CN102508344A - 半导体激光二极管自动耦合装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了半导体激光二极管自动耦合装置及其实现方法，包括底座，在底座上设置有工作平台，在所述底座上连接有X轴电机和Y轴电机，X还包括与水平面垂直的Z轴电机，三个电机的转子末端上均套装有电磁铁，还包括CPU处理器，在CPU处理器上连接有电机控制电路、以及光功率计。本发明采用人工夹装、自动耦合、自动焊接的方式，有效避免了焊接质量依赖于操作人员的情绪，提高了成品质量的合格率，将目前人工夹装、耦合、焊接的效率从300只左右/8小时/2人，提高至800只左右/8小时/2人；大大降低了自动耦合装置的非工作状态时间比，提高了自动耦合装置处于自动耦合工作状态的时间，成本远远小于国内外的全自动化设备。

Description

半导体激光二极管自动耦合装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种光纤耦合的器械和使用方法，具体是指半导体激光二极管自动耦合装置及其实现方法。

背景技术

在光通信行业中，光纤与激光器进行封装，以实现光电转换,一般采用激光焊接工艺。光纤通信所用激光器一般采用TO56管芯，激光器因波长、功率、焦距、封装结构等差异，不能直接与光纤或光缆连接使用，必须加工成与光纤活动连接器标准结构相连接，且必须满足一定光功率范围，以适应不同的光传输距离。

光传输路径主要为光纤纤芯，光纤纤芯单模为φ9um，激光器焦点光斑一般在φ5～10um，激光器自身功率常规在0.5～6mW范围内，客户要求功率从0～3mW内的各种不同范围。激光器在进入光纤界面时，若光垂直反射返回激光器内部，会对激光器本身光源造成干扰，故在光纤界面设有一定角度，但因此光进入光纤的功率带有很强的方向性，造成封装产品最终光功率不稳定。正因为这些因素的影响，使光纤封装要求越来越严格。

    近年来，随着全球通信行业的发展和国家对通信行业的大力支持，光纤通信行业迅猛发展，光纤到户计划的实施，光纤通信产品需求量越来越大。今年EPON和GPON通信产品全球市场需求量在几百万只以上，但同时通信行业每年均存在不同程度的低迷期 ，使企业既要保证市场需求，又要考虑市场低迷期带来的负面影响，故企业不敢太多地投入大力的人力物力。这就要求企业采用各种办法，利用有限的资源去尽可能地提高产品生产效率。

在市场与产量的综合矛盾下，自动化生产设备的研发成为光纤通信企业发展一个重要方向，光纤与激光器耦合工艺是整个光纤通信产品的最核心环节，故光纤与激光器耦合自动化设备成为一个重要的研究项目。目前，在光纤通信行业中的光纤耦合设备因不同公司背景和实力等差异，自行设计和外购的各类耦合设备也是多种多样，甚至同公司存在多种版本的耦合夹具。目前国内大多数均为人工耦合，在人工光纤耦合中，因焦距、机械加工零件精度、工装夹具精度、夹具本身结构、生产产线配置、人员情绪、员工技能等多种因素，造成人工耦合效率在改为200-300只/2人/8小时的不等。国内外目前也有自动光纤耦合设备, 比如久下、FTD、骏合、和椿等公司均有自动设备。此类自动耦合设备常安置在激光焊机上，采用的是产品两焊接零件上下更换加工，此方式耦合效率在180-200只/机/10小时，极占激光焊机资源，而且这类设备价格非常昂贵，一般在100万元以上。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题提供半导体激光二极管自动耦合装置及其实现方法，降低光纤耦合的成本、提高耦合效率、保持产品质量稳定、提高产品合格率。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

半导体激光二极管自动耦合装置，包括底座，在底座上设置有工作平台，在所述底座上连接有X轴电机和Y轴电机，X轴电机和Y轴电机的轴线均与工作平台的上表面平行且相互垂直，还包括与工作平台的上表面垂直的Z轴电机，在X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机的转子末端上均套装有电磁铁，还包括CPU处理器，在CPU处理器上连接有控制X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机动作的电机控制电路、以及光功率计。使用时，将安装好激光二极管的夹具放置在工作平台上，X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机转子端部的电磁铁吸附夹具后，通过连接在CPU处理器上的电机控制电路来控制X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机的动作，从而推动下夹具和上夹具运动，激光发生器发出激光并穿过激光二极管，光功率计实时监视穿过激光二极管的激光功率，当检测到功率满足要求时，通过激光焊接器进行焊接，为了便于操作，可以采用将X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机均设置在同一个底座上，也可以采用Z轴电机分体式设置方式，

还包括与所述X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机均配对设置的三个滑轨，在滑轨上安装有沿滑轨自由滑动的电机固定架，X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机分别通过电机固定架安装在滑轨上。进一步讲，为了便于X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机的运动，采用设置滑轨的方式，滑轨上安装有电机固定架，电机固定架可以沿滑轨自由滑动，X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机分别安装在电机固定架上，电磁铁通电后吸附在夹具上，通过控制三个电机的动作来推动并改变夹具的位置，从而达到寻找光心的目的。

所述CPU处理器上连接有触摸控制屏。进一步讲，触摸控制屏上显示有功率窗口，在寻找光心的过程中，光功率计所监视到的功率可以直观地在触摸控制屏上显示，并且，通过触摸控制屏可以方便地对设备进行操作控制。

所述的工作平台上设置有到位传感器。进一步讲，只有当装有激光二极管 的夹具放置在工作台上，并且位于有效的被操作范围内后，才能进行操作控制，因此，采用在工作平台上设置到位传感器，当夹具放置在工作平台上，并位于有效的被操作范围内时，到位传感器接通，并触发CPU处理器工作，进行对心操作，然后焊接，到位传感器的设置使得最后的操作范围均在有效范围内，不仅减少了对心过程，而且避免了永远找不到光可能性的存在。

在所述的到位传感器上设置有位置调节机构。进一步讲，为了能适应不同型号的夹具来加工不同型号的激光二极管，在到位传感器上设置有位置调节机构，位置调节机构能改变到位传感器与工作平台的相对位置关系，以适用于不同型号的夹具。

所述的X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机均对应有一个回位装置。每个激光二极管焊接完毕后，其对心工作完成，需要将夹具取出并更换已经安装好夹具，电磁铁断电后，其与夹具的之间的吸附力消失，通过回位装置的推动作用，X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机回复到初始位置，进入下一次自动耦合的待开始状态。

上述半导体激光二极管自动耦合装置的实现方法，包括以下步骤：

（A）设定激光器的驱动电流、耦合功率的最大门限值和最小门限值；

（B）手工作业将光纤和激光二极管装在夹具上，采用多个夹具安装的方式；

（C）将夹具放置在工作平台上，启动按钮，到位传感器感应到夹具后，X轴电机（11）、Y轴电机（12）、以及Z轴电机（13）上的电磁铁通电，将夹具吸附固定；

（D）激光器发出激光并穿过二极管，光功率计接收并计算出光功率，启动找光心的程序寻找光心；

（E）当光功率计监视到的功率在设定的最大门限值和最小门限值之间时，焊接光纤，否则重复步骤（D），

（F）焊接完毕后断开电磁铁，X轴电机（11）、Y轴电机（12）、以及Z轴电机（13）恢复到初始位置，重复步骤（C）至（E）进行下一个激光二极管的焊接，同时采用手动方式将焊接好的激光二极管取出，并安装新的待焊接激光二极管。

进一步讲，所述的步骤（D）包括以下步骤：

（D1）Y轴电机和Z轴电机不动，启动X轴电机，X轴电机带动丝杆推动夹持激光二极管的下夹具在轴线上移动一段距离，光功率计实时监视功率，并记录功率值和对应的电机位置，当X轴电机运行到设定的距离后返回到功率最大点对应的位置，X轴电机停止；

（D2）X轴电机停止后，X轴电机和Z轴电机不动，启动Y轴电机，Y轴电机带动丝杆推动夹持激光二极管的下夹具在轴线上移动一段距离，光功率计实时监视功率，并记录功率值和对应的电机位置，当Y轴电机运行到设定的距离后返回到功率最大点对应的位置；

（D3）Y轴电机停止后，X轴电机和Y轴电机不动，启动Z轴电机，Z轴电机推动夹持光纤线的上夹具在Z轴电机的轴线移动一段距离，光功率计实时监视功率，并记录功率值和对应的电机位置，当Z轴电机运行到设定的距离后返回到功率最大点对应的位置；

（D4）当光功率计监视到的功率在设定的最大值与最小值之间时，找光程序完成，否则重复（D1）至（D3）。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1本发明半导体激光二极管自动耦合装置及其实现方法，相对于目前广泛采用的人工夹装、人工耦合、人工焊接的设备以及方式，采用人工夹装、自动耦合、自动焊接的方式，有效避免了焊接质量依赖于操作人员的情绪，提高了成品质量的合格率，将目前人工夹装、人工耦合、人工焊接的效率从300只左右/8小时/2人，提高至800只左右/8小时/2人；

2本发明半导体激光二极管自动耦合装置及其实现方法，相对于目前的全自动焊接设备以及其生产工艺，自动耦合设备常安置在激光焊机上，采用的是产品两焊接零件上下更换加工，此方式耦合效率在180-200只/机/10小时，极占激光焊机资源，而且这类设备价格非常昂贵，一般在100万元以上，采用多个夹具分别安装光纤接头，依次在自动耦合装置上耦合，手工夹装，在另外的焊接设备上焊接的方式，大大降低了自动耦合装置的非工作状态时间比，提高了自动耦合装置处于自动耦合工作状态的时间，从而提高了生产效率；

3本发明半导体激光二极管自动耦合装置及其实现方法，相对于目前的全自动焊接设备以及其生产工艺而言，不仅保证了产品的质量，而且其成本远远小于国内外的全自动化设备，具有广泛的实用性，有利于推广；

4本发明半导体激光二极管自动耦合装置，结构相对于全自动焊接设备简单，使用方便，维修容易。

附图说明

图1为本发明的原理图； 

图2为本发明主视方向结构示意图；

图3为本发明俯视方向结构示意图。 

附图中标记及相应的零部件名称：

1-底座，2-工作平台，3-触摸控制屏，4-电磁铁，5-滑轨，6-电机固定架，7-位传感器，8-位置调节机构，9-回位装置，10-下夹具，11-X轴电机，12-Y轴电机，13-Z轴电机，14-上夹具，15-激光发生器，16-光纤。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1至3所示，本发明半导体激光二极管自动耦合装置，包括底座1，底座1为整体的机械设备，其内部为空腔，用于安装CPU处理器、机械、电路板等设备，在底座1上设置有工作平台2，工作平台2用于放置夹具，在底座1上连接有X轴电机11和Y轴电机12，X轴电机11和Y轴电机12的轴线均与工作平台2上表面平行且相互垂直，还包括与工作平台2上表面垂直的Z轴电机13，将安装有光纤的夹具放置在工作平台2上时，X轴电机11、Y轴电机12、Z轴电机13的转子轴线分别正对夹具的三个相互垂直的面，即X轴电机11、Y轴电机12、Z轴电机13的转子轴线两两相互垂直，在X轴电机11、Y轴电机12、以及Z轴电机13的转子末端上均套装有电磁铁4，电磁铁4通电后产生吸附力，X轴电机11、Y轴电机12的电磁铁4分别吸附在下夹具10的两个垂直的侧面，Y轴电机13的电磁铁4与上夹具14的水平面紧密吸合，在底座1上安装有三个滑轨5，三个滑轨5分别位于X轴电机11、Y轴电机12、Z轴电机13与底座1之间，在三个滑轨5上均安装有电机固定架6，X轴电机11、Y轴电机12、Z轴电机13分别安装在三个电机固定架6上，电机固定架6能沿滑轨5自由滑动，在电磁铁4通电的情况下，三个电机通过电磁铁4吸附在夹具上，工作平台2上设置有到位传感器7，到位传感器7通过位置调节机构8安装在底座1上，当夹具放置在工作平台2上，并位于有效的被操作范围内时，到位传感器7接通，并触发CPU处理器工作，进行对心操作，位置调节机构8能改变到位传感器7与工作平台2的相对位置关系，以适用于不同型号的夹具，在底座内部安装有信号处理器，CPU处理器、单片机、电脑等均可以使用，本实施例中采用CPU处理器，在CPU处理器上连接有光功率计，光功率计用于检测激光发生器15发出的激光穿过光纤16后的功率，并将该功率传输至CPU处理器，CPU处理器上连接有电机控制电路、电流调节器、以及触摸控制屏，电机控制电路分别作为X轴电机11、Y轴电机12、以及Z轴电机13的控制源来控制三个电机的动作，电流调节器输出5～50mA电流来控制激光发生器15的输出激光功率，触摸控制屏能够直观地显示光功率计实时监视得到的功率，并作为控制界面来控制整个系统的操作。

半导体激光二极管自动耦合装置的实现方法，包括以下步骤：

（A）设定激光器的驱动电流、耦合功率的最大门限值和最小门限值，根据不同型号的激光二极管，需要激光发生器15发出不同功率的激光，通过调节激光发生器的输入电流即可以实现，向CPU处理器内预先输入耦合功率的最大门限值和最小门限值，以便光功率计监视到的功率是否合格预先设定范围；

（B）手工作业将光纤16和激光二极管装在夹具上，采用多个夹具安装的方式，激光发生器15安装在下夹具10上，光纤16和激光二极管安装在上夹具14上，夹具放置在工作平台2上； 

（C）将夹具放置在工作平台上，启动按钮，到位传感器7感应到夹具后，X轴电机11、Y轴电机12、以及Z轴电机13上的电磁铁通电，将夹具吸附固定，到位传感器7检测到有效距离范围内有夹具，触发系统进入工作状态，启动按钮后，进行自动耦合；

（D）激光器发出激光并穿过二极管，光功率计接收并计算出光功率，启动找光心的程序寻找光心，具体过程包括以下步骤：

（D1）Y轴电机12和Z轴电机13不动，启动X轴电机11，X轴电机11带动丝杆推动夹持激光二极管的下夹具10在轴线上移动一段距离，光功率计实时监视功率，并记录功率值和对应的电机位置，当X轴电机11运行到设定的距离后返回到功率最大点对应的位置，X轴电机11停止；

（D2）X轴电机11停止后，X轴电机11和Z轴电机13不动，启动Y轴电机12，Y轴电机12带动丝杆推动夹持激光二极管的下夹具10在轴线上移动一段距离，光功率计实时监视功率，并记录功率值和对应的电机位置，当Y轴电机12运行到设定的距离后返回到功率最大点对应的位置；

（D3）Y轴电机12停止后，X轴电机11和Y轴电机12不动，启动Z轴电机13，Z轴电机13推动夹持光纤线的上夹具14在Z轴电机13的轴线移动一段距离，光功率计实时监视功率，并记录功率值和对应的电机位置，当Z轴电机13运行到设定的距离后返回到功率最大点对应的位置；

（D4）当光功率计监视到的功率在设定的最大值与最小值之间时，找光程序完成，否则重复（D1）至（D3）；

（E）当光功率计监视到的功率在设定的最大门限值和最小门限值之间时，焊接光纤，否则重复步骤（D）；

（F）焊接完毕后断开电磁铁，X轴电机11、Y轴电机12、以及Z轴电机13恢复到初始位置，重复步骤C至E进行下一个激光二极管的焊接，同时采用手动方式将焊接好的激光二极管取出，并安装新的待焊接激光二极管。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术、方法实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。 

Claims (8)

1.半导体激光二极管自动耦合装置，包括底座（1），在底座（1）上设置有工作平台（2），其特征在于：在所述底座（1）上连接有X轴电机（11）和Y轴电机（12），X轴电机（11）和Y轴电机（12）的轴线均与工作平台（2）的上表面平行且相互垂直，还包括与工作平台（2）的上表面垂直的Z轴电机（13），在X轴电机（11）、Y轴电机（12）、以及Z轴电机（13）的转子末端上均套装有电磁铁（4），还包括CPU处理器，在CPU处理器上连接有控制X轴电机（11）、Y轴电机（12）、以及Z轴电机（13）动作的电机控制电路、以及光功率计。

2.根据权利要求1所述的半导体激光二极管自动耦合装置，其特征在于：还包括与所述X轴电机（11）、Y轴电机（12）、以及Z轴电机（13）均配对设置的三个滑轨（5），在滑轨（5）上安装有沿滑轨（5）自由滑动的电机固定架（6），X轴电机（11）、Y轴电机（12）、以及Z轴电机（13）分别通过电机固定架（6）安装在滑轨（5）上。

3.根据权利要求1所述的半导体激光二极管自动耦合装置，其特征在于：所述CPU处理器上连接有触摸控制屏（3）。

4.根据权利要求1所述的半导体激光二极管自动耦合装置，其特征在于：所述的工作平台（2）上设置有到位传感器（7）。

5.根据权利要求4所述的半导体激光二极管自动耦合装置，其特征在于：在所述的到位传感器（7）上设置有位置调节机构（8）。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的半导体激光二极管自动耦合装置，其特征在于：所述的X轴电机（11）、Y轴电机（12）、以及Z轴电机（13）均对应有一个回位装置（9）。

7.上述半导体激光二极管自动耦合装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

（A）设定激光器的驱动电流、耦合功率的最大门限值和最小门限值；

（B）手工作业将光纤和激光二极管装在夹具上，采用多个夹具安装的方式；

（C）将夹具放置在工作平台上，启动按钮，到位传感器感应到夹具后，X轴电机（11）、Y轴电机（12）、以及Z轴电机（13）上的电磁铁通电，将夹具吸附固定；

（D）激光器发出激光并穿过二极管，光功率计接收并计算出光功率，启动找光心的程序寻找光心；

（E）当光功率计监视到的功率在设定的最大门限值和最小门限值之间时，焊接光纤，否则重复步骤（D），

（F）焊接完毕后断开电磁铁，X轴电机（11）、Y轴电机（12）、以及Z轴电机（13）恢复到初始位置，重复步骤（C）至（E）进行下一个激光二极管的焊接，同时采用手动方式将焊接好的激光二极管取出，并安装新的待焊接激光二极管。

8.根据权利要求6所述的光纤自动耦合方法，其特征在于，所述的步骤（D）包括以下步骤：

（D1）Y轴电机（12）和Z轴电机（13）不动，启动X轴电机（11），X轴电机（11）带动丝杆推动夹持激光二极管的下夹具（10）在轴线上移动一段距离，光功率计实时监视功率，并记录功率值和对应的电机位置，当X轴电机（11）运行到设定的距离后返回到功率最大点对应的位置，X轴电机（11）停止；

（D2）X轴电机（11）停止后，X轴电机（11）和Z轴电机（13）不动，启动Y轴电机（12），Y轴电机（12）带动丝杆推动夹持激光二极管的下夹具（10）在轴线上移动一段距离，光功率计实时监视功率，并记录功率值和对应的电机位置，当Y轴电机（12）运行到设定的距离后返回到功率最大点对应的位置；

（D3）Y轴电机（12）停止后，X轴电机（11）和Y轴电机（12）不动，启动Z轴电机（13），Z轴电机（13）推动夹持光纤线的上夹具（14）在Z轴电机（13）的轴线移动一段距离，光功率计实时监视功率，并记录功率值和对应的电机位置，当Z轴电机（13）运行到设定的距离后返回到功率最大点对应的位置；

（D4）当光功率计监视到的功率在设定的最大值与最小值之间时，找光程序完成，否则重复（D1）至（D3）。

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