专利名称：连接光传输模块的方法和装置及探测光波导芯位置的方法
技术领域：
本发明涉及光波导和光纤。更具体地说，本发明涉及一种精确探测光波导或光纤的芯的位置以用于其互连的方法。本发明还涉及一种对准通过上述方法探测到的芯以及连接这些芯的方法和装置。
背景技术：
随着光通信系统的实际应用的发展，要求改善用于光通信的光学元件的性能，另一方面强烈要求降低制造光通信系统的成本。在光通信系统中使用的典型光学元件是平面光波电路(在下文中将其缩写为PLC)芯片。通过在基底上形成具有多种功能的光学电路制造PLC芯片。PLC芯片可用作分光器，适宜接收单个光信号并将其分为多个光信号。在那种情况下，PLC芯片被连接到输入侧的光纤和输出侧的光纤上，从而构成分光器。
一旦把PLC芯片和光纤相连，需要使与连接状态有关的传输损耗尽可能地低。具体地说，需要使光纤的光传输部分(以下简称为芯)与PLC芯片的光传输部分(或芯)互相对准。在传统的连接过程中，相互粗糙地接触PLC芯片和输入侧光纤，并实际上把光信号从输入侧光纤入射到PLC芯片上，以便在这样的状态下连接输入侧光纤和PLC芯片，其中使从PLC芯片出射的光输出最大。完成连接过程之后，相互粗糙地连接PLC芯片和输出侧光纤，并测量在输出侧光纤的输出端获得的光输出，以便在这样的状态下连接PLC芯片和输出侧光纤，其中使光输出最大。
然而，由于光纤和PLC芯片的芯的直径都小于10um，因此根据上述方法的对准和连接过程需要长达几十秒或更长的时间。鉴于此，在如下的文件中已经提出了多种用于减少上述过程中所需时间的方案日本专利申请公开2000-187131，日本专利3112155，日本专利申请公开11-109176和日本专利申请公开5-313075。在这些方案的一个中，例如，在基于光纤和PLC芯片的外部形状的粗对准之后进行上述对准过程，以减少上述过程所需的时间，以及在另一方案中，改变了光学传感器的结构，以便更有效地确定光输出最大的位置，从而减少上述过程所需的时间。
某些上述现有技术能够提高利用光学传感器进行的对准过程的效率。然而，由于其使用了光学传感器，现有技术与其它技术之间没有显示出根本的差异，在其它技术中需要花费大量时间达到这样的状态，其中光信号可以从输入侧光纤的输出端传输到PLC芯片的输入端。因此，现有技术不能在很大程度上有效地减少实际操作的时间。在这种情况下，在日本专利申请公开2002-350667或日本专利申请公开2003-121686中，公开了通过基于图像探测光纤和PLC芯片的芯的位置来实现上述传输状态的方法。
在日本专利申请公开2002-350667公开的技术中，摄像机分别被设置在与输入侧光纤的输出端部分、PLC芯片的输入端部分、PLC芯片的输出端部分和输出侧光纤的输入端部分相对的位置，摄像机拍摄各自的末端部分的图像，以探测末端部分处各自的芯的位置。此外，为了使成像(或拍摄图像)过程变得容易，该现有技术文件指出，在拍摄光纤芯的图像时把光信号输入到与要被拍摄的末端部分不同的末端部分，并从与要被拍摄的末端部分不同的PLC芯片的末端部分引入照明光。
然而，PLC芯片的芯的折射率与在其上形成有芯和包层(包括上包层和底包层)的基底的折射率相差1％或更小。换句话说，基底本身也透射光，因此，仅仅由摄像机拍摄末端部分的图像很难清楚地确定芯的形状。此外，尽管使用光从与摄像机相反的方向照射具有小折射率差的透明目标时，也很难使具有不同折射率的材料的边界清晰可见。此外，光纤的连接末端部分通常具有由包层结构形成的连接终端。在大多数情况下，这种结构基本上与具有输入侧光纤的PLC芯片的连接部分相同。在此情况下，仅仅通过引入透射光很难清楚地确定在所述末端部分处的芯的形状。
鉴于很难通过用光简单地照射来确定芯的形状，日本专利申请公开2003-121686公开了怎样获得芯的形状。具体地说，它指出了用偏振光照射光纤的端面等，并借助偏光显微镜观察反射光，从而使视觉观察芯的形状成为可能。然而，在此方案中，偏光显微镜是不可缺少的，因此如果生产自动连接PLC芯片和光纤的装置，那么不可避免地要增加装置的尺寸和成本。此外，在该现有技术公开的此方案中，需要以这种方式来构造该装置，即沿X，Y，Z和θ方向驱动在其上固定光纤的台和在其上固定PLC芯片的台。在这种包括许多需要经常驱动的活动部分的结构中，由于驱动部分的停止误差(stoppage error)，在光纤和PLC芯片的实际连接操作中，存在发生位移的危险。
发明内容
本发明是鉴于上述现有技术的需要而提出的。本发明的一个目的是提供一种很容易探测PLC芯片等的芯的形状或位置的方法，并提供一种采用上述方法来简单、可靠而又快速地连接光纤和PLC芯片的方法和装置。
根据为了达到上述目的本发明，提供了一种连接光传输模块的方法，用于对输入侧光纤阵列、光传输元件和输出侧光纤阵列进行对准并连接它们的芯，所述光传输元件在其内部包括下基底、芯、包层、粘合层和上基底中的至少一个，所述方法包括以下步骤将基本平行光入射到所述光传输元件的输出侧端面上，并拍摄所述光传输元件的输入侧端面的图像，来探测在所述输入侧端面处芯的位置；将基本平行光入射到所述光传输元件的输入侧端面上，并拍摄所述光传输元件的输出侧端面的图像，来探测在所述输出侧端面处芯的位置；在各自的连接部分处探测所述输入侧光纤阵列的芯和所述输出侧光纤阵列的芯的位置；以及分别将所述输入侧光纤阵列的芯定位在其连接部分处，将所述光传输元件的芯定位在其输入侧端面处，将所述光学传输元件的芯定位在其输出侧端面处，以及将所述输出侧光纤阵列的芯定位在其连接部分处。
在上述方法中，优选以这样的入射角将所述基本平行光入射到所述光传输元件的所述输入侧端面和所述输出侧端面，从而使引入所述光传输元件内部的所述基本平行光在下基底、芯、包层、粘合层和上基底中的至少一个边界表面上全反射。此外，在上述方法中，优选在拍摄所述光传输元件的所述输入侧端面或所述输出侧端面的图像时，用于拍摄图像的摄像机在这种状态下拍摄所述端面的图像，其中所述摄像机相对于所述输入侧端面或所述输出侧端面倾斜预定的角度。此外，在上述方法中，优选在探测位于其连接部分处的所述输入侧光纤阵列和所述输出侧光纤阵列的芯位置的步骤中，光从末端部分而不是所述连接部分引入，并进行探测作为所述芯的中心的在所述连接部分处观察到的光图像中的最亮部分的操作。
根据为了达到上述目的的本发明的另一方面，提供了一种连接光传输模块的装置，用于对输入侧光纤阵列、光传输元件和输出侧光纤阵列进行对准并连接它们的芯，所述光传输元件在其内部包括下基底、芯、包层、粘合层和上基底中的至少一个，所述装置包括支撑所述光传输元件的芯片支撑台；支撑所述输入侧光纤阵列的输入侧阵列支撑台；支撑所述输出侧光纤阵列的输出侧阵列支撑台；第一光源，发射基本平行光从所述光传输元件的输出侧端面进入所述光传输元件内部；第一摄像机，拍摄由所述第一光源发出的所述基本平行光显示的所述光传输元件的输入侧端面的图像；第二光源，发射基本平行光从所述光传输元件的输入侧端面进入所述光传输元件内部；第二摄像机，拍摄由所述第二光源发出的所述基本平行光显示的所述光传输元件其输入侧端面的图像；第三摄像机，拍摄所述输入侧光纤阵列的端面的图像；第四摄像机，拍摄所述输出侧光纤阵列的端面的图像；以及驱动装置，基于所述第一至第四摄像机拍摄图像的结果驱动所述输入侧阵列支撑台，所述芯片支撑台和所述输出侧阵列支撑台。
在上述装置中，优选所述第一光源发射基本平行光以这样的角度从所述输出侧端面端面进入所述光传输元件的内部，在该角度下所述基本平行光在所述光传输元件内部的下基底、芯、包层、粘合层和上基底中的至少一个边界表面上全反射；以及所述第二光源发射基本平行光以这样的角度从所述输入侧端面进入所述光传输元件的内部，在该角度下所述基本平行光在所述光传输元件内部的下基底、芯、包层、粘合层和上基底中的至少一个边界表面上全反射。此外，在上述装置中，优选相对于所述光传输元件的输入侧端面以预定角度倾斜设置所述第一摄像机，并相对于所述光传输元件的输出侧端面以预定角度倾斜设置所述第二摄像机。此外，在上述装置中，优选在探测位于其连接部分的处输入侧光纤阵列的芯位置的过程中，光从末端部分而不是从所述连接部分引入，以及所述第三摄像机探测作为所述芯的中心的在所述连接部分处观察到的光图像中的最亮部分，并在探测位于其连接部分的处输出侧光纤阵列的芯位置的过程中，光从末端部分而不是从所述连接部分引入，以及所述第四摄像机探测作为所述芯的中心的、在所述连接部分处观察到光图像中的最亮部分来。
根据为了达到上述目的的本发明的再一方面，提供了一种探测光波导中芯位置的方法，所述光波导在其内部包括下基底、芯、包层、粘合层和上基底，所述方法包括以下步骤在这样的条件下将基本平行光入射到所述光波导的输出侧端面，其中所述基本平行光在下基底、芯、包层、粘合层和上基底中至少一个边界表面上全反射；通过第一摄像机拍摄由所述基本平行光显示的在所述光波导的输入侧端面处的芯的图像，以探测芯的位置；在这样的条件下将基本平行光入射到所述光波导的输入侧端面，其中所述基本平行光在下基底、芯、包层、粘合层和上基底中的至少一个边界表面上全反射；以及通过第二摄像机拍摄由所述基本平行光显示的在所述光波导输出侧端面处的芯的图像，以探测芯的位置。
在上述方法中，所述全反射的条件优选为基本平行光以±5°范围内的角度入射到下基底、芯、包层、粘合层和上基底中的至少一个边界表面上。此外，在上述方法中，优选相对于进入光波导内部的基本平行光的入射角以±10°范围内的角度倾斜设置第一摄像机和第二摄像机，在该入射角下基本平行光将平行于下基底、芯、包层、粘合层和上基底中的至少一个边界表面进行传输。
图1A为垂直于光传输方向的PLC芯片的截面图；图1B为平行于光传输方向的PLC芯片的截面图；图2A为垂直于光传输方向的光纤阵列末端部分的截面图；图2B为平行于光传输方向的光纤阵列末端部分的截面图；图3为入射到PLC芯片上的平行光的入射角的示意图；图4为PLC芯片端面的倾斜角与平行光的入射角之间的关系的图表；图5为平行光的入射角与所获得的图像的对比之间的关系的图表；图6为PLC芯片端面的倾斜角与摄像机的倾斜角之间的关系的图表；图7为摄像机的倾斜角与所获得的图像的对比之间的关系的图表；图8为从上看根据本发明的实施例的光传输模块的外形图；图9为从上看根据本发明的实施例的光传输模块的外形图；图10为从上看根据本发明的实施例的光传输模块的外形图；图11为从上看根据本发明的实施例的光传输模块的外形图；图12为从上看根据本发明的实施例的光传输模块的外形图。
具体实施例方式
图1A和1B示出了PLC芯片，根据本发明将要进行PLC芯片的芯形状的图像的拍摄。具体地说，图1A示出了将要把输入/输出光纤连接到其端面的PLC芯片的外形图，以及图1B示出了在纵截面上PLC芯片的外形图。图2A和2B示出了输入/输出光纤。图2A示出了从前侧看将要连接在PLC芯片上的光纤的端面的外形图，以及图2B示出了在纵截面上光纤的连接末端部分的外形图。该实施例使用的PLC芯片1包括下基底2，在下基底上设置的底包层4b，在底包层4b上形成的起光波导作用的PLC芯3，覆盖光波导3的上包层4a，作为最上层的上基底，以及用于接合上包层4a和上基底5的粘合层4c。PLC芯片的端面1a相对于与在其上形成芯3的平面3a垂直的平面倾斜特定角度θ。
光纤6由作为光波导的光纤芯7、在光纤芯7周围设置的包层8和涂层10构成。由于很难将具有上述结构的光纤6的端面和PLC芯片等连接，因此，在光纤6的端面连接连接元件9。连接元件9具有与PLC芯片基本相同的结构，即连接元件9由下基底11、纤芯7、粘合层13和上基底14构成。在下基底11上，形成与光波导的路径相应的沟槽11a。在沟槽11a中安放具有包层8并已从包层8除去涂层的纤芯7。在此状态下，具有包层8的纤芯7被夹在下基底11和上基底14之间，并用粘合层13填充在基底之间形成的空隙。
如前所述，下基底2，芯3，上包层4a，底包层4b和上基底5具有非常相近的折射率。因此，如前所述，很难通过拍摄端面的图像来观察PLC芯片的端面1a从而得到芯3的形状或位置。此外，如上述日本专利申请公开2002-350667所公开，即使把光从与拍摄表面相对的PLC芯片的端面1b引入PLC芯片，也很难使芯3和其它部分的对比变得明显。推测起来，原因在于上述的各个部分具有基本相同的折射率和基本相同的光传输性质，因此传输光将具有使各个部分的边界模糊不清的相反效果。
在本实施例中，为了避免上述情况的发生，把所有入射到PLC芯片的端面1b上的光线设置为平行光(优选完全平行光)。在平行光入射到端面1b的情形下，在通常保持特定角度的同时，在各个部分之间光将被折射或反射。因此，合成传输的光的状态将随着各个部分折射率的差异而不同。这样，可以通过合适的装置探测上述差异，从而辨别各部分的位置结构。
在本实施例中，在平行光在如下表面上全反射的情况下，使平行光入射到PLC芯片1端面1b上例如，在上包层4a和粘合层4c之间的边界表面，在底包层4b和上包层4a(总称为包层)之间的边界表面，以及在粘合层4c和上基底5之间的边界表面。如果平行光在满足上述的条件下入射到PLC芯片上，不会有平行光从端面1a处的底包层4b、上包层4a和芯3的附近出射。因此，可以很容易地拍摄上述边界表面作为对比，并可以通过常规的二值化处理很容易地探测芯3的位置。与上述相关，很显然，如获得全反射所需的角度条件的条件取决于平行光的波长、各个部分的折射率等。此处，平行光不是完全平行光，而是用光源和透镜可以很容易地形成的近似平行光。然而，为了获得对比更清晰的图像，优选使光接近完全平行光。
本发明的发明人对如何获得芯图像进行了研究。下面，将对研究的结果进行说明。在图3中，示出了在研究中使用的各个参数。由光信号入射到其上的PLC芯片1的端面1a与平行于PLC芯片中波导的平面所形成的角被称作端面角α，由垂直于端面1a的线与入射到端面1a上的平行光的方向所形成的角被称作入射角θ1。此外，由垂直于PLC芯片1的光出射侧的端面1b的线与用于拍摄从端面1b出射的光的摄像机的方向所形成的角被表示为θ2。这里，端面角α等于上述角θ。
为了获得上述入射平行光的全反射条件，首先必须达到使进入PLC芯片内部的平行光基本平行于粘合层进行传输的条件。图4示出了满足该条件的平行光的入射角。可以理解，入射角只取决于传输光的部分的折射率和端面角。
图5示出了研究的结果，其中入射角以基于图4所示的关系选择的角11.64°为中心变化，并分析从出射侧端面1b出射的光来确定芯或芯附近区域的图像的明暗对比。如图5所示，在以入射角11.64°为中心的±5°范围内，可以通过多值化，或如果条件允许，通过常规的二值化处理来确定芯的形状。此外，在以入射角11.64°为中心的±2°范围内，可以通过常规的二值化处理来确定芯的形状。
与上述相关，芯附近处明暗对比中的阴影部分是由缺少从相应部分发出并入射到摄像机上的光而产生的。然而，在某些情况下，不能依靠摄像机的位置探测阴影部分，因为在PLC芯片1中光直接通过的部分是由不同的材料制成。考虑到此，当从端面1b发出平行于PLC芯片中在其上形成波导的平面的平行光时，确定基于平行光获得的明暗对比图像的条件。结果如图6所示。从此结果可以看出，通过使摄像机的位置角偏离光入射角6.7°，可以获得芯附近区域的对比图像。
图7示出了研究的结果，其中摄像机的位置角(或取向)以11.64°为中心变化，该中心是平行光的入射角的假定中心，并分析从出射侧端面1b出射的光来确定芯或芯附近区域的图像的明暗对比。如图7所示，在偏离摄像机位置角11.64°的±10°范围内，可以通过多值化，或如果条件允许，通过常规的二值化处理来确定芯的形状。此外，在偏离摄像机位置角4.94°的±3°范围内，可以通过常规的二值化处理来确定芯的形状。
从图7可以看出，角范围的中心更优选是4.94°，即，使中心从中心角11.64°偏移结合图6的上述偏离角。此外，峰值仅出现在中心角的一侧。推测起来，原因在于当光在有利的条件下入射时，粘合层和上包层之间满足全反射条件，而且光几乎没有到达上基底一侧。此外，图7中出现最小值的原因在于进入除芯以外部分的大部分光被射出。因此，可以认为，通过使用完全平行光可以提高摄像机设置的自由度。
鉴于上述研究的结果，已经发现，为了获得芯的图像，平行光应当以偏离入射角±5°，更优选±2°的范围内的角度入射到端面1a上范围内，在该入射角下，已穿过端面的平行光与PLC芯片中在其上形成波导的平面平行。此外，还发现为了用从端面1b发出的光来获得芯的图像，应当以偏离入射角±10°范围内的角度，更优选以偏离中心角4.94°的±3°范围内的角度倾斜设置摄像机，在该入射角下，已穿过端面的平行光与PLC芯片中在其上形成波导的平面平行，角4.94°是偏移上述入射角约6.7°的角度。
充分地认为在下基底，芯，底包层，上包层，粘合层和上基底的边界表面的任一处能够满足全反射条件。尽管包括上述各个部分的PLC芯片是实施本发明的一个实例，但是本发明可以采用包括一些上述部分的芯片，并认为，如果在那些部分的边界表面的任一处满足上述条件，也可以实现本发明的有益效果。此外，上述涉及摄像机的条件可以解释为将摄像机相对于PLC芯片的端面倾斜特定角度。
上述研究是针对用石英基材料作为基底形成的PLC芯片而作出的。从图4中可以明显看出，该研究的结果不是非常依赖于各部分的折射率。但是，优选根据材料对上述条件的范围进行适当的改变。这里使用的平行光的波长在500到700nm的范围。众所周知，折射率与波长有关。因此，优选根据所使用的光的波长对上述条件的范围进行适当的改变。
在日本专利申请公开2002-350667中，公开了仅通过拍摄连接端面9a的图像可以探测芯12的位置的效果。然而，仅仅通过将光引入光纤，很难像上述实施例那样清晰地观察到芯12的形状。因此，上述探测PLC芯片1中芯3的位置的方法可以有效地应用到光纤的连接端元件9。然而，实际上很难使穿过光纤的光保持平行。因此，从实际来看，最有效的方法是基于从连接端面9a出射的光的强度分布来确定在连接元件9处芯的位置。
下面将说明体现本发明的用于对准和连接PLC芯片与光纤的连接装置。该连接装置采用上述探测PLC芯片中芯位置的方法。图8示出了从上看根据本发明的连接装置，即用于光传输模块的连接装置的基本结构。如图8所示，该连接装置20的主要元件包括输入侧阵列支撑台23，用于支撑输入侧光纤阵列21；芯片支撑台27，用于支撑PLC芯片25；输出侧阵列支撑台31，用于支撑输出侧光纤阵列29；第一双视场摄像机41和第二双视场摄像机。
可以沿图8所示的X轴彼此相对或相离地移动输入侧阵列支撑台23和输出侧阵列支撑台31，芯片支撑台处于中间。此外，如果需要，可以沿图8所示的X和Y轴以及与X和Y轴正交的Z轴调整每个台和每个摄像机的位置。也可以沿X、Y和Z轴进行调整这些元件的角度位置。由于各种已知的机制都可以作为调整这些元件的位置和角度位置的机制，因此将省略对这些机制的说明。在下述的结构和操作中，在满足上述条件的同时，使光从光源辐射，并用摄像机拍摄每个端面的图像。为了避免复杂的说明，在下面的说明中省略了有关这些条件的说明。
第一双视场摄像机41具有两个摄像机42和44，它们取向为在X轴(取向为从双视场摄像机41的主体向外的方向)上彼此相反的方向。适合在Y轴方向移动第一双视场摄像机41，以便在这样的状态下在芯片支撑台27和输出侧阵列支撑台31之间定位第一双视场摄像机41，其中芯片支撑台27和输出侧阵列支撑台31在X轴方向上相互隔开。当第一双视场摄像机41位于台27和31之间时，在各自的位置设置上述摄像机42和44，以便它们能够拍摄由各自的台27和31支撑的PLC芯片25的输出侧端面25a和输出侧光纤阵列29的输入侧端面29a的图像。第一双视场摄像机41也具有光源46，其能够在这样的状态下向PLC芯片25的输出侧端面25a辐射平行光，其中摄像机41在Y轴方向偏移预定的量。相对于X轴方向把光源46取向为与摄像机42相同的方向，并相对于Z轴方向把光源46设置为与摄像机42相同的高度。以可以变化平行光的发出方向的方式安装和保持光源46。
第二双视场摄像机51具有两个摄像机52和54，它们取向为在X轴(取向为从双视场摄像机51的主体向外的方向)上彼此相反的方向。适合在Y轴方向移动第二双视场摄像机51，以便在这样的状态下在输入侧阵列支撑台23和芯片支撑台27之间定位第二双视场摄像机51，其中输入侧阵列支撑台23和芯片支撑台27在X轴方向上相互隔开。当第二双视场摄像机51位于台23和27之间时，在各自的位置设置上述摄像机52和54，以便它们能够拍摄由各自的台23和27支撑的输入侧光纤阵列21的输出侧端面21a和PLC芯片25的输入侧端面25b的图像。第二双视场摄像机51也具有光源56，其能够在这样的状态下向PLC芯片25的输出侧端面25b辐射平行光，其中摄像机51在Y轴方向偏移预定的量。相对于X轴方向把光源56取向为与摄像机54相同的方向，并相对于Z轴方向把光源56设置为与摄像机54相同的高度。以可以改变平行光的发出方向的方式安装和保持光源56。
摄像机42，44，52和54分别对应于权利要求书中提到的第二摄像机，第四摄像机，第一摄像机和第三摄像机。光源46和56分别对应于权利要求书中提到的第一光源和第二光源。台的驱动装置总称为驱动装置。
下面，将参考图9至11说明使用连接装置20对准并连接PLC芯片25和光纤阵列21、29的过程。图9至11以与图8相同的方式示出了处于对准和连接过程的不同阶段的装置20。首先，由各自的台支撑PLC芯片25，输入侧光纤阵列21，输出侧光纤阵列29。在此状态下，在这样的状态下设置输入侧阵列支撑台23和输出侧阵列支撑台31，其中以预定的距离将它们相互隔开，芯片支撑台27处于中间。
随后，把第一双视场摄像机41和第二双视场摄像机51插入到台23、27和31之间的各自的空隙中，并停在第一位置。在此状态下，第二双视场摄像机51的摄像机52与输入侧光纤阵列21的输出侧端面21a相对，并且第二双视场摄像机51的摄像机54与PLC芯片25的输入侧端面25b相对。此外，第一双视场摄像机41的光源46与PLC芯片25的输出侧端面25a相对，以便在预定条件下发射平行光进入PLC芯片25的内部。
在此状态下，把信号光等引入输入侧光纤阵列21，并用摄像机52拍摄其输出侧端面21a。实际上，很难拍摄或探测连接在光纤阵列21末端的连接元件(未示出)的芯。在该实施例中，拍摄从输出侧端面21a出射的所谓光源图像，并且将该图像中的亮度中心(照明区域中最亮的位置)确定为芯的中心。根据该方法，尽管芯的中心不是基于它的形状确定的，但是能够确定输出侧端面21a上光传输效率实际上最大的位置。这样，能确定芯的实际中心。可以通过把PLC芯片25的芯连接到确定的位置来实现较好的连接状态。
同时，当满足上述的全反射条件时，从第一双视场摄像机41的光源46辐射平行光，入射到PLC芯片25的输出侧表面25a。在该平行光的辐射下，芯和其它部分的形状和位置在输入侧端面25b上显示为渐变图像。该渐变图像由摄像机54拍摄。通过图像处理电路等(未示出)对采集到的图像进行二值化等处理，以便能够探测芯和其它部分的形状和位置。如前所述，摄像机52和54采集具有相同中心轴的图像。因此，仅基于各自的摄像机获得的图像就能确定设置在不同视场中各个元件的位置关系。这样，可以简单并可靠地对准摄像机52探测到的输入侧光纤阵列21的输出侧端面21a上的信号中心(对应于最亮的位置)和PLC芯片25的输入侧端面上的芯的中心。
在完成对准操作后，把第一和第二双视场摄像机41和51从图9所示的第一位置移回并停在第二位置(上述预定位置)。此状态如图10所示。在此状态中，第一双视场摄像机41的摄像机44与输出侧光纤阵列29的输入侧端面29a相对，并且摄像机42与PLC芯片25的输出侧端面25a相对。此外，第二双视场摄像机51的光源56与PLC芯片25的输入侧端面25b相对，以便在规定的条件下发射平行光进入PLC芯片25的内部。
在此状态下，把信号光等从末端部分而不是连接部分引入输出侧光纤阵列29，并用摄像机44拍摄输出侧光纤阵列29的输入侧端面29a的图像。此拍摄操作与对上述输入侧光纤阵列21的输出侧端面21a的拍摄操作相同，因此省略了对它的说明。同时，当满足上述全反射条件时，平行光从第二双视场摄像机51的光源56出射，入射到PLC芯片25的输入侧端面25b。在平行光的辐射下，芯和其它部分的形状和位置在输入侧端面25b上显示为渐变图像。该渐变图像由摄像机42拍摄。通过图像处理电路等(未示出)对采集到的图像进行二值化等处理，以便能够探测对芯和其它部分的形状和位置。在上述操作下，完成了输出侧光纤阵列29的输入侧端面29a上的信号中心和PLC芯片25的输出侧端面上形成的芯的中心的对准。如上所述，通过实施本发明，可以同时进行所谓的粗对准和中间对准的对准操作，并且可以将各个元件的芯的位移减小到几微米量级。
在完成上述操作后，把第一和第二双视场摄像机41和51移回到图8所示的它们的初始位置。之后，移动输入侧阵列支撑台23和输出侧阵列支撑台31，以靠近芯片支撑台27。在图11所示的结构中，输入侧光纤阵列21，PLC芯片25和输出侧光纤阵列29处于几乎连接的状态。在此状态下，把信号光引入输入侧光纤阵列21，并基于从输出侧光纤阵列29获得的光信号的强度来精确调整输入侧光纤阵列21和PLC芯片25的连接位置。在完成此精确调整后，基于相同状态下的光信号强度，精确调整PLC芯片25和输出侧光纤阵列29的连接位置。在完成此精确调整操作后，进行用粘合剂等填充各个元件之间的空隙的操作，以固定和连接这些元件。
通过进行上述的精确调整操作，可以将单个元件的芯的位移降低到亚微米量级。基于对摄像机获得图像的分析，进行芯的位置探测，以及即使包括了实际对准操作所需要的时间，分析所需的时间也少于几秒。因此，通过实施本发明，与常规方法相比，可以在更短的时间内制造出极高精度的光传输模块。
在该实施例中，使用一对双视场摄像机同时分别拍摄输入侧光纤阵列的芯和PLC芯片的输入侧的芯，以及PLC芯片的输出侧的芯和输出侧光纤阵列的芯的图像。然而，该实施例可以按图12所示的方式进行修改。下面，将参考示出了上述元件的图12，说明用于光传输模块的修改的连接装置的主要元件。在下面的说明中，与图8类似的元件用相同的附图标记表示。
图12所示的连接装置120的主要元件包括支撑输入侧光纤阵列21的输入侧阵列支撑台123，支撑PLC芯片25的芯片支撑台127，支撑输出侧光纤阵列29的输出侧阵列支撑台131和双视场摄像机141。输入侧阵列支撑台123和输出侧阵列支撑台131能够在X方向移动，并关于X方向以预定距离相对。芯片支撑台127和双视场摄像机141在Y轴上相对。芯片支撑台127和双视场摄像机141适合交替插入和移出输入侧阵列支撑台123和输出侧阵列支撑台131之间的空隙。
芯片支撑台127停在第一位置和第二位置(虚线所示)，第二位置远离支撑台123和131之间的空隙。在第一位置，具有在X方向成对并相对的第一摄像机152和第一光源156。在第二位置，具有在X方向成对并相对的第二摄像机154和第二光源158。如果需要，每个台和每个摄像机的位置可以沿着图12表示的X和Y轴以及与X和Y轴正交的Z轴进行调整。这些元件的角度位置也可以沿着X、Y和Z轴进行调整。由于各种已知的机制都可以作为用于调整这些元件的位置和角度位置的机制，省略了对这些机制的说明。
双视场摄像机141具有用于拍摄输入侧光纤阵列21的输出侧端面21a的图像的摄像机42和用于拍摄输出侧光纤阵列29的输入侧端面29a的图像的摄像机44。设置在支撑台123和131之间的双视场摄像机141拍摄上述端面的图像，以便探测它们的芯的中心。双视场摄像机141的具体操作与上述实施例中的操作相同，所以省略了对它的说明。在第一位置，根据上述条件，光从第一光源156入射到PLC芯片25的输出侧端面25a，并根据上述条件，第一摄像机152拍摄输入侧端面25b的图像。在第二位置，根据上述条件，光从第二光源158入射到PLC芯片25的输入侧端面25b，并根据上述条件，第二摄像机154拍摄输出侧端面25a的图像。这样，在第一位置，探测PLC芯片的输入侧端面25b的芯位置，并在第二位置探测PLC芯片的输出侧端面25a的芯位置。
接着，将说明使用该连接装置120对准和连接PLC芯片25和光纤阵列21与29的操作。首先，把在其上支撑PLC芯片的芯片支撑台127停在第一位置。在该位置，从第一光源156辐射平行光，并用第一摄像机152拍摄输入侧端面25b的图像。随后，把芯片支撑台127移到第二位置，在此，从第二光源158辐射平行光，并用第二摄像机154拍摄输出侧端面25a的图像，以便进行探测输出侧的芯位置的操作。
同时，把信号光等引入输入侧光纤阵列21和输出侧光纤阵列29。在此状态下，用双视场摄像机141拍摄输出侧端面21a和输入侧端面29a的图像。基于拍摄结果，进行探测芯的中心的操作。在完成芯位置的探测操作后，把双视场摄像机141从输入侧阵列支撑台123和输出侧阵列支撑台131之间的空隙移出，并把芯片支撑台127移到这些台之间的位置。通过各自的支撑台精确调整由探测过程确定的各自的芯的中心位置，以便对准芯的中心。调整完成后，移动输入侧阵列支撑台123和输出侧阵列支撑台131相互靠近，芯片支撑台127处于中间。如上所述，通过实施本发明，可以同时进行所谓的粗对准和中间对准的对准操作，并可以将元件的芯的位移减小到几微米量级。
上述台的移动停在这样的状态，其中输入侧光纤阵列21，PLC芯片25和输出侧光纤阵列29几乎相连。在此状态下，把信号光引入输入侧光纤阵列21，并基于输出侧光纤阵列29获得的光信号强度来精确调整输入侧光纤阵列21和PLC芯片25的连接位置。在完成该精确调整后，基于相同状态下的光信号强度精确调整PLC芯片25和输出侧光纤阵列29的连接位置。在完成这些精确调整操作后，进行用粘合剂等填充各个元件之间的空隙的操作，以固定和连接各个元件。
由于增加了驱动部分和探测位置的数量，与上述实施例相比此修改实施例在保持对准精度方面具有一些不足。然而，在该修改实施例中，可以很容易地构造改变光源和摄像机的位置和方向的机制，并认为该修改实施例在通用性方面具有优点。尽管使用双视场摄像机拍摄输入和输出光纤阵列的端面的图像，但可以用单摄像机来替代。
通过进行上述对准操作，可以通过一次对准操作将单个元件的芯的位移减小到几微米量级，并可以立即进行所谓的精确对准操作。此外，基于对摄像机获得的图像的分析来探测芯位置，即使包括了实际对准操作所需的时间，分析所需的时间也少于几秒。因此，通过实施本发明，与常规方法相比，可以在更短的时间内制造具有极高精密度的光传输模块。
通过实施本发明，可以使用摄像机等进行拍摄和二值化处理，进行常规技术很难做到的如PLC芯片的各种光波导中芯位置的直接探测。因此，与常规技术相比，可以在更短的时间内更精确地探测芯位置。
此外，由于可以使用图像获取装置得到的端面的图像来探测芯，与上述日本专利申请公开2003-121686中公开的技术相反，无需使用大而昂贵的如偏光显微镜的光学装置来制造装置。此外，根据本发明，可以在支撑PLC芯片和输入与输出光纤的台的移动最小时，进行每个元件的对准和连接操作。因此，可以获得比常规技术更高的位置精度，并可以很容易地保持如此高的位置精度。
权利要求
1.一种连接光传输模块的方法，用于对输入侧光纤阵列、光传输元件和输出侧光纤阵列进行对准并连接它们的芯，所述光传输元件在其内部包括下基底、芯、包层、粘合层和上基底中的至少一个，所述方法包括以下步骤将基本平行光入射到所述光传输元件的输出侧端面上，并拍摄所述光传输元件的输入侧端面的图像，来探测在所述输入侧端面处芯的位置；将基本平行光入射到所述光传输元件的输入侧端面上，并拍摄所述光传输元件的输出侧端面的图像，来探测在所述输出侧端面处芯的位置；在各自的连接部分处探测所述输入侧光纤阵列的芯和所述输出侧光纤阵列的芯的位置；以及分别将所述输入侧光纤阵列的芯定位在其连接部分处，将所述光传输元件的芯定位在其输入侧端面处，将所述光学传输元件的芯定位在其输出侧端面处，以及将所述输出侧光纤阵列的芯定位在其连接部分处。
2.根据权利要求1的方法，其中以这样的入射角将所述基本平行光入射到所述光传输元件的所述输入侧端面和所述输出侧端面，以使引入所述光传输元件内部的所述基本平行光在下基底、芯、包层、粘合层和上基底中的至少一个边界表面上全反射。
3.根据权利要求1的方法，其中在拍摄所述光传输元件的所述输入侧端面或所述输出侧端面的图像时，用于拍摄图像的摄像机在这种状态下拍摄所述端面的图像，其中所述摄像机相对于所述输入侧端面或所述输出侧端面倾斜预定的角度。
4.根据权利要求1的方法，其中在探测位于其连接部分处的所述输入侧光纤阵列和所述输出侧光纤阵列的芯位置的步骤中，光从末端部分而不是所述连接部分引入，并进行探测作为所述芯的中心的、在所述连接部分处观察到的光图像中的最亮部分的操作。
5.一种连接光传输模块的装置，用于对输入侧光纤阵列、光传输元件和输出侧光纤阵列进行对准并连接它们的芯，所述光传输元件在其内部包括下基底、芯、包层、粘合层和上基底中的至少一个，所述装置包括支撑所述光传输元件的芯片支撑台；支撑所述输入侧光纤阵列的输入侧阵列支撑台；支撑所述输出侧光纤阵列的输出侧阵列支撑台；第一光源，发射基本平行光从所述光传输元件的输出侧端面进入所述光传输元件内部；第一摄像机，拍摄由所述第一光源发出的所述基本平行光显示的所述光传输元件的输入侧端面的图像；第二光源，发射基本平行光从所述光传输元件的输入侧端面进入所述光传输元件内部；第二摄像机，拍摄由所述第二光源发出的所述基本平行光显示的所述光传输元件其输入侧端面的图像；第三摄像机，拍摄所述输入侧光纤阵列的端面的图像；第四摄像机，拍摄所述输出侧光纤阵列的端面的图像；以及驱动装置，基于所述第一至第四摄像机拍摄图像的结果驱动所述输入侧阵列支撑台，所述芯片支撑台和所述输出侧阵列支撑台。
6.根据权利要求5的装置，其中所述第一光源发射基本平行光以这样的角度从所述输出侧端面进入所述光传输元件的内部，在该角度下，所述基本平行光在所述光传输元件内部的下基底、芯、包层、粘合层和上基底中的至少一个边界表面上全反射；以及所述第二光源发射基本平行光并以这样的角度从所述输入侧端面进入所述光传输元件的内部，在该角度下，所述基本平行光在所述光传输元件内部的下基底、芯、包层、粘合层和上基底中的至少一个边界表面上全反射。
7.根据权利要求5的装置，其中相对于所述光传输元件的输入侧端面，以预定角度倾斜设置所述第一摄像机，并相对于所述光传输元件的输出侧端面，以预定角度倾斜设置所述第二摄像机。
8.根据权利要求5的装置，其中在探测位于其连接部分处的输入侧光纤阵列的芯位置的过程中，光从末端部分而不是从所述连接部分引入，以及所述第三摄像机探测作为所述芯的中心的在所述连接部分处观察到的光图像中的最亮部分，并在探测位于其连接部分处的输出侧光纤阵列的芯位置的过程中，光从末端部分而不是从所述连接部分引入，以及所述第四摄像机探测作为所述芯的中心的在所述连接部分处观察到的光图像中的最亮部分。
9.一种探测光波导中芯位置的方法，所述光波导在其内部包括下基底、芯、包层、粘合层和上基底，所述方法包括以下步骤在这样的条件下将基本平行光入射到所述光波导的输出侧端面，其中所述基本平行光在下基底、芯、包层、粘合层和上基底中的至少一个边界表面上全反射；通过第一摄像机拍摄由所述基本平行光显示的在所述光波导的输入侧端面处的芯的图像，以探测芯的位置；在这样的条件下将基本平行光入射到所述光波导的输入侧端面，其中所述基本平行光在下基底、芯、包层、粘合层和上基底中的至少一个边界表面上全反射；以及通过第二摄像机拍摄由所述基本平行光显示的在所述光波导的输出侧端面处的芯的图像，以探测芯的位置。
全文摘要
本发明的一个目的是提供一种具有高精度并能在短时间内探测光传输模块内的每个元件的芯的位置的元件连接装置。为了达到该目的，在根据本发明的芯位置的探测方法中，在探测PLC芯片的芯时，将平行光入射到PLC芯片的输出侧端面，以便基于由平行光获得的输入侧端面的图像来探测芯的位置。此外，当把平行光入射到输入侧端面时，通过所获得的输出侧端面的图像来探测芯的位置。
文档编号G02B6/42GK1576918SQ20041005502
公开日2005年2月9日 申请日期2004年6月30日 优先权日2003年6月30日
发明者小野关善宏, 金子正明, 中山均, 后藤正宪, 厚泽新次 申请人:Tdk株式会社