利用電容式測位移系統量測蝶式雷射模組之銲後位移
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(4) c.
(5) 摘要 本論文提出利用一種電容式測位移量測方法，來測量構裝蝶式雷 射模組時，因雷射銲接後所產生銲後位移(Post-Weld-Shift)之光纖對準 偏移。減少銲後位移是開發低成本、高效能半導體雷射模組的重要議 題，而在減少及補償銲後位移的工作之前，須先建構一套能夠量測銲 後位移的系統。 相較於以往之 CCD 影像擷取技術量測銲後位移，其精度受像素 所限制，只能達 0.07μm 左右，本研究使用一套解析度可達 0.0254μm 之較高精度電容式位移量測系統。量測過程中，感測器感測光纖金屬 套管的銲後位移，並經由換算後求得光纖頭端之對準偏移量。經補償 後之耦光效率可有效提升至 70%以上，且量測結果可定性地量得方向 並定量地求得銲後位移大小。. I.
(6) Abstract A novel technique by employing a capacitance displacement measurement system to measure the post-weld-shift (PWS) caused by laser welding in the butterfly-type laser diode module packaging process is proposed. Reduction of the PWS is an important issue in developing low-cost and high-performance semiconductor laser module. Prior to the reduction and compensation of the PWS, a measurement system of PWS must be constructed. In comparison to the high-magnification camera with image capturing system (HMCICS) limited in resolution of 0.07μm due to its pixels, a measurement system with a higher resolution of 0.0254μm is used. During the measurement procedure, the PWS of the ferrule probed by the sensors is converted into the fiber misalignment shifts. The coupling efficiency can be improved over 70% after compensation. The result indicates that the PWS can be qualitatively measured and quantitatively computed.. II.
(7) 致謝 本論文承蒙恩師. 鄭木海博士在這兩年來的悉心指導下，才能完. 成，在這段期間受到恩師的照料，不管是求學態度或者是做人處世的 態度，皆受益良多，在此向恩師獻上最大的感謝及致意。 還要感謝口試委員光灼華、蔡穎堅、沈茂田及許益誠博士在論文 上的指導，讓本論文更加趨於完善。 再來要感謝育達學長，感謝他無私的奉獻，在百忙之中，抽出最 寶貴的時間給予筆者指導，實在感激不盡。接著感謝斯銘、旻進、昱 寬、文祺、金城學長在實驗中的諸多建議及生活的照顧。接著是碩二 的幾位同學啟中、志清、信嘉、文貴，一起在實驗室奮鬥的點點滴滴， 永遠是珍貴的記憶，還有實驗室的幾位學弟宏崑、俊德、宏儒、哲葳、 以及元村，有了你們，實驗室多了很多的歡笑及回億。 最後感謝養育我的父親、母親還有最疼我的哥哥，在求學過程中 給予我最多的支持以及關心，以及女友小花在背後的鼓勵及打氣，感 謝所有的你們，讓我能在現階段順利地完成這段璀璨的學習生涯。. III.
(8) 內容目錄 第一章 緖論 1-1 研究背景. 1. 1-2 研究目的. 4. 1-3 文獻回顧. 5. 1-4 論文架構. 5. 第二章 雷射銲接系統介紹 2-1 雷射銲接原理. 7. 2-2 雷射銲接系統. 8. 第三章 蝶式雷射模組結構與構裝流程 3-1 蝶式雷射模組結構. 16. 3-2 蝶式雷射模組構裝流程. 18. 第四章 銲後位移之量測與補償 4-1 電容式測位移系統之換算原理及系統介紹. 26. 4-1-1 電容式測位移系統之換算原理. 26. 4-1-2 電容式測位移系統介紹. 27. 4-2 位移感測器特性之量測. 35. IV.
(9) 4-3 感測器校準. 38. 4-3-1 感測器校準方式. 38. 4-3-2 感測器校準步驟. 39. 4-4 銲後位移量測原理及量測流程. 42. 4-4-1 銲後位量測原理. 42. 4-4-2 量測流程. 48. 4-5 補償方法. 49. 4-6 量測結果. 51. 4-7 量測結果準確性探討. 54. 第五章 結論與後續研究之建議 5-1 結論. 63. 5-2 後續研究建議. 63. 參考文獻. 65. V.
(10) 圖目錄 圖 1.1 目前雷射模組技術發展. 1. 圖 1.2(a) 圓柱型構裝. 2. 圖 1.2(b) 雙排線式構裝. 3. 圖 1.2(c) 蝶式構裝. 3. 圖 2.1 Nd:YAG 雷射輸出主機. 8. 圖 2.2 雷射光束傳送系統. 9. 圖 2.3 雷射銲接工作機台. 11. 圖 2.4 電腦控制主機. 14. 圖 3.1 監視器螢幕與光功率計. 20. 圖 3.2 光纖檢光器 Model 818-IS-1. 20. 圖 3.3 光功率計 Model 1835. 20. 圖 3.4 將蝶式雷射模組置入雷射銲接工作機台之中. 21. 圖 3.5 氣動夾固定住光纖. 22. 圖 3.6 馬鞍放置在光纖套管上的實際俯視圖. 23. 圖 3.7 實際雷射銲接完成的情形. 24. 圖 3.8 實驗用的雷射模組架構. 25. 圖 3.9 銲接完成後的成品. 25. 圖 4.1 感測器量測待測物之距離示意圖. 27. VI.
(11) 圖 4.2(a) 放大器前面. 29. 圖 4.2(b) 放大器後面. 29. 圖 4.3 感測器與待測物之距離與電壓輸出關係(線性量測範圍). 30. 圖 4.4 夾具及感測器組合前後之示意圖. 31. 圖 4.5(a) 支架、夾具以及感測器組合前示意圖. 31. 圖 4.5(b) 支架、夾具以及感測器組合後實體圖. 32. 圖 4.6 精密調整平台. 33. 圖 4.7 電容式測位移系統之量測架構示意圖. 34. 圖 4.8(a) 感測器量測量測套管時之示意圖. 34. 圖 4.8(b) 感測器量測量測套管時之示意圖. 35. 圖 4.9 感測器由左到右量測與套管表面距離變化之示意圖. 36. 圖 4.10 感測器由套管的左側移動到右側所得感測距離變化. 36. 圖 4.11 將圖 4.10 各預設距離量測之最低點重合. 37. 圖 4.12 兩感測器之相對位置示意圖. 38. 圖 4.13 移動 Y 軸時，X 及 Y 方向感測器位移量測情形. 40. 圖 4.14 移動 X 軸時，X 及 Y 方向感測器位移量測情形. 41. 圖 4.15 銲前感測器於預設位置量測與套管距離示意圖. 43. 圖 4.16 銲前感測器在金屬套管最前端量測其與套管距離. 43. 圖 4.17 銲後感測器在預設量測位置量測與金屬套管距離. 44. VII.
(12) 圖 4.18 銲後感測器量測與套管最後端之距離. 45. 圖 4.19 補償後感測器在預設量測位置量測與套管距離. 47. 圖 4.20 補償後感測器量測與套管最後端之距離. 48. 圖 4.21 金屬之應變-應力曲線示意圖. 50. 圖 4.22 補償前後的套管變化示意圖. 51. 圖 4.23 四組模組之耦光功率圖比較. 52. 圖 4.24 四組模組之耦光功率圖比較. 53. 圖 4.25 模組一之光纖 X、Y 方向位移與雷射之耦光功率圖. 56. 圖 4.26 模組一之光纖 X、Y 方向位移與耦光功率所構成高斯曲面 57 圖 4.27 模組二之光纖 X、Y 方向位移與雷射之耦光功率圖. 58. 圖 4.28 模組二之光纖 X、Y 方向位移與耦光功率所構成高斯曲面 58 圖 4.29 模組三之光纖 X、Y 方向位移與雷射之耦光功率圖. 59. 圖 4.30 模組三之光纖 X、Y 方向位移與耦光功率所構成高斯曲面 60 圖 4.31 模組四之光纖 X、Y 方向位移與雷射之耦光功率圖. 61. 圖 4.32 模組四之光纖 X、Y 方向位移與耦光功率所構成高斯曲面 61 圖 4.33 銲後及補償後之理論功率值與量得之耦光功率比較. VIII. 62.
(13) 表目錄 表 2.1 LW10 型 Nd:YAG 雷射輸出主機規格. 10. 表2.2 Nd:YAG雷射輸出主機的預設能量表. 11. 表 4.1 銲前及銲後套管之運動限制. 44. 表 4.2 模組一之銲接前後與補償後結果. 51. 表 4.3 模組二之銲接前後與補償後結果. 42. 表 4.4 模組三之銲接前後與補償後結果. 52. 表 4.5 模組四之銲接前後與補償後結果. 52. 表 4.6 四個模組之銲接前後及補償後的結果整理. 53. IX.
(14) 第一章 緒論 1-1 研究背景 近年來受到資訊化、網路化潮流影響，無論是企業、學校甚至個人 對於網路頻寬需求量皆與日俱增，因此發展低成本高性能的半導體雷 射模組之光源，並將其應用於光通訊的市場已成為必然的趨勢。目前 半導體雷射模組在技術上以 2.5Gb/s 較為成熟(參考圖 1.1)，10Gb/s 的 半導體雷射模組則是應用於長距離的骨幹網路，以及近年在光通訊市 場看好的都會網路，而 40Gb/s 的半導體雷射模組目前規格已經完成制 訂，但由於製造成本較高，尚未被廣泛使用。至於 100~160Gb/s 以上 的光通訊系統仍在研發中。[1]. 100 -160 Gb/s. 40Gb/s in prototype stage but not yet cost effective (Butterfly). 40 Gb/s. 10 Gb/s. 2.5 Gb/s. Research Stage. 10Gb/s currently for long haul and metro (Butterfly). 2.5Gb/s is commonplace (To -Can、 、 DIP 、 Butterfly). 圖 1.1 目前雷射模組技術發展[1]. 1.
(15) 常見的半導體雷射模組構裝型式，主要可分為下列三種類型: 圓 柱型構裝(cylindrical package)、雙排線式構裝(dual-in line package)及 蝶式構裝(butterfly package) [2]。 圓柱型構裝其特色為體積小、構造簡單、製程技術成熟，價格也 較便宜，如圖 1.2(a)所示。. 圖 1.2(a) 圓柱型構裝. 雙排線式的構裝特色為其體積較大，因此可容納致冷器與溫度迴 授系統，使雷射有穩定的輸出功率，如圖 1.2(b)所示. 2.
(16) 圖 1.2(b) 雙排線式構裝. 蝶式構裝的優勢是其傳輸速度較前兩者快，原因為蝶式構裝的接 腳設計較短使得電感較小，故可應用於較高速的雷射模組中[3]，其傳 輸速度可從 2.5Gb/s 到 40Gb/s，如圖 1.2(c)所示。. 圖 1.2(c) 蝶式構裝. 蝶式雷射模組通常被應用於長距離的骨幹網路上，而在長距離且 高速率的傳輸系統上，需考慮雷射由光纖或其他元件組合的反射問 3.
(17) 題，因此在蝶式雷射模組中加上光隔離器來減少反射以解決此問題， 以提高模組性能。 隨著網路頻寬需求增加，研發低成本之高速半導體雷射模組將其 應用於光通訊市場已成為必然的趨勢，特別是在都會網路的光收發模 組應用上。其中，若省略蝶式雷射模組中的光隔離器，以光纖透鏡取 代之，將可減少主動耦光對準的成本以及光隔離器與透鏡的成本，使 得構裝成本大幅降低，更有利於市場的競爭力。. 1-2 研究目的 一般光通訊中雷射模組的構裝皆使用雷射銲接來固定及接合元 件，相較於其他構裝方式，其具有構裝速度快、重複性高與可靠度高 等幾項優點[4]；但在雷射銲接的過程中，仍有如下之現象：銲材料產 生瞬間的熔融及冷卻，固化收縮的過程中，導致熔池內部及附近有大 量的殘留應力產生，並且使原來對位準確的光纖改變了位置，造成耦 光功率的損失，而光纖在銲接前後所產生的位移，稱為銲後位移。雷 射模組的耦光效率，將隨著銲後位移的增加而下降；因此為了提高模 組的耦光效率，必須研究如何降低銲後位移。在此之前，首要工作便 是建立一套能夠量測銲後位移的系統，以便量測並量化銲後位移值以 降低之，進而提升模組的耦光效率。. 4.
(18) 1-3 文獻回顧 目前檢測銲後位移的方式包括施性坤(2001)提出的金相分析法 [5] ， 其 方 法 為 透 過 金 相 分 析 法 ， 量 測 銲 點 之 銲 後 位 移 ； 黃 韋 凱 (2003)CCD 影像量測法[6]，乃透過 CCD 拍攝銲前銲後水平方向光纖頭 端之照片，再利用 Labview 軟體以及影像判定程式，判定出照片裡之 光纖頭端銲前及銲後於水平方向之偏移情形，接著再利用模擬方式求 得光纖頭端 Y 方向之偏移量，因此前述之兩種量測銲後位移的方法， 皆無法直接量測到光纖頭端之垂直方向偏移情形；宋欣錦(2003)則改良 CCD 影像量測法[7]，在光纖頭端下方加上與水平夾 45 度角的微小鏡 面後，已可於銲前與銲後利用 CCD 同時拍攝光纖頭端之水平方向偏移 量以及鏡面中之垂直方向偏移量，不過影像量測法受限於其所使用 CCD 的解析度只能達到 0.07μm，加上使用影像邊界判定程式的判定， 僅能初步判別出光纖頭端偏移方向，以及得到解析度較差之偏移量。 本研究建構了一套量測解析度可達 0.025μm 之電容式測位移系統，有 效提高了銲後位移量測的精準度。. 1-4 論文架構 本論文第一章為緒論，說明各種不同的半導體雷射構裝型式及使用 電容式測位移系統量測銲後位移的動機。第二章中，介紹蝶式雷射模. 5.
(19) 組的銲接系統與銲接原理。第三章中，敘述蝶式雷射模組的結構與構 裝步驟。第四章為電容式測位移系統的介紹、位移感測器之特性量測、 感測器之校正，以及銲後位移量測的方法及流程；接著是介紹銲後位 位移的補償方法，最後為量測與補償結果及量測結果是否符合理想值 趨勢之探討。第五章則包含了結論與未來工作。. 6.
(20) 第二章 雷射銲接系統介紹 2-1 雷射銲接原理 雷射銲接的原理為金屬工件吸收雷射的光能而轉換成熱能，吸收 熱能後的金屬變成熔融狀態，而從熔融狀態冷凝到固態的過程中完成 金屬工件間的結合。使用雷射銲接有以下幾個優點[8]: (1) 雷射可以把能量集中在非常小的區域內，以致銲接完成後， 不會影響到鄰近的區域。 (2) 雷射的作用時間很短，除了極小的銲接區外，不會改變工件 的機械、熱、電、磁等性質。 (3) 不需銲條、助熔劑、或任何間接物質，金屬吸收雷射的光能 轉成熱能後分子間重新排列，與其他接合方式比較起來有較 強的結合能力。 (4) 可以在空氣中、不同氣體、電場、磁場中進行銲接。 (5) 可利用電腦控制雷射光的參數，容易自動化，重覆性高。. 其中，在半導體雷射模組構裝過程中，關鍵部分包含雷射與光纖 頭端彼此之間相對位置的固定；然而光纖頭端與雷射間的對準，在構 裝過程中即使僅有數個微米(μm) 的偏移，仍將造成 50% 上耦光效率 的損失[9]-[11]，因此在接合方法的選擇中，雷射銲接為目前接合方式 7.
(21) 中較好的方法。. 2-2 雷射銲接系統 本實驗室使用美國 Newport 公司所生產的 LW4200 型雷射銲接 系統，此系統專為構裝蝶式雷射模組所設計，整個系統的架構可分為 Nd:YAG 雷射輸出主機、雷射銲接工作機台與電腦控制主機。. 圖 2.1 Nd:YAG 雷射輸出主機[12]. 如圖 2.1 所示 Nd:YAG 雷射輸出主機的功能是提供材料在銲接時 所需要的能量，雷射經共振腔發射出來後，經由雷射光束傳送系統 8.
(22) (Fiber-optic Beam Delivery System) 透過 50％、100％的兩個分光鏡將 雷射光能量均分，再由光纖將雷射光送至雷射光束；最後雷射光束將 雷射光打在金屬工件上進行銲接，圖 2.2 為雷射光束傳送系統之示意 圖。表 2.1 為 LW10 型 Nd:YAG 雷射輸出主機規格，而此 Nd:YAG 雷 射輸出主機內部程式共有 6 種雷射能量的預設設定，如表 2.2 所示。. 圖 2.2 雷射光束傳送系統[12]. 9.
(23) 表 2.1 LW10 型 Nd:YAG 雷射輸出主機規格 Items. LW10. Rated Output(max). 10W. Peak Output. 3KW. Output Energy (max). 15J/P. Pulse Width. 0.3 to 10.0 msec. Wavelength. 1.064μm. Beam Diameter. 6.35mm. Number of Branches. Triple. Aiming Beam. Laser diode wavelength 650nm. Main Power. 230V AC,50/60Hz, 1.5kVA. Voltage Settings. 200-410V DC in 1V steps. Beam balance. < ±3％. 10.
(24) 表2.2 Nd:YAG雷射輸出主機的預設能量表 Schedules. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Lamping Voltage (V). 320. 300. 280. 260. 240. 220. Pulse Duration (ms). 3. 3. 3. 3. 3. 3. Energy (Joule). 6.4. 5.2. 4.1. 3.3. 2.4. 1.0. 雷射銲接工作機台的功能為進行耦光對準、提供驅動電流、並且 內建雷射光束以及 CCD 以方便進行雷射銲接，如圖 2.3 所示，其架 構如下。. 圖 2.3 雷射銲接工作機台[12]. 11.
(25) A. 雷射光束 : 雷射輸出主機透過光纖將能量送到雷射光束，再由雷射光束 發出雷射進行銲接。雷射光束的前端各有一小型 CCD，經由 CCD 可以在螢幕上觀察到微小的紅光對準雷射，透過紅光定位出雷射 光束至元件的最佳銲接距離並找到打銲位置。 B. 耦光平台 : 透過電腦操控耦光平台可進行耦光對準及構裝流程，其精 確度可達 50nm，而 X、Z、θ 移動的範圍分別為 80mm、80mm、 360°。 C. 氣動夾 : 在構裝雷射模組的過程中，透過氣動夾來夾持光纖金屬套 管(Ferrule)，並且透過電腦操控可使氣動夾在 Y 方向移動。 D. 防震光學桌 : 在構裝雷射模組時可減少因外界些微的擾動而對雷射模組 產生不良的影響，避免構裝良率下降。 E. 緊急停止按鈕 : 若操作過程中有發生錯誤，可以立刻按下緊急停止鈕，暫 停所有工作機台的動作。. 12.
(26) F. 光纖 : 透過光纖，將 Nd:YAG 雷射輸出主機的能量輸送至雷射發 射光束。. 雷射銲接工作機台的各種動作之執行，尚須由電腦控制主機來整 合，電腦控制主機主要是將軟體上的操作命令訊息傳送到雷射銲接工 作機台，控制主機還有內建雷射的驅動電流等量測系統，其架構如圖 2.4 所示。. 13.
(27) Settings of Pins G. Motion Controller and Driver F. Model 6000 Laser Diode Controller E. Integrated Automation Controller D. Computer PCS System Controller. B. Motion Controller (Device) C. Motion Controller (Weld) A. UPS (Uninterruptible power supply) 圖 2.4 電腦控制主機[12]. A. 不斷電系統 : 不斷電系統可以避免主機中的主機板與各種形式的介面 卡，受到突波或斷電的影響而損壞。 B. 動作控制器 : 動作控制器內部主要是一些主機板與介面卡，負責將軟體 14.
(28) 的操作訊號送到硬體介面然後控制整個機器的運作，而動作控 制器主要是控制耦光平台的運作。 C. 動作控制器 : 動作控制器其功能為控制雷射光束在各種方向上的運作。 D. 電腦主機 : 此為一般電腦主機，作業系統為 NT 5.0，內建 PCS (Process Control System)，雷射銲接機台運作指令的執行都是透過 PCS 這套軟體下達。 E. 整合控制器 : 類似整合調換的功能，按下開關後，將會整合雷射銲接工 作機台與電腦控制主機之間的連結與運作。 F. 雷射驅動與控制器 : 提供雷射驅動電流以及量測雷射模組的電壓、電流、功率 等特性。 G. 動作及驅動控制器: 其功能為控制影像拍攝器之動作及驅動。. 15.
(29) 第三章 蝶式雷射模組結構與構裝步驟. 3-1 蝶式雷射模組結構 蝶式雷射模組的內部結構如下: (1)雷射： 雷射依通訊應用的需求可以做不同的調整，如在長距離光通訊 應用中，常使用性能較好但價格較貴的 DFB (Distributed Feed-Back) 雷射，DFB 雷射有良好的模態輸出，因其內部架構有設計光柵， 使得模態為單模輸出，適合應用於長距離的傳輸。而 FP(Fabry-Perot) 雷射其製作成本較低，但輸出為多模，長距離傳輸時會有色散損 失，故較適合應用於短距離之傳輸。本研究中所使用之雷射為 FP 半導體雷射，其波長為 1300nm。 (3)光纖： 電訊號轉換成光訊號經由雷射輸出之後，透過光纖來傳遞光 訊號，而光纖與雷射之間的耦光對準，則為構裝蝶式雷射模組過 程中最關鍵的部分。實驗中使用的光纖為 Corning 步階折射率單模 平端光纖，其核心直徑、光點直徑、折射率差分別是 8μm、5μm 與 0.3%。 (4)光纖金屬套管：. 16.
(30) 光纖與雷射之間的固定結合通常都是使用雷射銲接，要得到 較好的銲接效果，銲接物使用相同之材料較佳；而光纖本身為非 金屬材料，與金屬材料之間不能直接使用雷射銲接做接合。因此 設計一金屬材料包覆於光纖外部(稱之為光纖金屬套管)，其為圓柱 型，且其具溝槽可放置光纖，光纖與光纖金屬套管間再以錫銲固 定；如此一來，光纖便可透過光纖金屬套管在其他金屬材料間， 以雷射銲接接合。 (5)馬鞍： 馬鞍的目的在於，光纖與雷射之間的耦光對準達到最高耦光 效率後，將光纖金屬套管之最佳位置固定於基板之上。 (6)光隔離器： 光在光纖中傳輸時，有時會因光纖的彎曲而造成光訊號逆向 傳輸的現象，因此會干擾並降低光功率；而光隔離器的目的就是 在隔離這些逆向傳輸的光訊號，避免對光功率的輸出造成不良的 影響，使得傳輸距離變短。一般來說，光隔離器比較常使用在遠 距離的光通訊元件中，而傳輸距離較短的雷射模組則可視情況而 不放置光隔離器以節省雷射模組的成本。. (7)透鏡： DFB 雷射與 FP 雷射的發光場型都屬於發散的形式，因此需 17.
(31) 要透鏡來聚焦，使得耦光效率提高。 (8)熱敏電阻： 利用外界不同的溫度造成熱敏電阻的阻抗改變，當施加偏壓 時會產生不同電流，藉由迴授機制來達到雷射模組溫度上的控制。 (9)致冷器： 利用電子傳熱效應將雷射所產生的熱能帶走，使得雷射能操 作在適當的工作溫度下，保持穩定的功率輸出。. 3-2 蝶式雷射模組構裝步驟 構裝步驟如下: (1)用錫銲將光纖固定於光纖金屬套管內，而在固定的過程中，要避 免錫污染了光纖金屬套管表面。. (2)開啟壓縮機，將空氣灌入防震光學桌，並注意壓縮機洩油之狀況， 並開啟風扇避免壓縮機過熱。. (3)開啟監視器螢幕與光功率計. 18.
(32) Monitor. 圖 3.1 監視器螢幕與光功率計[12]. 光功率計的功能，是在量測不同波長下所傳送的光功率，配合光 纖檢光器，可以量測到雷射模組透過光纖輸送出來的耦光功率。由於 整個雷射模組相當的小，且位於封閉式的雷射銲接主機內，因此需要 透過 CCD 與監視器操作整個構裝流程。. 19.
(33) 圖 3.2 光纖檢光器 Model 818-IS-1 (可量測的波長範圍為 400nm 到 1650nm). 圖 3.3 光功率計 Model 1835 (可量測功率範圍為 2fW 至 2W，波長範圍 190 至 1800nm). 20.
(34) (4)開啟電腦控制主機與雷射輸出主機並進入軟體控制端，並將蝶式 雷射模組置入雷射銲接工作機台之中。. (5)將光纖置入雷射銲接工作機台之中，並且用氣動夾將之固定。. Laser Diode. 圖 3.4 將蝶式雷射模組置入雷射銲接工作機台之中[12]. 21.
(35) Ferrule. Fiber. 圖 3.5 氣動夾固定住光纖[12]. (8)利用耦光平台調整雷射模組與光纖的相對位置，先進行初步的粗 調耦光，然後再進行細微耦光，耦光的動作執行是由 PCS 這套軟 體所執行。. (9)耦光完成之後，用光學鑷子將馬鞍放置在光纖金屬套管上。. (10)放置完馬鞍之後，必須再進行一次耦光動作，其原因為放置馬鞍 時，光纖與雷射之間的最佳耦光位置會受到影響而產生位移，因 此必須再進行一次細微耦光。. 22.
(36) Laser Diode. Saddle Shaped Clip. Fiber Ferrule. 圖 3.6 馬鞍放置在光纖套管上的實際俯視圖[12]. (11)馬鞍放置完成後則是進行雷射銲接。銲接時為左右對稱打銲，前 三組(共六點)主要是用以固定馬鞍與基板；完成馬鞍與基板之固 定後，接著是銲接光纖金屬套管與馬鞍，馬鞍與光纖金屬套管間 之銲點有二組(共四點)，而耦光功率的損失在此步驟損失最多。. 23.
(37) Weld spot 圖 3.7 實際雷射銲接完成的情形[12] (數字代表銲接的順序，1 至 3 是銲接馬鞍與基板，4-5 則是銲接馬鞍 與光纖金屬套管). (12)雷射銲接完成之後，則是量測雷射模組的光功率等特性，然後完 成整個蝶式雷射模組的製作。 以上是整個蝶式雷射模組的構裝流程，但在實際的實驗上，必須 使用特殊的設計以節省材料費用，由於構裝蝶式模組的關鍵步驟，是 在於雷射與光纖之間的耦光對準與固定，因此在此使用可替換式的基 板，節省一些材料上不必要的浪費(如圖 3.8)。. 24.
(38) 圖 3.8 實驗用的雷射模組架構[12]. 圖 3.9 銲接完成後的成品[12]. 25.
(39) 第四章 銲後位移之量測與補償 4-1 電容式測位移系統之換算原理及系統介紹 本研究中量測銲後位移所使用的儀器–電容式測位移系統，是藉 由感測器感應其與待測物間的電容值，再透過系統中之放大器將此電 容值放大並換算為電壓輸出，以顯示感測器與待測物之間的距離，而 待測物移動前與移動後的距離變化即為待測物之位移。. 4-1-1 電容式測位移系統之換算原理 如圖 4.1 所示，首先感測器透過空氣當做媒介，感測到其與待測 物之間之電容值 C，而電容又可寫成式(4-1) :. C=ε. A D. (4-1). 其中 ε : 空氣之介電係數(註) A : 感測器之感應區 D : 感測器與待測物之距離. 接著感測器與待測物之特性阻抗 ZC，可寫成式(4-2) :. Zc =. 1 D = ωC εωA. (4-2). 其中 ω :電容式測位移系統中放大器之工作頻率 由式(4-2) 可以知道 ZC 與 D 成正比，而透過電容式測位移系統 26.
(40) 中的放大器，會產生線性正比於特性阻抗 ZC 的直流電壓，並且依著 直流電壓產生一正比於待測物震動之幅度的交流電壓；最後由電壓數 值之總合(直流加交流電壓)，可以乘上固定之線性比率(m) 得到待測 物與感測物之距離 (D = m V)。 (註:實驗中之溫度控制在 25∘C，而相對溼度控制在 38%，有效控制 ε 之變化). 圖 4.1 感測器量測待測物之距離示意圖. 4-1-2 電容式測位移系統介紹 實驗中使用的電容式測位移系統，主要包括位移感測器、訊號傳 導線、接地線、放大器及三用電錶。 A. 位移感測器 為用來感測其與待測物之間的距離，它的有效感測距離為 0~25.4μm，實驗中為了因應蝶式雷射模組構裝機台的空間限制， 將其設計成外型為一長一短之感測器，分別用來量測光纖金屬套 27.
(41) 管之垂直以及水平方向的位移變化情形。其中，兩感測器欲同時 量測待測物時，不宜一同固定於導體上，否則量測時將會有干涉 的情形產生，導致量測出現錯誤。 B. 訊號傳遞線: 為感測器與放大器連接的媒介，用來感測器量測所得之訊號 傳遞至放大器。 C. 接地線: 當使用感測器量測待測物時，需將待測物接地，實驗中利用 接地線將放大器之接地訊號與待測物連接，以形成迴路使其間距產生 電容。 D. 放大器: 放大器將感測器所感應之訊號放大，並將之轉換為電壓訊 號。放大器之顯示器為帶狀顯示器(bargraph display)：顯示器上共 有 10 格 LED 顯示帶，顯示感測器與待測物之距離(每一格代表 1V，亦即 2.54μm)，當感測器與待測物之距離為 0 時，LED 顯示 帶為全暗；反之，當感測器與待測物距離等於或大於 25.4μm，則 LED 顯示帶為全亮。其中，LED 亮燈數只能簡略告知使用者感測 器與待測物之距離，無法由其得到精確的距離，因此須讀取由放 大器後方的電壓輸出，以精確地判定感測器與待測物的距離。圖. 28.
(42) 4.2(a)、4.2(b) 為放大器。. 圖 4.2(a) 放大器前面. 圖 4.2(b) 放大器後面 E. 三用電錶 29.
(43) 三用電錶用以讀取放大器的電壓輸出。當電壓值介於 0~10 伏特之間時，位移感測器所感應之距離與電壓輸出成正比關係。 感測器與待測物距離與電壓輸出關係如圖 4.3 所示。. 10. 電 壓 輸 出 (Volt). 8 6 4 2 0 0. 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9. 1. 感測距離(mil = 25.4μm). 圖 4.3 感測器與待測物之距離與電壓輸出關係(線性量測範圍). 另外實驗中，量測銲後位移使用的其他機構包括夾具、支架以及 校正平台。 F. 夾具: 夾具用以固定感測器於空間某一有效位置，使其在實驗中得 以量測套管，於銲接前後的位移狀況。本實驗中設計的夾具夾持 一組分別量測水平與垂直方向之感測器，以同時量測套管在兩方 向，經銲接及補償後之位移。圖 4.4 為夾具及感測器組合前及組 合後之示意圖。. 30.
(44) 圖 4.4 夾具及感測器組合前後之示意圖. G. 支架: 支架之功能，是為了將位移感測器由銲接平台外部延伸至內 部，以克服校正平台因空間受限，無法直接架設於銲接平台的情 況。圖 4.5(a)、圖 4.5(b) 分別為支架夾具以及感測器組合前後之 示意圖及實體圖。. 圖 4.5(a) 支架、夾具以及感測器組合前示意圖 31.
(45) 圖 4.5(b) 支架、夾具以及感測器組合後實體圖. H. 精密調整平台: 校正平台由三軸平移精度 0.5μm 與三軸旋轉精度為 0.05∘之 平台結合而成，它可校正位移感測器在空間中的位置，使感測器 可以移動至實驗中設定之有效量測位置。另外，由於現有旋轉平 台之旋轉分度精度不足，因此實驗中在旋轉平台上再架設一組單 軸旋轉平台，方便實驗中做位移感測器之位置校正，如圖 4.6 所 示。. 32.
(46) 圖 4.6 精密調整平台. 圖 4.7 為電容式測位移系統之量測架構示意圖，而圖 4.8(a)及 4.8(b)為兩感測器同時量測量測套管時之示意圖。. 33.
(47) 圖 4.7 電容式測位移系統之量測架構示意圖. 圖 4.8(a) 感測器量測量測套管時之示意圖. 34.
(48) 圖 4.8(b) 感測器量測量測套管時之示意圖. 4-2 位移感測器特性之量測 在量測銲後位移之前，首要工作即掌握位移感測器量測特性。研 究方法如下：使位移感測器在套管間隔一段距離，將感測器由套管左 側移動到其右側，每移動 20μm 感測器量測所得之距離，方法如圖 4.7 所示，當位移感測器與套管在不同間距，感測器與套管表面距離之變 化情形(間隔為 20μm)。. 35.
(49) 位移感測器 Z X Y 感測器與金屬套管距離. 金屬套管. 圖 4.9 感測器由左到右量測與套管表面距離變化之示意圖. 由圖 4.10 可知，在感測器之線性感測區內，較長的預設感測距 離，可量測到套管表面之範圍較窄；反之，則較寬。 各預設位移感測器與套管距離:. 23.06μm 15.32μm. 20.59μm 13.00μm. 感測器至金屬套管距離(μm). 30. -150. -100. 18.03μm. 30. 25. 25. 20. 20. 15. 15. 10. 10. 5. 5. 0. 0. -50. 0. 50. 100. 150. 感測器由金屬套管左側到右側移動之距離 (μm) 圖 4.10 感測器由套管的左側移動到右側所得感測距離變化. 將圖 4.10 各預設量測距離曲線最低點重合，可以得到圖 4.11； 36.
(50) 由圖 4.11 可知，只要感測器與套管距離在有效量測距離之內，感測 器量測所得數值，與套管表面的距離變化幾乎相同；亦即不同的預設 量測距離的曲線將近乎重合。實驗中亦發現，感測器在套管中心(亦 即兩者最相近時)左右各 10μm 移動時，所測得之距離幾乎不變；因 此，在即將進行的銲後位移量測實驗中，只要感測器在有效量測距離 內(左右橫移在套管中心不超過 10μm)，量測所得之距離幾乎不變。. 23.06μm. 20.59μm. 18.03μm. 15.32μm. 13.00μm. 40. 感測器至金屬套管距離(μm). 35 30 25 20 15 10 5 0 -150. -100. -50. 0. 50. 100. 感測器由金屬套管左側到右側移動之距離(μm) 圖 4.11 將圖 4.10 各預設距離量測之最低點重合. 37. 150.
(51) 4-3 感測器校準 4-3-1 感測器校準方式 在做完單一感測器量測套管表面情形後，所使用訂做的夾具，將 兩支分別量測 X(水平)方向及 Y(垂直)方向位移的感測器，夾持在其 中，使兩支感測器可以同時量測套管在空間的中位移方向以及大小； 且使兩感測器在量測時，皆在可量測的有效線性量測範圍內，其相對 位置如圖 4.12 所示。. 圖 4.12 兩感測器之相對位置示意圖. 理論上兩支感測器固定在理想的位置上時，可以量測到精確的數 據，不過礙於夾具之加工精度以及誤差難以達成；因此，感測器須透 過校準來達到數據獲得時的精確性。. 38.
(52) 4-3-2 感測器校準步驟 首先將兩支感測器夾持於夾具內，接著夾具鎖在支架上，然後把 支架後端的部份鎖在精密調整平台上；再來透過調整精密調整平台， 將夾具連同感測器伸入銲接機台中，量測氣動夾上所夾持之套管。當 兩感測器量測與套管表面之距離，皆可同時在有效線性量測範圍之內 時，則感測器的相對位置即初步調整完成；接下來，仍需再透過精密 調整平台，進行兩支感測器與套管表面平行度之調整。當兩感測器其 中之一量測與套管表面距離，所顯示之輸出電壓在一小範圍內的跳動 時，代表其中一感測器與套管表面之平行度不夠；此時需透過精密調 整平台調整感測器與套管間的平行度，直到兩支感測器量測距離，在 長時間內對應之電壓輸出不再有跳動情形產生時，則兩支感測器與套 管間之平行度方達到要求；而感測器與套管間距離的電壓輸出，則可 透過正比關係換算出其距離。 接著，需校準感測器與套管間之位移變化量，是否如電輸出變化 量所換算。首先讓兩感測器量測套管表面時，皆可在有效線性量測範 圍內，且輸出電壓皆穩定不跳動後，將 Newport 機台移動套管每 1μm，記錄兩感測器分別量測到套管的位移變化。受限於氣動夾(移動 精度較高)所夾持之套管，僅能做 Y 方向(垂直)移動，因此接著使用 精密調整平台，移動兩感測器做 X 方向左右移動，再記錄兩感測器. 39.
(53) 分別量測到套管之位移變化。圖 4.13 及圖 4.14 分別為：使用 Newport 機台移動 Y 方向之套管，以及使用精密調整平台移動兩感測器做 X 方向移動，各為 1μm 後，記錄兩感測器分別量測到套管之位移變化。 35. Y軸方向數值變化 X軸方向數值變化. 30. Y軸方向理想數值變化. 感測值 (μm). 25. X軸方向理想數值變化. 20 15. Z. 10. X 5. Y 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 移動量(μm). 圖 4.13 移動 Y 軸時，X 及 Y 方向感測器位移量測情形. 40.
(54) 30. X軸方向數值變化 Y軸方向數值變化. 25. X軸方向理想數值變化 Y軸方向理想數值變化. 感測值(μm). 20. 15. 10. Z. 5. Y. X. 0 0. 5. 10. 15. 移動量(μm). 圖 4.14 移動 X 軸時，X 及 Y 方向感測器位移量測情形. 理論上套管只做 Y 方向移動時，X 方向感測器的位移感測值，在 量測套管中心附近，不應該有大的變化；即 X 方向所感測之位移值 原則上應為零。但由圖 4.12 中可知，Y 方向感測器接近套管時，X 方向之感測值卻有接近線性地逐步增加，Y 方向移動-1μm (套管向 上)，X 方向感測值即減少 0.1μm；反之，則增加 0.1μm。 經過多次量測實驗後，數據皆如圖 4.13 一樣的趨勢，研判 X 方 向感測器，以及 Y 方向感測器之感測面之間，未達到互相垂直之架 設；但由於感測面的相互垂直與否，受到夾具加工精度之影響，難以 調整，因此擬於數據中作校準。另外，圖 4.14 中，當使用精密調整 平台移動兩感測器做 X 方向移動時，Y 方向的數值變化理想情況應 41.
(55) 為零，而實驗中感測值也接近這樣的趨勢，因此當移動 X 方向量測 位移變化時，則無須再作數據之校準。. 4-4 銲後位移量測原理及量測流程 4-4-1 銲後位量測原理 一開始定義兩感測器，在預設量測位置量測套管所對應之量測點 為 S0(0,0,0)，如圖 4.15 所示為銲接前，兩感測器量測其於預設量測位 置，量測與套管之間的距離的示意圖；接著調整精密調整平台往 Z 方向移動 Δz F ，使兩感測器量測，其分別與套管最前端的距離。兩感 0. 測器在預設量測位置，分別量測到與套管距離所得的距離差，分別為 X 方向的 Δx F 與 Y 方向的 Δy F 。(如圖 4.16 中所示，即為銲接前，移 0. 0. 動感測器量測套管最前端的示意圖)。此時，訂定套管最前方的座標 為 F0 (Δx F , Δy F , Δz F ) ，因此銲接前套管之直線方程式可表示如下： 0. 0. 0. Δx F0 Δy F0 Δz F0 = = a0 b0 c0. (4-3). K. 其中， N 0 = (a 0 , b 0 , c 0 ) 為銲接前套管的方向向量 由(4-3)式可得: a 0 : b 0 : c 0 = Δx F0 : Δy F0 : Δz F0. 因此可以推得光纖頭端的座標 T0 為:. 42. (4-4).
(56) T0 = (Δx. F0. ×. Δz × F0. (Δx F0 ) 2 + (Δy F0 ) 2 + (Δz F0 ) 2 + l (Δx F0 ) 2 + (Δy F0 ) 2 + (Δz F0 ) 2 (Δx F0 ) 2 + (Δy F0 ) 2 + (Δz F0 ) 2 + l (Δx F0 ) 2 + (Δy F0 ) 2 + (Δz F0 ) 2. , Δy × F0. (Δx F0 ) 2 + (Δy F0 ) 2 + (Δz F0 ) 2 + l (Δx F0 ) 2 + (Δy F0 ) 2 + (Δz F0 ) 2. ). (4-5). 其中，l:光纖露出套管的長度. 圖 4.15 銲前感測器於預設位置量測與套管距離示意圖. 圖 4.16 銲前感測器於套管最前端量測其與套管距離示意圖. 此後，將兩感測器移回至預設量測位置，進行雷射與光纖頭端之 耦光；在尋得最佳耦光功率之位置後，於套管前端放置馬鞍，然後進 入銲接流程，進行扣件與基板間、以及扣件與套管間之銲接。銲接完 成後放開氣動夾，兩感測器於預設感測位置所量測到之距離變化量， 分別為 X 方向的 Δx S' 以及 Y 方向的 Δy S' ，因此兩感測器所對應套管之 43. ,.
(57) 量測點為 S' (Δx S' , Δy S' ,0) 。圖 4.17 所示即為銲後，感測器在預設量測位 置量測與套管距離的示意圖。如表格 4.1 所示，由於套管前方與扣件 已銲接，無法再進行兩感測器與套管前端間距離變化的量測，因此量 測套管末端。. 圖 4.17 銲後感測器在預設量測位置量測與套管距離. 表 4.1 銲前及銲後套管之運動限制 程序. 銲前 套管 (氣動夾夾持). 銲後 銲接平台. 套管 (氣動夾放開). 銲接平台. X. ╳. ○. ○. ○. Y. ○. ╳. ╳. ╳. Z. ╳. ○. ○. ○. θ. ╳. ○. ○. ○. ("○"為能移動，"╳"為不能移動). 接下來不再移動感測器，移動 Newport 之對準平台，使套管移動 Z 方向距離 Δz B' ，則兩感測器量測到套管末端，與銲接後兩感測器量 測所得預設量測位置 S' 的距離變化，分別為 X 方向的 Δx S' − Δx B' 以及 Y. 44.
(58) 方 向 的 Δy S' − Δy B' ； 故 銲 後 套 管 末 端 的 座 標 表 示 為 B' (Δx S' − Δx B' , Δy S' − Δy B' ,− Δz B' ) 。圖 4.18 所示為銲後感測器量測與套管. 末端之距離示意圖。. 圖 4.18 銲後感測器量測與套管最後端之距離. 經由銲後兩感測器所對應套管的量測點 S' (Δx S' , Δy S' ,0) ，以及銲後 套管最後端座標 B' (Δx S' − Δx B' , Δy S' − Δy B' ,−Δz B' )，即可得到銲後套管的直 線方程式: Δx B' Δy B' Δz B' = = a' b' c' K 其中 N' = (a' , b' , c' ) 為銲前套管的方向向量，經此可以推得光纖頭端銲後. 座標： T ' = ( x T ' , y T ' , z T ' ) ， x T ' 、 y T ' 、 z T ' 分別為: L. x T ' = (Δx S' − Δx B' ) + Δx B' × = (Δx S' − Δx B' ) + a' ×. (Δx B' ) 2 + (Δy B' ) 2 + (Δz B' ) 2 L. (a' ) + (b' ) 2 + (c' ) 2 2. 45. (4-6a).
(59) L. y T ' = ( Δy S' − Δy B' ) + Δy B' × = (Δy S' − Δy B' ) + b'×. ( Δx B' ) 2 + ( Δy B' ) 2 + ( Δz B' ) 2 L. (a' ) + ( b' ) 2 + (c' ) 2 2. L. z T ' = (Δz S' − Δz B' ) + Δz B' × = (Δz S' − Δz B' ) + c'×. (4-6b). (Δx ) + (Δy B' ) 2 + (Δz B' ) 2 B' 2. L (a' ) 2 + (b' ) 2 + (c' ) 2. (4-6c). 其中，L 為套管加上光纖露出長度後之總長。. 在完成以上銲接程序，並求得銲後光纖頭端座標後可知，光纖頭 端已偏離最佳耦光位置；因此實驗中，利用補銲於溝槽式扣件產生之 收縮形變，使光纖頭端移回最佳耦光位置，進而補償銲接時所減少之 耦光功率。 經補償後，同樣地運用如上述方式可以得到補償後套管的直線方 程式: Δx B1 Δy B1 Δz B1 = = a1 b1 c1. (4-7). 其中 Δx B 、 Δy B 分別為補償後，兩感測器在預設量測位置及套管最末 1. 1. K. 端之 X 方向及 Y 方向距離差，而 N1 = (a1 , b1 , c1 ) 為補償後套管的方向向 量；套管加上光纖露出長度後的總長為 L，因此我們可以推得光纖頭 端補償後座標 T1 = ( x T , y T , z T ) ，而 x T 、 yT 、 z T 分別為: 1. 1. 1. 1. 46. 1. 1.
(60) L. x T1 = ( Δx S1 − Δx B1 ) + Δx B1 × = ( Δx S1 − Δx B1 ) + a1 ×. ( Δx B1 ) 2 + (Δy B1 ) 2 + (Δz B1 ) 2 L. (a1 ) + (b1 ) 2 + (c1 ) 2 2. L. y T1 = (ΔyS1 − Δy B1 ) + Δy B1 × = (ΔyS1 − Δy B1 ) + b1 ×. (Δx ) + (Δy B1 ) 2 + (Δz B1 ) 2 B1 2. L (a1 ) 2 + (b1 ) 2 + (c1 ) 2. z T1 = (ΔzS1 − Δz B1 ) + Δz B1 × = (ΔzS1 − Δz B1 ) + c1 ×. (4-8a). (4-8b). L (Δx B1 ) 2 + (Δy B1 ) 2 + (Δz B1 ) 2 L. (a1 ) + (b1 ) 2 + (c1 ) 2 2. (4-8c). 其中 S1 = (Δx S , Δy S ,0) 為補償後感測器在預設量測位置量測得之座標 1. 1. (如圖 4.19 所示)，B1 (Δx S − Δx B , ΔyS − Δy B ,−Δz B ) 為移動 Z 方向量測套管 1. 1. 1. 1. 1. 最末端之座標(如圖 4.20 所示) 。. 圖 4.19 補償後感測器在預設量測位置量測與套管距離. 47.
(61) 圖 4.20 補償後感測器量測與套管最後端之距離. 完成上述步驟後，銲後光纖頭端座標與銲前光纖頭端座標之差， 即為欲求得之銲後位移；即 T ' − T0 = ( x T ' − x T , y T ' − y T , z T ' − z T ) ，將可求 0. 0. 0. 得銲後各分量之位移量。同樣地，補償後光纖頭端之位移量，即為 T1 − T0 = ( x T1 − x T 0 , y T1 − y T 0 , z T1 − z T 0 ) ，亦可求得補償後各分量之位移量。. 4-4-2 量測流程 銲後位移量測步驟主要可以分為銲前、銲後以及補償後三個階 段: A. 銲前: 氣動夾夾住套管耦光後，移動感測器來量測感測器於套管預設量 測位置，與套管最前端的座標，求得銲前頭端座標 T0。 B. 銲後: (1)放上馬鞍，完成銲接程序。 (2)完成銲接程序後，放開氣動夾，量測感測器在銲後預設量測位 置之座標。. 48.
(62) (3)移動對準平台，量測套管最後端座標。 (4)求得套管直線方程式與銲後光纖頭端座標。 (5)求得銲後位移 C. 補償後: (1)補償後感測器量測其在預設量測位置之座標。 (2)移動對準平台量測套管尾端座標。 (3)求得套管直線方程式及補償後光纖頭端座標。 (4)求得補償後銲後位移。. 4-5 補償方法 在本研究中，我們使用氣動夾調整光纖金屬套管的方式[12]，在 構裝完成後透過移動氣動夾來進行微調，使馬鞍扣件部份塑性變形 (plastic deformation)產生永久形變之後(註)(如圖 4.21)，將光纖金屬套 管放開，藉此調整使光纖頭端回到接近其最佳耦光位置，以達到較高 之耦光率。在實際的構裝實驗中，銲後位移補償針對三個平移參數 ΔX、ΔY、ΔZ 的銲後位移效應來說，對於 ΔY 比較大而對於 ΔX、ΔZ 比較小，這顯示出利用雷射銲接構裝蝶式雷射模組時，銲後位移導致 的光纖對準偏移最主要的影響參數是 ΔY。因此在本研究中對於銲後 位移造成的光纖對準偏移的補償時，以 Y 軸方向上的平移補償最為 重要。 49.
(63) 圖 4.21 金屬之應力-應變曲線示意圖[14] 註: Invar 合金之降伏強度(yield stress)為 270MPa. 如圖 4.22 我們在 Y 軸方向上平移的量化補償量是利用氣動夾上 拉或下壓來達成。當氣動夾在光纖金屬套管的末端往正 Y 方向下壓 時，光纖金屬套管的光纖頭端會往負 Y 方向翹起，這樣的行為就好 像是翹翹板的狀態一樣，而馬鞍與光纖金屬套管的銲點就好像是翹翹 板的支點，因此當我們量測到光纖金屬套管的光纖頭端其銲後位移是 正 Y 方向時，我們就必須把光纖金屬套管夾具往下壓，使得光纖金 屬套管的光纖頭端往負 Y 方向偏移，使得先前的正 Y 方向銲後位移 得到補償。. 50.
(64) 圖 4.22 補償時氣動夾移動光纖金屬套管示意圖. 4-6 量測結果 受限於實驗用扣件之短缺，因此本研究中補償銲後位移的方法， 為使用氣動夾補償調整套管方式進行補償。表 4.2 至表 4.5 為進行四 組模組實驗後，所紀錄之構裝前後與補償後所量測各方向位移分量 △x、△y、△z，以及耦光功率耦光效率；表 4.6 為四個模組之銲接 前後及補償後的耦光功率及耦光效率(註)整理。 註:此耦光效率定義為量得之耦光功率與銲前量得之耦光功率的比值 表 4.2 模組一之銲接前後與補償後結果. 51.
(65) 表 4.3 模組二之銲接前後與補償後結果. 表 4.4 模組三之銲接前後與補償後結果. 表 4.5 模組四之銲接前後與補償後結果. 52.
(66) 表 4.6 四個模組之銲接前後及補償後的結果整理. 最後將所有實驗模組之銲接前後與補償後的耦光功率值以及耦 光效率值，分別做成圖表 4.23 及 4.24。. 1.6 銲前之耦光功率 補償後之耦光功率 銲後之耦光功率. Coupling power (mW). 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0. 1. 2. 3. 4. Module number. 圖 4.23 四組模組之耦光功率圖比較. 53. 5.
(67) 120. 補償後耦光效率. Coupling efficiency (mW). 100. 銲後耦光效率. 80 60 40 20 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. Module number. 圖 4.24 四組模組之耦光功率圖比較. 4-7 量測結果準確性探討 於構裝雷射模組前，我們利用雷射銲接系統中之自動對準功能， 使光纖頭端之位置，能夠在自動對準之後，固定在其與雷射之最佳耦 光對準位置；而在對準過程中，如圖 4.25 所示，能夠從雷射銲接系 統中之電腦，取得光纖 X、Y 方向位移時雷射之耦光功率圖 (Z 方向 固定)。 為了探討四組雷射模組之對準偏移量的準確性，我們由光纖 X、 Y 方向位移時與雷射之耦光功率關係圖(如圖 4.25)，求得 Z 方向固 定，光纖 X、Y 方向位移與雷射之耦光功率三者之關係所組成之高斯 曲面函數，再將此函數繪成光纖 X、Y 方向位移與耦光功率所構成的 高斯曲面，其方法如下: 54.
(68) 首先假設雷射 Z 方向的位移不影響耦光功率的值，因此可以設光 纖 X、Y 方向位移與耦光功率三者之關係所構成之高斯曲面函數為:. P = C 0 e -(C1X. 2. +C2Y 2 ). (4.9). 其中 P 為功率，X 為 X 方向位移，Y 為 Y 方向位移， C 0 、 C1 及 C 2 為 常數[12]。接著將 X、Y 方向位移與耦光功率關係圖中之最高點，以 及兩條曲線各取任意一點對應之座標值共三點，帶入式(4.9)中，即能 求得此高斯曲線之係數 C 0 、 C1 及 C 2 ；此外將此高斯函數利用 Matlab 軟體，可以繪出此函數之光纖 X、Y 方向位移與功率所構成的高斯曲 面(如圖 4.26)。. 最後將實驗量得之銲後及補償後光纖頭端之 X 與 Y 方向位移量 分別帶入式(4.9)中，即能夠求得其所對應理論之耦光功率(P)，將理論 值與實驗中銲後及補償後量得之耦光功率做比較，即能夠初步判斷量 得之量測實驗結果是否相符。. 圖 4.25 為模組一之光纖 X、Y 平面位移與雷射之耦光功率圖， 將最高點座標與兩條曲線之任意兩點座標帶入，能求得其對應之高斯 函數:. P = 720 e - 0.027 (X. 2. +Y2 ). (4-10). 將模組一之光纖頭端銲後 X、Y 偏移量帶入式(4-10)中，可得到 55.
(69) 理論功率值為 21.16μW，而實際銲後之耦光功率為 30μW；接著將補 償後 X、Y 偏移量帶入式(4-10)可得到理論值為 539μW，而實際補償 後之耦光功率為 520μW。圖 4.26 為將式(4.10)繪成三維之高斯曲面. Power (μw). 圖。. Displacement of fiber in X and Y-axis (μm) 圖 4.25 模組一之光纖 X、Y 方向位移與雷射之耦光功率圖. 56.
(70) Power (μw) Y-axis (μm). X-axis (μm). 圖 4.26 模組一之光纖 X、Y 方向位移與耦光功率所構成的高斯曲面. 圖 4.27 為模組二光纖 X、Y 平面位移之雷射耦光功率圖，利用 同樣的方法，能夠求得其對應之高斯函數:. P = 1070 e - 0.052 (X. 2. +Y2 ). (4-11). 將模組二之光纖頭端銲後 X、Y 偏移量帶入式(4-11)，中可得到 理論功率值為 484μW，而實際銲後量得之耦光功率為 400μW；接著 補 償 後 所 得 之 理 論 值 與 量 得 之 耦 光 功 率 ， 分 別 為 840μW 以 及 800μW。圖 4.28 為將式(4.11)繪成三維之高斯曲面圖。. 57.
(71) Power (μw) Displacement of fiber in X and Y-axis (μm). Power (μw). 圖 4.27 模組二之光纖 X、Y 方向位移與雷射之耦光功率圖. Y-axis (μm). X-axis (μm). 圖 4.28 模組二之光纖 X、Y 方向位移與耦光功率所構成的高斯曲面. 圖 4.29 為模組三之光纖 X、Y 平面位移之耦光功率圖，其高斯 函數為 :. 58.
(72) P = 1020 e - 0.049 (X. 2. +Y2 ). (4-12). 將模組三之光纖頭端銲後 X、Y 偏移量帶入式(4-12)，可求得對 應 之 理 論 功 率 值 為 395μW ， 而 其 實 際 銲 後 量 得 之 耦 光 功 率 為 310μW；接著補償後所得之理論值與量得之耦光功率，分別為 718μW. Power (μw). 以及 750μW。圖 4.30 為將式(4.12)繪成三維之高斯曲面圖。. Displacement of fiber in X and Y-axis (μm) 圖 4.29 模組三之光纖 X、Y 平面位移與雷射之耦光功率圖. 59.
(73) Power (μw) Y-axis (μm). X-axis (μm). 圖 4.30 模組三之光纖 X、Y 方向位移與耦光功率所構成的高斯曲面. 圖 4.31 為模組四之光纖 X、Y 平面位移與雷射之耦光功率圖， 其高斯函數為:. P = 1050 e - 0.051 (X. 2. +Y2 ). (4-13). 將模組四之光纖頭端銲後 X、Y 偏移量帶入式(4-13)，可求得對 應之理論功率值為 410μW，與其實際銲後量得之耦光功率同為 410μW；接著補償後所得之理論值與量得之耦光功率，分別為 794μW 以及 830μW。圖 4.32 為將式(4.13)繪成三維之高斯曲面圖。. 60.
(74) Power (μw) Displacement of fiber in X and Y-axis (μm). Power (μw). 圖 4.31 模組四之光纖 X、Y 平面位移與雷射之耦光功率圖. Y-axis (μm). X-axis (μm). 圖 4.32 模組四之光纖 X、Y 方向位移與耦光功率所構成的高斯曲面. 最後將所有模組光纖頭端位移量，代入由光纖 X、Y 平面位移與 雷射之耦光功率圖對應之高斯函數後，所對應之理論功率值與實驗中. 61.
(75) 量得之耦光功率做比較，如圖 4.33 所示。. 補償後位移量帶入高斯函數後之理論功 率值 補償後量測得之功率. 1400. Power (μw). 1200. 銲後位移量帶入高斯函數後之理論功率 值 銲後量測得之功率. 1000. 800. 600. 400. 200. 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. Module number. 圖 4.33 銲後及補償後之功率 P 值與量得之耦光功率比較. 由圖 4.33 可以得知，所有模組銲後及補償後的理論功率值與量 得之耦光功率值之趨勢接近。. 62.
(76) 第五章 結論與後續研究之建議 5-1 結論 本研究使用一種電容式測位移量測技術，量測與補償銲後位移造 成之光纖對準偏移。根據實驗時銲接前後之耦光功率，與利用電容測 位移統量測光纖金屬套管銲後位移，並換算出光纖頭端中心與雷射之 對準偏移量做比較後，可以有效地找出補償銲後位移之方向以及大 小，使得光纖頭端中心補償至接近銲接前之最佳耦光位置，降低耦光 功率之損失。 將實驗中光纖偏移結果，代入光纖 X、Y 方向位移與耦光功率三 者之關係所構成之高斯函數後，其耦光功率與量測得之功率趨勢符 合，而依量測結果進行補償後之耦光效率，可有效提升至 70%，因此 由高精度之電容式測位移系統量測光纖金屬套管的銲後位移，再由外 插法求得光纖頭端中心偏移，因此可以確實量測光纖頭端之各分量位 移量並依據偏移情形進行補償，這樣便可提供一有效之方法，來實現 光纖通訊系統中高可靠度、高良率以及高性能的蝶式雷射模組的製 作。. 5-2 後續研究建議 一. 由於夾具之加工精度及尺寸未達原先設計需求，且其材質為. 63.
(77) 達成絕緣之目的，以工程塑膠製作之，因此強度較弱；往後可選擇其 他易加工且強度較佳之材質，方便其與感測器之組合，增加實驗上量 測之精確度。另外，須注意加工上的尺寸、精度，並以不干涉感測器 作動之前提下，進行可行之結構補強。. 二. 實驗中記錄量測之數據仍需由人工記錄、整理，並且依據量 測值換算得光纖頭端之中心座標，及光纖對準偏移量，如此並未能即 時求得銲後位移；因此往後建議將電容式測位移系統與電腦整合，以 程式計算出銲後位移，便可有效減少實驗之耗時，使模組之構裝更為 迅速、簡便。. 三. 研究中使用兩感測器，量測光纖金屬套管於銲接過程之位 移；量測過程中需花費較長時間，未來可以同時使用四支感測器，同 時量測金屬套管之銲後位移，可以有效減少量測時間，及時取得數 據；此外，建議改善精密調整平台之致動方式，以減少因手動量測所 造成之量測誤差。. 64.
(78) 參考文獻 1. 許益誠, “雷射模組構裝之光纖偏移量測與補償研究,” 中山大學光 電工程所博士論文, 94年6 月. 2. D. S. Alles, “Trend in Laser Packaging,” in Proc. 40th ECTC, pp.185-192 (1990). 3. Y. Oikawa, H. Kuwatsuka, T. Yamamoto, T. Ihara, H. Hamano, T Minami, “Packaging Technology for 10-Gb/s Photoreceiver Module,” Journal of Lightwave Technology, Vol. 12, No. 2 (1994). 4. 鄭木海博士, “雷射二極體構裝技術之近況與趨勢,” 光訊, 第69期, 1997 年12 月. 5. 施性坤, “雷射銲接技術構裝雷射模組之銲後位移研究,” 中山大學 光電工程所碩士論文, 90 年6 月. 6. W. K. Huang, Y. C. Hsu, M. T. Sheen, and W. H. Cheng, “Post-weld-shift in Butterfly Package,” IEEE Symposium on Electronic Materials and Packaging, pp.77-82 (2002). 7. Y. T. Tseng, H. C. Sung, “ Novel Inspection of Fiber Post-weld-shift in Butterfly Laser Module Packaging,” IEEE Transactions on Advanced Packaging, v 28, n 4, p 713-719 (2005). 8. Mueller, Peter, Valk, Bernd, “Automated fiber attachment for 980nm pump modules,” Electronic Components and Technology Conference, p 5-9 (2000). 9. Y. C. Hsu, Y. C. Tsai, Y. L. Ho, M. T. Sheen, J. H. Kuang, W. H. Cheng, “A Novel Fiber Alignment Shift Measurement and Correction Technique in Laser-welded Laser Module Packaging,” Journal of Lightwave Technology, v 23, n 2, p 486-494 (2005). 10. Y. C. Hsu, Y. C. Tsai, J. H. Kuang, W. H. Cheng, “Postweld-shift-induced Fiber Alignment Shifts in Laser-welded Laser Module Packages: Experiments and Simulations,” Journal of Lightwave Technology, v 23, n 12, p 4287-4295 (2005). 11. Y. C. Hsu, J. H. Kuang, Y. C. Tsai, W. H. Cheng, “Investigation and 65.
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