光纤有源器件激光焊接封装的关键技术研究

论文摘要

光纤有源器件低成本制造的瓶颈在于封装过程,其中最重要的工序是自动对准和连接固定。高精度定位平台和快速对准算法是自动对准的核心,从而提高对准速度和对准精度。脉冲激光焊接最适合光纤有源器件的连接固定,但是,焊后位移会造成耦合功率的损失。针对光纤有源器件激光焊接封装中实现亚微米对准和连接的关键技术,本研究工作以装备、自动快速对准算法以及焊后位移的补偿控制为重点,主要内容是:根据光纤对接的特点,研制了低成本、大行程、高分辨率、多自由度的通用光纤对接平台。对接平台将大行程的丝杠导轨平台和高分辨率的柔性铰链微动工作台相结合,解决了大行程与高分辨率的矛盾,实现光纤对接粗、精两级定位;而在驱动方式上,全部使用两相混合式步进电机,降低了成本。研制的步进电机驱动的柔性铰链微动工作台,通过电机-弹性减速机构、柔性铰链和弹性平板机构实现转动-平动、平动-平动的运动传递,利用弹性元件的变形缩小输入位移,形成微位移输出,其平行四杆的结构形式避免产生交叉耦合位移,提高了输出位移的直线性。对接平台直线运动行程50mm,最小可控分辨率为0.03μm,角度运动分辨率0.0001o,从而具有提供初始光搜索的大范围扫描和精密对准的纳米定位特色优势。基于自行研制的光纤对接平台,实验分析光纤对接时各种对准误差对耦合效率的影响,综合理论分析结果,揭示了光纤对接时的端面耦合规律,确定对准精度、对准容忍度、对准范围等指标。据此提出了粗对准与精密对准相结合的对准阶段的划分、以横向对准为核心的路径规划方法。在此基础上,针对传统爬山法搜索速度较慢和容易陷入局部最大的缺陷,提出基于抛物线拟合和模式搜索原理的光纤对准新算法。主要以激光二极管和单模光纤的对准为对象,进行仿真和实验研究,从提高搜索速度和定位成功率出发,对几种算法性能进行对比,确定以模式搜索法为核心的多自由度对准算法,实现器件封装时的自动快速对准。在对接装置和对准算法研究的基础上,针对激光二极管等有源器件的封装研制了光纤有源器件自动化激光焊接装置。建立了预测激光焊接焊后位移的三维有限元模型,利用热-结构耦合法,对三光束对称焊接时的能量不平衡和位置不对称条件下的焊后位移的特征进行理论分析,得到焊后位移方向取决于三个焊点能量大小比较结果的规律性认识;然后,进行激光焊接封装的实验研究,根据耦合功率的损失,讨论减小焊后位移的焊接参数,提出焊后位移方向判定的方法,三个焊点能量不平衡和位置不对称条件下的焊后位移特征分析的实验结果证实了理论上的预测分析。根据焊后位移的方向判定,实现单束激光补焊的定向热补偿,使对准误差控制在0.5μm以内,光功率恢复到焊接封装前最佳耦合时的95%以上。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略词
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 课题研究的背景与意义
• 1.2 光纤器件封装
• 1.2.1 封装流程与关键技术
• 1.2.2 光纤自动对准国内外现状分析
• 1.3 自动对准算法
• 1.3.1 粗对准算法
• 1.3.2 精密对准算法
• 1.4 激光焊接焊后位移的特征分析与补偿控制
• 1.5 论文的主要研究内容和章节安排
• 第二章 多自由度通用光纤对接平台的研究
• 2.1 多自由度通用光纤对接平台的构建
• 2.1.1 设计思想
• 2.1.2 多自由度通用光纤对接实验平台的构成
• 2.2 步进电机驱动的柔性铰链微动工作台
• 2.2.1 柔性铰链微动工作台的原理特点
• 2.2.2 柔性铰链微动工作台的解析分析
• 2.2.3 柔性铰链微动工作台的有限元分析
• 2.3 光纤对接平台的性能分析
• 2.3.1 丝杠导轨平台
• 2.3.2 角度转动平台
• 2.3.3 柔性铰链微动工作台
• 2.4 本章小结
• 第三章 对准误差与耦合损耗的理论与实验分析
• 3.1 单模光纤的对接耦合
• 3.1.1 基本概念
• 3.1.2 单模光纤对接时附加损耗与对准误差的关系
• 3.2 激光二极管与单模光纤的对接
• 3.2.1 耦合模型
• 3.2.2 对准误差引起附加损耗的理论分析
• 3.2.3 对准误差引起附加损耗的实验分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 自动快速对准控制算法的研究
• 4.1 粗对准盲目搜索算法
• 4.2 基于抛物线拟合的光纤自动对准新算法
• 4.2.1 基本原理
• 4.2.2 仿真分析
• 4.2.3 实验结果
• 4.3 基于模式搜索原理的光纤自动对准新算法
• 4.3.1 基本原理
• 4.3.2 仿真分析
• 4.3.3 实验结果
• 4.3.4 模式搜索法与爬山法的参数选择
• 4.4 本章小结
• 第五章 激光二极管激光焊接封装焊后位移特征的理论分析
• 5.1 激光焊接的原理特点分析
• 5.1.1 激光焊接的原理特点
• 5.1.2 脉冲激光点焊的主要参数
• 5.1.3 焊接类型的选择
• 5.1.4 焊后位移的成因
• 5.2 激光二极管激光焊封装焊后位移特征的理论分析
• 5.2.1 激光二极管封装的几何模型
• 5.2.2 激光二极管封装有限元仿真的数学模型
• 5.2.3 激光二极管封装有限元仿真的分析方法
• 5.2.4 激光二极管封装焊后位移有限元仿真的结果及讨论
• 5.3 本章小结
• 第六章 激光二极管激光焊接封装焊后位移的定向热补偿研究
• 6.1 光纤有源器件激光焊接封装系统的组建
• 6.1.1 柔性铰链微动工作台的结构优化
• 6.1.2 光纤有源器件激光焊接封装系统
• 6.2 激光二极管封装焊后位移特征的实验分析
• 6.2.1 封装组件
• 6.2.2 器件封装自动对准实验
• 6.2.3 焊后位移特征的实验分析
• 6.2.4 焊后位移的定向热补偿
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献表
• 作者在学期间取得的学术成果
• 1 发表的论文
• 2 申请的专利