專利名稱：波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)與系統(tǒng)，是應(yīng)用于光波導器件的耦合封裝，即將波導器件上的各導光通路(也即波導)和光纖陣列中的光纖一一對準，再采用光學膠(通常是環(huán)氧膠)將其粘接在一起的技術(shù)。
背景技術(shù)：
封裝工藝占光器件成本的相當比例。近年來，自動化封裝已成為光器件的一個顯著的發(fā)展趨勢。在傳統(tǒng)分立光器件領(lǐng)域，自動化(或半自動化)的封裝工藝正逐漸被開發(fā)應(yīng)用；在光波導集成器件領(lǐng)域，自動化封裝的趨勢尤為顯著。
與手工封裝相比，波導器件的自動化耦合封裝技術(shù)有許多優(yōu)點。自動化封裝技術(shù)能夠提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)；波導器件的自動化封裝對人的依賴性小，封裝出的波導產(chǎn)品具有更小的插入損耗和很高的重復(fù)性。但是，目前自動化封裝剛剛起步，尚沒有理想的方法和設(shè)備。專利申請99801271對準光纖陣列的方法給出了最新技術(shù)，但無論是對準精度和掃描過程均存在一些技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種將波導器件上的各導光通路(也即波導)和光纖陣列中的光纖一一對準，特別是解決掃描過程中波導器件和光纖陣列的碰撞問題，再采用光學膠(通常是環(huán)氧膠)將其粘接在一起的技術(shù)。解決波導器件和光纖陣列的精確對準，使封裝出的波導產(chǎn)品具有更小的插入損耗和很高的重復(fù)性的技術(shù)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明的波導器件自動耦合封裝采用了角度補償掃描技術(shù)，在精對準過程中，采用角度補償掃描方式，即以波導器件左或右端面的傾斜角θ為基準對陣列光纖掃描路線進行角度補償。
一種方法是當陣列光纖在設(shè)定范圍內(nèi)按設(shè)定步長沿X和Y方向進行掃描時，每當Y值增加ΔY時，陣列光纖就沿背離波導器件的方向沿Z軸移動ΔZ＝ΔY·ctgθ，其中θ為波導器件左或右端面的傾斜角，當Y值減小ΔY時，陣列光纖就沿靠近波導器件的方向沿Z軸移動ΔZ＝ΔY·ctgθ。
另一種方法是在精細對準過程中，當光纖陣列沿X和Y方向掃描時，采取調(diào)整微調(diào)架使微調(diào)架的Y軸偏離豎直方向變?yōu)閅’，Y軸偏離的角度等于波導器件端面的傾斜角θ。
所述的波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)，在粗對準過程中，首先計算機控制電動平移臺運動，使電子耦合器件CCD鏡頭先移動到波導器件的左端，顯示器觀察波導器件的左端上表面和輸入陣列光纖的上表面，通過對放大了的圖象的觀察、處理判斷光纖陣列1的端面和波導器件輸入端的端面之間的夾角，與設(shè)定值比較，調(diào)節(jié)光纖陣列1，使其端面和波導器件的輸入端面平行，對波導器件的輸出端采用同樣的方法，然后是波導輸入端的粗對準通過電荷耦合器件CCD1觀察波導輸入端和光纖陣列1的上表面放大了的圖象，通過電荷耦合器件CCD2觀察波導輸入端和光纖陣列1的側(cè)面放大了的圖象，利用這些圖象信息讀出坐標值與設(shè)定值比較，計算機控制微調(diào)架1運動來實現(xiàn)波導器件的輸入端和光纖陣列1的粗對準，再將光纖陣列2移開，通過CCD3利用計算機的顯示器來觀察透過波導器件的光斑，當光斑變?yōu)樽盍習r，就認為波導輸入端的粗對準完成，再進行波導輸出端的粗對準，通過電荷耦合器件CCD1觀察波導輸入端和光纖陣列2的上表面放大了的圖象，通過電荷耦合器件CCD2觀察波導輸入端和光纖陣列2的側(cè)面放大了的圖象，利用這些圖象信息，計算機控制微調(diào)架2運動來實現(xiàn)波導器件的輸出端和光纖陣列2的對準，當功率計上顯示第一通道或第K通道有部分光能量時，就認為波導輸出端的粗對準完成了。
所述的波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)，其在精細對準過程中，通過對準兩個預(yù)先指定的通道來實現(xiàn)整個波導器件的對準，先精細對準任意一個指定通道時，在設(shè)定好掃描范圍和步長后，計算機控制微調(diào)架帶動陣列光纖沿X和Y方向掃描，同時采集功率計或光電探測器上的能量值，微調(diào)架沿X，Y方向按步掃描的范圍是預(yù)先設(shè)定的，當掃描完成后，計算機就會將記錄下的功率值沿X和Y方向繪出三維能量分布圖，然后找出能量最大的位置，并指揮微調(diào)架帶動光纖陣列移動到該位置，該位置實際上是相對能量的最大位置，非絕對能量的最大位置，以該相對能量的最大位置為起點，再確定一個X，Y方向的掃描范圍，重復(fù)上面步驟，找到另一個相對能量的最大位置；再次重復(fù)該過程，直到找到絕對能量的最大位置為止，這樣波導器件的第一通道對準就完成了，然后計算機控制微調(diào)架2開始沿Z方向轉(zhuǎn)動，使波導器件的輸出波導N和光纖陣列的輸出光纖N對準，這樣功率計上的第N個通道讀數(shù)值為PN，計算機通過采集功率計上的功率值PN并將其做為反饋信息來指揮微調(diào)架2轉(zhuǎn)動，直到找到PN為最大值的位置。因為轉(zhuǎn)動軸不一定在光纖陣列的中心，所以微調(diào)架2轉(zhuǎn)動時，光纖陣列的第一通道可能會偏離最佳位置，使P1值變小，因此微調(diào)架2轉(zhuǎn)動時也需要同時沿X和Y方向移動，以保持光纖陣列第一通道的最佳位置，使P1和PN同時保持最大值，實現(xiàn)波導輸入端的精細對準，找出相對最大能量值或設(shè)定能量值的位置，重復(fù)上述過程，直到找到絕對最大能量值的位置，實現(xiàn)波導輸入端的一個通道的精細對準。
在精細對準過程中，首先對準第一個通道或前N/2個通道中的任意一個指定通道，然后再對準最后一個通道或后N/2個通道中的任意一個指定通道，最后一個通道或后N/2個通道中的任意一個指定通道的對準是通過繞Z軸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，在轉(zhuǎn)動的同時，通過繼續(xù)沿X和Y方向的掃描來保持第一個通道或前N/2個通道中的任意一個指定通道的能量值不變。
所述的波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)，其光纖陣列運動時的軌跡的函數(shù)表達式為 其中 n的取值從1到N， 這里L為掃描范圍，a為掃描步長，或表達式為y＝y(tǒng)0+kx其中mT＜x＜(m+1)T， ，y0和T為設(shè)定常數(shù)。
或函數(shù)表達式可寫為極坐標r＝r0+kθ 其中r0和k為常數(shù)。
用于上述波導器件的自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)的系統(tǒng)，包括帶有圖象采集卡和數(shù)據(jù)采集卡的工控機，固定兩個光纖陣列的兩個電動六維微調(diào)架的中間是波導芯片放置支架，輸入光纖陣列和光源相連接，輸出光纖陣列和多通道功率計相連接，借助CCD和顯示器觀察放大了的波導器件和陣列光纖的圖形，電動滴膠器和UV固化燈固定在電動平移臺上，兩個微調(diào)架、功率計、CCD及其適配鏡頭、電動滴膠器、UV固化燈和電動平移臺分別通過計算機來控制，計算機控制滴膠器自動滴膠，滴膠后控制UV燈自動曝光。
為了防止光纖陣列和波導器件碰撞的問題，采取了用支撐物支起微調(diào)架的一側(cè)使微調(diào)架的Y軸偏離豎直方向變?yōu)閅’，使軸OY’和光纖一端面AB平行。
所述的波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)的系統(tǒng)，其光源采用寬帶光源或可調(diào)諧激光器。


圖1是波導器件自動耦合封裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖。所用的主要部件有帶有圖象采集卡和數(shù)據(jù)采集卡的計算機(工控機)，兩個電動六維微調(diào)架1、2，電荷耦合器件CCD及其適配鏡頭，視頻顯示器，UV固化燈，自動滴膠器，寬帶光源(或可調(diào)諧激光器)，多通道光功率計，電動平移臺，支架。圖2是在兩個微調(diào)架的底端一側(cè)放上合適的支撐物，使微調(diào)架的Y軸偏離豎直方向變?yōu)閅’示意圖。圖3和4是波導器件的示意圖。圖5和6給出了光纖陣列的示意圖。圖7是函數(shù) 的軌跡，圖8是函數(shù)y＝y(tǒng)0+kx，mT＜x＜(m+1)T， 的軌跡，y0和T為設(shè)定常數(shù)，圖9是函數(shù)表達式為極坐標 r＝r0+kθ 其中r0和k為常數(shù)軌跡圖。圖10給出了整個自動對準封裝過程的流程框圖。圖11是粗對準流程框圖。圖12是精對準流程框圖。圖13是各通道能量均衡流程框圖。圖14是角度反饋流程框圖。
具體實施例方式
圖1是波導器件和光纖陣列自動對準粘接系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)主要由機器視覺子系統(tǒng)和自動機械微調(diào)控制子系統(tǒng)構(gòu)成，從圖中可看出，波導芯片放在支架上固定好不動，兩個光纖陣列分別固定在兩個六微精密微調(diào)架上，輸入光纖陣列和光源相連接，輸出光纖陣列和多通道功率計相連接，CCD及其適配鏡頭、電動滴膠器和UV固化燈固定在電動平移臺上，兩個微調(diào)架、功率計、CCD及其適配鏡頭、電動滴膠器、UV固化燈和電動平移臺分別通過計算機來控制。圖10給出了整個自動對準封裝過程的流程框圖。系統(tǒng)的工作過程是1)粗對準過程如圖11。計算機控制電動平移臺，使CCD鏡頭先移動到波導器件的左端，通過顯示器觀察波導器件的左端上表面和輸入陣列光纖的上表面，通過對放大了的圖象的觀察，移動左邊的微調(diào)架，使陣列光纖的光纖和波導器件上的相應(yīng)的波導通道對準。然后按同樣的方法粗對準波導器件的右端。一般而言，粗對準結(jié)束后，有部分光耦合進入了波導器件。
2)精細對準如圖12。計算機指揮微調(diào)架按圖7，8或9(或可設(shè)定范圍和步長的其它類型掃描軌跡)所示的坐標系沿X，Y方向按步移動(每步的步長根據(jù)實際情況可以設(shè)定)，每移動一步，計算機就采集功率計上的功率值；微調(diào)架沿X，Y方向按步掃描的范圍是預(yù)先設(shè)定的，當掃描完成后，計算機就會將記錄下的功率值沿X和Y方向繪出三維能量分布圖，然后找出能量最大的位置，并指揮微調(diào)架帶動光纖陣列移動到該位置，該位置實際上是相對能量的最大位置，非絕對能量的最大位置；以該相對能量的最大位置為起點，再確定一個X，Y方向的掃描范圍，重復(fù)上面步驟，找到另一個相對能量的最大位置；再次重復(fù)該過程，直到找到絕對能量的最大位置為止，這樣波導器件的第一通道對準就完成了。然后計算機控制微調(diào)架2開始沿Z方向轉(zhuǎn)動，使波導器件的輸出波導N和光纖陣列的輸出光纖N對準，這樣功率計上的第N個通道讀數(shù)值為PN，計算機通過采集功率計上的功率值PN并將其做為反饋信息來指揮微調(diào)架2轉(zhuǎn)動，直到找到PN為最大值的位置。因為轉(zhuǎn)動軸不一定在光纖陣列的中心，所以微調(diào)架2轉(zhuǎn)動時，光纖陣列的第一通道可能會偏離最佳位置，使P1值變小，因此微調(diào)架2轉(zhuǎn)動時也需要同時沿X和Y方向移動，以保持光纖陣列第一通道的最佳位置。最后，使P1和PN同時保持最大值。保持微調(diào)架2不動，按上述方法對光纖陣列1進行X和Y方向的掃描，實現(xiàn)波導輸入端的精細對準，當這個過程完成后，波導器件的第一通道對準就完成了。
3)各通道能量的均衡如圖13。計算機控制微調(diào)架2沿X和Y方向掃描，與此同時，計算機判斷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為設(shè)定值；或判斷所有通道中的最大能量值和最小值之差是否為最小或設(shè)定值，如果是，就結(jié)束微調(diào)架2的掃描運動，否則繼續(xù)掃描，直到滿足上述條件為止。
4)角度補償掃描方式如圖14。自動對準過程中，光纖陣列在微調(diào)架的帶動下在某一范圍內(nèi)自動掃描是非常重要的。為了減小回波損耗，波導器件兩個端面一般都做成具有一定傾斜角的光滑面，如圖2中的波導器件所示。從圖1可看出，如果陣列光纖1或2沿X和Y方向掃描的范圍較大時，光纖陣列就有可能和波導器件碰撞在一起，可能導致波導器件的損壞。為了解決這個矛盾，可采取圖2所示的系統(tǒng)設(shè)置，在兩個微調(diào)架的底端放上合適的支撐物，使微調(diào)架的Y軸偏離豎直方向變?yōu)閅’，并且軸OY’和AB平行，這樣陣列光纖的掃描變成了沿X和Y’方向掃描了，因此不會存在光纖陣列碰到波導芯片的危險。這樣做的困難和不足是很難通過放置合適的支撐物使OY’和AB平行，并且由于微調(diào)架底部支撐物的放置，必然需要在陣列光纖的夾具下放上合適的支撐物，這樣會使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，在一定程度上影響整個系統(tǒng)的效率。
在圖1所示的系統(tǒng)中，為了克服當光纖陣列沿X和Y方向掃描時，光纖陣列有可能和波導器件碰撞到一起的矛盾，還可采取如下辦法當陣列光纖在設(shè)定范圍內(nèi)按設(shè)定步長沿X和Y方向進行掃描時，每當Y值增加ΔY時，陣列光纖就沿背離波導器件的方向沿Z軸移動ΔZ＝ΔY·ctgθ，其中θ為波導器件左(右)端面的傾斜角，當Y值減小ΔY時，陣列光纖就沿靠近波導器件的方向沿Z軸移動ΔZ＝ΔY·ctgθ，這樣光纖陣列和波導器件就不會碰撞到一起了，這種有Z軸參與運動的掃描稱為角度補償掃描。
5)UV固化。計算機控制電動平移臺使電動滴膠器分別移動到波導器件的兩個端面并滴下預(yù)先設(shè)定量的環(huán)氧膠(或用于沾接的膠)，然后再使UV固化燈移動到波導器件的兩個端面，在計算機的控制下，進行設(shè)定量的UV曝光。
權(quán)利要求
1.一種波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)，包括粗對準、精對準，其特征是在精對準過程中，采用角度補償掃描方式，即以波導器件左或右端面的傾斜角θ為基準對陣列光纖掃描路線進行角度補償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)，其特征是當陣列光纖在設(shè)定范圍內(nèi)按設(shè)定步長沿X和Y方向進行掃描時，每當Y值增加ΔY時，陣列光纖就沿背離波導器件的方向沿Z軸移動ΔZ＝ΔY·ctgθ，其中θ為波導器件左或右端面的傾斜角，當Y值減小ΔY時，陣列光纖就沿靠近波導器件的方向沿Z軸移動ΔZ＝ΔY·ctgθ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)，其特征是在精細對準過程中，當光纖陣列沿X和Y方向掃描時，采取調(diào)整微調(diào)架使微調(diào)架的Y軸偏離豎直方向變?yōu)閅’，Y軸偏離的角度等于波導器件端面的傾斜角θ。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)，其特征是在粗對準過程中是首先計算機控制電動平移臺運動，使電子耦合器件CCD鏡頭先移動到波導器件的左端，顯示器觀察波導器件的左端上表面和輸入陣列光纖的上表面，通過對放大了的圖象的觀察、處理判斷光纖陣列1的端面和波導器件輸入端的端面之間的夾角，與設(shè)定值比較，調(diào)節(jié)光纖陣列1，使其端面和波導器件的輸入端面平行，對波導器件的輸出端采用同樣的方法，然后是波導輸入端的粗對準通過電荷耦合器件CCD1觀察波導輸入端和光纖陣列1的上表面放大了的圖象，通過電荷耦合器件CCD2觀察波導輸入端和光纖陣列1的側(cè)面放大了的圖象，利用這些圖象信息讀出坐標值與設(shè)定值比較，計算機控制微調(diào)架1運動來實現(xiàn)波導器件的輸入端和光纖陣列1的粗對準，再將光纖陣列2移開，通過CCD3利用計算機的顯示器來觀察透過波導器件的光斑，當光斑變?yōu)樽盍習r，就認為波導輸入端的粗對準完成，再進行波導輸出端的粗對準，通過電荷耦合器件CCD1觀察波導輸入端和光纖陣列2的上表面放大了的圖象，通過電荷耦合器件CCD2觀察波導輸入端和光纖陣列2的側(cè)面放大了的圖象，利用這些圖象信息，計算機控制微調(diào)架2運動來實現(xiàn)波導器件的輸出端和光纖陣列2的對準，當功率計上顯示第一通道或第K通道有部分光能量時，就認為波導輸出端的粗對準完成了。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)，其特征是在精細對準過程中，通過對準兩個預(yù)先指定的通道來實現(xiàn)整個波導器件的對準，先精細對準任意一個指定通道時，在設(shè)定好掃描范圍和步長后，計算機控制微調(diào)架帶動陣列光纖沿X和Y方向掃描，同時采集功率計或光電探測器上的能量值，微調(diào)架沿X，Y方向按步掃描的范圍是預(yù)先設(shè)定的，當掃描完成后，計算機就會將記錄下的功率值沿X和Y方向繪出三維能量分布圖，然后找出能量最大的位置，并指揮微調(diào)架帶動光纖陣列移動到該位置，該位置實際上是相對能量的最大位置，非絕對能量的最大位置，以該相對能量的最大位置為起點，再確定一個X，Y方向的掃描范圍，重復(fù)上面步驟，找到另一個相對能量的最大位置；再次重復(fù)該過程，直到找到絕對能量的最大位置為止，這樣波導器件的第一通道對準就完成了，然后計算機控制微調(diào)架2開始沿Z方向轉(zhuǎn)動，使波導器件的輸出波導N和光纖陣列的輸出光纖N對準，這樣功率計上的第N個通道讀數(shù)值為PN，計算機通過采集功率計上的功率值PN并將其做為反饋信息來指揮微調(diào)架2轉(zhuǎn)動，直到找到PN為最大值的位置。因為轉(zhuǎn)動軸不一定在光纖陣列的中心，所以微調(diào)架2轉(zhuǎn)動時，光纖陣列的第一通道可能會偏離最佳位置，使P1值變小，因此微調(diào)架2轉(zhuǎn)動時也需要同時沿X和Y方向移動，以保持光纖陣列第一通道的最佳位置，使P1和PN同時保持最大值，實現(xiàn)波導輸入端的精細對準，找出相對最大能量值或設(shè)定能量值的位置，重復(fù)上述過程，直到找到絕對最大能量值的位置，實現(xiàn)波導輸入端的一個通道的精細對準。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)，其特征是在精細對準過程中，首先對準的是第一個通道或前N/2個通道中的任意一個指定通道，然后再對準的是最后一個通道或后N/2個通道中的任意一個指定通道，最后一個通道或后N/2個通道中的任意一個指定通道的對準是通過繞Z軸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，在轉(zhuǎn)動的同時，通過繼續(xù)沿X和Y方向的掃描來保持第一個通道或前N/2個通道中的任意一個指定通道的能量值不變。
7.根據(jù)權(quán)利要求2～6之一所述的波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)，其特征是光纖陣列運動時的軌跡的函數(shù)表達式為 其中 n的取值從1到N， 這里L為掃描范圍，a為掃描步長，或表達式為y＝y(tǒng)0+kx 其中 mT＜x＜(m+1)T， y0和T為設(shè)定常數(shù)?；蚝瘮?shù)表達式可寫為極坐標r＝r0+kθ 其中r0和k為常數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2～6之一所述的波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)與系統(tǒng)，其特征是計算機判斷一個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為設(shè)定值，來控制微調(diào)架2的掃描運動來達到各通道能量的均衡。
9.用于波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)的系統(tǒng)，包括計算機、電動微調(diào)架、視頻顯示器、UV固化燈、自動滴膠器、光源組成，其特征是采用帶有圖象采集卡和數(shù)據(jù)采集卡的工控機，固定兩個光纖陣列的兩個電動六維微調(diào)架的中間是波導芯片放置支架，輸入光纖陣列和光源相連接，輸出光纖陣列和多通道功率計相連接，借助電荷耦合器件CCD和顯示器觀察放大了的波導器件和陣列光纖的圖形，電動滴膠器和UV固化燈固定在電動平移臺上，兩個微調(diào)架、功率計、CCD及其適配鏡頭、電動滴膠器、UV固化燈和電動平移臺分別通過計算機來控制，計算機控制滴膠器自動滴膠，滴膠后控制UV燈自動曝光。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征是光源采用寬帶光源或可調(diào)諧激光器。
全文摘要
本發(fā)明是設(shè)計一種波導器件自動耦合封裝及角度補償掃描技術(shù)與系統(tǒng),將波導器件上的各波導光通道和光纖陣列中的光纖一一對準,特別是解決掃描過程中波導器件和光纖陣列的碰撞問題,即在精對準過程中,采用角度補償掃描方式,即以波導器件左或右端面的傾斜角θ為基準對陣列光纖掃描路線進行角度補償。每當Y值增加ΔY時,陣列光纖就沿背離波導器件的方向沿Z軸移動ΔZ=ΔY·ctgθ,其中θ為波導器件左或右端面的傾斜角,當Y值減小ΔY時,陣列光纖就沿靠近波導器件的方向沿Z軸移動ΔZ=ΔY·ctgθ。另一種方法是在精細對準過程中,當光纖陣列沿X和Y方向掃描時,采取調(diào)整微調(diào)架使微調(diào)架的Y軸偏離豎直方向變?yōu)閅’,Y軸偏離的角度等于波導器件端面的傾斜角θ。
文檔編號G02B6/26GK1383004SQ0211596
公開日2002年12月4日 申請日期2002年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月13日
發(fā)明者馬衛(wèi)東, 楊濤, 許遠忠 申請人:武漢光迅科技有限責任公司