CN1106616A - 光纤端部及其制造方法和将该端部连接到光学器件的构造 - Google Patents

Abstract

一种光纤端部(10)、用以制造该光纤端部的方法 以及用以将该端部连接到光学器件(20)的构造。其 中，光纤端部带有套圈，它包括相向于或对接于光学 器件的对接端面(11e)以及一个单个的光纤通孔或多 个按预定间距并行安放的光纤通孔，光纤(13a)的一 端可插入这类通孔。所述套圈由一种合成树脂模制 产品构成，在其连接到光学器件的对接端面侧面上配 备有至少一个连接件(12)。该连接件的线性膨胀系 数设定小于该合成树脂的线性膨胀系数。

Description

光纤端部及其制造方法和将 该端部连接到光学器件的构造

本发明涉及一种光纤端部，用以制造该光纤端部的方法，以及用以将该光纤端部连接到光学器件的构造。

在诸如光波导元件、光学半导体器件(LD阵列、LED阵列)等等光学器件与光纤之间的光学连接迄今是接以下步骤进行的。将其中以预定间隔设置多根光纤的光纤端部与一个光学器件对接，或光纤端部与光学器件相互相对设置。然后将它们对准，以对准光纤与光学器件之间的光轴。之后，用诸如热固型或光(紫外线)固化型一类的粘合剂粘接该两个元件。或者，将光纤端部与光学器件相对设置，两者之间留有一预定的间隙，对准光纤与光学器件之间的光轴，然后将光纤端部与光学器件焊接到金属基座上。

作为光纤端部与光学器件之间如此连接法的第一例，例如，光纤端部与光波导元件之间连接是众所周知的。

该光纤端部具有带状光纤，其中多根光纤按预定的间隔设置在壳体和套圈内。该套圈有一个对接端面，与光波导元件相对设置或对准，并以预定的间隔平行设置多个光纤通孔。光纤的一端插入每个光纤通孔并粘接好，而且光纤露出该对接端面外。制造套圈的一种最廉价和普通的方法是利用模具注塑成型。

光导元件由波导基板和波导层组成，有时候将罩壳粘合到波导层上。在波导层内形成单个或多个波导，并使波导露出在位于两端的对接端面外。罩壳使光波导元件的对接端面的面积和形状与光纤端部的对接端面的面积和形状基本相同，从而使接合到光纤端部的有效面积得到保证。

上述光纤端部通过其对接端面与光波导元件对接，并在每根光纤与相应波导之间对准后接合到该光波导元件。

当将光纤端部接合到光波导元件时，必须按亚微米数量级对准光纤和相应的波导，并在短时期内将光纤端部接合和固定到光波导元件，同时保持已对准的状态，使光纤端部的连接损耗减至最小，尤其对于单模光纤更是如此。

对于接合手段，可以采用诸如能快速固化的环氧树脂一类的热固化型粘合剂。除了光纤和波导露出对接端面部分外的那个部分以外，光纤端部接合到光波导元件的各个部分，以防止每根光纤与相应波导之间光通路的阻断。

作为第二例，光纤端部与光波导元件之间的另一种结构连接也是众所周知的。

这种光纤端部与光具有带状纤维、V形坡口基板和模压罩壳，其每一端形成一个对接端面。带状纤维具有多根按预定间隔设置在外套内的光纤。通过从光纤的端部去除外套使每根光纤的端部外露。每根光纤的外露端部通过V形坡口基板中形成的每条V形槽口定位，且每根光纤通过置于模压罩壳内而固定到V形基板。

光纤的端面外露于对接端面并与V形坡口基板和模压罩壳一起抛光。V形坡口基板和模压罩壳由透光材料例如玻璃制成。

光波导元件以类似于前述第一例的光波导元件的构成方法构成，罩壳由诸如玻璃一类的透光材料制成。

光纤端部通过其对接端面与光波导元件对接，并在每根光纤与相应的波导之间对准后，用光固化型粘合剂经光辐射(紫外线)粘接到光波导元件上。

在该过程中，由于V形坡口基板和模压罩壳由透光材料制成，与上述能快速固化的诸如环氧树脂一类的热固型粘合剂比较，照射的紫外线能以更短的时间周期固化粘合剂。因此，在对接端面，光纤端部能快速地粘合到光波导元件上。

此外，作为第三例，上述第二例的光纤端部与光学半导体之间的连接也是众所周知的。

光学半导体在LD阵列之间设置有一个散热器，且在LD阵列中按行设置有多个激光二极管元件，此外，还有一个载体。每个激光二极管元件通过接合线电气连接到载体上，而载体则固定到金属安装基板上。

另一方面，光纤端部通过底基板焊接到金属基板上去。带状纤维中的每根光纤与相应的激光二极管元件对准，而基板则焊接到安装基板。

上述光纤端部与光学器件之间的连接存在着以下几方面的问题。

首先，在第一例所述的光纤端部与光波导元件之间的连接中，例如当光波导元件为二氧化硅类元件，而其中二氧化硅类波导层在硅基底上形成时，光波导元件在摄氏20度仔砸约有2.4×10^-6的线性膨胀系数。对于光纤端部，当形成套圈的塑料材料为含有二氧化硅(SiO₂)细粒的环氧树脂作为填料的材料时，其线性膨胀系数在摄氏20度仔砸例如为5×10^-6或更高。

因此，在光纤端部连接到光学波导元件之后，因工作环境下温度随时间变化而引起的不同元件之间线性膨胀系数之差异将扰乱每一波导与光纤之间已对准的状态，导致诸如减小连接损耗和减小功能损失等方面的性能的下降。

光纤端部的套圈通过用模具铸塑形成。因此，如果在设置有多个光纤通孔的方向上的线性膨胀系数不同于垂直于该设置方向的方向上的线性膨胀系数，那么在套圈上将产生例如弯曲一类的变形，从而不能高精确度地形成光纤通孔。

另外，光纤端部的套圈迄今一直采用因在环氧树脂中含有填充物等而不透光的材料，以减低线性膨胀系数并改善强度和空间精度。因此，采用光固化型粘合剂非常难以将常用的光纤端部连接到光波导元件。

至于第二和第三例中所述的光纤端部，可以将诸如硅和陶瓷以及上述玻璃一类的透光材料作为用作V形坡口基板和模压罩壳的材料。

然而，由于玻璃、硅和陶瓷又硬又脆，难以磨成V形坡口，且其对接端面的抛光性能较差，故加工成平较高。

而且，由于光纤端部通过V形坡口定位微细光纤，并利用模压罩壳将光纤固定到V形坡口基板组装而成，故其可加工性很差。

再者，由于上述结构中利用模压罩壳固定光纤，如果模压罩壳过份压迫光纤时，当压力作用于伸出于V形坡口基板之外的光纤时，光纤很容易破损。

本发明用来解决上述这些问题。为此，本发明的目的在于提供一种能高精度地制成并因此能高精度地连接到光学器件的光纤端部，用以制造该光纤端部的方法，以及用以将该光纤端部连接到光学器件的构造。

本发明的另一目的在于提供一种制作容易、成本低且其中的光纤不易于被破损的光纤端部，用以制造该光纤端部的方法，以及用以将该光纤端部连接到光学器件的构造。

为了实现上述目的，本发明提供一种带套圈的光纤端部，它包括一个相向于或被对接到光学器件的对接端面，以及按预定间隔并行设置、光纤的一端插入其中的一个或多个光纤通孔，这里，光纤可与光器件做到光连通，其中的套圈由合成树脂的模压产品制成，并至少有一个连接件安装在连接到光学器件的对接端面一侧。

如此构成的光纤端部制作容易，且因其通过连接件连接到光学器件故具有改进的连接性能。

最好，该连接件的线性膨胀系数αcm的数值小于制作套圈的合成树脂的线性膨胀系数α_FP的数值。

对于这一类光纤端部，连接件限制了在模压套圈时用以形成套圈的合成树脂的热膨胀和热收缩。

最好，连接件由一种透光材料例如玻璃制成，其上至少有一部分露出于套圈对接端面的外周缘。

这样一来，由于光能照射连接件部件，故利用一种光固化型粘合剂可以在短时间内将光纤端部连通。

最好，套圈是一种由任何热固、热塑和光固化合成树脂制成的模压产品。

对于这种光纤端部，其套圈可以用模具廉价压制而成。

最好，形成套圈的合成树脂合有联接剂和二氧化硅作为填充物。

至于这种光纤端部，套圈与玻璃制成的连接件之间的粘结得到了改进。

最好，形成套圈的合成树脂的折射率接近于二氧化硅的折射率。以一种不含着色成分或碳素的透光材料为好。

这样一来，在将光纤端部连接到光学器件时，辐射光容易通过光纤端部，故利用的光固化粘合剂能在短时期内固化。而且，套圈旁的辐射光的吸收减弱，故在光纤端部产生的热可以减小，因温度上升而引起的套圈的尺寸变化可以得到限制。

最好，连接件由线性膨胀系数为αcm，具有|α_cm-α_OD|＜5×10^-6关系式的玻璃制成，其中，α_OD为光学器件材料的线性膨胀系数；或由对接和焊接到安装于光学器件相应位置上的金属制成，其线性膨胀系数为α_MC，具有|α_MC-α_MO|＜5×10^-6的关系式，其中α_MO为金属件的线性膨胀系数。

这样一来，由于光纤端部与光学器件之间因温度随时间变化而引起的线性膨胀系数之差很小；因温度变化而引起的尺寸方面的变化可保持很小，故可以防止诸如减小随时间而增加的连接损耗以及减小功能损失等方面的性能的下降。

最好，连接件围绕套圈对接端面的周缘有一个开孔，该开孔的尺寸如此确定，使其在与放置光纤的方向垂直方向上的长度a落在0.2mm与1.0mm范围内，使其在放置光纤的方向上的长度b满足关系式b＝PX(N-1)+a，其中N为固定到套圈的光纤数，P为光纤的放置间距。

这样一来，在光纤端部可以合适地设定连接件的面积与整个对接端面面积的比率。

再者，根据本发明用以制造光纤端部的方法，配置了一套模具，一个型芯和一个连接件，该型芯设置在一套模具之间，有多个铸模针用以形成供多根光纤插入的光纤通孔，该连接件位于芯体的至少一个端侧。通过将合成树脂注入到由一套模具、型芯和连接件形成的型腔内模制套圈。通过将光纤插入和接合到套圈内的光纤通孔，将各根光纤的一端予以固定。

这样一来，可以较为容易地制造光纤端部，其成本低，光纤也不易破损。

再者，根据本发明用以将光纤端部连接到光学器件的构造，在将光纤端部连接到光学器件时做到使其相向于或对接到该光学器件。

同时，光学器件最好是光波导元件，其中以与多根光纤相等的间距来安设多根波导管，并最好通过紫外线固化粘结剂在安装到套圈上的连接件的部位上将波导管焊接到由权利要求3至8中任一项所定义的光纤端部。

这样一来，可以在一个短时间内将光纤端部连接到光波导元件。

最好，光学器件是一种光波导元件，其中以与多根光纤相等的间距来安设多根波导管，且波导元件四周围绕有一金属管，并且该光学器件被焊接到在金属管端面处由权利要求9至12中任一项所定义的光纤端部。

如光学器件为一种光学半导体，其中设置多个激光二极管元件，那么，最好将它安装于第一金属基板上，而光纤端部安装在第二金属基板上以使其相向于光学器件，光纤端部安装成使光纤与相应的激光二极管元件对准，第一金属基板与第二金属基板相互焊接在一起。

这样就提供了一种连接构造，其中，光纤端部通过焊接连接到光波导元件或光学半导体。

本说明书中所用术语“透光”意味着可见光和紫外光的透射率为至少10％。

而且，说明书中以下所用的不同线性膨胀系数表示在摄氏20度仔砸时的参数。

图1是表明本发明第一个实施例，表示一个光纤端部以及用以将该光纤端部连接到一个光波导元件的构造的透视图；

图2是安装在图1所示光纤端部套圈对接端面上的一个连接件的正视图；

图3是用于图1所示光纤端部的一个套圈的透视图；

图4是图3所示套圈的正视图；

图5是图3所示套圈的剖视图；

图6是用以制造图3所示套圈的一个模具的透视图；

图7是表示将一个带状光纤插入到一个利用图6所示模具制造的套圈内的一种情况的剖视图；

图8是表示通过将粘合剂注入到图7所示套圈中去以固定带状光纤而形成一个光纤端部的一种情况的透视图；

图9是将一个光纤端部接合到一个光波导元件的连接结构的剖视图；

图10是表示连接件开孔的垂直长度a与模压套圈的裂化率之间关系的特性曲线图；

图11是表示连接件开孔的垂直长度a与热循环试验中热循环特性变化宽度(dB)之间关系的特性曲线图；

图12是表示连接件开孔的垂直长度a与合格率(％)之间关系的特性曲线图，该合格率与涉及模压针的缺陷有关；

图13是表示连接件开孔的垂直长度a与使用模压套圈时用紫外线固化粘合剂将套圈粘合到光波导元件时所需的紫外线辐射时间之间的关系的特性曲线图；

图14至19是对光纤端部加以改进的几个透视图；

图20是表示本发明第二个实施例的一个光纤端部，以及将光纤端部连接到一个光波导元件的透视图；

图21是表示将光纤端部连接到光波导元件的透视图；

图22是表示本发明第三个实施例的一个光纤端部，以及将该光纤端部连接到一个光波导元件的透视图。

第一个实施例

以下将参照图1至图19详细描述本发明的第一个实施例。

本实施例的光纤端部(以下简称为端部)10包括带有连接件12的套圈11以及连接其上的带状光纤13。端部10通过利用一种紫外光固化粘合剂对接和接合到光波导元件20。

套圈11由具有较低的热收缩系数的透光合成树脂形成。在本实施例中，将一种热固环氧树脂用作该合成树脂，该环氧树脂含有按重量百分之七十或以上的二氧化硅粒子作为填充物，其折射率与二氧化硅的折射率基本相等，其线性膨胀系数α_FP为12×10^-6。

该热固合成树脂，例如环氧树脂，含有一种联接剂用以增加树脂与二氧化硅粒子之间的接合强度。因此，至以下所述由Pyrex(与美国Corning公司的耐热玻璃有关的一种商品名)制成的连接件12的粘合力是很高的。

套圈11是一个中空构件，其在本体11a的背部有一个腔体11b，如图3和图5所示。本体11a的前面有一个凸起部11c整体凸出以与一个光波导元件20对接，本体11a的顶部形成一个与腔体11b沟通的窗孔11d。凸起部11c的前面形成一个对接端面11e，用以与光波导元件20对接。凸起部11c的周缘上形成一个槽沟11f，以下将作详细描述的连接件12就绕着该槽沟11f设置(见图1和图7)。凸起部11c的对接端面11e上开孔形成四个光纤通孔11g与腔体11b连通，如图4和图5所示。此外，在凸起部11c邻近每个光纤通孔11g的位置上形成光纤导沟11h。该光纤导沟11h能将以下所述的光纤13a引入光纤通孔11g，以便于光纤的插入。顺便说说，凸起部11c和槽沟11f的形状取决于连接件12的窗孔12a的形状，如下所述，槽沟11f并非一定需要。

连接件12为透光性构件，由Pyrex制成，其线性膨胀系数α_CM为3.0×10^-6至3.6×10^-6，在将波导22a安置到光波导元件20中去的方向上它接近于线性膨胀系数α_OD，这以后将作详细描述。连接件12围绕对接端面11e开有窗孔12a，并连同该对接端面11e形成一个矩形框形状，以与光波导元件20对接。

窗孔12a的尺寸影响到连接件12的强度，可铸模性以及将端部10连接到光波导元件20时所需的紫外光辐射时间。因此，在与安放光纤的方向相垂直的方向上的长度(以下称为“垂直长度”)a(mm)如图2所示设定在0.2≤a≤1.0的范围内，而在安放光纤的方向上的长度(以下称为“水平长度”)b(mm)如图2所示设定满足b＝PX(N-1)+a的关系式，其中N为光纤通孔11g的数量，也即以下将描述的带状光纤13的光纤13a的数量；P为光纤13a的安放间隔(mm)。

连接件12的正面面积与对接端面11e的整个面积有关，如果该面积较小，连接件12的面积比例也因此比正常的数值为小，连接件12将因模制套圈11时合成树脂的注入压力而破裂，或因热循环等因素而损坏。因此，产生了所制造的套圈11以及端部10的可靠性降低以及其它方面的问题。而且，当利用光固化型粘合剂进行接合时，辐射光难以照射到端面的中心，故与光波导元件的接合需耗用更多的时间。

如果与对接端面11e的整个面积有关的连接件12的上述面积较大，上述面积比例也因此比正常的值较大，故连接件12制造时要切孕更高的尺寸精度。由此，套圈以及端面10的制造成本增加。在模压套圈11时，如果在将连接件12放置到模具中时的操作不小心，将时常会产生一些麻烦；例如，在模压的套圈11内，光纤通孔11g太靠近连接件12，以及模压针碰触后损坏或弯曲。

因此，连接件12的窗孔12a的尺寸应按以上所述设置。

套圈11利用以下所述的模具制造。

图6表示用以制造套圈11的一种模具。它包括下半模30、上半模40以及设置在上、下半模30与40之间的型芯50。

下半模30通过一个驱动装置(未图示)提升或下降，以相对上半模40合拢或分开。如图6所示，下半模30整体上配置凸形部30a，用以将上半模40定位在矩形板的四个角上，凹形部30b用以将型模31和32设置在中央。而且，下半模30还配置了滑槽30c，滑槽30c位于凹形部30b的两侧。

型模31为一种平板状构件，它设置在凹形部30b的一端，V形槽沟31a用以定位以下所述的型芯50的模制针50d的顶部，它在型模31的顶面上形成。型模32为一种U形构件，它大约设置在内设型模31的凹形部的中央，用以支承如下所述的型芯50的本体50a。当合拢下半模30和上半模40时。形成一个用以在前部形成套圈11的型腔(未图示)。型模32将如下所述的置于凹形部30b内的型芯50的套环部50b予以定位。

上半模40整体上配置凸缘40a，该凸缘40a可设置在下半模两凸形部30a之间，以便将相对下半模30的上半模40定位于矩形板的两侧，如图6所示。凹形部40b是用来使型模41和42安放在正中心。图6中所示的上半模40其顶面和底面翻了个身，以便清楚地显示其构造。实际上，上半模40是翻转后相对设置到下半模30的，如图中点划线所示。

除了型模41的模压定位面41a没有用以定位下面要讲到的模制针50d的V形槽沟外，型模41和42具有与型模31和32相同的构造，因此，两者的相应的部分具有相应的特征，在以下的描述和除图中将不作详细解释。

型芯50包括在本体50a背部形成的套环50b，在本体50a前部形成的、用以构成套圈11之型腔11b的芯部50c，以及从芯部50c外凸的，用以形成光纤通孔11g的四根模制针50d，如图6所示。

制造套圈11时，首先将型模31和32设置在下半模30的凹形部30b内，将型模41和42设置在上半模40的凹形部40b内，如图6所示。

接下来如图中点划线所示将模制针50d插入连接件12内。连接件12设置在位于型模31与32之间的凹形部30b内，套环50b设置在位于型模32后面的凹形部30b内。模制针50d的顶端由V形槽沟31a定位。这样，型芯50就设置在下半模30内。

然后，下半模30由前述驱动装置(未图示)提升，上半模的凸缘40a被安放于两凸形部30a之间以合拢模具。

这样，连接件12和型芯50即设置在下半模30的凹形部30b与上半模40的凹型部40b之间。模制针50d的底端插入连接件12的内部，并产生一个预定的空隙以形成套圈11的凸出部11c。而且，用以形成套圈11的本体11a的型腔(未图示)在位于连接件12后面的型模32和42之间的下半模30与上半模40之间形成。

之后，通过下半模30内的两条滑槽30c将具有较低热收缩系数并含有二氧化硅粒子的前述透光环氧树脂注入前述的型腔内。这样，套圈11通过压力塑造成型法模压成型。

在通过加热固化所注入的环氧树脂后，降低下半模30使模具分开，然后取出模制套圈11。

此后，从套圈11拉出型芯50，即完成了套圈11的制造。

通过从其背部插入带状光纤，即将如此制造的套圈11置入端部10。

带状光纤为一种束在一起的长条形光纤，其中按预定的间距并行设置多根光纤，这些光纤的外面有套管。

至于本实施例的端部10，该带状光纤是经过处理的，并去掉了预定长度的套管。外露的光纤由套圈11的背面插入中凹部11b。

如图7所示，套圈11内带状光纤13的每根光纤13a均插入相应的光纤通孔11g内。然后如图8所示，通过窗孔11d将粘合剂A倾入型腔11b，由此使带状光纤13连同光纤13a固定在本体11a。

至于带状光纤13，光纤13a伸出到凸出部11c外面，伸出的光纤被切割以与对接端面11e基本齐平。然后通过研磨等将光纤13a的端面连同对接端面11e一起抛光。通过这些工序将套圈11置入端部10。

在所制成的端部10，连接件12的线性膨胀系数α_CM设定在比套圈11的线性膨胀系数α_FP较低的数值上。为此，在模制套圈11的高温条件下，连接件12限制了凸起部11c在横向和垂直方向上的膨胀；在完成模制后的冷却过程中又限制其收缩。因此，由于凸起部11c的膨胀和收缩受到了连接件12的限制，可以高精度地形成在对接端面11e上所开的套圈11的光纤通孔11g。

去除了套管而外露的多根光纤13a由套圈11的型腔内的粘合剂A掩盖和保护(见图9)，故即使外力经由带状光纤13作用于其上也不会被损坏。

通过施加紫外固化粘合剂例如环氧或丙烯酸盐型粘合剂并辐射紫外线，可以在较短的时间内将如此制成的端部10接合到光波导元件20。

光波导元件20为一种线性膨胀系数α_OD约为2.4×10^-6的元件，其中，由厚度为几十微米的二氧化硅组成的波导层22在1mm厚的硅基底21上形成，例如，通过加热水解沉积法或其它方法，而由Pyrex形成、其线性膨胀系数接近于硅的膨胀系数的掩体23被置于波导层22上面。沿长度方向上的光波导元件20的两端形成了对接端面。

在波导层22内，以沿长度方向上与多根光纤13a相同的间距并行形成四根波导管22a。掩体23通过使光波导元件20的对接端面与端部10的对接端面的面积和形状基本相等。而保证光波导元件20与端部10之间的有效接合面积。

光波导元件20可以是一个在硅基底21上形成的不带掩体23的波导层22。在波导层22上形成的波导管22a可以为单根。

在将光波导元件20接合到端部10之前，先以亚微米的数量级使波导管22a与相应的光纤13a对准。

在上述端部10与光波导元件20的连接结构中，由于辐射的紫外线能照射到套圈11和连接件12的各部分，故能在一个短时间内固化粘合剂。

因此，在端部10与光波导元件20的连接结构中，通过如图9所示在连接件12部分使用一种紫外固化粘合剂AUV可以很容易地完成接合，且可以以亚微米的数量级使波导管22a与相应的光纤13a对准。

再者，在端部10与光波导元件20的连接结构中，连接件12的线性膨胀系数α_CM为3.0×10^-6至3.6×10^-6，光波导元件20的线性膨胀系数α_OD约为2.4×10^-6，满足关系式|α_CM-α_OD|＜5×10^-6。

因此，在上述连接结构中，由于温度随时间变化而引起的端部10与光波导元件20之间的线性膨胀系数之差较小，因温度变化而引起的尺寸变化也保持较小，故波导管22a与光纤13a之间的已对准状态也不会受到扰乱。因此，利用上述连接结构可以防止诸如减少端部10与光波导元件20之间随时间增加的连接损耗和减少功能损失等方面的性能的下降。

在制造上述套圈11时，由前述具有较低的热收缩系数并含有二氧化硅粒子的透光环氧树脂形成具有8个光纤通孔11g的30个套圈，每个套圈都被施加90、150、200和250kg·f/cm²4个不同压力，由Pyrex制成的连接件12的窗孔12a的垂直长度a设定在0.2至1.0mm范围的5个不同数值。

由于光纤通孔11g的安放间隔设定为P＝0.25mm，故从上述等式b＝PX(N-1)+a得出窗孔12a的水平长度b(mm)设定为1.95至2.75mm，其中光纤通孔11g的数量(等于带状光纤13的芯数)为N＝8。

对于所有模制套圈11而言，连接件12之窗孔12a的垂直长度a与连接件12的裂化率(％)之间的关系已作了试验，对于在150kg·f/cm²压力下模制的套圈，其在热循环(HC)试验中的HC特性变化宽度(dB)，以及涉及与模制针有关的缺陷的合格率均作了试验，这些试验结果示于图10至12。

以每组30个模制套圈按百分比计算合格率(％)，将模制针无断裂或弯曲一类任何缺陷的视为合格。图11所示的HC特性变化宽度(dB)表示10个模制套圈相对垂直长度a的平均HC特性变化宽度。

此外，从每组20个具有不同垂直长度a的模制套圈11中随机抽样10个套圈11，通过在套圈11与光波导元件20之间施加一种紫外固化粘合剂并辐照紫外线，将该10个套圈11接合到光波导元件20。已经测得相对于垂直长度a的用以将套圈11接合到光波导元件20所需紫外线的辐照时间(分)，并获得图13所示的结果。

因此，从图10至图13所示结果可以发现，在模制套圈11时，如果连接件12之窗孔的垂直长度超过1.0mm，裂化率超过50％，用以将其接合到光波导元件20的光固化型树脂的辐照时间将很不理想地变成接近于一小时。

如果窗孔12a的垂直长度a小于0.2mm，在图6所示制造套圈11的模具中，位于形成光纤通孔11g的那个部分的树脂注入空间就会减小。由此，如图12的合格率(％)所示，在模制中将频繁发生诸如模制针断裂或弯曲之类的缺陷。

因此，窗孔12a的垂直长度a较佳地应设定在0.2至1.0mm范围内。

如果连接件12之窗孔12a的水平长度b与套圈11的横向宽度相等，即如果连接件12在垂直方向上一分为二，那么参照号12a将不表示一个窗孔。然而，当套圈11之凸起部11c的垂直长度与窗孔12a的垂直长度a相对应时，可以如上所述大批量地制作套圈11。

在上述实施例的端部10中，连接件12为一种由Pyrex制造的矩形框体，它安装在对接端面11e的一侧。然而，不用说，连接件并不局限于上述实施例中的结构，如果它安装在对接端面一侧，紫外线将照射位于端部与光波导元件之间的连接部分。

因此，可以如图14所示那样设置连接件12，即使其包绕套圈11连同其对接端面11e的整个外周缘。另外，如图15所示，可以在套圈11对应于至光波导元件的接合部的上部和下部设置两个矩条形连接件12。

此外，如图16所示，上述连接件可以由两个连接件组成，一个为U型，另一个为矩条型，它向从上下两边包绕套圈11的对接端面11e。另外，如图17所示，连接件可以采用矩条型构件16，安放在套圈11之对接端面11e上方的宽度方向上。

再者，如图18中的连接件17所示，连接件可以是具有两个窗孔17a的一种形状，由它们包绕在两个地方的凸起部11c上形成的套圈11的两个对接端面11e，或者，如图19中的连接件18所示那样，可以是具有一个窗孔18a的一种形状，由它包绕套圈11的对接端面11e。在后一种情况下，配备连接件18的该套圈11有多根光纤头13a露于对接端11e，光纤垂直设置成两行。

第二个实施例

接下来将参照图20和21详细描述本发明的第二个实施例。

如图20所示，按本实施例构成的端部60具有连接到套圈61前端的连接件62以及连接到套圈61的带状光纤63，它如图21所示对接并焊接到光波导元件70。

套圈61以基本上与第一个实施例所述套圈11相同的方法构成，因此，其中相应的元件采用相应的参照号，就不再作详细描述了。

套圈61利用模具30、40以及型芯50，由线性膨胀系数α_FP为12×10^-6的合成树脂例如环氧树脂制成，这在第一个实施例中已作了描述。在本实施例中，由于端部60通过焊接连接到光波导元件70，故套圈61无需透光。

连接件62具有包绕套圈61之对接端面61e的窗孔62a，它由线性膨胀系数较低的可焊金属成型为一个矩形框，该金属例如科伐铁镍钴合金(Kovar)(美国西屋电气公司产品的注册商标名)的线性膨胀系数α_MC为2×10^-6至4×10^-6。如同第一个实施例中的那样，该窗孔62a的垂直长度a(mm)设定为0.2≤a≤1.0范围内，其水平长度b(mm)设定满足b＝PX(N-1)+a关系式，其中N为形成带状光纤63的光纤63a的数量，P为光纤63a的安放间距(mm)。

这样，在端部60中，连接件62的线性膨胀系数α_MC设定在一个比套圈61的线性膨胀系数α_FP为低的数值上。为此，连接件62限制了凸起部61c在高温下其横向和垂直方向上的膨胀，并限制了在完成模压后其在冷却工序中的收缩。

由于凸起部61c的膨胀和收缩受到了连接件62的限制，故套圈61在对接端面61e上所开的光纤通孔61g可以高精度地成型。

带状光纤的多根光纤63a由套圈61之型腔61b中的粘合剂所掩盖和保护，故即使外力通过带状光纤63作用于其上，光纤也不会损坏。

光波导元件70由1mm厚的硅基底71以及在硅基底71上形成的波导层72组成，它们由一个方套筒73包围着。光波导元件70的两端沿其长度方向上形成对接端面。

波导层72有4根波导管72a，它们在长度方向上以与多根光纤63a相同的间距并行形成。波导层72的厚度为几十微米，它例如通过采用二氧化硅的火焰水解沉积法或其它方法成型。可以将其线性膨胀系数等于或接近于连接件62的方盒73焊接到连接件62，它例如由线性膨胀系数α_MO为2×10^-6至4×10^-6的科伐铁镍钴合金制成。

方盒73通过使光波导元件70之对接端面的面积和形状与端部60之连接件62的面积和形状基本相等，以确保光波导元件70与端部60之间的有效焊接面积。

按上述构成的本实施例的端部60与光波导元件70对接，并完成光纤63a与相应的波导管72a之间的对准。

之后，如图21所示，通过钇铝石榴石激光来焊接，在合适的点P将方盒73焊接到连接件62，以将端部60连接到光波导元件70。

因此，在端部60和光波导元件70的连接结构中，连接件62的线性膨胀系数α_CM为2×10^-6至4×10^-6，它与方盒73的线性膨胀系数α_MO相等，光波导元件70的基本部分即硅基底71和波导层72，其线性膨胀系数α_O约为2.4×10^-6，满足关系式|α_MC-α_O|＜5×10^-6。

因此，在上述连接结构中，由于端部60与光波导元件70之间因温度随时间变化而引起的线性膨胀系数之差没有或极小，故因温度变化而引起的尺寸变化可保持很小，因此，波导管72a与光纤63a之间的对准条件就不会受到扰乱。所以利用上述连接结构可以防止在减小端部60与光波导元件70之间随时间而增加的连接损耗以及减小功能损失等方面的性能的下降。

第三个实施例

接下来参照图22详细描述本发明的第三个实施例。

如图22所示本实施例的端部65构成使连接件67设置在套圈66的前部和下部，带状光纤68连接到套圈66，对接和焊接到光波导元件75。

套圈66以与第一个实施例中所述套圈11基本相同的方法配置，故省略对其作详细描述。

套圈66通过利用模具30、40和型芯50，由线性膨胀系数α_FP为12×10^-6的合成树脂例如环氧树脂制成，此在第一个实施例中已作了描述。由于本实施例中的端部65通过焊接连接到光波导元件75，故套圈66无需为透光。

连接件67具有围绕套圈66之对接端面66e的窗口67a，从侧面看形成一个L形，它由线性膨胀系数较低的可焊金属，例如线性膨胀系数α_MC为2×10^-6至4×10^-6的科伐铁镍钴合金制成。窗孔67a的垂直长度a(mm)设定在0.2≤a≤1.0范围之内，其水平长度b(mm)按关系式b＝PX(N-1)+a设定，其中N为套圈66的光纤通孔66g的数量，也即形成带状光纤68的光纤68a的数量，P为光纤68a的安放间距(mm)。

因此，在端部65中，连接件67的线性膨胀系数α_MC设定在一个比之套圈66的线性膨胀系数α_FP为低的数值。为此，连接件67限制了高温下凸起部66c在横向和垂直方向上的膨胀，并限制了其完成模压后在冷却工序中的收缩。

因此，由于凸起部66c的膨胀和收缩受连接件67的限制，故而在对接端面66e中所开的套圈66的光纤通孔可以高精度地成型。由此可以高精度地安放多根光纤68a。

带状光纤68的多根光纤68a由套圈66之型腔66b中的粘合剂所掩埋和保护，故即使外力通过带状纤维68作用于其上光纤也不会损坏。

光学半导体75包括设置在按行安放着多个激光二极管的激光二极管(LD)阵列76之间的散热片78以及载体77。每个激光二极管元件用连接线79电气连接到载体77，而载体77固定到金属安装基板80。该安装基板的线性膨胀系数α_MB为2×10^-6至4×10^-6，与连接件67的线性膨胀系数α_MC相接近。

按上述构成的本实施例的端部65安装在基板69上，后者通过与安装基板80对接，做到与光学半导体75相向。该基板69的线性膨胀系数α_B为2×10^-6至4×10^-6，与连接件67的线性膨胀系数α_MC相近。

然后，在每根光纤68a与光学半导体75的相应的激光二极管元件之间调整好X、Y、Z三个轴向和光轴轴向中的倾角。

之后，通过YAG激光束焊接法在合适的焊接点P将端部65焊接到基板69，并将基板69焊接到安装基板80，由此使端部65连接到光学半导体75。

在上述连接构造中，通过使用基板69将端部65连接到光学半导体75，基板69的线性膨胀系数α_B，接近于连接件67的线性膨胀系数α_MC和安装基板80的线性膨胀系数α_MB。因此，线性膨胀系数之差|α_B-α_MC|和|α_B-α_MB|变得小于5×10^-6。

因此，在上述连接构造中，由于端部65与光学半导体75之间因温度随时间变化而引起的线性膨胀系数之差较小，故因温度变化而产生的尺寸变化可保持得较小，所以光纤68a与光学半导体75的相应激光二极管元件之间的对准条件不会受到扰乱。因此，采用上述连接构造可以防止在诸如减小端部65与光学半导体75之间随时间而增加的连接损耗以及减小功能损失等方面的性能的下降。

由上所述可见，本发明提供了一种能精确地连接到光学器件，制作容易且其中的光纤不易于损坏的光纤端部；用以制作该光纤端部的方法，以及用以将该端部连接到光学器件的一种构造。

当连接件的线性膨胀系数α_CM设置在一个比构成上述套圈的合成树脂的线性膨胀系数α_FP为低的数值时，该光纤端部的连接件可以限制合成树脂的热膨胀和热收缩。因此，套圈的光纤通孔可以高精度地形成。

而且，当上述连接件至少有一部分露出套圈对端面外缘而由透光材料例如玻璃制成时，采用光固化型粘合剂就可以在较短的时间内将光纤端部连接到光学器件。

此外，当套圈为一种由任何热固、热塑和光固化的合成树脂形成的模制件时，则光纤端部的套圈可以用模具廉价地模制而成。

而且，当构成套圈的含有二氧化硅的合成树脂含有一种偶合剂时，则可以改善套圈与光纤端部之玻璃连接件之间的粘接。

再者，当构成套圈的合成树脂为一种折射率与上述二氧化硅相近的透光材料时。在将端部连接到光学器件时辐射光可以容易地透过光纤端部，所用的光固化型粘合剂能在短时间内固化，由此可以缩短连接到光学器件时所需花费的时间。尤其当构成套圈的合成树脂是一种不含着色成份或碳素的材料时，套圈对辐射光的吸收减低，故可以减少光纤端部上热的产生，由于温度上升而引起的套圈尺寸的变化就可以得到限制。

连接件由线性膨胀系数为α_CM的玻璃制成，它满足关系式|α_CM-α_OD|＜5×10^-6，其中α_OD为光学器件材料的线性膨胀系数；或者，连接件由一种金属制成，该金属被对接和焊接到安装于学光器件相应位置上的一金属件，其线性膨胀系数α_MC满足关系式|α_MC-α_MO|＜5×10^-6，其中α_MO为金属件的线性膨胀系数。

这样一来，由于光纤端部与光学器件之间因温度随时间变化而引起的线性膨胀系数之差较小，故因温度变化而引起的尺寸变化可保持较小，由此可以防止在诸如减小随时间增加的连接损耗以及减少功能损失等方面的性能的下降。

连接件有一个窗孔转绕套圈的对接端面，该窗孔的尺寸按如下确定，其与安放光纤的方向相垂直的方向上的长度a(mm)设定在0.2≤a≤1.0范围，其在安放光纤的方向上的长度b(mm)满足关系式b＝PX(N-1)+a，其中N为固定到套圈上的光纤数，P为光纤的安放间距。于是，在光纤端部可以合适地设定连接件面积与整个对接端面面积的比例，由此可以提高套圈的产量。

在用以将本发明的光纤端部连接到一光学器件的构造中，如该光学器件是一种光波导元件，其中多根波导管的安放间距与多根光纤的安放间距相等，在安装于套圈上的连接件部位使用一种紫外固化粘合剂将上述光学器件接合到光纤端部，那么，光纤端部可以在几秒种数量级的短时间内连接到光波导元件。

此外，光学器件可以是如此构成的一种光波导元件，其中多根波导管的安放间距与多根光纤的安放间距相等，有一金属套管围绕着波导管的外周缘，且光纤端部的金属连接件焊接到金属管的端面。另外，如光学器件为一种光学半导体，在其上安放有多个激光二极管元件，那么，它就安装在第一金属基板上。另一方面，将光纤端部安装在第二金属基板上，使其与该光学器件相向。该端部应安装得使光纤与相应的激光二极管元件对准，而第一、第二金属基板则相互焊接在一起。

这样就可以提供如此的连接构造，即通过焊接而将光纤端部连接到光波导元件或光学半导体。

Claims (17)

1.一种带套圈的光纤端部，包括相向于或对接于一光学器件的对接端面，以及一个单个的光纤通孔或多个按预定间距并行安放的光纤通孔，光纤的一端可插入该通孔，并使所述光纤在光学上连接到所述光学器件，其特征在于，所述套圈由模制合成树脂产品制成，在连接到所述光学器件的所述对接端面的侧面上安装至少一个连接件。

2.如权利要求1所述的光纤端部，其特征在于，所述连接件的线性膨胀系数α_CM设定在一个比用以形成所述套圈的合成树脂的线性膨胀系数α_FP较小的数值上。

3.如权利要求2所述的光纤端部，其特征在于，所述连接件由透光材料制成，其至少有一部分露出于所述套对接端面的外周缘。

4.如权利要求3的光纤端部，其特征在于，所述连接件由玻璃制成其线性膨胀系数α_CM满足关系式|α_CM-α_OD|＜5×10^-6，其中α_OD为所述光学器件材料的线性膨胀系数。

5.如权利要求4所述的光纤端部，其特征在于，所述连接件具有一个围绕所述套圈对接端面之周缘的窗孔，所述窗孔的尺寸确定为：其在与安放光纤的方向相垂直的方向上的长度(a)设定在0.2至1.0mm范围内，其在安放光纤的方向上的长度b设定满足关系式b＝PX(N-1)+a，其中，N为固定于所述套圈上的光纤的数量，P为光纤的安放间距。

6.如权利要求1至5任一所述的光纤端部，其特征在于，所述套圈为由任一热固、热塑和光固化的合成树脂构成的模制产品。

7.如权利要求6所述的光纤端部，其特征在于，构成所述套圈的合成树脂包含偶合剂和二氧化硅作为填充物。

8.如权利要求7所述的光纤端部，其特征在于，形成所述套圈的合成树脂为透光性材料，其折射率接近于所述二氧化硅的折射率。

9.如权利要求2所述的光纤端部，其特征在于，所述连接件由金属制成。

10.如权利要求9所述的光纤端部，其特征在于，所述连接件对接和焊接到安装于所述光学器件相应位置上的金属件，其线性膨胀系数α_MC满足关系式|α_MC-α_MO|＜5×10^-6，其中α_MO为所述金属件的线性膨胀系数。

11.如权利要求10所述的光纤端部，其特征在于，所述连接件具有一个围绕所述套圈对接端面之周缘的窗孔，所述窗孔的尺寸确定为：其在与安放光纤的方向相垂直的方向上的长度(a)设定在0.2至1.0mm范围内，其在安放光纤的方向上的长度b设定满足关系式b＝PX(n-1)+a，其中，N为固定于所述套圈上的光纤的数量，P为光纤的安放间距。

12.如权利要求9至11任一所述的光纤端部，其特征在于，所述套圈为由任一热固、热塑和光固化的合成树脂构成的模制产品。

13.一种用以制造光纤端部的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

设置一套模具和一个型芯，所述型芯位于所述一套模具之间并具有多根模制针，所述模制针用以形成供多根光纤插入其中的光纤通孔，以及，在所述型芯的至少一个端面设置一连接件；

通过将合成树脂注入由所述一套模具、所述型芯和所述连接件形成的型腔而模制一套圈；

通过将所述光纤插入和接合到所述套圈内的所述光纤通孔，固定所述各光纤的一端。

14.一种用以将权利要求1所定义的光纤端部连接到光学器件的构造，其特征在于，所述光纤端部连接到一光学器件，使其相向于或对接于所述光学器件。

15.一种用以将权利要求3至8任一定义的光纤端部连接到一光学器件的构造，其特征在于所述光学器件为一种光波导元件，其中以与所述多根光纤的安放间距相等的间距安放多根波导管，所述光学器件在被用紫外固化粘合剂安装到所述套图上的连接件部分处被接合到所述光纤端部。

16.一种用以将权利要求9至12任一定义的光纤端部连接到一光学器件的构造，其特征在于，所述光学器件为一种光波导元件，其中以与所述多根光纤的安放间距相等的间距安放多根波导，且所述光学器件包括围绕其外缘的一金属管，所述光学器件在所述金属管的端面上被焊接到所述光纤端部。

17.一种用以将光纤端部连接到一光学器件的构造，其特征在于，所述光学器件为一种光学半导体，其中安放有多个激光二极管元件，所述光学器件安装在第一金属基板，所述光纤端部被安装在第二金属基板使之相向于该光学器件，所述端部安装得使光纤与相应的激光二极管元件对准，且所述第一和第二金属基板相互焊接在一起。

Images