摘 要:运用创新思维中的联想思维,将微电子业的DFT思想用于光纤准直器的装配技术中,可大大提高生产效率,提高产品的合格率,以适应当今的经济发展要求。关键词:创新;联想思维; DFT;光纤准直器;装配。
0 引 言
21世纪是信息化的时代。信息社会的来临,引起了信息爆炸,促进了光通信产业的迅猛发展,随着科学技术的突飞猛进,越来越多的科技成果转化为生产力,光通信产品的生命周期也愈来愈短,特别是近期受北美经济衰退的影响,市场上的竞争将日趋残酷。创新正是适应这一全球性最新发展形势所采取的重要的途径和手段,只有创新产品才能满足、开拓出新的需求,创造新的经济增长点,才能在瞬息万变的国际市场上有较强的竞争力。
从当今国际形势看,生产周期、质量、成本和服务仍然是竞争的焦点,随着市场竞争的日益加剧,新的设计制造理论不断涌现,如:并行工程、虚拟制造及敏捷制造等。并行工程作为一种有效的、能协调产品全生命周期中各个环节,降低产品总成本,缩短研发周期,提高产品质量的集成系统,已经逐步发展成熟起来。在国内人们对并行工程中的DFA/M研究比较深入,并取得了一定研究成果,现在产品的质量引起更多的重视,尤其是在光通信产品全生命周期越来越短的情况下,显得更为重要,基于DFT (Design ForTest)的装配技术方法就是利用创新思维,力求在装配的同时就着手解决质量问题的技术[1]。
DFT (可检测性设计)的出现,是为了适应现代工业对微电子电路的日益复杂化、精密化和超大规模集成化的高要求,是为了使产品达到在线自动检测,从而实现高质、高效、低成本的一门新兴的设计技术。近几年来, DFT在微电子和超大规模集成电路开发上所起的作用以及所带来的巨大效益是有目共睹的。但是这种技术在微电子产品的设计和制造中,主要还是局限于对电路本身性能及其合格性与优劣性的检测。而光通信产品在设计、生产和维护等实际环节中所涉及的检测问题则是广而杂的。
创新思维中的联想思维,就是指人们通过一种事情的触发而迁移到(想到)另一种事情上的思维。当前工程技术人员开始认识到,在光通信产品的并行工程中基于DFT的装配技术同样具有极其重要的意义。
1 光纤准直器简介
光纤准直器(如图1所示)是光纤无源器件中的一个重要的组件,在光通信系统中有着非常普遍的应用。它是由单模尾纤和准直透镜(GRIN Lens或C-Lens)组成,具有低插入损耗、高回波损耗、工作距离长、宽带宽、高稳定性、高可靠性、小光束发散角、体积小和重量轻等特点。可将光纤端面出射的发散光束变换为平行光束,或者将平行光束会聚并高效率耦合入光纤,是制作多种光学器件的基础器件,因此被广泛应用于光束准直、光束耦合、光隔离器、光衰减器、光开关、环行器、MEMS,密集波分复用器之中。
2 基于DFT装配技术方法的理论基础
2·1 光纤准直器装配的技术要求
在当今光通信产业迅猛发展的形势下,为适应市场发展的要求,光通信产品的产品开发周期、生命周期日益缩短,这势必要求光通信产品在装配时尽量减少装配工序,缩短装配时间,基于DFT的装配在产品装配的同时,融参数及指标的检测于装配之中,在满足光纤准直器指标要求(插入损耗、回波损耗)的同时,也就完成了光纤准直器的整个装配过程。
如图1所示,单模尾纤与准直透镜安装在内外表面镀金的不锈钢套筒中,要求尾纤的斜端面(8°)与准直透镜的斜端面(8°)严格平行,并保证间隙在规定公差内。准直器装配亟待解决的关键技术,是实现以最短的时间与最低的成本获得最低的稳定的插入损耗和高的回波损耗。
光纤准直器装配的技术要求:
(1)端面间隙精度要求:理论上d=0·02P=0·385±0·1mm;
(2)斜端面之间的平行度要求: 0·01mm。
如果用传统的装配方法,根本不可能达到装配的要求,受DFT在微电子业应用的启发,应用创新思维的理念,我们将DFT技术用在光纤准直器的装配上,不仅能达到装配的技术要求,而且大大提高了生产率,提高了产品的合格率。
2·2 光纤准直器装配的理论分析
光纤准直器的两个重要的指标(插入损耗IL和回波损耗RL)主要由准直器的结构决定,但最终指标的实现则需要在其装配过程中精密调整尾纤与准直透镜间的间隙和端面的平行度来保证[2]。图2和图3分别为光纤准直器的插入损耗和回波损耗与斜面倾角θ的关系曲线,图4和图5分别是光纤准直器的插入损耗和回收损耗与传输距离的关系曲线。
通过对光纤准直器的插入损耗的回波损耗的理论分析,从图2、3、4、5中可以看出:
(1)采用斜端面插针耦合,可大大提高光纤准直器的回波损耗,当斜面倾角为8°时,光纤准直器的自聚焦透镜后端面镀反射率为0·01%增透膜时,光纤准直器的回波损耗可达60dB。采用斜端面插针耦合,主要是为了满足器件高回波损耗的要求,角度越大,准直器的回波损耗越大。但插针的端面角度越大,准直器的插入损耗就会越大(要求是:插入损耗越小越好,回波损耗越大越好),这和准直器要求的低插入损耗矛盾,对于准直器插入损耗而言,透镜和毛细管是垂直端面最为理想。因此本文采用8°是针对环行器在这种互相制约关系下的一个折中。视应用场合不同其端面斜角可做成6°、8°、9°、11°或任何角度。
(2)透镜与光纤毛细管端面的间隙也主要是和器件高回波损耗有关,为了达到器件高回波损耗的要求,其间隙一般大于200μm,当间隙大于200μm,器件的回波损耗值近似达到理论上最大值。但透镜和毛细管端面的间隙越大,同时会造成准直器的插入损耗增大,这又是一对矛盾,根据准直器图纸的精度要求,其间隙是0·385mm,这既能满足高回波损耗的距离要求,也能使其插入损耗达到要求。
准直器的插入损耗和回波损耗相比较而言,回波损耗更容易保证,因此在准直器装配时,以其插入损耗为检测依据,就是这个道理。
因此准直器的低插入损耗就要靠装配时精密调整透镜与毛细管之间的距离和平行度来保证,而检测指标(插入损耗)的获取就是利用光束扫描仪来实时获取,由获取的信息来调整透镜与光纤毛细管端面间的间隙和平行度,直到达到装配技术要求。
2·3 基于DFT的装配思想
由PLC控制步进电动机的起停,步进电动机1控制操作平台的前进和后退,进而控制尾纤毛细管与透镜端面之间的距离。步进电动机2用来控制尾纤的旋转,由光束扫描仪来获取经过准直器的光斑参数,PC机中光束扫描仪软件将获取的光斑参数与标定值进行比较,进而通过控制光斑直径来控制毛细管端面与透镜的距离,控制毛细管端面与透镜端面的平行度,直到达到装配的技术要求为止(见图6)。
3 实验结论
通过对光纤准直器的批量装配实验,根据光束扫描仪所得的光斑参数作成的曲线如图7、8所示:
(1)通过测试距离变化可以得知,不论近场和远场,毛细管端面与透镜间距离的变化与光斑变化的关系与理论计算基本相符。
(2)可以通过控制光斑直径来控制装配距离。通过实验数据可以看出,距离在100μm内变化,光斑直径的变化范围不超过10μm,因此要保证距离公差在0·1mm内,光斑直径在近场、远场处的公差均应控制在10μm内。
(3)通过测试角度变化可以得出,无论近场和远场,毛细管端面与透镜的角度变化与两方向光斑差值的变化在工作区域0~70μm内基本成线性关系,即两者之间的角度越大,两方向光斑的差值就越大。由于角度不是影响装配的主要因素,因此规定装配时两方向光斑直径差值控制在15μm之内。
4 结论
基于DFT的装配理念是利用创新思维中联想思维,将用于微电子业的DFT思想用于光纤准直器的装配过程中,这种方法融检测于装配之中,在满足装配要求的同时即能起到检测的目的。因此,准直器的装配过程也就是其产品的检测过程,这种基于可检测的装配方法,可大大提高生产效率,提高产品的合格率,适应通信产品短生命周期的现状,在微电子、通信及机电产品中将会起到重大的作用。[3]
参考文献:
[1] 徐有忠,潘双夏,冯培恩.用于DFT的产品建模方法研究[J].机械工程学报, 2002, 38 (5): 13-17.
[2] 虞国华,刘水华等.光纤准直器高回波损耗的理论分析与研究[J].光学学报, 1997, 17 (3): 367-
371.
[3] 夏磊,赵荣华,李国瑞.光纤准直器件的结构和工艺研究[J].北京邮电学院学报, 1991, 4 (3):99-104.
本文作者：丁 原 ,王 智
