KR20080019654A

KR20080019654A - 수동 광학 정렬을 위하여 머신 비젼을 이용하는 가상 광축판정

Info

Publication number: KR20080019654A
Application number: KR1020077030999A
Authority: KR
Inventors: 마니시 사마; 에릭 몬테이; 세르게이 소차바
Original assignee: 인텔 코오퍼레이션
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2008-03-04
Also published as: EP1897188A2; US20070002911A1; KR101007756B1; WO2007005804A3; WO2007005804A9; WO2007005804A2; US7394840B2

Abstract

레이저 장치의 컴포넌트들을 능동 정렬한 후, 그 정렬로부터 광축을 수동 도출함으로써 레이저 장치의 정렬이 성취된다. 이 수동 도출은 능동 정렬된 광학 요소의 특징을 식별하고, 그 특징의 위치 데이터를 도출하고, 그 위치 데이터로부터 광축을 발현시킴으로써 성취될 수 있다. 위치 데이터의 도출은, 예컨대, 비젼 시스템에서 얻어지는, 특징이 취해지는 화상의 특정 좌표계 상에서 수행될 수 있다. 위치 데이터 및 광축은, 다른 광학 요소들을 수동 정렬에 사용하기 위하여 기준 좌표계에 외삽될 수 있다.

스넬의 법칙, 패브리-페롯 방출기, 외부 캐비티, 플랫폼, 엔드 미러

Description

수동 광학 정렬을 위하여 머신 비젼을 이용하는 가상 광축 판정{VIRTUAL OPTICAL AXIS DETERMINATION USING MACHINE VISION FOR PASSIVE OPTICAL ALIGNMENT}

본 개시물은 일반적으로 광학 컴포넌트들의 정렬에 관한 것으로서, 특히, 광학 컴포넌트을 정렬하기 위하여 광학 축을 판정하는 것에 관한 것이다.

광화이버 원격통신은 지속적으로 증가된 대역폭을 요구하게 되어 있다. 대역폭 확장을 성취한 하나의 방법으로서, 고밀도 파장 분할 다중화(DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing)를 통하는 것이 있다. DWDM 시스템에서는, 단일의 광화이버에 상이한 개별적인 데이터 스트림들이 동시에 다수 존재할 수 있다. 각각의 데이터 스트림은 광화이버 내에서 상이한 채널을 대표하며, 상이한 채널 파장에 각각의 채널이 존재한다. 소망하는 채널 파장에서 동작하는 레이저의 변조된 출력 빔은 데이터 스트림을 생성한다. 다중 데이터 스트림을 생성하기 위하여 다중 레이저가 사용되며, 이 데이터 스트림들은 해당 채널에서의 전송을 위해 단일의 화이버에 결합된다.

ITU(International Telecommunications Union)는 현재 대략 0.4 나노미터 또는 약 50 GHz의 채널 분리를 요구한다. 이 채널 분리는, 126개까지의 채널이 현재 활용가능한 화이버 및 화이버 증폭기의 대역폭 범위 내에서 단일 화이버에 의해 운송될 수 있는 것을 허용한다.

다수의 좁게 위치된 채널들에 대한 요구사항으로서, 레이저원의 출력 주파수에 대한 안정한 제어가 시스템 효율성에 대하여 중요하다. DWDM 시스템에서 사용되는 레이저는 통상적으로 ITU 파장 격자를 정의하는 기준 에탈론(reference etalon)으로 동작하는 DFB(Distributed Feedback) 레이저에 기초하였다. 제조상의 제한 뿐만 아니라 성능상의 제한으로 인하여, DFB 레이저는 단일 채널 레이저로서, 또는 소수의 인접 채널들 사이를 튜닝하는 것에 한정된 레이저로서 사용된다. 그 결과, DWDM 어플리케이션은 상이한 채널 파장 각각에서 다수의 상이한 DFB 레이저들을 필요로 할 것이다.

DFB 레이저의 제한을 극복하기 위해서 계속적으로 튜닝가능한 외부 캐비티 레이저들이 개발되었다. 이러한 레이저들은 외부 캐비티를 정의하는 반사 요소와 레이저원을 가지며, 여기서, 이러한 외부 캐비티는 파장 튜닝을 위하여 사용된다. 예를 들어, 에탈론 소자 등의 외부 캐비티 내의 튜닝 요소는, 레이저원와 반사 요소 사이의 플랫폼에 고정되는 지지부에 장착된다. 플랫폼의 온도 조절은 외부 캐비티의 광로 길이를 변경시킴으로써 레이저를 튜닝한다. 튜닝 요소를 별도로 튜닝함으로써 격자 파장들 간의 개별적인 튜닝이 성취된다.

특정 어플리케이션용의 DFB 레이저들에 대하여 계속적으로 튜닝가능한 레이저들이 바람직하지만, 이러한 레이저들을 조립하는 것은 시간이 소모되는 공정이다. 레이저 빔과 상호작용하는 외부 캐비티의 각 컴포넌트는 최적의 성능을 위해 조심스럽게 조절된다. 광학적 영역에 있어서, 이는 각 컴포넌트가 조화롭게 동작하도록 광학적으로 정렬되어야 함을 의미한다. 그러나, 광학적 정렬은 동적이어서, 하나의 컴포넌트를 '정렬"하는 것만의 작용은 또 다른 컴포넌트의 오정렬을 유발할 수 있기 때문에, 광학적 정렬은 꽤 난해하다. 현재, 광학적 정렬은 능동적으로 수행되어, 레이저 빔의 광로, 예컨대, 외부 캐비티에 컴포넌트가 위치되고, 레이저 빔에 대한 그 컴포넌트의 결과적인 효과가 측정된다. 스펙트럼 분석기로, 전체적인 출력 레이저 빔에 대한 그 컴포넌트의 원하는 효과가 성취될 때까지 컴포넌트가 레이저 소자에서 위치 및 재위치될 수 있다. 그 후, 다음 컴포넌트가 능동적으로 최적화된다. 이러한 공정은 시간을 소모하는 것이며, 고가의 기구와 복잡한 수동 또는 자동 알고리즘을 완료할 것을 필요로 한다. 이러한 공정은 비효율적이기도 하다. 듀얼 에탈론 튜너에 있어서, 각각의 에탈론은 레이저와 개별적으로 또한 능동적으로 정렬되어, 전반적인 정렬 시간을 증가시킨다.

도 1은 레이저 이득 매체, 반사 요소, 및 파장 선택 요소를 포함하는 일례의 레이저 장치를 나타낸다.

도 2는 수동적으로 광축을 도출하는 것을 포함하는, 도 1의 레이저 장치를 조립하기 위한 일례의 흐름도를 나타낸다.

도 3은 일례에 따라서 광축을 수동 판정하기 위한 일례의 상세도를 나타낸다.

도 4는 가상 광축이 도출될 수 있는 능동 정렬된 광학 요소에서 취해진 일례 의 화상을 나타낸다.

도 5는 도 4의 화상으로부터 판정된 가상 광축을 검증하는데 사용되는 레이저 다이오드를 나타낸다.

도 6은 그 광축이 수동 판정되었으며, 파장 선택 소자를 정렬하는데 사용되는 일례의 레이저 장치의 상면도를 나타낸다.

도 7은 수동적으로 판정된 광축에 기초한 파장 선택 소자의 편요, X 및 Z 방향의 수동 정렬의 화상을 나타낸다.

도 8은 파장 선택 소자의 피치 정렬의 일례를 나타낸다.

도 9는 광축을 수동 판정하기 위해 사용될 수 있는 일례의 머신 비젼 시스템을 나타낸다.

도 1은 열-광학적으로 튜닝가능한 외부 캐비티 레이저를 갖는 레이저 장치(110)를 나타낸다. 레이저 장치(110)는 이득 매체(112)를 갖는 레이저 소자(111)를 포함한다. 레이저 장치(110)는 또한 레이저 소자(111)가 또한 결합되는 열전도성의 플랫폼(116)에 결합되는 반사 요소(114)를 포함한다. 이득 매체(112)는 예를 들어 반사방지(AR: anti-reflection) 코팅된 제1 파셋(facet)(도시 생략) 및 부분적으로 반사성인 대향하는 파셋(120)을 갖는 종래의 패브리-페롯(Fabry-Perot) 방출기 칩을 구비할 수 있다. 반사 요소(114)는 도시된 예에 있어서 엔드 미러이지만, 더 일반적으로는, 회절격자(grating), 프리즘, 또는 기타의 반사체 또는 역반사체를 포함할 수 있다. 도시된 구성에 있어서, 외부 레이저 캐비티는 파 셋(120)에서 반사 요소(114)까지 이어지며, 광로 길이를 갖는다. 이득 매체(112)는 렌즈(122)에 의해 조준되는 광빔을 방출한다. 조준된 빔은 말단의 반사체(114)에서 반사되어, 렌즈(122)에 의해 광로를 따라 이득 매체(112)에 복귀된다. 파장 선택 소자(125)는 선택된 파장에서 이득 매체(112)로 광을 피드백하도록 광로에 위치된다. 엔드 미러(114)는 특정 실시예에 있어서 렌즈(122)가 생략될 수 있도록 곡면을 이룰 수 있다. 예를 들어, 이득 매체(112)가 렌즈(122)를 대신하여 외부 캐비티로부터 피드백을 수신하도록, 파셋(118) 상으로 복귀 빔(119)을 재조영(re-imaging)할 수 있는 원환체 렌즈계 또는 기타의 광학 요소(들)의 사용을 포함하는 다른 대안이 당업자에게 자명할 것이다.

파장 선택 소자(125)는, 열전도를 통해 플랫폼(116)의 온도를 제어하는 열전 컨트롤러(TEC)(126)에 결합되는 플랫폼(116)에 장착된다. TEC(126)는 외부 캐비티의 컴포넌트들을 튜닝하기 위해 플랫폼(116)의 온도를 제어하며, 이러한 튜닝으로 레이저 장치(110)의 광로 길이를 조절한다. 파장 선택 소자 또는 튜너(125)는 장치(110)가, 예를 들어, 이득 매체(124)의 이득 대역폭, ITU(International Telecommunications Union) "C" 대역의 파장 범위(약 192.1 THz 내지 약 196.1 THz 또는 약 1525 내지 약 1565 나노미터), 또는 기타의 파장 범위 등의 대상 파장 범위 내에서 단일의 방출 피크를 갖도록 튜닝될 수 있다. 전체 레이저의 방출 피크는 튜너(125)의 것에 의해 결정된다.

열전도 플랫폼(116)은 임의의 열전도성 재료로 이루어질 수 있으며, 그 예로서는, 재료에 양호한 열전도성과 상대적으로 낮은 CTE를 제공하는, 각종 금속, 금 속 질화물, 탄화물, 산화물, 또는 합금, 블렌드(blend), 혼합물(mixture), 또는 그 합성물(composite)을 포함한다. 특정 실시예에서는 플랫폼 재료로서 알루미늄 질화물(AIN)이 사용될 수 있다. 플랫폼(116)에 장착되는 컴포넌트들에의 CTE 매칭을 허용하는 특정 CTE를 갖도록, 플랫폼(116)의 재료를 선택할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 플랫폼(116)은 TEC(126)의 온도 제어에 따라서 원하는 양의 물리적 팽창 및 수축이 일어날 수 있도록, 알루미늄, 구리, 아연, 또는 기타의 금속 또는 금속 합금 등의 높은 CTE 재료를 포함할 수 있다. 도시 생략된 컨트롤러는 TEC(126)의 동작을 제어할 수 있다. 플랫폼(116)은 특정 실시예에 있어서 실리콘으로 이루어져, 열적으로 튜닝된 에탈론 등의 실리콘 성분들에의 CTE 매칭을 허용할 수 있다. 플랫폼(116)에 실리콘을 사용하는 것은, 플랫폼(116) 상으로의 도전체 경로의 직접적인 통합과, 종래의 실리콘 가공 및 제조 기법을 이용하여 플랫폼(116)에 특정된 기하 형태를 형성하는 것을 또한 허용한다.

이득 매체(112)는 TEC(126)가 이득 매체(112)의 온도를 제어할 수 있도록 플랫폼(116)에 열적으로 결합될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "열적 결합"은, 열적으로 결합된 컴포넌트들의 열적 제어를 위해 효과적인 열 흐름을 제공하는 임의의 장착 또는 결합 배치 또는 구성을 의미한다. 예를 들어, 이득 매체(112)가 플랫폼(116)에 결합되는 열전도성 캐리어(128) 상에 장착될 수 있다. 캐리어(128)는 금속, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 탄화물, 또는 합금, 블렌드, 혼합물, 또는 그 합성물 등의 열전도성 재료를 포함할 수 있다. 다른 예에 있어서, 및 이에 한하지 않은 예로서, 캐리어(128)는 알루미늄 질화물, 실리콘 탄화물, 또는 실리콘 탄화물 블렌드(합금)를 포함할 수 있다. 또 다른 예에 있어서, 캐리어(128)는 구리 텅스텐(CuW) 합금을 포함할 수 있다. 또한, 기판(116) 및 캐리어(128)는 서로에 대하여 및 이득 매체(112)에 대하여 그 CTE가 매칭될 수 있다. 캐리어(128)에 이득 매체(112)를 장착하기 위하여, 플랫폼(116)에 캐리어(128) 및/또는 기타의 각종 구조체들을 장착하기 위하여, 열전도성의 접착제 또는 솔더가 사용될 수 있다.

상기한 바와 같이, 반사 요소(114)는 플랫폼(116)에 장착될 수도 있으며, 특정 실시예에 있어서, 열전도성 접착제, 솔더, 및/또는 캐리어 또는 지지체를 이용하여 플랫폼(116)에 열적으로 결합될 수 있다.

외부 캐비티 및 부수 컴포넌트들은 레이저원과의 효율적인 동작을 위하여 정렬되어야 한다. 도 2는 레이저 장치(110)의 각종 컴포넌트들을 정렬하기 위한 일례의 공정(200)을 나타낸다. 블록 202에서는 이득 매체(112) 및 캐리어(128)와 함께 레이저 소자(111)를 플랫폼(116)에 장착한다. 반드시 필요하지는 않지만, 도 2의 예에 있어서, 우선 시작 기준점으로 기능하도록 레이저원의 배치가 수행된다. 일례로서, 블록 202에서는 플랫폼(116) 상에서 식별되는 특정 위치에 레이저 소자(111)를 장착하기 위해 픽-앤드-플레이스(pick-and-place) 조립 공정을 사용할 수 있다. 대안으로서, 또는 이에 더하여, 플랫폼(116) 상의 마킹으로부터 레이저 소자(110)의 장착 위치를 판정하도록 머신 비젼 시스템을 사용할 수 있다.

이득 매체(112)는 엔드 미러(114)로 외부 캐비티를 정의하므로, 플랫폼에 레이저를 장착하는 것은, 광축을 결정하기 위한 제1 파라미터를 설정한다. 외부 레이저 캐비티와 제2 파라미터를 설정하기 위하여, 블록 204에서는 엔드 미러(114)를 능동적으로 정렬하며, 이러한 능동적인 정렬은 예비 위치에 엔드 미러(114)를 위치시키고, 이득 매체(112)의 출력 파셋(120)으로부터 방출되는 레이저 신호를 있다면 검출하고, 필요에 따라 엔드 미러(114)의 배향을 조절하는 것을 포함할 수 있다. 일례의 검출기는, 스펙트럼 분석기, 간섭기, 및 포토 다이오드를 포함하는, 파장, 강도, 또는 빔 프로파일 검출기를 포함한다. 일단 능동 정렬되면, 엔드 미러(114)는 그 후 솔더, 접착제, 레이저 용접, 또는 기타의 기법을 이용하여 제자리에 장착될 수 있다. 대안으로서, 조립 중의 조절을 위하여 로보틱 어셈블리 아암 등의 병진운동 부재 또는 클램핑 수단에 의해 엔드 미러(114)가 제 위치에 유지될 수 있다. 엔드 미러(114)를 정렬하기 위한 참조에서 설명하였지만, 광축을 설정하기 위하여 다른 광학 요소들을 능동 정렬하도록 블록(204)이 사용될 수 있다.

블록 204에서 능동 정렬된 엔드 미러(114)로, 블록 206에서는, 예컨대, 엔드 미러의 고확대 화상을 캡쳐하는 머신 비젼 시스템을 통하여 엔드 미러(114)의 위치를 분석하여, 각종 마커 또는 표시자의 위치를 정확하게 판정한다. 블록 206에서는 다수의 위치로부터 상이한 확대율로 엔드 미러(114)의 다수의 화상을 취하여, 엔드 미러(114)의 위치 데이터를 도출할 수 있다. 블록 208에서는, 그 위치 데이터를 취하고, 레이저 장치(110)의 외부 캐비티 측의 광축을 수동적으로 판정한다. 레이저 장치의 광축을 판정한 후에, 블록 210에서는, 파장 선택 소자(125) 및 임의의 다른 광학 요소들을 이 광축을 기준으로 정렬함으로써 능동적인 측정 기법들에 의존할 필요없이 이들을 수동적으로 위치시킬 수 있다. 상응하는 가상 광축을 판정하기 위하여, 레이저 장치(110)의 출력 (화이버) 측에 대하여 다른 능동 정렬된 광학 요소들을 이용하여 마찬가지의 방법이 채용될 수 있다.

블록 206 및 208로부터, 외부 캐비티 내의 광학 요소의 능동 정렬에 기초하여 수동 광축 또는 가상 광축이 판정된다. 도 3은 블록 208에 제공되는 위치 데이터를 판정함에 있어서 블록 206에 의해 실행될 수 있는 일례의 공정(300)을 나타낸다. 블록 302에서는, 그 위치 데이터가 분석되는 엔드 미러(114) 등의 제1 광학 요소를 찾는다. 블록 302는 사용자가 조사를 위한 광학 요소를 식별하기 위해 폴링(polling)하도록 프로그램될 수 있으며, 또는 블록 302는, 예를 들어, 화상 데이터를 포함하는 저장된 데이터에 기초하여 광학 요소를 자동적으로 판정하도록 프로그램될 수 있다. 블록 302에서는 광학 요소, 그 상대적 크기, 및 일반 위치를 시각적으로 식별하는 머신 비젼 장치를 제어할 수 있다. 이러한 초기 데이터로부터, 블록 302에서는 광학 요소에 대한 마커들을 해석하는데 필요한 확대량을 판정할 수 있다. 블록 302에서는 또한, 후술하는 바와 같이, 광학 요소에 대하여 도출된 위치 데이터가 기준 좌표 체계에 외삽될 수 있도록 머신 비젼 시스템의 카메라/렌즈의 위치 및 확대 데이터를 저장할 수 있다.

블록 304에서는, 예컨대, 요소에 대한 에지, 코너, 면, 또는 마커의 위치와 같은, 조사 대상의 광학 요소의 제1 특징을 판정한다. 예로써, 특징은 X-위치, Y-위치, Z-위치, 편요(yaw) 방향, 피치 방향, 또는 이들의 조합을 나타낼 수 있다. 블록 306에서는, 예컨대, 블록 302에서 아직 발생하지 않았다면, 특징에 대하여 머신 비젼 시스템의 카메라/렌즈를 위치시키거나, 카메라/렌즈에 의해 캡쳐된 더 큰 화상의 일부를 디지털적으로 확대함으로써, 블록 302에서 취해진 화상을 시각적으 로 분석하고, 특징을 나타내는 위치 데이터를 형성한다. 그 후, 블록 306에서는, 그 특징의 화상을 정확한 측정을 허용할 만큼 충분한 량으로 확대할 수 있다. 이러한 확대는 기계적으로, 광학적으로, 또는 디지털적으로 성취될 수 있다. 특징 또는 광학 요소의 해상도와 식별을 강화하기 위하여, 더 높은 대비도의 화상을 생성하도록 광학 요소를 지원하는 플랫폼 상에 반사면이 형성될 수 있다. 예를 들어, 미러의 에지의 더 양호한 해상도를 허용하기 위하여, 에지의 상면 화상이 비젼 시스템에 대하여 충분하게 높은 대비도를 갖도록 금(Au) 반사층 상에 미러가 장착될 수 있다. 블록 306에서 카메라/렌즈를 이동시킨다면, 블록 306에서는 그 이동에 대한 데이터 뿐만 아니라 좌표계 외삽을 위한 임의의 확대 데이터를 기록할 수 있다. 도시된 예에 있어서, 광학 요소를 초기에 식별하는 블록 302, 또는 그 요소의 특징을 식별하는 블록 306에서, 머신 비젼 시스템 내의 카메라/렌즈를 이동 또는 확대시킨다면, 공정 300 중에 취해진 위치 데이터가 얻어진 2차 좌표계에서 얻어졌을 수 있으며, 이는 기준 좌표계에 외삽되는데 필요하게 된다. 2차 좌표계는 전체 레이저 장치(110)의 기준 좌표계의 확대본일 수 있다.

블록 306에서는 이러한 2차 좌표계에서의 위치 데이터에 대한 값을 판정한다. 블록 308에서는, 그 후, 2차 좌표계에서 취해진 이러한 위치 데이터를 전체 레이저 장치에 대한 기준 좌표계에 외삽한다. 이는 공정 300에서 능동 정렬된 (에지 등의) 광학 요소의 특징에 대하여 줌-인하여, 정확하게 특징을 측정하며, (에지의 근사 라인 등의) 위치 데이터를 도출하고, 그 위치 데이터를 다른 광학 요소들, 즉, 레이저 소자(111)를 포함하는 다른 좌표계의 광축에 대하여 변환할 수 있도록 한다.

블록 310에서는, 분석 대상의 광학 요소에 대한 추가 특징이 존재하는지 여부를 판정한다. 존재한다면, 블록 306에 되돌아가고, 그렇지 않다면, 블록 312에 진행하여, 도시된 바와 같이, 분석 대상의 추가 광학 요소가 존재하는지 여부를 판정한다. 더 이상 광학 요소가 존재하지 않으며, 분석 대상의 특징도 없는 경우, 광축 판정을 위해 블록 208에 진행한다.

이러한 블록들은 일례로써 제공된다는 점을 이해하기 바란다. 공정 300은 특정 구성에 한하는 것이 아니라, 추가의 블록 또는 더 적은 블록을 포함하는, 상이한 순서 및 상이한 블록들에서 구현될 수 있다.

도 4는 엔드 미러(114)로 사용될 수 있는 일례의 엔드 미러(402)의 확대 화상(400)의 예를 나타낸다. 도시를 목적으로, 화상(400)은, 예를 들어, 레이저 장치로부터의 레이저 빔의 주파수를 튜닝하는데 사용되는 베르니어(Vernier) 효과 에탈론 쌍 중 하나의 에탈론과 같은, 캐리어(405) 상의 광학 필터(404)를 또한 포함한다. 광축의 수동 판정의 예를 이하에서 설명한다.

머신 비젼 장치에 의해 특징인 에지(406)가 식별되며, 그 후, 근사 라인(406a)의 형태로 에지에 대한 위치 데이터를 도출한다. 에지(406)에 대항하는 2차 특징인 에지(408)가 식별되어, 이 에지를 따르는 근사 라인(408a)의 형태의 위치 데이터가 도출된다. 위치 데이터는 엔드 미러(402)에 대한 측방향 범위를 정의한다. 제3 특징인, 정면 에지(410)가 식별되며, 상응하는 위치 데이터 라인(410a) 또한 도출된다. 이러한 3개의 위치 데이터로부터, 머신 비젼 시스템은 라인(406a 및 410a)들을 교차시켜 하부 좌측 코너(412)을 도출하고, 라인(408a 및 410a)들을 교차시켜 하부 우측 코너(414)를 도출하고, 2개의 코너(412 및 414)의 위치 값들에 대한 중간점(416)을 찾을 수 있다.

계산된 엔드 미러의 정면 에지의 중간점으로, 라인(410a)에 수직하는 라인(418)이 발현된다. 라인(418), 및 라인(418)(도 5)과 점(416)을 통과하지만 반드시 라인(410a)에 직교하지는 않는 축 라인(420)(도 4) 과의 사이의 오프셋 각도로부터 광축이 수동적으로 판정된다. 오프셋 각도에 대한 샘플 공식은, φ= sin^-1(n x sinα)이며, 여기서, n은 엔드 미러 재료의 굴절율, α는 엔드 미러(402)의 쐐기각이다. 엔드 미러(402)는 리튬 니오브산염(lithium niobate)의 단일 결정으로 이루어진다. 결정의 배면 파셋(도시 생략) 상에 반사 코팅이 착화된다. 결정의 정면 파셋은 반사방지 코팅으로 코팅되며, 이득 칩으로의 원하지 않는 피드백을 방지하기 위하여 배면 파셋에 대하여 기울어져 있다. 이러한 기울어짐(여기서는, 쐐기각이라 함)은 결정의 정면 파셋에서의 광빔의 굴절을 가져온다. 그 결과, 광 전파 방향 라인(420)은 정면 파셋(418)에 수직하는 라인과 일치하지 않는다. 라인(418)은 엔드 미러 에지(410)에 수직하며, 광축 라인(420)에 대한 오프셋(시계방향)의 방향이 명확하도록, 참조를 위해 도시되어 있다. 엔드 미러(402)가 회전(roll) 방향으로 180도 벗어나도록 배향되면, 적용되는 오프셋은 반시계방향이 될 것이다.

따라서, 도 4의 기재에 있어서, 머신 비젼 시스템은 엔드 미러의 정면 에지 의 중간점 뿐만 아니라, 각도 오프셋 ψ으로 나타낸 그 에지의 편요각 또한 정확하게 설정한다. 이러한 위치 데이터로부터, 각도 오프셋에서 스넬(Snell)의 법칙에 기초하여 가상 광축이 계산된다. 이러한 가상 광축은 도 4의 화상의 시야각을 위해 도출되므로, 도시된 예에 있어서 2차 좌표계에 있다. 하지만, 일단 가상 광축이 검증되었다면, 다른 시야각을 위해 사용되거나, 다른 좌표계들에 외삽될 수 있다.

엔드 미러(402)는 플랫폼(422) 상에 위치된다. 도 5는 플랫폼(422)에 장착되는 레이저 다이오드(500)를 나타낸다. 레이저 다이오드(500)는 정면 파셋(506)을 갖는 이득 영역(504)을 포함한다. 카메라의 상면도로부터, 머신 비젼 시스템은 정면 파셋(506)의 출구점(508)을, 즉, 파셋(506)과 도파관(504)의 교차점에서 판정할 수 있다. 시스템은 엔드 미러(402), 축(420)으로부터 판정되는 가상 광축을 외삽하여, 정면 파셋(506)과 어디서 교차하는지를 알아낼 수 있다. 이러한 외삽은 광축(420)이 2차 좌표계 또는 기준 좌표계에서 도출되었는지, 레이저 다이오드(500)의 화상은 또 다른 2차 좌표계에 있는지 기준 좌표계에 있는지 여부를 고려한다. 외삽은 광선 추적(ray-tracing) 또는 기타의 기법을 이용하여, 예컨대, 집광 렌즈 등의 엔드 미러(402)와 레이저 다이오드(500) 사이의 임의의 간섭하는 광학 요소들을 고려할 수도 있다. 외삽 후에는, 가상 광축(420)의 교차점과 출구점(508) 사이의 거리가 판정된다. 이러한 계산은 가상 광축의 정확도의 검증으로서 역할한다. 이러한 계산은 그 이전의 렌즈 정렬/부착 공정으로부터 기인하는 빔 포인팅 정확도의 측정을 제공한다. 렌즈가 완전히 정렬되어, 실제 레이저 빔에 대 하여 (X, Y)에서 중심에 위치된다면, 광축은 출구점(508)을 관통할 것이다. 0이 아닌 거리는, 공정 가변성을 나타내며, 공정 윈도우(예컨대, 0.5 도)에 기초한 사양(예컨대, 50 마이크론)에 해당하여야 한다. 렌즈 조립 공정으로부터 큰 포인팅 에러를 갖는 부분들은, 전체 레이저의 최악의 성능을 가져올 수 있으므로, 본 단계에서 거절될 수 있다. 더 중요하게는, 거리 계산은 엔드 미러(402)의 회전(roll) 방향을 체크하도록 역할한다. 엔드 미러(402)는 0.6 도의 쐐기각을 가지며, 또한 전기적 극성을 가지므로, 특정한 회전 방향에서 조립되어야 한다. 그러나, 제조상의 부적절한 실수로 인하여, 미러는 때로는 반대의 회전 방향으로 조립된다(180도 벗어나). 그러한 경우, 이는 비젼 시스템에 의해 검출되어야 하며(사람은 이를 검출할 수 없다), 적용되는 1 또는 2도의 편요 오프셋의 방향이 반대로 되어야 한다. 일단 가상 광축이 검증되었다면, 즉, 허용된 거리 범위 내에 해당하는 것으로 판정되었다면, 가상 광축은 머신 비젼 시스템의 임의의 시야각에 대하여 외삽될 수 있으며, 외부 캐비티의 임의의 광학 요소 또는 이와 상대적인 위치관계를 갖는 임의의 광학 요소를 정렬하는데 사용될 수 있다. 이는 이러한 광학 요소들이 광축에 수동 정렬되도록 하며, 따라서, 레이저 다이오드(500) 및 엔드 미러(402)에 수동 정렬되도록 한다.

도 6은, 광축(602)이 수동 판정된 후, 즉, 전술한 기법에 따른 레이저 장치(600)를 나타낸다. 광축(602)은 레이저 다이오드(604)에서 엔드 미러(606)까지 연장하며, 도시된 예에서는, 조준 렌즈(608)를 통해 연장한다. 광축은 그 전체 길이를 따라서 직선이거나, 직선이 아닐 수 있으나, 피스방향에서 직선(piece-wise straight)이다. 이는 특히 레이저 빔이 프리즘을 통과하는 레이저의 외부면에 대하여는 그러하다. 그러나, 광축이 단일 직선인지, 또는 직선 및/또는 곡선 부분들의 집합인지 여부에 동일한 일반적인 원리가 적용된다. 파장 선택 소자(610)가 이 광축(602)에 대하여 정렬되어, 튜닝을 위해 플랫폼(612) 상에 장착되었다. 기준 좌표계(614)와 엔드 미러(606)의 코너부의 확대 화상의 2차 좌표계(616)에 광축(602)이 도시되어 있다. 2개의 좌표계(614 및 616)의 X 및 Y 평면이 도시되어 있다. 도시된 예에 있어서, 소자(610)는 4개의 방향(X, Y, Z, 및 편요 방향)을 따라 정렬된 듀얼-에탈론 베르니어 튜닝 요소이다. 이하, 도 7 및 도 8을 참조하여 일례의 정렬을 설명한다.

도 7은 수동 판정된 광축을 기초로 파장 선택 소자(700)의 편요, X, 및 Z 정렬의 일례를 나타낸다. 도 7은 지지체(702) 및 2개의 에탈론 중 하나(도시된 에탈론은 참조 번호 704)를 나타낸다. 제1 특징으로서, 에탈론(704)의 상부 에지가 머신 비젼 시스템에 의해 식별되며, 상응하는 위치 데이터로서 에지 근사 라인(704a)이 도출된다. 수동 판정된 광축(706)이 도시되어 있다. 편요에 대하여 정렬하기 위하여, 시스템은 라인(704a)과 광축(706)과의 사이의 각을 판정한다. 0°의 편요에 대하여, 이 각은 90°에 설정된다. 하지만, 예를들어, 레이저 다이오드로의 광학적 피드백을 감소시키기 위하여, 파장 선택 소자(700)에 대하여 작은 오프셋 각도를 도입하는 것이 바람직한 시스템에 있어서는, 1° 내지 2°의 편요각이 사용될 수 있으며, 이러한 경우, 오프셋은 91°와 92°와의 사이일 수 있다. 편요 위치를 판정하기 위하여 라인(704a)과 광축(706)을 사용하는 것이 일례로서 제공된다. 양 쪽의 필터(또는 일반적인 경우의 다수의 광학 요소)를 검출할 수도 있으며, 이들 위치/방향의 평균(또는 가중 평균)을 취할 수도 있다. 이러한 광학 요소들이 장착될 수 있는 기계적 캐리어에 대하여는 전술한 바와 같다. 시스템은 제1 내부 에지(710) 및 지지체(702)의 근사 라인, 제2 내부 에지(712) 및 근사 라인을 발견하고, 이 둘의 중간 라인(708)을 계산하는 것으로부터 도출될 수 있는 라인 708 등의 또 다른 라인을 식별할 수 있다. 편요각 차이를 조절하기 위하여, 시스템에 의해 식별되는 오프셋 각도는 머신 비젼 시스템이 소망하는 오프셋 각도를 기록할 때까지 파장 선택 소자(700)를 회전시키도록 장착 어셈블리에 대한 지시로 변환될 수 있다.

본 예에 있어서, 편요 정렬이 성취되어, X 및 Z가 정렬된다. 예를 들어, 시스템은 기점(716)의 아치형 에지(714) 또는 지지체(702) 상의 다른 정렬 마크를 식별할 수 있다. 이러한 위치 데이터로부터 기점(716)의 중심점(718)이 판정된다. X 방향 정렬에 있어서, 시스템은 중심점(718)과 광축(706)과의 사이의 거리, 및 소자(700)를 해당하는 량만큼 병진시킴으로써 제거된 임의의 원하지 않는 오프셋을 를 계산할 수 있다. Z 방향 정렬에 있어서, 시스템은 중심점(718)과 중심점(720)과의 사이의 거리, 도 4의 중간점(416)과 같은, 엔드 미러의 정면 에지의 중간점을 계산할 수 있다. 그 후, 시스템 거리는 이들 2개의 점들 사이의 원하는 거리값이 일치하도록 Z-방향을 따라서 소자(700)를 이동시킬 수 있다.

도 8은, 파장 선택 소자(700)의 피치 및 Y 정렬의 일례를 나타낸다. 플랫폼(800) 및 지지체(702)의 측면도가 도시되어 있다. 지지체(702)의 자유 말단이 도시되어 있으며, 대향하는 말단(도시 생략)은 포지셔닝 아암에 의해 그립된다. Y 방향에 대한 기저선을 설정하기 위해 플랫폼(800)의 상부 에지(802) 및 상응하는 근사 라인(802a)이 얻어진다. 근사 라인(804a 및 806a)과 함께 지지체(702)의 제1 내부 에지(804) 및 제2 내부 에지(806)가 판정된다. 이들 라인으로부터, 중간 라인으로서 중심 라인(808)이 계산된다. 근사 라인(810a)을 따라서 지지체(702)의 하부 에지(810)가 판정된다. 그 후, 시스템은 중심 라인(808)과 근사 라인(810a)의 교차점(812)을 판정한다. Y 방향을 따라서 정렬하기 위하여, 점(812)과 라인(802a)과의 사이의 거리가 판정된 후, 원하는 값이 될 때까지 지지체(702)가 위치된다. 이 거리는 고정 값, 또는, 예를 들어, 앞서 취득된 위치 데이터 또는 레이저 장치에 대한 다른 데이터에 따라서 변화하는 동적인 값으로 설정될 수 있다. 피치 방향으로의 정렬을 위해서, 근사 라인(802a)과 중간 라인(808)과의 사이의 각도(814)가 판정될 수 있다. 이 각도는 90°피치 방향 또는, 예를 들어, 88°또는 89°의 다소 안쪽으로 경사진 각도 등의 소망하는 각도로 설정될 수 있다. 피치각을 소망하는 량으로 설정한 후, 시스템은 점(812)과 라인(802a)과의 사이의 거리를 재계산하고, 다음, 지지체(702)를 소망하는 거리에 재설정할 수 있다.

도 9는 전술한 일례의 기법에 따라서 프로그램될 수 있는 머신 비젼 또는 컴퓨터 비젼 시스템(900)의 일례를 나타낸다. 시스템(900)은, 예를 들어, 레이저 장치의 픽-엔드-플레이스 조립이 발생할 수 있는 어셈블리 표면(904)을 갖는 작업대(902)를 포함한다. 카메라(906)는 작업대(902) 위에 장착되며, 예컨대, PC, 집적회로, 또는 마이크로프로세서와 같은 컨트롤러(910)의 방향 하에서 카메라(906) 를 이동시키는 병진 소자(908)(적어도 XZ 평면 상에서 이동가능한)에 결합된다. 도시 생략되었지만, 컨트롤러(910)는 각종 공정들을 구현하기 위하여 소프트웨어 루틴과 같은 코드를 실행할 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 컨트롤러(910)는 메모리 및 저장 매체 뿐만 아니라, 키보드 및/또는 기타의 입력 소자 및 모니터 또는 기타의 디스플레이 소자를 갖는 컴퓨터일 수 있다. 일례로서, 카메라(906)는 조영(imaging)에 사용되는 디지털 CCD 일 수 있다. 더 일반적으로, 카메라(906)는 화상 데이터를 캡쳐하기 위한 임의의 화상 기록 소자 또는 광학 요소를 나타낸다. 도시된 예의 컨트롤러(910)는 X, Y, 및 Z 방향을 따라서, 일부 예에서는, 피치, 편요, 및 회전 방향을 따라서, 광학 요소(916)를 이동시킬 수 있는 포지셔닝 아암(914)을 갖는 어셈블리 기기(912)에 결합되기도 한다. 기기(912)는 능동 정렬 및 수동 정렬 양쪽 모두의 정렬 중에, 뿐만 아니라, 광축의 수동 판정 중에, 각종 광학 요소들을 레이저 장치 상에 위치시킨다. 컨트롤러(910)는, 예를 들어, 광축의 수동 판정 전에, 각종 광학 요소들의 능동 정렬 중에 사용될 수 있는 검출기(916)에 또한 결합된다. 시스템은 일례로서 제공되며, 당업자라면 시스템은 추가 또는 더 적은 특징을 포함할 수 있음을 이해할 것이다.

본 발명의 교시에 따라서 구성되는 특정 장치를 여기서 설명하였지만, 본 특허의 적용 범위는 이에 한하지 않는다. 이에 반하여, 본 특허는 문헌적으로 또는 균등 이론하에서 첨부된 청구항들의 범주 내에 정당하게 해당하는, 본 발명의 교시의 실시예들 전부를 포괄한다.

Claims

외부 캐비티를 갖는 레이저 장치의 광학 요소를 광학적으로 정렬하는 방법으로서,

플랫폼 상에 레이저원을 위치시키는 단계;

상기 외부 캐비티의 제1 컴포넌트를 정렬시키는 단계; 및

상기 제1 컴포넌트와 상기 레이저원 사이에서 연장하는 광축을 수동 판정하는 단계

를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 컴포넌트를 능동 정렬하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 광축을 수동 판정하는 단계는,

상기 제1 컴포넌트의 적어도 하나의 특징을 식별하는 단계;

상기 적어도 하나의 특징으로부터 적어도 하나의 위치 데이터를 도출하는 단계; 및

상기 적어도 하나의 위치 데이터로부터 상기 광축을 도출하는 단계

를 포함하는 방법.
제3항에 있어서,

상기 제1 컴포넌트는 반사 요소이며, 상기 적어도 하나의 특징은 상기 반사 요소의 에지를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 컴포넌트의 위치로부터 상기 광축을 수동 판정하는 단계;

상기 레이저원의 위치에 대하여 상기 광축을 비교하는 단계; 및

상기 레이저원의 위치에 대한 상기 광축의 비교로부터 상기 광축을 검증하는 단계

를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

2차 좌표계에서 상기 광축을 수동 판정하는 단계; 및

상기 2차 좌표계에서 판정된 광축을 기준 좌표계에 외삽하는 단계

를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 광축으로부터 상기 광학 요소를 수동 정렬하는 단계를 더 포함하는 방법.
제7항에 있어서,

상기 광학 요소는 파장 선택 소자인 방법.
제7항에 있어서,

X-방향, Y-방향, 또는 Z-방향 중 적어도 하나를 따라서 상기 광학 요소를 수동 정렬하는 단계를 더 포함하는 방법.
제7항에 있어서,

피치 방향을 따라서 상기 광학 요소를 수동 정렬하는 단계를 더 포함하는 방법.
제7항에 있어서,

편요(yaw) 방향을 따라서 상기 광학 요소를 수동 정렬하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 컴포넌트 아래에 금 패드(gold pad)를 위치시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 레이저원의 튜너 캐리어의 슬롯을 가공하는(machine) 단계를 더 포함하는 방법.
기준 좌표계에서 외부 캐비티 레이저 장치에 대한 광축을 판정하는 방법으로서,

레이저원을, 상기 레이저원의 파셋(facet)으로 외부 캐비티를 정의하는 에지를 갖는 광학 요소와 정렬하는 단계;

2차 좌표계에서 상기 광학 요소의 적어도 하나의 특징을 식별하는 단계;

상기 2차 좌표계에서 상기 적어도 하나의 특징으로부터 적어도 하나의 위치 데이터를 도출하는 단계;

상기 2차 좌표계에서의 상기 적어도 하나의 위치 데이터를 기준 좌표계에 외삽하는 단계; 및

상기 기준 좌표계에 대한 광축을 수동 판정하는 단계

를 포함하는 방법.
제14항에 있어서,

상기 광학 요소는 엔드 미러이며, 상기 에지는 상기 엔드 미러의 정면 반사 표면이고, 상기 적어도 하나의 특징은 상기 에지를 포함하는 방법.
제15항에 있어서,

상기 적어도 하나의 위치 데이터를 도출하는 단계는, 상기 에지의 근사 라인과 상기 에지의 중심점을 도출하는 단계를 포함하는 방법.
제16항에 있어서,

상기 광축을 수동 판정하는 단계는, 제2의 2차 좌표계에서 상기 광축을 검증하는 단계를 포함하는 방법.
기준 좌표계에서 외부 캐비티 레이저 장치에 대한 광축을 판정하는 방법으로서,

레이저원을, 상기 레이저원의 파셋으로 외부 캐비티를 정의하는 에지를 갖는 광학 요소와 정렬하는 단계;

2차 좌표계에서 상기 광학 요소의 출구점과 중간점을 식별하는 단계;

상기 2차 좌표계에서 상기 출구점과 상기 중간점으로부터 적어도 2개의 위치 데이터를 도출하는 단계;

상기 2차 좌표계에서의 상기 적어도 2개의 위치 데이터를 기준 좌표계에 외삽하는 단계;

상기 기준 좌표계에 대한 광축을 수동 판정하는 단계;

상기 2차 좌표계에서의 상기 적어도 2개의 위치 데이터를 기준 좌표계에 외삽하는 단계; 및

상기 기준 좌표계에 대한 광축을 수동 판정하는 단계

를 포함하는 방법.
제18항에 있어서,

상기 광학 요소는 상기 중간점과 출구점을 갖는 엔드 미러인 방법.
제19항에 있어서,

상기 광축을 수동 판정하는 단계는, 제2의 2차 좌표계에서 상기 광축을 검증하는 단계를 포함하는 방법.