專利名稱：精密光纖連接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖的精密連接。
背景技術(shù)：
微米定位準(zhǔn)確度的光纖連接在光學(xué)元件工業(yè)中處于關(guān)鍵時期。在最高速發(fā)射和接收通訊元件的封裝方面和在光纖與激光器、調(diào)制器或其他光學(xué)元件的封裝方面一樣，不僅定位準(zhǔn)確度而且角準(zhǔn)確度和轉(zhuǎn)動準(zhǔn)確度，以及保持該部分的整個Telcordia認(rèn)證中的設(shè)置位置的能力既是挑戰(zhàn)性的又是苛刻的。就光纖和發(fā)光二極管各具有十微米數(shù)量級直徑的有源區(qū)來說，以單微米定位容許偏差安裝光纖是個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
有二種適用的基本對準(zhǔn)方法無源對準(zhǔn)和有源對準(zhǔn)。無源對準(zhǔn)包含在放入光纖之前精細(xì)布置好所有的光學(xué)元件。這些元件其中之一是經(jīng)常用硅做成V形形狀的光纖夾具。這種夾具也相對于要與光纖耦合的光電二極管精確定位。在安裝好所有元件(常用自動撿取和裝入機械裝置)以后，然后把光纖放入預(yù)對準(zhǔn)光纖夾具，并且在不需要進(jìn)一步對準(zhǔn)的情況下把光纖接入工作區(qū)。如果元件位置放在準(zhǔn)確，那么從光纖端面發(fā)射出的光將對準(zhǔn)光電二極管。這樣的工藝方法時常使用環(huán)氧樹脂粘合劑來連接。無源光纖連接方法的缺點在于它僅提供不太高的～10微米定位準(zhǔn)確度。這樣的準(zhǔn)確度適用于較慢的(≤2.5Gb)光接收器，但是對較高速度10-Gb和40-Gb光接收器來說就不是如此。
對較高速度光接收器來說，其中檢測器直徑能夠縮短到小于10微米，光纖與檢測器的有源對準(zhǔn)是最理想的。通過在檢測器的電輸出和調(diào)整光纖的定位平臺之間放入反饋環(huán)路來實現(xiàn)有源對準(zhǔn)。對有源對準(zhǔn)操作來說，在組合裝置中沒有預(yù)定位的光纖夾具。而是，光纖在相當(dāng)小的范圍內(nèi)自由移動，直到從光電二極管檢測到的信號(通常以電流的形式)達(dá)到令人滿意的值而然后把光纖鎖定(固定)在工作區(qū)。反饋環(huán)路常常是技術(shù)人員簡單移動XYZ定位平臺一直到他/她使從光電二極管流出的電流達(dá)到最大值為止。就這樣的方法而言，以微米或者甚至亞微米準(zhǔn)確度使光纖對準(zhǔn)是可以實現(xiàn)的。
理想的是，選擇易于控制并且確保整個產(chǎn)品使用期內(nèi)會保持光纖精確定位的光纖連接工藝方法。以上所述的后面一點由于這些種類的元件不但經(jīng)受過很大的溫度變化而且經(jīng)受過沖擊和振動所以可能是有希望的。由于環(huán)氧樹脂類和一些低溫熔化焊料在整個使用時間和溫度變化范圍內(nèi)塑性變形幾微米之多，因此是不令人滿意的。由于這些原因，在高速光接收器和發(fā)射器的精密光纖連接方面現(xiàn)在沒有幾種工藝方法倘在應(yīng)用之中。原來采用的方法包含光纖與安裝在光接收器模塊內(nèi)底座的低溫焊接和焊接的組合方法。這種方法能夠提供必要的定位準(zhǔn)確度并且能夠在整組Telcordia測試范圍內(nèi)嚴(yán)格保持這樣的準(zhǔn)確度。然而，為了便于焊料連接到底座，光纖在其端面附近需要涂(鍍)Ni/Au膜。對光纖組件來說這樣的光纖金屬處理會大大增加費用。按整體情況而論，由于在最后的封裝步驟期間為了使光纖與接收機模塊氣密焊封需要金屬化的光纖，因此直到最近，這樣的費用似乎還是不可省的。近來，已經(jīng)有了促使減少低速光接收器制造成本的方法包括不需要使光纖金屬化而是使用一種稱之為低溫焊料玻璃的新型材料來使光纖與模塊氣密焊封。低溫焊料玻璃除它們在300℃左右熔化以外是含玻璃所有屬性(即其硬度、抗塑性變形性、溫度循環(huán)能力和氣密性)的材料。對氣密焊封操作來說，把環(huán)形焊料玻璃預(yù)制件伴隨著(穿過環(huán)形孔的)光纖插入Kovar光纖管。在與組件完全裝配好的情況下，常常使熱量從感應(yīng)型加熱器傳導(dǎo)給Kovar光纖管。然后使焊料玻璃預(yù)制件熔化、浸潤并且焊封未固緊的光纖和Kovar管內(nèi)壁之間的容積。這是一種玻璃對金屬的焊封，并且是不透潮氣的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一般針對用于光纖連接在自身模塊內(nèi)的低溫焊料玻璃應(yīng)用。這種光纖連接在像高性能光接收器之類的光電子學(xué)方面容許使用非金屬化光纖，而在光纖連接中對準(zhǔn)容許偏差是嚴(yán)格的。光纖連接包含熱墊塊和使光纖與熱墊塊聯(lián)接或連接的焊料玻璃。
通過光纖在熱墊塊上面定位和使光纖例如相對于光接收器元件對準(zhǔn)可以形成光纖連接。然后抬起光纖把焊料玻璃預(yù)制件放在熱墊塊上。通過給熱墊塊通電流來使玻璃預(yù)制件熔化。在焊料玻璃預(yù)制件熔化的情況下光纖降落到熔融焊料玻璃內(nèi)。然后撤去電流，于是焊料玻璃隨其冷卻而凝固而在光纖和熱墊塊之間形成連接。用另一種替換方法，可以包括用激光器或者感應(yīng)型加熱器對焊料玻璃加熱來使焊料玻璃熔化。
能夠以遠(yuǎn)低于原有成本獲得以替換焊料封裝的預(yù)制件形式同時改進(jìn)抗疲勞性能、抗塑性變形性能和抗腐蝕性能的焊料玻璃。
根據(jù)下面的附圖、詳細(xì)描述和權(quán)利要求書，本發(fā)明的其他特點和優(yōu)點將是顯而易見的。


圖1A是根據(jù)本發(fā)明用于光電子器件的光纖連接的透視圖。
圖1B是用于光電子器件的光纖連接的頂視圖。
圖2A是用于光纖連接的熱墊塊的透視圖。
圖2B是熱墊塊的頂視圖。
圖2C是熱墊塊的組合件分解圖。
圖3是用于光纖連接的焊料玻璃預(yù)制件的透視圖。
圖4A是在焊料玻璃熔化之前光纖連接的頂視圖。
圖4B是圖4A中沿線4B-4B所示的光纖連接的側(cè)視圖。
圖5是光纖與熱墊塊用焊料玻璃連接的沿圖1B中沿線5-5的視圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明用熔融焊料使光纖連接于熱墊塊的步驟的順序流程圖。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明一個實施方式，圖1A和1B具體說明在模塊內(nèi)支撐用于光電子元件14的光纖12的光纖連接10。光纖連接10能夠用來固定與光電二極管、激光器或者包含太赫茲收發(fā)器、發(fā)射器和接收器的其他光電子器件對準(zhǔn)的光纖。進(jìn)一步，光纖連接10能夠用來獲得一條光纖對另一個或任一其他光器件的對準(zhǔn)。
參閱圖2A、2B、2C和3，光纖連接10包含加熱元件或熱墊塊16和焊料玻璃18。熱墊塊16包含基板20、位于基板20上面的電阻元件或電阻器22、位于電阻器22上面的電介質(zhì)層24、位于電介質(zhì)層24上面的中心墊片26以及位于電阻器22上面和電介質(zhì)層24兩側(cè)的一對旁側(cè)墊片28。熱墊塊16的底表面可以裝有可選項的墊片32，以便例如用像80Au/20Sn之類常規(guī)焊接焊料把熱墊塊16焊接到模塊底板。一開始如圖4A和4B所示那樣把焊料玻璃18以矩形預(yù)制件的形式放置在中心墊片26上面。
因此，熱墊塊16構(gòu)成微型裝配式電阻加熱器，通過電流流過電阻器22來加溫以使焊料玻璃18受熱。因而，中心墊片26呈片狀并起熔化焊料玻璃的導(dǎo)熱板作用。當(dāng)加熱時，焊料玻璃預(yù)制件熔化并且浸潤中心墊片26和光纖12而形成如圖5所示那樣在光纖12和熱墊塊16之間的連接。在一些實施例中，光纖12在中心導(dǎo)熱體26上表面上方大約幾十微米的高度h處通過焊料玻璃18連接到熱墊塊16。用另一種替換，高度h能夠到毫米或毫米以上那么高。
在電阻器22兩側(cè)的旁側(cè)墊片28是一些用于熱墊塊16的電接觸點。電介質(zhì)層24使旁側(cè)墊片28與中心墊片26電絕緣，而中心墊片26把熱量從電阻器22傳導(dǎo)到焊料玻璃預(yù)制件18。經(jīng)由電探頭或用與模塊的電饋入裝置電連接的導(dǎo)線接頭能夠與旁側(cè)墊片26電連接。一般來說，旁側(cè)墊片26和從旁側(cè)墊片26到位于模塊壁的端子的導(dǎo)線30是線焊接的。在這樣的方法中，模塊可以安裝在光纖對準(zhǔn)定位裝置內(nèi)而在對準(zhǔn)步驟期間在沒有把外探頭插入到模塊里面的情況下供電是正常的。
應(yīng)該指出，就像Pb/Sn焊料之類用于與Au金屬化光纖連接的常規(guī)焊料來說，焊料熔化溫度可以如200℃那樣之低。在這樣的溫度時，模塊里的一些元件當(dāng)然會升高溫度，但是仍能正常工作。因而，操作人員可以在接收器全部開動的同時有源地使光纖對準(zhǔn)。
一般來說，焊料玻璃預(yù)制件18在大約300℃或者更高時熔化。然而，這些溫度可能危及接收器的性能和對準(zhǔn)。并且，向離開熱墊塊表面方向傳導(dǎo)熱量不僅為保持焊料玻璃熔化溫度而需要較高電力而且也沒有必要使模塊和周圍元件受熱。因而，基板20裝有可選項的切口槽34，切口槽34可用來較好地使熱量限制在熱墊塊16的上表面上，也就是電阻器22附近需要熔化焊料玻璃之處?？梢酝ㄟ^鋸掉過?；?0構(gòu)成切口槽34。用于使熱量限制在熱墊塊16的另一種方法是對熱墊塊跨立在其上方的模塊底板開槽溝。
在一些特定的實施方式中，用氧化鋁(Al2O3)制造粒度大約4～7μm和表面光潔度大約20～36μm的基板。切口槽34的深度可以為基板20厚度的二分之一左右?？梢杂肨aN制造具有電阻大約100～150歐姆的電阻器22?？梢杂镁埘啺分圃炀哂泻穸却蠹s2～3μm的電介質(zhì)層24。中心墊片26、旁側(cè)墊片28和/或底部墊片32可以是金墊片，或者任何其他適合的材料。在某些實施方式中，旁側(cè)墊片28約為1mm長和0.5mm寬，并安裝在離中心墊片26兩邊約0.25mm的位置上。在中心墊片26的邊緣和基板20的邊緣之間可以有大約0.05mm的間隙g。
如圖1和1B所示，光纖12垂直于焊料玻璃18的縱向長度。換言之，光纖12能夠放置在焊料玻璃18預(yù)制件中間的區(qū)域內(nèi)，因此預(yù)制件位于光纖12兩側(cè)。在一些實施方式中，玻璃預(yù)制件具有安裝在預(yù)制件孔內(nèi)的光纖12的部分環(huán)形形狀。
玻璃預(yù)制件18可以是壓制成各種尺寸和形狀并且在沒有有機殘留物的情況下燒結(jié)以致在焊封過程期間不排出氣體的玻璃粉末。例如，玻璃預(yù)制件可以是從位于Byfield，Massachusetts的Diemat，Inc.，可以買到的預(yù)制件(例如型號DM2700PF)。就這些預(yù)制件來說，在大約320℃的溫度時在幾秒鐘內(nèi)能夠在空氣中獲得光纖12的氣密焊封。
現(xiàn)在參閱圖6，表示用于形成光纖12與熱墊塊16焊接而因此光纖12與光電子元件14耦合的連接10的工藝過程100。在步驟101中工藝過程初始化后，在步驟102后，使光纖12對光學(xué)組件14定位。例如，可以用鑷子鉗把光纖12夾住在熱墊塊16和組件所在的模塊的后壁之間位置上。能夠使用微米定位鑷子鉗或其他夾緊光纖的裝置夾住光纖12并且調(diào)準(zhǔn)光纖12直到完成焊接過程為止。在或是有源對準(zhǔn)或是無源對準(zhǔn)的光纖定位操作情況中能夠使用焊料玻璃。用鑷子鉗夾住光纖的優(yōu)選位置是在熱墊塊16后面，也就是，從光纖的終端端面向在熱墊塊16上面定位的光纖端面離開一定距離。在熱墊塊16后面夾緊光纖確保在焊料玻璃凝固并且放開鑷子鉗或夾緊裝置以后光纖端面不會發(fā)生移動。
下一步，在步驟104中，使光纖12與光學(xué)組件14對準(zhǔn)。例如，如果光學(xué)組件14是光電二極管，則可以使其光電流達(dá)到最大值，很容易就使光纖12對準(zhǔn)。
接著，在步驟106中，在最適宜位置上面使光纖12抬起一個預(yù)定距離h并且把焊料玻璃預(yù)制件18放在熱墊塊16上面。在預(yù)制件處于工作區(qū)情況下，在步驟108中，通過用與旁側(cè)墊片28焊接的導(dǎo)線連接裝置30給電阻元件22通電流來使熱墊塊16升溫。
在大約300℃時熔化焊料玻璃所要求的電功率最值大致是二至三瓦，取決于基板20的熱導(dǎo)率。如果電阻元件22的電阻大約是150歐姆，則從焊料玻璃18開始低溫處理時候到完全熔化時候的電壓范圍大約是18～22伏。
當(dāng)玻璃預(yù)制件的溫度達(dá)到其熔化溫度時，焊料玻璃預(yù)制件18開始出現(xiàn)光澤并起熔珠。使電流保持在這樣的強度而因此也使溫度保持在這樣的度數(shù)，直到焊料玻璃開始浸潤中心墊片26為止。這時候，這樣電流一般通了大致不足一分鐘。在玻璃完全熔化并且浸潤中心墊片26情況下，在步驟110中，光纖12降落回到其在中心墊片26上表面上面高度h的預(yù)定對準(zhǔn)位置而且降落到熔融焊料玻璃中。當(dāng)光纖12達(dá)到焊料玻璃18的溫度時，光纖12也開始被焊料玻璃18浸潤?？缮晕⒃龃鬅釅|塊16的功率以便保持玻璃預(yù)制件18的熔化溫度。
在步驟112中，撤去流到熱墊塊16的電流，于是焊料玻璃隨其冷卻而重新凝固。在步驟114中，拆除像攝子鉗之類的定位機械裝置，完成光纖連接。如果焊料玻璃在冷卻期間收縮，那么能夠在光纖的定位方面作出例如在垂直于熱墊塊頂面的方向上的初始預(yù)定位置修正以補償收縮。
能夠?qū)η懊嫠械墓に囘^程擬定程序編入控制器或者可編程功率計。與傳統(tǒng)的焊料不一樣，焊料玻璃不具有從固體到液體和返回到固體的突變臨界溫度。而是，玻璃隨著熱墊塊的溫度增高而逐漸變得不太粘稠。這就為在進(jìn)行一個冷卻操作過程時在光纖定位方面的大量調(diào)整創(chuàng)造條件。
視應(yīng)用而定，能夠把焊料玻璃預(yù)先涂蓋在熱墊塊16上，而光纖12能夠有金包層或者是無包裹玻璃。光纖12除了連接到熱墊塊16以外，為了構(gòu)成加固和氣密的焊封還可以與安裝它的模塊焊接。
熱墊塊16可以具有在絕緣層上面例如另外一層金屬層之類的頂面導(dǎo)熱層，有助于使熱量分布均勻?；蛘?，熱墊塊16可以是用二個電接觸部分構(gòu)成的電阻層以使焊料玻璃18直接焊接到電阻區(qū)。所焊接的光纖可以直接在照射它的器件前面定位或者所焊接的光纖通過像GRIN透鏡之類的透鏡來對準(zhǔn)。光纖12本身在其終端端面上可以是錐形的或者是透鏡形的。光纖12可以是單?；蚨嗄?。
其他一些實施方式是在下面的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。例如，熔化焊料玻璃的方法可以包括使用激光器或者感應(yīng)型加熱器對焊料玻璃加熱的方法。
權(quán)利要求
1.一種用于形成光纖連接的方法，包括使光纖在熱墊塊上方定位；使光纖對準(zhǔn)；抬起光纖；把焊料玻璃放在熱墊塊上；使焊料玻璃熔化成熔融焊料玻璃；使光纖降落到熔融焊料玻璃內(nèi)；和使焊料玻璃冷卻而形成在光纖和熱墊塊之間的連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用調(diào)整光纖移動的鑷子鉗夾緊光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中的熔化包含為了對熱墊塊加熱而使電流通過熱墊塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中的冷卻包含撤去熱墊塊的電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中對熱墊塊施加的電壓是大約18～22伏范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中的定位光纖包含把光纖定位在熱墊塊上面一個預(yù)定高度的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中的降落包含使光纖降落到預(yù)定高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中的熔化發(fā)生在焊料玻璃溫度大約為300℃以上的時候。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中的熔化發(fā)生在大約320℃時。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中的對準(zhǔn)包含相對于一種光電子元件的對準(zhǔn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中光電子元件是光電二極管。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中的對準(zhǔn)包含使光電二極管的光電流達(dá)到最大值。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中的對準(zhǔn)包含相對于太赫茲收發(fā)器的對準(zhǔn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中的熔化包含用激光器對焊料玻璃加熱。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中的熔化包含用感應(yīng)加熱器對焊料玻璃加熱。
16.一種光纖連接包括熱墊塊；和放在該墊塊上的焊料玻璃，焊料玻璃使光纖連接到熱墊塊。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光纖連接，其中熱墊塊包含基板。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光纖連接，其中用氧化鋁制造基板。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光纖連接，其中從基板的一個側(cè)面散熱而使熱量集中到基板的相對側(cè)面，焊料玻璃放在相對側(cè)面上面。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光纖連接，其中基板的一個側(cè)面裝有以使熱量集中到基板的相對側(cè)面的切口槽。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光纖連接，其中一個側(cè)面在安裝熱墊塊的模塊底板中開狹槽溝。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光纖連接，其中熱墊塊包含位于鄰接基板表面的電阻元件、位于與鄰接基板的電阻元件表面相對的電阻元件表面上的中心墊片，以及位于與中心墊片同一表面并且在中心墊片兩側(cè)的一對旁側(cè)墊片，旁側(cè)墊片與電阻元件電接通而與中心墊片電絕緣。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光纖連接，其中旁側(cè)墊片和中心墊片是金制的墊片。
24.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖連接，其中電阻元件其電阻大約為100～150歐姆。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光纖連接，其中焊料玻璃最初以預(yù)制件形式放置在中心墊片上，在電流通過旁側(cè)墊片施加于熱墊塊時熔化預(yù)制件。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的光纖連接，其中焊料玻璃熔化溫度大約為300℃以上。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光纖連接，其中焊料玻璃熔化溫度大約為320℃。
全文摘要
本發(fā)明針對光纖連接，它包含熱墊塊和使光纖安裝到熱墊塊的焊料玻璃。通過光纖在熱墊塊上面定位并且使光纖對準(zhǔn)來形成這種安裝。然后抬起光纖把焊料玻璃預(yù)制件放在熱墊塊上。對玻璃預(yù)制件加熱使其熔化。在預(yù)制件熔化的情況下，光纖降落到熔融焊料玻璃內(nèi)。然后撤去電流，于是焊料玻璃隨其冷卻而凝固，以致形成光纖和熱墊塊間的連接。
文檔編號G02B6/00GK1886685SQ200380108777
公開日2006年12月27日 申請日期2003年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月10日
發(fā)明者斯蒂文·L.·威廉姆森 申請人:派克米瑞斯公司