（机械电子工程专业论文）光纤耦合器中v型槽阵列定位误差的测量与评定.pdf

兰玺鎏三些查兰三兰篓：耋竺篁三 摘要 在光纤通讯领域，不仅要研制高质量的光源、光纤和光电探测器，而且 光源与光纤、光纤与光纤、光纤与光电探测器之间的光耦合也是实际应用中 必须妥善解决的问题。随着光网络传输的信息量的增加，光纤及其他光学器 件逐步向集成化方向发展，相应的出现了阵列波导光栅( a w g ) 、激光器阵列 等集成光学器件，所以光密集波分复用( d w d m ) 加光纤放大器( e d f a ) 的高 速、大容量光纤传输系统已经成为包括中国在内的世界各国光纤网络建设的 首选方案。目前a w g 芯片的制备工艺基本成熟，国外许多大公司都能提供 商品化的a w g 芯片，并且价格也不断下调，但a w g 模块价格却保持较高 的水平，原因是将a w g 芯片和光纤阵列( f i b e r a r r a y ) 对准粘接在一起形成 a w g 模块的耦合封装工作难度很大。而为了准确定位光纤而制作的v 型槽 阵列对耦合封装的成败起着非常重要的作用。特别是单模光纤，因为它的纤 芯太细，因此制作出具有高精度定位功能的v 型槽是提高耦合效率的关键。 虽然引起单模光纤与波导连接耦合插入损耗的因素很多，但决定连接耦 合成败的关键问题是光纤与波导的相对位置。波导宽度、深度及光纤芯径尺 寸都只有微米量级，相对容差极小，这就给v 型槽的加工和检测带来很大 困难。 本文就是针对v 型槽的结构特点，探索种快捷有效的测试方法，使 得能在保证精度的情况下缩短测试时间。 v 型槽的检测一直都是困扰光电行业的一个难题，因为它结构的特殊 性，导致许多常规的测试设备都无法对它进行检测，所以作者选择了t a y l o r h o b s o n 公司的t a l y s u r f , 分别尝试了二维和三维的测量方法，分析了两种方 法的优缺点，实验证明，二维测量方法有很好的快速性，数据处理相对简单， 但测量前的调整比较复杂；三维方法，测量时间比较长，数据处理复杂，但 测前基本不需要调整。 作者改进了常规的二维测量方法，使得测前调整简单很多，实验证明二 维测量更适合于实际应用。使用m a t l a b 语言，编写了评定软件，并通过 实验验证了算法和软件的可靠性和实用性。 关键词光纤；v 型槽；耦合；数据处理；拟合 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ef i e l do f o p t i cf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，n o to n l yt h eh i g hq u a l i t yo p t i c a l s o u r c e ，f i b e ra n dp h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r , b u ta l s ot h el i g h tc o u p l i n go f f i b e rt o l a s e rs o u r c e f i b e rt of i b e ra n df i b e rt op h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r8 r en e e d e d f i b e r a n do t h e ro p t i c a ld e v i c e sb e c o m em o r ea n dm o r ei n t e g r a t i v e ，a st h ee o m m a n i c - a t i on _ i n c r e m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nw e b a c c o r d i n g l yt h ei n t e g r a t i v e o p t i c a l d e v i c es u c ha sa w ga n dl a s e ra r r a ya r em a d e t h e r e f o r e ，t h ef i b e r c o m m t m i c - a t i o ns y s t e mw i t hh i g hs p e e da n dh i g hc a p a c i t yh a sb e c o m et h ec h i e f s c h e m ei nm o s tc o u n t r i e si n c l u d i n gc h i n a a tp r e s e n t ，t h et e c h n o l o g yo fa w g p r o d u c t i o ni s m a t u r eb a s i c a l l y m a n yf o r e i g nc o r p o r a t i o n sc a np r o d u c ea w g c h i p sa n d t h e p r i c eo f a w gi sf a l l i n gd a y b yd a y b u t t h ep r i c eo fa w gm o d u l e i sk e p to nam l a t i v eh i g hl e v e l t h er e a s o ni st h a tt h et e c h n o l o g yo fc o u p l i n g e n c a p s u l a t i o n i s v e r yd i f f i c u l t s o t h e p r e c i s i o n o fv - g r o o v ed e s i g n e df o r p r e c i s ep o s i t i o ni sc r u c i a lt oc o u p l i n ge n c a p s u l a t i o n e s p e c i a l l yf o rs i n g l em o d e f i b e r , t h ef i b e rc o r ei ss of i n et h a tv e r yh i g hp r e c i s ev - g r o o v e i sn e e d e d i nm a n yf a c t o r s ，w h i c hi n d u c et h ef i b e ri n s e r t i o nl o s e ，t h er e l a t i v ep o s i t i o n b e t w e e nf i b e ra n d w a v e - g u i d e i st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r t h ew i d t ha n dd e p t h o f w a v e - g u i d e t h ed i a m e t e ro f f i b e rc o r ea r ea l lm e a s u r e do nm i c r o m e t e r sl e v e l ， s ot h et o l e r a n c ei sv e r yl o w a c c o r d i n g l yt h em a c h i n i n ga n dm e a s u r e m e n to f v - g r o o v ei sh a r d e rt h a nt h a to f b i g g e rt h i n g s t h ea i mo ft h i st h e s i si st of i n dah i g he f f i c i e n c ym e a s u r em e t h o dt or e d u c e t h em e a s u r et i m ea th i g h p r e c i s i o n h o wt om e a s u r ev - g r o o v ep r e c i s e l yi sad i f f i c u l tp r o b l e ma l la l o n gi nt h e p h o t o e l e c t r i c i t yi n d u s t r y u s u a l l y , t h ev - g r o o v ec a n tb em e a s u r e db yg e n e r a l m e a s u r ee q u i p m e n t s ，b e c a u s eo fi t sp a r t i c u l a rs t r u c t u r e t h e r e f o r et h et a y l s u r f m e 踮1 l r ee q 试p m e n tp r o d u c e db yt a l o r h a r b s o nc o r p o r a t i o ni ss e l e c t e d ，w i t h w h i c he x p e r i m e n t sf o r2 d - m e a s l l r e m e n ta n d3 d - m e a s u r e m e n ta r ec a r r i e do u t r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n ts h o w t h a tt h e2 d - m e a s u r em e t h o di s h i g he f f i c i e n t ，e a s yd a t ap r o c e s s i n gb u td i f f i c u l tt oa d j u s tb e f o r em e a s i l r e m e n t ， a n d3 d - m e a s l l r em e t h o di sl o we f f i c i e n t ，c o m p l e xd a t a p r o c e s s i n g a n dn o i i 旦玺鎏三些查兰三兰璧圭! 竺篁兰 a d j u s t m e n tb e f o r et h em e a s u r e m e n t t h ew a yo f2 d m e a s u r e m e n ti s i m p r o v e di n t h ew o r kt o s i m p l i f yt h e a d j u s t m e n tb e f o r et h em e a s u r e m e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e2 d m e a s u r e m e t m e t h o di sm o r es u i t a b l ei np r a c t i c e a na s s e s s m e n ta l g o r i t h mi s d e v e l o p e di n m a t l a be n v i r o n m e n t t h r o u g h e x p e r i m e n t s ，t h ep r o g r a mi sp r o v e dt ob e r e l i a b l ea n d p r a c t i c a b l e k e y w o r d s f i b e r , v - g r o o v e ，c o u p l i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，f i t t i n g i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在人类进入信息社会的重要历史时期，发展信息产业已成为各发达国家着 眼于2 1 世纪综合国力竞争的焦点，信息产业将是本世纪衡量和表现一个民族创 造与发展能力、生存能力的重要领域。从1 9 6 6 年有人提出光纤可用于通讯的“神 话”预言，到目前光纤通讯的应用己遍及长途干线、海底通信、局域网、有线 电视等领域。其发展速度之快，应用范围之广，规模之大，涉及学科之多( 光、 电、化学、物理、材料等) ，是以前任何一项新技术不能与之相比的。现在光通 讯的新技术仍在不断涌现，显示出了强大的生命力和广阔的市场前景。将成为 信息高速公路的主要传输手段，是将来信息社会的支柱。 光纤通讯的飞速发展主要反映在：光纤、光源器件的研制以及相干通信和 波分复用的应用等方面，其中以光纤研究的进展最为显著。光纤研究追求的目 标是：制成损耗和色散很低、传输距离和容量很大的光纤通讯系统。在光纤系 统方面，由于降低损耗能延长传输距离或中继间距，所以，从第一代0 8 5 p m 多 模光纤系统，损耗约为3 d b k m ，过渡到第二代1 3 p a n 多模光纤系统，损耗约为 o 5d b k m ，再过渡到零色散的第三代1 3 岬单模光纤系统，实际色散为 2 p s n m k m ，损耗为0 3 6 d b k m ，发展到第四代1 5 5 a m 单模光纤系统，色散为 2 0 p s n m k m 损耗仅为o 2 d b k m 1 1 1 。 光纤通信应用技术发展如此迅速与它自身具备的优点是分不开的。 ( 1 ) 传输容量大光纤的一个低损耗窗口可容纳上百万个6 m h z 带宽的电视 频道或几千万条数字话路的电话信号，如果使用波分复用或时分复用技术，一 根光纤可容纳几亿路数字电话。 ( 2 ) 光纤传输损耗低可以做到几十公里无中继。 ( 3 ) 抗干扰能力强在光的传输过程中无电磁辐射，也不受电磁干扰，因而 不易被窃听，保密性好，而且可以在强电磁环境中工作。 在今后的几十年里，光纤通信主要向以下几个方向发展。 ( 1 ) 向超高速方向发展目前，商用系统的速率已从4 5 m b i t s 增加到 1 0 g b i t s ，其速率在2 0 多年时间里增加了2 0 0 多倍。目前1 0 g b i t s 的系统已 经开始大批量装备网络。全球已敷设了5 0 0 0 0 多网元。不少电信公司已开发出 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 0 g b i t s 的系统，2 0 0 1 年底已实现实用化。1 6 0 g b i t s 速率e t d m ( e l e c t r i c a l t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 和6 4 0g b f f s 速率o t d m ( o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的传输试验也已获得成功。但总的来看，单路波长的传输速率是有上限的， 主要受限于集成电路硅材料和镓砷材料的电子迁移率。其次还受限于传输媒介 的色散和极化模色散。最后还受限于所开发系统的性能价格比是否合理。因而 进步扩容唯一的实现方式是光的复用，目前w d m 和d w d m 复用方式已进 入大规模商用阶段。 ( 2 ) w 跚和d w d m 波分复用( w d m ) 技术出现以来，迅速得到广泛应用。1 9 9 5 年后，国际上大容量d w d m 系统开始商用，全球范围内迅速形成采用d w d m 系统对现有光纤通讯系统进行扩容的浪潮。截止2 0 世纪末，d w d m 系统实验 室水平的传输容量已达6 4 t b i t s ，1 6 t b i t s 和3 2 t b i t s 的d w d m 系统也处于 开发中。2 1 世纪初，商用的d w d m 系统传输容量已达4 0 0 g b i t s ，1 6 t b i t s 和 6 4 b i t s 的d w d m 系统投放市场。同时，w d m 技术复用的波段由常规波段( c ) 向长波段) 和短波段拓展，1 0 0 个波长通道的传输设备已经商用，2 0 0 1 0 0 0 个波长通道的传输系统正处于开发中。如图1 - 1 为d w d m 系统的原理图。 篮虬阮霸 丽虿t 难赵萱- l 砸叵囵j 呸窭卜恒亚 ： 2 印赢可! ! ：尘! ! 、赢争网世型 图1 - 1d w d m 系统原理图 f i g 1 1p r i n c i p l em a p o f d w d m s y s t e m ( 3 ) 光纤接入网光纤接入网是信息高速公路的“最后一公里”。实现信息传 输的高速化，满足大众的需求，不仅要有宽带的主干传输网络，用户接入部分 更是关键，光纤接入网是高速信息流进入千家万户的关键技术【2 i 。 1 2 光纤通讯及光纤耦合技术 光纤是光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆 柱形。光纤的基本功能是对光束的束缚及传播，即把一定波长的光能束缚在光 纤几到几十微米的径向范围内而沿光纤长度方向作低损耗传播。光纤传输特性 是由其结构和材料决定的。 光纤的基本结构是两层圆柱状媒质，外层为包层，内层为纤芯，且纤芯的 堕玺鎏三些查兰三兰堡圭兰堡鎏三 一；，：； 折射率比包层的折射率稍大。当满足一定的入射条件时，光波沿着光纤向前传 播时，由于纤芯边界的限制作用，其电磁场的解是不连续的。这种不连续的场 解称为模式，只能传输一种模式的光纤称为单模光纤，同时传输多种模式的光 纤称为多模光纤。单模光纤和多模光纤的主要差别是纤芯的尺寸和纤芯一包层 的折射率差值。常用的多模光纤芯径为5 0 岬，折射率差在1 左右。单模光纤 芯径在1 0 m 以下，折射率差在0 2 一0 3 。 下面图1 2 以光线理论分析光波在阶越折射率光纤中传输特性。 图1 - 2 子午光线的全反射 f i g 1 - 2 t o t a l i n t e r n a lr e f l e c t i o no f m e r i d i a n l i g h t 通过光纤中心轴的任何平面称为子午面，位于子午面内的光线称为子午线。 由图可求出子午线在光纤内发生全反射时的条件，要使光完全限制在光纤中传 输，则临界角满足： s i n c p o = i , 1 2 n l ( 1 _ 1 ) 吼= a r c s i n ( n 2 n 1 ) ( 1 - 2 ) 此时，相应的口应为： 口= 9 0 。一妒。( 1 3 ) s i n o = c o s o = ( n 1 2 一疗2 2 ) “2 n l ( 1 4 ) 并且，由于： s i n c p = , is i n 口 ( 1 5 ) d a o - 4 ) 和( 1 - 5 ) 可得： ”os i n e = 玎ls i n o = ( 疗? 一疗；) “2 ( 1 6 ) 由图l - 2 可以看出，入射角大于驴时，光束在纤芯和包层截面上不会形成全 反射，部分光将透过包层而逸出，不会沿光纤传播。因此，要想使光束在光纤 e p 传播，入射光束的张角必须小于2 p 。2 p 称为光纤的受光角或孔径角，可见 s i n 伊反应了光纤集光能力的大小，把它称为数值孔径，表示为n a 。 光纤中不在子午面内的光线都是斜光线。它与光纤的轴线既不平行也不相 堕查堡三些查兰三兰堡圭兰譬兰兰 。 交，其光路轨迹是空间螺旋折线，斜光线的数值孔径比子午线的大，在单位长 度光纤中，子午光线与斜光线它们的光路长度相等，但斜光线的全反射次数比 子午光线的多【3 1 。 光纤的损耗是影响长距离光通信和光传输的最重要的因素。由于损耗的存 在，光信号不得不反复增强，才能实现较好的远距离传输，即需要建立中继站。 损耗决定了光信号在光纤中被增强之前可传输的最大距离。光纤的损耗主要是 由材料的吸收损耗和散射损耗决定。此外，还有光纤的弯曲损耗及构成光纤系 统时因光纤耦合而产生的损耗，而这些是光纤使用者更关注的损耗因素州。 1 吸收损耗吸收损耗包括杂质离子的吸收损耗和光纤材料所固有的本征 吸收损耗。杂质离子主要是过渡族金属离子和o h 一离子，他们是由于材料的不 纯净和工艺的不完善引入的。目前，过渡族金属离子的吸收问题己基本解决。 近来，消除o h 一的方法也有显著成效，可以制出水的质量比小于几十个p p b ( 1 p p b = 1 0 。9 ) 的高硅玻璃材料。据最新报道，美国朗讯科技公司研制的无水峰 光纤一一全波光纡己大量投入市场。 2 散射损耗与弯曲损耗散射损耗主要来源于光纤的制作缺陷和本征散 射，其中主要是折射率起伏。瑞利散射是一种基本的重要的散射，当散射体的 尺寸小于入射光波波长时，瑞利散射总是存在的。瑞利散射是一种重要的本征 散射，其主要特点是散射损耗与波长的四次方成反比。 光纤的弯曲损耗有两类：宏弯损耗和微弯损耗。光纤弯曲时，在光纤中传 输的导模将由于辐射而损耗光功率。光纤的曲率半径越小，导波的辐射越大， 损耗就越大。一般认为当曲率半径大于1 0 e r a 时弯曲损耗可以忽略峥j 。 3 光纤的几种耦合损耗 ( 1 ) 光纤与光源的耦台通常指光纤与l e d ( 发光二极管) 和l d ( 激光二极管) 的耦合，耦合方式有直接耦合和透镜耦合。 直接耦合是最简单的耦合方式，即将一根平端面的光纤放在光源发光面的 前面，让光直接照射光纤。这种耦合方式的耦合效率非常低。透镜耦合是为了 提高耦合效率而采用的一种方法。透镜在这里有双重作用：其一是使发光面在 光纤端面的成像面积与光纤纤芯面积匹配：其二是使成像在光纤受光角内的面 辐射强度不显著减少。这种方式的耦合效率比直接耦合效率高几百倍。 光纤和光源连接时，为获得最佳耦合效率，主要应考虑两者的特征参景相 互匹配的问题。对于光纤，应考虑其纤芯直径、数值孔径、截止波长( 单模光纤) 和偏振特性，对于光源则应考虑其发光面积、发光的角分布、光谱特性( 单色光) 、 输出功率以及偏振特性等。 ( 2 ) 光纤与波导的耦合由于单模光纤具有圆对称的模式分布，而对于梯形 截面脊形波导，在深度方向上折射率分布是不对称的，导致其模式深度也是相 当不对称的。因此光纤与波导之间存在着模失配，使耦合效率受到限制，并导 致耦合失配损耗“。除上述影响耦合效率的原因外，实际的耦合过程中，由于 光纤和波导的线度都在微米数量级，这就给两者的准直带来一定的困难，而由 对不准带来的附加耦合损耗也是不可忽略的。 图1 - 3 波导与光纤的耦合方向 f i g 1 3c o u p l i n gd i r e c t i o no f w a v e g u i d e t of i b e r n o d a 等人对耦合的准直容差做了比较全面的研究，基本结论是：y 方向耦 合容差最大，x 方向次之，z 方向要求最为苛刻( 坐标系如图1 3 ) 。如果要保证耦 合效率大于9 0 ，则y 、x 和z 方向允许的最大轴向位移分别为：5 5 k t m ，1 9 2 i _ a n ， 1 3 哪；由水平角度的对不准带来的耦合效率的减小，比垂直角度对不准更为 迅速。要保证9 0 耦合效率，允许最大的水平角度和垂直角度分别为0 8 。和 1 2 4 。【6 】。 总之，无论是光纤与光源耦台，还是光纤与波导的耦台，对于光纤的精确 定位将十分重要，特别是单模光纤，因为它的纤芯太细，因此制作出具有高精 度定位功能的v 型槽是提高耦合效率的关键环节。利用v 型槽阵列，不但解决了 光纤与光有源器件和光无源器件的耦合问题，而且，在光有源器件方面，光纤 阵列能满足半导体激光器实现阵列集成化、模块化的发展趋势，它是用来与多 通道波导型光无源器件耦合的最佳选择【_ ”。 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 3 光纤定位v 型槽阵列及其检测技术 从当前光纤通信应用技术发展趋势看，延长中继距离和扩大容量是开发新 的光纤通信技术的主攻课题。为延长中继距离和补偿传输损耗，掺铒光纤放大 器已开始使用并起到不可缺少的作用。扩大容量的方法，一是提高单信道速率， 二是通过波分复用技术( w d m ) 增加信道。 光合波分波器是w d m 所使用的一种光学器件，它可以把不同波长的多束 光信号汇聚到一根光纤中，也可以把由光纤传来的多波长信号分离开来。 目前，最热门的波分复用，解复用光器件就是a w o ( a r r a y e dw a v e g u i d e g r a t i n g 阵列波导光栅) ，商业化的a w g 的波长通道已达到4 0 多个，每个通道 的间隔在5 d 1 0 0 0 - z 之间，而用于涉型游光器( t i l t e r s ) 实现相同功能，则需要 3 9 块不同的f i l t e r s ，同时还需要与之相关的光束整型( 扩束，聚焦等) 光学元件 1 2 0 块之多，据报道在国外的实验室，a g 的通道数已达到1 2 8 路，通道间隔 为2 5 g h z 。显然a w g 的通道数和通道间隔的密集度还可以更多。而且与 f b g ( 光纤光栅) 和f i l t e r s 相比，a w g 的插入损耗没有因为通道数的增加而线性 增加，因此a w g 是当前d w d m 技术中的最理想器件。同其他器件相比，a w g 有以下优点： ( 1 ) a a 于它的制作采用半导体工艺，一致性、稳定性好，适于大批量生产， 且多通道传输，而其成本并不随通道数的增加而明显上升。 ( 2 ) 很容易与其它光有源、无源器件进行集成，构建特定的功能模块，如 o a d m ( o p t i c a la d d & d r o pm u l t i p l e x ) 、可调谐激光器阵列、可调谐探测器阵列 等。 ( 3 ) 它的频谱响应很平坦，使波长控制容易。 ( 4 ) 插入损耗小于3 d b ，串话电平优于3 5 d b 。 ( 5 ) a w g 适合于与光检测器综合在一起1 8 - 1 0 j 。 随着人们对半导体无源波导器件的不断深入研究，现已研制出多种无源波 导器件，如无间距定向耦合器、横向耦合器、光纤波导耦合器、棱镜波导耦合 器、光栅耦合器、光波导透镜、硅微透镜阵列等。无源波导器件是波导光学和 集成光路的重要组成部分，它们和有源波导器件通过波导连接组成了集成光路， 或者用于波导及其器件的传输和损耗的测试。这种波导型光无源器件具有明显 的优越性： 首先，这种器件体积小，重量轻，易于集成。可以很方便的与其它光电元 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 件集成在一起组成功能组件。这也是未来集成光学发展的趋势。 其次，这种器件的机械及环境稳定性好。无需在些功能区域进行特殊的 保护措施。受环境和湿度的影响程度远远小于目前应用的器件。 最后，这种器件的一些关键参数容易精确控制，因此特性优良。而且，一 旦模板定型后就可以大批量生产，大大降低了生产成本。 当光纤与波导器件耦合时，波导的横截面与光纤芯面的匹配情况一般是固 定的，将光纤与波导准确对准是实际工作中的最大问题。因为单模光纤的芯径 和波导端面的尺寸都在微米量级，所以精确对准是很困难的。如果能够实现精 密对准则可实现高效耦合。因此，设计并制造出质量很好的具有高精度定位功 能的v 型槽及其阵列将十分重要，利用它制成的光纤阵列成为重要的光无源器 件。 随着光电子集成技术研究的不断升温，支持多通道耦合的光无源器件也日 益受到科研人员和商家的瞩目。而利用v 型槽阵列研制成的光纤阵列，成为与多 通道波导型器件耦合的最佳器件，例如，它与a w g 的耦合。而且，它还可以实 现与半导体激光器阵列，半导体光探测器阵列的耦合。光纤阵列是光学集成器 件和光信号多通道传输不可缺少的耦合器件【1 1 1 。 光纤阵列有着重要的应用价值和广阔的市场前景。它可用于集成光电子和 光波导器件、波分复用和密集型波分复用器、阵列波导光栅、探测器阵列、光 开关、光隔离器。光纤阵列的尾端一般接有活动连接器或法兰盘，这样集成光 器件通过与光纤阵列的耦合连接实现了与光纤传输网络的连接，其特点是：耦 合效率高、回波损耗低，插入损耗低、实现了多波长、多通道的网络传输模式【1 2 】。 现代精密测量技术是- r - i 集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技 术为一体的综合性交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学 科的支持 1 3 , 1 4 1 。科学技术向微小领域发展，由毫米级、微米级继而涉足到纳米 级，即微纳米技术。微纳米技术研究和探测物质结构的功能尺寸与分辨能力 达到微米至纳米级尺度，使人类在改造自然方面深入到原子、分子级的纳米层 次【1 5 】。 三维接触式测量方法是由传统的探针式的接触测量方法发展而来的，目前 三坐标测量机是该方法发展豹成功典范和主要的使用工具。三坐标测量机是近 几十年来发展起来的一种多功能的测量仪器，是一种高精度、综合性很强的几 何量测量设备。它以精密机械为基础，综合应用了精密仪器设计、电子技术、 计算机技术、软件应用技术和传感技术等高技术成果，能对三维复杂工件的尺 寸、形状及其相对位置进行高精度铡量f 1 6 a 7 ) 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 但是随着纳米加工技术的发展，加工精度由本世纪初的最高精度微米级发 展到现有的几个纳米数量级，金刚石车床加工的超精密衍射光栅精度己达li l i a 实验室己经可以制作1 0 r i m 以下的线、柱、槽。微纳米技术的发展，离不开微 米级和纳米级的测量技术与设备，具有亚微米及纳米测量精度的几何量与表面 形貌测量技术已经比较成熟。同时发展起来的精密测量设备和技术也多种多样， 具有代表性的有：扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜、纳米测量的扫描x 射线干 涉技术、光学干涉显微镜测量技术i l ”“。 由于v 型槽阵列的测量要求精度极高，普通的三坐标测量机无法满足。所 以直接对v 型槽阵列的结构进行测量的方法在生产上用的比较少。目前最常用 的方法是用光纤距测量系统c o r e p i t c hp r o 。 这个测量系统要求被测的v 槽必须已经安装光纤，即已经做成f i b e r a r r a y ，在 所安装的光纤尾部通白光，则光从放在v 槽里的光纤发出，并照射到c c d 上。 如图1 4 ) b c o r ep i t c hp r o 的工作原理。 图1 - 4c o r ep i t c hp r o 的工作原理 f i g 1 - 4w o r kp r i n c i p l eo f c o r ep i t c hp r o f i b e m r r a y 被固定在夹具上，测量以前调整工作台，使第一根光纤的光斑中 心位于监视器的屏幕原点处，开始测量后，载物台带着f i b e m r r a y 移动，并且每 次移动的都是理论的光纤间距。由于电动调整架精度不高，所以另外加了激光 干涉仪来精确测距，所以电动调整架实际移动距离由干涉仪读出，而光斑中心 堕堡堡三些奎兰三兰堡圭兰堡丝苎 在屏幕坐标系中的位置也通过计算机的处理记录下来。这样就可以计算出各光 纤相对于第一根的误差。 这种方法的优点是，简单直观，操作简单，不需要复杂的数据处理，而且 由于检测是在f i b e r a r r a y 做成成品后才进行，所以可以把整个制作过程中带来的 误差都一起检测，更可靠。但是，由于要把v 型槽阵列全部做成f i b e r a r r a y 才能测 量，而检测不合格整个f i b e r a r r a y 就报废了，浪费原料，又费工时。基于这点， 作者提出在v 型槽阵列加工完毕后直接测量，而不是测量经过多道复杂工序才得 到的f i b e r a r r a y 。通过编制程序，提取测量数据中v 型槽的特征值，得出与c o r e p i t c hp r o 检测结果相似的结果，不但省时而且省料。 1 4 本文主要研究内容及目的意义 本文主要研究v 型槽阵列定位误差的检测，包括测量方法优化，测量原理 分析，误差评定参数的建立，误差评定软件的设计开发。 由于v 槽阵列的作用就是用来放置光纤的，还要保证有一定的连接强度， 并使光纤的相对位置达到设计要求。理想的情况为光纤放入后各纤芯的距离与 与之耦合的器件各通道之间的距离相等，在垂直方向上没有偏离，只有这样才 会有最高的耦合效率。所以v 槽阵列的测量就不能把各个v 槽孤立起来，必须 一组同时测量，通过数据处理，得到各纤芯的相对位置，并建立适当的坐标系， 来判断v 槽阵列是否合格。 主要内容如下： 1 分析v 槽阵列的结构特点通过分析，确定耦合对它提出的具体要求，确 定测量路径，分析不同的初始条件对测量结果的影响，以便于找出最佳路径， 并比较几种测量方法，找出一种快捷，方便的方法用于实际生产应用。 2 测量数据的分析由于从测量设备上读出来的数据都是离散的二维数据， 不能直接用来评定误差，必须经过处理，提取有用数据，利用这些数据重构出 v 槽阵列的原始形貌，即用分段函数表示的v 槽阵列方程，利用方程可以求出 光纤纤芯所在位置，建立相对坐标，求出纤芯在相对坐标系中的位置。 3 评定软件的编制利用具有强大数据处理功能的m a t l a b 语言，编制一 套面向对象的评定软件，使提出的误差检测方法可视化。 通过本科题的研究希望能够找到一种更方便快捷的v 型槽阵列结构尺寸测 量方法，在保证准确性和可靠性的前提下，代替现有的测量方法，提高生产效 率，节省原料。 堕查堡三些奎兰三耋塑兰兰堡丝圣 第2 章v 型槽定位误差的测量原理 2 1v 型槽阵列的定位误差 集成光学器件已在许多领域得到了应用，对所有的光学器件，光纤与芯片 之间的耦合都是一大难题，这是因为耦合的对准精度要求十分严格。因为光纤 很细，所以光纤与芯片耦合时，必须有能起夹持、定位作用的夹具。在耦合时， 夹具与光纤作为一个整体和芯片粘接起来，同时可增加粘接面积，提高器件的 可靠性。夹具尺寸很小，精度要求也在微米量级。v 槽阵列就是在这种前提下 产生的，v 型槽能对光纤实现精确的定位，很好的解决了光纤与光无源器件和 有源器件的耦合问题。尤其利用v 槽阵列制成的光纤阵列，实现了光纤与半导 体激光器阵列，阵列波导光栅( a w g ) 等的耦合，顺应了器件的集成化、模块化 的发展要求。提高了耦合效率，且大大降低了原来由于光纤耦合带来的高成本。 根据实际要求v 槽阵列又分为1 c h a n n e l ，4 - c h a n n e l ，8 - c h a n n e l ，1 6 - c h a n n e l ， 3 2 c h a n n e l ，一粒8 - c h a n n e l 的v 槽阵列如图2 1 所示。 图2 - iv 型槽阵列结构图 f i g 2 1d r a w i n gm a po f s t r u c t u r eo f v - g r o o v e v 槽的设计参数是跟据要与之耦合的波导的参数和生产工艺共同决定的，v 槽的主要参数有：v 槽1 自j 距，v 槽深度h ，v 槽夹角。其中，是完全由耦合器 件通道间距决定的，即v 槽间距应等于波导通道间距。 v 槽深度是根据光纤固定的需要设计的，即要预留出胶层厚度。因为为了 更好的固定光纤，需要在顶部用薄玻璃片压紧，并用胶固定。但胶层不能太厚 也不能太薄，太厚了浪费材料，太薄了固定不住。如图2 2 就是一粒完整的 f i b e m r r a y ，而且为了连接其它器件尾纤要留的较长。这时，光纤的精确定位就 完成了，由于有v 槽的加固作用，光纤不会那么容易损坏，给耦合创造了很好 的条件2 2 。”。 卜n 图2 - 2f i b e r a r r a y 荜图 f i g 2 - 2s k e t c hm a po ff i b e r a r r a y 为了更好的阐述测量的原理，我们以波导与光纤的耦合为例，介绍一下耦 合的概念，耦合示意图如图2 3 。 光波导是光波的传播所规定的通道，是光集成的核心，大部分集成光学器 件，如：光调制器、光开关、光功率分配器、光耦合器、波分复用器、光滤波 器、偏振分束器、微透镜等等，都是以光波导为基础的。所以，各种集成光学 器件，从实验室走向实用化的关键是实现光波导与单模光纤的有效耦合1 2 “j 。 按照波导与光纤之间是否存在光学元件，可将耦合方式分为两种，即直接 耦合和间接耦台，与后者相比，前者具有结构简单、耦合效率高等优点，再加 上当前精密机械的快速发展，使得实现亚微米的调整成为可能，所以直接耦合 受到国内外众多学者的极大关注。 当条形波导与单模光纤进行耦合时，光能的损耗和波导中的模式不匹配有 关，同时也与两者的相对位置、耦合端的光纤反射性质有关，当通过合理设计 条形波导尺寸以减少模式不匹配的影响或者通过表面镀增透膜及在间隙处涂折 射率匹配液减少耦合端的反射损失时，两者之间的相对位置便成为光波导器件 参数测试和封装中至关重要的影响因素。波导和光纤的对准要涉及到六个自由 度的调整，直到使由两者相对位置带来的损耗达到最小，我们就可以认为这种 状态就是两者的最佳耦合位置，由于波导阵列的制作精度很高，比v 槽的精度 高一两个数量级，所以通道之间的间距就以波导为准，理想的情况下，v 槽的 间距应与波导间距完全相同，而且各通道在一条直线上。 图2 - 3 光纤阵列与波导耦合示意图 f i g 2 - 3s k e t c hm a po f c o u p l i n gf o r v - g r o o v ea n dw a v e g u i d e 而实际上，v 型槽阵列并不是理想的，它会有加工误差，而反映到耦合上 就是耦合误差，如图2 - 4 。为了更清楚的表明耦合误差，只画出耦合的3 根光纤。 图中，o 表示波导耦合中心位置，x 表示光纤纤芯位置。 ， 必 厂火 缈： z d 划 图2 - 4 耦合误差示意图 f i g 2 - 4s k e t c hm a po f c o u p l i n ge l t 0 1 由此可见，由于v 槽的制作精度而引起的偏差只有船，缈，即横向偏移 和纵向偏移。显然，a x ，y 越小越好，但也不可能做到都为零，实际上要规 定一个最大值，有：缸2 + 缈2 o 7 i x m ，即要求缸 o5 肛l 且如 0 6 。时， 测量误差已经与耦合允许误差在同一个数量级了，所以严格控制口是整个调整 过程的关键。 由于t a l y s u r f 本身并没有旋转调节架，所以需要我们自己设计夹具和选择 旋转控制台，这样反而允许我们选取精度更高的旋转机构。我们选择精度可以 达到o 16 的m e l l e sg r i o t 旋转台，可以保证由口带来的误差远远小于耦合允许 误尊。 堕垒堡三些查兰三兰堡圭兰篁鎏銮 3 3 倾斜误差分析 由于工作台的倾斜或者旋转机构旋转平面与工作平面的不平行，很难避免 倾斜误差的存在。但是我们在调平时利用整片w a f e r ，在扫描长度很长( 大于 5 0 r a m ) 的情况下，可以使第一点和最后一点在z 方向的差值小于1r a i n ，即可 以使倾斜角： 口 口州击) = 们6 3 9 。 显然，有口 二叫荔灞镐； 光纤数的2 值一， i = 二二：1 二 开始误差分析 图4 _ 6 数据分割流程倒 f i g 4 - 6 f l o wc h a r t o f d a t a p a r t i t i o n 。 由于扫描数据中本身带有很多随机误差，所以s l o p e 矩阵中有很多零散的 斜率突变，但它不会改变测量数据固有的斜率趋势。如果非0 序列的个数不等 于光纤数的2 倍，就要增加拟合直线所需点数，但有上限，点数不能超过最小 分段上点数的1 4 。如果不能成功分割，则可能是数据有问题，无法继续执行程 序。 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 3 误差分析 就是前面误差分析的程序实现，流程图如下： i 各分段数据分l i 别拟合直线i j l 求与v 槽两侧边相 l 切的半径为光纤 i 半径的圆心坐标 i 建立局部坐标系 i j 求出吾脚心坐标 i 相对于理论位置 l的偏差 + f 输出结果f 图4 7 误差分析流程图 f i g 4 7f l o wc h a r to f e r r o ra n a l y s i s 上述就是整个软件设计过程，充分利用了m a t l a b 强大的数学运算功能和 面向对象的程序设计思想。 4 3 软件界面介绍 本软件主界面如图4 8 。 菜单栏：控制数据的载入、导出、参数设置以及m a t l a b 自带的对图形的 编辑工具，可以实现图形的各种变换，甚至编辑坐标系。是软件的主控部分。 工具栏：从菜单中提取的最常用的操作，可以更方便的实现对图形的控制， 如放大、缩小、旋转等。 图形显示：导入数据后直接显示v 型槽阵列的扫描图，即由原始数据首尾 相连画出的曲线。执行分析命令，程序会把经过计算后的模拟光纤芯画到相应 的位置上，这时结果已经显示在下面的分析结果显示区，也可以通过观察光纤 堕查篓三些查兰三兰堡圭兰堡篁塞 的颜色来判断是否合格，如果有红色，说明v 槽误差超标。 分析结果显示：对原始扫描数据进行分析后的所有结果都在这里显示，为 了更清楚的知道导致误差的直接原因，在结果中还给出了v 槽阵列与光纤相切 点坐标，可以更直观的表示v 槽特征尺寸。显示的数据分析结果还有：纤芯坐 标、偏差值、耦合成败与否。 可以看出只需很简单的操作就能实现v 槽的快速检测，分析结果直观明了。 图4 8 分析软件的主界面 f i g 4 - 8m a i ni m e r f a c eo f a n a l y s i ss o i l w a r e 图4 - 9 是参数设置界面。 由于v 型槽阵列的种类很多，按照结构它可分为：h a l f p i t e h 和c o r e p i t c h ； 按照通道数不同又有：1 - c h a n n e l ，4 - c h a n n e l 等等。光纤的直径也不固定，这些 指标完全由客户给出。在测量上扫描参数的不