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CN111273411B - 一种高气密性的光纤与光电探测器封装装置及方法 - Google Patents

一种高气密性的光纤与光电探测器封装装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高气密性的光纤与光电探测器封装装置，包括带保护层的光纤通孔，带保护层的光纤通孔的一端为灌胶固化点A，带保护层的光纤通孔的另一端连接有超精定位平台的一端，超精定位平台上设置有点胶固化点B，超精定位平台的另一端连接有信号输出管脚，信号输出管脚的出口为灌胶固化点C；本发明还公开了一种高气密性的光纤与光电探测器封装方法。本发明的成本较低，工艺相对简单，但气密封性能和耦合效率更高，此外，有源对准、微调超精定位平台、螺纹定位微调结构和自聚焦透镜辅助光学结构的结合使用，确保整个封装方案正确无误的实施。解决了光纤与探测器封装存在的光纤位移、耦合效率低和气密性低等问题，提高的工作效率及工艺一致性。

Description

一种高气密性的光纤与光电探测器封装装置及方法
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种应用于航天环境中，可以提高光纤与光电模块气密封性能及耦合效率的装置及方法。
背景技术
由于载人航天及空间信息的获取技术的快速发展，航天器与地面、航天器之间需要实时交互大量数据，射频通信受带宽限制，已无法满足航天系统的通信需求。(任建迎,孙华燕,张来线,张天齐.空间激光通信发展现状及组网新方法[J].激光与红外,2019,49(02):143-150.)自由空间光(Free Space Optics，FSO)通信以光为载波，直接在空间进行高速数据传输，其通信容量大、速率高、体积小、功耗低，是下一代星间、星-地通信、组网的重要手段。目前光纤通信设备发展比较完善，有学者提出通过空间光-光纤耦合技术将空间传输光束转化为光纤传输(雷思琛.自由空间光通信中的光耦合及光束控制技术研究[D].西安理工大学,2016.)，可实现一种船舱外以FSO自由空间光通信为主，在舱内以光纤通信为主的空间光通信平台，降低“天空地一体化”光通信网络平台开发成本。因此，光纤与光电探测器封装技术就是光通信/光网络光电转换的关键环节。
目前，光纤与探测器封装常采用光纤套管-屏蔽管帽-管座等结构一经光学对准后，用环氧胶胶粘接封装。现有封装技术存在着光纤位移、气密性低、胶封固化时间长等问题。首先，由于胶粘物质固有的固化收缩性而引起光纤位移。器件在使用中，由于耐温性差和其它物理性能低引起的光纤位移就更为严重，在航天环境中(-40℃-100℃的在轨运行温差、紫外老化等)这种现象将更为明显。光纤位移后使得出纤光功率降低、光电模块耦合效率下降等问题，致使器件不能使用。其次，是胶粘封气密性不易保证。致使器件在使用过程中，有害气氛易进入管壳侵蚀管芯，对器件长期稳定性、可靠性造成极大影响。最后，是器件在封装制造中，为了增加密封胶固化后的均匀致密程度，会减少催化剂的使用量及控制密封胶固化温度，这使得固化时间大大增加，大批生产难以实现。这三大问题严重阻碍光纤与光电器件集成化的发展。除此之外，航天环境中使用的光电模块对封装的抗震动、高低温、气密封性及封装材料的选择提出了更高的要求，需要进行封装技术的深入研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种高气密性的光纤与光电探测器封装装置，解决光纤与探测器封装过程中气密封性能差且光纤与光电探测模块耦合效率低的技术问题，提升光电模块的传输效率、传输速率、工艺一致性和组装效率。
本发明的另一种目的是提供一种高气密性的光纤与光电探测器封装方法。
本发明所采用的技术方案是，一种高气密性的光纤与光电探测器封装装置，包括带保护层的光纤通孔，带保护层的光纤通孔的一端为灌胶固化点A，带保护层的光纤通孔的另一端连接有超精定位平台的一端，超精定位平台上设置有点胶固化点B，光电探测器与信号输出管脚经超精定位平台相连接，信号输出管脚的出口为灌胶固化点C。
本发明的特点还在于，
带保护层的光纤通孔外部设置有保护层外壳，保护层外壳与超精定位平台固接。
超精定位平台采用的是六轴螺纹定位微调结构，分为左部分、右部分，左、右两部分中间设置有点胶固化点B。
左部分呈圆柱体形状，其外表面为封装装置外壳，封装装置外壳直径大于保护层外壳，封装装置外壳的横截面上均匀设置有六个螺纹孔，六轴螺纹定位微调结构的中心设置有带涂覆层的光纤通孔，左部分的末端设置有一个凸台；
右部分为中空的圆柱体形状，其内径与左部分的凸台相匹配，右部分的横截面上也设置有与左部分相对应的螺纹孔，右部分与信号输出管脚连接的一侧设置有信号屏蔽层，信号屏蔽层的内侧这只有光电探测器，光电探测的光敏面朝向左部分。
凸台上设置有辅助光学结构，辅助光学结构为微透镜或自聚焦透镜，可以进行光纤断面处理。
左部分与右部分的接口处均设置有密封凹槽。
一种高气密性的光纤与光电探测器封装方法，采用一种高气密性的光纤与光电探测器封装装置，按照以下步骤实施：
步骤1：将光纤尾端去除部分涂覆层，留下部分保护层，经过带保护层的光纤通孔，插入带涂覆层的光纤通孔；
步骤2：在尾纤端面胶合自聚焦透镜辅助光学结构，确保光纤出光端面与探测器光敏面有效区域形成最佳的光场耦合理论结构，在灌胶固化点A处进行胶装固定；
步骤3：封装过程中，通过控制微调超精定位平台调整探测器光敏面与光纤端面的对准姿态，细化调整六轴螺纹定位微调结构进行精细对准，当光电探测器信号输出最大时，从点胶固化点B点胶固化，固定光纤与探测器相对位置；
步骤4：在探测器管脚相连部分通过信号屏蔽层进行信号屏蔽处理，并在灌胶固化点C处进行固化管脚，保证整体结构的稳定和气密要求。
六轴螺纹定位微调结构采用全金属少量封胶封装。
本发明的有益效果是：
本发明利用辅助光学结构的设计提高光纤与光电探测器的耦合效率；并提出一种全金属封装结合少量胶装的封装方法，提高光纤与光电探测器的气密性，保证光纤与光电探测器封装结构可在航天环境中保持高气密性及耦合效率的稳定性,解决了光纤与探测器封装存在的光纤位移、耦合效率低和气密性低等问题，提高的工作效率及工艺一致性。
附图说明
图1是本发明一种高气密性的光纤与光电探测器封装装置的光纤与光电模块封装装置的结构侧视图。
图2是本发明一种高气密性的光纤与光电探测器封装装置的光纤与光电模块封装装置俯视图
图3是本发明一种高气密性的光纤与光电探测器封装方法的光纤与光电模块有源耦合对准方案示意图。
图中，1.灌胶固化点A，2.带保护层的光纤通孔，3.超精定位平台，4.点胶固化点B，5.探测器的光敏面，6.灌胶固化点C，7.信号输出管脚，8.带涂覆层的光纤通孔，9.密封凹槽，10.辅助光学结构，11.信号屏蔽层，12.螺纹孔，13.保护层外壳，14.封装装置外壳，15.光源，16.光纤，17.信号检测仪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种高气密性的光纤与光电探测器封装装置，如图1所示，包括带保护层的光纤通孔2，带保护层的光纤通孔2的一端为灌胶固化点A1，带保护层的光纤通孔2的另一端连接有超精定位平台3的一端，超精定位平台3上设置有点胶固化点B 4，光电探测器与信号输出管脚7经超精定位平台3相连接，信号输出管脚7的出口为灌胶固化点C 6。超精定位平台3的另一端连接有信号输出管脚7，信号输出管脚7的出口为灌胶固化点C 6。
带保护层的光纤通孔2外部设置有保护层外壳13，保护层外壳13与超精定位平台3固接。
超精定位平台3采用的是六轴螺纹定位微调结构，分为左部分、右部分，左、右两部分中间设置有点胶固化点B 4。
左部分呈圆柱体形状，其外表面为封装装置外壳14，封装装置外壳14直径大于保护层外壳13，如图2所示，封装装置外壳14的横截面上均匀设置有六个螺纹孔12，六轴螺纹定位微调结构的中心设置有带涂覆层的光纤通孔8，左部分的末端设置有一个凸台；
右部分为中空的圆柱体形状，其内径与左部分的凸台相匹配，右部分的横截面上也设置有与左部分相对应的螺纹孔12，右部分与信号输出管脚7连接的一侧设置有信号屏蔽层11，信号屏蔽层11的内侧这只有光电探测器5，光电探测器5的光敏面朝向左部分。
凸台上设置有辅助光学结构10，辅助光学结构10为微透镜或自聚焦透镜，可以进行光纤断面处理。
左部分与右部分的接口处均设置有密封凹槽9。
一种高气密性的光纤与光电探测器封装方法，采用一种高气密性的光纤与光电探测器封装装置，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤1：将光纤尾端去除部分涂覆层，留下部分保护层，经过带保护层的光纤通孔2，插入带涂覆层的光纤通孔8；
步骤2：在尾纤端面胶合自聚焦透镜辅助光学结构10，确保光纤出光端面与探测器光敏面有效区域形成最佳的光场耦合理论结构，在灌胶固化点A1处进行胶装固定；
步骤3：封装过程中，通过控制微调超精定位平台调整探测器光敏面与光纤端面的对准姿态，并通过信号检测仪17与超精定位平台3之间的精反馈，细化调整六轴螺纹定位微调结构进行精细对准，当光电探测器信号输出最大时，从点胶固化点B 4点胶固化，固定光纤与探测器相对位置；
步骤4：在探测器管脚相连部分通过信号屏蔽层11进行信号屏蔽处理，并在灌胶固化点C 6处进行固化管脚，保证整体结构的稳定和气密要求。
六轴螺纹定位微调结构采用全金属少量封胶封装。
本发明所采用的封装技术方案是，打开光源15，利用辅助光学结构的设计提高光纤与光电探测器的耦合效率；结合有限元分析，优化整体封装设计，并提出一种全金属封装结合少量胶装的封装方法，提高光纤与光电探测器的气密性，保证光纤与光电探测器封装结构可在航天环境中保持高气密性及耦合效率的稳定性。首先，将光纤16尾纤进行剥离，留下部分保护层，插入带覆层光纤通孔，通孔的长度及灌胶工艺直接影响光电器件封装的气密性，保留光纤涂覆层一方面是为了热胀冷缩对光纤的挤压，另一方面也会起到良好的缓冲隔振效果；其次，在尾纤端面胶合自聚焦透镜辅助光学结构，保证输入光场与探测场具有最佳的场耦合结构，胶装固定；如图3所示，最后，通过控制微调超精定位平台调整光纤端面与探测器光敏面的对准姿态，细化调整螺纹定位微调结构进行精细对准，密封凹槽的预留，有效防止灌胶进入器件内部的密封件，固定光纤与探测器相对位置，当光电探测器信号输出最大时，进行点胶固化。还加入了与探测器管脚相连部分的信号屏蔽处理，并对管脚进行固化，保证整体结构的稳定和气密要求。
实施例
在星-地、星间、空-地和地-地光通信网络中，具有气密封性能高，耦合效率高的封装装置都是通信系统中的关键器件。由于航天器的震动和在轨运行的特殊环境条件(包括-40℃-100℃的在轨运行温差、紫外老化等)易引起光纤与探测器链接位移，造成器件的耦合稳定性、光电模块传光效率下降等问题。通过本发明的装置，超精定位平台和六轴螺纹定位微调结构的结合使用，经过有源对准(如图3所示)，确保了光纤与探测器的完全对准，辅助光学结构的设计有效的确保了光场匹配，带保护层的光纤通孔确保了光纤不会发生移位，少量灌胶结合全金属的封装可以适应于各种特殊环境中，保证光电转化效率及探测系统的可靠性。
本发明的成本较低，工艺相对简单，但气密封性能和耦合效率更高，此外，有源对准、微调超精定位平台、螺纹定位微调结构和自聚焦透镜辅助光学结构的结合使用，确保整个封装方案正确无误的实施。解决了光纤与探测器封装存在的光纤位移、耦合效率低和气密性低等问题，提高的工作效率及工艺一致性。

Claims (4)

1.一种高气密性的光纤与光电探测器封装装置，其特征在于，包括带保护层的光纤通孔(2)，带保护层的光纤通孔(2)的一端为灌胶固化点A(1)，带保护层的光纤通孔(2)的另一端连接有超精定位平台(3)的一端，超精定位平台(3)上设置有点胶固化点B(4)，超精定位平台(3)的另一端连接有信号输出管脚(7)，信号输出管脚(7)的出口为灌胶固化点C(6)，所述的带保护层的光纤通孔(2)外部设置有保护层外壳(13)，保护层外壳(13)与超精定位平台(3)固接，所述超精定位平台(3)采用的是六轴螺纹定位微调结构，分为左部分、右部分，左、右两部分中间设置有点胶固化点B(4)，所述左部分呈圆柱体形状，其外表面为封装装置外壳(14)，封装装置外壳(14)直径大于保护层外壳(13)，封装装置外壳(14)的横截面上均匀设置有六个螺纹孔(12)，六轴螺纹定位微调结构的中心设置有带涂覆层的光纤通孔(8)，左部分的末端设置有一个凸台，所述凸台上设置有辅助光学结构(10)，辅助光学结构(10)为微透镜或自聚焦透镜，可以进行光纤断面处理，所述右部分为中空的圆柱体形状，其内径与左部分的凸台相匹配，右部分的横截面上也设置有与左部分相对应的螺纹孔(12)，右部分与信号输出管脚(7)连接的一侧设置有信号屏蔽层(11)，信号屏蔽层(11)的内侧这只有光电探测器(5)，光电探测器(5)的光敏面朝向左部分。
2.根据权利要求1所述的一种高气密性的光纤与光电探测器封装装置，其特征在于，所述左部分与右部分的接口处均设置有密封凹槽(9)。
3.一种高气密性的光纤与光电探测器封装方法，采用如权利要求1-2中任意一项所述的一种高气密性的光纤与光电探测器封装装置，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤1：将光纤尾端去除部分涂覆层，留下部分保护层，经过带保护层的光纤通孔(2)，插入带涂覆层的光纤通孔(8)；
步骤2：在尾纤端面胶合自聚焦透镜辅助光学结构(10)，确保光纤出光端面与探测器光敏面有效区域形成最佳的光场耦合理论结构，在灌胶固化点A(1)处进行胶装固定；
步骤3：封装过程中，通过控制微调超精定位平台调整探测器光敏面与光纤端面的对准姿态，细化调整六轴螺纹定位微调结构进行精细对准，当光电探测器信号输出最大时，从点胶固化点B(4)点胶固化，固定光纤与探测器相对位置；
步骤4：在探测器管脚相连部分通过信号屏蔽层(11)进行信号屏蔽处理，并在灌胶固化点C(6)处进行固化管脚，保证整体结构的稳定和气密要求。
4.如权利要求3所述的一种高气密性的光纤与光电探测器封装方法，其特征在于，所述六轴螺纹定位微调结构采用全金属少量封胶封装。
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