专利名称：阵列波导器件用的多维对准平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可适用于集成光子芯片与阵列光纤自动对准 的平台，具体地说是适用于集成光子器件如光分路器、光纤准直器、 阵列波导光栅等的六维高精度对准和封装的平台。
背景技术：
集成光子器件具有结构紧凑、体积小、抗干扰能力强、性能一 致性好、稳定可靠、便于自动化批量生产等突出优势，近年来广泛 应用于光通信干线网以及接入网的光纤到户技术中。集成光子器件 的封装是利用亚微米精度运动平台将集成光子芯片与阵列光纤进 行对准耦合并固定，实现器件的高性能。目前国际上评价封装质量
的先进技术指标是光损耗低于0.15dB，这就要求集成光子芯片与 阵列光纤间的模场分布尽可能匹配，另一方面要求集成光子芯片光 通道与光纤的光轴对准精度控制在0. In m以下。因此耦合与封装 成为制约阵列波导器件发展的一个瓶颈，而且封装成本占器件总成 本的70% 90%，封装时间占总生产时间的50%以上，所以一个稳定 且快速的封装方式将会使产品更具优势。
本质上，封装的重点在于使发射光耦合到光纤或光从光纤进入 接收波导的光功率损耗更小。因此，在光学元件的封装及对准方面， 主要是克服光信号的传输损耗如光纤的插入损耗及反射损耗等，和 对准时由于径向偏移、角度偏移、波导端面分离、波导芯径不同及 凸面的端面造成的损耗。对于插入损耗和反射损耗可以通过相应的 光纤信号检测装置进行检测和补偿，对于波导芯径和端面凸面也可 以用相应的波导制造技术和精密切割仪器来克服，而剩下的径向偏 移、角度偏移和波导端面分离则必须通过六维高精度的对准机械装 置的轴向平移和绕轴旋转来完成对准。可以说六维高精度的对准机 械装置对整个光学器件封装的性能的提高至关重要。
据上所述，对于一个六维高精度多通用的对准机械装置，其基 本要求有以下三个方面①要有精密、方便、多通用的夹具来夹持 不同型号的集成光子芯片。②要有多轴高精度的对准。③隔震。对 于①和③而言，基本上高精度且方便通用的夹具和有效的隔震技术 已经成熟；对于②来说又可以分为以下几个要求l)高精度的位置 传感。2)较好的传动和制动性能。3)轴向位移和角度位移。4) 易于控制和精确的定位功能。5)整体机械装置的组合要求和扩展
性能。高精度对准实际是通过机械装置的六轴运动来完成的，即在
轴向位移上X、 Y、 Z轴向的位移运动，在角度位移上Tx、 Ty、 Tz 绕轴的旋转运动。但是六维运动平台中不同自由度运动间的非严格 正交特性，使得光通道对准过程中的逐维位置调整相互耦合干扰， 增大了实现多光路同时高精度对准与耦合的困难，这就需要整体机 械装置的优化布局与组合。除此之外，对准机械装置还要预留相应 的扩展外设设备的空间，比如增加IR-CCD、机器视觉、点胶装置 等，以方便进行集成光子芯片模场检测、精确对准和封装。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种对准高精度高、使用方 便、多通用且扩展外设设备空间大的阵列波导器件用的多维对准平 台。
为了解决上述技术问题，本发明采用的阵列波导器件用的多 维对准平台，在底板上设有中间运动平台，在所述的底板上设有以 所述的中间运动平台左右对称分布的两台六维高精度运动平台，所 述的中间运动平台是在固立台上设有固定台，在所述的固定台上转 动设有绕Y轴旋转动平台，在所述的固定台上安装有通过第三高品 质弹性联轴节与所述的绕Y轴旋转动平台传动连接的第二步进电 机，在所述的绕Y轴旋转动平台上设有转接台，在所述的转接台上 方布置有所述的高精密通用的集成光子芯片夹具和真空吸附口，每 台六维高精度运动平台的结构是在所述的底板上设有X轴轴向运 动平台，所述的X轴轴向运动平台的动平台与Z轴轴向运动平台的 固定台连接，在所述的Z轴轴向运动平台的动平台上设有连接体， 所述的连接体与Y轴轴向运动平台的固定台连接，所述的Y轴轴向 运动平台的驱动电机尾部向下，所述的Y轴轴向运动平台的动平台 与绕Y轴旋转Ty运动平台的固定台连接，在所述的绕Y轴旋转Ty 运动平台的动平台上设有转接板，所述的转接板与绕X轴旋转Tx 运动平台的固定台连接，所述的绕X轴旋转Tx运动平台的动平台 与绕Z轴旋转Tz运动平台的固定台连接，在所述的绕Z轴旋转Tz 运动平台的动平台上设有连接板和夹具，在所述的夹具上设有与所 述的集成光子芯片夹具(503)对应的高精密通用的波导夹具。
对于六维高精度运动平台，从下至上布局依次是X轴轴向运动 平台、Z轴轴向运动平台、Y轴轴向运动平台、绕Y轴旋转Ty运动 平台、绕X轴旋转Tx运动平台、绕Z轴旋转Tz运动平台，其中Y 轴轴向运动平台的驱动电机尾部向下，通过连接体与Z轴轴向运动 平台连接；绕Y轴旋转Ty运动平台与绕X轴旋转Tx运动平台则通 过转接板连接，这种布局可方便整个平台扩展IR-CCD,机器视觉，
点胶装置等外设设备。
六维高精度运动平台考虑到抗倾覆力矩安全系数尺，为保证整 体平台的稳定和在精度上的要求，六维高精度运动平台有重心设在
x轴轴向运动平台和z轴轴向运动平台的交点上。
所述的X轴轴向运动平台、Z轴轴向运动平台和Y轴轴向运动 平台的结构是在第一固定台上设有线性滑块导轨，所述的线性滑块 导轨两端设有零位开关和限位开关，在所述的线性滑块导轨上滑动 设有第一动平台，交流伺服电机通过安装台安装在所述的第一固定 台上并通过高品质弹性联轴节连接有高精密滚珠螺杆，所述的高精 密滚珠螺杆通过滑块与所述的第一动平台连接，在所述的第一固定 台上设有RS232接口 ，在所述的第一动平台上设有光栅尺。采用交 流伺服电机驱动与光栅尺实现闭环控制，RS232接口，双边重复精-度达到士0.1um，光栅尺的理论分辨率达到10nm，并且电机和滚 珠螺杆通过高品质弹性联轴节连接；
所述的绕Y轴旋转Ty运动平台、绕X轴旋转Tx运动平台和绕 Z轴旋转Tz运动平台的结构是在第二固定台上滑动设有第二动平 台，步进电机安装在所述的第二固定台上并通过第二高品质弹性联 轴节连接有蜗杆，在所述的第二动平台上设有与所述的蜗杆啮合的 蜗轮，在所述的步进电机上设有RS232接口 。其高精密旋转轴系和 精密研配的蜗轮蜗杆结构，具有限位功能，初始零位功能，采用步
进电机实现开环控制，RS232接口 ，步进电机的理论分辨率为o.ooor， 双边重复精度达到士 o.oor 。
所说的中间运动平台包含的绕Y轴旋转平台，其分别包括高精 密旋转轴系、精密轴承导轨和精密研配的蜗轮蜗杆结构，采用第二 步进电机实现开环控制，RS232接口 ，第二步进电机的理论分辨率 为o.ooor，双边重复精度达到士o.oor，并且第二步进电机和滚珠螺 杆通过第三高品质弹性联轴节连接。
综上所述，本发明是一种对准高精度高、使用方便、多通用且 扩展外设设备空间大的阵列波导器件用的多维对准平台。
图1是本发明的结构示意图2是本发明的中间平台的结构示意图
图3是轴向运动平台的结构示意图4是绕轴旋转平台的结构示意图5是两阵列波导存在径向偏移的原理简图6是两阵列波导存在角度偏移的原理简图7是两波导存在波导端面分离的原理简图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
参见图1、图2、图3和图4，在底板100上设有中间运动平 台200，在底板100上设有以中间运动平台200左右对称分布的第 一六维高精度运动平台300和第二六维高精度运动平台400，中间 运动平台200是在固立台202上设有固定台2013，在固定台2013 上转动设有绕Y轴旋转动平台2014，在固定台2013上安装有通过 第三高品质弹性联轴节2012与绕Y轴旋转动平台2014传动连接的 第二步进电机2011，在绕Y轴旋转动平台2014上设有转接台203， 在转接台203上方布置有高精密通用的集成光子芯片夹具503和真 空吸附口 5031，第一六维高精度运动平台300的结构是在底板100 上设有第一X轴轴向运动平台301， 第一X轴轴向运动平台301 的动平台与第一 Z轴轴向运动平台302的固定台连接，在第一 Z 轴轴向运动平台302的动平台上设有第一连接体304，第一连接体 304与第一Y轴轴向运动平台303的固定台连接，第一Y轴轴向运 动平台303的驱动电机尾部向下，第一 Y轴轴向运动平台303的动 平台与第一绕Y轴旋转Ty运动平台306的固定台连接，在第一绕 Y轴旋转Ty运动平台306的动平台上设有第一转接板305，第一转 接板305与第一绕X轴旋转Tx运动平台307的固定台连接，第一 绕X轴旋转Tx运动平台307的动平台与第一绕Z轴旋转Tz运动平 台308的固定台连接，在第一绕Z轴旋转Tz运动平台的动平台308 上设有第一连接板500和第一夹具501，在第一夹具501上设有与 集成光子芯片夹具503对应的高精密通用的第一波导夹具502;第 二六维高精度运动平台400的结构是在底板100上设有第二X轴轴 向运动平台401， 第二X轴轴向运动平台401的动平台与第二Z 轴轴向运动平台402的固定台连接，在第二 Z轴轴向运动平台402 的动平台上设有第二连接体404，第二连接体404与第二Y轴轴向 运动平台403的固定台连接，第二Y轴轴向运动平台403的驱动电 机尾部向下，第二Y轴轴向运动平台403的动平台与第二绕Y轴旋 转Ty运动平台406的固定台连接，在第二绕Y轴旋转Ty运动平台 406的动平台上设有第二转接板405，第二转接板405与第二绕X 轴旋转Tx运动平台407的固定台连接，第二绕X轴旋转Tx运动平 台407的动平台与第二绕Z轴旋转Tz运动平台408的固定台连接， 第二绕Z轴旋转Tz运动平台408的动平台上设有第二连接板506 和第二夹具505，在第二夹具505上设有与集成光子芯片夹具503 对应的高精密通用的第二波导夹具504。
对于第一六维高精度运动平台300和第二六维高精度运动平 台400，为避免光通道对准过程中的逐维位置调整相互耦合干扰， 在角度位移上Ty、 Tx、 Tz绕轴的旋转运动中心应尽可能与集成光 子芯片的中心点重合，为满足这一条件，其结构从下至上布局依次 是X轴轴向运动平台301/401、 Z轴轴向运动平台302/402、 Y轴轴 向运动平台303/403、绕Y轴旋转Ty运动平台306/406、绕X轴旋 转Tx运动平台307/407、绕Z轴旋转Tz运动平台308/408。其中 Y轴轴向运动平台303/403的驱动电机尾部向下，通过连接体 304/404与Z轴轴向运动平台302/402连接；绕Y轴旋转Ty运动 平台与绕X轴旋转Tx运动平台则通过转接板305/405连接。这种 布局可方便整个平台扩展IR-CCD，机器视觉，点胶装置等外设设
备o
第一六维高精度运动平台300和第二六维高精度运动平台400 考虑到抗倾覆力矩安全系数《，为保证整体平台的稳定和在精度上 的要求，六维运动平台重心须在X轴轴向运动平台和Z轴轴向运动 平台的交点上，如果倾覆力矩i^过大，可通过一定的配重来增加 抗倾覆力矩乾。
仏
为达到一定的精度，第一六维高精度运动平台300和第二六维 高精度运动平台400中的结构是在第一固定台3018上设有线性滑 块导轨3013，线性滑块导轨3013两端设有零位开关和限位开关， 在线性滑块导轨3013上滑动设有第一动平台30110，交流伺服电 机3016通过安装3014安装在第一固定台3018上并通过高品质弹 性联轴节3015连接有高精密滚珠螺杆3012，高精密滚珠螺杆3012 通过滑块3011与第一动平台30110连接，在第一固定台3018上设 有RS232接口 3017，在第 一 动平台30110上设有光栅尺3019 ，采 用交流伺服电机3016与光栅尺3019实现闭环控制，RS232接口 3017，双边重复精度达到±0. 1 u m，光栅尺3019的理论分辨率为 10nm，并且交流伺服电机3016和高精密滚珠螺杆3012通过高品质 弹性联轴节3015连接，如图3所示。
绕Y轴旋转Ty运动平台、绕X轴旋转Tx运动平台和绕Z轴旋 转Tz运动平台的结构是在第二固定台3065上滑动设有第二动平台 3061,步进电机3063安装在第二固定台3065上并通过第二高品质 弹性联轴节3062连接有蜗杆3066，在第二动平台3061上设有与 蜗杆3066啮合的蜗轮3067，在步进电机3063上设有RS232接口 3064，其高精密旋转轴系和精密研配的蜗轮蜗杆结构，具有限位功
能，初始零位功能，采用步进电机3063实现开环控制，步进电机 3063的理论分辨率为o.ooor，双边重复精度达到士 0.001。，如图4所 示。这样不仅有高精度的位置传感和较好的传动和制动性能，而且 易于控制并有精确的定位功能。
第一六维高精度运动平台300和第二六维高精度运动平台 400中第一 Y轴轴向运动平台303和第二 Y轴轴向运动平台403的 驱动电机布置在运动平台的下方，这样避免因电机过大而造成其他 外设设备如机器视觉等无法工作，而且平台夹具上端扩展其他外设
设备更力口方便o
为方便对准，所说的中间运动平台200包含的绕Y轴旋转平 台2014，其特征分别包括高精密旋转轴系、精密轴承导轨和精密 研配的蜗轮蜗杆结构，采用第二步进电机2011实现开环控制， RS232接口，第二步进电机2011的理论分辨率为0.0001°，双边重复 精度达到士0.001。，并且第二步进电机2011和滚珠螺杆通过高品质 弹性联轴节2012连接。
以lxiV阵列光纤和集成光子芯片的对准和封装为例，来说明本 发明工作时的具体工艺过程
1、 装夹将洁净的集成光子芯片装夹在集成光子芯片夹具503 上；将lxiV阵列光纤分别装夹在第一波导夹具502和第二波导夹具 504上。
2、 对准通过第一六维高精度运动平台300和第二六维高精 度运动平台400来调节上述阵列光纤的位置，使用机器视觉或者红 外相机进行初步粗对准，再通过相应的算法控制上述六维平台进行 精对准，以达到损耗的光功率最小。
3、 封装通过点胶装置进行点胶，紫外灯固化，进行封装。
权利要求
1、一种阵列波导器件用的多维对准平台，其特征是在底板(100)上设有中间运动平台(2O0)，在所述的底板(100)上设有以所述的中间运动平台(200)左右对称分布的两台六维高精度运动平台，所述的中间运动平台(200)是在固立台(202)上设有固定台(2013)，在所述的固定台(2013)上转动设有绕 Y 轴旋转动平台(2014)，在所述的固定台(2013)上安装有通过第三高品质弹性联轴节(2012)与所述的绕Y轴旋转动平台(2014)传动连接的第二步进电机(2011)，在所述的绕Y轴旋转动平台(2014)上设有转接台(203)，在所述的转接台(203)上方布置有所述的高精密通用的集成光子芯片夹具(503)和真空吸附口(5031)，每台六维高精度运动平台的结构是在所述的底板(100)上设有X轴轴向运动平台，所述的X轴轴向运动平台的动平台与Z轴轴向运动平台的固定台连接，在所述的Z轴轴向运动平台的动平台上设有连接体，所述的连接体与Y轴轴向运动平台的固定台连接，所述的Y轴轴向运动平台的驱动电机尾部向下，所述的Y轴轴向运动平台的动平台与绕Y轴旋转Ty运动平台的固定台连接，在所述的绕Y轴旋转Ty运动平台的动平台上设有转接板，所述的转接板与绕X轴旋转Tx运动平台的固定台连接，所述的绕X轴旋转Tx运动平台的动平台与绕Z轴旋转Tz运动平台的固定台连接，在所述的绕Z轴旋转Tz运动平台的动平台上设有连接板和夹具，在所述的夹具上设有与所述的集成光子芯片夹具(503)对应的高精密通用的波导夹具。
2、 根据权利要求1中所述的阵列波导器件用的多维对准平 台，其特征是所述的六维高精度运动平台的重心设在所述的X 轴轴向运动平台和所述的Z轴轴向运动平台的交点上。
3、 根据权利要求1或2所述的阵列波导器件用的多维对准平 台，其特征是所述的X轴轴向运动平台、Z轴轴向运动平台302/402 和Y轴轴向运动平台的结构是在第一固定台上设有线性滑块导轨， 所述的线性滑块导轨两端设有零位开关和限位开关，在所述的线性 滑块导轨上滑动设有第一动平台，交流伺服电机通过安装台安装在 所述的第一固定台上并通过高品质弹性联轴节连接有高精密滚珠 螺杆，所述的高精密滚珠螺杆通过滑块与所述的第一动平台连接， 在所述的第一固定台上设有RS232接口 ，在所述的第一动平台上设 有光栅尺。
4、根据权利要求1或2所述的阵列波导器件用的多维对准平 台，其特征是所述的绕Y轴旋转Ty运动平台、绕X轴旋转Tx 运动平台和绕Z轴旋转Tz运动平台的结构是在第二固定台上滑动 设有第二动平台，步进电机安装在所述的第二固定台上并通过第二 高品质弹性联轴节连接有蜗杆，在所述的第二动平台上设有与所述 的蜗杆啮合的蜗轮，在所述的步进电机上设有RS232接口。
全文摘要
本发明公开了一种阵列波导器件用的多维对准平台，在底板(100)上设有中间运动平台(200)，在所述的底板(100)上设有以所述的中间运动平台(200)左右对称分布的两台六维高精度运动平台。本发明设有六维高精度的运动平台和其紧凑、合理的结构布局，可有效应用于要求高精度对准的各种平面波导的对准和封装，并且可方便扩展IR-CCD、机器视觉、点胶装置、UV固化装置等外设设备，且操作简单，运动范围大，精度高。
文档编号G02B6/30GK101363947SQ200810143178
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月10日 优先权日2008年9月10日
发明者段吉安, 煜 郑 申请人:中南大学