用于光开关气密性封装的多芯光纤插芯体 【技术领域】
本发明属于光通信器件领域，具体涉及一种用于光开关气密性封装的多芯光纤插芯体，以适应大室封装方案。
背景技术
光纤通信在实现了高速、大容量点对点的传输后，上世纪末已进入了光纤网络时代。密集波分复用(DWDM)能充分利用光纤的巨大带宽，可以预见，建立一个光因特网的目标并不遥远。由于复用的波长信道数急剧增加，光纤的传输容量以指数形式增长。相应地，光传送网的路由和交换则成了整个网络的瓶颈。
传输容量通过DWDM技术相对较容易扩展，而交换/路由则仍多采用光-电-光(OEO)方式，两者之间的矛盾越来越突出。解决这个问题的途径是建立一个具有强大功能的光层，具有全光交换功能如光交叉连接(OXC)和光分插复用(Optical Add/Drop Multiplexing，OADM)等，能进行透明传输并具有灵活的可扩展能力。因此，全光交换设备是光传送网络的核心设备。
MEMS技术在光纤通信网络中的一个重要应用就是利用微动微镜制作光开关矩阵，用来实现光路的导通和断开功能，其结构紧凑、重量轻，易于扩展。比机械式光开关和波导型光开关(例如PLCS平面光波导分路器)具有更好的性能，如：低插损、小串音、高消光比、重复性好、响应速度适中，和波长、偏振、速率及调制方式无关，寿命长、可靠性高，并可扩展成大规模光交叉连接开关矩阵。
MEMS光开关有2D(二维)数字和3D(三维)模拟两种结构。2D结构的好处是控制简单，缺点是由于受光程和微镜面积的限制，交换端口数不能做得非常大。
本发明用在模拟型3D结构中，3D结构的优点是交换端口数能做得非常大，可实现上千端口数的交换能力。
尽管3D MEMS光开关有很多优点，是实现全光网的核心器件。全球有数十家公司从事MEMS光开关的研发，前景非常看好。但由于3D NxN光开关要求的精度非常高，且内部有MEMS器件和各种透镜阵列，特别是用半导体工艺制造的MEMS，由于结构复合了电子控制和机械运动系统，所以其对工作环境要求很高，细微的灰尘可能会使微镜的转动受阻而失效，MEMS微镜的机械运动依赖静电作用，而湿气会使静电失效，外部的腐蚀性气体也会腐蚀微镜表面，使反射率降低，这一系列的问题使得光开关的封装显得特别的重要，传统的封装采用黏胶接合，会随着时间推移和复杂的工作环境变化而老化，从而使光开关内部零件(例如MEMS)直接暴露在外部环境中而逐渐失效。
【发明内容】
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种有效提高密封效果、降低封装成本、提高密封可靠性的用于光开关气密性封装的多芯光纤插芯体。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种用于光开关气密性封装的多芯光纤插芯体，其包括多个光纤插芯；光纤插芯为管状，多个光纤插芯径向紧密排列，光纤插芯的轴线之间相互平行；相邻的光纤插芯之间用玻璃封接以实现固定连接和密封。本发明光纤插芯的材料可为金属、陶瓷或适应熔点在300℃以上的玻璃封装的其他材料等，由于光纤插芯的熔点高，密封用玻璃的熔点较低，因此在用玻璃进行连接和密封的时候，不会破坏光纤插芯的结构，能实现良好的固定和密封。传统的封装采用黏胶接合，会随着时间推移和复杂的工作环境变化而老化，从而发生漏气或者移动，使光开关内部其它部件直接暴露在空气中或使光纤位置发生相对移动，引发密封或光路故障。而本发明采用玻璃进行连接和密封，相比于黏胶，其可靠性大大提高，从而使光开关的可靠性及使用寿命大大提高。光纤插芯的材料优选陶瓷，陶瓷插芯已广泛应用于光纤通信系统中，其耐腐蚀、耐氧化、致密性好，且成本低，而性能尤为可靠。
进一步的，光纤插芯体的径向外围设有框架，框架与相邻的光纤插芯之间用玻璃封接以实现固定和密封。用本发明的光纤插芯体装配在光开关上时，为了便于与光开关的密封外壳相连，可以在光纤插芯体的径向外围设便于与密封外壳相连的框架。所述框架优选金属框架，为了便于与光开关的密封外壳相连，所述金属框架表面还形成有一电镀镍层。所述电镀镍层厚度优选2-4μm。
进一步的，光纤插芯的外径可以为任意大小，特别是小于或等于0.6mm。目前通用的光纤插芯的内径为0.125mm、0.08mm；外径为2.5mm。为了使光开关的微型化、集成化进一步提高，可以使用外径较小的光纤插芯，如0.6mm、0.5mm等，这样就使光开关的光纤阵列的集成度大大提高，整个光开关的集成度也大大提高。
多个光纤插芯径向排列后的径向截面可以为正方形阵列、矩形阵列、圆形阵列、椭圆形阵列、正三角形阵列或正六边形阵列等任意形状的阵列。正方形阵列为n×n阵列，n为大于或等于2的整数，如4×4阵列、12×12阵列、32×32阵列等。矩形阵列为m×n阵列，m≠n，m为大于或等于1的整数，n为大于或等于2的整数，如3×4阵列、10×20阵列等。正方形阵列、矩形阵列都是行列式的阵列，即行与列之间是正交的。圆形阵列通常也是指行列式的阵列，整体的外形接近于圆形。椭圆形阵列通常也是指行列式的阵列，整体的外形接近于椭圆形。正三角形阵列与上述的行列式的阵列不同，如每边包括3个光纤插芯的正三角形阵列，其总共包括6个光纤插芯，可以看成是3层结构，第一层包括3个紧密排列的光纤插芯，第二层包括2个光纤插芯，其堆积在第一层自然形成的两个凹位上，第三层包括1个光纤插芯，堆积在第二层自然形成的那个凹位上，在制作的时候，用自然堆积的方式即可获得很高的精度，且这种堆积方式的集成度最高，在同等的面积上可以集成最多的光纤插芯。正六边形阵列与正三角形阵列类似，相邻的上下两层正好错位，从而获得最高的集成度。当然，根据需要，可以制作任意形状的阵列。圆形阵列、椭圆形阵列的堆积方式也可采用如上述正三角形阵列的堆积方式，整体的外形接近于圆形或椭圆形。
进一步的，为了便于装配光纤，光纤插芯的一端设有光纤导入孔；光纤导入孔与光纤插芯的轴向内孔相连；光纤导入孔由外至内孔径逐渐变小，直至等于光纤插芯的轴向内孔的孔径。
进一步的，为了便于玻璃封接，使熔化的液态玻璃更好地与光纤插芯进行固定连接和密封，光纤插芯的一段的外表面开有环形槽或螺纹槽，在环形槽或螺纹槽上熔有玻璃以实现固定连接和密封。作为一种优选实现方式，光纤插芯的一端的外表面设有环形台阶，环形台阶的外径小于光纤插芯的外径；在该环形台阶上熔有玻璃以实现固定连接和密封。作为另外一种优选实现方式，光纤插芯的一端的外表面呈锥面，锥面的外径小于光纤插芯的外径；在该锥面上熔有玻璃以实现固定连接和密封。
本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果：
1)传统的有机黏胶作为密封材料不能达到永久密封主要是有机材料的性能决定的，有机胶和金属，光纤插芯之间只是通过物理粘合形成暂时的密封，在温度，水汽，光照等外部环境作用下，有机胶随时间推移会逐步老化，导致界面硬化，从而导致密封失效或使光纤位置发生相对移动。本发明采用较低熔点的玻璃材料完成光纤插芯阵列及其与金属框架之间的固定连接和密封，由于玻璃在一定温度下和光纤插芯及金属框架发生了界面的反应，从而形成了牢固的物理和化学结合层，且玻璃是惰性的，故可以达成永久的固定和密封。
2)本发明的光纤插芯体可以实现上千端口的组合，且体积非常小，精度高，如采用外径0.5mm的光纤插芯，制作32×32的光纤插芯阵列，其面积是1.6×1.6cm2，加上一个金属外框，其尺寸也可以控制在4cm2以内，这么小的面积内可高精度地装配1024条光纤。密封后每一光纤插芯中心距离之间的精度达到±0.005mm以内。
3)外框采用金属材料便于和光开关的金属密封外壳通过焊接的方式实现牢固且密封的结合，从而形成具有密封腔体的光开关，从根本上保证了光开关长期可靠性工作的需要。
4)利用玻璃密封光纤插芯阵列，取代传统的黏胶接合方式，使光纤定位更加精准和牢固，避免了在高温高湿试验中因黏胶老化使光纤位置发生相对移动而导致光路故障，从而可以确保光开关在恶劣环境下工作的可靠性。
5)采用本发明作为光开关可靠性封装的阵列式光输入输出端口，可以轻松实现大室密封方案，从而实现光开关内置各种功能模块和部件的自由调整，以获得最佳的光耦合效果，从而实现光开关低损耗，低串扰，高可靠性。采用大室密封方案，内部光路中的MEMS、透镜等零件可以不用密封(MEMS密封难度大，其密封成本占整个器件的40％以上)而可以自由的调整，直至光路耦合好以后，才将本发明的光纤阵列体固定，最后封盖，完成大室密封。不会出现零件报废的情况，且内部光路自由调整，容易对准，使总体的封装成本得到控制。而现有技术封装总成本高主要是由于采用小室密封时，MEMS和透镜难以实现密封，光路对准非常困难，且一旦密封后检测到位置有偏差，将使昂贵的MEMS部件报废。
【附图说明】
图1为用于光开关气密性封装的多芯光纤插芯体的剖面结构示意图；
图2为包括外框的用于光开关气密性封装的多芯光纤插芯体的剖面结构示意图；
图3为一种光纤插芯结构示意图；
图4为一种光纤插芯结构示意图；
图5为一种光纤插芯结构示意图；
图6为一种光纤插芯结构示意图；
图7为一种光纤插芯结构示意图；
图8为一种光纤插芯结构示意图；
图9为一种光纤插芯结构示意图；
图10为一种光纤插芯结构示意图；
图11为一种正方形阵列示意图；
图12为一种正六边形阵列示意图。
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1所示，一种用于光开关气密性封装的多芯光纤插芯体，包括13×13个光纤插芯1；光纤插芯为管状，光纤插芯径向紧密排列成正方形阵列，光纤插芯的轴线之间相互平行；相邻的光纤插芯之间用玻璃2封接以实现固定连接和密封。光纤插芯体的径向外围还可设有金属框架3，金属框架3与相邻的光纤插芯1之间用玻璃2封接以实现固定连接和密封，如图2所示。金属框架3的外部形状可以是矩形、圆形、椭圆形或菱形等几乎所有的几何形状。金属框架的材质可以选用不锈钢，如SS446合金。
如图3所示，光纤插芯1包括插芯本体4及轴向内孔5，其一端设有光纤导入孔6；光纤导入孔6与光纤插芯的轴向内孔5相连；光纤导入孔6由外至内孔径逐渐变小，直至等于光纤插芯的轴向内孔5的孔径。光纤插芯1的长度L优选5-10mm，光纤插芯1的外径ΦD为0.6mm或以下，如0.5mm也可以。光纤插芯的轴向内孔的直径Φd通常为0.125mm或0.08mm，其尺寸需要与光纤的直径相匹配。光纤插芯1的长度、外径、内径等可以根据不同的要求作调整。
如图4所示，光纤插芯1的设有光纤导入孔6的那一端的外表面呈锥面7，锥面7的外径小于光纤插芯1的外径；在该锥面7可方便地熔上玻璃以实现固定连接和密封。
如图5所示，光纤插芯1的一端设有光纤导入孔6，另一端的外表面呈锥面8，锥面8的外径小于光纤插芯1的外径；在该锥面8可方便地熔上玻璃以实现固定连接和密封。
如图6所示，光纤插芯1的设有光纤导入孔6的那一端的外表面设有环形台阶9，环形台阶9的外径小于光纤插芯1的外径；在该环形台阶9上可方便地熔上玻璃以实现固定连接和密封。
如图7所示，光纤插芯1的一端设有光纤导入孔6，另一端的外表面设有环形台阶10，环形台阶10的外径小于光纤插芯1的外径；在该环形台阶10上可方便地熔上玻璃以实现固定连接和密封。
如图8所示，光纤插芯1的外表面开有环形槽11，在环形槽11上可方便地熔上玻璃以实现固定连接和密封。
如图9所示，光纤插芯1的一段的外表面开有螺纹槽12，在螺纹槽12上可方便地熔上玻璃以实现固定连接和密封。
如图10所示，光纤插芯1的一段的外表面开有锯齿状槽13，在锯齿状槽13上可方便地熔上玻璃以实现固定连接和密封。
图11为4×4正方形阵列的示意图，紧密排列，行列对齐。
图12为边长为3的正六边形阵列，共包括19个光纤插芯。其相邻的上下两层正好错位，从而获得最高的集成度。
在本发明的13×13的用于光开关气密性封装的多芯光纤插芯体的每一光纤插芯固定密封一条光纤，即得13×13光纤阵列成品，所述光纤插芯的材质为陶瓷，其外径为0.5mm，轴向内孔的孔径为0.125mm，长度为5mm。
运用本发明制作的13×13光纤阵列成品的测试和性能如下表所示：
性能指标 单位(测试条件) 测量(测试)结果
气密性 氦气泄漏率CC/sec @1ATM 10^-8
冷热冲击试验 (RT-125℃/10sec) 不泄漏
冷热循环试验 -40℃～+85℃ 100cycle 不泄漏
高温高湿试验 +85℃，85％湿度1000小时 不泄漏，不老化
阵列间距和累积 小于2um 合格
插芯平行度 0.02度 合格