淺析光纖陣列的制作工藝

蒲 江

(四川華豐科技股份有限公司，四川綿陽，621000)

1 引言

近年來,隨著數字經濟高速發展,光網絡、數據中心、服務器等對數字信號的運算、傳輸解決方案快速向高密度、高速率、高集成、小型化方向推進,高速光組件的需求也呈爆發式增長。作為光纖耦合的核心組件光纖陣列(FA),因其高密度性和高精確定位的可靠性也備受制造廠家的青睞。本文將對高速光模塊中的光纖陣列的結構特點、制作工藝、常見故障及解決辦法進行介紹。

2 組件結構特點

光纖陣列(FA)是用于精確放置裸光纖的定位裝置。主要由基板、光纖、固定膠水、蓋板組合而成如圖1所示(45°結構)。根據光纖定位的方法有鉆孔法、光通道密排法和型槽定位法[1]。槽型定位又可分為U型、V型,由于V型槽定位的可靠性和光纖裝入的操作便捷性,在實際生產中被廣泛應用。應用于有源產品上的光纖陣列,絕大多數都采用垂直耦合的方式,因此光纖會突出基板0.15～0.35mm,基板會設計成斜45°的面,避免光纖研磨加工時發生干涉。

圖1 45°光纖陣列示意圖

2.1 零件結構特點

1)光纖,在光模塊應用中,無論傳輸模式是單模(G652/G657)或多模(OM1/OM2/OM3),多使用直徑125um的裸光纖。

2)基板,作為最重要的光纖定位件,基板端面的長度方向設有與模塊光路相匹配的多個相互平行的安裝V槽,保證每個光纖截面同時有兩點與槽的兩側接觸如圖2。V槽角度一般選擇60°,通過金剛石砂輪磨削成設計的尺寸精度和表面粗糙度,其V槽的間距(pitch)尺寸必須嚴格控制在0.5um以下,因為隨著通道的增加公差會逐漸累計,最終導致與光芯片的接收或發射點形成錯位,無法耦合。基板材料需選擇與光纖的膨脹系數相匹配,常選用1～1.5mm厚度的石英玻璃或高鵬硅玻璃。

圖2 光纖陣列端面示意圖

3)蓋板,一般為一塊較高透明度的薄片,為光纖提供豎直方向的約束,與基板形成3點定位,因此與光纖接觸的蓋板平面度也需嚴格控制,這關系到能否為每個通道的光纖提供接觸力。材料也應選擇與光纖及基板的膨脹系數相匹配,常選用0.1～0.3mm厚度的石英玻璃或高鵬硅玻璃。

4)固定膠水,用于將基板和已精準放置的光纖進行完全固定,常選用UV固化膠或353ND膠水。

3 制作工藝

光纖陣列的制作過程比較復雜,一般的模塊生產制造商都不具備光纖和基板及蓋板超精加工(精度控制在亞微米級以下)的能力,都是直接購買或者設計后委托加工。

在光纖陣列裝配前,把獲取到的零件進行超聲波清洗,去除殘留零件表面的臟污,并用純凈水沖洗干凈。然后把剝好的扁帶光纖裝入V槽內,點膠填充均勻后,蓋上蓋板并用工裝壓緊,再根據膠水特性對其紫外光固化或高溫烘烤[2]。

在裝配過程中需注意如下:清潔間需達到至少萬級的清潔度;點膠前對基板和蓋板的尺寸進行嚴格檢查,特別是V槽的角度、V槽間距、基板和蓋板的平面度,因為一旦點膠固化后發現是尺寸問題導致光纖陣列的不良,將極大增加報廢成本;熱固化膠水需考慮與光纖及基板的膨脹系數匹配問題,這是防止膨脹系數相差較大導致應力釋放產生誤差的關鍵;膠水需設置除氣泡工藝處理,存在的氣泡會導致點膠量不夠、滲透不均、粘接不穩固、粘結力下降等不良問題;裝光纖前確認涂層是否剝干凈,同時來回撥動光纖,觀察是否有光纖損壞。

固化完成后,進入光纖研磨拋光的環節。與其他PC、APC插芯研磨后端面直接接觸傳輸不同,模塊通過光纖陣列的光纖斜面全反射原理,實現光芯片與其之間的垂直耦合如圖3所示。依次通過劃纖、去膠、粗磨、精磨、粗拋光、精細拋光工序后,對光纖陣列的外觀、光纖端面進行檢查。端面破損、劃痕、黑點等為常見的光纖端面不良問題,如圖4示例。對于光纖柱面不僅要嚴格進行鏡檢,對微觀檢查不到的地方,還需進行通光測試,檢驗出光是否均勻如圖5、圖6,判斷有無光纖破裂造成的漏光問題等。檢查結束后,對光纖進行分類標記,對不合格端面重新研磨,如此往復,直至符合要求。

圖3 光纖陣耦合示意圖

圖4 光纖端面不良示例

圖5 光纖陣列均勻出光

4 常見問題及解決辦法

1)光纖頭部斷裂:這類問題一般是檢查完畢后的光纖陣列在運輸、保存中損害的,特別是在兩側的光纖。為此使用一款光纖頭部懸空的柔軟保護套就尤為重要。

2)蓋板后側光纖斷裂:如圖6所示,光纖在蓋板后側的點膠處(尾纖方向)出現裂紋,其原因可能是點膠不均勻或零件臟污造成光纖受力不均,可通過觀察此處點膠水填充情況來判定。

圖6 光纖漏光

3)端面不良:檢查研磨時光纖陣列是否被可靠安裝在治具上,對淺劃痕、小麻點可重復進行精磨、拋光,對于劃痕較深的則需從粗磨工序開始向后研磨或者調整研磨參數后再進行研磨測試。

4)線序錯誤:光纖陣列另外一頭常做成MT插芯,用于對外進行光纖傳輸,隨著光纖線序的增多,在制作光纖陣列的時候很容易造成光纖陣列與MT插芯通道點位出錯,因此在沒有耦合前,必須依次進行通光檢測。

5)耦合性差:在與光芯片耦合時,各光纖通道耦合性不一致。造成這類問題的原因,主要有兩種,一是各光纖之間突出的長度一致性差,可加嚴控制塔差如圖7中的角度A和光纖頭凸出的長度公差來解決;二是各光纖與光芯片接受或發射點的垂直距離即各光纖在基板V槽內的高度差差異性大,這需要從基板加工誤差、點膠均勻性、膠水與基板的膨脹系數的匹配性、裝配車間及零件的清潔度上進行一一排除。

圖7 光纖塔差角

5 結束語

本文介紹了光通訊領域光纖陣列這一核心耦合組件,包括其整體結構特點、基板和蓋板的選材,光纖陣列裝配和光纖研磨工藝以及其注意事項,需特別注意膠水對基板、膠水與光纖的膨脹系數的問題,同時也提出了常見的光纖陣列在光模塊耦合時出現的問題及解決辦法,從而進一步推動對光纖陣列制造的可靠性,并對其故障問題提供參考分析思路。