CN102866471A - 波导芯片和pd阵列耦合的对准装置及利用其对准的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种波导芯片和PD阵列耦合的对准方法，采用红外光源照明，使PD阵列通过红外CCD在监视器中清楚成像，然后调节微调架控制波导芯片与PD阵列高度和水平位置，使经波导芯片反射的光斑垂直打在PD光敏面上，从而达到高效耦合；或者通过驱动模块和电脑相连自动调整六维微调架，电脑通过数据采集卡采集红外CCD图像信息，自动控制软件对图像进行处理并得出经波导芯片反射后的光斑阵列和PD光敏面阵列的斜率及位置差，自动控制软件控制六维微调架的调节对应的轴向使光斑阵列与PD光敏面阵列重合；本发明同时还提供了一种波导芯片和高速PD阵列耦合的对准装置，采用本发明可以减少波导芯片和PD阵列对准时间，提高对准效率及重复性，从而保证产品一致性。

Description

波导芯片和PD阵列耦合的对准装置及利用其对准的方法

技术领域

本发明涉及的是一种光通信领域光学传输介质和半导体光电子器件的混合集成方法，特别涉及的是光波导芯片和光探测器件之间的光学对准装置以及对准方法，本发明属于通信领域。

 

背景技术

光通信技术日益发展，其传输速率也在不断提高。目前，40G技术已经发展成熟，40G技术未来的发展方向是逐步降低设备成本。接下来几年，100G技术将逐步代替40G技术成为主流的高速新传输商用技术。速率在不断提升，但通信系统的本质没有变，光通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收端组成，其中需要使用光学发射器、光学传输介质和光学接收器。LD(Laser Diode，激光二极管)或VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直表面发射激光器)主要被用作光学发射器，光纤、PLC(Planar Lightwave Circuit，平面光波电路)器件主要被用作光学传输介质，半导体光电子器件，例如PD(Photo-Diode，光电二极管)主要被用作光电接收器。在光学接收机中，光信号经过波导芯片进入PD中实现光到电的转换，光信号从波导芯片PD的耦合技术是光学接收机中一个关键技术。

高速光通信的发展越来越迅速，其中一个很重要的特点是器件集成度提高，光子集成技术将更广泛的应用在系统中。100G光通信中采用PM-QPSK调制，PM-QPSK是一种偏振的复用及相位的调制，其接收机的电速率达25Gbps。因为光探测器的带宽与半导体材料内载流子穿越时间和信号处理电路响应时间有关，所以与低速PD相比高速PD光电探测器具有更小的穿越时间，其光敏面也更小。例如，HAMAMATSU公司的速率为500Mbps的PD，其光敏面大小为0.3mm；速率为1Gbps的PD，光敏面大小约为0.2mm；某公司25Gbps的PD，其光敏面大小为24um。

波导芯片与PD对准目前有以下常用方案：

采用传统机械标识的无源对准方案，通过机械标识，标明PD及波导预先设计的位置，通过贴片分别把PD和波导粘接到标识位置，机械标识容易达到0.1mm的精度，满足低速PD的耦合对准的精度要求。而对于高速PD来说，其光敏面仅24um，其对准精度需要达10um，机械标识精度已经不能满足高速PD的准精度要求。

监控光电流的有源对准方式，即给波导芯片输入红外光，并且让光探测器处于运行状态，反复、仔细调整波导的位置，使光探测器输出光电流达到最大值，此时耦合效率最高。有源对准方式通过皮安表监控光电流，光电流最大时，耦合效率最高，这种方案是耦合对准的一种常用方案。但是对于100G的接收机来说，这种对准方式有以下弊病：1）100G接收机中采用的四个一组的PD阵列，采用有源对准时需要同时监控四路电信号，而耦合对准时有6个维度需要调节，6维调节保证光电流同时到达最大值就不是一件容易的事。2）有源对准时需要监控光电流，监控光电流就必须从PD上面镀金焊盘引出额外的金线供皮安表探测，而对于高频电路来说，这种额外引出测试线的方法将破坏其高频特性，至其速率达不到要求的25Gbps。

发明内容

本发明目的是克服现有技术存在的缺点与不足，提供了一种波导芯片和PD阵列耦合的对准装置以及利用其对准的方法，特别是针对波导芯片和高速PD阵列耦合的主动光学对准，把原本现有技术采用的电流的测量转换为光学图像位置的监控,从而避免了测量PD电流时额外打线而破坏模块电路的高频特性。

本发明所采用的技术方案是：

一种波导芯片和PD阵列耦合的对准装置，所述的对准装置包括有红外CCD监测系统、六维微调架、夹持单元、波导支撑架、模块支架、待耦合对准模块、待耦合对准模块的封装外盒、基板；所述的红外CCD监测系统由红外CCD、三维微调架，红外CCD支架和监视器、照明光源和LED光源组成；其响应谱线涵盖可见光和近红外光波段；所述的待耦合对准模块包括波导芯片和PD阵列，其被封装在封装外盒内；所述的夹持单元设置在六维微调架上，且其上固定有波导支撑架；所述的六维微调架旁设置有模块支架，模块支架上固定有待耦合对准模块的封装外盒，封装外盒底部固定设置有基板，基板上设置有PD阵列，PD阵列的光敏面向上；所述的波导芯片固定在波导支撑架上，其输出光斑垂直向下，其位置位于PD阵列的上方；所述的红外CCD倾斜放置对准PD阵列。

所述的六维微调架通过驱动模块与电脑连接，由电脑控制其6维方向的移动。

所述PD阵列采用高速PD阵列，所述高速PD阵列的速率大于10Gbps。

所述红外CCD101的图像总放大率为100×，图像分辨率达2um；所述六维微调架103的细调精度为1um。

所述的波导芯片上粘接有一直角棱镜，直角棱镜中的另一直角面上设置有透镜阵列，通过透镜阵列的光斑阵列投射到PD阵列的光敏面上。

所述波导芯片输出端面具有一个45度角斜面。

一种利用波导芯片和PD阵列耦合的对准装置对波导芯片和PD阵列耦合进行学对准的方法，步骤1：把PD阵列光敏面向上固定在待耦合对准模块的封装盒底部设置的基板上，待耦合对准模块的封装盒固定在模块支架上面，打开LED光源，调节红外CCD支架上面的三维微调架的手轮，使PD阵列108清晰成像在监视器的正中间；步骤2：将照明光源采用一个透镜光纤与850nm红光光源连接，当看到透镜光纤末端发射的红光光斑时，调节照明光源使红光光斑落到PD阵列上；步骤3：断开850nm红光光源，换上ASE光源，再次微调红外CCD的三维微调架的X轴向手轮，重新对焦，使PD阵列在ASE光源照明下面重新清晰成像在监视器上面，监视器上面可以看到ASE光源照明下的PD阵列的光敏面；步骤4：在波导芯片背面点上热固化胶，把波导芯片粘接在波导支撑架上，使其输出光斑垂直向下，放入烘箱加热固化；步骤5：待热固化胶固化后，用夹持单元夹住波导支撑架，连同波导芯片一起固定到六维微调架上，并把波导芯片另外一端耦合的尾纤也连接上一个ASE光源；步骤6：当监视器上面可以看到ASE光源经过波导芯片反射后的光斑阵列且监视器上面同时可以看到ASE光源照明下的PD阵列的光敏面以及ASE光源经过波导芯片反射后的光斑阵列时，自动或手动调节六维微调架，使光斑阵列与PD阵列的光敏面重合，调节完成后，点胶固化。

所述步骤6中，自动调节六维微调架以使光斑阵列与PD阵列的光敏面重合的分步骤为：a.六维微调架通过驱动模块与电脑连接；b.红外CCD通过数据采集卡与电脑连接，通过编程采集数据采集卡内容，读取红外CCD的灰度图像；c. 找出图像中光斑阵列位置及PD光敏面阵列的像素位置,计算光斑阵列的斜率K1与PD光敏面阵列的斜率K2，当K1≠K2时，电脑通过驱动模块控制六维微调架的调整沿Z轴旋转的维度，在调节六维微调架的同时，不断计算光斑阵列的斜率K1的值，直至K1=K2；d.计算光斑阵列与光敏面阵列在X轴方向的像素差ΔX和在在Y轴方向的像素差ΔY，当ΔX≠0和ΔY≠0时，电脑通过驱动模块分别控制微调架X轴和Y轴进行调节的同时不断计算ΔX和ΔY的值，直至ΔX=0和ΔY=0。

本发明具有的优点具体如下：

1、本发明方法具有波导芯片和PD阵列耦合对准简单，操作快捷，对准精度高的优点；

2、本发明的光学对准过程中不需要实时测量PD的电流，把原本现有技术采用的电流测量转换为光学图像位置的监控，从而避免了测量PD电流时额外打线而破坏模块的高频特性；

3、本发明利用图像处理图形识别算法可以实现波导芯片和高速PD阵列耦合的自动对准，自动对准方案可以减少对准时间，提高对准效率及保证对准重复性，减小了操作人员的操作要求，保证产品一致性。

附图说明

图1．本发明波导芯片及PD阵列耦合的对准装置示意图；

图2．本发明对准装置中波导芯片及PD阵列对准细节示意图；

图3．本发明中监视器同时监测的光斑阵列及PD阵列光敏面示意图；

图4a．本发明第一种波导反射结构示意图；

图4b．本发明第二种波导反射结构示意图；

其中：

101．红外CCD ；                  102．夹持单元；

103．六维微调架；                 104．模块支架；

105．照明光源；                   106．红外CCD支架；

107．三维微调架；                 108． PD阵列；

109．波导芯片；                   110．光斑阵列；

111．待耦合对准模块的封装外盒；   112．光敏面；

113．45度反射面；                 114．基板；

115．波导支撑架；                 116．直角棱镜；

117．透镜阵列；                   118．监视器；

119．LED光源；

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行说明，如图1、图2所示，本发明这种针对波导芯片和高速PD阵列耦合的主动光学对准装置，包括：一套红外CCD监测系统，其响应谱线涵盖可见光和近红外光波段，红外CCD（Charge Coupled Device，电荷藕合器件）监测系统由红外CCD101、三维微调架 107，红外CCD支架106和监视器118组成，红外CCD监测系统用来观察PD阵列光敏面和波导芯片输出光斑的位置，此时红外CCD101需要倾斜放置对准PD阵列108；一个六维微调架103上设置有夹持单元102，夹持单元102固定有波导支撑架115；六维微调架103旁设置有模块支架104，本发明的待耦合对准模块包括波导芯片109和PD阵列108，模块支架104上固定待耦合对准模块的封装外盒111，待耦合对准模块的封装外盒111底部固定设置有一个用来粘贴PD阵列的基板114，基板114上设置有PD阵列108，PD阵列108其位置和基板114位置相对固定， PD阵列108的光敏面向上；将波导芯片109固定在波导支撑架115上，使其输出光斑垂直向下。波导芯片109其位置固定在PD阵列108的上方，用夹持单元102固定住波导支撑架115使其同六维微调架103相固定，保证波导芯片位置的可调节性。六维微调架103和波导支撑架115用来调节和固定波导芯片109的位置，使波导芯片109和PD阵列108可以相对移动，使通过波导芯片的输出光斑的位置和PD阵列光敏面位置重合。如图4a所示波导芯片109本体输出端面具有一个45度角斜面，或者如图4b所示中波导芯片109输出端面为直面 ，在该直面粘贴了一个45度角的直角反射棱镜116，通过波导芯片109的光线依次通过直角反射棱镜116的直角面、斜面 ，这样可以使经过图4a和图4b两种结构中的斜面发生全反射的光线产生90度的偏转，并投射到PD阵列108的光敏面上。本发明光学对准装置还包括一个照明光源105和LED（Light Emitting Diode，发光二极管）光源119，照明光源105主要是用于提供红外照明。本发明中的ASE（Amplified Spontaneous Emission 放大自发辐射）光也是属于红外光。LED光源119为红外CCD101的对准提供可见光照明，用来调整红外CCD101位置，使红外CCD能正好照到PD阵列108上，本发明PD阵列一般采用高速PD阵列，高速PD阵列的速率大于10Gbps。

本发明波导芯片和PD阵列耦合的光学对准方法包括的如下步骤：

步骤1：把PD阵列108光敏面向上固定在待耦合对准模块的封装盒底部设置的基板上，待耦合对准模块的封装盒固定在模块支架104上面，打开LED光源119，调节红外CCD支架106上面的三维微调架107的手轮，使PD阵列108清晰成像在监视器118的正中间。

步骤2：照明光源105采用一个透镜光纤，它光纤端焊接有连接头，连接头通过法兰盘与850nm红光光源连接，打开850nm红光光源时，可以看到透镜光纤末端发射的红光光斑，调节照明光源105使红光光斑落到PD阵列108上；本步骤中的照明光源的用处是把PD阵列照亮，使波导芯片和PD阵列对准时可以看清PD阵列的光敏面。

步骤3：断开850nm红光光源，换上ASE光源，此时监视器118上的PD阵列108成像模糊，再次微调红外CCD101的三维微调架107的X轴向手轮，重新对焦，使PD阵列108在ASE光源照明下面重新清晰成像在监视器118上面，此时监视器118上面可以看到ASE光源照明下的PD阵列108的光敏面112。

步骤4：在波导芯片109背面点上热固化胶，把波导芯片109粘接在波导支撑架115上，使其输出光斑垂直向下，放入烘箱加热固化。

步骤5：待胶固化后，用夹持单元102夹住波导支撑架115，连同波导芯片109一起固定到六维微调架103上，并把波导芯片109另外一端耦合的尾纤也连接上一个ASE光源。

步骤6：连接上ASE光源后，在监视器118上面可以看到ASE光源经过波导芯片109反射后的光斑阵列110；此时监视器118上面同时可以看到ASE光源照明下的PD阵列108的光敏面112以及ASE光源经过波导芯片反射后的光斑阵列110；调节六维微调架手轮103，使光斑阵列110与PD阵列108的光敏面112重合，调节完成后，点胶固化，即实现了波导芯片109与PD阵列108的耦合。

经过以上步骤就能够实现波导芯片109与PD阵列108的耦合，这种耦合方式精度高，速度快，不需要实时测量PD阵列108的电流大小来判断耦合效率，不会破坏同高速PD阵列108相连接的镀金焊盘与TIA（Transimpedance Amplifer，跨阻放大器）之间的金线键合连接，避免了破坏电路的高频特性。

本发明中的对准步骤中，需要说明的是：

红外CCD101的响应谱线涵盖可见光和近红外光波段，所以即可对的LED光照明高速PD阵列108成像，也可对ASE光照明下高速PD阵列108成像。由于红外CCD101中的物镜对不同光的折射率不一样，对应焦距也不一样，所以由LED光源照明换成ASE光源照明时需要重新对焦。

在步骤3中：照明光源先使用红光对准后再接上ASE光源照明是因为ASE光人眼不可见，红外CCD的视场很小，很难捕捉到照明光源末端发射的ASE光斑，所以先用850nm红光照到PD阵列上面进行定位后，再换成ASE光源进行照明。

在步骤5中：用ASE光作为光源是因为高速PD阵列的工作波长在红外波段，ASE光源波长处于PD阵列波长响应波段内，所以耦合对准后能够保证高速PD阵列的正常工作。

在步骤6中：波导芯片109与PD阵列108的间距由波导支撑架115高度决定。采用打磨的工艺可以精确控制波导支撑架115的高度，保证了波导芯片109同高速PD阵列108对准的精度。六位微调架103精度达到1um，保证了波导芯片109与高速PD阵列108的高精度对准。

该步骤的手动对准方案还可以设计为自动对准方案，自动对准方案设计如下：

用自动六维微调架代替手动六维微调架103，通过驱动模块与电脑连接，由电脑控制其6维方向的移动；

红外CCD101通过数据采集卡与电脑连接，通过编程采集数据采集卡内容，读取红外CCD101的灰度图像；

通过软件的图像处理，找出图像中光斑阵列110位置及PD阵列光敏面112的位置,这些位置可以由像素表示，计算光斑阵列110的斜率K1与PD光敏面112阵列的斜率K2，当K1≠K2时，电脑通过驱动模块控制六维微调架的调整沿Z轴旋转的维度，如图1所示，调节六维微调架的同时，不断计算光斑阵列110的斜率K1的值，直至K1=K2后，斜率调节完成；

计算光斑阵列110与光敏面112阵列的在X轴方向的像素差ΔX，如图3，当ΔX≠0时，电脑通过驱动模块控制自动微调架X轴进行调节，调节同时不断计算ΔX的值，直至ΔX=0；同上调节ΔY=0。自动对准完成。ΔX指他们在X轴上的像素差，ΔY指他们在Y轴上的像素差，因为图像采集后图像由像素点阵构成，他们之间的位置差可以用像素的差值表示。

此发明技术方案中，利用光学主动对准方案进行波导芯片109与PD阵列108的耦合。在ASE光源的照明下面， PD阵列108的光敏面112清晰成像在监视器118上，将波导芯片109连接上ASE光源后，监视器118上面可以看到经过波导芯片109反射的ASE光的光斑阵列110，调节六维微调架103手轮，把光斑阵列110与光敏面112进行耦合对准，对准过程中不需要实时测量PD阵列的电流，把原本现有技术采用电流的测量转换为光学图像位置的监控。避免了测量高速PD阵列的PD电流时额外打线而破坏电路的高频特性。

本发明专利利用光学主动对准方式实现阵列波导芯片109与PD阵列108的高精度对准，上述步骤6中手动调节微调架对准可以设计成自动对准的方案，自动对准方案的使用减少对准时间，提高对准效率及保证对准重重复性，减小了操作人员的操作要求，保证产品一致性。

红外CCD101成像系统和六维微调架103的精度决定了该方案的耦合精度。成像系统中，图像总放大率为100×，图像分辨率达2um；六维微调架103的细调精度为1um，高精度的微调架和高分辨率的图像保证的高精度的对准。

照明光源的使用保证高速PD阵列的光敏面112与经过波导芯片109反射后的光斑同时清晰成像在监视器118上，是本发明中的波导芯片和高速PD阵列手动对准以及自动对准的基础。选择ASE光作为照明及对准光源是因为该待耦合对准模块的工作波长为1525～1565nm，ASE光源波长正好覆盖该波段，保证模块换上工作波长的光源时直接能够正常工作。

本发明这种波导芯片和光电接收器耦合耦合方案适用于多种波导反射结构的设计的耦合对准，例如反射结构设计如图4b。该方案中直角棱镜116一直角面与波导芯片109粘接在一起，光信号通过波导芯片109入射至直角棱镜116中，经直角棱镜116的斜面反射后方向变化90度并从另外一直角面射出，光线射出的直角面设置有透镜阵列117，光信号通过透镜阵列117后重新汇聚成一组光斑阵列,通过透镜阵列117的光斑阵列投射到PD阵列108的光敏面。这种结构也能够实现光信号的90度反射，用本发明专利也可以实现光信号经过具有该反射结构的波导反射后与高速PD的耦合对准。

本发明提供的波导芯片与PD阵列耦合的主动光学对准方案，不仅适用于接收机的混合集成，同样适用于其他类型产品的光电转换结构的耦合，特别涉及波导芯片或光纤与面型光电芯片的耦合，都在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种波导芯片和PD阵列耦合的对准装置，其特征在于：

   所述的对准装置包括有红外CCD监测系统、六维微调架（103）、夹持单元（102）、波导支撑架（115）、模块支架（104）、待耦合对准模块、待耦合对准模块的封装外盒（111）、基板（114）；

   所述的红外CCD监测系统由红外CCD（101）、三维微调架（107），红外CCD支架（106）和监视器（118）、照明光源（105）和LED光源（119）组成；其响应谱线涵盖可见光和近红外光波段；

   所述的待耦合对准模块包括波导芯片（109）和PD阵列（108），其被封装在封装外盒（111）内；

   所述的夹持单元（102）设置在六维微调架（103）上，且其上固定有波导支撑架（115）；

   所述的六维微调架（103）旁设置有模块支架（104），模块支架（104）上固定有待耦合对准模块的封装外盒（111），封装外盒（111）底部固定设置有基板（114），基板（114）上设置有PD阵列（108），PD阵列（108）的光敏面向上；

   所述的波导芯片（109）固定在波导支撑架（115）上，其输出光斑垂直向下，其位置位于PD阵列（108）的上方；

   所述的红外CCD（101）倾斜放置对准PD阵列（108）。

2.如权利要求1所述的一种波导芯片和PD阵列耦合的对准装置，其特征在于：

   所述的六维微调架（103）通过驱动模块与电脑连接，由电脑控制其6维方向的移

动。

3.如权利要求1所述的一种波导芯片和PD阵列耦合的对准装置，其特征在于：

   所述PD阵列采用高速PD阵列，所述高速PD阵列的速率大于10Gbps。

4.如权利要求1或2或3所述的一种波导芯片和PD阵列耦合的对准装置，其特征在于：

   所述红外CCD101的图像总放大率为100×，图像分辨率达2um；所述六维微调架103的细调精度为1um。

5.如权利要求1或2或3所述的一种波导芯片和PD阵列耦合的对准装置，其特征在于：

   所述的波导芯片（109）上粘接有一直角棱镜（116），直角棱镜（116）中的另一直角面上设置有透镜阵列（117），通过透镜阵列（117）的光斑阵列投射到PD阵列（108）的光敏面上。

6.如权利要求1或2或3所述的一种波导芯片和PD阵列耦合的对准装置，其特征在于：

  所述波导芯片（109）输出端面具有一个45度角斜面。

7.一种利用权利要求1或2或3所述装置对波导芯片和PD阵列进行对准的方法，其特征在于包括有如下步骤：

   步骤1：把PD阵列（108）光敏面向上固定在待耦合对准模块的封装盒底部设置的基板上，待耦合对准模块的封装盒固定在模块支架（104）上面，打开LED光源（119），调节红外CCD支架（106）上面的三维微调架（107）的手轮，使PD阵列108清晰成像在监视器（118）的正中间；

   步骤2：将照明光源（105）采用一个透镜光纤与850nm红光光源连接，当看到透镜光纤末端发射的红光光斑时，调节照明光源（105）使红光光斑落到PD阵列（108）上；

   步骤3：断开850nm红光光源，换上ASE光源，再次微调红外CCD（101）的三维微调架（107）的X轴向手轮，重新对焦，使PD阵列（108）在ASE光源照明下面重新清晰成像在监视器（118）上面，监视器（118）上面可以看到ASE光源照明下的PD阵列（108）的光敏面（112）；

   步骤4：在波导芯片（109）背面点上热固化胶，把波导芯片（109）粘接在波导支撑架（115）上，使其输出光斑垂直向下，放入烘箱加热固化；

   步骤5：待热固化胶固化后，用夹持单元（102）夹住波导支撑架（115），连同波导芯片（109）一起固定到六维微调架（103）上，并把波导芯片（109）另外一端耦合的尾纤也连接上一个ASE光源；

   步骤6：当监视器（118）上面可以看到ASE光源经过波导芯片（109）反射后的光斑阵列（110）且监视器（118）上面同时可以看到ASE光源照明下的PD阵列（108）的光敏面（112）以及ASE光源经过波导芯片反射后的光斑阵列（110）时，自动或手动调节六维微调架（103），使光斑阵列（110）与PD阵列（108）的光敏面（112）重合，调节完成后，点胶固化。

8.如权利要求7所述的对波导芯片和PD阵列耦合进行对准的方法，其特征在于：

   所述步骤6中，自动调节六维微调架（103）以使光斑阵列（110）与PD阵列（108）的光敏面（112）重合的分步骤为：

   a. 六维微调架（103）通过驱动模块与电脑连接；

   b. 红外CCD（101）通过数据采集卡与电脑连接，通过编程采集数据采集卡内容，读取红外CCD（101）的灰度图像；

   c. 找出图像中光斑阵列（110）位置及PD光敏面（112）阵列的像素位置,计算光斑阵列（110）的斜率K1与PD光敏面（112）阵列的斜率K2，当K1≠K2时，电脑通过驱动模块控制六维微调架的调整沿Z轴旋转的维度，在调节六维微调架的同时，不断计算光斑阵列（110）的斜率K1的值，直至K1=K2；

   d. 计算光斑阵列（110）与光敏面（112）阵列在X轴方向的像素差ΔX和在在Y轴方向的像素差ΔY，当ΔX≠0和ΔY≠0时，电脑通过驱动模块分别控制微调架X轴和Y轴进行调节的同时不断计算ΔX和ΔY的值，直至ΔX=0和ΔY=0。

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