CN101498816A - 一种波导器件高精度自动对准封装的机械装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成光子芯片与阵列光纤自动对准的机械装置，在底板(100)上设有中间运动平台(200)，在所述的底板(100)上设有以所述的中间运动平台(200)左右对称分布的两个六维高精度宏动平台和两个三维高精度的微动平台。本发明设有六维宏动平台以及其紧凑、合理的结构布局，结合高精度的微动平台可有效应用于要求高精度对准的各种平面波导的对准和封装，并且可方便扩展IR－CCD、机器视觉、点胶装置、UV固化装置等外设设备，且操作方便，运动范围大，精度高。

Description

一种波导器件高精度自动对准封装的机械装置

技术领域

本发明涉及一种可适用于集成光子芯片与阵列光纤自动对准的机械装置，具体地说是适用于集成光子器件如光分路器、光纤准直器、阵列波导光栅等的六维高精度对准和封装的机械装置。

背景技术

集成光子器件具有结构紧凑、体积小、抗干扰能力强、性能一致性好、稳定可靠、便于自动化批量生产等突出优势，近年来广泛应用于光通信干线网以及接入网的光纤到户技术中。集成光子器件的封装是利用亚微米精度运动平台将集成光子芯片与阵列光纤进行对准耦合并固定，实现器件的高性能。目前国际上评价封装质量的先进技术指标是光损耗低于0.15dB，这就要求集成光子芯片与阵列光纤间的模场分布尽可能匹配，另一方面要求集成光子芯片光通道与光纤的光轴对准精度控制在0.1μm以下。因此耦合与封装成为制约阵列波导器件发展的一个瓶颈，而且封装成本占器件总成本的70％～90％，封装时间占总生产时间的50％以上，所以一个稳定且快速的封装方式将会使产品更具优势。

参见图4、图5和图6，本质上，封装的重点在于使发射光耦合到光纤或光从光纤进入接收波导的光功率损耗更小。因此，在光学元件的封装及对准方面，主要是克服光信号的传输损耗如光纤的插入损耗及反射损耗等，和对准时由于径向偏移、角度偏移、波导端面分离、波导芯径不同及凸面的端面造成的损耗。对于插入损耗和反射损耗可以通过相应的光纤信号检测装置进行检测和补偿，对于波导芯径和端面凸面也可以用相应的波导制造技术和精密切割仪器来克服，而剩下的径向偏移、角度偏移和波导端面分离则必须通过六维高精度的对准机械装置的轴向平移和绕轴旋转来完成对准。可以说六维高精度的对准机械装置对整个光学器件封装的性能的提高至关重要。

据上所述，对于一个六维高精度多通用的对准机械装置，其基本要求有以下三个方面：①要有精密、方便、多通用的夹具来夹持不同型号的集成光子芯片。②要有多轴高精度的对准。③隔震。对于①和③而言，基本上高精度且方便通用的夹具和有效的隔震技术已经成熟；对于②来说又可以分为以下几个要求：1)高精度的位置传感。2)较好的传动和制动性能。3)轴向位移和角度位移。4)易于控制和精确的定位功能。5)整体机械装置的组合要求和扩展性能。高精度对准实际是通过机械装置的六轴运动来完成的，即在轴向位移上X、Y、Z轴向的位移运动，在角度位移上Tx、Ty、Tz绕轴的旋转运动。但是六维运动平台中不同自由度运动间的非严格正交特性，使得光通道对准过程中的逐维位置调整相互耦合干扰，增大了实现多光路同时高精度对准与耦合的困难，这就需要整体机械装置的优化布局与组合。除此之外，对准机械装置还要预留相应的扩展外设设备的空间，比如增加IR-CCD、机器视觉、点胶装置等，以方便进行集成光子芯片模场检测、精确对准和封装。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种宏微结合、对准高精度高、使用方便、多通用且扩展外设设备空间大的集成光子芯片与阵列光纤自动对准的机械装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的集成光子芯片与阵列光纤自动对准的机械装置，在底板上设有中间运动平台，在所述的底板上设有以所述的中间运动平台左右对称分布的两台六维高精度宏动平台，所述的中间运动平台是在固立台上设有固定台，在所述的固定台上转动设有绕Y轴旋转动平台，在所述的固定台上安装有通过第三高品质弹性联轴节与所述的绕Y轴旋转动平台传动连接的第二步进电机，在所述的绕Y轴旋转动平台上设有转接台，在所述的转接台上方布置有所述的高精密通用的集成光子芯片夹具和真空吸附口，每台六维高精度宏动平台的结构是在所述的底板上设有X轴轴向运动平台，所述的X轴轴向运动平台的动平台与Z轴轴向运动平台的固定台连接，在所述的Z轴轴向运动平台的动平台上设有连接体，所述的连接体与Y轴轴向运动平台的固定台连接，所述的Y轴轴向运动平台的驱动电机尾部向下，所述的Y轴轴向运动平台的动平台与绕Y轴旋转Ty运动平台的固定台连接，在所述的绕Y轴旋转Ty运动平台的动平台上设有转接板，所述的转接板与绕X轴旋转Tx运动平台的固定台连接，所述的绕X轴旋转Tx运动平台的动平台与绕Z轴旋转Tz运动平台的固定台连接，在所述的绕Z轴旋转Tz运动平台的动平台上设有三维高精度的微动平台，在所述的三维高精度的微动平台上设有连接板和夹具，所述的高精密通用的波导夹具设在所述的夹具上与所述的集成光子芯片夹具对应。

对于六维高精度宏动平台，从下至上布局依次是X轴轴向运动平台、Z轴轴向运动平台、Y轴轴向运动平台、绕Y轴旋转Ty运动平台、绕X轴旋转Tx运动平台、绕Z轴旋转Tz运动平台，其中Y轴轴向运动平台的驱动电机尾部向下，通过连接体与Z轴轴向运动平台连接；绕Y轴旋转Ty运动平台与绕X轴旋转Tx运动平台则通过转接板连接，这种布局可方便整个平台扩展IR-CCD，机器视觉，点胶装置等外设设备。

六维高精度宏动平台考虑到抗倾覆力矩安全系数K，为保证整体平台的稳定和在精度上的要求，六维高精度宏动平台有重心设在X轴轴向运动平台和Z轴轴向运动平台的交点上。

所述的X轴轴向运动平台、Z轴轴向运动平台和Y轴轴向运动平台的结构是在第一固定台上设有线性滑块导轨，所述的线性滑块导轨两端设有零位开关和限位开关，在所述的线性滑块导轨上滑动设有第一动平台，步进电机通过安装台安装在所述的第一固定台上并通过高品质弹性联轴节连接有高精密滚珠螺杆，所述的高精密滚珠螺杆通过滑块与所述的第一动平台连接，在所述的第一固定台上设有RS232接口。采用步进电机驱动实现开环控制，RS232接口，双边重复精度达到±0.1μm，电机和滚珠螺杆通过高品质弹性联轴节连接；

所述的绕Y轴旋转Ty运动平台、绕X轴旋转Tx运动平台和绕Z轴旋转Tz运动平台的结构是在第二固定台上滑动设有第二动平台，第一步进电机安装在所述的第二固定台上并通过第二高品质弹性联轴节连接有蜗杆，在所述的第二动平台上设有与所述的蜗杆啮合的蜗轮，在所述的第一步进电机上设有RS232接口。其高精密旋转轴系和精密研配的蜗轮蜗杆结构，具有限位功能，初始零位功能，采用第一步进电机实现开环控制，RS232接口，步进电机的理论分辨率为0.0001°，双边重复精度达到±0.001°。

所述的三维高精度微动平台可以实现X轴轴向高精度微动，Y轴轴向高精度微动和Z轴轴向高精度微动，并采用压电陶瓷进行驱动，运动精度达到纳米级。

所说的中间运动平台包含的绕Y轴旋转平台，其分别包括高精密旋转轴系、精密轴承导轨和精密研配的蜗轮蜗杆结构，采用第二步进电机实现开环控制，RS232接口，第二步进电机的理论分辨率为0.0001°，双边重复精度达到±0.001°，并且第二步进电机和滚珠螺杆通过第三高品质弹性联轴节连接。

综上所述，本发明是一种对准高精度高、使用方便、多通用且扩展外设设备空间大的集成光子芯片与阵列光纤自动对准的机械装置。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的中间运动平台的结构示意图；

图3是轴向运动平台的结构示意图；

图4是绕轴旋转平台的结构示意图；

图5是两阵列波导存在径向偏移的原理简图；

图6是两阵列波导存在角度偏移的原理简图；

图7是两波导存在波导端面分离的原理简图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参见图1、图2、图3和图4，在底板100上设有中间运动平台200，在底板100上设有以中间运动平台200左右对称分布的第一六维高精度宏动平台300和第二六维高精度宏动平台400，中间运动平台200是在固立台202上设有固定台201，在固定台201上转动设有绕Y轴旋转动平台2013，在固定台201上安装有通过第三高品质弹性联轴节2012与绕Y轴旋转动平台2013传动连接的第二步进电机2011，在绕Y轴旋转动平台2013上设有转接台203，在转接台203上方布置有高精密通用的集成光子芯片夹具703和真空吸附口7031，第一六维高精度宏动平台300的结构是在底板100上设有第一X轴轴向运动平台301，第一X轴轴向运动平台301的动平台与第一Z轴轴向运动平台302的固定台连接，在第一Z轴轴向运动平台302的动平台上设有第一连接体304，第一连接体304与第一Y轴轴向运动平台303的固定台连接，第一Y轴轴向运动平台303的驱动电机尾部向下，第一Y轴轴向运动平台303的动平台与第一绕Y轴旋转Ty运动平台306的固定台连接，在第一绕Y轴旋转Ty运动平台306的动平台上设有第一转接板305，第一转接板305与第一绕X轴旋转Tx运动平台307的固定台连接，第一绕X轴旋转Tx运动平台307的动平台与第一绕Z轴旋转Tz运动平台308的固定台连接，第一绕Z轴旋转Tz运动平台的动平台308与第一三维高精度微动平台500的固定台连接，第一三维高精度微动平台500的动平台上设有第一连接板700和第一夹具701，在第一夹具701上设有与集成光子芯片夹具703对应的高精密通用的第一波导夹具702；第二六维高精度宏动平台400的结构是在底板100上设有第二X轴轴向运动平台401，第二X轴轴向运动平台401的动平台与第二Z轴轴向运动平台402的固定台连接，在第二Z轴轴向运动平台402的动平台上设有第二连接体404，第二连接体404与第二Y轴轴向运动平台403的固定台连接，第二Y轴轴向运动平台403的驱动电机尾部向下，第二Y轴轴向运动平台403的动平台与第二绕Y轴旋转Ty运动平台406的固定台连接，在第二绕Y轴旋转Ty运动平台406的动平台上设有第二转接板405，第二转接板405与第二绕X轴旋转Tx运动平台407的固定台连接，第二绕X轴旋转Tx运动平台407的动平台与第二绕Z轴旋转Tz运动平台408的固定台连接，第二绕Z轴旋转Tz运动平台408的动平台与第二Z轴轴向微动平台600的固定台连接，第二三维高精度微动平台600的动平台上设有第二连接板706和第二夹具705，在第二夹具705上设有与集成光子芯片夹具703对应的高精密通用的第二波导夹具704。

对于第一六维高精度宏动平台300和第二六维高精度宏动平台400，为避免光通道对准过程中的逐维位置调整相互耦合干扰，在角度位移上Ty、Tx、Tz绕轴的旋转运动中心应尽可能与集成光子芯片的中心点重合，为满足这一条件，其结构从下至上布局依次是X轴轴向运动平台301/401、Z轴轴向运动平台302/402、Y轴轴向运动平台303/403、绕Y轴旋转Ty运动平台306/406、绕X轴旋转Tx运动平台307/407、绕Z轴旋转Tz运动平台308/408。其中Y轴轴向运动平台303/403的驱动电机尾部向下，通过连接体304/404与Z轴轴向运动平台302/402连接；绕Y轴旋转Ty运动平台与绕X轴旋转Tx运动平台则通过转接板305/405连接。这种布局可方便整个平台扩展IR-CCD，机器视觉，点胶装置等外设设备。

第一六维高精度宏动平台300和第二六维高精度宏动平台400考虑到抗倾覆力矩安全系数K，为保证整体平台的稳定和在精度上的要求，六维宏动平台重心须在X轴轴向运动平台和Z轴轴向运动平台的交点上，如果倾覆力矩M_k过大，可通过一定的配重来增加抗倾覆力矩M_q。

$K=\left|\frac{M_k}{M_q}\right|---\left(1\right)$

为达到一定的精度，第一六维高精度宏动平台300和第二六维高精度宏动平台400中的X轴轴向、Y轴轴向和Z轴轴向线位移移动平台的结构是在第一固定台3018上设有线性滑块导轨3013，线性滑块导轨3013两端设有零位开关和限位开关，在线性滑块导轨3013上滑动设有第一动平台3019，步进电机3016通过安装3014安装在第一固定台3018上并通过高品质弹性联轴节3015连接有高精密滚珠螺杆3012，高精密滚珠螺杆3012通过滑块3011与第一动平台3019连接，在第一固定台3018上设有RS232接口3017，此线位移移动平台采用步进电机3016实现开环控制，RS232接口3017，双边重复精度达到±0.1μm，并且步进电机3016和高精密滚珠螺杆3012通过高品质弹性联轴节3015连接，如图4所示。

绕Y轴旋转Ty运动平台、绕X轴旋转Tx运动平台和绕Z轴旋转Tz运动平台的结构是在第二固定台3065上滑动设有第二动平台3061，第一步进电机3063安装在第二固定台3065上并通过第二高品质弹性联轴节3062连接有蜗杆3066，在第二动平台3061上设有与蜗杆3066啮合的蜗轮3067，在第一步进电机3063上设有RS232接口3064，其高精密旋转轴系和精密研配的蜗轮蜗杆结构，具有限位功能，初始零位功能，采用第一步进电机3063实现开环控制，第一步进电机3063的理论分辨率为0.0001°，双边重复精度达到±0.001°，如图3所示。这样不仅有高精度的位置传感和较好的传动和制动性能，而且易于控制并有精确的定位功能。

第一六维高精度宏动平台300和第二六维高精度宏动平台400中第一Y轴轴向运动平台303和第二Y轴轴向运动平台403的驱动电机布置在运动平台的下方，这样避免因电机过大而造成其他外设设备如机器视觉等无法工作，而且平台夹具上端扩展其他外设设备更加方便。

第一六维高精度宏动平台300和第二六维高精度宏动平台400的上部的三维高精度微动平台500和第二三维高精度微动平台600可以实现X轴轴向高精度微动，Y轴轴向高精度微动和Z轴轴向高精度微动，并采用压电陶瓷进行驱动运动精度达到纳米级，可保证集成光子芯片在三维X轴、Y轴和Z轴向上的精确对准。

为方便对准，所说的中间运动平台200包含的绕Y轴旋转平台201，其特征分别包括高精密旋转轴系、精密轴承导轨和精密研配的蜗轮蜗杆结构，采用第二步进电机2011实现开环控制，RS232接口，第二步进电机2011的理论分辨率为0.0001°，双边重复精度达到±0.001°，并且第二步进电机2011和滚珠螺杆通过高品质弹性联轴节2012连接。

以1×N阵列光纤和集成光子芯片的对准和封装为例，来说明本发明工作时的具体工艺过程：

1、装夹：将洁净的集成光子芯片装夹在集成光子芯片夹具703上；将1×N阵列光纤分别装夹在第一波导夹具702和第二波导夹具704上。

2、对准：通过第一六维高精度宏动平台300和第二六维高精度宏动平台400来调节上述阵列光纤的位置，使用机器视觉或者红外相机进行初步粗对准，通过相应的算法控制上述六维平台进行初步精对准，再通过三维高精度的微动平台进行最终的精对准，以达到损耗的光功率最小。

3、封装：通过点胶装置进行点胶，紫外灯固化，进行封装。

Claims (5)

1、一种集成光子芯片与阵列光纤自动对准的机械装置，包括集成光子芯片夹具(702/704)和采用真空吸附方式工作的波导夹具(703)，其特征是：在底板(100)上设有中间运动平台(200)，在所述的底板(100)上设有以所述的中间运动平台(200)左右对称分布的两台六维高精度运动平台，所述的中间运动平台(200)是在固立台(202)上设有旋转台(201)，在所述的旋转台(201)上设有绕Y轴旋转动平台(2013)，在所述的旋转台(201)上安装有通过第三高品质弹性联轴节(2012)与所述的绕Y轴旋转动平台(2013)传动连接的第二步进电机(2011)，在所述的绕Y轴旋转动平台(2013)上设有转接台(203)，在所述的转接台(203)上方布置有所述的高精密通用的集成光子芯片夹具(703)和真空吸附口(7031)；每台六维高精度宏动平台的结构是在所述的底板(100)上设有X轴轴向运动平台，所述的X轴轴向运动平台的动平台与Z轴轴向运动平台的固定台连接，在所述的Z轴轴向运动平台的动平台上设有连接体，所述的连接体与Y轴轴向运动平台的固定台连接，所述的Y轴轴向运动平台的驱动电机尾部向下，所述的Y轴轴向运动平台的动平台与绕Y轴旋转Ty运动平台的固定台连接，在所述的绕Y轴旋转Ty运动平台的动平台上设有转接板，所述的转接板与绕X轴旋转Tx运动平台的固定台连接，所述的绕X轴旋转Tx运动平台的动平台与绕Z轴旋转Tz运动平台的固定台连接，在所述的绕Z轴旋转Tz运动平台的动平台上设有三维高精度微动平台，在所述的三维高精度微动平台上设有连接板和夹具，所述的高精密通用的波导夹具设在所述的连接板上与所述的集成光子芯片夹具(703)对应。

2、根据权利要求1中所述的集成光子芯片与阵列光纤自动对准的机械装置，其特征是：所述的六维高精度宏动平台的重心设在所述的X轴轴向运动平台和所述的Z轴轴向运动平台的交点上。

3、根据权利要求1或2所述的集成光子芯片与阵列光纤自动对准的机械装置，其特征是：所述的X轴轴向运动平台、Z轴轴向运动平台和Y轴轴向运动平台的结构是在第一固定台上设有线性滑块导轨，所述的线性滑块导轨两端设有零位开关和限位开关，在所述的线性滑块导轨上滑动设有第一动平台，步进电机通过安装台安装在所述的第一固定台上并通过高品质弹性联轴节连接有高精密滚珠螺杆，所述的高精密滚珠螺杆通过滑块与所述的第一动平台连接，在所述的第一固定台上设有RS232接口。

4、根据权利要求1或2所述的集成光子芯片与阵列光纤自动对准的机械装置，其特征是：所述的绕Y轴旋转Ty运动平台、绕X轴旋转Tx运动平台和绕Z轴旋转Tz运动平台的结构是在第二固定台上滑动设有第二动平台，第一步进电机安装在所述的第二固定台上并通过第二高品质弹性联轴节连接有蜗杆，在所述的第二动平台上设有与所述的蜗杆啮合的蜗轮，在所述的第一步进电机上设有RS232接口。

5、根据权利要求1或2所述的集成光子芯片与阵列光纤自动对准的机械装置，其特征是：所述的三维高精度微动平台可以实现X轴轴向高精度微动，Y轴轴向高精度微动和Z轴轴向高精度微动，并采用压电陶瓷进行驱动，运动精度达到纳米级。

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