DE19633293A1 - Method for lining-up two optical micro-components for coupling - Google Patents
Method for lining-up two optical micro-components for couplingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Justieren von wenigstens zwei zu koppelnden optischen Mikrokomponenten, insbesondere eines Lasers und einer Faser, die jeweils einen strahlführenden Bereich haben, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine mikromechanische Justiervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.The invention relates to a method for adjusting at least two optical microcomponents to be coupled, in particular a laser and a fiber, each one have beam-guiding area, according to the preamble of Claim 1 and a micromechanical adjustment device to carry out the method according to the preamble of Claim 11.
Auf dem Gebiet der Nachrichtentechnik gewinnt die optische Übertragungstechnik neben der klassischen Richtfunk- und Kupferkabeltechnik zunehmend an Bedeutung. Ein wichtiges und noch nicht in befriedigender Weise beherrschtes Tätigkeitsfeld ist dabei die Laser-Faser-Kopplung. Eine präzise Laser-Faser-Kopplung ist erforderlich, um die Lichtdämpfung beim Einkoppeln von Licht aus einem Laser in eine Faser möglichst gering zu halten. Eine Koppeltechnik ist bekannt, bei der die Faser in eine Halterung eingelegt und in einem vorgegebenen Abstand gegenüber dem Laser angeordnet wird. Die Halterung wird anschließend manuell verstellt, bis eine vertretbare Koppeldämpfung erreicht ist. Darüber hinaus sind mikromechanische Justagevorrichtungen bekannt, mit denen zu einem Bändchen zusammengefaßte Fasern gegenüber einer Laserzeile ausgerichtet werden können. Dabei werden die Fasern in parallele V-förmige Nuten, die präzise in einen Siliziumträger eingeätzt worden sind, eingelegt und darin festgeklebt. Ein Nachteil dieser mikromechanischen Justagevorrichtung besteht darin, daß die V-förmigen Nuten Durchmesserschwankungen der Fasern, die infolge der Faserbeschichtung auftreten, nicht ausgleichen können. Die Faser-Laser-Kopplungsdämpfung hängt somit erheblich von den Durchmessertoleranzen der Faserbeschichtung ab. Schwankungen im µm-Bereich sind denkbar.Optical wins in the field of communications technology Transmission technology in addition to the classic directional radio and Copper cable technology is becoming increasingly important. An important and not yet satisfactorily mastered The field of activity is laser-fiber coupling. A Precise laser fiber coupling is required to achieve that Light attenuation when coupling light from a laser into to keep a fiber as low as possible. A coupling technique is known in which the fiber is placed in a holder and at a predetermined distance from the laser is arranged. The bracket is then manual adjusted until an acceptable coupling loss is reached. In addition, there are micromechanical adjustment devices known with which fibers combined into a ribbon can be aligned with a laser line. Here the fibers are in parallel V-shaped grooves that are precise have been etched into a silicon carrier, inserted and glued into it. A disadvantage of this micromechanical Adjustment device is that the V-shaped grooves Fluctuations in the diameter of the fibers caused by the Fiber coating occur, can not compensate. The Fiber-laser coupling loss thus depends significantly on that Diameter tolerances of the fiber coating. Fluctuations in the µm range are conceivable.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung verfügbar zu machen, mit denen die Präzision bei der Justierung von optischen Mikrokomponenten gegenüber den bekannten Verfahren und Vorrichtungen deutlich verbessert werden kann.The invention is therefore based on the object Method and device to make available with which the precision in the adjustment of optical Microcomponents compared to the known methods and Devices can be significantly improved.
Dieses technische Problem löst die Erfindung mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 sowie den Merkmalen des Anspruchs 11.The invention solves this technical problem with the Process steps of claim 1 and the features of Claim 11.
Die mikromechanische Justiervorrichtung umfaßt eine ein- oder mehrstückig ausgebildete Halteeinrichtung zur Aufnahme der zu koppelnden optischen Mikrokomponenten. Wenigstens einer optischen Mikrokomponente ist eine steuerbare Stelleinrichtung zugeordnet. Die Justierung der zu koppelnden optischen Mikrokomponenten erfolgt dadurch, daß die Stelleinrichtung die zugeordnete optische Mikrokomponente unter Ansprechen auf ein bestimmtes Steuersignal bewegt. Die Stelleinrichtung kann dazu unmittelbar oder mittelbar - z. B. über die, die optische Mikrokomponente tragende Halteeinrichtung - an der jeweiligen optischen Mikrokomponente angreifen.The micromechanical adjustment device comprises one one-piece or multi-piece holding device for receiving the optical microcomponents to be coupled. At least an optical microcomponent is a controllable one Assigned actuator. Adjusting the to coupling optical microcomponents takes place in that the control device the assigned optical Microcomponent in response to a specific one Control signal moves. The actuator can do this directly or indirectly - e.g. B. about the optical Holding device carrying microcomponents - on the attack the respective optical microcomponent.
Um die Justierung präzise steuern zu können, weist die Halteeinrichtung wenigstens ein flexibles Stützelement auf, an dem die steuerbare Stelleinrichtung angreifen kann. Bei dem flexiblen Stützelement handelt es sich beispielsweise um ein aus Silizium oder Glas gefertigtes mikromechanisches Halteelement. Das Stützelement kann in mikrolithografischer und mikromechanischer Technik durch Trockenätzen oder durch die an sich bekannte LIGA-Abformtechnik kostengünstig hergestellt werden. In order to be able to control the adjustment precisely, the Holding device at least one flexible support element, where the controllable actuator can attack. At the flexible support element is, for example a micromechanical made of silicon or glass Holding element. The support element can be in microlithographic and micromechanical technology by dry etching or by the well-known LIGA impression technique inexpensive getting produced.
Um die optischen Mikrokomponenten in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse ausrichten zu können, weist die Halteeinrichtung für eine oder jede Mikrokomponente drei flexible Stützelemente auf. Mit Hilfe der flexiblen Stützelemente - das sind vorzugsweise Blattfedern - ist außerdem eine Vorjustierung der zu koppelnden optischen Mikrokomponenten in einem Bereich von etwa 5-10 µm möglich. Diese Vorjustierung, kann beim Herstellungsprozeß der Halteeinrichtung präzise vorgegeben werden. Dadurch können herstellungsbedingte Faserschwankungen insbesondere im Beschichtungsmaterial kompensiert werden. Die flexiblen Stützelemente können bezüglich des Umfangs der zu haltenden Mikrokomponente in einem beliebigen Winkelabstand oder jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet sein.To the optical microcomponents in a plane perpendicular to be able to align to the beam axis Holding device for one or each microcomponent three flexible support elements. With the help of flexible Support elements - which are preferably leaf springs - is also a pre-adjustment of the optical to be coupled Microcomponents in a range of about 5-10 µm possible. This pre-adjustment can during the manufacturing process Holding device can be specified precisely. This allows manufacturing-related fiber fluctuations, especially in Coating material can be compensated. The flexible Support elements can be held with respect to the scope Microcomponent at any angular distance or each be arranged offset by 90 ° to each other.
Die Präzision bei der Justierung von optischen Mikrokomponenten kann dadurch weiter erhöht werden, daß der oder jeder optischen Mikrokomponente eine steuerbare Stelleinrichtung mit mehreren Stellgliedern zugeordnet ist. Die Anzahl der Stellglieder entspricht vorzugsweise der Anzahl von flexiblen Stützelementen, die die zugeordnete optische Mikrokomponente halten. Die Stellglieder können an einer vorbestimmten Stelle an den jeweiligen flexiblen Stützelementen angreifen. Mit einer solchen Vorrichtung ist es möglich, optische Mikrokomponenten in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 µm und weniger zu justieren.The precision in the adjustment of optical Microcomponents can be further increased in that the or a controllable each optical microcomponent Actuating device is assigned with several actuators. The number of actuators preferably corresponds to that Number of flexible support elements that the assigned hold optical microcomponent. The actuators can be on a predetermined location on the respective flexible Attack support elements. With such a device it is possible to use optical microcomponents in one plane perpendicular to the beam axis with an accuracy of about 0.1 µm and less to adjust.
Um einen präzise vordefinierten Abstand zwischen den zu koppelnden optischen Mikrokomponenten mit Bezug auf die Strahlachse erreichen zu können, weist die Halteeinrichtung mehrere Anschläge auf. Diese Anschläge sind vorzugsweise an den flexiblen Stützelementen selbst angebracht. Die axiale Lage der zu koppelnden optischen Mikrokomponenten kann auf diese Weise mit einer Genauigkeit von etwa 1 µm festgelegt werden. To a precisely predefined distance between the coupling optical microcomponents with respect to the The holding device has the ability to reach the beam axis several attacks. These attacks are preferably on attached the flexible support elements themselves. The axial Location of the optical microcomponents to be coupled can this way with an accuracy of about 1 µm will.
Um die Justiervorrichtung leichter handhaben und in einen Automationsprozeß einbinden zu können, sind die steuerbaren Stelleinrichtungen an einem separaten Werkzeugrahmen befestigt. Die Halteeinrichtung weist deshalb zur Aufnahme der steuerbaren Stelleinrichtungen an entsprechenden Stellen Aussparungen oder Öffnungen auf.To handle the adjustment device easier and in one To be able to integrate the automation process are the controllable ones Actuators on a separate tool frame attached. The holding device therefore points to the receptacle the controllable control devices at appropriate points Cutouts or openings.
Zweckmäßigerweise kann die Halteeinrichtung innerhalb des Werkzeugrahmens angeordnet und während des Betriebs lösbar mit dem Werkzeugrahmen verbunden sein.Advantageously, the holding device within the Tool frame arranged and detachable during operation be connected to the tool frame.
Um die einmal erreichte optimale Justierung der zu koppelnden optischen Mikrokomponenten einfrieren zu können, sind in der Halteeinrichtung definierte Bereiche zum Einfüllen von härtbarem Material vorgesehen. Diese Bereiche weisen aus Sicherheitsgründen einen ausreichend großen Abstand zu den Stellgliedern auf. Sie werden vorzugsweise mit Kunststoff oder Metall ausgefüllt, so daß durch Löten, Schmelzen oder UV-Polimerisierung von niedrig schmelzenden Kunststoffen die präzise justierten optischen Mikrokomponenten ggf. zusammen mit den flexiblen Stützeinrichtungen an der Halteeinrichtung dauerhaft fixiert werden können.In order to achieve the optimal adjustment of the to to be able to freeze coupling optical microcomponents, are defined areas in the holding device for Filling of hardenable material is provided. These areas have a sufficiently large size for security reasons Distance to the actuators. You will prefer filled with plastic or metal so that by soldering, Melting or UV polymerisation of low melting Plastics the precisely adjusted optical Microcomponents if necessary together with the flexible Support devices permanently fixed to the holding device can be.
Nach dem Fixieren bilden daher die Halteeinrichtung, die präzise justierten optischen Mikrokomponenten und ggf. die flexiblen Stützelemente eine feste, untrennbare Einheit.After fixing, therefore form the holding device precisely adjusted optical microcomponents and possibly the flexible support elements a solid, inseparable unit.
Um beispielsweise die von einem Laser erzeugte Wärme besser abführen zu können, sind die flexiblen Stützelemente als Kühlflächen ausgebildet.For example, the heat generated by a laser is better to be able to dissipate, are the flexible support elements as Cooling surfaces formed.
Die Halteeinrichtung selbst kann als Montageplattform ausgebildet sein, die als Modul zusammen mit den an ihr dauerhaft fixierten Mikrokomponenten in ein optisches System eingesetzt werden kann.The holding device itself can be used as an assembly platform be trained as a module together with those on it permanently fixed micro components in an optical system can be used.
Dank der erfindungsgemäßen mikromechanischen Justiervorrichtung ist es möglich, alle Arbeitsschritte, wie zum Beispiel das Einlegen der optischen Mikrokomponenten in die Halterung, das Anordnen der bestückten Halteeinrichtung in dem Werkzeugrahmen und das Herausnehmen der Halteeinrichtung automatisiert durchzuführen.Thanks to the micromechanical invention Adjustment device, it is possible to complete all work steps, such as for example inserting the optical micro components into the holder, arranging the assembled holding device in the tool frame and taking out the Holding device to perform automatically.
Die erfindungsgemäß hergestellte, mikromechanische Justiervorrichtung kann derart erweitert werden, daß mehrere zu einem Band zusammengefaßte Fasern präzise gegenüber einer Laserzeile justiert werden können. Auch die genaue Justierung matrixartig angeordneter optischer Mikrokomponenten ist ohne weiteres realisierbar.The micromechanical manufactured according to the invention Adjustment device can be expanded so that several fibers bundled into a band precisely opposite a laser line can be adjusted. Even the exact one Adjustment of optical arranged in a matrix Microcomponents can be easily implemented.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beispielhaft in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below using an embodiment by way of example in conjunction with the accompanying drawings explained in more detail. Show it:
Fig. 1 in Draufsicht eine erfindungsgemäße mikromechanische Justiervorrichtung zur Laser-Faser-Kopplung, Fig. 1 in top view, a micro-mechanical adjusting device according to the invention for laser-fiber coupling,
Fig. 2 eine Seitenansicht entlang der Linie A-A der in Fig. 1 dargestellten Justiervorrichtung und Fig. 2 is a side view along the line AA of the adjusting device shown in Fig. 1 and
Fig. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht entlang der Linie B-B der in Fig. 1 gezeigten Justiervorrichtung. Fig. 3 is a partially sectioned side view along the line BB of the adjusting device shown in Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine allgemein mit 10 bezeichnete mikromechanische Justiervorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Die mikromechanische Justiervorrichtung 10 umfaßt eine Halteeinrichtung 20, in die der Endabschnitt einer Faser 30 und ein Laser 40 eingesetzt sind. Es ist auch denkbar, die Halteeinrichtung 20 wenigsten zweistückig auszubilden, wobei jeder getrennte Abschnitt eine optische Mikrokomponente trägt. Auf dem Faserende 35 und dem Laserende 45 können Mikrolinsen nach bekannten Herstellungsverfahren aufgebracht sein. Die Mikrolinsen dienen dazu, vom Laser 40 emittiertes Licht in die Stirnfläche 35 der Faser 30 einzukoppeln. Man spricht in diesem Anwendungsfall auch von Linsenkopplung. Die Halteeinrichtung 20 weist zwei im Abstand zueinander, im wesentlichen parallel verlaufende längliche Seitenwände 50 und 60 auf, die stirnseitig mit einer vorderen Wand 70 und einer rückwärtigen Wand 80 abgeschlossen sind. In der rückwärtigen Wand 80 ist eine Aussparung oder Öffnung vorgesehen, durch die der Endabschnitt der Faser 30 eingeführt werden kann. Eine entsprechende Aussparung kann auch in der vorderen Wand 70 ausgenommen sein. Sowohl an der vorderen Wand 70 als auch an der rückwärtigen Wand 80 sind jeweils drei flexible Stützelemente 90, 92 und 94 in Form von Blattfedern angeformt. Die Blattfedern 90, 92 und 94 können mit Hilfe mikrolithografischer und mikromechanischer Verfahren in Verbindung mit Trockenätzen oder der an sich bekannten LIGA-Abformtechnik kostengünstig hergestellt werden. Die Blattfedern sind derart angeordnet, daß die Blattfedern 94 als Auflagefläche und die Blattfedern 90 und 92 als seitliche Stütze für die Faser 30 bzw. den eingesetzten Laser 40 fungieren. Wenigstens die beiden seitlich angeordneten Blattfedern 90, 92 - sie verlaufen parallel zu den Seitenwänden 50 und 60 - weisen Anschlagelemente 100 und 110 auf, mit denen der Abstand zwischen der zu koppelnden Faser 30 und dem Laser 40 in Richtung der Strahlachse S präzise festlegbar ist. Der Abstand zwischen Laser 40 und Faser 30 beträgt hier etwa 20 µm. Natürlich kann auch die Auflageblattfeder 94 Anschlagelemente aufweisen. Zur stabilen Dreipunktlagerung des eingesetzten Lasers 40 und der eingeführten Faser 30 weisen die seitlichen Blattfedern 90 und 92 drei gegeneinander versetzte Abstützpunkte auf, wobei die der Faser 40 zugeordnete Blattfeder 90 und die dem Laser 40 zugeordnete Blattfeder 94 zwei Abstützpunkte 120, 122 und die der Faser 30 zugeordnete Blattfeder 94 und die dem Laser 30 zugeordnete Blattfeder 90 jeweils nur einen Abstützpunkt 124 besitzt. Obwohl die Blattfedern 90, 92 und 94 umfangsseitig in einem Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet sind, ist jede andere Anordnung denkbar. Es können auch mehr oder weniger als drei Stützelemente verwendet werden. Beispielsweise könnte zur Halterung der Faser 30 oder des Lasers 40 jeweils nur eine Spiralfeder benutzt werden. An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Halteeinrichtung 20 derart weitergebildet werden kann, daß mehrere Laser-Faser-Kopplungen gleichzeitig durchgeführt werden können. Dazu können die Seitenwände 50 und 60 sowie die vordere und rückwärtige Wand 70 bzw. 80 nach oben, d. h. aus der Blattebene der Fig. 1 heraus, verlängert werden, so daß mehrere Laser 40 und Fasern 30 übereinander angeordnet und mittels angeformter flexibler Stützelemente gehalten werden können. Allerdings ist auch eine Verbreiterung der vorderen 70 und rückwärtigen Wand 80 unter Ausbildung von Zwischenwänden möglich, um mehrere Laser und Fasern nebeneinander zur gemeinsamen Kopplung anordnen zu können. In Fig. 2 ist im Querschnitt noch einmal die Lage der Blattfedern 90, 94, 92 bezüglich der Seitenwände 50 und 60 und des eingesetzten Lasers 40 deutlich zu sehen.In Fig. 1, generally designated with 10 micro-mechanical adjusting device according to the invention is shown. The micromechanical adjustment device 10 comprises a holding device 20 , into which the end section of a fiber 30 and a laser 40 are inserted. It is also conceivable to design the holding device 20 at least in two pieces, each separate section carrying an optical microcomponent. Microlenses can be applied to the fiber end 35 and the laser end 45 by known manufacturing methods. The microlenses serve to couple light emitted by the laser 40 into the end face 35 of the fiber 30 . In this application, one also speaks of lens coupling. The holding device 20 has two elongated side walls 50 and 60 which are spaced apart from one another and essentially parallel and which are closed at the end by a front wall 70 and a rear wall 80 . A recess or opening is provided in the rear wall 80 through which the end portion of the fiber 30 can be inserted. A corresponding recess can also be excluded in the front wall 70 . Three flexible support elements 90 , 92 and 94 in the form of leaf springs are molded onto both the front wall 70 and the rear wall 80 . The leaf springs 90 , 92 and 94 can be produced inexpensively using microlithographic and micromechanical methods in conjunction with dry etching or the LIGA impression technique known per se. The leaf springs are arranged such that the leaf springs 94 act as a support surface and the leaf springs 90 and 92 act as a lateral support for the fiber 30 and the laser 40 used. At least the two laterally arranged leaf springs 90 , 92 - they run parallel to the side walls 50 and 60 - have stop elements 100 and 110 with which the distance between the fiber 30 to be coupled and the laser 40 in the direction of the beam axis S can be precisely defined. The distance between laser 40 and fiber 30 is about 20 microns. Of course, the support leaf spring 94 can also have stop elements. For stable three-point mounting of the laser 40 used and the fiber 30 inserted, the lateral leaf springs 90 and 92 have three mutually offset support points, the leaf spring 90 assigned to the fiber 40 and the leaf spring 94 assigned to the laser 40 having two support points 120 , 122 and that of the fiber 30 assigned leaf spring 94 and the leaf spring 90 assigned to the laser 30 each have only one support point 124 . Although the leaf springs 90 , 92 and 94 are arranged circumferentially at an angular distance of 90 ° to one another, any other arrangement is conceivable. More or less than three support elements can also be used. For example, only one coil spring could be used to hold the fiber 30 or the laser 40 . At this point it should be noted that the holding device 20 can be developed in such a way that several laser-fiber couplings can be carried out simultaneously. For this purpose, the side walls 50 and 60 and the front and rear walls 70 and 80 can be extended upwards, ie out of the sheet plane of FIG. 1, so that a plurality of lasers 40 and fibers 30 are arranged one above the other and held by means of molded flexible support elements can. However, widening of the front 70 and rear wall 80 with the formation of intermediate walls is also possible, in order to be able to arrange a plurality of lasers and fibers next to one another for common coupling. In Fig. 2 is in cross-section again the position of the leaf springs 90, 94, 40 with respect to clearly see 92 of the side walls 50 and 60 and of the laser used.
Die mikromechanische Justiervorrichtung 10 umfaßt ferner einen Werkzeugrahmen 150. Der Werkzeugrahmen 150 weist eine Bodenplatte 140 sowie ein im wesentlichen N-förmiges Trägergestell 130 auf, das lösbar oder unlösbar an der Bodenplatte 140 befestigt ist und diese überspannt. Zwei senkrecht zur Bodenplatte 140 verlaufende Stützen 160, 165, die in Fig. 2 zu sehen sind, begrenzen das Trägergestell 130 seitlich. Die beiden Stützen 160 und 165 sind über eine Querstange 168 miteinander verbunden. An der Bodenplatte 140 sind zwei steuerbare Stellglieder 170 und 175. Das Stellglied 170 greift an einer vorbestimmten Stelle der Auflageblattfedern 94, die die Faser 30 trägt, an, wohingegen das Stellglied 175 an einer vorbestimmten Stelle der Auflageblattfeder 94, auf der der Laser 40 liegt, angreift. An der Stütze 160 sind zwei Haltearme 180, 185, die jeweils ein steuerbares Stellglied 200 bzw. 190 tragen, verschiebbar angeordnet. Auf ähnliche Weise sind zwei Haltearme 210, 215 an der gegenüberliegenden Stütze 165 verschiebbar angeordnet, die wiederum jeweils ein steuerbares Stellglied 195 bzw. 205 tragen. Unter Bezugnahme auf das in Fig. 2 dargestellte Koordinatensystem sind die Haltearme 180, 185, 210 und 215 entlang der Stützen 160 und 165 beispielsweise in der Höhe - in y-Richtung - automatisch verschiebbar. Der Hub ist dabei so zu bemessen, daß die Halteeinrichtung 20 problemlos in den Werkzeugrahmen 150 eingesetzt und wieder herausgenommen werden kann. Wie man am besten aus Fig. 2 ersehen kann, ist die Halteeinrichtung 20 innerhalb des Werkzeugrahmens 150 lösbar an diesem befestigt. Um den Werkzeugrahmen 150 gegenüber der Halteeinrichtung 20 präzise ausrichten zu können, sind Positionierstifte und damit fluchtende Positionierlöcher, Führungsnuten oder dergleichen vorgesehen.The micromechanical adjustment device 10 further comprises a tool frame 150 . The tool frame 150 has a base plate 140 and an essentially N-shaped support frame 130 which is detachably or non-releasably attached to the base plate 140 and spans it. Two supports 160 , 165 running perpendicular to the base plate 140 , which can be seen in FIG. 2, limit the support frame 130 laterally. The two supports 160 and 165 are connected to one another via a cross bar 168 . On the bottom plate 140 are two controllable actuators 170 and 175 . The actuator 170 engages at a predetermined location of the support leaf springs 94 that carry the fiber 30 , whereas the actuator 175 engages at a predetermined location of the support leaf spring 94 on which the laser 40 rests. Two support arms 180 , 185 , each of which carries a controllable actuator 200 or 190 , are slidably arranged on the support 160 . In a similar way, two holding arms 210 , 215 are arranged displaceably on the opposite support 165 , which in turn each carry a controllable actuator 195 or 205 . With reference to the coordinate system shown in FIG. 2, the holding arms 180 , 185 , 210 and 215 are automatically displaceable along the supports 160 and 165, for example in height — in the y direction. The stroke is to be dimensioned such that the holding device 20 can easily be inserted into the tool frame 150 and removed again. As can best be seen from FIG. 2, the holding device 20 is releasably attached to the tool frame 150 . In order to be able to precisely align the tool frame 150 with respect to the holding device 20 , positioning pins and thus aligned positioning holes, guide grooves or the like are provided.
Bei den in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Stellgliedern 170, 175, 190, 195, 200 und 205 handelt es sich vorzugsweise um elektrisch ansteuerbare Piezo-Steller. Sofern es realisierbar ist, sind Stellglieder einsetzbar, die sich pneumatisch oder hydraulisch ansteuern lassen. Die steuerbaren Stellglieder 175, 190 und 195 bilden dabei eine Stelleinrichtung für den Laser 40, wohingegen die steuerbaren Stellglieder 170, 200 und 205 eine Stelleinrichtung für die Faser 30 bilden. Die Seitenwände 50 und 60 weisen Aussparungen oder Öffnungen 220-226 auf, die ein Heranführen der Piezo-Steller 190, 195, 200 und 205 an die jeweiligen Blattfedern 90 bzw. 94 während des Betriebs erlauben. Sollen mit der erfindungsgemäßen mikromechanischen Justiervorrichtung 10 gleichzeitig mehrere optische Mikrokomponenten positioniert werden, kann der Werkzeugrahmen 150 an eine modifizierte Halteeinrichtung 20, wie sie bereits weiter oben erwähnt worden ist, entsprechend angepaßt werden.In the examples shown in Fig. 2 and Fig. 3 actuators 170, 175, 190, 195, 200 and 205 are preferably electrically controllable piezo-actuator. If it can be implemented, actuators can be used that can be controlled pneumatically or hydraulically. The controllable actuators 175 , 190 and 195 form an actuating device for the laser 40 , whereas the controllable actuators 170 , 200 and 205 form an actuating device for the fiber 30 . The side walls 50 and 60 have cutouts or openings 220-226 which allow the piezo actuators 190 , 195 , 200 and 205 to be brought up to the respective leaf springs 90 and 94 during operation. If several optical microcomponents are to be positioned simultaneously with the micromechanical adjustment device 10 according to the invention, the tool frame 150 can be adapted accordingly to a modified holding device 20 , as has already been mentioned above.
Obwohl hierin ein Werkzeugrahmen 150 mit einem im wesentlichen N-förmigen Trägergestell 130 und einer Bodenplatte 140 beschrieben ist, sind beliebige Konstruktionen einsetzbar, mit denen die erfindungsgemäße Wirkung erreicht werden kann. So ist es denkbar, eine Bodenplatte anstatt an dem Trägergestell 130 an der Halteeinrichtung 20 zu befestigen. Die seitlichen Stützen 160, 165 können dann in x-Richtung gegenüber den Seitenwänden 60 und 50 der Halteeinrichtung 20 zum Heranführen und Entfernen der Piezo-Steller verschoben werden.Although a tool frame 150 with an essentially N-shaped support frame 130 and a base plate 140 is described here, any constructions can be used with which the effect according to the invention can be achieved. It is thus conceivable to attach a base plate to the holding device 20 instead of to the carrier frame 130 . The lateral supports 160 , 165 can then be displaced in the x-direction relative to the side walls 60 and 50 of the holding device 20 in order to bring the piezo actuators in and out.
Um ein Gefühl für die Abmessungen der mikromechanischen Justiervorrichtung 10 zu erhalten, seien nachfolgend einige Dimensionierungen angegeben. Der Durchmesser einer beschichteten Faser beträgt etwa 100-150 µm. Die Länge der seitlichen Blattfedern 90, 92 beträgt dementsprechend 100-300 µm.In order to get a feel for the dimensions of the micromechanical adjustment device 10 , some dimensions are given below. The diameter of a coated fiber is approximately 100-150 µm. The length of the side leaf springs 90 , 92 is accordingly 100-300 microns.
Die in Fig. 1 mit 240 bezeichneten Bereiche kennzeichnen die Orte, an denen die Blattfedern 90, 92 und 94 einschließlich der Faser 30 bzw. des Lasers 40 nach einer präzisen Faser- Laser-Kopplung an die Halteeinrichtung 20 dauerhaft fixiert werden. Dazu können in den Seitenwänden 50, 60 Öffnungen (nicht dargestellt) vorgesehen sein, durch die ein härtbares Material einfüllbar ist. Als härtbares Material kann Kunststoff oder Metall verwendet werden, so daß durch Löten, Schmelzen oder UV-Polimerisieren von niedrig schmelzenden Kunststoffen eine dauerhafte Fixierung erreicht werden kann.The areas designated by 240 in FIG. 1 indicate the locations at which the leaf springs 90 , 92 and 94 including the fiber 30 and the laser 40 are permanently fixed to the holding device 20 after a precise fiber-laser coupling. For this purpose, openings (not shown) can be provided in the side walls 50 , 60 through which a hardenable material can be filled. Plastic or metal can be used as the hardenable material, so that permanent fixation can be achieved by soldering, melting or UV-polymerizing low-melting plastics.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der mikromechanischen Justiervorrichtung 10 beschrieben. Die einzelnen Arbeitsschritte können dank der besonderen Ausbildung der Justiervorrichtung 10 vollautomatisiert durchgeführt werden. Dies ist ein besonderer Vorteil der Erfindung.The mode of operation of the micromechanical adjustment device 10 is described below. The individual work steps can be carried out fully automatically thanks to the special design of the adjusting device 10 . This is a particular advantage of the invention.
Es sei deshalb angenommen, daß die erfindungsgemäße mikromechanische Justiervorrichtung 10 in einer entsprechend ausgebildeten Automationsanlage eingebunden ist. Zunächst wird eine Halteeinrichtung 20 bereitgestellt und der Endabschnitt der Faser 30 durch eine Öffnung in der rückwärtigen Wand 80 bis zum Anschlag an die Anstoßelemente 100 und 110 eingeführt. Anschließend oder gleichzeitig wird der Laser 40 in die Halteeinrichtung 20 zwischen die Blattfedern 90, 92 und 94 eingesetzt. Die mit der Faser 30 und dem Laser 40 bestückte Halteeinrichtung 20 wird nun innerhalb des Werkzeugrahmens 150 an der vorbestimmten Stelle angeordnet und lösbar daran befestigt. Die Anordnung der Blattfedern 90, 92 und 94 in der Halteeinrichtung 20 sorgt bereits für eine Vorjustierung der Faser 30 und des Laser 40 im Bereich von 5-10 µm. Zur Feinjustierung werden nunmehr die elektrisch steuerbaren Piezo-Steller 190, 195, 200 und 205 mit Hilfe der verschiebbaren Haltearme 185, 210, 180 bzw. 215 an die Blattfedern herangeführt. Die Piezo-Steller sind individuell ansteuerbar. Das Steuersignal für die Piezo-Steller kann beispielsweise aus der Intensität eines Lichtes abgeleitet werden, das vom Laser 40 emittiert und in die Faser 30 eingekoppelt wird. Darüber hinaus lassen sich auch mit Hilfe einer Streulichtmessung im Koppelbereich die erforderlichen Steuersignale für die Piezo-Steller gewinnen. Unter Ansprechen auf die Steuersignale verbiegen die Piezo-Steller die drei Blattfedern 90, 92 und 94, die sowohl die Faser als auch den Laser 40 halten derart, daß eine optimale Justierung, d. h. Laser-Faser-Kopplung erreicht wird. Mit der erfindungsgemäßen mikromechanischen Justiereinrichtung 10 kann in der x-y-Ebene eine Positionierungs-Genauigkeit von etwa 0,1 µm und geringer erreicht werden. Nachdem die Laser-Faser-Kopplung optimiert worden ist, wird durch Einlaßstellen in den Seitenwänden 50 und 60 der Halteeinrichtung 20 in die Bereiche 240 ein härtbares Material eingefüllt, mit dessen Hilfe die optimale Faser-Laser-Kopplung eingefroren wird. Dazu werden der feinjustierte Laser 40, die feinjustierte Faser 30 zusammen mit den Blattfedern 90, 92 und 94 an die Halteeinrichtung 20 dauerhaft fixiert. Nach der Fixierung der optischen Mikrokomponenten 30 und 40 an die Halteeinrichtung 20 werden die Piezo-Steller wieder zurückgezogen und die Halteeinrichtung 20 wird zusammen mit der Faser 30 und dem Laser 40 aus dem Werkzeugrahmen 150 entfernt. Die Halteeinrichtung 20, die in Form einer Montageplattform ausgebildet sein kann, steht nunmehr zur weiteren Verwendung bereit. Jetzt kann eine neue mit optischen Mikrokomponenten bestückte Halteeinrichtung 20 wieder in den Werkzeugrahmen 150 eingelegt werden und der Arbeitsvorgang zur optimalen Laser-Faser-Kopplung läuft von vorne ab.It is therefore assumed that the micromechanical adjustment device 10 according to the invention is integrated in an appropriately designed automation system. First, a retainer 20 is provided and the end portion of the fiber 30 is inserted through an opening in the rear wall 80 until it abuts the abutment members 100 and 110 . Then or simultaneously, the laser 40 is inserted into the holding device 20 between the leaf springs 90 , 92 and 94 . The holding device 20 equipped with the fiber 30 and the laser 40 is now arranged within the tool frame 150 at the predetermined location and is detachably fastened thereon. The arrangement of the leaf springs 90 , 92 and 94 in the holding device 20 already ensures a pre-adjustment of the fiber 30 and the laser 40 in the range of 5-10 μm. For fine adjustment, the electrically controllable piezo actuators 190 , 195 , 200 and 205 are now brought up to the leaf springs with the aid of the displaceable holding arms 185 , 210 , 180 and 215 . The piezo actuators can be controlled individually. The control signal for the piezo actuators can be derived, for example, from the intensity of a light which is emitted by the laser 40 and coupled into the fiber 30 . In addition, the necessary control signals for the piezo actuators can also be obtained with the aid of a scattered light measurement in the coupling area. In response to the control signals, the piezo actuators bend the three leaf springs 90 , 92 and 94 , which hold both the fiber and the laser 40 in such a way that an optimal adjustment, ie laser-fiber coupling, is achieved. With the micromechanical adjustment device 10 according to the invention, a positioning accuracy of approximately 0.1 μm and less can be achieved in the xy plane. After the laser-fiber coupling has been optimized, a hardenable material is filled into the areas 240 through inlet points in the side walls 50 and 60 of the holding device 20 , with the aid of which the optimal fiber-laser coupling is frozen. For this purpose, the finely adjusted laser 40 , the finely adjusted fiber 30 together with the leaf springs 90 , 92 and 94 are permanently fixed to the holding device 20 . After the optical microcomponents 30 and 40 have been fixed to the holding device 20 , the piezo actuators are withdrawn again and the holding device 20 is removed from the tool frame 150 together with the fiber 30 and the laser 40 . The holding device 20 , which can be designed in the form of an assembly platform, is now ready for further use. Now a new holding device 20 equipped with optical microcomponents can be reinserted into the tool frame 150 and the process for optimal laser-fiber coupling runs from the beginning.
Claims (22)
- a) Einsetzen der optischen Mikrokomponenten (30, 40) in eine Halteeinrichtung (20);
- b) wenigstens einer optischen Mikrokomponente (40) wird eine steuerbare Stelleinrichtung (175, 190, 195) zugeordnet und
- c) Ansteuern der Stelleinrichtung (175, 190, 195) derart, daß eine optimale Justierung der optischen Mikrokomponenten (30, 40) durch Bewegen der, der Stelleinrichtung (175, 190, 195) zugeordneten optischen Mikrokomponente (40) erreicht wird.
- a) inserting the optical microcomponents ( 30 , 40 ) into a holding device ( 20 );
- b) at least one optical microcomponent ( 40 ) is assigned a controllable adjusting device ( 175 , 190 , 195 ) and
- c) Actuation of the adjusting device ( 175 , 190 , 195 ) in such a way that an optimal adjustment of the optical microcomponents ( 30 , 40 ) is achieved by moving the optical microcomponent ( 40 ) assigned to the adjusting device ( 175 , 190 , 195 ).
Einfüllen von härtbarem Material zwischen die Halteeinrichtung (20) und die justierten, optischen Mikrokomponente (30, 40) an definierten Bereichen (240) und
dauerhaftes Fixieren der optischen Mikrokomponenten (30, 40) und/oder der jeweiligen Stützelemente (90, 92, 94) an die Halteeinrichtung (20).7. Adjustment method according to one of claims 4 to 6, characterized in that the fixing comprises the following steps:
Filling curable material between the holding device ( 20 ) and the adjusted, optical microcomponent ( 30 , 40 ) at defined areas ( 240 ) and
permanently fixing the optical microcomponents ( 30 , 40 ) and / or the respective support elements ( 90 , 92 , 94 ) to the holding device ( 20 ).
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|---|---|---|---|
| DE1996133293 DE19633293A1 (en) | 1996-08-19 | 1996-08-19 | Method for lining-up two optical micro-components for coupling |
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