TWI290639B - Apparatus and method for active alignment of optical components - Google Patents

Description

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五、發明說明（1) [發明所屬之技術領域] 本發月有關一種設備與方法，可在不同的光學組件 諸如一光纖與一光電子器件）耦合前，以有源方式校 :的光學組件之光軸，以達高光學耦合效率。舉例而言， 發明可應用纟自動化裝配機製造單模光纖尾端： 封裝，但應了解本發明可有更加廣泛之應用。 - [先前技術]

造点子器件組裝之自動化’是降低此類產品製 要方法。在此種製程中，係使一光電子器 例如光發射器#、光電探測器或光波導）之光軸，；正一 二纖之光軸，然後以機械方式耦合對正後的兩個部份。若 :?合效率低冑，可能產生若干問題，例如高光能損失、 短傳輸距離、a低信號噪聲比（信噪比）。 月匕相失 以碹：產品之裝配中須採用高精密度校準技術’ ”性能。目前已發展出多種有源式與無源式 =丰=:，專門解決高輕合效率的需求。4些技術各有其

Ui: 一般而f ’無源式校準技術較快，但使用此種 達成的精密纟，幾乎無法低於一微米。此外，執行 ;is所需的次架| ’其初期製造成本極高。比較之 :亞作控制科技時’有源式校準技術可以達 超微)級的精破度，而且不需無源式校準次架座。 =份有源式校準技術非常費時，因此對製造廠 商而S也非常昂貴。 早模光纖尾端雷射二極體器件屬於大量生產且最常見

第6頁 1290639 五、發明說明（2) 的光電子組 序，如上所 較長的組裝 體離子源， 造成本相當 靠手動或半 類產品之製 高的全自動 目前已 減少所需時 之兩輕合效 光纖與光學 其中利用一 器件之調變 技術使該系 美國專 一種紅外線 PSD)，係在 所謂的雷射 由劃分以上 校準程序仍 術亦不容易 紅外線二維 可以鱗得的 件之一。此類器件之製程包括校準與耦合 述。儘管此類器件之結構簡單，但因可能需 過程時間以有源方式校準單帛光纖肖雷射二極 :獲得具有合理高耦合輸出之產品，所以其製 。Γ實上，有些製造商在其生產線内仍依 自動化系統執行此種有源式校準。為了降低此 造成本，亟需一種組裝過程周期短且製程產 化系統。 研發出各種技術，用以加速有源式校準程序及 間，而能獲得從雷射二極體離子源到單模光纖 f。美國專利Ν〇·6,325,55 ΐ「以光學方式校準 器件之方法與設備」揭示一種有源校準技術， 種定位系統，此系統中採用往返一組裝中發光 信號的高頻閉環光反饋。此項美國專利說^的 統设計之電子設計及動作控制複雜化。 = Ν〇· 5, 666, 450揭示另一先前技術，其中說明 疋位傳感器件（Position Sensitive Device， 進行微校準搜尋前，使用InGaAs感應元件執行 光點「暗搜尋」或「粗搜尋」。此方法企圖藉 二種搜尋來縮短整體校準處理時間。然而 要花費許多處理時間。此項美國專利說明的技 實施，因為與設備配合使用的高解析度InGaAs 定位傳感器件（PSD)非常昂貴，而且並非隨時

1290639 _ 五'發明說明（3) 本發明經特別發展，以如 減少這類光織尾端器件所需的：準，及 亦適於耦合其他光電子器件。 处里時間。但疋本發明 [發明内容] 麵，:在於提供-種改進的設備與方法，用以 J纖：：光傳ι本發明另一目的 二 - 間。 取夕轨仃权準處理所花的時 根據本發明第一層面，1 合不同光學組件的設備。不“ :原式校準與· 光接收組件。本發明之4 = 一包;二光發射？ ^台，可執行該光發=解析力 點之近似位置。該第二校準裝置具有一相^=:最尚強度 =作台，可執行該光發射組件之微校準解析 度點之較精密位置。 戈出其表尚強 根據本發明第二層面，其中提供 合不同光學組件的方法。不同之光學纟且件式校準與耗 件與一光接收組件。本發明之方法..匕括—光發射組 解析力工作台執行該光發射組件之=準=目對較低光學 度點之近似位置；並以相對較高光學解 出其最高強 光發射組件之微校準，找出其最高強度=台執行該 以下參照附圖所示本發明一實施例^精密位置。 更坪細說明本發 in 第8頁 1290639 五、發明說明（4) 明。但應了解圖式細節及其相關說明並非取代所附申 利範圍中定義的本發明廣義概括性。 [實施方式] 圖1為根據本發明較佳實施例包括多個具有不同光與 解析力杈準工作台之自動校準與耦合設備配置概要側视 圖。本設備執行校準時，係使用不同的光學解析力來 不同的光學組件。光學組件可包括一光發射組件盥一: :欠組件。通常，一光電子器件之光學輸出，諸如二紅：： :射一極體（LD)離子源3 ,係與一光接收光纖（一桓 光纖麵合。通常，此設備包括··（〇 一第一校早摘 置，其具有一相對較低光學解析力工作台！，在此 可執行該雷射二極體離子源3最高光強點（埶 = 似位置之粗校準搜尋，·及（ii)第二校準裝置，近 最同先強點之有源微校準搜尋。 卞简、6 雷射二極體離子源3係焊接不錄鋼校 (見圖2)，並由一機器手臂(圖中未示)從 ：：29 送安裝於-輸送機構上。該輸送機構 件承载。4轉 作夾頭5，由一器件固定座1〇固持並安 '一\為一杈準工 平移台8上。若需Z軸方向之校準時，固持：精密度X-Y 源3之工作夾頭5亦可上下移動器件。工 丨一極體離子 固定座10穩固夾定。高精密度χ_γ平 =5係由器件 向移動，並可將工作夾頭5從粗 二° 軸及Υ軸方 工作台…平移台8係安裝在—送至微校準 第9頁 1290639 五、發明說明（5) 圖2為本發明較佳實施例中，低光學解析力校準工作 台之概要側視圖。圖中顯示用於雷射光點粗校準搜尋之低 ^學解析力工作台丨設置。雷射二極體離子源3係插入工作 夾頭5上的插座28内。雷射二極體離子源3之插腳27透過插 座28而與一低噪聲電流源連接。雷射二極體離子源3可用 有源光功率反饋模式在一選定電流下驅動，使雷射二極體 離子源3的光輸出保持恆定。插腳2 7可提供電性連接，讓 雷射一極體離子源3經由插座2 8連接一電腦控制的雷射二 極體電流驅動器（圖中未示）。雷射二極體離子源3内部有 一雷射二極體晶片25安裝在一桿體26上。一光學探測器 (圖中未示）可收集部份雷射光作為反饋，讓該雷射二極體 電流驅動器獲得固定的光功率輸出。雷射二極體晶片25之 光2出於通過輸出透鏡23(例如一球形透鏡）之後，會聚焦 在“、、面3 3上疋位一焦點3 2或「熱點」。透鏡蓋2 4確保 雷射二極體晶片25具有焊接密封。在低光學解析力粗校準 工作台1上，將一多模光纖套圈6安裝在進行雷射二極體離 子源3焦點32粗搜尋之位置。多模光纖套圈6内容置一芯徑 約為50至62· 5微米之光接收光纖7(諸如一多模光纖MMF)之 端。多模光纖套圈6係安裝在某一水平上，使其末端35 位=雷射二極體離子源3之標稱焦面33上。多模光纖7之另 端係與一光功率計34連接，用以檢測通過多模光纖7之 光強。 在粗搜尋視窗内用多模光纖7橫向掃描加/減數百微米 左右，可以獲彳于雷射二極體離子源3之光強分佈圖。义_丫平 第10頁 1290639 五、發明說明（6) 移台8可用精密增量相對光接收光纖（諸如多模光纖（mmf)7 或單模光纖（SMF)l 5)移動雷射二極體離子源3 ^使用多模 光纖7作為光收集媒介時，所獲得的光學解析力較低，因 為其數值孔徑（NA)相當大，在〇2_〇3。焦點32之表觀尺 寸會放大至數十微米。對於粗校準搜尋，高精密度平 移台8之掃描動作可以最佳化至一更低的動作解析力以 $少搜尋時間。此搜尋處理可在數秒内完成前技術 =使用的所謂的「暗搜尋」處理比較時，此搜尋時間顯 =減 > ，因為先前技術方法可能需要花費數分鐘之多。鋏 f，X-Y平移台8可將雷射二極體離子源3移至高光學解析… f工作台2，在該處實施有源微校準搜尋。從低光學 校準工作台丨平移移位至高光學解析力校準工作台2， 機械設置及雷射焦點32之搜尋位置回復值決定的。 △圖3為本發明較佳實施例中，高光學解析力校準工作 口 2之概要側視圖。在高光學解析力微校準工作台2上， ;:】=(SMF)形式之光接收光纖15，位於-單模光纖 ίΓΛΊ 一可沿基準轴21上下縱向移動之套筒固定 令未、查垃同樣地，單模光纖15之另端與一光功率計（圖 機器U 士光功率計則與設備之主電腦連結。利用-筒恭二^(圖中未不）可將一不銹鋼校準上套筒12從一上套 i :拉轉送至上套筒固定座16。不錄鋼校準上套筒12 力係；：Γ步接設一堅固的錯土套筒2〇。單模光ί套圈 光鑪、土套筒20插入定位上套筒12。如此可確保單模 、 4地對正中央並可反覆地插入校準上套筒1 2。容 1290639 五、發明說明（7)

置光纖套圈14與單;A 固定座16内部的夾準上套筒12隨後由上套筒 1町处具19與鎖塊18穩固夾定。 在Χ-Υ橫向平面上進行 ，及其中插置之光纖的上套筒固定卓座：二置权準上套 谷置雷射一極體離子源3的校準下套Η29之 、’位於 解析力工作台2之設置於诸搂：下套诗29之頂部。高光學 之” / u 建構時’係使單模光纖15末端22 之间度在雷射二極體離子源3 光纖15可於沿Ζ轴方向進行的峰值搜斤=位|最：：：模 好；經由一預準下套筒29之頂面30接觸良 一充，的預負載，可讀保此良好接觸。使用單』2/:: 雷射隹> 丄丄 心尤祸口效率對早模光纖15與 :射…點32間的k向校準極為靈敏 f纖模式與雷射二極體離子源3輸出模式間的最佳/式广 叶(可圖以中獲合效率。微校準控制器經由 進行有源i微校準時纖^ 4

,c ^ t ^ ^糸固疋用以容置套圈14及單模光纖H 動作二準Λ套筒12，並以高精密度χ—γ平移台8極微的橫向 =步距（數十納米左右），移動工作夾頭5上的校準下^ ，29。高光學解析力工作台2的有源式微校準可在微搜尋 &加/減十微米範圍内進行。此種有源式微校準在較佳情 況時，應該可使裝配件的位置與獲得最高光輸出強度之位 $ 12頁 1290639 五、發明說明（8) 置間’距離小於加/減十分之一微米的範圍内。 完成微校準後，可從單模光纖15獲得雷射二極體離子 源3之最南粞合光強位置。此時再將校準上、下套筒1 2、 29經由一雷射加工頭11 (見圖丨）使用YAG雷射脈衝焊接為一 體。執行雷射焊接後，以套筒固定座16内部的預負載施力 機構1 7垂直焊接的部份（校準上、下套筒）施以一預負載 力，以使任何雷射焊接後的移位最小化。雷射加工頭丨丨最 好有三個，成圓圈排列，將目標設在圓心上。每一加工頭 11之固定位置係在目標之工作距離内，並且最好在彼此相 對120度之方位。此等加工頭須良好校準，以確保三個加 工頭發出的雷射脈衝指向同一圓心並在同一水平擊中目 標，以使雷射焊接後移位可以最小化。 圖4顯示使用多模光纖7掃描時，從雷射二極體輸出庐 得的典型光強分佈圖。用圓圈標記的分佈圖表示在雷射^ 極體輸出之聚焦高度上的χ-γ橫向平面進行掃描所獲得一 強度分佈圖。從圖中可以觀察到，峰值中心之基 位置並未快速變化，即使在多模光纖7散焦情況\寺（例如〃 0.15mm)亦然，如圖4中以方形及菱形標記的分佈圖 低光學解析力搜尋工作台1可找出雷射焦點“之中心 置’其精確度達加/減十微米以内。 圖5顯示使用單模光纖15掃描時，從雷射二極體 獲得的典型光強分佈圖。| 了減少搜尋總時間 ：出 準搜尋視窗限定在加/減十微米β ;而搜尋已粗又 準搜尋決定。 固匕從粗扠 第13頁 1290639 發明說明（9) 五 使用此種雙解析力校準結構來組裝諸如 亡極體之光電子器件時，可縮短所需的總校端雷射 向精密·度x-y平移台採用低解析力掃描動 日。由於 粗校準工作台使用多模光纖探針搜尋雷射「埶u可縮短 所需的時間。此種掃描處理可在數秒…點」或焦點 窗之大小為數百撒半_ > 样 m 70成’即使搜尋視 卢π & i 卡時也一樣。因此，所謂的厂#抽Γ 2所需的搜尋時間，於使用 f數分鐘之久，使用本發明方法則顯c準時可能 向解析力工作A佶田丨14者&短。之後，可在 米的範圍二4用校 化-說明之發明枚二定精解此說咸二微Λ準的了處理時間。 化、修改及/或增加；戶斤有 内奋外，可做各種變 以上說明之精神 、修改及/或增加落在 砷與I巳圍内時，應視為包括在本發明内。 第14頁 1290639 圖式簡單說明 圖1係根據本發明一較佳實施例之自動校準與耦合設 備之配置概要側視圖，該設備包括使用不同光學解析力之 校準工作台； 圖2為本發明較佳實施例中，低光學解析力校準工作 台之概要側視圖； 圖3為本發明較佳實施例中，高光學解析力校準工作 台之概要側視圖；

圖4為經由多模光纖獲得之雷射二極體離子源耦合光 強分佈圖表；及 圖5為經由單模光纖獲得之雷射二極體離子源耦合光 強分佈圖表。 [元件符號對應表] 1相對較低光學解析力工作台 1 0器件固定座 11雷射加工頭 1 2校準上套筒 13上套筒載台 1 4單模光纖套圈 % 15單模光纖（光接收光纖） 16上套筒固定座 1 7預負載施力機構 1 8鎖塊 19夾具 2相對較高光學解析力工作台

第15頁 1290639 圖式簡單說明 2 0結土套筒 2 1基準軸 2 2單模光纖末端 23輸出透鏡 24透轉:蓋 % 2 5雷射二極體晶片 26桿體 27插腳 28插座 2 9校準下套筒 3雷射二極體離子源 3 0校準下套筒頂面 3 1校準上套筒底面 32焦點 % 33焦面 3 4光功率計 3 5多模光纖套圈末端 4器件承載台 5工作夾頭 6多模光纖套圈 7多模光纖（光接收光纖） 8高精密度X-Y平移台 9避震平台

第16頁

Claims (1)

1. 5·如申請專利範圍第2項之設備，其中該輪送機構可沿χ、 y及ζ軸方向移動該光學組件。 /ϋ 6·如申請專利範圍第2項之設備，其中該輪送機構包括一 工作夾頭用以容置該光學組件之一配合部，以於^ 一光學裝置及該第二光學裝置之不同位置，對該光學=件

   1290639 -93103254 Λ ^ H η 日 修正 六、申請專利範圍 提供電力。 7 ·如申請專利範圍第1項之設備，其中該第一光學裝置進 而包括一較低解析力光接收光纖，其與可位於該光發射組 件上方的第一校準裝置接合，其中該較低解析力光接收光 纖可與一功率探測器連接，以於相對該光發射組件之不同 位置’檢測該光發射組件發射之光強。 8 ·如申睛專利範圍第7項之設備，其中該較低解析力光接 收光纖之數值孔徑大約在q · 2至〇 · 3之間。 9 ·如申凊專利範圍第7項之設備，其中該較低解析力光接 收光纖為"多模光纖。 10.如申請專利範圍第1項之設備，其中該第二光學裝置進 而包括一較高解析力光接收光纖，其與可位於該光發射組 :上τ的第二校準裝置接合’其中該較高解析力光接收光 纖可與一功率探測器連接，以於相對該光發射組件之不同 位置’檢測該光發射組件發射之光強。 其中該較高解析力光 小 〇 其中該較高解析力光 11 ·如申請專利範圍第丨〇項之設備， 接收光纖之數值孔徑大約為〇· 1或更 1 2 ·如申請專利範圍第1 0項之設備， 接收光纖為一單模光纖。 其中該較高解析力光 之單模光纖。 其中該最高強度點近似 内。 其中該最高強度點較準 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項之設備 接收光纖為用於耦合該光發射組件 1 4 ·如申請專利範圍第1項之設備， 位置之尋找精確度在數十微米範圍 1 5 ·如申請專利範圍第1項之設備，

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   修正 確位置之尋找精確度低於一微米。 ^申^^專利範圍第1項之設備，進而包括一校準套筒， 二可接°又於該光接收組件，並可與該光接收組件定位於該 光發射組件上方以供耦合。 1 7二士 >申明專利範圍第丨6項之設備，進而包括耦合裝置， 將該校準套筒連同該光接收組件耦合於該光發射組件。 18·如申請專利範圍第17項之設備，其中該耦合裝置包括 一或多個雷射處理器，其可放出雷射光束將該校準套筒 接於該光發射組件。 =·如申請專利範圍第18項之設備，其中，若該雷射處理 為多數時，該等雷射處理器係以圓周方式彼此等距 排，以圓心為其目標。 2 0.如申請專利範圍第1 8項之設備，進而包括一預負載施 力機構，其可於焊接期間，在該校準套筒與該光射& 間施加一預負載力。 ，，且件 21.如申請專利範圍第1項之設備，其中該第一及第二 裝置係安裝在一避震平台上。 ^ / 2 2 ·如申請專利範圍第1項之設備，其中該第二光學 含該光接收組件。 、匕 2 3· 一種有源式校準與耦合不同光學組件之方法，該 光學組件包括一光發射組件與一光接收組件，該方法\ 以下步驟： Λ ’ 匕括 執行粗校準，於該光發射組件及一第一光學裳置之 執彳亍粗校準’其根據一最高發射光強度點之近似位，’ 罝’其

   V,'

   1290639 案號 93103254

   六、申請專利範圍 中該學裝置包括一光學解析力工作台；及 執行Μ校準，使用一相對較高 於該光發射組件及一第二光學裝詈予解析力工作台執行 準，以我出其最高發射光強度點之;;執行微校準之微校 高於粗校準，其中該第二光學裝置。々確位置，其精確度 24.如申請專利範圍第23項之方 準之第一校準位置與進行微校準之第進二包括在進行-粗校 光發射組件。 早之第二校準位置間輸送該 2相5對V，專/Λ圍第2 3項之方法，進而包… η: ΐ學裝置及該第二光學裝置移動該光發射組 猎* τ描與找出該光發射組件上光發射強度最高之 留Ρ Λ 26.如申請專利範圍第25項之方法，進而包括沿χ、丫及冗軸 方向移動該光學組件。 27·如申請專利範圍第23項之方法，其中執行粗校準之步 驟包括將該第一光學裝置所包含之一較低解析力光接收光 纖置於該光發射組件上方，以及將該較低解析力光接收光 纖連接一功率探測器，以於相對該光發射組件之不同位置 上’檢測該光發射組件之發射光強。 28·如申請專利範圍第27項之方法，其中該較低解析力光 接收光纖之數值孔徑約在0 · 2至0 · 3之間。 29·如申請專利範圍第27項之方法，其中該較低解析力光 接收光纖為一多模光纖。 3 〇 ·如申請專利範圍第2 3項之方法，其中執行微校準之步

   第20頁 案號 931032M It 1290639 修正 曰 六、申請專利範圍 驟包括將該第二光學裝置所包含之一較高解析力光接收光 纖置於該光發射組件上方，以及將該較高解析力光接收光 纖連接一功率棟測器’以於相對該光發射組件之不同位置 上，檢測該光發射組件之發射光強。 .如申請專利範目第3〇項之方法，其中該較高解析力光 接收光纖之數值孔徑大約為〇.丨或更小。 3 2.如申请專利範圍第3〇項之方法丨中該較高解析力光 接收光纖為一單模光纖。 33·如申清專利範圍第32項之方法，|中該較高解析力光 接收光纖為用於耦合該光發射組件之單模光纖。 34·如申請專利範圍第23項之方法，其中該最高強度點近 似位置之尋找精確度在數十微米範圍内。 如申研專利範圍第23項之方法’其中該最高強度點較 精確位置之尋找精確度在一微米以内。 3 6如申μ專利範圍第2 3項之方法，進而包括將該光接收 =件固定於該光發射組件最高光強度位置之上方。 ^如中請專利範圍第36項之方法，進而包括將一校準套 没於該光接收組件，藉此將該校準套筒與該單模光纖 锅合於該光發射組件。 3#8·Λ申請專利範圍第37項之方法，進而包括於耦合期間 ^用雷射處理器將該校準套筒焊接於該光發射組件。 .如夕申請專利範圍第38項之方法，其中，若該雷射處理 :二夕數時，則以圓周方式等距安排該等雷射處理器，並 圓心為該等雷射處理器之目標。

   1290639 案號 93103254 &年I， 月 曰 修正 六、申請專利範圍 40.如申請專利範圍第37項之方法進而包括在焊接期間， 於該校準套筒與該光發射組件間施加一預負載力。 4 1 ·如申請專利範圍第23項之方法，其中該第二光學裝置 包含該洗接收組件。