DE69911651T2

DE69911651T2 - Abgedichtetes gehäuse für optische komponenten und abgedichtete faseroptische durchführung

Info

Publication number: DE69911651T2
Application number: DE69911651T
Authority: DE
Inventors: Luigi Gobbi; Francesco Schiattone
Original assignee: Corning OTI SRL
Current assignee: Corning OTI SRL
Priority date: 1998-12-29
Filing date: 1999-12-06
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2019-12-07
Also published as: TR199903237A2; EP1145062B1; DE69911651D1; EP1145062A3; AU1973100A; WO2000039619A3; WO2000039619A2; JP2002533780A; CA2356978A1; EP1145062A2; TR199903237A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Behälter für optische Komponenten. Insbesondere können aktive und/oder passive optische Komponenten wie beispielsweise Laserquellen, optische Splitter, Komponenten mit integrierter Optik und Faser- bzw. Lichtleitereinrichtungen in einem Behälter vorhanden sein. Im allgemeinen werden für die Zwecke der vorliegenden Erfindung optische Komponenten als passive oder aktive optische Einrichtungen betrachtet, beispielsweise elektro-optische oder akusto-optische Einrichtungen, die zumindest eine Verbindung mit einem Lichtleiter erfordern.
Im allgemeinen leiden diese Komponente unter dem Kontakt mit Wasserpartikeln, die in der Luftfeuchtigkeit vorhanden sind, und mit anderen atmosphärischen Wirkstoffen, beispielsweise korrosiven Wirkstoffen, die die Leistungsfähigkeit der Komponente beeinträchtigen können, und zwar bis zu dem Punkt, an dem ihre korrekte Funktionsweise nicht mehr gewährleistet ist. Bei bestimmten Komponenten, beispielsweise Lasern, ist es außerdem notwendig, dass eine definierte Gaszusammensetzung innerhalb des Behälters aus Gründen der Verlässlichkeit unverändert bleibt.
Beispiele für optische Komponenten, die eine Abdichtung erfordern, sind beispielsweise elektro-optische Modulatoren, die auf Lithiumniobatsubstraten aufgebaut sind, und akusto-optische Einrichtungen. Die Materialien innerhalb des Behälters, die am meisten unter dem Kontakt mit der Feuchtigkeit leiden, sind beispielsweise die Klebestoffe, die verwendet werden, um die Komponenten und die Fasern innerhalb des Behälters anzubringen.
Erforderlich sind daher Behälter, die eine gute Abdichtung haben, die es ermöglichen, den Raum im Behälter frei von Feuchtigkeit und anderen äußeren Wirkstoffen zu halten, so dass die Komponenten, die sich darin befinden, korrekt funktionieren können. Im allgemeinen bestehen diese Behälter aus einem metallischen Material, beispielsweise rostfreiem Stahl, Kovar, Metalllegierungen wie beispielsweise Kupfer-Tungsten und allgemein aus Materialien, die es nicht erlauben, dass Feuchtigkeit in die Bereiche eintritt, in welchen sich die elektrischen und optischen Verbindungen, im folgenden bezeichnet als elektrische Durchleitungen bzw. optische Durchleitungen, mit den Komponenten in dem Behälter befinden.
Ein anderer Bereich, in welchem Feuchtigkeit oder andere externe Wirkstoffe in den Behälter eintreten können, wenn dieser Behälter eine Basis und eine Deckel aufweist, ist der Verschlussbereich zwischen dem Deckel und der Basis. Um in diesem Fall eine Abdichtung sicherzustellen, wird der Deckel im allgemeinen mit einer bekannten Löttechnik entlang des gesamten Außenumfangsbereichs des Kontakts verschlossen. Dieses Löten wird beispielsweise so ausgeführt, dass der Kontaktbereich einer elektrischen Entladung ausgesetzt wird. Dass metallische Material von sowohl dem Deckel als auch der Basis in diesem Bereich schmilzt dann und befestigt die beiden Teile hermetisch aneinander.
Für den Durchtritt von optischen Fasern bzw. Lichtleitern von außen in den Behälter hinein werden die optischen Durchleitungen unter Verwendung von verschiedenen Techniken abgedichtet.
Ein Lichtleiter hat einen Bereich aus Glas mit einem Kern und einer Verkleidung; im allgemeinen betragen die Dimensionen (der Durchmesser) ungefähr 10 μm für den Kern und ungefähr 125 μm für die Verkleidung für monomodale Lichtleiter. In all diesen Arten von Lichtleitern hat der besagte Bereich aus Glas eine Beschichtung aus beispielsweise Acrylat (acrylischen Kunstharzen) oder aus elastomerischem Material im allgemeinen, welche einen minimalen Durchmesser von ungefähr 250 μm hat und einen maximalen Durchmesser von ungefähr 400 μm im Fall von Fasern mit aufrecht erhaltener Polarisierung. Eine Beschreibung von Fasern mit aufrecht erhaltener Polarisierung findet sich in der Patentanmeldung 98EP-100185.2 auf den Namen des Anmelders.
Diese Beschichtung hat Poren, so dass Feuchtigkeit darin eintreten kann, und wenn diese Beschichtung beim Ausbilden einer Durchleitung nicht entfernt wird, ermöglicht sie auch den Eintritt von Feuchtigkeit in den Behälter hinein und einen Kontakt der Feuchtigkeit mit den verschiedenen optischen Komponenten. Der einzige Bereich des Lichtleiters, der die Abdichtung sicherstellt, ist der Bereich aus Glas, der keinen Durchtritt von Feuchtigkeit oder anderen Wirkstoffen ermöglicht.
Um eine optische Durchleitung abzudichten, ist es daher notwendig, die Acrylatbeschichtung des Lichtleiters in dem Bereich, der durch die optische Durchleitung hindurch geführt wird, zu entfernen, um so den "nackten" Lichtleiter freizulegen, d. h. den Bereich aus Glas.
Eine Technik, die die Abdichtung bewirkt, beinhaltet das Metallisieren des Lichtleiters, d. h. das Beschichten des nackten Lichtleiters mit einer metallischen Schicht, die in direktem Kontakt mit dem Glas ist.
Ein Beispiel der Metallisierung eines Lichtleiters ist im US-Patent 4,779,788 beschrieben, wobei der Metallisierungsvorgang stattfindet, nachdem die äußere Oberfläche des Lichtleiters gründlich gereinigt worden ist, indem er beispielsweise in heiße Schwefelsäure eingetaucht und mit deionisiertem Wasser gewaschen worden ist. Die anschließende Metallisierung findet statt mittels eines Vorgangs des Verdampfens von Metallpartikeln, die sich auf dem Glas des Lichtleiters absetzen und dann fest daran anhaften, ohne dass Feuchtigkeit zwischen dem Lichtleiter und dem Metall hindurchtreten kann.
Ein Beispiel dieser Technik zum Abdichten einer optischen Durchleitung ist in der europäischen Patentanmeldung EP 690 322 beschrieben, die ein Verfahren zum Erzeugen einer abgedichteten Durchleitung beschreibt, wobei ein Teil der Länge des Lichtleiters zunächst von seiner Acrylatbeschichtung befreit wird. Die Faser wird in einen zylindrischen Körper eingesetzt, der einen ersten Bereich hat, in dem die Länge des metallisierten Lichtleiters platziert wird, und einen zweiten Bereich, der einen größeren Durchmesser hat als der erste Bereich, in welchem die Länge des Lichtleiters platziert wird, die sich an den von der Beschichtung befreiten Abschnitt anschließt. Der Bereich des metallisierten Lichtleiters wird innerhalb des ersten Bereichs des zylindrischen Körpers mit einer metallischen Lötlegierung verlötet, und der Bereich des Lichtleiters mit der Beschichtung wird in dem zweiten Bereich des zylindrischen Körpers mittels eines Klebstoffs angebracht. Anschließend wird der zylindrische Körper mit dem darin angebrachten Lichtleiter in eine Durchleitungsöffnung eingebracht, die geeignet an einer Wand des Behälters ausgebildet ist, und darin fixiert durch Löten um den Umfang der Durchleitungsöffnung herum.
Der Anmelder hat herausgefunden, dass diese Technik recht kostenintensiv ist, hauptsächlich aufgrund der Ausbildung des metallisierten Lichtleiters, denn hierbei handelt es sich um einen besonders komplizierten Vorgang, da der nackte Lichtleiter sehr zerbrechlich ist und daher während der Metallisierung beschädigt werden kann. Außerdem wird dieser Vorgang mit komplexer Maschinerie durchgeführt. Die Metallisierung muss außerhalb des Behälters durchgeführt werden und bevor der Lichtleiter an irgendeiner Komponente innerhalb des Behälters angebracht wird.
DE 36 28 391 A beschreibt eine kosteneffektiv herstellbare gelötete gasdichte Gehäusedurchleitung für einen Lichtleiter aus Glas oder Quarz, und ein Verfahren zum Herstellung einer solchen Gehäusedurchleitung. Die Gehäusedurchleitung ist so aufgebaut, dass nur ein einziger Lötvorgang erforderlich ist. Das verwendete Lötmaterial ist eine Au-Sn-Legierung mit einem Schmelzpunkt von 300°C. Letzteres wird in einer reduzierenden inerten (schützenden) Gasatmosphäre durchgeführt. Durch das reduzierende schützende Gas wird die Ausbildung einer störenden Oxidschicht vermieden, so dass für diesen Lötvorgang kein Flussmittel notwendig ist.
Ein Epoxy-Kunstharz füllt den Raum zwischen dem Lichtleiter und dem Körper.
EP-A-0 872 748 beschreibt ein Verfahren zum hermetischen Abdichten einer Lichtleiter-Durchleitung und einen hermetisch abgedichteten Aufbau, bei welchem eine Lötschicht zwischen ein Gehäuse eingefüllt wird, für ein optisches Modul, in welchem ein optisches Element optisch mit dem Lichtleiter innerhalb des Gehäuses gekoppelt ist, sowie eine Abdeckung, die sich an die Gestalt des Gehäuses anpasst, so dass ein hermetisches Abdichten auf einfache Art und Weise durchgeführt werden kann. Anschließend wird ein Kunstharz wie beispielsweise Silikon-Kunstharz, in den Einführabschnitt für den Lichtleiter gegossen. Die zweischichtige hermetische Abdichtung kann ein Verfahren zum hermetischen Abdichten eines Lichtleiter-Einführabschnitts realisieren, das die Luftdichtheit gut genug beibehalten kann, um eine Langzeitverlässlichkeit eines optischen Moduls sicherzustellen.
Das Lötmaterial mit einem hohen Schmelzpunkt, das keinen thermischen Einfluss auf den Montageabschnitt innerhalb des Behälters hat, wird als Lötmaterial verwendet. Hier verwendbare Lötmaterialien beinhalten Sn-Pb Lötzinn, Sn-Sb Lötzinn, Sn-In Lötzinn sowie Au-Sn Lötzinn. Das Lötmaterial wird ausgewählt unter Berücksichtigung des thermischen Einflusses auf das Innere des Gehäuses, von Temperaturbedingungen, unter welchen der Aufbau nach der hermetischen Abdichtung widerstehen kann, etc..
Eine andere Technik zum Abdichten einer optischen Durchleitung ist im US-Patent 5,177,806 beschrieben, das eine optische Durchleitung beschreibt, bei welcher der Lichtleiter, befreit von der schützenden Acrylatschicht, in eine Röhre hinein mittels Glaspulver ("Glaslötzinn") gelötet wird. Insbesondere beschreibt dieses Patent eine optische Durchleitung, bei welcher ein Lichtleiter in einer festen Position in einer Metallhülse gehalten wird, während ein Glaspulver auf hohe Temperatur gebracht wird und dann abgekühlt wird, um eine Verlötung innerhalb dieser Hülse an dem nackten Lichtleiter auszubilden.
Der Anmelder hat bemerkt, dass, obwohl diese Lösung die bei der Metallisierung des Lichtleiters auftretenden Probleme löst, sie ein hohes Risiko der Beschädigung der Komponenten innerhalb des Behälters mit sich bringt. Die Glaspulver haben relativ hohe Schmelzpunkte (350–500°C), und die Komponenten dürfen normalerweise nicht auf so hohe Temperaturen gebracht werden. Auch in diesem Fall ist es daher notwendig, das Verlöten innerhalb der Hülse auszuführen, bevor der Lichtleiter mit den Komponenten verbunden wird und diese Komponenten in dem Behälter angebracht werden.
Wenn die Lichtleiter solche mit beibehaltener Polarisierung sind, kann der "Glaslötzinn" in Kontakt mit dem Lichtleiter eine Reduzierung des Polarisierungsauslöschverhältnisses dieses Lichtleiters mit sich bringen.
Eine andere Technik zum Abdichten einer optischen Durchleitung, beschrieben in der Patentanmeldung EP 469,853 , beinhaltet das Verwenden eines Epoxy-Kunstharzes, um den Eintritt von Feuchtigkeit in die Durchleitung hinein zu verhindern.
Insbesondere beschreibt diese Patentanmeldung einen Lichtleiter mit einer optischen Faser zum Führen von Licht von einer externen Quelle in einen geschlossenen Raum hinein. Die optische Faser befindet sich in einer Durchleitungsöffnung, die in einer Befestigungshalterung für den Lichtleiter ausgeformt ist. Diese Halterung hat eine Einlassöffnung, die mit der Durchleitungsöffnung kommuniziert. Die optische Faser ist mit einer Oberflächenbeschichtung durch die Durchleitungsöffnung hindurch beschichtet, abgesehen von dem Bereich, der mit dieser Einlassöffnung kommuniziert, denn hier ist sie nackt. Ein Epoxy-Kunstharz wird in die Einlassöffnung eingespritzt und kommt in Kontakt mit der Faser und verschließt die leeren Räume vollständig, d. h. in dem Bereich, in welchem die Faser frei von der Beschichtung ist, und entlang der Einlassöffnung.
Die Halterung weist Mittel zum Befestigen der Halterung an einer Wand des verschlossenen Raums auf, die eine Verbindungsöffnung hat, in welcher die Halterung platziert und befestigt wird.
Der Anmelder hat bemerkt, dass Epoxy-Kunstharze jedoch, obwohl sie sehr leckagedicht sind, eine Porosität haben, die über einen langen Zeitraum hinweg in Umgebungen mit einer hohen Feuchtigkeit und hohen Temperaturen (oberhalb von 30 °C) zu einem Eintritt von Feuchtigkeit in dem Behälter hinein führen kann. Außerdem haben Epoxy-Kunstharze relativ hohe Quervernetzungstemperaturen und Koeffizienten der thermischen Dilation, die größer sind als die von Lichtleitern, was zu einer mechanischen Belastung dieser Fasern bzw. Lichtleiter führen kann.
Der Anmelder hat festgestellt, dass ein Parameter, der einen Einfluss auf die Leckagedichtheit einer Durchleitung hat, der Raum zwischen dem Glasbereich des Lichtleiters und der Öffnung ist, die mit dem Material zum Abdichten dieser Durchleitung gefüllt werden soll. Durch Verwenden von Kunstharz in Kontakt mit dem Lichtleiter sind daher die Leckagedichtheit und der Widerstand gegen Feuchtigkeit der Durchleitung umgekehrt proportional zu dem auszufüllenden Querschnittsbereich. Um die Leckagedichtheit zu steigern, ist es notwendig, den Innendurchmesser der Durchleitung auf die kleinsten Dimensionen des Lichtleiters zu reduzieren. Der Durchmesser des Lichtleiters mit der Acrylatbeschichtung kann bis zu ungefähr 400 μm betragen, und dieses Maß bildet so die untere Grenze für den Innendurchmesser der Durchleitungsöffnung.
Der Anmelder hat festgestellt, dass eine kombinierte Technik, die das Verwenden einer metallisierten Lötlegierung auf einem nackten Lichtleiter beinhaltet, um den Durchmesser der Durchleitung zu reduzieren, und die Verwendung eines polymerischen Dichtmittels, um den Vorgang für das Abdichten dieser Durchleitung auszuführen, die Durchleitung hermetisch abdichtet, ohne dass ein Kompromiss bezüglich der Eigenschaften des Lichtleiters geschlossen werden müsste. Diese Technik ermöglicht es dem polymerischen Dichtmittel, in Kontakt mit der Faser nur in einem begrenzten Bereich der Durchleitung zu geraten, und zwar einige Zehntel Millimeter, was zu einer Reduktion der Belastungen des Lichtleiters führt. Durch Minimieren der Fläche des kreisförmigen Querschnitts, die mit dem polymerischen Dichtmittel gefüllt wird, wird außerdem eine bessere Abdichtung erzielt. Außerdem können die zum Abdichten der Durchleitung erforderlichen Vorgänge durchgeführt werden, nachdem der Lichtleiter mit der Komponente selbst verbunden worden ist und diese Komponente in dem Behälter angebracht worden ist, als abschließender Vorgang vor dem Schließen des Behälters.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein optisches System mit

– einem Behälter,
– zumindest einer optischen Komponente, welche innerhalb des Behälters befestigt ist,
– einer Länge eines Lichtleiters, welche eine Plastikbeschichtung hat und mit der optischen Komponente verbunden ist; und
– einer optischen Durchführung für diesen Abschnitt des Lichtleiters, platziert in einer Durchführöffnung in einer Wand des Behälters und hermetisch darin befestigt,
– wobei die optische Durchführung einen länglichen Körper aufweist, welcher eine längliche Durchführöffnung hat, in welcher der Lichtleiter platziert ist, und
– wobei ein Bereich der Länge des Lichtleiters von der Beschichtung befreit ist,

Vorzugsweise ist das polymerische Dichtmittel ein Epoxy-Kunstharz.
Insbesondere ist das Ende des länglichen Körper, an welchem das Löten ausgeführt wird, eine Oberfläche, die einen Winkel von weniger als 90° bezüglich der Basis des Behälters bildet.
Vorzugsweise liegt dieser Winkel zwischen 30 und 60°. Insbesondere ist dieser längliche Körper zylindrisch und hat einen hinteren Bereich mit einem Außendurchmesser, der geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Öffnung, der in der Wand des Behälters ausgeführt ist, und einen vorderen Bereich mit einem Außendurchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser des hinteren Bereichs.
Vorzugsweise befindet sich zumindest eine quer verlaufende Kerbe, die mit der Durchleitungsöffnung kommuniziert, in diesem hinteren Bereich.
Vorzugsweise ist die Faser eine Faser mit beibehaltener Polarisierung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine abgedichtete optische Durchleitung mit

– einem länglichen Körper mit einer länglichen Durchführöffnung, in welcher ein Lichtleiter platziert ist, der seinerseits mit einer Plastikbeschichtung versehen ist,
– wobei ein Bereich des Lichtleiters von der Beschichtung befreit ist, um das Glas freizulegen,

Vorzugsweise ist dieses polymerische Dichtmittel ein Epoxy-Kunstharz.
Insbesondere hat das Ende des länglichen Körpers, bei welchem das Löten ausgeführt wird, eine Oberfläche mit einem Winkel von weniger als 90° relativ zur Längsachse des länglichen Körpers.
Vorzugsweise liegt dieser Winkel zwischen 30 und 60°.
Insbesondere ist der längliche Körper zylindrisch und hat einen hinteren Bereich mit einem ersten Außendurchmesser sowie einen vorderen Bereich mit einem Außendurchmesser, der kleiner ist als der erste Durchmesser des hinteren Bereichs.
Vorzugsweise befindet sich zumindest eine quer verlaufende Kerbe, die mit der Durchleitung kommuniziert, in dem hinteren Bereich.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schützen von optischen Komponenten, mit den folgenden Schritten:

– Verbinden einer Länge eines Lichtleiters mit einer optischen Komponente,
– Anbringen dieser Komponente innerhalb einer Basis eines Behälters,
– Platzieren einer optischen Durchleitung in einer Öffnung in einer Wand der Basis,
– Hermetisches Befestigen der Durchleitung in der Wand,
– Befreien eines Bereichs des Lichtleiters von seiner Plastikummantelung,
– Abdichten der Durchleitung,
– Hermetisches Verschließen des Behälters mit einem Deckel,
– dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Abdichtens der Durchleitung die folgenden Schritte aufweist:
– Einschrauben des freien Endes des Lichtleiters in eine Öffnung in der Durchleitung hinein,
– Verlöten des Bereichs des Lichtleiters, der von der Ummantelung befreit worden ist, mit einer Legierung auf Indium-Basis, um zwischen der Legierung und der Glasfaser eine dünne Oxidschicht auszubilden, die nicht entfernt wird, mit dem Ende der Durchleitung, das innerhalb des Behälters platziert ist, und
– Platzieren einer Schicht aus einem polymerischen Dichtmittel in dem Oberflächenbereich des Lötzinns um den Lichtleiter herum.

Vorzugsweise findet der Schritt des mechanischen Befestigens des Lichtleiters am Inneren der Durchleitung zwischen den Schritten des Einschraubens des freien Endes des Lichtleiters in einer Öffnung in der Durchleitung hinein und dem Schritt des Verlötens des frei gelegten Bereichs des Lichtleiters mit einer Metalllegierung statt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abdichten einer optischen Durchleitung, die mittels eines Lichtleiters eine optische Komponente innerhalb eines Behälters mit der Außenseite verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

– Befreien eines Bereichs des Lichtleiters von einer Schicht aus Plastik,
– Einschrauben des freien Endes des Lichtleiters in eine Öffnung in der Durchleitung hinein,
– mechanisches Befestigen des Lichtleiters innerhalb der Durchleitung,
– Verlöten desjenigen Bereichs des Lichtleiters, der von der Ummantelung befreit worden ist, um zwischen der Legierung und der Glasfaser eine dünne Oxidschicht zu bilden, die nicht entfernt wird, mittels einer Legierung auf Indium-Basis mit dem Ende der Durchleitung, das innerhalb des Behälters platziert ist,
– Platzieren einer Schicht aus einem polymerischen Dichtmittel in dem Oberflächenbereich des Lötzinns um den Lichtleiter herum.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum hermetischen Abdichten eines Lichtleiters bezüglich einer Durchleitung, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

– Befreien eines Bereichs des Lichtleiters von der Beschichtung, um das Glas freizulegen,
– Ausfüllen des Raums zwischen dem Lichtleiter und der Durchführung mit einem Legierungslötzinn auf Indiumbasis, und zwar so, dass zwischen der Legierung und der Glasfaser eine dünne Oxidschicht ausgeformt ist, welche nicht entfernt wird, um einen gewissen Grad der Anhaftung zwischen der Legierung und dem Bereich des Lichtleiters (F) sicherzustellen, und
– Abdichten des Bereichs der Lötlegierung in Kontakt mit dem Glas des Lichtleiters mit einem polymerischen Versiegelungsmittel.

Weitere Details ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen, in welchen:
1 einen Behälter für opto-elektronische Einrichtungen zeigt, teilweise im Längsschnitt, in welchem Behälter die optischen Durchleitungen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind;
2 eine optische Durchleitung zeigt, teilweise im Längsschnitt, vor dem Abdichtvorgang gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine optische Durchleitung nach dem Abdichtvorgang gemäß der gleichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ein vergrößertes Merkmal der 3 zeigt, welches den Bereich der Abdichtung der optischen Durchleitung gemäß der gleichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufdeckt;
5 eine optische Durchleitung zeigt, teilweise im Längsschnitt, nach dem Abdichtvorgang gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein Beispiel eines Behälters 2 für optische Komponenten, beispielsweise der passiven oder der aktiven Art, beispielsweise für elektro-optische oder akusto-optische Einrichtungen, von welchen Lichtleiter F ausgehen, die intern mit dem Behälter mit diesen Komponenten verbunden sind. Insbesondere weist dieser Behälter für optische Komponenten 2 eine Basis 4 auf, die vorzugsweise kastenförmig ist, und einen Deckel 6, der die Basis verschließt. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auf jede Art von Behälter angewandt werden kann, der einen geschlossenen Körper mit irgendeiner Gestalt hat sowie ein abgedichtetes mechanisches Verschlusssystem.
Aus Gründen der Veranschaulichung ist eine elektro-optische Komponente 8 innerhalb der Basis 4 des Behälters 2 dargestellt, wobei diese Komponente elektrisch über ein Paar von elektrischen Kontakten 10 angeschlossen ist und mit zwei Lichtleitern F verbunden ist.
Diese Komponente 8 kann aus Gründen der Veranschaulichung ein elektro-optischer Modulator sein, der auch elektrische Durchleitungen (nicht dargestellt) aufweist. Außerdem können passive und aktive Komponenten, die voneinander unterschiedlich sind, innerhalb des Behälters untergebracht sein.
Die optischen Verbindungen zwischen der Komponente und dem Lichtleiter F sind gemäß bekannten Techniken ausgestaltet, bezeichnet als "pigtailing" (pigtail = Anschlussfaser oder Anschlusslitze).
Diese Lichtleiter F verlassen den Behälter über optische Durchleitungen 20, die sich vorzugsweise an den Seitenwänden des Behälters befinden, und die die Leckagedichtheit innerhalb des Behälters sicherstellen.
2 zeigt eine Ausführungsform der optischen Durchleitung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die optische Durchleitung 20 in eine Öffnung 41 in der Wand 5 der Basis 4 des Behälters gelötet ist, deren Durchmesser geringfügig größer ist als der maximale Durchmesser der Durchleitung, und zwar unter Verwendung einer metallisierten Lötlegierung 31 (beispielsweise Gold-Zinn), vorzugsweise platziert um den Umfang herum im Bereich des Kontakts zwischen der Durchleitung und der Öffnung an der Außenfläche der Wand der Basis 4. Dieses Verlöten stellt die Leckagedichtheit des Bereichs zwischen der Öffnung 41 und der äußeren Oberfläche der Durchleitung 20 sicher. Aus Gründen der Veranschaulichung ist diese Durchleitung mit einer zylindrischen äußeren Gestalt dargestellt, kann jedoch auch eine andere Gestalt haben, vorausgesetzt, dass die Öffnung 41 in der Wand des Behälters die gleiche Gestalt hat wie die Durchleitung.
Diese Durchleitung weist vorzugsweise einen zylindrischen Körper 21 aus Metall auf, beispielsweise einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung (Kovar), einem Stahl oder einer Eisenlegierung, mit einer in Längsrichtung verlaufenden Durchführöffnung 22. Der zylindrische Körper 21 hat einen hinteren Bereich 23, dessen Durchmesser geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Öffnung 41 in der Wand des Behälters, und einen vorderen Bereich 24, dessen Außendurchmesser vorzugsweise kleiner ist als der Durchmesser des hinteren Bereichs 23. Außerdem hat in diesem hinteren Bereich die Durchleitungsöffnung 22 einen größeren Durchmesser als der Durchmesser des vorderen Bereichs 24.
Quer verlaufende Kerben 25 befinden sich in dem hinteren Bereich, welche Kerben vorzugsweise einen halbkreisförmigen Querschnitt haben und eine solche Tiefe, dass sie in Verbindung mit der Durchleitungsöffnung 22 gesetzt werden können. In dem in 2 dargestellten Beispiel gibt es zwei Kerben; zu Zwecken der vorliegenden Erfindung kann die Anzahl der Kerben jedoch auch größer oder kleiner sein. Das Ende des vorderen Bereichs 24 endet mit einer Oberfläche 26, die relativ zu der vertikalen, die in dieser Zeichnung durch die Wand des Behälters dargestellt ist, schräg verläuft. Diese schräge Oberfläche hat einen Winkel von weniger als 90° relativ zur Basis des Behälters 2. Vorzugsweise liegt der Winkel zwischen 30 und 60°.
3 zeigt die gleiche Ausführungsform der Durchleitung wie 2, aber nach dem Vorgang des Befestigens des Lichtleiters innerhalb der Durchleitung und nach dem anschließenden Abdichtvorgang.
Insbesondere wird ein Lichtleiter F, mit einem Bereich aus Glas 27 und einer Beschichtung aus Plastik 28, beispielsweise aus einem acrylischen Kunstharz, in der Durchleitung 20 in vorteilhafter Weise platziert, nachdem er mit der Einrichtung (in dieser Zeichnung nicht dargestellt, aber aus Gründen der Veranschaulichung in 1 gezeigt) verbunden worden ist, nachdem diese Einrichtung in dem Behälter 2 angebracht worden ist. Außerdem wird eine Plastikröhre zum mechanischen Schützen des Lichtleiters vorzugsweise in die Durchleitungsöffnung 22 eingesetzt.
Ein Silikonklebstoff wird über die Kerben 25 eingebracht, wobei die Funktion dieses Klebstoffs darin besteht, den Lichtleiter F mechanisch an der Durchleitung 20 anzubringen, aber er stellt nicht die Leckagedichtheit dieser Durchleitung sicher.
Der erste Schritt des Abdichtvorgangs besteht in dem Entfernen der schützenden Acrylatschicht 27 von dem Lichtleiter. Dieser Vorgang kann beispielsweise mit einem Heißluftstrahl ausgeführt werden, der diese Acrylatschicht entfernen kann, oder alternativ auch mit einem Laser.
Anschließend wird eine metallische Lötlegierung 29 nahe dem Bereich des Lichtleiters abgeschieden, der von der schützenden Ummantelung befreit worden ist. Die Legierung haftet in vorteilhafter Art und Weise an dem schrägen Bereich 26 innerhalb des Behälters an. Es wird bevorzugt, Legierungen auf Indium-Basis zu verwenden, da die mechanischen Eigenschaften dieser Art von Material eine begrenzte Belastung des Lichtleiters sicherstellen. Um eine gute Verlötung zu erzielen, ist es notwendig, den zu verlötenden Bereich auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt der Legierung zu bringen, die verwendet wird. Eine Anzahl von Legierungen auf Indium-Basis sind durch relativ geringe Schmelzpunkte charakterisiert (beispielsweise In Sn, Schmelzpunkt: 118°C); diese Tatsache macht es möglich, eine Anhaftung zwischen der Lötlegierung und der Durchleitung zu erzielen, ohne dass der Behälter und die darin befindlichen Komponenten übermäßig erhitzt werden müssten.
In vorteilhafter Art und Weise haften die Legierungen auf Indium-Basis zumindest teilweise an nicht-metallischen Substraten wie beispielsweise Glas oder Keramik. Diese Eigenschaft, verbunden mit der Ausbildung einer dünnen Schicht von Oxid zwischen der Legierung und dem Substrat, führt zu einem bestimmten Grad der Anhaftung zwischen der Legierung und dem nackten Lichtleiter.
Anschließend wird ein Tropfen eines polymerischen Dichtmittels 51 auf dem nackten Lichtleiter nahe der metallischen Lötlegierung 29 platziert. Dieses Dichtmittel wird beispielsweise durch Anheben der Temperatur oder durch Licht, beispielsweise ultraviolettes Licht, ausgehärtet.
Ein polymerisches Dichtmittel, das für diesen Zweck geeignet ist, ist beispielsweise ein Epoxy-Kunstharz, das als H77 Epotek bekannt ist, hergestellt von Epoxy Technology Inc. (USA).
4 zeigt insbesondere den Bereich der Verlötung zwischen der Faser F und der Durchleitung 20. Das polymerische Dichtmittel, in diesem Fall das Epoxy-Kunstharz, stellt die Leckagedichtheit zwischen dem nackten Lichtleiter und der metallischen Lötlegierung 29 sicher und so auch die Leckagedichtheit des Behälters.
Im allgemeinen bedeutet der Ausdruck "polymerisches Dichtmittel" ein Material, das eine hohe Stufe der Leckagedichtheit sicherstellen kann; insbesondere ein Kunstharz, beispielsweise ein Epoxy-Kunstharz oder ein acrylisches Kunstharz oder ein Silikon-Kunstharz. Vorzugsweise ist es ein Epoxy-Kunstharz.
5 zeigt eine optische Durchleitung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher eine Durchleitung 60, vorzugsweise zylinderförmig, in eine Öffnung 71 in der Wand 5 des Behälters eingelötet ist. Diese Öffnung hat einen Bereich, bei welchem der Durchmesser geringfügig größer ist als der maximale Durchmesser der Durchleitung, und einen Bereich mit kleinerem Durchmesser, um so einen Anschlagring 72 innerhalb der Wand des Behälters auszubilden. Die Durchleitung 60 wird in diese Öffnung 71 von außen eingeführt, bis sie den Anschlagring 72 erreicht. Unter Verwendung einer metallischen Lötlegierung 31 (beispielsweise Gold-Zinn), vorzugsweise platziert um den Umfang in dem Bereich des Kontakts zwischen der Durchleitung 60 und der Öffnung 71 an der äußeren Oberfläche der Wand 5 herum, wird die Durchleitung an der Wand des Behälters angebracht und eine Leckagedichtheit des Bereichs zwischen der Öffnung 71 und der äußeren Oberfläche der Durchleitung 60 wird sichergestellt.
Diese Durchleitung weist vorzugsweise einen zylindrischen Körper 61 auf, der eine in Längsrichtung verlaufende Durchleitungsöffnung 62 hat. Der zylindrische Körper hat quer verlaufende Kerben 65, vorzugsweise mit halbkreisförmigem Querschnitt, deren Tiefe so ist, dass sie in Verbindung mit der Durchleitung 62 gebracht werden können. In dem in 5 dargestellten Beispiel sind zwei Kerben vorhanden; im Bereich der vorliegenden Erfindung kann die Anzahl der Kerben jedoch auch größer oder kleiner sein.
In dieser Ausführungsform wird die Faser F, mit dem Glasbereich 27 und der Acrylat-Ummantelung 28, in die Durchleitung 60 in vorteilhafter Art und Weise eingesetzt, nachdem sie mit der Einrichtung (in dieser Figur nicht dargestellt, aber aus Gründen der Veranschaulichung in 1 gezeigt) verbunden worden ist und die Einrichtung selbst an der Basis 4 des Behälters 2 angebracht worden ist.
Ein Klebstoff wird über die Kerben 25 eingebracht, und die Funktion dieses Klebstoffs ist es, die Faser F mechanisch an der Durchleitung 20 anzubringen, aber er stellt nicht die Leckagedichtheit dieser Durchleitung sicher.
Der erste Schritt des Abdichtvorgangs besteht im Entfernen der schützenden Acrylatschicht 27 von der Faser. Dieser Vorgang kann beispielsweise mit einem Heißluftstrahl ausgeführt werden.
Anschließend wird eine metallische Lötlegierung 29 nahe dem Bereich der Faser abgeschieden, der von der schützenden Ummantelung befreit worden ist. Die Legierung haftet an der nackten Faser 26 und an den Innenwänden des Behälters und füllt auch zumindest teilweise den inneren Bereich der Öffnung 71, der nicht von der Durchleitung 60 eingenommen ist. Ähnlich wie in der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein Tropfen eines polymerischen Dichtmittels 51 auf der nackten Faser nahe der metallischen Lötlegierung 29 platziert.
In beiden Ausführungsformen wird die mechanische Befestigung der Faser in der Durchleitung nicht durch das Löten 29 erzielt, sondern durch den in die Kerben eingebrachten Klebstoff 30. Im Falle eines versehentlichen Zerreißens oder bei einer Zugbelastung der Faser außerhalb des Behälters wird daher die Abdichtung der Durchleitung nicht beeinträchtigt.
Nach dem Abdichten der Durchleitung ist es außerdem vorteilhaft, den Bereich der Faser, der nackt innerhalb des Behälters verbleibt, mit einer Schicht aus einem schützenden Silikon-Klebstoff zu versehen.
Optional ist es, bevor das metallische Verlöten an der Durchleitung ausgeführt wird, möglich, diesen Silikon-Klebstoff in die Durchleitungsöffnung einzubringen, um innerhalb der Durchleitung alle Bereiche der Faser zu schützen, die nackt bleiben, d. h. die nicht mit dem Lötzinn beschichtet werden.
Eine Durchleitung gemäß dieser Ausführungsform wurde getestet durch Ausführen der Tests gemäß einem im Standard MIL-STD-883E beschriebenen Vorgang, dessen Zweck es ist, die Leckagedichtheit von Behältern für optische, elektronische und Halbleiterkomponenten zu überprüfen.
Fünf Behälter der gleichen Art, in welche ein Paar von Durchleitungen gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt worden war, wurden getestet. Insbesondere sind diese Behälter kastenförmig und bestehen aus rostfreiem Stahl; außerdem haben sie eine Länge von 108 mm, eine Breite von 15 mm und eine Höhe von 10 mm. Die optischen Durchleitungen bestehen aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung (Kovar^TM) und werden an gegenüberliegenden Wänden des Behälters auf einer Höhe von 5 mm von der Basis in der Mitte jeder Wand platziert. Alle Wände des Behälters haben eine im wesentlichen konstante Dicke von ungefähr 2 mm.
Insbesondere wurde unter Verwendung einer Panda^TM-Faser mit beibehaltener Polarisierung, wobei es sich um eine Faserart handelt, die besonders empfindlich für mechanische Kräfte ist, folgendes gemessen:

– das Polarisierungsauslöschverhältnis in dem Lichtleiter [dB];
– das Verhältnis der Infiltrierung oder der Leckage pro Zeiteinheit ("Leckagerate") [atm cm³/sec].

Der mit diesen Behältern ausgeführte Test ("Leckagetest") besteht im Platzieren des Behälters in einer Helium-gesättigten Atmosphäre, in welcher ein Druck von mehr als 2 atm bei konstanter Temperatur für einen Zeitraum von mehr als 4 Stunden erzeugt wird. Dieser Vorgang ist genauer in dem oben erwähnten Standard beschrieben und ist als "Bombardieren" bekannt. Auf diese Art und Weise dringt das Gas zwangsweise in diesen Behälter ein und wenn der Behälter aus der unter Druck stehenden Atmosphäre entfernt wird, kann die Gasmenge gemessen werden, die aus dem Behälter in die Atmosphäre austritt.
Das Ersetzen der ausgewählten Werte des Drucks und der Dauer des Bombens in der in dem Standard beschriebenen Formel ergibt die Spezifizierung bezüglich der Leckagedichtheit, d. h. den Wert der "Leckagerate", unterhalb dessen der Behälter als effektiv leckagedicht angesehen werden kann.
Die 5 getesteten Behälter hatten ein Innenvolumen von mehr als 0,4 cm³.
Unter den gewählten Experimentalbedingungen (Druck von 2 atm und Dauer von 4 Stunden) ist der Schwellenwert 10 × 10^–8 atm cm³/sec. Helium wurde als Verfolgergas in diesen Tests verwendet.
In allen Behältern war der Wert der Leckagerate geringer als der Schwellenwert, und die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt:
Die Prozentsätze von Stickstoff, Helium und Feuchtigkeit, die in der Tabelle angegeben sind, wurden am Ende des Tests (10 Tage) gemessen durch Ausbilden einer Öffnung in dem Behälter und Messen der Eigenschaften des darin befindlichen Gases.
Insbesondere ergibt sich aus der Tabelle, dass die fünf Behälter leckagedicht waren (Leckagerate < 3 × 10^–8).
Die Ergebnisse des Tests, ausgeführt mit diesen fünf Behältern, des Polarisierungsauslöschverhältnisses für die verwendete Panda^TM-Faser wird wiedergegeben durch den Mittelwert dieses Verhältnisses für die fünf Behälter. Dieser Mittelwert der Variation dieses Verhältnisses ist 0,9 dB (für 0°C/70°C Heizzyklen) für ein Paar von Durchleitungen in gegenüberliegenden Wänden des Behälters, und daher ungefähr 0,45 dB pro Durchleitung. Diese Variation ist typischerweise für diese Art von Faser vernachlässigbar.

Claims

Optisches System mit: – einem Behälter (2), – zumindest einer optischen Komponente (8), welche innerhalb des Behälters (2) befestigt ist, – einer Länge eines Lichtleiters (F), welche eine Plastikbeschichtung (27) hat und mit der optischen Komponente verbunden ist, und – einer optischen Durchführung (20) für diesen Abschnitt des Lichtleiters (F), platziert in einer Durchführöffnung (41) in einer Wand des Behälters und hermetisch darin befestigt, wobei die optische Durchführung (20) einen länglichen Körper (21) aufweist, welcher eine längliche Durchführöffnung (22) hat, in welcher der Lichtleiter (F) platziert ist, und wobei ein Bereich der Länge des Lichtleiters (F) von der Beschichtung (27) befreit ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des Lichtleiters (F), welcher von der Beschichtung befreit ist, an ein Ende des länglichen Körpers (21) mittels eines Legierungslötzinns (29) auf Indiumbasis angelötet ist, wobei zwischen der Legierung und der Glasfaser eine dünne Schicht aus Oxid ausgeformt wird, welche nicht entfernt wird, um einen gewissen Grad von Anhaftung zwischen der Legierung und dem Bereich des Lichtleiters (F) sicherzustellen, und wobei diese Lötstelle in dem Oberflächenbereich um diesen Bereich des Lichtleiters herum mit einem polymerischen Versiegelungsmittel (51) beschichtet ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das polymerische Versiegelungsmittel ein Epoxykunstharz ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des länglichen Körpers (21), an welchem das Löten (29) durchgeführt wird, eine Oberfläche hat, welche in einem Winkel von weniger als 90° bezüglich der Basis des Behälters angeordnet ist.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Winkel zwischen 30 und 60° liegt.
System nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der längliche Körper (21) zylindrisch ist und einen hinteren Bereich (23) mit einem äußeren Durchmesser hat, welcher leicht geringer ist als der Durchmesser der Öffnung (41) in der Wand des Behälters, und einen vorderen Bereich (24) mit einem Außendurchmesser, welcher kleiner ist als der Durchmesser des hinteren Bereichs (23).
System nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine querverlaufende Kerbe (25), die mit der Durchführöffnung (22) kommuniziert, in dem hinteren Bereich (23) vorgesehen ist.
System nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (F) eine Faser mit beibehaltener Polarisierung ist.
Abgedichtete optische Durchführung mit einem länglichen Körper (21) mit einer länglichen Durchführöffnung (22), in welcher ein Lichtleiter (F) platziert ist, der seinerseits mit einer Plastikbeschichtung (27) versehen ist, wobei ein Bereich des Lichtleiters (F) von der Beschichtung (27) befreit ist, um das Glas freizulegen, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des Lichtleiters (F), welcher von der Beschichtung befreit ist, an ein Ende des länglichen Körpers (21) mittels eines Legierungslötzinns (29) auf Indiumbasis angelötet ist, wobei zwischen der Legierung und der Glasfaser eine dünne Schicht aus Oxid ausgeformt wird, welche nicht entfernt wird, um einen gewissen Grad von Anhaftung zwischen der Legierung und dem Bereich des Lichtleiters (F) sicherzustellen, und wobei diese Lötstelle in dem Oberflächenbereich um diesen Bereich des Lichtleiters herum mit einer Schicht eines polymerischen Versiegelungsmittels (51) beschichtet ist.
Durchführung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das polymerische Versiegelungsmittel ein Epoxykunstharz ist.
Durchführung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des länglichen Körpers (21), an welchem das Löten (29) durchgeführt wird, eine Oberfläche hat, welche in einem Winkel von weniger als 90° bezüglich der Basis des Behälters angeordnet ist.
Durchführung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Winkel zwischen 30 und 60° liegt.
Durchführung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der längliche Körper (21) zylindrisch ist und einen hinteren Bereich (23) mit einem äußeren Durchmesser hat, welcher leicht geringer ist als der Durchmesser der Öffnung (41) in der Wand des Behälters, und einen vorderen Bereich (24) mit einem Außendurchmesser, welcher kleiner ist als der Durchmesser des hinteren Bereichs (23).
Durchführung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine querverlaufende Kerbe (25), die mit der Durchführöffnung (22) kommuniziert, in dem hinteren Bereich (23) vorgesehen ist.
Verfahren zum hermetischen Abdichten eines Lichtleiters bezüglich einer Durchführung mit den folgenden Schritten: – Befreien eines Bereichs des Lichtleiters von der Beschichtung, um das Glas freizulegen, – Ausfüllen des Raums zwischen dem Lichtleiter und der Durchführung mit einem Legierungslötzinn auf Indiumbasis, und zwar so, dass zwischen der Legierung und der Glasfaser eine dünne Oxidschicht ausgeformt ist, welche nicht entfernt wird, um einen gewissen Grad der Anhaftung zwischen der Legierung und dem Bereich des Lichtleiters (F) sicherzustellen, und – Abdichten des Bereichs der Lötlegierung in Kontakt mit dem Glas des Lichtleiters mit einem polymerischen Versiegelungsmittel.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei zwischen den Schritten des Befreiens eines Bereichs des Lichtleiters und des Lötens des freigelegten Bereichs des Lichtleiters mit einer Legierung auf Indiumbasis der folgende Schritt durchgeführt wird: – Mechanisches Befestigen des Lichtleiters am Inneren der Durchführung.