CN1171105C - 光学系统有源对准方法 - Google Patents

Abstract

一种光学系统有源对准方法，包括：将一对准构件与光具座连接；在与保持在所述对准构件上的光学元件相互作用之后，测量光学信号；一对准系统响应于光学信号与所述对准构件接合，并使所述对准构件变形，以便找到用于所述光学元件的期望位置；和在找到期望位置之后，所述对准系统与所述对准构件接合，并使所述对准构件发生塑性变形，这样，当所述对准系统与所述对准构件脱开时，所述对准构件的光学元件将位于期望位置。

Description

光学系统有源对准方法

相关的申请

本申请要求享有于1999年11月15日申请的美国临时申请No.60/165,431的申请日的利益，在此引入这篇美国临时申请的全部作为参考。

本申请还要求享有于2000年3月3日申请的美国临时申请No.60/186,925的申请日的利益，在此引入这篇美国临时申请的全部作为参考。

技术领域

本发明涉及一种光学系统有源对准方法。

背景技术

在半导体和/或基于微型机电系统(MEMS)的光学系统的制造方面，元件对准是至关重要的。光的基本性质要求生光元件、光传送元件和调光元件必须在相互之间被精确地定位，尤其是在自由空间光学系统中就更应如此，以便在光电或全光系统中能正确有效地起作用。半导体和微型机电系统的尺度大小特性要求具有亚微米的对准精度。

考虑这样一个具体的例子：把一个半导体二极管激光器，例如一个泵激光器，连接到一个单型纤维的纤维芯上。在喇曼(Raman)泵送系统中，只有连接到纤维芯内的动力源被用于光学地泵送一随后获得的纤维，例如掺有稀土的纤维或常规纤维。连接效率取决于激光输出面和芯轴之间的精确对这些系统被处于很宽的温度范围，购买者使用说明书可明确地要求温度周期测试。在发送之后，这些系统能被进一步地暴露于长期的温度周期和机械震动。

焊接连接和激光焊接是两种常用的安装技术。通过与位于要被对准的元件和与其相连的平台或基底之间的熔融的焊接接缝对准，就能实现光学元件的焊接连接。然后，该焊料被固化，从而“锁定”这种对准。在有些情况中，在焊料固化之前，向对准位置增加一个有意偏移，以便补偿在后面由于焊料固化收缩所引起的对准偏移。在激光焊接的情况中，例如，纤维被维持在一个夹子内，然后使夹子与半导体激光器对准，并被焊接入位。然后，该纤维也可以被进一步焊接到夹子上，使得沿着其它的轴形成对准。常常采用辅助焊接来补偿由于焊接本身造成的对准偏移，但是对于其它的焊接系统，绝对的补偿是不可能的。

此外，有两类常用的对准策略：有源的(active)和无源的(passive)。通常，在光学元件的无源对准中，把校准或对准特征被直接制造在元件或元件载体上以及安装这些元件的平台上。然后，把这些元件直接安装和连接到使用这些对准特征的平台上。在有源对准中，光学信号通过光学元件被传送，并对光学信号进行监测。根据传送特性来进行对准，以便使系统能获得最高的性能。

发明内容

常规的对准方法中的难题是需要非常的特殊机器来对准。而且，对准的过程非常慢。

现在已经有人建议在对准的过程中利用光学元件结构的塑性变形。然而，在已经提出的系统中仍然存在问题，如，它们在对准的过程中仅提供有限的运动范围，甚至是在最理想的条件下，结果也不是最理想的。

总而言之，根据本发明的一个发明，本发明涉及一种光学系统有源对准方法。该方法包括，一种光学系统有源对准方法，包括：将一对准构件与光具座连接；在与保持在所述对准构件上的光学元件相互作用之后，测量光学信号；一对准系统响应于光学信号与所述对准构件接合，并使所述对准构件变形，以便找到用于所述光学元件的期望位置；和在找到期望位置之后，所述对准系统与所述对准构件接合，并使所述对准构件发生塑性变形，这样，当所述对准系统与所述对准构件脱开时，所述对准构件的光学元件将位于期望位置。

本定位系统的有以下优点，即，常规的机器人/拾取和放置机器可用于定位变形结构，该变形结构使得该光学元件相对于其他光学元件具有很高的精确性，特别是在光通路的长度上。然而，要在垂直于该光通路的平面上定位该光学元件还是较困难。这是因为在该光学元件的该结构中的位置存在误差。而且，光信号的通路的实际位置可能并不知道，从而存在很大的误差，光信号在光具座上的长度也是如此。该变形结构的能力使得光学元件可以位于一个平面，该平面与光信号传播方向垂直，从而可以实现在对准过程中的光学元件的准确的对准。该对准使得在与光信号通路平行的通路上的降低最少。

下面将参照附图来更具体描述本发明的上述特征和其它特征包括各种新的具体的结构以及各部分的组合，以及本发明的其它优点，并且在权利要求书中被指出本发明的这些特征。应当知道，实施本发明的具体方法和装置是以描述的方式来说明的，本发明并不局限于这些具体的方法和装置。本发明的原理和特征可以在许多不同的实施例中采用，这并没有脱离本发明的范围。

附图说明

在附图中，在不同的视图中，相同的附图标记表示相同的部件。附图并不一定是按比例画的，附图只是着重于解释说明本发明的原理。在这些附图中：

图1是根据本发明第一实施例的安装和对准构件的立体示意图；

图2是第一实施例中的安装和对准构件的前视平面图；

图3A是表示根据本发明第二实施例的安装和对准构件的立体示意图；

图3B是表示第二实施例中的构件的尺寸大小的前视平面图；

图4是根据本发明第三实施例中的安装和对准构件的立体示意图；

图5A是表示本发明第四实施例中的安装和对准构件的前视平面图；

图5B是表示本发明的安装和对准构件的一个相关实施例的立体示意图；

图6是本发明第五实施例的安装和对准构件的前视平面图；

图7是根据本发明第六实施例的安装和对准构件的前视平面图；

图8是本发明第七实施例中的安装和对准构件的前视平面图；

图9和图10表示本发明第八和第九实施例的安装和对准构件；

图11是本发明第十实施例的安装和对准构件的前视平面图，其中，一些单独的构件被汇集到一个单一的基底上；

图12是本发明第十一实施例的安装和对准构件的平面图；

图13是表示本发明第十二实施例的安装和对准构件的平面图；

图14是本发明第十三实施例的用于无源部件对准的安装和对准构件的平面图；

图15A和图15B是表示本发明第十四实施例的安装和对准构件的前视平面图，用于把第二光学元件安装在另一个光学元件附近，图15C是一个零件分解的立体图，表示用于安装在第十五实施例上的微型机电系统过滤器；

图16A，16B，16C表示用于制造本发明的安装和对准构件的电镀和光刻方法；

图17A至17F表示用于制造安装和对准构件的方法，其中的安装和对准构件的一些构件部分沿z轴具有非固定不变的断面；

图18A和18B是表示把光学元件安装到安装和对准构件上以及把安装和对准构件安装到光具座上的方法步骤的立体示意图；

图19是一个立体示意图，表示根据本发明一激光器光学信号源，它把一光束连接到光学纤维内，光学纤维由安装和对准构件维持着；

图20是表示根据本发明的光学系统有源对准方法的方法流程图；

图21是一俯视的立体图，表示对准器的夹爪与安装和对准构件的手柄接合，使得构件在对准过程期间发生变形；

图22是一个曲线示意图，表示在竖直轴线上的作用力与光学响应是水平轴线上的位移接伸的函数，用于解释本发明的对准方法；

图23是沿着y轴的作用力作为位移的一个函数的曲线图，用于说明选择屈服力时的约束条件；

图24是表示本发明第十五实施例的复合构件的立体示意图；

图25是本发明第十六实施例的双材料的立体示意图；

图26是表示根据本发明的光学系统的生产线的示意图；

图27A，27B，27C是表示安装和对准构件的部分平面视图，表示出了对准沟槽的三种不同结构。

具体实施方式

安装和对准构件的结构

图1示例性地表示出了安装和对准构件，它是根据本发明的原理来构造的。

通常，对准构件100包括一个基底110，一个光学元件连接体112，左护板114A和右护板114B，该护板直接地或间接地把基底110与连接体112相连。

基底110包括一个侧向延伸的基底表面116。在图示的例子中，基底表面116大致在x和z轴形成的平面内延伸。

基底和基底表面具有对准特征。在某实施例中，这些特征最好用于与光具座的异性的对准特征相配合。在图中所示的具体的应用中，设备利用这些对准特征来配合光具座的对准特标记或特征。具体地说，这些对准特征包括一个宽的U形切口区域120。此外，还设置三个凹形的对准沟槽118，这三个对准沟槽在z轴方向上沿着构件的整个深度延伸。这个U形的切口区域120所增加的优点在于减小了接触面积，从而减小了在构件和光具座之间或与该光具座相连的其它表面之间的连接体中的应力。

在图示的应用中，护板114A，114B中的每块护板都包括两片段122和124。具体地说，例如，护板114B包括122B和124B两片段。

在图示实施例中，竖直延伸的，即至少部分在y轴方向上延伸的片段122A，122B沿其长度具有两个弯曲126A，126B。这些弯曲是在这些片段中的断面减小的区域，这些区域在z轴方向上延伸。竖直延伸的片段122有利于安装在沿x轴方向的连接体112上的光学元件的定位；弯曲126A，126B有利于所述片段122A，122B的在x轴和y轴形成的平面内转动。这些弯曲的目的是把微型结构变化例如发生塑性变形的区域分开，以便屈服力能被容易地预测。此外，这些弯曲使得变形集中在护板上，从而减小了在护板开始塑性变形之前光学元件中所需力或移动的大小。

在图示实施例中，水平延伸(即，在x轴方向上延伸)的片段124A，124B中的每一片段都包括两个弯曲128A，128B。这些弯曲也是对应片段中断面减小的区域，这些弯曲沿z轴延伸。

水平延伸的片段124A，124B允许对安装在大致沿y轴竖直延伸的光学元件连接体112上的光学元件进行定位。各个弯曲128A、128B有利于护板变形。

在一种应用中，光学元件与光学元件连接体112相连，更具体地说是与连接表面132相连。这种连接是通过聚合粘合剂连接或焊接连接来实现的。在另外的应用中，则采用了热压连接，激光焊接，反应性连接或其它连接方法。

在图示实施例中，元件连接体还包括构件-元件对准特征113。在图示实施例中，这个构件-元件对准特征是一些从元件连接表面132沿z轴方向延伸的槽。于是，光学元件的相应的外凸的凸起就与这些槽113接合，以便沿着x轴和y轴把光学元件定位且对准在光学端口134上。

在一些应用中，光学元件连接体具有一个端口134，以便使一光学信号能横向通过该构件。这使得能够通过促进光学信号传向光学元件和/或从光学元件离开，从而能光学地利用光学元件。

为了便于抓住和放置所述的构件100，最好还在该构件上设置一个手柄136。在图示实施例中，这个手柄136包括位于侧面的两个V形或U形的切口区域，并位于构件的顶部附近。在图示的例子中，它们与光学元件连接体112相结合。

手柄136使得在把构件100连接到光具座10上时能对该构件100进行操纵。具体地说，例如，右切口用于使构件向左移动。为了在竖直方向或在y轴方向上移动该构件，两个切口都使该构件朝光具座10压下或把该构件从光具座拉开。

为了进一步地便于在光具座上抓紧和安装，每块护板上设置翼状部分121A，121B。这些翼状部分由加热的真空夹具所使用，以便能对所述构件进行操纵，并在后面能用于加热，以便进行焊接连接。翼状部分121与基底表面116之间的短距离有利于良好地热传导。

图2是图1所示的第一实施例中的安装和对准构件的前视平面图。这个图中表示出了左护板114A和右护板114B的结构，并具体地表示出了这些护板是怎样由对应的水平延伸的片段124和竖直延伸的片段122来构成的。

图中还表示出了连接表面132的范围。通常，首先把一焊接材料附着到表面132上。然后，光学元件和/或构件被加热，并使它们相互接触，以便进行焊接连接。在其它一些实施例中，采用环氧树脂连接方法来连接，在这种连接方法中，首先把环氧树脂附着到表面132上。

图3A表示出了第二实施例中的安装和对准构件。这个实施例中共用与图1和图2所示的第一实施例中相同的附图标记。具体地说，安装表面116具有一些槽形的对准槽118，用于目视对准。

现在来描述护板114A，114B，与第一实施例类似，设置有竖直延伸的片段122A，122B。然而，在所述的安装和对准构件100的每侧的每个护板上设置有两个水平延伸的片段154，155。特别是，护板114B包括两个水平延伸的片段154B，155B，这两个片段154B，155B大致从竖直延伸的片段122B向光学元件连接体112延伸。特别是，一个连接片段158把两个水平延伸的片段154B，155B的末端与护板114B的竖直延伸的片段122B相连。

图3A中的第二实施例表示出了光学元件连接体112的另一种结构。具体地说，第二实施例中的光学连接体112具有一个V形或U形的切口区域或槽152，它穿过安装和对准构件100沿z轴方向延伸。这种开口槽结构允许图中F所示的纤维沿箭头159所示的竖直方向向下装入槽152内。在通常的应用中，纤维F在槽的底部与表面132相连。优选地是采用焊接连接，但也可以采用其它的连接方法例如环氧树脂连接。

在优选的实施例中，相对于护板的连接点位置而言，槽的深度被用于抵抗由所述纤维作用在构件上的z轴方向上的力所产生的振动。特别是，由z轴向上的力所产生的移动是不可避免的。然而，可以控制槽的深度，从而使得纤维不会因这些作用力而发生移动。

在另外一些实施例中，沿着箭头157施加作用力，使手柄136被接合且U形槽被压紧，从而固定住光学元件，例如固定住纤维。

图3B示例性地表示出本发明第三实施例中的尺寸大小。具体地说，图示实施例中的高度为1.1毫米(mm)。通常，这些构件的高度大于0.5mm，以便促进操纵。为了在标准的捆束中提供足够的间隙，这些构件的高度通常小于2.0mm。图中所示构件的宽度为1.9mm。对于这个宽度而言，该宽度最好大于0.5mm，以便而利于稳定地安装在光具座上。为了提供可接受的元件捆束密度以及元件之间的间隙，通常希望这个宽度w小于4mm。

图4表示出了第三实施例中的安装和对准构件100，该构件100具有许多与图1-3中所描述的类似的结构。它具有一个基底110和侧向延伸的基底表面116。此外，图中所示的第三实施例具有一个光学元件连接体112，该连接体具有一个光学端口152。在这个例子中，手柄136更加明显，它从连接体112向上竖直延伸。

在基底表面上设置V形对准特征210，用于与光具座中的互补配合的V形对准槽接合。

更显著的区别特征之一是护板114A和114B。每个护板并不具有平行于x轴和y轴延伸的片段，而是包括两个对角延伸的片段212，214，所述的片段212，214相互之间大致相交成直角。此外，护板没有分散的弯曲系统，而是沿着护板的长度具有相当恒定的断面。

此外，光学元件连接体112具有相对闭合的槽形光学元件安装槽152。在一个实施例中，一纤维被插入槽152内，然后把槽压紧，从而把纤维固定在该槽内。此外，手柄136被设置成沿竖直方向从光学元件连接体112延伸。在图中所示的例子中，手柄136在槽152的每一侧具有左延伸件和右延伸件。

与前面所描述相比，图4中的第三实施例的另一个区别在于使用了z轴弯曲。具体地说，基底110包括一个前板部分422和一个后板部分(图中未示)。因此，基底110是一个空盒结构。Z轴护板的使用使得当绕x轴或θ角方向以转动的方式施加应力时可以控制弯曲。

图5A表示出了这样一个实施例，其中，基底被分成两个单独的基底片段110A，110B，以便有利于构件-光具座连接体的稳定，而且可减小接触面，这些接触面产生不相称的应力。为了在制造这种构件期间，以及在把构件安装到光具座上期间，使这种装置更加牢固，且一根弹簧状的连接310把基底两半110A，110B连接起来。这个元件310在安装前被夹紧或有意地被压缩。

图5B表示出了一个相关的实施例，图中与前面所描述的相同的附图标记表示相同的部件。这个实施例的特点在于位于竖直延伸的片段126与水平延伸的片段124之间所形成的角是一个钝角。在一些应用中，这种结构有利于对准。

图6表示出了第五实施例，该实施例与图5中的第四实施例紧密相关。在此，光学元件连接体包括两个单独的被分开的片段112A，112B。在这个实施例中，把一光学元件例如一光学纤维插入位于所述连接体的两半112A，112B之间的空间区域。所述的两半112A，112B绕着纤维F被压紧。

图7表示第六实施例中的安装和对准构件。与前面所描述的实施例相比，这个实施例的特点在于护板114A，114B具有连续的弯曲，且横跨护板的长度分布。这些弯曲并不是设置在前面的一些实施例中所表示的一些特定的弯曲点处。在这个实施例中，护板作为会发生塑性变形的弯曲元件。

图8表示出了第八实施例中的安装和对准构件。这个实施例的特点在于护板114A，114B是相当刚硬的，从而使得它们可抵抗任何弯曲或塑性变形。具体地说，护板114A，114B没有象图1中所描述的分散的弯曲，也没有象图7中那样的连接的弯曲元件，而是该护板是相当厚的。于是，图8中的实施例通常被用于安装那些通过纤维输入而通过组件或捆束外侧的纤维。第七实施例可抵抗作用在例如维持在连接体112内的纤维F上的拉伸应力。

通常，第七实施例与第二安装和对准构件结合使用。第一安装和对准构件靠近纤维端部，并能在x，y平面内对准纤维端部。第七实施例的对准构件被用于减小通过纤维传递到用于纤维端部对准的构件上的应力。

图9表示第八实施例中，其中具有连续的弯曲114A，114B和光学连接体112，它适合用于光学元件而不是适合于光学纤维。具体地说，通过诸如焊接或环氧树脂粘接的连接方式把一镜子或透镜安装在光学连接体112上。端口134使得能够光学地利用这个光学元件，其中，光学信号被这个光学元件反射，或通过这个光学元件，从而能通过端口134。

图10表示出了第九实施例，其中，基底10是一个相当宽的单件式基底。

图11表示出了另一个实施例，其中，四个构件100A-100D被结合在一个公共基底110上。这个系统适用于固定光学元件，例如，用于固定四个物理平行的光通道或光路径的光学纤维。根据本发明，每根光学纤维都单独地与所述构件的单独的对准特征对准。然而，公共基底使得在一个拾取和放置步骤中，能够使构件/纤维进行多重的同时的无源对准。

图12表示出了根据本发明第十一实施例中的非侧向对称的安装和对准构件。它包括一个基底110和一个从基底竖直延伸的护板114。护板包括一个竖直片段122和一个水平延伸的片段124。水平延伸的片段124终止于一元件连接体112。一个手柄136从这个连接体竖直地延伸。

图13表示出了根据本发明第十二实施的非侧向对称的安装和对准构件。在这个例子中，基底110沿竖直的y轴方向延伸，因此，该基底可以被连接到一个组件或另一个安装和对准构件的一个侧壁上。它还具有一个水平延伸的护板114和一个元件连接体112，适合用于把一纤维同心地固定在中央或抵靠着一纤维，以便更好地对准。

图14是表示专门用于光学元件无源安装的安装构件的平面视图。具体地说，这个第十三实施例具有一个基底112和一相结合的光学元件连接体112。它还具有一个端口134，使得能利用这个光学元件。这个实施例没有护板，因此只适用于小的对准移动。这个实施例大多在水平或竖直定位不是至关重要时被用于固定光学元件，例如，固定一一些系统中的折镜。

图15A表示用于在当前的应用中用于安装相当大的微型机电系统过滤器装置的安装和对准构件。

具体地说，第十四实施例中的安装和对准构件具有一个分开的基底110A，110B。从每个基底延伸出对应的护板114A，114B。每块护板包括竖直延伸的片段122A，122B和水平延伸的片段124A，124B。光学元件连接体112相当大，并被用于例如对安装到安装表面132上的光学元件进行固定。在这个实施例中，手柄136与所述连接体相结合。

图15B表示第十四实施例中的对准构件100B与前面所描述的其中一个对准构件100A的结合使用。在典型的安装和对准中，首先把安装和对准构件100A安装在一个光具座10上。然后，在一个有源对准过程中对准构件最好发生变形，从而使得光学元件相对于光通路被正确定位。然后，在对准由安装和对准构件100A所固定的光学元件之后，安装构件100B被安装上它自己的光学元件。然后，在一个例如有源对准过程中进行调节这个第二对准构件100B，从而把这第二对准构件100B正确地定位在光通路中。对准构件100A和100B之间的大小差别使得即使把光学元件相互靠近地安装在光具座10上也可以对它们各自的光学元件进行一系列的对准。

安装构件的制造

图16A-16C是在制造过程中的安装和对准构件100的剖面图。

具体地说，如图16A所示的那样，一个厚的PMMA阻挡层414被连接到一基片410上的活化/释放层412上。

PMMA层414的深度决定了在后面制造的安装和对准构件的准挤压片段的最大厚度。于是，所述的这个深度决定了相对于沿z轴的作用力的安装和对准构件的刚度。在优选实施例中，安装和对准构件的深度和所导致的沿z轴的厚度在500至1000微米的范围内。较厚的构件通常被用于拉伸释放型构件。根据本发明，这些构件和PMMA层的深度的为2000微米，用于制造相同厚度的构件。

图16B表示出了安装和对准构件100的下一个制造步骤。具体地说，通过使厚的PMMA阻挡层暴露于校准的x光，从而在该厚的PMMA阻挡层上形成纹槽。具体地说，把一屏罩416放置诸如同步加速器的x光源与PMMA层414之间，所述的屏罩可以是正性或负性屏罩，并具有所述构件所需要的纹槽。然后，把PMMA层414制造成如图16B所示的带纹槽的层414A。

图16C表示安装构件100的准挤压片段的制造。具体地说，在这个优选的实施例中，通过电镀来形成准挤压片段。根据本实施例，优选的电镀金属是镍。在其它实施例中采用镍合金，例如镍-铁合金。在另外一些实施例中也可采用金或金的合金。目前，可选择使用的金属和合金包括：银，银合金，镍铜，镍钴以及装有用于固定微型结构的胶质氧化物颗粒的合金。

图17A-17F表示前面参照图4所描述的制造z轴弯曲422的制造过程。具体地说，如图17A所示，在形成安装和对准构件的准挤压片段之后，把基片410从活化层412上移去。然后，为z轴弯曲422的一板覆盖附加的阻光层420，然后象图17B那样被形成纹槽。然后，进行另外的电镀步骤，以便把z轴弯曲422的板制造到已有断面固定不变的断面100上。

在图17D中，形成第二阻光层，然后在构件100和第一PMMA层414的反面形成纹槽。通过活化层412进行蚀刻。执行另一个电镀步骤，并象图17E所示的那样制造z轴弯曲428的第二板。然后，如图17F所示那样，除去剩余的阻光层424、活化层412和PMMA层414，从而留下如图所示的空盒形状的构件。这个盒形构件形成图4中的安装和对准构件的底部基底片段422。

安装构件-光学元件光具座安装

图18A表示把光学元件安装到光具座10上的方法步骤。

光具座最好由机械方面牢固的、化学方面稳定的、温度稳定的材料来制造，例如采用这些材料：硅，氧化铍，氮化铝，铝硅碳化物，铍铜。例如，通常是采用覆有金或金的合金的金属或陶瓷。

具体地说，在步骤450中，光学元件20被安装在第一安装和对准构件100-1上。特别是，光学元件20最好与安装和对准构件100-1相连接。在优选的实施例中，采用焊接连接，其中，首先把焊料附着到光学元件的周边和/或光学元件连接体112的连接表面132上。然后，使光学元件与构件的元件连接体112的安装表面132接触。然后把焊料熔化，并使其可以固化。

此外，在优选实施例中，在光学元件20和所述连接体112中的正补配合的对准特征有利于元件20和构件100-1之间的对准和正确安装。具体地说，在构件的连接体上形成一些对准槽113(见图1和图2)。光学元件20上的标记或凸起与这些槽113接合，以便确保能重复地把元件20安装在构件100-1上。

在其它一些实施例中，利用环氧树脂或其它粘接剂把元件20连接到构件上。

然后，在构件-光具座安装步骤452中，使构件100-1与光具座10接触并连接到光具座上。在优选的实施例中，采用焊接连接，其中，光具座被固定在一个拾取和放置设备的一加热夹具中，同时使被预热的构件与光具座接触。然后把热除去，以便使焊料固化。

在图中所示的对准构件100-2，对于其它的光学元件而言，这些安装步骤被倒过来。在这个例子中，在构件-光具座连接步骤中，安装和对准构件100-2接触并连接到光具座上。然后，使光学纤维座落在安装和对准构件100-2的U形端口152中。然后，纤维与连接体的连接表面132相连，或把U形槽压紧从而把纤维固定在U形端口的底部。于是，就把纤维端面EF固定到光学元件附近的光具座上，这些光学元件例如为由构件100-1固定的薄膜过滤器或镜子20。

图18B还表示出了把微型机电系统型的光学元件安装到光具座10上的方法步骤。具体地说，在这个实施例中，首先在第一连接步骤中把一个前镜子470连接到微型机电系统装置472的反射膜片上。然后，在第二连接步骤476中把微型机电系统装置472与对准构件100相连接。然后，在光具座-连接步骤478中，把复合的微型机电系统/构件连接到光具座10上。

在对准中安装结构的变形

图19是根据本发明制造出来的光学纤维激光器光学信号源系统的立体示意图。具体地说，激光源系统610包括安装在一混合基底614上的一激光芯片612。通常，这个基底支撑着与芯片612的连接，并还可以包括一个热电冷却器，用于保持芯片612的工作温度。混合基底614又被安装在光具座10上的芯片612的后面，以便监测后面的光，从而监测激光芯片612的操作。

从芯片612的前面618发出的光线由一过滤器收集，以便传送到光学系统610的外部。在一种应用中，纤维F中的光线传送通常被用于光学地泵送一获得纤维(gain fiber)，例如掺有稀土的纤维或喇曼泵送装置中的标准纤维。在另外的一些应用中，根据信息信号来调节激光芯片，因此，纤维把光学信息信号传送到一个遥测器。在另外一些应用中，以CW模式来操作激光芯片612，利用单独的调节器例如Mach-Zehnder干涉仪来进行调节。

根据本发明，一个光学元件安装和对准构件100被安装在捆束基底622的光具座部分10上。如前所述，光具座具有一些对准特征620，例如，这些对准特征620与在前面参照图1所描述的安装和对准构件100的基底表面上的异性互补的对准特征相配合。

此外，如在前面所描述的那样，纤维F被安装在U形端口152中，该端口152是安装和对准构件100的光学元件连接体112的一部分。

图20是一个流程图，表示象图19所示那样制造光学信号源的过程中，用于可变形的光学元件安装构件的有源对准的过程。

具体地说，在步骤650中，在拾取和放置及连接的过程中把一激光模具614和对准构件100安装到光具座10上。具体地说，一个拾取和放置的机器人利用无源对准把模具614和对准构件100定位在光具座10上。实现这个对准过程最好利用机器观察技术和/或光具座10、安装和对准构件100和模具614中的对准特征，或明确地相对于光具座10/组件622的限定的座标来实现。

在步骤652中，一旦激光混合器614和构件100被连接到光具座10上，就把线连接到该激光混合器上。然后，在步骤654中，激光芯片612被通电，以便判断激光器是否正常工作。

如果激光器不正常工作，那么，就在步骤656中舍去这个光学系统。

然而，如果654中判断出激光器正常工作，那么，就在步骤658中把光具座移动到生产系统的对准弯曲上。

步骤660中，把纤维F插入光学元件连接体的U形端口152内，并连接在那儿。在优选的实施例中，纤维被焊接到连接表面132上。

在步骤664中，对准系统抓住或接合所述的安装和对准构件100，使得安装和对准构件100根据由纤维从激光芯片612传送的信号的强度或大小而发生变形。

图21表示出了对准系统和安装和对准构件100之间的接合，以便对准纤维F。具体地说，两个夹爪710A、710B与安装和对准构件100的手柄136接合，然后，移动这个安装和对准构件，使得纤维在x-y平面内移动，所述的x-y平面垂直于纤维F的轴线。同时，对纤维输送的信号的大小进行监测，直到在图20中的步骤666中监测到最大的信号为止。应当注意到这样一个事实，即，手柄136的右切口和左切口使得系统的夹爪能根据需要拉动和推动所述构件，使所述构件移向光具座10或从该光具座移开，以便获得优良的对准。

参照图20，一旦在步骤666中监测到最大的信号，所述的对准系统就使安装和对准构件100进一步地变形，从而当安装和对准构件被释放时，它能弹性地压回到步骤666中所监测的期望对准位置。也就是说，这个安装和对准构件发生塑性变形，从而使得当对准系统的夹爪710A，710B从安装和对准构件100脱开时，它具有良好的对准。

如果在随后的步骤670中判断出光学元件即所述的纤维不在与最大连接相关的位置时，就再执行变形步骤668，直到所述的位置位于可接受的误差内。

图22是表示对准过程的曲线图。具体地说，连接到光学纤维内的连接效率或曲线图形是光学纤维位移的一个函数。特别是，当纤维位于最佳的对准位置并落到这个位置的每一侧时，连接效率到达最大。

图22还表示出了在对准过程的几个步骤期间作为位移或拉伸的一个函数的作用力或应力。具体地说，在第一阶段710中，作用力施加在安装和对准构件上，从而安装和对准构件发生弹性变形。在这个区域，在y轴上的作用力与x轴上的或拉伸之间具有大致线性的相互关系。然而，一旦超过屈服力的值，该安装和对准构件100就发生图中线720所示的塑性变形。这种塑性变形导致安装和对准构件的永久变形。

当作用力被除去时，安装和对准构件就发生弹性“压回”，如图中的阶段722所示。也就是说，当作用力被除去时，构件就发生弹性移动。然而，由于超过了屈服力的值，因此，安装和对准构件就发生了永久变形，该永久变形的距离如图中距离Δ₁所示。

即使发生了这种塑性变形，纤维也仍然不在最佳对准位置。于是，就进行另一循环的塑性变形。具体地说，施加作用力，使得安装和对准构件发生弹性变形，如图中线724所示。一旦第二次超过新的屈服力的值，它就发生如图中线726所示的塑性变形。由于工件硬化，在这个第二对准循环期间屈服力增大。然后把作用力除去，于是安装和对准构件发生如图中线728所示的弹性压回。

由于超过了屈服力，因此这个第二塑性变形阶段就会导致朝向最佳的对准位置移动Δ₂。

然而，如果要获得优化的对准，那么就必须进行更多的塑性变形。具体地说，在阶段730中再进行弹性变形，直到达到屈服力为止。然后，进行小量的塑性变形，如图中线732所示。把作用力除去，安装和对准构件就压回到最佳位置，如图中线734所示。

插图表示出了在对准过程中的优良曲线。在每一塑性变形循环期间，位置经过了最佳对准位置，但是，在除去作用力之后，弹性压回把它拉出最佳位置。在第二变形循环期间，又经过并超过了最佳位置。然而，一旦把作用力除去，这个第二循环就改善了所述的对准。最后，在第三循环中使纤维进入最佳的对准位置。

安装结构设计标准

图23是一个函数曲线图，表示作用力F_Y是位移的一个函数，它是根据本发明设计给定应用的护板所采用的。屈服力是指所述构件从弹性变形状态开始变为塑性变形时的作用力。

在F_Y(1200)处的下限是由环境震动即加速度的影响，以及受在操纵期间安装构件可能受的作用力的影响。一些规定要求光学系统能承受5000g的震动试验。通常，在一些光学元件中要求大于0.5牛顿的屈服力。然而，随着元件的大小和质量的减小，这个数值可以被减小。如果没有最小屈服力的限制，在操作处理期间所产生的不可避免的作用力就会造成所述弯曲接头的塑性变形，其中所述的操作处理包括：制造，热处理，电镀，拾取和放置，对准，捆束以及其它过程。更严重地是，任何震动都会使已对准的系统变得不对准了，从而不能实现本发明的其中一个发明目的。

在F_Y(1250)处的上限受三个因素的影响。其一，造成护板或弯曲的塑性变形所需的作用力必须不高到会减弱或破坏安装构件和基底之间的连接的程度。其二，屈服力必须不高到会在施加所述作用力的微型操作器中造成显著的弹性变形。其三，使所述的护板或弯曲发生变形所需的作用力必须不高到会破坏结合形成的安装构件的其它部分。

除了限制护板的屈服力之外，最好还限制为了达到所述屈服点所需的位移的多少。下限(线1300)首先由构件的物理范围所确定的。如果有足够的塑性变形范围来达到对准的位置，那么就只根据需要来使安装构件起作用。通常，需要对准构件能使光学元件能移动或位移0至50微米。通常的对准算法要求在光学元件的位置中能屈服4至5微米移动的塑性变形，以便实现对准。对最小刚度的限制是由对准算法能接受的“过调节(overshoot)”量来确定的。如果这些构件太有弹性，那么，它们必须被挤压超过期望对准点一长的距离，以便能进行小量的对准调节。

最后的限制是所述弯曲的最大刚度(线1350)。如果工件变硬不成问题，那么，对于最大刚度就没有限制(当然除了材料限制)。然而，采用镍和镍合金时，就发会生工件变硬。因此，要选择刚度的上限，使得即使在寻找正确的对准期间由连续的塑性变形循环所产生的工件变硬的情况下，也不超过线1250。

在优选的实施例中，F_Y，_y，即在y轴方向的屈服力，小于3牛顿(N)，通常是在0.2和1牛顿之间。沿着x轴的力，F_Y，_x同样被限制成小于约3牛顿，通常是在0.2和1牛顿之间。如果采用更小的光学元件，那么也可以采用0.2牛顿以下的屈服力。然而，这些下限与光学元件质量有关。构件必须限制这些质量，使得不会发生不期望有的塑性变形。因此，在以后的产品中，元件越小，屈服力就有可能越低。

相比较而言，为了促进只在x-y平面的对准，z轴方向上的屈服力即F_Y，z或F_Y，θ会更大。优选地是，F_Y，z或F_Y，θ大于5牛顿或10牛顿。此外，尤其是在用于把纤维尾端固定到光具座上的对准构件中。热膨胀不一致会导致在纤维上产生应力。因此，目的是要把这些构件设计成使得所述的应力在纤维端面中产生的移动尽可能小。尤其是要通过选择把护板连接到纤维元件连接体上的连接位置，使得这些构件能平衡，从而避免任何的震动。

另外的实施例

图24表示出了本发明的另一个实施例，其中，构件100是由一个挤压形部分101与两个z轴弯曲片段102组成的复合体。其中的挤压形部分101沿z轴具有固定不变的断面，其中的弯曲片段102控制着绕x轴或在角Θ_x方向上的转动，从而确定沿z轴力元件的阻力。优选地是，z轴弯曲片段102被分开制造，并被连接到片段101的基底表面上。然后，把基底表面连接到光具座上。

图25是本发明提供的安装构件的一个例子，其中，在安装构件中采用两种不同的材料(如图中“A”和“B”所示)，以便减小由于构件的热膨胀和/或收缩所造成的光轴位置的任何变化。在一个例子中，结合构件区域的设计，选择“A”材料，以便在温度变化时使“A”材料向上膨胀。选择“B”材料和它对应的安装设计特征，使得在温度变化时而能向下膨胀。这些反向的膨胀趋势会产生补偿作用，使得在工作温度的范围上，构件几何形状以及位置具有稳定性。

光学系统的生产线

图26示意性地表示出了根据本发明原理的制造光学系统的制造顺序。通常，制造过程包括精确拾取和放置，从而把光学元件进行定位，且精度在10微米之内，在优选实施例中，这个精度在2微米之内，然后，进行有源对准，在所述的有源对准中，元件的位置被调节成具有约1微米的精度，优选的精度是1微米以内。

具体地说，提供一个对准构件供给源2010，例如一个胶质包或其它的可适于机器观察的维持器，并沿着一个类似结构的光学元件供给源2012设置。

每个供给源由一个拾取和放置机器2014来操纵。具体地说，所述的拾取和放置机器把光学元件附着到对准构件上，并且连接这些光学元件。通常，对准构件和/或光学元件被涂有焊料层，或采用焊料形式。拾取和放置机器加热对准构件和光学元件，并把使它们相互接触，然后使对焊料进行熔化以及固化。

在这个实施例中，所用的拾取和放置机器是由法国的Karl Süss制造的FC-150或FC-250型的机器。这些拾取和放置机器具有一个用于拾起所述光学元件的真空吸盘和一个用于固定所述对准构件的固定器。

对准构件和附带的光学元件被输送到一个分开的相同的拾取和放置机器上，该拾取和放置机器能利用光具座供给源2018。在第二次拾取和放置操作中，拾取和放置机器2016把光具座固定在真空吸盘或固定器上，然后利用它的真空吸盘把对准构件和光学元件附着到光具座上。然后，对光具座和构件进行加热，以便进行焊接连接。此外，通过光具座的对准特征与安装构件的对准特征的相互配合，就能获得精度小于5微米的布置。在优选的实施例中，这些构件被定位在光具座上，在生产环境中，精度达2至3微米以内。

在优选的实施例中，光具座和所附带的对准构件被输送到一个对准系统上。这个对准系统2020具有夹爪710A，710B，该夹爪抓紧对准构件100的手柄，以便进行对准。在优选的实施中，这个对准是有源对准，其中，光信号2022的大小由监测器2024监测。对准构件100被操纵和变形，直到监测器2024监测到的光学信号2022达到最大为止。优选地是，利用一些对准搜索策略，例如爬山式方法或螺旋式搜索方法。

在其它情况中，例如，当把光学纤维安装到光具座10上时，首先安装对准构件，而没有利用拾取和放置机器2016来附着上光学纤维。然后，在对准系统中，通过组件中的一个纤维输送器来输送纤维，并把纤维连接例如焊接到对准构件100上。然后，对准系统该构件，实现对准。

一旦被对准，就把光具座和组件传送到一个封盖操作器2026，如果需要的话，就在封盖操作器2026处执行最后的制造步骤，例如封盖和烘干。

图27A，27B，27C表示出了图1中所介绍的对准槽118的三种不同的结构。

图27A所示的结构虽然最简单，但是，当基底表面被预先覆盖有焊料或其它粘接剂时，这种结构在采用机器观察方面会存在一些缺陷。焊料会填入一些皱痕中，从而使得槽的边缘更平滑，这会降低根据所述特征而进行的对准的精度。

图27B和27C表示出了在所述的对准特征中，槽具有一些内腔，这就使得即使在覆上焊料层之后也能容易地识别边缘118A。所形成的这些显著的边缘特征使得即使在覆上外层之后，也能在安装光具座期间容易地进行对准。

尽管已经参照本发明的一些优选实施例来描述了本发明，并具体用图来表示了本发明，但是，应当知道，本领域普通技术人员在不脱离由所附的权利要求所限定的本发明的范围的情况下还可以对本发明的形式和具体细节方面作出各种改变。

Claims (3)

1、一种光学系统有源对准方法，包括：

将一对准构件与光具座连接；

在与保持在所述对准构件上的光学元件相互作用之后，测量光学信号；

一对准系统响应于光学信号与所述对准构件接合，并使所述对准构件变形，以便找到用于所述光学元件的期望位置；和

在找到期望位置之后，所述对准系统与所述对准构件接合，并使所述对准构件发生塑性变形，这样，当所述对准系统与所述对准构件脱开时，所述对准构件的光学元件将位于期望位置。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述与对准构件接合并使所述对准构件发生塑性变形的步骤包括：使所述对准构件发生变形并超过用于光学元件的期望位置，以便通过对准系统对所述构件脱开之后构件所产生的弹性移动进行补偿。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述与对准构件接合并使所述对准构件发生塑性变形以便将光学元件定位在期望位置的步骤包括：在一平面内移动光学元件，该平面垂直于在光学元件内的光信号的传播方向，同时沿一平行于光信号的传播方向的轴把所述光学元件保持在一位置。

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