专利名称：用于将单模光纤与激光二极管耦合的热和机械稳定的低成本高导热性结构的制作方法
技术领域：
本发明概括地涉及用于将光纤耦合在激光二极管上的结构和方法，本发明更具体地涉及用于耦合的热和机械稳定的高导热性结构和方法。
背景技术：
用来将单模光纤对准和固定在高功率激光二极管上的三种最常用技术是软焊料纤维锁定、欧米加轭架(omega yoke)激光焊和具有单独X/Y及Z对准激光焊的轴向设计。因为热失配问题、机械稳定问题和激光可靠性问题，采用有机粘合剂作为光纤固定手段的技术一般不令人满意。尽管每种方法都被使用过，但这些方法都具有严重缺陷，这些缺陷对所完成组件的成本、性能、及可靠性起负面作用。
参看图1，软焊料纤维锁定这种常用的耦合对准技术将涂金属的纤维锁定在靠近激光二极管的焊料熔滴中。当将焊料冷却时，光纤就被原地固定。这种技术存在一些缺陷。焊料凝固会引起收缩，从而导致光纤与激光二极管的不对准。为了校正这种不对准，就需再次熔化焊料，并调整光纤位置。这种操作经常是不精确的，必须被重复数次才能得到很好的光纤对准。这种方法很昂贵，因为它在所有焊料重熔操作所需的时间期间都需要操作机构和使用对准台。这种软焊料锁定技术的另一个缺点是从软焊料池引入对激光二极管面的污染物和接触焊料预制件或基片的任何污染物的极大可能性。软焊料锁定同时也存在过加热激光二极管的危险，这是由于激光的操作和焊料的熔化同时出现。一般所用的焊料需要在超过300摄氏度的温度下进行处理。光纤周围的金属涂层和在焊料池下的金属化随着每个熔化循环而变差。在焊料凝固和收缩后，光纤被在其从软焊料池伸出的两个位置处强力加压。这会使光纤易于断裂。焊料内的残余应力很高，足以使应力松弛引起显著的耦合效率变化。为了稳定组件或稳定可能在整个持续时间内引起的显著耦合变化，需要高温炉烘烤。这种技术通常与平面封装结构有关。这种平面设计在扭转上是不牢固的，而且受由扭力引起的光学不对准的影响。由不均匀的封装螺栓向下压力或由不均衡的热应力产生的应变可能导致光纤耦合效率的显著变化。平面结构一般不够刚硬，不足以提供有效的路径长度或多重光学元件。因为平面结构对应力的敏感性，所以通常的对准都是在组件被定位在封装件内的情况下进行的。这一般会降低操作性和可见度，并降低光纤对准的封装率，同时会招致高装配劳动和其它的费用。
参看图2，另一种已知的装配对准方法是欧米加轭架技术，它一般使用激光焊机将光纤固定进欧米加形的金属支架结构中，该金属支架结构直接设置在激光二极管的前面并紧紧接近激光二极管。这种技术通常装配结合有透镜的光纤末梢的封装件。激光焊接欧米加轭架技术采用平面结构，从而受平面结构的扭转刚度问题的困扰，难以提供长的光学路径或难以结合其它的光学元件，而且在对准期间需要在组件的外部进行工作。因为激光焊接发生在紧密靠近无防护的激光面处，所以存在着从要存放在激光器面上的部件引入激光熔化材料和蒸发杂质的可能。因为这种焊接操作并不沿光轴对称，所以每个焊接点都会朝安装面移动。随着开始位置位于最佳耦合位置之上且每个随后的焊接点将部件下拉和右拉或左拉，最终的对准操作被大大地冲击和遗漏。采用激光焊机欧米加焊接技术的费用很高，这是因为在操作期间要对准昂贵的组合激光焊机和对准台。同时，该欧米加轭架也不如软焊料方法中的刚硬。
参看图3，已知的具有单独X/Y和Z激光焊的轴向设计技术需要焊接在沿激光器光轴所钻的孔正面的光纤对准机构。光纤被预装配在可焊接的金属管内。该管穿过邻接在钻孔正面的套管轴向地滑动。通过滑动光纤，金属管轴向地穿过套管孔来实现Z轴对准。通过使套管在钻孔正面上滑动来实现X/Y对准。需要两个单独的焊接操作来永久地固定光纤与激光器对准。通常，首先将金属光纤管对准并焊接在套管上来固定Z轴。接着，再对准X/Y面，套管激光焊接在孔的正面以固定X/Y面。在每次焊接操作时都存在焊接变形。这些将套管固定在孔正面的焊接仅提供支撑来保持光纤对准。在角焊中的焊接收缩经常会产生径向、轴向和角度不对准。经常需要采取机械弯曲来设法获得再对准。激光器延展、额外施加非对称焊接来故意收缩被作为一种方法来对准这种结构。激光器延展经常被作为一种优点来夸大，但实际上它是一种具有不稳定性质的设计。焊接前所得到的耦合值很少能够在最终部件中获得。应当注意，如果装配件在焊接之前从对准夹具上分离，则组件就会散开。这些部件不具有任何能保持对准的内在能力，因为其所有的强度都来自焊接点。同时还应当注意，操作机构、对准台和焊接机在对准期间和在激光器延展或机械弯曲期间都要被校准。这种昂贵激光对准台缩减的生产量导致较高的装配费用。
轴向设计将热从激光二极管通过一条包含相同部件的路径传向封装件，其中这些相同的部件提供对光学元件的机械支撑。从而，就出现非对称的温度梯度，导致热引起的光纤耦合效率的损失。类似地，将对准组件安装到封装件上所需的机械压力经常被非对称地通过光学支撑结构传输。结果，完成的组件就对温度、封装安装应力及激光功率耗散敏感。
考虑到前述将光纤对准并固定在激光二极管上方法的缺点，就需要一种将光纤耦合并对准激光二极管的结构和方法，它可引起相对低的费用且产生较高的连接效率。
发明内容
通过提供一种结构，该结构在单个的固定操作中能获得在激光二极管和光纤之间的轴向和径向对准，本发明就克服了前述方法的缺点。这种结构结合有光学管、光纤保持器、激光二极管和散热器。该光纤保持器固定在光学管一端处的内表面上，并保持与激光二极管轴向对准并紧密靠近的一段光纤。散热器被置于光学管的相对端内，用于将热形式的能量从激光二极管吸取。可选择的是，透镜和透镜架可被结合进激光二极管和光纤保持器间、将激光能聚焦在光纤末端的结构内。激光二极管借助于固定在金属化陶瓷基片上的电导线来被供给能量，该陶瓷基片设置在激光二极管和散热器之间。这种对称设计的结构是钢硬的，而且基本对引起类似尺寸比例平面设计中不对准的热和机械应力不敏感。这种结构的光学管和散热器元件在外形上是圆柱形以提供高精度部件，同时散热器和光学管可被很容易地转动且采用标准的机械加工设备可研磨地完成。散热器的圆柱形状也以极好的传热提供在夹紧状态下预测试半导体的容易自动控制。该圆柱散热器的高精度和精加工同时通过机械固定装置提供从散热器到辅助结构的良好传热。
因为散热器和光纤保持器元件借助于光学管被刚性地彼此连接，所以散热器能被安装在其它封装结构上而不影响激光二极管和光纤之间的关键对准。可以采用多个焊接点来将光纤保持器和散热器连接在光学管上，使得借助于各种元件间的直接物理接触来穿过结构传输压力。在对准后和焊接前，元件可以被从对准夹具释放，但仍保持其对准。通过采用机械安装方法例如将本发明的结构固定在辅助结构像具有热电致冷器(TEC)元件的组件上，本发明就消除了对巨大热偏移的需要，这种巨大热偏移是用在将精确对准的激光器和光纤安装在辅助结构上的传统方法中的焊料或有机材料像环氧树脂所需的。
图1是采用现有技术中已知的软焊料锁定方法、耦合到光纤上的激光二极管的示图；图2是采用现有技术中已知的激光焊接欧米加轭架方法、耦合到光纤上的激光二极管的示图；图3是利用现有技术中已知的具有单独X/Y和Z激光焊的轴向设计、耦合到光纤上的激光二极管的示图；图4是本发明一个实施例的横截面图；图5是球保持器一个实施例的透视图；图6是散热器、基片和电导线实施例的透视图；图7是光学管一个实施例的透视图；图8是本发明实施例中所用透镜一个实施例的侧视图；图9A是透镜架一个实施例的透视图；图9B是图9A透镜架实施例的横截面图；图9C是图9A中的透镜架和光学管实施例的横截面图；图10是透镜架一个可替代实施例的平面图；图11是光学管、散热器和电导线实施例的侧视图，示出了用于将散热器和光纤保持器固定在光学管上的焊接点；图12A是分隔块状夹具一个实施例的侧视图；图12B是该块状夹具一个替代实施例的侧视图；图13是结合在利用热电致冷器(TEC)的封装件中的本发明一
具体实施例方式
现在参照附图来说明本发明的例举实施例。参看图4，结构10将光学管12、光纤保持器14、激光二极管16和散热器18与光轴20对准地结合为一个大体刚硬组件，该组件可被放置在一个更大的光纤封装件内。如图5中所示，光纤保持器14外形大体是球形但可以具有平端面27、29。光纤保持器14具有与光轴20对准并容纳光纤24的中心孔15。中心孔22具有接近端部26的缩小直径以提供对光纤24末梢28可靠的装配，其中在该端部26处光纤装配在或从光纤保持器14露出。光纤末梢28被金属化以便在光纤24被插入中心孔22中时光纤末梢28可被焊接到位。如果需要，光纤的表面可被抛光与光纤保持器14的平端面29平齐。在这种实施例中，光纤保持器14充当一个整体工具和抛光辅助工具。
激光二极管16借助于金属化基片30安装在散热器18上，该金属化基片30安放有向激光二极管16提供能量的电导线32。基片30可以由本领域已知的诸如金属化金刚石、金属化陶瓷或其它材料来构成。基片30也可安装在散热片18上，从而提供远离激光二极管16的传热。
在操作过程中，激光二极管16朝光纤末梢28发出或发射激光能34。作为选择，在光纤末梢28和激光二极管16之间可以放置光学透镜36，以将从激光二极管16发出的激光能34经由光锥37聚焦或其它方式地集中在光纤末梢28上。透镜架38形成透镜36和光学管12内表面间的连接体或支架。
图6是散热器18、基片30和电导线32实施例的透视图。优选的是，散热片18是圆柱杆的一部分，该圆柱杆被精确研磨具有基本均匀的直径且具有良好的表面抛光。电导线32粘在基片30上，并在电导线32末端接触基片30的接触点46处形成一个金属化中断。
图7是光学管12一个实施例的透视图。光学管12包括一个两端都开口的圆柱支撑管，和多个用于光纤保持器14的入口槽48，以及多个底部切口50。入口槽48允许光纤保持器14在装配期间被调整并使光学管12与光轴20对准。一旦光学管12被放置在散热器18的末端上，任意的底部切口50就使光学管12和散热器18彼此定位。
图8说明透镜36一个实施例的横截面图。单个或多个元件透镜可以或者单独或者与单个透镜支架结合来被使用。
图9A、9B和9C是透镜架38一个实施例的透视图(图9A和9C)和横截面图(图9B)。透镜36和透镜架38是可任选的，且被用在本发明的实例中来将激光能聚焦在光纤末梢28上以提供激光二极管输出与光纤端面更好的耦合。在一个实施例中，透镜36被压入透镜架38内。如图9A中所示，透镜架38的一个实例外形大体是圆柱形，且具有环绕内表面的台阶或斜面52以提供给透镜36可靠的装配。台阶、斜面或其它形状的设置是用来与透镜或透镜支架的实际外形相配。如横截面图9B所示，透镜架38具有一个容纳透镜36的内侧部分54和一个与内侧部分54同心的外侧部分56，在透镜架38被安装在结构10中时，该透镜架38被与光学管12的内表面接触。通过设置单独的部分54、56，透镜36就充分地与供热区域分开，从而避免焊接期间可能出现的热破环。透镜36所安装处区域56和区域54之间的通路可被调整来提供所需的通路间距。透镜架38被通过铜焊、压配合来固定在光学管的内表面上，或者通过穿透光学管12的激光或其它热生成束来激光焊接在光学管12上。在如图9C中所示的激光焊实例中，在外侧部分56和光学管12间完成一个焊接点40，使得光轴20周围分布多个焊接点。在一个实施例中，这些焊接点绕光轴对称地分布。
图10示出一个替代透镜架实施例的平面图。透镜架58可被分成数个单独的块，例如被分成四块60-1、60-2、60-3和60-4，其中每个块都构成透镜架38其圆柱形状的一段。通过沿光轴20对称地定位这些块60并如上所述将它们焊接在光学管12的内表面上，就在这些块60之间形成沿光轴20平行延伸的多个槽62-1、62-2、62-3和62-4。这些槽62消除了透镜36上可能由压配合安装产生的应力。透镜架38、58都适合低成本制作，或者由片材来压印或者由片材来形成。尽管所说明的是一个具有四个块的实施例，但应当理解到，可以使用其它个数块。例如，可以使用具有或者由两块、三块、四块、五块、六块或更多块形成的透镜架58。
电导线32被用Au/Ge共熔或其它合适的合金铜焊材料来铜焊在散热器18的上平面上。激光二极管16被用Au/Sn共熔或其它合适合的金固定在基片30上。基片30与散热器18的对准是借助于从散热器18外径的固定来实现。而激光二极管16的对准是通过将散热器直径用作基准进行光学对准来实现，或者借助于基片30上的对准标记来实现。应当注意，可使用垂直发射激光器像VCSEL或者边缘发射激光器，在两种情况中仅仅是基片30的形状和厚度不同。
光纤保持器14具有稍微小于光学管12内直径的外径，以便在光纤24被光纤保持器14固定时，光纤保持器14滑进光学管12内。在特定的实例中，光纤保持器被放置与透镜架38、58的前向边接触来提供与光纤的大体转动对准，其中光纤被近似对准于光轴20来放置。
这种装配结构的一个实施例示出在图11中。所装配的光学管12、光纤保持器14、光纤24、透镜36和透镜架38形成一个在散热器18外径上滑动的单元。散热器18被恰当地定尺寸以紧密配合。光学管12被定位使得其中一个底部切口50沿电导线32被置于中心或大约中心，该电导线32从固定在散热器18上的基片30径向地延伸。光学管12在散热器18上插入的深度被适当的夹持件控制。然后，借助于指状片51上穿透光学管圆周的数个激光焊接点66，光学管12被焊接到散热器18上，其中这些指状片51将底部切口50分开。
在光学管被固定在用来放热和机械支撑的散热器周围且光纤保持器14被固定在光学管12上的情况下，就开启激光二极管16。光纤保持器14能够沿光轴20轴向地移动，并能够沿光轴20以两个角度转动，直至光纤末梢28的中心位于激光束的中央部，或者在使用任意的透镜36时，光纤末梢28的中心位于被透镜36聚焦的激光束焦点处。然后，光纤保持器14被穿透光学管12并进入光纤保持器14内的激光焊接点70固定。
用于构造典型实施例各部件的材料是光学管12、光纤保持器14和透镜架38、58用科伐合金或殷钢合金。这些材料具有低的膨胀系数。虽然也可以使用具有理想传热性质的其它材料，但用铜/钨或钼能有效地制成散热器18。可以在散热器18的外表面上镀上约0.002英寸的镍来提高可焊性，但此厚度一般并不关键。溅射的或电沉积的金也可被用在散热器18的平端上以允许基片30较少量的铜焊以及允许引线接合。这些科伐合金或殷钢合金部件理想的是机加工后是去除应力的，以得到尺寸稳定性和低膨胀系数。可以涂覆一层镍镀层来防止这些科伐合金部件的氧化。氮化铝或氧化铍陶瓷器可提供良好的导热表面，在该表面上安装激光二极管16。
现在参看附图12A和12B来说明用来从散热器18有效移除热的机械夹结构。散热器18可被永久固定或为了测试的目的被固定在分隔块80(图12A)上或打开的夹持块100(图12B)上，分隔块80和夹持块100两者都提供极好的机械连接和热接触。参看图12A，现在描述第一夹持结构和方法。当夹紧螺钉84被上紧时，分隔块80向分隔块82提供高的夹持力和极好的传热，从而当块层面86-1更接近于相对的块层面86-2时就使分隔块80的内表面与散热器18接触。块层面86-2具有一个容纳夹紧螺钉的螺栓孔(未示出)。分隔块80包括有具有足够直径来容纳散热器18的中央孔88。
参看图12B，现在描述夹持结构的第二实施例和方法。当通过将螺钉上紧在块100体内的螺栓孔中来使固定带102接触散热器18时，夹持块100就提供高的夹持力和极好的传热。槽104具有足够的尺寸来容纳散热器18的弧形表面。槽104可以是圆柱形、V形或其它可容纳散热器18的切口或凹区。在沿轴向的间隙受限的应用中夹持块100是特别有用的。夹持块100也可以带有一软韧性材料薄箔层来进行使用，例如置于散热器18和槽104之间的铟层，以改善部件之间的传热。
分隔块80和/或夹持块100都可被结合在一个更大的光纤封装件内。图13示出用在封装件106中的夹持块100，其中夹持块100被粘合在热电致冷器108上，组件壁限定了轴向的空间。
现在参看图14A和14B，来说明一个图4所示和所描述的光纤保持器14的光纤保持器120的替代实施例。杆/球光纤保持器120包含一个圆柱杆部122和在一端的一个大体球形部124。中央孔126被定位穿过该杆/球光纤保持器120的中心，且横跨杆/球光纤保持器120的整个长度。该杆/球光纤保持器120可以由一个圆柱杆来构造，该圆柱杆被在车床上制作出球形部124，或者该杆/球光纤保持器120可以通过将一个管状套圈128压入或安装到一个整球或截顶球130中来制作，其中该整球或截顶球130带有一个穿过其中心的孔(图14C)。
该杆/球光纤保持器120具有许多有利和有益的性质。其圆柱杆部122提供一个可靠夹紧杆/球结构120的表面。该圆柱杆部122同时也提供光纤保持器14实例并不直接提供的光纤对准的参考方向。该杆/球光纤保持器120同时消除了对光学管12中入口槽48的需求，而这习惯于被用作对准期间来操纵光纤保持器14。没有这些入口槽，光学管12的制作就被简化，并且光学管12一般更加刚硬。使用传统的机械工具，该杆/球光纤保持器120很容易制造。如图14C中所示的线套128可以是用在光纤连接器中的标准陶瓷或金属线套。这些具有极精确公差且带有适合任何标准光纤用孔直径的标准部件可以以很低的成本来购买。
尽管光学管12的外形基本是一个具有圆形横截面的圆柱形，但是本发明光学管的其它实施例可以具有非圆形的横截面。这类光学管的一个实施例提供与可能的焊接收缩有关的优点。通过在配合面被焊接时提供光纤保持器14或者杆/球光纤保持器120的球形部124(此处共同称作球14、124)与光学管12内部的精确装配，在冷却和凝固过程中点焊熔核的收缩就不会使这些部件脱离轴对准。如果在球14、124接触管壁的地方光学管的剖面大于球14、124，则就能够将光学管从其圆柱形变形为另一非圆柱形，像三角形(或者方形、或者六边形、或者其它形状)(图15A)。该管壁和变形管应当是足够柔韧的，以便在球14、124被插入时存在着稍微紧的配合或摩擦配合(图15B)。当管完全是圆柱形时，与紧配合相连的摩擦能够促使球14、124卡在管12中，这是因为管的圆形横截面是环绕球周长的最短距离。然而，因为非圆形横截面光学管140的薄壁具有额外的长度并从而能够稍微扩张来容纳球14、124，所以变形的管140允许球形部14、124轴向地滑动及转动。
因为管壁的柔韧性，这种变形形状(即非圆形横截面)的光学管140就显著地降低了容差要求。球14、124可在宽范围的尺寸变化上具有零径向容差，而同时保持易于操作。采用使给定光学管局部变形的工具，就可以调节该光学管以具有合适的球干涉级。由于光学管内表面的变形部区域始终紧密接触球，因此在焊接期间很少可能出现径向的未对准。在这点上，六边形的变形管(六个接触面)在三点焊接期间会具有较小的变形，这是因为尽管在焊接期间焊接有接触球表面14、124的三个接触点，但另外的三个接触点仍旧阻止球14、124的任何移动。这种结构示出在图15C中。
当球14、124被置于变形的光学管14内时，该变形光学管的柔韧性确保光纤保持器被操作放入对准的位置并被释放而不用进行任何焊接。在释放期间或之后将不会出现任何的未对准。也就是，因为指向中心的弹力和由此产生的摩擦压力，所以对准的光纤会保持在其被放入的位置。大量的组件都能被对准在一个对准位置上并被储存以进行随后在不同焊接位置处的焊接。对于光学管14，能够获得类似的机械稳定性，但是球14、124与光学管14内表面之间的容隙必须极小。通过夹紧些微过大的圆柱形管以形成多个接触点，如图15C中所示，可以得到类似的效果。
用来在球14、124与管之间提供弹性适应界面的替代装置也可被设置。在图16A示出的一个替代实施例中，光学管150设置有一个或多个狭槽152，有利的是这些槽被平行于管轴定位。在图17A示出的第二个实施例中，光学管160包括位于其末端的一个或多个狭槽。在光学管的壁上设置狭槽允许在光学管和球14、124之间有压力弹性常数的更大自由度(图16B和17B)。这些狭槽同时也提供对球14、124接触管区域的更好观察，这在激光焊接过程中是有益的。
这些狭槽也提供一个将聚合材料添加到固定界面上的简单自然手段。该有槽管结构的较大柔韧性允许在绕光轴20的转动量很小且垫片相对薄的实施例(图18)中，扁平边缘的圆形垫片164用作球14、124的结构。这类垫片的边缘也可被磨圆以接近穿过球形球的薄片。
为了清楚起见，管状支撑朝其内对准垫片的开槽弹性作用已经描绘在附图中，就好像管向外膨胀一样。但是，在插入内在对准垫片164之前，光学管的开槽区域可被压缩或稍微向内弯曲。这就促使弹性作用引起开槽区域膨胀，直至其直径等于管未开槽区域的外径。这种开槽管实施例具有一个额外的优点，即内在的垫片穿过光学管150、160的未开槽区域没有任何困难。
用于粘结或焊接的杆/球对准结构的球的其它设计也可被替代使用。球是管内转动移动的一种自然模型。当转动受限于角度时，截顶球或者球形边缘的垫片同时起作用。当管的壁被通过变形圆形横截面来变得适应时，沿管轴切割管就使方形边缘垫片周边的区域连续接触光学管。尽管球14、124在管壁和其表面间具有线状的间隙，但对于方形边缘的垫片并不是这样。在焊料或者低粘度的液态聚合物被用来将该两部分粘合在一起时，可以用这些材料来填充线状间隙。参看图19，可以在方形边缘垫片124的周边增加台阶166来改变该方形边缘垫片124，从而在管内部和叠片周围之间的界面处产生一个可控的线状间隙168。图20示出一个实施例，其中方形边缘垫片124带有一个绕其圆周来提供线状间隙168的斜面170。
上述的实施例集中在对光学支撑管的改变来使其尺寸容许与内部接合的圆形垫片滑动配合或者弹性配合。图21A和21B示出一个实例，其中一个柔韧的、分离指状光纤保持器172被用来在未改变的圆柱光学管174内定位光纤24和套圈178。由光纤保持器172自身的偏斜或者由光学管174的变形可能产生弹性配合。
光纤保持器172能够轴向地滑动，同时套圈178能够被垂直于管轴移动以调整光纤末梢的位置。当其位置是所需的位置时，就通过光学管的熔透焊接、焊料或者施加无机或有机粘合剂来固定光纤保持器172。光学管174和光纤保持器172其指状片之间的紧密接触不会由于焊接收缩、胶剂收缩或焊料的收缩而引起任何相对的移动，或者仅仅引起很小的相对移动。焊接点、焊料或胶剂沿管轴的对称设置有助于将凝固的收缩移动降至最小。
参看图22A和22B，一个替代的实施例提供一种作为光纤保持器、与光学管174一起使用的非圆形垫片180。该非圆形横截面垫片180的凸起部182接触圆形横截面光学管174的壁。光学管174在凸起部的受压点处向外弹起，从而产生非粘合的压配合装配。套圈178轴向地滑动且能够被垂直于管轴移动来调整光纤末梢的位置。采用上述的方法可将套圈178定位。
前面对本发明单模光纤耦合结构的描述已经基本上说明了被激光焊接所固定的元件和结构。激光焊接设备是既昂贵又复杂的。激光焊接会产生极坚固的结构，但是即使是平衡的焊接也会由于不均衡的焊接应力而产生变形。这些不均衡的应力能够引起变形，而这些变形又可导致光学未对准和耦合效率损耗。参看图23A，通过采用聚合物粘合剂来将各个元件粘合在一起，本发明的一个实例减小了在结构附件临界点处的应力。在光、紫外辐射或热辐射的辅助下，这些粘合剂能够快速地固定或固化。优选的是，无机材料像硅酸盐、胶体氧化硅、胶体氧化铝或其它陶瓷制品、水力或地质聚合物粘合剂被用在对准结构的装配中。这些无机粘合剂可以提供一种在组件中使用粘合剂粘合的途径而不会引入有机杂质和随后的可靠性问题，其中组件包含有高功率的激光二极管。一些胶体氧化硅基粘合剂提供了另外的优点，即在组件真空烘烤后，它们有效地吸收残留的水汽，类似于其硅胶相关物。这些聚合物材料尤其是具有不同热膨胀系数的聚合物材料的使用不会导致温度的失调，这是因为偏移是径向的且沿光轴对称。光学管190没有设置光学管12的底部切开50，以在散热器18和光学管190之间的接点处提供增强的强度和减小的应力。这些底部切开50被光学管壁中尺寸适当和合适定位的结合孔192替代。光学管190可被定尺寸以在散热器18的表面上压配合。如果需要，聚合材料可被引入散热器18表面内的孔194(图24)中，这些孔194在散热器18和光学管190被压在一起的地方与光学管190中的孔192对准。或者，光学管190可被配置成具有约0.25mm深、环绕其周围的环形或线状槽196(图23B)，这些环形或线状槽196位于散热器18和光学管190彼此接触的区域之下。光学管190上的注入孔198提供将粘合剂注入槽154中的入口。注入或引入孔198-1的粘合剂装满环形槽196并出现在光学管190相对侧上的孔198-2处，从而确保完全可检验的粘合层。类似地，杆/球光纤保持器120可以带有与光学管190上的孔202对准的浅孔200(图25)，从而允许放入或注入粘合剂。
现在描述一种对无焊接实施例的装配和对准操作的实施例。基片30和柔韧的梁式引线(电导线32)被铜焊在散热器18上并与散热器18的表面对准(图24)。采用本领域普通技术人员公知的标准装配工艺，激光二极管16被压模安装在基片30上并与散热器18的表面对准。激光二极管16被线结合，使第一电连接在电导线32上、第二电连接在散热器18(或随需要电连接在第二电导线上)。电导线32被向上弯曲且穿过位于光学管190较低部分上的入口槽160。入口槽160被适当地定尺寸和定位来容纳电导线32。或者，透镜36和透镜架38、58被通过机械按压、焊接、铜焊或粘合剂粘合操作来预装配在光学管190中。光学管190和散热器18被定位和按压配合在一起以使任一粘合剂粘合部件被适当对准。接着，用粘合剂来注入粘合孔192。该粘合剂制剂可被填满或变薄以获得更高的强度、更低的收缩、更高或更低的粘度或更加匹配的热膨胀系数。固定有光纤24的杆/球光纤保持器120被轴向地移动和转动使得光纤24被轴向和径向调整到耦合激光束最佳的位置。具有适宜填料和粘度的粘合剂被注入杆/球光纤保持器120上的粘合孔166和光学管190上的入口槽204。该粘合剂能够固化来将杆/球光纤保持器120固定在处于对准位置的光学管190上。从而，装配就被完成并被准备好以前述的方式来插进更高级别的装置中。
本发明同时也提供有将成形光纤耦合至激光二极管的简化设计的实施例。如果光纤的末梢被合适地成形并可以伸展越过球14、124的表面(以下称作光纤后移或“伸出”)，则就能够呈现耦合至激光二极管16的高效率而不需任何透镜元件。对于光纤保持器14、120在光学管12、140、190中轴向地滑动来进行轴向对准和球垂直于光学轴20转动来进行X、Y对准，对准动作都是一样的。如果光纤末梢是凿尖形或其它形状而不是沿光轴圆柱对称，那么通过将光纤保持器14、120沿光轴20进行转动就很容易得到沿光轴20的转动对准。
参看图26，通过使光纤纤芯移动远离球的中心，光纤纤芯轴(光轴210)与光学管光轴20之间的未对准角度(θ=sin-1ML,]]>其中M是光纤末梢的径向移动量，L是光纤后移或伸出的长度)就能够变得如所需那样小。可被增加来减小获得光纤末梢给定移动量的角度的距离是从光纤末梢到球中心的距离。杠杆臂越长，将末梢移动一个给定距离所需的角度就越小。这个距离可以位于相对于焦斑的球中心的任何一侧。在光纤末梢被定位在球中心另一侧的位置，存在着类似地关系(图27)。对于光学管长度必须很短的情形，这是很有利的。
在任一的结构中，上述的公式表明对于给定的光纤末梢所需径向移动量，通过增大光纤伸出或后移长度L，就能够使光纤轴210与光轴20的角度未对准如所需那样小。在实际中，光纤末梢的径向移动所需值(M)将远远小于球的半径，从而在球直径处或球直径内部端接光纤将提供可以接受的角度未对准。
参看图28和29，一个实施例提供了没有角度误差的光纤对准。在单个球转体下，垂直于光轴20的调节会引起光纤轴和光轴之间的角度误差。在图28示出的实施例中，散热器18的末端在光学管(12、140、150、166)压在散热器18处的区域中包含有一段球形220，使得垂直于光轴20的调节不会出现图29所示的角度误差。
另一方面，本发明提供一种平面化散热器转体对准光纤的耦合设计，尤其适合于边缘发射激光器和凿尖透镜光纤。对于被预筛选的设置在基座上的边缘发射激光器，适宜将其安装在平面基片底座上并与该平面基片底座用导线互连。借助于凿尖形光纤而不用任何其它的光学元件，边缘发射激光器也经常具有适合耦合光纤的发射图案。图30A和30B所示的实施例可用于这类应用。结构240包括平面散热器242，其上安装有光学管244。光学管244包围着一个杆/球光纤保持器120。光纤24被以上述的方式固定在光纤保持器120上。光纤末梢246伸出光纤保持器120，并被成形以有效地耦合激光二极管250的发射。散热器242可以由金属化的图案陶瓷制品构成，以对激光二极管和辅助的电学元件像光电二极管、BeO或AlN散热器或者其它合适的陶器或者其它具有良好导热性的材料进行定线(route)。光学管244可由科伐或殷钢或其它合适的热匹配材料(即匹配于陶瓷散热器)制得。光纤保持器120可由陶瓷套圈像ST、LC、MV或其它规格的陶瓷套圈制得，并被压入由科伐或殷钢或者其它合适热匹配材料制得的球形边缘的垫片(或铜焊或粘合，有机或者无机)内。或者，光纤保持器120可由压入镀镍科伐垫片内的Al2O3制得，该镀镍科伐垫片具有等于或大体等于光学管244内直径的球形边缘半径。光学管244的内部与光纤保持器120之间的配合被定尺寸使得光纤保持器120在光学管内滑动但在释放时可保持在适当的位置上。光学管244可由在镍上镀金的科伐来制得，并被固定在BeO基片上，其中用Au/GE共熔或其它合适的高温焊料在基片顶面上构图并使之金属化。或者，金属管244可如上面实例所述那样被局部变形。采用Au/SN共熔或者其它合适的无熔剂或加溶剂焊料，激光二极管基座组件248被固定在与光学管244对准的BeO基片上。
该光纤保持器120组件带有一插入穿过陶瓷套圈上孔的凿刀端部形状的光纤，使得采用一种填充有适宜固化的粘合剂的胶体氧化硅玻璃，末梢246越过套圈的末端延伸一段很短的距离。该带有光纤的光纤保持器120组件通过轴向地滑动与激光二极管250对准，并通过转动使其凿尖与发射图案对准，移动垂直于光轴20的外杆部分以使光纤末梢246获得光学耦合最大值，处于接触光纤保持器120其球半径位置的光学管244在用来将光纤保持器120固定在适当位置的三个径向对称焊接点处被穿透。或者，通过使低粘度的无机粘合剂进入非接触光纤保持器120其球半径周边和光学管244内部之间存在的线状间隙，来将光纤保持器120固定在适当的位置上。
在光学管244的周边上可以设置孔，以方便粘合剂材料的进入。这种粘合剂可以固化。通过在陶瓷散热器242的金属化底部和外壳基座或TEC间使用低温度的焊料，该整个连结组件可被固定在外壳基座或热电制冷器上。
本发明也提供一种将光纤聚合粘合地耦合在激光二极管组件上的结构和方法。有机或无机或者既有机又无机的聚合材料是用于需要精确对准的部件的有益装配用具。但是，它们具有一些缺点，即在聚合或蒸发期间容易收缩，而且一般具有不同于与其连接在一起的材料的膨胀系数。低粘度液体具有能被吸入薄间隙或孔的性能，这被称作毛细作用或吸液(wicking)。如果两个具有粗糙表面的部件完成，则在表面上存在的天然出现或有意生成的一系列孔或通道就被紧密接触地放置。施加在界面一个区域上的一薄液体或分散或胶体层被吸入界面的孔和通道内。如果该液体聚合并粘合在界面的表面上，则该两个部件将被接连。即使在聚合过程期间出现显著的收缩，该两部件间的关系也不会存在尺寸变化，这是因为部件开始就彼此紧密的接触。特别是如果出现收缩，则因为粘合层的很小厚度以及膨胀会出现在毛细管和通道其未完全充满聚合物的空穴区内，所以温度偏移期间的任何膨胀都不会在两部件间引起移动或引起很小的移动。这种描述也适用于粗糙表面部件间的线接触。
图31A和31B示出本发明含有上述相同概念的一个实施例。结构270采用一个刚性平面基板272，该刚性平面基板272具有一个安装在升起基座276上的激光二极管274。基板272随需要具有一个便于电学连接的导电图278。辅助的部件和结构像光电二极管280、热敏电阻和类似的部件也可包括在该结构270中。在该平面基板272上、激光二极管274之间设置有一个带有槽沟道284的滑动对准板282。该沟道284远离平面基板272朝向，并被粗略地中心定位且与激光辐射轴对准。包含有适当尺寸和形状的光纤288的光学管被置于沟道284中，其中光纤288耦合激光二极管的输出光，光学管具有与沟道284宽度接近相等的直径。随需要沿X、Y、Z、θ、α、β的一个或多个来操作光学管286以将激光最优地耦合进光纤内。在操作光学管286的过程中，光学管286在沟道284内移动，对准板282接触平面基板272来进行滑动和转动。具有合适构成和粘度的很少量无机粘合剂被吸入(wick)对准板282和平面基板272间的间隙290内。类似的材料被沿管两侧的线状间隙292吸入。由溶剂蒸发或与表面材料的反应而引起的聚合将两个部件锁定在一起。随后在真空或不在真空下的升温处理将聚合物完全固化并将任何残留的溶剂除去。完成的组件可以粘合在其它的结构上，像组件内的底板或组件内部的热电致冷器。平面基板272可以由被金属化和构图以在滑动对准板282的位置处暴露陶瓷粗糙表面的放电(fired)BeO(或AlN)构造。基座276可以由在两侧被金属化和构图以允许激光器阴极和阳极连接的BeO或AlN构造。基座276可以包括一个用合适的焊料合金像金/锡合金合金固定在平面结构上的预筛选的子组件。光学管286可以由膨胀值与对准板接近相等的玻璃或陶瓷制成。对准板282可以由膨胀值接近等于平面基板的陶瓷像BeO或AlN或Al2O3制成。
由胶体氧化硅、胶体氧化铝或其组合物制成且具有硅酸钠(或硅酸钾)的粘合剂无机聚合物可被用于低粘度部件。适当玻璃或陶瓷粉末的填料可被用作在聚合材料被吸入孔和沟道位置处和线在光学管286接触处的低收缩性质容器。在完成聚合固化之后，可以用低温焊料像铟/锡共熔、铟银共熔或铋/锡合金将组件固定在外壳基座或TEC上。
从前面的描述可以明白，本发明提供多个对准和连接结构及方法。通过将两个部件一起锁定在球和管结构内的自对准低能输入方法来提供更进一步的这种结构和方法。管中的球、变形管中的球和此处描述的管结构中的垫片通常一旦在被调节到适当的对准时都被相对于彼此永久地固定。激光或其它焊接、与有机和无机粘合剂的粘合、锡焊和铜焊已经作为连接部件的方法被说明。这些方法一般包括将材料以轴对称的方式置于两个部件间的接点处，使得连接材料固化期间的收缩不会引起孔内部件的转动。如果在要连接的两个部件间可能有确定连接材料位置的接触区域，则就能确保材料的自动对称。这种情形是可能的，即如果两部件上要连接的材料或涂层形成一种合金，或者如果一个部件或两个部件上的涂层在低于部件自身熔点之下的温度处熔化。即使用来产生熔化区域的热并未被对称供应，也会仅在接触点处出现一个连接。这种思想另外的优点在于该结构需要较少的能量输入来产生接点。能量的减少就意味着失真、移动和残余应力的降低。
在一些实施例中，如果使用激光焊的话，采用很轻微的压配合来被置于光学管中的球形光纤保持器部分要用激光焊接来固定在管内，假设围绕管轴的三个径向对称焊接点(分开120度)具有很小的轴向放置误差，那么在焊接收缩期间一些球就可能出现转动。
通过在光学管的内表面上设置金的薄电镀并在光纤保持器的球形部上设置锡的薄电镀，则当激光能降低至一点时，其中该点在包含有管与球间阶车的区域处将管壁加热至300℃，管与球间的连接位置就仅出现在金/锡合金形成和固化位置的接触点处。即使是热并未集中在接触位置，连接位置也位于精确的接触点处。因为激光器必须将光学管仅加热至300℃而不是加热至管的熔点，所以以热形式的更少能被传递至管和光纤保持器。在焊接期间会出现较少的失真。对于激光焊接，存在着其它显著的优点，即在管表面处由烧蚀的金属出现的对结构的冲击被减小或消除。
为了例示和说明的目的，已经给出了本发明具体实施例的前述描述。但它们并不是穷尽的或并无意将本发明限制到披露的精确形式，很显然，按照上述的教导，许多改进和改变都是可能的。这些实例的选择和描述都是为了最好地说明本发明的原理和其实际的应用，从而使本领域的技术人员能够最好地利用本发明和各个具有随特定使用所做改进的实例。本发明的范围应当由所附权利要求及其等同物来限定。
权利要求
1.一种用于将光纤与光源对准的装置，包括一光纤保持器；一散热器；和一大体管状的接口件，具有沿其中心的中心轴、第一开口端和第二开口端，该接口件通过该第一开口端容纳所述光纤保持器、通过该第二开口端容纳该散热器，所述光纤保持器容纳光纤并使该光纤与所述中心轴对准。
2.如权利要求1的装置，还包括与所述中心轴对准的一光源，该光源置于所述散热器和所述光纤保持器之间的接口件内。
3.如权利要求2的装置，其中所述光源包括激光二极管。
4.如权利要求3的装置，其中所述激光二极管包含一连接，通过该连接所述激光二极管接收能量，所述接口件包含一孔径，电极通过该孔径将所述激光二极管连接在一电源上。
5.如权利要求1的装置，还包括与所述中心轴垂直对准的一透镜，该透镜置于所述散热器和所述光纤保持器之间。
6.如权利要求5的装置，还包括一透镜和一透镜架，该透镜架置于透镜周围并固定在所述接口件的内表面上。
7.如权利要求1的装置，其中所述光纤保持器包括一大体球形部，该球形部具有一中心和一尺寸足以容纳所述光纤的沟道，该沟道穿过所述光纤保持器大体球形部的中心。
8.如权利要求7的装置，其中所述光学管包括围绕所述球形部周边的一环形槽，该环形槽容纳有当所述光纤保持器接触所述接口件时用来将所述光纤保持器固定到所述接口件上的粘合材料。
9.如权利要求7的装置，其中所述光纤保持器包括至少一个线状间隙，该线状间隙容纳有当所述光纤保持器接触所述接口件时用来将所述光纤保持器固定到所述接口件上的粘合材料。
10.如权利要求1的装置，其中所述光纤保持器包括一大体球形部件和一大体圆柱形部件，具有各自中心轴的该球形部件和圆柱形部件以及具有足够长的直径来容纳所述光纤的一沟道被沿各自的中心轴设置。
11.如权利要求1的装置，其中所述光纤保持器包括一大体球形部，该球形部具有一中心和一尺寸足以容纳所述光纤的沟道，该沟道穿过该大体球形部的中心。
12.如权利要求1的装置，其中所述光纤保持器被用压配合固定在所述接口件上。
13.如权利要求12的装置，其中通过插入所述光纤保持器以提供压配合，来扩张所述接口件。
14.如权利要求1的装置，其中所述光纤保持器通过聚合粘合固定在所述接口件上。
15.如权利要求1的装置，其中所述光纤保持器被焊接在所述接口件内的适当位置上。
16.如权利要求1的装置，其中所述光纤保持器具有非圆形的剖面以提供所述光纤保持器和所述接口件间的离散接触点。
17.如权利要求1的装置，其中所述散热器通过聚合粘合固定在所述接口件上。
18.如权利要求17的装置，其中所述散热器具有圆柱形状，且包括多个含有聚合物粘合材料的孔，该聚合物粘合材料用来在当所述散热器接触所述接口件时将所述散热器固定在所述接口件上。
19.如权利要求17的装置，其中所述散热器包括至少一个线状间隙，该线状间隙容纳有当所述散热器接触所述接口件时用来将所述散热器固定在所述接口件上的粘合材料。
20.如权利要求1的装置，其中所述散热器被焊接在所述接口件内的适当位置上。
21.如权利要求1的装置，其中所述散热器被压配合在所述接口件内。
22.如权利要求1的装置，其中所述光纤保持器、散热器和接口件被固定在一夹持块上。
23.如权利要求22的装置，其中所述夹持块包围所述光纤保持器、散热器和接口件。
24.如权利要求22的装置，其中所述光纤保持器、散热器和接口件被捆扎在所述夹持块之上。
25.如权利要求1的装置，其中所述接口件包括允许在所述接口件内进行所述光纤保持器对准的入口槽。
26.一种用于将激光二极管与光纤末梢对准的接口件结构，该接口件具有大体圆柱形状，且具有转动中心轴、第一开口端和第二开口端，该第一开口端被适当地定尺寸来容纳夹持光纤一端部的光纤末梢保持器，该第二开口端被适当地定尺寸来容纳散热器和激光二极管，使得该激光二极管和光纤保持器被保持大体与所述中心轴对准。
27.如权利要求26的接口件结构，其中所述结构的圆柱形状包括一中心部，其中该中心部在压配合下扩张来容纳所述光纤保持器。
28.如权利要求27的接口件结构，其中所述中心部被稍微变形以具有非圆形的横截面。
29.如权利要求26的接口件结构，还包括多个入口槽，这些入口槽靠近所述第一端定位且平行于所述中心轴延伸。
30.如权利要求26的接口件结构，还包括一入口槽，该入口槽靠近所述第二端定位以对安装在所述激光二极管上的一电极提供入口。
31.一种光纤保持器，包括一具有中心沟道的大体球形体，该沟道穿过所述球形体从一侧延伸并在相对的一侧终止，使得该沟道被适当地定尺寸来容纳带有末梢并将该末梢夹持在固定位置上的一光纤。
32.如权利要求31的光纤保持器，其中所述中心沟道在所述相对侧被逐渐减小至一缩减直径。
33.如权利要求31的光纤保持器，其中所述球形体被截顶以在所述相对侧上提供一平面，使得当所述光纤被插入所述光纤保持器中时，所述末梢与该平面平齐。
34.如权利要求31的光纤保持器，还包括一具有第二中心沟道的大体圆柱形体，该圆柱形体靠近所述球形体定位，使得所述球形体的中心沟道与该第二中心沟道对准。
35.如权利要求34的光纤保持器，其中所述圆柱形体安装在所述球形体上。
36.如权利要求34的光纤保持器，其中所述球形体和所述圆柱形体被结合成单个部件。
37.一种用于将光源与带有末梢的光纤对准的方法，当光从该光源发出时，光被传向光纤的末梢，该方法包括将所述光纤的末梢置于一适当尺寸的光纤保持器中，以在具有中心轴的一大体管状部件内进行装配；将所述光纤保持器和光纤插入所述管状部件内；将所述光源插入所述管状部件内，使得所述光源靠近所述光纤末梢定位；定位所述末梢以大体与所述中心轴对准；和定位所述光源以大体与所述中心轴对准，使得所述末梢和所述光源彼此相对。
38.如权利要求37的方法，还包括将一散热器安装在所述光源上。
39.如权利要求38的方法，其中将所述光源插入所述管状部件内包括将所述散热器压配合在所述管状部件上。
40.如权利要求37的方法，其中将所述光纤保持器插入所述管状部件内包括将所述光纤保持器安装在所述管状部件上。
41.如权利要求37的方法，其中将所述光纤保持器插入所述管状部件内还包括将所述光纤保持器焊接在所述管状部件上。
42.如权利要求37的方法，其中将所述光纤保持器插入所述管状部件内还包括将所述光纤保持器粘合在所述管状部件上。
43.如权利要求37的方法，其中将所述散热器插入所述管状部件内还包括将所述散热器焊接在所述管状部件上。
44.如权利要求37的方法，其中将所述散热器插入所述管状部件内还包括将所述散热器粘合在所述管状部件上。
45.如权利要求38的方法，还包括将所述管状部件、光源、光纤和散热器置于一夹持块中。
46.一种用于将光纤与光源对准的装置，包括一光纤保持器，具有一大体球形部，该球形部具有中心轴和尺寸足以容纳光纤一端处末梢的沟道，该沟道被定位被穿过该光纤保持器大体球形部的中心；一散热器；一大体管状接口件，具有沿其中心的中心轴、第一开口端和第二开口端，该接口件通过该第一开口端容纳所述光纤保持器、通过该第二开口端容纳该散热器，所述光纤保持器容纳光纤并使该光纤与所述中心轴对准；以及一激光二极管，与所述中心轴对准且被置于所述散热器和所述光纤保持器之间的接口件内，该激光二极管安装在所述散热器上，以使由激光二极管的运行产生的热被所述散热器吸取。
全文摘要
一种结构，提供在单个安装过程中激光二极管(16)和光纤(24)间的轴向和径向对准。该结构结合有光学管(12)、光纤保持器(14)、激光二极管(16)和散热器(18)。光纤保持器(14)在光学管(12)的一端处被固定在内表面上，并保留一段与激光二极管轴向对准且紧密接近的光纤。散热器被置于光学管(12)的相对端内，用于从激光二极管吸取以热形式的能量。该激光二极管借助于连接在金属化陶瓷基片上的电导线来提供能量，其中基片设置在激光二极管和散热器之间。这种结构的对称设计是刚性的，而且基本对于热和机械应力不敏感，而这些热和机械应力会引起在类似尺寸比例平面设计中的不对准。该结构的光学管(12)和散热器元件基本上是圆柱形状，以提供高精度的部件，同时散热器和光学管(12)可被很容易地转动且采用标准的机械加工设备可研磨地完成。
文档编号G02B6/42GK1474951SQ01818971
公开日2004年2月11日 申请日期2001年9月28日 优先权日2000年9月28日
发明者戴维·M·罗斯, 戴维 M 罗斯 申请人:极速网联公司