一種工業級有源光器件制作方法
【專利摘要】一種工業級有源光器件制作方法，該方法的步驟是先在金屬管體下端，壁厚中心位置設計一個倒邊，接著設計金屬管帽下端外圓周直徑大于金屬管體上端外圓周直徑，然后采用電阻封焊技術在氮氣環境下將金屬管體封焊在TO底座上，接著進行兩次人工光耦合，且在耦合過程中同時觀察耦合波形和耦合響應值，最后在第一次耦合完成后，在耦合鋼針和金屬管帽之間進行激光焊接，在第二次耦合完成后，在金屬管帽和金屬管體之間進行激光焊接。本發明的優點是環境工作溫度范圍大，測量指標高，性能穩定，安全可靠，可以提高有源光器件的特性，使有源光器件在環境工作溫度為?40℃～+85℃情況下能夠正常工作，確保其特性不變，滿足現代光通信系統。
【專利說明】
一種工業級有源光器件制作方法
技術領域
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[0001]本發明涉及一種6G850nm有源光器件的制作方法，尤其是一種環境工作溫度范圍大，測量指標高，性能穩定，安全可靠，可以提高有源光器件的特性，使有源光器件在環境工作溫度為_40°C?+85°C情況下能夠正常工作，確保其特性不變，滿足現代光通信系統的要求的6G 850nm工業級有源光器件制作方法。
【背景技術】
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[0002]目前，普通6G850nm有源光器件結構示意圖如I所示，6G 850nm有源光器件的組成部件主要有:光器件T0、金屬結構件(管體、管帽)和帶耦合鋼針的多模光纖，其中光器件TO由TO芯片、TO透鏡、TO管腳、TO底座和TO管帽組成。普通6G 850nm有源光器件的指標一般為:激光器發射光功率彡400μ?，探測器接收靈敏度<-15dBm(對應耦合儀器的響應值彡50μΑ)，環境工作溫度范圍一般為-20°C?+70°C。但是在許多場合都要求有源光器件指標一般為:激光器發射光功率彡600μ?，探測器接收靈敏度彡-17dBm，環境工作溫度范圍一般為-40°C?+85°C (此范圍稱為工業級)，甚至其指標更高，其環境工作溫度范圍更寬。當環境工作溫度低于-20°C，高于+70°C時，6G 850nm有源光器件的指標就會發生變化，即激光器發射光功率變小，探測器接收靈敏度變小。此變化對現代光通信系統產生很大的影響，滿足不了現代光通信系統的使用要求。特別在環境工作溫度惡劣情況下，如新一代雷達、電子戰、武器裝備等使用環境對有源光器件的要求特別高:環境工作溫度范圍一般為_40°C?+85°C，甚至范圍更大;激光器發射光功率多600μ?，探測器接收靈敏度<-17dBm，而且要求其性能穩定，可靠。
[0003]普通6G850nm有源光器件金屬結構件根據TO尺寸與激光焊接方式來設計，金屬管體的下端與TO底座直接接觸，采用激光焊接。激光焊接時，激光能量過大，容易擊穿金屬管體，損壞光器件T0，如果激光能量過小，焊接程度差，牢固性差。況其TO底座與金屬管體材料不一致，激光焊接容易產生焊點深度不一，給激光焊接帶來一定的困難，特別在環境工作溫度為85°C時，激光焊點容易發生斷裂，焊接牢固性與密閉性差，嚴重時金屬管體與TO底座還會產生分裂。在環境工作溫度為_40°C，激光焊點產生微變和斷裂。因為激光焊點受溫度的影響，6G 850nm有源光器件長期在這樣環境溫度下工作，嚴重影響有源光器件的特性。如果因加工精度難以控制，金屬管體下端邊緣產生微小斜度，激光焊接時容易使TO底座與金屬管體之間產生縫隙，致使金屬管體上端平整度差，與金屬管帽接觸時產生一定的縫隙，給光耦合工藝帶來一定的困難，嚴重影響了6G 850nm有源光器件的主要性能指標。
[0004]與此同時，普通6G850nm有源光器件金屬結構件管體上端與管帽下端設計一樣大，這就給后續光耦合工藝帶來一定的困難。因TO內部打金線，貼芯片，封裝透鏡等不可避免帶來一定的工藝誤差，使TO芯片發射的激光經透鏡聚焦偏離光軸，給有源光器件光耦合帶來一定的困難，使管體上端與管帽下端之間緊密結合處產生錯位，嚴重時會產生一定的縫隙。這個錯位或縫隙現象都會導致激光很難將管體與管帽緊密焊接在一起，不僅不能提高有源光器件的指標，反而還會大幅度降低其特性。即使激光將管體與管帽焊接在一起，焊點的牢固性與密封性差，在高溫和低溫情況下，有源光器件的特性發生根本性變化，性能不穩定。
[0005]我們知道，6G850nm有源光器件耦合技術是一門關鍵工藝，決定了產品性能和合格率。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纖端面上，其指標不高，激光焊接后其指標會大幅度下降，嚴重影響產品的質量，不能滿足使用要求。特別是6G 850nm探測器采用以前的耦合方式，只看示波器上波形(矩形波)，不測試探測器的耦合響應值，即使其耦合波形滿足要求，探測器的接收靈敏度也不高，很難滿足光通信系統的要求。
[0006]別的方案是有源器件TO底座與金屬管體采用膠粘方式，不僅設計困難，加工精度難以保證，況且膠使用時間受限制，有源光器件長期在環境工作溫度惡劣情況下使用，膠的特性會發生變化，導致金屬管體與TO底座分裂，嚴重影響有源光器件的特性。如果采用膠粘方式代替激光焊接方式，不僅金屬管體與金屬管帽之間牢固性差，性能難以保證，特別在機械振動、沖擊條件下，容易使金屬管體與金屬管帽發生分裂。
【發明內容】
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[0007]本發明要解決的技術問題是，提供一種環境工作溫度范圍大，測量指標高，性能穩定，安全可靠，可以提高有源光器件的特性，使有源光器件在環境工作溫度為-40 0C?+85 0C情況下能夠正常工作，確保其特性不變，滿足現代光通信系統的要求的工業級有源光器件制作方法。
[0008]本發明的技術解決方案是，提供一種工業級有源光器件制作方法，該制作方法包括以下步驟:
[0009]a、在金屬管體下端，壁厚中心位置設計一個倒邊；
[0010]b、在金屬管帽下端，設計金屬管帽下端外圓周直徑大于金屬管體上端外圓周直徑；
[0011]C、采用電阻封焊技術在氮氣環境下將金屬管體封焊在光器件TO的TO底座上；
[0012]d、對封焊好的光器件T0、金屬管帽和帶耦合鋼針的多模光纖進行兩次人工光耦合，且在耦合過程中同時觀察耦合波形和耦合響應值，耦合后的指標要滿足有源光器件激光器輸出光功率彡600μ?，有源光器件探測器的接收靈敏度<-17dBm;
[0013]e、在第一次耦合完成后，在耦合鋼針和金屬管帽之間進行激光焊接，在第二次耦合完成后，在金屬管帽和金屬管體之間進行激光焊接。
[0014]本發明所述的一種工業級有源光器件制作方法，其中，倒邊的倒角大小可為50°土5°，倒邊的高度可為0.25_±0.05mm。
[0015]本發明所述的一種工業級有源光器件制作方法，其中，金屬管帽下端外圓周直徑比金屬管體上端外圓周直徑大0.3mm±0.1mm。
[0016]本發明所述的一種工業級有源光器件制作方法，其中，步驟c具體如下:
[0017]c.1、將TO管腳并攏；
[0018]c.2、將金屬管體倒裝入封焊機的下電極內，并將并攏好TO管腳的光器件TO裝入金屬管體中，雙手同時按下封焊機上的兩個氣動開關，完成金屬管體封焊在光器件TO的TO底座上；
[0019]本發明所述的一種工業級有源光器件制作方法，其中，步驟d具體如下:
[0020]d.l、將在步驟c中封焊完的光器件TO放入專用耦合夾具下夾頭內，多模光纖中的耦合鋼針插入其夾具上夾頭內，金屬管帽套在耦合剛針上；
[0021]d.2、人工進行光耦合，沿著光軸方向尋求有源光器件最大光耦合的位置，確定最佳光親合的位置；
[0022 ] d.3、將耦合儀器的驅動電流設置為4mA，滿足有源光器件激光器輸出光功率多600yw，耦合才能停止，如果耦合指標滿足不了此要求，則更換帶耦合鋼針的多模光纖或有源光器件το;
[0023]d.4、耦合有源光器件探測器時，不僅要觀察示波器上的耦合波形，還要注意耦合儀器上耦合響應值，當耦合響應值多70μΑ，有源光器件探測器的接收靈敏度<-17dBm時，耦合才能停止，如果耦合指標滿足不了此要求，則更換帶耦合鋼針的多模光纖或有源光器件T0；
[0024]本發明所述的一種工業級有源光器件制作方法，其中，步驟e具體如下:
[0025]e.l、在第一次光耦合完成后，有源光器件的指標滿足要求，先在耦合鋼針與金屬管帽最上端緊密結合處進行激光焊接，焊點為三個點，每點焊接兩次，然后在距離這三個點往下0.7?1.0mm處再焊接三個點，每點焊接兩次，使金屬管帽焊接在耦合鋼針上；
[0026]e.2、在第二次光耦合完成后，有源光器件的指標滿足要求，先在金屬管體上端與金屬管帽下端緊密結合處進行激光焊接，焊點為三個點，每點焊接兩次，然后再旋轉耦合夾具，再次進行激光焊接，焊點為三個，每點焊接兩次，使金屬管體與金屬管帽焊接在一起，其中，制作有源光器件激光器時耦合夾具的旋轉角度與制作有源光器件探測器時耦合夾具的旋轉角度均為65° ±5°。
[0027]本發明的有益效果是:
[0028]1、與常規的6G 850nm有源光器件相比，本發明對金屬結構件進行了改進，金屬管體的改進，不僅有利于電阻封焊，還能增加TO底座與金屬管體之間牢固性、密閉性，提高有源光器件的指標，而金屬管帽的改進，使激光焊接時首先接觸金屬管帽的下端，這樣不僅減少激光焊接時瞬間的沖擊力，使金屬管體與金屬管帽不會發生錯位，還能提高有源光器件的指標，
[0029]2、在氮氣環境保護下采用電阻封焊技術將金屬管體封焊在有源光器件TO底座上，增加金屬管體上端的平整度，與金屬管帽下端能夠有效結合，即使在環境工作溫度很惡劣情況下，金屬管體與TO底座也不會產生任何微變，甚至斷裂現象，TO底座與金屬管體之間結合處密封性、牢固性好，既不影響有源光器件的特性，又能提高有源光器件的指標，即使在環境工作溫度為-40°c?+85°C下，6G 850nm有源光器件的特性也不會發生任何變化。
[0030]3、人工進行光耦合時，不僅要觀察示波器上的耦合波形，而且還要注意耦合儀器上光功率與耦合響應值的變化，這樣不僅提高了探測器的接收靈敏度，還能提高產品生產率，使6G 850nm有源光器件在環境工作溫度為-40 V?+85 °C下能夠正常工作，滿足現代光通信系統的要求。與國內外同類產品相比，本發明的環境工作溫度范圍大，測量指標高，性能穩定，安全可靠。
【附圖說明】
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[0031]圖1是普通6G850nm有源光器件的結構示意圖；
[0032]圖2是本發明的一種工業級有源光器件制作方法的流程圖；
[0033]圖3是本發明中6G850nm工業級有源光器件的結構示意圖。
具體實施例:
[0034]下面結合附圖和具體實施例對本發明一種工業級有源光器件制作方法作進一步詳細說明:
[0035]實施例一
[0036]如圖2和圖3所示，在本具體實施例一中，本發明一種工業級有源光器件主要包括光器件T0、金屬管體3、金屬管帽7和帶耦合鋼針8的多模光纖9，其中光器件TO由TO芯片4、T0透鏡6、Τ0管腳1、Τ0底座2和TO管帽5組成。這種工業級有源光器件的制作方法的具體步驟如下:
[0037]1、金屬管體和管帽結構件改進
[0038]1.1對有源光器件金屬管體3的改進:在金屬管體3下端，壁厚中心位置設計一個倒邊10，倒邊10的倒角為55°，倒邊的高度為0.3mm。本發明中，如果倒角10過大，會不利于電阻封焊，而倒角10過小，則加工難度大，以及不利于電阻封焊；
[0039]1.2對有源光器件金屬管帽7的改進:在金屬管帽7下端，設計金屬管帽7下端外圓周直徑比金屬管體3上端的外圓周直徑大0.4mm。本發明中，如果金屬管帽7下端設計過大，激光幾乎全部焊接在管帽上，牢固性差，如果金屬管帽7下端設計過小，不利減少激光焊接時瞬間的沖擊力，使有源光器件指標下降。
[0040]2、封焊金屬件管體_] 2.1、將TO管腳I并攏;
[0042]2.2、將金屬管體3倒裝入封焊機的下電極內，并將并攏好的TO管腳I的光器件TO裝入金屬管體3中，雙手同時按下封焊機上的兩個氣動開關，完成金屬管體3封焊在光器件TO的TO底座2上；
[0043]2.3、將封焊完的光器件TO放在電子顯微鏡下檢查，封焊處是否存在炸磨、氧化等現象。檢查的原因是炸磨、氧化等現象會嚴重影響光器件TO的封焊效果。
[0044]3、有源光器件組件耦合
[0045]3.1、將封焊完的光器件TO放入專用耦合夾具下夾頭內，多模光纖9中的耦合鋼針8插入其夾具上夾頭內，金屬管帽7套在耦合剛針8上；
[0046]3.2、人工進行光耦合，沿著光軸方向尋求有源光器件最大光耦合的位置，確定最佳光親合的位置；
[0047]3.3、將耦合儀器的驅動電流設置為4mA，滿足有源光器件激光器輸出光功率多600yw，耦合才能停止。如果耦合指標滿足不了此要求，則更換帶耦合鋼針8的多模光纖9或有源光器件T0;
[0048]4.4耦合有源光器件探測器時，不僅要觀察示波器上耦合波形，還要注意耦合儀器上耦合響應值，當耦合響應值多70μΑ(對應在誤碼儀上測試，有源光器件探測器的接收靈敏度<-17dBm)時，耦合才能停止。如果耦合指標滿足不了此要求，則更換帶耦合鋼針8的多模光纖9或有源光器件T0。
[0049]6G 850nm有源光器件耦合技術是一門關鍵工藝，決定了產品性能和合格率。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纖端面上，其指標不高，激光焊接后其指標會大幅度下降，嚴重影響產品的質量，不能滿足使用要求。特別是6G 850nm探測器采用以前的耦合方式，只看示波器上波形(矩形波)，不測試探測器的耦合響應值，即使其耦合波形滿足要求，探測器的接收靈敏度也不高，很難滿足光通信系統的要求。因此，考慮上述情況，本發明對6G 850nm有源光器件組件采用耦合波形結合耦合儀器測試方式進行光耦合，只看耦合儀器的測試值也不能確定有源光器件的特性，只有結合耦合波形，才能確保有源光器件的特性。特別是有源光器件探測器的光耦合，不僅觀察示波器上耦合波形的變化，還要注意耦合儀器上測試探測器的耦合響應值，即探測器耦合儀器上耦合響應值多70μΑ(即在誤碼儀上測試有源光器件探測器<-17dBm)，耦合才停止，才能進行后續激光焊接。只有采用這樣耦合方式才能保證有源光器件的指標滿足現代光通信系統的要求，確保有源光器件在環境惡劣情況下能夠正常工作。
[0050]4、激光焊接
[0051]4.1、在第一次光耦合完成后，有源光器件的指標滿足要求，先在耦合鋼針8與金屬管帽7最上端緊密結合處進行激光焊接，焊點為三個點，每點焊接兩次，然后在距離這三個點往下0.7mm處再焊接三個點，每點焊接兩次，使金屬管帽7焊接在耦合鋼針8上；
[0052]4.2、在第二次光耦合完成后，有源光器件的指標滿足要求，先在金屬管體3上端與金屬管帽7下端緊密結合處進行激光焊接，焊點為三個點，每點焊接兩次，然后再旋轉耦合夾具，再次進行激光焊接，焊點為三個，每點焊接兩次，使金屬管體3與金屬管帽7焊接在一起，其中，制作有源光器件激光器時耦合夾具的旋轉角度與制作有源光器件探測器時耦合夾具的旋轉角度均為70°。
[0053]實施例二
[0054]實施例二與實施例一不同之處在于:
[0055]1、倒邊10的倒角為45°，倒邊的高度為0.2mm，設計金屬管帽7下端外圓周直徑比金屬管體3上端的外圓周直徑大0.2mm。
[0056]2、在第一次光耦合完成后，有源光器件的指標滿足要求，先在耦合鋼針8與金屬管帽7最上端緊密結合處進行激光焊接，焊點為三個點，每點焊接兩次，然后在距離這三個點往下Imm處再焊接三個點，每點焊接兩次，使金屬管帽7焊接在耦合鋼針8上。
[0057]3、制作有源光器件激光器時耦合夾具的旋轉角度與制作有源光器件探測器時耦合夾具的旋轉角度均為60°。
[0058]除上述三點之外，實施例二的其他技術特征均與實施例一相同。
[0059]本發明的技術原理:數字信號經過光通信系統前端電路板處理，轉化為電信號，電信號為6G 850nm工業級有源光器件的激光器提供一定的驅動電流，滿足激光器芯片即TO芯片4發光，發出的激光束經過TO透鏡6聚焦，聚焦在外面的光纖端面上，經光纖向外傳輸;現代光通信系統給6G 850nm工業級有源光器件的探測器提供一定的工作電壓，探測器芯片即TO芯片4能夠接收到外面經光纖傳輸進來的光信號，光信號被轉化為電信號，經后續光通信系統進行處理。
[0060]以上所述的實施方式僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。
【主權項】
1.一種工業級有源光器件制作方法，其特征在于:該制作方法包括以下步驟: a、在金屬管體(3)下端，壁厚中心位置設計一個倒邊(10); b、在金屬管帽(7)下端，設計金屬管帽(7)下端外圓周直徑大于金屬管體(3)上端外圓周直徑； c、采用電阻封焊技術在氮氣環境下將金屬管體(3)封焊在光器件TO的TO底座(2)上； d、對封焊好的光器件T0、金屬管帽(7)和帶耦合鋼針(8)的多模光纖(9)進行兩次人工光耦合，且在耦合過程中同時觀察耦合波形和耦合響應值，耦合后的指標要滿足有源光器件激光器輸出光功率彡600μ?，有源光器件探測器的接收靈敏度<-17dBm; e、在第一次耦合完成后，在耦合鋼針(8)和金屬管帽(7)之間進行激光焊接，在第二次耦合完成后，在金屬管帽(7)和金屬管體(3)之間進行激光焊接。2.根據權利要求1所述的一種工業級有源光器件制作方法，其特征在于:所述倒邊(10)的倒角大小為50° ±5°，所述倒邊(10)的高度為0.25mm±0.05mm。3.根據權利要求1所述的一種工業級有源光器件制作方法，其特征在于:所述金屬管帽(7)下端外圓周直徑比金屬管體(3)上端外圓周直徑大0.3mm± 0.1mm。4.根據權利要求1所述的一種工業級有源光器件制作方法，其特征在于:所述步驟c具體如下: c.1、將TO管腳(I)并攏； c.2、將金屬管體(3)倒裝入封焊機的下電極內，并將并攏好TO管腳(I)的光器件TO裝入金屬管體(3)中，雙手同時按下封焊機上的兩個氣動開關，完成金屬管體(3)封焊在光器件TO的TO底座(2)上。5.根據權利要求1所述的一種工業級有源光器件制作方法，其特征在于:所述步驟d具體如下: d.l、將在步驟c中封焊完的光器件TO放入專用耦合夾具下夾頭內，多模光纖(9)中的耦合鋼針(8)插入其夾具上夾頭內，金屬管帽(7)套在耦合剛針(8)上； d.2、人工進行光耦合，沿著光軸方向尋求有源光器件最大光耦合的位置，確定最佳光耦合的位置； d.3、將耦合儀器的驅動電流設置為4mA，滿足有源光器件激光器輸出光功率多600yw，耦合才能停止，如果耦合指標滿足不了此要求，則更換帶耦合鋼針(8)的多模光纖(9)或有源光器件Τ0; d.4、耦合有源光器件探測器時，不僅要觀察示波器上的耦合波形，還要注意耦合儀器上耦合響應值，當耦合響應值多70μΑ，有源光器件探測器的接收靈敏度<-17dBm時，耦合才能停止，如果耦合指標滿足不了此要求，則更換帶耦合鋼針(8)的多模光纖(9)或有源光器件T0。6.根據權利要求1所述的一種工業級有源光器件制作方法，其特征在于:所述步驟e具體如下: e.l、在第一次光耦合完成后，有源光器件的指標滿足要求，先在耦合鋼針(8)與金屬管帽(7)最上端緊密結合處進行激光焊接，焊點為三個點，每點焊接兩次，然后在距離這三個點往下0.7?1.0mm處再焊接三個點，每點焊接兩次，使金屬管帽(7)焊接在耦合鋼針(8)上； e.2、在第二次光耦合完成后，有源光器件的指標滿足要求，先在金屬管體(3)上端與金屬管帽(7)下端緊密結合處進行激光焊接，焊點為三個點，每點焊接兩次，然后再旋轉耦合夾具，再次進行激光焊接，焊點為三個，每點焊接兩次，使金屬管體(3)與金屬管帽(7)焊接在一起，其中，制作有源光器件激光器時耦合夾具的旋轉角度與制作有源光器件探測器時耦合夾具的旋轉角度均為65° ±5°。
【文檔編號】G02B6/42GK105911653SQ201610301742
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月5日
【發明人】劉勇, 劉昭謙, 高進, 謝鴻志, 邊敏濤, 周雷, 楊鵬毅, 司淑平
【申請人】中國電子科技集團公司第八研究所