一种通用光学降维半自动耦合装置及使用方法

摘要

一种通用光学降维半自动耦合装置及使用方法。电动水平倾角调整架与电动垂直倾角调整架均由控制电脑控制，且根据功率计采样值进行驱动；X、Y、Z三维调整架、Xt、Yt二维倾角调整架、第一准直器夹持器、X’、Y’、Z’三维调整架、Xt’、Yt’二维倾角调整架、旋转调整架与第二准直器夹持器均为手动调整架，控制电脑控制和驱动电动水平倾角调整架与电动垂直倾角调整架，以对准被调器件的两个准直器或双/多纤准直器，获得一定的功率值后，再用人工调节手动调整架，获得最终的光纤耦合结果。本发明实现高速高效的整体光纤耦合效果和相关器件的生产，减少人工工作量，降低对人工技巧的依赖，实现一致性、稳定性、高效性的批量生产。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种通用光学降维半自动耦合装置及使用方法。

背景技术：

在光通信行业中，光纤与光纤，光纤与激光二极管/光电二极管进行封装，以实现光-光、光-电和电-光转换的各项功能。光传输路径主要为光纤纤芯，光纤纤芯单模为Φ9um，光纤发出的光是发散光，发散角大约是+/-11°，显然两根光纤除非紧密靠接在一起，否则就会因为光斑迅速发射，而无法实现从一根光纤传输到另一根光纤。为实现各种光纤器件的功能，需要在光纤上先做成准直器，也就是把发散光准直成平行光，靠两个准直器实现长距离的光束汇接。两个准直器之间，可以放入各种光学零件，以实现诸如隔离器，环行器，波分复用器，光开关，调制解调器等等光纤器件。作为光纤器件，准直器和光学零件需要一定的固定方式进行强固定，比如金属外管的焊锡固定，比如玻璃外管的胶水固定，比如金属-金属之间的激光焊接，或者以上几种固定方式的组合。

两个准直器互相对接，且必须满足一定光功率损耗要求，以适应不同的光传输距离或者功能要求。光传输路径主要为光纤纤芯，光纤纤芯单模为Φ9um，加透镜准直后，发散角大概在0.5°以内，光斑大小根据设计要求的不同，可以不同，常用光纤器件上的光斑大小大概在0.5mm直径。如图1，一个准直器51接光源101，一个准直器52接功率计102，光学功能组件53在两个准直器的中间，控制电脑100一般能控制光源101的开关和功率大小，也能从功率计102上获得功率读数。两个准直器对调，其损耗理论设计值一般要求在0.2dB左右，两个空间任意放置的准直器，其功率计初始功率值在功率计在下限，比如-70dB。在两个准直器的对调过程中，随着两个准直器光束的空间区域越来越重合，也就是相对于两个准直器光束的空间卷积越来越大，功率计上的功率值会越来越小，最终会接近0.2dB附近值。在这个准直器对调过程中，从完全无光(功率计读数在下限)，到功率计显示有光的过程，是整体调试过程中最耗费人工，甚至是需要有一定工艺熟练程度的操作员才能完成的。一般经过熟练培训的操作员，在60秒左右的时间能完成该操作。而这个熟练过程，大概需要3～6个月的培训过程，且有些操作员无法完成该培训。

近年来，随着全球通信行业的发展和国家对通信行业的大力支持，光纤通信行业迅猛发展，数据中心、5G的实施，光纤通信产品需求量越来越大。每年类似隔离器、波分复用器、环行器通信产品全球市场需求量在几百万只以上，但同时通信行业每年均存在不同程度的低迷期，使企业既要保证市场需求，又要考虑市场低迷期带来的负面影响，故企业不敢太多地投入大力的人力物力。这就要求企业采用各种办法，利用有限的资源去尽可能地提高产品生产效率。在市场与产量的综合矛盾下，自动化生产设备的研发成为光纤通信企业发展一个重要方向，准直器与准直器的耦合工艺是整个光纤通信产品的最核心环节，故准直器耦合自动化设备成为一个重要的研究项目。目前，在光纤通信行业中的光纤耦合设备因不同公司背景和实力等差异，自行设计和外购的各类耦合设备也是多种多样，甚至同公司存在多种版本的耦合夹具。目前国内大多数均为人工耦合，在人工光纤耦合中，因焦距、机械加工零件精度、工装夹具精度、夹具本身结构、生产产线配置、人员情绪、员工技能等多种因素，造成人工耦合效率在改为80-150只/2人/8小时的不等。

国内外目前也有自动光纤耦合设备，比如久下、骏河、和椿等公司均有自动设备。此类自动耦合设备通常采用双侧3～5维调整架的自动调节，采用的是产品两侧零件多维调节，此方式耦合效率在180-200只/机/10小时，这类设备价格非常昂贵，一般在30～100万元。

本发明提供的一种降维半自动光纤耦合装置和方法，每套的成本在5万元，按每人管两套设备的配置，人工耦合效率在200-250只/1人/8小时。

发明内容：

本发明的目的是提供一种通用光学降维半自动耦合装置及使用方法，降维半自动光纤耦合装置和方法，合理分解光纤耦合的维度，用左右各一维的电动倾角调节架实现光纤准直器的对准，再用人工手动进行其余维度的调节，可以实现高速高效的整体光纤耦合效果和相关器件的生产，减少人工工作量，降低对人工技巧的依赖，实现一致性、稳定性、高效性的批量生产。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种通用光学降维半自动耦合装置及使用方法，其组成包括：左手调整架组、被调器件、右手调整架组；左手调整架组包括电动水平倾角调整架，X、Y、Z三维调整架和Xt、Yt二维倾角调整架，第一准直器夹持器；右手调整架组包括电动垂直倾角调整架，X’、Y’、Z’三维调整架和Xt’、Yt’二维倾角调整架，旋转调整架，第二准直器夹持器；被调器件含被调器件主体、两个准直器或双/多纤准直器，所述被调器件的两个准直器或双/多纤准直器通过光纤分别接入光源和功率计，所述功率计与控制电脑连接；

所述电动水平倾角调整架与电动垂直倾角调整架均由控制电脑控制，且根据功率计采样值进行驱动；

所述X、Y、Z三维调整架、Xt、Yt二维倾角调整架、第一准直器夹持器、X’、Y’、Z’三维调整架、Xt’、Yt’二维倾角调整架、旋转调整架与第二准直器夹持器均为手动调整架，

所述控制电脑控制和驱动电动水平倾角调整架与电动垂直倾角调整架，以对准被调器件的两个准直器或双/多纤准直器，获得一定的功率值后，再用人工调节手动调整架，获得最终的光纤耦合结果。

进一步的，所述光纤连接，准直器固定均为人工手动进行，手动调整架进行准直器的基本定位和找平找正；

所述电动水平倾角调整架与电动垂直倾角调整架进行电脑控制的自动调节以获得准直器的初步对准；

所述被调器件固定或定位为人工手动进行，精密调试；

所述准直器上胶或者焊接固定在被调器件主体后下架。

有益效果：

1.本发明人工手动进行光纤连接，准直器固定，手动调整架进行准直器的基本定位和找平找正；电动水平倾角调整架和电动垂直倾角调整架进行电脑控制的自动调节以获得准直器的初步对准；人工手动进行被调器件固定或定位，精密调试；准直器上胶或者焊接固定；成品器件下架。

2.本发明的左右调整架组可以互换，可以在空间方向按需要放置、转折，调整架配置可以增加或者减少。

3.本发明可以在电动水平倾角调整架上，增加一个独立的三维、四维或者五维调整架，用以独立固定和调节被调器件主体。在电动倾角调整架被电脑控制进行调整时，被调器件主体跟其中一个准直器的位置和角度都不发生相对变化。

4.本发明根据需要，左右两个调整架都可以增配成，含电动水平倾角调整架和电动垂直倾角调整架的二维电动倾角调整架，在增加少量成本的情况下，减少人工调节的工作量。

5.本发明被调器件的其中一边为反射镜的结构，被调器件的另一边为单纤准直器或者双纤准直器，这样的类似波分复用双纤准直器调反射的结构，也一样正常实现光纤耦合。

附图说明：

附图1为本发明典型准直器耦合示意图。

附图2为本发明第一类结构示意图。

附图3为图2的局部放大示意图。

附图4为本发明第一类的自动调节示意图。

附图5为本发明第二类结构示意图。

附图6为本发明第二类的自动调节示意图。

附图7为本发明第三类结构示意图。

附图8为本发明第四类结构示意图。

1-左手调整架组、2-右手调整架组、3-中间调整架组、5-被调器件、10-第一电动水平倾角调整架、11-Z维调整架、12-X维调整架、13-Y维调整架、14-Xt倾角调整架、15-Yt倾角调整架、19-第一电动垂直倾角调整架、20-第二电动垂直倾角调整架、21-Z’维调整架、22-X’维调整架、23-Y’维调整架、24-Xt’倾角调整架、25-Yt’倾角调整架、26-旋转调整架、29-第二电动水平倾角调整架、31-Z”维调整架、32-X”维调整架、33-Y”维调整架、34-Xt”倾角调整架、35-Yt”倾角调整架、51-第一准直器、52-第二准直器、53-光学功能组件、61-第一准直器夹持器、62-第二准直器夹持器、63-夹杆、64-连杆、65-支杆

具体实施方式：

实施例1

一种通用光学降维半自动耦合装置及使用方法，其组成包括：左手调整架组、被调器件、右手调整架组；左手调整架组包括电动水平倾角调整架，X、Y、Z三维调整架和Xt、Yt二维倾角调整架，第一准直器夹持器；右手调整架组包括电动垂直倾角调整架，X’、Y’、Z’三维调整架和Xt’、Yt’二维倾角调整架，旋转调整架，第二准直器夹持器；被调器件含被调器件主体、两个准直器或双/多纤准直器，所述被调器件的两个准直器或双/多纤准直器通过光纤分别接入光源和功率计，所述功率计与控制电脑连接；

所述电动水平倾角调整架与电动垂直倾角调整架均由控制电脑控制，且根据功率计采样值进行驱动；

所述X、Y、Z三维调整架、Xt、Yt二维倾角调整架、第一准直器夹持器、X’、Y’、Z’三维调整架、Xt’、Yt’二维倾角调整架、旋转调整架与第二准直器夹持器均为手动调整架，

所述控制电脑控制和驱动电动水平倾角调整架与电动垂直倾角调整架，以对准被调器件的两个准直器或双/多纤准直器，获得一定(一定的范围是大于-20dB、-0.2dB是典型的最小值)的功率值后，再用人工调节手动调整架，获得最终的光纤耦合结果。

进一步的，所述光纤连接，准直器固定均为人工手动进行，手动调整架进行准直器的基本定位和找平找正；

所述电动水平倾角调整架与电动垂直倾角调整架进行电脑控制的自动调节以获得准直器的初步对准；

所述被调器件固定或定位为人工手动进行，精密调试；

所述准直器上胶或者焊接固定在被调器件主体后下架。

进一步的，左右调整架组可以互换，手动调整架配置可以增加或者减少。

进一步的，所述电动水平倾角调整架上增加一个独立的三维、四维或五维调整架，用以独立固定和调节被调器件主体，电动水平倾角调整架与电动垂直倾角调整架被电脑控制进行调整时，被调器件主体跟其中一个准直器的位置和角度都不发生相对变化。

进一步的，所述电动水平倾角调整架与电动垂直倾角调整架增加二维电动倾角调整架。

在增加少量成本的情况下，减少人工调节的工作量，最简方案为一维水平加一维垂直。这个方案为二维水平加二维垂直，相应的自动耦合部分复杂了，人工部分就简单了。

进一步的，所述被调器件一边为反射镜的结构，另一边为单纤准直器或者双纤准直器，则反射镜放置于左手调整架组，准直器放置于右手调整架组的结构，也一样正常实现光纤耦合。

进一步的，所述被调器件主体的调试不同，各个调整架在空间方向的进行放置、转折与配置均不同。

实施例2

实施例1一种通用光学降维半自动耦合装置及使用方法，参考图2，为本发明实施例一结构示意图，左手调整架组1中，所有其它调整架都放置在第一电动水平倾角调整架10上；右手手调整架组2中，所有其它调整架都放置在第二电动垂直倾角调整架20上。

参考图1，第一准直器51接入光源100，并固定在第一准直器夹持器61上；第二准直器52接入功率计102(第二准直器52可以通过跳线接辅助光源)，并固定在第二准直器夹持器62上，默认电动水平倾角调整架和电动垂直倾角调整架复位在中间位置。

具体调试过程如下：

1)，调Yt倾角调整架15，使第一准直器51的出光水平；

2)，调Y维调整架13，使第一准直器51的出光在一固定高度；

3)，调X维调整架12和Xt倾角调整架14，使第一准直器51的出光指向一固定点；

4)，第二准直器52接入辅助光源；

5)，Yt’倾角调整架25，使第二准直器52的出光水平；

6)，调Y’维调整架23，使第二准直器52的出光在一固定高度；

7)，调X’维调整架22和Xt’倾角调整架24，使第二准直器52的出光指向一固定点；

8)，第二准直器52接入功率计；

9)，启动控制电脑100的自动耦合软件，通过控制算法控制第一电动水平调整架10和第二电动垂直倾角调整架20的调节，使第一准直器51的出光进入第二准直器52；

10)，按一定方式，手动调节部分或所有手动调节的调整架，使第一准直器51和第二准直器52之间的损耗满足要求；

11)，通过Z维调整架11和Z’维调整架21向外侧手动移出，加入光学功能组件53；

12)，对第一准直器51和第二准直器52，与光学功能组件53之间，加胶；

13)，手动调节所有能手动调节的调整架，使第一准直器51和第二准直器52之间的损耗满足要求；

14)，紫外固化；

15)，松第一准直器夹持器61和第二准直器夹持器62，被调元件5成品下架。

以上过程描述，如果是全胶隔离器的制作，光学功能组件53就是隔离器芯和玻璃管；如果是波分复用器，光学功能组件53就是波分复用滤光片和玻璃管；如果是光开关，光学功能组件53就是带棱镜/反射镜的金属壳体。

以上过程描述，如果第一准直器51和第二准直器52是金属外管的准直器，那么相应的光学功能组件53就需要是金属管，采用焊锡固定或者激光焊接固定。

以上过程描述，如果第二准直器是双纤准直器，在步骤4和步骤5之间，要增加一步：调节旋转调整架26，使两光斑等高，同时注意里外两光点对应的光纤。这一步在双通道隔离器等产品上，是必须的。

参考图4，为本发明实施例一自动调节示意图，该图是说明一维水平弧摆和一维垂直弧摆在空间中有一致方向的交点。一维的水平弧摆扫描(也就是第一电动水平倾角调整架调节过程)，和一维的垂直弧摆扫描(也就是第二电动垂直倾角调整架调节过程)，在空间中，肯定有一个一致方向的交点，也就是第一准直器51和第二准直器52之间损耗最小的位置。

在操作员手动固定准直器和手动调准直器的水平和垂直过程，就是尽量把找光的范围缩小，让控制电脑100的自动耦合软件能更容易地找到光，然后把损耗调到最小。

简单的三维测算就可以知道，第一准直器51水平弧摆中心的在水平方向的位移偏差要小于第一准直器51的光斑大小，第二准直器52垂直弧摆中心在垂直高度方向的位移偏差要小于第二准直器52的光斑大小，这样才能保证理论上，能用自动耦合软件找到光。这也是为什么在步骤3)和步骤7)要把光点调到固定位置的原因。后续通过X，Y维调整架的调节，可以找到最小损耗位置和方向。

从以上描述可知，在采用适当的步骤分解和人工参与调节的情况下，自动耦合可以通过一维电动水平倾角调节和一维电动垂直倾角调节来完成，大大简化自动耦合的算法逻辑和结构复杂性。

参考图5，为本发明实施例二结构示意图，相比参考图2，左手调整架组1增加了第一电动垂直倾角调整架，右手调整架组2增加了第二电动水平倾角调整架。左手调整架组1中，所有其它调整架都放置在第一电动水平倾角调整架10和第一电动垂直倾角调整架19上；右手手调整架组2中，所有其它调整架都放置在第二电动垂直倾角调整架20和第二电动水平倾角调整架29上。调试过程与本发明实施例一类似，只是对第一准直器51和第二准直器52的位置固定和对水平垂直方向的精度要求可以大幅下降，但是对自动耦合的算法逻辑提高了要求。

参考图6，为本发明实施例二自动调节示意图，该图是说明二维水平弧摆和二维垂直弧摆在空间中有一致方向的交点。二维的水平+垂直弧摆扫描(也就是第一电动水平倾角调整架和第一电动垂直倾角调整架调节过程)，和二维的垂直+水平弧摆扫描(也就是第二电动垂直倾角调整架和第二电动水平倾角调整架调节过程)，在空间中，是全范围的扫描覆盖，肯定有一个一致方向的交点，也就是第一准直器51和第二准直器52之间损耗最小的位置。

显然，在这种情况下，控制电脑100的自动耦合软件能把损耗调到最小。操作员不再需要把损耗调到最小的这个步骤，对第一准直器51和第二准直器52的定位精度要求也大幅下降。

参考图7，为本发明实施例三结构示意图，实施例三相比于实施例二(对比图5)，在右手调整架组2的第二电动垂直倾角调整架20和第二电动水平倾角调整架29上，再放置中间调整架组3，中间调整架组3包含如下：Z”维调整架31、X”维调整架32、Y”维调整架33、Xt”倾角调整架34、Yt”倾角调整架35、夹杆63、连杆64。相比图5，增加的中间调整架组3，与图5中的原有手动调整架是相对独立的，互相没有干涉和联动。

从图6中可以看到，被调器件5固定在夹杆63上，再通过连杆64固定在中间调整架组3上。中间调整架组3可以控制被调器件5的五维空间位置和方向，给被调器件5相对第一准直器51和第二准直器52的相对空间位置，提高灵活的调试方式。这个对于环行器，光开关等，对被调器件5的主体与第一准直器51和第二准直器52的空间位置有较严格要求的情况，是必须的。相比实施例一在调试过程中，需要在步骤7和步骤8之间插入如下步骤：

a)，被调器件5固定在夹杆63上；

b)，调中间调整架组3的所有手动调整架，使第二准直器52相对被调器件5的位置合适；

以上过程描述中，因为被调器件5多个个体之间还是有一定的一致性，所以步骤b在每个新的被调器件5固定在夹杆63上后，真实的调整动作不会多。

在步骤9的自动耦合调试过程中，因为中间调整架组3也是固定在第二电动垂直倾角调整架20和第二电动水平倾角调整架29上，所以被调器件5相对第二准直器52的位置方向不会发生变化，整个自动耦合调试过程与实施例一和实施例二的过程是一样的。

显然，如果被调器件5的一致性足够好，每次步骤b需要调试的动作很少，那么中间调整架组可以适当简化，减少若干维调整架，甚至可以把连杆63直接固定在第二电动垂直倾角调整架20和第二电动水平倾角调整架29上，然后靠右手调整架组2上的其它调整架调节被调器件5和第二准直器52的相对位置，这就构成了本发明实施例四，请参考图8。

参考图8，为本发明实施例四结构示意图，可以看到中间调整架组3，简化为夹杆63、连杆64、支杆65。其中支杆65直接固定在右手调整架组2的第二电动垂直倾角调整架20和第二电动水平倾角调整架29上，与右手调整架组2的其它手动调整架没有干涉和联动。如前所述，靠右手调整架组2上的其它调整架的调节，可以调节被调器件5和第二准直器52的相对位置。

从图7和图8对比可知，实施例三是中间调整架组3比较复杂的情况，调节灵活性高；实施例四是中间调整架组4非常简单的情况，调节量几乎没有，但是整个系统简洁，可调节量少，有利于简化调节工艺，具体到带准直器的各种器件，可以在实施例三和实施例四之间做调整架的增减选择，比如环行器可以用实施例三，而隔离器可以采用实施例四或者实施例二，而光开关可以就需要对夹杆63部分进行结构修改，以固定光开关器件主体。

对于含反射镜(波分复用滤光片对某些波长透射，对某些波长反射)结构的被调器件，可以把反射镜部分放在左手调整架组1上，双纤准直器放在右手调整架组2上，一样适用于本发明的耦合装置和方法。

对于波分复用器件，可以采用左手调整架组1在下方，波分复用滤光片直接平放在左手调整架组1上；双纤准直器固定在右手调整架组2上，且采用右手调整架组2在上方的方式，显然，左手调整架1和右手调整架2，可以采用上下方式放置，也一样可以采用倾斜方式放置。如果被调器件5含有多种反射结构，左手调整架1和右手调整架2也可能出现垂直放置，或者平行放置，或者其它立体方向放置。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。