光学封装件对齐系统及协议的制作方法

xiaoxiao2020-7-2  2

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专利名称:光学封装件对齐系统及协议的制作方法
光学封装件对齐系统及协议
背景技术
本申请要求于2009年11月20日提交的、申请系列号为12/622,742、标题为 “Optical Package Alignment Systems and Protocols (光学对齐系统和协议)”的美国专 利申请的优先权。本发明的实施例总体上涉及诸如变频式光学封装件等光学组件中的部件之间的 对齐操作。更具体地,本发明的实施例涉及变频式光学封装件中的光学部件之间的对齐操 作,该对齐操作便于将激光器的输出光束与波长转换装置的波导输入对齐。

发明内容
本发明者已经认识到变频式光学封装件的一个或多个光学部件、诸如合成绿激光 源等需要极其精确的定位。在许多合成绿激光源中,使用包括诸如Mg-0掺杂周期性极化铌 酸锂(PPLN)晶体等非线性光学晶体的波长转换装置将激光器发射的红外光转换成可见绿 光。所述非线性光学晶体采用微米级的波导结构以限制及导引其中的光能量,并且具体地, 在光学封装件组装期间,激光器的输出光束应与位于所述晶体输入面处的波导部对齐。本 发明的实施例也涉及使用产生更高数量级谐波的光学封装件。根据本发明的一个实施例,提供了在光学封装件中定位光学单元的方法。根据该 方法,提供了部分组装的光学封装件。在该光学封装件中的波长转换装置包括其中形成有 波导部分的转换层。在光学封装件中将该光学单元进行粗定位,将光从激光二极管导引到 波长转换装置,在波长转换装置的输入面上形成束斑。当修改该光学单元的位置以沿横轴 Y:的一部分对该束斑进行1D扫描时,监测从波长转换装置输出的变频光学信号的强度,其 中,横轴Y1与波长转换装置的转换层的平面投影相交。随后,将横轴¥1偏移,且当沿偏移 后的横轴\对该束斑进行1D扫描时,重复该监测强度步骤。重复该过程直到1D扫描过程 中所检测的强度达到或超过横向阈值,此时,通过参照所监测强度的各强度分布而确定最 优横向轴Y*和沿最优横向轴Y*的相应最优横向坐标1。随后,当修改光学单元的位置以沿 一条或多条交叉轴(intersecting axis)的一部分对束斑进行1D扫描时,通过监测从波长 转换装置输出的变频光学信号强度而确定一整组最优坐标x、1、z,所述交叉轴中的一条与 最优横向轴Y*相交。根据本发明的另一实施例,提供了在光学封装件中定位光学单元的方法。根据该 方法,提供了部分组装的光学封装件,并且将该光学封装件中的光学单元粗定位,将光从激 光二极管导引到波长转换装置,在波长转换装置的输入面上形成束斑。当修改光学单元的 位置以将束斑移动到波长转换装置的输入面上的多处不同位置时,监测从波长转换装置中 输出的变频光学信号的强度。通过参照所监测的变频光学信号强度而确定在光学单元非平 行运动方向上的最优坐标X、1、Z。随后,当对最优坐标X、y、Z进行增量调整时,通过监测 从波长转换装置输出的本征(native)频率光学信号的强度,对最优坐标x、y、z进行本征修 正。本文公开并申请保护了其它实施例。
附图的简要说明结合附图进行阅读,可以最好地理解在本申请中公开的以下具体实施方式
,附图 中,相同的附图标记表示相同的结构,其中,图I示出了一种折叠光路光学封装件;图2示意性地示出了一种光学构造,该光学构造适于便于光学单元定位于折叠光 路光学封装件中;图3示意性地示出了将光学单元定位于光学封装件中的一种方式;图4示出了表示所监测强度P的强度分布的例子,其中,所监测强度P是横轴Y1的 y分量的函数;图5和图6示出了不同转换装置的方向以及与之关联的横轴和交叉轴;图7示出了单向光路光学封装件;以及图8示意性地示出了一种光学构造,该光学构造适于便于光学单元定位于包括单 向光路的光学封装件中。
具体实施例方式首先参照

图1-3,图中示出了在折叠光路光学封装件100耦接到对齐组件200的 情况下在光学封装件中定位光学单元的各种方法。一般地,光学封装件100包括光学单元 10,如果光学封装件100是折叠光路的,那么光学单元10包括透镜部件12和反射表面14, 透镜部件12和反射表面14配合以限定从激光二极管20延伸到波长转换装置30的折叠光 路。工作中,可以通过合适的致动器控制反射表面14,以控制波长转换装置30的输入面32 上束斑的位置。对齐组件200提供XYZ定位台210,XYZ定位台210支承感测头220,对齐组件200 还包括基座215,光学封装件100能够安装在该基座215上。感应头220包括聚焦透镜221、 波长选择分束镜222、光学带通滤波器223、吸收滤波器224、变频光学探测器225、本征波长 探测器226以及相应的光圈227、228,下面将对以上各种器件进行详细描述。XYZ定位台210操作上方便光学封装件100和感测头220的初始对齐。该对齐过 程可以根据各种常规的或者尚待开发的程序来执行。例如,根据一个设想的程序,在感测 头220和基座215对齐的过程中,对支承感测头220的定位台210仅调整一次,然后将其固 定在合适的位置一直到该机器寿命终止。为达到此目的,基座215应当用螺栓连接或其它 方式紧固到与之关联的光学台205,并且机械地指示翻转和倾斜(mechanically indicated in for tip and tilt)。该对齐步骤的目的是将基座215对齐,使得如果将完全对齐的光 学封装件安装到其上,发射筒的中央射线将会与光学台205成角度地对齐。典型地,仅使用 千分表来完成此对齐过程,即不需要使用实际激光器。感测头220应以同样的方式螺栓连 接到XYZ台210,并且机械地指示翻转和倾斜。然后,提供产生相对少量绿光(<5mW)的成品激光器,并暂时将变频光学探测器 225和光圈227从光路中移除。使用XYZ台210粗定位感测头220的位置,直到大约直径 为5_的绿斑处于该感测头输出部的中心。随后,将探测器225和500 μ m的光圈227暂时 安装在光路中,并且使用XYZ台210来精调感测头220的位置,以使探测器225处的接收信 号最大,此时可以将XYZ台210锁定就位,并且由永久使用的5mm光圈227代替暂时使用的500 u m的光圈。在实施本发明定位方法时,光学封装件100设置为部分组装状态,同时所关注光 学单元的最终位置处于待确定的状态。在图1-3所示的实施例中,光学单元10包括透镜部 件12和反射表面14 ;然而,应当考虑到,光学单元10可以包括更多的光学部件或者只包括 一个光学部件。反射表面14以及与之关联的透镜部件12的结构和操作不在本发明的范围, 且可以从诸如US2009-0190131 A1等涉及该主题的多种常规公开出版物中收集到。任何情 况下,所关注光学单元在光学封装件100中的准确位置将会影响波长转换装置30的输入面 32上的激光二极管束斑的位置。如图4和图5所示,本发明的方法特别适于组装使用波长转换装置30的光学封装 件,波长转换装置30包括在波长转换装置30的输入面32和波长转换装置30的输出面34 之间延伸的转换层35。转换层35被构造成将波导部分36限定在其中,且在操作中,转换层 可以采用各种形式。例如,如图4和图5示意性示出的且在US 2009/0231680 A1中更详细 示出的,转换层35可以形成波长转换装置30的中间层。可替换地,参照与US 7,295,742 B2公开的构造类似的转换装置的构造,转换层可以形成波长转换装置30的表面层。在诸多 情况下,波导部分36的材料成分与转换层其余部分的材料成分难以区分清楚。为进一步说明波长转换装置30的特性,而又不限于超出权利要求所引用的本发 明的范围,应当注意的是,转换层35可以在波长转换装置30的整个输入面32延伸,或者至 少在输入面32的大部分横向尺寸上延伸。在诸多实施例中,转换层35在输入面32的横向 上至少延伸100 u m。另外,波长转换装置30的输入面32和输出面34通常包括在其上形 成的波长选择涂层、反射涂层或吸收涂层,且由此,转换层35可以直接或间接地从波长转 换装置30的输入面32延伸,并直接或间接地延伸到波长转换装置30的输出面34,如变频 激光源领域中所公认的。也应当注意到,转换层35和波长转换装置30的其余部分可以采 用各种形式,包括但不限于选自于铌酸锂或钽酸锂或其它非线性光学材料的铁电单晶体材 料,所有这些材料在本领域中都有相关记载。根据本发明的方法,首先将光学单元10在光学封装件100中进行粗定位,以将来 自激光二极管20的激光导引到波长转换装置30,成为波长转换装置30的输入面32上的束 斑。可以使用任何合适的定位装置40实现该粗定位,定位装置40包括例如借助于视觉系 统或参照固定坐标而将光学单元10定位于光学封装件100中的致动机构,所述固定坐标相 对于由光学封装件100限定的参照系取得。应当考虑的是,这些类型的定位装置40的拾取 和放置精度能够容易地达到一组最优定位坐标x、y、z的大约± 100 y m以内。粗定位完成后,当修改光学单元10的位置以沿横轴t的一部分对束斑进行1D扫 描时,可以使用感测头220来监测来自波长转换装置30的变频光学输出信号的强度,所述 横轴t与转换层35的平面投影相交。图3示意性地示出了所述1D扫描、横轴t和相应的 转换层35。图4示出了表示所检测强度P的强度分布的例子,所检测强度P是横轴t的y 分量的函数,其包括在Y方向上光学单元10的最佳y位置附近的强度峰值。典型地,束斑 的1D扫描过程中所经过的横轴部分延伸的距离足以包含粗定位操作的精度,如至少大约 200 ym。为使定位过程的持续时间最少,在横轴¥1上的1D扫描大致等于或仅稍大于拾取 和放置精度的整个范围,即不大于几百微米。如图4所示,该强度分布表示作为横轴t的y分量的函数的所检测强度,其示出了光学单元10在Y方向上的最佳y位置附近的强度峰值,尽管光学单元10的、沿图3所示交 叉轴X’、Z的x和y坐标尚未被最优化。由此,当沿横轴t然后沿横轴t扫描束斑时所检测 到的变频光学信号的强度分布表示作为沿横轴的束斑位置分量(positional component) 的函数的信号强度。实际上,如图2所示,可以通过使用感测头220监测从波长转换装置30输出的变 频光学信号的强度来分离变频光学信号中的有用波长。为达到此目的,感测头220包括聚 焦透镜221、波长选择分束器222、光学带通滤波器223、吸收滤波器224、变频光学探测器 225、本征波长探测器226和相应的光圈227、228。聚焦透镜221可以涂覆用于变频波长的 防反射膜,如当使用变频绿激光源的情况下,可以AR涂覆用于530nm光的膜。带通滤波器 223被构造成通过相对狭窄的变频光带(如大约10nm的滤波宽度),并以反射的方式排除用 于毫微瓦分辨率变频光的本征光。该反射滤波器放置于聚焦透镜221和吸收滤波器224之 间,以确保小于lmW的本征光传输通过,到达吸收滤波器224,吸收滤波器224吸收本征波 长。带通滤波器223也用以排除大量的环境光,使得该系统对环境光不敏感,并且不需要使 用专门的覆盖物。探测器225、226可以是多种常规或尚待开发的设计中的任一种,其中包 括但不限于用于毫微瓦分辨率本征光和变频光的娃光电二极管和放大器。根据本发明的一个实施例,监测由波长转换装置30输出的变频光学信号的强度, 并且波长调制激光二极管20以及使用电子低通滤波器以按时间平均所监测强度。根据该 实施例,在对齐过程中,可以控制激光二极管20以使其在全波长调谐范围内工作。这是通 过驱动固定电流的增益端口(gain section)并将正弦调制(如0到110mA的电流,lKHz频 率)应用到诸如DBR加热器等激光器20的波长调谐装置上而实现的。通过该调制策略,不 需要关于DBR激光器和SHG晶体波长特征的先验知识,即,该技术对于任何激光器/SHG配 对都行之有效。另外,可以使用设置到诸如100Hz等相对较低的通频带的低通滤波器过滤 光学探测器225的输出信号。使用该滤波技术,激光二极管20的lKHz波长调制是不可检 测的。而是记录与按时间平均的变频功率成正比的准直流信号。如图3进一步示出的,横轴t分别沿X’向、Z向偏移,或同时沿两个方向偏移,且 当沿偏移横轴Y2对束斑进行1D扫描时,重复前述强度监测的步骤。对于随后的偏移轴1, 重复该操作,直到在ID扫描过程中的所监测强度达到或超过横向阈值,此时,所监测强度 表现为最佳y坐标附近的强度峰值。以下表格示出了所执行的1D扫描过程中,一组十五条 偏移轴\及相应信噪比的示例偏移坐标
权利要求
1.一种在光学封装件中定位光学单元的方法,其中,所述光学封装件包括激光二极管、波长转换装置,所述光学单元包括一个或多个构造成将来自于所述激光二极管的光导引到所述波长转换装置的光学部件,所述方法包括 提供部分组装的、包括所述激光二极管和所述波长转换装置的光学封装件,其中,所述波长转换装置包括 在所述波长转换装置的输入面和所述波长转换装置的输出面之间延伸的转换层,以及 形成在所述转换层中的波导部分; 粗定位所述光学封装件中的所述光学单元,以将来自所述激光二极管的光导引到所述波长转换装置,在所述波长转换装置的输入面上形成束斑; 当修改所述光学单元的位置以沿横轴Y1的一部分对所述束斑进行ID扫描时,监测从所述波长转换装置输出的变频光学信号的强度,其中,所述横轴Y1与所述波长转换装置的所述转换层的平面投影相交; 偏移所述横轴Y1,并且当沿偏移后的横轴Y2对所述束斑进行ID扫描时,重复所述强度监测步骤; 重复对所述横轴的偏移操作直到所述ID扫描过程中所监测的强度达到或超过横向阈值; 通过参照所监测强度的相应强度分布确定最优横轴Y*以及沿所述最优横轴Y*的相应最优横向坐标y ;以及 当修改所述光学单元的位置以沿一条或多条交叉轴的一部分对所述束斑进行ID扫描时,通过监测从所述波长转换装置输出的变频光学信号强度而确定第一组最优坐标x、y、z,其中,所述交叉轴中的一条与所述最优横向轴Y*相交。
2.根据权利要求I所述的方法,其中,所述方法进一步包括 当对所述最优坐标x、I、z进行增量调整时,通过监测从所述波长转换装置输出的本征频率光学信号的强度而对所述最优坐标X、I、z进行本征修正; 基于所监测的、从所述波长转换装置输出的所述本征频率光学信号的强度对所述最优坐标x、y、z进行修正;以及 将所述光学单元定位在修正后的最优坐标处。
3.根据权利要求I所述的方法,其中,所述转换层至少延伸所述波长转换装置的输入面的大部分横向尺寸,并形成所述波长转换装置的表面层或中间层。
4.根据权利要求I所述的方法,其中,所述转换层沿所述波长转换装置的所述输入面的横向延伸至少100 iim。
5.根据权利要求I所述的方法,其中,借助于视觉系统或参照固定坐标在所述光学封装件中粗定位所述光学单元,所述固定坐标相对于由所述光学封装件限定的参照系取得。
6.根据权利要求I所述的方法,其中 所述粗定位操作的特征在于拾取和放置精度;以及 所述束斑的ID扫描过程中所经过的所述交叉轴的部分延伸足以包含所述粗定位操作中所述选择和放置精度的距离。
7.根据权利要求I所述的方法,其中,监测由所述波长转换装置输出的所述变频光学信号的强度,并波长调制激光二极管以及使用电子低通滤波器以按时间平均所监测强度。
8.根据权利要求I所述的方法,其中,当沿所述横轴扫描所述束斑时所监测的所述变频光学信号的强度分布表示作为沿所述横轴的束斑位置分量的函数的信号强度。
9.根据权利要求I所述的方法,其中 所述粗定位操作特征在于拾取和放置精度;以及 所述束斑的ID扫描过程中所经过的所述交叉轴的部分延伸足以包含所述粗定位操作的精度的距离。
10.根据权利要求9所述的方法,其中将所述横轴Y1偏移,所述偏移的增量少于所述粗定位操作的精度。
11.根据权利要求9所述的方法,其中将所述横轴Y1沿平行于所述波长转换装置的所述输入面的方向X’、沿平行于所述波导部分纵向轴线的方向Z或者同时沿所述两个方向偏移。
12.根据权利要求I所述的方法,其中 通过监测当修改所述光学单元的位置以沿多条其它轴线对所述束斑进行ID扫描时的强度而确定所述最优坐标x、I、z,其中所述多条其它轴线中的至少两条不平行于所述最优横轴Y*。
13.根据权利要求I所述的方法,其中 通过监测当修改所述光学单元的位置以沿基本交叉轴和第二交叉轴对所述束斑进行ID扫描时的强度而确定所述最优坐标X、I、z,其中,所述基本交叉轴与所述最优横轴Y*相交,所述第二交叉轴与所述基本交叉轴相交。
14.根据权利要求13所述的方法,其中 所述基本交叉轴大致平行于所述波长转换装置的所述输入面,或者大致平行于所述波导部分的纵向轴线;以及 所述第二交叉轴大致平行于所述最优横轴Y*、大致平行于所述波长转换装置的所述输入面,或者大致平行于所述波导部分的纵向轴线。
15.根据权利要求I所述的方法,其中 通过监测当修改所述光学单元的位置以沿基本交叉轴、第二交叉轴和第三交叉轴对所述束斑进行ID扫描时的强度而确定所述最优坐标X、I、z,其中,所述基本交叉轴与所述最优横轴Y*相交,所述第二交叉轴与所述基本交叉轴相交,所述第三交叉轴与所述最优横轴Y*大致平行。
16.根据权利要求I所述的方法,其中 所述横向阈值包括与所监测强度相关联的信噪比; 所述最优横轴Y*对应于所述强度分布,其中,所述强度分布的信噪比大于所述横向阈值的信噪比;以及 沿所述最优横轴Y*的相应最优横坐标y对应于所述最优横轴Y*强度分布的最大值。
17.根据权利要求I所述的方法,其中 所述横向阈值包括在转换层横向方向上的ID扫描的次数n ; 所述最优横轴Y*选自于n条横轴,并对应于具有最大信噪比的强度分布的横轴;以及 沿所述最优横轴Y*的相应最优横坐标y对应于所述最优横轴Y*的强度分布的最大值。
18.根据权利要求I所述的方法,其中,所述光学单元包括至少一个沿单向光路定位的透镜部件,其中,所述单向路径从所述激光二极管延伸到所述波长转换装置;或者 至少一个限定折叠光路的透镜部件和反射表面,其中,所述折叠光路从所述激光二极管延伸到所述波长转换装置。
19.一种在光学封装件中定位光学单元的方法,其中,所述光学封装件包括激光二极管、波长转换装置,所述光学单元包括一个或多个构造成将来自于所述激光二极管的光导引到所述波长转换装置的光学部件,所述方法包括 提供部分组装的、包括所述激光二极管和所述波长转换装置的光学封装件,其中,所述波长转换装置包括波导部分; 粗定位所述光学封装件中的所述光学单元,以将来自所述激光二极管的光导引到所述波长转换装置,在所述波长转换装置的输入面形成束斑; 当修改所述光学单元的位置以将所述束斑移动到所述波长转换装置的所述输入面上多个不同位置时,监测从所述波长转换装置输出的变频光学信号的强度; 通过参照所监测到的强度,在所述光学单元运动的非平行方向上确定最优坐标x、y、z;当对所述最优坐标X、I、z的进行增量调整时,通过监测从所述波长转换装置输出的本征频率光学信号的强度而对所述最优坐标X、I、Z进行本征修正。
20.根据权利要求19所述的方法,其中,通过沿分开的光路将所述变频光学信号导引到不同检测器,而监测所述变频光学信号的强度和所述本征频率光学信号的强度。
全文摘要
本文提供了在光学封装件中定位光学单元的方法。根据一个方法,提供了部分组装的光学封装件。在该光学封装件中的波长转换装置包括其中形成有波导部分的转换层。将光学封装件中将该光学单元进行粗定位,以将光从激光二极管导引到波长转换装置,在波长转换装置的输入面上形成束斑。当修改该光学单元的位置以沿横轴Y1的一部分对该束斑进行1D扫描时,监测从波长转换装置输出的变频光学信号的强度,其中,横轴Y1与波长转换装置的转换层的平面投影相交。随后,将横轴Y1偏移,且当沿偏移后的横轴Y2对该束斑进行1D扫描时,重复该监测强度步骤。重复该过程直到1D扫描过程中所检测的强度达到或超过横向阈值,此时,通过参照所监测强度的各强度分布而确定最优横向轴Y*和沿最优横向轴Y*的相应最优横向坐标y。随后,当修改光学单元的位置以沿一条或多条交叉轴的部分对束斑进行1D扫描时,通过监测从波长转换装置输出的变频光学信号强度而确定一整组最优坐标x、y、z,其中,所述交叉轴中的一条与最优横向轴Y*相交。本文也公开并申请保护了其他实施例。
文档编号G02B7/00GK102667606SQ201080052450
公开日2012年9月12日 申请日期2010年11月16日 优先权日2009年11月20日
发明者S·J·格瑞格斯基 申请人:康宁股份有限公司

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