CN106324750B - 一种细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统及方法 - Google Patents

一种细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于微器件制造技术领域，涉及一种细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统及方法。本发明耦合系统包括光学平台(11)、三维调节台Ⅰ(6)、滑块(8)、导轨(9)、固定基座(12)、精密三维对接耦合台(13)、控制处理系统(19)、显微镜Ⅲ(20)、定轴装置(21)、二维微调平台(22)、光电转换器(23)。本发明能够实现细径保偏光纤的精密定轴控制同时也方便和微芯片耦合对接，具有对定轴准确，操作方便，系统简单的特点。

Description

一种细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统及方法
技术领域
本发明属于微器件制造技术领域，涉及一种细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统及方法。
背景技术
如图1所述，本发明所指细径保偏光纤其包层1直径只有40μm，其纤芯4只有2-3μm，应力区2为椭圆型。这种光纤直径远远小于普通光纤。
目前，对光纤的定轴控制主要有两种方法，其一是以“五指法”为代表的光纤侧面打光定轴方法，其二是以集成光学调制器等为应用场合的端面检测方法，这种方法是将光纤粘接在陶瓷块后进行端面检测的方法。
本发明提出的细径保偏光纤定轴控制属于端面检测方法，但是由于细径保偏光纤直径太细，采用现有方法无法获得高精度的定轴控制。
发明内容
本发明的目的是：提出了一种能够细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统。
另外，本发明还提供一种细径保偏光纤与微芯片定轴耦合方法。
本发明的技术方案是：一种细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统，其包括光学平台11、三维调节台Ⅰ6、滑块8、导轨9、固定基座12、精密三维对接耦合台13、控制处理系统19、显微镜Ⅲ20、定轴装置21、二维微调平台22、光电转换器23，其中，导轨9固定在光学平台11上，滑块8设置在导轨9内，三维调节台Ⅰ6和滑块8固定在一起，同时三维调节台Ⅰ6和固定基座12也固定在一起，固定基座12靠近三维调节台Ⅰ6的部分固定有光电转换器23，在远离三维调节台Ⅰ6的一端固定有二维微调平台22，精密三维对接耦合台13固定在光学平台的右下方，用于对保偏光纤端面进行成像的显微镜Ⅲ20固定在光学平台11上，并与控制处理系统19连接，所述控制处理系统19与控制定轴装置21连接，以使得保偏光纤转动到指定角度。
所述定轴装置21包括步进电机24、变速器28、联轴器29、光纤夹头底座25、光纤夹头26和压块27，所述步进电机24和变速器28连接在一起，光纤夹头26固定在光纤夹头底座25中并且能够自由旋转，所述光纤夹头底座25和光纤夹头26整体放置在二维微调平台22上，变速器28和光纤夹头26通过联轴器29连接在一起。
光纤夹头26的头部带有细缝，且光纤夹头26中部装有小磁铁30，用以吸附压块，保证压紧力。
所述显微镜Ⅲ20镜头中心线高度和光纤夹头26的中心线高度相同，且工作在暗场模式。
所述光学平台11上通过支杆18固定有显微镜Ⅱ17，使得显微镜Ⅱ17位于精密三维对接耦合台13的正上方。
光学平台上固定有三维调节台Ⅱ14，三维调节台Ⅱ14上固定有显微镜Ⅰ15，通过调节三维调节台Ⅱ14的三个方向位移，实现显微镜Ⅰ15对光纤端面和微芯片端面位置的检测。
所述的细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统包括两个相互垂直的调节杆Ⅰ32和调节杆Ⅱ33，二者由万向节31连接在一起，其中，调节杆Ⅰ32和光学平台11固定在一起，调节杆Ⅱ33的一端设置有支撑座34。
光学平台上固定有支架16，处于在精密三维对接耦合台13的旁边。
导轨9两端安装有限位块Ⅰ7和限位块Ⅱ10，保证固定在导轨9上的滑块8每次滑动的位置恒定。
一种细径保偏光纤与微芯片定轴耦合，其对细径保偏光纤对接端进行切割处理后，将其另一端耦合至光源5上；通过改变光源5的输出波长，使得细径保偏光纤与芯片耦合端面不同区域发亮；通过显微镜Ⅲ20对保偏光纤端面进行成像，显微镜Ⅲ20将所成像传输至控制处理系统19；控制处理系统19通过图像处理获得保偏光纤光轴的角度信息，通过控制定轴装置21使得保偏光纤转动到指定角度；
完成光纤定轴控制后，通过整体移动导轨9上的滑块8，使得定轴装置21移动至精密三维对接耦合台13处；将细径保偏光纤连接至光源5的一端重新拨出后，连接至光电转换器23上，调节精密三维对接耦合台13的三个轴向位移，通过检测光电转换器23的检测信号，实现细径保偏光纤和芯片的对接。
本发明的技术效果是：本发明能够实现细径保偏光纤的精密定轴控制同时也方便和微芯片耦合对接，具有对定轴准确，操作方便，系统简单的特点。
附图说明
图1细径保偏光纤端面结构图；
图2细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统结构图；
图3定轴装置结构图；
图4光纤夹头示意图；
图5支杆结构示意图，
其中，1-包层、2-涂敷层、3-应力区、4-纤芯、5-光源、6-三维调节台Ⅰ、7-限位块Ⅰ、8-滑块、9-导轨、10-限位块Ⅱ、11-光学平台、12-固定基座、13-精密三维对接耦合台、14-三维调节台Ⅱ、15-显微镜Ⅰ、16-支架、17-显微镜Ⅱ、18-支杆、19-控制处理系统、20-显微镜Ⅲ、21-定轴装置、22-二维微调平台、23-光电转换器、24-步进电机、25-光纤夹头底座、26-光纤夹头、27-压块、28-变速器、29-联轴器、30-小磁铁、31-万向节、32-调节杆Ⅰ、33-调节杆Ⅱ、34-支撑座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图2所述，本发明细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统结构光学平台11、三维调节台Ⅰ6、滑块8、导轨9、固定基座12、精密三维对接耦合台13、控制处理系统19、显微镜Ⅲ20、定轴装置21、二维微调平台22、光电转换器23。其中，导轨9固定在光学平台11上，导轨9两端安装有限位块Ⅰ7和限位块Ⅱ10，保证固定在导轨9上的滑块8每次滑动的位置恒定。三维调节台Ⅰ6和滑块8固定在一起，同时三维调节台Ⅰ6和固定基座12也固定在一起。三维调节台Ⅰ6可以调节沿导轨8安装方向X轴向，垂直导轨8安装的水平方向Y轴向和垂直导轨8安装的垂直方向Z轴向的三个方向位移。固定基座12靠近三维调节台Ⅰ6的部分固定有光电转换器23，在远离三维调节台Ⅰ6的一端固定有二维微调平台22。二维微调平台22可以调节绕Y轴向旋转的角度和绕Z轴旋转的角度。定轴装置21固定在二维微调平台22上，其功能是实现光纤的轴向转动，实现细径保偏光纤的定轴控制。定轴装置21和控制处理系统19连接，受控制处理系统19的指令控制。
显微镜Ⅲ20固定在光学平台11上，其镜头中心线高度和光纤夹头26的中心线高度相同，保证能够对光纤夹头26中的细径保偏光纤端面进行成像。为了获得较好的成像效果，显微镜Ⅲ20工作在暗场模式，具有较好的杂散光消除能力。
精密三维对接耦合台13固定在光学平台的右下方，位于支架16旁边。显微镜Ⅱ17通过支杆18固定在光学平台11上，使得显微镜Ⅱ17位于精密三维对接耦合台13的正上方，这样可以对细径保偏光纤和微芯片的轴向距离进行检测。三维调节台Ⅱ14固定在光学平台上，其上固定有显微镜Ⅰ15，通过调节三维调节台Ⅱ14的三个方向位移，实现显微镜Ⅰ15对光纤端面和微芯片端面位置的检测。其中，三维调节台Ⅱ14可调节的方向和三维调节台Ⅰ6的方向相同。
如图3所述，定轴装置21包括步进电机24、变速器28、联轴器29、光纤夹头底座25、光纤夹头26和压块27。所述步进电机24和变速器28连接在一起，使得步进电机24输出的角度进一步细化。光纤夹头26固定在光纤夹头底座25中并且能够自由旋转。将光纤夹头底座25和光纤夹头26整体放置在二维微调平台22上，变速器28和光纤夹头26通过联轴器29连接在一起。调节联轴器29能够实现变速器28和光纤夹头26分离，方便对接操作。
如图4所述，光纤夹头26在操作时将待耦合细径保偏光纤端头切割处理后，放置在光纤夹头26的细缝之中，放置好光纤后用压块压住光纤。另外，在光纤夹头26中部装有小磁铁30，可以吸附压块，保证压紧力。
如图5所述，支架16固定在光学平台上，处于在精密三维对接耦合台13的旁边。调节杆Ⅰ32和光学平台11固定在一起，万向节31将调节杆Ⅰ32和调节杆Ⅱ33连接在一起，保证调节杆Ⅰ32和调节杆Ⅱ33能够任意角度转动，同时调节杆Ⅰ32和调节杆Ⅱ33也自身也能够伸长或收缩。支撑座34固定在调节杆Ⅱ33的一端，这样可以保证支撑座34放置在合适位置，能够根据实际进行调整。
本发明在工作过程中，按照以下步骤完成细径保偏光纤和微芯片的耦合对接。
首先将待耦合细径保偏光纤的端面进行切割处理，将细径保偏光纤待耦合端放置在光纤夹头26的细缝中。用压块27压紧光纤后，将光纤夹头底座25放置在二维微调平台22上，并通过联轴器29将光纤夹头26和变速器28相连接。将待耦合细径保偏光纤的另一端耦合至光源5上。
接着，在控制处理系统19上点击开始按钮，控制处理系统19控制显微镜Ⅰ15工作在反射光模式，调节三维调节台Ⅰ6和二维微调平台22，使得待耦合光纤的端面能够在显微镜Ⅰ6上清晰成像。点击控制处理系统19上定轴控制按钮，控制处理系统19控制显微镜Ⅰ6工作在透射光工作模式，也就是说光源5的光耦合至细径保偏光纤后出射至显微镜Ⅰ6上。控制光源5工作波长为600nm左右。由于该波段光能够在细径保偏光纤的包层中传输，所以细径保偏光纤端面包层在显微镜Ⅲ20上成像时明亮突出。控制处理系统19启动显微镜Ⅲ20的拍照模式，对细径保偏光纤端面进行成像。获取图像后调节光源5工作波长为850nm，使得细径保偏光纤的应力区明亮突出。再次启动显微镜Ⅲ20的拍照模式，对细径保偏光纤端面进行成像。控制处理系统19将获取的两张图像进行数字图像处理后获得细径保偏光纤的光轴方向。控制处理系统19进行细径保偏光纤光轴计算的方法如下：
控制处理系统19将第一次获取的光纤涂敷明亮图像进行边缘检测、二值化和边缘细化三个步骤后，进行整个图像范围内的圆拟合，将拟合的最大圆作为下一步分析的区域。
完成分析区域确定后，对第二幅图像进行分析区域内边缘检测、二值化和边缘细化，去除孤立噪声后，进行椭圆拟合。在椭圆拟合过程中，采用提前标定的初步椭圆参数方程进行拟合，这样可以提高拟合效率。拟合完成后，获得最终的椭圆方程，根据椭圆方程计算椭圆的角度，该角度即为光纤光轴的角度。
控制处理系统19获得细径保偏光纤的光轴角度后，控制步进电机24进行步进转动，同时按照以上方法进行采集处理，实时进行闭环控制，保证细径保偏光纤的光轴准确的转动到设定角度。
最后，本发明在完成细径保偏光纤定轴后，将细径保偏光纤与光源5耦合的一端松开，连接至光电装换器23上。通过滑动导轨9上的滑块8，使得三维调节台Ⅰ6、光电转换器23及定轴装置21整体移动至导轨9上的限位块Ⅱ10所在位置。松开定轴装置21的联轴器29，将光纤夹头26和变速器28分开，将光纤夹头底座25和光纤夹头26一起放置在支杆18的支撑座34上。将需要对接的微芯片加持在调节精密三维对接耦合台13上。
点击控制处理系统19上对接耦合按钮，控制处理系统19通过控制显微镜Ⅰ15和显微镜Ⅱ17成像后，进行数字图像处理，获得光纤和芯片的位置，并且控制光电装换器23获得光纤端面输出信号。通过调节精密三维对接耦合台13的三个轴向位移，使得光纤和芯片的相对位置及光电转换器23输出信号符合规定值后，对光纤和芯片进行固定。
这就完成了光纤和芯片的定轴对接耦合，打开压块27，取出光纤，滑动滑块8使得装置恢复初始位置，准备下一个对接耦合操作。

Claims (10)

1.一种细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统，其特征在于，包括光学平台(11)、三维调节台Ⅰ(6)、滑块(8)、导轨(9)、固定基座(12)、精密三维对接耦合台(13)、控制处理系统(19)、显微镜Ⅲ(20)、定轴装置(21)、二维微调平台(22)、光电转换器(23)，其中，导轨(9)固定在光学平台(11)上，滑块(8)设置在导轨(9)内，三维调节台Ⅰ(6)和滑块(8)固定在一起，同时三维调节台Ⅰ(6)和固定基座(12)也固定在一起，固定基座(12)靠近三维调节台Ⅰ(6)的部分固定有光电转换器(23)，在远离三维调节台Ⅰ(6)的一端固定有二维微调平台(22)，精密三维对接耦合台(13)固定在光学平台的右下方，用于对保偏光纤端面进行成像的显微镜Ⅲ(20)固定在光学平台(11)上，并与控制处理系统(19)连接，所述控制处理系统(19)与控制定轴装置(21)连接，以使得保偏光纤转动到指定角度。
2.根据权利要求1所述的细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统，其特征在于，所述定轴装置(21)包括步进电机(24)、变速器(28)、联轴器(29)、光纤夹头底座(25)、光纤夹头(26)和压块(27)，所述步进电机(24)和变速器(28)连接在一起，光纤夹头(26)固定在光纤夹头底座(25)中并且能够自由旋转，所述光纤夹头底座(25)和光纤夹头(26)整体放置在二维微调平台(22)上，变速器(28)和光纤夹头(26)通过联轴器(29)连接在一起。
3.根据权利要求2所述的细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统，其特征在于，光纤夹头(26)的头部带有细缝，且光纤夹头(26)中部装有小磁铁(30)，用以吸附压块，保证压紧力。
4.根据权利要求2所述的细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统，其特征在于，所述显微镜Ⅲ(20)镜头中心线高度和光纤夹头(26)的中心线高度相同，且工作在暗场模式。
5.根据权利要求2所述的细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统，其特征在于，所述光学平台(11)上通过支杆(18)固定有显微镜Ⅱ(17)，使得显微镜Ⅱ(17)位于精密三维对接耦合台(13)的正上方。
6.根据权利要求2所述的细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统，其特征在于，光学平台上固定有三维调节台Ⅱ(14)，三维调节台Ⅱ(14)上固定有显微镜Ⅰ(15)，通过调节三维调节台Ⅱ(14)的三个方向位移，实现显微镜Ⅰ(15)对光纤端面和微芯片端面位置的检测。
7.根据权利要求2所述的细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统，其特征在于，包括两个相互垂直的调节杆Ⅰ(32)和调节杆Ⅱ(33)，二者由万向节(31)连接在一起，其中，调节杆Ⅰ(32)和光学平台(11)固定在一起，调节杆Ⅱ(33)的一端设置有支撑座(34)。
8.根据权利要求2所述的细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统，其特征在于，光学平台上固定有支架(16)，处于在精密三维对接耦合台(13)的旁边。
9.根据权利要求2所述的细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统，其特征在于，导轨(9)两端安装有限位块Ⅰ(7)和限位块Ⅱ(10)，保证固定在导轨(9)上的滑块(8)每次滑动的位置恒定。
10.一种应用于权利要求2所述的细径保偏光纤与微芯片定轴耦合系统的细径保偏光纤与微芯片定轴耦合方法，其特征在于，对细径保偏光纤对接端进行切割处理后，将细径保偏光纤待耦合端放置在光纤夹头(26)的细缝中，用压块(27)压紧光纤后，将光纤夹头底座(25)放置在二维微调平台(22)上，并通过联轴器(29)将光纤夹头(26)和变速器(28)相连接，将其另一端耦合至光源(5)上；通过改变光源(5)的输出波长，使得细径保偏光纤与芯片耦合端面不同区域发亮；通过显微镜Ⅲ(20)对保偏光纤端面进行成像，显微镜Ⅲ(20)将所成像传输至控制处理系统(19)；控制处理系统(19)通过图像处理获得保偏光纤光轴的角度信息，通过控制定轴装置(21)使得保偏光纤转动到指定角度；完成光纤定轴控制后，通过整体移动导轨(9)上的滑块(8)，使得定轴装置(21)移动至精密三维对接耦合台(13)处；将细径保偏光纤连接至光源(5)的一端重新拨出后，连接至光电转换器(23)上，调节精密三维对接耦合台(13)的三个轴向位移，通过检测光电转换器(23)的检测信号，实现细径保偏光纤和芯片的对接。
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