专利名称：光学组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学模制组件，它具有一个半导体发射或探测器件，和一个中心对准的透镜，光学模制组件由一个树脂外壳容纳。本发明尤其是一种光学模制组件，其中的透镜用透镜夹指固定夹持，而透镜座与树脂外壳整体压铸。
光学模制组件(下称光学组件)有一个半导体器件，例如一种诸如半导体激光器等的半导体光发射器件，还有一个透镜、它与上述器件以互相中心对准的方式夹持，这种光学组件用于光通信领域。例如，用于数据通信的计算机系统有一个半导体光发射器件，和一个半导体光探测器件的组件，他们在印刷底板上作为一个组件对进行安装。一个光学模件包括一个半导体器件，一个透镜和一个外壳，由外壳夹持半导体器件，透镜，也夹持用于连通光学插件的适配套圈。在将光学插件连接到光学组件时，半导体器件通过透镜被耦合到由套圈夹持的光纤维上。通常，外壳包含一个夹具，它固定夹持半导体器件，透镜和适配夹持套圈的插座。夹具和插座二个是分离的部件，他们以互相对准的方式固定。
配置在光学组件内的透镜通常是一种球面透镜，或具有折射率梯度的柱面透镜。这种透镜也可以是任何一种其它的透镜。在这些透镜中广泛使用球面透镜，因为它价廉，只需用机械加工就容易高精度地得到制造。另，它也可以定位安装，因为它完全没有方向性，在安装时不需进行定向调节。透镜也可用任一种方式固定到夹具上，一种方式是，将透镜放入并定位在夹具(透镜座)的槽内，之后围绕透镜涂上树脂粘合剂，再热固。另一中方式是，将一种低熔点的直径稍大于透镜外缘直径的模制玻璃环安置在透镜外缘，然后进行热熔化。
在前一冲方式中，由于液态的树脂粘合剂需要注入透镜周缘的一个小区域内，对此在热固前不容易控制。由于夹具通常是由金属材料制做，而且透镜与夹具之间的热膨胀系数有差别，所以这将引起透镜的粘合面受热而裂开。
后一种方法也有缺点，低熔点的玻璃容易失去光泽，以及在高温时粘合强度会趋于下降，并且制做的成本也高。因为，低熔点的模制玻璃环是采用加压下模制低熔点的玻璃粉来制做的，当模制的玻璃环定位放置时，它将散射位于玻璃表面上的微小的开裂和颗粒。如果模制玻璃环为了定位固定透镜而受热熔化，则出现在玻璃表面的微小的开裂和颗粒也会熔化。熔化的玻璃本身沿透镜流动，会在透镜的表面上产生一种局域的玻璃膜层。低熔点的玻璃不抗湿气，因此随时间的推延，易失去光泽。如果透镜的表面失去光泽，则将使通过透镜的光强度下降。在透镜暴露于潮湿环境时，其玻璃内会出现细微开裂，并使玻璃变脆。所以，这将可能使玻璃的粘合强度下降到使它与透镜脱开。上述的不足可采用制做耐朝湿的玻璃予以避免。这样一种防范措施，加上采用低熔点模制玻璃环这种相对昂贵化费这一事实，最终将使光学模件的制做成本增加。
所以，本发明的目的在于，提供一种光学模制组件(下称光学组件)，它不需用树脂粘合剂和易熔玻璃就能迅速和容易地固定透镜，并且具有强的抗环境性和高可靠性，这种组件可廉价地制做。
本发明的其它目的在于，提供一种光学组件，它具有压配的球面透镜，可使球面透镜容易压配，只要稍微加一点力，就可定位夹住和高精度定位，采用一个增加机械强度的透镜夹件来夹持球面透镜。
按照本发明的一个方面，一种光学组件包含一个具有光轴的树脂外壳，一个架持在树脂外壳内，并与光轴对准的半导体器件，一个架持在树脂外壳内与光轴对准的透镜。尤其是，一种光学组件包含一个具有光轴的树脂外壳，用于适配架持与之连接的光插件的套圈；一个半导体器件，架持在与光轴对准的树脂外壳内；一个透镜，架持在与光轴对准的树脂外壳内，在光学插件耦合到树脂外壳时，使用套圈，以光学方式使半导体器件耦合到光纤维。树脂外壳包括相对于半导体器件正面设置的透镜夹具。透镜夹具具有绕光轴设置，并朝向半导体器件的透镜夹件。透镜夹件具有一个其末端向径向向内的突起。透镜架也有一个透镜座，它位于透镜夹件的底端。透镜夹件和透镜座与树脂外壳整体模制。在用力使透镜通过透镜夹件压向透镜座之后，透镜由透镜座架持，并用透镜夹件夹持住。
透镜夹件由许多，例如三个以等角度间隔的外围设置的透镜夹指构成。
透镜可以是一种球面透镜，所述的透镜座实际上是在形状方面与所述球面透镜的外圆面的一部分互相互补。
每个透镜夹指有一个由至少三个具有不同曲率半径弯曲面构成的径向内表面。三个弯曲表面包括，一个第一弯曲表面，起着位于透镜夹指底端处的透镜座表面的球面透镜的定位作用，透镜座表面其曲率半径与球形透镜的半径相同；一个第二中间弯曲表面，起着作为一个非接触表面的作用，它邻接透镜座表面，在球面透镜通过透镜夹指压配时，它处于与球面透镜脱接的架持。该非接触表面的曲率半径小于球面透镜的半径。一个第三曲面，起着对透镜压紧的作用，该压面定位在透镜夹指的顶端，并邻接于非接触表面，用于将球面透镜导入在透镜夹指之间。该第三弯曲表面在对着第一和第二弯曲表面的方向是弯曲的。每个透镜夹指有一个倾斜于外壳的纵向方向的径向外表面，从而使其基部自顶部向外作径向扩展。外壳有一个围着透镜夹指的部分，并凹进一个深度约为球面透镜直径的5/8-7/8。每个透镜夹指的径向外表面在其基部有一个圆表面。
每个透镜夹指的径向外表面倾斜于外壳的纵向约有10°角，使其基部从末端向外径方向扩展。围绕透镜夹指的部分外壳向内凹进一个深度，它近似于球面透镜直径的3/4。每个夹指的径向外表面的圆周表面的曲率半径约为0.5nm。
外壳可由液晶树脂材料制做，树脂外壳由液晶聚合物制故，聚合物中分散有玻璃小珠，它的最大平均直径为30μm。
本发明的上述目的，特点和优点，可以结合本发优选实施例和阅读下述说明后更为清楚。
图1是本发明光学组件的纵向剖视图；图2是光学组件的外壳的端面正视图，表示外壳的端部，在该处一个球面透镜将受压配；图3是光学组件的外壳的纵向剖视图；图4是图3所示外壳的周围部分的放大剖视图。
如图1所示，本发明的光学组件包括一个密封的半导体器件10，一个球面透镜12，一个合成树脂的外壳14，外壳架持半导体器件10和球面透镜12，外壳有一个用于适配架持欲连接光学插件的套圈。在光学插件连接到光学组件时，半导体器件10通过球面透镜光学地耦合到套圈内的光纤上。
外壳14包括一个模制的单一体，它基本上呈圆柱形状。外壳14有一个端部16(图1的左侧)，在端部上安置半导体器件10，一个中心夹持区，在夹持区中牢固地安装着球面透镜12。插座20从中心夹持区朝着远离端部16的反方向向外伸展。插座20有一个孔22，在孔内适配地夹持欲连接的光学插件的套圈。
中心夹持区有多个透镜夹指24，他们以等角度间隔绕着外壳14的0-0轴配置，并有各自的朝向半导体器件的轴向和在径向向内侧突起的顶端部分。如图2所示，有三个等角距的透镜夹指24，从端部正视时，每个呈拱形的中心夹持区也有一个较小直径的中心孔26和一个较大直径的中心孔28，他们相继地受到轴向限定，并与光轴O-O对准，这些孔从透镜夹指24的基端表面朝通孔22方向伸展。这些中心孔26,28对通孔22和球面透镜12之间的光束提供通路。
在图示的实施例中，球面透镜12其半径r为1.00mm，每个夹持球面透镜12的透镜夹指24有一个径向向内的表面，它由至少三个各自有不同曲率半径的曲面构成。尤其如图3和4所示，第一个曲面起着一种凹透镜座表面30的作用，它位于透镜夹指24的基端，用于对球面透镜12定位，凹透镜座表面30其曲率半径R11，它等同于球面透镜12的半径(R11=r=1.00mm)，第二中间曲面起着一个凹的非接触表面32的作用，它紧接到透镜座表面30，第二中间曲面保持在将透镜12压配入中心夹持区时不与球面透镜12接触，非接触表面32的曲率半径小于球面透镜12的半径r。尤其，使非接触表面32制成曲率半径分别为R21(=0.714mm)，R22(=0.528mm)的二个曲面。第三个曲面用作为凸透镜受压面34，它位于透镜夹指24的顶端，并邻接于非接触表面32，使球面透镜12能光滑地导入中心夹持区。透镜受压表面34是由曲率半径分别为R31(=1.000mm)，R32(=0.250mm)的二个曲面组成，在将球面透镜12安装入中心夹持区时，球面透镜12由透镜受压表面34和透镜座表面30夹住。
每个透镜夹指24有一个与外壳14的纵向方向以约θ=10°角倾斜的辐射状外表面，这使其基端呈辐射状从它的顶端向外伸展。透镜夹指24从中心夹持区的径向端表面轴向凸起，凸起的长度L约为球面透镜12(L≈3r/2)的直径的5/8-7/8，最好为3/4。换言之，围着透镜夹指24的中心夹持区部分向内凹进长度为L。每个透镜夹指24的径向外表面在其端有一个圆表面，它们曲率半径R≈0.5mm，这种形状的透镜夹指24在其随着球面透镜12压配在透镜夹指24之间，并受到径向向外的弹性偏转时，在机械受力方面是足够强的和柔生的。同时，在透镜夹指24在径向向内复位时，对球面透镜12施加促够的径向向内的力。尤其，透镜夹指24的径向倾斜的外表面可有效地阻止其中间部分厚度的下降，即，可使透镜夹指24的厚度均匀形成。由此，在球面透镜12受到压配时可分散施加的负载。围着透镜夹指24的中心夹持区部分明显地向内凹进深度L，允许透镜夹指24在球面透镜12压配时可以受到径向向外的弹性偏转。此外，在每个透镜夹指24的径向外表面的基端部位的圆表面，它在球面透镜12压配之后透镜夹指24向内径向回复时将提供足够的径向向内的力。
在进行注模时每个透镜夹指24和外壳14一起整体模制。具有透镜夹指24的外壳14，在一种内含模制腔和可中心插入模制腔内的芯柱的注模机内受到注入模制。该芯柱有多个在其球面端的基部限定的有一定角度间隔的凹槽。在合成树脂注入到模腔内时，将合成树脂模制成在该芯柱内形成透镜夹指24的分别突起部分的具有凹槽的形状。之后，芯柱在模制的外壳14从模腔移出时受力拉出。
外壳14最好采用高韧性的合成树脂材料制做，允许球面透镜12容易压配，并能可靠地将球面透镜12夹持在位。插座20的尺寸误差，在温度从-20-+75℃范围内需小于约5/1000mm。所以，外壳14最好用具有小的线性膨胀系数约为2×10-5/℃的合成树脂材料制做。根据光学组件使用时的温度，外壳14可采用线膨胀系数约为7×10-5/℃的合成树脂材料制做。满足上述要求的合成材料树脂，已知的有工程塑料，也可以是液晶聚合物(LCP)，聚醚酮醚(PEEK)，聚醚酰亚胺，聚亚苯基硫化物(PPS)，聚丁烯对苯二酸酯(PBT)，聚丁烯醚(PPE)，聚碳酸酯(PC)或聚胺。如果选用的合成树脂材料的线膨胀系数太大，则可以混合玻璃填料或玻璃微珠。所用的玻璃微珠最好平均直径为30μm以下。虽然尽可能选用较小直径的玻璃微珠，但他们需是比较价廉的。
在一个实验中，其内混入平均直径为2-20μm范围玻璃珠的液晶聚合物会呈现良好的分散结果。尤其，外壳14采用低的各向异性的液晶聚合物模制，聚合物中分散平均直径为20μm，重量百分比为50％的玻璃微珠。液晶聚合物本身对于线膨胀系数具有大的各向异性，因为在注模时液晶流方向上聚合物的线膨胀系数几乎为零，而在垂直液晶流方向，聚合物的线膨胀系数为8×10-5/℃。当液晶聚合物与玻璃微珠混合时，对于线膨胀系数的各向异性将下降，因为在注模时，在液晶聚合物流动方向和在垂直于液晶流的方向，聚合物的线膨胀系数是2×10- 5/℃。在这样模制的外壳14内，任何插座20的内径(2.5mm)的改变，在光学组件使用的温度范围-20+70℃范围内，需保持在0.005mm范围中。
球面透镜12按下述步骤固定在位外壳14与端部16垂直地向上取向，将球面透镜12通过端部16插入，并安置在透镜夹指24的顶端。然后，将杆状压件对着球面透镜12加压，将球面透镜12压配在透镜夹指24之间。在将球面透镜12压向孔26时，夹指24由于球面透镜12而在径向弹性地向外张开。在球面透镜12压入，并由透镜座表面30定位时，夹指24径向方向向内回弹，以恢复他们的原始形状。在夹指恢复到他们原先形状时，球面透镜12由透镜座表面30和由夹指24所施加的径向向内的力牢固地夹持。由于球面透镜12被牢固地夹持在位，所以球面透镜12既使在外壳14的树脂材料由于环境温度上升向膨胀时也牢固地保持在位。
下面涉及制做一种光学组件的实例。在用一个插入通孔22的杆推动球面透镜12时，夹指24有一个强度在15-20kgf的力抵制球面透镜12的移动。由于透镜座表面30的曲率半径与球面透镜12的半径相等，所以球面透镜12沿着光轴O-O受到定位，相对于设计值的精度误差为±0.01mm。从光学设计的角度，沿着光轴O-O，从激光束发射源到球面透镜12的距离是一个重要的考虑因素，精确地控制该距离将可减少光学组件的光学特性的改变。
在球面透镜12安置进外壳14后，再将半导体器件10耦合到外壳14。半导体器件10有一个封装在密封封装壳内的半导体元件。如图1所示，半导体器件10有一个基底36，密封的封装壳置入带有基底36的外壳14内，基底36靠着外壳14的端部16固定。在半导体器件10与球形的球(透镜)12同轴对准后，半导体器件10由热固合成树脂粘结剂38粘合到外壳14，粘合树脂涂于基底36和端部16的外圆周表面上。
半导体器件10可以是一种光发射器件，如半导体激光器，光发射二极管等，或是一种光探测器件，如光电二极管，内置前置放大器的光电二极管等。
在将光插头连接到光学组件时，光插头的套圈适配到插座内，调整套圈内的光纤，使它与光轴O-O共轴，并且其端部紧邻孔28定位。如果半导体器件10是一个半导体激光器，则从半导体激光器发出的激光束由球面透镜12将它聚焦，并发射到套圈内的光纤端部。在透镜座表面30的中心开孔的小直径中心孔26，它的直径设定至只需让激光束通过的最小直径值，该直径最小值是允许激光束在套圈内的光纤上传输，同时可去除由于球面透镜12的象差引起的不想要的光。另一种情况，如果半导体器件10是光电二极管，则从套圈内光纤的端部发射的光束由球面透镜12聚焦，并入射至光电二极管上。
外壳14由一对位于其侧壁上的径向相对的通孔40，通孔40位于末端16和球面透镜12之间。
通孔40允许空气进入和流出外壳14，由此可阻止湿气由于环境温度的改变而在外壳14内凝聚。尤其，如果表示能流入和流出外壳14的空气量的外壳14的内体积约为40mm3，则孔40的总开孔面积约为1.8mm。在外壳14的侧壁内可以有3个或4个以上的通孔。
为了控制半导体器件，一般的操作是润湿环境空气，使它保持相对湿度范围在50-60％内，防止半导体器件由于电涌而断开。如果没有通孔40，则在半导体器件10装在外壳14上时会使潮湿的空气陷入外壳内。通常，光学组件需保证能在温度范围为-40-+85℃的台架上进行操作或保持。如果将外壳14内含湿空气的光学组件放置在低于+5℃的环境下，则湿气趋于在外壳14内凝聚，并且受凝聚的液滴会聚至球面透镜12和/或半导体器件10的窗口玻璃上，最终使通过窗玻璃或球面透镜12的光束强度下降。此外，在制做光学组件时，在用热固合成树脂粘合剂38将半导体器件10粘结到外壳14时，和用高频加热时，这种湿气也由于半导体器件的温度(约200℃)和球面透镜12的温度(约20℃)之间的温差，而凝聚到球面透镜12上。
所以，如果外壳14采用密封的结构，则湿气有可能趋于凝聚在外壳14内，最终导致差的光学性能。然而，根据本发明，由于在外壳14的侧壁上开有通孔40，并且总的通孔40的开孔面积与外壳14的内体积成适应的比例，当将光学组件在台架上操作或保持时，空气会流进和流出外壳14，于是防止湿气在外壳14内凝聚，也可消除液滴凝聚在外壳14内。即使在制造光学组件时由于局域的受热而使湿气凝聚在球面透镜12上时，所凝聚的液滴也可例如采用逐步加热光学组件，经15分钟加热到约100℃，以此去除湿气。由此，通孔40在克服光学组件制造时所带来的缺陷，以及在阻止使用及保存时光学性能下降方面均是有效的。
在图示的实例中，外壳14包括与外壳整体模制的插座20。另外，外壳14可以没有插座20，或可以有一个分离的可后续连接的插座。该分离的插座可以用高度耐反复插入，以及可从光学插件的套圈取出的材料制成。
上述给出的球面透镜的曲面，其各种不同曲率半径的最佳数值是1.00mm。如果使用一个不同曲率半径的球面透镜，则曲面可以有相应的曲率半径。在整个曲面的每个第一曲面由所示实施例的三维曲面组成时，它可以是一个包含多个小平面所组合的准曲面。
本发明的光学组件可由较少量部件制成，因为夹指是与外壳整体形成的。由于球面透镜采用机械方式固定到外壳，而不是使用任何粘合剂或熔融玻璃。因此，不需用粘结剂或熔融玻璃加到透镜表面，并且光学组件是高度防环境气候的。球面透镜容易操作，因为可以通过将球面透镜安置在夹指内和用棒状施压器进行压配来定位。因为不需要分离元件来使球面透镜固定到外壳中的部位内，并且球面透镜可容易地安置，因此光学组件可廉价地制做。
夹指被设计成用于增加其机械夹持强度，也用于将球面透镜牢固地夹持在位。因此，使球面透镜以更高的精度夹持在位。夹指在将球面透镜压配时对透镜是抗损坏和开裂的。因此，夹指在高稳定地运作球面透镜方面是有效的。
尽管本发明优选的实施例详细地介绍和图示，但需明白，在不偏离本发明附属权利要求书的范围内可以作出各种改变和变动。
权利要求
1.一种光学组件，它包括一个合成树脂制作的外壳；一个由所述外壳支承的半导体器件；一个架持在所述外壳内的透镜；所述外壳有一个与所述外壳整体形成的透镜夹件，绕外壳的光轴设置的夹件用于架持所述透镜，所述透镜夹件朝向所述半导体器件突出，并有一个径向向内突起的前端部和一个提供透镜座的基端部，所述透镜通过位于所述透镜座上的所述透镜夹件的前端部压配。
2.根据权利要求1的光学组件，其特征是，所述的外壳包括一个适合欲连接的光学插件的套圈的部分，在光学插件连接到所述外壳时，所述半导体器件和套圈内的光纤通过透镜使他们受到光学上的耦合。
3.根据权利要求1或2的光学组件，其特征是，所述透镜夹件包括多个透镜夹指，他们以等角度间隔在圆周方向设置。
4.根据权利要求3的光学组件，其特征是，所述透镜包括一个球面透镜，所述透镜座其形状基本上与所述球面透镜的外球面互补，每个透镜夹指具有径向向内的表面，该表面至少由三个具有各自不同曲率半径的三个曲面构成，所述的至少三个曲面包括一个第一曲面，起着透镜座表面的作用，它位于透镜夹指的基部，用于定位所述透镜，所述透镜座表面的曲率半径相同于所述球面透镜的半径；一个第二中间曲面，起着非接触表面的作用，并近邻所述透镜座表面，在透镜于所述透镜夹指之间受压配时，该曲面不与所述透镜接触，所述的非接触表面其曲率半径小于所述透镜的半径；一个第三曲面，起着透镜加压表面的作用，它位于透镜夹指的前端，近邻所述非接触表面，用于平滑导入透镜到所述透镜夹指之间，所述第三曲面在相反于所述第一和第二曲面的方向是呈曲面的，每个所述透镜夹指有一个与所述外壳的纵向呈倾斜的径向外表面，使其基端自前端向外径向地展开，所述外壳具有一个围绕所述透镜夹指的部分，它有一个凹进的深度，该深度为所述透镜直径的5/8-7/8，所述每个透镜夹指的径向外表面在其基端有一个圆表面。
5.根据权利要求4的光学组件，其特征是，所述每个透镜夹指的径向外表面与所述外壳的纵向具有约10°的倾角，其基端自其前端向外径向展开，所述围绕透镜夹指的外壳部分凹进一个深度，该深度近似于所述透镜直径的3/4，所述每个透镜夹指的径向外表面的圆表面的曲率半径约为0.5mm。
6.根据前述权利要求的任一项所述的光学组件，其特征是，所述外壳由液晶聚合物以及平均直径最多为30μm的玻璃小球珠制成，玻璃小球珠均匀地分散在所述的液晶聚合物内。
全文摘要
一种光学组件,包括一个具有光轴的树脂外壳,一个架持在树脂外壳内的半导体器件,和一个架持在树脂外壳内的透镜。树脂外壳包括一个透镜夹件,它绕着光轴设置并朝向半导体器件突起。透镜夹件有一个前端部分,它径向向内突起,以及一个基端部分,提供透镜座,透镜由透镜座架持,并在透镜通过透镜夹件向透镜座受力后由透镜夹件夹住。透镜夹件包括多个透镜夹指,这些夹指以等角间距沿周圆间隔分布。
文档编号H01L31/0203GK1234615SQ9812710
公开日1999年11月10日 申请日期1998年12月11日 优先权日1997年12月11日
发明者桥爪秀树 申请人:日本板硝子株式会社