PLC自動耦合封裝

1、ficonTEC平面波導器件的自動化裝配ficonTEC Service GmbH * Fahrenheitstrasse 9D-28359 Bremen * Germany1 of 5ficonTECficonTEC Service GmbH * Fahrenheitstrasse 9D-28359 Bremen * Germany# of 5ficonTEC簡介在光通訊網(wǎng)絡中，很多光器件本質上是被設計成無源光波導的結構，其 本身不能產(chǎn)生光信號，而是被用于光通路和光傳導，將光信號耦合到指 定的輸出端口。圖-1就是這樣一個提供2路輸入和8路輸出的無源波導 器件的樣例。這類器件封裝制造的關鍵挑戰(zhàn)

2、就是怎樣精確調光和怎樣將 光纖（或光纖陣列）與波導器件連接起來，因為這些工藝需要在平移和 轉動上做到亞微米級的位置誤差。圖-2為這類典型的平面波導器件裝配的流程圖。圖-1. 2路輸入和8路輸出的無源波導器件的樣例圖-2.典型平面波導器件裝配流程示意圖AutoAligrP自動裝配平臺及其工裝為了完成調光和連接工藝，自動化的制造設備應該能夠安 全地裝夾器件和光纖，并且要求能夠在不同的運動方向進 行直線和旋轉運動（圖-3）。輸入和輸出端的光纖或光纖 陣列裝夾在夾具中，被安放在精密的運動滑臺上，光纖可 以沿著X,Y Z軸運動，光纖陣列可以調整 Pitch, Ro和 Yaw圖-4展示了用于裝夾各種不同尺

3、寸平面波導器件的隨行 工裝，該設計的特點是有可調整和可更換的舌片。這個 工裝被用于ficon TEC AutoAlig裝配平臺。隨行工裝是平 面波導產(chǎn)品與裝配工作臺的中介，可調整的舌片設計允 許工裝用于不同尺寸的器件。另外，可更換的舌片設計 也允許該夾具可以根據(jù)不同的應用進行改裝。該工裝本 身也是模塊設計，如果為了應用于其他完全不同的產(chǎn) 品，它也能夠很方便地被移除和更換，并進行改裝。WTi.few応"“wdf 電博L&WIWpJ rMp cf 粒R.碎曹甩 iInpd J-bn Abbtfl-JUu Hw 'hl'iclwnlld UU Ittm嘰d. Vhr

4、Q hWU 卜齡）Ih* 加 w z燈th黑十 enwg圖-4.客戶化的精密波導器件夾具保證了可靠 地和可重復性的平面組件的裝夾，插圖中這 個夾具被用于裝夾平面波導器件MSA hfaatMUr uf Vihinfrl d Ok- H|jU U ifrifefMliMl IJ Wh" flff。 Uw：WH IM M|M Q 44sUKTGgtaw nTdv itaui rhauvl dv mif Q圖-3.輸入和輸出端光線陣列與平面波導器件調光示意圖，同時顯示調光的各器 件和運動軸的命名另外在器件裝夾上，設備另外一個特色設計是有能力將器件裝夾，調光和裝配過 程變成可視的。 為了這個目

5、的，AutoAlignX作站使用了一套機器視覺系統(tǒng)，其中 包括：長物距配置的光學鏡頭，光學照明系統(tǒng)，CCD相機及配套的圖像處理軟件。作為視覺系統(tǒng)的一部分，如圖-5安裝在頂端的相機，該相機為垂直安裝，用 于捕捉器件裝配時的俯視圖像。另外，系統(tǒng)還配置了一個水平相機作為第二個相 機系統(tǒng)，該相機提供與垂直相機正交的圖像監(jiān)視。在圖-6中右上方可以看到該水平相機。ficonTEC Service GmbH * Fahrenheitstrasse 9D-28359 Bremen * Germany# of 5ficonTEC圖-5近景視角展示了精密的器件夾具能夠實現(xiàn)快 速的，可重復光波導器件的裝卸工作，可更

6、換和模 塊化的工裝設計能夠適應各種尺寸和應用配置的要 求。長工作距離的相機鏡頭能夠完成監(jiān)視組件的點 膠，照明固化和器件探測。一旦光纖與波導器件被耦合好，就必須要固定它的位置。其中的一個方法 就是使用環(huán)氧膠粘接。需要精密地控制出膠量和點膠位置。系統(tǒng)提供點膠 工裝實現(xiàn)該工藝（圖-6），圖-6所示為1x8波導器件，從圖片上可以看到一 根光纖進入器件和八根光纖輸出。輸入光纖，光學波導器件和輸出光纖都 各自被相應的隨行工裝夾住，以確保在裝配機臺上的位置精度和重復性精 度。使用環(huán)氧膠將各組件粘接起來，在光電組件封裝中是一種可用的方法。另 一個可選擇的方案是用激光焊接工藝組裝，但激光焊接工藝要求各組件必 須

7、是金屬或被金屬包裹。因為該工藝本質上是通過大功率激光束熔融金屬 并將各組件焊接在一起。怎樣通過激光焊接工藝進行光器件的封裝的應 用，將另文詳述。圖-6所示的器件和光纖陣列的裝夾是使用圖-4所示的夾具，這種夾具是ficon TEd行設計和開發(fā)的，是眾多光器件封裝夾具種類中的一種。另外一種ficonTEC設計的機械工裝是鉗型夾具，這些鉗型的夾具廣泛應用 于拾取和放置在封裝模塊中的微小組件，例如在蝶形封裝的激光器和調節(jié) 器中。在這些應用中通常使用有金屬覆蓋或金屬套的光纖。ficonTEC Service GmbH * Fahrenheitstrasse 9D-28359 Bremen * Germa

8、ny3 of 5ficonTEC圖-6.注射器型點膠工裝能夠用于不同器件所 需要的精密膠量控制，這里看到的器件為1x8 波導，輸入端有1根光纖，輸出端有8根光 纖。值得注意的是，輸入端光纖，光波導器 件和輸出端光纖分別由獨立的器件夾具裝 夾，同時，水平像機也能在此視圖看到。 圖-7在本圖片中是一個1X啲波導，并使用精密的 夾具固定。氣動的鉗形夾具用于對輸入及輸出光纖 陣列地夾持及定位。在本應用中，光纖被封裝在金 屬纖維的套管中，鉗形夾具可以被設計和加工成為 不同元件夾持及定位的工具，應用在不同種類的光 電器件的封裝形式中。圖-8.圖-7的實驗裝置近視圖。在照片頂部中間的部分 可見水平安裝的攝像

9、系統(tǒng)，用于對元件放置的監(jiān)控。ficonTEC Service GmbH * Fahrenheitstrasse 9D-28359 Bremen * Germany# of 5ficonTECficonTEC Service GmbH * Fahrenheitstrasse 9D-28359 Bremen * Germany# of 5ficonTEC圖-9.當元件被定位在最佳的耦合位置，垂直方 向的攝像頭將會移開，同時裝有針式噴嘴的針筒 形點膠器將會定位于點膠位置。水平方向地攝像 頭負責定位針頭到合適的位置，以便點膠及元件 的粘接。圖-10.在點膠及粘接操作中，器件放置近 視圖。圖-11. A

10、utoAligr工作站是一個完整的組裝平臺，特別為波導 器件封裝所配置。該工作站包括所有的夾具、UV膠粘接設備 和視覺處理附件，以及ficonTE公司針對于m X n器件自動化 組裝的工藝進程軟件。該工作站可用于波導器件、鏡頭組、 或者是需要粘接的其它器件的精密組裝。ficonTEC Service GmbH * Fahrenheitstrasse 9D-28359 Bremen * Germany# of 5ficonTECficonTEC Service GmbH * Fahrenheitstrasse 9D-28359 Bremen * Germany5 of 5ficonTEC圖-12

11、。AutoAlig工作站包含有對輸出光功率進行計 量的測試儀器，主要針對于帶有尾纖的光電器件。該測試儀器是一個雙通道的功率計，并帶有兩個小 直徑的積分球。功率計通過GPlBg口和過程控制系 統(tǒng)（PCS軟件相聯(lián)接。在器件和金屬套光纖安裝時，鉗型夾具由氣動元件驅動進行裝夾。是一種不同 類型的夾具，可以安裝于機械手型的工裝裝配。（圖-7,8）這些鉗型夾具的外形窄小，使它進入狹小空間成為可能，例如在一些長方形的 盒子里進行封裝。這些夾具提供精密的裝夾壓力控制，以處理器件。當氣動鉗型夾具夾住金屬環(huán)光纖的金屬部分，它可以沿著X,Y或 Z軸方向移動，以便光纖頭能到達平面波導器件前面，在器件和光纖間獲得最大的

12、光耦合效 率。整個耦合過程可以通過與相機聯(lián)接的監(jiān)視屏幕觀察到，參看圖7,你能夠看到垂直和水平的相機，提供了兩個正交的器件視角在監(jiān)視屏幕上。在光纖與波導器件獲得最佳耦合效率后,它將用環(huán)氧膠進行固定。參看圖-9, 10圖-11所示為AutoAlign自動平面波導裝配和測試系統(tǒng)的外形照片，系統(tǒng)隨機安 裝的是ficonTEC過程控制軟件系統(tǒng)（PCS，能夠自動在預器件裝配的期間， 裝配過程中及裝配后進行各項指標的測試和測量。PCS軟件也能夠控制GPI漲口的各類儀器。例如，圖-12所示為一個雙通道功率計和兩個光功率測量的探 頭。在下一節(jié)，我們將討論怎樣裝配一個典型的1x8平面波導器件。平面波導裝配工藝光纖

13、陣列與平面波導裝配工藝由裝夾器件開始，如前所述，AutoAlign工作站很WI 州.二拆.jwala MM!尸amb hr AMI iMhJ W -Ar4jaritai th*Cwimr rhnWIiAp N 1容易進行器件的裝夾，一旦器件和光纖陣列被裝好，使用視覺系統(tǒng)將各組件排 列好，然后進行預裝配工藝。例如，如圖-13和-15所示，輸入光纖陣列（輸出光纖陣列同理）需要與平面波 導器件做精確的平行定位。使用垂直和平行相機，所有工裝僅用一次調整，就圖-14。通過過程控制系統(tǒng)（PCS軟件, 所有的預組裝計量都是自動執(zhí)行的。這里 所顯示的計算機的屏幕截圖，是在耦合過 程中，當執(zhí)行特性測試及自動流程

14、序列 時，由操作工所看到的圖像?？蓪崿F(xiàn)平行定位的設置。工裝的精度將保證在將來的裝配中保持其定位關系。OO0圖-13。通過使用帶有圖像反饋的機器 視覺功能，對光纖陣列的相對位置進行 核準，并在pitch和yaw的方向進行必要 的調整。此視圖是器件放置的俯視圖， 由垂直方向的攝像頭所捕捉，并顯示在 顯示器上。圖15Mit Oita-圖-15。水平方向的攝像頭捕捉和圖-13 成90度角的器件的側視圖，并作必要 的調整。組件裝夾完成后，有必要通過校正 X,Y和 Z方向的偏 差來進行的初始光功率耦合，如圖 -16和-17所示， 圖像處理軟件能自動測量出各項偏差，然后PCS軟件驅動運動控制系統(tǒng)和運動平臺來

15、補償偏差。PCS軟 件也能夠自動執(zhí)行器件指標的測試和流程序列，用 以執(zhí)行器件的各項測試和測量（圖-14）當三個器件完成初始定位，同時確認其在 Z軸方向的 相對位置關系后，這時需要確認輸入光纖陣列和波 導器件之間光的耦合對準。如果通過光功率計無法 從輸出端口發(fā)現(xiàn)有耦合的光，那么可以將輸出光纖陣列移開一點，將物鏡聚焦到波導器件的輸出端 面。通過物鏡及紅外 CCD照相機，可以將波導輸出 端各通道的近場圖像投射出來，進行適當耦合后， 圖像會被投射到顯示器上。類似于在汽車的前方觀 察汽車的前燈。（圖-18）ficonTEC Service GmbH * Fahrenheitstrasse 9D-2835

16、9 Bremen * Germany# of 5ICOHTEC這些有視覺輔助地初始光耦合的步驟是三維耦合工藝的一部分。在此 工藝過程中，輸入及輸出光纖陣列和波導輸入及輸出端面的距離大約 是100200微米，以便通過使用機器視覺精密地校準預粘接間隙的測 量（圖-19），為后面必要的旋轉耦合留出安全的空間。旋轉耦合技術 的原理，請參閱圖-20。大體上來講，旋轉耦合是通過使用線性偏移測 量及旋轉移動相結合的方法，將輸出光纖陣列和波導的的第一個及最 后一個通道進行耦合，并作出必要的更正調整。輸出光纖陣列的第一 個及最后一個通道和兩個光探測器相聯(lián)接，見圖 -12。當三維的粗耦合結束后，在計算機地控制下，

17、將光纖陣列和波導端面 的距離調整到預先設定的距離，一般大約為510微米，進行微耦合。圖-16。延¥軸和Z軸方向的測 量及調整。這些軸的方向的定 義詳見圖-3。上圖是調整前的 圖像；下圖是調整后的圖像。 這些圖像顯示的是由水平方向 的攝像頭所捕捉的波導及光纖 陣列的側視圖。圖-17。延X軸方向的測量 及調整。軸的方向的定義詳 見圖-3。上圖是調整前的圖 像；下圖是調整后的圖像。 這些圖像顯示的是由垂直方 向的攝像頭所捕捉的波導及 光纖陣列的俯視圖。i*先耦合光纖陣列和波導的第一個通道， 然后耦合光纖陣列和波導的最后一個通 道來達成的。當掃描過最后一個通道 后，系統(tǒng)會自動計算角度的偏移量

18、并作 必要的調整修正。圖-19。當光纖陣列和波導的間隙在100200微米時，將會自動執(zhí)行3維耦合圖-18。初始光的耦合可以由波導輸出端的 成像驗證，物鏡及紅外CCD照相機是為此 目的所配。在顯示器上，可以觀察到由波 導輸出端的光斑的圖像。圖-21。當多通道Roll方向耦合階段完成后，系統(tǒng)會自動執(zhí)行光纖陣列和波導間的精細3維耦合優(yōu)化操作。這時，光纖陣列和波導的最佳間隙在510 微米。在此期間，可以做任何必要的器件性能的測試。操作。該間隙已經(jīng)有了進行3維耦合的操作的安全空間圖-22。使用單獨的光纖對波導所有輸出端的通道的輸出功 率進行掃描，可以測試波導各通道的一致性。在本圖中，掃 描的方向是從上到

19、下。使用輸出光纖陣列的第一個通道掃描 波導的第1、3、5和7通道。（從上到下）。在此過程中，可以用輸出光纖陣列的第一個通道，延X軸的方向對波導各通道進行掃描，以測量其各通道的光功率。（圖-22）在整個器件完成光耦合效率優(yōu)化，并對輸入及輸出光纖陣列進行定位 后，就可以使用自動點膠系統(tǒng)將各個器件進行粘接（圖-6,9,10）。其應用圖示請見圖-23。總之，AutoAlign工作站已經(jīng)為客戶提供了全部的、用于光纖陣列和波導 器件組裝的相關工具。通過使用模塊化和可互換的夾具，AutoAlign工作站可以組裝不同種類的波導器件。AutoAlign工作站也裝備了包括長工作距離鏡頭，照明及CCD照相機的視覺系

20、統(tǒng)，允許客戶從不同的角度觀察器件。另外，作為可選項，可以配 先進的機器視覺軟件系統(tǒng)。（圖-21）MH、1伽彎廿強Dfvi-eOrfMjfAmy才丄1J TA*MJf*“血圖-23在粘合操作中，首先紀錄光纖陣列和波導最佳的耦 合位置，然后將光纖陣列移開到點膠的安全位置，精確控制 點膠量，點膠，然后將光纖陣列移回到最佳的耦合位置，并 再次作耦合優(yōu)化工藝（主要是因為膠點到光路上后，會造成 折射率的變化），然后進行UV光照射，開始固化過程。AutoAlign工作站配有ficonTEC公司的過程控制系統(tǒng)（PCS軟件平臺，該 軟件平臺是針對于先進的自動化應用方面，真正的生產(chǎn)級、多任務的軟 件控制系統(tǒng)。PC

21、S控制軟件的特點是能實時的控制所有裝配工藝及過 程，自動化執(zhí)行工藝序列的能力，以及內置了簡化使用各種復雜調光算 法及監(jiān)控自動化過程的功能。PCS軟件的開放結構允許AutoAlignX作站非常高效的將各種測試及測量 儀器集成到系統(tǒng)中，在組裝過程的任何步驟中，對器件所有的特性進行 測試。ficonTEC Service GmbH * Fahrenheitstrasse 9D-28359 Bremen * Germany7 of 5ICOHTECficonTEC Service GmbH * Fahrenheitstrasse 9D-28359 Bremen * Germany# of 5ICOHTECficoriTECficon TEC Service GmbHAddress : Fahrenheitstrasse 9, D-28359 Bremen, GermanyTel : +49 421 690 118 0Fax : +49 421 690 118 90Email :inf