使因焊接产生的机械应力缓和的光学插座以及配备有该光学插座的光学组件的制作方法

本申请涉及一种光学插座，该光学插座使因焊接产生的机械应力得到释放从而不影响耦合光纤，耦合光纤的光学特性对应力敏感。本申请还涉及一种配备有这种光学插座的光学组件。

背景技术：

包括半导体光学器件的光学组件通常设置有用于使半导体光学器件与外部光纤光耦合的光学插座。日本已公开专利申请No.JP-H08-334654A已公开了这种光学组件。当光学插座配备有用于使半导体光学器件与外部光纤(其将要被置于光学插座中)光耦合的耦合光纤并且该耦合光纤表现出应力敏感光学特性时，光学插座的光学性能(具体而言为光学插座的保偏功能)常常因在将光学插座与安装有半导体光学器件或光学处理器件(其性能取决于经由光学插座进入的光信号的偏振)的装置组装起来的过程期间所产生的应力而劣化。

引用列表

专利文献

专利文献1：JP-H08-334654A

技术实现要素：

本申请的一个方面涉及一种光学插座，该光学插座包括筒状的短插芯、筒状衬套、套筒和金属盖件。筒状的短插芯将耦合光纤保持在短插芯的中心。筒状的衬套将筒状的短插芯压配合到衬套的孔中。套筒收纳短插芯的端部。金属盖件覆盖套筒、衬套和短插芯。本申请的金属盖件和衬套的特征在于：在金属盖件与衬套之间形成有间隙。间隙可以缓和或吸收在将金属盖件焊接至外部金属部件期间所产生的应力。具体而言，当被置于短插芯中的耦合光纤是保偏光纤(PMF)的类型时，间隙可以使因将金属盖件焊接至另一个金属部件而产生的应力缓和或减小至如下量：大体上不会对PMF的保偏功能造成影响。可以通过在金属盖件中形成第一孔和第二孔来在金属盖件的侧部中形成间隙，这里，第二孔的内径大于第一孔的内径。可以通过在衬套中形成第一部分和第二部分来在衬套的侧部中设置间隙，这里，第一部分的外径大于第二部分的外径，以在衬套的外表面中形成同轴沟槽。或者可以在金属盖件和衬套这两者中形成间隙。

本发明的另一个方面涉及一种光学组件。光学组件包括光学插座、光学装置和金属保持部。光学插座包括筒状的短插芯、筒状的衬套、套筒和金属盖件。光学装置内部安装有光学处理器件。光学插座被对准，并且通过将金属盖件固定至金属保持部并将金属保持部固定至光学装置的壳体，来将光学插座借助金属保持部固定至光学装置。实施例的光学组件的特征在于在光学插座中的金属盖件与金属衬套之间形成间隙，从而可以借助于该间隙吸收和释放因将金属盖件固定至金属保持部而产生的应力。因此，即使当耦合光纤是保偏光纤(PMF)(保偏功能对将金属盖件固定至金属保持部而可能产生的应力而言严格敏感)的类型时，也可以如此。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的光学插座的纵截面。

图2示意性地示出了与图1所示的实施例的光学插座进行比较的另一个光学插座的纵截面。

图3示意性地示出了对图1所示的第一实施例进行变型而得到的另一个光学插座的纵截面。

图4示意性地示出了对图1所示的第一实施例进行变型而得到的另一个光学插座的纵截面。

图5示意性地示出了根据本发明的第二实施例的光学组件的纵截面。

图6A至图6D示出了制作图1所示的光学插座的过程。

图7A和图7B示出了制作图5所示的光学组件的过程。

图8示意性地示出了根据本发明的第三实施例的另一个光学组件的纵截面。

图9示意性地示出了根据本发明的第四实施例的另一个光学组件的纵截面。

具体实施方式

接下来，将参考附图对根据本申请的光学插座和光学组件的一些实例进行描述。在附图的描述中，将用彼此相同或相似的附图标记来表示彼此相同或相似的部件，而不做重复说明。

(第一实施例)

图1示意性地示出了根据本申请的第一实施例的光学插座的纵截面。图1所示的光学插座100包括短插芯(stub)10、衬套20、套筒30和盖件40。短插芯10呈将耦合光纤12置于中心处的圆筒形状，并可以由陶瓷(通常为氧化锆(ZrO))制成。耦合光纤12可以为所谓的保偏光纤(PMF)的类型，保偏光纤包括位于芯部各侧的应力产生区域，其中，应力产生区域产生应力，可以借助于该应力来保持芯部中传播的光信号的偏振。

衬套20设置有第一圆筒22以及与第一圆筒22相连续的第二圆筒24，其中，具有相应端部20a和20b的第一圆筒22和第二圆筒24设置有共用孔，该共用孔具有彼此相同的内径以及彼此不同的相应外径。第一圆筒22的沿着孔轴线的纵向长度比第二圆筒24的纵向长度长。被压配合到衬套20的孔中的短插芯10从衬套20的各端部20a和20b中伸出。衬套20可以由包含铁(Fe)、铬(Cr)和镍(Ni)的合金(常常被称为奥氏体不锈钢)制成。

也为筒状部件的套筒30具有孔32，自一侧将短插芯10的从衬套20的一端20a中突出的部分插入到孔32中；而套筒30的孔32的另一侧向外敞开。套筒30的孔32的直径大体上等于或稍大于短插芯10的外径。套筒30的外径大体上等于衬套20的第一套筒22的外径。套筒30可以由例如氧化锆(ZrO)制成。

也为筒状部件的盖件40设置有直径比套筒30的外径大的孔42。孔42收纳套筒30和衬套20的第一圆筒22。第一圆筒22的一部分与盖件40的孔42的表面接触；也就是说，衬套20的第一圆筒22的一部分被压配合到盖件40与短插芯10之间。衬套20的第二圆筒24与盖件40的端面40a接触。也就是说，第二圆筒24可以形成如下凸缘：该凸缘具有从第一圆筒22延伸且与盖件40的端面40a接触的表面。盖件40也可以由铁(Fe)、铬(Cr)和镍(Ni)的合金(即，奥氏体不锈钢)制成。

该实施例的光学插座100的特征在于：盖件40的孔42设置有位于衬套20的第二圆筒24侧的底部，该底部具有扩大的内径，使得盖件40与衬套20的第一圆筒22的外表面形成间隙44。间隙44从端面40a向内延伸。因此，第一圆筒22的外表面设置有与孔42的表面接触的部分21a以及与孔42的表面被间隙44间隔开的另一个部分21b。间隙44可以沿着短插芯10的纵轴线(即，光学插座100的光轴)设置有1.5mm的长度L1。另一方面，部分21a可以具有例如1.0mm的长度L2。盖件40的将衬套20的部分21a收纳起来的部分具有例如0.4mm的厚度T1；而盖件40的形成有间隙44的另一部分可以具有例如0.2mm的厚度。也就是说，间隙44可以具有例如0.2mm的深度。

将图1所示的光学插座100与图2所示的现有光学插座500进行比较。图2示出了与图1所示的光学插座100进行比较的现有光学插座500的纵截面。如图2所示的光学插座500的构造在如下方面与光学插座100的构造不同：盖件40与第一圆筒22之间没有设置间隙。

为了将光学插座固定至金属部件，将光学插座500的盖件40焊接至金属部件，因焊接而产生的机械应力常常影响被置于短插芯10中的耦合光纤12。当耦合光纤12是PMF的类型时，其光学性能(尤其是保偏功能)可能受到改变。

另一方面，在本实施例的光学插座100中，即使盖件40被焊接至金属部件，形成在盖件40与第一圆筒22之间的间隙44也有效地吸收机械应力。即使当盖件40的焊接造成盖件40与衬套20的位置偏差(其使衬套20、短插芯10和耦合光纤12产生机械应力)时，盖件40的孔42的内表面与第一圆筒22的外表面之间的间隙44也可以有效地吸收这些应力，并且耦合光纤12大体上可以消除这些应力。间隙44还可以使与第一圆筒22接触的部分的长度缩短，这也减小了衬套20中产生的应力。

优选地在盖件40的对应于间隙44的部分中执行将盖件40焊接至外部金属部件的处理，这增强了对盖件40与衬套20之间所产生的机械应力的吸收或缓和效果。

虽然第一实施例提供了位于盖件40的孔42中的间隙44，但光学插座也可以在短插芯10与衬套20之间设置间隙。然而，形成为与短插芯10的中心处的耦合光纤12更接近的这种间隙因此在吸收通过将盖件40焊接至外部金属部件而产生的应力方面是不利的。因为可以因间隙44的设置而使通过焊接盖件40而产生的机械应力缓和，所以被置于短插芯10的中心处的耦合光纤12大体上可以被消除应力，或者至少可以使耦合光纤12的应力缓和。因此，即使耦合光纤为PMF的类型，也可以保持耦合光纤的偏振面。

图1所示的实施例在盖件40的孔42的表面中设置有间隙44。然而，间隙44的位置不限于这些布置。例如，衬套20A可以在第一圆筒22的外表面上设置具有彼此不同的两个直径的第一圆筒22A，第二圆筒24A与第一圆筒22A的具有较小直径的部分(该部分在如图3中所示的第一圆筒22A中形成间隙44A)相连续；或者可以在孔42的表面和衬套20B的第一圆筒22B的外表面这两者上设置如图4所示的间隙44B。

在图1所示的实施例中的间隙44的布置中，从盖件40的韧性和缓和机械应力的平衡考虑，盖件40的在间隙44的部分中的厚度(其由图1中的T1-T2给出)与盖件40的整个厚度T1的比率优选地大于1/4但小于1/3。大于约1/2的该比率是进一步优选的。此外，从压配合的容差与缓和机械应力之间的平衡考虑，另一个比率，即，间隙44的沿着耦合光纤12的长度L1与盖件40和衬套20之间的整个重叠长度(即，L1+L2)的比率优选地大于2/5但小于4/5。

(第二实施例)

本申请的第二实施例涉及设置有上述光学插座的光学组件以及安装有半导体光学器件(通常为半导体光电二极管(PD))的光学装置。图5示意性地示出了实施例的光学组件200的纵截面。如图5所示，光学组件200包括光学插座100以及安装有有源半导体器件60或光学处理器件的光学装置150，有源半导体器件60或光学处理器件与光学插座100光耦合(确切的说，经由透镜54与光学插座100中的耦合光纤12光耦合)。光学插座100借助金属保持部52被固定至光学装置150的壳体50，金属保持部52也为具有孔的筒状部件，光学插座100的衬套20和盖件40被插入到该孔中。金属保持部52被焊接至光学装置150的壳体50，并且光学插座100的盖件40也被焊接(确切的说，角焊接或穿透焊接(piercing weld))至金属保持部52。

接下来，将参考图6A至图7B对形成光学插座100或光学组件200的过程进行描述。如图6A所示，首先将短插芯10压配合到衬套20中，衬套20的外径稍大于短插芯10的孔26的直径，通过按压将短插芯10插入到孔26中，而不需要将胶粘物置于短插芯10与孔26之间。此外，在该步骤中，短插芯10不保持耦合光纤。

然后，如图6B所示，将耦合光纤12保持在短插芯10中。具体而言，将耦合光纤12插入到短插芯10的中心孔中，并利用可热固化树脂(通常为环氧树脂粘合剂)将耦合光纤12固定在中心孔中。因为耦合光纤12在刚刚固定之后从短插芯10的各端部中突出，所以将耦合光纤12的从短插芯10的端部中突出的部分切掉，并对短插芯10的端部进行抛光，从而可以形成短插芯10的齐平的端面。因为在将短插芯10压配合到衬套20中之后将耦合光纤12插入到短插芯10中，所以与在将短插芯10压配合到衬套20中之前将耦合光纤12置于短插芯10中的方法相比，可以抑制或大体上消除因短插芯10和衬套20而在耦合光纤12中造成的应力。

接下来，将套筒30插入到盖件40的孔42中，盖件40设置有两个孔42和48，前者孔42收纳如上所述的套筒30以及衬套20的第一圆筒22的一部分，而后者孔48与衬套20的第一套筒22形成间隙44。然后，如图6C所示，在将衬套20的第一圆筒22压配合到盖件40的孔42的其余部分中的同时，将短插芯10的一端插入到套筒30的孔32中。因为盖件40的孔42的纵向长度大于套筒30的沿着其光轴的纵向长度，所以套筒30可以在孔42中留出其余部分，第一圆筒22的端部被压配合到孔42中的其余部分中。因此，如图6D所示，光学插座100完成而在盖件40与衬套20的第一圆筒22之间设置了间隙44。

接下来，将描述用于制作配备有光学插座100的光学组件200的后续步骤。首先，如图7A所示，将光学组件200的壳体50放置在对准台架92上，对准台架92被置于测角仪94上。测角仪94在如下领域中是众所周知的：在X-、Y-和Z-这三个方向上以及围绕X-轴的滚转角围绕Y-轴的滚转角ψ和围绕Z-轴的旋转角这些方面使一个部件与另一个部件精确对准，并且测角仪94可以使光学装置150中的光学处理器件60与耦合光纤12(确切的说，耦合光纤12的面对光学处理器件60的顶端)对准。具体而言，金属保持部52在其孔中收纳光学插座100，保持金属保持部52并滑动测角仪94的X-和Y-台架(这等同于使金属保持部52在壳体50的外表面上滑动)，从而可以进行使耦合光纤12的顶端在与耦合光纤12的光轴垂直的平面中光学对准的处理。对于Z-对准，通过调节光学插座100相对于金属保持部52的保持高度来调节光学插座100在金属保持部52中的插入深度。对于围绕X-轴和Y-轴的滚转角，测角仪可以围绕在台架92上方虚拟限定的点滚转或倾斜。因此，将虚拟点设置在耦合光纤12的顶端中并使测角仪94滚转/倾斜，从而可以调节在光学处理器件60的光轴与耦合光纤12的光轴之间或透镜54的光轴与耦合光纤12的光轴之间形成的角度。最后，对于围绕Z-轴的旋转角，测角仪可以使壳体50相对于金属保持部52旋转。在使用测角仪94进行由此描述的光学对准之后，通过利用YAG激光器96将盖件40角焊接至金属保持部52的端部来将光学插座100固定至金属保持部52。

对两个金属部件(即，在本实施例中为盖件40和金属保持部52)的YAG激光焊接有时在两个部件之间造成失准。因此，可以通过使金属保持部52在壳体50的外表面上滑动来再次进行具有金属保持部52的光学插座100与光学处理器件60之间的光学对准。在二次光学对准之后，YAG激光器可以通过角焊接将金属保持部52固定至壳体50。因此，完成了配备有光学插座100和光学处理器件60的光学组件200。

在以上描述中，通过角焊接进行将盖件40固定至金属保持部52以及将金属保持部52固定至壳体50的处理。然而，对于将盖件40固定至金属保持部52，可应用另一种焊接技术，即，穿透焊接。使金属保持部52的前部变薄并进行穿透焊接可以将光学插座100的盖件40固定至金属保持部52。此外，本发明的光学插座100在盖件40与衬套20之间设置有间隙44，可以使因将盖件40YAG激光焊接至金属保持部52而产生的机械应力缓和，并且耦合光纤12(具体而言，PMF类型的耦合光纤)可以变得大体上消除由此产生的机械应力，并可以保持光学特性，即，耦合光纤12的保偏功能。

在利用间隙44释放机械应力的同时，还可以借助于间隙44的设置而使因YAG激光焊接而产生的热效应缓和。也就是说，间隙44的内部没有填充除了空气之外的物质，并且空气的导热率远小于构成盖件40和/或金属保持部52的金属的导热率。因此，在YAG激光焊接期间产生的热量难以传导至耦合光纤12。由奥氏体不锈钢制成的盖件40具有约16W/(mK)的导热率，而空气具有0.024W/(mK)的导热率，空气的导热率远小于奥氏体不锈钢的导热率。

(第三实施例)

图8示意性地示出了根据本发明的第三实施例的光学组件的纵截面。本实施例的光学组件200A设置有具有间隙44a的光学插座100C，该间隙44的沿着光学插座100C的纵轴线的长度大于第一实施例中的上述间隙44的长度。因此，金属保持部52的端部与间隙44a重叠，这意味着盖件40或金属保持部52的彼此要被焊接起来的部分与间隙44a重叠。本布置的间隙44a的纵向长度L1为约2.0mm，而衬套20的第一圆筒22与盖件40接触的另一个纵向长度L2为约0.5mm。因此，间隙44a的布置(确切的说，盖件40A和金属保持部52的布置)可以进一步使施加至耦合光纤12的机械应力缓和。

(第四实施例)

图9示意性地示出了根据本发明的第四实施例的另一个光学组件的纵截面。本实施例的光学组件200B设置有具有间隙44b的光学插座100D，该间隙44b位于盖件40D与衬套20的第一圆筒22之间。本实施例的间隙44b的特征在于：间隙44b覆盖盖件40D或金属保持部52的彼此要被焊接起来的部分，并且盖件40D的与衬套20的第二圆筒24面对的端部与衬套20接触。在图8中所示的先前实施例的光学插座100C中，间隙44a延伸至盖件40的端部，这因此使盖件40与衬套20之间的重叠长度缩短，并使盖件40对衬套20的保持力变弱。本实施例的光学插座100D设置有端部与衬套20接触的盖件40D，与先前光学插座100C的步骤相比，这提高了盖件40D对衬套20的保持力。本实施例的间隙44b沿着衬套20的纵轴线具有约1.5mm的纵向长度L1，在盖件40D的端部和衬套20的端部中盖件40与衬套20之间的重叠长度L2和L3分别为0.5mm。因此，间隙44b使两个目标一致，一个目标是使因焊接而产生的机械应力缓和从而不影响耦合光纤12，另一个目标是维持盖件40D对衬套20的保持力。

虽然出于说明的目的在本文中描述了本发明的特定实施例，但是本领域的技术人员将容易想到许多修改和变化。因此，所附权利要求书意图涵盖落入本发明的真实精神和范围内的所有此类修改和变化。