CN104122633A - 一种光波导芯片与光纤角度自动对准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光波导芯片与光纤角度自动对准装置及方法，本发明的一种光波导芯片与光纤角度自动对准装置包括光纤力感知夹具(7)。通过采用光纤力感知夹具(7)，解决了由于光波导芯片(4)与光纤截面尺寸与材质不一样导致的难判定二者的相对位置的问题，进而实现光波导芯片(4)与输入/输出光纤角度自动对准，具有可靠性高、精度高、重复性好的优点。可广泛应用于机械自动化领域中光波导装置中。
Description
技术领域
本发明涉及一种光波导芯片与光纤角度自动对准装置及方法，尤其涉及一种基于接触感知的光波导芯片与光纤角度自动对准装置及方法。
背景技术
现有光波导芯片与光纤角度对准装置是由输入/输出光纤承载6轴手动或电动运动平台与夹具、光波导芯片承载平台与夹具、CCD观察装置等部件组成，广泛应用于平面光波导芯片分路器、阵列波导光栅、阵列光开关等光波导芯片与光纤的角度对准。输入/输出光纤通过光纤夹具固定在6轴运动平台上，光波导芯片通过波导夹具固定在芯片平台上。光纤承载6轴运动平台如果为手动，则需操作者肉眼通过CCD观察，手动调节输入/输出光纤承载6轴运动平台，以实现光波导芯片与输入/输出光纤角度对准，这种结构实现的角度对准严重依赖操作者的技艺，对于批量操作而言，其重复性与可靠性均不高。
如图1所示，光纤承载6轴运动平台如果为电动，则还需控制计算机，通过机器视觉的方法获得输入光纤与光波导芯片间、光波导芯片与输出光纤间的角度偏差与间距，进而驱动输入/输出光纤承载6轴运动平台，以实现光波导芯片与输入/输出光纤角度的自动对准。
采用手动平台与电动平台存在的共同缺点是：
首先，光波导芯片与光纤截面尺寸不一致，CCD的光学放大装置由于景深的原因，不能同时清晰看到光波导芯片与光纤，操作者不能判定两者的相对位置，不能实现两者角度对准；另外，光波导芯片与光纤材质不一致，光波导芯片存底材料多为石英玻璃，近年来随着光波导芯片光通道数量的增加，逐步采用硅作为存底，属于不透明材质，通过CCD难以显示，进而导致操作者不能判定两者的相对位置，不能实现两者角度对准。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题就是提供一种光波导芯片与光纤角度自动对准装置，解决由于光波导芯片与光纤截面尺寸不一致及光波导芯片与光纤材质不一致导致的不能精确对准的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光波导芯片与光纤角度自动对准装置，包括光波导芯片；
位于光波导芯片输入端的输入光纤；
位于光波导芯片输出端的输出光纤；
光纤夹具，包括输入光纤夹具、输出光纤夹具，将光纤固定在光纤承载6轴运动平台上；
光波导芯片夹具，将光波导芯片固定在光波导芯片承载平台上；
控制计算机，连接光纤承载6轴运动平台；
所述输入光纤夹具、输出光纤夹具为光纤力感知夹具；
所述光纤力感知夹具包括压紧装置、底座、移动平台、气缸、位移传感器；
所述压紧装置将光纤夹持并固定在移动平台上；
所述移动平台设于底座上，在光纤与光波导芯片接触力作用下，沿着作用力方向移动；
所述气缸紧固在承载光纤的移动平台上，当移动平台带动光纤与光波导芯片接触产生压力时，气缸压缩产生反向推力，使得光纤与光波导芯片保持紧密接触；
所述位移传感器固定在底座上，与承载光纤的移动平台保持一定的间距，将光纤与光波导芯片之间角度的变化变成距离的变化；另一端与控制计算机连接，将距离的变化转化成信号传递给控制计算机，得出移动平台与底座的相对位移。
优选地，所述压紧装置为机械压紧装置，机械压紧装置包括压片、压紧螺母、压紧杆轴以及压紧杆；
移动平台包括旋紧螺母、压块、滑块、承载面、交叉滚柱导轨、第一侧挡柱、第二侧挡柱；
机械压紧装置将光纤固定在移动平台的承载面上；
压紧杆轴固定在承载面上，承载面固定在滑块上；
还包括第一侧挡柱和第二侧挡柱，通过旋紧螺母，压块推挤承载面，承载面紧贴第一侧挡柱和第二侧挡柱，使得承载面与滑块贴合在一起；
滑块固定在交叉滚柱导轨的滑动块上，交叉滚柱导轨沿着光纤与光波导芯片导接触力方向设置；
在交叉滚柱导轨的不动块通过螺钉与光纤力感知夹具的底座连接在一起；
在交叉滚柱导轨的滑动块和不动块通过滚柱连接在一起；
滑块与气缸固定连接在一起，气缸通过气缸紧固螺母紧固在光纤力感知夹具的底座上；
位移传感器，固定在底座上，与承载光纤的移动平台保持一定的间距，用于测量滑块与底座的间距。
优选地，所述光纤力感知夹具上设有螺纹孔，通过螺钉将光纤力感知夹具固定在光纤承载6轴运动平台上。
优选地，所述光纤承载6轴运动平台从下至上依次是Z平台、X平台、Y平台、θz平台、θx平台、θy平台；
光纤力感知夹具夹持固定光纤，固定连接于光纤承载6轴运动平台，连接光波导芯片夹具夹持固定的光波导芯片。
优选地，所述光纤力感知夹具夹持固定光纤，与光纤承载6轴运动平台的θy平台固定连接。
优选地，所述光波导芯片与输入光纤、输出光纤的光轴的对准精度在0.1um以下；
所述光纤承载6轴运动平台在Z、X、Y方向的平动精度在0.01mm以下；
在θz、θx、θy方向上的回转精度在0.005deg以下。
基于上述装置，本发明还提供一种光波导芯片与光纤的角度自动对准的方法，包括以下步骤：
步骤一：将输入光纤放置在光纤力感知夹具上，固定于输入端的光纤承载6轴运动平台上，并与光源相连；
步骤二：将输出光纤放置在光纤力感知夹具上，固定于输出端的光纤承载6轴运动平台上，并将首末两通道与双通道光功率相连；
步骤三：将光波导芯片放置在波导夹具上，固定于光波导芯片承载平台上；
步骤四：驱动输入侧与输出侧的光纤承载6轴运动平台的X运动平台、Y运动平台、Z运动平台，以及输入侧与输出侧的光纤承载6轴运动平台的θz运动平台，通过算法实现输入光纤、输出光纤与光波导芯片初步对准；
步骤五：驱动输入侧的光纤承载6轴运动平台的θx平台在设定范围内运动，同时通过位移传感器713检测到滑块与底座的间距T1的变化，直到检测到最大间距T1，并记录当前位置，然后驱动θx平台到最大间距T1位置，以此实现θx方向上的角度对准；
步骤六：驱动输入侧的光纤承载6轴运动平台的θy平台在设定范围内运动，同时检测位移传感器检测到滑块与底座的间距T2的变化，直到检测到最大间距T2，并记录当前位置，然后驱动θy平台到最大间距T2位置，以此实现θy方向上的角度对准；
步骤七：根据骤五和六，实现输出侧θx方向和θy方向上的角度对准。
(三)有益效果
本发明的一种光波导芯片与光纤角度自动对准装置包括光纤力感知夹具，采用上述特设结构，解决由于光波导芯片与光纤截面尺寸与材质不一样导致的难判定二者的相对位置的问题，进而实现光波导芯片与输入/输出光纤角度自动对准，具有可靠性高、精度高、重复性好的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：现有技术公开的一种光波导芯片与光纤角度对准装置的结构示意图；
图2：现有技术公开的光波导芯片与光纤角度对准方法示意图；
图3：本发明提供的一种光波导芯片与光纤角度自动对准装置的结构示意图；
图4：本发明提供的光纤承载6轴运动平台的结构示意图，及光纤与光波导芯片的连接关系示意图；
图5：本发明提供的一种光纤力感知夹具的结构示意图；
图6：本发明提供的一种光纤力感知夹具的交叉滚柱导轨的结构示意图；
图7：本发明θx方向光波导芯片与光纤角度自动对准方法具体实施方式示意图；
图8：本发明θy方向光波导芯片与光纤角度自动对准方法具体实施方式示意图。
图中：1、输入光纤；2、输出光纤；3、光纤承载6轴运动平台；4、光波导芯片；5、光波导芯片承载平台；6、控制计算机；7、光纤力感知夹具；701、底座；702、旋紧螺母；703、压块；704、滑块；705、承载面；706、交叉滚柱导轨；707、第一侧挡柱；708、压片；709、压紧螺母；710、压紧杆轴；711、压紧杆；712、第二侧挡柱；713、位移传感器；714、气缸紧固螺母；715、气缸；8、光波导芯片夹具。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
本实施例提供一种光波导芯片与光纤角度自动对准装置，如图3所示，包括光波导芯片4；
位于光波导芯片4输入端的输入光纤1；
位于光波导芯片输出端的输出光纤2；
光纤夹具，包括输入光纤夹具、输出光纤夹具，将光纤固定在光纤承载6轴运动平台3上；
光波导芯片夹具8，将光波导芯片4固定在光波导芯片承载平台5上；
控制计算机6，连接光纤承载6轴运动平台3；
所述输入光纤夹具、输出光纤夹具为光纤力感知夹具7；
所述光纤力感知夹具7结构如图4所示，包括机械压紧装置、底座701、移动平台、气缸715、位移传感器713；
当然压紧装置也不仅仅限于实施例列举，其他可以起到同样作用的装置也应当涵盖在本发明当中；
机械压紧装置包括压片708、压紧螺母709、压紧杆轴710以及压紧杆711；
移动平台包括旋紧螺母702、压块703、滑块704、承载面705、交叉滚柱导轨706、第一侧挡柱707、第二侧挡柱712；
所述机械压紧装置将光纤夹持并固定在移动平台上；
压紧杆轴710固定在承载面705上，承载面705固定在滑块上；
第一侧挡柱707和第二侧挡柱712，通过旋紧螺母702，压块703推挤承载面705，承载面705紧贴第一侧挡柱707和第二侧挡柱712，使得承载面705与滑块704贴合在一起；
滑块704固定在交叉滚柱导轨706的滑动块7061上，交叉滚柱导轨706沿着光纤与光波导芯片4导接触力方向设置；
在交叉滚柱导轨706的不动块7063通过螺钉与光纤力感知夹具7的底座701连接在一起；
在交叉滚柱导轨706的滑动块7061和不动块7063通过滚柱7064连接在一起；
滑块704与气缸715通过螺母固定连接在一起，当然采用其他刚性连接方式也是可以的；
气缸715通过气缸紧固螺母14紧固在光纤力感知夹具7的底座701上；
位移传感器713，固定在夹具底座701上，与移动平台的承载面705保持一定的间距，用于测量滑块704与底座701的间距；
位移传感器713与承载面705之间的距离根据测量情况确定，以测量方便准确时的距离为宜。
本实施例中所述光纤力感知夹具7上设有螺纹孔，通过螺钉将光纤力感知夹具7固定在光纤承载6轴运动平台3上，当然并不局限于此种固定方式。
本实施例中光纤承载6轴运动平台3从下至上依次是Z运动平台、X运动平台、Y运动平台、θz运动平台、θx运动平台、θy运动平台；
本实施例中，X运动平台选用SURUGA公司的PG650-R05AG-E型号的运动平台；
Y运动平台选用SURUGA公司的KH0604-L/R型号的运动平台；
Z运动平台选用SURUGA公司的PG650-R05AG-E型号的运动平台；
θx运动平台选用SURUGA公司的KGW0404-L/R型号的运动平台；
θy运动平台选用SURUGA公司的KGW06075-L/R型号的运动平台；
θz运动平台选用SURUGA公司的KGW06075-L/R型号的运动平台；
光纤力感知夹具7夹持固定光纤，与光纤承载6轴运动平台的θy平台固定连接，连接光波导芯片夹具8夹持固定的光波导芯片4。
光波导芯片4与输入光纤1、输出光纤2的θx方向上角度自动对准方法具体实施方式如图7所示：当光纤与光波导芯片4存在θx方向上的角度误差时，如图7所示，光纤沿X向运动，直到光纤与光波导芯片4接触，由于气缸715的作用，具有一定的弹性，光纤与光波导芯片4不会硬接触，此时位移传感器713检测到滑块704与底座701的间距T1发生变化，即可停止X向的运动。在θx方向上设定扫描范围，如±2°，同时检测位移传感器713检测到滑块704与底座701的间距T1的变化，T1实际上是光纤与光波导芯片角度θx的变化，直到检测到最大间距T1，并记录当前位置，然后驱动θx平台到最大间距T1位置，也就是平行点，如此实现了光纤与光波导芯片在θx方向上的角度对准。如图8所示，同理可实现光纤与光波导芯片在θy方向上的角度对准。
本实施例中光波导芯片为1×N型平面光波导分路器芯片。
根据本实施例提供的一种光波导芯片与光纤角度自动对准装置进行角度自动对准的方法，包括以下步骤：
步骤一：将输入光纤1放置在光纤力感知夹具7上，固定于输入端的光纤承载6轴运动平台3上，并与光源相连；
步骤二：将输出光纤2放置在光纤力感知夹具7上，固定于输出端的光纤承载6轴运动平台3上，并将首末两通道与双通道光功率相连；
步骤三：将光波导芯片4放置在波导夹具上，固定于光波导芯片承载平台5上；
步骤四：驱动输入侧与输出侧的光纤承载6轴运动平台3的X、Y、Z平台，以及输出侧的光纤承载6轴运动平台3的θz平台，通过算法实现输入光纤1与光波导芯片4初步对准；
步骤五：驱动输入侧的光纤承载6轴运动平台3的θx平台在设定范围内运动，同时通过位移传感器713检测到滑块704与底座701的间距T1的变化，直到检测到最大间距T1，并记录当前位置，然后驱动θx平台到最大间距T1位置，以此实现θx方向上的角度对准；
步骤六：驱动输入侧的光纤承载6轴运动平台3的θy平台在设定范围内运动，同时检测位移传感器检测到滑块与底座的间距T2的变化，直到检测到最大间距T2，并记录当前位置，然后驱动θy平台到最大间距T2位置，以此实现θy方向上的角度对准；
步骤七：根据骤五和六，实现输出侧θx方向和θy方向上的角度对准。
上述实施例中，若是将1分N型光波导芯片替换成N分M型光波导芯片，则根据本实施例一种光波导芯片与光纤角度自动对准装置进行角度自动对准的方法中，步骤四不仅需要对输出侧的光纤承载6轴运动平台3的θz平台进行对准，还需要对输入侧的θz平台进行对准。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种光波导芯片与光纤角度自动对准装置，包括光波导芯片(4)；
位于光波导芯片(4)输入端的输入光纤(1)；
位于光波导芯片输出端的输出光纤(2)；
光纤夹具，包括输入光纤夹具、输出光纤夹具，将光纤固定在光纤承载6轴运动平台(3)上；
光波导芯片夹具(8)，将光波导芯片(4)固定在光波导芯片承载平台(5)上；
控制计算机(6)，连接光纤承载6轴运动平台(3)；
其特征在于，所述输入光纤夹具、输出光纤夹具为光纤力感知夹具(7)；
所述光纤力感知夹具(7)包括压紧装置、底座(701)、移动平台、气缸(715)、位移传感器(713)；
所述压紧装置将光纤夹持并固定在移动平台上；
所述移动平台设于底座(701)上，在光纤与光波导芯片(4)接触力作用下，沿着作用力方向移动；
所述气缸(715)紧固在承载光纤的移动平台上，当移动平台带动光纤与光波导芯片(4)接触产生压力时，气缸(715)压缩产生反向推力，使得光纤与光波导芯片(4)保持紧密接触；
所述位移传感器固定在底座(701)上，与承载光纤的移动平台保持一定的间距，将光纤与光波导芯片(4)之间角度的变化变成距离的变化；另一端与控制计算机(6)连接，将距离的变化转化成信号传递给控制计算机(6)，得出移动平台与底座的相对位移。
2.根据权利要求1所述的光波导芯片与光纤角度自动对准装置，其特征在于，所述压紧装置为机械压紧装置，机械压紧装置包括压片(708)、压紧螺母(709)、压紧杆轴(710)以及压紧杆(711)；
移动平台包括旋紧螺母(702)、压块(703)、滑块(704)、承载面(705)、交叉滚柱导轨(706)、第一侧挡柱(707)、第二侧挡柱(712)；
机械压紧装置将光纤固定在移动平台的承载面(705)上；
压紧杆轴(710)固定在承载面(705)上，承载面(705)固定在滑块上；
还包括第一侧挡柱(707)和第二侧挡柱(712)，通过旋紧螺母(702)，压块(703)推挤承载面(705)，承载面(705)紧贴第一侧挡柱(707)和第二侧挡柱(712)，使得承载面(705)与滑块(704)贴合在一起；
滑块(704)固定在交叉滚柱导轨(706)的滑动块(7061)上，交叉滚柱导轨(706)沿着光纤与光波导芯片(4)导接触力方向设置；
在交叉滚柱导轨(706)的不动块(7063)通过螺钉与光纤力感知夹具(7)的底座(701)连接在一起；
在交叉滚柱导轨(706)的滑动块(7061)和不动块(7063)通过滚柱(7064)连接在一起；
滑块(704)与气缸(715)固定连接，气缸(715)通过气缸紧固螺母(14)紧固在光纤力感知夹具(7)的底座(701)上；
位移传感器(713)，固定在底座(701)上，与移动平台的承载面(705)保持一定的间距，用于测量滑块(704)与底座(701)的间距。
3.根据权利要求1所述的光波导芯片与光纤角度自动对准装置，其特征在于，所述光纤力感知夹具(7)上设有螺纹孔，通过螺钉将光纤力感知夹具(7)固定在光纤承载6轴运动平台(3)上。
4.根据权利要求1所述的光波导芯片与光纤角度自动对准装置，其特征在于，所述光纤承载6轴运动平台(3)从下至上依次是Z平台、X平台、Y平台、θz平台、θx平台、θy平台；
光纤力感知夹具(7)夹持固定光纤，固定连接于光纤承载6轴运动平台，连接光波导芯片夹具(8)夹持固定的光波导芯片(4)。
5.根据权利要求4所述的光波导芯片与光纤角度自动对准装置，其特征在于，所述光纤力感知夹具(7)夹持固定光纤，与光纤承载6轴运动平台的θy平台固定连接。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的光波导芯片与光纤角度自动对准装置，其特征在于，所述光波导芯片(4)与输入光纤(1)、输出光纤(2)的光轴的对准精度在0.1um以下；
所述光纤承载6轴运动平台(3)在Z、X、Y方向的平动精度在0.01mm以下；
在θz、θx、θy方向上的回转精度在0.005deg以下。
7.根据权利要求2至5中任意一项所述的光波导芯片与光纤角度自动对准装置进行角度自动对准的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将输入光纤(1)放置在光纤力感知夹具(7)上，固定于输入端的光纤承载6轴运动平台(3)上，并与光源相连；
步骤二：将输出光纤(2)放置在光纤力感知夹具(7)上，固定于输出端的光纤承载6轴运动平台(3)上，并将首末两通道与双通道光功率相连；
步骤三：将光波导芯片(4)放置在波导夹具上，固定于光波导芯片承载平台(5)上；
步骤四：驱动输入侧与输出侧的光纤承载6轴运动平台的X运动平台、Y运动平台、Z运动平台，以及输入侧与输出侧的光纤承载6轴运动平台的θz运动平台，通过算法实现输入光纤、输出光纤与光波导芯片初步对准；
步骤五：驱动输入侧的光纤承载6轴运动平台(3)的θx平台在设定范围内运动，同时通过位移传感器(713)检测到滑块(704)与底座(701)的间距T1的变化，直到检测到最大间距T1，并记录当前位置，然后驱动θx平台到最大间距T1位置，以此实现θx方向上的角度对准；
步骤六：驱动输入侧的光纤承载6轴运动平台(3)的θy平台在设定范围内运动，同时检测位移传感器检测到滑块与底座的间距T2的变化，直到检测到最大间距T2，并记录当前位置，然后驱动θy平台到最大间距T2位置，以此实现θy方向上的角度对准；
步骤七：根据骤五和六，实现输出侧θx方向和θy方向上的角度对准。
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