CN1383004A - 波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术与系统 - Google Patents

Abstract

本发明是设计一种波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术与系统,将波导器件上的各波导光通道和光纤阵列中的光纤一一对准,特别是解决扫描过程中波导器件和光纤阵列的碰撞问题,即在精对准过程中,采用角度补偿扫描方式,即以波导器件左或右端面的倾斜角θ为基准对阵列光纤扫描路线进行角度补偿。每当Y值增加ΔY时,阵列光纤就沿背离波导器件的方向沿Z轴移动ΔZ=ΔY·ctgθ,其中θ为波导器件左或右端面的倾斜角,当Y值减小ΔY时,阵列光纤就沿靠近波导器件的方向沿Z轴移动ΔZ=ΔY·ctgθ。另一种方法是在精细对准过程中,当光纤阵列沿X和Y方向扫描时,采取调整微调架使微调架的Y轴偏离竖直方向变为Y’,Y轴偏离的角度等于波导器件端面的倾斜角θ。

Description

波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术与系统

技术领域

本发明涉及一种波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术与系统，是应用于光波导器件的耦合封装，即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。

背景技术

封装工艺占光器件成本的相当比例。近年来，自动化封装已成为光器件的一个显著的发展趋势。在传统分立光器件领域，自动化(或半自动化)的封装工艺正逐渐被开发应用；在光波导集成器件领域，自动化封装的趋势尤为显著。

与手工封装相比，波导器件的自动化耦合封装技术有许多优点。自动化封装技术能够提高生产效率，实现规模化生产；波导器件的自动化封装对人的依赖性小，封装出的波导产品具有更小的插入损耗和很高的重复性。但是，目前自动化封装刚刚起步，尚没有理想的方法和设备。专利申请99801271对准光纤阵列的方法给出了最新技术，但无论是对准精度和扫描过程均存在一些技术问题。

发明内容

本发明的目的是设计一种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，特别是解决扫描过程中波导器件和光纤阵列的碰撞问题，再采用光学胶(通常是环氧胶)将其粘接在一起的技术。解决波导器件和光纤阵列的精确对准，使封装出的波导产品具有更小的插入损耗和很高的重复性的技术。

本发明的技术方案是：本发明的波导器件自动耦合封装采用了角度补偿扫描技术，在精对准过程中，采用角度补偿扫描方式，即以波导器件左或右端面的倾斜角θ为基准对阵列光纤扫描路线进行角度补偿。

一种方法是当阵列光纤在设定范围内按设定步长沿X和Y方向进行扫描时，每当Y值增加ΔY时，阵列光纤就沿背离波导器件的方向沿Z轴移动ΔZ＝ΔY·ctgθ，其中θ为波导器件左或右端面的倾斜角，当Y值减小ΔY时，阵列光纤就沿靠近波导器件的方向沿Z轴移动ΔZ＝ΔY·ctgθ。

另一种方法是在精细对准过程中，当光纤阵列沿X和Y方向扫描时，采取调整微调架使微调架的Y轴偏离竖直方向变为Y’，Y轴偏离的角度等于波导器件端面的倾斜角θ。

所述的波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术，在粗对准过程中，首先计算机控制电动平移台运动，使电子耦合器件CCD镜头先移动到波导器件的左端，显示器观察波导器件的左端上表面和输入阵列光纤的上表面，通过对放大了的图象的观察、处理判断光纤阵列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，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，然后是波导输入端的粗对准：通过电荷耦合器件CCD1观察波导输入端和光纤阵列1的上表面放大了的图象，通过电荷耦合器件CCD2观察波导输入端和光纤阵列1的侧面放大了的图象，利用这些图象信息读出坐标值与设定值比较，计算机控制微调架1运动来实现波导器件的输入端和光纤阵列1的粗对准，再将光纤阵列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，再进行波导输出端的粗对准，通过电荷耦合器件CCD1观察波导输入端和光纤阵列2的上表面放大了的图象，通过电荷耦合器件CCD2观察波导输入端和光纤阵列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运动来实现波导器件的输出端和光纤阵列2的对准，当功率计上显示第一通道或第K通道有部分光能量时，就认为波导输出端的粗对准完成了。

所述的波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术，其在精细对准过程中，通过对准两个预先指定的通道来实现整个波导器件的对准，先精细对准任意一个指定通道时，在设定好扫描范围和步长后，计算机控制微调架带动阵列光纤沿X和Y方向扫描，同时采集功率计或光电探测器上的能量值，微调架沿X，Y方向按步扫描的范围是预先设定的，当扫描完成后，计算机就会将记录下的功率值沿X和Y方向绘出三维能量分布图，然后找出能量最大的位置，并指挥微调架带动光纤阵列移动到该位置，该位置实际上是相对能量的最大位置，非绝对能量的最大位置，以该相对能量的最大位置为起点，再确定一个X，Y方向的扫描范围，重复上面步骤，找到另一个相对能量的最大位置；再次重复该过程，直到找到绝对能量的最大位置为止，这样波导器件的第一通道对准就完成了，然后计算机控制微调架2开始沿Z方向转动，使波导器件的输出波导N和光纤阵列的输出光纤N对准，这样功率计上的第N个通道读数值为P_N，计算机通过采集功率计上的功率值P_N并将其做为反馈信息来指挥微调架2转动，直到找到P_N为最大值的位置。因为转动轴不一定在光纤阵列的中心，所以微调架2转动时，光纤阵列的第一通道可能会偏离最佳位置，使P₁值变小，因此微调架2转动时也需要同时沿X和Y方向移动，以保持光纤阵列第一通道的最佳位置，使P₁和P_N同时保持最大值，实现波导输入端的精细对准，找出相对最大能量值或设定能量值的位置，重复上述过程，直到找到绝对最大能量值的位置，实现波导输入端的一个通道的精细对准。

在精细对准过程中，首先对准第一个通道或前N/2个通道中的任意一个指定通道，然后再对准最后一个通道或后N/2个通道中的任意一个指定通道，最后一个通道或后N/2个通道中的任意一个指定通道的对准是通过绕Z轴转动来实现，在转动的同时，通过继续沿X和Y方向的扫描来保持第一个通道或前N/2个通道中的任意一个指定通道的能量值不变。

所述的波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术，其光纤阵列运动时的轨迹的函数表达式为：其中

n的取值从1到N，这里L为扫描范围，a为扫描步长，

或表达式为：

y＝y₀+kx    其中mT＜x＜(m+1)T， ，y₀和T为设定常数。

或函数表达式可写为极坐标：

r＝r₀+kθ  其中r₀和k为常数。

用于上述波导器件的自动耦合封装及角度补偿扫描技术的系统，包括带有图象采集卡和数据采集卡的工控机，固定两个光纤阵列的两个电动六维微调架的中间是波导芯片放置支架，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，借助CCD和显示器观察放大了的波导器件和阵列光纤的图形，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、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，计算机控制滴胶器自动滴胶，滴胶后控制UV灯自动曝光。

为了防止光纤阵列和波导器件碰撞的问题，采取了用支撑物支起微调架的一侧使微调架的Y轴偏离竖直方向变为Y’，使轴OY’和光纤一端面AB平行。

所述的波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术的系统，其光源采用宽带光源或可调谐激光器。

附图说明

图1是波导器件自动耦合封装系统的结构系统图。所用的主要部件有：带有图象采集卡和数据采集卡的计算机(工控机)，两个电动六维微调架1、2，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，电动平移台，支架。图2是在两个微调架的底端一侧放上合适的支撑物，使微调架的Y轴偏离竖直方向变为Y’示意图。图3和4是波导器件的示意图。图5和6给出了光纤阵列的示意图。图7是函数

的轨迹，图8是函数y＝y₀+kx，mT＜x＜(m+1)T，

的轨迹，y₀和T为设定常数，图9是函数表达式为极坐标  r＝r₀+kθ  其中r₀和k为常数轨迹图。图10给出了整个自动对准封装过程的流程框图。图11是粗对准流程框图。图12是精对准流程框图。图13是各通道能量均衡流程框图。图14是角度反馈流程框图。

具体实施方式

图1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，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，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、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。图10给出了整个自动对准封装过程的流程框图。系统的工作过程是：

1)粗对准过程：如图11。计算机控制电动平移台，使CCD镜头先移动到波导器件的左端，通过显示器观察波导器件的左端上表面和输入阵列光纤的上表面，通过对放大了的图象的观察，移动左边的微调架，使阵列光纤的光纤和波导器件上的相应的波导通道对准。然后按同样的方法粗对准波导器件的右端。一般而言，粗对准结束后，有部分光耦合进入了波导器件。

2)精细对准：如图12。计算机指挥微调架按图7，8或9(或可设定范围和步长的其它类型扫描轨迹)所示的坐标系沿X，Y方向按步移动(每步的步长根据实际情况可以设定)，每移动一步，计算机就采集功率计上的功率值；微调架沿X，Y方向按步扫描的范围是预先设定的，当扫描完成后，计算机就会将记录下的功率值沿X和Y方向绘出三维能量分布图，然后找出能量最大的位置，并指挥微调架带动光纤阵列移动到该位置，该位置实际上是相对能量的最大位置，非绝对能量的最大位置；以该相对能量的最大位置为起点，再确定一个X，Y方向的扫描范围，重复上面步骤，找到另一个相对能量的最大位置；再次重复该过程，直到找到绝对能量的最大位置为止，这样波导器件的第一通道对准就完成了。然后计算机控制微调架2开始沿Z方向转动，使波导器件的输出波导N和光纤阵列的输出光纤N对准，这样功率计上的第N个通道读数值为P_N，计算机通过采集功率计上的功率值P_N并将其做为反馈信息来指挥微调架2转动，直到找到P_N为最大值的位置。因为转动轴不一定在光纤阵列的中心，所以微调架2转动时，光纤阵列的第一通道可能会偏离最佳位置，使P₁值变小，因此微调架2转动时也需要同时沿X和Y方向移动，以保持光纤阵列第一通道的最佳位置。最后，使P₁和P_N同时保持最大值。保持微调架2不动，按上述方法对光纤阵列1进行X和Y方向的扫描，实现波导输入端的精细对准，当这个过程完成后，波导器件的第一通道对准就完成了。

3)各通道能量的均衡：如图13。计算机控制微调架2沿X和Y方向扫描，与此同时，计算机判断第一通道的能量值和另一指定通道的能量值之差是否最小或为设定值；或判断所有通道中的最大能量值和最小值之差是否为最小或设定值，如果是，就结束微调架2的扫描运动，否则继续扫描，直到满足上述条件为止。

4)角度补偿扫描方式：如图14。自动对准过程中，光纤阵列在微调架的带动下在某一范围内自动扫描是非常重要的。为了减小回波损耗，波导器件两个端面一般都做成具有一定倾斜角的光滑面，如图2中的波导器件所示。从图1可看出，如果阵列光纤1或2沿X和Y方向扫描的范围较大时，光纤阵列就有可能和波导器件碰撞在一起，可能导致波导器件的损坏。为了解决这个矛盾，可采取图2所示的系统设置，在两个微调架的底端放上合适的支撑物，使微调架的Y轴偏离竖直方向变为Y’，并且轴OY’和AB平行，这样阵列光纤的扫描变成了沿X和Y’方向扫描了，因此不会存在光纤阵列碰到波导芯片的危险。这样做的困难和不足是：很难通过放置合适的支撑物使OY’和AB平行，并且由于微调架底部支撑物的放置，必然需要在阵列光纤的夹具下放上合适的支撑物，这样会使整个系统的稳定性变差，在一定程度上影响整个系统的效率。

在图1所示的系统中，为了克服当光纤阵列沿X和Y方向扫描时，光纤阵列有可能和波导器件碰撞到一起的矛盾，还可采取如下办法：当阵列光纤在设定范围内按设定步长沿X和Y方向进行扫描时，每当Y值增加ΔY时，阵列光纤就沿背离波导器件的方向沿Z轴移动ΔZ＝ΔY·ctgθ，其中θ为波导器件左(右)端面的倾斜角，当Y值减小ΔY时，阵列光纤就沿靠近波导器件的方向沿Z轴移动ΔZ＝ΔY·ctgθ，这样光纤阵列和波导器件就不会碰撞到一起了，这种有Z轴参与运动的扫描称为角度补偿扫描。

5)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。

Claims (10)

1、一种波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术，包括粗对准、精对准，其特征是在精对准过程中，采用角度补偿扫描方式，即以波导器件左或右端面的倾斜角θ为基准对阵列光纤扫描路线进行角度补偿。

2、根据权利要求1所述的波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术，其特征是当阵列光纤在设定范围内按设定步长沿X和Y方向进行扫描时，每当Y值增加ΔY时，阵列光纤就沿背离波导器件的方向沿Z轴移动ΔZ＝ΔY·ctgθ，其中θ为波导器件左或右端面的倾斜角，当Y值减小ΔY时，阵列光纤就沿靠近波导器件的方向沿Z轴移动ΔZ＝ΔY·ctgθ。

3、根据权利要求1所述的波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术，其特征是在精细对准过程中，当光纤阵列沿X和Y方向扫描时，采取调整微调架使微调架的Y轴偏离竖直方向变为Y’，Y轴偏离的角度等于波导器件端面的倾斜角θ。

4、根据权利要求1所述的波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术，其特征是在粗对准过程中是首先计算机控制电动平移台运动，使电子耦合器件CCD镜头先移动到波导器件的左端，显示器观察波导器件的左端上表面和输入阵列光纤的上表面，通过对放大了的图象的观察、处理判断光纤阵列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，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，然后是波导输入端的粗对准：通过电荷耦合器件CCD1观察波导输入端和光纤阵列1的上表面放大了的图象，通过电荷耦合器件CCD2观察波导输入端和光纤阵列1的侧面放大了的图象，利用这些图象信息读出坐标值与设定值比较，计算机控制微调架1运动来实现波导器件的输入端和光纤阵列1的粗对准，再将光纤阵列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，再进行波导输出端的粗对准，通过电荷耦合器件CCD1观察波导输入端和光纤阵列2的上表面放大了的图象，通过电荷耦合器件CCD2观察波导输入端和光纤阵列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运动来实现波导器件的输出端和光纤阵列2的对准，当功率计上显示第一通道或第K通道有部分光能量时，就认为波导输出端的粗对准完成了。

5、根据权利要求1所述的波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术，其特征是在精细对准过程中，通过对准两个预先指定的通道来实现整个波导器件的对准，先精细对准任意一个指定通道时，在设定好扫描范围和步长后，计算机控制微调架带动阵列光纤沿X和Y方向扫描，同时采集功率计或光电探测器上的能量值，微调架沿X，Y方向按步扫描的范围是预先设定的，当扫描完成后，计算机就会将记录下的功率值沿X和Y方向绘出三维能量分布图，然后找出能量最大的位置，并指挥微调架带动光纤阵列移动到该位置，该位置实际上是相对能量的最大位置，非绝对能量的最大位置，以该相对能量的最大位置为起点，再确定一个X，Y方向的扫描范围，重复上面步骤，找到另一个相对能量的最大位置；再次重复该过程，直到找到绝对能量的最大位置为止，这样波导器件的第一通道对准就完成了，然后计算机控制微调架2开始沿Z方向转动，使波导器件的输出波导N和光纤阵列的输出光纤N对准，这样功率计上的第N个通道读数值为P_N，计算机通过采集功率计上的功率值P_N并将其做为反馈信息来指挥微调架2转动，直到找到P_N为最大值的位置。因为转动轴不一定在光纤阵列的中心，所以微调架2转动时，光纤阵列的第一通道可能会偏离最佳位置，使P₁值变小，因此微调架2转动时也需要同时沿X和Y方向移动，以保持光纤阵列第一通道的最佳位置，使P₁和P_N同时保持最大值，实现波导输入端的精细对准，找出相对最大能量值或设定能量值的位置，重复上述过程，直到找到绝对最大能量值的位置，实现波导输入端的一个通道的精细对准。

6、根据权利要求5所述的波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术，其特征是在精细对准过程中，首先对准的是第一个通道或前N/2个通道中的任意一个指定通道，然后再对准的是最后一个通道或后N/2个通道中的任意一个指定通道，最后一个通道或后N/2个通道中的任意一个指定通道的对准是通过绕Z轴转动来实现，在转动的同时，通过继续沿X和Y方向的扫描来保持第一个通道或前N/2个通道中的任意一个指定通道的能量值不变。

7、根据权利要求2～6之一所述的波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术，其特征是光纤阵列运动时的轨迹的函数表达式为：其中 n的取值从1到N，

这里L为扫描范围，a为扫描步长，

或表达式为：

y＝y₀+kx  其中  mT＜x＜(m+1)T，

y₀和T为设定常数。

或函数表达式可写为极坐标：r＝r₀+kθ  其中r₀和k为常数。

8、根据权利要求2～6之一所述的波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术与系统，其特征是计算机判断一个通道能量值和另一指定通道能量值之差或所有通道中的最大能量值和最小能量值之差是否最小或为设定值，来控制微调架2的扫描运动来达到各通道能量的均衡。

9、用于波导器件自动耦合封装及角度补偿扫描技术的系统，包括计算机、电动微调架、视频显示器、UV固化灯、自动滴胶器、光源组成，其特征是采用带有图象采集卡和数据采集卡的工控机，固定两个光纤阵列的两个电动六维微调架的中间是波导芯片放置支架，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，借助电荷耦合器件CCD和显示器观察放大了的波导器件和阵列光纤的图形，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、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，计算机控制滴胶器自动滴胶，滴胶后控制UV灯自动曝光。

10、根据权利要求9所述的系统，其特征是光源采用宽带光源或可调谐激光器。

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