用于尾纤连接系统的自动光学芯片保持器 【发明背景】
1.发明领域
本发明总的涉及尾纤连接系统(pigtailing system)中的光学芯片(optical chip)保持器，特别是涉及用于在一个自动化的大规模尾纤连接(mass-pigtailing)系统中装载光学芯片和卸载尾纤连接后的光学芯片的自动光学芯片保持器。
2.背景技术
在尾纤连接过程中，必须使光纤精确地、牢靠地对准集成光学芯片波导件。否则，通过最终形成地装置传播的光信号就会由于衰减和其它光学损失而严重地退化。此外，还不希望采取劳动强度高的加工工艺。从效率角度出发，最希望的是，用于装载光学芯片、精确对准、进行尾纤连接和卸载的整个尾纤连接过程是自动的和可重复的。
已经考虑的一种方案涉及采用真空夹盘。通常，将光学芯片放置在一夹盘平台表面上，该表面具有连通于一气室(plenum)的空气管道。接着，将气室中的空气抽空，所形成的真空吸力可将光学芯片保持抵靠在所述平台表面上。然而，该方案有几个缺陷。首先，真空夹盘趋向于生成可能导致光学芯片发生小震动和摇晃的空气波动。因此，在胶合剂固化过程中，不能使光学芯片保持稳定。更重要的是，胶合剂固化过程中的收缩应力将导致光学芯片的波导件不能对准光纤或光纤集束块。结果是，该装置的可靠性较低，最终形成的光学损失较高。该方法的另一个缺陷是，它取决于劳动熟练程度。需要操作者用手来装载光学芯片以及卸下尾纤连接后的光学芯片。由于这是一个非常细致的操作，尾纤连接过程成功与否在很大程度上取决于操作者的经验。
在另一个已考虑的方案中，采用一滑动机构来将光学芯片保持在位。利用光学芯片的基底来作为支承基准。虽然这样可以提高光学装置的稳定性，但最终形成的芯片的厚度偏离(thickness dispersion)会给该过程的可重复性带来负面影响。与上述方法一样，该方法也需要操作者用手来装载光学芯片以及卸下尾纤连接后的光学芯片。同样地，由于这是一个非常细致的操作，尾纤连接过程成功与否在很大程度上取决于操作者的经验。
因此，需要一种能使光学芯片在尾纤连接系统中精确地、牢靠地和可重复地定位和对准的自动芯片保持器。另外，还需要这样一种自动芯片保持器，它只需操作者付出最小的劳动就可以自动地装载光学芯片以及卸载尾纤连接后的光学芯片。
【发明内容】
本发明旨在解决以上所讨论的传统系统中的问题。本发明的自动芯片保持器能自动地、精确地将光学芯片装载和定位在预定的位置上。芯片被夹紧在用于进行尾纤连接的位置上，这是通过能将芯片固定在二维平面中的柔软的弹性材料来实现的。弹性夹紧材料可弥补夹盘平台的硬表面上的不规整，从而使施加于芯片的压力更均匀地分布。因此，可大大减小微振现象并避免对芯片造成损坏，从而提高生产率。此外，在定位和对准过程中，夹紧材料的弹性可对相对较粗的定位调节加以弥补。在尾纤连接之后，操作者只需最小的劳力就可以将尾纤连接后的芯片自动地卸载。芯片保持器可适应各种形状和尺寸的光学芯片。
本发明的一个方面是，涉及一种用于将光学芯片定位在一尾纤连接系统中的自动芯片保持器。光学芯片具有一配准边缘和一配准表面。该自动芯片保持器可将光学芯片定位在一个三维空间内，这个三维空间是一个具有x轴、y轴和z轴的直角坐标系。自动芯片保持器包括：一支承座，该支承座具有一设置成平行于x轴的滑轨；一配准元件，该配准元件固定于支承座，用以在三维空间内限定一个对准位置；一可调夹盘组件，该组件可滑动地设置在滑轨上，用以使光学芯片在一器件互换位置和对准位置之间移动，可调夹盘组件可沿x轴方向移动，并且可响应沿x轴方向的一个力沿z轴方向调节；以及一驱动单元，该驱动单元连接于可调夹盘组件，用以对可调夹盘组件施加x轴的力。
在另一个方面，本发明包括一种用于在一采用自动芯片保持器的尾纤连接系统中对一光学器件进行自动定位的方法。光学器件包括一配准边缘和一配准表面。自动芯片保持器包括一具有一滑轨的支承座、一固定于支承座并用于限定光学芯片在一个三维空间内的对准位置的配准元件，三维空间是一个具有x轴、y轴和z轴的直角坐标系。该定位方法包括如下步骤：提供一可调夹盘组件，该组件可滑动地设置在滑轨上，用以使光学芯片在一器件互换位置和对准位置之间移动，可调夹盘组件可沿x轴方向移动，并且可响应沿x轴方向的一个力沿z轴方向作调节；以及施加x轴方向的力，以使光学芯片从一器件互换位置移动至对准位置。
本发明的其余特征和优点将通过以下的详细描述来加以阐述，熟悉本领域的人员从描述中很容易部分地理解或实施本发明，本发明的揭示内容包括以下的描述、权利要求书以及附图。
应该理解，前面的总的描述和以下的详细描述都仅仅是本发明的举例描述，旨在提供一个用于理解本发明的特性和特征的概括或框架。揭示内容中所包括的附图是为了进一步地理解本发明，这些附图构成说明书的一部分。各附图示出了本发明的各种实施例，它们与说明书中的文字一起用来解释本发明的原理和操作。
附图简要说明
图1是本发明的自动芯片保持器的侧视图；
图2是本发明的自动芯片保持器的后视图；
图3是一详示图，示出了在对准过程中沿Z方向施加的均匀的力；
图4是本发明之配准元件的详示图；
图5是本发明之可调夹盘组件的侧面详示图；
图6是一详示图，示出了在对准过程中沿X方向施加的均匀的力；
图7是本发明之可调夹盘组件的后侧详示图；
图8是本发明之自动芯片保持器的器件互换位置的详示图；
图9是本发明之自动芯片保持器的对准位置的详示图。
对较佳实施例的详细描述
现请参见本发明的较佳实施例，附图中示出了其中的一个例子。只要可能，附图中凡是相同的标号表示相同或类似的部件。图1中示出了本发明的自动芯片保持器的一个实施例，该保持器由标号10总的表示。
按照本发明，该自动芯片保持器10包括一可调夹盘组件40，该组件可将光学芯片100移至三维空间中的一个精确的位置上。光学芯片100被设置在一弹性垫上，并靠近一弹性楔子，以保护芯片在夹紧过程中免遭损坏。在尾纤连接过程中，弹性材料可沿着水平方向和垂直方向施加均匀的夹紧力。这是一个重要的特征，藉此可以吸收微振，消除由于收缩应力所造成的芯片不对准。采用弹性材料还有其它的优点。其中，夹头的增量移动并不要求像具有硬的非弹性表面的夹紧件那样精确。如果非弹性夹紧件在芯片上施加过高的力，就可能损坏芯片。因此，必须以更严格的误差来进行运动控制，以避免这种损坏。另一方面，弹性材料是包容的，可以适应在夹紧时具有较粗增量移动的夹盘组件。因此，可以避免精确的运动控制以及相关的成本。还应注意，弹性楔子是可互换的，从而允许可调夹盘组件40接纳各种尺寸和性质的光学芯片。
如上所述，自动芯片保持器10可以将光学芯片100定位在三维空间内的一个精确的位置上。在本文中，所谓“三维空间”是指具有相互垂直的x、y和z轴的特定坐标系。自动芯片保持器10的长度对应于x轴，宽度对应于y轴，高度对应于z轴。
如文中所述和如图1所示，自动芯片保持器10包括一支承座12，该支承座可作为自动芯片保持器10的底座。支承座12包括滑轨14，滑轨是用来引导夹盘组件40沿x轴双向移动的突起部分。配准元件20连接于支承座12，并限定了光学芯片100在三维空间内的对准位置。可调夹盘组件40可滑动地设置在支承座12上，并在一器件互换位置和所述对准位置之间携带光学芯片100。可调夹盘组件40包括一可沿x轴移动的输送元件42，以及一可沿z轴的位置调节光学芯片100的可调平台50。下面将更详细地讨论器件互换位置和对准位置。可转动螺杆62连接于可调夹盘组件40。可转动螺杆62借助螺旋传动来驱动可调夹盘组件40沿x轴双向地移动。步进电动机60连接于可转动螺杆62，并且能根据需要作顺时针或逆时针地旋转。可编程逻辑控制器(PLC)64连接于步进电动机62。自动保持器10的操作顺序储存在PLC64中。
按照本发明，配准元件20还可以包括立柱元件26，该立柱元件固定于支承座12并沿着平行于z轴的方向延伸。立柱元件26连接于悬臂28，该悬臂平行于支承座12。在悬臂28的与立柱元件26间隔的位置上设置有一可调挡止元件30。挡止元件与立柱的间隔距离是可变的，以适应不同尺寸的芯片。悬臂28的位于挡止元件30和立柱元件26之间的表面区域24是与配准表面104相对应的z轴对准基准。立柱表面22可为光学芯片100的配准边缘102提供一个x轴的对准基准。
如文中所述和如图2所示，本发明的自动芯片保持器10包括一悬臂元件28，该悬臂元件具有形成敞开区域284的臂部280和282。可调挡止元件30包括沿z轴方向向下延伸入敞开区域284的挡止片32。可调平台50包括沿z轴方向向上延伸的舌形元件54。当可调平台50沿z轴向上移动时，光学芯片100被平台50相对于表面24夹紧，这样就定位出z轴对准的配准表面104。在夹紧过程中，弹性垫524支承着光学芯片100，并沿z轴方向提供均匀的夹紧力。弹性垫524可补偿可调平台的表面不规整，否则这种表面不规整会产生一种不均匀的压力分布。请注意，在特定的情况下，舌形元件54和挡止片32互锁，从而防止可调平台50移动。
如文中所述和如图3所示，由弹性垫524所施加的均匀的夹紧力大约等于100克/毫米。术语“匀匀的力”意指由弹性垫524所施加的线性力在弹性垫524与光学芯片100之间的每个接触点上都相等。
图4是本发明的配准元件20在由x轴和y轴所形成的平面上的详示图。悬臂28的臂部280和282连接于立柱元件26，以形成一个具有敞开区域284的U形。可调挡止元件30设置在臂部280和282上，并且可以沿着x轴调节可以适应光学芯片的各种尺寸。对于特定尺寸的光学器件而言，可调挡止件的位置由固定装置34加以固定。固定装置34可以是已知的任何型式，图中举例表示了一压抵于臂部280的固定螺钉。图4还示出了与舌形元件54互锁的挡止片32。在进行x轴方向的对准时，随着输送元件42沿x轴方向前进，配准边缘102借助弹性楔子522弹性地压抵于立柱表面22。立柱表面22是x轴的基准。为了减小光学芯片100与x轴基准面22之间的摩擦力，并确保基准面的精度，在立柱元件26上设置有缺口220。因此，可以将光学芯片100与x轴基准面22之间的接触点减小成一个小区域。
图5是本发明之可调夹盘组件的侧面详示图。按照本发明，可调夹盘组件40还可以包括输送元件42和可调平台50。输送元件42设置在支承座12上，并连接于螺杆62。输送元件42通过螺杆62的转动而沿x轴双向地移动。输送元件42包括用于支承可调平台50的输送斜面46和48。斜面46和48被精细地磨光，并涂覆有聚四氟乙烯以降低摩擦系数。设置有输送挡止边缘44来限制可调平台50的移动。
如图5所示，可调平台50设置在输送元件42上。可调平台50是可拆除的，不通过任何连接件或粘合剂连接于输送元件42。可调平台50仅通过重力和摩擦力保持在位，从而允许在抛光的斜面46、48上自由地滑动。可调平台50包括载台(stage)元件52、舌形元件54和平台挡止边缘56。载台元件52配备有弹性楔子522，如上所述，该弹性楔子可以在夹紧和对准过程中提供均匀的夹紧力。光学芯片100设置在弹性垫板524上。与输送斜面46和48相对应，设置有载台斜面526和528。斜面526和528也是抛光的，并涂覆有聚四氟乙烯。光学芯片100沿z轴的位置可通过使斜面526和528在斜面46和48上滑动来调节。如上所述，当舌形元件54与可调挡止元件30相互锁定时，舌形元件54可阻止可调平台50沿x轴方向移动。平台挡止边缘56可与输送挡止边缘44相互锁定，藉以防止可调平台50完全滑离输送元件42。
如文中所述和如图6所示，由弹性楔子522所施加的均匀的夹紧力大约等于40克/毫米。z轴方向的力和x轴方向的力之比为大约5∶2。然而，x轴方向的力可以小到10克/毫米。术语“均匀的力”也意味着由弹性楔子522所施加的线性力在弹性楔子522与光学芯片100的每个接触点上都相等。弹性楔子522可补偿平台52的任何表面不规整，这种表面不规整可能在光学芯片100上产生不均匀的压力分布。
图7是本发明之可调夹盘组件的后侧详示图。输送元件42具有形成在底面上的导轨引导件16。导轨引导件16与支承座12的滑轨14相配合。挡止边缘56装配在输送元件42上，藉以使斜面526和528抵靠在斜面46和48上。这种设计可以消除夹盘组件40沿y轴的移动。光学芯片100设置在弹性垫524上。如图所示，弹性垫524嵌设在沿载台元件52的边缘形成的槽内，并且如上所述的那样提供沿z轴方向的均匀的夹紧力。在一个实施例中，当把可调平台50设置在输送元件42上以建立y轴对准之前，光学芯片100在载台元件52上的位置是预定的和固定的。借助，将光学芯片100和可调平台50作为一个整体降低到输送元件42上。在另一个实施例中，先将可调平台50设置在输送元件42上，而后再装载光学芯片100。在该实施例中，一真空夹盘将光学芯片100携带至可调平台50，并将光学芯片100设置在可调平台50的预定位置上。因此，在这些实施例中，当把光学芯片100装载进入自动保持器10时，光学芯片自动地对准y轴。
下面将结合图8和9来描述自动芯片保持器10的工作情况。图8是夹盘组件40在本发明的自动芯片保持器10的器件互换位置上的详示图。可调夹盘组件40设置在支承座12上，其沿x轴的位置靠近支承座12的端壁18。就是在这个位置上装载光学芯片100以及将尾纤连接后的光学芯片从自动芯片保持器10上卸载。如上所述，y轴的对准是在装载过程中实现的。通过正确地选择弹性楔子522的尺寸，就可以使配准边缘102对准载台边缘520。载台边缘520对准输送元件边缘420，以在可调平台50和悬臂元件28之间提供所需的x轴间隙。一旦完成装载，就可以使可调平台50在输送元件42上向前滑动，直到平台挡止边缘56与输送挡止边缘44相接触。这样可以增加配准表面104与z轴基准面(即表面24)之间的z轴间隙。当输送元件42沿x轴方向向对准位置前进时，必须有足够的间隙供舌形元件54从可调挡止元件30的挡止片32下方通过。
图9是本发明之自动芯片保持器10的对准位置的详示图。根据光学芯片100的尺寸和厚度，步进电动机60在PLC 64的控制下(两者都未图示)驱动输送元件42从器件互换位置进入x轴对准位置。一旦输送元件42到达x轴上的对准位置，配准边缘102压抵于x轴对准基准面22，可调平台50停止沿x轴的移动。这时，由弹性楔子522对光学芯片100的相对边缘施加均匀的x轴力。由于可调平台50不能再沿x轴移动，斜面46和48在斜面526和528下方滑动，迫使可调平台50沿z轴向上朝着z轴基准面24滑动。接着，舌形元件54与挡止片32互锁，对准面104相对于表面24夹紧。当光学芯片100被弹性夹紧时，步进电动机60停止运转，可转动螺杆62停止转动。可转动的螺杆62固定在位直到完成尾纤连接过程，使由弹性楔子522和弹性垫528施加在光学芯片100上的均匀的力得以保持，
在尾纤连接完成之后，使尾纤连接后的芯片重新回到如图8所示的器件互换位置。步进电动机60重新启动，使可转动螺杆62方向转动，导致输送元件42沿x轴方向缩回。输送元件42沿x轴方向移动，舌形元件54压抵挡止片32，阻止可调平台50沿x轴移动。斜面46和48在斜面526和528下方滑动，而可调平台50沿z轴方向向支承座12移动。一旦舌形元件54与挡止片32脱开，可调夹盘组件40就作为一个整体沿x轴的反方向向器件互换位置移动。一旦到达该位置，就可以将尾纤连接后的芯片换成一个未加工的芯片，再重复进行上述过程。
熟悉本领域的人员可以在不偏离本发明精神和保护范围的情况下作出各种改动和变型。因此，本发明涵盖了这些落入所附权利要求及其等同物的范围内的改动和变型。