组件密封装置及其形成的光子器件组件的制作方法

专利名称：组件密封装置及其形成的光子器件组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及气密密封的光子器件组件和为之而使用的聚合物密封装置。
背景技术：
光通信领域中术语“光子(的)”是根据术语“电子(的)”类推造字而来。“光子”器件是用来处理光频通信信号的器件。虽然光子器件中的信号处理元件实际上是光学的，并且许多不需要任何形式的电信号处理，但是，大部分被普遍使用的光子器件结合多种类型的电气或电子连接，无论它是加热器、光电探测器还是其它电气或电子器件。
当暴露在潮气和氧气中使用时，光子器件中使用的电接触遭受侵蚀，大大地减少了这种器件的寿命。将潮气和氧气排除在光子器件外具有可观的价值。因为许多这种器件需要与纤维光学的输入端和输出端连接，这尤其成问题。在该领域的一个典型应用中，纤维阵列被密封进套圈，然后插入到光子器件组件外壳的插孔中；然后，将如此形成的连接密封以提供气密密封。在该应用中重要的是，套圈材料自身的渗透性为对氧气和潮气的低渗透性。典型的光子器件组件是熔接或焊接的金属盒，虽然他们可以是具有低渗透性的塑料。
通常使用的是全金属密封装置。例如，将镀了金属的光纤焊接到金属套圈，其依次插入到安装在或集成到光子器件的外壳的插孔，然后焊接该连接以提供气密密封。
参见，例如，Filias；Materials Research Society Symp.Proc.Vol.531，1998，p.263-272。
如美国专利5568581中描述的，进一步得知，套圈由具有陶瓷插口的注模聚合物制备。然而，仍需要不贵的直接可模制的塑料套圈，其提供高的可加工性以及优秀的屏蔽特性和低的热膨胀系数(CTE)。
现有技术中提过的一种此类材料是液晶聚合物(LCP)。已知LCP提供优秀的模制特性、对潮气和氧气非常高的屏蔽、低的CTE和好的热性能。
Farrell等在Proceedings of the 2003 International Symposium onMicroelectronics，pp.18-23发表的“The Liquid Crystal Packaging Solution”中披露了电镀了金属的LCP罩的使用，其适于焊料密封到具有模铸式线相互连接的LCP印刷电路板上。其中还披露了两根穿过LCP组件侧壁的光纤实例。
LCP的镀金属方法是已知的。Beitinger等在WO99/39021中披露了LCP的溅射涂膜、离子电镀法和电镀以得到其镀了金属的表面。

发明内容
本发明提供一种密封装置，用于将一根或多根光纤连接到光子器件上，所述装置包含成型制品，其包含至少80％的一种或多种液晶聚合物；一根或多根光纤，设置成穿过所述成型制品，所述光纤被模压在所述成型制品中；所述成型制品的形状允许与位于光子器件外壳上的与其互补的对应部分(complementary counterpart)连接。
本发明进一步提供一种气密密封光信号处理器，包含光子器件，其具有提供有第一密封装置的外壳；一根或多根光纤，其与所述光子器件光耦合，以及第二密封装置，所述第二密封装置包含成型制品，其包含至少80％的一种或多种液晶聚合物；和，设置成穿过所述成型制品的一根或多根光纤，所述光纤被模压在所述成型制品中；其中，所述第一和第二密封装置为相互互补的对应部分，并且所述第一和第二密封装置相互气密密封。


图1是以镀了金属的LCP套圈形式的本发明密封装置一实施方案的放大了的示意图。
图2a为说明本发明套圈如何与镀了金属的或金属的光子器件外壳上的互补的对应部分配合的示意图。
图2b为形成光信号处理器完整连接的示意图。
图3为连接的放大视图，表示提供气密的焊料密封。
图4a为实施例中使用的模具的顶视图。
图4b为示出光纤穿过的实施例中使用的模具的侧视图。
具体实施例方式
本发明提供一种密封装置，用于将一根或多根光纤连接到光子器件上，所述装置包含成型制品，其包含至少80％的一种或多种液晶聚合物；一根或多根光纤，设置成穿过所述成型制品，所述光纤被模压在所述成型制品中；所述成型制品的形状允许与位于光子器件外壳上的与其互补的对应部分连接。
这里的密封装置被设计用来在光信号载线和光子器件之间提供简易连接和气密密封。
根据本发明目的，术语“密封装置”应理解为根据这里描述的方法使用的任何成型制品以在一根或多根输入或输出光纤和光子器件之间实现气密密封，所述光纤光学耦合到该光子器件上。
术语“互补的对应部分”表示成型制品，其适于与另一个成型制品配合，以实现可密封的连接。正如这里所使用的，主要是指适于与本发明密封装置配合的以及在配合和密封后提供本发明气密密封光信号处理装置的光子器件的外壳部分。本发明的可操作性并不视用于光子器件的是单个可区别的外壳而定。任何类型的用来为这里的本发明密封装置提供互补的对应部分的光子器件组件也将同样适合。
在一个实施方案中，该密封装置和其所连接到的光子器件的外壳上的互补的对应部分都由相同或相近类似的液晶聚合物制成，以便在连接后，能够通过热或激光焊接实现气密密封。
在另一个实施方案中，当所述互补的对应部分由金属制成或镀了金属时，密封装置进一步包含沉积在其表面上的金属涂层，以便在连接后，能通过焊接或熔接实现气密密封。
任何密封装置，例如现有技术中已知的，可用在本发明中，而不会对其可操作性有不利因素。在一个实施方案中，该密封装置是套圈，如图1所示。本文随后的说明将专门关于套圈，但本领域技术人员应当理解任何任意的成型制品都是合适的，只要密封装置被成型为与光子器件外壳中互补的对应部分相配合即可，其对连接有影响。
本发明的几个方面相比目前本领域中所使用的具有突出的优点。液晶聚合物的使用提供光纤直接插入套圈的可塑性，而不需要中间步骤，例如光纤镀金属或使用套圈时需要使用的金属焊接，以及，金属套圈的制造必须在与纤维插入分开的步骤中进行。然而，在本发明中，纤维在单个步骤中被直接模制进套圈。最后，在全LCP连接中，可以通过简单的点焊熔接热塑性聚合物实现气密。
根据本发明目的，该术语LCP应理解为包含熔融各向异性聚合物，其特征为在熔融状态下形成取向域并且其在剪切力下这些域的排列在液相中呈现高度有序。一冷却就能获得具有各向异性物理性质的固体部分。适合的LCP包括具有mesogenic单体(一种单体，其能够赋予通过其聚合而形成的聚合物液晶性能)的弹性部分的共聚物，该单体包含苯/萘环或反环己烷部分。有用的LCP包括聚酯、聚(酰亚胺酯)、聚(酰胺酯)、聚(酰胺-酰亚胺酯)、聚甲亚胺或其混合物。优选聚酯或聚(酰胺酯)，尤其是它们部分或全部是芳香族的时候。芳香族基包括亚苯基、亚萘基、亚联苯基等。该芳香族基可具有烃基取代基。
优选LCP包括基于芳香单体的浓缩聚酯，如羟基酸包括但不限于对羟基苯甲酸和2-羟基-6-萘甲酸、二醇包括但不限于对苯二酚、4，4＇-联苯酚和被取代的对苯二酚、以及二酸包括但不限于对苯二酸、间苯二酸和2，6-萘-二羧酸。更优选的是共聚物，其基本上由100摩尔份二醇、100摩尔份二酸和150-320摩尔份羟基酸组成，其中-OH与-COOH之比等于1。最优选的是聚合物，其中该二醇部分实质上由100摩尔份摩尔比为50-100∶50-0的对苯二酚和双酚A组成，该二酸部分实质上由100摩尔份摩尔比为70-30∶30-70的对苯二酸和2，6-萘-二羧酸组成，以及羟基酸实质上由150-320摩尔份的羟基苯甲酸组成。
适合的LCP包括但不限于，商用LCP商标包括杜邦的Zenite，Ticona的Vectra和美国石油公司(Amoco)的Xydar。
同样适用于本发明的是复合有玻璃纤维和无机填充物如滑石和金属微粒的LCP。本领域技术人员将明白根据本发明目的的LCP的具体选择将依赖于具体的应用情况。一些LCP及其复合物显示出对氧气和潮气优秀的屏蔽特性，而其它另一些可提供改进的CTE。
适合本发明的LCP也可包括较少数量的其它聚合物以及多种添加剂如防氧化剂、UV阻隔剂、阻燃剂和其它在塑料工业中常用做提供给聚合物产品一定的预期性质的。然而，对于本发明合适的LCP将包含至少80wt％的LCP。
图1图示说明了本发明的一个实施方案。石英纤维阵列1，被模压在成型LCP密封装置2中的适当位置上，其被设计成与光子器件外壳中的互补的对应部分相配合，光纤将与该光子器件连接。典型的石英光纤直径约为125μm。在通常的商用惯例中，使用具有4、8、16、32和40根纤维的纤维阵列。在图1所示实施方案中，具有通常所说的连接层3，1-10nm厚，优选5nm厚。优选地，连接层基本上由金属钛、镍、铬或其混合物组成。在图1所示实施方案中，在连接层上进一步设置有金属镀层4，约10-100nm厚，优选约45nm厚，优选基本上由金或铂组成。依靠该金属镀层，图1所示实施方案适于连接到金属的互补对应部分，通过两个金属表面的熔接或焊接实现气密密封。
本领域技术人员应当理解本文中与套圈互补的对应部分可能是非金属，如具有金属镀层的陶瓷、金属、具有金属镀层的聚合物材料或适于连接到没有金属镀层的套圈的没有金属镀层的聚合物材料。
图2a图示说明了几个组成本发明气密密封光信号处理器的元件。示出的有两组互补的连接部分，本发明的套圈10具有模制在其中的光纤11，该互补的对应部分12安装在包含光子器件14的外壳13上。还示出了光纤端部件15，其将连接到外壳中的光子器件上。
图2b图示说明了完成的连接，部件与图2a中的相同。
图3示出了图2b密封连接的放大图，其形成了本发明的气密密封光信号处理器。套圈10与其互补的对应部分12配合，并在连接作用后通过准备好的封口16气密密封。封口16可以是连接两个金属表面的焊条，它可以是熔接金属表面，它可以是形成在两个热塑性LCP部件接口处的热熔接条。图3特别示出了适于金属密封的实施方案，在外壳13上的互补的对应部分12顶部具有缺口17，可用来引入熔融的焊料实现密封。
本发明的LCP套圈利用模制热致LCP树脂通过典型的用于热塑性塑料的相同熔体成形方法制成。适合的熔体成形方法包括压塑和注射成型。在本发明中，光纤或纤维阵列在注入聚合物前被放到模具内，通过支承结构保持在适当位置。在注射成型中，模具腔填满熔融聚合物，在压塑中，固态聚合物被以粉末或粒料的形式注入，封闭模具并加热实现熔融。在冷却模具后，获得包含被聚合物封装的纤维的预期部件。LCP熔体容易浸润石英光纤以产生部件，在该部件中聚合物对玻璃表面良好的附着力保证了良好的密封。当与典型的热塑性聚合物相比时，LCP还显示出非常低的熔融粘度，从而容易填满具有复杂结构的模具而不损坏纤维。
典型的，在模具温度保持在相当低的情况下，LCP在其熔点以上10至50℃温度下被注射成型。最商业化的芳香族聚酯LCP能够在250和390℃之间的熔融温度下加工而模具温度为30和150℃之间。
同样的加工条件能用于压塑。在压塑中，光纤或纤维阵列能与合适的聚合物填料一起被放置到模具内部，确保光纤的布置不受该固体聚合物干扰。然后模具被施压并加热至其熔点以上的温度。当该聚合物融化后施加轻微压力以均匀分布该熔融聚合物。
LCP套圈的金属喷镀可通过本领域已知的任何合适的方法来实现。然而，优选溅射涂膜。在溅射中，处于惰性气氛如氩中的金属在低压情况下被高能离子撞击汽化。如在Beitinger等的如上引用文献中，溅射涂膜的钯层良好地粘附于LCP。在本发明中发现，当LCP首先溅射涂覆有钛、镍或铬的连接层时，获得对金和铂较好的附着力。
在溅射涂覆前，LCP表面需要清除有机污染物。其可通过含水清洁剂处理或有机溶剂处理实现，每个处理之后均为水清洗。优选具有超声能量的水净化。优选在清洗后烘干。
LCP的表面应该是粗糙的，优选利用等离子蚀刻，其可在溅射前在真空室内实现。实际溅射条件依赖于所使用的具体金属、气氛和具体设置。
该基底LCP的最高温度应当至少在该LCP熔点以下50℃。该温度依赖于溅射金属使用的功率。
这样制备的套圈形式上适于与光子器件的外壳上互补的对应部分配合，如图2a和2b所示。在其实施方案中图示说明了，该光纤在穿过外壳的连接或“端口部件”中终止，并在该套圈插入到其互补的对应部分中形成气密密封的同时，被胶结到该光子器件本身中，如图3所示。在图3所示实施方案中，当插入金属喷镀的套圈后，通过互补的对应部分中的孔洞将焊料注入，所有金属表面处于引起焊料流动的温度。其它实现密封的方法包括电阻焊接。
在另外的实施方案中，光子器件外壳本身由LCP或其它聚合物制成，其与套圈的LCP一致。在该实施方案中，不需要金属喷镀。该气密密封能通过使所配合的LCP表面局部熔融实现。其通过使用激光加热可有益地实现，但也可使用其它方法如使用通常用的粘接剂如环氧树脂。
本发明进一步提供一种气密密封光信号处理器，包含光子器件，具有提供有第一密封装置的外壳；一根或多根光纤，其与所述光子器件光学耦合，以及第二密封装置，所述第二密封装置包含成型制品，其包含至少80％的一种或多种液晶聚合物；和，设置成穿过所述成型制品的所述光纤，所述光纤被模压在所述成型制品中；其中，所述第一和第二密封装置为相互互补的对应部分，并且所述第一和第二密封装置相互气密密封。
适合本发明中使用的光子器件为本领域中熟知的任一器件，可包含任何此类已知的光通信元件例如但不限于，阵列波导光栅、布拉格光栅、耦合器、环路器、波分多路复用器和信号分离器、Y形支管热-光开关、开关阵列和其它本领域已知的器件。这些元件在光子器件中以各种结构方式组装，从而实现一个或多个专门的信号处理功能。
所有这些元件的基本构件是光波导，其可以是石英或有机聚合物。术语“光波导”是本领域中表示光频信号传导结构的术语，其在基底上制成，并通常是矩形或梯形的横截面。
根据本发明，光子器件包含在外壳内。光子器件可被整体结合在单块外壳和器件中，例如可在外壳是LCP的时候在塑料模塑工序中完成。或者，外壳可以是包含光子器件的密封金属盒。通过纤维光学端口部件与光纤输入和/或输出结合的金属盒，和本发明的套圈，当被插入位于外壳上的其互补的对应部分时，结合得到本发明的气密密封光信号处理器。
实施例实施例1Zenite2000粒料(E.I.du Pont de Nemours and Co.，Wilmington，Delaware)在真空中130℃下干燥约18个小时，结束后被放进具有形成在其中心处0.75×0.75英寸(1.90×1.90cm)的方形容器的0.125英寸(0.32cm)厚的铝装置中。包含聚合物的该装置在Pasadena液压机中被以10°/分钟的速度加热至250℃。一到250℃就施加1分钟10000磅/英寸2(psi)(68.9兆帕(MPa))的压力。冷却到室温后，该样品被移出该装置并放置一边。该样品盘为0.125英寸(0.32cm)厚。
Zenite2000薄膜也是通过在10000磅/英寸2压力、250℃下模压位于铝板之间的聚合物粒料制成的。获得5×5英寸(12.7×12.7cm)、约0.01英寸(0.254mm)厚的板。
光纤封装装置由6×6英寸、0.1875厚的铝板制成。该装置在其中心处具有0.75×0.75英寸的方形容器，具有通过其中心穿越该装置、对分该板的0.090英寸深的通道。该通道允许光纤精确地放置在靠近该装置厚度方向上的中心线上。
图4a为光纤封装装置的顶视图，没有按比例绘制。穿过该板的粗线表示光纤的位置。将该装置对分的通道为0.125英寸宽，在靠近该中心部分处颈缩至0.06英寸宽。图4b示出该封装装置的侧视图，0.1875英寸厚，具有放置在适当位置上的光纤。
截取两根40英寸长的工作波长为1310和1550nm的聚合物包层单模光纤。该光纤从纽约康宁的康宁股份有限公司(Coming，Inc.，Coming，NY)获得。一根40英寸长度的光纤被放在一边作为基准。
Zenite板是由手压到封装装置中。该装置在没有放置光纤的时候在Pasadena压力机中以10°/分钟的速度加热至250℃。到达温度后，施加约3分钟的10000磅/英寸2的压力。将装置冷却至～60℃并离开压力机。沟槽横穿具有0.09英寸深尺寸通道的该Zenite模块。该通道和沟槽有利于40英寸的长光纤试样的放置。
从光纤试样的一端约16英寸处，剥离2长度的纤维聚合物包层。该纤维所剥离部分被放置穿过装置的中心。光纤的封装在四个压制顺序中实现，每个在250℃并施加10000磅/英寸2的压力。每次向模具中加入以上制备的0.75×0.75英寸、0.01英寸厚的薄膜。注意到聚合物流量沿着该细通道并且进入通道宽的部分封装纤维。
在974.2nm和1532.5nm处测量被封装纤维的光传输特性。两光纤的端部被粘着并从单模激光源端射连接。在974.2nm处测量完基准纤维的传输后，在974.2nm和1532.5nm处测量经过封装纤维的光传输。然后在1532.5nm处测量基准纤维的传输。利用这样的协议以便在激光源变换时输入和输出连接纤维将不受干扰。在974.2nm和1532.5nm处，试样的流量(以Pout/Pin计算)至少为基准纤维的90％，如表1中所示数据表1被封装光纤与基准光纤的光功率传输对比

权利要求
1.一种密封装置，用于将一根或多根光纤连接到光子器件上，所述装置包含成型制品，其包含至少80％的一种或多种液晶聚合物；所述成型制品具有外表面；一根或多根光纤，设置成穿过所述成型制品，所述光纤被模压在所述成型制品中；所述成型制品的形状允许与位于光子器件外壳上的与其互补的对应部分耦合。
2.如权利要求1所述的密封装置，进一步包含设置在所述外表面上的第一金属层。
3.如权利要求2所述的密封装置，其中所述第一金属层实质上由金或铂组成。
4.如权利要求2所述的密封装置，进一步包含第二金属层，设置在所述外表面和所述第一金属层之间。
5.如权利要求4所述的密封装置，其中所述第二金属层实质上由Ti，Ni，或Cr组成。
6.如权利要求1所述的密封装置，其中所述LCP实质上由二醇部分、二酸部分和羟基酸部分组成，其中该二醇部分实质上由100摩尔份摩尔比为50-100∶50-0的对苯二酚和双酚A组成，该二酸部分实质上由100摩尔份摩尔比为70-30∶30-70的对苯二酸和2，6萘二羧酸组成，以及该羟基酸实质上由150-320摩尔份的羟基苯甲酸组成。
7.如权利要求1所述的密封装置，其中所述光纤为石英纤维。
8.一种气密密封光信号处理器，包括光子器件，其具有提供有第一密封装置的外壳；一根或多根光纤，其与所述光子器件光学连接，以及第二密封装置，所述第二密封装置包括成型制品，其包含至少80％的一种或多种液晶聚合物；和，设置成穿过所述成型制品的所述光纤，所述光纤被模压在所述成型制品中；其中，所述第一和第二密封装置为相互互补的对应部分，并且所述第一和第二密封装置相互气密密封。
9.如权利要求8所述的气密密封光信号处理器，其中所述光子器件进一步包含设置在基底上的光波导。
10.如权利要求9所述的气密密封光信号处理器，其中所述光子器件进一步包含一个或多个光信号处理组件，其从包括阵列波导光栅、布拉格光栅、耦合器、环路器、波分多路复用器和信号分离器、Y形支管热光开关和开关阵列的组中挑选出。
11.如权利要求9所述的气密密封光信号处理器，其中所述光波导包含石英。
12.如权利要求9所述的气密密封光信号处理器，其中所述光波导包含有机聚合物。
13.如权利要求8所述的气密密封光信号处理器，其中所述气密密封包含金属。
14.如权利要求8所述的气密密封光信号处理器，其中所述气密密封包含有机粘合剂。
15.如权利要求8所述的气密密封光信号处理器，其中所述气密密封包含液晶聚合物。
16.如权利要求13所述的气密密封光信号处理器，其中所述金属包括金或铂。
17.如权利要求8所述的气密密封光信号处理器，其中所述液晶聚合物实质上由二醇部分、二酸部分和羟基酸部分组成，其中该二醇部分实质上由100摩尔份摩尔比为50-100∶50-0的对苯二酚和双酚A组成，该二酸部分实质上由100摩尔份摩尔比为70-30∶30-70的对苯二酸和2，6萘二羧酸组成，以及该羟基酸实质上由150-320摩尔份的羟基苯甲酸组成。
全文摘要
本发明涉及气密密封光子器件组件和为之而使用的用来将一根或多根光纤连接到光子器件的聚合物密封装置。
文档编号G02B6/26GK1737624SQ20051009808
公开日2006年2月22日 申请日期2005年8月5日 优先权日2004年8月5日
发明者J·M·罗德里格兹-帕拉达, M·彼得鲁茨 申请人:纳幕尔杜邦公司