制作阵列式光纤准直器的方法和系统.pdf

本发明提供了一种准直方法，用于将阵列式光纤准直器(102)校准，并减少与光纤准直器相关的损耗。首先，接收并保持一个光纤阵列块(104)，其中包含有多个单根的光纤(101)。接着，接收并保持一个微透镜阵列基底(106)，其包括沿着微透镜的表面和对着微透镜表面的基底的表面集成的多个微透镜。然后，接收并保持第一光接收器的至少一部分，第一光接收器设置成接收来自至少一个集成的微透镜的光束。再将来自光源的至少一束光照射到多个单根光纤中的至少一根上。然后，调整微透镜阵列基底(106)和光纤阵列块(104)中至少一个的相对位置，使第一光接收器接收到的光束的光功率最大。

1.  一种用于利用自动校准器来主动校准阵列式光纤准直器各部件的方法，包括下列步骤：
(a)制备用于接收、保持多个单根光纤的一光纤阵列块以及包括沿微透镜表面集成的多个微透镜和与该微透镜表面相对的基底表面的微透镜阵列基底，其中阵列式光纤准直器由所述光纤阵列块和所述微透镜阵列基底构成；
(b)提供第一夹具，用于接收、保持光纤阵列块；
(c)提供第二夹具，用于接收、保持微透镜阵列基底；
(d)提供平面半反射镜和用于接收、保持所述半反射镜的第三夹具，当光束具有预定波长时，所述半反射镜部分反射该光束；
(e)提供第一光接收器和用于接收、保持所述第一光接收器的至少一部分的第四夹具，其中，第一光接收器定位成能够接收来自至少一个集成微透镜的光束；
(f)提供在光源和光纤阵列块之间耦合的光耦合器和光循环器中的一个，其中，该光耦合器和光循环器中的一个至少和多个单根光纤中的一根耦合；
(g)提供第二光接收器，耦合到该光循环器和光耦合器中的一个的输出端，该第二光接收器是光电检测器；
(h)提供一光源，将至少一束来自光源的光提供给多个单根光纤中的至少两根；
(i)相对于光纤阵列块调整所述半反射镜的反射面角度，以使所述第二光接收器接收的光功率最大；
(j)在光纤阵列块和半反射镜之间插入第二夹具上的微透镜阵列基底；
(k)视觉检查微透镜阵列基底与光纤阵列块中至少一个的相对位置，以使所述第一光接收器接收的光功率最大，
(l)当提供到第二光接收器的光功率最大时将光纤阵列块固定到微透镜阵列基底上，由此构成最终的阵列式光纤准直器。

2.  如权利要求1所述的方法，其中，调节所述微透镜阵列基底与半反射镜之间的距离，使得反射位置对应于沿着所述准直器的光轴的光束腰中心。

3.  一种用于利用自动校准器来主动校准阵列式光纤准直器各部件的方法，包括下列步骤：
(a)制备用于接收、保持多个单根光纤的一光纤阵列块、包括沿微透镜表面集成的多个微透镜和与该微透镜表面相对的基底表面的微透镜阵列基底以及包括第一表面和相对侧的第二表面的哑模块，其中该第二表面提供一平的部分反射表面，阵列式光纤准直器由所述光纤阵列块和所述微透镜阵列基底构成；
(b)提供第一夹具，用于接收、保持所述光纤阵列块；
(c)提供第二夹具，用于接收、保持所述微透镜阵列基底；
(d)提供第一光接收器和用于接收、保持第一光接收器的至少一部分的第三夹具，其中，第一光接收器定位成能够接收来自至少一个集成微透镜的光束；
(e)提供在光源和光纤阵列块之间耦合的光耦合器和光循环器中的一个，其中，该光耦合器和光循环器中的一个至少和多个单根光纤中的一根耦合；
(f)提供第二光接收器，耦合到该光循环器和光耦合器中的一个的输出端，该第二光接收器是光电检测器；
(g)暂时将该哑模块的第一表面联接到微透镜阵列基底，使该哑模块位于微透镜阵列基底和第一光接收器之间且第二表面垂直于准直光束的光轴，哑模块的第二表面部分反射光束；
(h)将至少一束来自光源的光提供给多个单根光纤中的至少两根；
(i)视觉检查微透镜阵列基底与光纤阵列块中至少一个的相对位置，以使所述第一光接收器接收的光功率最大，
(j)当提供到第二光接收器的光功率最大时，将光纤阵列块固定到微透镜阵列基底上；并且
(k)从微透镜阵列基底移去哑模块，由此构成最终的阵列式光纤准直器。

4.  如权利要求3所述的方法，其中调节哑模块的厚度，使得反射位置对应于沿着准直器的光轴的光束腰中心。

5.  如权利要求3所述的方法，其中所述哑模块的第一表面暂时联接到微透镜阵列基底的基底表面，并且其中所述微透镜阵列基底的基底表面倾斜并且所述哑模块的第一表面倾斜而不垂直于光束轴。

6.  如权利要求3所述的方法，其中所述哑模块的第一表面暂时联接到微透镜阵列基底的基底表面，并且其中所述微透镜是折射透镜和衍射透镜之一，并且所述哑模块构成为在微透镜表面和第一表面之间提供气隙。

7.  如权利要求3所述的方法，其中所述哑模块的第一表面暂时联接到微透镜阵列基底的基底表面，并且其中微透镜是渐变折射率透镜，哑模块第二表面相对第一表面倾斜。

制作阵列式光纤准直器的方法和系统
本申请是申请号为02812602.5、申请日为2002年4月29日、申请人为大崎电气工业株式会社、发明名称为“制作阵列式光纤准直器的方法和系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明总体上涉及阵列式光纤准直器，尤其是涉及制作阵列式光纤准直器的方法和系统。
背景技术
阵列式光纤准直器在光学系统中用的越来越多，例如，阵列式光纤准直器已经用于或建议用于连接各种光学芯片，如光学隔离器芯片和光学循环器芯片。由于最近高密的波长分割复用系统(DWDM)对使用阵列式光学器件的需求不断增加，减少阵列式光学器件的成本变得越来越重要。但是，采用包括渐变折射率(GRIN)、非球面或菲涅耳微透镜的准直阵列的光学器件，其效率很大程度上依赖于给定光纤准直器阵列的构造。因此，构造光纤准直器阵列以减少光损耗非常重要。
现在需要的是使阵列式光纤准直器中的各器件校准的系统和方法，这样的系统和方法应该是实用的，并能减少光损耗。
发明内容
本发明主要提供一种用于利用自动校准器来主动校准阵列式光纤准直器各部件的方法，包括下列步骤：
(a)制备用于接收、保持多个单根光纤的一光纤阵列块以及包括沿微透镜表面集成的多个微透镜和与该微透镜表面相对的基底表面的微透镜阵列基底，其中阵列式光纤准直器由所述光纤阵列块和所述微透镜阵列基底构成；
(b)提供第一夹具，用于接收、保持光纤阵列块；
(c)提供第二夹具，用于接收、保持微透镜阵列基底；
(d)提供半反射镜和用于接收、保持所述半反射镜的第三夹具，当光束具有预定波长时，所述半反射镜部分反射该光束；
(e)提供第一光接收器和用于接收、保持所述第一光接收器的至少一部分的第四夹具，其中，第一光接收器定位成能够接收来自至少一个集成微透镜的光束；
(f)提供在光源和光纤阵列块之间耦合的光耦合器和光循环器中的一个，其中，该光耦合器和光循环器中的一个至少和多个单根光纤中的一根耦合；
(g)提供第二光接收器，耦合到该光循环器和光耦合器中的一个的输出端，该第二光接收器是光电检测器；
(h)提供一光源，将至少一束来自光源的光提供给多个单根光纤中的至少两根；
(i)相对于光纤阵列块调整所述半反射镜的反射面角度，以使所述第二光接收器接收的光功率最大；
(j)在光纤阵列块和半反射镜之间插入第二夹具上的微透镜阵列基底；
(k)视觉检查微透镜阵列基底与光纤阵列块中至少一个的相对位置，以使所述第一光接收器接收的光功率最大，
(l)当提供到第二光接收器的光功率最大时将光纤阵列块固定到微透镜阵列基底上，由此构成最终的阵列式光纤准直器。
其中，可调节所述微透镜阵列基底与半反射镜之间的距离，使得反射位置对应于沿着所述准直器的光轴的光束腰中心。
本发明还提供一种用于利用自动校准器来主动校准阵列式光纤准直器各部件的方法，包括下列步骤：
(a)制备用于接收、保持多个单根光纤的一光纤阵列块、包括沿微透镜表面集成的多个微透镜和与该微透镜表面相对的基底表面的微透镜阵列基底以及包括第一表面和相对侧的第二表面的哑模块，其中该第二表面提供一平的部分反射表面，阵列式光纤准直器由所述光纤阵列块和所述微透镜阵列基底构成；
(b)提供第一夹具，用于接收、保持所述光纤阵列块；
(c)提供第二夹具，用于接收、保持所述微透镜阵列基底；
(d)提供第一光接收器和用于接收、保持第一光接收器的至少一部分的第三夹具，其中，第一光接收器定位成能够接收来自至少一个集成微透镜的光束；
(e)提供在光源和光纤阵列块之间耦合的光耦合器和光循环器中的一个，其中，该光耦合器和光循环器中的一个至少和多个单根光纤中的一根耦合；
(f)提供第二光接收器，耦合到该光循环器和光耦合器中的一个的输出端，该第二光接收器是光电检测器；
(g)暂时将该哑模块的第一表面联接到微透镜阵列基底，使其位于微透镜阵列基底和第一光接收器之间并且第二表面垂直于准直光束的光轴，哑模块的第二表面部分反射光束；
(h)将至少一束来自光源的光提供给多个单根光纤中的至少两根；
(i)视觉检查微透镜阵列基底与光纤阵列块中至少一个的相对位置，以使所述第一光接收器接收的光功率最大，
(j)当提供到第二光接收器的光功率最大时，将光纤阵列块固定到微透镜阵列基底上；并且
(k)从微透镜阵列基底移去哑模块，由此构成最终的阵列式光纤准直器。
可调节哑模块的厚度，使得反射位置对应于沿着准直器的光轴的光束腰中心。
所述哑模块的第一表面可暂时联接到微透镜阵列基底的基底表面，并且其中所述微透镜阵列基底的基底表面倾斜并且所述哑模块的第一表面倾斜而不垂直于光束轴。
所述哑模块的第一表面可暂时联接到微透镜阵列基底的基底表面，并且其中所述微透镜可为折射透镜和衍射透镜之一，并且所述哑模块可构成为在微透镜表面和第一表面之间提供气隙。
所述哑模块的第一表面可暂时联接到微透镜阵列基底的基底表面，并且其中微透镜可为渐变折射率透镜，哑模块第二表面可倾斜于第一表面。
本发明主要是一种系统和方法，用于校准阵列式光纤准直器件。首先，用第一夹具安装光纤阵列块，阵列块用于安放很多单束光纤。再用第二夹具安装微透镜阵列基底，其中沿着微透镜表面集成了很多微透镜，且基底表面和微透镜表面相对。然后，用第三夹具安装第一光接收器，安装的位置使它至少能从一个集成微透镜接收光束。再将至少一束光源照射到至少一束光纤中，并调整微透镜阵列基底和光纤阵列块的相对位置，直到第一光接收器检测到最大光功率。最后，当集成微透镜输出放的光功率达到最大时，将光纤阵列块保持到微透镜基底上，这样阵列式光纤准直器就完成了。
该发明的附加特征和优点将在下面详细介绍，对熟悉该领域的人来说是很显然的。经证实，按照本专利的描述，以及后面的主张和附加图就可以实现本发明。
按照前面的描述就可以仿制本发明，主要是提供关于发明主张部分所定义的发明特征和发明本质的总览。提供的附图便于深入理解，也是本发明规格的一部分，附图列出了本发明的多项特征和具体实现，以及有关本发明的原理和操作的说明。
附图说明
图1是根据本发明实施例的阵列式光学器件的透视图；
图2A-2C是根据本发明实施例的校准光纤阵列块和微透镜阵列基底的布置示意图；
图3是对于一对阵列式光纤准直器，作为间距函数的耦合损耗曲线图，根据本发明实施例，阵列式光纤准直器的各部件通过单模准直(SMC)光纤法和步进法被校准；
图4是根据本发明的另一个实施例，用来使光纤阵列块和微透镜阵列基底校准的设置的方块图；
图5是使用SMC光纤法、步进法和反射镜法、作为间距函数的耦合损耗曲线图；
图6是对于图4的设置，耦合损耗作为时间的函数而增加的曲线图；
图7是图4中的反射镜和光纤阵列块相对于微透镜阵列基底运动的俯视图；
图8是根据本发明的另一个实施例，用来使阵列式光纤准直器的各组件校准的设置的方块图；
图9是对于用图8的设置构建的多个准直器对，作为距离函数的耦合损耗曲线图；
图10是阵列式光纤准直器的示意图，该阵列式光纤准直器使用了一个倾斜哑模块(dummy blaock)，该哑模块有一个斜面和微透镜阵列基底的斜面结合；
图11是阵列式光纤准直器的侧视图，该阵列式光纤准直器使用了一个带凹坑的哑模块，用来放置凸微透镜或衍射微透镜；
图12是阵列式光纤准直器的侧视图，该阵列式光纤准直器包括一个和准直器一起使用的、具有倾斜背面的哑模块，该准直器能够得到偏离微透镜光轴几度的准直光束。
具体实施方式
图1示出了一个阵列式光纤器件100，包括第一阵列式光纤准直器102，和第二阵列式光纤准直器112。第一阵列式光纤准直器102包括第一光纤阵列块104，其保持有多根光纤101，和第一微透镜阵列基底106。第一微透镜阵列基底106包括了多个沿着微透镜表面集成的微透镜。第二阵列式光纤准直器112包括第二光纤阵列块114，其保持有第二多根光纤111，和第二微透镜阵列基底116。第二微透镜阵列基底116包括了多个沿着微透镜表面集成的微透镜。一个光学芯片108(如：隔离器芯片、循环器芯片、过滤器等)，保持在基底120上形成的槽118内。第一阵列式光纤准直器102和第二阵列式光纤准直器114都结合到基底120上(例如通过粘结剂)，这样，在校准后，第一阵列式光纤准直器102和第二阵列式光纤准直器114相对地并也相对于芯片108固定。
看图2，该图示出了光纤阵列块202和一个微透镜阵列基底206的校准过程，光纤阵列块202保持有多根光纤201(例如8根)。光纤201耦合到光源214上。该光源优选地能够为每根光纤201提供光束。另外，光源214也可以只在各个端部给光纤201提供光束。如图2A所示，第一夹具203用于接收并保持块202，并结合到自动校准器220，以使块202相对于基底206和单模准直(SMC)光纤210移动起来更容易。基底206由第二夹具205接收和保持。第二夹具205将基底206结合到自动校准器220。通过自动校准器220能方便地移动基底206。SMC光纤210耦合到接收器212，并由夹具207接收和保持。对块202和基底206进行相对调整，以从每个光纤201和相应的微透镜获得最大光功率，这可以从接收器212(经过SMC光纤210)看到。可以理解，要想在块202的多根光纤201和基底206上的微透镜之间获得最佳校准效果，需要由自动校准器220进行精确分度。一旦获得期望的校准，将块202固定(例如用光学胶)在基底206上，形成最终的阵列式光纤准直器230。该阵列式光纤准直器230可用于图2B的过程。
如图2B所示，将准直器230中的多根光纤201耦合到接收器212。然后将准直器230通过夹具209结合到自动校准器220上。夹具209是用来接收和保持准直器230的。光源214然后耦合到保持在光纤阵列块232中的多根光纤231。光纤阵列块232然后通过夹具203结合到自动校准器220上。然后微透镜阵列基底236通过夹具205接到自动校准器220。然后块232和基底236由自动校准器220移动，以使通过保持在块232中的光纤231和基底236中的微透镜传输的光功率最大，这可以通过准直器230由接收器212检测到。如图2C所示，获得最大的光功率后，块232(例如通过光学胶)固定到形成另外一个准直器250的基底236上。
如图2C所示，准直器250利用夹具209耦合到自动校准器220，并经过多根光纤231耦合到光接收器212。一个光纤阵列块262可保持多根光纤261并耦合到光源214。然后光纤阵列块262经过接收和保持块262的夹具203结合到自动校准器220。基底266通过夹具205结合到自动校准器220。夹具205是用来接收和保持基底266的。与图2B的过程相似，块262和基底266互相校准以使通过基底266上的微透镜的光功率最大化，这可以通过准直器250由光接收器212看到。按照如上所述的过程，一个已完成的准直器可用来校准下一个微透镜阵列基底，用下一个光纤阵列块产生下一个准直器。
图3显示的是如上所述使用SMC调整过程和步进调整过程完成的两个准直器的耦合损耗曲线。如图3所示，使用SMC光纤校准的一校准直器的最小耦合损失约1.5dB，其中一个准直器距离另外一个用相同方向校准的准直器5-6毫米。当完成的准直器距离另外一个准直器5-6毫米时，用前面完成的准直器去校准下一个已完成的准直器，可以减少0.6dB。但是，如果不是采用非常完美的主准直器，仍有可能对不准，因此头两三个准直器肯定要被废弃。进一步说，通过检测准直光束的校准过程对X、Y和Z轴的移动并不敏感，因为准直光束的一般宽度和校准在微米或亚微米级(在这种情况下，光束直径的典型值介于100-140微米之间)。
图4描述了用微透镜阵列基底406校准光纤阵列块402的另一个可选系统。光源414(如激光二极管)耦合到光学循环器416，光学循环器416再耦合到光接收器418(如光电探测器)。循环器416也耦合到保持在块402中的多根光纤401。块402通过夹具403耦合到自动校准器420。夹具403是用来接收和保持块402的。基底406通过夹具405固定到自动校准器420上。夹具405是用来接收和保持块406的。半反射镜422通过夹具411耦合到自动校准器420。夹具411是用来接收和保持半反射镜422的。电荷耦合器件(CCD)摄像机424通过夹具413耦合到自动校准器420。夹具413是用来接收和保持电荷耦合器件摄像机424的。采用此方法，自动校准器420可以在三维方向(X、Y和Z)调整块402、基底406、反射镜422和摄像机424之间的相对位置。
开始时，通过自动校准器420使块402和反射镜422接触，这样块402和反射镜422在θX和θY方向能够被校准而使传输光功率最大。这样将使块402和反射镜422平行放置。再沿着Z方向将反射镜422从块402移走。然后将基底406放于块402和反射镜422之间。光源414至少向光纤401最初的一条和最后的一条输出光束，这样使用摄像机424，通过基底406的微透镜，就能以肉眼检验照射位置，从而进行视觉校准。再将反射镜422和基底404放置在相距α的位置，这与微透镜和光腰点(高斯光束在这点上，波前曲率为零，且光束直径最小)之间的光程一致。接着用一束光进入光纤401，块402以及基底406上的微透镜，通过检查光接收器418收到的反射光功率来将它们校准。当校准效果最佳时，固定(如用光学胶)块402和夹具404就组成了一个阵列式光纤准直器。
图5说明了耦合损耗与上面描述的距离之间的关系曲线。微透镜表面没有涂抗反射(AR)膜时，镜像调整过程校准的两个准直器的耦合损耗最小为0.6dB。因此，微透镜表面如果涂抗反射(AR)膜，则耦合损耗一般会小于0.5dB。应当注意，准直精度从在X和Y轴方向的0.5-1微米范围提高到0.1微米，而θX、θY和θZ轴方向的精度从0.1度提高到0.01度。
再看图6，说明在一个通道校准之后，对于光纤阵列块和微透镜阵列基底，准直偏移作为时间函数的曲线。光损耗随时间而增加的主要原因是自动校准器上的夹具和支架的热膨胀和收缩、以及自动校准器的振动造成的。在用反射镜校准的过程中，反射镜和光纤阵列块校准处于平行位置，并这样放一段时间，此时反射镜在基底和块校准的时候，在一定范围内移动。在所有可用的商用仪器中都存在自动校准器的不稳定性。
如图7所示，影响各元件校准的另一个因素是自动校准器的旋转中心偏离块402的第一通道(CH1)和最后一个通道(CH6)的顶端以及反射镜422的表面。在一个典型的自动校准器中，基底406是固定的，移动反射镜422和块402以进行校准。但是，块402和反射镜422例如在θY轴方向移动时，第一通道和最后一个通道末端作为校准点，不仅要在θY轴、还要在X和Z轴方向移动。类似地，反射镜422移动到块402，此时块402在X轴向可以自动校准，但在Z轴仍然是未校准状态。
根据本发明的另外一个实施例，见图8，用哑模块826(最好是SiO2或玻璃块)代替图4中的反射镜422。哑模块826装到基底806的表面。如图所示，光纤阵列块802包括透镜隔离件828，透镜隔离件828(如用光学胶)结合到块802的表面，这样块802和隔离件828形成一个整体。因此，块802和隔离件828通过单个的夹具803就能够结合到自动校准器820上。同样地，哑模块826结合到基底806上，基底806又通过夹具805结合到自动校准器820上。CCD摄像机824也通过夹具813结合到自动校准器820上。光源814(如：激光二极管)通过光隔离器830提供一束光到光循环器816。光循环器816耦合到多根光纤801，光纤801保持在块802内，可用光耦合器代替光循环器416或816。最好将光束射入光纤801中的第一根光纤和光纤束801中的最后一根光纤，然后使用CCD摄像机824，通过基底806的微透镜以肉眼检验照射位置，来粗略地校准块802和基底806。经过基底806上的微透镜形成的准直光束，部分在哑模块826的表面进行反射，哑模块826的厚度最好对应于透镜表面和光腰点之间的光程。反射光经过光循环器816重新引入光纤并进入光接收器818(如：光电检测器)。通过检测第一通道和最后一个通道的光功率，来校准块802(包括隔离件828)和基底805(包括哑模块826)。也可以对每个通道进行检测。用这种方法，通过检测反射光功率，可以在全部的六个轴向(X，Y，Z，θX，θY，θZ)精确校准基底806和块802。适当校准后，将粘结剂(如紫外线(UV)光学胶)填到隔离件828和基底806的表面之间，构成一个一体的准直器。与前面所说的过程相比，这种过程的主要优点是固定在自动校准器上的部件数量将从3个减少到2个，这样可以获得更精确的准直效果。
图9列出了多条曲线，说明了使用图8的设置完成的多对准直器中，作为间距函数的耦合损耗。使用哑模块完成校准的准直器对的最小耦合损耗为0.4dB(菲涅尔反射损耗被忽略，但包括了连接损耗)。应当注意，Z轴方向上的准直精度从10-20微米的范围提高到1微米，这种方法适用于所有6个轴向。
上面描述的过程适用于很多种准直器的构造。例如，图10示出了一种阵列式光纤准直器1000，它包括一个哑模块1026，哑模块有一个斜面与微透镜阵列基底1006的倾斜面相匹配。调整哑模块1026表面的角度来补偿基底1006的倾斜，可以提供更精确的准直效果。如图11所示，一个带凸透镜或衍射透镜的准直器1100，可以包括用来校准的带没填满部分(如凹坑)的哑模块1126。如图12所示，当设计的准直光束偏离微透镜阵列基底1026的光轴几度时，背面为斜面的哑模块1226可更有利于精确校准。因此，与现有的构造技术相比，这里所说的多个过程，一般都会减少阵列式光纤准直器的损耗。
对于本领域技术人员来说，很显然，可以对本发明的优选实施例进行各种的改动而不会超出权利要求限定的本发明的精神或范围。