專利名稱：封裝件與光纖之間的氣密穿通密封的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般而言，本發(fā)明涉及光纖，更具體地，涉及光纖與光學(xué)模塊封裝件的氣密穿通密 封(hermetic feedthrough)。
背景技術(shù)：
波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)(WSS)被用于對(duì)各種波長(zhǎng)的光獨(dú)立地進(jìn)行動(dòng)態(tài)衰減、阻斷、切換和 路由。由于WSS被用于實(shí)時(shí)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的管理，它們必須高度可靠，其中包含對(duì)機(jī)械沖擊和環(huán) 境條件的高容忍度。WffS是由光學(xué)元件和控制電子電路的氣密密封塊組成的N端口模塊；光纖被焊接 在其上。光纖與封裝件的氣密密封是WSS模塊氣密封裝技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵方面。然而，焊接 接縫處的拉應(yīng)力經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致焊料破裂，由此損害密封，從而不利于實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)要求的符合。通常，光纖是被焊接到具有高熱膨脹系數(shù)(CTE)的光纖套圈內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)焊料與光 纖間的壓力密封。對(duì)封裝材料的主要要求是具有低的CTE，原因在于(a)由于光學(xué)部件可能 剛性附著到封裝件上，因此需要考慮封裝材料的光機(jī)械穩(wěn)定性；(b)與可能作為封裝件的 組成部分的任何低CTE的陶瓷/玻璃材料的熱學(xué)匹配。封裝件和光纖套圈相互矛盾的CTE 要求對(duì)光纖與光纖套圈間的密封封裝的可靠性造成了挑戰(zhàn)；即密封內(nèi)存在的大的拉應(yīng)力會(huì) 在熱循環(huán)條件下導(dǎo)致焊接接縫過(guò)早發(fā)生疲勞故障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是消除或至少最大限度降低光纖套圈與封裝件之間拉應(yīng)力的 負(fù)面影響，并提供光纖與封裝件的一種氣密穿通密封，以及形成該氣密穿通密封的方法。相應(yīng)地，本發(fā)明涉及將光纖安裝在光學(xué)模塊封裝件內(nèi)的一種氣密穿通密封，包括 以氣密密封方式附著于封裝件上或與封裝件集成為一體的封裝套圈，圍繞光纖進(jìn)行氣密密 封的光纖套圈，以及圍繞封裝套圈進(jìn)行氣密密封的壓縮套管；其中壓縮套管被氣密封接到 光纖套圈，或與光纖套圈集成為一體，且其中壓縮套管的熱膨脹系數(shù)(CTE) (a)高于封裝套 圈的CTE，使壓縮套管與封裝套圈之間的接縫處于壓應(yīng)力下；且(b)與光纖套圈的CTE大體 匹配，以便最大限度減小壓縮套管與光纖套圈界面處的應(yīng)力。本發(fā)明的另一方面涉及提供一種使光纖在光學(xué)模塊封裝件內(nèi)形成氣密穿通密封 的方法，所述方法包括提供安裝和焊接在光纖管內(nèi)的光纖；用銅焊或錫焊方式將光纖管焊 接在襯墊內(nèi)；將襯墊插入封裝套圈內(nèi)；同時(shí)將壓縮套管?chē)@封裝套圈的外表面安裝；再將 所形成的壓縮套管與襯墊的整體式元件用銅焊或錫焊方式焊接到封裝套圈上。本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了一種使光纖在光學(xué)模塊封裝件內(nèi)形成氣密穿通密封 的方法。所述方法包括提供安裝和焊接在光纖套圈內(nèi)的光纖；將光纖套圈焊接在壓縮套管 的一部分內(nèi)；再將壓縮套管的另一個(gè)部分圍繞封裝套圈進(jìn)行焊接。


對(duì)本發(fā)明將參照附圖進(jìn)行更為詳細(xì)的說(shuō)明，其中圖IA為包含一個(gè)整體式封裝套圈的一種常規(guī)穿通密封設(shè)計(jì)的橫截面；圖IB為包含封接到(sealed to)封裝件的封裝套圈的一種常規(guī)穿通密封設(shè)計(jì)的 橫截面；圖2為一種包含高CTE封裝套圈的氣密穿通密封的橫截面；圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氣密穿通密封的橫截面；圖3A為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氣密穿通密封的橫截面；圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氣密穿通密封的橫截面；圖5為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氣密穿通密封的橫截面；圖6為圖5所示的氣密穿通密封的部分剖切等軸視圖；圖7為一個(gè)不具有壓縮套管的穿通密封的圖示。
具體實(shí)施例方式圖IA和IB所示為光纖與裝有光學(xué)器件的封裝件之間的一種常規(guī)的氣密穿通密 封。光纖50通過(guò)光纖套圈20和封裝套圈30附著在封裝件10上。按照慣例，封裝件10和 封裝套圈由低CTE材料制成，光纖套圈則由高CTE材料制成。作為示例，封裝件10由科瓦 合金(CTE約為5. 5ppm/C)制成，光纖套圈20由黃銅(CTE約為20ppm/C)制成，封裝套圈30 則由與封裝件10相同的材料制成。圖IA所示的封裝套圈30與封裝件10集成為一體，圖IB所示的封裝套圈30則以 銅焊/錫焊方式焊接到封裝件10上，形成接縫70。通常，封裝套圈30由與封裝件10相同 的材料制成，以避免在二者間的接縫70處出現(xiàn)熱誘導(dǎo)應(yīng)力。然而，光纖套圈20與封裝套圈 30之間的接縫60則承受著顯著的拉應(yīng)力當(dāng)與焊接接縫60相鄰的光纖套圈20的部分和 封裝套圈30的部分的溫度冷卻至焊接溫度以下時(shí)，封裝套圈30由于其較低的CTE，將阻止 由高CTE材料制成的光纖套圈20的收縮。拉應(yīng)力將“撕開(kāi)”接縫60，導(dǎo)致其退化。由于常 規(guī)使用的焊料的疲勞壽命有限，非常需要最大限度地減小接縫處的拉應(yīng)力。圖2所示的封裝套圈35由與光纖套圈20類(lèi)似的高CTE材料(如黃銅或鋁)制 成，使得接縫65處的熱應(yīng)力達(dá)到最小。高CTE封裝套圈35可以用銅焊或錫焊方式焊接到 低CTE封裝件10上；因此，接縫75處會(huì)出現(xiàn)高的拉應(yīng)力。這樣就出現(xiàn)了問(wèn)題，因?yàn)閷?duì)封裝 件與封裝套圈間的接縫的封裝在工序?qū)哟沃行枰邷?，因?yàn)樗诠饫w套圈與封裝套圈焊 接之前進(jìn)行。參照?qǐng)D3，一種包含由高CTE材料制成的壓縮套管100的氣密穿通密封。壓縮套管 100圍繞低CTE封裝套圈30形成氣密密封。壓縮套管100的CTE高于封裝套圈30的CTE， 以使壓縮套管100與封裝套圈30之間的接縫110處形成壓應(yīng)力，由此提高了密封在熱循環(huán) 下的抗疲勞可靠性。由于壓縮套管100的高CTE材料在徑向、切向和縱向上擠壓封裝套圈 30的低CTE材料，在壓力接縫110中產(chǎn)生壓應(yīng)力。在此情況下由于存在壓應(yīng)力狀態(tài)，銅焊/ 錫焊接縫110的長(zhǎng)度不需要長(zhǎng)。關(guān)于本發(fā)明，將兩個(gè)部件氣密密封在一起的操作可通過(guò)銅焊或錫焊進(jìn)行，具體取 決于要密封的材料。在多數(shù)情況下，它們采用相對(duì)較低溫度的焊料進(jìn)行錫焊，例如用^Sn在120°C左右。壓縮套管的焊接溫度較光纖焊料的溫度要低，以避免該接縫在壓力密封焊接 期間發(fā)生回熔。光纖套圈25圍繞光纖50進(jìn)行氣密密封，同時(shí)它也通過(guò)銅焊或錫焊等方式被密封在 壓縮套管100內(nèi)。光纖套圈25和壓縮套管100由高CTE材料制成；它們可以由相同的材料制 成，以消除兩者之間的應(yīng)力；或者它們可以是圖3A中所示整體式套圈125的一體化部分。在 光纖套圈25和壓縮套管100采用不同材料制成的情況下，壓縮套管的CTE優(yōu)選不低于光纖套 圈25的CTE，以避免在兩者間接縫處產(chǎn)生拉應(yīng)力。在一個(gè)次優(yōu)選的情形下，如果壓縮套管100 的CTE低于光纖套圈25的CTE，差值應(yīng)在約3ppm/C以內(nèi)，以避免出現(xiàn)顯著的拉應(yīng)力。低CTE封裝套圈30可以與封裝件10集成為一體，或者如圖IA和IB所示被封接 到封裝件。封裝件10和封裝套圈30優(yōu)選為熱匹配，即它們有相同的CTE，當(dāng)它們由相同材 料制成時(shí)總會(huì)是這種情況。在圖3所示的實(shí)施例中，光纖套圈25和封裝套圈30的外徑基本相同，通常在 1. 5mm至2. 5mm范圍內(nèi)；它們對(duì)應(yīng)于套管100的內(nèi)徑，為焊接接縫110留出空間。壓縮套管 100的第一段長(zhǎng)度部分圍繞光纖套圈25進(jìn)行氣密密封，壓縮套管100的第二長(zhǎng)度部分圍繞 封裝套圈30進(jìn)行氣密密封。光纖套圈25的長(zhǎng)度通常在IOmm至20mm范圍內(nèi)變化，封裝套圈30可以從封裝件 壁中伸出約6mm。光纖套圈25、封裝套圈30和套管100的壁厚取決于所用的材料，可在0. 5 至Imm范圍內(nèi)變化。為更明確起見(jiàn)，本申請(qǐng)中所使用的“高CTE”和“低CTE”的術(shù)語(yǔ)涉及第一種和第二 種材料，使第一種材料的CTE大于第二種材料的CTE。CTE之差可以大于5ppm/C，以形成壓 力密封，但差值更優(yōu)選在10-15ppm/C之間。封裝件10和封裝套圈30可以由CTE低于10ppm/C，優(yōu)選低于8ppm/C，的低CTE材 料制成，例如科瓦(kovar)合金和因瓦(invar)合金。光纖套圈20和25和套管100和200 (圖4)的典型材料有高的CTE，即高于13ppm/ C，優(yōu)選高于20ppm/C ；材料可包括鋁、銅和黃銅。套管100與封裝套圈25之間或圖4中所示的套管200與封裝套圈20之間的CTE 之差可以低至lppm/C，以避免接縫處產(chǎn)生拉應(yīng)力。差值優(yōu)選高于5ppm/C，以產(chǎn)生顯著的壓 應(yīng)力。在我們的實(shí)踐中，低CTE材料為科瓦合金和因瓦合金，高CTE材料為鋁和黃銅，CTE之 差在10至15ppm/C之間。實(shí)際最小CTE差值取決于套管與封裝套圈之間的焊料厚度；可以 想見(jiàn)，如果焊料厚度極薄，如5um，則CTE差值甚至可小于5ppm/C。如圖3所示，制造光纖50在光模塊封裝件10內(nèi)的氣密穿通密封的方法包括提供 安裝和焊接在光纖套圈25內(nèi)的光纖50;舉例而言，采用BiSn焊料，光纖套圈25由黃銅制 成；用銅焊或錫焊方式將光纖套圈25焊接在壓縮套管100的一個(gè)部分內(nèi)；用銅焊或錫焊方 式將壓縮套管100的另一個(gè)部分圍繞封裝套圈30進(jìn)行焊接。作為替代方式，壓縮套管100可以先與封裝套圈30密封，然后內(nèi)部安裝了光纖50 的光纖套圈25被插入套管100并被銅焊或錫焊到套管100上。在另一個(gè)實(shí)施例中，氣密穿通密封采用圖4中以灰色示出的整體式套圈形成。所 述整體式套圈包括圍繞光纖50形成氣密密封的光纖套圈部分20和圍繞封裝套圈30形成 氣密密封的壓縮套管部分200。如上文參照?qǐng)D3所述的那樣，整體式套圈乃至壓縮套管200的CTE大于封裝套圈30的CTE，以形成壓力接縫80。整體式套圈或至少其一部分有“U”形橫截面，光纖套圈20構(gòu)成“U”形的一個(gè)臂， 壓縮套管200構(gòu)成“U”形的另一個(gè)臂；封裝套圈30的一端被插入“U”形的開(kāi)口內(nèi)，如圖4 所示。整體式套圈連接光纖套圈20和壓縮套管200，并覆蓋低CTE封裝套圈30與高CTE光 纖套圈20之間的密封接縫85的外(即相對(duì)封裝件為遠(yuǎn)端的)邊緣，由此防止封裝件內(nèi)部 通過(guò)可能承受拉應(yīng)力的接縫85被污染。適用于圖3所示設(shè)計(jì)的材料及其他參數(shù)也適用于圖4-7中所示的實(shí)施例。具體而 言，封裝套圈30可以被封接到封裝件10或與之成為一個(gè)整體。在一個(gè)實(shí)施例中，光纖套圈由密封在一起的兩個(gè)或更多部分組成一個(gè)與光纖封 接的內(nèi)部部分，和一個(gè)如圖3所示與壓縮套管封接的或如圖4所示與封裝套圈封接的外部 部分。參照?qǐng)D5，內(nèi)套圈20b和襯墊20a組成了可替換圖4所示光纖套圈的光纖套圈20。 如果內(nèi)套圈20b和襯墊20a由不同材料制成，則必須注意確保襯墊20a的CTE不小于內(nèi)套圈 20b的CTE。襯墊20a與壓縮套管200為一個(gè)整體。在此情況下整體式套圈由內(nèi)套圈20b、 襯墊20a和壓縮套管200組成。圖6所示為與圖5相同的實(shí)施例。襯墊20a被設(shè)計(jì)成高CTE內(nèi)套圈(或管)20b 與低CTE封裝套圈30之間的適配器，分別與連接至內(nèi)套圈20b和套圈30的兩個(gè)焊接接縫 形成氣密密封。襯墊20a的熱膨脹系數(shù)被選擇為接近光纖管20b的熱膨脹系數(shù)，以使內(nèi)套 圈20b與襯墊20a之間焊接接縫210處的熱應(yīng)力達(dá)到最小。襯墊20a的CTE不小于光纖內(nèi) 套圈20b的CTE，以避免在二者之間的接縫210處形成拉應(yīng)力。位于襯墊20a、壓縮套管200與低CTE封裝套圈30之間的包括圖4所示接縫部分 80和85的焊接接縫220的橫截面被設(shè)計(jì)為“U”形。由于襯墊20a和壓縮套管200的熱膨 脹高于封裝套圈30的熱膨脹，在焊接接縫220經(jīng)歷高溫成形之后的密封冷卻過(guò)程中，襯墊 20a和壓縮套管200的收縮要比封裝套圈30快。因此，“U”形外臂上的焊接接縫220將處 于壓應(yīng)力下。U形內(nèi)臂的防污染方式與上文參照?qǐng)D4中接縫部分85所述的方式相同。圖7所示的實(shí)施例沒(méi)有壓縮套管，因此缺少圖3-6所示實(shí)施例的優(yōu)勢(shì)。參照?qǐng)D5和6，一種制造光纖50在光學(xué)模塊封裝件10內(nèi)的氣密穿通密封的方法包 括提供安裝和焊接在光纖管20b內(nèi)的光纖50 ；舉例而言，采用BiSn焊料，光纖管20b 由黃銅制成；用銅焊或錫焊方式將光纖管20b焊接在襯墊20a內(nèi)；將襯墊20a插入封裝套圈30內(nèi)；同時(shí)將壓縮套管200安裝到封裝套圈30的外表 面上；以及將由壓縮套管和襯墊所組成的一個(gè)整體式元件用銅焊或錫焊方式焊接到封裝套 圈30上。作為替代方式，由壓縮套管和襯墊組成的整體式元件可以同時(shí)以銅焊或錫焊方式 焊接到封裝套圈30和光纖管20b上。
權(quán)利要求
1.一種將光纖安裝在光學(xué)模塊封裝件內(nèi)的氣密穿通密封，包括以氣密密封方式附著 于所述封裝件上或與所述封裝件集成為一體的封裝套圈，圍繞所述光纖進(jìn)行氣密密封的光 纖套圈，以及圍繞所述封裝套圈進(jìn)行氣密密封的壓縮套管；其中所述壓縮套管被氣密封接 到所述光纖套圈，或與所述光纖套圈集成為一體，且其中所述壓縮套管的熱膨脹系數(shù)CTE 高于所述封裝套圈的CTE，使所述壓縮套管與所述封裝套圈之間的接縫處于壓應(yīng)力下。
2.如權(quán)利要求1所述的氣密穿通密封，其中，所述壓縮套管被氣密封接到所述光纖套圈。
3.如權(quán)利要求2所述的氣密穿通密封，其中，所述光纖套圈的外徑等于所述封裝套圈 的外徑，所述壓縮套管的第一段長(zhǎng)度部分被氣密封接到所述光纖套圈，所述壓縮套管的第 二長(zhǎng)度部分被氣密封接到所述封裝套圈。
4.如權(quán)利要求2所述的氣密穿通密封，其中，所述壓縮套管的CTE不低于所述光纖套圈 的 CTE。
5.如權(quán)利要求1所述的氣密穿通密封，其中，所述壓縮套管與所述光纖套圈集成為一 整體，由此形成整體式套圈。
6.如權(quán)利要求5所述的氣密穿通密封，其中，所述光纖套圈的至少一部分被設(shè)置于所 述光纖與所述封裝套圈之間，和其中位于所述光纖套圈的至少一部分與所述封裝套圈之間 的密封接縫的邊緣，即相對(duì)所述封裝件為遠(yuǎn)端的邊緣，被所述整體式套圈覆蓋。
7.如權(quán)利要求6所述的氣密穿通密封，其中，所述整體式套圈的橫截面具有“U”形部 分，所述光纖套圈構(gòu)成所述“U”形部分的一個(gè)臂，所述壓縮套管構(gòu)成所述“U”形部分的另一 個(gè)臂，且其中所述封裝套圈被插入到所述“U”形部分內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1所述的氣密穿通密封，其中，所述光纖套圈包括兩個(gè)封接在一起的部分。
9.如權(quán)利要求1所述的氣密穿通密封，其中，所述壓縮套管的CTE比所述封裝套圈的 CTE 至少高 lppm/C。
10.如權(quán)利要求1所述的氣密穿通密封，其中，所述壓縮套管的CTE比所述封裝套圈的 CTE 至少高 5ppm/C。
11.如權(quán)利要求1所述的氣密穿通密封，其中，所述封裝套圈的材料包括科瓦合金或因瓦合金。
12.如權(quán)利要求1所述的氣密穿通密封，其中，所述光纖套圈的材料包括鋁、銅和黃銅 中的一種。
13.如權(quán)利要求1所述的氣密穿通密封，其中，所述壓縮套管的材料包括鋁、銅和黃銅 中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及將光纖安裝在光學(xué)模塊封裝件內(nèi)的一種氣密穿通密封，包括一個(gè)以氣密密封方式附著于封裝件上或與封裝件集成為一體的封裝套圈，一個(gè)圍繞光纖進(jìn)行氣密密封的光纖套圈，以及一個(gè)圍繞封裝套圈進(jìn)行氣密密封的壓縮套管。該壓縮套管被氣密封接到光纖套圈，或與光纖套圈為一體，且其中壓縮套管的熱膨脹系數(shù)(CTE)高于封裝套圈的CTE，使壓縮套管與封裝套圈之間的接縫處于壓應(yīng)力下。
文檔編號(hào)G02B6/38GK102103237SQ20101058697
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者金文林, 阿卜杜拉·賈里爾·K.·莫伊杜 申請(qǐng)人:Jds尤尼弗思公司