CN111266733B - 基于功率与光斑检测的四件式光器件耦合焊接方法及设备 - Google Patents

基于功率与光斑检测的四件式光器件耦合焊接方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于功率与光斑检测的四件式光器件耦合焊接方法，包括将发光器件与透镜贴平；光束分析仪激光焦点检测；发光器件、透镜与接收器件光功率耦合；发光器件与透镜搭接焊，形成发光器件‑透镜整体；发光器件‑透镜与接收器件多通道空间耦合；接收器件与调节环穿透焊，形成接收器件‑调节环整体；发光器件‑透镜与接收器件‑调节环贴平；发光器件‑透镜与接收器件‑调节环多通道平面耦合；发光器件‑透镜与接收器件‑调节环搭接焊。本发明包括对发光器件和透镜进行贴平和焦点检测的步骤，同时还包括将发光器件和透镜的整体与接收器件进行光功率耦合的步骤，能明显地提升耦合精度及可靠性。

Description

基于功率与光斑检测的四件式光器件耦合焊接方法及设备
技术领域
本发明涉及光器件自动耦合封装技术领域，特别涉及一种基于功率与光斑检测的四件式光器件耦合焊接方法及设备。
背景技术
随着光纤通信和光纤传感技术的发展，光收发器的制备成为了光信息技术进步的关键。在光通信产品中，光收发器如TOSA-激光器发射器件、BOSA-单纤双向产品(发收一体)的需求量随着发展越来越多，它的功能主要是实现信号的光电转换。一种四件式光器件主要由发光组件+透镜+接收组件+调节环组成，在激光焊接后形成整体器件。而如何提高光器件的性能、质量以及降低成本，是当前工业上封装制造的关键问题，其核心技术在于耦合对准与焊接，且光器件的制造成本主要在于封装的工序，占据了总成本的绝大部分。
现有技术主要采用自动化的方式完成光器件的耦合与焊接过程，基本摆脱了先前依靠手工操作方式带来的产品质量不稳定、合格率低以及生产效率低的问题。然而，对于上述四件式的光器件，由于需要进行多次耦合对准与焊接，完成不同元件之间贴平、功率耦合与均衡等，因此要保证每个元件都满足耦合精度要求。现有的方式通常是分开独立地对每两个元件进行耦合与焊接的，而在同时对三个以上的元件进行耦合时，由于执行器的精度问题容易产生偏差，导致耦合精度不高，造成封装后光器件的光功率显著减小，最终影响对耦合精度要求严格的四件式高速光器件的封装质量。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种适用于高速四件式光器件的耦合焊接方案，以提高整体封装效率和多个元件同时耦合的精度，进而提升光器件的封装质量。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于功率与光斑检测的四件式光器件耦合焊接方法，所述光器件主要由发光器件、透镜、接收器件和调节环组成，所述自动耦合焊接方法包括：
步骤一，调节环套设在接收器件底端，发光器件上电后将透镜移动至发光器件的上方，使透镜的下表面与发光器件的上表面贴合；
步骤二，保持透镜静止而发光器件进行耦合运动，使发光器件的上表面与透镜的下表面逐渐贴平，角度误差在允许范围内；
步骤三，透镜相对发光器件水平位移，通过激光焦点检测确认发光器件与透镜的水平相对位置；
步骤四，接收器件靠近发光器件和透镜，同时发光器件和透镜保持相对静止地进行整体耦合运动，与接收器件对准进行光功率的耦合，耦合完成后对发光器件与透镜进行激光焊接，形成发光器件-透镜的焊接整体，若无法达到预设精度的耦合，则返回步骤二；
步骤五，发光器件-透镜整体水平耦合运动，接收器件竖直耦合运动，通过功率耦合与均衡确认接收器件以及调节环相对于发光器件-透镜的竖直位置，进行接收器件与调节环的激光焊接，形成接收器件-调节环的焊接整体；
步骤六，接收器件-调节环静止而发光器件-透镜进行耦合运动，使透镜的上表面与接收器件的下表面逐渐贴平，角度误差在允许范围内；
步骤七，发光器件-透镜相对于接收器件-调节环水平位移，通过功率耦合与均衡确认发光器件-透镜与接收器件-调节环的水平相对位置，再进行透镜与接收器件搭接处的激光焊接，完成整个光器件的封装。
其中，步骤三中通过近场光束分析仪检测激光焦点情况，判断发光器件与透镜的水平相对位置是否在预设范围内。
其中，步骤五和步骤七中分别通过多通道的空间耦合和平面耦合，建立功率场模型，形成功率均衡，确认相对位置。
其中，所述的多通道耦合为CH1～CH4四通道耦合。
其中，透镜具有X轴、Y轴和Z轴的平移自由度，发光器件具有X轴、Y轴的平移自由度和绕X轴、绕Y轴的旋转自由度，发光器件和透镜整体运动时，具有X轴、Y轴的平移自由度和绕Z轴的旋转自由度，接收器件以及调节环具有Z轴的平移自由度和绕Z轴的旋转自由度。
其中，步骤二中保持透镜静止而发光器件耦合运动贴平时，发光器件产生绕X轴和绕Y轴的角位移；步骤四中接收器件进行Z轴方向平移，发光器件和透镜整体进行X轴、Y轴方向的平移和绕Z轴的旋转；步骤六中保持接收器件-调节环静止而发光器件-透镜产生绕X轴和绕Y轴的角位移进行贴平。
本发明还提供了一种基于功率与光斑检测的四件式光器件耦合焊接设备，包括夹持发光器件的发光器夹具、夹持透镜的透镜夹具、上夹具模块和进行激光焊接的焊接装置，所述发光器夹具和所述透镜夹具均设置在一整体运动平台上，所述整体运动平台具有多个耦合自由度，所述发光器夹具以及所述透镜夹具分别相对于所述整体运动平台具有多个耦合自由度，所述上夹具模块上设置有夹持接收器件的接收器夹具和近场光束分析仪，所述上夹具模块具有多个耦合自由度，同时能切换所述接收器夹具或所述近场光束分析仪，使其中一个对准所述发光器夹具。
其中，所述发光器夹具具有绕Y轴、绕X轴的旋转自由度，以及Y轴、X轴的平移自由度，所述透镜夹具具有X轴、Y轴和Z轴的平移自由度，以及夹持透镜后上料的水平位移自由度，所述整体运动平台具有Y轴、X轴的平移自由度以及绕Z轴的旋转自由度，所述上夹具模块具有Z轴的平移自由度和绕Z轴的旋转自由度，同时还具有切换所述接收器夹具或所述近场光束分析仪的水平位移自由度。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明的耦合焊接方法包括对发光器件和透镜进行贴平和焦点检测的步骤，同时还包括将发光器件和透镜的整体与接收器件进行光功率耦合的步骤，相对于只进行发光器件和透镜之间耦合的方式，本方法明显能提升耦合精度及可靠性；
同时，在发光器件、透镜和接收器件直接的耦合采用空间耦合与平面耦合相结合的方式，通过多通道的方式建立功率场模型，进行功率均衡，进一步提升了光器件整体的耦合精度；
发明的耦合焊接设备通过发光器夹具和透镜夹具的独立运动进行发光器件与透镜的耦合，再通过整体运动平台和上夹具模块进行发光器件-透镜与接收器件的耦合，可以保证发光器件与透镜未进行搭接焊的前提下整体移动，相比于只能单独调整发光器件和透镜的设备，提供一种新的耦合选择，减少了发光器夹具和透镜夹具独立控制带来的运动误差，其耦合精度和焊接质量相对于现有技术有明显提升。
附图说明
图1为本发明的步骤流程示意图；
图2为本发明的整体结构示意简图。
【附图标记说明】
01-发光器件；02-透镜；03-接收器件；04-调节环；1-近场光束分析仪；2-发光器夹具；3-透镜夹具；4-上夹具模块；5-整体运动平台；6-接收器夹具。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1：
请参阅图1和图2，在本实施例中，光器件主要由发光器件01、透镜02、接收器件03和调节环04组成，本实施例提供的一种基于功率与光斑检测的四件式光器件耦合焊接方法包括：
步骤一，调节环04套设在接收器件03底端，通过挡片等结构防止调节环04掉落，发光器件01上电后发射激光，将透镜02移动至发光器件01的上方，使透镜02的下表面与发光器件01的上表面接触、贴合；
步骤二，保持透镜02静止而发光器件01进行耦合运动，主要通过驱动发光器件01产生角位移，使发光器件01的上表面与透镜02的下表面逐渐贴平，角度误差在允许范围内，减小功率和间隙不平衡；
步骤三，透镜02相对发光器件01水平位移，通过激光焦点检测初步确认发光器件01与透镜02的水平相对位置，即两者的水平位置是否一致，偏差在允许范围内；
步骤四，接收器件03竖直位移，靠近发光器件01和透镜02，同时发光器件01和透镜02两者保持相对静止、整体地进行与接收器件03的耦合运动，由接收器件03采集激光进行光功率的耦合，以进一步确认发光器件01与透镜02完成耦合，随后对发光器件01与透镜02进行激光焊接，两者连接处环形搭接焊后，形成发光器件-透镜的焊接整体，而若无法达到预设精度的光功率耦合，则返回步骤二，重新进行发光器件01与透镜02的贴平；
步骤五，发光器件-透镜整体水平耦合运动，接收器件03竖直耦合运动，持续对激光采集，通过空间功率耦合与均衡确认接收器件03以及调节环04相对于发光器件-透镜的竖直位置后，进行接收器件03与调节环04的激光穿透焊接，形成接收器件-调节环的焊接整体；
步骤六，保持接收器件-调节环静止而发光器件-透镜进行角位移的耦合运动，使透镜02的上表面与接收器件03的下表面逐渐贴平，角度误差在允许范围内，和步骤二相似；
步骤七，贴平后发光器件-透镜相对于接收器件-调节环水平位移，通过平面的功率耦合与均衡确认发光器件-透镜与接收器件-调节环的水平相对位置，再进行透镜02与接收器件03连接处的激光环形搭接焊，形成四件式的整体结构，完成整个光器件的封装。
由上所述，本发明的耦合焊接方法包括对发光器件01和透镜02进行贴平和焦点检测的步骤，同时还包括将发光器件01和透镜02的整体与接收器件03进行光功率耦合的步骤，相对于只进行发光器件01和透镜02之间耦合的方式，本方法能提升耦合精度以及可靠性；同时，在发光器件01、透镜02和接收器件03进行耦合时采用空间耦合与平面耦合相结合的方式，进一步提升了整体的耦合精度。
其中，步骤三中通过近场光束分析仪1采集激光，检测激光焦点情况，判断发光器件01与透镜02的水平相对位置是否在预设范围内。
其中，步骤五和步骤七中分别通过多通道空间耦合和平面耦合，建立功率场模型，形成功率均衡，确认相对位置。具体地，多通道耦合为CH1～CH4四通道的空间耦合。
在本方法中，透镜02由相关执行器驱动(具体可以为夹具)，具有X轴、Y轴和Z轴的平移自由度，发光器件01由相关执行器驱动(具体可以为夹具)，具有X轴、Y轴的平移自由度和绕X轴、绕Y轴的旋转自由度，发光器件01和透镜02整体运动时由整体的执行器驱动(具体可以为安装夹具的整体运动平台)，具有X轴、Y轴的平移自由度和绕Z轴的旋转自由度，接收器件03以及调节环04由相关执行器驱动(具体可以为夹具)，具有Z轴的平移自由度和绕Z轴的旋转自由度。
其中，步骤二中保持透镜02静止而发光器件01耦合运动贴平时，发光器件01产生绕X轴和绕Y轴的角位移，通过叠加生成平面内任意的小幅摆动。步骤四中接收器件03进行Z轴方向平移，发光器件01和透镜02整体进行X轴、Y轴方向的平移X和绕Z轴的旋转，完成光功率耦合。步骤六中保持接收器件-调节环静止而发光器件-透镜产生绕X轴和绕Y轴的角位移，通过叠加产生平面内任意的小幅摆动进行贴平。
实施例2：
请同时参阅图2，本发明的实施例2提供了一种基于功率与光斑检测的四件式光器件耦合焊接设备，包括夹持发光器件01的发光器夹具2、夹持透镜02的透镜夹具3、上夹具模块4和进行激光焊接的焊接装置。发光器夹具2和透镜夹具3均设置在一整体运动平台5上，整体运动平台5具有多个耦合自由度，发光器夹具2以及透镜夹具3分别相对于整体运动平台5具有多个耦合自由度，上夹具模块4上设置有夹持接收器件03的接收器夹具6和近场光束分析仪1，上夹具模块4具有多个耦合自由度，同时能切换接收器夹具6或近场光束分析仪1，使其中一个对准发光器夹具2。
其中，发光器夹具2具有绕Y轴、绕X轴的旋转自由度，以及Y轴、X轴的平移自由度，透镜夹具2具有X轴、Y轴和Z轴的平移自由度，以及夹持透镜02后上料的水平位移自由度，整体运动平台5具有Y轴、X轴的平移自由度以及绕Z轴的旋转自由度，上夹具模块4具有Z轴的平移自由度和绕Z轴的旋转自由度，同时还具有切换接收器夹具6或近场光束分析仪1的水平位移自由度。
因此，由透镜夹具3将透镜02夹持，平移、上料至发光器夹具2的正上方，使透镜02的下表面与发光器件01的上表面贴合。再通过发光器夹具2驱动发光器件01绕X轴、绕Y轴旋转产生角位移，进行透镜02与发光器件01的贴平；合格后，上夹具模块4切换近场光束分析仪1对准透镜02和发光器件01，辅助检测激光焦点情况，初步确认发光器件01和透镜02的相对水平位置。此过程中透镜夹具3夹持透镜02在X轴、Y轴方向进行耦合位移，调整透镜02相对发光器件01的水平位置，直至近场光束分析仪1检测到激光焦点情况合格，完成透镜02和发光器件01的第一次耦合对准。
然后，整体运动平台5驱动发光器夹具2和透镜夹具3整体运动，同时上夹具模块4切换至接收器夹具6对准透镜02和发光器件01，驱动接收器件03沿Z轴下移或绕Z轴旋转，靠近并对准发光器件01，采集激光进行光功率的耦合，最终确认透镜02和发光器件01的相对位置，由焊接装置完成透镜02和发光器件01的搭接焊，形成发光器件-透镜的整体。
之后透镜夹具3水平位移离开透镜02，发光器夹具2驱动发光器件-透镜沿X轴、Y轴平移，接收器夹具6驱动接收器件03沿Z轴平移，开始发光器件-透镜与接收器件03的多通道空间耦合，建立功率场模型，进行初步功率均衡，确认接收器夹具6上的接收器件03和调节环04的竖直位置，确认后由焊接装置确定焦距并完成调节环04与接收器件03的穿透焊，形成接收器件-调节环的整体。
随后进行发光器件-透镜与接收器件-调节环的贴平，接收器夹具6驱动接收器件-调节环沿Z轴下移，接收器件03的下表面与透镜02的上表面贴合，发光器件-透镜在发光器夹具2的驱动下产生绕X轴、绕Y轴旋转的角位移，与接收器件-调节环逐渐贴平。
最后，发光器夹具2驱动发光器件-透镜沿X轴、Y轴平移，完成发光器件-透镜与接收器件-调节环在平面内的功率耦合与均衡，确认两者的相对水平位置，焊接装置进行发光器件-透镜与接收器件-调节环两者的搭接焊，将透镜02与接收器件03搭接的位置焊接，完成四件式光器件的耦合焊接过程。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于功率与光斑检测的四件式光器件耦合焊接方法，所述光器件主要由发光器件、透镜、接收器件和调节环组成，其特征在于，所述耦合焊接方法包括：
步骤一，调节环套设在接收器件底端，发光器件上电后将透镜移动至发光器件的上方，使透镜的下表面与发光器件的上表面贴合；
步骤二，保持透镜静止而发光器件进行耦合运动，使发光器件的上表面与透镜的下表面逐渐贴平，角度误差在允许范围内；
步骤三，透镜相对发光器件水平位移，通过激光焦点检测确认发光器件与透镜的水平相对位置；
步骤四，接收器件靠近发光器件和透镜，同时发光器件和透镜保持相对静止地进行整体耦合运动，与接收器件对准进行光功率的耦合，耦合完成后对发光器件与透镜进行激光焊接，形成发光器件-透镜的焊接整体，若无法达到预设精度的耦合，则返回步骤二；
步骤五，发光器件-透镜整体水平耦合运动，接收器件竖直耦合运动，通过功率耦合与均衡确认接收器件以及调节环相对于发光器件-透镜的竖直位置，进行接收器件与调节环的激光焊接，形成接收器件-调节环的焊接整体；
步骤六，接收器件-调节环静止而发光器件-透镜进行耦合运动，使透镜的上表面与接收器件的下表面逐渐贴平，角度误差在允许范围内；
步骤七，发光器件-透镜相对于接收器件-调节环水平位移，通过功率耦合与均衡确认发光器件-透镜与接收器件-调节环的水平相对位置，再进行透镜与接收器件搭接处的激光焊接，完成整个光器件的封装。
2.根据权利要求1所述的基于功率与光斑检测的四件式光器件耦合焊接方法，其特征在于，步骤三中通过近场光束分析仪检测激光焦点情况，判断发光器件与透镜的水平相对位置是否在预设范围内。
3.根据权利要求1所述的基于功率与光斑检测的四件式光器件耦合焊接方法，其特征在于，步骤五和步骤七中分别通过多通道的空间耦合和平面耦合，建立功率场模型，形成功率均衡，确认相对位置。
4.根据权利要求3所述的基于功率与光斑检测的四件式光器件耦合焊接方法，其特征在于，所述的多通道为CH1～CH4四通道。
5.根据权利要求1所述的基于功率与光斑检测的四件式光器件耦合焊接方法，其特征在于，透镜具有X轴、Y轴和Z轴的平移自由度，发光器件具有X轴、Y轴的平移自由度和绕X轴、绕Y轴的旋转自由度，发光器件和透镜整体运动时，具有X轴、Y轴的平移自由度和绕Z轴的旋转自由度，接收器件以及调节环具有Z轴的平移自由度和绕Z轴的旋转自由度。
6.根据权利要求5所述的基于功率与光斑检测的四件式光器件耦合焊接方法，其特征在于，步骤二中保持透镜静止而发光器件耦合运动贴平时，发光器件产生绕X轴和绕Y轴的角位移；步骤四中接收器件进行Z轴方向平移，发光器件和透镜整体进行X轴、Y轴方向的平移和绕Z轴的旋转；步骤六中保持接收器件-调节环静止而发光器件-透镜产生绕X轴和绕Y轴的角位移进行贴平。
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