CN1176394A - 光导基片端平行度调节设备 - Google Patents

Abstract

一种调节若干光导基片的端面的平行度的设备,包括支撑光导基片的支架、移动至少一个所述光导基片的移动装置,从而使光导基片的相对端面互相接靠,并且沿接靠移动方向在光导基片上施加一接靠压力而使所述端面互相平行。

Description

光导基片端平行度调节设备

本发明涉及一种调节光导基片端面的平行度的设备。

新近，一种用钛向内扩散法形成用于银酸锂单晶基片的光波导的技术引起了人们的注意，这种光波导基片被用作波导型光调制件、光波导型分路/耦合电路或光波导型耦合/分路电路的基片，并可望在未来被用作光波导光学集成电路的基片。

在上述光波导基片中，该光波导的一端面为一外部光导纤维的端面头对头配合，以确保光线在光导纤维与光波导之间的有效传播。此时，若光导纤维的端面与光波导端面之间存在间隙或它们的光轴位置有偏差，光传播损耗就会增大。因此，各端面之间必须以很高精度配合。具体说，各端面必须互相平行地紧密接触而光导纤维与光波导芯部之间毫无位置偏差。为此，已知有若干端面配合工艺。但是，按照任何现有工艺，当把光波导与光导纤维端面连接时必须使激光光束通过，以便光传播量最大。这一光轴对齐工作需花费很长时间，因此很难实现从而降低了生产率。

为解决上述问题，日本专利申请(J).2-125209公开了一种把光波导端面与光导纤维端面对齐的工艺，它在光波导基片上设一导槽，而在光导纤维夹头上设一导销，然后把该导销插入该导槽中。

但是，发明人的研究表明，尽管上扳和下扳部由硅片或塑料制成，但很难实现光波导端面与光导纤维端面的精密配合，从而很难获得很高的配合效率。

本发明人考察了一种工艺，在此工艺中，用光波导基片材料制成一光波导基片；在光导纤维阵列件材料中形成一定数量的V形槽从而制备好阵列件基片(光导纤维阵列件)；对光波导基片和光导纤维阵列件以尽可能高的精度进行机加工并作光学抛光，然后用基片的外部轮廓作为基准面而配合这些相对的端面。在此工艺中，使光导纤维阵列件和光波导基片的端面互相相对并互相平行，然后对齐它们的光轴。但是，这些端面的加工精度比方说约为50μm，换算成角度精度则为1°或1°以上。若光导纤维阵列件和光波导的端面间的平行度变差，光传输损耗就会增大，耐用性降低，因此必须把平行度调节到不大于0.1°。但是，由于上述原因，单靠对齐光轴使端面相对并贴靠是无法使端面互相精确平行的。尽管如此，至今尚无合适的设备可用来以很高光学精度调节这类端面间的平行度。

本发明的目的是提供一种以很高平行度使光导基片(光波导基片和光导纤维阵列联接基片)端面互相相对对接的设备。

本发明旨在提供调节若干光导基片的端面的平行度的设备，该设备的特征在于包括可支撑后基片的支架和一移动至少一个光导基片的移动装置，其中，至少一个光导基片被支撑成可转动，并在光导基片的相对端面接靠后沿接靠方向加压而使这些端面互相平行。

本发明是如下支撑各光导基片：把其中一个光导基片支撑成可转动，把另一个光导基片相对所述其中一个光导基片，移动而使此两个光导基片的相对的端面接靠，然后沿移动方向在相互抵靠的基片上加压。从而本发明人发现，用这类极简单的方法和装置即能使光导基片的相时端面以很高精度相互平行。本发明人就是根据这一发现作出本发明的。

通过下文结合附图对本发明的说明即可看出本发明的上述和其它目的、特征和优点，但应指出，熟悉本发明本技术领域的人士很容易对本发明作出种种修正和变动。

为更好理解本发明，可参看各附图，附图中：

图(1a)为光波导基片与光导纤维阵列件对齐之前的平面图；

图(1b)为光波导基片与光导纤维阵列件对齐之后的平面图；

图2为本发明一实施例的端面调节设备在Z方向上的正视图；

图3为图2端面调节设备在Y方向上的正视图；

图4为图2端面调节设备在X方向上的正视图；

图5(a)为用来放置并固定光导纤维阵列件31的支架9的立体图；

图5(b)是用来放置并固定光导纤维阵列件31的支架9的剖面图；

图6为用来放置并固定光波导基片36的支架41的立体图；

图7为把一对光导纤维阵列件的端面分别与一光波导基片相对两端面对齐的一对齐设备的示意立体图；

图8为由本发明连接在一起的光波导基片54和一对光导纤维件53A和53B的平面图。

首先，下面参照图1用应用于所谓4排对4排光转接件的实施例说明本发明，当然，本发明可应用在其它光导基片，例如图8所示的光导基片。

一光波导基片36上有比方说四排光波导37。这些光波导用钛向内扩散法、锂向外扩散法、质子交换反应等而形成。当然，光波导37的排数和平面形状可视具体产品的要求而有所不同。

一对光导纤维阵列件31A和31B上各有四排机加工而成的V形槽(导槽)，当然，导槽的排数和位置须分别与光波导一致。而且，每一光导纤维阵列件31A和31B上都有一凹座35。然后在该对光导纤维阵列件31A、31B的每一导槽32中都放置一根光导纤维33。在图1中，光导纤维33位于一紧紧插入凹座35中的盖74中。每一光导纤维阵列件31A和31B的端面38需光学抛光，光波导基片36的一对端面39也要光学抛光。

端面间的平行度在调节前如图1(a)所示，两边的端面38和39相对倾斜。这些端面的实际表面精度约为50μm，这相当于1°或1°以上的角度精度。另一方面，为了减少光量损耗和提高耐用性，平行度的精度需在0.1°左右。把端面38和个39机加工到上述所需精度是很难且很费钱的。

但是，、按照本发明，可如下以很高精度平行地对齐端面38和39：可转动地支撑光波导基片36、把光导纤维阵列件31A和31B移近光波导基片36、使光波导基片36的两端面39分别接靠光导纤维阵列件31A和31B的端面38后沿接靠方向加压。

也可如下以很高精度平行对齐端面38和39：可转动地支撑光导纤维阵列件31A和31B、把光导纤维阵列件31A和31B移近光波导基片36，使光波导基片36的两端面39分别与光导纤维阵列件31A和31B的端面38接靠后沿接靠方向加压。

而且，本发明装置可包括一压力检测器，它检测在光导基片的相对端面互相接靠时由接靠造成的压力的变化。由陶瓷材料制成的光导纤维阵列件和光波导基片在受到强烈中击时会破裂而增大废品率从而减少产量，因此最好使用这一压力检测器来控制接靠压力以免该压力过大。

此外，本发明装置可包括一滑动装置，它以一个方向滑动该支架，在此滑动方向把一压力加到该支架上，以便在光导基片相对端面互相接靠时作用到光导基片上的压力不致过大，此外，最好有一夹紧装置在支架滑动后固定该滑动装置。

而且，最好用两组可自由转动的转台可转动地支撑光导基片。这类本身具有很高精度的转台市场上有售而可加以利用。

当光导基片的相对端面即将互相接靠时，使转台的转动中心与光导基片的端面大致重合即可最有效地传送一转动光导基片的转矩，从而防止光导基片因受到过大应力而破裂。

此时，最好在从转台转动中心看去与光导基片相对的一边设一重块以防止光导基片倾斜，所述重块用来平衡转台。

图2为本发明一实施例的端面调节设备在Z方向上的正视图；图3为图2端面调节设备在Y方向上的正视图；图4为图2端面调节设备在X方向上的正视图。

从该设备的下部开始依次设有一Y轴平台1、一X轴平台2和一Z轴平台3。每一平台1，2，3由一上部件1A，2A，3A和一下部件1B，2B，3B构成，上部件和下部件可沿平台导轨17相互平行地移动。每一平台上有一步进电动机4，一螺杆进给机构连接到该步进电动机4的转轴上。转动该螺杆进给机构的进给螺杆即可互相平行地移动上部件和下部件1A，1B；2A，2B；3A，3B。

Z轴平台3上有一Z轴可动平台5，该Z轴可动平台5也包括可互相平行移动的上部件5A和下部件5B。如图4所示，一弹簧20和一弹簧帽21插入在一管状弹簧壳体6中并与之接靠。弹簧帽21可沿弹簧壳体6的内周面滑动。当把一力加到弹簧帽21上时，弹簧20就被压缩。最好在一可动平台夹具22内部装一螺线管和一磁铁，以便用外部的电操作把可动平台5固定在给定位置上。

Z轴可动平台5为一可动装置，它在光导基片互相接靠时防止过大压力加到光导基片上，弹簧20即用来防止该压力变得过大。Z轴平台5不便用进给机构，若既没有夹具又没有弹簧，上部件和下部件就可自由移动。弹簧外壳b用固定件的固定到下部件5B上，而弹簧帽21用固定件19固定到上部件5A上。若沿+Z轴方向把一力加到上部件5A上，上部件5A就沿+Z轴方向相对下部件5B移动。从而，固定件19把弹簧帽21压向+Z轴方向而使弹簧压缩，此时，弹簧的复位弹力把上部件5A压向-Z轴方向。可动台夹具22装在下部件5B上。当按动开关使该夹具22处于夹紧状态时，上部件与下部件之间的相对位置就被固定。

平台5上有一转台支架23，-θX轴转台14通过一轴承8装到支架23上。该转台14可沿θX方向围绕一转动轴线24自由转动，转台14上有一电磁夹具7，从而可夹紧该轴承的转轴而阻止转台14的转动。

而且，-θY轴转台15通过一轴承8装到转台14的端部上。该转台15可沿θY方向围绕一转动轴线25自由转动。该转台15上也有一电磁夹具7，从而可夹紧该轴承的转轴而阻止转台15的转动。转动轴成24和25通过光导纤维阵列件31的端面。

转台15上有一固定支架9，光导纤维阵列件31即支撑在该固定支架9上。图5(a)和5(b)为光导纤维阵列件及其周围部分的放大图。光导纤维阵列件31放置在支架9的一凹座50中，定位销16紧压阵列件31的一侧面而使光导纤维阵列件31定位。标号42表示一根光导纤维。

当电磁夹具不通电时转台14上的部件会因自重而倾斜。为此，用重块13保持平衡而使这些部件无法围绕转轴24转动而发生倾斜。

另一方面，一光波导基片支架41与包括支架9在内的光导纤维阵列件支架43对置。如图6所示，支架41的顶端有一支架12，光波导基片36插入在该支架12中并用一螺丝40定位。在该实施例中，如图7所示，一对这样的光导纤维阵列件支架43A和43B设置在支架41的相对两边。一摄像机44可看到光波导基片36的光射出端38从而可对之摄像。摄像机44用一导线46接至一电视机46和一控制器。

下面说明把光导纤维的光轴与光波导基片的光轴对齐的一种方法。如图7所示，在光射入一边的光导纤维阵列件、光波导基片和在光射出一边的光导纤维阵列件互相相对，它们的光轴如下依次对齐：

(1)把步进电动机4和夹具7和22与控制器47连接，从而可按照外部信号B开动它们。

(2)把光射入和光射出边的光导纤维阵列件31A和31B分别放置到支架9上，把光射入边的光导纤维接到一激光光束源，而光射出边的光导纤维接至一光强检测器。

(3)把光波导基片36放置并固定在其支架上。

(4)光波导基片和光导纤维阵列件的端面38和39的尺寸精度加工到约50μm。虽然当把光波导基片和光导纤维阵列件放置到其初始位置上时这些端面间会出现约50μm大小的误差，但光波导基片的端面可与光导纤维阵列件的端面大致相对。

(5)关掉电磁夹具。

(6)开动光射入边的平台3的步进电动机4，从而沿-Z方向移动上部件3A而使光波导基片与光导纤维阵列件接靠。此时，当压力传感器检测到光波导基片接靠光导纤维阵列件时，接靠时的接触压力由弹簧20减弱而把该压力调节到合适大小。该压力不小于获得一可转动转台14，15的转矩所需的压力，该压力决定于轴承8的光滑度以及光波导基片和光导纤维阵列件的端面的大小。随着转台14和15的转动，光导纤维阵列件端面的方向发生变动，最后，光导纤维阵列件的端面平行地紧紧抵靠光波导基片的端面。此时，锁定各转台的电磁夹具7而使转台14和15固定而无法转动。另一方面，开动夹具22固定平台5。

(7)对光射出一边的光导纤维阵列件同样进行上述步骤。

(8)开动光射入边的平台3的步进电动机4使上部件3A沿+Z方向移动。此时，由于电磁夹具22被锁定，上部件3A的移动量相当于在光波导基片的端面与光导纤维阵列件的端面之间产生一间隙。虽然这两端面间的这一间隙必须控制在不到1μm，但用机加工端面外部轮廓的方法是无法获得这么高精度的控制的。但是，按照本发明，使用上述各平台可获得0.1μm或更小的定位精度，从而可把这些端面精确地调节成互相平行。端面间的这一间隙须保持在这一给定范围内，从而使光从光导纤维阵列件的端面进入光波导基片但在对齐时这些端面又不发生接靠。

(9)接着在光射出一边同样进行上述操作(8)。

(10)开动光射出一边的平台2的步进电动机4，从而上部件2A沿+X方向移动而使光导纤维阵列件及其周围部件移动到不挡住光波导基片端面的部位。

(11)把摄像机44设置在对准光波导基片的光射出端面的位置上，从而可在约500μm或更小的一视野中看到该端面。如图7所示，摄像机摄到的图象经导线45送至控制器47和电视机46。从工作精度来看，足可把该光波导设定在这一视野中。

(12)点亮上述(2)中所述接至光导纤维的激光束来源而使激光光束穿过光导纤维49。在光射入一边开动平台1和2和电动机4进行对齐。当对齐进行到光穿过光波导时，就可在由上述(11)中所述的摄像机摄到的图像中看到光波导的一部分发光。

(13)把光射出一边的平台回复到上述(9)的移动前的位置。

(14)开动平台1和2和电动机4而在光射出一边进行对齐。当对齐到光可穿过该光导基片时，上述(2)中所述连接到光导纤维的光强检测器48的输出增大。把平台1和2调节到获得最大输出。

通过上述步骤，光导纤维与光波导间的连接的调节即告完成，从而光穿过光导纤维和光波导基片。

(15)把粘合光波导基片和光导纤维阵列件的一种粘接剂(例如UV可固化型粘接剂)向下滴入贴合端面中。

(16)开动光射入边的电动机4而在光导纤维阵列件的端面与光波导基片端面之间形成一定大小的间隙。这一步的移动量根据上述步骤(8)予以确定。这两个端面间的间隙决定于树脂的种类，光波导和光导纤维阵列件的材料等等。

(17)在光射出边进行与上述(16)相同的操作。

(18)当滴下粘接剂并调节端面间的间隙时，透光量稍有变化。因此得再次进行对齐。也即在光射入边驱动平台1、2和电动机4进行对齐而使光强检测器的输出最大。

(19)在光射出边进行与上述(18)相同的操作。

(20)固化粘接剂。

(21)从支架上取下光导纤维阵列件和光波导基片。也可用下列步骤代替上述步骤。把支架23、轴承8和转台14、15从图2到图7所示对齐设备上拆下而装上两个其转角可由电控制的自动转台，光导纤维阵列件仍以上述方式放置到该两个自动转台上。这类自动转台是众所周知的。这两个自动转台中的一个具有转动轴线25，另一个具有转动轴线24。用一台电视机观察光射入边的光导纤维阵列件与光波导基片之间的光射入端面的上表面和侧面。同样，用一台电视机观察光射出边的光导纤维阵列件与光波导基片之间的光射出端面的上表面和侧面。用一台计算机处理摄像机的输出图象。

用上述步骤(1)到(4)进行对齐，而用下列步骤替代步骤(5)到(7)：

(5′)对光射入边的上表面的图象进行两进制编码和边缘检测从而测量光波导基片端面和光导纤维阵列件端面相对Y方向的倾角。

(6′)在进行步骤(5′)检测的同时，围绕转动轴线25转动相应自动转台而使光导纤维阵列件相对于Y方向的倾角与光波导基片的倾角重合。

(7′)对光射入边的侧面图象进行两进制编码和边缘检测从而测量光波导基片端面和光导纤维阵列件端面相对X方向的倾角。

(8′)在进行步骤(7′)的检测的同时，围绕转动轴线24转动相应自动转台而使光导纤维阵列件相对X方向的倾角与光波导基片的倾角重合。

(9′)对光射出边进行步骤(5′)到(9′)调整光射出边的两端面之间的平行度。

(10′)关掉电磁夹具22。

(11′)开动光射入边平台3的电动机4沿-Z方向移动上部件3A而使光波导的端面接靠光导纤维阵列件的端面。必须设置可动平台5，以在接靠过程中防止因压力过大而损坏光导部件。在该平台中，锁定夹具22而固定可动平台5的上部件5A和下部件5B。

(12′)在光射出边同样进行步骤(11′)。

然后，进行(8)的对齐步骤到粘接步骤(21)在上述实施例中，光导纤维阵列件的端面的角度和光波导基片端面的角度用图象处理进行测量。

图8为一光波导基片54和一对光导纤维阵列件53A和53B的平面图。该光波导基片54中设置的所谓的Y形分支光波导56。光波导56包括单一光波导部56a和两个从该部56a的一端通过Y形分支部分成的光波导部，可把一定的信号电压通过控制电极55加到每个光波导部56b上。

一对光导纤维阵列件53A和53B中都可用机加工形成V形槽(导槽)。光导纤维阵列件53A中放置两根光导纤维49分别与两光波导部56b连接。另一光导纤维阵列件53B中的放置一根光导纤维49与光波导部56a连接。在该实施例中，光波导部56a上有一极化器57，从而进入光导纤维阵列件53B的光导纤维49的光线中只有具有特定极化方向的那部分光线才能通过光波导部56b而受电极55的调制。按照本发明，光波导基片54的两端面54a可分别与光导纤维阵列件53A和53B的端面53a连接，而端面间的平行度获得提高。

如上所述，按照本发明对齐设备，光导基片的端面可以极高精度自动对齐。

Claims (9)

1.一种调节若干光导基片的端面的平行度的设备，包括支撑光导基片的支架，移动所述光导基片中至少一光导基片的移动装置，从而使光导基片的相对端面互相接靠，并且沿接靠方向在光导基片上施加一接靠压力而使所述端面互相平行。

2.按权利要求1所述的设备，其特征在于进一步包括一压力检测器它在光导基片的所述相对端面互相接靠时检测所述接靠压力的变动。

3.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于进一步包括一滑动装置和一夹紧装置，其中，当光导基片的相对端面互相接靠时，该滑动装置使所述支架沿着把一压力加到该支架上的方向滑动，从而防止把过大的压力加到光导基片上，而所述夹紧装置在该支架滑动后固定该滑动装置。

4.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于至少一个光导基片可转动地支撑在两组转台上，所述两组转台可自由转动。

5.按权利要求3所述的设备，其特征在于，至少一个光导基片可转劝地支撑在两组转台上，所述两组转台可自由转动。

6.按权利要求4所述的设备，其特征在于，每个转台的转动中心都与所述至少一个光导基片的端面大致重合。

7.按权利要求5所述的设备，其特征在于，每个转台的转动中心都与所述至少一个光导基片的端面大致重合。

8.按权利要求6所述的设备，其特征在于，从各光导基片的转动中心看去在与所述至少一个光导基片相对的一边上有一重块，所述重块在两转台处于静止状态时用来平衡两转台。

9.按权利要求7所述的设备，其特征在于，从各光导基片的转动中心看去在与所述至少一个光导基片相对的一边上有一重块，所述重块在两转台处于静止状态时用来平衡两转台。

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