光纖耦合器全自動化生產技術研究

杜永建,郭征東,歐陽倚承

(廣州奧鑫通訊設備有限公司,廣東 廣州 510925)

0 引言

光纖耦合器是光纖通信和光纖傳感器中最基本的無源器件,是一種用于傳送和分配光信號的光纖無源器件。其具有以下3個特點:一是器件由光纖構成,屬于全光纖型器件;二是光場的分波與合波主要通過模式耦合來實現;三是光信號傳輸具有方向性[1]。隨著各種光纖通信和光纖傳感器件的廣泛使用,光纖耦合器產品應用的地位和作用愈來愈重要,并已成為光纖通信和光纖傳感領域不可或缺的一部分。

1 人工作業生產光纖耦合器的工藝流程

光纖耦合器目前主要用熔融拉錐法制作,是將兩根或兩根以上光纖剝去涂覆層并清洗剝皮段,通過拉制夾具以一定方式靠攏,在氫氧焰或丙烷(或丁烷等)氧焰,或電耦加熱的高溫下,同時向兩側以一定的速度和一定的力拉伸,使纖芯在熔融軟化的情況下,再經過點膠、固化、安裝石英基板等工序后,在加熱區形成雙錐體形式的特殊波導結構,實現傳輸光功率按設計比例耦合的一種方法。加熱源有的采用固定式,有的采用可移動式。這種方法可以用計算機較精確地控制各種過程參量,并隨時監控光線輸出端口的光功率變化,從而實現制作各種分光比或者分波的光纖耦合器的目的[2-3]。

2 自動化技術實現難點

2.1 光纖熔融拉制智能制造全自動送料系統的實現

本項目研究了針對性的成型技術,主要包括:

(1)光纖的自動剝纖、清潔精準控制技術及機構設計。

(2)自動量纖、送纖、切纖機構設計。

(3)自適應熔融拉制工藝分析及控制系統設計。

(4)自動定纖、劃纖、插適配器(插纖)機構設計。

2.2 全自動點膠、固化及質量檢測系統的實現

本項目研究了以下幾方面的針對性成型技術,主要包括:

(1)對具有及細的、脆弱的、易破損的、易變形特點的光纖進行精準位置的點膠、點膠形狀質量控制的技術研究及系統設計。

(2)對點膠后的光纖進行指定溫度固化控制技術研究。

(3)點膠固化系統的核心控制——運動控制器設計研究。

(4)點膠質量檢測與等級分類的工藝設計。

3 預期要達到的技術指標

3.1 拉制自動送料部分

(1)切斷光纖長度 1.2 ~1.5 m,量纖長度±5 cm。

(2)光纖尾部剝除長度 4~5 cm,光纖中部剝除13~14 mm。

(3)剝除涂覆層光纖包層外徑為125 um,清潔后包層表面不能有任何碎屑。

(4)將光纖尾部切割后,光纖端面成平面,端面角度＜2°。

(5)光纖位于石英基板槽上下前后的中心,距槽表面距離200~300 um,前后中心誤差＜20 um。

光纖左右剝除涂覆層部分要與石英基板中心對稱,左右中心誤差＜0.2 mm。

(6)每臺機每小時合格產出不低于4 pcs。

(7)拉制成功率不低于60%。

3.2 點膠部分

(1)1膠部分:約3.0~3.6 mm3(共兩處),長度 3.5±0.5 mm,高度 0.6±0.05 mm,1膠外流長度＜1 mm,膠光表面光滑。

(2)6膠部分:6膠距離1膠 0~1 mm(以 6 膠中心算)。

(3)成功率:＞98%。

3.3 目標耦合器性能指標

(1)工作波長:1 550±20 nm。

(2)分光比:50/50。

(3)插入損耗(Max):3.40 dB。

(4)平坦度(Max): 0.20 dB。

(5)偏振損耗(Max): 0.10 dB。

(6)回損(Min): 50 dB。

4 采用的方法、技術路線以及基本架構

4.1 熔融拉錐工藝技術路線

本研究對微米級別的光纖芯進行拉制工藝,將兩條直徑一樣的光纖拉伸至各自直徑的一半,經熔融后兩條光纖合二為一。拉制過程中,需要保持包芯比和折射率。這一工藝的關鍵是拉伸速度。拉伸越慢,控制光纖質量越好;拉伸越快,給定時間內可生產的光纖越多。拉伸機械的所有旋轉部分必須達到極高的耐受度和張力級別,以使光纖能被高度精確地控制。因此,本文采用機器視覺閉環控制技術完成拉制部分。在顯微級別的視覺監測下,拉制機構通過精準伺服控制完成動作,并在拉制過程中隨時檢測光纖拉制直徑是否達到或超出產品要求,可以盡最大可能減少光纖耦合器生產過程中的廢品率。

4.2 拉制自動化的系統基本架構

具體設計如下:

(1)一個轉盤分為4個工位。

(2)每個工位固定配置:光纖支架及光纖、功率計、光纖拉長機構、拉制夾具等。

(3)工位一:主副光纖的上料,光纖預處理。包含:光纖端面剝纖、清潔、切斷、放到放功率計處-定長-剝光纖耦合區-放置到夾具上。工位一專有配置:拉光纖機構、剝纖、清潔、切斷機構等。

(4)工位二:留空。

(5)工位三:拉制。工位三專有配置:火頭運動及控制機構。

(6)工位四:放石英基板、點膠、人工取出產品。工位四專有配置:石英基板送入機構、加熱器運動及控制機構、點膠運動及控制機構。

通過該方案把拉制的各個工序由原來的串行方式分解成3個并行的工位,拉制一個產品所需要的時間取決于花費時間最多的工位,每個步驟實現自動化作業,可以減少新員工的培訓時間及減輕員工的勞動強度,并減小對員工技能的依賴程度。

5 取得的技術成果

5.1 拉制自動化送料系統的技術成果

(1)實現了對脆性光纖耦合整個生產過程的零差錯、高效、高產的精密機械及智能控制技術采用高精度轉盤模式和自動開發的軟件,將各個功能設計3個并行的系統,實現各功能同時操作,提升了拉制器件的效率。

采用自主開發的LabVIEW上位機軟件技術,可實現對各個運動軸及拉制產品的工藝參數的設定,可實時采集并通過圖形顯示產品參數性能指標參數,根據實時值精確控制產品拉制停火點。

自主開發的基于采用PLC帶EtherCAT通信方式和電刷等電路、氣路控制布線設計方案,有效地解決了氣路、電路過于復雜的問題,實現電氣的優化布局。

采用無線模塊與有線通信組合的方式,實現了旋轉部分與固定部分的通信,而又徹底解決了拉錐時火焰裝置退回存在延時的難點。

(2)成功實現了對脆性光纖耦合生產的多個關鍵工位銜接技術。光纖是柔性材料,智能控制和自動化處理光纖一直是行業難點。該設備實現了把量纖長度、送纖、切纖、剝纖、光纖表面清潔、定纖、拉制、劃纖、插適配器(插纖)等一系列光纖熔融拉制前的準備動作由現在靠人工完成改成由機器全自動化實現。

(3)采用自主設計開發的產品自動封裝工藝:將石英基板存儲到儲料盒,通過推桿將石英基板推入加熱器上,并采用CCD機器視覺系統實現對產品的固化封裝。

5.2 點膠自動化的技術成果

(1)研發出全區視覺對位系統及高精度視覺定位系統自動識別,無須精密治具,可直接進行點膠;可以實現對不同類型尺寸的產品進行點膠路徑規劃;并實時采集工件影像,用于示教點膠路徑,方便觀看。

(2)開發了自動測高系統,可精確識別產品高度變化,以確保點膠高度的一致性。

(3)開發點膠控制系統,通過調節氣壓來控制針嘴出膠量,可控制出膠量大小。

(4)采用自動化左右工作臺設計,可實現上料、點膠不間斷作業,大大提高生產效率。

(5)自主開發的上位機軟件:可實現對點膠運行速度、加速度、拐角限制、軟件限位等工作運動參數進行設定,簡單直觀,即便是初次接觸點膠機的操作人員也能快速上手。此外還支持數據庫保存,參數可直接導入,可自動識別不良品或不需要點膠的產品,節約生產成本。

(6)研發出加熱固化技術;采用溫控器+陶瓷加熱棒組合,可通過調節溫控器精確控制加熱棒的溫度,實現對膠水固化。

6 結語

本項目通過為期2年多的研究開發,完成了從設計到樣機制作的全系列過程,并且實現了真正意義上的全自動化生產光纖耦合器的生產制造工藝,取得了眾多的光纖耦合器自動化生產關鍵技術的突破,達到了預期開發的目標。