CN108873183B - 一种具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，具有二维调节结构，其下部凹进内设置机架，前端端部设计光纤放置槽，槽内设置光纤尾纤块，由光纤压板压紧，且光纤压板压力可调。机架与二维调节结构间通过柔性铰链相连，使二维调节结构俯仰角度可调；同时机架下方安装偏摆滑板，两者间可转动，实现二维调节结构偏摆角度调节。偏摆角度下方安装固定机构，用于实现与波导芯片耦合位移台间连接。且在偏摆滑板、固定基座和基座滑板分别在X、Y、Z轴方向设置长圆孔，实现二维调节结构三轴方向上的位置调节。本发明可灵活调节光纤夹紧压力以及光纤夹具安装位置，具有的二维姿态调节功能串联三维平移台和一维旋转台可实现光纤六维位姿调整。

Description

一种具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具

技术领域

本发明涉及一种光纤夹具，尤其涉及一种具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具。

背景技术

集成光波导器件，简称光波导器件是一种基于导波光学理论与微电子加工技术的光学器件，由于其体积小，密度高，被广泛应用于光纤通信、光纤传感等领域。

光波导器件的制作主要包括光波导芯片的制作与光波导器件的的耦合封装。光波导器件的耦合封装又分为波导芯片与光纤的位姿对准与对准后的固接。波导芯片与光纤的位姿对准需要将光纤安装于光纤夹具上并夹紧，将光纤夹具安装于手动运动平台或电动运动平台上，通过调节运动平台的位置来控制光纤与光波导芯片的相对位姿。研究表明，当光波导芯片与光纤存在位姿偏差时，对光波导器件的生产质量都有着重大影响。波导芯片与光纤横向位错、纵向间距、轴向角度的几何偏差分别为0.1μm、1μm和0.1°时，将产生0.15dB的耦合附加损耗，并且附加损耗随着二者对准偏差呈指数上升。

保偏光纤是一种对线偏振光有较强的偏振保持能力的特种光纤，多应用于光纤传感技术领域。它主要由涂覆层、包层、芯纤和应力区等组成，其中应力区为包层内两个圆形区域，平行于两应力区连线方向为保偏光纤慢轴，垂直于两应力区连线方向为保偏光纤快轴，亦称偏振轴。当采用保偏光纤与光波导芯片耦合，还应调节保偏光纤的偏振方向，与光波导偏振方向平行。

为了便于光波导芯片与光纤固接，一般需要将光纤粘附在立方体形状的铌酸锂材质的光纤尾纤块内，经过研磨抛光后方可用于与光波导芯片的耦合。由前所述，光波导芯片与光纤对准需求为微米级或亚微米级，需要借助高精密运动平台实现光纤的位姿调节，受限于国内精密台的生成技术，耦合对准所需的精密运动平台实多依赖于进口，导致光波导器件生产成本很高。此外由于铌酸锂材质较脆，现有的光纤夹具存在易夹碎或夹持不紧的缺点，进一步加大了光纤夹设计的难度。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，结构如下：

本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，由二维调节结构、压力调节块、光纤压板和连接轴作为主体。

其中，二维调节结构下部具有凹进，内部设置机架。二维调节结构前端设计有光纤放置槽位，用于放置光纤尾纤块。连接轴沿Y轴设置，贯穿二维调节结构前后侧面，两端分别固定光纤压板与压力调节块，通过压力调节弹簧对压力调节块的拉力作用，使光纤压板将光纤放置槽位内的光纤尾纤块压紧；

二维调节结构相对于机架前端通过两个柔性铰链与二维调节结构间连接，使二维调节结构具有绕两个柔性铰链的簧片所在平面交线为转轴转动的俯仰运动，实现光纤放置槽位内的光纤尾纤块的俯仰运动。

机架底部安装有偏摆滑板，偏摆滑板前端顶部设计有弧度为90度的滑台，与机架底部前方设计的弧度为90度的滑槽配合插接。由此使机架带动二维调节结构以滑台弧心轴为轴线转动，进而改变光纤尾纤块的偏摆角度。

上述光纤尾纤块所受压力，光纤尾纤块的俯仰角度以及光纤尾纤块偏摆角度均可调。

偏转滑板底部安装有固定基座；固定基座为具有用于与偏转滑板固定的底座；还具有基座滑板，作为偏转滑板与固定基座间的中间连接件。在偏摆滑板、固定基座和基座滑板分别在X轴、Y轴、Z轴方向设置长圆孔，实现光纤尾纤块X轴、Y轴、Z轴三轴方向上的调节。

本发明的优点在于：

1本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，与传统光纤夹具相比，增加了二维姿态调节功能，使用本发明光纤夹具串联三维平移台和一维旋转台可实现光纤六维位姿调整，降低了光波导耦合运动平台维数，避免了直接选用六维台导致的高成本问题。

2本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，在偏摆滑板、固定基座和基座滑板分别在X轴、Y轴、Z轴方向设置长圆孔，可以灵活调节光纤夹具安装位置，使得光纤安装初始位置置于合适位置，缩短了耦合时间。并且调节光纤夹具安装位置适用于不同长度的波导芯片。

3本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，二维调节结构可以从下层偏摆滑板取下，方便光纤夹紧操作，夹紧光纤后通过非整圆转动轴、槽配合实现初始定位，通过接触面两侧磁体实现带有吸附力的结合，保证接触面两侧可以相对移动且配合稳定。

4本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，偏摆滑板利用初始定位的非整圆转动轴，配合二维调节结构的非整圆转动槽，进一步实现绕结构外中心的转动，完成远端光纤偏摆角度调节,避免最终耦合点所在的偏摆转心位置被占用。

5本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，永磁体吸附非接触方式提供光纤偏摆方向回复力，并且采用永磁体吸附保证偏摆驱动螺钉与二维调节结构表面紧密贴合，消除了偏摆方向调节时的回程误差，提高了偏摆方向转动精度。

6本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，采用梯形柔性四杆机构实现虚拟远程中心的转动，完成远端光纤俯仰角度调节，避免最终耦合点所在的俯仰转心位置被占用。

7本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，采用弹簧连接柔性铰链两臂，使螺钉与柔性铰链动力臂紧密贴合，消除了俯仰方向调节时的回程误差，提高了俯仰方向转动精度。

附图说明

图1为本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具整体结构示意图。

图2为本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具中二维调节结构示意图。

图3为本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具中二维调节结构右视示意图。

图4为本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具中二维调节结构后视示意图。

图5为本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具中二维调节结构仰视示意图。

图6为本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具中偏转滑板结构示意图。

图7为本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具中固定基座结构示意图。

图8为本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具中基座滑板结构示意图。

图9为本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具中固定基座仰视示意图。

图中：

1-二维调节结构 2-偏摆滑板 3-基座滑板

4-固定基座 5-压力调节块 6-光纤压板

7-连接轴 8-永磁体安装位A 9-永磁体安装位B

10-LED灯座 101-机架 102-光纤放置槽位

103-压力调节弹簧设置孔 104-压力调节弹簧下固定螺纹孔

105压力调节弹簧上固定螺纹孔 106-转动调节弹簧安装孔

107-转动调节弹簧下端固定螺纹孔 108-转动调节弹簧上端固定螺纹孔

109-转动调节螺纹孔 110-滑槽

201-滑台 202-长圆孔A 203-突起

301-基座滑板定位通孔 302-凹槽 303-长圆孔B

401-偏摆角度螺纹孔 402-固定基座定位通孔 403-长圆孔C

404-竖直调节螺纹孔 405-垫块 501-压力调节块固定螺纹孔

502-压力调节螺纹孔 601-板状压紧部 602-连接部

603-光纤压板固定螺纹孔

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，用于保偏光纤的夹持，包括二维调节结构1、偏摆滑板2、基座滑板3、固定基座4、压力调节块5、光纤压板6和连接轴7装配而成，如图1所示，令其左右方向为x轴，前后方向为Y轴，竖直方向为z轴。

所述二维调节结构1、压力调节块5、光纤压板6和连接轴7作为本发明光纤夹具主体，如图2所示。其中，二维调节结构1下部具有凹进部分，内部设置有机架101形成倒U性结构。二维调节结构1前端端部左侧设计有光纤放置槽位102，用来放置光纤尾纤块。连接轴7沿Y轴设置，贯穿二维调节结构1前后侧面，且经过二维调节结构1下部凹进部分。连接轴7两端分别安装有光纤压板6与压力调节块5，使压力调节块5的转动可带动光纤压板6的转动，进而使光纤压板6将光纤尾纤块压紧于光纤放置槽位102内，且通过压力调节块5还可实现光纤压板6对光纤尾纤块的压力调节；具体实现方式为：

压力调节块5套于连接轴7后端，其右侧面上设计有压力调节块固定螺纹孔501，通过螺钉穿过压力调节块固定螺纹孔501与连接轴7相连，实现压力调节块5与连接轴7间的固定。光纤压板6具有板状压紧部601与连接部602。连接部602套于连接轴7前端，其右侧面上设计有光纤压板固定螺纹孔603，通过螺钉穿过光纤压板固定螺纹孔603与连接轴7相连，实现光纤压板6与连接轴7间的固定；由此实现压力调节块5与光纤压板6同时转动。如图3所示，二维调节结构1后端设计有竖直方向的压力调节弹簧设置孔103，内部设置有压力调节弹簧；如图4所示，压力调节弹簧的底端通过螺钉穿过二维调节结构1后端设计的压力调节弹簧下端固定螺纹孔104后，由螺钉固定；压力调节弹簧顶端固定于压力调节块5后侧上部设计的压力调节弹簧上固定螺纹孔105内的螺钉上；通过压力调节弹簧提供拉力使压力调节块5始终具有顺时针转动趋势，即图4中向右方向转动，带动光纤压板6转动压紧光纤尾纤块。压力调节块5顶部还设计有压力调节螺纹孔502，用于安装压力调节螺钉，同时在二维调节结构1后部设计有压力调节配合面106，与压力调节螺钉端部配合；由此，通过转动压力调节螺钉，使压力调节螺钉端部与压力调节配合面接触，并进一步顶起压力调节块5，使压力调节块5逆时针转动，实现压力调节弹簧的拉力调节，进而实现光纤压板6对光纤尾纤块压的压力调节。

二维调节结构1下部凹进部分内机架101右侧面设计有凹进，避免安装时与连接轴7间发生干涉。如图2、图3所示，机架101上部与前侧面设计有两个铰链连接面，分别通过水平设置的柔性铰链A101a与倾斜设置的柔性铰链B101b与二维调节结构1下部凹进部分前侧壁间连接。上述柔性铰链A101a与柔性铰链B101b均为单轴对称结构柔性铰链，具有连接块以及连接块两侧安装的共面簧片结构，且使柔性铰链A101a与柔性铰链B101b的簧片间夹角为30°。由此通过柔性铰链A101a、柔性铰链B101b、二维调节结构1下部凹进部分前侧面和机架101间构成梯形柔性四连杆机构，可使二维调节结构1绕柔性铰链A101a的簧片和柔性铰链B101b的簧片所在平面交线为转轴转动。如图2、图4所示，二维调节结构1顶面上开有竖直的转动调节弹簧安装孔106，内部设置有机架转动调节弹簧。机架转动调节弹簧底端通过螺钉穿过机架101后侧面下方设计的转动调节弹簧下端固定螺纹孔107后，由螺钉固定；机架转动调节弹簧定端通过螺钉穿过机架101后侧面上方设计的转动调节弹簧上端固定螺纹孔108后，由螺钉固定。二维调节结构1顶部还开有转动调节螺纹孔109，内部安装转动调节螺钉，并由机架转动调节弹簧提供拉力，使转动调节螺钉端部与机架101顶部紧密贴合；通过转动调节螺钉，由转动调节螺钉端部推动机架101，实现二维调节结构1的转动调节，进而实现了光纤尾纤块俯仰角度调节。

所述偏摆滑板2安装于机架101底部，如图5、图6所示，偏摆滑板2与机架101底部设计永磁铁安装位A8，内部安装永磁体，两者异性相吸，实现偏摆滑板2与机架101相连，且便于拆卸。偏摆滑板2前端顶部设计有弧度为90度的滑台201，与机架101底部前方设计的弧度为90度的滑槽配合插接；由此使机架101带动二维调节结构1以滑台201弧心轴为轴线转动，进而改变光纤尾纤块的偏摆角度。偏摆滑板2底部固定安装有基座滑板3；基座滑板3底部安装有固定基座4。

所述固定基座4为具有侧面和底面的L型结构基座，如图7所示，底面用于与基座滑板3间的连接。侧面设计有凸耳，凸耳上设计有偏摆角度螺纹孔401，用来安装偏摆角度调节螺钉，偏摆角度调节螺钉端部可与机架101接触；由此通过转动偏摆角度调节螺钉，使偏摆角度调节螺钉端部推动机架101，实现二维调节结构1的偏转角度调节，进而实现了光纤尾纤块偏转角度调节。二维调节结构1的机架101后部以及固定基座4上设计有永磁体安装位B9，内部均安装有永磁体，由此通过永磁体间的相互吸引，为二维调节结构1提供回复力；当反向转动偏转调节螺钉时，使二维调节结构1反向转动。

上述基座滑板3作为偏转滑板2与固定基座4间的中间连接件，可实现偏转滑板2与固定基座4X轴方向与Y轴方向位置调节，具体方式为：

如图8所示，基座滑板3中部前后位置设计有两个基座滑板定位通孔301，同时偏转滑板2中部设计有两个长圆孔A202；长圆孔A202的长方向沿X轴方向。由螺钉穿过长圆孔A202与基座滑板定位通孔连接，实现基座滑板3与偏转滑板2间的连接；且基座滑板3X轴方向位置可调，实现二维调节结构1X轴方向位置调节，进而实现了光纤尾纤块Z轴方向位置调节。在二维调节结构1X轴方向位置调节完毕后，通过拧紧螺钉，使基座滑板3与偏转滑板2间固定。为了防止在基座滑板3X轴方向位置调节产生Y轴方向的位移对安装精度造成影响，还在基座滑板3顶面上设计有贯通基座滑板3左右侧面的突起203；同时在偏转滑板2底面上设计贯通偏转滑板2左右侧面的凹槽302；由此，通过突起203与凹槽302间配合，实现在不影响基座滑板3X轴方向移动的基础上，实现基座滑板3Y轴方向位移限制。同样，在固定基座4的底面前后位置各设计有两个固定基座定位孔402；同时，在基座滑板3前后位置各设计有相互对称的两个长圆孔B303；长圆孔B303的长方向沿Y轴方向。由螺钉穿过长圆孔B303与固定基座定位通孔402连接，实现固定基座4与基座滑板3间的连接；且基座滑板3Y轴方向位置可调，实现二维调节结构1Y轴方向位置调节，进而实现了光纤尾纤块前后位置调节。在二维调节结构1Y轴方向位置调节完毕后，通过拧紧螺钉，使基座滑板3与固定基座4间固定。

上述二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，通过固定基座4侧面上的长圆孔C403与波导芯片耦合位移台上设计的连接孔通过螺钉连接，且长圆孔C403的长方向沿竖直方向。固定基座4上顶部设计有竖直调节螺纹孔404，用来安装竖直调节螺钉，实现固定基座4竖直方向位置可调，进而实现二维调节结构1竖直方向位置调节。所述竖直调节螺钉安装于固定基座4侧面顶部；竖直调节螺钉端部与嵌入安装于固定基座4侧面上竖直滑道内的垫块405顶部接触，如图9所示；该垫块405固定于波导芯片耦合位移台上；由此，通过转动竖直调节螺钉，由转动调节螺钉端部向垫块405施力，由于垫块405位置固定，则使固定基座4Z轴方向位置改变，实现二维调节结构1Z轴方向位置调节，进而实现了光纤尾纤块Z轴方向位置调节。

本发明中在固定基座4顶部还安装有LED灯座10，如图1所示，LED灯座上安装有LED灯，用来照明保偏光纤；同时在二维调节结构与右侧壁上沿Y轴方向设计有光纤固定槽105，用于固定保偏光纤的尾纤位置，如图2所示，便于LED照亮进行后续偏振轴识别。

Claims (7)

1.一种具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，其特征在于：包括二维调节结构、压力调节块、光纤压板和连接轴；

其中，二维调节结构下部具有凹进，内部设置机架；二维调节结构前端设计有光纤放置槽位；连接轴沿Y轴设置，贯穿二维调节结构前后侧面，两端分别固定光纤压板与压力调节块，通过压力调节弹簧对压力调节块的拉力作用，使光纤压板将光纤放置槽位内的光纤尾纤块压紧；

二维调节结构相对于机架前端通过两个柔性铰链与二维调节结构间连接，使二维调节结构具有绕两个柔性铰链的簧片所在平面交线为转轴转动的俯仰运动，实现光纤放置槽位内的光纤尾纤块的俯仰运动；

机架底部安装有偏摆滑板，偏摆滑板前端顶部设计有弧度为90度的滑台，与机架底部前方设计的弧度为90度的滑槽配合插接；由此使机架带动二维调节结构以滑台弧心轴为轴线转动，进而改变光纤尾纤块的偏摆角度；

上述光纤尾纤块所受压力，光纤尾纤块的俯仰角度以及光纤尾纤块偏摆角度均可调；其中，光纤尾纤块所受的压力调节方式为：压力调节块顶部设计有压力调节螺纹孔，压力调节螺钉安装于压力调节螺纹孔内，同时在二维调节结构后部设计有压力调节配合面，与压力调节螺钉端部配合；由此，通过转动压力调节螺钉，使压力调节螺钉端部与压力调节配合面接触，并进一步顶起压力调节块，使压力调节块带动光纤压板转动，实现光纤压板对光纤尾纤块所受的压力调节；

光纤尾纤块的俯仰角度调节方式为：二维调节结构顶面上设计有竖直的机架转动调节弹簧安装孔，内部设置机架转动调节弹簧；机架转动调节弹簧底端通过螺钉穿过机架后侧面下方设计的机架转动调节弹簧下端固定螺纹孔后，由螺钉固定；机架转动调节弹簧顶端通过螺钉穿过机架后侧面上方设计的机架转动调节弹簧上端固定螺纹孔后，由螺钉固定；二维调节结构顶部开设有转动调节螺纹孔，转动调节螺钉安装于转动调节螺纹孔内；由机架转动调节弹簧提供拉力，使转动调节螺钉端部与机架顶部紧密贴合；通过转动调节螺钉，由转动调节螺钉端部推动机架，实现二维调节结构的转动调节，进而实现了光纤尾纤块俯仰角度调节；

光纤尾纤块的偏摆角度调节方式为：偏摆滑板底部安装有固定基座；固定基座为具有用于与偏摆滑板固定的底座，以及用来安装偏摆角度调节螺钉的侧面，偏摆角度调节螺钉端部与机架接触；由此通过转动偏摆角度调节螺钉，使偏摆角度调节螺钉端部推动机架，实现光纤尾纤块偏摆角度调节。

2.如权利要求1所述具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，其特征在于：压力调节弹簧置于二维调节结构后端设计的竖直方向的压力调节弹簧设置孔内，压力调节弹簧的底端通过螺钉穿过二维调节结构后端设计的压力调节弹簧下端固定螺纹孔后，由螺钉固定；压力调节弹簧顶端固定于压力调节块后侧上部设计的压力调节弹簧上固定螺纹孔内的螺钉上；通过压力调节弹簧提供拉力使压力调节块带动光纤压板转动始终压紧光纤尾纤块。

3.如权利要求1所述具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，其特征在于：还具有基座滑板，作为偏摆滑板与固定基座间的中间连接件，实现偏摆滑板与固定基座X轴，Y轴方向位置调节，具体方式为：

基座滑板中部前后位置设计有两个基座滑板定位通孔，同时偏摆滑板中部设计有两个长圆孔A；长圆孔A的长方向沿X轴方向；由螺钉穿过长圆孔A与基座滑板定位通孔连接，实现基座滑板与偏摆滑板间的连接；且基座滑板X轴方向位置可调，实现二维调节结构X轴方向位置调节，进而实现了光纤尾纤块X轴方向位置调节；同样，在固定基座的底面前后位置各设计有两个固定基座定位孔；同时，在基座滑板前后位置各设计有相互对称的两个长圆孔B；长圆孔B的长方向沿Y轴方向；由螺钉穿过长圆孔B与固定基座定位通孔连接，实现固定基座与基座滑板间的连接；且基座滑板Y轴方向位置可调。

4.如权利要求1所述具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，其特征在于：固定基座侧面上设计长圆孔C与波导芯片耦合位移台上设计的连接孔通过螺钉连接，且长圆孔C的长方向沿竖直方向；固定基座上顶部设计有竖直调节螺纹孔，用来安装竖直调节螺钉；

竖直调节螺钉安装于固定基座侧面顶部；竖直调节螺钉端部与嵌入安装于固定基座侧面上竖直滑道内的垫块顶部接触；垫块固定于波导芯片耦合位移台上；由此，通过转动竖直调节螺钉，由竖直调节螺钉端部向垫块施力，使固定基座Z轴方向位置改变，实现二维调节结构Z轴方向位置调节，进而实现光纤尾纤块Z轴方向位置调节。

5.如权利要求1所述具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，其特征在于：机架后部以及固定基座上设计有永磁体安装位，内部均安装有永磁体；通过永磁体间的相互吸引，为二维调节结构提供回复力。

6.如权利要求1所述具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，其特征在于：偏摆滑板与机架底部设计永磁铁安装位，内部安装永磁体，两者异性相吸，实现偏摆滑板与机架相连。

7.如权利要求1所述具有二维姿态调节功能的刚柔混合型光纤夹具，其特征在于：二维调节结构上沿Y轴方向设计有光纤固定槽，用于固定保偏光纤的尾纤位置。

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