1/30/2023，光纖對準(zhǔn)介紹
   大多數(shù)光網(wǎng)絡(luò)都有許多光纖耦合，即使在這些結(jié)點處的微小損耗也會產(chǎn)生顯著的信號損耗，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)問題。因此，網(wǎng)絡(luò)中光耦合處的精確光纖對準(zhǔn)是準(zhǔn)確和可靠光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南葲Q條件，因為它在組裝或封裝光學(xué)系統(tǒng)前信號損失最少。最小的信號損失也意味著最低的光功率要求，這反過來可以保證更少的中繼器、更低的資本成本和更少的故障發(fā)生率。

校準(zhǔn)參數(shù)和程序
   有效的光纖對準(zhǔn)需要精密運(yùn)動控制設(shè)備的精確調(diào)整和用于對準(zhǔn)應(yīng)用的合適的優(yōu)化搜索算法。圖 1 展示了典型的搜索操作以及與光纖對準(zhǔn)相關(guān)的位置參數(shù)。在搜索過程中，將特性良好的輸入光束（ 圖 1 中的激光二極管 ）的強(qiáng)度與對準(zhǔn)的光纖的輸出信號進(jìn)行比較。

位置/旋轉(zhuǎn)參數(shù)
   采用的運(yùn)動控制器使用坐標(biāo)系，其中對象被認(rèn)為具有六個自由度：三個線性位置參數(shù)，沿笛卡爾坐標(biāo)系中的 X、Y 和 Z 軸，以及圍繞這些坐標(biāo)系的三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)軸（見圖 1（b））。所有運(yùn)動都是根據(jù)沿笛卡爾軸的平移和/或繞笛卡爾軸旋轉(zhuǎn)來定義的。光纖位置通過光柵掃描移動以檢測第一束光 - 當(dāng)激光束首次進(jìn)入光纖時（圖 1（a））。



一旦檢測到第一部分光，光纖的橫向、縱向和角坐標(biāo)就會逐漸調(diào)整，以最大化從光纖輸出的光信號的強(qiáng)度。在最簡單的情況下，只需要橫向（X, Y）調(diào)整，而在多通道情況下，可能需要對所有六個自由度（X、Y、Z、θx、θy 和 θz）進(jìn)行調(diào)整（圖 1）(b))。

運(yùn)動控制參數(shù)
   線性或旋轉(zhuǎn)位移臺在光纖對準(zhǔn)期間產(chǎn)生移動物體的受控運(yùn)動和軌跡。在為光纖對準(zhǔn)選擇運(yùn)動系統(tǒng)時，必須考慮以下參數(shù)：

1、最小位移增量 (MIM) 是設(shè)備能夠始終如一且可靠地提供的最小運(yùn)動增量。它是運(yùn)動控制器的實際物理性能（與分辨率相對，后者是一種理論能力而非實際參數(shù)），范圍從 100 nm 到 1 nm。就對準(zhǔn)速度和光束功率增量而言，較小的 MIM 成本很高。MKS Instruments 的 XMS 線性位移臺能夠達(dá)到 1 nm MIM 和 300 mm/s 的速度。



2、可重復(fù)性是可重復(fù)定位對象的能力。它可以是單向的（始終從同一方向接近目標(biāo)位置）或雙向（從任一方向接近目標(biāo)位置）。此參數(shù)對于快速找到類似設(shè)備設(shè)計的峰值功率位置很重要。圖 2 中插入的 XMS 具有80nm雙向重復(fù)性。

3、位置穩(wěn)定性是在指定時間間隔內(nèi)將位置保持在指定容差范圍內(nèi)的能力。它是漂移和振動的總和，通常在 0.5 到幾微米之間變化。



4、用于組裝步驟（例如粘合）的對齊光纖依賴于運(yùn)動系統(tǒng)的位置穩(wěn)定性。圖 3 顯示了 MKS Instruments 線性位移臺在移動 250 ms 后的位置穩(wěn)定性。位移臺在穩(wěn)定后的位置穩(wěn)定性變化小于20nm。

5、其他運(yùn)動參數(shù)包括：軸對齊、樞軸點、系統(tǒng)剛度、俯仰/偏航、耐熱、夾具設(shè)計、阿貝誤差等。

代表性搜索算法
   有效的光纖對準(zhǔn)只能通過對準(zhǔn)過程中的適合應(yīng)用的步進(jìn)位置搜索算法來實現(xiàn)。 搜索算法可以分為兩類：1)能找到第一部分光的最有效算法；2) 更快、更精確的峰值功率定位算法。

初始光搜索
   有兩種主要的光搜索方法，光柵掃描和螺旋掃描。 光柵掃描是最簡單的搜索方法，沿一個軸掃描定義的距離，沿另一個軸以定義的距離索引位置，然后重復(fù)循環(huán)。光柵掃描，如圖 1 所示，是尋找光束第一部分光的最快方法之一。 螺旋掃描是用于首次光搜索的另一種方法。 該方法使用通過同步 X 軸和 Y 軸上的受控運(yùn)動產(chǎn)生的螺旋運(yùn)動來搜索光束的一般區(qū)域。

峰值功率搜索
   定位第一部分光后，除光柵或螺旋掃描之外的搜索算法更適合找到峰值功率位置。峰值功率搜索算法的選擇取決于光束是否具有高斯分布或具e 多個峰值的頂帽輪廓。以下例子具有代表性；存在許多其他方法：

1、爬山是對最高功率的簡單二維搜索。它對于具有高斯分布的光束和光功率快速增加時最有效。爬山法本身在尋找具有平坦光束輪廓的峰值功率方面是無效的。
2、 質(zhì)心搜索沿一個軸移動并找到一個峰，然后沿第二個軸移動以找到最后一個峰。質(zhì)心搜索對于頂帽或多峰輪廓很有用。
3、 二分法搜索一次以大增量探索一個軸，直到識別出一個峰。在該峰值內(nèi)，使用更精細(xì)的步驟執(zhí)行另一個搜索循環(huán)以找到峰值最大值。

運(yùn)動控制系統(tǒng)
   不同種類的運(yùn)動控制系統(tǒng)可用于光纖對準(zhǔn)，從適用于小規(guī)模和研發(fā)應(yīng)用的簡單手動位移臺到具有高精度電動位移臺的全自動生產(chǎn)系統(tǒng)、取放自動化、點膠和固化系統(tǒng)、機(jī)器視覺等。以下是光纖對準(zhǔn)操作中使用的手動和電動運(yùn)動控制系統(tǒng)的典型：

1、手動位移臺是用于精確線性或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的最簡單、成本最低的運(yùn)動控制系統(tǒng)。它們用于研發(fā)和小批量生產(chǎn)環(huán)境。圖 4(a) 顯示了一個 MKS ULTRAlignTM 562 手動載物臺，該載物臺已通過添加 TRA 促動器實現(xiàn)機(jī)動化。

2、壓電位移臺，圖 4(b)，是由壓電促動器驅(qū)動的緊湊型四到六軸對準(zhǔn)系統(tǒng)。它們允許對X、Y、Z、θx、θy 和 θz 的不同組合進(jìn)行高分辨率 (<30 nm) 調(diào)整，并且無需施加電源即可保持其位置。

3、帶直讀編碼器的直線電動位移臺是最高精度的標(biāo)準(zhǔn)位移臺。當(dāng)與精密運(yùn)動控制器一起使用時，它們具有 1 nm MIM 能力。MKS Instruments 的 XMS 線性電動載物臺（圖 4(c)）可以快速輕松地在具有最高功率的光束區(qū)域的 10 μm 直徑區(qū)域內(nèi)進(jìn)行搜索。



4、帶有滾珠絲杠驅(qū)動的 XYZ 組件是緊湊型位移臺，可提供 100 nm 或 10 nm MIM 以及用于單端或雙端配置的左右版本。圖 4(d) 顯示了 MKS Instruments 的 100 nm VP-25XA-XYZ。

5、六足位移臺是一種機(jī)械設(shè)備，它使用六個驅(qū)動器，所有驅(qū)動器都平行移動，以在笛卡爾坐標(biāo)系中提供 6 軸運(yùn)動范圍。六足位移臺比堆疊位移臺更緊湊，能夠進(jìn)行復(fù)雜的線性和角運(yùn)動組合，適用于必要的旋轉(zhuǎn)調(diào)整。圖 4(e) 顯示了 MKS Instruments 的 HXP50 六足位移臺。 HXP 六足位移臺采用先進(jìn)的創(chuàng)新技術(shù)在光纖對準(zhǔn)應(yīng)用中的優(yōu)勢：

6、MKS Instruments 的六足位移臺采用工作和工具坐標(biāo)系。這些是可編程坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖 5
(a) 所示，可以獨立操縱工件（樣品或設(shè)備）或工具（刀具或梁）。使用該系統(tǒng)，用戶可以簡單地在笛卡爾坐標(biāo)系中發(fā)送定位命令。

7、顯示了當(dāng)命令標(biāo)準(zhǔn)六足動物在 X 軸（藍(lán)線）上從一個點移動到另一個點時的運(yùn)動。路徑中與直線的偏差最高可達(dá)一毫米。MKS Instruments 的六足位移臺使用 RightPath Trajectory Control 將跳動最小化到幾微米，使六足位移臺能夠更精確地遵循指定的線性、旋轉(zhuǎn)或弧形軌跡。



其他光纖對準(zhǔn)系統(tǒng)組件
   完整的光纖對準(zhǔn)系統(tǒng)由接收器或發(fā)射器設(shè)備、設(shè)備固定裝置或支架、光源、運(yùn)動控制系統(tǒng)和輔助組件組成。這些后面的組件（表 1 中詳細(xì)列出了其中的一些）包括：
1、測量光束功率的探測器；再加上功率計，它們監(jiān)測光信號以確定最高傳輸功率。可能還需要光束分析儀來表征光束的形狀。
2、功率計，與特定波長的檢測器、測量的功率范圍以及2 kHz 的最小數(shù)據(jù)傳輸速率相匹配，以實現(xiàn)快速校準(zhǔn)和生產(chǎn)率。
3、檢測設(shè)備接近程度和光纖末端粗略對齊的視覺系統(tǒng)。視覺系統(tǒng)允許非常小的間隙，保證光纖末端幾乎接觸，最大限度地提高傳輸功率。
4、分配/粘合系統(tǒng)，分配精確體積的液態(tài)環(huán)氧樹脂，將其均勻涂抹在兩種材料的界面上，并使用紫外光進(jìn)行固化。
5、激光焊接采用高度局部加熱將兩個部件連接在一起。這通常是一個自動化過程，用于將輸出光纖、透鏡和激光二極管連接到封裝中。
6、用于大批量、高速生產(chǎn)的取放自動化。

表1. 用于光纖對準(zhǔn)系統(tǒng)的 MKS 儀器組件


結(jié)論
   快速、準(zhǔn)確和精確的光纖對準(zhǔn)對于光通信網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行至關(guān)重要。光纖之間以及光纖與光學(xué)設(shè)備之間未對準(zhǔn)的結(jié)點會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中過多的信號損失，MKS Instruments 提供一套運(yùn)動控制系統(tǒng)、搜索軟件和輔助系統(tǒng)組件，非常適合用于光纖對準(zhǔn)應(yīng)用。MKS Instruments 的運(yùn)動控制組件支持具有從低納米到亞微米級精度以及從研發(fā)到批量生產(chǎn)的光纖對準(zhǔn)應(yīng)用。