0 引言
目前,由于DFB激光器具有单纵模、谱线窄、波长稳定性好、线性好等特点,因此CATV系统多采用DFB激光器作为其发射器。激光器的封装主要有三类:同轴(TO)封装、双列直插封装(DIP)和蝶形封装。由于TO封装具有体积小、成本低及制造简单、性能可靠等特点,所以用于CATV的DFB激光器绝大部分采用TO封装形式[1]。比较几种不同结合技术,发现利用激光焊接技术进行结合,具有速度快和提高产品可靠性等优点。然而激光焊接时,激光脉冲的设置还存在一定的缺陷和分歧。所以激光焊接技术是封装工艺中关键性的环节,具有挑战性。
本文利用Nd∶YAG激光焊接系统,在两种不同的激光脉冲形状下,对DFB激光器和光纤进行焊接,分析焊点宽度、深度与激光脉冲的关系,通过推力实验,测得DFB激光器输出光功率的变化大小,比较两种脉冲,得出实际生产中的激光脉冲形状,从而提高焊点质量。
1 Nd∶AG激光焊接系统
为了便于CATV系统中的光信号传输,在实际应用中将TO封装的DFB激光器与光纤固定结合如图1所示,而一般固定结合利用黏胶、软焊或激光焊接技术等方法,在国内外文献[2-4]中均有提及。
激光焊接系统如图2所示。此焊接系统包括一个波长为1·06μm的脉冲式Nd∶YAG激光及传输激
光功率的光束传送系统(beam-delivery system),而系统利用三个反射率为33·3%、50%及100%的分光镜将激光能量均分,并经由输出端的聚焦透镜输出,同时焊接在器件上。如图3所示,激光入射至焊件的角度为45°,且三道激光光束呈120°均分排列,而光束能量之间相差小于±2%,可使三束激光同时打在焊接器件上且能量相同、排列对称。
激光焊接系统其Nd∶YAG激光的脉冲可设置成多种形状,然而不同激光脉冲形状将影响到焊点的深度及宽度,甚至会影响到焊接的质量。通过生产中多次实验,得出脉冲形状与焊点深度、宽度及产品质量之间的关系,从而提高产品质量[5。
2 焊接和推力实验
利用上述Nd∶YAG激光焊接系统,用两种不同形状的激光脉冲将TO封装形式的DFB激光器与光纤焊接到一起,测量出焊点深度、宽度与激光脉冲之间的关系,通过焊点的深度与宽度的比较和推力实验,测量DFB激光器输出光功率的变化大小,得出哪种脉冲更适用于实际生产。两种不同形状的焊接激光脉冲形式,如图4所示。
图4 (a)中的脉冲是由两个脉冲组成的,其脉宽分别为5 ms、2 ms,电压分别为310 V和360 V,激光的输出能量为11·3 J。图4 (b)中的脉冲形状是由一个脉冲所组成,其脉宽为2·6ms,电压为360V,激光的输出能量为5·8 J。两种形式的激光脉冲分别以45°打在金属件上,激光焊点如图5所示。为了说明两种脉冲对器件焊接质量的影响情
况,分别在两种脉冲形状下,用激光焊接系统将大量的光纤与DFB激光器焊接到一起,随机提取两种激光脉冲形式下焊接的DFB激光器,准备测试夹具,推力计,电流输出设备,功率计进行推力测试,如图6所示。将DFB激光器接通18 mA电流(固定不变),放入夹具的槽中,用推力计施加一个推力,推力计会记录施加的力强度,同时记录功率计上的数值,发现不同推力下的激光器输出光功率值有不同的变化。
3 实验结果
不同激光脉冲形式下焊点的深度和宽度的比较
如表1所示。
表1 两种激光脉冲形式下焊点的深度(d)与宽度(w)比较
由表1可看出,用第一种激光脉冲焊出的焊点比第二种激光脉冲焊出的焊点宽且深。焊点的宽度和深度受激光脉冲形式的影响,其主要的原因是第一种激光脉冲的能量比第二种激光脉冲的能量大,所以第一个焊点深于第二个焊点;且第一种激光脉冲形式是由两种激光脉冲组成,而第二种激光脉冲只由单个激光脉冲组成,从而导致第一种激光脉冲的焊点宽度大于第二种激光脉冲焊点的宽度。这样,第二种激光脉冲焊接出的器件将不如第一种激光脉冲焊接出的器件牢固。进一步观察推力实验中DFB光功率的变化值,在第一种激光脉冲下焊接的DFB激光器在推力的作用下,功率值变化很小,不影响DFB激光器正常工作;然而,第二种激光脉冲下焊接的DFB激光器在推力的作用下,功率值变化1~4 dB。这进一步证明,第二种脉冲焊接的焊点不如第一种脉冲焊点焊接的牢固,导致光功率不稳定,这将影响
DFB激光器的正常工作,所以生产中采用第一种激光脉冲焊接器件。推力实验中,在不同推力下,DFB激光器输出光功率变化如表2和表3所示。表中F为推力,D为方向角。
表2 第一种激光脉冲焊接的DFB激光器输出光功率(单位为dBm)
由表2可以看出,在0°、90°、180°和270°方向下输出光功率值的变化值分别为0·27、0·13、0·21和0·06 dBm。
表3 第二种激光脉冲焊接的DFB激光器输出光功率(单位为dBm)
由表3可以看出,在0°、90°、180°和270°方向下输出光功率值的变化值分别为3·11、1·84、3·36和4 dBm。
对于用在CATV中DFB激光器同轴封装激光焊接技术的研究,对同轴封装工艺进行改进有所帮助,从而提高焊接质量。以前研究激光焊接系统的激光脉冲多采用单个激光脉冲焊接,然而焊接质量并不高。本文利用Nd∶YAG激光焊接系统,用两种不同的激光脉冲形式将同轴封装的DFB激光器与光纤焊接到一起,观察焊点的深度与宽度和两种激光脉冲的关系,并通过推力实验测得DFB激光器输出光功率的变化,得出结论:由两个脉冲组成、其脉宽分别为5 ms和2 ms、电压分别为310 V和360 V的激光脉冲,比由脉宽为2·6 ms、电压为360V的单个激光脉冲具有更好的焊点。焊后的DFB激光器稳定性强,使用于CATV系统的DFB激光器具有稳定的传输信号,更适合于实际生产。
参考文献:
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