CN1261441A - 光学装配件的对准 - Google Patents

Abstract

当使装在一个携带装置(1)的凹槽(9)中的光纤(7)与一个光学件(5)比如一个激光器的表面区域精细对准时,通过使适当的工具移动或在光纤(7)的端部作用在携带装置上,使平板形的携带装置塑性变形。为了使塑性变形变得容易,围绕变形区域(17)制作出狭缝(15),使得就在光纤(7)的端部获得一个变弱的区域(16)。实现精细的对准或者是为了校正有误差地安装的光学装配件的位置,或者是为了使已经安装的光学装配件精细地对准,安装这些装配件时没有必要努力得到非常高的精度。可以在进行对准步骤的同时测量连接部位的效率,这是通过开动激光器(5)使它发出光,进入光纤(7)。可以用一个光探测器(25)检测此光,从而可以实现变形过程以便在光纤(7)的端部得到最大的输出功率。携带装置(1)的材料可以为一种纯度很高的金属,例如厚度不大的铜板。所描述的精细对准的步骤有好处:在经济上有好处,并且在对准操作中的精度上有好处,从而在最后产品中光学装配件之间的连接部位处获得非常小的衰减。该携带装置与装配件一起是用来模塑进一个封壳中,以便获得适用于装一块线路板上的一个光学部件。

Description

光学装配件的对准

技术领域

本发明涉及光电部件，具体地说，涉及在光电部件中使用的装配件的对准，比如光纤的一端相对于另一个主动型或被动型装配件特别是激光芯片或组件的对准。

背景技术

当沿着光纤传播的光由激光器发射出时为了避免光学损失，必须以很大的精度把光纤的一端相对于激光芯片的输出孔径对准。这种高精度对组装过程提出相应的要求，特别是当在芯片上的适当位置安装光纤时提出相应的要求。已经采用了一些方法来降低当安装部件时对精度的要求，比如使用包括所谓″楔形的″激光器的方法，此种激光器的模式场适宜于用来耦合到例如单模的光纤上。

在现有的组装方法中，通常设有某种类型的携带装置，光纤和形状为芯片的激光器元件装在此装置上。此携带装置可以设有不同的准直装置，比如V形凹槽、其它类型的凹槽以及精确地形成的突起或凸出部分。这样的携带装置可以作为一块硅板生产出，其中形成有非各向同性地刻蚀的V形凹槽和在该板上沉积的不同的层，沉积不同的层是为了形成支承表面，芯片可以对着这些支承表面精确地定位。

为了使一个光电芯片定位在携带装置上的一个想要的位置，也可以利用在熔化的焊料区域中例如在熔化的小焊料球中的表面张力，这些小焊料球把芯片装到携带装置上，也可能使芯片与携带装置在电路上连接起来。当使用时，这样的过程要求非常小心，因此，在获得正确安装的部件的足够高的产量方面比如在要求应用方面或为了以足够的性能指标实现制作方面可能有限制。该过程取决于某些精密的因素，比如应该使被沉积的焊料的厚度保持为非常精确的值，以及在芯片上和在携带装置上都精确地确定可以被熔化的焊料变湿的面积。

已经提出一些方法对于光学装置或光纤采用可以塑性变形的支撑，使这些支撑变形，实现光纤端部相对于光学装置的最后定位或对准。因此，在公开的国际专利申请WO91/06022中公开了对于微型光学透镜的一种透镜安装，该透镜安装包括由一个基座向上站立的一个平的框架。此框架围绕着透镜被安装的部分，并且在此部分透镜可以被框架的弯曲塑性变形到透镜的对准位置。这样的框架结构不适用于使在平的基座中或在平的基座上的波导与刚硬地装接到该基座上的一个芯片中的光学部件对准。此外，该框架结构在竖直方向上要占用空间。

在已公开的欧洲专利申请0717297中，公开了光纤与激光芯片的精细对准，这是采用了一个细长的支承件来固定光纤的端部。该支承件的形状为圆柱杆，它包括一个纵向的狭缝，把光纤固定在该狭缝中。一个可以塑性变形的鞍形物使此圆柱件保持在离开基座板的一定距离处，此鞍形物有由基座板向上站立的臂。可以使鞍形物的臂变形，使光纤端部重新定位。此装置不能很好地适用于精密地移动在基座板中或在基座板上的波导，使它与刚硬地装接到该基座上的一个光学部件的开孔对准。此外，该装置比较复杂，并要求许多安装步骤。

本发明的概述

本发明的一个目的是提供一种方法和用于光学装配件的一种携带装置，使得一个光学装配件的表面区域可以与另一个光学装配件的表面区域对准。

本发明的另一个目的是提供一种方法和用于光学装配件的一种携带装置，使得一个光学装配件的表面区域可以与另一个光学装配件的表面区域对准，它不使用任何另外的安装或装接装置，因此不增加光学部件的总高度。

本发明的又一个目的是提供一种方法和用于在一个光学部件中的光学装配件的一种携带装置，使得该装配件的输入和输出区域可以彼此对准，而同时实现反馈型的测量，以便在输入与输出之间可以得到最大的传输。

本发明解决的问题是在一个共同的携带装置上如何实现不同的光学装配件之间的好的对准。问题包括实现例如光学部件的精密对准，当最后检验时已经确定这些部件是以不能令人满意的精度有误差地被安装了，问题还包括容许这些装配件相对于彼此可以有最后的正确对准，从而在前面的组装过程中只用保持较低的精度，因此，可以使用较低成本的组装方法。另外，问题包括如何可以以一种简单和不占用空间的方式实现精确的对准。

一种对准方法也可以被称为精密对准方法，此方法是基于一种适当的材料的塑性变形。在用于光学装配件的平板形携带装置中使用此材料，因此，把携带装置的材料选择成使它可以塑性地和机械地变形，在进行塑性变形之后，有最小的弹性的反弹或最小的弹回。此材料也应该是当制作光学部件时它不受后来的步骤影响，特别是不受有时相当高的温度的影响，这种高温可能是需要的，例如为了使封装的塑料或人造树脂材料固化。这种情况也可以用另一种方式叙述，此材料基本上没有机械记忆。可以用高纯度的铜板制作该携带装置，例如至少99％(重量百分比)的铜。

把该携带装置的构形做成可以借助于外面的加压表面使该携带装置的某些部分例如内部在不同的方向上移动。在使装设到携带装置上的一根光纤对准的情况下，携带装置的适当部分只需要在垂直于光纤的纵向方向上移动。可以在把不同的装配件装在其上之后进行携带装置的变形，还可以测量装接到携带装置上的不同的装配件之间的光学传输，并利用反馈控制携带装置的变形，从而在不同的光学装配件的输入与输出之间获得最大的光学传输，因此有最小的衰减。在希望有这样的衰减的情况下，例如为了使输入的功率适宜于某种光探测器或光放大器的情况下，也可以使用相同的方法在两个装配件之间的接口处产生所选定的衰减。可以一般性地把此方法描述为，在对准的过程中可以测量在两个光装配件之间例如一根光纤与一个激光器之间的接口处的损失，这只要对装配件之一提供信号就可以作到，例如对激光器提供适当的电流和电压使它发出光信号。

可以把该携带装置的构形做成一块适当地设置的狭缝的平板，这些狭缝围绕着装配件的那个区域可能是必须移动的区域，以便得到与另一个装配件的正确的精确对准。这些狭缝可以例如为它们的纵向方向基本上垂直于彼此相对着设置的那些表面，并且，这些表面在前面的组装步骤中已经设置成尽可能地靠近或彼此尽可能相对着。这些狭缝也应该有平行于所述区域伸展并伸展到靠近它的一个区域的部分，从而在表面的附近形成一个窄的区域，此区域用作变弱的区域，它使变形变得容易。这些狭缝将容许在垂直于携带装置的平面的方向上移动。

本发明的另外的目的和优点将在下面的描述中叙述，并且，部分地将由此描述看清楚，或者，可以由本发明的实践中学到。可以通过具体地在所附的权利要求中所指出的方法，过程，装置和组合实现并获得本发明的目的和优点。

附图的简要描述

尽管在所附的权利要求中具体地叙述了本发明的新颖的特点，但是，由考虑下面参考着附图给出的对非限定性的实施例的详细描述可以得到对本发明的全面的理解，包括它的组织和内容以及它的上述和其它特点，并将会更好地认识到这些，在附图中：

图1为一个携带装置平板的透视图，在该平板上装有一根光纤和一个激光芯片；

图2为放在一个对准工具中的该携带装置平板和激光器的剖面图；以及

图3为放在该对准工具中的携带装置平板和光纤的剖面图。

详细描述

在图1中示出了携带装置1，它由一块金属平板或薄片制成，它的至少某一部分是可以塑性变形的。该携带装置1的形状大致为长方形，在它的短的侧面之一它包括一个伸出部分3。在该伸出部分3的顶表面上装有一个激光芯片5，它的输出表面指向携带装置1的长方形的主要部分。在携带装置1的长方形部分的纵向中心线上设有一根光纤7，因此，此光纤与长方形部分的长的侧面平行，并位于在携带装置1中压出或模压出的一个V形凹槽9中。可以按照在国际专利申请No.PCT/SE97/02084中描述的方法生产出此V形凹槽9。借助于一种适当的粘接剂，例如一种环氧树脂粘接剂把光纤7装接在V形凹槽9中。在它的另一端把光纤7装接在一个套筒11中，此套筒是由适当的材料制成的一个圆柱形件，该材料对于在光纤中传输的波长是不透明的，例如为一种陶瓷材料。圆柱形的套筒11由携带装置1的长方形部分的短的侧面伸出，此侧面是与伸出部分3所在的短的侧面相对着的。为了把套筒11定位在携带装置1上，设有适当的V形凹槽和凹进部分，并在套筒的紧靠携带装置1的内端设有一个凸缘13。

典型地，当把光纤7由外面的高聚物保护套脱开时，光纤的外径为0.125毫米，而它的内端的端表面被放在激光器5的输出孔径上，此激光器在所示出的实施例中由一个小的长方性芯片构成，其厚度为例如0.1-0.4毫米。在该光纤最靠近激光器5的部分，在携带装置1中设有L形的狭缝15，其较长的部分平行于光纤7的纵向，而它的较短的根部向上伸展到靠近光纤7的区域，因此，靠近V形凹槽9，也靠近光纤7在激光器5的端表面。因此，在携带装置1的靠近光纤7的内表面的这一区域中获得了携带装置1的一个变弱的部分16。

在图1中示出了一个xyz坐标系，它的x轴在光纤7的纵向方向上，它的y轴垂直于光纤7的纵向并平行于携带装置的平面，它的z轴垂直于此平面并垂直于光纤7的纵向。

例如可以假设已经借助于上面描述的步骤把激光器5装好了，这是利用熔化的焊料的表面张力，以便把非常小的激光芯片5带到它的正确位置上。然而，如上面已经描述的那样，激光器5与光纤7的相对位置的精度可能是不令人满意的，随后必须作精细的调整。因此，使携带装置的靠近光纤7的内端的区域17，该区域在与激光器5的交界区域，并在狭缝15之间变形。把光纤7和激光器5已经装在其上的携带装置1插进一个工具中，此工具的剖面在图2和3中示出。此工具包括一个不动的基座27，此基座有一个平的支承表面，携带装置1的主要部分就放在此表面上，套筒11和它的凸缘3的区域和狭缝15之间的区域17除外，在这些区域，基座27的支承表面有凹进部分或有通孔。位于同一表面中并属于一个上锁定部件29的支承表面把携带装置1固定在基座27上。此锁定部件对着基座27把携带装置1向下压，并且，它有与基座的凹进部分对应的凹进部分，还有对于激光器5的一个凹进部分31和对于光纤7的一个凹进部分33。因此，激光器5和光纤7不与该工具的任何部分接触。因此，携带装置1的下面部分是平的，而携带装置1的靠近光纤7的内端的部分是自由的，比如狭缝之间的特定区域17不与基座27和锁定部件29的任何支承表面接触。

该工具还设有不同的变形部件或变形根部，作用力可以使这些部件以可控的方式移动。下变形根部35可以在竖直方向上(在z方向上)在基座27中位于携带装置的区域17的下面的一个孔中移动。此下变形根部有一个平的上支承表面，此表面可以作用在携带装置1的所有所述自由区域17上，使它有向上的弧形位移。一个相应的上变形根部37可以在竖直方向上以同样的方式在锁定部件的一个相应的孔中移动，该孔就位于特定区域17的上方。此上变形根部有平的下支承表面，其中对于光纤设有一个凹进部分39，从而使光纤不与上变形根部37的任何表面接触。随后，此根部的支承表面可以作用到特定区域17上，用来使它有向下的弧形位移，在此情况下，同时使下变形根部35在向下的方向上移动，或它已经向下移动了一些，为的是给上根部的运动留出空间。当使下根部向上运动时，有相应的状态。因此可以实现光纤7的端部对于在高度方向上或z方向上的一个任意想要的位置的定位。

也可以借助于横向的移动部件41在横向上即在y方向上移动光纤7的端部。这样的横向移动部件41设在光纤7的每一侧，并可以在上变形根部37的狭缝43中移动。此横向移动部件在它们的下部区域为尖劈的形状，如在剖面图中看到的那样，它包括下边缘45，此边缘平行于光纤7的纵向方向伸展，并可以作用在特定区域17上。当首先在横向上移动光纤7时，上和下变形根部35，37在高度方向上被设定在这样的位置，使区域17正好限制住，使它不能上下运动，但仍然未被刚硬地固定住。随后，使横向移动部件41之一向下运动，从而使它的边缘45形成携带装置的一个凹槽，其方式基本上与先前已经形成的V形凹槽9相同。随后，使在特定区域17中的材料移动，移离开与边缘45的接触表面，并因此也可以使装到携带装置上的光纤7在y方向上移动，在朝向另一个相对的横向移动部件41的方向上离开该边缘。变形根部35，37可以较容易地在竖直方向上使光纤7移动，从而使它在激光器5上的端表面位于所想要的高度位置。另外，也可以在水平方向之后进行竖直方向的移动，或也可以以小的步骤交替地进行，以便得到正确的对准，例如借助于采用反馈的一个测量步骤，如在后面将要描述的那样。

因此，在对准过程中可以用一种简单的方式在激光器5与光纤7的端部表面之间的接口处实现传输的测量，或等价地实现损失的测量。因此，例如通过探测线21把激光器5连接到一个电源19上，见图1。光纤7穿过套筒11，并把用虚线23表示的光纤连接到一个光探测器25上，此探测器提供例如表示所接收的光功率的信号。判断光功率的大小，并把此信号提供给例如控制装置，此控制装置未画出，它作用到变形根部35，37和横向移动部件41上，为的是把光纤7的端表面移到获得最大传输量的位置。因为携带装置1的材料的性质，不会有任何弹性的反弹，而在后面的加工步骤中精确地保持所设定的位置。自然，在上面描述的步骤中采用的调整工具可以由一个操作人员手动操作，在此过程中观察例如一个表示由激光器5发出的光功率的仪器，或者，可以使用一个未画出的自动装置，该装置有适当的控制算法，为的是使调整达到最佳。

携带装置1的一种适当的材料是有高纯度的铜平板，它只包括数量非常小的其它物质，例如0.5％(重量百分比)的锆，为的是包括例如99％(重量百分比)的铜。这样的铜平板的适当的厚度可能为0.2毫米，但是，这样质量的厚度在0.15-0.6毫米范围内的铜平板适用于上面所描述的对准步骤。在变形前应该使铜平板变软(退火)，例如在较早的产生用于光纤7的V形凹槽的步骤中这样做。只有在特定区域17的那部分平板需要变软，为的是可以进行如这里所描述的对准。

尽管在这里已经示出和描述了本发明的具体的实施例，但是对于熟悉技术的人士来说将容易实现大量的附加的好处、改型和变化。因此，本发明在它的广义的方面不限于在这里示出和描述的具体的细节，代表性的装置和所示出的示例。因此，可以实现多种改型，而不偏离由所附的权利要求书和它们的等价物确定的本发明的一般概念的精神和范围。因此，应该理解到，希望所附的权利要求书包含所有这些落在本发明的精神和范围以内的改型和变化。

Claims (17)

1.一种把第一光学装配件的表面与第二光学装配件的表面对准的方法，其特征在于，有如下步骤：

选择一种材料，当它变形时其行为基本上为塑性的，并只有不明显的弹性反弹；

生产此材料的一个携带装置；

把第一光学装配件和第二光学装配件直接安装在该携带装置上，在第一光学装配件的表面与第二光学装配件的表面之间进行第一次对准；以及

通过使携带装置变形，相对于第二光学装配件的表面移动第一光学装配件的表面，使得实现第一光学装配件的表面区域与第二光学装配件的表面区域的精细的对准。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在生产携带装置过程中，把该携带装置做成基本上为板的形状。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，在安装第一光学装配件和第二光学装配件的过程中，把第一光学装配件和第二光学装配件安装在携带装置的一个大的表面上。

4.按照权利要求1-3中任何一项所述的方法，其特征在于，在携带装置中生产出通孔，具体地为在第一光学装配件和第二光学装配件中之一的一个区域或围绕此区域或部分地围绕此区域的狭缝。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，在生产通孔的过程中，选择该区域位于第一光学装配件和第二光学装配件各自的表面区域。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，在第一光学装配件为一根有一个纵向方向的光纤的情况下，在生产出通孔的步骤中，把这些通孔制作成基本上平行于光纤的纵向伸展的狭缝。

7.按照权利要求4-6中任何一项所述的方法，其特征在于，在生产通孔的过程中，把这些通孔制作成在第一光学装配件的表面区域与和第二光学装配件的表面区域中之一生产出一个变弱的区域。

8.一个用来把光学装配件安装在该携带装置上的携带装置，此携带装置基本上为平板或薄片的形状，其特征在于，该携带装置至少部分地为一种可以塑性变形的材料，但只有不明显的或可忽略的弹性反弹。

9.按照权利要求8所述的携带装置，其特征在于，在该携带装置中压出或拉出一个V形凹槽，此V形凹槽用来安装一个光学装配件，它是一根光纤。

10.按照权利要求8-9中任何一项所述的携带装置，其特征在于，在一个区域中制作出通孔，在该区域中把一个光学装配件安装在携带装置上。

11.按照权利要求8所述的用来把为一根光纤的一个光学装配件装在其上的携带装置，其特征在于，通孔包括基本上平行于光纤的纵向方向伸展的狭缝。

12.按照权利要求11所述的携带装置，其特征在于，把这些通孔制作成在安装到携带装置上的第一光学装配件的一个表面区域中生产出一个变弱的区域，该表面区域将与安装到携带装置上的第二光学装配件的一个表面区域对准。

13.按照权利要求8-12中任何一项所述的携带装置，其特征在于，携带装置的铜板有高纯度。

14.按照权利要求13所述的携带装置，其特征在于，铜板包括至少99％(重量百分比)的铜。

15.一种光学部件，它包括基本上为平板形状的一个携带装置，该光学部件还包括连接到一个激光器上的一根光纤，光纤的一个端部和激光器被安装在携带装置的表面上，其特征在于，携带装置为可以塑性变形的材料，只有不明显的或可忽略的弹性反弹。

16.按照权利要求15所述的光学部件，其特征在于，携带装置包括在携带装置的表面上压出的一个V形凹槽，光纤被装在此V形凹槽中。

17.按照权利要求15-16中任何一项所述的光学部件，其特征在于，在携带装置中在光纤的端部段的一个区域中设有通孔，该端部段在激光器处。

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