CN1212531C - 波导－光纤自动对接的质心调芯法及其所用自动调芯装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及波导-光纤自动对接的质心调芯法，方案是避开直接寻找峰值位置，采用测量计算峰值附近的耦合效率分布的质心确定峰值位置。其步骤为初始化、粗走、精走、积分求质心及重复上述步骤进行另一维的质心调芯。自动调芯装置，包括稳压电源、高稳定光源、精密六维调整装置、波导固定用调整座、步进电机驱动控制器、显微摄像观测系统、高分辨率光功率计和计算机。其效果是从原理上克服了依赖于对微变信号精确测试的困难。采用测量计算峰值附近的耦合效率分布的质心来确定峰值位置，避开对峰值位置的直接寻找，缓解了对测试仪器的精度的苛刻要求。另一优点是，所有的随机测试误差在计算质心位置的过程中被作了代数平均，滤除了测试过程中的随机干扰。

Description

波导-光纤自动对接的质心调芯法及其所用自动调芯装置

技术领域

本发明涉及一种集成光学光波导器件与单模光纤的自动连接和封装技术的波导-光纤自动对接的质心调芯法，属于光通信领域。

背景技术

由于光波导器件具有体积小、功能集成度高、适于批量生产等优点，近年来，在光通信干线网的Tbit/s超高速传输实验、以及接入网的光纤到户技术中，越来越多地采用了光波导器件。在光纤网络中导入光波导器件，首先必须解决的问题是光钎和光波导的连结封装。考虑到器件插入损耗对网络经济性的直接影响，其中要解决的一个关键技术是光波导器件与光纤的低损耗对接。目前国际上的先进指标是每端损耗低于0.15dB。要达到这一指标，一方面要求光波导的模场分布尽可能与光纤的一致，另一方面必须要求光波导与光纤的光轴对准精度控制在0.1μm以下。利用高精度调整架采用常规手动操作，技术要求很高，特别是在耦合进入0.3dB后，作为操作判据的微变信号精确测试是技术关键，相应的微操作十分困难，因此效率很低、重复性很差。采用自动化技术实现光波导与光纤之间的高效率、低损耗对接耦合是一种有效的手段，其常规方法是模仿手动操作的过程，通过扫描微调波导光轴与光纤光轴的相对位置来获得尽可能大的耦合效率。相关的已申请的专利有：申请号02115963.7“光波导器件和光纤阵列的自动对准及其通道能量均衡技术”及，申请号02115964.5“一种用于光波导器件和光纤阵列自动对准的方法”。常规调芯过程依赖于对微变信号的精确测试，不仅要求调节架的导轨有非常高的走行精度，还要求探测器有很高的灵敏度。一般情况下，由于精度原因和各种随机误差，常常导致调芯的重复性不好。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的常规调芯重复性很差的缺点，提供一种新的自动调芯方法，该方法避开直接寻找峰值位置，采用测量计算峰值附近的耦合效率分布的质心来确定峰值位置，从原理上克服了常规调芯过程依赖于对微变信号精确测试的困难。

本发明的技术方案是基于以下的基本原理和质心调芯法原理。

基本原理：

光通信系统中遇到的是单模光纤和单模条波导器件之间的对接，在对接端面上通过本征模之间的功率耦合实现载波的传输。对接过程中，波导与光纤之间通常填满了折射率匹配的待固化粘结剂或匹配液，端面反射很小，可以忽略。因此这种端面耦合的效率理论上表现为导模场分布间的重叠积分。图1给出了单模光纤和单模条波导的端面耦合的解析模型，不失一般性，设光纤和条波导在X-Z面内有一个光轴间的角度偏差θ以及模场峰值在垂直于Z轴方向上的偏差x₀，光纤端面和波导端面沿Z轴方向的间距为z₁。考虑到光波导制造工艺中一些不可预测的因素导致波导模场分布的非对称性，用两个不同的束腰W_xo1和W_xo2表征波导单模的非对称场分布。出于解析上的方便，设Y方向上波导模的场分布对称，束腰为W_yo。单模光纤和单模条波导的出射光波可以用高斯光波描述，以图1中条波导端面(Z＝0)作为参考面，在该面上单模光纤出射光的场分布为

E_f(x′，y，z′)＝u_x(x′，z′)u_y(y，z′)exp(jφ_f(z′))exp(-jkz′)    (1a)

$u_x(x^{\′},z^{\′})={\left[\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\frac{1}{W_f\left(z^{\′}\right)}\right]}^{\frac{1}{2}}\exp [-\frac{x^{\′2}}{W_f^2\left(z^{\′}\right)}]\exp [-j\frac{k{x}^{\′2}}{2R_f\left(z^{\′}\right)}]---\left(1b\right)$

$u_y(y,z^{\′})={\left[\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\frac{1}{W_f\left(z^{\′}\right)}\right]}^{\frac{1}{2}}\exp [-\frac{y^2}{W_f^2\left(z^{\′}\right)}]\exp [-j\frac{k{y}^2}{2R_f\left(z^{\′}\right)}]---\left(1c\right)$

式中

${\mathrm{\φ}}_f\left(z^{\′}\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{2z^{\′}}{k{W}_{\mathrm{fo}}^2}\right)---\left(2a\right)$

$W_f\left(z^{\′}\right)=W_{\mathrm{fo}}\sqrt{1+{\left(\frac{2z^{\′}}{k{W}_{\mathrm{fo}}^2}\right)}^2}---\left(2b\right)$

$R_f\left(z^{\′}\right)=z^{\′}[1+{\left(\frac{k{W}_{\mathrm{fo}}^2}{2z^{\′}}\right)}^2]---\left(2c\right)$

这里，W_fo是光纤模的束腰，k是光波在波导与光纤之间的介质中的波数，与介质的折射率有关，反映了匹配液的作用。单模波导导模在参考面上的归一化场分布可写成

E_g(x，y)＝v_x(x)v_y(y)                                             (3a)

$v_x\left(x\right)={\left[\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\frac{2}{W_{\mathrm{xo}1}+W_{\mathrm{xo}2}}\right]}^{\frac{1}{2}}\exp [-\frac{x^2}{W_x^2\left(x\right)}]---\left(3b\right)$

$v_y\left(y\right)={\left[\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\frac{1}{W_{\mathrm{yo}}}\right]}^{\frac{1}{2}}\exp [-\frac{y^2}{W_{\mathrm{yo}}^2}]---\left(3c\right)$

式中

$W_x\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{W}_{\mathrm{xo}1},& x\&GreaterEqual;0\\ W_{\mathrm{xo}2},& x<0\end{array}\right.---\left(4\right)$

通常对准操作时，两光轴间的夹角θ很小，可以作近轴处理，因此图1的两个坐标系在参考面上有如下关系

z′＝z₁+xθ-x_oθ                                                 (5a)

x′＝x-x_o-z₁θ                                                     (5b)

在上式的近轴近似下，单模光纤出射光的场分布在参考面上也是归一化的。于是，波导与光纤的端面耦合效率η可表示为

$\mathrm{\&eta;}={\left|\&Integral;\&Integral;E_f^{*}(x^{\&prime;}\left(x\right),y,z^{\&prime;}\left(x\right))E_g(x,y)\mathrm{dxdy}\right|}^2---\left(6\right)$

把(1)式和(3)式代入上式，解得

η＝η_x·η_y

                                                                 (7a)

${\mathrm{\&eta;}}_x=\frac{4\exp [-\frac{2{(z_1\mathrm{\&theta;}+x_0)}^2}{W_f^2\left(z_1\right)}]}{\mathrm{\&pi;}{W}_f\left(z_1\right)(W_{\mathrm{xo}1}+W_{\mathrm{xo}2})}\{{[S_2-S_1+\sqrt{\mathrm{\&pi;}}{A}_1\exp \left(Q_1^2\right)]}^2+{[T_2-T_1+\sqrt{\mathrm{\&pi;}}{B}_1\exp \left(Q_1^2\right)]}^2\}---\left(7b\right)$

${\mathrm{\&eta;}}_y=\frac{2}{{[{(\frac{W_{\mathrm{fo}}}{W_{\mathrm{yo}}}+\frac{W_{\mathrm{yo}}}{W_{\mathrm{fo}}})}^2+{\left(\frac{2z_1}{k{W}_{\mathrm{fo}}{W}_{\mathrm{yo}}}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}}---\left(7c\right)$

式中

$S_i=A_i\exp \left(Q_i^2\right)\mathrm{Erfc}\left(Q_i\right)-{\&Integral;}_0^{R_i}\exp \left(t^2\right)[A_i\sin \left(2Q_{i}t\right)+B_i\cos \left(2Q_{i}t\right)]\mathrm{dt}(i=1\mathrm{or}2)---\left(8a\right)$

$T_i=B_i\exp \left(Q_i^2\right)\mathrm{Erfc}\left(Q_i\right)-{\&Integral;}_0^{R_i}\exp \left(t^2\right)[B_i\sin \left(2Q_{i}t\right)-A_i\cos \left(2Q_{i}t\right)]\mathrm{dt}(i=1\mathrm{or}2)---\left(8b\right)$

$A_i=\exp (-R_i^2)[M_i\cos \left(2Q_i{R}_i\right)+N_i\sin \left(2Q_i{R}_i\right)](i=1\mathrm{or}2)---\left(8c\right)$

$B_i=\exp (-R_i^2)[N_i\cos \left(2Q_i{R}_i\right)-M_i\sin \left(2Q_i{R}_i\right)](i=1\mathrm{or}2)---\left(8d\right)$

$Q_i=\frac{z_1\mathrm{\&theta;}+x_0}{W_f^2\left(z_1\right)}{M}_i+\frac{k}{2}(\frac{z_1\mathrm{\&theta;}+x_0}{R_f\left(z_1\right)}-\mathrm{\&theta;})N_i(i=1\mathrm{or}2)---\left(8e\right)$

$R_i=\frac{k}{2}(\frac{z_1\mathrm{\&theta;}+x_0}{R_f\left(z_1\right)}-\mathrm{\&theta;})M_i-\frac{z_1\mathrm{\&theta;}+x_0}{W_f^2\left(z_1\right)}{N}_i(i=1\mathrm{or}2)---\left(8f\right)$

$M_i={\left[\frac{\sqrt{{(\frac{1}{W_f^2\left(z_1\right)}+\frac{1}{W_{\mathrm{xoi}}^2})}^2+\frac{k^2}{4R_f\left(z_1\right)}}+\frac{1}{W_f^2\left(z_1\right)}+\frac{1}{W_{\mathrm{xoi}}^2}}{2[{(\frac{1}{W_f^2\left(z_1\right)}+\frac{1}{W_{\mathrm{xoi}}^2})}^2+\frac{k^2}{4R_f\left(z_1\right)}]}\right]}^{\frac{1}{2}}(i=1\mathrm{or}2)---\left(8g\right)$

$N_i={\left[\frac{\sqrt{{(\frac{1}{W_f^2\left(z_1\right)}+\frac{1}{W_{\mathrm{xoi}}^2})}^2+\frac{k^2}{4R_f\left(z_1\right)}}-\frac{1}{W_f^2\left(z_1\right)}-\frac{1}{W_{\mathrm{xoi}}^2}}{2[{(\frac{1}{W_f^2\left(z_1\right)}+\frac{1}{W_{\mathrm{xoi}}^2})}^2+\frac{k^2}{4R_f\left(z_1\right)}]}\right]}^{\frac{1}{2}}(i=1\mathrm{or}2)---\left(8h\right)$

耦合效率η随θ、Z₁和x₀的增大而减小。当θ、Z₁和x₀为零时，式(7)变为

$\mathrm{\&eta;}=\frac{2}{W_{\mathrm{fo}}(W_{\mathrm{xo}1}+W_{\mathrm{xo}2})(\frac{W_{\mathrm{fo}}}{W_{\mathrm{yo}}}+\frac{W_{\mathrm{yo}}}{W_{\mathrm{fo}}})}{[\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{W_{\mathrm{fo}}^2}+\frac{1}{W_{\mathrm{xo}1}^2}}}+\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{W_{\mathrm{fo}}^2}+\frac{1}{W_{\mathrm{xo}2}^2}}}]}^2---\left(9\right)$

特别是，当波导的模场分布为对称时(W_xo1＝W_xo2＝W_xo)，此时有最大耦合效率

$\mathrm{\&eta;}=\frac{4}{(\frac{W_{\mathrm{fo}}}{W_{\mathrm{xo}}}+\frac{W_{\mathrm{xo}}}{W_{\mathrm{fo}}})(\frac{W_{\mathrm{fo}}}{W_{\mathrm{yo}}}+\frac{W_{\mathrm{yo}}}{W_{\mathrm{fo}}})}---\left(10\right)$

当波导与光纤的模场分布完全相等时，式(10)给出端面耦合效率η＝100％。可见，对于给定的光波导和光纤，要获得高的端面耦合效率，必须尽可能使两者的光轴对准且保持平行、两者的端面间隔应尽量小且填充适当的折射率匹配介质。

质心调芯法原理：

一般情况下，由于波导制备工艺的复杂性，常常会出现波导芯几何形状的变形或折射率分布的不均匀等情况，在这种结构中导模的场分布不对称。常规的调芯过程是通过扫描微调波导光轴与光纤光轴的相对位置来获得尽可能大的耦合效率，其间还包括对轴平行度和端面间隔的微调。轴平行度和端面间隔的微调是关联的，当端面间非常靠近时，必须要求光轴间近乎平行，否则由于边端碰撞导致X-Y面内的微调不能进行。对于端面良好的波导芯片，这个过程在显微摄像观测系统操作下比较容易实现。在完成了角度调整并使两端面足够靠近时，可以近似认为z₁＝0、θ＝0，代入式(7)得到耦合效率

η＝η_x·η_y                                                       (11a)

${\mathrm{\&eta;}}_x=\frac{4\exp [-\frac{2x_0^2}{W_{\mathrm{fo}}^2}]}{\mathrm{\&pi;}{W}_{\mathrm{fo}}(W_{\mathrm{xo}1}+W_{\mathrm{xo}2})}{\left\{A_1\exp \left(Q_1^2\right)\right[\frac{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}{2}+\mathrm{Erf}\left(Q_1\right)]+A_2\exp \left(Q_2^2\right)[\frac{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}{2}-\mathrm{Erf}\left(Q_2\right)\left]\right\}}^2---\left(11b\right)$

${\mathrm{\&eta;}}_y=\frac{2}{\frac{W_{\mathrm{fo}}}{W_{\mathrm{yo}}}+\frac{W_{\mathrm{yo}}}{W_{\mathrm{fo}}}}---\left(11c\right)$

式中

$Q_i=\frac{x_0}{W_{\mathrm{fo}}^2}\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{W_{\mathrm{fo}}^2}+\frac{1}{W_{\mathrm{xoi}}^2}}}(i=1\mathrm{or}2)---\left(12a\right)$

$A_i=\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{W_{\mathrm{fo}}^2}+\frac{1}{W_{\mathrm{xoi}}^2}}}(i=1\mathrm{or}2)---\left(12b\right)$

以扫描位置x₀为横坐标，由上式得到的耦合效率分布曲线示于图2。在图2中，定义非对称因子为α＝1-(W_xo1/W_xo2)，三条曲线分别对应α＝0、0.2、0.4，并取1550nm波长下常规单模光纤和单模条波导的束腰W_fo＝5.63μm、W_yo＝W_xo2＝5.63μm。图2显示，随着非对称因子的增大，耦合效率分布曲线呈现愈亦明显的非对称性，峰值位置与光轴位置不重叠。耦合效率的峰值位置x_max可由η/x_o＝0算出。另一方面，可以发现耦合效率分布曲线的非对称性在靠近峰值附近有明显缓解，然而靠近峰值附近的曲线变化缓慢，调芯时仍然存在微小变值判别的困难。为了减小微小变值测试误差带来的影响，充分利用计算机控制自动调芯过程中的数值处理特长，我们提出质心法调芯方案。该方案避开直接寻找峰值位置，采用测量计算峰值附近的耦合效率分布的质心来确定峰值位置。设x_o1和x_o2为峰值点两侧具有等值耦合效率的位置坐标，在该区间内耦合效率分布的质心位置x_A由下式给出

布的质心位置x_A由下式给出

$x_A=\frac{\underset{x_{o1}}{\overset{x_{o2}}{\&Integral;}}{x}_o[\mathrm{\&eta;}-\mathrm{\&eta;}\left(x_{o1}\right)]d{x}_o}{\underset{x_{o1}}{\overset{x_{o2}}{\&Integral;}}[\mathrm{\&eta;}-\mathrm{\&eta;}\left(x_{o1}\right)]d{x}_o}---\left(13a\right)$

η(x_o1)＝η(x_o2)                                                    (13b)

由于耦合效率分布曲线的非对称性在峰值附近变得很小，因此、质心位置x_A与峰值位置x_max的偏差Δx＝x_A-x_max与比值η(x_o1)/η(x_max)有关。如果η(x_o1)/η(x_max)的值取的越大，其质心位置x_A就越接近理想的峰值，当取η(x_o1)/η(x_max)＝1时，Δx最小达到0。图3给出了Δx与η(x_o1)/η(x_max)的关系曲线。

当取η(x_o1)/η(x_max)大于90％时，偏差Δx在0.015μm以内，相当于仪器的最小步长0.05μm的1/3，已不构成实际影响。

基于上述的原理，本发明的技术方案是避开直接寻找峰值位置，采用测量计算峰值附近的耦合效率分布的质心来确定峰值位置。波导-光纤自动对接的质心调芯法，其特点是，方法步骤为初始化和粗走、精走、积分求质心及重复上述步骤进行另一维的质心调芯等步骤，步骤具体为：

(1)初始化和粗走

首先对各设定值初始化，包括选定走轴，选定步距，确定走向：粗走程序将选定的轴以0.25μm的步幅，每移动一步，读出位置及光功率计测得的光功率，并存储该位置和光功率值，从前向后走20步即5μm，找出并走到能量最大点；

(2)精走

根据粗走测得的耦合效率曲线，在峰值点两侧取具有等值耦合效率的两位置坐标X₀₁、X₀₂对应的耦合效率为最大值的90％；设定步幅为0.05μm，从X₀₁点精走扫描到X₀₂点，并且记录各位置点的耦合效率值，具体流程为：逐一比较找到X₀₁点后，每移动一步读出位置及光功率计测得的功率并存储该位置和所测功率，从前向后走30步即1.5μm；

(3)求质心位置

精走过程确定了峰值附近的曲线，由下式所示，采用数值方法算出质心位置：

$X=\frac{M_y}{M}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_i{x}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_i}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i{x}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i}$

式中，X为计算出的质心位置，My为输出功率的数值座标积分，M为扫描过程中输出功率的累积值，s_i＝p_i×0.05μm，pi为耦合效率，x_i为相应的坐标；让此轴走到该质心位置，即完成该轴的调芯；

(4)重复上述步骤进行另一维的质心调芯。

用于上述波导-光纤自动对接的质心调芯法的自动调芯装置，其特点是，它主要包括稳压电源、高稳定光源、两套精密六维调整装置、波导固定用调整座、步进电机驱动控制器、显微摄像观测系统、高分辨率光功率计和计算机；光波导芯片被固定于中间的三维手动调整座上，分别用于固定输入光纤和输出光纤左右两侧的精密六维调整装置的X轴、Y轴、Z轴和θ_z转轴由步进电机驱动，另外两维通过手动操作。

经多次调芯试验结果，得到的效果是它从原理上克服了常规调芯过程依赖于对微变信号精确测试的困难。本发明由于采用了测量计算峰值附近的耦合效率分布的质心来确定峰值位置的手段，避开了对峰值位置的直接寻找，有效缓解了对测试仪器的精度的苛刻要求。本发明的另一个独到的优点是，所有的随机测试误差在计算质心位置的过程中被做了代数平均，而随机误差的代数平均值是非常小的，因此本方法可以滤除测试过程中的随机干扰，相当程度地缓解了对信号微变量测试的精确度要求。

附图说明

图1为单模光纤和单模条波导的端面耦合的解析模型；

图2为单模光纤与非对称单模条波导的耦合效率分布曲线；

图3为Δx与η(x_o1)/η(x_max)的关系曲线；

图4为质心调芯法流程图；

图5为粗走流程图；

图6为精走流程图；

图7为系统结构示意图；

图8为端面夹角与液滴的形状、位置的关系图。

具体实施方式

质心调芯法流程：

由粗走扫描大致确定输出曲线的形状和峰值点大致位置后，以峰值点大致位置为中心，在其两边以η(x_o1)/η(x_max)＝η(x_o2)/η(x_max)＝90％确定积分区间[x_o1，x_o2]。在该区间上精走扫描，并完成对输出功率的数值坐标积分，坐标积分得到的面积代表了扫描过程中输出功率的累积值。该面积的质心线位置反映了经过平均处理后得到的、可获得最大耦合效率的坐标位置。此过程在X轴和Y轴上连续地交替进行，并可事先设定各轴的扫描次数。调芯方案的具体流程示于图4(为便于叙述，流程图仅描述一维的调芯过程)。

由图4所示，质心调芯法分为初始化、粗走、精走和积分求质心等几个阶段。各阶段的具体过程如下：

1、初始化和粗走

在调芯程序运行之前，各项设定首先被初始化，包括选定走轴，选定步距，确定走向等。粗走程序将选定的轴以0.25μm的步幅，从前向后扫描并记录最大值。粗走的流程框图如图5所示。

2、精走

根据粗走测得的的耦合效率记录，找出最大耦合效率的90％区域(X₀₁，X₀₂)。设定步幅为0.05μm，从X₀₁点精确扫描到X₀₂点，并且记录各位置点的耦合效率值。流程图如图6所示。

3、求质心位置

精走过程确定了峰值附近的曲线，根据式(13)，采用数值方法算出质心位置：

$X=\frac{M_y}{M}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_i{x}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_i}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i{x}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i}$

式中，s_i＝p_i×0.05μm，p_i为耦合效率，x_i为相应的坐标。

本发明具体实施过程

图7给出了实施本发明的自动调芯系统的结构框图，它主要包括稳压电源、高稳定光源、两套精密六维调整装置、波导固定用调整座、步进电机驱动控制器、显微摄像观测系统、高分辨率光功率计和计算机。光波导芯片被固定于中间的三维手动调整座上，左右两侧的精密六维调整台分别用于固定输入光纤和输出光纤。精密六维调整台的X轴、Y轴、Z轴和θ_z转轴由步进电机驱动，另外两维手动操作。步进移动量的最小值由脉冲的分割数决定，最小分割数为1/20，对应的移动量理论上为0.05μm。θ_z的灵敏度为0.0045度，其它两轴的最小读数为34角分。显微摄像观测系统主要包括两套直交安置的CCD显微镜及其微调架、监视器和照明光源。系统选用高稳定度通信用光源，可达到±0.005dB/15min的短期稳定度和±0.05dB/12h长期稳定度。探测用光功率计的相对测量分辨率为0.001dB，带有GP-IB接口功能，可以方便地与计算机连接。指令系统由计算机担当，根据编制的程序控制调芯操作，实时接受探测器的光功率信号，实时完成判别、记忆和反馈操作。光轴的角度调整采用手动操作，在自动调芯前完成。两波导端面间置有折射率匹配液珠，由于表面张力作用，匹配液珠的位置与两端面间的夹角有关，通过直交的显微摄像观测下的调角操作可以获得很好的端面间平行。我们的大量实验表明这种方法简单有效。两波导端面间的间隔是通过显微监测、步进驱动来控制，最小步长为0.05μm。通过监测匹配液的挤展状态可控制间隔在1μm前后。另外，为了消除导轨的空程影响，调芯过程采用了单向走行的方法。

实施例1：

光纤-光纤的自动调芯及其结果：

实验中采用了市场出售的平面研磨单模光纤跳线作为标准波导。由于单模光纤的模场分布非常规范，采用单模光纤间的耦合试验可排除波导缺陷带来的影响，客观地反映调芯系统软、硬件的特性。将两根端面清洁干燥的单模光纤安装到调芯仪的支架上，两光纤端面之间置有微量的折射率匹配液，匹配液的折射率在1310nm和1550nm波长上分别为1.445和1.444，与石英光纤芯的折射率差小于0.01，反射损耗小于-50dB。匹配液在1310nm和1550nm波长上的透过率分别为99％/mm和98％/mm，对于1μm左右的端面间隙可忽略匹配液的吸收。在显微摄像观测系统监测下，手动操作完成光轴的角度调整。如图8所示，利用两波导端面间的匹配液珠的表面张力作用，借助直交的显微摄像系统观测液珠的位置和形状，可以获得很好的端面间平行。两波导端面间的间隔是通过显微观测、步进驱动来控制，最小步长为0.05μm。通过监测匹配液的挤展状态可控制间隔在10μm前后。输出光纤经螺旋自动搜索程序的控制，自动搜索到出光点，实现两光纤之间通光。此时计算机与功率计间的反馈通道进入可运行状态。进一步用步进控制调节轴向走行，使端面间隙达到1μm左右。在上述状态下，进入质心法自动调芯过程。1310nm和1550nm波长的自动调芯实验次数均为9次，完成一次自动调芯过程的时间在2分钟以内。用此方案所得的调芯结果列于表1。结果显示1310nm和1550nm波长上的平均耦合损耗分别为0.075dB和0.062dB，标准误差分别为0.0099dB和0.0066dB。每次调芯的耦合损耗均小于0.1dB，反映了系统软、硬件良好的自动调芯性能和效率。

表1.调芯试验结果。采用单模光纤作为标准波导，使用波长分别为1310nm和1550nm。

	端面耦合损耗(dB)
			No.	λ＝1310nm	λ＝1550nm
1	0.082	0.068
			2	0.082	0.072
3	0.078	0.058
			4	0.078	0.058
5	0.078	0.058
			6	0.082	0.064
7	0.078	0.064
			8	0.061	0.051
9	0.055	0.068
			平均耦合损耗	0.075	0.062
标准误差σn-1	0.00987	0.0066

实施例2：

光纤-波导—光纤的自动调芯及其结果：

光波导选用日本NHK公司出品的石英基SiO₂掩埋型单模条波导，波导的芯截面尺寸的设计值为8×8μm²，相对折射率差Δ＝0.3％，两端面经平面研磨。输入和输出端各接单模光纤，端面间置有折射率匹配液。粗调过程与上述光纤-光纤的基本相同，由于在条波导的两端各有一对耦合，最初的通光调整采用632.8nm可见光易于判断。光纤-波导—光纤间通光后，计算机与功率计间的反馈通道进入可运行状态，此时将输入光改为近红外光。两端的自动调芯均采用质心法，1次调芯过程包括X轴和Y轴。每端各调芯两次，两端交叉进行，调芯时间累计不超过8分钟。调芯完毕后，输出端单模光纤改为多模光纤，重复上述调芯过程。由于多模光纤的芯径达50μm，可以近似认为多模光纤全部接收了单模条波导的输出功率。多模光纤与单模光纤的测量值的分贝差即为单模条波导与单模光纤的端面耦合损耗。1310nm和1550nm波长的自动调芯实验次数各为7次，结果列于表2。结果显示1310nm和1550nm波长上的耦合损耗平均值分别为0.140dB和0.109dB，标准误差分别为0.0082dB和0.0107dB。1310nm和1550nm波长的单次耦合损耗的最大值分别为0.15dB和0.12dB，表明该系统在实现高效率、低损耗的光纤—波导自动对接方面是十分有效的。

表2.光纤—波导端面耦合调芯试验结果。所用光纤为平面研磨单模跳线，波导为石英基SiO₂方形芯截面单模掩埋式波导

	端面耦合损耗(dB)
			No.	λ＝1310nm	λ＝1550nm
1	0.15	0.11
			2	0.14	0.11
3	0.13	0.12
			4	0.13	0.09
5	0.14	0.11
			6	0.15	0.12
7	0.14	0.10
			平均耦合损耗	0.140	0.109
标准误差σn-1	0.0082	0.0107

Claims (6)

1、一种波导-光纤自动对接的质心调芯法，其特征在于，其步骤为初始化和粗走、精走、积分求质心及重复上述步骤进行另一维的质心调芯步骤，步骤具体为：

(1)初始化和粗走

首先对各设定值初始化，包括选定走轴，选定步距，确定走向；粗走程序将选定的轴以0.25μm的步幅，每移动一步，读出位置及光功率计测得的光功率，并存储该位置和光功率值，从前向后走20步即5μm，找出并走到能量最大点；

(2)精走

根据粗走测得的耦合效率曲线，根据峰值点两侧具有等值耦合效率的位置坐标X₀₁、X₀₂，找出最大耦合效率的90％区域：设定步幅为0.05μm，从X₀₁点精确扫描到X₀₂点，并且记录各位置点的耦合效率值，具体流程为：逐一比较找到X₀₁点后，每移动一步读出位置及光功率计测得的功率并存储该位置和所测功率，从前向后走30步即1.5μm；

(3)求质心位置

精走过程确定了峰值附近的曲线，由下式表示，采用数值方法算出质心位置： $X=\frac{M_y}{M}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_i{x}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_i}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i{x}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i}$

式中，X为计算出的质心位置，My为输出功率的数值座标积分，M为扫描过程中输出功率的累积值，s_i＝p_i×0.05μm，p_i为耦合效率，x_i为相应的坐标；让此轴走到该质心位置，即完成该轴的调芯；

(4)重复上述步骤进行另一维的质心调芯。

2、根据权利要求1所述的波导-光纤自动对接的质心调芯法，其特征在于，所述的对接两波导端面间置有微量折射率的匹配液珠。

3、根据权利要求1所述的波导-光纤自动对接的质心调芯法，其特征在于，所述的调芯过程采用了单向走行的方法，以消除导轨的空程影响。

4、一种波导-光纤自动对接的质心调芯法所用的自动调芯装置，其特征在于，它主要包括稳压电源、高稳定光源、两套精密六维调整装置、波导固定用调整座、步进电机驱动控制器、显微摄像观测系统、高分辨率光功率计和计算机；光波导芯片被固定于中间的三维手动调整座上，分别用于固定输入光纤和输出光纤左右两侧的精密六维调整装置的X轴、Y轴、Z轴和θ_z转轴由步进电机驱动，另外两维通过手动操作。

5、根据权利要求4所述的自动调芯装置，其特征在于所述的由步进电机驱动的X轴、Y轴、Z轴的步进移动量由脉冲的分割数决定，分割数为1-1/20，对应的移动量为1-0.05μm。

6、根据权利要求4所述的自动调芯装置，其特征在于所述的显微摄像观测系统主要包括两套直交安置的CCD显微镜及其微调架、监视器和照明光源，系统选用可达到±0.005dB/15min的短期稳定度和±0.05dB/12h长期稳定度的高稳定度通信用光源，探测用光功率计通过GP-IB接口与计算机连接。

Images