专利名称：具有光纤馈通的光学模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤馈通，尤其是涉及需要将光纤与封装进行气密密封(hermetic sealing)的光纤耦合模块封装；然而，本发明也可扩展到对金属或陶瓷封装使用气密密封 的其它应用。
背景技术：
常规光纤馈通设计利用被铜焊焊接(即，与具有比所连接的金属低的熔点的非铁 合金相焊接)到壳体壁的金属管，光纤延伸通过该壳体壁并被焊接在金属管中。不幸的是， 制造贯通金属管的紧密公差的高质量的孔非常昂贵，该孔紧密匹配延伸通过其的光纤。因 此，大部分金属管具有大内径(ID)，并需要焊料(即，金属或玻璃)来填充光纤周围的间隙 以产生气密密封。不幸的是，金属和玻璃焊料形成高压缩力的密封，这可能造成光纤中的损 坏或甚至断裂。目前，图1示出的单模光纤(SMF)耦合的激光二极管泵浦模块1包括使用例如铜 钨(CuW)的金属的壳体2，和底座3，以封闭光电设备5，该底座3具有紧密地匹配例如科瓦 铁镍钴合金(Kovar)的金属壁4的热膨胀系数(CTE)。接着，金属管6被铜焊到壳体壁4， 其具有比将穿过金属管6插入的光纤7大得多的内径。为了实现气密密封，光纤7和金属 管6之间的间隙填充有在光纤7周围流动的可被金属化的高熔点焊料8，例如玻璃或金属。 金属化增加了成本，且高温焊接工艺可能弱化光纤7，并且在冷却时将应力增加到光纤7， 这可能降低模块1的光电性能。Peter Jenkins的于1987年11月17日签发的名称为“光纤密封组件(Optical Fibre Sealing Assembly) ” 的 4，707，065 号美国专利公开了一种金属套管(ferrule)，使 用外螺纹保持构件将该金属套管保持在穿板式连接器(bullhead)中，其间具有密封环。Paschke等人的于1990年2月27日签发的名称为“通过气密密封引导光波导 ^IiWTj (Process of and Apparatus for Leading an Optical Waveguide Through a Wall Via a Hermetic kal) ”的 4，904，046 号美国专利；Abbott 等人的于 1993 年1月5日签发的名称为“光纤馈通(Optical Fiber Feedthrough)，，的5，177，806号美 国专利；Moore等人的于1996年4月23日签发的名称为“光纤封装用途的将光纤连接到 套管的方法(Method for Bonding a Fiber to a Sleeve for Fiber Optic Packaging Applications) ”的5，509, 952号美国专利；Tanabe等人的于1997年3月18日签发 的名称为“气密密封的光纤插入结构(Hermietically Sealed Optical Fiber Insert Mructure)”的5，613，031号美国专利；DeVore等人的于1997年8月19日签发的名称 为“光纤的光学-金属连接密封的制作方法(Method of Making Fiber Optic-To-Metal Connection Seal) ”的5，658，364号美国专利；Dunn等人的于1999年10月19日签发的 名称为“具有可气密密封部分的光纤(Optical Fiber Having Hermetically Sealable Section) ”的5，970，194号美国专利；Snowdon等人的于2005年1月4日签发的名称为“玻 璃光纤的固着和固定方法(Glass Fiber Fixative and Fixing Process) ”的6，837，075号 美国专利；Czubarow等人的于2005年5月31日签发的名称为“光纤光学馈通管及其制作方
5法(Fiber Optic Feed-Through Tube and Method for Making the Same)，，的6，901，203 号 美国专利；以及Gerard hposito的于2005年7月沈日签发的名称为“用于密封的光纤光 学馈通的方法禾口设备(Method and Apparatus for Sealed Fiber Optic Feedthroughs) ” 的6，922，518号美国专利的每个都公开了金属套管的使用，该金属套管被焊接或金属焊接 到壳体的外壁，使用玻璃焊料将光纤密封在金属套管中。Cary Bloom的于1998年9月四日签发的名称为“气密隔断的光纤光学连接器 (Fiber Optic Connector Hermetically Terminated) ”的5，815，619号美国专利公开了使
用熔化的金属将光纤密封在套管内。handle等人的于2001年4月M日签发的名称为“气密密封封装及组装方法 (Hermetically Sealed Package and Method ofAssembly)，，的6，220，766号美国专利公开 了被焊接到金属壳体的金属套管。Moidu,Abdul Jaleel K 和 Moore、William Thomas 的于 2003 年 11 月 4 日签发的 名称为“气密光纤套管及馈通(Hermetic Fiber Ferrule and Feedthrough) ”的 6，643，446 号美国专利公开了在外部金属套筒内的一对玻璃套筒，该外部金属套筒紧靠着模块壳体并 被焊接到该模块壳体。玻璃焊料将光纤密封到玻璃套筒并将玻璃套筒密封到外部金属套 筒，且外部金属套筒的端部被固定到模块壳体的表面。
发明内容
本发明的目的是通过提供陶瓷套管以避免在套管周围使用金属焊料和在光纤周 围使用玻璃焊料来克服现有技术的不足，该陶瓷套管可玻璃焊接到壳体，并且其具有紧密 地匹配光纤外径(OD)的内径，使得可用环氧树脂来填充间隙并产生气密密封。环氧树脂具 有优于焊料的优点，焊料需要高温并在冷却时引入应力，该应力可能弱化光纤或导致光学 信号的偏振消光系数的减小。因此，本发明涉及一种光学模块，其包括光学部件，其用于产生光学信号；壳体，其用于封装光学部件，该壳体带有具有第一热膨胀系数(CTE)的部分并包 括延伸穿过其外壁的开口；陶瓷套管，其延伸穿过壳体的所述部分中的开口，陶瓷套管与壳体的所述部分之 间有间隙，具有小于第一 CTE的第二 CTE，并包括具有内径(ID)的纵向延伸通道；玻璃焊料，其填充套管和壳体的所述部分之间的间隙，并由于第一 CTE和第二 CTE 之间的差异在壳体的所述部分的压缩下，形成其间的气密密封；光纤，其延伸穿过套管与光学部件对齐，所述光纤具有小于纵向延伸通道的内径 的差值高达(up to) 50 μ m的外径；以及粘合剂，其在纵向延伸通道中气密密封光纤。本发明的另一方面涉及在包括壳体的光学模块中形成馈通的方法，该壳体带有具 有第一热膨胀系数(CTE)的部分，该方法包括a)提供具有纵向延伸通道的陶瓷套管，该纵向延伸通道具有内径(ID)，该陶瓷套 管具有小于第一 CTE的第二 CTE ；b)使用粘合剂气密密封延伸穿过套管的光纤，该光纤具有小于套管的ID的差值高达50 μ m的外径(OD)；c)使套管延伸穿过在壳体的所述部分中的开口，在套管与开口之间具有间隙；d)在升高的温度下熔化间隙中的玻璃焊料以将套管固定在开口中；由此，在操作温度，由于第一 CTE和第二 CTE之间的差异，壳体压缩玻璃焊料，形成 气密密封。发明的另一特征是提供了光学模块，其包括光学部件，其用于产生光学信号；壳体，其用于封装光学部件，并包括延伸穿过其外壁的开口 ；陶瓷套管，其延伸穿过壳体中的开口，具有第一 CTE并包括具有内径(ID)的纵向 延伸通道；安装套筒，其用于通过其中的开口接纳陶瓷套管，在所述安装套筒与所述陶瓷套 管之间有间隙，所述安装套筒具有大于第一 CTE的第二 CTE ；玻璃焊料，所述玻璃焊料填充套管和安装套筒之间的间隙，由于第一和第二 CTE 的差异，在安装套筒的压缩下，形成其间的气密密封；应力消除支架，其在安装套筒和壳体之间延伸而不直接连接到套管或玻璃焊料；光纤，其延伸穿过套管与光学部件对齐，具有小于纵向延伸通道的内径的差值高 达50 μ m的外径；以及粘合剂，其将光纤气密密封在纵向延伸通道中。
将参考代表优选实施方式的附图更详细地描述本发明，其中图1是具有常规光纤馈通的光学模块的侧视图；图2是根据本发明的具有光纤馈通的光学模块的轴测图(isometric view)；图3是图2的光学模块的横截面图；图4是图2的光纤馈通的轴测图；图5是图2和图3的光纤馈通的横截面图；图6示出在_40°C时氧化锆-玻璃-钢压缩密封的模拟应力分布；图7是本发明的另一实施方式的横截面图；图8a示出在图7的实施方式中的套管、钢圆柱体和应力消除支架之间的应力分 布；图8b是沿着玻璃密封的径向应力的示图；以及图9是本发明的另一实施方式的横截面图。
具体实施例方式参考图2到图5，根据本发明的光学模块10包括具有底座12的壳体11，底座12 支撑光学和电光部件13，例如激光二极管以及其它控制和功率元件。电导线14穿过气密密 封的开口从壳体11的相对侧向外延伸，用于将电数据信号以及功率和控制信号传输到电 光部件13并从电光部件13传输出去。还提供了用于将部件密封在壳体11内的盖(未示 出)。
本发明通过利用高度发达的先进的模制技术制造具有孔16的陶瓷套管15而克服 了前述问题，孔16的直径(ID)只比延伸穿过其的光纤17的外径稍大，例如大到差值高达 50 μ m、优选地大到差值在1 μ m和35 μ m之间、最优选地大到差值在15和35 μ m之间，例如 对于单模，光纤孔16的直径为125 μ m,其在几毫米的陶瓷套管的长度上具有精度高达1 μ m 的公差控制。由于孔16的较高的长径比，光纤17和套管15之间的气密密封可使用粘合剂 18来形成，例如低粘度(300到5000厘泊@25°C )热稳定的(能够经受住> 85°C的温度而 不放出气态物质)环氧树脂粘合剂，如用于由Loctite，Tra-Con, Epoxy技术等提供的光纤 应用的环氧树脂粘合剂，因为光纤17和孔壁之间的间隙小到足以防止裂缝，但大到足以使 环氧树脂粘合剂18能够沿着光纤17通过毛细作用传送。此外，陶瓷和玻璃的良好成型性 使套管15能够具有精细的特征，例如孔的部分具有不同的内孔直径，如一个部分用于裸光 纤19a和一个部分用于有套光纤19b，使得整个光纤的尾光纤可在一个组装步骤中被很好 地保护。使用金属管不能以低成本实现这样的紧密安装和适应性。陶瓷套管15优选地由无机结晶氧化物材料，例如二氧化锆(氧化锆)和氧化铝 (矾土)或非结晶材料，例如硅石(玻璃)构成。光纤17使用一薄层的粘合剂18在低固化温度(例如< 130°C )时被密封在套 管15内，该温度比焊接所需的较高温度(例如> 175°C )或玻璃焊接所需的温度(例如> 3500C )低得多。因此，在密封之后光纤17上的残余应力被最小化，由此对光纤强度和偏振 的影响被极大地减小了。将陶瓷或玻璃套管15密封到壳体11上的一种方法是通过金属化套管15并使用 常规金属(例如AgCu)铜焊来密封。然而，金属化也是昂贵的工艺。因此，本发明提供压缩 密封来以相对低的成本实现套管15和壳体11之间的气密密封，其中通过在壳体11的至少 一部分中使用一种热膨胀系数(CTE)稍微高于陶瓷套管15的材料(例如金属)并结合高 温密封玻璃焊料21 (该高温密封玻璃焊料21被布置在壳体11内的开口中，该开口具有比 套管15宽的直径)来提供该压缩密封。因此，本发明不需要高价低CTE的材料(例如科瓦 铁镍钴合金、CuW或因瓦合金)用于壳体11，而使用低成本金属(例如高强度(> 290MPa 抗拉屈服强度)，低合金(<0.20wt%碳)钢，如AISI 1018钢或等效物用于壳体11的全 部或至少一部分、以及AK钢CL 2/SAE J1392045XLK或等效物用于底座12)。陶瓷套管15的CTE大约为0. 5到12ppm/°C，但理想地在8到12ppm/°C之间，因此， 用于壳体11的金属应具有较高的CTE，例如比陶瓷套管稍高1到10ppm/°C，优选地比它高2 到4ppm/°C，以在操作温度范围使用玻璃焊料21在套管15周围形成压缩密封。因此，可选 择例如CTE在3到17ppm/°C之间、理想地在10到17ppm/°C之间的不同类型的金属用于壳 体11或其部分。套管15和壳体11之间的间隙在高温(通常在300°C和900°C之间)时用 焊料玻璃21填充。焊料玻璃21的流动温度离陶瓷材料相变温度(例如氧化锆的1300°C ) 有足够的裕度(clearance)，例如超过400°C，使得套管15在密封过程期间没有性能变化。 当壳体11冷却到正常应用条件和操作温度(例如室温左右)时，压缩应力在金属壳体11、 玻璃焊料21和陶瓷套管15之间形成。压缩力将确保套管15、壳体11和焊料21之间的间 隙保持密封而没有泄漏，即，好于lxl0_8atm-cc/sec氦的泄露。用于套管15的陶瓷材料必须具有足够大的压缩强度，例如大于200MPa，理想地大 于500MPa，以保护光纤免受损坏，同时经受住由壳体11施加在玻璃焊料21上的压缩力。
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由于金属壳体11的CTE的范围较宽，例如3到17ppm/°C，而玻璃或陶瓷套管15的 CTE例如为0. 5到12ppm/°C，因此有能生产牢固的、低成本、密封的馈通组件的材料的几种 实际组合，只要金属壳体11具有的CTE高于(比它高1到10ppm/°C )陶瓷套管15的CTE。图6示出在图2到图5的馈通中在-40°C (壳体11具有最高应力水平的最低应 用温度)时的压缩应力分布的模拟的结果。施加在玻璃焊料21和套管15上的峰值应力 < 160MPa，其比所述材料的压缩强度(即，氧化锆 2000MPa，玻璃 ^OMPa)低得多。 金属壳体11上的压缩应力< 200MPa，比金属材料的压缩强度(例如通常> 500MPa)低得 多。因此，馈通将在应用温度条件内保持密封和机械地粘接。表1示出壳体11的实验氦(He)泄漏率，使用环氧树脂粘合剂18将光纤17密封 在氧化锆套管15中。结果都充分低于lxlOE-Scc. atm/s的泄漏率限制(在封装内部使用 10%氦的测试读数)。表 权利要求
1.一种光学模块，包括光学部件，所述光学部件用于产生光学信号；壳体，所述壳体用于封装所述光学部件，所述壳体带有具有第一热膨胀系数的部分并 包括延伸穿过其外壁的开口 ；陶瓷套管，所述陶瓷套管延伸穿过所述壳体的所述部分中的所述开口，在所述陶瓷套 管与所述壳体的所述部分之间有间隙，所述陶瓷套管具有小于所述第一热膨胀系数的第二 热膨胀系数，并包括具有内径的纵向延伸通道；玻璃焊料，所述玻璃焊料填充所述陶瓷套管和所述壳体的所述部分之间的所述间隙， 并由于所述第一热膨胀系数和第二热膨胀系数之间的差异，在所述壳体的所述部分的压缩 下，形成它们之间的气密密封；光纤，所述光纤延伸穿过所述陶瓷套管与所述光学部件对齐，所述光纤具有小于所述 纵向延伸通道的内径的差值高达50 μ m的外径；以及粘合剂，所述粘合剂在所述纵向延伸通道中气密密封所述光纤。
2.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述壳体包括主框架，所述主框架用于封装所述光学部件；安装套筒，所述安装套筒限定了具有所述第一热膨胀系数的所述壳体的所述部分，用 于接纳穿过其所述开口的所述陶瓷套管，所述开口限定所述陶瓷套管与所述安装套筒之间 的间隙；以及应力消除支架，所述应力消除支架在所述安装套筒和所述主框架之间延伸而不直接连 接到所述陶瓷套管或所述玻璃焊料。
3.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述第一热膨胀系数比所述第二热膨 胀系数大 lppm/°C到 10ppm/°C。
4.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述粘合剂包括环氧树脂粘合剂。
5.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述第一热膨胀系数在3ppm/°C到 17ppm/°C之间。
6.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述第一热膨胀系数在10ppm/°C和 17ppm/°C之间。
7.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述壳体的所述部分由高强度低合金 钢构成。
8.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述第二热膨胀系数在8ppm/°C到 12ppm/°C之间。
9.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述第二热膨胀系数在0.5ppm/°C到 1 Oppm/°C之间。
10.如权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述陶瓷套管由选自氧化锆、氧化铝 和玻璃所组成的组中的材料构成。
11.一种在包括壳体的光学模块中形成馈通的方法，所述壳体带有具有第一热膨胀系 数的部分，所述方法包括a)提供具有纵向延伸通道的陶瓷套管，所述纵向延伸通道具有内径，所述陶瓷套管具 有小于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数；b)使用粘合剂气密密封延伸穿过所述陶瓷套管的光纤，所述光纤具有小于所述陶瓷套 管的所述内径的差值高达50 μ m的外径；c)使所述陶瓷套管延伸通过在所述壳体的所述部分中的开口，所述陶瓷套管与所述壳 体之间具有间隙；d)在升高的温度下熔化所述间隙中的玻璃焊料以将所述陶瓷套管固定在所述开口中；由此，在操作温度，由于所述第一热膨胀系数和第二热膨胀系数之间的差异，所述壳体 的所述部分压缩所述玻璃焊料，形成气密密封。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述壳体的所述部分包括安装套筒，所述 安装套筒包括用于接纳所述陶瓷套管的开口 ；并且其中所述壳体还包括主框架，所述主框架用于封装与所述安装套筒分离的光学部件；以及应力消除支架，所述应力消除支架在所述安装套筒和所述主框架之间延伸而不直接连 接到所述陶瓷套管或所述玻璃焊料。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤b)包括在低于130°C的固化温度下 使用一薄层环氧树脂粘合剂将所述光纤气密密封在所述陶瓷套管中。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤d)包括在300°C到900°C之间的温度 下使用焊料玻璃填充所述陶瓷套管和所述壳体之间的所述间隙。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一热膨胀系数比所述第二热膨胀 系数大 lppm/°C 到 IOppm/°C。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一热膨胀系数在IOppm/°C到 17ppm/°C之间。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述壳体的所述部分由高强度低合金钢 构成。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二热膨胀系数在8ppm/°C到 12ppm/°C之间。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述陶瓷套管由选自氧化锆、氧化铝和玻 璃所组成的组中的材料构成。
20.一种光学模块，包括光学部件，所述光学部件用于产生光学信号；壳体，所述壳体用于封装所述光学部件，并包括延伸穿过其外壁的开口 ；陶瓷套管，所述陶瓷套管延伸穿过所述壳体中的所述开口，所述陶瓷套管具有第一热 膨胀系数并包括具有内径的纵向延伸通道；安装套筒，所述安装套筒用于接纳穿过其开口的所述陶瓷套管，所述安装套筒与所述 陶瓷套管之间有间隙，所述安装套筒具有大于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数；玻璃焊料，所述玻璃焊料填充所述陶瓷套管和所述安装套筒之间的所述间隙，由于所 述第一热膨胀系数和第二热膨胀系数的差异，在所述安装套筒的压缩下，形成其间的气密 密封；应力消除支架，所述应力消除支架在所述安装套筒和所述壳体之间延伸而不直接连接 到所述陶瓷套管；光纤，所述光纤延伸穿过所述陶瓷套管与所述光学部件对齐，所述光纤具有小于所述 纵向延伸通道的内径的差值高达50 μ m的外径；以及粘合剂，所述粘合剂将所述光纤气密密封在所述纵向延伸通道中。
21.如权利要求20所述的光学模块，其特征在于，所述第二热膨胀系数比所述第一热 膨胀系数大lppm/°C到10ppm/°C。
22.如权利要求20所述的光学模块，其特征在于，所述安装套筒和所述应力消除支架 由单块结构组成。
23.如权利要求20所述的光学模块，其特征在于，所述应力消除支架具有与所述壳体 相同的或在所述壳体和所述第二热膨胀系数之间的热膨胀系数。
24.如权利要求20所述的光学模块，其特征在于，所述壳体由具有热膨胀系数在 3ppm/°C到10ppm/°C之间的金属组成。
25.如权利要求20所述的光学模块，其特征在于，所述壳体由具有热膨胀系数在 3ppm/ °C到12ppm/ °C之间的陶瓷材料组成。
26.如权利要求20所述的光学模块，其特征在于，所述壳体具有比所述第一热膨胀系 数小lppm/°C到12ppm/°C的热膨胀系数。
全文摘要
具有光纤馈通的光学模块。本发明涉及一种模制陶瓷或玻璃套管，其具有至少一个用玻璃焊料密封到金属壳体中的纵向通道，该通道实现光纤馈通。在壳体中的金属材料具有比套管材料和密封玻璃稍微高的热膨胀系数(CTE)，使得气密密封由压缩应力维持，该压缩应力在操作条件下由壳体施加到套管和密封玻璃。当壳体由例如金属或陶瓷的低CTE材料制造时，还设置有用于施加压缩应力的金属套筒和应力消除支架。
文档编号G02B6/42GK102109644SQ20101060641
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月27日 优先权日2009年12月29日
发明者普拉萨德·雅拉曼丘里, 杜吉华, 瑞迪·拉贾, 邱向东 申请人:Jds尤尼弗思公司