光纤耦合

光纤精准耦合应用

光通信是以光信号为载体，以光纤作为传输介质，实现信息传递的系统。光通信网络建设的本质驱动是快速且持续增长的数据流量需求。随着数据流量不断增长，传统承载网的数据传输和带宽压力不断增加，骨干网传输速率将从100G不断向200G/400G/800G等更高速率升级。

在光通信领域，随着人工智能新应用的不断涌现，硅基光电子技术以其高速高密度互联的特性，迅速成为光通信领域的焦点。

硅基光电子技术将硅中的光学和电子功能融合在一起，为数据传输和处理带来了革命性的变化。屹立于现代技术的最前沿，实现了高速、高带宽通信，这对生成式人工智能、云计算和数据驱动型经济非常重要。硅光子技术将高速光模块的关键光子元件和功能集成到硅衬底中，可以使用标准的商业晶圆制造厂制造

光模块在发送侧将电信号转换为光信号，并在接收侧将光信号转换为电信号。我们可以通过跟踪进出设备的光来突出光模块的关键光学组件。为了接收光，必须有一个到硅片的耦合接口，它可以通过光栅耦合器垂直穿过芯片顶部，或者通过边缘耦合的硅片侧面。波导引导光通过芯片，基于硅的光电探测器检测光并将信号转换到电信号，并由电子部分进行处理，从而实现各种应用，如高速数据通信、光计算、生物医学传感等。

在发射端，激光产生的光被引导到芯片中，然后需要将光调制到携带信息的信号连接器中。光最终耦合出芯片并进入光纤。从那里它可以通过标准接口进入光模块外部的光纤线缆。

多模光纤中芯的直径只有50微米左右，大约只有人的头发丝粗细的一半，而单模光纤芯的直径只有10微米左右。将单模或者多模光纤耦合连接到硅光子器件，以及多模光纤到单模光纤的耦合，受光纤纤芯半径限制，以及对准误差、平台振动、热效应等因素的影响，耦合进光纤的光功率损耗极大。当前主流的硅光模块方案主要包括单模硅光（DR/FR）方案和相干硅光方案。而硅光耦合的关键环节在于双FA（Tx/Rx）耦合、双Lens耦合以及LD与Pic之间的耦合，这些过程对精度要求极高。要实现极高的耦合效率，是极具挑战的任务。

光纤耦合-初光搜索方案

在光纤耦合过程中，由于每次初始状态聚焦光斑的位置都可能存在差异，并不能够按照固定的方式，有效地进行耦合；因此当其偏离光纤的位置较大时，为了将光斑定位至单模光纤附近，通常需要采用螺旋扫描算法驱动聚焦光斑在较大范围内进行搜索，以确定初始耦合位置。螺旋扫描方式如下图所示：

螺旋扫描从光斑概率密度最大处开始，围绕中心逐步扩大扫描范围，对指定扫描区域进行多层扫描，从而能够有效地覆盖整个区域，不易出现漏扫情况。具体的螺旋扫描过程为：高精度直线位移台配合视觉定位系统确定光芯片的初始位置。设定螺旋扫描的步长，通过高精度运动台使得光斑依次移动，同时对耦合进单模光纤内的功率进行探测；为了减小扫描步数，当耦合效率第一次满足阈值条件时，以此位置为中心再次开始螺旋扫描，并记录扫描过程中所有满足阈值条件的位置；经过一定步数的扫描后，根据这些标记点计算得到平均位置，驱动聚焦光斑移动至该位置，即初始耦合位置。

在螺旋找到的初始点位附近，再次进行单轴循光动作(精找光)，扫描系统的各轴均执行完成后返回光强最大点位分析精找光数据，从而确定找光流程准确完成。科途创新的高阶螺旋线轨迹规划的优势：

1. 以最小的能量完成相同的运动任务，高效节能，降低电机发热对系统的影响。

2. 同样规划时间或达到同样的运行速度时，使用的加速度极小，系统的冲击极小，有效控制震动。

3. 可以做到合成速度持续提升，缩短运行时间，提高耦合效率。

初光搜索测试记录：

测试1

螺旋数：10

螺旋间距：0.01mm

总运行时间620ms

最大加速度：0.139G   1.39m/ss

合成速度持续提升：最大值10mm/s

高精度多轴精密驱动控制技术是光纤耦合设备的关键技术点之一。光芯片到透镜(Lens)和透镜到光纤的耦合需要高精度的对准，在找光对准过程中需要运动平台一边以极小的步进距离进行扫描，同时又需要以极高的同步性记录光功率计输出的每个点位的功率输出；再次，常用的循光轨迹如几何中心，螺旋，二分法等几种方法，在粗找光之后要再次进行精细找光过程，所以要求运动系统有足够高的运动重复定位精度以及稳态误差。

科途创新解决方案

科途创新在光纤耦合技术领域有多年的的应用经验，直线电机XYZ高精密直线运动平台，灵活定制的行程，Z轴配重可选双气缸，高性能线性运动导轨，用于数据采集应用，定位稳定性优异。截止频率>100HZ，可快速移动和定位。搭配高性能驱动器，实现静态抖动值≤±25nm，耦合过程更稳定。高速循光，每轴速度≥350mm/s,加速度≥1g，找光更快，效率更高高速螺旋线轨迹属于定制算法单轴移动采样的特殊应用，实际运行中根据工艺距离不同完成螺旋时间0.6-1.2s。