CN1651955A - 光波导管带状物馈通的密封封口 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将光学器件严密地密封在金属外壳中的技术。并描述了这种技术的诸多变化，其中，通过一个光纤带实现了光学器件与外部环境之间的光通信。

Description

光波导管带状物馈通的密封封口

技术领域

本发明涉及光学和光电器件的密封，更具体地说，涉及对一组光波导管，例如一个光纤带的密封封口。

背景技术

由于互联网使用的不断增加，数字化数据传输也急剧膨胀，从而导致了光网络的广泛应用。这些网络能非常快地传输大量的信息，但是他们依赖于昂贵的光学器件。为保证光学器件的正常运行，经常有必要将他们与周围的环境隔离开。由于水会加速光学器件的老化和腐蚀，所以将一个或多个光学器件与潮气隔离是非常有益的。另外，我们知道水对于粘合剂有较高的负面影响，然而粘合是将光学器件连接在一起的一个很方便的方法，特别是通过一个光传输面粘合。正如熟悉光学器件密封技术的技术人员所知，光学器件的密封封口必须足够坚固并且在产品的使用周期中不发生损坏这一点是很重要的。当产品以二十年的保用期卖出时，就希望每个配件的密封封口能维持使用二十年。通常情况下，会检测每一个单独元件的密封完整性。而代替方式通常是使用一种高可靠性的密封封口方法，并通过抽样检查来确保这种方法有效地工作。检验密封封口的完整性需要时间，并需费用昂贵的特殊设备。因此，使用良好建立并已在生产环境中得到验证的密封封口方法将会非常有效。

因为水分子能够穿过极细微的裂纹，因此要阻止潮气进入容纳光学器件的外壳是一个非常困难的任务。一个通常的光学器件外壳是一个金属盒，它有一个或多个允许玻璃波导管穿过金属盒表面的功能部件。然后，要对一个装在玻璃波导管周围的金属盒进行密封而不留下一个裂缝是非常困难的。在授予Kovats的美国专利U.S.4,413,881这一现有技术(以下简称Kovats专利)中，公开了以下方案：对于插入到一个金属管中的一根玻璃纤维，可以通过注入熔化的可软焊合金，例如铋锡(BiSn)到金属管中塞住金属管，从而实现严实的密封。如果合金在凝固的过程中发生膨胀，则它将挤压光纤，从而有助于阻止光纤与焊接材料之间的裂缝的形成。应该注意的是，光纤一般是玻璃，而绝大多数熔融金属通常不能正常地浸润于玻璃表面。在Kovats专利中，通过将光纤插入管子中时才注入熔融焊料这一方法，避免了这一问题。使用这个方法，由于焊料凝固而在管子与纤维之间产生的压力形成了密封封口。

然后，Kovats专利中只讲到了密封单根纤维的方法，并没有提供一种可密封多纤维阵列，例如一个纤维带的简单方法。如果一个光纤带中的各根光纤是分离的且需要对每一根单独的光纤独立地进行密封，那么就会产生多种问题。例如，用来构成密封封口的金属管要比纤维大得多。典型情况下，会按纤维中心间距约为0.2英寸(约5mm)的间隔来放置这些管子。这对于带有很少纤维的较大外壳来说并没有重大关系，然而生产带有超过40个光纤的阵列波导管光栅(AWG)是很常见的，这些光纤从外壳的同一面通过且相邻纤维中心之间的间距通常只有250微米。实际上，由于AWG变得越来越复杂，需要对提供在光设备一个面的更大数目的纤维进行严实的密封。

另外，如果按照Kovats专利中的方法将一个纤维带封接在一个外壳内，当焊料在其周围流动时，这个纤维带很可能在发生扭曲。这就很可能引起应力从而降低所封装的光学器件的光学性能。另外，由于纤维本身会阻碍焊料的流动，所以必须特别关注以确保焊料流过所有的纤维。所以，当密封一个纤维带时，在冷却后的封口中极有可能出现空隙和裂纹，从而损坏封口的密封效果。

在本技术领域内还有一些别的为大家所熟知的密封光纤的方法。例如，为了保证焊料能良好浸润于光纤表面，可在用焊料包围住光纤之前，对其进行金属化处理。由于玻璃纤维在被浸入熔融焊料之前其外壳已经被金属所包住，所以焊料会很容易与金属化过的光纤表面结合。乍一看，这个方法显得很有优势，然而它仍有缺点。例如，对光纤进行金属化处理是一个很慢的过程，需要使用真空镀膜机。真空镀膜机是很昂贵的，通常需要一个熟练的操作者来监管。虽然许多光纤在使用一次这种机器后就可被金属化，但是由于在一个给定的时间内只有很少量的金属被镀到光纤上，因此金属化光纤的过程是很慢的。因此，如果这个金属化过程要整合到一个柔性制造环境中，则很难与一个JIT(即时)制造时间表良好结合。另外，金属化后的光纤非常脆，极易在处理过程中发生损坏。且任何将镀上的金属层从光纤分离的动作都将影响密封封口的效力。带有8个独立的波导管的金属化的光纤带在商业上是可以得到的，可是他们非常昂贵，且由于他们的易碎性使得运费也非常昂贵。而且，具有较大数量的金属化的光纤带仍然难以得到，因为在同一时间均一地金属化如此多的光纤是非常困难的。通常，具有超过12个独立波导管的金属化光纤带已很难买到。

因此，最好能提供一个简单有效的方法来严实地密封光学器件，该方法应保证能不在各根光纤上引起应力的条件下，对光纤阵列或光纤带进行密封。该方法更好能在不需要昂贵和复杂的设备的情况下，对光纤阵列进行严实的密封。而且，如果该方法整合了经过验证的密封封口技术，且不需要事先准备元件并保存以备后用，则将会更为有利。

发明内容

本发明提供一种在光波导管周围形成密封封口的连接结构的设计，所述连接结构包括：一个用于使流体在第一个孔与第二个孔之间流体的管子；一个用于盖住第一个孔的盖子，当光波导管被放在盖子内时，所述盖子可用于减少熔融金属通过第一个孔的流动；所述管子的尺寸足够宽以使光波导管可放置于第一个孔与第二个孔之间，并同时允许在预定温度下熔融的金属可在管子内流动；在使用时，光波导管被放置于管子内，熔融金属被注入管子内并流向盖子处，熔融金属可在此凝固，从而在光波导管与管子之间形成一个密封封口。

本发明还进一步提供一种形成光波导管密封封口的方法，其中包括以下步骤：将光波导管穿过一个盖子；将盖子靠在一个管子的第一个孔处；向所述管子注入熔融金属，使得注入管子的一个通道中的熔融金属可流向该管子的第一个孔；然后，让熔融金属凝固，从而管子与光波导管之间形成一个密封封口。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术中的一个密封接合点的示意图；

图2是带有一个光纤带的接合点的截面图，其中有一个空隙已经损害了该封口；

图3是本发明一个实施例中在提供焊料之前的截面示意图；

图3a是本发明一个实施例用熔融焊料包围住光纤带时的截面示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种在光纤带周围生成坚固的密封封口的方法和装置。参见图1，其中以截面图的方式示出了现有技术中用Kovats专利的密封封口技术制成的密封封口的示意图。图中显示了被焊料包围住的一根光纤。光纤1和焊料被包含在一个可有助于保持焊料紧密的金属管3中。焊料是从一个小孔2注入到管子中的。

由于一系列的原因，这种技术很难适用于光纤阵列或光纤带的严实密封。例如，为了制造一个坚固的密封封口，光纤是被焊料所包围住的。由于玻璃光纤不易浸润于绝大多数熔融焊料，当焊料凝固时焊料会很难最接近光纤的表面，这种情况是很危险的。图2示出了光纤带21被焊料22包围住的情况。与前述现有技术相似，用于将光纤带21的各根光纤包围并绑在一起的护层材料27已经被剥离了，留下一个暴露的区域24。通常，护层材料并没有足够好地与光纤结合在一起以形成一个密封封口，并且护层材料经常是并不具密封效果的塑料。由于光纤带是一组紧密地接近的光纤，要让焊料22进入正确的位置从而均一地给光纤21的暴露区域24涂上焊料是很困难的。这也增加了在光纤之间产生空隙的可能性。如图所示就是一个接近光纤的空隙23。当焊料22膨胀时，空隙23就可能将相邻的光纤25和26推向这个空隙。光纤25和26的位移会在光纤上产生应力。另外，在一个极端情形下，光纤可能会弯曲，从而导致他们的偏振特性发生改变。当焊料膨胀时，空隙不太可能被完全地消除，这样就导致接合点的密封不严实。

因此，为制造一个坚固的密封封口，采用一个能减少空隙形成可能的注入熔融金属的方法是很重要的。理想情况下，光纤带中的每一根光纤都应被熔融金属所包围，以确保光纤上不产生应力。然而，分离光纤带的每一根光纤并独立地进行密封是不实用的。

参见图3，它是带有一个适宜于容纳光纤带的密封接合点的外壳截面图。外壳30包括一个中空的管状部分31。管状部分31用于支撑光纤带和熔融焊料。盖子32被装在管状部分31的外部。盖子32上有一个允许光纤带33穿过盖子的部件。在光纤带33的包含在管状部分31中的区域33a被剥去了其塑料护层。光纤带33的一端被盖子32固定，而另一端被夹具36所固定。夹具36和盖子32确保光纤带33在管状部分31中受轻微的拉力作用。盖子32不是密封的。管状部分31上与盖子32相反位置的开口34可让特殊的工具出入而不受夹具36的存在所影响。

参见图3a，熔融金属35从开口34处注入到管状部分31中。熔融金属35在管状部分31中流动并且覆盖暴露区域33a。下部带有盖子32的管状部分31的方位将有助于使气泡上升并逸出熔融金属35。盖子32减少了熔融金属从管状部分的底部的排出量。由于光纤带33是在夹具36与盖子32之间的拉力下固定的，光纤带33可抵抗向管状部分31侧边的推动力，从而保证当熔融焊料在冷却过程中膨胀时光纤带33不被移动。

另外，所述的设计允许在没有助焊剂的情况下使用焊料。正如本领域的技术人员所熟知，酸性助焊剂的使用是一个关注的重点，因为即使是轻微酸性也会对一个密封接合点产生有害的影响。另外，许多光学器件，例如基于InP(磷化铟)的集成电路和MEMS(微电子机械系统)设备等，对助焊剂中的污染物非常敏感，因此，不使用助焊剂也就排除了在密封过程中由助焊剂中的污染物而带来的故障。

显然，管状部分31的直径要选得足够大，以容纳光纤带33及流动的焊料35。给焊料提供足够的空间在管状部分中流动并包围住光纤带33有助于提供一个坚固可靠的处理过程。如果焊料35将光纤带33推向管状部分31的侧壁边，则由盖子32和夹具36提供给光纤带33的轻微张力将使光纤带离开管壁而返回到接近管状部分31中心的区域。这有助于防止在各根光纤之间及光纤与管状部分31之间形成空隙。这样，焊料就能够浸润到管状部分31的整个直径，且光纤带33中的光纤就能相对于管状部分31保持充分地伸直。熔融焊料35在凝固时会轻微地膨胀，从而会对外壳和光纤往施加压力。这个压力有助于确保没有裂纹形成。

一旦熔融焊料已经凝固并冷却，则可以将盖子32移去，以便目视检查密封接合点。另外，盖子32由耐高温的柔性材料制成，并且对穿出管状部分的光纤具有应变消除作用。由于绝大多数严实密封的光纤都需要应变消除作用，所以加上盖子并没有增加制造成本。虽然本实施例中描述的是对光纤带的密封，但是本发明的方案完全可用于严实地密封单根光纤。显然，光纤带或单根光纤的横截面差别将确定不同的中空管子形状。虽然上述结构可简化处理过程并有助于确保一个良好的密封封口，仍可有其它的实施方式。例如，如果管状部分的材料比凝固后的焊料有更高的热膨胀系数，对机械设计领域的技术人员来说，下述结果是显而易见的，即当焊料冷却时管状部分会挤压焊料，从而强化其制成的封口。当对不同的器件提供了正确的冷却效果和适当的热膨胀特性后，即可制造出坚固的密封封口。

在本发明的另一个实施例中，外壳的设计允许光纤带处于水平状态。在该实施例中，在管状部分的每一端分别使用一个盖子，熔融焊料从一个小孔以流体方式注入到管状部分内。

在另一个实施例中，盖子的材料不与外壳紧密地接触，仅仅通过一个第二夹具与外壳保持接近。当焊料已经凝固时，第二夹具就被移开。作为选择，不需要使用盖子，而将第二夹具用作盖子。在这种情况下，第二夹具有一个堵塞区域以减少焊料从管状部分的底端流出。这个堵塞区域的表面会阻止其与焊料结合。

在本发明的另一个实施例中，管状部分被设计得可容纳一个以上的光纤带。这将允许一个更大数目的光波导管穿过外壳。当然，建议针对光纤带的不同组合而重新设计盖子和管的几何形状，以根据本发明的方案制成相应的密封接合点。

对于机械设计和密封封口领域的技术人员来说，显然可推导出本发明的其它众多实施例而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (34)

1、一种在光波导管周围形成密封封口的连接结构，其特征在于，所述的连接结构包括：

一个用于使流体在第一个孔与第二个孔之间流体的管子，

一个用于盖住第一个孔的盖子，当光波导管被放在盖子内时，所述盖子可用于减少熔融金属通过第一个孔的流动；所述管子的尺寸足够宽以使光波导管可放置于第一个孔与第二个孔之间，并同时允许在预定温度下熔融的金属可在管子内流动；在使用时，光波导管被放置于管子内，熔融金属被注入管子内并流向盖子处，熔融金属可在此凝固，从而在光波导管与管子之间形成一个密封封口。

2、根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述盖子有一个用于接受光波导管的支撑部件，并且当其支撑光波导管时，所述盖子可将光波导管定位于最接近第一个孔中心的位置。

3、根据权利要求2所述的连接结构，其特征在于，所述光波导管是一个光波导管带状物。

4、根据权利要求2所述的连接结构，其特征在于，所述管子是直的，并具有一致的横截面区域。

5、根据权利要求4所述的连接结构，其特征在于，所述盖子用于以足够的强度支撑光波导管从而使光波导管保持于拉伸状态，当熔融金属在管子中凝固时，处于拉伸状态的光波导管会保持在管子的中心。

6、根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述盖子由一种粘合剂保持适当位置。

7、根据权利要求2所述的连接结构，其特征在于，所述盖子的开口尺寸被设计得当光波导管放置于其中时，可充分地阻止熔融金属从开口处流过。

8、根据权利要求3所述的连接结构，其特征在于，所述管子的尺寸被设计得可容纳波导管并允许熔融金属在其中流动。

9、根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述盖子在熔融金属保持为熔化状态的温度条件时仍是有弹性的。

10、根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，还包括一个用于容纳光学器件的外壳，所述管子与所述外壳构成一个整体。

11、根据权利要求10所述的连接结构，其特征在于，所述第一个孔最接近外壳的内侧。

12、根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，当熔融金属凝固时，它会与盖子结合。

13、一种在光波导管周围形成密封封口的连接结构，所述的连接结构包括：

一个用于使流体在第一个孔与第二个孔之间流体的管子，所述第一个孔被一个盖子所盖住，所述的盖子可用于减少熔融金属通过第一个孔的流动，述管子的尺寸足够宽以使光波导管可放置于第一个孔与第二个孔之间，并同时允许在预定温度下熔融的金属可在管子内流动；

在使用时，光波导管被放置于管子内，盖子被放置于最接近第一个孔的位置，熔融金属被注入管子内并流向盖子处，熔融金属可在此凝固，从而在光波导管与管子之间形成一个密封封口。

14、根据权利要求13所述的连接结构，其特征在于，所述管子被设计得足够宽以支持一个光纤带。

15、根据权利要求14所述的连接结构，其特征在于，所述管子的尺寸被设计得可容纳波导管并允许熔融金属在其中流动。

16、根据权利要求13所述的连接结构，其特征在于，所述管子是直的，并具有一致的横截面区域。

17、根据权利要求13所述的连接结构，还包括一个用于容纳光学器件的外壳，所述管子与所述外壳构成一个整体。

18、根据权利要求17所述的连接结构，其特征在于，所述第一个孔最接近外壳的内侧。

19、一种形成光波导管密封封口的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将光波导管穿过一个盖子；

将盖子靠在一个管子的第一个孔处；

向所述管子注入熔融金属，使得注入管子的一个通道中的熔融金属可流向该管子的第一个孔；并且

让熔融金属凝固，从而管子与光波导管之间形成一个密封封口。

20、根据权利要求19所述的形成光波导管密封封口的方法，其特征在于，还包括让熔融金属流向管子的第一个孔的步骤。

21、根据权利要求19所述的形成光波导管密封封口的方法，其特征在于，所述将盖子靠在一个管子的第一个孔处这一步骤中，包括用一种粘合剂将盖子粘到所述管子的第一个孔上的步骤。

22、根据权利要求19所述的形成光波导管密封封口的方法，其特征在于，所述光波导管是波导管阵列和光纤带中的一种，其中至少有四个光波导管。

23、根据权利要求22所述的形成光波导管密封封口的方法，其特征在于，所述波导管阵列和光纤带中的一种被剥去了外层，暴露出每一个光波导管的内表层。

24、根据权利要求22所述的形成光波导管密封封口的方法，其特征在于，所述波导管阵列和光纤带中的一种中的光纤被放置在管子内，以便让熔融金属在其周围以及最接近每个光波导管外表层之间流动。

25、根据权利要求24所述的形成光波导管密封封口的方法，其特征在于，还包括如下步骤：在让熔融金属凝固这一步骤之前，将波导管阵列和光纤带中的一种固定到一个夹具上，所述夹具对波导管阵列和光纤带中的一种中的每一个光波导管施加作用以对每一个光波导管进行定位，以便于熔融金属在其间的流动。

26、根据权利要求24所述的形成光波导管密封封口的方法，其特征在于，还包括如下步骤：在让熔融金属凝固这一步骤之前，将所述波导管阵列和光纤带中的一种固定到一个夹具上，所述夹具使波导管阵列和光纤带中的一种中的每一个光波导管都倾向于管子的中心。

27、根据权利要求19所述的形成光波导管密封封口的方法，其特征在于，在所述向管子注入熔融金属这一步骤中，包括通过管子的第二个孔提供注入熔融金属的步骤。

28、根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述熔融金属是一种可熔融的合金。

29、根据权利要求19所述的形成光波导管密封封口的方法，其特征在于，所述盖子有一个塞孔套部件，所述将盖子靠在一个管子的第一个孔处这一步骤中，包括将所述塞孔套部件放进管子内的步骤。

30、根据权利要求19所述的形成光波导管密封封口的方法，其特征在于，在让熔融金属凝固这一步骤之前，还包括将波导管固定到一个夹具上的步骤，所述夹具使波导管倾向于管子的中心。

31、根据权利要求19所述的形成光波导管密封封口的方法，其特征在于所述管子与一个用于容纳光学器件的外壳构成一个整体。

32、根据权利要求31所述的形成光波导管密封封口的方法，其特征在于，在执行将所述盖子靠在管子的第一个孔处这一步骤时，所述盖子最接近所述外壳的内侧。

33、根据权利要求19所述的形成光波导管密封封口的方法，其特征在于，其特征在于，所述盖子的开口尺寸被设计得当光波导管放置于其中时，可充分地阻止熔融金属从开口处流过。

34、根据权利要求19所述的形成光波导管密封封口的方法，其特征在于，在让所述熔融金属凝固时，熔融金属会结合到盖子上。

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