CN112904498A - 一种光纤级波导芯片多输出耦合装置 - Google Patents

一种光纤级波导芯片多输出耦合装置 Download PDF

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CN112904498A CN202110050448.4A CN202110050448A CN112904498A CN 112904498 A CN112904498 A CN 112904498A CN 202110050448 A CN202110050448 A CN 202110050448A CN 112904498 A CN112904498 A CN 112904498A
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Abstract

本发明公开了一种光纤级波导芯片多输出耦合装置，包括：光学平台；安装在所述光学平台上，用于固定波导芯片并调整波导芯片位置的芯片固定装置；以所述芯片固定装置为中心成品字形布置安装在所述光学平台上，用于实现锥头光纤‑波导芯片‑锥头光纤的耦合双输出检测的耦合系统；一方面用于吸附波导芯片，另一方面用于吸附锥头光纤的真空吸附系统。本发明可调整的自由度较多，耦合损耗较小。

Description

一种光纤级波导芯片多输出耦合装置
技术领域
本发明涉及集成光学波导芯片耦合技术领域。
背景技术
光纤波导耦合技术主要用于解决集成光电子芯片上的光信号同外部光信号互连的问题，也是光电子芯片封装的关键技术。双通道光器件同外部实现光交互是其中的一项重要应用，由于要实现双端口的同时对准耦合，端口的耦合误差会形成积累，难度高于单端口耦合。传统的双通道光器件耦合多用光纤阵列进行耦合，两根光纤以固定的间距排列封装，可调整的自由度较少，耦合损耗较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤级波导芯片多输出耦合装置，可调整的自由度较多，耦合损耗较小。
实现上述目的的技术方案是：
一种光纤级波导芯片多输出耦合装置，包括：
光学平台；
安装在所述光学平台上，用于固定波导芯片并调整波导芯片位置的芯片固定装置；
以所述芯片固定装置为中心成品字形布置安装在所述光学平台上，用于实现锥头光纤-波导芯片-锥头光纤的耦合双输出检测的耦合系统；以及
一方面用于吸附波导芯片，另一方面用于吸附锥头光纤的真空吸附系统。
优选的，还包括：安装在所述光学平台上，用于在耦合过程中实时观测锥头光纤及波导芯片在水平方向和垂直方向上的位置匹配状况的成像系统。
优选的，所述芯片固定装置包括：
用于放置波导芯片，表面开设有多个气孔，内部与所述真空吸附系统连通的芯片座；
用于固定所述芯片座的固定座；
用于固定所述固定座，并调整所述固定座角度的角度分度盘；
用于固定所述角度分度盘，并调整所述角度分度盘在空间直角坐标系中三个方向位置的第一三轴调整平台；以及
用于固定所述第一三轴调整平台，并固定安装在所述光学平台上的第一底座。
优选的，所述耦合系统包括：位于所述芯片固定装置右侧的右侧耦合装置，以及位于所述芯片固定装置左侧并前后对称布置的两个左侧耦合装置；
所述右侧耦合装置包括：
与锥头光纤固定相连的光纤连接轴；
用于固定所述光纤连接轴的连接座；
用于固定连接所述连接座的连接平台；
用于固定所述连接平台，并调整所述连接平台在空间直角坐标系中三个方向位置的第二三轴调整平台；以及
用于固定所述第二三轴调整平台，并安装在所述光学平台上的第二底座；
所述左侧耦合装置包括：
安装在所述光学平台上的第三底座；
固定在所述第三底座上，用于调节十二个自由度的六轴调整平台；以及
安装在所述六轴调整平台上，由所述六轴调整平台调节十二个自由度，并且内部与所述真空吸附系统连通的锥头光纤吸附座；
其中，两个所述锥头光纤吸附座相对并各自吸附一个锥头光纤，两个锥头光纤平行；
两个所述锥头光纤吸附座左侧的所述光学平台上固定有用于支撑两个所述锥头光纤吸附座所吸附的两个锥头光纤的光纤支撑座。
优选的，所述锥头光纤吸附座开设有用于连通所述真空吸附系统的螺纹孔，所述锥头光纤吸附座前端表面开设有连通所述螺纹孔的两组气孔，两组气孔中间的所述锥头光纤吸附座端部开设有凹槽；
所述锥头光纤吸附座端部边沿设有两个半径不同的弯曲部。
优选的，所述真空吸附系统包括：真空泵、两个一分二转换接头以及三个分别螺纹连通所述芯片座、两个锥头光纤吸附座的外螺纹直通接头；
第一个所述一分二转换接头的输入端连通所述真空泵，一个输出端通过透明软气管连接螺纹连通所述芯片座的外螺纹直通接头，另一个输出端通过第二个所述一分二转换接头和透明软气管连接螺纹连通两个锥头光纤吸附座的外螺纹直通接头。
优选的，所述成像系统包括：第一成像装置和第二成像装置，其中，
所述第一成像装置包括：
固定在所述光学平台上的龙门架；
固定在所述龙门架顶部的直线移动台；
水平滑动连接在所述直线移动台上，用于调整空间直角坐标系中X轴方向和Y轴方向位置的X/Y轴调整台；
连接所述X/Y轴调整台，由所述X/Y轴调整台调节X轴方向和Y轴方向位置的第一L型支架；
固定连接所述第一L型支架，用于调整空间直角坐标系中Z轴方向位置的Z轴调整台；
连接所述Z轴调整台，由所述Z轴调整台调节Z轴方向位置的第二L型支架；
垂直固定在所述第二L型支架上，并位于波导芯片上方的第一透镜套筒；
安装在所述第一透镜套筒顶部的CCD(电荷耦合器件)相机；以及
与所述CCD相机通过缆线连接的显示器；
所述第二成像装置包括：
固定在所述芯片固定装置正后方的所述光学平台上，用于调整空间直角坐标系中三轴方向位置的三维位移台；
安装在所述三维位移台上，由所述三维位移台调节三轴方向位置的套筒底座；
正对所述芯片固定装置正后方的第二透镜套筒；
用于将所述第二透镜套筒固定在所述套筒底座上的卡座；以及
安装在所述第二透镜套筒上的带屏幕CCD相机。
优选的，所述龙门架包括：
一对固定在所述光学平台上的底板；
竖直固定在所述底板上的两根立柱；以及
连接两根所述立柱的横杆。
本发明的有益效果是：本发明采用耦合系统与芯片固定装置成“品”字形排布，布局合理，结构紧凑，不仅可实现检测1×2多模干涉型光耦合器(MM I)的两个输出端等耦合测试，同时也可实现光纤级的同进同出测试，大大提高了该装置的适用范围。此外真空吸附系统不仅可保证平台的平整度，也便于保护芯片。通过成像系统在耦合中实时观测锥头光纤及波导芯片在水平和垂直方向上的位置匹配，从而实现更高效率的耦合测试。并且通过各位移调整装置，使得可调整的自由度较多，耦合损耗较小。
附图说明
图1是本发明的光纤级波导芯片多输出耦合装置的立体图；
图2是本发明中芯片固定装置的俯视图；
图3是本发明中芯片座的示意图；
图4是本发明中右侧耦合装置的结构图；
图5是本发明中左侧耦合装置的结构图；
图6是本发明中锥头光纤吸附座的结构图；
图7是图6中B-B向的剖视图；
图8是本发明中耦合系统的布置示意图；
图9是本发明中波导芯片耦合示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1-9，本发明的光纤级波导芯片多输出耦合装置，包括：光学平台101、芯片固定装置200、耦合系统300、真空吸附系统和成像系统。
芯片固定装置200安装在光学平台101上，用于固定波导芯片并调整波导芯片的位置。保证芯片水平和垂直的平整度，便于耦合。耦合系统300以芯片固定装置200为中心成品字形布置安装在光学平台101上，用于实现锥头光纤-波导芯片-锥头光纤的耦合双输出检测。耦合系统包括：位于芯片固定装置200右侧的右侧耦合装置，以及位于芯片固定装置200左侧并前后对称布置的两个左侧耦合装置。即：右侧由右侧耦合装置用于光源输入，而左侧由两个左侧耦合装置并排组合而成可用于双输出，从而实现锥头光纤-波导芯片-锥头光纤的耦合双输出检测。与此同时，两个左侧耦合装置也可作为同进同出检测，实现光纤量级的耦合检测。
真空吸附系统一方面用于吸附波导芯片，保证其垂直平整度，另一方面用于吸附锥头光纤，实现光纤量级的耦合。
成像系统安装在光学平台101上，用于在耦合过程中实时观测锥头光纤及波导芯片在水平方向和垂直方向上的位置匹配状况。从而实现更高效率的耦合测试。
芯片固定装置200包括：芯片座205、固定座204、角度分度盘203、第一三轴调整平台202、第一底座201。
芯片座205用于放置波导芯片，表面开设有多个气孔，内部与真空吸附系统连通。固定座204用于固定所述芯片座205。角度分度盘203用于固定固定座204，并调整所述固定座204角度。第一三轴调整平台202用于固定角度分度盘203，并调整角度分度盘203在空间直角坐标系中三个方向(X轴、Y轴和Z轴)位置。第一底座201用于固定第一三轴调整平台202，并固定安装在光学平台101上。芯片座205尾部配有螺纹与外螺纹直通接头404相连。芯片座205可实现8个自由度的调整，分别由第一三轴调整平台202和角度分度盘203控制。再加上第一底座201与光学平台101固定采用长腰型孔，大大提高了波导芯片快速对准以及耦合效率，与此同时也增加了波导芯片的尺寸限制；第一三轴调整平台202在X、Y、Z轴上的调整范围为±5mm。芯片座205根据波导芯片的大小分为直通型和T型，在表面贯有双排共12个直径为1mm-3mm的气孔，并通至螺纹孔；整个装置拆卸方便，可快速切换不同的波导芯片；角度分度盘203的调整范围为±10°。
右侧耦合装置包括：与锥头光纤固定相连的光纤连接轴305；用于固定光纤连接轴305的连接座304；用于固定连接连接座304的连接平台303；用于固定连接平台303，并调整连接平台303在空间直角坐标系中三个方向位置的第二三轴调整平台302；用于固定第二三轴调整平台302，并安装在光学平台101上的第二底座301。
为了防止耦合抖动的影响，连接座304的高度要比角度分度盘203高4-8mm，连接座304和光纤连接轴305锁紧后与波导芯片保持5-10mm。连接座304底部设有“T”型槽与连接平台303中部设有倒“T”型槽与相连，并通过上面两个螺丝孔锁紧固定；光纤连接轴305与锥头光纤相连并通过连接座304固定；第二三轴调整平台302在X、Y、Z轴上的调整范围为±5mm。
左侧耦合装置包括：安装在光学平台101上的第三底座306；固定在第三底座306上，用于调节十二个自由度的六轴调整平台307；安装在六轴调整平台307上，由六轴调整平台307调节十二个自由度，并且内部与真空吸附系统连通的锥头光纤吸附座308。
两个锥头光纤吸附座308相对并各自吸附一个锥头光纤，两个锥头光纤平行；两个锥头光纤吸附座308左侧的光学平台101上固定有用于支撑两个锥头光纤吸附座308所吸附的两个锥头光纤的光纤支撑座311。光纤支撑座311承受锥头光纤的绝大部分重量，便于锥头光纤吸附座308通过真空稳定的吸附锥头光纤。六轴调整平台307不仅可以调节X、Y、Z六个自由度，还可以调节旋转、翻转四个自由度，保证两个锥头光纤吸附座308与波导芯片保持绝对垂直度；六轴调整平台307的调整范围为±10mm。
锥头光纤吸附座308开设有用于连通真空吸附系统的螺纹孔3081，锥头光纤吸附座308前端表面开设有连通所述螺纹孔3081的两组气孔3082，气孔前端直径与光纤包层匹配。两组气孔3082中间的所述锥头光纤吸附座308端部开设有凹槽3083，用于调整光纤位置；锥头光纤吸附座308端部边沿设有两个半径不同的弯曲部3084，可放置光纤保护层和包层，并减小锥头光纤的弯曲损耗。锥头光纤吸附座308端部壁上开设有光纤包层的槽，保证光纤与槽口相切；槽口到端面距离L为13-16mm。
两个左侧耦合装置可实现最低127um的耦合间距。
真空吸附系统包括：真空泵401、两个一分二转换接头402以及三个分别螺纹连通所述芯片座205、两个锥头光纤吸附座308的外螺纹直通接头404。
第一个一分二转换接头402的输入端连通真空泵401，一个输出端通过透明软气管403连接外螺纹直通接头404，该外螺纹直通接头404螺纹连通芯片座205。另一个输出端通过第二个一分二转换接头402和透明软气管403连接两个外螺纹直通接头404，该两个外螺纹直通接头404螺纹连通两个锥头光纤吸附座308。
成像系统包括：第一成像装置和第二成像装置，其中，第一成像装置包括：固定在所述光学平台101上的龙门架；固定在龙门架顶部的直线移动台504；水平滑动连接在直线移动台504上，用于调整空间直角坐标系中X轴方向和Y轴方向位置的X/Y轴调整台505；连接X/Y轴调整台505，由X/Y轴调整台505调节X轴方向和Y轴方向位置的第一L型支架506；固定连接第一L型支架506，用于调整空间直角坐标系中Z轴方向位置的Z轴调整台507；连接Z轴调整台507，由Z轴调整台507调节Z轴方向位置的第二L型支架508；垂直固定在第二L型支架508上，并位于波导芯片上方的第一透镜套筒509；安装在第一透镜套筒509顶部的CCD相机510；与CCD相机510通过缆线连接的显示器511。第二成像装置包括：固定在芯片固定装置200正后方的所述光学平台101上，用于调整空间直角坐标系中三轴方向位置的三维位移台512；安装在三维位移台512上，由所述三维位移台512调节三轴方向位置的套筒底座513；正对芯片固定装置200正后方的第二透镜套筒515；用于将第二透镜套筒515固定在套筒底座513上的卡座514；安装在第二透镜套筒515上的带屏幕CCD相机516。龙门架包括：一对固定在所述光学平台101上的底板501；竖直固定在底板501上的两根立柱502；连接两根立柱502的横杆503。
第一成像装置位于波导芯片的垂直上方，通过显示器511实时观测锥头光纤和波导芯片在X、Y轴四个自由度的耦合情况；第二成像装置位于芯片固定装置后方，用于观测锥头光纤和波导芯片在Z轴的耦合。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (8)

1.一种光纤级波导芯片多输出耦合装置，其特征在于，包括：
光学平台(101)；
安装在所述光学平台(101)上，用于固定波导芯片并调整波导芯片位置的芯片固定装置(200)；
以所述芯片固定装置(200)为中心成品字形布置安装在所述光学平台(101)上，用于实现锥头光纤-波导芯片-锥头光纤的耦合双输出检测的耦合系统(300)；以及
一方面用于吸附波导芯片，另一方面用于吸附锥头光纤的真空吸附系统。
2.根据权利要求1所述的光纤级波导芯片多输出耦合装置，其特征在于，还包括：安装在所述光学平台(101)上，用于在耦合过程中实时观测锥头光纤及波导芯片在水平方向和垂直方向上的位置匹配状况的成像系统。
3.根据权利要求1所述的光纤级波导芯片多输出耦合装置，其特征在于，所述芯片固定装置(200)包括：
用于放置波导芯片，表面开设有多个气孔，内部与所述真空吸附系统连通的芯片座(205)；
用于固定所述芯片座(205)的固定座(204)；
用于固定所述固定座(204)，并调整所述固定座(204)角度的角度分度盘(203)；
用于固定所述角度分度盘(203)，并调整所述角度分度盘(203)在空间直角坐标系中三个方向位置的第一三轴调整平台(202)；以及
用于固定所述第一三轴调整平台(202)，并固定安装在所述光学平台(101)上的第一底座(201)。
4.根据权利要求3所述的光纤级波导芯片多输出耦合装置，其特征在于，所述耦合系统包括：位于所述芯片固定装置(200)右侧的右侧耦合装置，以及位于所述芯片固定装置(200)左侧并前后对称布置的两个左侧耦合装置；
所述右侧耦合装置包括：
与锥头光纤固定相连的光纤连接轴(305)；
用于固定所述光纤连接轴(305)的连接座(304)；
用于固定连接所述连接座(304)的连接平台(303)；
用于固定所述连接平台(303)，并调整所述连接平台(303)在空间直角坐标系中三个方向位置的第二三轴调整平台(302)；以及
用于固定所述第二三轴调整平台(302)，并安装在所述光学平台(101)上的第二底座(301)；
所述左侧耦合装置包括：
安装在所述光学平台(101)上的第三底座(306)；
固定在所述第三底座(306)上，用于调节十二个自由度的六轴调整平台(307)；以及
安装在所述六轴调整平台(307)上，由所述六轴调整平台(307)调节十二个自由度，并且内部与所述真空吸附系统连通的锥头光纤吸附座(308)；
其中，两个所述锥头光纤吸附座(308)相对并各自吸附一个锥头光纤，两个锥头光纤平行；
两个所述锥头光纤吸附座(308)左侧的所述光学平台(101)上固定有用于支撑两个所述锥头光纤吸附座(308)所吸附的两个锥头光纤的光纤支撑座(311)。
5.根据权利要求4所述的光纤级波导芯片多输出耦合装置，其特征在于，所述锥头光纤吸附座(308)开设有用于连通所述真空吸附系统的螺纹孔(3081)，所述锥头光纤吸附座(308)前端表面开设有连通所述螺纹孔(3081)的两组气孔(3082)，两组气孔(3082)中间的所述锥头光纤吸附座(308)端部开设有凹槽(3083)；
所述锥头光纤吸附座(308)端部边沿设有两个半径不同的弯曲部(3084)。
6.根据权利要求4所述的光纤级波导芯片多输出耦合装置，其特征在于，所述真空吸附系统包括：真空泵(401)、两个一分二转换接头(402)以及三个分别螺纹连通所述芯片座(205)、两个锥头光纤吸附座(308)的外螺纹直通接头(404)；
第一个所述一分二转换接头(402)的输入端连通所述真空泵(401)，一个输出端通过透明软气管(403)连接螺纹连通所述芯片座(205)的外螺纹直通接头(404)，另一个输出端通过第二个所述一分二转换接头(402)和透明软气管(403)连接螺纹连通两个锥头光纤吸附座(308)的外螺纹直通接头(404)。
7.根据权利要求2所述的光纤级波导芯片多输出耦合装置，其特征在于，所述成像系统包括：第一成像装置和第二成像装置，其中，
所述第一成像装置包括：
固定在所述光学平台(101)上的龙门架；
固定在所述龙门架顶部的直线移动台(504)；
水平滑动连接在所述直线移动台(504)上，用于调整空间直角坐标系中X轴方向和Y轴方向位置的X/Y轴调整台(505)；
连接所述X/Y轴调整台(505)，由所述X/Y轴调整台(505)调节X轴方向和Y轴方向位置的第一L型支架(506)；
固定连接所述第一L型支架(506)，用于调整空间直角坐标系中Z轴方向位置的Z轴调整台(507)；
连接所述Z轴调整台(507)，由所述Z轴调整台(507)调节Z轴方向位置的第二L型支架(508)；
垂直固定在所述第二L型支架(508)上，并位于波导芯片上方的第一透镜套筒(509)；
安装在所述第一透镜套筒(509)顶部的CCD相机(510)；以及
与所述CCD相机(510)通过缆线连接的显示器(511)；
所述第二成像装置包括：
固定在所述芯片固定装置(200)正后方的所述光学平台(101)上，用于调整空间直角坐标系中三轴方向位置的三维位移台(512)；
安装在所述三维位移台(512)上，由所述三维位移台(512)调节三轴方向位置的套筒底座(513)；
正对所述芯片固定装置(200)正后方的第二透镜套筒(515)；
用于将所述第二透镜套筒(515)固定在所述套筒底座(513)上的卡座(514)；以及
安装在所述第二透镜套筒(515)上的带屏幕CCD相机(516)。
8.根据权利要求7所述的光纤级波导芯片多输出耦合装置，其特征在于，所述龙门架包括：
一对固定在所述光学平台(101)上的底板(501)；
竖直固定在所述底板(501)上的两根立柱(502)；以及
连接两根所述立柱(502)的横杆(503)。
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CN113237640A (zh) * 2021-07-12 2021-08-10 南京光智元科技有限公司 一种光耦合测试方法、装置、电子设备及存储介质
CN114236706A (zh) * 2021-11-12 2022-03-25 深圳市飞思卓科技有限公司 一种光纤级波导芯片多输出耦合装置
CN115201968A (zh) * 2022-06-14 2022-10-18 核工业理化工程研究院 一种光纤耦合器及其应用

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