TWI226465B - Packaging method and structure of optical-fiber optical device - Google Patents

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TWI226465B
TWI226465B TW092123652A TW92123652A TWI226465B TW I226465 B TWI226465 B TW I226465B TW 092123652 A TW092123652 A TW 092123652A TW 92123652 A TW92123652 A TW 92123652A TW I226465 B TWI226465 B TW I226465B
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Jui-Cheng Kao
Chih-Wei Huang
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Description

1226465
【發明所屬之技術領域] 本發明係涉及一種光纖通 其係利用毛細作用將接合齊彳淳^ 部件之間之微小間隙内，而達^ 法與結構。 訊之光學器件之封裝結構， 入一光學器件之次組合與各 到緻密接合及密封之封裝方 【先前技術】 目前-般光纖通訊之光學元件之封裝，大都是利用接 合劑將光學元件及必要部件黏合在一起作成次组八 (SUb-assembly)，然後再以銲錫技術將其封裝成&體密封 之產品，弟一圖顯不一種利用銲錫技術製造的習知光加取 濾波器（Optical Add/Drop Filter)之封裝剖面圖，其係 先利用接合劑將各元件組合成入射端（c〇mm〇n p〇rt) 3〇及 穿透端（pass port) 31 ’然後再以銲錫技術將入射端3〇及 穿透端3 1組合。該入射端3 0之雙心光纖準直器（d u a 1 fiber collimator)包括：一雙光纖陶瓷套圈引線（(111&1 fiber pigtail) 2、一 對光纖（fiber) 3a、3b、一 第一折 射率漸變透鏡（GRIN lens) 4、一第一玻璃套管（giass tube) 8a及一濾波片（filter) 5，而該穿透端31之單心光 纖準直器（single fiber collimator)包括：一第二折射 率漸變透鏡（GRIN lens) 6、一單光纖陶瓷套圈引線 (single fiber pigtail) 7、一光纖3c 及一第二玻璃套管 (g 1 a s s t u b e) 8 b。當該光加取滤波器操作時，至少兩個 以上的不同波長光訊ϊ虎從入射端3 0的光纖3 b射入，其中竿
1226465 -- 案號92123652__年月 R #正_ 五、發明說明（2) "" ' " 一個特定波長的光訊號會通過濾波片5，然後經第二折射 率漸變透鏡6聚焦在第二玻璃套圈7的左端面，再由光纖化 輸出；其他波長的光訊號則被濾波片5反射，經第一折射 率漸、I透鏡4聚焦在第一玻璃套圈2的右端面，再經由光 3 a輸出。 ’
光學元件之性能及長期使用之穩定性與環境密封性· 息相關，第一圖中入射端30之第一玻璃套管“與雙光纖g 瓷套圈引線2及第一折射率漸變透鏡4間具有一狹小間隙 (大約0· 0 0 5〜〇· 3mm)，利用毛細作用將接合劑滲入該間隙 内丄以達到緊密接合及密封之效果，接著用一金屬管9a套 在第一玻璃套管8a外面，再以接合劑填入兩者之間的微小 間隙(θ大約0.0 0 5〜〇.3mm)内，以達到緊密接合及密封之效 果 穿透端31之接合方法與前述方法相同，利用接合劑填 入第二玻璃套管8b與單光纖陶瓷套圈引線7及第二折射率 漸，透鏡6間之狹小間隙内，接著用一第二金屬套管⑽套 在第二玻璃套管讣外面，再以接合劑填入兩者之間之微小 間1内’以達到緊密接合及密封之效果。當入射端3 〇與穿 透端31組合時，入射端3〇之特定波長光源進入穿透端3丨之 二強度萬達到隶大值’亦即***損失（inserH〇n i〇ss)需 表】 封I時’為使穿透強度達到最大值，穿透端3 1之位 置相對於入射端3 〇會產生偏移及傾斜，亦即穿透端3 1與入 射端Μ不會在同一軸線上，因此，外封管（h〇using /與第一金屬套管9a及第二金屬套管⑽之間的間隙必須預 留較大的餘裕空間（約〇·}〜！. 5mm)，方能使穿透端31及入
1226465 9212365^
五、發明說明（3) 射端30在外封管丨丨内得到 屬套管9a及第二金屬套/的耦a 。外封管11與第一金 ^(solder Process) ^ 5 入射端30的相對位置，者 / 首先凋整穿透端31及 屬套管9b接合密封。 ’、 孟屬套f 9a及第一金 元件： = 波器之封裝方法是先以接合劑滲入各 :門之狹小間隙内而形成緊密接合的 然後再以銲錫製程組合成一體 兀件火、、且b， 程中，元件合為赦，n门士體的封產口口。然而在銲錫製 牛€又…’且同日守需作耦光調整，择作不荔· # 錫袅程所造成的微應力會漸漸釋放，光及^ =璃套管’X金屬套管及外封管需鍍金才能 ^ a ，會增加整體元件體積及材料成本。 -… 【發明内容】 《所欲解決之技術問題》 本發明主要在於解決習知的光纖光學器件之封 銲錫製程之缺失如下： 、
1 ·在銲錫製程中，元件會受熱，且同時需作耦光 作不易； # 2·鋒錫製程所造成的微應力會漸漸釋放，而影響光學性能 及長期使用之穩定性； ^ 3 ·必須額外使用兩個金屬套管及兩個玻璃套管，且金屬套
1226465 案號92123652 年月日 修正 五、發明說明（4) 管及外封管需鍍金才能與銲料緊密結合，會增加整體元件 體積及材料成本。 法 方 下 如 .括 :包 段段 手手 術術 技技 之之 題明 問發 決本 解 纖 光 有 具 端 兩 其 合 組 次 之 件 器 學 光 之 能 功 定 特； 備來 具出 一伸 1·延 劑將 合而 接， 用内 利隙 ’ 間 帽小 環狹 一之 進間 套合 端組 一次 第之 之件 合器 組學 次光 之該 件與 器帽 學環 光該 該入 2滲 為 度 長 纖 光 段 一 留 預 端 二 第 之 合 組 •，次 封之 密件 及器 合學 結光 密該 緊在 其3· 4. 在該光學器件之次組合第二端所預留之一段光纖d 1後 面，剝除另一段光纖之被覆層（長度為d2); 5. 該光學器件之次組合第二端之光纖套入一套管，該套管 具有一僅能容納光纖通過的中央孔洞，該套管完全覆蓋該 剝除掉被覆層之光纖，利用接合劑滲入該套管之中央孔洞 與該剝除捧被覆層之光纖間的狹小間隙内，而將其緊密結 合及密封； 6. 在該環帽及該套管外面套入一金屬外封管，利用接合劑 滲入金屬外封管與環帽及套管間之狹小間隙内，而將其緊 密結合及密封； 《對先前技術之功效》
第8頁 I226465 修正 五 曰 案號 92123652 、替明說明（5) 各邹：pd τ裝方法比較，本發明主要利用接合劑滲入 果間隙内，而達到緊密接合及密封之良好效 佳、县：ίΐΐ!用f銲錫製程，故能得到光學性能更 又功使用穩定及節省成本之光纖光學器件。 【實施方式】 =二圖為一光學器件之次組合31〇的示意圖，其係由 陶ϊί:件串接的小型化光加取遽波器，纟包括：雙光纖 =套圈引線uual flber Plgta⑴210、第一漸變折射载 率透鏡（GRIN Lens) 200、濾波片（WDM FUter) 23〇、第 :漸變折射率透鏡（GRIN Lens) 2〇1、單光纖陶瓷套圈引 線（single fiber pigtail) 220 及光纖 270、271、272，在 各個介面之間分別以接著劑25〇作介面的強化，第三圖為 本發明之小型化光加取濾波器的封裝示意圖，其封裝方法 t下：在雙光纖陶瓷套圈引線2 1〇外面套入一長度為⑽的 %帽（housing cap) 241，其材質需具備完全隔絕水氣且 具適當的熱膨脹係數及不易生鏽等性質，其可為金屬或玻 璃或陶瓷，該環帽241與雙光纖陶瓷套圈引線21〇之間的間 隙2 9 1非常狹小（大約為〇 · 〇 〇 5〜0 · 3 mm )，利用毛細作用將 接合劑（如環氧樹脂（epoxy resin))滲入該間隙291内，達 到緊密接合及密封之效果。單光纖陶瓷套圈引線2 2 0後端 的輸出光纖2 7 2於適當距離d 1之後，剝除一小段（長度為 d2)光纖272a被覆層，該被覆層一般為壓克力材質，具保 護光纖之作用，但質較軟無法與接合劑作良好接合，必須
第9頁 1226465 案號 92123652 五、發明說明（6) 剝除’接著光纖272套入一套管（sieeve) 242，其長度略 大於d2 ’其材質與環帽241材質相同，套管242有一狹小的 中央孔洞245僅容光纖272穿過，而套管242與光纖272a之 間之狹小間隙294 (大約為〇· 00 5〜〇· 3mm)以接合劑滲入其 内，以達到緊密接合、密封及保護被剝除被覆層的光纖 2 72a之效果，最後，在環帽241及套管242外面再套入一金 屬外封管（metal housing tube) 243，該外封管243除需
具備完全隔絕水氣、不易生鏽及適當強度外，且需具備與 元件相互匹配的熱膨脹係數，外封管2 4 3與環帽2 4工及套管 2 4 2之間的狹小間隙2 9 2 (約為〇. 〇 〇 5〜〇 · 3mm)以接合劑滲入 其中’而達到整體緊密接合及密封之效果。 參考第二圖，封裝後之小型化光加取濾波器之内部 域320會受到環帽241、套管242及金屬外封管243的 在材料選擇上環帽241、套管242及金屬外封管243 脹係數與光學器件之次組合31〇之熱膨脹係數需能 配，在溫度變化情況下，才能避免其彼此之間的應 。。光學器件之次組合310的熱膨脹係數約為5 χ 1〇_6产 / c，係由各部零件個別的熱膨脹係數所共同加權1 ’選用的金屬外封管243材質之熱膨脹係數亦以5 χ 局部區 束缚， 之熱膨 適當匹 力作用 9χΐ〇-6
算而得 1 0'6 〜9 月取脹係 6/°C 以 另 撓性， 範f為佳。一般而言’該金屬外封管的熱 :與各部凡件之整體熱膨脹係數之差最好在3〇χ ι〇 (睛麥考第五圖）；兩者之熱膨脹係數相同更好。 =，由於光學器件之次組合31〇中的光纖m具備可 預省光纖長度dl的目的是為了應付當光學哭件之欠
第10頁 1226465
，、且口3 1 〇又」由同 >皿交化到低溫時之 272彎曲變形（一般而言，接人南丨的干/目應力而拉成光纖 I5W卜），如篦FI π _ 接σ d句祐經加熱烘烤使其完全 .^979 4W Λ ,〇Γ7π U &屬外封官243的壓縮應力而造 成光纖272，曲成272c，若其彎曲直徑在伽 會造成光學器件額外的損傷及產σ祕At 上 並不 总链Β μ哭杜： 性能上的變#。第五圖 U不先〜件中的局部區域32Q長度為2()_且光學哭件 之次組合的膨脹係數仏1Q-6/t時，光纖2
(光纖的膨脹係數為〇.5x旧。C)與金屬外封管243 =服 係數（即材質選擇）的關係圖，若金屬外封管2 數越大於光學器件之次組合3ΐα的熱膨服係數 之預留長度dl需越長。 t發明之封裝結構除可應用在小型化的三通道光加取
濾波益（3-port optical add-drop filter)外，亦可用於 其他光學元件的封裝製程中，如多通道光加取濾波器、光 耦=益（joupler)、光隔絕器（〇ptical Is〇lat〇r)、極化 光分光器（Polarization Beam Splitter)或其他混成元件 (Hybrid component)所組合成的光學器件之次組合等，第 六圖顯示一個多通道之光學器件的封裝結構，其結構與第 三圖幾乎相同，不同的是：光學器件之次組合33〇之第、二 端有二條光纖272、273，且於其第二端後面適當的距離^ 之後，該輸出光纖272、273之被覆層需剝除一小段長度d2 (即光纖272a、273a)，套管242之中央孔洞245僅容光纖 2 7 2/ 2 73穿過。光學器件之次組合33〇為具備特定功能之 光學組件’可為上述各種不同的產品形式，依產品型態之
1226465 ---篆I虎 92mfi52_ 年月 g____ 五、發明說明（8) 不同，光學器件之次組合33 0兩端的光纖數量可為一條或 多條。 第七圖顯示光學器件之次組合330兩端都用套管方式 封裝’其接合方式與第三圖所示方式相同。這種方式的封 裝結構對外力的抵抗性較差，所以填入緩衝材料4 〇 〇，材 質可為質較軟的矽膠（si 1 icon)或橡膠（rubber)。 第八圖顯示應用本發明封裝結構之另一種型式，當裝 置在罐裝結構（TO-Can) 351上之垂直共振腔表面放射雷射 (VCSEL)、接收器（Receiver)或由MEMS所組成之次組件 <^ub_assembly) 352與光纖準直器3〇〇耦合至最佳位置 時/將光纖準直器3〇〇固定在罐裝結構（了〇 —Can) 351上， 然後將金屬外封管243套在罐裝結構（T〇_Can) 351上，再 以接合劑滲入金屬外封管243與罐裝結構（T〇 —Can) 351之 間的狹小間隙2 9 5 (約為〇 · 〇 〇 5〜0 . 3 mm)内，而達到緊穷接 果。此外’光纖準直器300後端之封裝^式 '#f242 ^ ^ t 長度C刀別為d2、及d4)越| ，目,ι 其分：：：光學器件之次組合310、33。及金屬外則 以上利用接合劑結合各部件之封裝 f j效果。 若不考慮匕成本因素’相同於前述之封裝結; =’ 以有，些變化，第三、丄 傅 、，、口 口方法可 如間、夕卜封管243與套州2管⑷與環帽 、答& 間之接合亦得以銲錫
第12頁 1226465 五、發明說明（9) (solder)或雷射 及密封之效果， 不同的是··本發 件之次組合31 0 時只需注意光纖 不影響光學性質 242與光纖272a、 破$离焊接（glass 以上所述者 已，並非企圖據 凡有在相同之創 更’皆為本創作 案號 92123652 焊接（Laser welding)方法達到緊密接合 该銲錫或雷射焊接方法與先前技術之做法 明之封裝結構不需要耦光，因為該光學器 ‘ 3 3 0已將各光學元件耦光串接好了，封裝 不要有嚴重的彎、折（bending)，因此可在 之前提下，作快速的封二口地此了二 、273a間之接合亦可利用銲锡（s〇ider)或 sojderO方法而達到快速密封之效果。 二釋本創作之較佳實施例而 作作任何形式上之限制，是以， 作精神下所作有關本創作 J疋乂 申請專利範圍所涵蓋。彳何修飾或變 1226465 -£^2123652_±_月 曰 纟正 圖式簡單說明 / 第一圖顯示習知之光加取濾波器以銲錫封裝的剖面圖。 第一圖顯示小型化光加取滤波器之光學器件之次組人的厂、 意圖。 口不 第三圖顯示本發明之小型化光加取濾波器封裝結構之 種實施例的剖面圖。 第四圖顯示本發明之小型化光加取濾波器之封裝結構中， 在玻璃套管後面預留一段光纖長度以緩衝因溫度g化產 生之應力的示意圖。 第^圖係顯示光學器件中的局部區域320長度為2〇匪且光 ^器件之次組合3 1 0的膨脹係數為7 X 1 〇_6 /充時，金屬外封 =之膨脹係數與預留之光纖長度。之關係圖。 圖=示另一種形式的光學器件以本發明之封封 裝的不意圖。 第七圖顯示本發明之扭駐# 夕；^人 Θ之封凌結構之第二種實施例，光學器件 之次組合兩端都用套管方式封裝。 第八圖顯示本發明之封裝結構：第三種實施例。 【元件符號簡單說明】 ，光纖陶瓷套圈引線2 ，一折射率漸變透鏡4 ，二折射率漸變透鏡6 第一玻璃套管8a 第一金屬套管9a 外封管1 1 光纖3a、3b、3c 遽波片5 單光纖陶瓷套圈引線7 第二玻璃套管8b 第二金屬套管9b 銲錫1 2
弟14頁 穿透端3 1 第二漸變折射率透鏡2 01 單光纖陶瓷套圈引線220 環帽241 金屬外封管2 4 3 接著劑2 5 0 . 光纖272c 光纖準直器3 0 0 · 罐裝結構（TO-Can) 351 接收器或由Μ E M S所組成之次組 1226465 圖式簡單說明 入射端3 0 第一漸變折射率透鏡2 〇〇 雙光纖陶瓷套圈引線2 10 濾波片2 3 0 套管242 中央孔洞245 光纖270、271、272、273 光纖272a、273a 間隙291 ^ 292 ^ 293 ^ 294 > 295 光學器件之次組合310、330 局部區域3 20 垂直共振腔表面放射雷射 件352 緩衝材料4 00
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Claims (1)

1226465 --塞號 92123fiB?_年月日___修正__ 六、申請專利範圍 1 · 一種光纖光學器件之封裝方法，其包括： 一具有特定功能的光學器件之次組合，其兩端具有光纖延 伸出來； 該光學器件之次組合之第一端套進一環帽，利用接合劑滲 入该壞帽與該光學器件之次組合間之狹小間隙内，而將其 緊後結合及密封； 在該光學器件之次組合之第二端預留一段光纖（長度為 dl)； 在該光學 剝除、另一 該光學器 有一僅能 除掉被覆 該剝除掉 及密封； 在該環帽 入金屬外 結合及密 2·如申請 件之次組 因溫度變 外封管之 留之光纖 3·如申請 裔件之次組合第二端所預留之一段光纖d丨後面， 段光纖之被覆層（長度為d2); =之次組合第二端之光纖套入一套管，該套管具 容納光纖通過的中央孔洞，該套管完全覆蓋該剝 層之光纖，利用接合劑滲入該套管之中央孔洞與 被覆層之光纖間的狹小間隙内，而將其緊密結合 …屬外封管，利用接合劑滲 /、衣巾目及套管間之狹小間隙内，而將其緊密 封。 :利=圍第1項所述之封裝方法，其中該光學器 :之=二端後面預留—段光纖長度dl，係為緩衝 π 2 π ΐ之f力而設，該預留之光纖長度dl依該 上二W而疋，該外封管之膨脹係數越大，則預 長度d 1需要越長。 專利範圍第1項所述之封裝方法，其中該光學器 1226465
修正 六、申請專利範圍 件之―人I且^ f —铋之光纖處理方法為··預留一段光纖長度 d 1、’在4 ^之光纖長度之後，剝除一段光纖被覆層（長 度為d 2 二:除掉被覆層之光纖長度略小於該套管長 度曰°亥套&套入光纖後，該套管完全覆蓋該剝除掉被覆 層之光纖，以保護該段剝除掉被覆層之光纖。 4·如申請專利範圍第1項所述之封裝方法，其中該光學器 件之次組合與該環帽相接合的部分為可完全防水的緻密材 質，可為金屬或陶竟之一種。 如t請專！I範圍第1項所述之封裝方法，其中該環帽與 S玄套官之材質為可完全防水的緻密材質，可為金屬或陶瓷 之一種。 6. 如申請專利範圍第丨項所述之封裝方法，該外封管與該 環帽間、該外封管與該套管間之接合係利用銲錫焊接之方 式接合。 7. 如申請專利範圍第丨項所述之封裝方法，該外封管與該 環帽間、該外封管與該套管間之接合係利用雷射焊接之ϋ方 式接合。 8·如申請專利範圍第丨項所述之封裝方法，該套管與該剝 除被覆層之光纖間之接合係利用銲錫焊接之方式接人〜。 9·如申請專利範圍第i項所述之封裝方法，該套"管與3該剝 除被覆層之光纖間之接合係利用玻璃烊接之方式接人〃。 10·、如申請專利範圍第i項所述之封裝方法，其中該ς合劑 可為％、氧樹脂（e Ρ 〇 X y resin) 0 11 ·如申請專利範圍第丨項所述之封裝方法，其中該金屬外
1226465 _________案號 92123652 _年 月_日修正___ A'申請專利範圍 封管的熱膨脹係數與各部元件之整體熱膨脹係數之差最好 在3 Ο X 1 〇_6 /, °C以内；兩者之熱膨脹係數相同更好。 1 2 · —種光纖光學器件之密封封裝結構，其包括·· 一光學器件之次組合，其兩端具有一條或多條光纖延伸出 來； 該光學器件之次組合之第一端套進一環帽； 在該光學器件之次組合之第二端預留一段光纖（長度為 d 1)，並於其後方剝除另一段光纖之被覆層（長度為d 2); 該光學器件之次組合第二端之光纖套入一套管，該套管具 有一僅能容納該光纖通過的中央孔洞，該套管完全覆莫: 剝除掉被覆層之光纖·， | ^ 在該環帽及該套管外面套入一金屬外封管。 1 3 · —種光纖光學器件之密封封裝結構，立包括· 出
:光學器件之次組合，其兩端具有一條或多條光纖延伸 二端各預留一段光纖 一段光纖之被覆層
在该光學器件之次組合之第一端及第 (長度為dl)，並分別於其後方剝除另 (長度為d2); 該光學器件 f，該等套管具有-僅能；;=入-等套管完全覆蓋該剝除掉被覆層《光纏 央孔洞 在該等套管外面套入一金屬外封管’ 14二，Λ器件之密封封裝結構，-包括· 一光學态件之次組合，其第 得 八匕栝· 1226465 _案號92123652_年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 有一條或多條光纖延伸出來； 在該光學器件之次組合之第二端預留一段光纖（長度為 dl)，並於其後方剝除另一段光纖之被覆層（長度為d2); 該光學器件之次組合第二端之光纖套入一套管，該套管具 有一僅能容納該光纖通過的中央孔洞，該套管完全覆蓋該 剝除掉被覆層之光纖； 在該光學器件之次組合第一端及該套管外面套入一金屬外 封管。
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