光學組件的製作方法

2023-11-02 15:51:22 1

專利名稱：光學組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學模製組件，它具有一個半導體發射或探測器件，和一個中心對準的透鏡，光學模製組件由一個樹脂外殼容納。本發明尤其是一種光學模製組件，其中的透鏡用透鏡夾指固定夾持，而透鏡座與樹脂外殼整體壓鑄。
光學模製組件(下稱光學組件)有一個半導體器件，例如一種諸如半導體雷射器等的半導體光發射器件，還有一個透鏡、它與上述器件以互相中心對準的方式夾持，這種光學組件用於光通信領域。例如，用於數據通信的計算機系統有一個半導體光發射器件，和一個半導體光探測器件的組件，他們在印刷底板上作為一個組件對進行安裝。一個光學模件包括一個半導體器件，一個透鏡和一個外殼，由外殼夾持半導體器件，透鏡，也夾持用於連通光學插件的適配套圈。在將光學插件連接到光學組件時，半導體器件通過透鏡被耦合到由套圈夾持的光纖維上。通常，外殼包含一個夾具，它固定夾持半導體器件，透鏡和適配夾持套圈的插座。夾具和插座二個是分離的部件，他們以互相對準的方式固定。
配置在光學組件內的透鏡通常是一種球面透鏡，或具有折射率梯度的柱面透鏡。這種透鏡也可以是任何一種其它的透鏡。在這些透鏡中廣泛使用球面透鏡，因為它價廉，只需用機械加工就容易高精度地得到製造。另，它也可以定位安裝，因為它完全沒有方向性，在安裝時不需進行定向調節。透鏡也可用任一種方式固定到夾具上，一種方式是，將透鏡放入並定位在夾具(透鏡座)的槽內，之後圍繞透鏡塗上樹脂粘合劑，再熱固。另一中方式是，將一種低熔點的直徑稍大於透鏡外緣直徑的模製玻璃環安置在透鏡外緣，然後進行熱熔化。
在前一衝方式中，由於液態的樹脂粘合劑需要注入透鏡周緣的一個小區域內，對此在熱固前不容易控制。由於夾具通常是由金屬材料製做，而且透鏡與夾具之間的熱膨脹係數有差別，所以這將引起透鏡的粘合面受熱而裂開。
後一種方法也有缺點，低熔點的玻璃容易失去光澤，以及在高溫時粘合強度會趨於下降，並且製做的成本也高。因為，低熔點的模製玻璃環是採用加壓下模製低熔點的玻璃粉來製做的，當模製的玻璃環定位放置時，它將散射位於玻璃表面上的微小的開裂和顆粒。如果模製玻璃環為了定位固定透鏡而受熱熔化，則出現在玻璃表面的微小的開裂和顆粒也會熔化。熔化的玻璃本身沿透鏡流動，會在透鏡的表面上產生一種局域的玻璃膜層。低熔點的玻璃不抗溼氣，因此隨時間的推延，易失去光澤。如果透鏡的表面失去光澤，則將使通過透鏡的光強度下降。在透鏡暴露於潮溼環境時，其玻璃內會出現細微開裂，並使玻璃變脆。所以，這將可能使玻璃的粘合強度下降到使它與透鏡脫開。上述的不足可採用製做耐朝溼的玻璃予以避免。這樣一種防範措施，加上採用低熔點模製玻璃環這種相對昂貴化費這一事實，最終將使光學模件的製做成本增加。
所以，本發明的目的在於，提供一種光學模製組件(下稱光學組件)，它不需用樹脂粘合劑和易熔玻璃就能迅速和容易地固定透鏡，並且具有強的抗環境性和高可靠性，這種組件可廉價地製做。
本發明的其它目的在於，提供一種光學組件，它具有壓配的球面透鏡，可使球面透鏡容易壓配，只要稍微加一點力，就可定位夾住和高精度定位，採用一個增加機械強度的透鏡夾件來夾持球面透鏡。
按照本發明的一個方面，一種光學組件包含一個具有光軸的樹脂外殼，一個架持在樹脂外殼內，並與光軸對準的半導體器件，一個架持在樹脂外殼內與光軸對準的透鏡。尤其是，一種光學組件包含一個具有光軸的樹脂外殼，用於適配架持與之連接的光插件的套圈；一個半導體器件，架持在與光軸對準的樹脂外殼內；一個透鏡，架持在與光軸對準的樹脂外殼內，在光學插件耦合到樹脂外殼時，使用套圈，以光學方式使半導體器件耦合到光纖維。樹脂外殼包括相對於半導體器件正面設置的透鏡夾具。透鏡夾具具有繞光軸設置，並朝向半導體器件的透鏡夾件。透鏡夾件具有一個其末端向徑向向內的突起。透鏡架也有一個透鏡座，它位於透鏡夾件的底端。透鏡夾件和透鏡座與樹脂外殼整體模製。在用力使透鏡通過透鏡夾件壓向透鏡座之後，透鏡由透鏡座架持，並用透鏡夾件夾持住。
透鏡夾件由許多，例如三個以等角度間隔的外圍設置的透鏡夾指構成。
透鏡可以是一種球面透鏡，所述的透鏡座實際上是在形狀方面與所述球面透鏡的外圓面的一部分互相互補。
每個透鏡夾指有一個由至少三個具有不同曲率半徑彎曲面構成的徑向內表面。三個彎曲表面包括，一個第一彎曲表面，起著位於透鏡夾指底端處的透鏡座表面的球面透鏡的定位作用，透鏡座表面其曲率半徑與球形透鏡的半徑相同；一個第二中間彎曲表面，起著作為一個非接觸表面的作用，它鄰接透鏡座表面，在球面透鏡通過透鏡夾指壓配時，它處於與球面透鏡脫接的架持。該非接觸表面的曲率半徑小於球面透鏡的半徑。一個第三曲面，起著對透鏡壓緊的作用，該壓面定位在透鏡夾指的頂端，並鄰接於非接觸表面，用於將球面透鏡導入在透鏡夾指之間。該第三彎曲表面在對著第一和第二彎曲表面的方向是彎曲的。每個透鏡夾指有一個傾斜於外殼的縱向方向的徑向外表面，從而使其基部自頂部向外作徑向擴展。外殼有一個圍著透鏡夾指的部分，並凹進一個深度約為球面透鏡直徑的5/8-7/8。每個透鏡夾指的徑向外表面在其基部有一個圓表面。
每個透鏡夾指的徑向外表面傾斜於外殼的縱向約有10°角，使其基部從末端向外徑方向擴展。圍繞透鏡夾指的部分外殼向內凹進一個深度，它近似於球面透鏡直徑的3/4。每個夾指的徑向外表面的圓周表面的曲率半徑約為0.5nm。
外殼可由液晶樹脂材料製做，樹脂外殼由液晶聚合物制故，聚合物中分散有玻璃小珠，它的最大平均直徑為30μm。
本發明的上述目的，特點和優點，可以結合本發優選實施例和閱讀下述說明後更為清楚。


圖1是本發明光學組件的縱向剖視圖；圖2是光學組件的外殼的端面正視圖，表示外殼的端部，在該處一個球面透鏡將受壓配；圖3是光學組件的外殼的縱向剖視圖；圖4是圖3所示外殼的周圍部分的放大剖視圖。
如圖1所示，本發明的光學組件包括一個密封的半導體器件10，一個球面透鏡12，一個合成樹脂的外殼14，外殼架持半導體器件10和球面透鏡12，外殼有一個用於適配架持欲連接光學插件的套圈。在光學插件連接到光學組件時，半導體器件10通過球面透鏡光學地耦合到套圈內的光纖上。
外殼14包括一個模製的單一體，它基本上呈圓柱形狀。外殼14有一個端部16(圖1的左側)，在端部上安置半導體器件10，一個中心夾持區，在夾持區中牢固地安裝著球面透鏡12。插座20從中心夾持區朝著遠離端部16的反方向向外伸展。插座20有一個孔22，在孔內適配地夾持欲連接的光學插件的套圈。
中心夾持區有多個透鏡夾指24，他們以等角度間隔繞著外殼14的0-0軸配置，並有各自的朝向半導體器件的軸向和在徑向向內側突起的頂端部分。如圖2所示，有三個等角距的透鏡夾指24，從端部正視時，每個呈拱形的中心夾持區也有一個較小直徑的中心孔26和一個較大直徑的中心孔28，他們相繼地受到軸向限定，並與光軸O-O對準，這些孔從透鏡夾指24的基端表面朝通孔22方向伸展。這些中心孔26,28對通孔22和球面透鏡12之間的光束提供通路。
在圖示的實施例中，球面透鏡12其半徑r為1.00mm，每個夾持球面透鏡12的透鏡夾指24有一個徑向向內的表面，它由至少三個各自有不同曲率半徑的曲面構成。尤其如圖3和4所示，第一個曲面起著一種凹透鏡座表面30的作用，它位於透鏡夾指24的基端，用於對球面透鏡12定位，凹透鏡座表面30其曲率半徑R11，它等同於球面透鏡12的半徑(R11=r=1.00mm)，第二中間曲面起著一個凹的非接觸表面32的作用，它緊接到透鏡座表面30，第二中間曲面保持在將透鏡12壓配入中心夾持區時不與球面透鏡12接觸，非接觸表面32的曲率半徑小於球面透鏡12的半徑r。尤其，使非接觸表面32製成曲率半徑分別為R21(=0.714mm)，R22(=0.528mm)的二個曲面。第三個曲面用作為凸透鏡受壓面34，它位於透鏡夾指24的頂端，並鄰接於非接觸表面32，使球面透鏡12能光滑地導入中心夾持區。透鏡受壓表面34是由曲率半徑分別為R31(=1.000mm)，R32(=0.250mm)的二個曲面組成，在將球面透鏡12安裝入中心夾持區時，球面透鏡12由透鏡受壓表面34和透鏡座表面30夾住。
每個透鏡夾指24有一個與外殼14的縱向方向以約θ=10°角傾斜的輻射狀外表面，這使其基端呈輻射狀從它的頂端向外伸展。透鏡夾指24從中心夾持區的徑向端表面軸向凸起，凸起的長度L約為球面透鏡12(L≈3r/2)的直徑的5/8-7/8，最好為3/4。換言之，圍著透鏡夾指24的中心夾持區部分向內凹進長度為L。每個透鏡夾指24的徑向外表面在其端有一個圓表面，它們曲率半徑R≈0.5mm，這種形狀的透鏡夾指24在其隨著球面透鏡12壓配在透鏡夾指24之間，並受到徑向向外的彈性偏轉時，在機械受力方面是足夠強的和柔生的。同時，在透鏡夾指24在徑向向內復位時，對球面透鏡12施加促夠的徑向向內的力。尤其，透鏡夾指24的徑向傾斜的外表面可有效地阻止其中間部分厚度的下降，即，可使透鏡夾指24的厚度均勻形成。由此，在球面透鏡12受到壓配時可分散施加的負載。圍著透鏡夾指24的中心夾持區部分明顯地向內凹進深度L，允許透鏡夾指24在球面透鏡12壓配時可以受到徑向向外的彈性偏轉。此外，在每個透鏡夾指24的徑向外表面的基端部位的圓表面，它在球面透鏡12壓配之後透鏡夾指24向內徑向回復時將提供足夠的徑向向內的力。
在進行注模時每個透鏡夾指24和外殼14一起整體模製。具有透鏡夾指24的外殼14，在一種內含模製腔和可中心插入模製腔內的芯柱的注模機內受到注入模製。該芯柱有多個在其球面端的基部限定的有一定角度間隔的凹槽。在合成樹脂注入到模腔內時，將合成樹脂模製成在該芯柱內形成透鏡夾指24的分別突起部分的具有凹槽的形狀。之後，芯柱在模製的外殼14從模腔移出時受力拉出。
外殼14最好採用高韌性的合成樹脂材料製做，允許球面透鏡12容易壓配，並能可靠地將球面透鏡12夾持在位。插座20的尺寸誤差，在溫度從-20-+75℃範圍內需小於約5/1000mm。所以，外殼14最好用具有小的線性膨脹係數約為2×10-5/℃的合成樹脂材料製做。根據光學組件使用時的溫度，外殼14可採用線膨脹係數約為7×10-5/℃的合成樹脂材料製做。滿足上述要求的合成材料樹脂，已知的有工程塑料，也可以是液晶聚合物(LCP)，聚醚酮醚(PEEK)，聚醚醯亞胺，聚亞苯基硫化物(PPS)，聚丁烯對苯二酸酯(PBT)，聚丁烯醚(PPE)，聚碳酸酯(PC)或聚胺。如果選用的合成樹脂材料的線膨脹係數太大，則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徑為30μm以下。雖然儘可能選用較小直徑的玻璃微珠，但他們需是比較價廉的。
在一個實驗中，其內混入平均直徑為2-20μm範圍玻璃珠的液晶聚合物會呈現良好的分散結果。尤其，外殼14採用低的各向異性的液晶聚合物模製，聚合物中分散平均直徑為20μm，重量百分比為50％的玻璃微珠。液晶聚合物本身對於線膨脹係數具有大的各向異性，因為在注模時液晶流方向上聚合物的線膨脹係數幾乎為零，而在垂直液晶流方向，聚合物的線膨脹係數為8×10-5/℃。當液晶聚合物與玻璃微珠混合時，對於線膨脹係數的各向異性將下降，因為在注模時，在液晶聚合物流動方向和在垂直於液晶流的方向，聚合物的線膨脹係數是2×10- 5/℃。在這樣模製的外殼14內，任何插座20的內徑(2.5mm)的改變，在光學組件使用的溫度範圍-20+70℃範圍內，需保持在0.005mm範圍中。
球面透鏡12按下述步驟固定在位外殼14與端部16垂直地向上取向，將球面透鏡12通過端部16插入，並安置在透鏡夾指24的頂端。然後，將杆狀壓件對著球面透鏡12加壓，將球面透鏡12壓配在透鏡夾指24之間。在將球面透鏡12壓向孔26時，夾指24由於球面透鏡12而在徑向彈性地向外張開。在球面透鏡12壓入，並由透鏡座表面30定位時，夾指24徑向方向向內回彈，以恢復他們的原始形狀。在夾指恢復到他們原先形狀時，球面透鏡12由透鏡座表面30和由夾指24所施加的徑向向內的力牢固地夾持。由於球面透鏡12被牢固地夾持在位，所以球面透鏡12既使在外殼14的樹脂材料由於環境溫度上升向膨脹時也牢固地保持在位。
下面涉及製做一種光學組件的實例。在用一個插入通孔22的杆推動球面透鏡12時，夾指24有一個強度在15-20kgf的力抵制球面透鏡12的移動。由於透鏡座表面30的曲率半徑與球面透鏡12的半徑相等，所以球面透鏡12沿著光軸O-O受到定位，相對於設計值的精度誤差為±0.01mm。從光學設計的角度，沿著光軸O-O，從雷射束髮射源到球面透鏡12的距離是一個重要的考慮因素，精確地控制該距離將可減少光學組件的光學特性的改變。
在球面透鏡12安置進外殼14後，再將半導體器件10耦合到外殼14。半導體器件10有一個封裝在密封封裝殼內的半導體元件。如圖1所示，半導體器件10有一個基底36，密封的封裝殼置入帶有基底36的外殼14內，基底36靠著外殼14的端部16固定。在半導體器件10與球形的球(透鏡)12同軸對準後，半導體器件10由熱固合成樹脂粘結劑38粘合到外殼14，粘合樹脂塗於基底36和端部16的外圓周表面上。
半導體器件10可以是一種光發射器件，如半導體雷射器，光發射二極體等，或是一種光探測器件，如光電二極體，內置前置放大器的光電二極體等。
在將光插頭連接到光學組件時，光插頭的套圈適配到插座內，調整套圈內的光纖，使它與光軸O-O共軸，並且其端部緊鄰孔28定位。如果半導體器件10是一個半導體雷射器，則從半導體雷射器發出的雷射束由球面透鏡12將它聚焦，並發射到套圈內的光纖端部。在透鏡座表面30的中心開孔的小直徑中心孔26，它的直徑設定至只需讓雷射束通過的最小直徑值，該直徑最小值是允許雷射束在套圈內的光纖上傳輸，同時可去除由於球面透鏡12的象差引起的不想要的光。另一種情況，如果半導體器件10是光電二極體，則從套圈內光纖的端部發射的光束由球面透鏡12聚焦，併入射至光電二極體上。
外殼14由一對位於其側壁上的徑向相對的通孔40，通孔40位於末端16和球面透鏡12之間。
通孔40允許空氣進入和流出外殼14，由此可阻止溼氣由於環境溫度的改變而在外殼14內凝聚。尤其，如果表示能流入和流出外殼14的空氣量的外殼14的內體積約為40mm3，則孔40的總開孔面積約為1.8mm。在外殼14的側壁內可以有3個或4個以上的通孔。
為了控制半導體器件，一般的操作是潤溼環境空氣，使它保持相對溼度範圍在50-60％內，防止半導體器件由於電湧而斷開。如果沒有通孔40，則在半導體器件10裝在外殼14上時會使潮溼的空氣陷入外殼內。通常，光學組件需保證能在溫度範圍為-40-+85℃的臺架上進行操作或保持。如果將外殼14內含溼空氣的光學組件放置在低於+5℃的環境下，則溼氣趨於在外殼14內凝聚，並且受凝聚的液滴會聚至球面透鏡12和/或半導體器件10的窗口玻璃上，最終使通過窗玻璃或球面透鏡12的光束強度下降。此外，在製做光學組件時，在用熱固合成樹脂粘合劑38將半導體器件10粘結到外殼14時，和用高頻加熱時，這種溼氣也由於半導體器件的溫度(約200℃)和球面透鏡12的溫度(約20℃)之間的溫差，而凝聚到球面透鏡12上。
所以，如果外殼14採用密封的結構，則溼氣有可能趨於凝聚在外殼14內，最終導致差的光學性能。然而，根據本發明，由於在外殼14的側壁上開有通孔40，並且總的通孔40的開孔面積與外殼14的內體積成適應的比例，當將光學組件在臺架上操作或保持時，空氣會流進和流出外殼14，於是防止溼氣在外殼14內凝聚，也可消除液滴凝聚在外殼14內。即使在製造光學組件時由於局域的受熱而使溼氣凝聚在球面透鏡12上時，所凝聚的液滴也可例如採用逐步加熱光學組件，經15分鐘加熱到約100℃，以此去除溼氣。由此，通孔40在克服光學組件製造時所帶來的缺陷，以及在阻止使用及保存時光學性能下降方面均是有效的。
在圖示的實例中，外殼14包括與外殼整體模製的插座20。另外，外殼14可以沒有插座20，或可以有一個分離的可後續連接的插座。該分離的插座可以用高度耐反覆插入，以及可從光學插件的套圈取出的材料製成。
上述給出的球面透鏡的曲面，其各種不同曲率半徑的最佳數值是1.00mm。如果使用一個不同曲率半徑的球面透鏡，則曲面可以有相應的曲率半徑。在整個曲面的每個第一曲面由所示實施例的三維曲面組成時，它可以是一個包含多個小平面所組合的準曲面。
本發明的光學組件可由較少量部件製成，因為夾指是與外殼整體形成的。由於球面透鏡採用機械方式固定到外殼，而不是使用任何粘合劑或熔融玻璃。因此，不需用粘結劑或熔融玻璃加到透鏡表面，並且光學組件是高度防環境氣候的。球面透鏡容易操作，因為可以通過將球面透鏡安置在夾指內和用棒狀施壓器進行壓配來定位。因為不需要分離元件來使球面透鏡固定到外殼中的部位內，並且球面透鏡可容易地安置，因此光學組件可廉價地製做。
夾指被設計成用於增加其機械夾持強度，也用於將球面透鏡牢固地夾持在位。因此，使球面透鏡以更高的精度夾持在位。夾指在將球面透鏡壓配時對透鏡是抗損壞和開裂的。因此，夾指在高穩定地運作球面透鏡方面是有效的。
儘管本發明優選的實施例詳細地介紹和圖示，但需明白，在不偏離本發明附屬權利要求書的範圍內可以作出各種改變和變動。
權利要求
1.一種光學組件，它包括一個合成樹脂製作的外殼；一個由所述外殼支承的半導體器件；一個架持在所述外殼內的透鏡；所述外殼有一個與所述外殼整體形成的透鏡夾件，繞外殼的光軸設置的夾件用於架持所述透鏡，所述透鏡夾件朝向所述半導體器件突出，並有一個徑向向內突起的前端部和一個提供透鏡座的基端部，所述透鏡通過位於所述透鏡座上的所述透鏡夾件的前端部壓配。
2.根據權利要求1的光學組件，其特徵是，所述的外殼包括一個適合欲連接的光學插件的套圈的部分，在光學插件連接到所述外殼時，所述半導體器件和套圈內的光纖通過透鏡使他們受到光學上的耦合。
3.根據權利要求1或2的光學組件，其特徵是，所述透鏡夾件包括多個透鏡夾指，他們以等角度間隔在圓周方向設置。
4.根據權利要求3的光學組件，其特徵是，所述透鏡包括一個球面透鏡，所述透鏡座其形狀基本上與所述球面透鏡的外球面互補，每個透鏡夾指具有徑向向內的表面，該表面至少由三個具有各自不同曲率半徑的三個曲面構成，所述的至少三個曲面包括一個第一曲面，起著透鏡座表面的作用，它位於透鏡夾指的基部，用於定位所述透鏡，所述透鏡座表面的曲率半徑相同於所述球面透鏡的半徑；一個第二中間曲面，起著非接觸表面的作用，並近鄰所述透鏡座表面，在透鏡於所述透鏡夾指之間受壓配時，該曲面不與所述透鏡接觸，所述的非接觸表面其曲率半徑小於所述透鏡的半徑；一個第三曲面，起著透鏡加壓表面的作用，它位於透鏡夾指的前端，近鄰所述非接觸表面，用於平滑導入透鏡到所述透鏡夾指之間，所述第三曲面在相反於所述第一和第二曲面的方向是呈曲面的，每個所述透鏡夾指有一個與所述外殼的縱向呈傾斜的徑向外表面，使其基端自前端向外徑向地展開，所述外殼具有一個圍繞所述透鏡夾指的部分，它有一個凹進的深度，該深度為所述透鏡直徑的5/8-7/8，所述每個透鏡夾指的徑向外表面在其基端有一個圓表面。
5.根據權利要求4的光學組件，其特徵是，所述每個透鏡夾指的徑向外表面與所述外殼的縱向具有約10°的傾角，其基端自其前端向外徑向展開，所述圍繞透鏡夾指的外殼部分凹進一個深度，該深度近似於所述透鏡直徑的3/4，所述每個透鏡夾指的徑向外表面的圓表面的曲率半徑約為0.5mm。
6.根據前述權利要求的任一項所述的光學組件，其特徵是，所述外殼由液晶聚合物以及平均直徑最多為30μm的玻璃小球珠製成，玻璃小球珠均勻地分散在所述的液晶聚合物內。
全文摘要
一種光學組件,包括一個具有光軸的樹脂外殼,一個架持在樹脂外殼內的半導體器件,和一個架持在樹脂外殼內的透鏡。樹脂外殼包括一個透鏡夾件,它繞著光軸設置並朝向半導體器件突起。透鏡夾件有一個前端部分,它徑向向內突起,以及一個基端部分,提供透鏡座,透鏡由透鏡座架持,並在透鏡通過透鏡夾件向透鏡座受力後由透鏡夾件夾住。透鏡夾件包括多個透鏡夾指,這些夾指以等角間距沿周圓間隔分布。
文檔編號H01L31/0203GK1234615SQ9812710
公開日1999年11月10日 申請日期1998年12月11日 優先權日1997年12月11日
發明者橋爪秀樹 申請人:日本板硝子株式會社