专利名称：光纤光学器件的封装方法与结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤通讯的光学器件的封装方法与结构，特别是利用毛细作用将接合剂渗入一光学器件的次组合与各部件之间的微小间隙内，而达到致密接合及密封的封装方法与结构。
背景技术：
目前一般光纤通讯的光学组件的封装，大都是利用接合剂将光学组件及必要部件黏合在一起作成次组合(sub-assembly)，然后再以焊锡技术将其封装成整体密封的产品，图1显示一种利用焊锡技术制造的公知光塞取滤波器(Optical Add/Drop Filter)的封装剖面图，其是先利用接合剂将各组件组合成入射端(common port)30及穿透端(pass port)31，然后再以焊锡技术将入射端30及穿透端31组合。该入射端30的双纤准直器(dual fiber collimator)包括一双光纤尾纤(dual fiber pigtail)2、一对光纤(fiber)3a、3b、一第一折射率渐变透镜(GRIN lens)4、一第一玻璃套管(glass tube)8a及一滤波片(filter)5，而该穿透端31的单纤准直器(single fiber collimator)包括一第二折射率渐变透镜6、一单光纤尾纤7、一光纤3c及一第二玻璃套管8b。当该光塞取滤波器操作时，至少两个以上的不同波长光讯号从入射端30的光纤3b射入，其中某一个特定波长的光讯号会通过滤波片5，然后经第二折射率渐变透镜6聚焦在第二玻璃套圈7的左端面，再由光纤3c输出；其它波长的光讯号则被滤波片5反射，经第一折射率渐变透镜4聚焦在第一玻璃套圈2的右端面，再经由光纤3a输出。
光学组件的性能及长期使用的稳定性与环境密封性息息相关，图1中入射端30的第一玻璃套管8a与双光纤尾纤2及第一折射率渐变透镜4间具有一狭小间隙(大约0.005～0.3mm)，利用毛细作用将接合剂渗入该间隙内，以达到紧密接合及密封的效果，接着用一金属套管9a套在第一玻璃套管8a外面，再以接合剂填入两者之间的微小间隙(大约0.005～0.3mm)内，以达到紧密接合及密封的效果；穿透端31的接合方法与前述方法相同，利用接合剂填入第二玻璃套管8b与单光纤尾纤7及第二折射率渐变透镜6间的狭小间隙内，接着用一第二金属套管9b套在第二玻璃套管8b外面，再以接合剂填入两者之间的微小间隙内，以达到紧密接合及密封的效果。当入射端30与穿透端31组合时，入射端30的特定波长光源进入穿透端31的光强度需达到最大值，亦即插入损失(insertion loss)需最小，封装时，为使穿透强度达到最大值，穿透端31的位置相对于入射端30会产生偏移及倾斜，亦即穿透端31与入射端30不会在同一轴线上，因此，外封管(housing tube)11与第一金属套管9a及第二金属套管9b之间的间隙必须预留较大的余裕空间(约0.1～1.5mm)，方能使穿透端31及入射端30在外封管11内得到最佳的耦合。外封管11与第一金属套管9a及第二金属套管9b之间的间隙较大，一般都是用焊锡方法(solder process)接合，首先调整穿透端31及入射端30的相对位置，当两者耦合(coupling)到最佳光强度时，再以焊锡12将外封管11与第一金属套管9a及第二金属套管9b接合密封。
公知的光塞取滤波器的封装方法是先以接合剂渗入各组件间的狭小间隙内而形成紧密接合的光学组件的次组合，然后再以焊锡制备过程组合成一体的密封产品。然而在焊锡制备过程中，组件会受热，且同时需作耦光调整，操作不易；焊锡制备过程所造成的微应力会渐渐释放，而影响光学性能及长期使用的稳定性；此外，必须额外使用两个金属套管及两个玻璃套管，且金属套管及外封管需镀金才能与焊料紧密结合，会增加整体组件体积及材料成本。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种光纤光学器件的封装方法与结构，以解决公知的光纤光学器件的封装中的焊锡制备过程的如下缺点在焊锡制备过程中，组件会受热，且同时需作耦光调整，操作不易；焊锡制备过程所造成的微应力会渐渐释放，而影响光学性能及长期使用的稳定性；必须额外使用两个金属套管及两个玻璃套管，且金属套管及外封管需镀金才能与焊料紧密结合，会增加整体组件体积及材料成本。
本发明的技术手段包括如下方法一具备特定功能的光学器件的次组合，其两端具有光纤延伸出来；该光学器件的次组合的第一端套进一环帽，利用接合剂渗入该环帽与该光学器件的组合间的狭小间隙内，而将其紧密结合及密封；在该光学器件的次组合的第二端预留一段光纤(长度为d1)；在该光学器件的次组合第二端所预留的一段光纤d1后面，剥除另一段光纤的被覆层(长度为d2)；该光学器件的次组合第二端的光纤套入一套管，该套管具有一仅能容纳光纤通过的中央孔洞，该套管完全覆盖该剥除掉被覆层的光纤，利用接合剂渗入该套管的中央孔洞与该剥除掉被覆层的光纤间的狭小间隙内，而将其紧密结合及密封；在该环帽及该套管外面套入一金属外封管，利用接合剂渗入金属外封管与环帽及套管间的狭小间隙内，而将其紧密结合及密封。
本发明还提供一种采用上述封装方法的光纤光学器件的封装结构，其包括一光学器件的次组合，其两端具有一条或多条光纤延伸出来；该光学器件的次组合的第一端套进一环帽；在该光学器件的次组合的第二端预留一段光纤，长度为d1，并于其后方剥除另一段光纤的被覆层，长度为d2；该光学器件的次组合第二端的光纤套入一套管，该套管具有一仅能容纳该光纤通过的中央孔洞，该套管完全覆盖该剥除掉被覆层的光纤；在该环帽及该套管外面套入一金属外封管。
和公知的封装方法比较，本发明主要利用接合剂渗入各部件间的狭小间隙内，而达到紧密接合及密封的良好效果，不需在耦光时用到焊锡制程，故能得到光学性能更佳、长期使用稳定及节省成本的光纤光学器件。
图1显示公知的光塞取滤波器以焊锡封装的剖面图；图2显示小型化光塞取滤波器的光学器件的次组合的示意图；图3显示本发明的小型化光塞取滤波器封装结构的第一种实施例的剖面图；图4显示本发明的小型化光塞取滤波器的封装结构中，在玻璃套管后面预留一段光纤长度以缓冲因温度变化所产生的应力的示意图；图5显示光学器件中的局部区域长度为20mm且光学器件的次组合的膨胀系数为7×10-6/℃时，金属外封管的膨胀系数与预留的光纤长度d1的关系图；图6显示另一种形式的光学器件以本发明的封装方法封装的示意图；图7显示本发明的封装结构的第二种实施例，光学器件的次组合两端都用套管方式封装；以及图8显示本发明的封装结构的第三种实施例。
其中，附图标记说明如下2-双光纤尾纤 3a、3b、3c-光纤4-第一折射率渐变透镜 5-滤波片6-第二折射率渐变透镜 7-单光纤尾纤8a-第一玻璃套管 8b-第二玻璃套管9a-第一金属套管 9b-第二金属套管11-外封管12-焊锡30-入射端31-穿透端200-第一渐变折射率透镜 201-第二渐变折射率透镜210-双光纤尾纤 220-单光纤尾纤230-滤波片 241-环帽242-套管 243-金属外封管245-中央孔洞 250-接着剂270、271、272、273-光纤 272c-光纤291、292、293、294、295-间隙 272a、273a-光纤310、330-光学器件的次组合300-光纤准直器320-局部区域 351-罐装结构(TO-Can)352-垂直共振腔表面放射雷射、接收器或由MEMS所组成的次组件400-缓冲材料
具体实施例方式
图2为一光学器件的次组合310的示意图，其是由各光学组件串接的小型化光塞取滤波器，其包括双光纤尾纤210、第一渐变折射率透镜200、滤波片(WDM Filter)230、第二渐变折射率透镜201、单光纤尾纤220及光纤270、271、272，在各个接口之间分别以接合剂250作接口的强化，图3为本发明的小型化光塞取滤波器的封装示意图，其封装方法如下在双光纤尾纤210外面套入一长度为d3的环帽(housing cap)241，其材质需具备完全隔绝水气且具适当的热膨胀系数及不易生锈等性质，其可为金属或玻璃或陶瓷，该环帽241与双光纤尾纤210之间的间隙291非常狭小(大约为0.005～0.3mm)，利用毛细作用将接合剂(如环氧树脂(epoxy resin))渗入该间隙291内，达到紧密接合及密封的效果。单光纤尾纤220后端的输出光纤272于适当距离d1之后，剥除一小段长度为d2的光纤272a被覆层，该被覆层一般为压克力材质，具保护光纤的作用，但质较软无法与接合剂作良好接合，必须剥除，接着光纤272套入一套管(sleeve)242，其长度略大于d2，其材质与环帽241材质相同，套管242有一狭小的中央孔洞245仅容光纤272穿过，而套管242与光纤272a之间的狭小间隙294(大约为0.005～0.3mm)以接合剂渗入其内，以达到紧密接合、密封及保护被剥除被覆层的光纤272a的效果，最后，在环帽241及套管242外面再套入一金属外封管(metal housing tube)243，该外封管243除需具备完全隔绝水气、不易生锈及适当强度外，且需具备与组件相互匹配的热膨胀系数，外封管243与环帽241及套管242之间的狭小间隙292(约为0.005～0.3mm)以接合剂渗入其中，而达到整体紧密接合及密封的效果。
请参考图3，封装后的小型化光塞取滤波器的内部局部区域320会受到环帽241、套管242及金属外封管243的束缚，在材料选择上环帽241、套管242及金属外封管243的热膨胀系数与光学器件的次组合310的热膨胀系数需能适当匹配，在温度变化情况下，才能避免其彼此之间的应力作用。光学器件的次组合310的热膨胀系数约为5×10-6～9×10-6/℃，是由各部零件个别的热膨胀系数所共同加权计算而得，选用的金属外封管243材质的热膨胀系数亦以5×10-6～9×10-6/℃范围为佳。一般而言，该金属外封管的热膨胀系数与各部组件的整体热膨胀系数的差最好在30×10-6/℃以内(请参考图5)；两者的热膨胀系数相同更好。
另外，由于光学器件的次组合310中的光纤272具备可挠性，预留光纤长度d1的目的是为了应付当光学器件的次组合310受到由高温变化到低温时的压缩应力而造成光纤272弯曲变形(一般而言，接合剂均需经加热烘烤使其完全固化)，如图4所示，因金属外封管243的压缩应力而造成光纤272弯曲成272c，若其弯曲直径在40mm以上，并不会造成光学器件额外的损伤及产品性能上的变异。图5是显示光学器件中的局部区域320长度为20mm且光学器件的次组合的膨胀系数为7×10-6/℃时，光纤272预留长度d1(光纤的膨胀系数为0.5×10-6/℃)与金属外封管243的膨胀系数(即材质选择)的关系图，若金属外封管243的膨胀系数越大于光学器件的次组合310的热膨胀系数，则光纤272的预留长度d1需越长。
本发明的封装结构除可应用在小型化的三通道光塞取滤波器(3-portoptical add-drop filter)外，亦可用于其它光学组件的封装制备过程中，如多通道光塞取滤波器、光耦合器(Coupler)、光隔离器(Optical Isolator)、极化分光器(Polarization Beam Splitter)或其它混成组件(Hybrid component)所组合成的光学器件的次组合等，图6显示一个多通道的光学器件的封装结构，其结构与图3几乎相同，不同的是光学器件的次组合330的第二端有两条光纤272、273，且于其第二端后面适当的距离d1之后，该输出光纤272、273的被覆层需剥除一小段长度d2(即光纤272a、273a)，套管242的中央孔洞245仅容光纤272、273穿过。光学器件的次组合330为具备特定功能的光学组件，可为上述各种不同的产品形式，依产品型态的不同，光学器件的次组合330两端的光纤数量可为一条或多条。
图7显示光学器件的次组合330两端都用套管方式封装，其接合方式与图3所示方式相同。这种方式的封装结构对外力的抵抗性较差，所以填入缓冲材料400，材质可为质较软的硅胶(silicon)或橡胶(rubber)。
图8显示应用本发明封装结构的另一种型式，当装置在罐装结构(TO-Can)351上的垂直共振腔表面放射雷射(VCSEL)、接收器(Receiver)或由MEMS所组成的次组件352与光纤准直器300耦合至最佳位置时，将光纤准直器300固定在罐装结构(TO-Can)351上，然后将金属外封管243套在罐装结构(TO-Can)351上，再以接合剂渗入金属外封管243与罐装结构(TO-Can)351之间的狭小间隙295(约为0.005～0.3mm)内，而达到紧密接合及密封的效果。此外，光纤准直器300后端的封装方式与图6相同。
请参考图3、图6、图7和图8，环帽241、套管242及罐装结构(TO-Can)35 1的长度(分别为d2、d3及d4)越长，则其分别与该光学器件的次组合320、330及金属外封管243之间的接合面越大，可增加紧密接合及密封的封装效果。
以上利用接合剂结合各部件的封装方式的成本较低，若不考虑成本因素，相同于前述的封装结构，结合方法可以有一些变化，图3、图6、图7和图8的外封管243与环帽241间、外封管243与套管242间的接合亦得以焊锡(solder)或雷射焊接(Laser welding)方法达到紧密接合及密封的效果，该焊锡或雷射焊接方法与现有技术的做法不同的是本发明的封装结构不需要耦光，因为该光学器件的次组合310、330已将各光学组件耦光串接好了，封装时只需注意光纤不要有严重的弯折(bending)，因此可在不影响光学性质的前提下，作快速的封装；同样地，套管242与光纤272a、273a间的接合亦可利用焊锡(solder)或玻璃焊接(glass solder)方法而达到快速密封的效果。
以上所述仅为用以解释本发明的较佳实施例而已，并非企图据以对本发明作任何形式上的限制，因此，凡有在相同的创作精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆为本发明权利要求涵盖。
权利要求
1.一种光纤光学器件的封装方法，其特征在于包括一具有特定功能的光学器件的次组合，其两端具有光纤延伸出来；该光学器件的次组合的第一端套进环帽，利用接合剂渗入该环帽与该光学器件的次组合间的狭小间隙内，而将其紧密结合及密封；在该光学器件的次组合的第二端预留一段光纤，长度为d1；在该光学器件的次组合第二端所预留的一段光纤d1后面，剥除另一段光纤的被覆层，长度为d2；该光学器件的次组合第二端的光纤套入一套管，该套管具有一仅能容纳光纤通过的中央孔洞，该套管完全覆盖该剥除掉被覆层的光纤，利用接合剂渗入该套管的中央孔洞与该剥除掉被覆层的光纤间的狭小间隙内，而将其紧密结合及密封；在该环帽及该套管外面套入一金属外封管，利用接合剂渗入金属外封管与环帽及套管间的狭小间隙内，而将其紧密结合及密封。
2.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，该光学器件的次组合的第二端后面预留一段光纤长度d1，是为缓冲因温度变化所产生的应力而设，该预留的光纤长度d1依该外封管的膨胀系数而定，该外封管的膨胀系数越大，则预留的光纤长度d1需要越长。
3.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，该光学器件的次组合第二端的光纤处理方法为预留一段光纤长度d1，在该预留的光纤长度之后，剥除一段光纤被覆层，长度为d2，该剥除掉被覆层的光纤长度略小于该套管长度，当该套管套入光纤后，该套管完全覆盖该剥除掉被覆层的光纤，以保护该段剥除掉被覆层的光纤。
4.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，该光学器件的次组合与该环帽相接合的部分为可完全防水的致密材质，可为金属或陶瓷的一种。
5.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，该环帽与该套管的材质为可完全防水的致密材质，可为金属或陶瓷的一种。
6.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，该外封管与该环帽间、该外封管与该套管间的接合是利用焊锡焊接的方式接合。
7.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，该外封管与该环帽间、该外封管与该套管间的接合是利用雷射焊接的方式接合。
8.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，该套管与该剥除被覆层的光纤间的接合是利用焊锡焊接的方式接合。
9.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，该套管与该剥除被覆层的光纤间的接合是利用玻璃焊接的方式接合。
10.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，该接合剂可为环氧树脂。
11.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，该金属外封管的热膨胀系数与各部组件的整体热膨胀系数的差在30×10-6/℃以内；或两者的热膨胀系数相同。
12.一种光纤光学器件的封装结构，其特征在于包括一光学器件的次组合，其两端具有一条或多条光纤延伸出来；该光学器件的次组合的第一端套进一环帽；在该光学器件的次组合的第二端预留一段光纤，长度为d1，并于其后方剥除另一段光纤的被覆层，长度为d2；该光学器件的次组合第二端的光纤套入一套管，该套管具有一仅能容纳该光纤通过的中央孔洞，该套管完全覆盖该剥除掉被覆层的光纤；在该环帽及该套管外面套入一金属外封管。
13.如权利要求12所述的封装结构，其特征在于其亦可为一光学器件的次组合，其两端具有一条或多条光纤延伸出来；在该光学器件的次组合的第一端及第二端各预留一段光纤，长度为d1，并分别于其后方剥除另一段光纤的被覆层，长度为d2；该光学器件的次组合第一端及第二端的光纤各套入一套管，该套管具有一仅能容纳该光纤通过的中央孔洞，该套管完全覆盖该剥除掉被覆层的光纤；在该套管外面套入一金属外封管。
14.如权利要求12所述的封装结构，其特征在于其亦可为一光学器件的次组合，其第一端已密闭封装，其第二端具有一条或多条光纤延伸出来；在该光学器件的次组合的第二端预留一段光纤，长度为d1，并于其后方剥除另一段光纤的被覆层，长度为d2；该光学器件的次组合第二端的光纤套入一套管，该套管具有一仅能容纳该光纤通过的中央孔洞，该套管完全覆盖该剥除掉被覆层的光纤；在该光学器件的次组合第一端及该套管外面套入一金属外封管。
全文摘要
一种光纤光学器件的封装方法与结构，采用该封装方法的光纤光学器件的封装结构包括有一具有光纤延伸出来的光纤光学器件的次组合、一环帽、一套管及一外封管，并利用毛细作用将接合剂渗入该光纤光学器件的次组合与各部件之间的微小间隙内，而达致密接合及密封的封装目的，这种接合方式有别于且优于一般光学组件的利用焊锡接合方式。
文档编号G02B6/26GK1601311SQ03160218
公开日2005年3月30日 申请日期2003年9月27日 优先权日2003年9月27日
发明者黄裕文, 高瑞成, 黄智伟 申请人:波若威科技股份有限公司