NO844307L - Framgangsmaate og anordning for kobling av fotodetektorer og optiske fibre - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et system for kobling mellom en fotodetektor og en optisk fiber, spesielt for innretting og montasje av optiske fibre med fotodetektorer i en hermetisk pakke med glassvindu og uten fiberleder.

Det er velkjent at overføringssystemer med optiske fibre brukt i kommunikasjon er forbundet med til-gjengelighet på kilder, og detektorer som må være effek-tive, pålitelige og billige, slik som ved hermetiske pakker uten fiberleder, type APD (Avalanche Photo- Diode), som krever fiber- fotodetektor utstyr med høy styrke og kvalitet.

Det er velkjent at tettheten i pakken er uunn-værlig for å garantere beskyttelse mot forurensing fra forurensingskilder, som p.g.a. høye inngangsspenninger på rundt 200 V, som er nødvendig for å oppnå forsterkning, ville redusere komponentens holdbarhet betraktelig.

Koblingen mellom fiber og APD gjennom glassvinduet kan være svært høy siden framstillingsteknikken for APD gir god ytelse med et nyttig lysfølsomt område med en diameter mellom 250 og 600 mm, hvortil det svarer en maksimal avstand på aberen uten tap i forbindelsene mellom 0,49 og 1,35 mm.

De klassiske løsningene for koblingen av fibrene med en detektor forsynt med glassvindu og uten leder er tallrike, men ikke fri for ulemper.

For å illustrere ideene kort, er den konvensjonelle vanlig brukte anordningen (også brukt av søkeren) vist i skjematisk snitt i fig. 1. Den er laget av en stort sett sylindrisk bøssing (BU). Dens nedre side og hull (PA) holder APD'en som ender med glassvinduet (VE). Monofiber-kabelen (CA) med armeringen (G) trenger med en bestemt dybde inn i den sylindriske delen av bøssingen (BU), og fortsetter inn i den nedre sonen med en dybde (h) uten armering med den udekte fiberen (FO).

Mellom den sylindriske delen (BU') på bøss-ingen (BU), og passasjen (PA) med en nedre diameter er det en avkortet konisk avpasning (BU").

Som tegningen viser, holdes fiberen (FO) på en svært kort avstand fra glasset (VE). Kabelen (CA) og dens tillegg (FO) er låst i en stilling der.

Hele det indre volumet i bøssingen (BU) er fyllt med harpiks (fortrinnsvis med svart farge i den øvre delen og gjennomsiktig i den nedre).

Innretningen av fiberenden (FO) med den nedre APD'en blir gjort mulig ved hjelp av mikrobevegelser av fiberen. Blant de viktigste ulempene med denne typen montasje, kan følgende nevnes: - kapslingen (I) mellom den frie nedre fiberenden (FO), og den nedre flata på glasset (VE) holder et harpikslag som i noen tilfeller ødelegger glasset (VE), - kapslingens (I) høyde mellom (VE) og (FO) er kritisk når den maksimale koblingen er kommet i samsvar med en fast verdi.

Justeringen av (I) er ikke lettere hvis vi betrakter anordningen. Hvis den frie fiberenden skyves for langt mot (VE), bøyes fiberen faktisk inntil den brytes. I det motsatte tilfellet, hvis den er for langt fra (VE), øker tapene i koblingen.

Hovedformålet med den foreliggende oppfinnelsen er et system og en anordning, som ikke har de før nevnte ulempene, og som gir en effektiv, sikker og rask kobling mellom fiberen og fotodetektoren.

Systemet ifølge oppfinnelsen for innretting og montasje av en optisk fiberende med fotodetektor i en aermetisk pakke med glassvindu erkarakterisert vedat en fiberende er avsluttet med en halvkobling. Det er fram-stilt ei støtteplate med to sylindriske konsentriske seter på ei av hovedflåtene på denne støtteplata. Disse konsentriske setene står i forbindelse med hverandre ved et felles hull. Den hermetiske anordningen i fotodektoren føres inn i ett av disse setene idet glassvinduet holdes i en mer intern stilling, og tilpasses over hullet. Den frie enden på halvkoblingen føres inn i det andre setet, idet hullet i den avmantlede fiberen også rettes inn mot plate-hullet, og detektoren og den frie halvkoblingen festes til setene ved syntetisk katalysert og mulig fyllt harpiks.

Disse og andre formål og fordeler ved oppfinnelsen vil komme bedre fram i den følgende beskrivelsen av utformingene (foretrukne, men ikke begrensende) vist i de vedlagte tegningene, hvor

fig. 2, 3 og 4 viser skjematiske riss i delvis snitt av en optisk fiberterminal, og av to montasjer av denne termi-nalen med to plater eller bøssinger litt forskjellige fra hverandre.

Fig. 3A og 4A viser planriss av bøssinger eller plater for montasjene i fig. 3 og 4, mens

fig. 3B og 4B viser de kryssende snittende av bøssingene vist i fig. 3A og 4A.

Med henvisning til fig. 2 til 4B, kan system-fåsene ifølge oppfinnelsen bestemmes som følger:

A)

Innstilling av den optiske kabelen ifølge hovedformålet med oppfinnelsen, avslutter den optiske kabelen (CA) som skal monteres på APD'en på enden av forbindelsen med en halvkobling (1) (vist i forstørret skala i fig. 2), som er laget av et legeme som omfatter (fra toppen av bunnsida) en sylindrisk del (2C) med høyde (H2C), og indre diameter litt større enn den ytre diameteren (DCA) på anmerkningen, en avskåret konisk del eller forhøyning (3TC) med høyde (H3TC) og diameter som tar av fra (DZC) (stort sett lik armering nummer én) til diameteren (D4R) som er litt større enn fiber nummer én (FO) (uten armering), en del (4R) med høyde (H4R), og indre diameter (D4R) litt større enn den ytre diameteren på fiberen (FO), en flenset nedre del (5F) med høyde (H5F) og ytre diameter (D5F), og til slutt en utsparing (65B) i den nedre flata (9) i legemet (1) på koblingen med høyde (H65B) og diameter (D65B). Koblingen mellom kabelen (CA) og bøssingener som følger, (se også fig. 3 og 4): 1) Det sylindriske legemet (2C) ( og delvis den avskårne koniske delen 3TC) i bøssingen (1) er fortrinnsvis fyllt med epoxyharpiks (f.eks. av type Epotex 3 02). 2) Den avmantlede fiberenden (FO) føres inn i bøssingen inntil den plastiske ytre armeringen (CA) er kant i kant med den større basisen (20) på den avskårne koniske delen (3TC), og den frie enden av FO krysser utsparingen (65B). 3) En epoxyharpiks fyllt med alumina (f.eks. 0,27-0,37 gr. alumina pr. gr. harpiks) framstilles, og en dråpe av den føres inn i utsparingen eller spalten (65B) i bøssingen (1) rundt fiberhullet (FO) på komponentsida. 4) Harpiksen polymeriseres, f.eks. i romtemperatur i ca. én time eller ved 6 0°C i ca. 15 minutter. 5) Når polymerstasjonen er fullstendig, lages den til sylinderflata (9) ved en konvensjonell finsliping. Fig. 3 og 4 viser det polymeriserte harpikslaget påført under fase 1) som vist ved (RI) og harpiksen fyllt med (RC).

B) APD Bøssingen

6) Den første operasjonen består i å rense nøye glasset (VE) på APD'en, f.eks. med isopropanol. For å unngå ringene dannet av alkoholfordampning, må glasset (VE) tørkes godt. 7) Metallpakken i anordningen (APD) renses og et harpikslag påføres rundt denne (ledende sølvpasta) vist ved (RCC). 8) Den harpiksbelagte fotodektoranordningen føres inn i holderen (S) (fig. 3,3A eller 4, 4A), som er hovedsakelig ei plate (S) med et sete eller hovedsone (SF) for å holde den monterte halvkoblingen (SC) i fig. 2, og et nedre sete (SI)(40) for å holde fotodetektoranordningen (DF).

Setene (SF) og (SI) har begge form av sylindriske, lave fordypninger.

Holderen (S) viser videre to symmetriske festehull (50) og (50'), og til sist et gjenget hull (51).

Hullet eller setet (SF)(30) har et trinn (30')

(fig. 3,3A og 3B) eller to trinn (30 og 30") (fig. 4,4A og 4B).

Trinnsetet (30) blir nøye avfettet før den hermetiske anordningen (DF) føres inn i det.

Glasset (VE) på denne må være samsvarende med platas (S) referanseplan.

For å lette denne operasjonen kan det brukes en slipt dor, idet skjæret plasseres på referanseplanet, og APD-anordningen sendes i kontakt med dette verktøyet (ikke vist).

Alle de førnevnte delene plasseres i en ovn, f.eks. ved 60° i omlag 18 timer.

Når polymerisasjonen er over,påføres en epoxyharpiks på bunnen (40) av plata (S) for å forbedre den mekaniske tettingen mellom APD'en (DF) og holderen (S).

Et tynt harpikslag (41) (indikert ved punktene i fig. 3) dannes. Denne operasjonen kan også gjøres i masseproduksjon på utstyret som skal settes sammen.

C) Montasje mellom APD og FIBER.

Den nedre flata på den flensete halvkoblingen (SC), og videre den nedre flata på harpiksplata (RC) innsatt i utsparingen (65B) føres inn i setet (30) på holderplata (S), som ifølge fig. 3 og 4 er mye videre og høyere enn flensen (5F) på halvkoblingen (SC).

For å teste den optiske utgangseffekten fra fiberen plassert i sylinderen (1), brukes det et mellom-stykke for fotodetektoren (ikke vist da det er velkjent).

Etter plassering av APD- anordningen i setet (DI) på holderplata (S), plasseres den flensete sylinder-delen inn i ei klemme som er innrettet for å sikre at aksen til sylinderen (1) er vinkelrett på platas referanseplan.

Den finslipte sylinderen settes i kant med platas referanseplan, og med bare tversgående bevegelser i forhold til fiberaksen, er det mulig å optimalisere anordningen (DF) og fiberen (FO).

Plata (S) og sylinderen (SC) løses sammen med karbonfyllt epoxyharpiks, f.eks. 0,35 gr. karbon pr. gr. harpiks (RA). Dermed er harpikslaget (RA) dannet.

En fordel med denne teknikken i forhold til den forrige består i at en har en fiber ført inn i et stivt legeme (SC), som låses og settes kant i kant i bøssingens (1) plan. Derfor elimineres høydeinnstillingen av fiberen, og dette gjør den mer hendig.

Videre finslipes sylinderen (1) med den inn-førte fiberen (FO), idet det på denne måte unngås kutting av den avmantlede fiberen, idet kuttingen må kontrolleres hver gang og ofte krever omgjøringer p.g.a. svakheten i den ubeskyttete fiberen.

Ifølge et fordelaktig trekk ved oppfinnelsen, påføres et luftlag (AR) mellom fiberenden (FO) i utsparingen (65B) og glasset (VE) i anordningen i stedet for et harpikslag som vist ved mantelen (I) i fig. 1. Dette faktum gir et fresneltap i en optisk forbindelse (med hen-syn til den tidligere teknikken med harpiks innført mellom fiber og glass) på rundt 0,4 dB.

7

Luftlaget (AR) er minimalt, og derfor kan det gi problemer i fig. 3 og 4.

Komponentene satt sammen med den konvensjonelle teknikken i fig. 1, og med det beskrevne systemet ble testet for å kvalifisere prosessen under forhold som simu-lerer de verste miljøpåvirkninger.

Det ble oppnådd at komponentene satt sammen med den konvensjonelle prosessen kan tåle sammenbrudd p.g.a. tap i fastheten dannet av mekanisk trykk generert av harpiksen på vinduet (VE) på APD'en for de forskjellige termiske utvidelseskoeffisientene i de brukte materialene.

For å bestemme alle komponentene som utsettes for denne typen sammenbrudd, er det nødvendig å utsette all produksjon for en brenning som viser komponentenes forringelse.

Denne brenningen innbefatter industrielle kostnader, og derfor er det fordelaktig og foretrukket å bruke en prosess i samsvar med oppfinnelsen som ikke viser det førnevnte sammenbruddet.

Den eneste ulempen ved denne siste prosessen er et tap på rundt 0,4 dB p.g.a. refleksjonen i flata mellom glass og fiber, luft og glass i APD-vinduet. Den samme prosessen ifølge oppfinnelsen passer for en indus-triell produksjon da den ikke krever videre skjerming etter monteringen.

Anordningen har en god optisk effektivitet og perfekt mekanisk ytelse, idet det brukes en godt beskyttet fiber.

Videre gir den maksimal fleksibilitet i ut-velgingen av koblingen og typen fotodiode som skal brukes.

Den foreliggende oppfinnelsen ble beskrevet med henvisning til de foretrukne utformingene, vist i de vedlagte tegningene. Det er klart at den kan varieres, forandres, erstattes o.s.v. av folk som kjenner faget, og alle de forskjellige utformingene skal ligge innenfor opp-finnelsens rammer.

Claims (6)

1. Framgangsmåte for innretting og montering av optiske fibre i fotodetektorer, spesielt for en pålite-lig forbindelse mellom den lysutstrålende glassflata på fotodetektoren uten fiberleder og en optisk fiberende helt beskyttet av armering, karakterisert ved at det er en halvkobling ved den frie fiberenden, og endene av halvkoblingen og fotodetektoren er begge innsatt i et sete i holderen til den fri fiberenden idet de er innrettet direkte på fotodetektorglasset adskilt fra det sistnevnte ved et minimalt luftlag.

2. Framgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at halvkoblingen oppnås ved innføring av en fiberdel inn i en bøssing slik at den avmantlede enden går inn i en nedre utsparing og den armerte enden går kant i kant med den avskårne koniske delen av den samme, idet den hule enden av bøssingen fylles helt med epoxy og herdende harpiks, idet det på-føres et harpikslag i utsparingen, og polymerisasjonen av harpikslagene dannes.

3. Framgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den ytre sylinderiske flata på fotodetektoranordningen blir armert med et tynt harpikslag, hvoretter den harpiksarmerte detektoren føres inn i et platesete, en fri halvkoblingsende føres inn i det andre setet på plata, som, idet det er større og høyere enn halvkoblingsendens flens, kan fylles med harpiks, som fortrinnsvis polymeriseres sammen med den enden med hvilken fotodetektoranordningen er armert eksternt før innsetting av den i dens sete.

4. Framgangsmåte i samsvar med krav 3, karakterisert ved at et videre tynt lag av polymeriserende harpiks påføres på bunnen av anordningen, og eksternt til den sistnevnte etter at den er skjøvet helt inn i sitt sete.

5. Forbindelse mellom en optisk fiber og en hermetisk fotodetektor og uten fiberleder, k a r a k - terisert ved at den hovedsakelig består av følg-ende deler: En halvkobling påført på fiberenden omfattende en første sylindrisk sone med en diameter litt større enn fiberarmeringen, en andre avskåret konisk forbindelsessone mellom den første sonen og en tredje sylindrisk sone med en diameter litt større enn den på den avmantlede fiberen, og fortrinnsvis en terminalflens med en sentral utsparing, ei holderplate med to seter, hver på ei hovedflate, et første sete brukt til i det minste den nedre flensete delen av halvkoblingen, og et andre sete for fotodetektoranordningen, idet de to setene har ei sylindrisk og koak-sial form, og har forbindelse med hverandre ved et hull, organ for festing av halvkoblingen til den frie fiberenden, organ for festing av halvkoblingen (forbundet med fiberen) inn i platesetet, organ for festing av fotodetektoranordningen i det andre setet i plata, og organ for festing av bunnene i anordningen og plata.

6. Forbindelse i samsvar med krav 5, karakterisert ved at festeorganene er av harpiks og polymerisert på stedet.