光波导形成区域10b滑动。
滑动元件7设置在光波导形成区域10a、10b的表面上，并且以穿过第一光波导形成区域10a和第二光波导形成区域10b的方式设置，由此得到下面的效果。也就是说，滑动元件7具有防止第一光波导形成区域10a在第一光波导形成区域10a的滑动过程中，在与基板表面垂直的Z方向中移动的作用。
例如，通过具有1.65×10-5(1/K)的热膨胀系数的钢板形成滑动元件7，并且形成为使得滑动元件7具有能够补偿与阵列波导光栅的温度有关的中心波长的长度。
本发明人注意到阵列波导光栅的线性散射性，并且，着重研究了该特性。然后本发明人考虑到通过根据温度由滑动元件7移动分离的板条形波导3a和偏移光输入波导2的输出端的位置，以补偿阵列波导光栅的中心波长。
也就是说，如图6中所示，第一板条形波导3的焦点中心设定为点O′，和从该点O′在X方向中偏移距离dx′的点设定为点P′。此时，当光入射到点P′时，由光输出波导6输出的输出波长从光入射到点O′的情况中的输出波导偏移了dλ′。因此，可以通过偏移光输入波导2的输出末端的位置，偏移来自光输出波导6的输出波长。
这里，上述波长偏移量dλ′与光输入波导2的输出末端位置在X方向中的移动量dx′之间的关系如下面的公式1所示。
Figure A0210823300101
在公式1中，L1′表示第一板条形波导3的焦距长度，和ΔL表示相邻的信道波导4a之间的长度差值，和ns分别表示第一板条形波导3和第二板条形波导5的当量反射率。另外，在公式1中，d表示相邻的信道波导之间的距离，和λ0表示在衍射角Φ＝0处的中心波长，和ng表示波导阵列的集合反射系数。另外，在公式1中，通过利用波导阵列4的当量反射系数ne和从光输出波导6输出的光的中心波长λ，由下面的公式2给出ng。
Figure A0210823300102
因此，如果光输入波导2的输出端位置在上面X方向中偏移了距离dx′，从而当从阵列波导光栅的光输出波导6输出的中心波长根据温度偏移Δλ时，形成dλ′＝Δλ，能够去掉不具有在例如焦点O形成的光输出波导6中的波长偏移的光。
由于相对于另一个光输出波导6引起类似的作用，能够校正(解决)从每个光输出波导6输出的中心波长偏移Δλ。在第一个实施例中，适当地设定滑动元件7的热膨胀系数和固定位置间隔(图1A中的E)，和通过根据温度伸展和压缩滑动元件7，补偿阵列波导光栅的中心波长。
也就是说，滑动元件7构造成使得滑动元件7根据热膨胀系数伸展和压缩一个长度，该长度对应于分离的板条形波导3a根据与阵列波导光栅的中心波长的的偏移量有关的温度的移动量。根据该结构，滑动元件7使得分离的板条形波导3a和光输入波导2的输出端在X方向中移动，和补偿与阵列波导光栅的中心波长有关的温度。
在第一个实施例中，光纤块21与光波导电路芯片11的一个末端连接，而光纤块22与光波导电路芯片11的另一个末端连接。与阵列波导光栅的光输入波导2和光输出波导6相一致，至少一个光纤23、24分别设置和固定到光纤块21、22上。
对应于每个光输出波导2的光纤23排成一列并且对应于每个光输出波导6的光纤24也排成一列，并且固定光波导电路芯片11和光纤块21、22。通过作为环氧树脂的粘结剂的cemedine high super5(商品名称)，将光纤23、24固定到来自封装外壳30的起出部分的附近中。
如上所述构成第一个实施例，和通过将用于缓冲光波导电路芯片11的冲击的弹性元件12设置在光波导电路芯片11的周边部分附近的四个边角的附近，形成该光波导模块。因此，即使第一个实施例中的光波导模块在运输的过程中受到振动和掉下时，能够防止例如在光波导电路芯片11和光波导电路芯片11与光纤块21、22的连接部分中引起的裂缝，使得光波导模块能够设定成具有高的抗冲击性。
也就是说，如在第一个实施例中，通过将用于缓冲光波导电路芯片11的冲击的弹性元件12设置在光波导电路芯片11的周边部分附近的至少一部分中，得到上述效果，其中光波导电路芯片11的结构在于封装外壳30将光波导电路芯片11支承和储存在周边部分的至少一部分中。
如果弹性元件12设置在光波导电路芯片11的周边部分附近的至少一部分中，可以提到光波导模块的抗冲击性。但是，第一个实施例的结构可以更可靠地显示抗冲击性的改善效果。
也就是说，它能够缓冲在容易引起裂缝的部分中的冲击，即能缓冲例如在如第一个实施例中由在弹性元件12设置光波导电路芯片11的至少一组正对的边角附近的结构所引起的冲击。
另外，与在第一个实施例中相同，当弹性元件12设置在具有四边形平面形状的光波导电路芯片11的三个或更多个部分附近中时，可以更好地显示光波导电路芯片11的冲击缓冲效果。
另外，在第一个实施例中，如在图2A、2B和2C所示，弹性元件12以U形形状的剖面形成，其中光波导电路芯片11从它的前和后侧变狭窄。因此，在第一个实施例中，很好地缓冲光波导电路芯片11的冲击，从而可以设定优选的抗冲击性和优选的抗振动性。
另外，在第一个实施例中，通过例如氟橡胶等氟化橡胶制成弹性元件12。氟化橡胶具有很好的抗潮湿性能和抗化学腐蚀性能，即使当封装外壳30的内部充满例如硅油等折射率匹配剂时，也不容易受到损坏。因此，第一个实施例中的光波导模块可以设定为具有能够长时间保持上述效果的高稳定性的光波导模块。
另外，用来将弹性元件12装配到其中的装配凹入部分14设置在第一个实施例中的光波导模块中的封装外壳30中，通过将弹性元件12装配到装配凹入部分14中，可以更容易地安置该弹性元件12。
另外，在第一个实施例的光波导模块中，在光波导电路芯片11与弹性元件12之间，和在弹性元件12与封装外壳30的装配凹入部分14之间形成使光波导电路芯片11在封装外壳30中能或多或少地移动的间隙。因此，在第一个实施例的光波导模块中，通过该间隙的游隙量，可以缓冲作用到光波导电路芯片11与例如光纤块21、22等光学元件上的额外应力，可以防止连接部分的损坏和在连接部分中的传输损耗的增大。
另外，即使当温度升高和滑动元件7在第一个实施例的光波导模块中伸展时，通过位于封装外壳30中的光波导电路芯片11的干扰，没有外力加到光波导电路芯片11，使得光纤23、24和光纤块21、22可以根据滑动元件7的伸缩而移动。另外，可以充分地减小在光纤块21、22与光波导电路芯片11之间的连接部分之间产生的拉伸力，使得在连接部分中不会引起裂缝和连接部分不会分离。
另外，在第一个实施例的光波导模块中，光波导电路芯片11的光波导形成区域设定成阵列波导光栅，和第一板条形波导3分离成分离的板条形波导3a、3b。通过滑动元件7使得分离的板条形波导3a沿着交叉分离表面8移动，可以降低与阵列波导光栅的中心波长有关的温度。
因此，当第一个实施例中的光波导模块用来作为波长多路分割的光波导模块时，可以与温度无关稳定地多路分割和多路传输具有一组波长的光，可以实际应用这种波长多路分割。
在具有下面结构的光波导模块中同样能够显示这种效果，该效果如同在第一个实施例中那样，通过滑动元件7使得分离的板条形波导3a沿着交叉分离表面8移动，能够降低与阵列波导光栅的中心波长有关的温度。
也就是说，当通过位于穿过通过板条形波导的光路的表面上的至少一个第一板条形波导3和第二板条形波导5分离，形成分离的板条形波导时，和设置用于分离的板条形波导的至少一侧并沿着分离的表面，随温度滑动的滑动移动元件，可以显示上面的效果。
接下来，将解释本发明中的光波导模块的第二个实施例。第二个实施例中形成基本上与第一个实施例类似的光波导模块。第二个实施例与第一个实施例不同的特征在于，在图3中所示的阵列波导光栅中的分离表面上没有受到分离的光波导电路芯片11。另外，在第二个实施例中还省略了设置在第一个实施例中的滑动元件7。
如上所述构造成第二个实施例。因此，与第一个实施例类似，通过第二个实施例中的弹性元件12的作用，能够得到具有抗冲击性和抗振动性的高稳定性的光波导模块。
本发明人制备了第二个实施例的光波导模块和具有基本上与该光波导模块类似的结构，但不具有用粘结剂固定在封装外壳30的拔出部分中的光纤23、24的光波导模块。然后本发明人对每个光波导模块进行了抗冲击试验。在不具有用粘结剂固定在封装外壳30的拔出部分中的光纤23、24的光波导模块中，制备了封装外壳30中的弹性光纤23、24和非弹性光纤23、24。
结果是，与封装外壳30中的光纤23、24的拔出部分的固定方法无关，每个光波导模块都能承受1000G×1ms(x，y，z轴3个方向中，10次/方向)的抗冲击性。也就是说，这些光波导模块满足作为上述被动光学元件的参数标准的GB-1221-CORE。
另外，每个光波导模块都具有能够承受20G×10~2000Hz·min/cy(6min/cy，6cy/axis)的抗振动性。这些光波导模块也满足GB-1221-CORE。另外，在抗冲击试验和抗振动试验之前和之后的光传输损耗的变化是0.004dB并且根本没有问题。因此，可以证实这些光波导模块的稳定性。
图4表示本发明中的光波导模块的第三个实施例的剖面图。在第三个实施例中，与第一个和第二个实施例中相同的部分由同样的附图标记表示，并且这里省略了对它们的重复解释。
第三个实施例的基本上结构与第二个实施例类似。第三个实施例与第二个实施例不同的特征之处有以下两点。第一点是发热器40设在光波导电路芯片11的基板1的底侧。第二点是用于缓冲光波导电路芯片11的弹性元件12a设在光波导电路芯片11的顶侧和底侧。
在第三个实施例中，光波导电路芯片11具有40mm的宽度和50mm的长度，而发热器40具有28mm的宽度、35mm的长度和100g的重量。发热器40设定成使得光波导电路芯片11的温度保持在一个恒定的温度，例如高于室温的70℃。通过该结构恒定地保持阵列波导光栅的中心波长，第三个实施例能够具有基本上与第一个实施例类似的效果。
在第三个实施例中，通过设置发热器40使得光波导模块的重量变大。因此，在第三个实施例中，通过将弹性元件12a设置在光波导电路芯片11的顶侧和底侧上，实现具有很高的抗冲击性和抗振动性的稳定的光波导模块。
本发明人对于第三个实施例进行了抗冲击试验和抗振动试验。第三个实施例中的光波导模块具有能承受500G×1ms(x，y，z轴3个方向中，8次/方向)的抗冲击性。另外，第三个实施例中的光波导模块具有能够承受20G×10~2000Hz·min/cy(6min/cy，6cy/axis)的抗振动性。因此，第三个实施例中的光波导模块满足GB-1221-CORE。另外，在抗冲击试验和抗振动试验之前和之后的光传输损耗的变化是0.006dB，并且根本没有问题。
本发明不限于上述的每个实施例，而是可以采用各种实施例形式。例如，在上面所述的每个实施例中弹性元件12设置在光波导电路芯片11的四个边角中，但是将弹性元件12设置在光波导电路芯片11的周边部分附近的至少一个部分中就足够了。但是，如上述的每个实施例中，当弹性元件12设置在光波导电路芯片11的边角部分(特别是当光波导电路芯片11具有四边形时的四个边角)中时，利用弹性元件12的光波导电路芯片11的缓冲冲击的效果很好。
在上述每个实施例中，设在光波导电路芯片11的每个边角部分中的弹性元件12具有如图2中所示的形状，但不具体限制弹性元件12的形状，而是可以适当地设定。例如，也可以以如图5A和5B中所示的形状形成弹性元件12。
另外，在第三个实施例中，弹性元件12a同时设在光波导电路芯片11的前侧和后侧上，但弹性元件12a也可以设在光波导电路芯片11的前侧和后侧中的一侧上。
另外，在上述每个实施例中，弹性元件12和12a由氟化橡胶制成，但也可以用除了例如氟橡胶的氟化橡胶以外的橡胶弹性体等制成。
另外，在上述每个实施例中，在光波导电路芯片11与弹性元件12之间以及在弹性元件12与封装外壳30的装配凹入部分14都设有大约80μm的间隙。但是，该间隙不限于80μm，而可以设定成从几微米~几百微米的范围。不是必须要形成该间隙。但是，由于形成该间隙能够防止光波导电路芯片11与光纤块21、22之间的连接部分的损坏和连接损失的增大，优选的做法是形成该间隙。
另外，在上述每个实施例中，光波导电路芯片11设定成阵列波导光栅，但不具体限制该光波导电路芯片11的结构，而是可以适当地设定。本发明可以应用到其中多个光波导电路芯片11储存和形成在封装外壳30中的光波导模块中。该应用该结构能制成具有良好的抗冲击性和良好的抗振动性的光波导模块。

Claims (10)

1.一种光波导模块，包括：
光波导电路芯片，具有形成在基板上的光波导形成区域；和
封装外壳，用于在至少周边部分的边缘区域中支承和储存光波导电路芯片；
其中，用于缓冲光波导电路芯片的冲击的弹性元件设置在光波导电路芯片的周边部分附近的至少一个部分中。
2.根据权利要求1的光波导模块，其中，弹性元件的剖面形成为U形形状，其中光波导电路芯片从它的前侧和后侧狭窄。
3.根据权利要求1的光波导模块，其中，弹性元件设置在光波导电路芯片的正对的至少一组边角的附近。
4.根据权利要求1的光波导模块，其中，光波导电路芯片具有四边形的平面形状；和
弹性元件设置在所述光波导电路芯片的三个或更多个边角部分的附近。
5.根据权利要求1的光波导模块，其中，用于缓冲所述光波导电路芯片的冲击的弹性元件设置在光波导电路芯片的前侧和后侧中的至少一侧中。
6.根据权利要求1的光波导模块，其中，用于将弹性元件装配到其中的装配凹入部分设置在封装外壳中。
7.根据权利要求1的光波导模块，其中，至少在光波导电路芯片与弹性元件之间的部分和弹性元件与封装外壳之间的部分中形成间隙。
8.根据权利要求1的光波导模块，其中，弹性元件由氟化橡胶制成。
9.根据权利要求1的光波导模块，其中，光波导芯片的光波导形成区域具有：
至少一个光输入波导；
与光输入波导的输出侧连接的第一板条形波导；
波导阵列，与第一板条形波导的输出侧连接，和通过长度彼此相差指定数量并且并排设置的多个信道波导构成；
与波导阵列的输出侧连接的第二板条形波导；和
与第二板条形波导的输出侧连接的一个或多个光输出波导。
10.根据权利要求1的光波导模块，其中，光波导芯片的光波导形成区域具有：
至少一个光输入波导；
与光输入波导的输出侧连接的第一板条形波导；
波导阵列，它与第一板条形波导的输出侧连接，和通过长度彼此相差指定数量并且并排设置的多个信道波导构成；
与波导阵列的输出侧连接的第二板条形波导；和
与第二板条形波导的输出侧连接的一个或多个光输出波导；
其中通过将所述第一和第二板条形波导中的至少一个在穿过通过板条形波导的光通路的表面上分离，形成分离的板条形波导；和
设有滑动移动元件，用于使得分离的板条形波导的至少一侧根据温度沿着所述分离表面滑动和运动。
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