FI90802B - Optisen kuidun ja optoelektronisen komponentin välinen kytkinlaite - Google Patents

Description

90802

Optisen kuidun ja optoelektronisen komponentin välinen kytkinlaite - Kopplingdon mellan en optisk fiber och en opto-elektronisk komponent Tämä keksintö koskee kytkinlaitteita, jotka käsittävät puo-lijohdemateriaalisirusta muodostuvan optoelektronisen komponentin, joka on asennettu koteloon ja kytketty optisesti kotelon seinän läpi ulottuvan optisen kuidun päähän.

Optoelektronisen komponentin ja optisen kuidun pään välinen optinen kytkentä vaatii optisen kuidun pään erittäin tarkan sijoituksen optoelektronisen komponentin muodostaavaan puo-lijohdemateriaalisiruun nähden, jolloin 1 /um:n luokkaa oleva virhe voi aiheuttaa yli 3 dB:n kytkentähäviön silloin kun kuitu on yksimuotokuitu. Komponentin ja kuidun pään kiinnitysten kotelon sisällä täytyy myös voida säilyttää ja pitää tämä kerran aikaansaatu sijoitus.

Yleensä suoritetaan ensin jo aikaisemmin alustalle kiinnitetyn optoelektronisen komponentin muodostavan puolijohdesirun kiinnitys kotelon pohjaan, ja sen jälkeen säädetään optisen kuidun sisään ulottuvan pään sijoitus puolijohdesirun suhteen käyttäen mikromanipulaattoria ja ohjaten sitä havaitun optisen kytkentätehon perusteella.

Kuidun pään kiinnitys tapahtuu tämän jälkeen. Tämä on vaikea tehtävä, koska sen suorittaminen saa muuttaa niin vähän kuin mahdollista kuidun pään sijoittumista optoelektronisen komponentin muodostavan puolijohdesirun suhteen. Eräs tapa tämän suorittamiseksi, joka on kuvattu FR-patenttihakemuksessa 8507793, käsittää kuidun pään kiinnittämisen ensin ensimmäiseen kohtaan, jota kutsutaan takakiinnityskohdaksi, ja joka on lähellä sen puolijohdesirun vieressä olevaa loppupäätä, ja sitten toiseen kohtaan, jota kutsutaan etukiinnityskoh-daksi, ja joka sijaitsee kohdassa, jossa se läpäisee kotelon 2 seinämän. Ensimmäinen, takakiinnityskohta toteutetaan sulamispisteeltään alhaisella juotteella, joka mahdollistaa jat-kosäädön ja lopullisen sijoituksen, joka on lähellä alkuase-maa, mutta ei aikaansaa kovin lujaa tai riittävän jäykkää kiinnittymistä, ja mahdollistaa siten elastiset tai plastiset siirtymät, jotka muuttavat kuidun pään asemaa pois opti-mikytkentäalueelta aina kun päähän kohdistuu pienikin rasitus. Toisen, etukiinnityskohdan tarkoituksena on vastustaa kuidun päähän kotelon ulkopuolelta kohdistuvia voimia. Se on toteutettu lujempana kuin ensimmäinen juottamalla kuitu kotelon seinän läpi kulkevan, siihen kiinnitetyn läpivienti-putken sisään.

Tämä kiinnitystäpä mahdollistaa hyvän optisen kytkennän op-toelektronisen komponentin ja kuidun pään välillä silloin kun optiseen kuituun ei kotelon sisällä kohdistu voimia.

Tällaisia voimia valitettavasti kuitenkin esiintyy laitteen tavallisissa käyttöoloissa johtuen laajentumiseroista kotelon sisällä olevan kuidun pään ja kotelon pohjan välillä, jotka aiheutuvat lämpötilaeroista, kotelon mekaanisista muodonmuutoksista varsinkin sen kiinnityksen aikana ja vetojän-nityksistä, joita kuituun kohdistuu kotelon ulkopuolelta.

FR-patenttihakemuksesta 8510479 on tullut tunnetuksi estää veto- tai puristusvoimat, jotka kohdistuvat kotelon sisässä olevaan kuitupäähän silloin kun kotelo on alttiina lämpöku-tistumalle tai -venymälle kuidun akselin suunnassa, varustamalla etukiinnityskohta, joka sijaitsee kotelon seinämän lä-pivientikohdassa, lämpötilakompensointisauvalla, joka kompensoi kotelon sisällä olevan kuidun pään ja kotelon pohjan laajenemaerot. Sen lisäksi että lämpötilakompensointisauva on vaikea toteuttaa, sen kiinnitystavalla on haittana se, että se ei vaikuta, muihin voimiin, joita kohdistuu kotelon sisään kuidun pään kautta sen takakiinnityskohdassa, esimerkiksi lämpötilamuutoksista aiheutuviin bimetalliliuskatyyp- 90802 3 pisiin taivutusvoimiin tai voimiin, jotka aiheutuvat alkuperältään puhtaasti mekaanisista kotelon muodonmuutoksista.

Tämän keksinnön tarkoituksena on vähentää voimia, joita kuidun pään välityksellä kohdistuu takakiinnityskohtaan tavallisissa kotelon säilytys- ja käyttöoloissa, optimaalisen optisen kytkennän säilyttämiseksi kuidun pään ja optoelektro-nisen komponentin välillä koko kytkinlaitteen käyttöiän aj an.

Siten keksinnön kohteena on optisen kuidun ja puolijohdema-teriaalisirusta muodostuvan optoelektronisen komponentin välinen kytkinlaite, johon optisen kuidun ja optoelektronisen komponentin lisäksi kuuluu kotelo, joka sisältää sanotun komponentin, ja jonka sisään optinen kuitu on johdettu siten että sen pää tulee optiseen kytkentään optoelektronisen komponentin muodostavan puolijohdemateriaalisirun kanssa, ja välineet optisen kuidun kiinnittämiseksi koteloon takakiin-nityskohdassa, joka on sijoitettu optiseen kuituun lähelle sen optisesti puolijohdemateriaalisiruun kytkettyä päätä tämän pään pitämiseksi paikallaan kytkentäasemassa, etukiinni-tyskohdassa, joka on sijoitettu optiseen kuituun kohdassa, jossa se tuodaan kotelon seinämän läpi, niiden voimien vastustamiseksi, joita optiseen kuituun kohdistuu kotelon ulkopuolelta, ja ainakin yhdessä välikiinnityskohdassa, joka on sijoitettu kuituun taka- ja etukiinnityskohtien väliin vähentämään kotelon muodonmuutoksista, kuidun etukiinnityskoh-dassa optiseen kuituun kohdistuvien voimien siirtymistä takakiinnityskohtaan .

Optinen kuitu on edullista kiinnittää koteloon välikiinnityskohdassa samoinkuin takakiinnityskohdassakin käyttämällä sulamispisteeltään alhaista juotetta, ja sijoittaa välikiin-nityskohta sellaiselle etäisyydelle etukiinnityskohdasta, joka on olennaisesti kaksi kolmasosaa etu- ja takakiinnitys-kohtien välisestä etäisyydestä.

4

Keksinnön muut ominaispiirteet ja edut käyvät selvemmin ilmi seuraavasta sen erään esimerkinomaisen suoritusmuodon kuvauksesta, joka suoritetaan samalla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa:

Kuva l on kaaviomainen periaatekuvanto optisen kuidun kiinnittämisestä kahdessa kiinnityskohdassa aikaisemmin tunnetussa optisessa kytkinlaitteessa,

Kuva 2 on mekaaninen ekvivalenssikaavio, jota käyttäen voidaan johtaa yhtälöt mekaaniselle järjestelmälle, joka käsittää optisen kuidun pään kiinnittämisen kuvassa 1 esitetystä kahdesta kohdasta,

Kuva 3 on kaaviomainen periaatekuvanto optisen kuidun pään kiinnittämisestä kolmessa kiinnityskohdassa keksinnön mukaisessa optisessa kytkinlaitteessa,

Kuva 4 on mekaaninen ekvivalenssikaavio, jota käyttäen voidaan johtaa yhtälöt mekaaniselle järjestelmälle, joka käsittää optisen kuidun pään kiinnittämisen kuvassa 2 esitetystä kolmesta kohdasta,

Kuva 5 on päällyskuvanto keksinnön mukaisen kytkinlaitteen kotelosta, jonka sisällä on optoelektronisen komponentin muodostava puolijohdemateriaalisiru kytkettynä kolmesta kiinnityskohdasta - taka-, väli- ja etukohdasta - kiinnitetyn optisen kuidun päähän,

Kuva 6 on sivukuvanto kuvassa 5 esitetystä kotelosta kuvan 5 viivaa VI-VI pitkin leikattuna,

Kuvat 7A-7G esittävät kantaa, joka muodostaa optisen kuidun taka- tai välikiinnityskohdan, eri vaiheissa kun sen pinnalle muodostetaan vastus, jolloin kuvat 7A, 7C, 7E ja 7F ovat pystyleikkauksia ja kuvat 7B, 7D ja 7G päällyskuvantoja, 90802 5

Kuva 8 esittää perspektiivikuvantona juotoksen kiinnitysalu-etta, joka sijaitsee optisen kuidun pään kiinnityskannalla ja nähdään leikkauksena ja päältä kuvissa 7F ja 7G, ja

Kuva 9 esittää optisen kuidun pään kiinnityskantaa sen jälkeen kun pää on kiinnitetty juottamalla kuvassa 8 esitettyjen valmistelujen mukaan.

Kuvassa 1 on esitetty periaatekaavio optisen kuidun pään kiinnittämisestä kahdessa kiinnityskohdassa, kuten tavanomaisesti tehdään tekniikan tason mukaisissa kytkinlaitteissa. Kuvasta nähdään vaakasuora levy 10, joka esittää kytkinlaitteen kotelon pohjaa leikkauksena tasossa, joka sisältää optisen kuidun 11 pään koteloon työnnettynä. Levyn 10 toiseen päähän on alustan 12 kannattamana kiinnitetty optoelektroni-sen komponentin muodostava puolijohdemateriaalisiru 13. Levyn vastakkaisessa päässä on pystysuora reuna 14, joka kuvaa kotelon sitä sivuseinää, jonka läpi optisen kuidun 11 pää on johdettu. Kuitu on sijoitettu koteloon yhdensuuntaisesti levyn 10 kanssa, ja sen loppupää 15 on sijoitettu puolijohde-sirun viereen optisen kytkennän kannalta optimaaliseen asemaan. Se on kiinnitetty koteloon, ts. levyyn 10, loppupäänsä 15 vierestä kiinnityskohdassa, jota kutsutaan takakiinnitys-kohdaksi, ja paikassa, jossa se kulkee kotelon sivuseinän läpi, kiinnityskohdassa, jota kutsutaan etukiinnityskohdak-si.

Takakiinnityskohdassa optisen kuidun 11 pää lepää levyllä 10 kannan 16 välityksellä, johon se on kiinnitetty sulamispisteeltään alhaisella juotepisaralla 17. Etukiinnityskohdassa optisen kuidun 11 pää on juotettu kotelon sivuseinän läpäisevään ja siihen kiinnitettyyn putkeen 18.

Niiden voimien vaikutuskeskipistettä, jotka kotelon välityk^ sellä kohdistuvat optisen kuidun 11 päähän etukiinnityskohdassa, on merkitty A:11a, ja B:llä on merkitty niiden voi- 6 mien vaikutuskeskipistettä, jotka optisen kuidun pSSn välityksellä kohdistuvat sen kiinnitykseen takakiinnityskohdas-sa. x tarkoittaa kuidun pään akselin suuntaa kotelon sisällä silloin kun kotelossa ei tapahdu muodonmuutoksia, jotka muuttaisivat etu- ja takakiinnityskohtien suhteellisia asemia, ja y tarkoittaa x:n suhteen kohtisuoraa suuntaa kuvan tasossa.

Kun kotelossa tapahtuu mekaanisia muodonmuutoksia, jotka aikaansaavat siirtymiä suunnassa x ja siirtymiä suunnassa y etukiinnityskohdassa ja johtavat etu- ja takakiinnityskohtien suhteellisten asemien muutokseen, syntyy optisen kuidun 11 siinä osassa, joka sijaitsee näiden kahden kiinnityskohdan välissä, toisaalta venymiä tai kutistumia ja toisaalta taipumia. Ensimmäisenä oletuksena voidaan tarkastella erikseen vaikutusta, jonka etukiinnityskohdan siirtyminen suunnassa x aikaansaa, ja vaikutusta, jonka tämän kohdan siirtyminen suunnassa y aikaansaa. Ottaen huomioon sen, että järjestelmä on sylinterisymmetrinen, voidaan edelleen nähdä, että tapa, jolla se käyttäytyy kun etukiinnityskohta siirtyy y-suunnassa, edustaa myös tapaa, jolla se käyttäytyy kaikkien niiden siirtymien aikana, joita etukiinnityskohdassa tapahtuu kaikissa x-suunnan suhteen kohtisuorissa suunnissa.

Etukiinnityskohdan siirtymä X suunnassa x aikaansaa taka-kiinnityskohdan siirtymän Xb tässä samassa suunnassa x, tämän siirtymän Xb aikaansaadessa kytkennän huononemisen. Tässä tapauksessa optisen kuidun päähän kohdistuu kohdasta A x-suunnan suuntainen voima, ja niin kauan kuin se pysyy elastisen muodonmuutoksen alueella, mekaaninen järjestelmä, joka muodostuu optisen kuidun pään kiinnityksestä kahdessa pisteessä, on ekvivalenttinen kuvassa 2 esitettyyn järjestelmään, joka käsittää kaksi veto/puristusjousta 20 ja 21, jotka on kytketty sarjassa levyyn 10, ja joihin kohdistuu voima F, jolloin toinen jousista, 20, jonka jäykkyys on K, yhdistää levyn 10 kohtaan B takakiinnityskohdan kiinnityksen n 90802 7 veto- ja puristusjoustavuuden simuloimiseksi, ja toinen jousista, 21, jonka jäykkyys on k, yhdistää kohdat B ja A optisen kuidun pään sen osuuden, joka on etu- ja takakiinnitys-kohtien välillä, veto- ja puristusjoustavuuden simuloimiseksi. Tasapainossa järjestelmälle pätee yhtälö KXb : k (X-Xb) joka voidaan kirjoittaa muotoon:

Xb = I K k Jälkimmäinen yhtälö osoittaa, että Xb:n pitämiseksi pienenä X:ään verrattuna on takakiinnityspisteen kiinnitysjäykkyyden oltava suuri optisen kuidun pään osuuden jäykkyyteen k verrattuna, mikä ehto on helppo nähdä intuitiivisesti, jolloin Xb:lle pätee olennaisesti:

Xb.|x Käytännössä kuidun pään veto- ja puristusjäykkyys on noin 100 kertaa pienempi kuin takakiinnityspisteen kiinnitysjäykkyys, jolloin siirtymä Xb on sata kertaa pienempi kuin siirtymä X, ts. olennaisesti sata kertaa pienempi kuin optisen kuidun pituusmuutos etu- ja takakiinnityspisteiden välillä. Tämä ei kuitenkaan vielä riitä estämään kotelossa normaalikäytössä tapahtuvan muodonmuutoksen, aiheuttamia huomattavia muutoksia optisessa kytkennässä.

Etukiinnityspisteen siirtymä Y suuntaan y aikaansaa optisen kuidun pään sen osan taipumisen, joka sijaitsee näiden kahden ts. etu- ja takakiinnityskohtien välissä. Takakiinnitys-kohtaan kohdistuu tällöin kaksi voimaa, voima F' suunnassa 8 y, vastaten sen jousen palautusvoimaa, joka käsittää etu- ja takakiinnityspisteiden välissä olevan optisen kuidun pituuden, ja toisaalta taivutusmomentista aiheutuva momentti M.

Voima F' voidaan käytännössä jättää huomioimatta. Silikakui-dulla, jonka halkaisija on 125 /um ja kohtien A ja B välinen etäisyys d on 10 mm:n luokkaa, jotka ovat tavanomaisia arvoja, kuidun sen pään taivutusjäykkyys, joka on etu- ja taka-kiinnityskohtien välissä, on luokaltaan 10~4 kertaa se vetoja puristusjäykkyys, joka kuidulla on näiden kohtien välissä. Jotta tätä voimaa ei voisi jättää huomioonottamatta, tulisi teoreettisen siirtymän Y huomattavasti ylittää se raja, jossa kuidun pää murtuu.

Mekaaninen järjestelmä, joka muodostuu optisen kuidun pään kiinnittämisestä kahdessa pisteessä, voidaan siten esittää kahden jousen mallilla kuvan 2 järjestelmän mukaisesti, jolloin jouset tässä kuitenkin ovat vääntöjousia, joihin kohdistuu momentti M. Tasapainossa tämä järjestelmä toteuttaa yhtälön GW) * g(9-0b) jossa G on vääntöjousen jousivakio, joka simuloi takakiinni-tyskohdan kiinnityksen taivutusjoustavuutta, g on sen vääntöjousen vastaava, joka simuloi etu- ja takakiinnityskohtien välissä sijaitsevan kuidun pään osuuden taivutusjoustavuutta, Θ on suhde Y/d, joka käytännössä on pieni verrattuna yhteen, ja jota voidaan pitää optisen kuidun pään kulmapoikkea-mana sen etukiinnityskohdassa, ja qb on optisen kuidun pään kulmapoikkeama takakiinnityspisteessä, jonka siirtymä Y aiheuttaa .

Edellinen yhtälö voidaan kirjoittaa muotoon

II

90802 9 •·3γ g josta nähdään, että jotta ©b olisi pieni suhteessa 6:aan, on vakion G oltava suuri suhteessa vakioon g, jolloin 6b:lie pätee olennaisesti 9b : S.Q : ^ G * Gd Käytännössä vakio G on noin 100 kertaa suurempi kuin vakio g, jolloin kulmapoikkeama 0b on noin 100 kertaa pienempi kuin suhde Y/d. Tämä ei kuitenkaan vielä riitä estämään kotelon muodonmuutosten, jotka aiheuttavat kuidun pään taipumisen ja syntyvät erityisesti koteloa alustaansa kiinnitettäessä, samalla aikaansaamia huomattavia muutoksia optiseen kytkentään.

Kuva 3 esittää periaatekaaviota optisen kuidun pään kiinnittämisestä kolmesta kiinnityskohdasta, kuten se tehdään tämän keksinnön mukaisessa kytkinlaitteessa. Kuvassa 3 on kuvaa 1 vastaavat osat esitetty samoilla viitenumeroilla, ja lisäksi siinä on esitetty kuidun 11 pään lisäkiinnitys välikiinni-tyskohdassa, jossa se on kiinnitetty levyyn 10 kiinnitettyyn kantaan 26 sulamispisteeltään alhaisella juotepisaralla 25.

C tarkoittaa jälleen niiden voimien vaikutuskeskipistettä, joita optisen kuidun pää kohdistaa kiinnitykseensä välikiin-nityskohdassa.

Kuten edellä tapauksessa, jossa optisen kuidun pään kiinnitys tapahtui kahdessa kiinnityspisteessä, tarkastellaan nytkin peräkkäin etukiinnityskohdan siirtymän vaikutuksia ensin suunnassa x ja sitten sen vaikutuksia suunnassa y.

10

Etukiinnityskohdan siirtymä X suunnassa x aikaansaa vastaavasti väli- ja takakiinnityskohtien siirtymät Xc ja Xb tässä samassa suunnassa. Joustavien muodonmuutosten alueella mekaaninen järjestelmä, joka muodostuu tässä optisen kuidun pään kiinnityksestä kolmessa kohdassa, ts. etu- taka- ja vä-likohdassa, on tällöin ekvivalenttinen kuvassa 4 esitetyn neljän veto/puristusjousen järjestelmän kanssa, jotka jouset on kiinnitetty levyyn 10, ja joihin kohdistuu voima F, jolloin kolme jousta 30, 31 ja 32 on kiinnitetty sarjaan ja neljäs 33 on kiinnitetty jousien 31 ja 32 kanssa rinnakkain. Ensimmäinen jousi 30, jonka jäykkyys on Kl, ja joka liittää levyn 10 kohtaan B, simuloi kiinnityksen veto/puristusjoustavuutta takakiinnityskohdassa. Toinen jousi 31, jonka jäykkyys on kl, ja joka yhdistää kohdat B ja C, simuloi optisen kuidun 11 pään sen osuuden veto/puristusjoustavuutta, joka sijaitsee taka- ja välikiinnityskohtien välissä. Kolmas jousi 32, jonka jäykkyys on k2, ja joka yhdistää kohdat C ja A, simuloi optisen kuidun 11 pään sen osuuden veto/puristusjoustavuutta, joka sijaitsee väli- ja etukiinnityskohtien välissä. Neljäs jousi 33, jonka jäykkyys on K2, ja joka yhdistää levyn kohtaan C, simuloi kiinnityksen veto/puristus-jäykkyyttä välikiinnityskohdassa. Kun F2:lla merkitään sitä voiman F komponenttia, joka vastaa kiinnityksen joustavasta muodonmuutoksesta välikiinnityskohdassa, ja Flrllä voiman F jäljelle jäävää komponenttia, voidaan järjestelmän tasapainotilassa kirjoittaa yhtälöryhmä: F = k2(X-Xc) F = FI + F2 F2 = K2Xc F1 = KlXb F1 = kl(Xc-Xb)

Poistamalla jäsenet F, FI, F2 ja Xc voidaan saada yhtälö: li 90802 11 — - i K1K2 K1+K2 ΚΙ Xb - 1 + k1k2 + “kT * in

Koska optisen kuidun osuuksien jäykkyydet kl, k2 ovat kääntäen verrannollisia niiden pituuteen, voidaan kirjoittaa ja 112 df jossa dl on kohtien B ja C välinen etäisyys, ja d2 on kohtien A ja C välinen etäisyys. Siten saadaan I . K1K2 d1d2 (K1+K2)d2 Kldl ,,Λ

Xb* ’ * —* -M— * -ir (1) tai, koska kolmas, välikiinnityskohta, on etu- ja takakiin-nityskohtien välissä: dl s d-d2 ~ = - K1K2 d2 fJ1K2 kV.» K1 i xb -*T + Ia * = T * ^ välikiinnityskohdan optimiasema on se, jossa jäsen X/Xb on maksimi, ts. asema jossa edellisen yhtälön derivaatta d2:n suhteen, joka on välikiinnityspisteen etäisyys etukiinnitys-pisteestä, on nolla. Tämän derivaatan arvo on: 12 2K1 K2 d2 K1fC2 K2 ' 2 2 + , 2^ + kd lTd tai r K1K2 2d2 , k

A

L ^ ja se on nolla kun d2 1 Λ j\

d = 2 ^1 + K1 J

Koska kerroin k/Kl on käytännössä pieni yhteen verrattuna, on välikiinnityskohdan optimiasema olennaisesti keskiasema dl s d2 = |

Kun välikiinnityskohta on keskellä, voidaan takakiinnitys-kohdan joustava siirtymä Xb ilmaista siirtymän X funktiona seuraavalla approksimaatiosuhteella: * ss *

Jotta helpotettaisiin vertailua tavanomaisen kaksikohtaisen kiinnityksen kanssa, voidaan tässä tapauksessa välikohdan kiinnitykselle antaa sama veto/puristusjäykkyys kuin taka-kiinnityskohdalla on

K2 = Kl = K

Siten

Xb = « (| )2 X

Käytettäessä jälleen käytännön oletusta, että suhde K/k on suuruusluokaltaan 100, huomataan, että takakiinnityskohdan siirtymä on kaksikymmentäviisi kertaa pienempi kuin kahden 90802 13 kiinnityskohdan tapauksessa, kun olisi voinut olettaa, että välikiinnityskohdan lisääminen olisi pienentänyt siirtymää Xb ainoastaan puolella, kuten itse asiassa olennaisesti tilanne onkin, jos välikiinnityskohta siirretään lähelle taka-kiinnityskohtaa, kuten yhtälöstä (1) nähdään antamalla Dl:n lähestyä nollaa ja d2:n d:tä.

Yhtälöstä (l) voidaan käytännössä nähdä, että suhde X/Xb vaihtelee vain vähän silloin kun välikiinnityskohdan etäisyys d2 suhteessa etukiinnityskohtaan on välillä 0,3-0,7d.

Jos sitten tarkastellaan etukiinnityskohdan siirtymää Y suunnassa y silloin kun optisen kuidun pää on kiinnitetty kolmessa kiinnityskohdassa, voidaan samoinkuin kahden kiinni-tyspisteen tapauksessa jättää huomioonottamatta takakiinni-tyskohtaan kohdistuva y-suunnan kanssa samansuuntainen voima. Joustavien muodonmuutosten alueella voidaan tämän kolmen kiinnityskohdan mekaanisen järjestelmän mallina pitää kuvassa 4 esitettyä vastaavaa neljän jousen järjestelmää, jolloin jouset kuitenkin tässä tapauksessa ovat vääntöjousia, joihin kohdistuu momentti M. Jos M2 on momentin se komponentti, joka vastaa välikiinnityskohdan kiinnityksen joustavasta muodonmuutoksesta, ja Ml on momentin M jäljelle jäävä komponentti, 0c kuidun pään kulmapoikkeama välikiinnityskohdan tasolla, Gl ja G2 vääntöjousivakioita, jotka simuloivat vastaavasti taka- ja välikiinnityskohtien kiinnitysten taivutus j oustavuutta , ja gl ja g2 vääntöjousivakioita, jotka simuloivat kuidun pään sen osuuden taivutusjoustavuutta, joka sijaitsee vastaavasti taka- ja välikiinnityskohtien sekä väli- ja etukiinnityskohtien välillä, voidaan tämän järjestelmän tasapainotilanteessa kirjoittaa yhtälöryhmä: 14 M = g2(Θ-Gc) M = Ml + M2 M2 = G20C Ml = Glqb Ml = gl(0c-0b)

Poistamalla jäsenet M, Ml, M2 ja ©c voidaan kirjoittaa yhtälö Θ , G1G2 G1+G2 G1 9b = 1 + g1g2 + g2 + g1 koska vakiot gl ja g2 ovat kääntäen verrannollisia niiden kuidun pään osuuksien pituuteen, joita ne koskevat, voidaan kirjoittaa: d „ d s 8 dl 82 s g d2

Korvaamalla yhtälössä (2) gl ja g2 näillä arvoilla ja Θ Y/d:llä, saadaan: -I . . GlG2dld2^ (0L02M22 01d1d2 *» g2 „2 -id- * ~id- (3> tai, ottaen huomioon yhtälö dl s d-d2, J!d! . . S§, d2 . 21 * ,

e» l e2 d2 ,2d 8,1 8 J

Välikiinnityskohdan optimiasema on se, jossa suhde Y/©b on maksimi. Derivaatta d2:n suhteen edellisen yhtälön oikeanpuoleisesta osasta voidaan ilmaista: '*«*«*“ * * a,e * -i*’ d2:n suhteen ratkaistuna tällä derivaatalla on kaksi juurta, ja suhteella Y/6b on maksimi sillä, jonka arvo on 90802 15

I ♦2 sf + 3 of * 3 crcz + -^z' - cf J

Koska jäsenet g/Gl ja g/G2 ovat käytännössä hyvin pieniä yhteen verrattuna, on välikiinnityskohdan optimiasema tällöin olennaisesti: d2 = | d d2:n tällä arvolla voidaan kulmapoikkeama 0b ilmaista siirtymän Y funktiona approksimaatioyhtälöllä: 9b = SL _si 1 4 G1G2 d

Vertailun helpottamiseksi tavanomaisen kiinnityksen kahdessa kiinnityskohdassa kanssa voidaan välikiinnityskohdan kiinnityksen tapauksessa käyttää samaa taivutusjäykkyyttä kuin ta-kakiinnityskohdan kiinnityksessä

Gi 8 °2 8 G

jolloin * f(S)‘ i Käyttäen jälleen käytännön oletusta, että suhde G/g on suuruusluokaltaan 100, nähdään, että kuidun pään kulmapoikkeama Ob takakiinnityskohdassa on olennaisesti viisitoista kertaa pienempi kuin kahden kiinnityskohdan tapauksessa, kun olisi voinut olettaa, että lisäkiinnityskohdan lisääminen pienentäisi kulmapoikkeamaa Ob vain puolella, mikä itse asiassa onkin asianlaita silloin kun välikiinnityskohta siirretään lähelle takakiinnityskohtaa, kuten yhtälöstä (3) voidaan nähdä antamalla dl:n lähestyä nollaa ja d2:n d:tä.

Käytännössä yhtälöstä (3) nähdään, että suhde Y/6b vaihtelee vain vähän silloin kun etäisyys d2 on välillä 0,5d-0,8d.

16

Kokonaisuutena katsoen voimat, joita kuitu kohdistaa taka-kiinnityskohdan kiinnitykseen, vaihtelevat vaikutukseltaan vain vähän silloin kun etäisyys d2 on välillä 0,5-0,7d. Tämän huomioonottaen välikiinnityskohdan asema on mahdollista optimoida tällä välillä muut tekijät huomioonottaen, kuten kuidun pään murtumisriskin etu- ja välikiinnityskohtien välillä, joka kasvaa näiden kahden kohdan lähestyessä toisiaan, ja edun, joka saadaan kun välikiinnityskohta ja takakiinni-tyskohta sijoitetaan samalle lohkolle, kuten esimerkiksi, kuten jäljempänä kuvataan, levylle, joka on kiinnitetty Peltier-moduuliin, joka stabiloi optoelektronisen komponentin lämpötilan, jos tällaista moduulia käytetään. Tämä etu on tuloksena tarpeesta välttää väli- ja takakiinnityskohtien välisiä suhteellisia siirtymiä, jotka synnyttäisivät uusia voimia, jotka vaikuttaisivat suoraan takakiinnitykseen.

Edelliset ja mahdollisen Peltier-moduulin sopivaan mitoitukseen liittyvät tarkastelut huomioonottaen välikiinnityskohdan suositeltava asema sijaitsee etukiinnityskohdasta etäisyydellä, joka on olennaisesti kaksi kolmasosaa takakiinni-tyskohdan ja etukiinnityskohdan välisestä etäisyydestä, ts.

d2 = | d

Lisäksi, optisen kytkennän edelleen stabiloimiseksi taka- ja etukiinnityskohtien voimapari keskitetään keskelle koteloa sen pituussuunnassa, ts. suunnassa x.

Kuvat 5 ja 6 esittävät näiden järjestelyjen käytännön toteutusta. Kuvissa nähdään laitteen kotelo 40, joka on valmistettu sellaisesta metalliseoksesta, joka mahdollistaa lasin tai keraamin kiinnityksen, ja johon kuuluu vaakasuora pohja 40a, kaksi pystysuoraa sivuseinää 40b, joiden läpi kulkevat sähköliitäntäliuskat 41 lasi- tai keraamieristeiden välissä, etuseinä 40c, jolla tietyllä korkeudella on vaakasuora lä-päisyputki 42, jonka läpi optisen kuidun pää 43 voidaan työn- 90802 17 tää sisään, ja takaseinä 40d. Johdinlangat 44 huolehtivat kotelon sisäisistä sähköliitännöistä liitäntäliuskojen 41 ja eri komponenttien välillä.

Kotelon 40a pohjaan on kiinnitetty levy 45, joka muodostuu Peltier-moduulista, jonka tarkoitus on optoelektronisen komponentin jäähdytys ja lämpötilan säätö, mutta joka voisi myös olla lämpöä johtava lohko, joka toimii lämmönpoistaja-na. Sähköä eristävä mutta hyvin lämpöä johtava keraamilevy 46, joka on esimerkiksi berylliumoksidia BeO, peittää ainakin osan levystä 45 ja muodostaa kiinnitysalustan, joka on noin 10 mm pitkä ja 7 mm leveä, optoelektroniselle komponentille ja sen kanssa optisesti kytketyn optisen kuidun pään 43 kiinnitysosille.

Levylle 46 on sijoitettu suorakulmaisesta liuskasta muodostuva alusta 47 lähelle sen keskiosaa kotelon takaseinän 40d puolelle, ja se ulottuu kohtisuorassa optisen kuidun 43 suuntaan nähden. Se on valmistettu samasta hyvin lämpöä johtavasta keraamimateriaalista kuin levy 46. Se on kiinnitetty tähän levyyn 46 juottamalla ja sijaitsee läpäisyputken 42 korkeudella ja kannattaa putken akselin kohdalla siihen juotettua puolijohdemateriaalisirua 48, joka muodostuu laserdio-dista, joka lähettää päävalonsäteen kohti kotelon etuosaa ja lisävalonsäteen kohti sen takaosaa.

Levylle 46 alustan 47 taakse on sijoitettu valodiodi 49 la-serdiodista tulevan lisävalonsäteen säteilykenttään, ja se antaa valonsäteen voimakkuuden säätösignaalin, joka on tarkoitettu laserdiodin toimintapisteen säätölaitteelle.

Levylle 46 on järjestetty peräkkäin kaksi suorakaiteen muotoista kantaa 50, 51 alustan 47 eteen kohtisuorassa optisen kuidun pään 43 suuntaan nähden. Ne sijaitsevat läpäisyputken 42 kohdalla ja niillä aikaansaadaan optisen kuidun pään 43 taka- ja välikiinnitys. Tätä varten ne ovat sähköä eristäviä, 18 ja niiden pinnalla on sähkövastukset 54, 53, joiden päällä on sulamispisteeltään alhaiset juotepalat 56, 55, jotka sulatettuina leviävät optisen kuidun pään 43 yli ja kiinnittävät sen.

Suorakaiteen muotoinen kanta 50, joka on lähinnä puolijohdemateriaalia olevaan siruun kytkettyä optisen kuidun 43 lop-pupäätä, ja joka on tarkoitettu takakiinnitystä varten, on noin 10 mm:n etäisyydellä läpäisyputken 42 sisäpäästä, joka toimii etukiinnityskohtana. Suorakaiteen muotoinen kanta 51, joka on tarkoitettu välikiinnitystä varten, on noin 3,2 mm:n päässä kannasta 50, jolloin nämä kaksi kantaa 50 ja 51 ovat samalla etäisyydellä kotelon 40 keskiosasta sen pituussuunnassa .

Näiden kahden kannan 50 ja 51 väliin sijoitettu termistori 52 lähettää lämpötilan säätösignaalin, joka on tarkoitettu levyn 45 muodostamalle säätölaitteelle, joka käsittää Pel-tierefektimoduulin. Se voidaan jättää pois silloin kun tällaista moduulia ei käytetä ja se on korvattu lämpöä johtavalla lohkolla.

Suorakaiteen muotoiset kannat 50 ja 51 on valmistettu keraamista, joka johtaa huonosti lämpöä, jotta niiden päällä olevien vastuksien 53, 54 luovuttama lämpö käytettäisiin olennaisesti vain juotepalojen 56, 55 sulattamiseen. Ne on valmistettu esimerkiksi kaupallisesta vitrokeraamista, jota MINNESOTA RUBBER FRANCE myy tavaramerkillä MACOR, ja jonka lämmönjohtokyky on 0,02 W/cm.K.

Vastuksien 54, 53 valmistamiseksi suorakaiteenmuotoisille kannoille 50, 51 suoritetaan seuraavat peräkkäiset käsittelyt, joita on havainnollistettu suorakaidekannan 50 tapauksessa kuvilla 7A-7G.: - Valmistellaan pinta, jonka on oltava hyvin tasainen ja seostetaan noin 130 nm:n (nanometrin) kerros NiCr-seosta ohuen, 90802 19 resistiivistä metallia olevan kerroksen 60 muodostamiseksi (kuva 7A).

- Syövytetään tätä kerrosta siten, että sen jäljelle jäävä osa muodostaa kuumennusvastuksen 54 (kuva 7b).

- Saostetaan noin 700 nm:n silikakerros 61 (kuva 7C), joka muodostaa suojasähköeristeen.

- Syövytetään tätä kerrosta siten, että sen jäljelle jäävä osa 62 (kuva 7D) jättää kuumennusvastuksen 54 päät paljaiksi .

- Saostetaan noin 100 nm:n kiinnityskerros NiCr-seosta ja sen päälle noin 500 nm:n kultakerros 63 (kuva 7E).

- Syövytetään tämä kerros 63 siten, että sen jäljelle jäävät osat muodostavat kiinnitysalueen 64 juotteelle sekä kaksi kohdistuspistettä 65, 66 kuidun päälle, ja navat 67, 68 kuu-mennusvastukselle 54 (kuvat 7F ja 7G).

Juotteen kiinnitysalue 64 muodostaa soikiomaisen noin 600 /um x 900 /um olevan alan, joka on suunnattu optisen kuidun pään 43 akselin mukaan, ja kohdistuspisteet 65, 66 muodostuvat kahdesta nuolesta, jotka on suunnattu kummaltakin puolelta kuidun pään akselin suunnassa kiinnitysalueen 64 soikioon päin.

Kuvan 8 mukaisesti sijoitetaan kiinnitysalueelle optisen kuidun pään päälle kaarimaiseksi esimuotoiltu pala juotema-teriaalia. Tämä kaarimainen noin 0,05 mm:n paksuinen pala voi olla indium-lyijy-hopea-seosta (80 % indiumia, 15 % lyijyä ja 5 % hopeaa), jolla on alhainen sulamispiste.

Esimuotoillun palan 70 kaaren 70a alta kulkevan optisen kuidun pää 43 on kiinnitysalueen 64 osuudella päällystetty metallisella kiinnityshylsyllä 77, joka voi muodostua NiCr-seosta olevasta kerroksesta, joka itse on päällystetty kul-takerroksella samalla tavalla kuin kiinnitysalue 64.

Optisen kuidun pään 43 kiinnitys kantaan 50 on esitetty kuvassa 9 lopullisena rakenteena sen jälkeen kun juotos on suoritettu.

20 Tätä varten syötetään vastukseen 54 sähkövirta, jolloin vastus kuumentaa juotepalan kunnes se sulaa ja peittää optisen kuidun pään 43 ja kiinnittyy samanaikaisesti kannan 50 kiin-nitysalueeseen 64 ja optisen kuidun pään 43 metalliseen kiinnity shylsyyn 77.

Lopuksi suoritetaan optisen kuidun pään 43 asennus kytkin-laitteen koteloon 40. Alun alkaen se käsittää sen, että koteloon 40 tuodaan putken 42 kautta optisen kuidun yksi pää 43, joka on varustettu metallisella kiinnitysvaipalla 77 kantojen 50, 51 arvioiduilta kohdilta, ja pää tuodaan lähelle optista kytkentäasemaansa puolijohdesirun 48 kanssa. Tämän jälkeen optisen kuidun päätä 43 pidetään kotelon 40 sisässä mikromanipulaattorin pihdeissä, jotka tarttuvat siihen raossa, joka on läpäisyputken 42 ja välikiinnityskohdan määrittelevän kannan 51 välissä välin päässä kannasta 50, jotta kuidun pää voi taipua elastisesti ja murtumatta juotteen kutistumisen vaikutuksesta kannalla 50. Se asetetaan mikromanipulaattorin avulla optimaaliseen optiseen kytkentäasemaan ohjaamalla sitä saatujen optisen kytkennän muutosten mukaan, minkä jälkeen se kohotetaan juottoasentoon juotteen kutistumisen kannalla 50 huomioonottamiseksi. Sitten asetetaan esimuotoiltu juotepala paikalleen optisen kuidun päälle kannan 50 kiinnitysalueella, ja suoritetaan juottaminen kantaan 50 ja kiinnitetään optisen kuidun pää 43 näin takakiinnityskoh-taansa.

Kun takakiinnityskohta on kiinnitetty, mikromanipulaattori poistetaan, optisen kuidun pään 43 päälle asetetaan esimuotoiltu juotepala kannan 51 kiinnitysalueella, ja suoritetaan juottaminen tähän kantaan 51 ja kiinnitetään kuidun pää 43 näin välikiinnityskohtaansa.

Kun optisen kuidun pää 43 on kiinnitetty taka- ja välikiin-nityskohtiinsa, se juotetaan läpäisyputkeen 42, ja kiinnitetään näin etukiinnityskohtaansa, jolloin sen asennus on loppuunsaatettu.

90802 21

Keksinnön piiristä irtaantumatta on mahdollista muuttaa tiettyjä järjestelyjä tai korvata tietyt välineet ekvivalentti-silla välineillä. Erityisesti voidaan käyttää useampia kuin kahta kantaa kaapelin pään kiinnittämiseksi koteloon, jolloin se tulee kiinnitetyksi useisiin välikohtiin.

Claims (3)

22

1. Optisen kuidun (43) ja puolijohdemateriaalisirusta (48) muodostuvan optoelektronisen komponentin välinen kytkinlaite, johon optisen kuidun ja optoelektronisen komponentin lisäksi kuuluu kotelo (40), joka sisältää sanotun komponentin, ja jonka sisään optinen kuitu on johdettu seinän (40c) läpi siten että sen pää (43) tulee optiseen kytkentään puolijoh-demateriaalisirun (48) kanssa, ja välineet optisen kuidun kiinnittäniseksi koteloon takakiinnityskohdassa (50), joka on sijoitettu suoraan optiseen kuituun lähelle sen optisesti puolijohdemateriaalisiruun kytkettyä loppupäätä tämän pään pitämiseksi paikallaan kytkentäasemassa, ja etukiinnityskoh-dassa (40c), joka on sijoitettu suoraan optiseen kuituun kohdassa, jossa se tuodaan kotelon seinämän läpi, niiden voimien vastustamiseksi, joita optiseen kuituun kohdistuu kotelon ulkopuolelta, tunnettu siitä, että siihen kuuluu lisäksi kiinnitysvälineet ainakin yhdessä välikiinni-tyskohdassa (51), joka on sijoitettu suoraan optiseen kuituun taka- ja etukiinnityskohtien (50, 40c) väliin vähentämään kotelon (40) muodonmuutoksista, kuidun etukiinnityskoh-dassa optiseen kuituun kohdistuvien voimien siirtymistä ta-kakiinnityskohtaan.

2. Vaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että välikiinnityskohta (51) on sijoitettu etukiinnityskohdasta (40c) etäisyydelle, joka on 0,5-0,7 kertaa se etäisyys, joka erottaa etu- ja takakiinnityskohdat toisistaan.

3. Vaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että välikiinnityskohta (51) ja takakiinnityskohta (50) on sijoitettu samalle aluslevylle. I; 90802 23