专利名称：光纤对准光输出端口的非机械调节的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤耦合光学装置，并具体涉及一种在蝶形封装内光纤对光输出端口的非机械最优对准方法。
背景技术：
众所周知使任何光学系统中的分立元件得以精确地互相对准的重要性。现代光通信系统中微型尺度元件的使用使得这类对准在获得和保持上都变得困难。例如，在激光发射机的构造中存在一个问题，即如何能有效地将激光二极管的光输出耦合到光纤中去。为了获得有效耦合，希望将光纤末端精确地与激光器的发射区对准。这种对准实现之后，在理想情况下，可以使用在器件寿命期内能够确保维持这种对准状态的方法使光纤固定在适当的位置上。
通常，将光纤耦合二极管激光器封装在镀金金属蝶形封装内，且使用环氧树脂、激光焊接、或者利用或不利用箍套的焊料连接技术，来固定光纤使其与激光器对准。环氧树脂连接成本低，但是在高精度连接中热膨胀太严重。而且，由于漏气(outgassing)以及由老化和温度周期变化所引起的对准漂移，环氧树脂连接在长时期内并不可靠。激光焊接技术是可靠的，但它需要高成本的光纤箍套(ferrulization)过程，以及专门设计的用来焊接箍套好的光纤的底座或夹子。这些底座/夹子价格昂贵、体积大，而且易经久变形。另一方面，焊料连接技术既可靠又成本低，而且在现有技术中已经普遍实行。然而，现有的焊料连接技术倾向于使用集成的加热机制和/或一种特殊设计的平台来隔绝回流焊的热量。这就使得价格昂贵，而且体积大到不尽人意。
光纤被焊接之处的装配点应具有特殊的材料性能，以便有效地发挥作用。可以接受的装配点材料应当具有较低的导热性能(如小于50W/m-K)和热膨胀系数，使得封装在被加热时仍能保持光纤的对准状态。所需的确切热膨胀性能取决于其上装配有激光器的材料、光纤装配座和激光器子装配座各自的厚度、和/或工作期间所期望的温度分布。光纤装配座的材料能够被焊接，或可以被镀上可焊接材料。在焊接过程中，光纤装配座可能承受由于温度梯度和材料不同而导致的不均匀膨胀所产生的巨大压力，因此，理想的光纤装配座应具有较高的抗拉强度(如大于25kpsi)以防断裂。
然而，在焊接光纤时，由于熔化的焊料表现出的湍流和表面张力作用，要保持光学元件和光纤的对准是困难的。例如，
图1所示的现有技术封装为一个蝶形封装100，其中，光纤114插入光纤馈送通道(fiber feed-through)101，用焊料连接物103连接到光纤装配座102，以便与激光器二极管芯片112获得理想的对准。然而，在这类封装中，焊料连接物103的回流产生了上述的湍流和表面张力，由此在光纤114和激光器二极管芯片112之间产生对准失调，从而在其中产生不理想的对准精度。近来，人们通过物理连接光纤和/或在弯曲(yield)点范围内使连接物弯曲的方法，利用焊接后调节来纠正该对准失调，却产生了不希望看到的永久变形。这种物理调节对准的方法可能产生更多的压力，导致光纤随着时间的推移而变形。其它的焊接后调节方法可能包括不期望增加的昂贵和复杂的加工设备(如夹钳)，以及高精度的线性或旋转台。
发明内容
本发明体现为一种方法，该方法将一个由热敏连接物连接到装配焊盘上的光纤对准一个邻近光源，该光源有一个光输出端口，通过激活光源从该光输出端口发射信号；对准多个大功率激光器使其各自的光束入射到该热敏连接物上；激活多个大功率激光器使其各自的光束以预定的脉冲时序(pulse schedule)施加到该热敏连接物上，从而调节光纤使之至少垂直朝向一个期望位置；激活一个光功率计，以获得该光纤与该光输出端口之间的对准精度测量值；反复操作直到对准精度测量值大于一个预定阈值。
在另一个实施例中，大功率激光器的对准可以通过直观地调节热敏连接物相对于大功率激光器的位置，使该热敏连接物对准该多个大功率激光光束来实现。在一个可选实施例中，这种对准可以通过将多个大功率激光器移动到相对于该热敏连接物的一预定位置来实现。在另一个可选实施例中，该大功率激光器的对准可以通过激活摄像系统，以识别该热敏连接物相对于该多个大功率激光器的位置，并且相对于热敏连接物移动多个大功率激光器，使大功率激光器的光束对准该热敏连接物来实现。
在另一个实施例中，预定的脉冲时序激活该多个大功率激光器，使每个激光器发射10-14个脉冲光能量的5-8个脉冲串，每个脉冲串之间间歇170至280毫秒，每个脉冲的功率为10-22瓦特，且脉冲宽度近似为22-38毫秒。
在本发明的另一个实施例中，用于将光纤与提供来源于光源的光信号的光输出端口对准的方法，包括以下步骤将光纤设置到光输出端口附近；用热敏连接物将光纤连接到装配焊盘上；以预定的脉冲时序在热敏连接物上方激活局部脉冲加热装置，使光纤产生垂直位移；用光功率计监控光耦合效率，并且做必要的重复以获得预定的耦合效率。
在本发明的一个可选实施例中，在蝶形封装内将光纤连接到激光二极管芯片的热学调节方法，包括以下步骤将蝶形封装放在一个冷却到预定温度的表面上；激活激光二极管芯片以发出光信号；分别调节连接物和多个大功率激光器的位置，使得该连接物基本位于该多个大功率激光器的多个光束的交点内；激活该多个大功率激光器，使之以预定的脉冲时序(pulse schedule)将光能量脉冲发射到该连接物上；激活光功率计，获得该光纤和该激光二极管芯片之间的对准精度测量值，重复测量直到所获得的对准精度测量值大于预定阈值。
应当理解的是，前面的概述和下面的详述都是举例说明的，而不是对本发明限制性的描述。
附图简述通过结合附图阅读下文的详细描述，会对本发明有很好的理解。需要强调的是，按照通常的惯例，附图中的各个特征非按一定比例绘制，相反地，为了清晰起见，各图中的尺寸被任意地放大或缩小。附图中包括以下各图图1表示根据现有技术的一个光纤耦合光学元件封装的透视图，表示出封装内部的光纤馈送通管嘴和焊接到一个独立的装配元件上的光纤；图2表示根据现有技术的光纤的侧面图，该光纤相对于光学元件有垂直的旋转的对准失调；图3表示根据本发明的预型件(preform)的前视图，图3中，光纤置于沟槽内，激光辐射入射到该预型件上；图4表示本发明的一个实施例中的一个光纤耦合光学元件封装的透视图，该封装具有叠置在上面的圆锥体，用于示出大功率激光器可能的位置；图5表示根据本发明的一个实施例的对准方法流程图；图6表示根据本发明的一个使大功率激光器对准焊料连接物的示例方法流程图；以及发明详述下面将参照附图，图1表示出根据现有技术的蝶形封装100，其中在所有组成附图的各图中，相同的标号表示相同的元件。现有技术封装100包括光纤114，光纤114经由馈送通道嘴101插入，并且用焊料连接物103连接到光纤装配座102。光纤114也光学耦合到装配到底座111的光学元件112(如半导体激光器、激光二极管芯片、光电探测器)上。图1表示的封装还包括一个热敏电阻116。如果该封装包括一个热电冷却器(TEC)，则该冷却器应位于底座111下面。
从图1可以看出，光纤114被固定到与装配有光学元件112的底座111分离开的光纤装配座102上。而且，由于在光学元件112位于封装100内的情况下连接光纤，因而没有可利用的侧面区域来对准光纤114并且使其耦合到光学元件112上，从而导致对准过程变得非常复杂。另外，经由馈送通道嘴101插入光纤114可能需要一个非垂直加工过程，该过程可能使加工过程复杂化并引起弯曲(yield)问题。另外，使用一滴熔化焊料103来将光纤1141连接到光纤装配座102上，可能会在连接之前就会导致对准的改变。
可以看出，在上述现有技术封装100中的对准所能达到的耦合效率对于高精度光纤和半导体激光器来说可能会低得不尽人意。进而，用图2示出的侧面图来阐明现有技术中可能出现的一种对准失调的可能类型。在该种情形下，激光二极管211被固定到激光器子底座201上，并被光学耦合到光纤214，该光纤用热敏连接物(如焊料)连接到光纤装配座202上。如图所示，在光纤214和激光二极管211之间存在放大的垂直对准失调，该失调会导致耦合光学信号强度的大幅度降低。例如，可能出现的其它类型的对准失调包括垂直平移对准失调。因此，本领域技术人员将会认识到，若这种失调出现在图1所示的激光耦合光纤蝶形封装100中，如果不引入附加的变形和对准失调，则难以解决这种失调。
利用了本发明的一个装配系统，可通过将光纤固定在与光学元件位于同一底座上的装配焊盘上，并且在将该底座焊接到封装内之前就将光纤与光学元件对准，来解决该问题。在底座被焊接到封装之时所引起的底座加热，会破坏光纤和光学元件之间的对准。如果光学装置为一个单模激光器，这种对准失调会使耦合能量损失百分之八十。对于多模激光器而言，耦合损失大约为百分之二十。发明者已经确定，该种对准失调典型地表现为垂直对准失调，并且可以通过下述方法加以校正。
参照图3，本发明提出一种方法，该方法将用热敏连接物301(如焊料)连接到装配盘302的光纤314，与具有光学输出端口的相邻光源(图3未示出)对准。在本发明的这个实施例中，激活光源(如单模半导体激光器、多模半导体激光器、光学镜、辅助光纤、半导体光学放大器、光学聚光器、光发射二极管)以经由一个输出端口(图3未表示)发射光信号(图3未表示)。可以用一个光功率计(图3未表示)监测光纤314接收到的光信号，以便获得对准精度测量值。对准精度的测量值可以表示为绝对接收功率，或者是相对于一个预定数据的接收功率。为了校正光纤314在热敏连接物301内的任意垂直对准失调，将一个或多个大功率激光器(图3未表示)排列在封装上方，以便使其各自的光束315入射到热敏连接物301上。然后，激活一个或多个大功率激光器，使其以预定的脉冲时序将光束315施加到热敏连接物301上。如此施加脉冲使得光纤314发生垂直位移。然后重复脉冲时序，直到光功率计显示出对准精度已经达到或对准精度已大于预定阈值或其他期望值。
本领域技术人员将会认识到，在本发明的所有实施例中，具有光输出端口的光源还可以替换为一个具有光输出端口的光电探测器。在该实施例中，光纤与光电探测器的对准精度可以通过监视光电探测器的输出信号或者检测耦合到该光电探测器的电路输出信号来获得。
在本发明的另外一个实施例中，对准大功率激光器使其发射的各自光束投射到热敏连接物上的方法包括相对于多个大功率激光器，直观地调节热敏连接物的位置。这利，直观调节可以通过手动调节来实现，或者通过激活一个摄像系统，利用本领域普遍使用的图像检测算法来识别热敏连接物相对于多个大功率激光器的位置，从而相对于热敏连接物移动该大功率激光器的位置，以对准该大功率激光器的各光束，使其入射到热敏连接物上。
在一个可选实施例中，一个对准失调的激光耦合光纤封装可以预先被放置在一个预定的位置上，由此，可通过移动一个或多个大功率激光器，使得这些激光器排列在相对于热敏连接物的相应预定位置上，其中各光束将入射到热敏连接物上。
在另一个实施例中，预定的脉冲时序激活多个大功率激光器，使每个激光器发射10-14个脉冲光能量的5-8个脉冲串，在每个脉冲串之间有一个间歇。每个脉冲具有10-22瓦特的脉冲能量，脉冲宽度近似为22-38毫秒，最好为大约30毫秒。各个脉冲串之间的间歇时间为170至280毫秒，例如最好约为225毫秒。
另外，在发明的另外一个实施例中，可以将两个大功率加热激光器对称地放置在圆锥体409的外表面位置，该圆锥体的高度为H，半径为R，对应的羽状角(plume angle)为A。例如，大功率激光器455和457对称放置在圆锥体的外部边缘，由此它们的光束入射到热敏连接物上。可选地，大功率激光器475和477可对称放置在该外表面更低些的位置。在发明的一个实施例中，激光器的工作距离可为5cm(2英寸)，羽状角A可为60度，高度H可为4.4cm(1.73英寸)，半径R为2.5cm(1英寸)。或者，在一个实施例中，只要它们各自的光束入射到热敏连接物上，并且能够将热敏连接物加热到70-110摄氏度，则可任意放置这些大功率激光器。
图5表示根据本发明的一个实施例在封装内使光纤与光学元件的光输出端口对准的方法。在可选步骤502中，将要放置光学封装的表面冷却到一个预定的期望工作温度，例如可以为20-25摄氏度，以便在该温度下的任意对准失调都可被测得。在另一个可选步骤504中，关闭光学封装的一个热电冷却器(TEC)(未示出)，使它不能妨碍对准过程中的加热。在这个示范实施例中，TEC在对准过程之后被激活，以确定光纤和光学元件在期望的工作温度下对准与否。如果预计设备将在几个不同的温度下工作，在每一个温度下都要进行对准测量，以使光纤和光学元件得到最佳的总体对准。
或者，如果光学封装不包括TEC，这一步就可以省略。步骤506提供光学封装并将其放在一个表面上——如果执行步骤502的话，将其放在步骤502中的冷却表面上。在步骤508中，一个或多个大功率激光器排列在光学封装上方，以使它们各自的光束入射到光学封装上的热敏连接物上。在步骤510中，激活一个从光纤接收到其输入的功率计，并测得光纤和光输出端口的对准精度。该光功率计会在该方法的整个其余步骤中不断地获得对准精度测量值，或者可选地，当每一个脉冲时序完成时，提供对准精度的测量值。在步骤512中，激活光学元件，以便从光输出端口发射光信号。总的来说，可按任意顺序执行步骤508-512。在步骤514中，激活一个或多个大功率激光器，以预定的脉冲时序将光能量脉冲发射到热敏连接物上。在一个实施例中，预定的脉冲时序激活多个大功率激光器，使每个激光器发射10-14个脉冲光能量的5-8个脉冲串，每个脉冲串间歇170至280毫秒，该间歇时间优选为225毫秒，每个脉冲具有10-22瓦特的脉冲能量，脉冲宽度为22-38毫秒，优选为大约30毫秒。可监控封装的温度来控制施加的激光能量，以使封装达到期望的温度范围而不是超越这个范围。在本发明的一个示范实施例中，可以通过使用温度测量设备如温度计、热电偶、热敏电阻或其它这类设备来测量封装的温度。对于包括热电冷却器(TEC)的设备来说，这个温度范围可以为，如90-110摄氏度。对于不包括TEC的设备来说，这个温度范围可以为，如70-90摄氏度。在步骤516中，要判断用光功率计观测的对准精度是否大于或等于期望阈值。如果不是，该方法进入到步骤514，在其中重复脉冲时序。一旦达到对准精度阈值，该方法就在步骤518中结束。
在本发明的一个可选实施例中，为使光纤和输出端口达到期望的对准而不断地施加的预定脉冲时序，可能包括多个预定的脉冲时序，其中，该过程根据当前对准精度的测量值来施加预定的脉冲时序。因此，该过程可能在每一个对准精度测量值或每一个对准精度值的范围中施加不同的脉冲时序。
图6表示一个流程图，该流程图示出了上述使大功率激光器对准热敏连接物的方法，以及采用了使用摄像系统的直观对准的方法。在步骤601中，激活摄像系统并使之初始化。该摄像系统可能为一个智能图像系统(Powervision System)，例如，可从灵敏成像公司(Acuity，Imaging Inc)购得。然而，可以预计也能够使用任何类似的图像系统。在步骤603中，通过利用由摄像系统获得的数据，一个处理器或手动操作人员辨认热敏连接物的位置，例如该热敏连接物可为金属焊料。在步骤605中，可产生一个运动矢量来移动大功率激光器，使之与热敏连接物对准。在步骤607中，可从摄像系统获得更多的数据来确定是否大功率激光器已与热敏连接物充分对准。如果不是，方法从步骤603开始重复。然而，如果确认已经对准，则该方法在步骤609中结束。本领域技术人员将会认识到，移动大功率激光器以使其与热敏连接物实现对准可以替换为通过移动包含热敏连接物的封装使其实现与大功率激光器的对准来完成。
虽然上文参照具体的实施例进行了表示和描述，然而本发明并不仅仅局限于所描述的细节。在权利要求的等同领域和范围内以及不背离本发明条件下可在细节上进行各种改变。
权利要求
1.一种使得利用热敏连接物连接到装配座上的光纤与光学设备的一个邻近光学端口实现最佳对准的方法，该方法包含步骤对准一个或多个大功率加热激光器，使其各自的发射路径入射到该热敏连接物上；通过获得对准精度的测量值来监视该光纤与该光学端口的对准精度；以预定的脉冲时序(schedule)反复激活该一个或多个大功率激光器，使其沿着各自的发射路径发射一束或多束激光，从而调节该光纤至少垂直朝向一个期望的位置，直到该对准精度的测量值大于一个预定的阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述光学端口为一个输出端口，且一个光功率计测得所述光纤和所述输出端口之间的耦合光功率的测量值，将其作为对准精度测量值，该方法还包括激活所述光学设备使其从所述输出端口发射光信号的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述光学端口为一个输入端口，且根据光电探测器的输出信号和一个耦合到该光电探测器的电路的输出信号之中的一个信号来获得对准精度的测量值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中温度测量装置在所述大功率激光器被激活的过程中获得所述热敏连接物周围区域的温度测量值，用来控制施加到所述热敏连接物上的激光能量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述的对准所述一个或多个大功率加热激光器的步骤包括相对于所述一个或多个大功率加热激光器手动对准所述热敏连接物的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述的对准所述一个或多个大功率加热激光器的步骤包括，将所述一个或多个大功率加热激光器移动到相对于所述热敏连接物的预定位置的步骤。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述的对准所述一个或多个大功率加热激光器的步骤包括的步骤激活一个摄像系统来识别所述热敏连接物相对于所述一个或多个大功率加热激光器的位置；指定一个运动矢量，沿着该矢量将所述一个或多个大功率加热激光器的激光光束移动到所述热敏连接物的位置；以及根据该运动矢量，相对于所述热敏连接物移动所述一个或多个大功率加热激光器的激光光束。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述的预定脉冲时序激活所述一个或多个大功率激光器，以使每个所述激光器发射10-14个脉冲光能量的5-8个脉冲串，每个脉冲串之间间歇170至280毫秒，每个脉冲具有10-22瓦特的脉冲功率，脉冲宽度为22-38毫秒。
9.一种在蝶形封装内使光纤与激光二极管芯片对准的热学调节方法，其中用热敏连接物将该光纤连接到一个装配座上，该方法包括步骤a)将该蝶形封装放在一个冷却到预定温度的表面上；b)激活该激光二极管芯片以发射光信号；c)将该封装与多个大功率激光器对准，以使该热敏连接物基本位于该多个大功率激光器各自的发射路径内；d)激活该多个大功率激光器，使其依照预定的脉冲时序沿着其各自的发射路径发出光能量脉冲；e)激活一个光功率计，以获得该光纤与该激光二极管芯片的对准精度测量值；以及f)重复步骤d-e直到该对准精度测量值大于一个预定阈值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述蝶形封装包括一个内置的热电冷却器，并且该方法还包括在步骤d之前关闭该内置热电冷却器的步骤。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述的预定脉冲时序激活所述多个大功率加热激光器，以使每个所述激光器发射10-14个脉冲光能量的5-8个脉冲串，每个脉冲串之间间歇170至280毫秒，每个脉冲具有10-22瓦特的脉冲功率，脉冲宽度为22-38毫秒。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述对准所述多个大功率加热激光器的步骤包括相对于所述多个大功率加热激光器手动对准所述热敏连接物的步骤。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述对准所述多个大功率加热激光器的步骤包括将所述热敏连接物和所述多个大功率加热激光器移动到各自以期实现对准而预定的位置。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述对准所述多个大功率加热激光器的步骤包括步骤激活一个摄像系统来识别所述热敏连接物相对于所述多个大功率加热激光器的位置；指定一个运动矢量，沿着该矢量将所述多个大功率加热激光器的光束移动到所述热敏连接物的位置；以及根据该运动矢量，相对于所述热敏连接物移动所述多个大功率加热激光器的光束。
15.一种在蝶形封装内使光纤与激光二极管芯片对准的热学调节方法，其中用热敏连接物将该光纤连接到一个装配座上，该方法包括步骤a)将该蝶形封装放置在一个冷却到预定温度的表面上；b)将该封装对准该多个大功率激光器，以使该热敏连接物基本位于该多个大功率激光器各自的发射路径内；c)激活该多个大功率激光器，使其依照预定的脉冲时序沿着其各自的发射路径发出光能量脉冲；d)激活一个温度测量装置，用以测量该封装的温度，从而控制该大功率激光器的激活；e)获得该光纤与激光二极管芯片的对准精度测量值；以及f)重复步骤c-e直到该对准精度测量值大于一个预定阈值。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述蝶形封装包括一个内置的热电冷却器，并且该方法还包括在步骤c之前关闭该内置热电冷却器，以及在步骤e中获得所述对准精度测量值之前，该方法还包括激活该热电冷却器，以使该封装达到期望的工作温度的步骤。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述预定脉冲时序激活所述多个大功率加热激光器，发射10-14个脉冲光能量的5-8个脉冲串，每个脉冲串之间间歇170至280毫秒，每个脉冲具有10-22瓦特的脉冲功率，且脉冲宽度为22-38毫秒。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述对准所述多个大功率加热激光器的步骤包括相对于所述多个大功率加热激光器手动调节所述热敏连接物的步骤。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述对准所述多个大功率加热激光器的步骤包括分别将所述热敏连接物和所述多个大功率加热激光器移动到预定对准的位置。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述对准所述多个大功率加热激光器的步骤包括步骤激活一个摄像系统来识别所述热敏连接物相对于所述多个大功率加热激光器的位置；指定一个运动矢量，沿着该矢量将所述多个大功率加热激光器的光束移动到所述热敏连接物的位置；以及根据该运动矢量相对于所述热敏连接物移动多个大功率加热激光器的光束。
全文摘要
一种在一个蝶形封装内或任意同等封装内连接光纤与激光二极管芯片的方法，识别光纤上焊料连接物的位置，从而移动一个或多个大功率激光器使得它们各自的光束入射到该焊料连接物上。然后，通过以预定的脉冲时序施加大功率激光脉冲，加热焊料连接物，从而光纤可因此在其中发生垂直移动。通过使用内部或外部监控装置，如光功率计，当光学对准达到一个期望阈值时，例如当它超过一个期望光功率输出时，作出判别。脉冲时序可以反复执行，直到最终的封装实现充分的最佳耦合。
文档编号G02B6/42GK1704779SQ200510065229
公开日2005年12月7日 申请日期2005年4月14日 优先权日2004年6月2日
发明者布赖恩·马西 申请人:松下电器产业株式会社