1/30/2023，光纖對準介紹
   大多數光網絡都有許多光纖耦合，即使在這些結點處的微小損耗也會產生顯著的信號損耗，從而導致數據傳輸出現問題。因此，網絡中光耦合處的精確光纖對準是準確和可靠光學數據傳輸的先決條件，因為它在組裝或封裝光學系統(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。

校準參數和程序
   有效的光纖對準需要精密運動控制設備的精確調整和用于對準應用的合適的優(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相關的位置參數。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 ）的強度與對準的光纖的輸出信號進行比較。

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



一旦檢測到第一部分光，光纖的橫向、縱向和角坐標就會逐漸調整，以最大化從光纖輸出的光信號的強度。在最簡單的情況下，只需要橫向（X, Y）調整，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）進行調整（圖 1）(b))。

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

1、最小位移增量 (MIM) 是設備能夠始終如一且可靠地提供的最小運動增量。它是運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），范圍從 100 nm 到 1 nm。就對準速度和光束功率增量而言，較小的 MIM 成本很高。MKS Instruments 的 XMS 線性位移臺能夠達到 1 nm MIM 和 300 mm/s 的速度。



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

3、位置穩(wěn)定性是在指定時間間隔內將位置保持在指定容差范圍內的能力。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、其他運動參數包括：軸對齊、樞軸點、系統(tǒng)剛度、俯仰/偏航、耐熱、夾具設計、阿貝誤差等。

代表性搜索算法
   有效的光纖對準只能通過對準過程中的適合應用的步進位置搜索算法來實現。 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 軸上的受控運動產生的螺旋運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，使用更精細的步驟執(zhí)行另一個搜索循環(huán)以找到峰值最大值。

運動控制系統(tǒng)
   不同種類的運動控制系統(tǒng)可用于光纖對準，從適用于小規(guī)模和研發(fā)應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系統(tǒng)、取放自動化、點膠和固化系統(tǒng)、機器視覺等。以下是光纖對準操作中使用的手動和電動運動控制系統(tǒng)的典型：

1、手動位移臺是用于精確線性或旋轉運動的最簡單、成本最低的運動控制系統(tǒng)。它們用于研發(fā)和小批量生產環(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 促動器實現機動化。

2、壓電位移臺，圖 4(b)，是由壓電促動器驅動的緊湊型四到六軸對準系統(tǒng)。它們允許對X、Y、Z、θx、θy 和 θz 的不同組合進行高分辨率 (<30 nm) 調整，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準位移臺。當與精密運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)域內進行搜索。



4、帶有滾珠絲杠驅動的 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械設備，它使用六個驅動器，所有驅動器都平行移動，以在笛卡爾坐標系中提供 6 軸運動范圍。六足位移臺比堆疊位移臺更緊湊，能夠進行復雜的線性和角運動組合，適用于必要的旋轉調整。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的創(chuàng)新技術在光纖對準應用中的優(yōu)勢：

6、MKS Instruments 的六足位移臺采用工作和工具坐標系。這些是可編程坐標系統(tǒng)，如圖 5
(a) 所示，可以獨立操縱工件（樣品或設備）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系中發(fā)送定位命令。

7、顯示了當命令標準六足動物在 X 軸（藍線）上從一個點移動到另一個點時的運動。路徑中與直線的偏差最高可達一毫米。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、旋轉或弧形軌跡。



其他光纖對準系統(tǒng)組件
   完整的光纖對準系統(tǒng)由接收器或發(fā)射器設備、設備固定裝置或支架、光源、運動控制系統(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�？赡苓�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 的最小數據傳輸速率相匹配，以實現快速校準和生產率。
3、檢測設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、高速生產的取放自動化。

表1. 用于光纖對準系統(tǒng)的 MKS 儀器組件


結論
   快速、準確和精確的光纖對準對于光通信網絡的高效運行至關重要。光纖之間以及光纖與光學設備之間未對準的結點會導致網絡中過多的信號損失，MKS Instruments 提供一套運動控制系統(tǒng)、搜索軟件和輔助系統(tǒng)組件，非常適合用于光纖對準應用。MKS Instruments 的運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)到批量生產的光纖對準應用。