MKS/Newport：光纤对准技术介绍

1/30/2023，光纤对准介绍
   大多数光网络都有许多光纤耦合，即使在这些结点处的微小损耗也会产生显著的信号损耗，从而导致数据传输出现问题。因此，网络中光耦合处的精确光纤对准是准确和可靠光学数据传输的先决条件，因为它在组装或封装光学系统前信号损失最少。最小的信号损失也意味着最低的光功率要求，这反过来可以保证更少的中继器、更低的资本成本和更少的故障发生率。

校准参数和程序
   有效的光纤对准需要精密运动控制设备的精确调整和用于对准应用的合适的优化搜索算法。图 1 展示了典型的搜索操作以及与光纤对准相关的位置参数。在搜索过程中，将特性良好的输入光束（ 图 1 中的激光二极管 ）的强度与对准的光纤的输出信号进行比较。

位置/旋转参数
   采用的运动控制器使用坐标系，其中对象被认为具有六个自由度：三个线性位置参数，沿笛卡尔坐标系中的 X、Y 和 Z 轴，以及围绕这些坐标系的三个旋转参数轴（见图 1（b））。所有运动都是根据沿笛卡尔轴的平移和/或绕笛卡尔轴旋转来定义的。光纤位置通过光栅扫描移动以检测第一束光 - 当激光束首次进入光纤时（图 1（a））。



一旦检测到第一部分光，光纤的横向、纵向和角坐标就会逐渐调整，以最大化从光纤输出的光信号的强度。在最简单的情况下，只需要横向（X, Y）调整，而在多通道情况下，可能需要对所有六个自由度（X、Y、Z、θx、θy 和 θz）进行调整（图 1）(b))。

运动控制参数
   线性或旋转位移台在光纤对准期间产生移动物体的受控运动和轨迹。在为光纤对准选择运动系统时，必须考虑以下参数：

1、最小位移增量 (MIM) 是设备能够始终如一且可靠地提供的最小运动增量。它是运动控制器的实际物理性能（与分辨率相对，后者是一种理论能力而非实际参数），范围从 100 nm 到 1 nm。就对准速度和光束功率增量而言，较小的 MIM 成本很高。MKS Instruments 的 XMS 线性位移台能够达到 1 nm MIM 和 300 mm/s 的速度。



2、可重复性是可重复定位对象的能力。它可以是单向的（始终从同一方向接近目标位置）或双向（从任一方向接近目标位置）。此参数对于快速找到类似设备设计的峰值功率位置很重要。图 2 中插入的 XMS 具有80nm双向重复性。

3、位置稳定性是在指定时间间隔内将位置保持在指定容差范围内的能力。它是漂移和振动的总和，通常在 0.5 到几微米之间变化。



4、用于组装步骤（例如粘合）的对齐光纤依赖于运动系统的位置稳定性。图 3 显示了 MKS Instruments 线性位移台在移动 250 ms 后的位置稳定性。位移台在稳定后的位置稳定性变化小于20nm。

5、其他运动参数包括：轴对齐、枢轴点、系统刚度、俯仰/偏航、耐热、夹具设计、阿贝误差等。

代表性搜索算法
   有效的光纤对准只能通过对准过程中的适合应用的步进位置搜索算法来实现。 搜索算法可以分为两类：1)能找到第一部分光的最有效算法；2) 更快、更精确的峰值功率定位算法。

初始光搜索
   有两种主要的光搜索方法，光栅扫描和螺旋扫描。 光栅扫描是最简单的搜索方法，沿一个轴扫描定义的距离，沿另一个轴以定义的距离索引位置，然后重复循环。光栅扫描，如图 1 所示，是寻找光束第一部分光的最快方法之一。 螺旋扫描是用于首次光搜索的另一种方法。 该方法使用通过同步 X 轴和 Y 轴上的受控运动产生的螺旋运动来搜索光束的一般区域。

峰值功率搜索
   定位第一部分光后，除光栅或螺旋扫描之外的搜索算法更适合找到峰值功率位置。峰值功率搜索算法的选择取决于光束是否具有高斯分布或具e 多个峰值的顶帽轮廓。以下例子具有代表性；存在许多其他方法：

1、爬山是对最高功率的简单二维搜索。它对于具有高斯分布的光束和光功率快速增加时最有效。爬山法本身在寻找具有平坦光束轮廓的峰值功率方面是无效的。
2、 质心搜索沿一个轴移动并找到一个峰，然后沿第二个轴移动以找到最后一个峰。质心搜索对于顶帽或多峰轮廓很有用。
3、 二分法搜索一次以大增量探索一个轴，直到识别出一个峰。在该峰值内，使用更精细的步骤执行另一个搜索循环以找到峰值最大值。

运动控制系统
   不同种类的运动控制系统可用于光纤对准，从适用于小规模和研发应用的简单手动位移台到具有高精度电动位移台的全自动生产系统、取放自动化、点胶和固化系统、机器视觉等。以下是光纤对准操作中使用的手动和电动运动控制系统的典型：

1、手动位移台是用于精确线性或旋转运动的最简单、成本最低的运动控制系统。它们用于研发和小批量生产环境。图 4(a) 显示了一个 MKS ULTRAlignTM 562 手动载物台，该载物台已通过添加 TRA 促动器实现机动化。

2、压电位移台，图 4(b)，是由压电促动器驱动的紧凑型四到六轴对准系统。它们允许对X、Y、Z、θx、θy 和 θz 的不同组合进行高分辨率 (<30 nm) 调整，并且无需施加电源即可保持其位置。

3、带直读编码器的直线电动位移台是最高精度的标准位移台。当与精密运动控制器一起使用时，它们具有 1 nm MIM 能力。MKS Instruments 的 XMS 线性电动载物台（图 4(c)）可以快速轻松地在具有最高功率的光束区域的 10 μm 直径区域内进行搜索。



4、带有滚珠丝杠驱动的 XYZ 组件是紧凑型位移台，可提供 100 nm 或 10 nm MIM 以及用于单端或双端配置的左右版本。图 4(d) 显示了 MKS Instruments 的 100 nm VP-25XA-XYZ。

5、六足位移台是一种机械设备，它使用六个驱动器，所有驱动器都平行移动，以在笛卡尔坐标系中提供 6 轴运动范围。六足位移台比堆叠位移台更紧凑，能够进行复杂的线性和角运动组合，适用于必要的旋转调整。图 4(e) 显示了 MKS Instruments 的 HXP50 六足位移台。 HXP 六足位移台采用先进的创新技术在光纤对准应用中的优势：

6、MKS Instruments 的六足位移台采用工作和工具坐标系。这些是可编程坐标系统，如图 5
(a) 所示，可以独立操纵工件（样品或设备）或工具（刀具或梁）。使用该系统，用户可以简单地在笛卡尔坐标系中发送定位命令。

7、显示了当命令标准六足动物在 X 轴（蓝线）上从一个点移动到另一个点时的运动。路径中与直线的偏差最高可达一毫米。MKS Instruments 的六足位移台使用 RightPath Trajectory Control 将跳动最小化到几微米，使六足位移台能够更精确地遵循指定的线性、旋转或弧形轨迹。



其他光纤对准系统组件
   完整的光纤对准系统由接收器或发射器设备、设备固定装置或支架、光源、运动控制系统和辅助组件组成。这些后面的组件（表 1 中详细列出了其中的一些）包括：
1、测量光束功率的探测器；再加上功率计，它们监测光信号以确定最高传输功率。可能还需要光束分析仪来表征光束的形状。
2、功率计，与特定波长的检测器、测量的功率范围以及2 kHz 的最小数据传输速率相匹配，以实现快速校准和生产率。
3、检测设备接近程度和光纤末端粗略对齐的视觉系统。视觉系统允许非常小的间隙，保证光纤末端几乎接触，最大限度地提高传输功率。
4、分配/粘合系统，分配精确体积的液态环氧树脂，将其均匀涂抹在两种材料的界面上，并使用紫外光进行固化。
5、激光焊接采用高度局部加热将两个部件连接在一起。这通常是一个自动化过程，用于将输出光纤、透镜和激光二极管连接到封装中。
6、用于大批量、高速生产的取放自动化。

表1. 用于光纤对准系统的 MKS 仪器组件


结论
   快速、准确和精确的光纤对准对于光通信网络的高效运行至关重要。光纤之间以及光纤与光学设备之间未对准的结点会导致网络中过多的信号损失，MKS Instruments 提供一套运动控制系统、搜索软件和辅助系统组件，非常适合用于光纤对准应用。MKS Instruments 的运动控制组件支持具有从低纳米到亚微米级精度以及从研发到批量生产的光纤对准应用。