一种无源耦合系统及耦合方法

技术领域

本申请属于光学器件技术领域，具体涉及一种无源耦合系统及耦合方法。

背景技术

在光通信中，近距离通信通常采用多模光纤，光源为850nm的VCSEL激光光源，VCSEL激光光源为垂直腔面发射激光器，因此耦合透镜通常采用COB或阵列透镜的形式。

在光通信中，光耦合即实现光路对准，目前光路对准技术包括需要光源在线的有源主动耦合（active alignment）和不需要光源在线开启的无源被动耦合（Passivealignment）。

有源耦合过程是激光光源固定在PCB板上，通过光源发光，通过检测耦合到光纤中能量的高低来判断透镜耦合的最佳位置。如果采用有源耦合，需要专有的耦合设备，需要将激光光源通电后进行操作，整过过程比较复杂，导致整个模块装配需要很长时间，效率较低。

无源耦合也有两种方式，一种是视觉拍照的方式，过程是激光光源固定在PCB板上，通过摄像机分别对激光光源和耦合透镜进行拍照，通过计算器对照片进行分析，调整透镜的位置，使得透镜圆心和激光圆心重合，此时位置为透镜的最佳耦合位置。另外一种是通过机械定位配合方式，是通过定位柱和定位孔的方式来实现耦合的，例如授权公告号为CN103197385B的专利公开了公开了一种光模块及其光路耦合方法，通过多个支架之间的机械固定实现光路的耦合，简化了工序，降低了耦合成本，然而该光路耦合方法是通过特殊的机械定位部件来实现的，这种定位精度无法量化，定位精度无法保证。

近些年，随着光模块产量的增加，越来越多的厂家尝试采用无源方式进行耦合，例如授权公告号为CN113872041B的专利公开了一种无源耦合方法及无源耦合装置，透镜包括进光面、出光面和供无源耦合使用的标识点，所述标识点位于所述出光面的后焦平面上，该发明提供的无源耦合方法耦合速度较快。虽然现有的无源耦合方法生产效率提高了很多，但是产品的合格率一直很低，导致产品合格率低的主要原因是无源耦合的耦合定位精度太低。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种无源耦合系统，用于提高无源耦合精度。

本发明的技术方案如下：

一种无源耦合系统，包括：

耦合透镜夹持模块，用于固定和调整耦合透镜的位置及倾角；

激光光源夹持模块，与所述耦合透镜相对设置，用于固定和调整激光光源的位置及倾角；

耦合对准成像模块，用于对所述耦合透镜和激光光源发光面显微成像，并确定所述耦合透镜和激光光源的空间位置；

所述耦合对准成像模块包括分色棱镜和显微成像组件：

进行耦合工作状态时，所述分色棱镜位于所述耦合透镜与所述激光光源之间，所述分色棱镜可将至少两种波长的光分别打到耦合透镜和激光光源，并经过耦合透镜和激光光源的发光面漫反射，将耦合透镜和激光光源的发光面由显微成像组件成像至探测器上，通过所述探测器观察耦合透镜与激光光源的成像位置偏差，进而微调耦合透镜与激光光源，使耦合透镜与激光光源的成像位置重合。

优选的，所述分色棱镜包括呈交叉连接的第一棱镜片和第二棱镜片，其中，第一棱镜片和第二棱镜片分别镀有可将λ1波长的光线朝耦合透镜反射的分色薄膜一、以及将λ3波长的光线朝激光光源反射的分色薄膜二。

优选的，所述显微成像组件包括安装于XZ轴滑台上的工作台，所述工作台上安装照明光源、滤光片、分光棱镜、分色棱镜、显微物镜、显微筒镜和探测器；

所述滤光片可切换通过波长λ1和/或λ3的照明光；

所述分光棱镜与所述分色棱镜之间安装显微物镜；

所述分光棱镜可将照明光反射至所述显微物镜，由所述显微物镜出射至所述第一棱镜片或者第二棱镜片上；所述分光棱镜还可透射来自所述显微物镜的平行光。

优选的，所述分色棱镜、所述显微物镜、所述分光棱镜、所述显微筒镜与所述探测器位于同一Z向直线上；所述照明光源、所述滤光片与所述分光棱镜位于同一X向直线上。

优选的，所述滤光片与所述分光棱镜之间还安装照明透镜组，用于将照明光束调整为平行光送至所述分光棱镜上。

优选的，所述滤光片可切换通过波长λ2的照明光通道；

所述分光棱镜可反射波长λ2的照明光至所述显微物镜上；

所述第一棱镜片和第二棱镜片均镀有可透射λ2波长的光线的分色薄膜三；

对耦合后的光模块在线复测时，所述滤光片切换为通过波长λ2的照明光通道，移动所述激光光源夹持模块，使λ2波长的光线经过分色棱镜后直线发射至激光光源的发光面，通过探测器观察所述发光面经过耦合透镜后的成像位置相对于光纤端耦合透镜的偏心情况。

本发明的另一目的是提供一种高精度的无源耦合方法，包括以下步骤：

将耦合透镜和激光光源分别固定于耦合透镜夹持模块和激光光源夹持模块上；

移动工作台，使分色棱镜的中心、耦合透镜的中心、激光光源的中心近似重合，打开照明光源，滤光片切换为通过照明光波长λ1+λ3的通道；

分别调整耦合透镜夹持模块和激光光源夹持模块，使耦合透镜和激光光源可同时清晰地成像于探测器上，并且至少两个透镜本体可成像于视场内、至少两个激光光源本体可成像于视场内；

通过观察探测器上耦合透镜在YZ平面内的成像清晰度来调整耦合透镜的俯仰角和倾斜角；通过观察探测器上激光光源在YZ平面内的成像清晰度来调整激光光源的俯仰角和倾斜角；

通过外径拟合方式分别计算出每个透镜本体成像的中心在探测器上的像素点一的坐标位置；计算出每个激光光源本体成像的中心在探测器上的像素点二的坐标位置；

激光光源夹持模块调整激光光源的位置以及绕X轴旋转的旋转角度，使至少两个像素点二的坐标与至少两个对应的像素点一的坐标重合；计算耦合透镜和激光光源的耦合位置误差。

优选的，像素点二的坐标与像素点一的坐标重合后，向远离激光光源的方向沿Z轴移动所述工作台，耦合透镜夹持模块沿X轴方向下移，将耦合透镜与激光光源贴合固化，完成系统耦合。

优选的，所述耦合透镜的透镜本体沿Y轴方向阵列；所述激光光源的激光光源本体沿Y轴方向阵列；

滤光片切换为通过照明光波长λ1+λ3的通道时，照明光源经过滤光片、分光棱镜、显微物镜后，λ1波长光由第一棱镜片反射至耦合透镜，λ3波长光由第二棱镜片反射至激光光源；

其中，耦合透镜和激光光源清晰地成像于探测器上的过程为：

耦合透镜将入射的照明光漫反射至第一棱镜片，经过显微物镜后，通过分光棱镜传播至显微筒镜，由显微筒镜将平行光会聚于探测器上；

激光光源将入射的照明光漫反射至第二棱镜片，经过显微物镜后，通过分光棱镜传播至显微筒镜，由显微筒镜将平行光会聚于探测器上。

进一步的，还包括在线复测耦合透镜固化后的偏心情况，包括以下步骤：

将所述滤光片切换为通过波长λ2的照明光通道，移动所述激光光源夹持模块，使λ2波长的光线经过分色棱镜后沿直线发射至激光光源，通过探测器观察所述激光光源的发光面经过耦合透镜后的成像位置相对于光纤端耦合透镜的偏心情况是否超出阈值。

本发明的有益效果为：

本发明的耦合对准成像模块利用显微成像组件和分色棱镜配合，实现了在无源耦合中用一个光学系统同时对激光光源和耦合透镜成像。显微成像极大地提高了对激光光源和耦合透镜的定位精度，利用显微系统小焦深的特点，配合耦合透镜夹持模块和激光光源夹持模块，通过对耦合透镜或激光光源进行俯仰/倾斜的角度调节，实现在探测器上清晰成像，且各夹持模块调节精度高，提高了耦合精度。

另外本发明采用一套系统成像，可同时实现耦合后对透镜的在线复测功能，减少了复测的系统定位误差，提高了系统精度；避免复测时对光模块重复装夹，提高了复测效率，保证了产品合格率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的光模块无源耦合系统的结构示意图；

图2是本发明的耦合透镜主视图；

图3是本发明的耦合透镜仰视图；

图4是本发明的激光光源分布示意图；

图5是本发明的分色棱镜工作原理示意图；

图6和图7是本发明的两个透镜本体外径拟合图像示意图；

图8是本发明的透镜本体与激光光源本体成像中心拟合后的对应关系示意图；

图9本发明的无源耦合系统的复测结构示意图；

图10是本发明的在线复测过程中，光模块的激光光源经过耦合透镜后成像的光线传播示意图；

图1、图9、图10中的单箭头表示耦合透镜/激光光源的入射光，双箭头表示耦合透镜/激光光源的反射光。

图中标记为：1、耦合透镜夹持模块；2、耦合透镜；21、透镜本体；211、入光面；212、出光面；213、反射面；214、光纤端面；3、激光光源夹持模块；4、激光光源；41、激光光源本体；42、电路板；5、分色棱镜；51、第一棱镜片；52、第二棱镜片；6、工作台；7、照明光源；8、滤光片；9、分光棱镜；10、显微筒镜；11、探测器；12、显微物镜；13、照明透镜组；14、耦合后的光模块。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种无源耦合系统，包括：耦合透镜夹持模块1、激光光源夹持模块3和耦合对准成像模块。

耦合透镜夹持模块1用于固定和调整耦合透镜2的位置及倾角，耦合透镜夹持模块可以是六轴微调滑台或者六轴机器人（均为公知技术），可调整耦合透镜2在XYZ坐标平面内的位置及耦合透镜与XYZ轴的夹角θ

激光光源夹持模块3与耦合透镜2相对设置，用于固定和调整激光光源4的位置及倾角。激光光源夹持模块3可以是六轴微调滑台或者六轴机器人，可调整激光光源在XYZ坐标平面内的位置及透镜与XYZ轴的夹角θ

如图4所示，激光光源4包括电路板42和阵列于电路板42上的多个激光光源本体41，结合图2所示，激光光源本体41的发光面朝向透镜本体21。激光光源本体41发光面的成像中心的连线d2沿探测器11的水平或者竖直方向分布。

耦合对准成像模块用于对耦合透镜2和激光光源4的发光面显微成像，并确定耦合透镜和激光光源的空间位置。

具体地，耦合对准成像模块包括分色棱镜5和显微成像组件。

如图1所示，进行耦合工作状态时，分色棱镜5位于耦合透镜2与激光光源4之间，分色棱镜5可将至少两种波长（例如λ1和λ3）的光分别打向耦合透镜和激光光源、并经过耦合透镜2和激光光源5的发光面漫反射至显微成像组件，再由显微成像组件放大、成像至探测器11上。

如图5所示，本实施例中的分色棱镜5包括呈交叉状的第一棱镜片51和第二棱镜片52，优选第一棱镜片51和第二棱镜片52的夹角为90°，并且它们与水平面的夹角分别为45°/-45°。

如图5所示，为了方便组装，第一棱镜片51和第二棱镜片52由四个直角三角形的棱镜拼接而成，将四块棱镜拼接成十字交叉状的反射面，即第一棱镜片51和第二棱镜片52。第一棱镜片51镀有可将λ1波长的光线朝耦合透镜2反射的分色薄膜一，第二棱镜片52镀有将可λ3波长的光线朝激光光源4反射的分色薄膜二。第一棱镜片上的镀膜可以透射λ3波长的光，第二棱镜片的镀膜可以透射λ1波长的光。

显微成像组件包括安装于XZ轴滑台上的工作台6，XZ轴滑台为精密位移滑台，工作台6上安装照明光源7、滤光片8、照明透镜组13、分光棱镜9、显微物镜12、分色棱镜5、显微筒镜10和探测器11；分色棱镜5、显微物镜12、分光棱镜9、显微筒镜10与探测器11位于同一Z向直线上；照明光源7、滤光片8、照明透镜组13与分光棱镜9位于同一X向直线上。照明光源7、滤光片8、照明透镜组13、分光棱镜9、显微物镜12、分色棱镜5组成照明系统。分色棱镜5、显微物镜12、分光棱镜9、显微筒镜10与探测器11组成显微成像系统，显微物镜12和显微筒镜10分别作为显微成像系统中的物镜组和筒镜组。

照明光源7可采用白光光源，其光源带宽大于λ1+λ2+λ3，其中λ1、λ2、λ3的带宽不重合。

滤光片8为可调节式滤光片，例如通过机械转轮方式实现λ1+λ3，λ1，λ3等不同的波长组合照明方式，可以按照实际测量需求切换不同的照明方式分别对应三个通道。转轮式滤光片为公知技术，不再赘述。

分光棱镜9与分色棱镜5之间安装显微物镜12。分光棱镜的镜片倾斜设置，例如呈45°角倾斜，分光棱镜5将波长λ1、λ3和λ1+λ3的照明光折转90°后反射至显微物镜12上。分光棱镜9为半透半反镜片，它还可透射来自显微物镜的平行光。

照明光源7发射的光经过滤光片8的滤光通道后，由照明透镜组13传播至分光棱镜9上，分光棱镜9将照明光反射至显微物镜12，再由显微物镜12折射于第一棱镜片51或者第二棱镜片52上，第一棱镜片51将波长λ1的光线反射至耦合透镜2，第二棱镜片52将波长λ2的光线反射至激光光源4。

本实施例的无源耦合方法包括以下步骤：

S1.将耦合透镜2和激光光源4分别装夹固定于耦合透镜夹持模块1和激光光源夹持模块3上；

S2.移动工作台6，使分色棱镜5的中心、耦合透镜2的中心、激光光源4的中心近似重合，打开照明光源7，将滤光片8切换为通过波长λ1+λ3的光通道；照明光源7经过滤光片8、分光棱镜9、显微物镜12后，λ1波长光由第一棱镜片51反射至耦合透镜2，λ3波长光由第二棱镜片52反射至激光光源4；

S3.分别调整耦合透镜夹持模块1和激光光源夹持模块3，使耦合透镜2和激光光源4可分别清晰地成像于探测器11上，保证它们在焦深中成像，再继续前后移动两个夹持模块，使至少两个透镜本体21可成像于视场内，至少两个激光光源本体41可成像于视场内；其中，耦合透镜和激光光源清晰地成像于探测器上的过程为：

S31.耦合透镜2将入射的照明光漫反射至第一棱镜片51，经过显微物镜12后，通过分光棱镜9传播至显微筒镜10，由显微筒镜10将平行光会聚于探测器11上后，完成对耦合透镜的成像；

S32.激光光源4将入射的照明光漫反射至第二棱镜片52，经过显微物镜12后，通过分光棱镜9传播至显微筒镜10，由显微筒镜10将光线会聚于探测器11上后，完成对激光光源4发光面的成像；

上述两个步骤同时进行，从而耦合透镜2和激光光源4同时在探测器上成像。

S4.通过观察探测器11上耦合透镜在YZ平面（即水平面）内的成像清晰度来调整耦合透镜的绕Y轴摆动的俯仰角和绕Z轴摆动的倾斜角，直至成像清晰；通过观察探测器11上激光光源的发光面在YZ平面内的成像清晰度来调整激光光源的绕Y轴摆动的俯仰角和绕Z轴摆动的倾斜角，直至成像清晰；

S5.通过外径拟合方式分别计算出每个透镜本体21和激光光源本体41的发光面成像的中心在探测器11上的像素点一和像素点二的坐标位置。例如，如图6和图7所示，图中的D2、D3两点分别是拟合得到的序号为2、3号的透镜本体21成像的圆心位置。激光光源本体41的发光面成像中心的拟合方法与此相同。

因为探测器的显示画面由若干像素组成，可使用像素细分的方式得到成像后的精确像素点坐标，定位精度的计算公式为：D=0.61λ/NA，式中：D 为分辨率（单位um）；λ 为光源波长（单位um）；NA 为物镜的数值孔径，分辨率和数值孔径和波长相关，分辨率高了，激光光源的发光面中心点才可以成像清楚，有利于圆心点的精确拟合。

S6.激光光源夹持模块3调整激光光源4的位置以及绕X轴的旋转角度，使至少两个透镜本体成像的中心点坐标与至少两个对应的激光光源本体发光面的中心点坐标重合，即：至少两个像素点二的坐标与对应的像素点一的坐标重合，从而使透镜本体成像的中心点阵列连线与激光光源本体成像的中心点阵列连线平行，避免两条线之间出现夹角，例如，如图8所示，透镜本体成像中心点分别为D1、D2、D3，激光光源本体成像的中心点分别为D4、D5、D6，调整激光光源4的旋转角度后，使D1与D4的像素坐标点重合、D2与D5的像素坐标点重合、D3与D6的像素坐标点重合；计算耦合透镜和激光光源的耦合位置误差，判断耦合位置误差是否在耦合误差的允许范围内；

S7.像素点二的坐标与像素点一的坐标重合后，向远离激光光源的方向沿Z轴移动工作台6，耦合透镜夹持模块1沿X轴方向下移耦合透镜2，将耦合透镜2与激光光源4贴合，再点胶固化，完成系统耦合，得到耦合后的光模块14。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，滤光片7还可切换为仅通过光波长λ2的通道，分光棱镜9可反射波长λ2的照明光至显微物镜12上。第一棱镜片51和第二棱镜片52均镀有可透射λ2波长光的分色薄膜三。

如图5和图9所示，在线复测耦合精度时，将滤光片7切换为通过波长λ2的光通道，移动激光光源夹持模块，带动光模块14一起移动，使λ2波长的光线经过分色棱镜5后可以发射至激光光源的发光面，由激光光源的发光面漫反射回耦合透镜，再次透过分色棱镜5后发射至显微物镜12，经过显微物镜12调整后，依次经过分光棱镜9、显微筒镜10会聚于探测器11上。通过探测器观察激光光源的发光面经过耦合透镜后的成像位置相对于光纤端耦合透镜的偏心情况。

具体地，在线复测耦合透镜固化后的偏心情况具体包括以下步骤：

a.通过探测器观察激光光源的发光面经过耦合透镜后的成像位置：

请结合图9和图10，完成系统耦合后，激光光源的发光面与耦合透镜入光面上的透镜本体相对设置。将滤光片7切换为通过波长λ2的光通道，移动激光光源夹持模块3，使耦合透镜出光面212上的透镜本体与探测器11位于同一水平线上，λ2波长的光线经过分色棱镜5后会聚至图9中的C点，C点位于耦合透镜的后焦平面上，光线经过出光面上的透镜本体21后沿直线传播至耦合透镜的反射面，并被反射至入光面211，经过入光面上的透镜本体后进入激光光源4的发光面上，再被激光光源4的发光面漫反射至耦合透镜中，依次经过反射面213、出光面212、分色棱镜5进入显微成像系统中，直至在探测器上坐标点一的位置成像。

b.通过探测器观察光纤端耦合透镜的成像位置：

请参考图9，沿Z轴方向微调工作台，λ2波长的光线经过分色棱镜5后会聚至C点，使C点位于耦合透镜出光面的透镜本体21上，光线由该透镜本体漫反射回分色棱镜5后，进入显微成像系统中，直至在探测器上坐标点二的位置成像。

c.通过探测器11观察坐标点一相对于坐标点二的偏心情况是否超出设定的阈值，完成对光模块无源耦合精度的在线复测。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。