KR0123210B1 - 광섬유와 광-전자 소자 사이의 결합 장치 - Google Patents

Abstract

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Description

광섬유와 광-전자 소자 사이의 결합 장치

제1도는 종래의 광학 결합 장치에서 일정 길이의 광섬유 인입선이 2개의 고정점에 고정되는 방법을 도시한 이론적인 도면.

제2도는 제1도에 도시한 2개의 고정점에 일정 길이의 광섬유를 고정시킴으로써 구성된 기계적 시스템에 대한 방정식을 유도하는데 사용되는 기계적인 등가 도면.

제3도는 본 발명에 따른 광학 결합 장치의 3개의 고정점에 고정되는 일정 길이의 광섬유의 이론적인 도면.

제4도는 제3도에 도시한 3개의 고정점에 일정 길이의 광섬유를 고정시킴으로써 구성된 기계적 시스템에 대한 방정식을 유도하기 위한 기계적인 등가 도면.

제5도는 하우징 내측에서 3개의 고정점(전방,중간, 및 후방)에 고정된 일정 길이의 광섬유 인입선에 결합된 광-전자 소자의 반도체 재료 칩을 도시한 본 발명에 따른 결합 장치의 하우징의 평면도.

제6도는 제5도의 선 VI-VI을 따라 절취한 제5도의 하우징의 수직 단면도.

제7a도 내지 제7g도는 패드상에 표면 저항을 형성하기 위한 연속 단계 중에 광섬유에 대한 후방 또는 중간 고정점을 구성하는 패드를 도시한 것으로, 제7a도, 제7c도, 제7e도 및 제7f도는 수직 단면도이고, 제7b, 제7d도 및 제7g도는 평면도.

제8도는 일정 길이의 광섬유에 대한 고정용 패드 상에 배치된 것으로, 제7f도 및 제7g도에 단면도 및 평면도로 도시한 바와 같은 납땜을 위한 키잉(keying) 영역의 사시도.

제9도는 제8도에 도시한 설비에 따라 납땜하여 일정 길이의 광섬유가 고정된 후의 일정 길이의 광섬유에 대한 고정용 패드의 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

40 : 하우징 41 : 전기 접속 도선

42 : 수평 공급 튜브 43 : 광섬유

45 : 슬랩 48 : 반도체 재료 칩

본 발명은 하우징내에 장착되며 하우징의 벽을 통과하는 일정 길이의 광섬유 인입선(lead-in)에 광학적으로 결합된 반도체 재료의 칩 형태인 광-전자 소자로 이루어진 결합 장치에 관한 것이다.

광-전자 소자와 일정 길이의 광섬유 사이의 광학 결합에서는, 광섬유의 단부가 광-전자 소자를 구성하는 반도체 재료의 칩에 관련해서 매우 정확하게 배치되어야 하는데, 광섬유가 단일 모드(monomode) 섬유인 경우에 3dB 이상의 결합 손실을 발생시키는 데에는 약 1μm의 오차면 충분하다. 이러한 위치 결정이 달성되었을 때, 이것은 하우징의 내부에 소자 및 광섬유를 고정시키는 수단에 의해 보유 및 유지되어야 한다.

일반적으로, 광-전자 소자를 구성하는 반도체 재료의 칩을 베이스상에 배치시키는 것으로 공정이 시작되어, 하우징의 저부 상에 베이스를 고정시키며, 다음에 얻어진 광학 결합 효율의 변화에 의해 유도되는 동안 마이크로 조정기를 사용하여 반도체 재료의 칩에 관련한 일정 길이의 광섬유의 단부의 위치 결정을 조정한다.

그 이후, 일정 길이의 광섬유가 고정된다. 이것은 광-전자 소자를 구성하는 반도체 재료의 칩에 관련해서 일정 길이의 광섬유의 단부의 위치 결정시 가능한 한, 적은 변화로 광섬유를 고정시켜야 하기 때문에 어려운 작업이다. 이것을 행하는 한가지 방법이 프랑스 특허 출원 제85 07 793호에 기술되어 있는데, 일정 길이의 광섬유를 처음에 반도체 재료의 칩에 접한 단부에 밀접한 후방고정점(holding point)이라고 하는 제1지점에 고정시키고, 다음에 광섬유가 하우징의 벽을 통하여 나가도록 배치된 전방고정점이라고 하는 제2지점에 고정시키는 것을 포함한다. 제1 또는 후방 고정점은 뒤이은 재조정을 수행하게 되고 초기 위치에 밀접한 최종 위치에 인접하는 것을 가능하게 하는 땜납으로 구성되지만, 이것은 안전하지 않고 충분히 강하지 않은 방식으로 광섬유를 고정하므로, 탄성 또는 소성 변위를 생기게 하고, 일정 길이의 광섬유 인입선이 아주 경미한 응력을 받을 때마다 광섬유의 단부가 최적의 결합 영역에서 벗어나게 한다. 제2, 즉 전방고정점은 하우징 외부로부터 광섬유에 미치는 힘을 견디도록 되어 있다. 이것은 하우징의 벽에 자체가 결합되는 공급(feedthrough) 튜브 내부의 벽을 통과하는 광섬유를 납땜하므로써 제1지점보다 더욱 강하게 만들어진다.

이 고정 방법은 하우징 내부의 일정 길이의 광섬유에 힘이 미치지 않는 한, 광-전자 소자와 일정 길이의 광섬유 사이에 양호한 광학 결합을 유지시키는 작용을 한다.

불행하게도, 일반 사용 조건하에서, 이러한 힘은, 온도 변화가 있을 때마다 하우징 내부의 일정 길이의 광섬유와 하우징 자체의 저부사이의 팽창 차이, 특히 하우징이 제 위치에 고정되어 있는 동안 하우징이 받는 기계적 변형, 및 하우징 외측으로부터 일정 길이의 광섬유에 가해지는 인력 때문에 생긴다.

프랑스 특허 출원 제85 10 479호에는 하우징이 일정 길이의 광섬유의 축을 따라 열적으로 팽창하거나 수축하는 경우에 하우징 내부의 광섬유에 미치는 인력 또는 압축력을 제거하는 방법에 대해 기술되어 있는데, 이것은 하우징의 저부와 하우징 내부의 일정 길이의 광섬유 사이의 팽창 차이를 보상하는 온도 보상 암(arm)을 이용하여 광섬유가 하우징의 벽을 통과하는 곳에 전방 고정점을 제공하므로써 행해진다. 온도 보상 암을 제작하기 어렵다는 사실은 별문제로 하고, 이 고정 방법은 하우징의 후방 고정점상에 일정 길이의 광섬유에 의해 하우징 내측에 가해진 그외 변경되지 않는 힘, 예를 들어 온도 변화에 의한 복본위제(bimetallic)형 만곡 또는 순수하게 기계적 원인으로 인한 하우징의 변형으로 인한 힘이 남게 된다는 결점을 갖고 있다.

본 발명의 목적은 결합 장치의 유용한 수명시간 동안 일정 길이의 광섬유와 광-전자 소자 사이에 최적의 광학 결합을 보존하기 위해 하우징의 일반 저장 및 사용 조건하에서 일정 길이의 광섬유에 의해 하우징의 후방 고정점상에 가해진 힘을 감소시키는 것이다.

본 발명은 상기 광섬유와 상기 광-전자 소자에 부가하여, 상기 광-전자 소자를 함유하며, 상기 광섬유가 벽을 관통하여 있어 상기 광섬유의 일 단부가 반도체 재료(48)의 칩과 광학 결합되게 하는 하우징(40)과, 상기 광섬유를 적어도 세 개의 이격된 고정점들에서 상기 하우징에 고착시켜 고정하기 위한 수단을 포함하고, 상기 고정점들은, 상기 반도체 재료의 칩과 광학적으로 결합된 단부 부근에서 상기 광섬유상에 직접 위치되어 상기 단부를 그 결합 위치에 고정하기 위한 후방 고정점과, 상기 하우징의 외부로부터 상기 광섬유에 가해진 외력을 견디게 하기 위해서 상기 하우징의 벽을 관통하는 상기 광섬유상에 직접 위치되는 전방 고정점과, 상기 하우징상의 변형에 의해 상기 전방 고정점에서의 상기 광섬유에 가해진 외력이 상기 후방 고정점에 전송되는 것을 감쇄하기 위해 상기 후방 고정점과 상기 전방 고정점사이의 광섬유상에 직접 위치되는 적어도 하나의 중간 고정점을 포함하는 광섬유와 광-전자 소자 사이의 결합 장치를 제공한다.

땜납에 의해 후방 고정점에서와 같이, 중간 고정점에서 하우징에 광섬유를 고정시키고, 이 중간 고정점을, 전방 및 후방 고정점들 사이의 거리의 2/3와 대략 동일한 거리 전방 고정점에서 이격시켜 배치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 예로서 제공된 실시예의 다음 설명에 의해 명백하게 된다. 이 설명은 첨부 도면을 참조하여 기술되어 있다.

제1도는 종래 기술의 결합 장치에서 종래 행해진 바와 같이 2개의 고정점에 고정되는 일정 길이의 광섬유를 도시한 이론적인 도면이다. 이 도면은 하우징 내로 관통하는 광섬유(11)부분을 함유하는 평면상의 단면으로 나타낸 결합 장치의 하우징의 저부를 나타내는 수평 슬랩(slab;10)을 도시한 것이다. 한 단부에서는, 슬랩(10)이 광-전자 소자를 구성하는 반도체 재료의 칩(13)을 지지하는 베이스(12)를 보유한다. 이것의 다른 단부는 광섬유(11)가 통과하는 하우징의 측벽을 나타내는 수직 연부(14)를 포함한다. 광섬유는 슬랩(10)에 평행하게 하우징 내부로 연장되어, 광섬유의 단부(15)가 광학 결합을 위한 최적 위치에서 반도체 재료의 칩(13)에 인접하여 배치된다. 광섬유는 후방고정점이라고 하는 고정점에서는 단부(15) 부근에서, 그리고 전방고정점이라고 하는 고정점에서는 하우징의 측벽을 통과하는 곳에서 하우징에, 즉, 슬랩(10)에 고정된다.

후방 고정점에서, 일정 길이의 광섬유(11)가 이 광섬유가 땜납(17)의 방울에 의해 고정되는 패드(16)을 통하여 슬랩(10)상에 직립한다. 전방 고정점에서, 광섬유(11)은 하우징의 측벽을 통과하는 공급 튜브(18) 내부에 납땜되어 하우징의 측벽에 결합된다.

문자 A는 전방 고정점에서 하우징에 의해 일정 길이의 광섬유(11)상에 미치는 힘의 인가 중심부를 나타내고, 문자 B는 후방 고정점에서 일정 길이의 광섬유(11)에 의해 고정부상에 미치는 힘의 인가 중심부를 나타낸다. 문자 x는 전방 및 후방 고정점들의 상대 위치를 변경시키는 하우징에 대한 변형이 없을 때의 하우징 내부의 광섬유의 축 방향을 나타내고, 문자 y는 방향 x에 수직이며 도면의 평면에 평행한 방향을 나타낸다.

전방 고정점의 x-방향을 따르는 변위 및 y-방향을 따르는 변위를 발생시키고, 전방 및 후방 고정점들의 상대 위치의 변화를 발생시키는 하우징의 기계적 변형중에, 전방 및 후방 고정점들 사이에 배치된 광섬유(11)의 부분이 만곡되기 쉽고 또한 신장 또는 수축되기 쉽다. 제1근사치에 있어서, y-방향을 따라 전방 고정점을 변위시키는 효과와 x-방향을 따라 전방 고정점을 변위시키는 효과를 분리하여 고려할 수 있다. 시스템이 원통형 대칭으로 제공되면, 전방 고정점이 y-방향을 따라 변위될 때 작용하는 방법이 x-방향에 수직인 소정의 방향을 따라 전방 고정점의 소정의 변위 중에 동작하는 방법을 나타낸다는 것도 관찰될 수 있다.

전방 고정점의 x-방향을 따르는 변위 x는 후방 고정점의 상기 x-방향을 따르는 변위 Xb를 발생시키는데, 이 변위 Xb는 결합을 저하시킨다. 이 경우에, 힘 F는 x-방향에 평행한 지점 A로부터의 일정 길이의 광섬유 상에 가해지고, 이것이 탄성 변형 영역내에 유지되는 한, 일정 길이의 광섬유를 2개 지점에 고정시켜 구성되는 기계적 시스템은, 제2도에 도시한 바와 같이, 슬랩(10)과 직렬로 접속되고 힘 F를 받는 2개의 인장/압축 스프링(20 및 21)으로 구성되며, 그 중 한 스프링(20)은 강성도(stiffness) K를 가지며 지점 B에 슬랩(10)을 접속시켜 슬랩(10)을 후방 고정점에서의 고정시의 인장 및 압축시의 탄성을 시뮬레이트하고, 다른 스프링(21)은, 강성도 k를 가지며 지점 B와 A를 상호 접속시켜 전방 및 후방 고정점들 사이에 배치된 광섬유 부분의 인장 및 압축시의 탄성을 시뮬레이트하는, 시스템과 등가가 된다. 등가시에, 이 시스템은 다음 방정식을 만족시킨다.

KXb=k(X-Xb)

이를 다시 쓰면,

이 제2방적식은 Xb가 X에 비해 작게 하기 위해, 후방 고정점에서의 고정 강성도가 광섬유 부분의 강성도 k에 비해 커야 된다는 것을 나타내는데, 이 조건은 직관적으로 이해할 수 있으며, 이경우에 Xb는 실질적으로 다음과 같이 주어진다.

실제로, 일정 길이의 고정점 인장 및 압축시의 강성도는 후방 고정점에의 고정 강성도보다 약 100배 적게 되므로, 변위 Xb는 변위 X보다 100배 적게 된다. 즉, 전방및 후방 고정 지점들 사이의 광섬유의 변화보다 거의 100배 적게 된다. 이것은 너무 큰 변위이기 때문에 하우징이 정상 사용시에 받는 변형이 광결합시에 상당한 변화가 발생하는 것을 방지하지 못한다.

전방 고정점의 y-방향을 따르는 변위 Y는 전방 및 후방 고정점들 사이에 배치된 광섬유 부분이 만곡되게 한다. 이때 2개의 상이한 힘, 첫째로 Y-방향에 평행하고 전방 및 후방 고정점들 사이에 배치된 광섬유 부분에 의해 구성된 만곡 스프링의 복원력에 대응하는 힘 F´와, 둘째로 만곡 결합에 기인한 모멘트 M이, 후방 고정 지점에 미치게 된다.

실제로, 힘F´는 무시될 수 있다. 직경이 125μm인 일정 길이의 실리카 섬유의 경우에, 지점 A와 B 사이의 거리 d가 약 10mm (이 값은 실질상 일반적임)일 때에는, 전방 및 후방 고정점들 사이에 배치된 광섬유 부분의 만곡 강성도는 이 2개의 지점들 사이의 광섬유의 인장 및 압축시의 강성도의 약 10^-4배가 된다. 이 힘이 무시할 수 없을 정도로 되게 하기 위해서는, 변위 Y가 일정 길이의 광섬유가 파괴되는 한계점을 상당히 초과할 필요가 있다.

그러므로, 2개의 지점에 일정 길이의 광섬유를 고정시킴으로써 구성된 기계적 시스템은, 이 경우에 스프링이 모멘트 M을 받는 인장 스프링(torsion spring)이라는 것을 제외하고는, 제2도에 도시한 것과 유사한 2개의 스프링 시스템에 의해 모델화될 수 있다. 등가시에, 이 시스템은 다음 방정식을 만족한다.

여기서 G는 후방 고정점에서의 고정시의 만곡 탄성을 시뮬레이트하는 인장 스프링의 상수이고, g는 전방 및 후방 고정점들 사이에 배치된 광섬유 부분의 만곡 탄성을 시뮬레이트하는 인장 스프링의 상수이며, θ는(실제로 1과 비교하여 작고 전방 고정점에서의 일정 길이의 광섬유의 각 편향으로 되도록 취해질 수 있는)Y/d비율이고, θb는 변위 Y에 의해 발생된 후방 고정점에서의 일정 길이의 광섬유의 각 편향이다.

이 방정식을 다시 쓰면,

로 되어, θb가 θ에 비해 작게 하기 위해서, 상수 G가 상수 g에 비해 크게 되어야 한다는 것을 나타내는데, 이경우에 θb는 다음과 같이 주어진다.

실제로, 상수 G는 각 편향 θb가 비율 Y/d보다 약 100배 작게 되도록 상수 g보다 약 100배 크다. 이것은 광섬유를 만곡시키고, 특히 하우징이 지지부에 클램프될 때 생기는 하우징의 변형이 광학 결합시에 상당한 변화를 또한 발생시키지 못하게 하기에는 충분하지 않다.

제3도는 본 발명에 따른 결합시에 행해진 것과 같이 3개의 고정점에 고정되는 일정 길이의 광섬유의 이론적인 도면이다. 제3도는 제1도와 동일한 부품에 동일한 참조 번호를 사용하여 도시하고, 또한 슬랩(10)에 고정된 패드(26)상에서 땜납 방울(25)에 의해 광섬유가 제 위치에 유지되는 중간 고정점에 일정 길이의 광섬유(11)를 부가적으로 고정한 상태를 도시한 것이다.

문자 C는 중간 고정점에 고정시킬 때 광섬유에 의해 가해진 힘의 인가 중심부를 나타낸다.

x-방향을 다음에 y-방향을 따라 전방 고정점을 변위시키는 것의 효과가 일정 길이의 광섬유가 2개의 고정점들에만 고정되는 경우에 대해 상술한 바와 같이 연속해서 이하 고려된다.

전방 고정점의 x-방향을 따르는 변위 X는 각각 중간 및 후방 고정점들의 동일 방향으로 변위 Xc 및 Xb를 발생시킨다. 탄성 변형의 영역내에 유지되는 동안, 3개의 고정점, 즉, 전방,후방 및 중간 지점에서의 광섬유 고정으로 이루어진 기계적 시스템은 제4도에 도시한 바와 같이, 슬랩(10)에 부착되어 힘 F의 영향을 받은 4개의 인장/압축 스프링의 시스템과 등가로 된다. 3개의 스프링(30,31 및 32)는 직렬로 접속되고, 제4프링(33)은 처음의 3개의 스프링들 중 2개의 스프링(30,31)과 병렬로 접속된다. 슬랩(10)을 포인트 B에 접속시키는 강성도 K1의 제1스프링(30)은 후방 고정점에의 고정시의 인장 및 압축 탄성을 시뮬레이트한다. 지점 B 및 C를 상호 접속시키는 강성도 K1의 제2스프링(31)은 후방 및 전방 고정점들 사이에 배치된 광섬유 부분(11)의 인장 및 압축 탄성을 시뮬레이트한다. 지점 C 및 A를 상호 접속시킨 강성도 K2의 제3스프링(32)은 중간 및 전방 고정점들 사이에 배치된 광섬유(11) 부분의 인장 및 압축 탄성을 시뮬레이트한다. 슬랩(10)을 지점 C에 접속시키는 강성도 K2의 제4스프링(33)은 중간 고정점에의 고정시의 인장 및 압축 탄성을 시뮬레이트한다. 중간 고정점에의 고정시의 탄성 변형에 응답할 수 있는 힘 F의 성분은 F2로 표시되고, 힘 F의 잔여 성분은 F1으로 표시되므로, 다음 방정식 시스템이 등가 조건에 대해 기입될 수 있다.

F=k2(X-Xc)

F=F1+F2

F2=K2Xc

F1=K1Xb

F1=k1(Xc-Xb)

항 F, F1, F2 및 Xc를 소거시킴으로써, 다음 식이 유도될 수 있다.

광섬유 부분에 대한 강성도 k1및 k2가 이들의 길이에 반비례하기 때문에, 다음과 같이 쓸 수 있다.

k1=k(d/d1) 및 k2=k(d/d2)

여기서, d1은 지점 B와 C사이의 거리이고, d2는 지점 A와 C사이의 거리이다.

이때, 방정식은 다음과 같이 된다.

여기서, 제3 또는 중간 고정점이 전방 및 후방 고정점들 사이에 있다고 하면, 즉 d1=d-d2라고 하면, 다음과 같이 쓸 수 있다.

중간 고정점의 최적 위치는 항 X/Xb가 최대로 되는 위치, 즉 d2에 대한 상기 방정식의 유도 함수(전방 고정점으로부터 중간 고정점까지의 거리)가 0으로 되는 위치이다. 이 유도 함수값은,

인데, 다시 쓰면,

로 되고, 이것은

로 될 때 0으로 된다.

실제로, 계수 k/K1이 1보다 상당히 적기 때문에, 중간 고정점의 최적 위치는 거의 중간 위치가 된다.

d1=d2=d/2

중간 지점이 중간에 있을 때, 후방 고정점의 탄성 변위 Xb는 다음 근사치 관계식에 의해 변위 X의 함수로 표현될 수 있다.

2개의 고정점을 사용하는 종래의 고정과 비교를 용이하게 하기 위해서, 중간 고정점에서의 고정이 후방 고정점에서의 고정과 인장 및 압축시의 강성도가 동일하다고 가정할 수 있다.

K2=K1=K

이 경우에,

Xb=4(k/K)²X

가 된다.

비율 K/k의 실제 가정값을 약 100으로 사용하면, 후방 고정점의 변위 Xb가 2개의 고정점을 사용하는 경우보다 25배 적게 된다는 것을 알 수 있는 한편, 중간 고정점을 추가시키는 것은 d1을 0으로 하고 d2를 d로 하므로써 방정식(1)로부터 알 수 있는 바와 같이 중간 고정점이 후방 고정점에 밀접하게 이동할 때의 경우와 거의 마찬가지로, 변위 Xb를 1/2로 감소시키는 것만이 예상될 수 있다.

실제로, 방정식(1)로부터 전방 고정점에 관련된 중간 고정점의 거리 d2가 범위 0.3d 내지 0.7d내에 있는 한, 비율 X/Xb가 거의 변하지 않는다는 것을 추정할 수 있다.

이제, 전방 고정점의 y-방향을 따르는 변위 Y를 3개의 고정점에 고정되어 있는 일정 길이의 광섬유에 대해 고찰하면, 2개의 고정점만을 사용하는 고정의 경우와 마찬가지로 후방 고정점상에 미치는 y-방향에 평행한 힘을 무시할 수 있다. 탄성 변형의 영역내에 유지되는 동안, 상기 3개 지점 고정에 의해 구성된 기계적 시스템은 스프링이 모멘트 M에 영향을 받는 인장 스프링이라는 것을 제외하고는, 제4도에 도시한 것과 유사한 4개의 스프링 시스템에 의해 모델화될 수 있다. 중간 고정점에서의 고정의 탄성 변형에 응답할 수 있는 상기 모멘트의 성분을 M2로 나타내고 모멘트 M의 나머지 성분을 M1으로 나타내고,θc가 중간 고정점에서의 광섬유의 각 편향이고, G1 및 G2가 각각 후방 및 중간 고정점에서의 고정의 만곡 탄성을 시뮬레이트하는 인장 스프링의 상수이며, g1 및 g2가 후방 및 중간 고정점들 사이와 중간 및 전방 고정점들 사이에 각각 배치된 광섬유 부분의 만곡 탄성을 시뮬레이트하는 인장 스프링의 상수이면, 다음 방정식 시스템이 등가 조건을 설명하도록 쓰여질 수 있다.

M=g2(θ-θc)

M=M1+M2

M2=G2θc

M1=G1θb

M1=g1(θc-θb)

항 M, M1, M 및 θc를 소거시킴으로써, 다음 방정식이 될 수 있다.

상수 g1 및 g2가 이에 관련된 광섬유 부분의 길이에 반비례하기 때문에,

g1=g(d/d1) 및 g2=g(d/d2)

로 쓸 수 있다.

g1 및 g2에 대하여 식(2)에 이 값을 대입하고 θ에 대해 Y/d를 대입하면,

로 되고,

d1=d-d2

가 주어지면, 다음 식으로 될 수 있다.

중간 고정점의 최적의 위치는 비율 Y/θb가 최대가 되는 위치로 된다. 상기 방정식의 우측 부분의 d2에 관한 유도 함수는 다음과 같이 될 수 있다.

d2에 대해 해를 풀 때, 이 표현은 2개의 근(root)을 갖고, 비율 Y/θb는 다음 값을 갖는 근의 경우에 최대로 된다.

항 g/G1 및 g/G2이 실제적으로 1에 비교하여 매우 작기 때문에, 중간 고정점의 최적의 위치는 거의 다음과 같이 주어진다.

d2=(2/3)d

이러한 d2 값의 경우에, 각 편향 θb는 다음 근사식에 의한 변위 Y의 함수로써 표시될 수 있다.

단지, 2개의 고정점만을 사용하는 통상적인 고정과의 비교를 용이하게 하기 위해서, 중간 고정점에서의 고정이 후방 고정점에서의 고정과 만곡 강성도가 동일, 즉,

G1=G2=G

라고 가정할 수 있다.

이 경우에,

로 된다.

비율 G/g가 약 100의 값을 갖는다고 실질적으로 가정하면, 후방 고정점에서의 광섬유의 각 편향 θb가 2개의 고정점만을 갖고 있는 고정을 이용하는 경우보다 거의 15배 적게 된다는 것을 알 수 있고, 중간 고정점을 추가하면, 각 편향 θb를 1/2만큼 감소시키는 것을 예상할 수 있는데, 이것은 d1을 0으로 하고 d2를 d로 하므로써 방정식 (2)로부터 유도될 수 있는 바와 같이 중간 고정점이 후방 고정점에 밀접하게 이동할 때 실제로 발생하는 것이다.

실제로, 방정식(3)으로부터 거리 d2가 범위 0.5d 및 0.8d내로 유지되는 한, 비율 Y/θb가 거의 변하지 않다는 것을 추정할 수 있다.

전체적으로, 후방 고정점에의 고정시 광섬유에 의해 가해지는 힘의 효과는 거리 d2가 범위 0.5d 내지 0.7d내에 있는 한, 거의 변하지 않는다. 이 범위에서는, 전방 및 중간 고정점들 사이의 일정 길이의 광섬유를 파괴시키는 위험(이 위험은 이 2개의 고정점이 서로를 향해 이동할 때 증가함)과, 후술하는 바와 같이 예를 들어, 펠티어(Peltier) 모듈이 존재한다고 가정할 때 광-전자 소자의 온도를 안정화시키는 이 펠티어 모듈상에 고정된 플레이트로 구성되는 단일 블럭상에서 중간 고정점과 후방 고정점을 위치시킬 때의 장점과 같은 그 외 요인을 고려함으로써 이 범위내로 중간 고정점의 배치를 최적으로 할 수 있다. 이 장점은 중간 고정점과 후방 고정점 사이의 상대적 변위를 발생시키지 못하게 하는 필요성으로 인해 생기는데, 그 이유는 이것이 후방 고정시에 직접 작용하는 새로운 힘을 발생시키기 때문이다.

이 고려 사항들과, 응용 가능한 경우의 펠티어 모듈의 크기에 관한 고려 사항을 제공하면, 중간 고정점에 대한 바람직한 위치가 후방 고정점과 전방 고정점 사이의 거리의 대략 2/3의 거리가 전방 고정점에서 이격되어, 즉

d2=(2/3)d

가 되는 위치에 배치된다.

부수적으로, 광학 결합을 더욱 안정하게 하기 위해, 후방 및 중간 고정점들은 하우징의 중간 주변을 길이 방향으로, 즉 x-방향을 따라 대칭적으로 배치되어야 한다.

제5도 및 제6도는 이 분산의 실제 실행 상태를 도시한 것이다. 이 도면들은 유리 또는 세라믹에 결합하기에 적합한 금속 합금으로 이루어지고, 수평 저부(40a), 유리 또는 세라믹 전기 절연과 함께 통과하는 참조 부호 41과 같은 전기 접속 도선을 갖고 있는 2개의 수직 측벽(40b), 그 높이의 일부로 연장되고 일정 길이의 광섬유 인입선(43)이 하우징내로 삽입될 수 있도록 작용하는 수평 공급 튜브(42)를 갖추고 있는 전방벽(40c), 및 후방벽(40d)를 포함하는 결합 하우징(40)을 도시한 것이다. 참조 부호 44와 같은 도선은 선(41)과 여러가지 소자 사이의 하우징 내측의 전기 접속부를 제공한다.

광-전자 소자의 온도를 냉각 및 조정하기 위한 펠티어 효과 모듈로 구성된 슬랩(45)이 하우징의 저부(40a)에 결합된다. 슬랩은 선택적으로 열 분산기로 작용하는 열 전도 블럭으로 구성될 수 있다. 양호한 열전도체, 예를 들어, 산화 베릴륨 BeO로 된 전기 절연 세라믹 플레이트(46)은 슬랩(45)의 최소한 일부분을 커버하고, 광-전자 소자를 수용하기 위해 길이가 약 10mm 폭이 7mm인 고정용 플래토우(plateau), 및 광학적으로 결합되는 광섬유(43)의 단부를 고정하기 위한 부분으로 구성된다.

장방형 스트립 형태인 베이스(47)는 플래토우의 중간-부분 부근에서 하우징의 후방 벽(40d)를 향해 플래토우(46)상에 배치되고, 이것은 일정 길이의 섬유(43)가 연장되는 방향에 수직으로 연장된다. 이것은 플래토우(46)와 동일한 열 전도 세라믹 물질로 형성된다. 이것은 납땜되고 공급 튜브(42)와 동일 레벨로 되며, 그 축 상에, 납땜되어 하우징의 전방을 향해 주 광 비임을 방출하고 후방을 향해 보조 광 비임을 방출하는 레이저 다이오드로 구성되는 반도체 재료 칩(48)을 보유한다.

포토다이오드(49)는 레이저 다이오드로부터의 보조 광 비임 영역에서 베이스(47)뒤의 플래토우(46)상에 배치되고, 레이저 다이오드의 동작 지점을 조정하기 위한 회로에 의해 사용하기 위한 광 비임의 강도를 나타내는 신호를 전달한다.

2개의 장방형 패드(50 및 51)는 베이스(47)의 전방의 플래토우(46)상에 정렬되며, 이들 각각은 광섬유(43)의 길이 방향에 수직으로 연장된다. 이 패드들은 공급 튜브(42)와 동일 레벨이 되고, 일정 길이의 광섬유(43)의 후방 및 중간 고정점을 제공하도록 작용한다. 이것을 가능하게 하기 위해서, 이 패드들은 전기적으로 절연되고, 각각 그 상부를 따라 뻗어 있으며, 용융된 후 광섬유(43) 주위에 걸쳐 분포되어 광섬유를 고정하고 있는 땜납 방울(55 또는 56)로 커버된 전기 저항체(54 또는 53)을 갖고 있다.

장방형 패드(50)는 반도체 재료 칩(48)에 광학적으로 결합되는 광섬유(43)의 단부에 가장 인접한 패드로서, 이것은 후방 고정점용으로 사용된다. 이것은 전방 고정점으로서 작용하는 공급 튜브(42)의 내측 단부에서 약 10mm 거리 이격되어 있다. 중간 고정점용으로 사용된 장방형 패드(51)는 패드(50)로부터 약 3.2mm 거리 이격되어 있고, 2개의 쌍(50 및 51)은 하우징(40)을 통한 길이 방향 중간 단면으로부터 동일 거리에 있다.

2개의 패드(50 과 51)사이에 배치된 더미스터(52)는 슬랩(45)으로 구성된 펠티어 효과 모듈을 조정하기 위한 회로에 의해 사용되는 온도-모니터링 신호를 전달한다. 이것은 모듈이 제공되지 않고 열전도 블럭으로 대체될 때 생략될 수 있다.

장방형 패드(50 및 51)은 이 위에 장착된 저항체 (54 및 53)에 의해 분산된 열이 본질적으로 땜납 방울(56 및 55)을 용융시키기 위해 보존되도록 불량 열 전도체인 세라믹으로 형성된다. 패드는 예를 들어, 0.02W/cm·K의 열 전도성을 갖고 있는, 미네소타 러버 프랑스(Minnesota Rubber France)에 의해 상표 MACOR로 시판하고 있는 유리질 세라믹 땜납으로 형성된다.

저항체(54 및 53)을 형성하기 위해, 장방형 패드(50 및 51)는 장방형 패드(50)에 대해 제7a도 내지 제7g도에 도시한 바와 같이, 계속하여 다음과 같이 처리된다.

즉, (부드러워야 되는)표면을 준비하고, 저항성 금속 물질의 얇은 층을 형성하기위해 NiCr 합금의 약 130mm의 두께를 갖고 있는 층을 용착하고(제7a도), 열 저항체(54)를 구성하는 일부분을 남겨 두기 위해 상기 층을 에칭하며(제7b도), 전기 절연 보호부를 구성하는 약 700mm(제7c도)의 두께로 실리카층(61)을 용착하고, 잔여부(62,제7d도)가 열 저항체(54)의 단부를 노출시키도록 상기 층을 에칭하며, 약 100mm의 두께로 NiCr 합금의 키잉(keying)층을 용착하고, 이 키잉층을 금층(63)으로 약 500mm의 두께 커버하며(제7e도), 잔여부가 광섬유의 2개의 정렬(alignment) 표시기(65 및 66)을 납땜하고 열저항체(54)의 단자(67 및 68)을 납땜하기 위한 키잉 영역(64)를 구성하도록 상기 층(63)을 에칭하는 (제7f 및 7g도) 처리를 거친다.

납땜하기 위한 키잉 영역(64)는 약 500μm ×900μm를 점유하는 타원형으로 되어 있고, 이 키잉 영역의 양측 상의 광섬유의 축을 따라 타원형 키잉 영역(64)를 향해 지시하는 2개의 화살표로 구성되는 정렬 표시기(65와 66) 사이에 광섬유(43)의 축을 따라 배향된다.

제8도에 도시한 바와 같이, 미리 형성된 땜납(70)은 브리지 스트립 키잉 영역(64) 상에서 광섬유(43) 위에 배치된다. 이 스트립은 두께가 약 0.05mm이고, 저 용융점을 갖고 있는 인듐-흑연-은 합금(80% 인듐, 15% 흑연 및 5% 은)으로 구성될 수 있다.

키잉 영역(64)에서 미리 형성된 스트립(70)의 아크(70a) 아래를 통과하는 광섬유(43) 부분은 키잉 영역(64)과 같이 금층으로 도금된 NiCr 합금층 자체로 구성될 수 있는 금속 키잉 슬리브(77)로 덮힌다.

광섬유(43)는 납땜이 실행된 후의 최종 구성 상태를 도시한 제9도에서 나타난 바와 같이 패드(50)에 고정된다.

이것은 땜납 스트립이 용융될 때까지 이 땜납 스트립을 가열시켜, 패드(50)상의 키잉 영역(64)와 광섬유(43)상의 금속 키잉 슬리브(77)에 동시에 부착하기 위해 광섬유(43)을 덮는 저항체(54) 내로 전류를 주입함으로써 행해진다.

결합 하우징(40) 내에 광섬유(43)을 장착하는 것은 이 위에서 실행될 최종 동작이다. 이것은 처음에 공급튜브(42)를 통하여 하우징(40)내로 광섬유(43)의 한 단부를 삽입하므로써 행해진다. 이 단부에는 패드(50 및 51)의 근사 위치에 금속 키잉 슬리브(77)가 미리 준비되어 있다. 그 다음에, 광섬유의 단부가 반도체 재료의 칩(48)과 광학적으로 결합하는 위치 부근으로 오게 된다. 이것이 일단 행해지면, 광섬유(43)의 단부는 광섬유의 단부가 패드(50)상의 땜납의 수축 효과로 파괴되지 않고 탄성적으로 만곡되게 하기 위해 패드(50)로부터 소정 거리 이격되어, 공급 튜브(42)의 개구와 중간 고정점의 위치를 정하는 패드(51) 사이의 갭내에 이 광섬유의 단부를 파지(grasp)하는 마이크로 조정기의 클램프에 의해 하우징(40) 내부에 유지된다. 마이크로 조정기는 실행된 광학 결합시의 변화로부터의 안내에 의해 최적의 광학 결합 위치내로 단부를 오게 하는데, 이후에 이 단부는 패드(50)상의 땜납의 수축을 고려하기 위해 땜납 위치내로 상승된다. 그 다음, 미리 형성된 땜납 스트립은 패드(50)의 키잉 영역(64) 위에서 광섬유(43)상에 배치되고 상기 패드(50)에서 납땜이 실행되므로, 광섬유(43)을 후방 고정점에 고정시키게 된다.

후방 고정점이 일단 정해지면, 마이크로 조정기가 제거되고, 미리 형성된 땜납 스트립이 패드(51)의 키잉 영역에서의 광섬유(43) 위에 배치되고, 상기 패드(51)에서 납땜이 실행되어, 광섬유(43)을 중간 고정점에 고정시키게 된다.

광섬유(43)가 후방 및 중간 고정점에 고정되면, 이것은 공급 튜브(42) 내측에 납땜되므로, 전방 고정점을 정하여 어셈블리(assembly)를 종료하게 된다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않고서, 다수의 위치를 변형시키거나 다수의 수단을 등가 수단으로 대체시킬 수 있다. 특히, 하우징내부에의 케이블 고정용 패드를 2개 이상 사용할 수 있는데, 이 경우에는 다수의 중간 고정점이 있게 된다.

Claims (3)

1. 광섬유와 반도체 재료(48)의 칩의 형태인 광-전자 소자 사이의 결합 장치에 있어서, 상기 광섬유와 상기 광-전자 소자에 부가하여, 상기 광-전자 소자를 함유하며, 상기 광섬유가 벽(40c)을 관통하여 있어 상기 광섬유의 일단부가 반도체 재료 칩(48)과 광학 결합되게 하는 하우징(40)과, 상기 광섬유를 적어도 세개의 이격된 고정점들에서 상기 하우징에 고착시켜 고정하기 위한 수단을 포함하고, 상기 고정점들은, 상기 반도체 재료의 칩과 광학적으로 결합된 단부 부근에서 상기 광섬유상에 직접 위치되어 상기 단부를 그 결합위치에 고정하기 위한 후방 고정점과, 상기 하우징의 외부로부터 상기 광섬유에 가해진 외력을 견디게 하기 위해서 상기 하부징의 벽을 관통하는 상기 광섬유상에 직접 위치되는 전방 고정점과, 상기 하우징상의 변형에 의해 상기 전방 고정점에서의 상기 광섬유에 가해진 외력이 상기 후방 고정점에 전송되는 것을 감쇄하기 위해 상기 후방 고정점과 상기 전방 고정점 사이의 광섬유상에 직접 위치되는 적어도 하나의 중간 고정점을 포함하는 광섬유와 광-전자 소자 사이의 결합 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 중간 고정점은 상기 전방 고정점과 상기 후방 고정점 사이의 거리의 0.5 내지 0.7배의 범위내인 소정 거리가 전방 고정점으로부터 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 광섬유와 광-전자 소자 사이의 결합 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 중간 고정점과 상기 후방 고정점은 공통 슬랩(45)상에 배치된 것을 특징으로 하는 광섬유와 광-전자 소자 사이의 결합 장치.

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