光隔離器組件的製作方法
2023-04-27 07:59:51
專利名稱：光隔離器組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及安裝在具有半導體元件如半導體雷射元件或半導體放大器和聚焦透鏡的半導體組件的外殼中並構成用在光通信和光信息系統中的光電子單元的光隔離器組件。更具體地說，本發明涉及一種光隔離器組件，其具有容易封閉地密封半導體組件的結構，並使在外殼中密封地製作使用有機材料如粘合劑製成的光學零件以及使半導體元件和光隔離器很簡單並且容易受溫度控制成為可能。
背景技術：
在上述用在光通信和光信息系統的光電子單元中，需要光隔離器具有當使從半導體元件如半導體雷射元件發射的光進入由光纖構成的傳輸系統中時，在傳輸系統中產生的反射光不返回半導體元件端的功能，即，具有防止半導體元件由於反射回的光而操作不穩定的功能。
也需要半導體元件最好與外界空氣隔離以便防止由於大氣或大氣溼度而降低其功能。
此外，半導體元件在特性方面隨其溫度變化而改變。因此，其溫度通常受珀爾貼(Peltier)設備控制。然而，由於光隔離器也具有溫度特性，在由高性能光電子單元構成半導體組件的情況下，關於光隔離器，溫度也受Peltier設備的控制。
同時，當用於裝配的零件數量較少時，可使構成光電子單元的這種半導體組件的裝配成本較低。然而，任何常規的光隔離器的安裝與光纖零件無關，因此，為將這些零件放入組件中，有必要提供專用的裝配設備。
因此，為獲得用於半導體組件的低成本，如圖5中所示，已經提出了光隔離器組件g，其中將光隔離器c和光纖a整體裝配(日本專利申請公開No.6-194548)。然而，在使用這種光隔離器組件g中，由於這種光隔離器組件g的結構，必須控制與光隔離器組件g配合的半導體組件h的整個外殼i的溫度。順便提到，在圖5中。字母符號b表示光纖a與其相配的毛細管；d、a表示透明構件；e、a表示半導體雷射元件；f、a表示聚焦透鏡n。
在需要具有特別高的可靠性的半導體組件中，在某些情況下，也有必要提供這樣一種結構，其中使用樹脂的任何零件完全與半導體元件隔離以便防止由於從用於粘合光學零件的粘合劑釋放出的任何氣體而降低其功能。
因此，在常規的光隔離器組件中，已經發現通過將光學零件利用焊接緊固而不使用任何粘合劑來裝配它們的方法。
因此，當安裝在半導體組件中的半導體元件是半導體雷射元件時，其出射光是線性偏振，因此，可使用依賴於偏振的隔離器類型。在這種情況下，採用將金屬薄膜加到玻璃偏振器和法拉第(Faraday)旋轉器的每一個的側端並且通過焊接將其固定到襯底材料上的方法。然而，存在一個問題，即為降低成本，往往用相對廉價的雙折射晶體，諸如金紅石、鈮酸鋰或YVO4等晶體材料來代替昂貴的玻璃偏振器，這使得很難用焊接固定金屬薄膜，因為這些材料在熱膨脹係數方面存在很高的各向異性，並且這些材料本身是易碎的。
同時，當安裝在半導體組件中的半導體元件是與偏振無關的類型的半導體放大器時，有必要使用利用雙折射晶體的與偏振無關的類型的光隔離器。然而，實際上，任何可用焊接固定的與偏振無關的光隔離器還沒有投入實際使用。
注意到上述問題而做出了本發明。因此，本發明的目的是i)提供光隔離器組件，其具有這樣一種結構，即使得容易密封地封閉半導體組件，並且使在外殼中密封製造使用有機材料如粘合劑構成的光學零件，以及半導體元件和光隔離器很簡單並且容易受溫度控制成為可能，並且特別是ii)實現可在使用雙折射晶體的與偏振無關的類型的光隔離器中使用的結構，當半導體組件是與偏振無關的類型的半導體放大器時，這是很必要的，從而允許製造廉價的半導體放大器組件。
發明內容
更具體地說，本發明是一種光隔離器組件，包括其端部(端面)已經傾斜的光纖安裝到其中的毛細管、在毛細管的光入射端上提供的光隔離器以及在光隔離器的光入射端上提供的透明構件，該光隔離器組件是安裝在具有半導體元件和聚焦透鏡的半導體組件的外殼中；從半導體元件發射並由聚焦透鏡匯集的光經透明構件和光隔離器傳送併入射在光纖端上；以及提供在與毛細管的光入射端相對的端上，具有密封墊圈(bead)，該墊圈i)支持光纖，該光纖在與其光入射端相反的方向中從毛細管延伸並且通過去除樹脂塗層，其裸條纖(芯線/包層裸條纖)處於無覆蓋狀態；以及ii)以密封的封閉狀態將該密封墊圈安裝到在半導體組件的外殼端壁上形成的孔中。
根據本發明的光隔離器組件使密封地封閉半導體組件成為可能，因為在與毛細管的光入射端相反的端上提供的密封墊圈以密封的封閉的狀態被安裝到在半導體組件的外殼端壁中形成的孔中。
該光隔離器組件還具有這樣一種結構，其中將光隔離器安裝到在其內部具有半導體元件的半導體組件的外殼中。因此，可將其放在具有對光隔離器的零件和半導體元件來說公用的平面的支撐支架上。這允許溫度控制光隔離器和半導體元件而不溫度控制整個外殼。
另外，在該光隔離器組件中，由毛細管、光隔離器和透明構件以及密封墊圈部分組成的隔離器部件僅通過光纖連接，因此，它實現這兩個零件(隔離器部件和密封墊圈部件)的靈活連接。
因此，當將單獨固定密封墊圈部件和隔離器部件的方法用作將光隔離器組件安裝到半導體組件的方法時，具有上述結構的光隔離器對於由於各構件的熱膨脹等引起的任何非常輕微的相互位置偏移具有一容限。因此，這允許在很長時間周期中半導體組件穩定工作。
在本文中，關於根據本發明的光隔離器組件的密封墊圈和毛細管，如果能得到上述效果的話，可使用任何期望的材料來製造它們。最好，可用金屬化材料來組成這些部件，這些金屬化材料都做成具有小的通孔，光纖通過這些通孔穿過。
然後，結合使用由被做成具有小的通孔的金屬材料製成的密封墊圈，將在與光入射端相反的方向中從毛細管延伸的光纖的裸條纖塗覆以金屬，並且通過焊接將該密封墊圈與光纖的裸條纖彼此連接。這允許通過使用無機材料的焊接或縫焊來將密封墊圈連接到半導體組件部分，通過該半導體組件部分插入光纖(即，在半導體組件的外殼端壁中形成的孔)。因此，包含在半導體組件中的半導體元件能與外界空氣理想地隔離。
類似地，結合使用由被做成具有小的通孔的金屬材料製成的毛細管，將在與入射端相反的方向中從毛細管延伸的光纖的裸條纖塗覆以金屬，並且通過焊接將毛細管與光纖的裸條纖彼此連接。與通過有機材料固定它們的情況相比，這使得任何隨時間的惡化很少發生，並且允許以小的接頭長度穩定地固定光纖。
在根據本發明的光隔離器組件中，也可採用這種結構，其中毛細管、放置在毛細管的入射端上並與透明構件相配的窗口框架構件，以及i)在窗口框架構件和毛細管之間提供圓柱支架並且在其內部容納光隔離器，或ii)圓柱支架和與其連接的圓柱磁鐵形成一個密封的封閉空間，並且將光隔離器的光學零件容納在該密封的封閉空間中。
採用這種結構允許密封地封閉光學零件，因此也可在不應當暴露在從諸如粘合劑的有機材料釋放的氣體中的部件上利用任何有機材料。這使得能實現廉價的光隔離器組件。
關於根據本發明的光隔離器組件的透明構件，它可由橫截面為楔形的透明材料組成，該材料具有在與光纖端的傾斜方向相反的方向中傾斜的光入射面。同樣，關於光隔離器和透明構件，可傾斜地放置它們以便相對於光纖的光軸，光隔離器的每個光入射/出射平面以及在其光隔離器端上的透明構件的光入射/出射平面在與光纖端的傾斜方向相同的方向中傾斜。
因此，由於透明構件由橫截面為楔形的透明材料組成，該透明材料具有在與光纖端的傾斜方向相反的方向中傾斜的光入射面，所以可防止降低來自半導體元件的光相對於光纖的耦合效率。同樣，由於光隔離器和透明構件傾斜放置以便光隔離器的每個光入射/出射平面以及在其光隔離器端上的透明構件的光入射/出射面相對於光纖的光軸在與光纖端的傾斜方向相同的方向中傾斜，從透明構件反射的反射光可防止再次耦合而不用設置大的透明構件的入射角，該透明構件位於與半導體元件相反的方向，該半導體元件的光軸延伸直到其光進入透明構件為止，且該半導體元件的光軸方向設置成平行或基本平行於光纖的光軸方向。
關於透明構件和光隔離器，它們可採用這樣一種結構，其中將構成光隔離器的一部分光學零件的偏振器通過光學粘合劑粘結到透明構件。
圖1(A)是根據本發明的光隔離器組件的結構的示例說明，圖1(B)是從光入射端看到的光隔離器組件的前視圖；圖2是表示如何將根據本發明的光隔離器組件安放在具有半導體元件和聚焦透鏡的半導體組件的外殼中的示例說明；圖3是將安裝在根據本發明的光隔離器組件中的光隔離器零件分解透視圖的裝配；圖4(A)和4(B)是表示根據本發明的光隔離器組件中橫截面為楔形的透明構件的作用的光線跟蹤圖；圖5是根據常規情況已經安裝好光隔離器組件的光電子單元的示例說明。
具體實施例方式
下面將參考附圖更詳細地描述本發明。
如圖1所示，用參考數字1表示的本光隔離器組件主要包括用金屬製成的毛細管3，毛細管在其末端傾斜13度並且支持具有同樣傾斜13度的末端的光纖2的末端部分；用不鏽鋼(SUS304)製成的圓柱支架4，在其末端部分裝配毛細管3；Sm-Co合金的圓柱磁鐵5，在圓柱支架4的光入射端將其裝配到該圓柱支架4並且其具有與圓柱支架4的圓柱內芯連接的圓柱內芯以同時形成光隔離器7的一部分；窗口框架構件6，由不鏽鋼(SUS430或SUS440)製成，在圓柱磁鐵5的光入射端將其裝配到該圓柱磁鐵上並且其具有通向圓柱磁鐵5的圓柱內芯的窗口60；橫截面為楔形的並由光學玻璃(BK7)製成的透明構件8，在其光入射端將其裝配到窗口框架構件6，用這種方式裝配，即其關閉窗口框架構件6的窗口60，並將其傾斜放置以便其具有光入射面，相對於光纖2的光軸，該光入射面在與光纖2末端的傾斜方向相反的方向中傾斜13度，以及其後端(即，光隔離器端上的光入射/出射平面)在與光纖2末端的傾斜方向相同的方向中傾斜3度；通過光學粘合劑(環氧類型粘合劑)粘接到透明構件的後端的雙折射晶體板(偏振器)71，以便形成光隔離器7的一部分，以及RIG Faraday旋轉器72、半波板73以及類似的雙折射晶體板(偏振器)74；保護環10，用於保護透明構件8，在窗口框架構件6的光入射端壁表面上裝配到該構件6上並由用不透鋼(SUS304)製成的圓柱構件形成；以及由不鏽鋼(SUS304)製成的密封墊圈11，在與毛細管3的光入射面相反的端面提供並支持光纖2，該光纖2i)在與毛細管光入射端相反的方向中從毛細管延伸並且通過去除樹脂塗層，其裸露的光纖保持暴露，以及ii)以密封的可封閉狀態將其安裝到孔22中，如圖2所示，該孔22在半導體組件20的外殼21端壁中製成。並且將雙折射晶體板(偏振器)71、RIG Faraday旋轉器72、半波板73以及雙折射晶體板(偏振器)74設置成相對於光纖2的光軸，它們的光入射/出射平面每個在與光纖2末端的傾斜方向相同的方向中傾斜3度。順便提一下，RIG是磁性石榴石的縮寫(稀土鐵榴石)。
根據下述組裝過程製造該光隔離器組件1。
首先，如圖3所示，將預先已經金屬化過的透明構件8安裝到矩形裝配凹口(該凹口在上端面具有大於下端面的長度，如圖3所示)中，在窗口框架構件6的窗口60周圍提供凹口，以及同時將該透明構件8用Au-Sn焊接固定到窗口框架構件6。此時，將透明構件8安裝到上裝配凹口中以便可傾斜地設置透明構件8。
接著，如圖3所示，從與其上已經安裝透明構件8的端面相反的端面，將圓柱磁鐵5放在窗口框架構件6上，然後通過焊接將其固定到窗口框架構件6上。
接著，將構成已經通過光學粘合劑(環氧型粘合劑)形成整體的雙折射晶體板(偏振器)71、RIG Faraday旋轉器72、半波板73以及雙折射晶體板(偏振器)74的橫截面為矩形的分層結構從裝配圓柱磁鐵5的端面放在窗口框架構件6上，用這種方式，將其下端面上的下邊緣裝配到窗口框架構件6中的窗口60的開口邊緣62中。以及通過使用透明的環氧型粘合劑粘接，在其雙折射晶體板(偏振器71)端將分層的結構固定到透明構件8。此後，將圓柱支架4放置成其圓柱內芯可在位置上與圓柱磁鐵5的圓柱內芯相配，然後用焊接固定這些部件。
在此，在它們的整個圓周上用焊接固定窗口框架構件6和圓柱磁鐵5，以及圓柱磁鐵5和圓柱支架4的原因在於，這些構件和在其末端端面安裝到圓柱支架4的毛細管3形成密封的封閉空間以便在該密封的封閉空間中容納光隔離器的光學零件來密封地封閉光學零件。
接著，將已經塗覆以金的並通過去除其未端的樹脂塗層使其裸條纖暴露的光纖2通過毛細管3的小通孔(未示出)和密封墊圈11，並且如圖1(A)所示，在毛細管3和密封墊圈11之間形成光纖的裸條纖的未覆蓋部分。此後，將裸條纖通過焊接固定到毛細管3和密封墊圈11。
最後，在旋轉對準後，將與光纖2配合的毛細管3的末端端面安裝到圓柱支架4中，並且在整個圓周上通過雷射焊接它們的接頭。因此，獲得根據本發明的光隔離器組件。在這裡，在整個圓周上焊接它們的接頭的原因在於，如上所述，窗口框架構件6、圓柱磁鐵5、圓柱支架4以及毛細管3形成密封的封閉空間，以便在該密封的封閉空間中容納光隔離器的光學零件來密封地封閉各光學零件。
關於在光纖2的光軸周圍執行的旋轉對準，對調整來說，這是基本的一項內容，因為在本發明中光纖2端部是傾斜的。
因此，根據本發明製造的光隔離器組件1如圖2所示安裝在半導體組件20的外殼21中，半導體組件20包括半導體元件25(如半導體雷射元件)以及聚焦透鏡26以形成光電子單元。
在這種情況下，在半導體組件20的外殼21中，光隔離器7的圓柱磁鐵5以及半導體元件25，如半導體雷射元件可放在具有對它們來說公用的平面的支撐架24上。這使得通過Peltier設備溫度控制光隔離器7和半導體元件25而不溫度控制整個外殼21。
在該可選的光隔離器組件1中，光隔離器7和透明構件8也傾斜放置以便相對於光纖2的光軸，光隔離器7的光入射/出射平面以及在其光隔離器端的透明構件的光入射/出射平面的每一個在與光纖2末端的傾斜方向相同的方向中傾斜3度。因此，如圖4(A)中光線跟蹤圖所示，從半導體元件25發射的、在透明構件8的後端反射的光的反射光決不返回聚焦透鏡26和半導體元件25。並且從構成光隔離器7、具有平行於透明構件8的後面的平面的每個平面反射的反射光也決不返回到聚焦透鏡26和半導體元件25。同樣，如圖4(B)中的光束跟蹤圖所示，已經從透明構件8的表面端反射的反射光(即，在半導體元件端的透明構件的表面)決不返回聚焦透鏡26和半導體元件25。
因此，相對於半導體元件25的反射光能穩定地防止再耦合。
另外，在該光隔離器組件1中，採用橫截面為楔形的透明構件8，其具有在與光纖2末端的傾斜方向相反的方向中傾斜13度的光入射面。因此，儘管光纖2末端形成入射面，來自半導體元件25的光相對於光纖的耦合效率也決不降低。
如上所述，在根據本發明的光隔離器組件中，在與毛細管的光入射端相反的端面上提供的密封墊圈以密封的封閉狀態安裝到在半導體組件的外殼端壁中形成的孔中。因此，這適合於用作易於密封地封閉半導體組件的光隔離器組件。
根據本發明的光隔離器組件還具有這樣的結構，其中將光隔離器安裝在半導體組件的外殼中，該半導體組件在其內部具有半導體元件，並且可將光隔離器放置在具有對該光隔離器的零件和半導體元件來說公用的平面的支撐架上。因此，其適用於用作允許溫度控制光隔離器和半導體元件而不溫度控制整個外殼的光隔離器組件。
另外，毛細管、與透明構件相配的窗口框架構件以及i)圓柱支架或ii)圓柱支架和與其連接的圓柱磁鐵形成密封的封閉空間，並且將光隔離器的光學零件容納在該密封的封閉空間中。這使得可密封地封閉光學零件。因此，該光隔離器適用於用作廉價的光隔離器組件，其中可安裝使用粘合劑等等製成的光學零件。
權利要求
1.一種光隔離器組件，包括毛細管，在其上已裝配了末端傾斜的光纖；在該毛細管的光入射端上設置的光隔離器；以及在該光隔離器的光入射端上設置的透明構件，該光隔離器組件為安裝在具有半導體元件和聚焦透鏡的半導體組件的外殼中，從該半導體元件發射並由聚焦透鏡匯集的光經透明構件和光隔離器傳送併入射在光纖端上；以及在與毛細管的光入射端相對的端上設置密封墊圈，該密封墊圈i)支持光纖，該光纖在與毛細管的光入射端相反的方向中從該毛細管延伸，以及通過去除樹脂塗層使該光纖的裸條纖處於無覆蓋狀態，以及ii)以密封的封閉狀態將該密封墊圈裝配到在半導體組件的外殼端壁中形成的孔中。
2.如權利要求1所述的光隔離器組件，其中，將在與光入射端相反的方向中從毛細管延伸的光纖的裸條纖塗覆以金屬，以及通過焊接將密封墊圈和該光纖的裸條纖彼此連接。
3.如權利要求2所述的光隔離器組件，其中，用金屬材料製成密封墊圈，將該金屬材料做成具有小通孔，光纖經由該通孔穿過。
4.如權利要求1所述的光隔離器組件，其中，將在與光入射端相反的方向中從毛細管延伸的光纖的裸條纖塗覆以金屬，以及通過焊接將毛細管和該光纖的裸條纖彼此連接。
5.如權利要求4所述的光隔離器組件，其中，毛細管用金屬材料製成，將該金屬材料做成具有小通孔，光纖經由該通孔穿過。
6.如權利要求5所述的光隔離器組件，其中，毛細管、設置在該毛細管的光入射端上並與透明構件配合的窗口框架構件、以及i)在窗口框架構件和毛細管間提供的圓柱支架，在其內部容納光隔離器，或ii)該圓柱支架和與其連接的圓柱磁鐵形成一個密封的封閉空間，並且將光隔離器的光學零件容納在該密封的封閉空間中。
7.如權利要求1所述的光隔離器組件，其中，透明構件由具有在與光纖端的傾斜方向相反的方向中傾斜的光入射面的且橫截面為楔形的透明材料構成。
8.如權利要求1所述的光隔離器組件，其中，傾斜放置光隔離器和透明構件以便相對於光纖的光軸，光隔離器的光入射/出射面以及在其光隔離器端的透明構件的光入射/出射面中的每一個在與光纖的傾斜方向相同的方向中傾斜。
9.如權利要求1所述的光隔離器組件，其中，將構成光隔離器的光學零件的一部分的偏振器通過光學粘合劑粘合到透明構件上。
全文摘要
提供一種光隔離器，其包括光纖2已裝配到其上的毛細管3、在該毛細管的光入射端上提供的光隔離器7和透明構件8，並且將這些部件安裝在半導體組件的外殼中。在與毛細管的光入射端相反的端上提供光隔離器組件，具有密封墊圈11，該墊圈i)支持在與毛細管的光入射端相反的方向中從該毛細管延伸並且通過去除樹脂塗層，其裸條纖處於未覆蓋狀態的光纖2，ii)以密封的封閉狀態安裝到在半導體組件的外殼端壁中形成的孔中。
文檔編號G02B27/28GK1466698SQ02802725
公開日2004年1月7日 申請日期2002年8月21日 優先權日2001年8月23日
發明者渡邊章夫 申請人:住友金屬礦山株式會社