CN1245647C - 光波导器件和光纤阵列的自动对准及其通道能量均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光波导器件和光纤阵列的自动对准及其通道能量均衡方法，计算机控制微调架沿X和Y方向扫描移动，精细对准是通过调整两个通道的功率值达到预定值来实现。其通道能量均衡是计算机通过判断通道间功率差作为反馈值与预先设定的值相比较，来控制微调架沿X和Y方向扫描移动，直到反馈值变到预先设定的值为止。其中一种简单的方法是计算机开始采集两个通道的功率值，反馈值是该两个通道的功率值的差的绝对值。另一种较精确的方法是计算机开始采集N个通道的功率值，取出最大值Pmax和最小值Pmin，计算功率不均匀度Δ＝Pmax-Pmin，计算机利用两个通道的功率值的差、功率不均匀度Δ做为反馈信号来实现其通道能量均衡。
Description
技术领域
本发明涉及一种光波导器件和光纤阵列的自动对准及其通道能量均衡方法，是光波导器件的各导光通路(也即波导)和光纤阵列中的光纤一一对准，并将其粘接在一起的封装技术，其中波导器件和光纤阵列的精确对准是关键技术。
背景技术
光波导器件的耦合封装是指将波导器件上的各导光通路(也即波导)和光纤阵列中的光纤一一对准，再采用光学胶(通常是环氧胶)将其粘接在一起的技术。其中波导器件和光纤阵列的精确对准是该项技术的关键。
图1、2和图3是一般波导器件的示意图，图4、5和图6是光纤阵列的示意图。从图中可以看出，波导器件(输出端)中的波导在同一个平面上，且相互间距为D微米，波导本身的尺寸一般只有几个微米，而光纤阵列输出端的各光纤也在同一平面内，相互间距也为D微米，光纤纤芯的尺寸为8-9微米，因此，要想让波导器件输出端的各个波导和光纤阵列输出端的各光纤一一平行对准，对准误差必须非常的小，因此难度是很大的。
衡量波导器件和光纤阵列对准情况有两个判据：1).一个是要求各个通道的功率值P1，P2......PN保持最大；2).各个通道的功率值之间的差别尽量保持最小。按图4所示，光纤阵列上的光纤应在同一平面且相互间距为D微米，和波导器件上的输出波导一一对应。但实际上由于制作光纤阵列工艺上的问题等，光纤阵列上的光纤并非完全准确的处于同一个平面内，且他们之间的距离也并非准确的为D微米，总存在着一些误差，这样按上述方法对准波导器件和光纤阵列就出现了如下问题：光纤阵列的第一通道位置很准确，功率值P1为最大，但第N通道(或其它通道)的位置并非最佳位置，PN(或其它通道的功率值)也并非真正的最大值，图8给出了这种情况的示意图。在图8中，虚线矩形在实线圆形正中心时，波导和光纤处于最理想的对准位置，如第一通道和第二通道属于这种情况，P1和P2取最大值；如果虚线矩形的一部分处在实线圆形的外面时，波导和光纤会大大偏离理想的对准位置，如第N通道和第N-1通道等属于这种情况，PN和PN-1会大大偏离最大值；由于如上所述光纤阵列本身的原因，实际上输出光纤阵列上各个通道的功率值不可能都同时达到最大，但按上述对准方法，会导致第一通道的功率值最大，其他通道的功率值可能偏小，使不同通道间的功率值差变大，既不能很好地符合对准判据1也不能很好地符合对准判据2。
发明内容
本发明的目的是：为了使封装出来的波导器件能够很好地满足光通信系统的需要，应尽量满足两个对准判据，既尽量作到(1)各个通道的功率值P1，P2......PN保持最大，和(2)各个通道的功率值之间的差别尽量保持最小。
本发明的技术方案是给出了一种光波导器件和光纤阵列自动对准及其通道能量均衡方法，包括波导器件端面和光纤阵列端面平行的实现，波导输出、输入端的对准，用带有图象采集卡和数据采集卡的工控机，两个电动六维微调架及微调架的电动控制模块，电荷耦合器件CCD及其适配镜头，左边的六维微调架2-1上端固定用作输入端的光纤阵列1-1，右边的六维微调架2-2上端固定用作输出端的光纤阵列1-2，光纤阵列1-1、1-2的输出光纤都正对着置于中间支架上的波导器件，光纤阵列1-1的光纤输入端与宽光源相连，光纤阵列1-2的光纤输入端与功率计的各个通道相连，在整个耦合封装过程中波导器件的位置保持不变，计算机根据功率计探测的功率，判断通道间功率差作为反馈值与预先设定的值相比较，来控制微调架2-2沿X和Y方向扫描移动，直到反馈值变到预先设定的值为止，使输入端的输出光纤对准波导器件的输入波导、输出端的输出光纤对准波导器件的输出波导，实现器件耦合对准，其特征是通道能量的均衡由计算机采集两个通道的功率值，反馈值是该两个通道的功率值的差的绝对值，一个通道是PJ，另一个通道是PK，J代表N个通道中的任意一个通道，K代表J以外的任意一个通道，N代表总通道数，反馈值Δ＝|PJ-PK|来控制微调架2-2沿X和Y方向扫描移动，直到反馈值变到预先设定的值为止，其中X与光纤垂直，与光纤阵列表面平行；Y与光纤阵列表面垂直；Z与光纤平行。
所述的自动对准及其通道能量均衡方法，反馈值是计算机采集N个通道的功率值P1，P2......PN，对它们进行比较，取出最大值Pmax和最小值Pmin，计算功率不均匀度Δ＝Pmax-Pmin，计算机利用功率不均匀度Δ做为反馈信号，指挥微调架2-2按预定范围扫描，直到Δ的值变到预先设定的值为止。
所述的自动对准及其通道能量均衡方法，波导器件端面和光纤阵列端面平行的实现方法是计算机控制电荷耦合器件CCD1和CCD2移动到波导器件的输入端，通过计算机的显示器可观察到光纤阵列1-1和波导器件输入端的上表面和侧面，通过图象处理的办法判断光纤阵列1-1的端面和波导器件输入端的端面之间的夹角，与设定值比较，调节光纤阵列1-1，使其端面和波导器件的输入端面平行，对波导器件的输出端采用同样的方法。
所述的自动对准及其通道能量均衡方法，波导输入端的粗对准是通过电荷耦合器件CCD1观察波导输入端和光纤阵列1-1的上表面放大了的图象，通过CCD2观察波导输入端和光纤阵列1-1的侧面放大了的图象，利用这些图象信息，计算机控制微调架1-1运动来实现波导器件的输入端和光纤阵列1-1的初步粗对准，然后将光纤阵列1-2移开，通过CCD3利用计算机的显示器来观察透过波导器件的光斑，当光斑变为最亮时，就认为波导输入端的粗对准完成。
所述的自动对准及其通道能量均衡方法，波导输出端的粗对准是在波导输入端的粗对准完成后，通过电荷耦合器件CCD1观察波导输出端和光纤阵列1-2的上表面放大了的图象，通过CCD2观察波导输出端和光纤阵列1-2的侧面放大了的图象，利用这些图象信息，计算机控制微调架2-2运动来实现波导器件的输出端和光纤阵列1-2的对准，当功率计上显示该通道有部分光能量时，就认为波导输出端的粗对准完成。
所述的自动对准及其通道能量均衡方法，波导输出、输入端的精细对准是在粗对准之后，首先计算机控制光纤阵列1-2沿Z轴移动到很靠近波导器件的位置，然后光纤阵列1-2沿X和Y方向扫描，在扫描开始前，先设定好扫描范围、步长、起始点和能量期望值，光纤阵列1-2从起始点开始按步长移动，每移动一步，计算机就读取功率计上的波导器件第J通道的能量值PJ，并比较该值Pnow和上一步移动完成后的能量值Plast，如果Pnow大于Plast，则光纤阵列1-2继续按原来方向移动，否则运动方向顺时针旋转180度继续移动；同样继续采集并比较Pnow1和Plast1的值，如果Pnow1大于Plast1，则光纤阵列1-2继续按原来方向移动，否则运动方向顺时针旋转90度继续移动，如果Pnow1大于Plast1，则光纤阵列1-2继续按原来方向移动，否则运动方向顺时针旋转180度继续移动；直到找到能量预期值的位置为止，通过调整能量预期值的大小，最终找到能量最大值的位置；保持微调架2-2不动，按上述方法对光纤阵列1-1进行X和Y方向的扫描，实现波导输入端的精细对准，即一个通道对准，然后计算机控制微调架2-2开始沿Z方向转动，使波导器件的另一个输出波导通道K和光纤阵列的对应输出光纤对准，这样功率计上的该通道读数值为PK，计算机通过采集功率计上的功率值PK并将其做为反馈信息来指挥微调架2-2转动，直到找到PK为最大值的位置，其中J是1-N中的任意一个，K是1-N中J以外中的任意一个。
所述的自动对准及其通道能量均衡方法，J与K通道的位置应保持一定的距离，一般J是前N/2个通道中的任意一个指定通道，K是后N/2个通道中的任意一个指定通道。
所述的自动对准及其通道能量均衡方法，光源采用宽带光源，其频率范围为L或L+C或L+C+S波段。
附图说明
图1是光波导器件的俯视图；
图2是图1所示波导器件输出端的截面图，波导的横截面一般为矩形，尺寸约几个微米；
图3是光波导器件的侧面图，两端有一定的倾斜角；
图4是光纤阵列的俯视图；
图5是图4所示光纤阵列输出端的截面图，光纤的横截面为圆形，其光纤纤芯尺寸约9微米；
图6是光纤阵列的侧面图；
图7是波导器件和光纤阵列自动对准粘接系统的示意图；
图8是波导器件和光纤阵列对准后的示意图，图中虚线矩形所示为波导截面，实线圆形为光纤纤芯截面；
图9是波导器件和光纤阵列对准并经能量均衡后的示意图，图中虚线矩形所示为波导截面，实线圆形为光纤纤芯截面；
图10波导器件自动对准系统流程图；
图11是精细对准软件流程图；
图12是调整能量均衡软件流程图。
具体实施方式
图7是波导器件和光纤阵列自动对准粘接系统的示意图，该系统主要由机器视觉子系统和自动机械微调控制子系统构成，所用的主要部件有：带有图象采集卡和数据采集卡的工控机，两个电动六维微调架，微调架的电动控制模块，3个电荷耦合器件CCD及其适配镜头，视频显示器，UV固化灯，自动滴胶器，宽带光源(或可调谐激光器)，多通道光功率计和相应的波导器件夹具。从图中可看出，波导芯片放在支架上固定好不动，两个光纤阵列分别固定在两个六微精密微调架上，输入光纤阵列和光源相连接，输出光纤阵列和多通道功率计相连接，3个电荷耦合器件CCD及其适配镜头、电动滴胶器和UV固化灯固定在电动平移台上，两个微调架、功率计、3个电荷耦合器件CCD及其适配镜头、电动滴胶器、UV固化灯和电动平移台分别通过计算机来控制，其中CCD2是用来观察波导器件的侧面的，而CCD3是用来观察来自于波导器件输出端横截面上波导通道中的光斑的。
对准及粘接过程：下面以M×N通道波导器件为例来说明波导器件的自动对准系统(M和N为任意整数)。一般而言，输入光纤阵列和波导器件的对准比较容易，虽然波导器件的输入端为M个通道波导，但只需要输入光纤阵列中的一根光纤和波导器件输入端的某一个波导对准即可。如果波导器件的输入端需要M个通道全部对准，那么只需要将输入光纤阵列沿图7中坐标系所示的Z轴适当旋转即可。具体步骤是：波导自动对准系统中同时采用两个6维电动微调架，光源采用宽带光源(L或L+C或L+C+S波段范围)。
具体步骤如下：
一.粗对准：如图10
(1)通过两个电荷耦合器件CCD对波导器件和光纤阵列上表面和侧面的观察和图象处理分析，判定波导器件端面和光纤阵列端面的不平行情况，利用该信息，调节光纤阵列使波导器件端面和光纤阵列端面变为平行。
(2)利用CCD3观察波导器件出射的光斑强度来判断光纤阵列1-1是否和波导器件的输入端对准。
(3)通过CCD1观察波导输入端和光纤阵列1-1(或1-2)的上表面放大了的图象，通过CCD2观察波导输入端和光纤阵列1-1(或1-2)的侧面放大了的图象，利用这些图象信息，计算机控制微调架2-1(或2-2)运动来实现波导器件的输入端和光纤阵列1-1(或1-2)的对准；
(4)在光纤阵列沿X和Y方向扫描过程中，采集并判断功率计上的能量值，使之做为反馈信息引导光纤阵列找到能量最大值的位置。以上完成了粗对准。
二.精细对准：如图11
(1)先对波导器件的输出端进行精细自动对准，然后再对输入端进行精细自动对准，在沿X和Y方向扫描时，为了防止阵列光纤可能和波导器件碰撞到一起(由于波导器件和光纤阵列的端面存在倾斜角且二者距离很小的缘故)，当光纤阵列沿Y轴向上移动时，它同时要沿Z轴向远离波导器件的方向移动适当的距离，反之亦然。在精细对准过程中，首先对准第一个通道，或是前N/2个通道中的任意一个指定通道K；先设定好扫描范围、步长、起始点和能量期望值，光纤阵列1-2从起始点开始按步长移动，每移动一步，计算机就读取功率计上的波导器件第一K通道的能量值，通过对读数比较，采取主动反馈方式找到该通道能量最大值的位置。另一通道也不限于再对准第N个通道，然后计算机控制微调架2-2开始沿Z方向转动，使波导器件的输出波导J和光纤阵列的输出光纤J对准，J可能是后N/2个通道中的任意一个指定通道。波导输入端并不一定只对准一个通道，可能是M个通道。
具体是首先计算机控制光纤阵列1-2沿Z轴移动到很靠近波导器件的位置，然后光纤阵列1-2沿X和Y方向扫描，在扫描开始前，先设定好扫描范围、步长、起始点和能量期望值，光纤阵列1-2从起始点开始按步长移动，每移动一步，计算机就读取功率计上的波导器件第J通道的能量值PJ，并比较该值Pnow和上一步移动完成后的能量值Plast，如果Pnow大于Plast，则光纤阵列1-2继续按原来方向移动，否则运动方向顺时针旋转180度继续移动；同样继续采集并比较Pnow1和Plast1的值，如果Pnow1大于Plast1，则光纤阵列1-2继续按原来方向移动，否则运动方向顺时针旋转90度继续移动，如果Pnow1大于Plast1，则光纤阵列1-2继续按原来方向移动，否则运动方向顺时针旋转180度继续移动；直到找到能量预期值的位置为止，通过调整能量预期值的大小，最终找到能量最大值的位置；保持微调架2-2不动，按上述方法对光纤阵列1-1进行X和Y方向的扫描，实现波导输入端的精细对准，即一个通道对准，然后计算机控制微调架2-2开始沿Z方向转动，使波导器件的另一个输出波导通道K和光纤阵列的对应输出光纤对准，这样功率计上的该通道读数值为PK，计算机通过采集功率计上的功率值PK并将其做为反馈信息来指挥微调架2-2转动，直到找到PK为最大值的位置，其中J是1-N中的任意一个，K是1-N中J以外中的任意一个。
三.基本对准过程完成后，调整通道的能量均衡：如图12，计算机通过判断功率反馈值Δ，Δ＝|P1-PK|，即|P1-PN|或|P1-PN-1|或|P1-PN-2|等等，或Δ＝Pmax-Pmin来控制微调架2-2按扫描路线移动，直到Δ的值变到预先设定的值为止。
四.UV固化：计算机控制电动平移台使电动滴胶器分别移动到波导器件的两个端面并滴下预先设定量的环氧胶(或用于沾接的胶)，然后再使UV固化灯移动到波导器件的两个端面，在计算机的控制下，进行设定量的UV曝光。
实践表明，这样可能使P1值稍有减少，但却使得各个通道的功率值变得更加均匀，此时波导器件和光纤阵列对准后的情况如图9所示。在图8中保持虚线矩形(波导)位置不变，让整个光纤阵列(实线圆形)向左下角移动，就得到了图9。从图9可看出，该图是保持图7中的波导位置不动，而让光纤阵列整体向左下角移动而得来的，这时几乎所有的虚线矩形偏离了实线圆形的中心但没有跑到其外面去，波导和光纤间稍微偏离了理想的对准位置，也即各个通道的功率值都稍微偏离了最大值，但彼此间的差值变小了。实现了通道能量的均衡。
本发明的技术方案核心是提出了光波导器件和光纤阵列的自动对准及其通道能量均衡技术，计算机通过判断通道间功率差作为反馈值与预先设定的值相比较，控制微调架2-2沿X和Y方向扫描移动，直到反馈值变到预先设定的值为止。因此，凡是算机通过判断通道间功率差作为反馈值与预先设定的值相比较，控制微调架2-2沿X和Y方向扫描移动均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种光波导器件和光纤阵列的自动对准及其通道能量均衡方法，包括波导器件端面和光纤阵列端面平行的实现，波导输出、输入端的对准，具有图象采集卡和数据采集卡的工控机，两个六维电动微调架及微调架的电动控制模块，第一电荷耦合器件(CCD1)、第二电荷耦合器件(CCD2)、第三电荷耦合器件(CCD3)及其适配镜头，左边的第一六维电动微调架(2-1)上端固定用作输入端的第一光纤阵列(1-1)，右边的第二六维电动微调架(2-2)上端固定用作输出端的第二光纤阵列(1-2)，光纤阵列(1-1)、(1-2)的输出光纤都正对着置于中间支架上的波导器件，第一光纤阵列(1-1)的光纤输入端与宽光源相连，第二光纤阵列(1-2)的光纤输入端与功率计的各个通道相连，在整个耦合封装过程中波导器件的位置保持不变，计算机根据功率计探测的功率，判断通道间功率差作为反馈值与预先设定的值相比较，来控制第二六维电动微调架(2-2)沿X和Y方向扫描移动，直到反馈值变到预先设定的值为止，使第一光纤阵列(1-1)的输出光纤对准波导器件的输入波导，第二光纤阵列(1-2)的输出光纤对准波导器件的输出波导，实现器件耦合对准，其特征是通道能量的均衡由计算机采集两个通道的功率值，反馈值是该两个通道的功率值的差的绝对值，一个通道是PJ，另一个通道是PK，J代表N个通道中的任意一个通道，K代表J以外的任意一个通道，N代表总通道数，反馈值Δ＝|PJ-PK|来控制第二六维电动微调架(2-2)沿X和Y方向扫描移动，直到反馈值变到预先设定的值为止，其中X与光纤垂直，与光纤阵列表面平行；Y与光纤阵列表面垂直；Z与光纤平行。
2.根据权利要求1所述的自动对准及其通道能量均衡方法，其特征是反馈值是计算机采集N个通道的功率值P1，P2......PN，对它们进行比较，取出最大值Pmax和最小值Pmin，计算功率不均匀度Δ＝Pmax-Pmin，计算机利用功率不均匀度Δ做为反馈信号，指挥第二六维电动微调架(2-2)按预定范围扫描，直到Δ的值变到预先设定的值为止。
3.根据权利要求1或2所述的自动对准及其通道能量均衡方法，其特征是波导器件端面和光纤阵列端面平行的实现方法是计算机控制第一电荷耦合器件(CCD1)和第二电荷耦合器件(CCD2)移动到波导器件的输入端，通过计算机的显示器可观察到第一光纤阵列(1-1)和波导器件输入端的上表面和侧面，通过图象处理的办法判断第一光纤阵列(1-1)的端面和波导器件输入端的端面之间的夹角，与设定值比较，调节第一光纤阵列(1-1)，使其端面和波导器件的输入端面平行，对波导器件的输出端采用同样的方法。
4.根据权利要求1或2所述的自动对准及其通道能量均衡方法，其特征是波导输入端的粗对准是通过第一电荷耦合器件(CCD1)观察波导输入端和第一光纤阵列(1-1)的上表面放大了的图象，通过第二电荷耦合器件(CCD2)观察波导输入端和第一光纤阵列(1-1)的侧面放大了的图象，利用这些图象信息，计算机控制第一六维电动微调架(2-1)运动来实现波导器件的输入端和第一光纤阵列(1-1)的初步粗对准，然后将第二光纤阵列(1-2)移开，通过第三电荷耦合器件(CCD3)利用计算机的显示器来观察透过波导器件的光斑，当光斑变为最亮时，就认为波导输入端的粗对准完成。
5.根据权利要求1或2所述的自动对准及其通道能量均衡方法，其特征是波导输出端的粗对准是在波导输入端的粗对准完成后，通过第一电荷耦合器件(CCD1)观察波导输出端和第二光纤阵列(1-2)的上表面放大了的图象，通过第二电荷耦合器件(CCD2)观察波导输出端和第二光纤阵列(1-2)的侧面放大了的图象，利用这些图象信息，计算机控制第二六维电动微调架(2-2)运动来实现波导器件的输出端和第二光纤阵列(1-2)的对准，当功率计上显示该通道有部分光能量时，就认为波导输出端的粗对准完成。
6.根据权利要求1或2所述的自动对准及其通道能量均衡方法，其特征是波导输出、输入端的精细对准是在粗对准之后，首先计算机控制第二光纤阵列(1-2)沿Z轴移动到很靠近波导器件的位置，然后第二光纤阵列(1-2)沿X和Y方向扫描，在扫描开始前，先设定好扫描范围、步长、起始点和能量期望值，第二光纤阵列(1-2)从起始点开始按步长移动，每移动一步，计算机就读取功率计上的波导器件第J通道的能量值PJ，并比较该值Pnow和上一步移动完成后的能量值Plast，如果Pnow大于Plast，则第二光纤阵列(1-2)继续按原来方向移动，否则运动方向顺时针旋转180度继续移动；同样继续采集并比较Pnow1和Plast1的值，如果Pnow1大于Plast1，则第二光纤阵列(1-2)继续按原来方向移动，否则运动方向顺时针旋转90度继续移动，如果Pnow1大于Plast1，则第二光纤阵列(1-2)继续按原来方向移动，否则运动方向顺时针旋转180度继续移动，直到找到能量预期值的位置为止，通过调整能量预期值的大小，最终找到能量最大值的位置，保持第二六维电动微调架(2-2)不动，按上述方法对光纤阵列(1-1)进行X和Y方向的扫描，实现波导输入端的精细对准，即一个通道对准，然后计算机控制第二六维电动微调架(2-2)开始沿Z方向转动，使波导器件的另一个输出波导通道K和光纤阵列的对应输出光纤对准，这样功率计上的该通道读数值为PK，计算机通过采集功率计上的功率值PK并将其做为反馈信息来指挥第二六维电动微调架(2-2)转动，直到找到PK为最大值的位置，其中J是1-N中的任意一个，K是1-N中J以外中的任意一个。
7.根据权利要求6所述的自动对准及其通道能量均衡方法，J与K通道的位置应保持一定的距离，J是前N/2个通道中的任意一个指定通道，K是后N/2个通道中的任意一个指定通道。
8.根据权利要求1所述的自动对准及其通道能量均衡方法，其特征是光源采用宽带光源，其频率范围为L或L+C或L+C+S波段。
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Legal Events
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Owner name: WUHAN GUANGXUN TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER NAME OR ADDRESS: WUHAN GUANGXUN SCIENCE AND TECHNOLOGY CO., LTD. |
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| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20060315 |