光纤耦合器全自动化生产技术研究

杜永建,郭征东,欧阳倚承

(广州奥鑫通讯设备有限公司,广东 广州 510925)

0 引言

光纤耦合器是光纤通信和光纤传感器中最基本的无源器件,是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件。其具有以下3个特点:一是器件由光纤构成,属于全光纤型器件;二是光场的分波与合波主要通过模式耦合来实现;三是光信号传输具有方向性[1]。随着各种光纤通信和光纤传感器件的广泛使用,光纤耦合器产品应用的地位和作用愈来愈重要,并已成为光纤通信和光纤传感领域不可或缺的一部分。

1 人工作业生产光纤耦合器的工艺流程

光纤耦合器目前主要用熔融拉锥法制作,是将两根或两根以上光纤剥去涂覆层并清洗剥皮段,通过拉制夹具以一定方式靠拢,在氢氧焰或丙烷(或丁烷等)氧焰,或电耦加热的高温下,同时向两侧以一定的速度和一定的力拉伸,使纤芯在熔融软化的情况下,再经过点胶、固化、安装石英基板等工序后,在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构,实现传输光功率按设计比例耦合的一种方法。加热源有的采用固定式,有的采用可移动式。这种方法可以用计算机较精确地控制各种过程参量,并随时监控光线输出端口的光功率变化,从而实现制作各种分光比或者分波的光纤耦合器的目的[2-3]。

2 自动化技术实现难点

2.1 光纤熔融拉制智能制造全自动送料系统的实现

本项目研究了针对性的成型技术,主要包括:

(1)光纤的自动剥纤、清洁精准控制技术及机构设计。

(2)自动量纤、送纤、切纤机构设计。

(3)自适应熔融拉制工艺分析及控制系统设计。

(4)自动定纤、划纤、插适配器(插纤)机构设计。

2.2 全自动点胶、固化及质量检测系统的实现

本项目研究了以下几方面的针对性成型技术,主要包括:

(1)对具有及细的、脆弱的、易破损的、易变形特点的光纤进行精准位置的点胶、点胶形状质量控制的技术研究及系统设计。

(2)对点胶后的光纤进行指定温度固化控制技术研究。

(3)点胶固化系统的核心控制——运动控制器设计研究。

(4)点胶质量检测与等级分类的工艺设计。

3 预期要达到的技术指标

3.1 拉制自动送料部分

(1)切断光纤长度 1.2 ~1.5 m,量纤长度±5 cm。

(2)光纤尾部剥除长度 4~5 cm,光纤中部剥除13~14 mm。

(3)剥除涂覆层光纤包层外径为125 um,清洁后包层表面不能有任何碎屑。

(4)将光纤尾部切割后,光纤端面成平面,端面角度＜2°。

(5)光纤位于石英基板槽上下前后的中心,距槽表面距离200~300 um,前后中心误差＜20 um。

光纤左右剥除涂覆层部分要与石英基板中心对称,左右中心误差＜0.2 mm。

(6)每台机每小时合格产出不低于4 pcs。

(7)拉制成功率不低于60%。

3.2 点胶部分

(1)1胶部分:约3.0~3.6 mm3(共两处),长度 3.5±0.5 mm,高度 0.6±0.05 mm,1胶外流长度＜1 mm,胶光表面光滑。

(2)6胶部分:6胶距离1胶 0~1 mm(以 6 胶中心算)。

(3)成功率:＞98%。

3.3 目标耦合器性能指标

(1)工作波长:1 550±20 nm。

(2)分光比:50/50。

(3)插入损耗(Max):3.40 dB。

(4)平坦度(Max): 0.20 dB。

(5)偏振损耗(Max): 0.10 dB。

(6)回损(Min): 50 dB。

4 采用的方法、技术路线以及基本架构

4.1 熔融拉锥工艺技术路线

本研究对微米级别的光纤芯进行拉制工艺,将两条直径一样的光纤拉伸至各自直径的一半,经熔融后两条光纤合二为一。拉制过程中,需要保持包芯比和折射率。这一工艺的关键是拉伸速度。拉伸越慢,控制光纤质量越好;拉伸越快,给定时间内可生产的光纤越多。拉伸机械的所有旋转部分必须达到极高的耐受度和张力级别,以使光纤能被高度精确地控制。因此,本文采用机器视觉闭环控制技术完成拉制部分。在显微级别的视觉监测下,拉制机构通过精准伺服控制完成动作,并在拉制过程中随时检测光纤拉制直径是否达到或超出产品要求,可以尽最大可能减少光纤耦合器生产过程中的废品率。

4.2 拉制自动化的系统基本架构

具体设计如下:

(1)一个转盘分为4个工位。

(2)每个工位固定配置:光纤支架及光纤、功率计、光纤拉长机构、拉制夹具等。

(3)工位一:主副光纤的上料,光纤预处理。包含:光纤端面剥纤、清洁、切断、放到放功率计处-定长-剥光纤耦合区-放置到夹具上。工位一专有配置:拉光纤机构、剥纤、清洁、切断机构等。

(4)工位二:留空。

(5)工位三:拉制。工位三专有配置:火头运动及控制机构。

(6)工位四:放石英基板、点胶、人工取出产品。工位四专有配置:石英基板送入机构、加热器运动及控制机构、点胶运动及控制机构。

通过该方案把拉制的各个工序由原来的串行方式分解成3个并行的工位,拉制一个产品所需要的时间取决于花费时间最多的工位,每个步骤实现自动化作业,可以减少新员工的培训时间及减轻员工的劳动强度,并减小对员工技能的依赖程度。

5 取得的技术成果

5.1 拉制自动化送料系统的技术成果

(1)实现了对脆性光纤耦合整个生产过程的零差错、高效、高产的精密机械及智能控制技术采用高精度转盘模式和自动开发的软件,将各个功能设计3个并行的系统,实现各功能同时操作,提升了拉制器件的效率。

采用自主开发的LabVIEW上位机软件技术,可实现对各个运动轴及拉制产品的工艺参数的设定,可实时采集并通过图形显示产品参数性能指标参数,根据实时值精确控制产品拉制停火点。

自主开发的基于采用PLC带EtherCAT通信方式和电刷等电路、气路控制布线设计方案,有效地解决了气路、电路过于复杂的问题,实现电气的优化布局。

采用无线模块与有线通信组合的方式,实现了旋转部分与固定部分的通信,而又彻底解决了拉锥时火焰装置退回存在延时的难点。

(2)成功实现了对脆性光纤耦合生产的多个关键工位衔接技术。光纤是柔性材料,智能控制和自动化处理光纤一直是行业难点。该设备实现了把量纤长度、送纤、切纤、剥纤、光纤表面清洁、定纤、拉制、划纤、插适配器(插纤)等一系列光纤熔融拉制前的准备动作由现在靠人工完成改成由机器全自动化实现。

(3)采用自主设计开发的产品自动封装工艺:将石英基板存储到储料盒,通过推杆将石英基板推入加热器上,并采用CCD机器视觉系统实现对产品的固化封装。

5.2 点胶自动化的技术成果

(1)研发出全区视觉对位系统及高精度视觉定位系统自动识别,无须精密治具,可直接进行点胶;可以实现对不同类型尺寸的产品进行点胶路径规划;并实时采集工件影像,用于示教点胶路径,方便观看。

(2)开发了自动测高系统,可精确识别产品高度变化,以确保点胶高度的一致性。

(3)开发点胶控制系统,通过调节气压来控制针嘴出胶量,可控制出胶量大小。

(4)采用自动化左右工作台设计,可实现上料、点胶不间断作业,大大提高生产效率。

(5)自主开发的上位机软件:可实现对点胶运行速度、加速度、拐角限制、软件限位等工作运动参数进行设定,简单直观,即便是初次接触点胶机的操作人员也能快速上手。此外还支持数据库保存,参数可直接导入,可自动识别不良品或不需要点胶的产品,节约生产成本。

(6)研发出加热固化技术;采用温控器+陶瓷加热棒组合,可通过调节温控器精确控制加热棒的温度,实现对胶水固化。

6 结语

本项目通过为期2年多的研究开发,完成了从设计到样机制作的全系列过程,并且实现了真正意义上的全自动化生产光纤耦合器的生产制造工艺,取得了众多的光纤耦合器自动化生产关键技术的突破,达到了预期开发的目标。