CN1383012A - 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 - Google Patents

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技术,计算机判断并控制微调架沿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P_max和最小值P_min,计算功率不均匀度Δ=P_max－P_min,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

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

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技术，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……P_N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，P_N(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，P_N和P_N-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)。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，更没有解决通道能量均衡问题。

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……P_N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技术，包括通道功率值的检测，取反馈值，计算机判断并控制微调架沿X和Y方向扫描移动，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，如一个通道是P_J，J代表N个通道的中的任意一个，另一个通道是P_K，K代表J以外的任意一个通道，反馈值Δ＝|P_J-P_K|来控制微调架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。

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P₁，P₂……P_N，对它们进行比较，取出最大值P_max和最小值P_min，计算功率不均匀度Δ＝P_max-P_min，计算机利用功率不均匀度Δ做为反馈信号，指挥微调架2按预定范围扫描，直到Δ的值变到预先设定的值为止。

波导器件端面和光纤阵列端面平行的实现：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。

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。

然后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(假设读数值为P₁)，就认为波导输出端的粗对准完成了。

波导输出、输入端的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，：首先计算机控制光纤阵列2沿Z轴移动到很靠近波导器件的位置，然后光纤阵列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K通道的能量值，并比较该值P_now和上一步移动完成后的能量值P_last，如果P_now大于P_last，则光纤阵列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P_now和P_last的值，如果P_now大于P_last，则光纤阵列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P_now大于P_last，则光纤阵列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。然后保持微调架2不动，通过改变能量预期值的大小，重复上述方法，最终找到J通道能量最大值的位置，当这个过程完成后，波导器件的第K通道对准就完成了。

需要说明的是，在微调架2带动光纤阵列2根据能量反馈信息沿X和Y方向扫描寻找能量预期值的位置时，如果扫描范围过大，从图7中可看出，阵列光纤2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)，为了防止这种情况发生，当光纤阵列2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。在实现波导输入端的精细对准时也采取这种做法。

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J和光纤阵列的输出光纤J对准，这样功率计上的第J个通道读数值为P_J，计算机通过采集功率计上的功率值P_K并将其做为反馈信息来指挥微调架2转动，直到找到P_J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K通道可能会偏离最佳位置，使P_K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J通道的最佳位置。最后，当P_J和P_K同时保持最大值时，就认为对准完成了。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。

J与K是的距离越远越好。一般K是前N/2个通道中的任意一个指定通道，J是后N/2个通道中的任意一个指定通道。

光源采用宽带光源，L或L+C或L+C+S Band波段范围。

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波导器件粗对准系统流程图。

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 Band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(或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(或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1(或2)运动来实现波导器件的输入端和光纤阵列1(或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最大值，另一个通道也不限于对准第N个通道，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；

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-P_K|，即|P₁-P_N|或|P₁-P_N-1|或|P₁-P_N-2|等等，或Δ＝P_max-P_min来控制微调架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沿X和Y方本发明的保护范围。

Claims (9)

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技术，包括波导器件端面和光纤阵列端面平行的实现、波导输出、输入端的粗对准、波导输出、输入端的精细对准，其特征是波导输出、输入端的精细对准完成后，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。

2、根据权利要求1所述的自动对准及其通道能量均衡技术，其特征是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，如一个通道是P_J，另一个通道是P_K，K代表J以外的任意一个，反馈值Δ＝|P_J-P_K|来控制微调架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。

3、根据权利要求1所述的自动对准及其通道能量均衡技术，其特征是反馈值是计算机采集N个通道的功率值P₁，P₂……P_N，对它们进行比较，取出最大值P_max和最小值P_min，计算功率不均匀度Δ＝P_max-P_min，计算机利用功率不均匀度Δ做为反馈信号，指挥微调架2按预定范围扫描，直到Δ的值变到预先设定的值为止。

4、根据权利要求1所述的自动对准及其通道能量均衡技术，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。

5、根据权利要求1所述的自动对准及其通道能量均衡支术，其特征是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。

6、根据权利要求1所述的自动对准及其通道能量均衡技术，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，通过电荷耦合器件CCD1观察波导输出端和光纤阵列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2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，当功率计上显示该通道有部分光能量时，就认为波导输出端的粗对准完成。

7、根据权利要求5或6所述的自动对准及其通道能量均衡技术，其特征是波导输出、输入端的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的，首先计算机控制光纤阵列2沿Z轴移动到很靠近波导器件的位置，然后光纤阵列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K通道的能量值P_K，并比较该值P_now和上一步移动完成后的能量值P_last，如果P_now大于P_last，则光纤阵列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P_now和P_last的值，如果P_now大于P_last，则光纤阵列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P_now大于P_last，则光纤阵列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，保持微调架2不动，通过调整能量预期值的大小，重复上述方法，最后实现波导输入端一个通道K通道的精细对准，然后计算机控制微调架2开始沿Z方向转动，使波导器件的另一个输出波导通道J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P_J，计算机通过采集功率计上的功率值P_J并将其做为反馈信息来指挥微调架2转动，直到找到P_J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。

8、根据权利要求7所述的自动对准及其通道能量均衡技术，J与K通道的位置应保持一定的距离，一般K是前N/2个通道中的任意一个指定通道，J是后N/2个通道中的任意一个指定通道。

9、根据权利要求1所述的自动对准及其通道能量均衡技术，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 Band波段。

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