CN105911653A - 一种工业级有源光器件制作方法 - Google Patents

Abstract

一种工业级有源光器件制作方法，该方法的步骤是先在金属管体下端，壁厚中心位置设计一个倒边，接着设计金属管帽下端外圆周直径大于金属管体上端外圆周直径，然后采用电阻封焊技术在氮气环境下将金属管体封焊在TO底座上，接着进行两次人工光耦合，且在耦合过程中同时观察耦合波形和耦合响应值，最后在第一次耦合完成后，在耦合钢针和金属管帽之间进行激光焊接，在第二次耦合完成后，在金属管帽和金属管体之间进行激光焊接。本发明的优点是环境工作温度范围大，测量指标高，性能稳定，安全可靠，可以提高有源光器件的特性，使有源光器件在环境工作温度为‑40℃～+85℃情况下能够正常工作，确保其特性不变，满足现代光通信系统。

Description

一种工业级有源光器件制作方法

技术领域：

本发明涉及一种6G 850nm有源光器件的制作方法，尤其是一种环境工作温度范围大，测量指标高，性能稳定，安全可靠，可以提高有源光器件的特性，使有源光器件在环境工作温度为-40℃～+85℃情况下能够正常工作，确保其特性不变，满足现代光通信系统的要求的6G850nm工业级有源光器件制作方法。

背景技术：

目前，普通6G 850nm有源光器件结构示意图如1所示，6G 850nm有源光器件的组成部件主要有：光器件TO、金属结构件(管体、管帽)和带耦合钢针的多模光纤，其中光器件TO由TO芯片、TO透镜、TO管脚、TO底座和TO管帽组成。普通6G 850nm有源光器件的指标一般为：激光器发射光功率≥400μw，探测器接收灵敏度≤-15dBm(对应耦合仪器的响应值≥50μA)，环境工作温度范围一般为-20℃～+70℃。但是在许多场合都要求有源光器件指标一般为：激光器发射光功率≥600μw，探测器接收灵敏度≤-17dBm，环境工作温度范围一般为-40℃～+85℃(此范围称为工业级)，甚至其指标更高，其环境工作温度范围更宽。当环境工作温度低于-20℃，高于+70℃时，6G 850nm有源光器件的指标就会发生变化，即激光器发射光功率变小，探测器接收灵敏度变小。此变化对现代光通信系统产生很大的影响，满足不了现代光通信系统的使用要求。特别在环境工作温度恶劣情况下，如新一代雷达、电子战、武器装备等使用环境对有源光器件的要求特别高：环境工作温度范围一般为-40℃～+85℃，甚至范围更大；激光器发射光功率≥600μw，探测器接收灵敏度≤-17dBm，而且要求其性能稳定，可靠。

普通6G 850nm有源光器件金属结构件根据TO尺寸与激光焊接方式来设计，金属管体的下端与TO底座直接接触，采用激光焊接。激光焊接时，激光能量过大，容易击穿金属管体，损坏光器件TO，如果激光能量过小，焊接程度差，牢固性差。况其TO底座与金属管体材料不一致，激光焊接容易产生焊点深度不一，给激光焊接带来一定的困难，特别在环境工作温度为85℃时，激光焊点容易发生断裂，焊接牢固性与密闭性差，严重时金属管体与TO底座还会产生分裂。在环境工作温度为-40℃，激光焊点产生微变和断裂。因为激光焊点受温度的影响，6G 850nm有源光器件长期在这样环境温度下工作，严重影响有源光器件的特性。如果因加工精度难以控制，金属管体下端边缘产生微小斜度，激光焊接时容易使TO底座与金属管体之间产生缝隙，致使金属管体上端平整度差，与金属管帽接触时产生一定的缝隙，给光耦合工艺带来一定的困难，严重影响了6G 850nm有源光器件的主要性能指标。

与此同时，普通6G 850nm有源光器件金属结构件管体上端与管帽下端设计一样大，这就给后续光耦合工艺带来一定的困难。因TO内部打金线，贴芯片，封装透镜等不可避免带来一定的工艺误差，使TO芯片发射的激光经透镜聚焦偏离光轴，给有源光器件光耦合带来一定的困难，使管体上端与管帽下端之间紧密结合处产生错位，严重时会产生一定的缝隙。这个错位或缝隙现象都会导致激光很难将管体与管帽紧密焊接在一起，不仅不能提高有源光器件的指标，反而还会大幅度降低其特性。即使激光将管体与管帽焊接在一起，焊点的牢固性与密封性差，在高温和低温情况下，有源光器件的特性发生根本性变化，性能不稳定。

我们知道，6G 850nm有源光器件耦合技术是一门关键工艺，决定了产品性能和合格率。如果6G 850nm有源光器件耦合不到最佳位置，即有源光器件的激光能量不能完全耦合到光纤端面上，其指标不高，激光焊接后其指标会大幅度下降，严重影响产品的质量，不能满足使用要求。特别是6G 850nm探测器采用以前的耦合方式，只看示波器上波形(矩形波)，不测试探测器的耦合响应值，即使其耦合波形满足要求，探测器的接收灵敏度也不高，很难满足光通信系统的要求。

别的方案是有源器件TO底座与金属管体采用胶粘方式，不仅设计困难，加工精度难以保证，况且胶使用时间受限制，有源光器件长期在环境工作温度恶劣情况下使用，胶的特性会发生变化，导致金属管体与TO底座分裂，严重影响有源光器件的特性。如果采用胶粘方式代替激光焊接方式，不仅金属管体与金属管帽之间牢固性差，性能难以保证，特别在机械振动、冲击条件下，容易使金属管体与金属管帽发生分裂。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是，提供一种环境工作温度范围大，测量指标高，性能稳定，安全可靠，可以提高有源光器件的特性，使有源光器件在环境工作温度为-40℃～+85℃情况下能够正常工作，确保其特性不变，满足现代光通信系统的要求的工业级有源光器件制作方法。

本发明的技术解决方案是，提供一种工业级有源光器件制作方法，该制作方法包括以下步骤：

a、在金属管体下端，壁厚中心位置设计一个倒边；

b、在金属管帽下端，设计金属管帽下端外圆周直径大于金属管体上端外圆周直径；

c、采用电阻封焊技术在氮气环境下将金属管体封焊在光器件TO的TO底座上；

d、对封焊好的光器件TO、金属管帽和带耦合钢针的多模光纤进行两次人工光耦合，且在耦合过程中同时观察耦合波形和耦合响应值，耦合后的指标要满足有源光器件激光器输出光功率≥600μw，有源光器件探测器的接收灵敏度≤-17dBm；

e、在第一次耦合完成后，在耦合钢针和金属管帽之间进行激光焊接，在第二次耦合完成后，在金属管帽和金属管体之间进行激光焊接。

本发明所述的一种工业级有源光器件制作方法，其中，倒边的倒角大小可为50°±5°，倒边的高度可为0.25mm±0.05mm。

本发明所述的一种工业级有源光器件制作方法，其中，金属管帽下端外圆周直径比金属管体上端外圆周直径大0.3mm±0.1mm。

本发明所述的一种工业级有源光器件制作方法，其中，步骤c具体如下：

c.1、将TO管脚并拢；

c.2、将金属管体倒装入封焊机的下电极内，并将并拢好TO管脚的光器件TO装入金属管体中，双手同时按下封焊机上的两个气动开关，完成金属管体封焊在光器件TO的TO底座上；

本发明所述的一种工业级有源光器件制作方法，其中，步骤d具体如下：

d.1、将在步骤c中封焊完的光器件TO放入专用耦合夹具下夹头内，多模光纤中的耦合钢针插入其夹具上夹头内，金属管帽套在耦合刚针上；

d.2、人工进行光耦合，沿着光轴方向寻求有源光器件最大光耦合的位置，确定最佳光耦合的位置；

d.3、将耦合仪器的驱动电流设置为4mA，满足有源光器件激光器输出光功率≥600μw，耦合才能停止，如果耦合指标满足不了此要求，则更换带耦合钢针的多模光纤或有源光器件TO；

d.4、耦合有源光器件探测器时，不仅要观察示波器上的耦合波形，还要注意耦合仪器上耦合响应值，当耦合响应值≥70μA，有源光器件探测器的接收灵敏度≤-17dBm时，耦合才能停止，如果耦合指标满足不了此要求，则更换带耦合钢针的多模光纤或有源光器件TO；

本发明所述的一种工业级有源光器件制作方法，其中，步骤e具体如下：

e.1、在第一次光耦合完成后，有源光器件的指标满足要求，先在耦合钢针与金属管帽最上端紧密结合处进行激光焊接，焊点为三个点，每点焊接两次,然后在距离这三个点往下0.7～1.0mm处再焊接三个点，每点焊接两次,使金属管帽焊接在耦合钢针上；

e.2、在第二次光耦合完成后，有源光器件的指标满足要求，先在金属管体上端与金属管帽下端紧密结合处进行激光焊接，焊点为三个点，每点焊接两次，然后再旋转耦合夹具，再次进行激光焊接，焊点为三个，每点焊接两次,使金属管体与金属管帽焊接在一起，其中，制作有源光器件激光器时耦合夹具的旋转角度与制作有源光器件探测器时耦合夹具的旋转角度均为65°±5°。

本发明的有益效果是：

1、与常规的6G 850nm有源光器件相比，本发明对金属结构件进行了改进，金属管体的改进，不仅有利于电阻封焊，还能增加TO底座与金属管体之间牢固性、密闭性，提高有源光器件的指标，而金属管帽的改进，使激光焊接时首先接触金属管帽的下端，这样不仅减少激光焊接时瞬间的冲击力，使金属管体与金属管帽不会发生错位，还能提高有源光器件的指标，

2、在氮气环境保护下采用电阻封焊技术将金属管体封焊在有源光器件TO底座上，增加金属管体上端的平整度，与金属管帽下端能够有效结合，即使在环境工作温度很恶劣情况下，金属管体与TO底座也不会产生任何微变，甚至断裂现象，TO底座与金属管体之间结合处密封性、牢固性好，既不影响有源光器件的特性，又能提高有源光器件的指标，即使在环境工作温度为-40℃～+85℃下，6G 850nm有源光器件的特性也不会发生任何变化。

3、人工进行光耦合时，不仅要观察示波器上的耦合波形，而且还要注意耦合仪器上光功率与耦合响应值的变化，这样不仅提高了探测器的接收灵敏度，还能提高产品生产率，使6G 850nm有源光器件在环境工作温度为-40℃～+85℃下能够正常工作，满足现代光通信系统的要求。与国内外同类产品相比，本发明的环境工作温度范围大，测量指标高，性能稳定，安全可靠。

附图说明：

图1是普通6G 850nm有源光器件的结构示意图；

图2是本发明的一种工业级有源光器件制作方法的流程图；

图3是本发明中6G 850nm工业级有源光器件的结构示意图。

具体实施例：

下面结合附图和具体实施例对本发明一种工业级有源光器件制作方法作进一步详细说明：

实施例一

如图2和图3所示，在本具体实施例一中，本发明一种工业级有源光器件主要包括光器件TO、金属管体3、金属管帽7和带耦合钢针8的多模光纤9，其中光器件TO由TO芯片4、TO透镜6、TO管脚1、TO底座2和TO管帽5组成。这种工业级有源光器件的制作方法的具体步骤如下：

1、金属管体和管帽结构件改进

1.1对有源光器件金属管体3的改进：在金属管体3下端，壁厚中心位置设计一个倒边10，倒边10的倒角为55°，倒边的高度为0.3mm。本发明中，如果倒角10过大，会不利于电阻封焊，而倒角10过小，则加工难度大，以及不利于电阻封焊；

1.2对有源光器件金属管帽7的改进：在金属管帽7下端，设计金属管帽7下端外圆周直径比金属管体3上端的外圆周直径大0.4mm。本发明中，如果金属管帽7下端设计过大,激光几乎全部焊接在管帽上,牢固性差,如果金属管帽7下端设计过小,不利减少激光焊接时瞬间的冲击力,使有源光器件指标下降。

2、封焊金属件管体

2.1、将TO管脚1并拢；

2.2、将金属管体3倒装入封焊机的下电极内，并将并拢好的TO管脚1的光器件TO装入金属管体3中，双手同时按下封焊机上的两个气动开关，完成金属管体3封焊在光器件TO的TO底座2上；

2.3、将封焊完的光器件TO放在电子显微镜下检查，封焊处是否存在炸磨、氧化等现象。检查的原因是炸磨、氧化等现象会严重影响光器件TO的封焊效果。

3、有源光器件组件耦合

3.1、将封焊完的光器件TO放入专用耦合夹具下夹头内，多模光纤9中的耦合钢针8插入其夹具上夹头内，金属管帽7套在耦合刚针8上；

3.2、人工进行光耦合，沿着光轴方向寻求有源光器件最大光耦合的位置，确定最佳光耦合的位置；

3.3、将耦合仪器的驱动电流设置为4mA，满足有源光器件激光器输出光功率≥600μw，耦合才能停止。如果耦合指标满足不了此要求，则更换带耦合钢针8的多模光纤9或有源光器件TO；

4.4耦合有源光器件探测器时，不仅要观察示波器上耦合波形，还要注意耦合仪器上耦合响应值，当耦合响应值≥70μA(对应在误码仪上测试，有源光器件探测器的接收灵敏度≤-17dBm)时，耦合才能停止。如果耦合指标满足不了此要求，则更换带耦合钢针8的多模光纤9或有源光器件TO。

6G 850nm有源光器件耦合技术是一门关键工艺，决定了产品性能和合格率。如果6G850nm有源光器件耦合不到最佳位置，即有源光器件的激光能量不能完全耦合到光纤端面上，其指标不高，激光焊接后其指标会大幅度下降，严重影响产品的质量，不能满足使用要求。特别是6G 850nm探测器采用以前的耦合方式，只看示波器上波形(矩形波)，不测试探测器的耦合响应值，即使其耦合波形满足要求，探测器的接收灵敏度也不高，很难满足光通信系统的要求。因此，考虑上述情况，本发明对6G 850nm有源光器件组件采用耦合波形结合耦合仪器测试方式进行光耦合，只看耦合仪器的测试值也不能确定有源光器件的特性，只有结合耦合波形，才能确保有源光器件的特性。特别是有源光器件探测器的光耦合，不仅观察示波器上耦合波形的变化，还要注意耦合仪器上测试探测器的耦合响应值，即探测器耦合仪器上耦合响应值≥70μA(即在误码仪上测试有源光器件探测器≤-17dBm)，耦合才停止，才能进行后续激光焊接。只有采用这样耦合方式才能保证有源光器件的指标满足现代光通信系统的要求，确保有源光器件在环境恶劣情况下能够正常工作。

4、激光焊接

4.1、在第一次光耦合完成后，有源光器件的指标满足要求，先在耦合钢针8与金属管帽7最上端紧密结合处进行激光焊接，焊点为三个点，每点焊接两次,然后在距离这三个点往下0.7mm处再焊接三个点，每点焊接两次,使金属管帽7焊接在耦合钢针8上；

4.2、在第二次光耦合完成后，有源光器件的指标满足要求，先在金属管体3上端与金属管帽7下端紧密结合处进行激光焊接，焊点为三个点，每点焊接两次，然后再旋转耦合夹具，再次进行激光焊接，焊点为三个，每点焊接两次,使金属管体3与金属管帽7焊接在一起，其中，制作有源光器件激光器时耦合夹具的旋转角度与制作有源光器件探测器时耦合夹具的旋转角度均为70°。

实施例二

实施例二与实施例一不同之处在于：

1、倒边10的倒角为45°，倒边的高度为0.2mm，设计金属管帽7下端外圆周直径比金属管体3上端的外圆周直径大0.2mm。

2、在第一次光耦合完成后，有源光器件的指标满足要求，先在耦合钢针8与金属管帽7最上端紧密结合处进行激光焊接，焊点为三个点，每点焊接两次,然后在距离这三个点往下1mm处再焊接三个点，每点焊接两次,使金属管帽7焊接在耦合钢针8上。

3、制作有源光器件激光器时耦合夹具的旋转角度与制作有源光器件探测器时耦合夹具的旋转角度均为60°。

除上述三点之外，实施例二的其他技术特征均与实施例一相同。

本发明的技术原理：数字信号经过光通信系统前端电路板处理，转化为电信号，电信号为6G 850nm工业级有源光器件的激光器提供一定的驱动电流，满足激光器芯片即TO芯片4发光，发出的激光束经过TO透镜6聚焦，聚焦在外面的光纤端面上，经光纤向外传输；现代光通信系统给6G 850nm工业级有源光器件的探测器提供一定的工作电压，探测器芯片即TO芯片4能够接收到外面经光纤传输进来的光信号，光信号被转化为电信号，经后续光通信系统进行处理。

以上所述的实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种工业级有源光器件制作方法，其特征在于：该制作方法包括以下步骤：

a、在金属管体(3)下端，壁厚中心位置设计一个倒边(10)；

b、在金属管帽(7)下端，设计金属管帽(7)下端外圆周直径大于金属管体(3)上端外圆周直径；

c、采用电阻封焊技术在氮气环境下将金属管体(3)封焊在光器件TO的TO底座(2)上；

d、对封焊好的光器件TO、金属管帽(7)和带耦合钢针(8)的多模光纤(9)进行两次人工光耦合，且在耦合过程中同时观察耦合波形和耦合响应值，耦合后的指标要满足有源光器件激光器输出光功率≥600μw，有源光器件探测器的接收灵敏度≤-17dBm；

e、在第一次耦合完成后，在耦合钢针(8)和金属管帽(7)之间进行激光焊接，在第二次耦合完成后，在金属管帽(7)和金属管体(3)之间进行激光焊接。

2.根据权利要求1所述的一种工业级有源光器件制作方法，其特征在于：所述倒边(10)的倒角大小为50°±5°，所述倒边(10)的高度为0.25mm±0.05mm。

3.根据权利要求1所述的一种工业级有源光器件制作方法，其特征在于：所述金属管帽(7)下端外圆周直径比金属管体(3)上端外圆周直径大0.3mm±0.1mm。

4.根据权利要求1所述的一种工业级有源光器件制作方法，其特征在于：所述步骤c具体如下：

c.1、将TO管脚(1)并拢；

c.2、将金属管体(3)倒装入封焊机的下电极内，并将并拢好TO管脚(1)的光器件TO装入金属管体(3)中，双手同时按下封焊机上的两个气动开关，完成金属管体(3)封焊在光器件TO的TO底座(2)上。

5.根据权利要求1所述的一种工业级有源光器件制作方法，其特征在于：所述步骤d具体如下：

d.1、将在步骤c中封焊完的光器件TO放入专用耦合夹具下夹头内，多模光纤(9)中的耦合钢针(8)插入其夹具上夹头内，金属管帽(7)套在耦合刚针(8)上；

d.2、人工进行光耦合，沿着光轴方向寻求有源光器件最大光耦合的位置，确定最佳光耦 合的位置；

d.3、将耦合仪器的驱动电流设置为4mA，满足有源光器件激光器输出光功率≥600μw，耦合才能停止，如果耦合指标满足不了此要求，则更换带耦合钢针(8)的多模光纤(9)或有源光器件TO；

d.4、耦合有源光器件探测器时，不仅要观察示波器上的耦合波形，还要注意耦合仪器上耦合响应值，当耦合响应值≥70μA，有源光器件探测器的接收灵敏度≤-17dBm时，耦合才能停止，如果耦合指标满足不了此要求，则更换带耦合钢针(8)的多模光纤(9)或有源光器件TO。

6.根据权利要求1所述的一种工业级有源光器件制作方法，其特征在于：所述步骤e具体如下：

e.1、在第一次光耦合完成后，有源光器件的指标满足要求，先在耦合钢针(8)与金属管帽(7)最上端紧密结合处进行激光焊接，焊点为三个点，每点焊接两次,然后在距离这三个点往下0.7～1.0mm处再焊接三个点，每点焊接两次,使金属管帽(7)焊接在耦合钢针(8)上；

e.2、在第二次光耦合完成后，有源光器件的指标满足要求，先在金属管体(3)上端与金属管帽(7)下端紧密结合处进行激光焊接，焊点为三个点，每点焊接两次，然后再旋转耦合夹具，再次进行激光焊接，焊点为三个，每点焊接两次,使金属管体(3)与金属管帽(7)焊接在一起，其中，制作有源光器件激光器时耦合夹具的旋转角度与制作有源光器件探测器时耦合夹具的旋转角度均为65°±5°。