CN105158859B - 一种多波导与光纤尾纤阵列对准耦合的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波导与光纤尾纤阵列对准耦合的装置及其方法，该装置主要包括双轴转动装置、波导芯片、多光纤槽支座和五维耦合调节台，其方法是现将波导芯片调整到相应坐标，通过功率监测使光纤之一与其对应的波导精确对准，再利用双轴转动装置使波导芯片分别绕两轴转动，通过双功率监测判断转动方向与程度，光纤与波导的偏离随着旋转逐渐减小，最终实现波导与光纤阵列的同时对准耦合。本发明与传统的应用多支座分别耦合相比，不仅支座整体小、重量轻，有利于器件的小型化，而且结构简单、易于操作，增强可靠性，降低了工艺复杂性，提高了效率。

Description

一种多波导与光纤尾纤阵列对准耦合的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种多波导与光纤尾纤阵列对准耦合的装置及方法，属于光学芯片与尾纤耦合技术领域。

背景技术

随着光通讯、光传感的发展，集成光学器件功能越来越强大，波导端口数量也越来越多，尤其是AWG、光开关等阵列波导器件需要大量的尾纤与波导耦合，因此如何实现阵列波导与阵列光纤的精确耦合成为光器件制作必须考虑的关键技术。不同的光纤保护层材料、结构对应着不同的耦合技术，常用的是在光纤端头加装带槽的支座，即LN块技术(光纤槽支座)，该技术先在支座上划出符合光纤尺寸的凹槽，用胶将光纤定位、粘在其中，磨斜、抛光，与波导精确耦合后用紫外胶粘合。该技术扩大了粘接面积，增强了粘接强度，有效解决了端面粘接的热应力问题。然而目前常常利用此技术实现单个波导分支与光纤的连接与耦合，对于多分支则需要多个支座的耦合，无疑是一项繁琐的工作，且不利于器件的集成化、小型化。如对于现行的双尾纤，需要两个支座、两次对准耦合，将两分支耦合进两根光纤分别测量其输出功率，效率低，成本高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利于器件小型化和高效化的多波导与光纤尾纤阵列对准耦合的装置及方法。

本发明的多波导与光纤尾纤阵列对准耦合的装置，包括双轴转动装置、波导芯片、多光纤槽支座和五维耦合调节台；

双轴转动装置包括静块、动块、圆弧状动块和平台；静块具有第一圆弧凹面，动块由具有第二圆弧凹面的静端、连接段和圆弧块状的动端依次固连而成，且第二圆弧凹面与动端的内弧面相向，第一圆弧凹面与第二圆弧凹面的曲率半径相同，且第一圆弧凹面的圆心轴a与第二圆弧凹面的圆心轴b平行，动端的外弧面与静块的第一圆弧凹面相贴合，且动端可在第一圆弧凹面上绕圆心轴a转动，圆弧状动块的外弧面与动块静端的第二圆弧凹面相贴合，且圆弧状动块可在第二圆弧凹面上绕圆心轴b转动，平台的一端与圆弧状动块的内弧面固定，平台与上述两条圆心轴a、b所确定的平面平行；且平台上标记有a、b中线c在平台上的正投影直线c’；

波导芯片置于平台上，多光纤槽支座置于五维耦合调节台上，其表面具有若干与波导芯片的波导分支平行的光纤槽，光纤槽内置有光纤，相邻光纤槽的间距与相邻波导分支的间距相等，位于多光纤槽支座两边缘的第一光纤和第二光纤分别与第一功率计和第二功率计连接，五维耦合调节台用于调节多光纤槽支座的坐标。

上述技术方案中，所述的平台上固定有第三千分尺测微头，第三千分尺测微头连接推杆，推杆设于平台上并垂直于直线c’，用于调节波导芯片在平台上的坐标。

采用上述的装置将多波导与光纤尾纤阵列对准耦合的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)调整波导芯片在平台上的坐标，使波导芯片上位于边缘的两条波导分支的中线d与平台上标记的c’对准；

2)利用五维耦合调节台调整多光纤槽支座的坐标，使多光纤槽支座的一条边缘光纤与波导芯片的一条边缘波导分支对准，当该光纤连接的功率计示数最大时，实现该光纤与该条波导分支的精确耦合，记录上述功率计示数数值A；

3)调节双轴转动装置，使得波导芯片先绕距上述光纤最近的圆心轴转动，当波导芯片的另一边缘光纤连接的功率计示数达最大时，再使波导芯片绕另一条圆心轴转动，至步骤2)中所述功率计示数再次达到最大；

4)重复步骤3)至两个功率计的示数均达到预设要求，设可接受的光纤与波导的偏离值为d，则功率计的示数预设要求C应满足：

C≥B

其中，ω为波导输出的模斑半径，α为波导与光纤的耦合损耗，B为光纤与波导的偏离值恰为d时光纤的输出功率；

此时，即实现波导与光纤尾纤阵列的对准耦合。

本发明的有益之处在于：

本发明的多波导与光纤尾纤阵列对准耦合的装置和方法，将同一支座的两边缘光纤，同时与波导两分支进行对准耦合，不仅整体体积小、重量轻，有利于器件的小型化，而且结构简单、易于操作，提高了生产效率。

附图说明

图1是波导与双光纤耦合的示意图。

图2是本发明的双轴转动装置的整体结构示意图。

图3是本发明的双轴转动装置的转动轴俯视示意图。

图4是本发明的双轴转动装置一种实例的结构示意图。

图5是本发明的波导芯片坐标调节装置的结构示意图。

图6是本发明的波导芯片坐标调节装置的截面示意图。

图7是实施例1将多波导与光纤尾纤阵列对准耦合的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参照图1-3，本发明的多波导与光纤尾纤阵列对准耦合的装置，包括双轴转动装置、波导芯片1、多光纤槽支座5和五维耦合调节台2；

双轴转动装置包括静块13、动块11、圆弧状动块12和平台14；静块13具有第一圆弧凹面，动块11由具有第二圆弧凹面的静端11-1、连接段11-2和圆弧块状的动端11-3依次固连而成，且第二圆弧凹面与动端11-3的内弧面相向，第一圆弧凹面与第二圆弧凹面的曲率半径相同，且第一圆弧凹面的圆心轴a与第二圆弧凹面的圆心轴b平行，两圆弧凹面的角度视具体调节范围而定，一般30°足够满足需求，动端11-3的外弧面与静块13的第一圆弧凹面相贴合，且动端11-3可在第一圆弧凹面上绕圆心轴a转动，圆弧状动块12的外弧面与动块11静端11-1的第二圆弧凹面相贴合，且圆弧状动块12可在第二圆弧凹面上绕圆心轴b转动，精确定位控制滑块沿圆弧曲面运动的功能可以通过现有的成熟技术来实现，如参照五维耦合调节台中的调节机构，或者采用旋钮-齿轮-齿带结构实现，在静块13及动块11的静端11-1侧壁分别安装旋钮，在二者内部分别设置一个或多级依次咬合的齿轮，在动端11-3贴合面处及圆弧状动块12的贴合面处分别固定安装一条齿带，齿带与最后一级齿轮相咬合，通过旋钮带动齿轮转动，从而使齿轮带动齿带运动，实现动端11-3在第一圆弧凹面上绕圆心轴a转动及圆弧状动块12在第二圆弧凹面上绕圆心轴b转动；或者也可采用如图4所示的结构来实现，动端11-3的端部与第一弹簧18的下端连接，第一弹簧18的上端与静块13的第一凸耳相连，第一千分尺测微头17的法兰穿过第一凸耳及第一弹簧18固接在静块13上。动端11-3和静块13贴合面上可设置有凹槽，其内具有若干滚珠，用以保证动端11-3的外弧面紧密贴合静块13的第一圆弧凹面转动；同样的，圆弧状动块12的上端与第二弹簧10的下端连接，第二弹簧10的上端与静端11-1伸出的第二凸耳相连，第二千分尺测微头19的法兰穿过第二凸耳及第二弹簧10固接在静端11-1上，圆弧状动块12的侧面及下面和静端11-1的贴合处也可设置凹槽，内有滚珠，用以保证圆弧状动块12的外弧面紧密贴合静端11-1的第二圆弧凹面转动。当旋转第一千分尺测微头17使第一弹簧18压缩，则将推动动端11-3沿静块13的第一圆弧凹面向下滑动，反之，旋转第一千分尺测微头17使第一弹簧18拉伸，则将推动动端11-3沿静块13的第一圆弧凹面向上滑动。圆弧状动块12的外弧面贴合静端11-1的第二圆弧凹面转动方法类似，不做详细描述。

平台14的一端与圆弧状动块12的内弧面固定，平台14与上述两条圆心轴a、b所确定的平面平行，且平台14上标记有a、b中线c在平台14上的正投影直线c’；

波导芯片1置于平台14上，多光纤槽支座5置于五维耦合调节台2上，其表面具有若干与波导芯片1的波导分支平行的光纤槽，光纤槽内置有光纤，相邻光纤槽的间距与相邻波导分支的间距相等，位于多光纤槽支座5两边缘的第一光纤6和第二光纤7分别与第一功率计8和第二功率计9连接，五维耦合调节台2用于调节多光纤槽支座5的坐标。

上述方案中，所述的平台14上还可以固定有第三千分尺测微头15，第三千分尺测微头15连接推杆16，推杆16设于平台14上并垂直于直线c’，用于调节波导芯片1在平台14上的坐标。如图5～图6所示，将波导芯片1放置在平台14上靠近推杆的一端，调节第三千分尺测微头15，推杆16推动波导芯片1沿推杆方向平行移动，直到显微镜下观察到波导分支3、4的中线恰好与轴a、轴b的中线c对齐重合。

如图1所示，波导输出端包含多个分支，其中要调节实现与光纤对准耦合的是波导的两边缘分支3、4，两分支中线做特殊标记，对于对称Y波导，两分支中线即为Y前端波导，光纤6、7为保偏光纤。本发明的装置可使得两边缘分支与两保偏光纤实现精确对准。

下面通过两个具体实例来说明本发明实现多波导与光纤尾纤阵列精确对准的方法。

实施例1

两波导分支3、4间距离为400μm，控制静块、动块上圆弧凹面的曲率半径，使得两圆心轴a、b间距离为2mm，进行如下操作：

a、调整波导芯片1在平台14上的坐标，使波导芯片1上位于边缘的两条波导分支3、4的中线d与平台14上标记的c’对准；

b、利用五维耦合调节台调整多光纤槽支座5的坐标使第一光纤6与波导分支3精确耦合，即功率计8示数最大，并记录该示数A；之后多光纤槽支座5的坐标不再变化，即第一光纤6及第二光纤7的位置不变，即图7中的6、7位置；第一光纤6与波导分支3精确耦合时，波导分支4与第二光纤7有初始偏离；

c、调节双轴转动装置的动块11，使之沿静块13内侧壁做小角度滑动，带动波导芯片绕轴a转动，旋转方向为使功率计9示数增大的方向，直至功率计9示数最大，此时，圆心轴a不变，圆心轴b位置变为b’，波导分支4位置变为4’，与第二光纤7耦合，波导分支3位置变为3’，与第一光纤6偏离；

假设当光纤6与波导分支3精确对准时，光纤6、7端点连线相对波导分支3、4端点连线的偏离角度为2°，即光纤7与波导分支4的初始偏离为13.962μm，通过计算得绕轴a旋转0.665°后，两光纤6、7与波导分支3、4的偏离分别为9.307μm、0.162μm。在波导与光纤模斑匹配的情况下，因光纤与波导的径向位错而造成的耦合损耗为

式中，d为光纤与波导的径向位错，ω为波导输出的模斑半径。将光纤7与波导分支4的偏离转化为损耗，那么当模斑半径为4μm时，径向偏离0.162μm引起损耗为0.00712dB，

由步骤b中记录的光纤6与波导分支3精确耦合时功率计8的示数A得到此时功率计9的最大示数；

d、调节双轴转动装置的圆弧状动块12，使之沿动块11内侧壁做小角度滑动，则波导芯片将绕轴b转动(即绕图7中的b’)，直至功率计8示数最大，此时，圆心轴a移动到a’位置，波导分支3移动到3”位置(即回到位置3)，与第一光纤6耦合，波导分支4从位置4’变为位置4”，再次与第二光纤7偏离。

计算得此次旋转角为0.447°，两光纤6、7与波导分支3、4的偏离分别为0.090μm、6.243μm。当模斑半径为4μm时，光纤6与波导分支3的径向偏离0.090μm引起的损耗为0.00209dB，进而得到此时功率计8的最大示数；

e、重复步骤c、d，直到两功率计8、9示数均达到要求。

计算得，四次旋转后偏离分别为0.108μm、2.776μm；八次旋转后偏离分别为0.112μm、0.559μm；十六次旋转后偏离分别为0.113μm、0.113μm。此时两分支与对应光纤的偏离量较小且近似相等，继续旋转，偏离变化很小，所以本实施例旋转到第十六次。将此偏离转化为损耗，那么因光纤与波导的径向位错0.113μm而造成的耦合损耗为0.00346dB，由步骤b中记录的光纤6与波导分支3精确耦合时功率计8的示数得到功率计8、9的最终要求示数。

此时波导阵列与光纤阵列的偏离主要表现为沿光纤阵列端点的连线方向上，利用五维耦合调节台在此方向上微调支座坐标使得两功率计示数最大，可实现波导阵列和光纤阵列更为精准的对准耦合。

若先精确对准光纤7与波导分支4，则应首先调节双轴转动装置的圆弧状动块12，使之沿动块11内侧壁做小角度滑动，则波导芯片将绕轴b转动，直至功率计8示数最大，再调节双轴转动装置的动块11，使之沿静块13内侧壁做小角度滑动，则波导芯片将绕轴a转动，直至功率计9示数最大。重复调节，直到两功率计8、9示数均达到要求。

实施例2

本实施例与实施例1的结构与实现方法的区别在于：利用实验观察法对双轴转动装置的轴a、b的中线c在双轴转动装置的平台14上进行标记时，将会存在5～10μm的偏差；在显微镜下观察，利用第三千分尺测微头装置调节芯片坐标使得波导分支中线2与轴a、b的中线投影c’对齐重合时也会存在5μm左右的偏差。所以本实施例中假设波导分支中线2和双轴转动装置的轴a、b的中线c存在10μm的偏离。其它的与实施例1无变化，在此仅描述最后波导分支与双光纤同时对准耦合的实现。

计算得到第一次绕轴a旋转0.659°后，两光纤6、7与波导分支3、4的偏离分别为9.346μm、0.163μm，径向偏离0.163μm引起损耗为0.00720dB，得到此时功率计9的最大示数；第二次绕轴b旋转0.453°后，偏离分别为0.090μm、6.244μm，径向偏离0.090μm引起损耗为0.00209dB，得到此时功率计8的最大示数；四次旋转后偏离分别为0.109μm、2.777μm；八次旋转后偏离分别为0.113μm、0.560μm；十七次旋转后偏离分别为0.114μm、0.114μm，此时两分支与对应光纤的偏离量较小且近似相等，继续旋转，偏离变化很小，所以本实施例旋转到第十七次。将此偏离转化为损耗，那么因光纤与波导的径向位错0.114μm而造成的耦合损耗为0.00353dB，得到功率计8、9的最终要求示数。

与实施例1的结果比较可以看出，同样次数的旋转后，本实施例中两光纤6、7与波导分支3、4的偏离会稍大，但是差别在0.001μm量级，完全可以接受，即当波导分支中线2和双轴转动装置的轴a、b的中线c存在10μm的偏离时，此方法仍然有较好的应用。若要实现0.12μm以下的偏离，允许的c’与d的横向偏离容差为86μm，可见此方法在较宽松的条件下有较好的应用效果。

Claims (3)

1.一种多波导与光纤尾纤阵列对准耦合的装置，其特征在于，包括双轴转动装置、波导芯片(1)、多光纤槽支座(5)和五维耦合调节台(2)；

双轴转动装置包括静块(13)、动块(11)、圆弧状动块(12)和平台(14)；静块(13)具有第一圆弧凹面，动块(11)由具有第二圆弧凹面的静端(11-1)、连接段(11-2)和圆弧块状的动端(11-3)依次固连而成，且第二圆弧凹面与动端(11-3)的内弧面相向，第一圆弧凹面与第二圆弧凹面的曲率半径相同，且第一圆弧凹面的圆心轴a与第二圆弧凹面的圆心轴b平行，动端(11-3)的外弧面与静块(13)的第一圆弧凹面相贴合，且动端(11-3)可在第一圆弧凹面上绕圆心轴a转动，圆弧状动块(12)的外弧面与动块(11)静端(11-1)的第二圆弧凹面相贴合，且圆弧状动块(12)可在第二圆弧凹面上绕圆心轴b转动，平台(14)的一端与圆弧状动块(12)的内弧面固定，平台(14)与上述两条圆心轴a、b所确定的平面平行，且平台(14)上标记有a、b中线c在平台(14)上的正投影直线c’；

波导芯片(1)置于平台(14)上，多光纤槽支座(5)置于五维耦合调节台(2)上，其表面具有若干与波导芯片(1)的波导分支平行的光纤槽，光纤槽内置有光纤，相邻光纤槽的间距与相邻波导分支的间距相等，位于多光纤槽支座(5)两边缘的第一光纤(6)和第二光纤(7)分别与第一功率计(8)和第二功率计(9)连接，五维耦合调节台(2)用于调节多光纤槽支座(5)的坐标。

2.根据权利要求1所述的多波导与光纤尾纤阵列对准耦合的装置，其特征在于，所述的平台(14)上固定有第三千分尺测微头(15)，第三千分尺测微头(15)连接推杆(16)，推杆(16)设于平台(14)上并垂直于直线c’，用于调节波导芯片(1)在平台(14)上的坐标。

3.应用如权利要求1所述的装置将多波导与光纤尾纤阵列对准耦合的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)调整波导芯片(1)在平台(14)上的坐标，使波导芯片(1)上位于边缘的两条波导分支(3、4)的中线d与平台(14)上标记的c’对准；

2)利用五维耦合调节台(2)调整多光纤槽支座(5)的坐标，使多光纤槽支座(5)的一条边缘光纤与波导芯片(1)的一条边缘波导分支对准，当该光纤连接的功率计示数最大时，实现该光纤与该条波导分支的精确耦合，记录上述功率计示数数值A；

3)调节双轴转动装置，使得波导芯片先绕距上述光纤最近的圆心轴转动，当波导芯片的另一边缘光纤连接的功率计示数达最大时，再使波导芯片绕另一条圆心轴转动，至步骤2)中所述功率计示数再次达到最大；

4)重复步骤3)至两个功率计的示数均达到预设要求，设可接受的光纤与波导的偏离值为d，则功率计的示数预设要求C应满足：

$\mathrm{\α}=4.34{\left(\frac{d}{\mathrm{\ω}}\right)}^2$

$\mathrm{\α}=-10\·\lg \left(\frac{B}{A}\right)$

C≥B

其中，ω为波导输出的模斑半径，α为波导与光纤的耦合损耗，B为光纤与波导的偏离值恰为d时光纤的输出功率；

此时，实现波导与光纤尾纤阵列的对准耦合。