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(shù)字經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,光網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器等對數(shù)字信號的運(yùn)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(jìn),高速光組件的需求也呈爆發(fā)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制作工藝、常見故障及解決辦法進(jìn)行介紹。

2 組件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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(jié)構(gòu))。根據(jù)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(shí)際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。應(yīng)用于有源產(chǎn)品上的光纖陣列,絕大多數(shù)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(shè)計(jì)成斜45°的面,避免光纖研磨加工時(shí)發(fā)生干涉。

圖1 45°光纖陣列示意圖

2.1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1)光纖,在光模塊應(yīng)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(shè)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(shí)有兩點(diǎn)與槽的兩側(cè)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(shè)計(jì)的尺寸精度和表面粗糙度,其V槽的間距(pitch)尺寸必須嚴(yán)格控制在0.5um以下,因?yàn)殡S著通道的增加公差會逐漸累計(jì),最終導(dǎo)致與光芯片的接收或發(fā)射點(diǎn)形成錯位,無法耦合。基板材料需選擇與光纖的膨脹系數(shù)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(diǎn)定位,因此與光纖接觸的蓋板平面度也需嚴(yán)格控制,這關(guān)系到能否為每個通道的光纖提供接觸力。材料也應(yīng)選擇與光纖及基板的膨脹系數(shù)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(zhǔn)放置的光纖進(jìn)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(fù)雜,一般的模塊生產(chǎn)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(shè)計(jì)后委托加工。

在光纖陣列裝配前,把獲取到的零件進(jìn)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(nèi),點(diǎn)膠填充均勻后,蓋上蓋板并用工裝壓緊,再根據(jù)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(dá)到至少萬級的清潔度;點(diǎn)膠前對基板和蓋板的尺寸進(jìn)行嚴(yán)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?yàn)橐坏c(diǎn)膠固化后發(fā)現(xiàn)是尺寸問題導(dǎo)致光纖陣列的不良,將極大增加報(bào)廢成本;熱固化膠水需考慮與光纖及基板的膨脹系數(shù)匹配問題,這是防止膨脹系數(shù)相差較大導(dǎo)致應(yīng)力釋放產(chǎn)生誤差的關(guān)鍵;膠水需設(shè)置除氣泡工藝處理,存在的氣泡會導(dǎo)致點(diǎn)膠量不夠、滲透不均、粘接不穩(wěn)固、粘結(jié)力下降等不良問題;裝光纖前確認(rèn)涂層是否剝干凈,同時(shí)來回?fù)軇庸饫w,觀察是否有光纖損壞。

固化完成后,進(jìn)入光纖研磨拋光的環(huán)節(jié)。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(shí)現(xiàn)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(xì)拋光工序后,對光纖陣列的外觀、光纖端面進(jìn)行檢查。端面破損、劃痕、黑點(diǎn)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(yán)格進(jìn)行鏡檢,對微觀檢查不到的地方,還需進(jìn)行通光測試,檢驗(yàn)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(jié)束后,對光纖進(jìn)行分類標(biāo)記,對不合格端面重新研磨,如此往復(fù),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(yùn)輸、保存中損害的,特別是在兩側(cè)的光纖。為此使用一款光纖頭部懸空的柔軟保護(hù)套就尤為重要。

2)蓋板后側(cè)光纖斷裂:如圖6所示,光纖在蓋板后側(cè)的點(diǎn)膠處(尾纖方向)出現(xiàn)裂紋,其原因可能是點(diǎn)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(diǎn)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(shí)光纖陣列是否被可靠安裝在治具上,對淺劃痕、小麻點(diǎn)可重復(fù)進(jìn)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(diào)整研磨參數(shù)后再進(jìn)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(jìn)行光纖傳輸,隨著光纖線序的增多,在制作光纖陣列的時(shí)候很容易造成光纖陣列與MT插芯通道點(diǎn)位出錯,因此在沒有耦合前,必須依次進(jìn)行通光檢測。

5)耦合性差:在與光芯片耦合時(shí),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(yán)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(fā)射點(diǎn)的垂直距離即各光纖在基板V槽內(nèi)的高度差差異性大,這需要從基板加工誤差、點(diǎn)膠均勻性、膠水與基板的膨脹系數(shù)的匹配性、裝配車間及零件的清潔度上進(jìn)行一一排除。

圖7 光纖塔差角

5 結(jié)束語

本文介紹了光通訊領(lǐng)域光纖陣列這一核心耦合組件,包括其整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、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(xiàng),需特別注意膠水對基板、膠水與光纖的膨脹系數(shù)的問題,同時(shí)也提出了常見的光纖陣列在光模塊耦合時(shí)出現(xiàn)的問題及解決辦法,從而進(jìn)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。