微机械光开关的设计与制造毕业论文(pdf 54页).pdf

砖李却童大警 工程硕士专业学位论文 学号 0 5 G 0 2 0 6 姓名 塞继堡 专业领域 电王皇适信工程 导师 王塞搓 学院 值盅皇适值王程堂医 2 0 1 0 年4 月2 0 日 一 1 一1 r l 1 1 1 1 1 111 1 1 11 11 11 1 1 1IIl Y 17 5 9 4 7 5 独创性 或创新性 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容 以外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为 获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意 申请学位论 本人签名 实之处 本人承担一切相关责任 日期 塑 箜 竺 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规 定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 邮电大学 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的 全部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后遵守此规定 保密论文注释 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权 书 非保密论 本人签名 导师签名 文不属于保密范围 适用本授权书 日期 垒I 壅 日期 争业么 L 嘲 0 teII 1 A 微机械光开关的设计与制造 摘要 随着光传送网向超高速 超大容量 智能化的方向发展 网络的生 存能力 网络的保护倒换和恢复 智能选择切换成为网络关键问题 大 容量 高速交换 透明 低损耗的光开关在光网络发展中起到更为重要 的作用 本论文设计及研 1 1 X 2 微型机械式 M o M S 光开关 此光开关是一 个应用激光焊接技术的光路无胶的设计 其由固定的光纤组件 非球面 透镜 反射镜和可移动的棱镜组成 通过一继电器产生的磁感应力来移 动棱镜来实现光路切换 光开关由5 伏 1 0 2 5 毫安的直流信号驱 动 当棱镜离开光路时 从光纤l 进入的光经反射镜的反射后进入光纤2 输出 镜子通道1 2 当棱镜进入光路时 光信号经棱镜的偏转而进入 光纤3 输出 楔形片通道1 3 M O M S 光开关采用小型化的 7 8 3 1 0 4 1 7 3 r a m 气密性金属封装 此种封装可直接应用于P C B 板上 并可通过读取管脚电接触状态来获知实际开关状态 并且耐高功 率 5 0 0 m w 此光学结构的困难点在于机械加工和装配的精度以及棱镜 移动的重复性 因此 本论文对此光开关探讨其设计原理并进行了模拟 误差分析 最后 M O M S 光开关成功通过了B e l l c o r e 标准的认证 其插入 损耗 回波损耗 偏振相关损耗 串扰 重复性和开关速度可分别达到 0 5 d B 5 0 d B 0 0 4 d B 5 5 d B 0 0 2 d B 和2 4 m s 关键词 光开关激光焊接气密性封装误差分析 j r e l f 枣 D E S I G NA N DM A N U R C T U R EO FT H EM I C R O M E C H A N I C A Lo P T I C A LS W I T C H A B S T R A C T W i t ht h ed e v e l o p i n go fo p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r ko nt h eu l t r a h i g h s p e e d 1 a r g ec a p a c i t y i n t e l l i g e n td i r e c t i o n n e t w o r kk e yi s s u e sa r en e t w o r k s u r v i v a b i l i t y n e t w o r kp r o t e c t i o ns w i t c h i n ga n dr e s t o r a t i o n s m a r tc h o i c et o s w i t c h L a r g ec a p a c i t y h i g h s p e e ds w i t c h i n g t r a n s p a r e n t l o w l o s so p t i c a l s w i t c h e si no p t i c a ln e t w o r k sa r ep l a y i n gam o r ei m p o r t a n tr o l e I nt h i st h e s i s w ed e s i g na n df a b r i c a t et h e1 X 2M i n i a t u r eO p t i c M e c h a n i c a ls w i t c hf M O M S T h eM O M Ss w i t c hc o l l i m a t e db e a mo p t i ci sa n e p o x y f r e eo p t i c a lp a t hd e s i g ni m p l e m e n t e dw i t hl a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g y a n dc o m p r i s e sac o m b i n a t i o no faf i b e rt u b ea s s e m b l y F T A a s p h e r i c a lL e n s m i r r o ra n dam o v a b l ew e d g ep r i s m T h ep r i s mi sm o v e db yat e l e c o m g r a d e r e l a ya c t u a t o r c o n t a i n e dw i t h i nah e r m e t i cp a c k a g ef o rh i g hr e l i a b i l i t y S w i t c h i n gi sa c c o m p l i s h e dw i t ha5 V D C 1 0 2 5 m As i g n a l L i g h tf o l l o w s t h em i r r o rp a t h1 1 2 w h e nt h ep r i s mi sr e m o v e df r o mt h eo p t i c a lp a t h a n d p a s s e st h r o u g ha no p t i c a lp r i s m p a t h1 3 1w h e nt h ep r i s mi Sp l a c e di nt h e o p t i c a lp a t h T h e M O M Ss w i t c hi sc o n t a i n e di nam i n i a t u r e 7 8 3 x 1 0 4 x 1 7 3 m mh e r m e t i cm e t a lp a c k a g e T h ep a c k a g ei sd i r e c t l y m o u n t a b l eo nP C Ba n de q u i p p e dw i t hs t a t u sc o n t a c t st h a ta l l o wa ne l e c t r i c a l r e a d o u to ft h ea c t u a ls w i t c hs t a t e T h eo p t i c a lp o w e rr a t i n gf o rt h i sp r o d u c ti s 5 0 0 m W T h ec h a l l e n g eo ft h i ss t r u c t u r ei st h e s t r i n g e n tt o l e r a n c ei n m e c h a n i c a lp r o c e s s i n ga n dt h er e p e a t a b i l i t yo ft h em o v i n gp r i s m M o r e o v e r m yt h e s i sa l s of o c u s e so nt h ed e s i g nt h e o r ya n dt h et o l e r a n c ea n a l y s i so f a s s e m b l e dp a r t s A tl a s t w ea c c o m p l i s h e dM O M Ss w i t c hw h i c hp a s s e d B e l l c o r es t a n d a r d I nt h i se x p e r i m e n t t h ep e r f o r m a n c e so fi n s e r t i o nl O S S r e t u r nl O S S p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl O S S c r o s s t a l k r e p e a t a b i l i t y s w i t c h i n g t i m ea c h i e v e d r e s p e c t i v e l yg i v e n a s f o l l o w s 0 5 d B 5 0 d B 0 0 4 d B 5 5 d B 0 0 5 d Ba n d 2 4 m s K E Y W O R D S O p t i c a ls w i t c hL a s e rw e l d i n gH e r m e t i cp a c k a g eT o l e r a n c ea n a l y s i s i k I 鼍 目录 第一章绪论 l 1 1 研究光开关的意义 1 1 2 光开关的现状 1 1 2 1 光开关的分类与现状 1 1 2 2 光开关的应用及前景分析 3 1 3 本论文的研究目的和研究内容 4 第二章光开关简介 6 2 1 光开关的主要性能参数 6 2 2 常见的机械式光开关 7 第三章结构设计和原理 9 3 1 结构设计与考虑 9 3 1 1 光开关的光束耦合过程及其影响因素 9 3 1 2M O MS 光开关的设计考虑和光学原理 1 l 3 2 各光电元件设计与分析 l2 3 3 器件结构 17 3 4 光路模拟和误差分析 17 3 4 1 光路模拟和误差 17 3 4 2 敏感性和误差分析 19 第四章工艺设计与制造 29 4 1 工艺流程设计 29 4 2 激光焊接工艺 29 4 2 1 激光焊接原理 29 4 2 2 激光焊接技术 3l 4 3 密封封装工艺 34 第五章特性测试与认证 36 5 1 光学与电学性能的测试 36 5 1 1 光开关的驱动和状态识别 36 5 1 2 重复性测试 36 5 1 3 开关速度测试 37 5 2MO MS 光开关的产品性能 37 5 3 可靠性试验 40 第六章总结 42 参考文献 44 一 I 1 研究光开关的意义 第一章绪论 光开关是一种具有一个或多个可选择的传输端口 可对光传输线路或集成光路 中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件 光开关是光纤通信中光交换系统的基 本元件 并广泛应用于光路监控系统和光纤传感系统 信息技术是当代工业的先导 互联网是现代信息技术的核心 近几年 随着远 程通信和计算机通信的飞速发展 特别是I n t e r n e t I n t r a n e t 业务的爆炸式崛起 传统的基于电子领域的传输系统已难以满足日益增加的业务需要 密集波分复用 D W D M 技术利用单模光纤的低损耗窗口 在一根光纤中同时传输多路波长载波 并采用掺铒光纤放大器 E D F A 来取代传统的光电中继系统 不但在不增加光纤的 基础上使容量成倍增加 还摆脱了由于光电转换过程中 电子瓶颈 所带来的单根 光纤传输速率制约 使光传输由0 E 一0 转变成o 舻0 因而被认为是提高光纤通信容 量的一种有效途径 同时 随着光通信技术的飞速发展 D W D M 技术的广泛应用 光纤不仅在骨干网 上得到广泛应用 目前正在向城域网 接入网部分延伸 并逐步深入千家万户 F T T H 光开关能够在光域直接实现网络中光路自愈保护 路由选择等功能 克 服光一电一光转换的电子瓶颈 充分体现光网络大容量 高速度传输与交换的特点 它可广泛应用于光网络保护j 光信号上下话路复用 解复用 o A D M 光交叉连接器 O X C 光纤通信系统器件的测试 光纤网络的通道监控与测试等 日渐成为光网 络中信息交换的基础元件 在建设各种光网络时 无论是光网络结构 保护 故障 后恢复 还是光传输 光交换 自动指配 交叉互联 都需要使用大量的开关控制 光通信需求迫切 光开关潜在应用市场巨大 前景喜人 因而 光开关有着广阔的 市场前景 是最具发展潜力的光无源器件之一 2 1 1 2 光开关的现状 1 2 1 光开关的分类与现状 目前 在光传送网中各种不同交换原理和实现技术的光开关被广泛地提出 不 同原理和技术的光开关具有不同的特性 适用于不同的场合 依据不同的光开关原 理 光开关可分为 机械光开关 磁光开关 热光开关 电光开关和声光开关 依 据光开关的交换介质来分 光开关可分为 自由空间交换光开关和波导交换光开关 机械式光开关 机械式光开关发展已比较成熟 可分为移动光纤 移动套管 移动准直器 移动反光镜 移动棱镜和移动耦合器 传统的机械式光开关插入损耗 较低 2 d B 隔离度高 4 5 d B 不受偏振和波长的影响 其缺陷在于开关时间 较长 一般为毫秒量级 有时还存在回跳抖动和重复性较差的问题 另外其体积较 大 不易做成大型的光开关矩阵 微电子机械光开关 M E M S M E M S 是由半导体材料构成的微机械结构 它将电 机械和光集成为一块芯片 能透明地传送不同速率 不同协议的业务 M E M S 已广泛 应用在工业领域 M E M S 器件的结构很像I C 的结构 它的基本原理就是通过静电的作 用使可以活动的微镜面发生转动 从而改变输入光的传播方向 M E M S 既有机械光开 关的低损耗 低串扰 低偏振敏感性和高消光比的优点 又有波导开关的高开关速 度 小体积 易于大规模集成等优点 基于M E M S 光开关交换技术的解决方案己广泛 应用于骨干网或大型交换网 液晶光开关 液晶光开关的工作状态基于对偏振的控制 一路偏振光被反射 而另一路可以通过 典型的液晶器件将包括无源和有源两部分 无源部分 如分路 器将入射光分为两路偏振光 根据是否使用电压 有源部分或者改变入射光的偏振 态或者不加改变 由于电光效应 在液晶上施加电压将改变非常光的折射率 从而 改变非常光的偏振状态 本来平行光经过在液晶中的传输会变成垂直光 液晶的电 光系数很高 是铌酸锂的几百万倍 使液晶成为最有效的光电材料 电控液晶光开 关的交换速度可达亚微秒级 未来将可以达到纳秒级 一热光效应开关 热光技术一般用于制作小型光开关 典型的如1 1 1 X 2 2 2 等 更大的光开关可由l X 2 光开关元件在同一晶片上集成 热光开关主要有两种 基本类型 数字型光开关和干涉型光开关 干涉型光开关具有结构紧凑的优点 缺 点是对波长敏感 因此 通常需要进行温度控制 它们都是在介质材料 如玻璃或 硅基片上 先做上波导结构 然后 在波导上蒸镀金属薄膜加热器 金属薄膜通电 发热 导致其下面的波导的折射率发生变化 从而实现光的开关动作 声光开关 在这种开关中 声波用来控制光线的偏转 交换速度从5 0 0 n s 至0 l O u s 由于没有移动部分 可靠性较高 1X 2 光开关损耗低于2 5 d b L M G R 公司声 称其光纤线性声光开关没有机械部分 使用电和计算机控制声光偏转装置 能在几 个微秒内将输入信号送到输出端 转向器可以任意转向 2 波导型光开关 波导型光开关是最近发展的光开关 采用波导结构 它同样利 用电光 声光 热光 磁光效应 最一般的介质波导是平板波导结构 它由衬底 薄膜层和覆盖层组成 衬底 薄膜层以及覆盖层底折射率分别为r l s n f n c 光 在薄膜层中传播的条件 必须满足n f n s r i o 由于其体积小 可用于大规模的 O X C 中 磁光开关 磁光开关原理是利用法拉第旋光效应 通过外加磁场的改变来改变 磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用 从而达到切换光路的效果 相对于传统的机 械式光开关 它具有开关速度快 稳定性高等优势 而相对于其他的非机械式光开 关 它又具有驱动电压低 串扰小等优势 可见 从工作原理角度方面划分 光开关大致可分为机械式和非机械式两大类 机械式光开关靠光纤或光学元件移动 使光路改变 非机械式光开关则依靠电光效 应 磁光效应 声光效应以及热光效应来改变波导折射率 使光路发生改变 完成 开关功能 从目前的主流技术看 性价比高的低端口1x2 2 2 机械式光开关是用 户的最佳选择 即使N N N 2 阵列开关也可以通过l 2 2 2 开关组装而成 7 而各种非机械式光开关基于目前的技术 相对于传统的机械式光开关 其光学性能 成本等不具有优势 因而目前的光开关主流产品仍为机械式光开关 乜1 1 2 2 光开关的应用及前景分析 光开关是实现光交换的关键元器件 被广泛应用于光层的路由选择 波长选择 光交叉互连以及自愈保护等功能 主要应用包括 1 光交叉互连 o x C O X C 由光开关矩阵组成 主要实现动态光路径管理 故障保护 灵活增加新业务等 O X C 主要应用于骨干网 对不同子网的业 务进行汇聚和交换 因此 需要对不同端口的业务交换 同时 光开关的 使用使O X C 具有动态配置交换业务和支持保护倒换功能 在光层支持波长 路由的配置和动态选路 由于O X C 主要用于高速大容量密集波分复用光骨 干网上 要求光开关具有透明性 高速 低插损 低串扰大容量和无阻塞 运作的特点 2 自动保护倒换 当光纤断裂或传输发生故障时 可通过光开关改变业务的 传输路径 实现对业务的保护 通常只需l x 2 端口的光开关就可实现保护 切换 3 光网络监控 使用简单的lX N 光开关可以将多纤联系起来 当需要监视网 3 1 3 本论文的研究目的和研究内容 常见的机械式光开关有反射镜的反射型光丌关和棱镜的透射型光开关 同时这 两种光丌关具有较好的机械性能和光学性能 是研制其它任意工艺的丌关或者模块 的基础 机械式开关虽然原理简单 但是其实现工艺也各自不同 并且不同的工艺 存在不同的影响因素 如何消除和弥补这些影响因素是工艺实现的关键 本论文中的微型机械式 M o M 光开关主要采用非球面透镜 棱镜 楔形片 4 和反射镜组成光学部份 用通信级微型继电器驱动楔形片作光路切换 M O M S 光开关 采用小型化的 7 8 3 X1 0 4 X1 7 3 r a m 金属封装 此种封装可直接应用于P C B 板上 并可通过读取管脚电接触状态来获知实际开关状态 M O M S 光开关由于采用激光焊接 技术和气密性密封封装工艺 在光学 机械 电学方面都有优异性能 且使用方便 可广泛应用于多种场合 是一种极具竞争力的性能优异的光开关产品 基于其特殊的设计 具有如下优点 1 光学性能优异 具有插入损耗低 I L 5 0 d B 偏振相关 损耗低 P D L 5 5 d B 耐高功率 5 0 0 m W 并且可同时 工作于1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 通信窗口 工作波长为1 2 9 0 1 3 3 0 n m 和1 5 2 5 一 1 6 1 0 h m 等优点 2 开关速度快 4 m s 重复性好 R e p e a t a b i l i t y O 0 2 d B 并且可同时工作 于1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 h m 通信窗口 可广泛应用于光纤通信系统中 3 体积小 寿命长 1 0 0m i l l i o nc y c l e s 同时具有自锁功能 可满足光开 关市场要求产品小型化的需求 零 一 4 采用激光焊接工艺 性能十分稳定可靠 可开关l 亿次 5 气密性好 具有H e r m e t i c 封装 达到G R 一1 2 2 1 一C O R E 和G R 1 0 7 3 一C O R E 标准 要求 可满足绝大部分应用条件 6 使用方便 5 V 电源驱动 标准双排直列管脚 可直接应用在P C B 板上 可通 过读取管脚电接触状态来获知光开关状态 一 7 成本低 可连续量产 5 第二章光开关简介 2 1 光开关器件的主要性能参数 光开关在光学性能方面的特性参数主要指开关速度 可靠性 插入损耗 回波 损耗 串扰 工作波长等 心1 开关速度 指开关端口从一初始态转为通或断所需的时间 开关时间从在开关 上施加或撤去转换能量的时刻起测量 交换速度是衡量光开关性能的重要指标 交 换速度有两个重要的量级 当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个m s 时 对因故障而重新选择路由的时间已经够了 如对S D H S o N E T 来说 因故障而重新选 路时 5 0 m s 的交换时间几乎可以使上层感觉不到 当交换时间到达n s 量级时 可以 支持光互联网的分组交换 这对于实现光互联网是十分重要的 可靠性 光开关要求具有良好的稳定性和可靠性 在某些极端情况下 光开关 可能需要完成几千万次的频繁动作 有些情况 如保护开关 光开关倒换的次数 极少 此时 维持光开关的状态即保证一次切换成功是更主要的因素 损耗 当光信号通过光开关时 将伴随着能量损耗 依据功率预算设计网络时 光开关及其级联对网络性能的影响很大 损耗和干扰将影响到功率预算 光开关损 耗产生的原因主要有两个 光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身材料对光 信号产生的损耗 插入损耗 输入和输出端口之间光功率的减少 以分贝来表示 I L l O L o g P 1 P O 式 2 1 式中 P O 为进入输入端的光功率 P l 为输出端接收的光功率 回波损耗 也称为反射损耗 R e t u r nL o s s 从输入端返回的光功率与输入光 功率的比值 以分贝来表示 R L l O L o g P 1 P O 式 2 2 式中 P 0 为进入输入端的光功率 P 1 为在输入端接收到的返回光功率 隔离度 两个相隔离输出端口光功率的比值 以分贝来表示 I n m 一l O L o g P i n P i m 式 2 3 式中 n 为开关的两个隔离端口 n m P i n 是光从i 端口输入时n 端口的输出光功 率 P i m 是光从n 端口输入时在m 端口测得的光功率 6 由 以分贝 式 偏 偏振 升 运营商 3 2 但 而不适 很 影响网 关理想 2 2 本 靠 号改变 所示 a 图2 1 移动光纤式光开关 7 1 3 1 3 图2 2 移动棱镜式光开关 图2 3 移动反射镜式光开关 8 4 2 4 2 4 3 1 结构设计与考虑 第三章结构设计与原理 3 1 1 光开关的光束耦合过程及其影响因素 1 光开关的光束耦合过程 光开关通过改变光路的折射率或者通过介质界面对光束的作用 实现光路改变 因此有必要首先对光路耦合过程进行讨论 光路中光束用基模高斯光束来近似 因 此可用高斯光束的特征参数 束腰半径 共焦参数 来描述光束的耦合特征 晦1 I z l 么z z 妇 z l 图3 1 两任意夹角的光束耦合示意图 如图3 一l 示意的空间任意分布的两器件的光束耦合 器件l 2 的光束的光斑半 径和共焦参数分别为 1 Z l l Z 2 光轴为z 轴 两器件的光束耦合效率 可表示为 圹一唧 4 砰田 l 扭q qJ 式 3 1 对光开关来说 一般用准直器实现两通道的光束耦合 当两光纤准直器完全相 同时有 1 1 2 3 1 式可简化为 巧 高e 冲 一 簪2 孚2 田 矿 J 式 3 2 对不同的机械式光开关 3 2 式的表现形式还有所不同 对1x 2 反射型开关 9 其中d 表示由于棱镜运动的改变导致出射光束相对耦合准直器产生的一个径向 错位量 理想情况下出射光束光轴与耦合准直器的光轴是重合的 2 透射型丌关与反射型开关性能比较 在工艺实现方面 这两种丌关有着各自不同的特征 反射型丌关实现难度较大 因为影响耦合效率的因素是角度 从公式 3 3 中可以知道 用直径为1 8 m m 的准 直器 如入射光束的入射角变化0 0 5 反射通道的插损变化达至U 2 d B 以上 如图 3 3 所示 6 3 1 0 图3 3 插损与入社角度变化关系曲线 导致这一角度变化的关键因素包括反射镜的面形及表面垂直度 装配过程中的 一致性 机械运行部分的运动 致性等 而透射型开关耦合效率根据折射定律和公 式 3 4 可知 即使棱镜运动变化导致入射角变化0 5 透射通道插损的变化只 有0 1 d B 左右 如图3 3 所示 公式 3 4 虽然没有显含角度因子 但是径向错位 是因棱镜的机械运动误差导致输入光束与棱镜夹角的改变而引入的 其大小由棱镜 的边长 棱镜的形状和棱镜角度的改变量决定 从图3 3 可知透射型光开关的重复 性比反射型光开关好 试验结果也证明这点 另外棱镜的运动范围较大导致其驱动 装置的体积难以做小 使得丌关的体积较大 这是其缺点之一 二 3 1 2M o M S 光开关的设计考虑和光学原理 在设计光开关的初步构思时 从其可靠性 体积 光学与机械性能和成本综合 考虑 首先传统的工艺设计以人手动的方式为主 靠手动的胶粘和焊接进行组装 一 致性差 可靠性低 需要更加自动化的方式实现大规模生产 同时提高一致性和可 靠性 现有的可以利用的平台选择有激光焊接平台和玻璃管粘接平台 明显激光 焊接更加满足要求 其次如果光纤输入输出在同一侧 即利用反射实现的话 光开关较容易实现较 小的体积 更重要的是便于装配在上一级的模块上 实现集成 并且极大的缩小模 块体积 再次如果实现单边的光纤输入输出 一定会引入更多的光学部件和机械部件 可以采用固定反射镜的方式 优势在于光线可来回透过透镜两次 这样仅用一个透 镜就可达到两个透镜的功能 而反射镜的成本远较透镜低 同时确定使用一个固定 的反射镜 因而整体结构会比较简单 体积小 成本较低 易于装配 同时从进出光纤的装配方式和楔形片考虑 若所有光纤集中装在一根毛细管内 这样光束偏转量是非常小的 棱镜就可用很簿的微角楔形片 易于调节 然后从光 学和机械性能角度筛选合适的透镜和驱动器 最后需要选择合适的驱动方式 具有好的重复性 较小的温度相关性和偏振无 关性 基于以上考量 可以简单勾勒出开关的实现示意图 M O M S 光开关的光学功能主要由透镜 反射镜和棱镜 楔形片 来实现 如图 3 4 所示 当楔形片离开光路时 从光纤l 进入的光束经透镜聚焦于反射镜上 然后 经反射镜的反射和透镜的聚焦后进入光纤2 输出 当楔形片进入光路时 从光纤1 进 入的光束经透镜的聚焦 反射镜的反射和楔形片的两次偏转后进入光纤3 输出 M O M S 光开关通过一通信级微型继电器驱动楔形片进出光路来达成光学通道的切换目 的 1 3 2 旷黟 缈伊鬻 即 j 一 一 一 谚 爹 缓级馥纽绷搿躺缭锄黝 箩 图3 4M O M S 光开关的光学原理简单示意图 3 2 各光电元件设计选材与分析 透镜的选取可以与其他使用激光焊接平台产品通用 可以最大限度节省成本 现有的这种透镜称为非球面透镜 非球面透镜 A s p h e r i c a lL e n s 的镜面是 从透镜中心到周边曲率作连续变化的 非球面透镜又有单面和双面两种 当镜头使 用了非球面镜片之后 可以有效地克服单色像差 例如球差 当使用球面镜片的时 候 会不同程度的存在一定像差 这个像差称为 球差 并且提高聚焦 准直 的精度 可取代多个球面镜片件 因此 可将重量减少和小型设计结合到一起 因 此 减少了后表面反射数量 达到更高的透过率 管 掣 掣 P e r f e c tL e n s 三 I b B a L e n s A s p h e r i cL e n s L l n t to u r ec u r v h i s F t l lL d n 帅 v I o ob v i n c o m g sr yt o t h ea x 0o f k r 悖H M v w l 矗 S o h w I 图3 5 常见透镜的比较 由于设计的光开关要求有低的插入损耗和小的尺寸 选用非球面透镜作为聚焦 透镜 两面镀上增透膜 同时为了可应用于激光焊接 故使用热压工艺将非球面透 镜紧紧地套入不锈钢环内 并要求达到良好的气密密封效果 反射镜单面镀上反射膜 要求在1 2 8 0 n m 到1 6 5 0 舳工作波长范围内其反射率大于 9 9 并能在 4 0 N 8 5 温度范围内稳定工作 反射镜可以通过一个镜座作支撑 反射镜与镜座之间用胶粘结 此处胶的选择很重要 可以参考公司现有成熟的金属 一玻璃粘连工艺 可以达到足够的粘接强度和良好的可靠性要求 M O M S 光丌关使用2 5 0 1 f n 或9 0 0 p m 单模光纤 由于M O M S 光开关采用了反射镜部件 进出端口的光纤都位于器件的同一侧 从而所有光纤都能容易地集中在一起装配入 玻璃毛细管内形成光纤组件 F T A 根据光路原理 l X 2M O M S 光开关的三根光纤的 排列如图3 6 所示 图3 6 中c o m m o nc h a n n e l 对应输入端口的光纤l m i r r o r c h a n n e l 对应输出端口光纤2 w e d g ec h a n n e l 对应输出端口光纤3 1 3 图3 6 光纤组件 F T A 端面图 为了降 氐F T A 的插入损耗 I L 和提高F T A 的回波损耗 R L 须对光纤组件的 端面抛一个角度并镀上增透膜 根据计算 F T A 的回波损耗 R L 与抛光角度的关 系如图3 8 所示 根据客户应用的要求和行业标准 客户最终要求F T A 的插入损耗 I L 小于0 1 d B 回波损耗 R L 大于5 5 d B M O M S 光开关的F T A 的抛光角度8 度足 可以满足要求 图3 7 光纤组件 F T A 端面抛光方向 1 4 图3 8 抛光角度与回波损耗的关系曲线 同时为便于进行激光焊接固定 须将光纤组件 F T A 进行金属化封装 方法是 将F T A 的玻璃毛细管装入金属套管 F e r r u l e 内 并用胶填充固定 这也是利用了公 司现有的F r A 金属化封装工艺 该处用胶需要考虑对光纤的保护 尽量选用柔软的 硅胶填充 还可以起到缓冲毛细管尾部光纤应力的作用 楔形片棱镜在这里的作用是将原进入光纤2 的反射光偏移进入光纤3 中 从图 3 8 可知其偏移量大约为1 2 5 微米 两根裸光纤c o r et oc o r e 的距离 楔形片在这 里相当于微角偏转棱镜 本楔形片如图3 9 可以采用普通的B K 7 光学玻璃作为基材 两光学面需镀上增透膜 棱镜角度可根据如下简化公式计算 式 3 5 中n 为透镜 材料的折射率 图3 9 棱镜示意图 式 3 5 M O M S 光开关的切换功能是靠继电器来驱动楔形片来实现的 因而对其性能稳定 性 可靠性及体积 工作条件有严格的要求 通过筛选 最后采用了一种微型继电 器作为M O M S 光开关的驱动器 其指标如下 工作电压5 V D C 1 0 工作电流 2 5 m A 开关时问大约2 毫秒 最大4 毫秒 工作温度范围 4 0o C 到8 5 C 焊接允许温 度 2 5 0 触点使用银钯 A g P d 合金以确保有高的接触可靠性 线圈采用一体成型 技术以避免有气体从线圈中挥发出来 并且其状态可通过读出引脚电接触来识别 图3 1 0 为该继电器外观 此继电器又分为自锁型 L a t c h i n g 和非自锁型 N o n l a t c h i n g 两种类型 其区 别在于自锁型继电器应用磁保持技术在断电时能保持在最后的状态 而非自锁型继 电器在断电时总时回复到其中的某一特定状态 实际装配时可根据客户要求灵活选 择 除了继电器 驱动臂的设计更为重要 可以考虑利用激光焊接焊接一根金属臂 作为驱动臂 这样可靠性有保证 图3 一1 2 为臂示意图 那么驱动臂的选择首先要 求材料和继电器会属可焊 其次臂的大小考虑到易于焊接的同时 也要考虑到一定 重量的驱动臂的加载对继电器运动时的平衡造成的影响 最后还需要考虑到驱动臂 的前端需要粘接楔形片棱镜 因此臂前端的宽度要适合楔形片调节的大小 无论如 何 楔形片和驱动臂重量需要尽可能减小 见图3 1 1 继电器 臂组件焊接后的示意 图 季 图3 1 0 继电器图3 1 1 继电器 臂组件 M O M S 光开关采用双列直插式封装 这种封装结构是一种十分普遍的形式 见图 3 1 3 电极引线呈双列分布在管壳底部两侧 垂直向下 这种管座使用 检查 调 1 6 换方便 引线强度高 M O M S 光开关的封装结构主要由四部分组成 陶瓷板底座 管 壳 连接管脚和盖子 管壳使用密封性好 方便焊接的镀金可伐 K O V A R 铁镍钴合 金 材料 管壳为长方形腔体 壳内空间比同轴封装管壳大 陶瓷底座分为四层陶 瓷烧结 绝缘且方便线路铺设 陶瓷和K o v a r 可以和容易的烧结在一起 这也是参 考了现有的标准工艺 管脚需要镀金 利于客户的可焊性要求 封装件成型后与非 球面透镜通过激光焊接形成一个密封整体 3 3 器件最终结构 图3 1 3 选定的封装件 经过不断的光电元件筛选和设计优化 最终所得的M O M S 光开关的器件结构如图 3 1 4 所示 图3 1 4 M O M S 光开关的结构示意图 3 4 光路模拟和误差分析 3 4 1 光路模拟和误差 1 7 模拟计算出的镜子通道和楔形片通道的插入损耗数值列于表3 1 中 表3 1 镜子通道和楔形片通道的插入损耗 反射镜通道棱镜通道 I L I 5 5 u m d B 0 1 4 60 1 6 5 I L I 4 3 u m d B 0 1 7 20 1 7 7 I L 0 1 3 1 u m d B 0 2 9 40 2 7 9 1 8 由于要求M O M S 光开关工作在常用的两个通信波长范围 1 3 1 0a n d1 5 5 0 n m 内 调光时是使用1 4 3 0 n m 波长进行插入损耗I L 的优化 对于镜子通道 此时楔形片离开 光路 光纤组件F T A 的套管的X Y Z 轴位置被选择作为优化调节的参数 光纤位 置和耦合角也随之确定 当F T A 套管被固定后 楔形片进入光路 调整楔形片的X Z 轴位置来优化楔形片通道的参数 通过调节楔形片的X 方向的角度来调节光斑的X 方向位置 通过调节楔形片的Z 方向的角度来调节光斑的Y 方向位置 显而易见 在M O M S 光开关中耦合损耗的主要原因是与光纤位置有紧密关系的 角度损耗 这来源于反射光斑和接受光纤之间横向位错 尤其是在目前的设计方案 由于采用了能装四根裸光纤的方孔玻璃毛细管 当光纤被装配入毛细管内固定后 它们之间的相对位置就固定了 在调光时一旦改变输入端光纤的位置 X Y 方向 另两根光纤的位置也随着改变 因此 横向位移引起的插入损耗I L 的变化比其它因 素更明显 在元件加工和装配过程中 会出现各种误差 主要是机械加工的精度和装配精 度并结合一些经验数值 并假定其在公差范围内的波动呈正态分布 3 4 2 敏感性和误差分析 在建立M O M S 光开关的光学模型后 有必要对主要变量进行敏感度和误差分析以 及研究其补偿方法 1 反射镜倾斜 M i r r o rT il t s 由于镜子在Z 轴方向 光轴 的倾斜成对称的 故这里只讨论镜子在X Y 方向的倾 斜 图3 1 6 3 一1 9 显示了插入损耗I L 对镜子在X Y 方向的倾斜的敏感性变化 1 9 图3 1 6 镜子通道I L 对镜子X 轴倾角的关系曲线 图3 1 7 楔形片通道I L 对镜子X 轴倾角的关系曲线 t q 图3 1 9 楔形片通道I L 对镜子Y 轴倾角的关系曲线 显而易见 镜子通道I L l 一2 和楔形片通道I L l 一3 对反射镜角度是非常敏感的 然 而 这些由反射镜倾斜引起的I L 变化能很好地被补偿 补偿曲线显示补偿后镜子通 道I L l 一2 能达N o 1 5 d B 楔形片通道I L l 一3 能达N o 1 7 d B 基本上能恢复到理论计算 水平值 补偿过程如下 对于镜子通道 反射镜倾斜引起反射光斑偏移 I L l 2 有 较大变化 可通过调整F T A 的X Y 轴位置使反射光斑刚好落在光纤2 端面上 从而达 2 1 到补偿I L l 一2 的目的 同样地 对于楔形片通道 反射镜倾斜引起反射光斑偏移 在上述调整F T A 基础上 可通过调整楔形片的X Z 轴的角度使反射光斑刚好落在光 纤3 端面上 从而达到补偿I L l 一3 的目的 图3 2 0 给出了光斑对应反射镜X 方向倾斜 角度的偏移量 当反射镜倾斜0 3 度角时光斑偏移约1 2 微米 在Y 轴方向也可得到相 似结果 图3 2 0 光斑偏移量与镜子X 轴倾角的关系曲线 2 透镜偏轴 L e n sD e c e n t e r 透镜在X 与Z 方向的偏轴对I L 的影响图3 2 1 3 2 2 所示 由于透镜在X Y 方向的 光学对称性 故在Y 方向对I L 的影响与X 轴是一样的 因透镜处于F T A 与反射镜之间 故其在Z 轴方向的偏离表现为到F T A 与到反射镜的距离变化是相反的 图3 2 1 镜子通道I L 对透镜X 偏轴的关系曲线 矿 q 图3 2 2 楔形片通道I L 对透镜X 偏轴的关系曲线 图3 2 3 镜子通道I L 对透镜Z 偏轴的关系曲线 图3 2 4 楔形片通道I L 对透镜Z 偏轴的关系曲线 从图3 2 3 3 2 4 可见 镜子通道和楔形片通道的I L 对透镜在X Y 方向的偏轴是 十分敏感的 这可以认为透镜在X Y 7 向的偏移引起光斑的横向偏移 导致I L 变大 这种变化仍可通过优化调整F T A 在X Y 轴位置来进行补偿 其结果可使I L l 一2 达到 0 1 5 1 d B I L l 一3 达N o 1 6 7 d B 而透镜在Z 方向的偏移 相当于改变了光束束腰和对 光纤的入射角 导致了离焦后果 其对I L 的影响虽不如在X 方向上敏感 但这种变 化是不能通过优化调整被完全消除的 3 楔形片倾斜 W e d g eT i i t 楔形片在X Y 轴方向倾斜对I L 的影响是不对称的 这是由于是楔形片在此方向 是不对称的 其对光学通道的影响是不同的 图3 2 6 楔形片通道I L 对楔形片Y 轴倾角的关系曲线 一 乜 图3 2 7 楔形片通道I L 对楔形片Z 轴倾角的关系曲线 实际上在Z E M A X 模型中楔形片在X Y X 轴方向的倾角分别为 1 5 0 9 0 和 O 4 4 需要说明的是 从上述图3 2 5 3 2 7 可知 I L 对楔形片在Z 轴倾角比X Y 轴方向更敏感 X 轴方向处之 对Y 轴方向的倾角是最不敏感的 具体的计算结果 显示 楔形片在X 轴方向的倾角对光斑偏移影响大于Y 轴方向 如图3 2 8 3 2 9 所示 图3 2 8 光斑偏移量与楔形片X 轴倾角的关系曲线 图3 2 9 光斑偏移量与楔形片Y 轴倾角的关系曲线 从图3 2 8 3 2 9 可知 楔形片在X Y 轴倾角导致光斑在X 轴方向有大的横向偏 移 与此相反 楔形片Z 轴倾角则导致光斑在Y 轴方向有大的偏移 这是因为光束经 过楔形片后折向簿的一侧所致 为了确保M O M S 光开关满足重复性设计要求 我使用敏感度曲线去评估楔形片 的倾角范围 当光开关的透镜 反射镜和光纤组件F T A 装配固定后 由楔形片引起 的I L 变化是不能被补偿的 因此在这里的分析评估是偏于保守的 M O M S 光开关设计要求其重复性 0 0 2d B 即光开关通道来回切换时其I L 变化 要 0 0 2d B 若仅仅考虑Z 轴方向 从图3 2 5 可容易直接得出楔形片在X 轴倾角 波动范围应在 O 1 5 同理可得出在X Y 轴方向的允许值 因而可得下式 盯r 一 吒z 盯y 2 吒z 式 3 6 o 总允许倾角 由于在X Y 轴方向的影响远较Z 轴方向小 因而其可被忽略 则此光学系统的重复性将由楔形片在Z 轴方向波动的倾角来决定 要达到此重复性 设计指标 则要满足下式要求 Z t i l t 0 1 5 式 3 7 4 插入损耗估算分析 通常 插入损耗估算分析包括计算的名义损耗和各光学件的表面损耗 还包括 各系统误差所引入的附加损耗 假定透镜 反射镜 楔形片和光纤组件的表面镀上 增透膜后其在1 5 5 0 n m 波长透过率为9 9 8 相当于0 O l d B 损耗 在1 5 5 0 n m 波长其 损耗为0 0 1 5 d B 则可得表3 2 喧 表3 2 光学元件的光学面损耗 波长 n m 镀膜 d B 总计损耗I L d B 光纤组透镜棱镜反射棱镜通道反射镜通道 件镜 1 5 5 02 0 0 14 0 0 14 0 0 1O 0 1O 1 20 0 7 1 3 l O 2 0 0 1 54 0 0 1 54 0 0 1 50 0 1 50 1 70 1 l 综合蒙特卡罗 M o n t eC a r l 模拟分析结果和表3 2 光学面损耗评估 图3 3 0 3 3 3 给出了以1 4 3 0 h m 波长进行调光优化的各通道的累加合格率分布图 图3 3 1 楔形片通道I L 1 3 1 0 h m 的估算分布图 图3 3 3 楔形片通道I L 1 5 5 0 n m 的估算分布图 使用1 4 3 0 n m 波长来调光优化的目的是为了平衡1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 的插入损耗 I L 需要说明的是 以上的计算值未包括在激光焊接和密封过程中引入的损耗 故 实际数值包括平均值和标准方差与此会略有差异 一 心 4 1 工艺流程设计 第四章工艺设计与制造 在进行M O M S 光学结构设计时 就已确定应用激光焊接技术和密封封装 结合上 一章的误差分析结果和补偿作用 因而在制定M O M S 光开关的工艺流程时 基本遵循 先进行反射镜通道的调光和激光焊接 固定非球面透镜 光纤组件 F r r A 和反射 镜的相对位置 然后进行楔形片通道的调节 封盖子后用激光焊接作最后的性能优 化 图4 1 为