无源光器件耦合工艺机电一体化毕业设计.doc

湖北科技职业学院毕业综合实践报告

毕业综合实践报告

题 目： 无源光器件耦合工艺

【摘要内容】本文主要介绍无源光器件生产工艺，产品特点，应用，及质量要求。以及在工作中用到的设备介绍以及使用实践中的一些事项和工厂对工人的的要求，ESD，5S的相关问题作简要介绍和生产工艺。
【关键词】耦合仪、跳线、耦合夹具

I
目 录
摘 要 I
目 录 II
1实习目的和要求 1
1.1实习目的 1
1.2实习要求 1
2公司简介及上岗要求 1
2.1公司简介 1
2.2上岗要求 1
3无源光器件原理、种类 2
3.1无源光器件原理及应用简介 2
3.2无源光器件种类 2
４工艺过程 3
4.1产品要求 3
4.2产品的构成 3
4.3 GEPON尾纤的加工工艺过程 5
4.4 耦合光元件辅助工具简介 5
4.4.1光纤活动连接器 5
4.4.2连接器插头 6
4.4.3跳线 8
II
4.4.4转换器 8
4.4.5变换器 10
4.5耦合工艺过程 11
4.5.1 To封装 11
4.5.2 耦合 12
4.6 PPS PIV系列耦合仪简介 14
5实习总结 18
参考文献 19
致 谢 20

III
1实习目的和要求
1.1实习目的
通过这次实践让我在了解到了光千通信产品制作工艺，提高动手能力，加强社会活动能力，严肃认真的学习态度并且培养自己发现问题、解决问题的能力以后走上工作岗位打下坚实的基础。
1.2实习要求
实习要求:认真实习，吃苦耐劳及解决问题能力锻炼，更加完善各方面能力，为以后工作打基础。
2公司简介及上岗要求
2.1公司简介
  武汉昱升光器件有限公司成立于2001年，地处风景秀丽的武汉东湖之滨--中国光谷,是一家集研发、生产、经营、服务于一体的新兴光电子高科技企业。
  主要产品包括各种波长半导体激光器组件、探测器组件、以及各种速率的TOSA、ROSA、BOSA和TO-CAN等光器件。     
2.2上岗要求
①进入车间前必须穿戴好防静电帽，无尘服，防静电鞋和ESD
1
静电检测。
②仪器操作者必须熟悉所用设备的结构和使用性能。
③开启仪器前必须佩带防静电手腕带对仪器之间的静电值进行检测。
④整齐区分开原材料，半成品，合格品和不合格品。
⑤及时清理工作台上散落物件，保持工作台干净整洁
3无源光器件原理、种类
3.1无源光器件原理及应用简介
光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分。它是一种光学元器件，其工艺原理遵守光学的基本规律及光线理论和电磁波理论、各项技术指标、多种计算公式和各种测试方法，与纤维光学、集成光学息息相关；因此它与电无源器件有本质的区别。在光纤有线电视中，其起着连接、分配、隔离、滤波等作用。实际上光无源器件有很多种，限于篇幅，此处仅讲述常用的几种—光分路器、光衰减器、光隔离器、连接器、跳线、光开关。
3.2无源光器件种类
无源光器件种类繁多，其中包含TOSA，ROSA，ＢＯＳＡ，ＧEＰＯＮ，单波长激光器，多波长激光器，长波长探测器，ＴＯ—ＣＡＮ系列
2
４工艺过程
4.1产品要求
各个部件须平滑，洁净，无赃污及毛刺，无伤痕和裂痕，管脚无弯则，方向正确，焊点美观。光缆外观平滑光亮，无杂质无破损，无漏胶现象。
4.2产品的构成
一：以下是GEPON尾纤的基本外观构成

图一：ＧEＰＯＮ构成
二：特点
◆1490nmDFB激光器
3
◆inGaAs PIN+TIA
◆内置背光监视器
◆低的阀值电流
◆高的稳定性
◆SC/PC单模尾纤封装
三：性能

图二：ＧEＰＯＮ性能
4
四：额定极限值

图三：ＧEＰＯＮ额定值
4.3 GEPON尾纤的加工工艺过程
To封装→耦合→堆胶→测试→包装
（不合格）↓
功率调整焊→堆胶→测试→包装
4.4 耦合光元件辅助工具简介
4.4.1光纤活动连接器
光纤活动连接器，俗称活接头，国际电信联盟（ITU）建议将其定义为“用以稳定地，但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件”（CCITT第VI研究组1992年3月于日内瓦通过）。是用于光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件.它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造
5
成的影响减到最小。光纤活动连接器是实现光纤之间活动连接的无源光器件，它还有将光纤与有源器件、光纤与其它无源器件、光纤与系统和仪表进行连接的功能。活动连接器伴随着光通信的发展而发展，现在已形成门类齐全、品种繁多的系统产品，是光纤应用领域中不可缺少的、应用最广泛的基础元件之一。
尽管光纤（缆）活动连接器在结构上千差万别，品种上多种多样，但按其功能可以分成如下几部分：连接器插头、光纤跳线、转换器、变换器等。这些部件可以单独作为器件使用，也可以合在一起成为组件使用。实际上，一个活动连接器习惯上是指两个连接器插头加一个转换器。
4.4.2连接器插头
使光纤在转换器或变换器中完成插拔功能的部件称为插头，连接器插头由插针体和若干外部机械结构零件组成。两个插头在插入转换器或变换器后可以实现光纤（缆）之间的对接；插头的机械结构用于对光纤进行有效的保护。插针是一个带有微孔的精密圆柱体，其主要尺寸如下：
　　外径 Ф2.499±0.0005mm
　　外径不圆度 <0.0005mm
　　微孔直径 Ф126±0.5μm
　　微孔偏心量 <1μm
　　微孔深度 4mm 或 10mm

6
插针外圆柱体光洁度 ▽14
端面曲率半径 20-60mm插针的材料有不锈钢、全陶瓷、玻璃和塑料几种。现在市场上用得最多的是陶瓷，陶瓷材料具有极好的温度稳定性，耐磨性和抗腐蚀能力，但价格也较贵。塑料插头价格便宜，但不耐用。市场上也有较多插头在采用塑料冒充陶瓷，工程人员在购买时请注意识别。
插针和光纤相结合成为插针体。插针体的制作是将选配好的光纤插入微孔中，用胶固定后，再加工其端面，插头端面的曲率半径对反射损耗影响很大，通常曲率半径越小，反射损耗越大。插头按其端面的形状可分为3类：PC型、SPC型、APC型。PC型插头端面曲率半径最大，近乎平面接触，反射损耗最低；SPC型插头端面的曲率半径为20mm，反射损耗可达45dB，插入损耗可以做到小于0.2dB；反射损耗最高的是APC型，它除了采用球面接触外，还把端面加工成斜面，以使反射光反射出光纤，避免反射回光发射机。斜面的倾角越大，反射损耗越大，但插入损耗也随之增大，一般取倾角为8o—9o，此时插入损耗约0.2dB，反射损耗可达60DB，在CATV系统中所有的光纤插头端面均为APC型。要想保证插针体的质量，光纤的几何尺寸必须达到下列要求：光纤外径比微孔直径小0.0005mm；光纤纤芯的不同轴度小于0.0005mm。因此，插针和光纤以及两者的选配对连接器插头的质量影响极大，也是连接器插头质量好坏的关键。不同厂家的产品工艺水平不一样，因而差别就很大，在实际应用中，本人也曾多次碰到一个插头插损1dB以上的情况，而正常值一般小于0.3dB。在工程应用中，不要小看一个小小的插头，质量低劣的插头对系统的影响是和很大的；在选购时一定要选用信誉高、知名厂家的产品。

7
4.4.3跳线
将一根光纤的两头都装上插头，称为跳线。连接器插头是跳线的特殊情况，即只在光纤的一头装有插头。在工程及仪表应用中，大量使用着各种型号、规格的跳线，跳线中光纤两头的插头可以是同一型号，也可以是不同的型号。跳线可以是单芯的，也可以是多芯的。跳线的价格主要由接头的质量决定。因而价格也相差较大。在选用跳线时，本着质优价廉去选是不错，但一定不要买质次价低的产品。
4.4.4转换器
把光纤接头连接在一起，从而使光纤接通的器件称为转换器，转换器俗称法兰盘。在CATV系统中用得最多的是FC型连接器；SC型连接器因使用方便、价格低廉，可以密集安装等优点，应用前景也不错，除此地外，ST型连接器也有一定数量的应用。
a．FC型连接器。 FC型连接器是一种用螺纹连接，外部元件采用金属材料制作的圆形连接器。它是我国采用的主要品种，在有线电视光网络系统中大量应用；其有较强的抗拉强度，能适应各种工程的要求。
b．SC型连接器。SC型连接器外壳采用工程塑料制作，采用矩形结构，便于密集安装；不用螺纹连接，可以直接插拔，操作空间小。实用于高密集安装，使用方便。
c．ST型连接器。 ST型连接器采用带键的卡口式锁紧结构，确保连接时准确对中。
这三种连接器虽然外观不一样，但核心元件——套筒是一样的。套筒是一个加工精密的套管（有开口和不开口两种），两个插针在套筒中对接并保证两根光纤的对准。其原理是：以插针的外圆柱面为基准面，插针与套筒之间为紧配合；当光纤纤芯外圆柱面的同轴度、插针的外圆柱面和端面、以及套筒的内孔加工的非常精密时，两根插针在套筒中对接，就实现了两根光纤的对准。

8
下面详细讲一下套筒。套筒有两种结构：开口套筒与不开口套筒。 a．开口套筒。开口套筒在连接器中使用最普遍，其主要尺寸为 ：外径：Ф3.2±0.01mm，内径Ф2.5±0.02mm，内孔光洁度：▽14；弹性形变：小于0.0005mm，插针插入或拔出套筒的力：3.92-5.88N。开口套筒采用高弹性的材料，如磷青铜、铍青铜和氧化锆陶瓷制作，当插针插入套筒之后，套筒对插针的夹持力应保持恒定，这三种材料制作的套筒都在应用，但以铍青铜和氧化锆陶瓷居多。 b．不开口套筒。不开口套筒在连接器中应用较少，在光纤与有源器件的连接中应用较多，其外型尺寸与开口套筒基本上一致。不同之处在于它的内孔直径为ф2.5+0.0005mm，即比插针的外径大1μm；既让插针能够顺利插入，同时间隙也不能太大，保证光纤与有源器件（如激光管、探测器）连接时，重复性、互换性达到要求的指标。
上述三种型号的转换器，只能对同型号的插头进行连接，对不同型号插头的连接，就需要下面三种转换器。即：FC/SC型转换器——用于FC与SC型插头互连；FC/ST型转换器——用于FC与ST型插头互连，SC/ST型转换器——用于SC与ST型插头互连。市场上的法兰盘价格高低之间相关数倍，其实讲完这些，读者也应该明白原因在何处。

9
4.4.5变换器
将某一种型号的插头变换成另一型号插头的器件叫做变换器，该器件由两部分组成，其中一半为某一型号的转换器，另一半为其它型号的插头。使用时将某一型号的插头插入同型号的转换器中，就变成其它型号的插头了。在实际工程应用中，往往会遇到这种情况，即手头上有某种型号的插头，而仪表或系统中是另一型号的转换器，彼此配不上，不能工作。如果备有这种型号的变换器，问题就迎刃而解了。对于FC、SC、ST三种连接器，要做到能完全互换，有下述6种变换器。SC—FC，将SC插头变换成FC插头；ST—FC将ST插头变换成FC插头；FC—SC将FC插头变换成SC插头；FC—ST将FC插头变换成ST插头，SC—ST将SC插头变换成ST插头；ST—SC将ST插头变换成SC插头。实际上光纤的活动连接除了采用上述的活动连接器外，如果是紧急抢修断光缆，而手头又没有熔接机，通常采用一种机械连接头（也称快速接线子）处理。其利用一个玻璃微细管来定位，用一套机械装置来紧固光纤，使用时先切开光纤，对端面进行清洁处理，光纤端头保留6—8mm，然后将光纤的两个端面在玻璃微细管的中央对准后夹紧，拧紧两端的螺帽即可实现光纤的可靠连接。这种机械连接头的长度约40mm，直径不超过5.7mm，平均插入损耗小于0.4dB，反射损耗大于50dB，抗拉强度大于1.25kg，更重要的是装配时间极短，确实是一种快速抢修必备工具。

10
4.5耦合工艺过程
4.5.1 To封装
一：To封装工艺
半导体激光器ＴＯ封装工艺，其特征是：包括以下步骤：（１）首先按常规在管舌上蒸发焊料，将半导体激光器的芯片粘结在管舌侧面的中间，并使芯片发光腔面与管舌的上端面平齐，再进行合金、键合及光电测试；（２）然后利用光学调节架在管舌 的上端面粘结柱透镜，使柱透镜处于芯片发光腔面的上方，柱透镜的中心面与芯片发光腔面平行，柱透镜中心面与芯片发光腔面的距离为８０ｕｍ～３１０ｕｍ；（３）将与ＴＯ管座型号对应的管帽封装在ＴＯ管座上。
二： TO封装工艺操作误差分析
1 VCSEL 横向偏移对耦合效率的影响
将芯片焊接在管座上 ,有可能使 VCSEL 芯片的出光面偏离管座中心 ,从而使从透镜出射的光束不再是圆形而是椭圆形的高斯光束 ,导致耦合效率降低。
2 芯片倾斜角对耦合效率的影响
在封装工艺的操作过程中,由于 TO 管座的上表面不够平整或者由于压焊的焊料不够均匀,可能使从芯片发出的光不再与耦合透镜和光纤同轴，致使耦合率下降。
3 管帽倾斜角对耦合效率的影响
当采用激光焊接技术将管帽焊接在管座上时, 由于焊接的激光光束分成几路,可能由于它们的能量不等、光斑的大小不一致或者光点的分布不均匀都会对管帽产生应力作用,从而引起从透镜出射光束偏离芯片与光纤的轴线方向,导致耦合效率降低。

11
4.5.2 耦合
一：耦合工艺
1. 耦合作业前的准备
①防静电测试
②静电防护
2．打开工作电流

图四：耦合一
3.根据管芯的型号将管芯的管脚正确的接入引线的插孔内装夹在耦合台的下夹具上。

12

图五：耦合二
4.将光纤的连接器和跳线的连接器正确的连接。
5.将焊接好的插芯与圆滑圈部分装夹在耦合台上夹具上。
6.将管芯的管脚正确的接入引线的插孔内装夹在耦合台的下夹具上并整缝使其密合无间隙然后调节Z轴留出0.5毫米的距离。
7.旋转电流开关，使电流达到Ith+20mA.
8.耦光，调节X.Y.Z.轴使其功率满足要求。
9.先旋开耦合台的上夹具然后在旋开下夹具取下偶好的产品放置在防静电转运盘内，断电。
二：耦合时注意事项：
1. 不要让激光照射眼睛。
2. 注意管脚的极性，对照管脚形式切勿接反，严禁带电插拔管芯
3. 操作者应注意静电防护，必须佩带防静电手腕带和手指套。
4. 切勿过度弯择光纤。

13
4.6 PPS PIV系列耦合仪简介
耦合测试电源(PSS PIV)主要用于LD、TOSA、BOSA耦合时的在线正向电压监测，支持LD的共阳或共阴十余种不同封装器件的耦合测试。设备提供六种耦合工作模式：Ith+X（无背光线）、Ith+X（有背光线）、定点X（无背光线）、定点X（有背光线）、直流定点Ith+X、直流定点X。主要监测参数：阈值电流、驱动电流、背光电流、光功率、背光电压等。
可在本机显示相关参数，以及P-I 曲线、Im-I曲线、V-I曲线等，也可以外接示波器显示相关波形。
14

图六：ＰＰＳ　ＰＩＶ耦合仪
15
一．性能特点
★支持共阳型、独立型、共阴型等多种封装模式激光器的耦合
★阈值电流、驱动电流，光功率，背光电流，正向电压等参数实时检测显示
★支持Ith+X、Ith+X+Im、定点X、定点X+Im、直流X、直流Ith+X等六种耦合模式
★支持用户多参数自行校准（包括驱动电流、光功率、正向电压、背光电流等）
★自带彩色液晶显示P-I、V-I、Im-I曲线或外接示波器显示两种方式
★采用复合按键或菜单设置两种方式实现多种功能，增强设备灵活性
★支持自动换档、手动换档，客户亦可选配脚踏板实现相关功能
★可支持650-1550波长
★内置高效防浪涌保护电路，慢启动电路，实现激光器无损害耦合
★热插拔、异常报警

16
二：技术参数
参 数
指 标
激光器封装类型
共阳型、共阴型和独立性等
耦合方式
Ith+X（前光求阈值）、Ith+X+Im（背光求阈值）、定点X、定点X+Im、直流X、直流Ith+X等6种模式
显示参数
阈值电流、光功率、驱动电流、背光电流、正向电压、波长等
波长
4个波长（1310、1490、1550、850nm）(特殊波长可定制)
驱动电流
范围0-50mA，125个点，step<0.5mA，精度＜0.1mA，显示精度0.1mA
(可特殊定制0-100mA)
背光电流
范围0-1600uA，精度＜10uA，显示精度1uA
光功率
第一档0-100uW或者0-2500uW；第二档 0-5000uW
精度＜0.2dB，显示精度1uW。(可特殊定制到0-10mW)
正向电压
<2.5V，精度＜15mV，显示精度0.01V(可定制到0-5V)
曲线刷新速率
<20 ms
校准功能
支持I、P、V、Im多种参数校准
报警功能
异常情况蜂鸣报警，断电保护
记忆功能
支持自动保存上一次的工作模式状态(特殊情况可定制)
功率档位切换
支持自动换挡、手动换挡（可选配脚踏板切换）
探测器检测波长
800-1700 nm，可定制650nm
光口检测器直径
1.0 mm
光口四向性差异
≤0.1 dB
光纤适配器
通用适配器（可选配FC、LC或万能接头）
光纤
单模、多模
电源
AC220V±10% /50Hz(可特殊定制110V)
工作环境温度
0-40
储存温度
0 - 40
尺寸
PIV-2：170*200*65 mm；PIV-3：180*200*95 mm；PIV-L：250*300*120 mm
表一：ＰＰS　PIV参数
17
5实习总结
通过这次的顶岗实习，是我学习到了很多在课堂上学不到的东西。初次与社会这么近距离的接触，让我感觉到了现实社会的现实，当然也感觉到了现实存在的人性美，对那些在公司帮助我指导我的线长，组长以及同事，我由衷的感谢你们。现在眼看实习期就快结束了，但是相信这段实习的日子，我将会铭记于心，在若干年后，它又何尝不是一段值得回忆的时光呢？
当你无法从一楼蹦到三楼时，不要忘记走楼梯。要记住伟大的成功往往不是一蹴而就的，必须学会分解你的目标，逐步实施。相信自己一定能成功。

18
参考文献
[1]百度百科　　
[2]公司资料
[3]《半导体学报：英文版》2006年 第8期

19
致 谢
参加实习是我们从学校踏入社会的第一步。回忆着实习期间的点点滴滴，心里充满着感激和快乐！在这里，我们不仅获得了学识，也获得了很多快乐！在昱升实习的两个多月里，组长们教我们学东西和交流、沟通、处事道理，关心我们的生活！这里的每一处都给了我们一种大家庭的温馨感觉！和谐的家园把每一个人都当作是其中的一份子。感谢组长同事们，愿你们开心每一天。
20

湖北科技职业学院
毕业设计（论文）成绩评定表
系（部）：机电工程学院 专业：机电一体化
姓名
佘功圣
毕业设计（论文）成绩

年级
11级
学号
110108096
课题名称
无源光器件耦合工艺
指

导

教

师

评

语

报告主要介绍无源光器件生产工艺，产品特点，应用，及质量要求。
报告内容符合专业要求，希望能较多的积累实践经验，多参考一些实例，使理论和实践更好的相结合。

评定成绩

签名：
年 月 日

答
辩
︵
评
审
︶
小
组
评
语

答辩（评审）成绩

组长签名：
年 月 日
注：1．毕业设计（论文）成绩=指导教师评定成绩×60%＋答辩成绩×40%。
2．本表格一式三份，一份系（部）留存，一份教务处备案，一份随学生档案。