CN1275062C - 光学元件在光电包装中的固定 - Google Patents
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Abstract
光学连接模块将无源或有源光学元件固定到基座并与第一激光器对准在一起。光学连接模块包括被固定到基座上，并包括厚度大于20微米的绝热材料的光纤支座。光学元件被来自第二激光器的热量焊接到光纤支座上。激光器支座被固定到基座上。第一激光器被固定到激光器支座上。在绝热材料和光学元件之间有光纤焊片。绝热材料和光纤焊片促进热的横向传导并在焊接过程中限制热量对基座的垂直传导。绝热材料可以通过火焰水解或阳极焊接集成地成形于基座中。
Description
技术领域
本发明涉及光纤，特别涉及到将光学元件固定到基座上及光学元件与激光器的对准。
背景技术
在光电行业中对高可靠性及低成本的光纤耦合激光器模块的需求日益增大。光纤耦合激光器模块包括与基座上的激光器对准的光纤并且该光纤也被固定到基座上。单模光纤器件需要有光纤耦合激光器模块。例如，光纤耦合激光器模块被用在光纤放大器的泵浦源，波分复用(WDM)光源，高速及高功率分布反馈激光器(DFB)，及半导体光放大器中。
一般来说，激光器和光纤被制备在或装到基座上。为了达到可接受的性能，光纤必须精确地与激光器对准到一起。对准后，在不影响准直，不损坏激光器或光纤，也不关闭激光器的情况下，光纤必须牢固地固定在基座上。正确的准直能够确保光接口有很高的单模耦合效率。同时，光纤与基座之间的连接也必需能承受不同的环境，如：工作温度变化，振动，灰尘等。其它重要的特性还包括在激光器和基座间具有相对较高的热传导率，以充许激光器的高功率工作。
当用加热的固定方法将光纤连接到基座时，激光器和基座间的高热传导率可能会引起一些问题。例如，焊接通常被用来将光纤固定到基座。焊接牵涉到对要粘在一起的金属部件进行加热，并通过焊锡将这些部件连接起来。通常一个与焊锡之间有热交换关系的集成电阻器被用作熔化焊锡的热源。
图1所示的是根据现有技术的一个光纤耦合激光模块10，包括激光器12和固定到基座16的光纤14。在用焊锡20将光纤14固定到基座16的过程中有热能产生(用箭头18表示)。来自焊接操作的大部分热能18会向下经过基座16流向一个散热器(没有图示)，如一个热电冷却器(TEC)。由于激光器12与基座16的通路间具有相对较高的热传导率，一些热量18’也会传到激光器12。热量18’可能会损坏二极管或会熔化用来连接激光器12和基座16的焊锡，这就会降低激光器12的可靠性并且加快焊锡连接的老化。在准直过程中，热量18’也会引起激光器12的准直错位和/或关掉激光器12。
根据本发明的光学连接模块将光学元件固定到基座并将光学元件对准到激光器。该光学连接模块包括固定到基座的光纤支座和厚度大于20微米的绝热材料。一个光学元件通过来自激光器的热能被焊接到光纤支座上。激光支座被固定到基座上。激光器被固定到激光支座上。
本发明的其它特征是，光学元件选自有源及无源光学元件如光纤，透镜，反射镜，滤镜，探测器，隔离器及微电子机械器件。
发明内容
本发明提供一种用来将光学元件固定到基座上并将该光学元件与第一激光器对准的光学连接模块，包括：基座；固定到所述基座的光纤支座，包括厚度大于20微米的绝热材料；用来自第二激光器的热量和焊锡被焊接到所述光纤支座上的光学元件；位于所述绝热材料和光学元件之间的光纤焊片；固定到所述基座上的激光支座；及固定到所述激光支座的激光器，其中所述激光器与所述光学元件对准。
本发明还提供一种制作集成光学连接模块的方法，包括：提供基座；对该基座的第一区域进行图案形成和蚀刻；在该基座的第一区域内提供绝热材料；对绝热材料和基座进行抛光以提供平面，该平面包括基座部分和绝热材料部分；将包括至少一层金属层的光纤焊片固定到该绝热材料部分；将第一激光器放在基座部分上；及将光学元件与光纤焊片对准并将其固定到光纤焊片上。
本发明的另一些特征是，在焊锡和绝热材料之间有光纤焊片。该光纤焊片的水平热流特性远远大于其垂直热流特性。光纤焊片位于绝热材料和光纤之间。在激光熔接过程中，光纤焊片和绝热材料将热能进行局部和横向传导以均匀地熔化焊锡。在熔接过程中，绝热材料和光纤焊片限制热能被传到基座。光纤焊片同时也是连接光学元件的一个坚固的固定点。光纤焊片的厚度也帮助横向传热。而且，光纤焊片也提供一个熔锡坝。
本发明的另一些特征是，光纤焊片包括许多层。其中一层由金制成，另一层的材料选自镍，铬，钛和氧化铬材料。其他层可以是钛和铂。
本发明的另一些特征是，用来将光纤对准和固定到基座的集成光纤耦合激光模块包括集成到基座内的绝热材料，其厚度大于20微米。光纤焊片包括至少一层固定到绝热材料的金属层。光纤被激光焊接到光纤焊片。在基座有激光器。
本发明的另一些特征是，集成绝热材料由火焰水解或阳极焊接制成。
通过下文的详细描述，本发明的其它适用领域会变得更为明了。必须指出的是，在说明本发明的最佳实施例时，以下的详细说明和特例只是用来帮助说明，并不限制本发明的范围。
附图说明
通过详细说明和所附图示，可以更全面地理解本发明。
图1所示的是一个根据现有技术的光纤耦合激光模块，其中激光器和光纤被对准并固定到基座上；
图2所示是根据本发明的一个光学连接模块，其中激光器和光学元件如光纤被固定到基座上；
图3是一个横截面图，表示位于光学元件和绝热光纤支座之间的光纤焊片；
图4是光纤焊片的一部分的平面图；
图5为焊锡和光纤焊片的一部分的端面横截面图；
图6A和6B所示的为图2中的光学连接模块和激光焊接系统的实例；
图7A和7B所示的为根据本发明的一个集成光学连接模块，该模块带有激光器和光学元件，如一根光纤；
图8A-8C所示是图7的集成光学连接模块的第一个实施例；
图9A-9C所示为图7的集成光学连接模块的第一个实施例中在横向边隙中使用玻璃材料的示意图；
图10A-10D为图7中的集成光学连接模块的第二个实施例；
图11是根据本发明的光学元件准直系统的示意图。
具体实施方式
对下列实施例的描述只是为了说明，决不对本发明及其应用或用途进行限制。
本发明提出了一种装置及改良了的方法，用来将光学元件固定到基座，并将光学元件与激光器对准在一起。本领域技术人员会发现本发明可以用来将有源和无源光学元件，如光纤，反射镜，透镜，探测器，微电机械(MEMS)器件，隔离器和其它光学元件固定到基座，而不会因为加热损坏激光器。
结合图2，通过光纤的光连接模块30对本发明进行说明。本领域技术人员会发现本发明可以用于其他有源和无源光学元件的固定和对准。激光器32在焊接区40被固定到激光器支座38上。激光器支座38在焊接区44被连接到基座42。光纤34被用焊锡52固定到光纤焊片50上。光纤焊片50可以有一层或多层。但最好至少有一层是金属材料做的。
为了用焊锡52进行焊接，光纤34的一部分最好有一层金属外层53。或者，金属外层53可以省去，而通过将焊锡完全地流到光纤34的周围来将光纤34固定到光纤焊片50上。比较合适的金属外层53可以是镍金(NiAu)或其它类似的金属层。光纤34的一端可以包括透镜表面54以增加光纤34的耦合效率。光纤焊片50被固定到光纤支座55上。光纤支座55在焊接区56被固定到基座42上。
焊锡52最好具有相对较高的熔化温度如250℃或更高。焊锡最好是易熔并在室温下很硬且有最小的塑性变形。塑性变形是活化能的一个函数，通常与焊锡的熔化温度有关。换句话说，高熔化温度通常与高活化能相对应。将塑性变形减少到最小可以帮助在使用过程中维持准直状态。例如，焊锡可以是金锡(AuSn)并有284℃的熔化温度。也可以考虑组成成分如金80％和锡20％或者其它成分构成。其它合适的焊锡材料包括铅锡(PbSn)和金锗(AuGe)。光纤支座55最好由绝热材料做成。例如，绝热材料可以是玻璃(二氧化硅(SiO2))，诸如Micor、氧化锆(Zirconia)或M120的陶瓷，或其它类似的绝热材料。
激光器32和基座42之间的通路最好具有相对较高的热传导率。换句话说，激光器支座38和焊接区40和44有相对较高的热传导率以将操作过程中的激光结(junction)温度减到最小并且可以提高功率，效率和可靠性。例如，激光器支座38最好由CuW，AlN，SiC，BeO，Si，TcBN，或钻石做成。焊接区40和44最好包括如含有80％金和20％锡的金锡(AuSn)材料的焊锡(也可以考虑其它成份和比例)。
图3详细地图示了光纤焊片50和光纤支座55的一个最佳实施例。光纤焊片50包括一层或多层，并且在激光焊接过程中提供横向热传导以将热充分的导向焊锡52。光纤支座55限制了垂直方向的热传导以防止热量通过光纤焊片50和光纤支座55传到基座42和激光器32。光纤焊片50同时还提供焊锡坝，吸收激光，提高固定区域的可靠性并且/或者促进横向热传导。
在一个实施例中，光纤焊片50包括由60a到60h的各层。层60a提供了一层焊锡润湿层，并最好是由金或其它类似材料做成。层60b提供了一个焊锡阻挡层并最好由铂或其它类似材料做成。层60c提供了一个机械支撑并最好由镍或其它类似材料做成。层60d在层60c和60e之间提供粘接并最好由钛或其它相似材料做成。层60e为入射激光提供吸收，起着焊锡阻挡层的作用，并最好由钛或其它相似材料做成。层60f提供横向导热并最好由镍或其它相似材料做成。层60g在层60f和60h之间提供粘接并最好由钛或其它相似材料做成。层60h给光纤支座55提供横向导热和粘接并最好由镍-陶瓷合成物或其它类似材料做成。
光纤焊片50为光纤支座和焊锡阻挡层提供一个强有力固定点。光纤焊片50同时也要允许经过由光纤焊片50提供的层厚的横向导热。正如大家所知，对于本领域技术人员，本发明可有许多变动，包括去掉其中的一层或多层，附加其它层，和/或用具有类似特性的层替代。
图6A中，焊锡52最好在对准和固定过程中用激光来加热熔化。为了清楚起见，图2中的所用的数字在图6中如果是同一物体都沿用相同的数字。激光源70与光纤74连接。光束76从光纤74中输出。光束76由准直透镜78准直并由聚焦透镜80聚焦到焊锡52。较有利的是所需激光源70的功率相对较低，例如当用金锡作为焊锡52的时，1-3瓦就足够了。最初，激光器32和光纤34被对准到一起。光束76加热焊锡52引起焊锡熔化。随后，光束76被关闭或不再导向焊锡52。焊锡52冷却，固化并相对激光器32固定光纤34的位置。图6B中，多个激光源82-1和82-2通过光纤84-1和84-2被连接到光束传输系统86。光束传输系统86在对准和固定过程中将光束88导向焊锡52。对准过程可以重复一次或多次直到对准为止。正如大家所知，如果需要可以采用两个以上的激光源。
图7A和7B中所示的是一个集成光连接模块90。集成光学连接模块90包括基座92和绝热材料94，该绝热材料与基座92直接集成在一起。基座92最好由硅，InP，GaAs或其它合适材料做成。绝热材料94最好由玻璃，陶瓷或其它任何合适的绝热材料做成。绝热材料94是一个平面。光纤焊片96被固定到绝热材料94的上表面。光纤焊片96最好与光纤焊片50的结构相似。激光器95直接制作在基座92上或在焊接区域(没有图示)被固定上。焊锡100将光纤102固定到光纤焊片96上。也可加上一层额外的金属外层104(如上所述)。激光器加热焊锡102和/或光纤焊片96。在图7A中，单束激光束106加热锡100。在图7B中，多束激光束107和108一起均匀地加热光纤焊片96。
图8A，8B和8C中所示的是用来在基座92中制成相对较厚的绝热材料94的第一种方法。基座92和绝热材料94被定型和蚀刻。基座92和绝热材料94的焊接表面的光滑度应当非常匹配。最好的是，用来做基座92和绝热材料的材料的热膨胀系数(CTE)要基本匹配。在存在电场的情况下，基座92和绝材料94在上升温度下开始相互接触。基座92和绝热材料94之间在原子程度上形成一个阳极焊接。基座92和绝热材料94如图8C所示被抛光。正如大家可以看出，前述的方法允许相对厚的绝热材料94与基座92集成在一起。
图9A，9B和9C中所示的是在基座92中制作相对较厚的绝热材料94的其它步骤。绝热材料94和基座92在绝热材料94的边缘112和基座92的边缘114之间有蚀刻的特征或横向间隔110。间隔100用如图9B所示的一种粉状玻璃116填满。高温退火后，玻璃粉116就固化为玻璃。对表面118进行抛光以提供一个如图9C中所示的光滑平表面。退火是在高于300℃的温度下进行的。
图10A，10B，10C和10D中所示的是用来制作集成光纤耦合激光模块90的第二种方法。图10A中，用一个掩模120使基座92定型。图10B中，基座92在93处被侵蚀。最好用反应离子侵蚀，化学侵蚀或其它合适的侵蚀方法。图10C中，掩模120被拿掉，通过一次或多次的火焰水解就形成绝热材料122。通常每次会长出10-30微米。
图10D中，对原先被掩模120盖住那部分进行抛光使基座92再次显露以提供一个平的光滑表面124。最好能使用作基座92和绝热材料94的材料具有相匹配的热膨胀系数。采用火焰水解的方法生成的绝热材料94在基座92上可提供无孔隙的玻璃。此外，集成光学连接模块90也具有良好的平坦度。
绝热材料94的厚度最好在20-300微米之间。根据本发明的光学连接模块在激光器和基座之间有一个较高的热传导率以保证高功率工作。光学连接模块在光纤固定区和激光器之间也有一个较高的热传导率以便在光纤的焊接过程中将激光器的温度增加减到最小。光学连接模块在光纤固定区也有相对较高的热传导率以将所需热能减到最小。而且，光学连接模块在操作和加工处理温度下具有机械稳定性。集成光学连接模块表面平坦而且制造成本也较低。
图11所示的是一个光学元件准直系统150，包括计算机152，定位装置154，和测量器件158。光学元件准直系统150结合图7A的实施例示出。本领域技术人员会理解，光学元件准直系统150可以与本发明中的其它实施例一起使用。
激光器160生成一束或多束激光束162，这些光束被导向焊锡100和/或光纤焊片96以加热焊锡。计算机152打开激光器95。测量器件158生成一个与光纤102或其它光学元件的输出相关的输出信号并将输出信号输入计算机152。计算机152计算出位置调节信号，这些信号被用来调节光纤102的位置。重复一次或多次直到光纤102与激光器95正确的对准在一起。
通过对前面描述的理解，本领域技术人员可以发现本发明的广泛概念可以用多种的形式来实现。因此，虽然本发明通过具体特例加以描述，但本发明的实际范围不应受到限制。本领域技术人员通过对附图，说明书和下面的权利要求书的研究，可对本发明进行修改。
Claims (12)
1.一种用来将光学元件固定到基座上并将该光学元件与第一激光器对准的光学连接模块，包括：
基座；
固定到所述基座的光纤支座，包括厚度大于20微米的绝热材料；
用来自第二激光器的热量和焊锡被焊接到所述光纤支座上的光学元件；
位于所述绝热材料和光学元件之间的光纤焊片；
固定到所述基座上的激光支座；及
固定到所述激光支座的激光器，其中所述激光器与所述光学元件对准。
2.根据权利要求1所述的光学连接模块，其中该光学连接模块是一种光纤耦合激光模块并且该光学元件是光纤。
3.根据权利要求1所述的光学连接模块，其中所述光纤焊片和该绝热材料在焊接期间进行局部导热以均匀地熔化焊锡，并限制热量传到该基座。
4.根据权利要求1所述的光学连接模块，其中光纤焊片起到下列作用的至少之一：提供焊锡坝、吸收激光、进行横向导热和提高所述光学元件和基座间的固定强度。
5.根据权利要求4所述的光学连接模块，其中所述光纤焊片有多个层，这些层包括：
金构成的第一层；
由选自包括镍，铬，钛和氧化铬的组中的一种材料构成的第二层；
钛构成的第三层；和
铂构成的第四层。
6.根据权利要求1所述的光学连接模块，其中所述绝热材料由选自包括玻璃和陶瓷的组中的一种材料构成；所述焊锡由选自包括AuSn，PbSn和AuGe的组中的一种材料构成；并且所述激光支座由选自包括AlN，AlNi，SiC，BeO，TcBN，钻石和硅的组中的一种材料构成。
7.根据权利要求1所述的光学连接模块，其中所述光学元件为选自包括光纤，反射镜，透镜，探测器，微电机械器件(MEMS)，和隔离器的组中的一种光学元件。
8.一种制作集成光学连接模块的方法，包括：
提供基座；
对该基座的第一区域进行图案形成和蚀刻；
在该基座的第一区域内提供绝热材料；
对绝热材料和基座进行抛光以提供平面，该平面包括基座部分和绝热材料部分；
将包括至少一层金属层的光纤焊片固定到该绝热材料部分；
将第一激光器放在基座部分上；及
将光学元件与光纤焊片对准并将其固定到光纤焊片上。
9.根据权利要求8所述的方法，其中通过阳极焊接提供所述绝热材料。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述基座和绝热材料之间形成至少一个横向间隔，还包括以下步骤：
在所述横向间隔中填入玻璃材料；
对基座，绝热材料和玻璃材料进行退火处理；和
对基座，绝热材料和玻璃材料的外表面进行抛光。
11.根据权利要求8所述的方法，其中通过在所述的第一区域内进行火焰水解提供所述绝热材料。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述光学元件通过由第二激光器加热的焊锡固定到所述光纤焊片上。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20151029 Address after: California, USA Patentee after: Lumentum Operations LLC Address before: American California Patentee before: JDS Uniphase Corp. |
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| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20060913 |