CN101697024B - 单镜头多角度高倍率光子芯片耦合封装装置 - Google Patents
单镜头多角度高倍率光子芯片耦合封装装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种单镜头多角度高倍率光子芯片耦合封装装置，由耦合调节装置、机器视觉装置和光纤-芯片固化装置构成，机器视觉装置由一个镜头相机组件及多角度固定回旋装置组成，镜头相机组件设在多角度固定回旋装置上，所述的镜头相机组件由单只光学放大倍率为3.5X～22.5X的高倍率镜头和一个高灵敏度CMOS相机组成且高倍率镜头安装在CMOS相机上。通过CMOS芯片成像在显示器上的总放大倍率为175X～1125X，可在自行设计的固定回旋装置下实现180°旋转、从垂直俯视到水平侧视近90°任意角度实现对亚微米和纳米级波导光路的观察，图像不抖动。
Description
一、技术领域
本发明属于光电子学和集成光学技术领域，涉及一种用于工业现场、实验室等场合的光子芯片耦合封装装置，具体地说是一种基于单镜头多角度高倍率机器视觉技术实现微米、亚微米以及纳米尺度的光子芯片与光纤耦合、对准、封装目的的光子芯片耦合封装系统。
二、技术背景
随着光子芯片技术逐渐走向成熟，封装技术必然得到充分重视，对光子芯片与光纤对准耦合的要求也越来越高。普通单模光纤的芯径约为8微米，光子芯片波导宽度因材料而异，基于III-V族半导体材料的光子芯片波导宽度为几微米量级，基于SOI(绝缘体上的硅)材料的光子芯片波导宽度为亚微米量级。实现光子芯片和光纤之间的精确对准和高效耦合，需要纳米级六维微调技术(纵向、横向、垂直、偏摆、俯仰、旋转)和千倍量级的高倍率多角度观察系统，获得高清晰的光子芯片平面光路和波导端面的图像。
在目前光子芯片与光纤耦合、对准、封装中多用到显微镜通过人眼来观察或通过摄像机电子设备来成像观察。一般放大倍率在300倍以内，如日本骏河(Suruga)公司推出的手动和自动耦合封装系统的水平和垂直观察单元镜头放大倍数为46～291倍。成像系统分为两路观察，使得系统架构复杂、庞大、成本提高，而且不能得到对象其它角度的全方位图像，不利于精确地耦合对准。本发明提出单镜头可回旋实现多角度成像观察的最大放大倍率达到1125倍的机器视觉装置、光纤-芯片耦合调节装置、光纤-芯片固化装置组成的光子芯片耦合封装系统。
三、发明内容
本发明提供一种能够提高成像质量的小型化单镜头多角度高倍率光子芯片耦合封装装置。
本发明采用如下技术方案：
一种单镜头多角度高倍率光子芯片耦合封装装置，由耦合调节装置、机器视觉装置和光纤-芯片固化装置构成，机器视觉装置由一个镜头相机组件及多角度固定回旋装置组成，镜头相机组件设在多角度固定回旋装置上，所述的镜头相机组件由单只光学放大倍率为3.5X～22.5X的高倍率镜头和一个高灵敏度CMOS相机组成且高倍率镜头安装在CMOS相机上。
本发明提出的基于单镜头多角度高倍率机器视觉技术的光子芯片耦合封装系统包括三大功能模块：耦合调节装置、机器视觉装置和光纤-芯片固化装置。耦合调节装置由六维精密微调架、V型槽、芯片平台、三维精密微调架组成，六维精密微调架线性精度0.5微米、角精度27.8”。机器视觉装置由光学放大倍率为3.5X～22.5X的高倍率镜头和高灵敏度CMOS相机组成镜头相机组件，通过CMOS芯片成像在显示器上的总放大倍率为175X～1125X，可在自行设计的固定回旋装置下实现180°旋转、从垂直俯视到水平侧视近90°任意角度实现对亚微米和纳米级波导光路的观察，图像不抖动。光纤-芯片固化装置为采用UV-LED光源的紫外胶固化装置。基于单镜头多角度高倍率机器视觉技术的光子芯片耦合封装系统相对于业界产品紧凑、小型化，机柜尺寸为650(长)×650(宽)×1540(高)mm3。
与现有技术相比，本发明的优点是：六维精密微调架线性位移精度和角位移精度高，且重复精度、稳定性、运动过程中各个角度的偏摆程度及其一致性好。
本发明主要特色是单只高倍镜头多角度视频观察技术，基于此技术的机器视觉装置主要包括镜头相机组件和多角度固定回旋装置。
镜头数量由传统的两只简化为单只，系统体积大大缩小、成本大大降低。而业界普遍的成像系统分为两路观察，使得系统架构复杂、庞大、成本提高。例如日本骏河(Suruga)公司推出的自动耦合封装系统价位在百万元人民币上下。
镜头的成像倍率提高到1125倍，可获得更好的成像质量，保证了封装效果的可靠性。且在高倍率条件下，实现图像实时采集和处理、不抖动。而业界普遍的300倍放大倍率，只能实现对玻璃基或石英基光子芯片光路的观察，不能实现对微米或亚微米量级的InP基或SOI基光子芯片光路的观察。
通过多角度固定回旋装置可以实现镜头角度的任意变化，从而对光纤阵列(Fiber Array，FA)和PLC芯片的对准情况进行多角度全方位的观察。而业界普遍的成像系统不能得到除垂直俯视和水平侧视以外的对象其它角度的全方位信息，不利于指导FA和PLC芯片精确的耦合对准。
光纤-芯片固化装置采用UV-LED，相对于通用的Hg灯光源体积小、功耗小、无热损伤；出射光导管为特殊透镜紫外液芯光纤，除了具有传统液芯光纤的所有优点外，由于特殊透镜的使用使得聚光光斑更小、结构更为紧凑。
本发明的有益效果是：以平面光波光路(PLC)型分路器(splitter)光子芯片的耦合封装为例，相对于业界常用的手动和自动耦合封装机生产的splitter指标参数，本发明可实现插入损耗小于4dB，回波损耗大于55dB；完成单只芯片封装的时间小于5分钟；可适于不同基底材料、不同波导尺寸的光子芯片与光纤和FA的耦合封装，从而广泛应用于科研和光子器件的生产当中。
四、附图说明
图1是基于单镜头多角度高倍率机器视觉技术的光子芯片耦合封装系统框图。
图2是机器视觉装置装配后视示意图。
图3是多角度固定回旋装置A处装配主剖视图。
图4是多角度固定回旋装置A处装配俯视放大图。
图5是多角度固定回旋装置A处装配左剖视图。
图6是多角度固定回旋装置B处装配主剖视图。
图7是多角度固定回旋装置C处装配主剖视图。
图8是机器视觉装置垂直观察得到的的光子芯片平面光路图。
图9是机器视觉装置倾角观察得到的光子芯片脊波导端面图。
图例说明
1.耦合调节装置 11.六维精密微调架
12.V型槽 13.芯片平台
14.三维精密微调架 2.机器视觉装置
21.镜头相机组件 211.镜头
212.相机 213.点光源
22.多角度固定回旋装置 221.横梁
222.主杆 223.滑套
224.螺栓 225.水平紧固螺栓
226.垂直紧固螺栓 227.连接滑套
2271.杆套底圈 2272.衬套
2273.主杆套 228.回旋调节手轮
229.第一连杆 2210.上接杆
2211.接头 2212.连接套
2213.下接杆 2214.第二连杆
2215.镜头夹具 3.光纤-芯片固化装置
4.入纤 5.芯片
51.芯片入射端 52.芯片出射端
6.出纤 7.功率计
五、具体实施方式
一种单镜头多角度高倍率光子芯片耦合封装装置，由耦合调节装置1、机器视觉装置2和光纤-芯片固化装置3构成，机器视觉装置2由一个镜头相机组件21及多角度固定回旋装置22组成，镜头相机组件21设在多角度固定回旋装置22上，所述的镜头相机组件21由单只光学放大倍率为3.5X～22.5X的高倍率镜头和一个高灵敏度CMOS相机组成且高倍率镜头安装在CMOS相机上。在本实施例中，
所述多角度固定回旋装置22包括：支架，在支架上连接有横梁221，在横梁221上滑动连接有连接滑套227，在连接滑套227上设有滑块且连接滑套227通过所述滑块与横梁221水平滑动连接，所述连接滑套227通过水平紧固螺栓225固紧在横梁221上，在连接滑套227上还设有滑孔，在连接滑套227的滑孔中滑动连接有主杆222且主杆222通过设在连接滑套227上的垂直紧固螺栓226固紧在连接滑套227上，在主杆222上套设有滑套223，滑套223位于连接滑套227的上方，在滑套223上设有用于紧固主杆222的螺栓224，在主杆222上连接有第一连杆229且主杆222的下端与第一连杆229的一端转动连接，在第一连杆229上连接有垂直微调组件且第一连杆229的另一端与垂直微调组件的一端转动连接，在垂直微调组件上连接有第二连杆2214且垂直微调组件的另一端与第二连杆2214的一端转动连接，在第二连杆2214的另一端上设有用于夹持镜头相机组件21的镜头夹具2215；
所述的垂直微调组件由上接杆2210、接头2211、连接套2212、下接杆2213构成，上接杆2210与接头2211的一端连接，在接头2211的另一端设有螺纹，在下接杆2213的端部设有与接头2211另一端的螺纹方向相反的连接螺纹，连接套2212的两端分别与接头2211、下接杆2213螺纹连接。
实施例1
图1是本发明的结构示意图。耦合调节装置1由六维精密微调架11、V型槽12、芯片平台13、三维精密微调架14组成。机器视觉装置2由镜头相机组件21和多角度固定回旋装置22组成。光纤-芯片固化装置3为采用UV-LED光源的紫外胶固化装置。其具体实施方式如下：
①在芯片平台13上固定芯片5。在机器视觉装置2观察指导下，用三维微调架14手动粗调位于V型槽12上的出纤6，和芯片5出射端52对准，锁定三维微调架14；通过固定回旋装置22调节镜头相机组件21观察芯片5入射端51，用六维微调架11手动粗调位于V型槽12上的入纤4和芯片5入射端51对准，锁定六维微调架11。完成初始对准——机器视觉，无源对准。
②激励入纤4和芯片5。锁定三维微调架14，以固定出纤6，通过功率计7读数，用六维微调架11精调入纤4至接收功率最大点，锁住六维微调架11。同时机器视觉装置2监视整个对准过程。用光纤-芯片固化装置3固化入纤4。完成芯片5入射端51的封装——功率检测，有源对准。
③将芯片5旋转放置在芯片平台13上。然后再对芯片5出射端52在六维精密微调架11上重复实施方式①和②的粗对准和精对准过程。完成芯片5出射端52的封装——功率检测，有源对准。
实施例2
图2是本发明中图1所示的核心部分机器视觉装置2的装配示意图。其中镜头相机组件21由镜头211、相机212、点光源213构成。多角度固定回旋装置22由横梁221、主杆222、滑套223、螺栓224、水平紧固螺栓225、垂直紧固螺栓226、连接滑套227、回旋调节手轮228、第一连杆229、上接杆2210、接头2211、连接套2212、下接杆2213、第二连杆2214、镜头夹具2215组成。连接滑套227由杆套底圈2271、衬套2272、主杆套2273构成。
其具体实施方式如下：
①垂直调节组件，由主杆222、滑套223、螺栓224、垂直紧固螺栓226构成。通过螺栓224的松紧可以实现主杆222的上下滑动或固定，从而实现镜头相机组件21的上下移动或者固定。垂直紧固螺栓226的作用和螺栓224的作用相同，实施方法类似，只是垂直紧固螺栓226作用于连接滑套227上面。
②水平调节组件，由主杆222、水平紧固螺栓225、连接滑套227构成。通过水平紧固螺栓225的松紧可以实现连接滑套227和主杆222沿着横梁221水平滑动或者固定，从而实现镜头相机组件21的水平移动或者固定。
③回旋调节组件，由主杆222、第一连杆229、第二连杆2214、垂直微调组件2210、2211、2212、2213、回旋调节手轮228构成。主杆222、第一连杆229、垂直微调组件2210、2211、2212、2213、第二连杆2214之间通过三处直径为8mm的孔相互衔接；3只回旋调节手轮228与之相对应，在工作时回旋调节手轮228的松紧可以实现杆与杆之间的相对转动或者固定，从而实现镜头相机组件21回旋的目的。
④垂直微调组件，由上接杆2210、接头2211、连接套2212、下接杆2213构成。上接杆2210与接头2211的一端连接，在接头2211的另一端设有螺纹，在下接杆2213的端部设有与接头2211另一端的螺纹方向相反的连接螺纹，连接套2212的两端分别与接头2211、下接杆2213螺纹连接，实现在垂直方向的紧缩或者伸张，完成1.5mm/360°的微调量，即螺纹配合旋转1°对应于镜头相机组件21垂直进给4.167微米。
Claims (2)
1.一种单镜头多角度高倍率光子芯片耦合封装装置，由耦合调节装置(1)、机器视觉装置(2)和光纤-芯片固化装置(3)构成，其特征在于：机器视觉装置(2)由一个镜头相机组件(21)及多角度固定回旋装置(22)组成，镜头相机组件(21)设在多角度固定回旋装置(22)上，所述的镜头相机组件(21)由单只光学放大倍率为3.5X～22.5X的高倍率镜头和一个高灵敏度CMOS相机组成且高倍率镜头安装在CMOS相机上，所述的多角度固定回旋装置(22)包括：支架，在支架上连接有横梁(221)，在横梁(221)上滑动连接有连接滑套(227)，在连接滑套(227)上设有滑块且连接滑套(227)通过所述滑块与横梁(221)水平滑动连接，所述连接滑套(227)通过水平紧固螺栓(225)固紧在横梁(221)上，在连接滑套(227)上还设有滑孔，在连接滑套(227)的滑孔中滑动连接有主杆(222)且主杆(222)通过设在连接滑套(227)上的垂直紧固螺栓(226)固紧在连接滑套(227)上，在主杆(222)上套设有滑套(223)，滑套(223)位于连接滑套(227)的上方，在滑套(223)上设有用于紧固主杆(222)的螺栓(224)，在主杆(222)上连接有第一连杆(229)且主杆(222)的下端与第一连杆(229)的一端转动连接，在第一连杆(229)上连接有垂直微调组件且第一连杆(229)的另一端与垂直微调组件的一端转动连接，在垂直微调组件上连接有第二连杆(2214)且垂直微调组件的另一端与第二连杆(2214)的一端转动连接，在第二连杆(2214)的另一端上设有用于夹持镜头相机组件(21)的镜头夹具(2215)。
2.根据权利要求1所述的单镜头多角度高倍率光子芯片耦合封装装置，其特征在于：垂直微调组件由上接杆(2210)、接头(2211)、连接套(2212)、下接杆(2213)构成，上接杆(2210)与接头(2211)的一端连接，在接头(2211)的另一端设有螺纹，在下接杆(2213)的端部设有与接头(2211)另一端的螺纹方向相反的连接螺纹，连接套(2212)的两端分别与接头(2211)、下接杆(2213)螺纹连接。
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