应用多目标演化算法的波导-光纤自动耦合系统

利用多目标演化算法,开发设计了一种新的列阵自动对接方法,新算法并行操作次数较常规遗传法大幅减少.理论分析和仿真结果表明了该方案的可行性.研制了基于多目标演化算法的自动调芯系统样机,单芯光纤─条波导─单芯光纤系统的自动调芯实验表明,端面耦合损耗的平均值为0.1136dB,单次耦合损耗的最大值小于0.13dB,标准偏差小于0.02dB.单芯光纤列阵─1×8波导分支耦合器─8芯光纤列阵自动调芯实验表明,各通道插入损耗均小于10.7dB,均匀性指标小于0.77dB.单次调芯时间小于10min.证实了该方案及其样机系统具有良好效果和实用性.     

基于遗传算法的光波导-光纤自动调芯系统的研究

开发了一种新的自动调芯方法,在光纤-波导-光纤的自动对接中导入了遗传算法原理。数值仿真表明该方法达到了小于0.0001dB的插入损耗。完成了调芯系统样机,单模光纤-单模波导-单模光纤的自动对接实验显示,在1310nm和1550nm波长上,光纤-波导端面耦合损耗平均值分别为0.134dB和0.109dB,标准误差分别为0.009dB和0.012dB,调芯时间累计不超过8m in。     

大光斑离轴式光纤旋转连接器的耦合性能

针对直接对准型离轴式光纤旋转连接器中自聚焦透镜准直器出射光斑小、光纤耦合损耗大和有效对准时间短的问题,本文提出了一种由双合透镜和热扩芯光纤构成的大光斑光纤准直器。基于出射光斑在相对旋转过程中重叠面积的周期性变化规律,分析了准直器间存在径向误差和角向误差时的耦合损耗变化。根据转子圆环和出射光斑尺寸得到耦合损耗为3 dB时的理论有效对准时间。为此搭建了光纤耦合实验平台测试其耦合性能及有效对准时间。实验结果表明,光纤准直器采用的单模光纤模场直径越大耦合损耗越低,其中模场直径为28μm时耦合损耗低至0.22 dB。在转速为60 r/min时,通过光电转化和函数拟合得到四种模场直径光纤准直器的有效对准时间。模场直径为17μm时最大有效对准时间为7.05 ms,与理论值7.1672 ms基本一致。最后应用光纤布拉格光栅传感实现无接触式传输光信号。这种设计为大光斑离轴式光纤旋转连接器的研究及其在光纤传感领域的应用提供了理论和技术支撑。     

阵列波导光栅(AWG)与光纤列阵的自动化对接耦合技术研究

阵列波导光栅(AWG)与光纤列阵的对接耦合是AWG芯片模块化的核心工作。传统的对接耦合方法是利用手动调芯技术进行对接,但是这种技术存在耗时久,精度低等缺点。为此开发了一种采用质心调芯法和遗传算法的自动调芯耦合技术,该技术具有对准精度高、重复性好、效率高等优点。实验结果显示,使用这种自动调芯耦合技术制造出的48通道AWG器件每个通道的最大插入损耗为4.65dB,满足目前最大插入损耗小于5dB的行业标准。     

多体系统理论的四轴运动平台综合空间误差建模

平面波导芯片与阵列光纤之间的对准,主要依靠器件封装设备运动平台的六维全空间亚微米精度运动控制,来实现其精确定位对准,基于多体系统理论,阐述四轴运动平台综合空间误差的建模过程,为阵列光波导器件封装设备运动平台的精度分析和误差补偿,提供一种理想的建模技术.     

扩展BANYAN网络的可重构 无阻塞8×8矩阵光开关

在分析CROSSBAR网络(CN)和BANYAN网络(BN)结构的基础上,提出了一种新的扩展BANYAN网络(EBN)可重构无阻塞结构。以8×8矩阵光开关为例,分析了EBN结构的两种形式及其可重构无阻塞特性,给出了开关单元驱动逻辑。从理论上计算了SiO₂波导EBN结构矩阵光开关的光学损耗和功耗。对于8×8开关,插入损耗为3.3 dB。按理论计算设计制作了8×8矩阵光开关,测得波导传输损耗为0.1 dB/cm,光纤-波导耦合损耗为0.5 dB/point。光开关插入损耗为4.6 dB,平均串扰为-38 dB,平均偏振相关损耗为0.4 dB,开关平均功率为1.6 W,响应时间约为1 ms。实验结果与理论计算基本符合。     

基于体硅微机械工艺的光波导器件封装技术

光纤和光波导的耦合封装问题是实现集成化学器件实用化的关键技术。本文在分析了光纤和光波导端面耦合损耗产生原因的基础上,选择光纤定位槽作为封装载体,并且比较了不同晶向硅各向异性腐蚀的定位槽作为封装载体的优劣。     

光电探测器与单模光纤精确对准算法研究

针对光电探测器模块的耦合封装,提出了一种精确对准的位置搜索算法,完成了光纤与光接收芯片从零响应电流到最大响应电流位置的搜索定位。在对准耦合的精确搜索阶段,为克服多个自由度之间交叉耦合的问题,首次将模式搜索法应用到光纤与光接收芯片对准的多自由度搜索中。理论分析了光电探测器的耦合效率数学模型,运用爬山法与模式搜索法进行仿真并与实验结果进行了对比,结果表明模式搜索法在耦合成功率和搜索速度上都明显优于爬山法。针对三自由度的光纤与光接收芯片的对准,使用模式搜索法的平均搜索时间在25s内,比使用爬山法的平均搜索时间约快20s,且使用模式搜索法的耦合成功率达到90%以上,比使用爬山法的耦合成功率高30%左右。     

基于内壁芯光纤的调制器件

提出一种基于中空内壁悬挂芯光纤构造而成的光纤集成调制器.该光纤具有孔道结构,纤芯悬挂于孔道内壁.合成了含有超顺磁性Fe3O4纳米颗粒的磁流体,通过将空心光纤与多模光纤熔融连接,将磁流体封装在空心光纤内部,作为悬挂纤芯的包层.磁流体通过倏逝场对光产生吸收作用,由外磁场控制吸收强度,实现对纤芯的光调制.波长为632.8 nm的光经过拉锥耦合点耦合进入、传出调制元件.实验结果表明,在不同磁场强度下,仅仅2.0×10-3 μL的磁流体就可以对系统光衰减产生明显影响.当磁场强度为38 914 A/m时,饱和调制深度为43％;系统的响应时间低于120ms.该系统还可用于光开关,光纤滤波器和磁传感器等.     

高功率高耦合效率光纤模场匹配器

为了提高大模场面积光纤到单模光纤的耦合效率,利用加热扩芯的方法,对单模光纤进行了热扩芯处理,实现了大模场面积双包层光纤15/130μm到单模光纤6/125μm的模式匹配。对进行热扩芯处理的模场匹配器的传输损耗进行了理论分析;利用自行搭建的中心波长为1 064nm的激光光源分别测量了商用及自制的模场匹配器的传输损耗。实验结果表明:采用加热扩芯的方法极大地提高了大模场面积光纤到单模光纤的模场匹配器的模式耦合效率。与商用的模场匹配器相比,自制的模场匹配器具有更高的耦合效率和运行功率,其热处理能力更强,可靠性也更好,运行功率可以达到100W;在进行风冷的情况下,稳定工作时间累计为120min,最终可以获得73W的单模光输出,热处理能力为27W。模场匹配器性能的提高满足了高功率光纤元器件发展的需要,有利于实现光纤激光系统的全光纤化。     

Single lens photometric machine vision with 3D imaging for fiber-to-chip coupling

A single lens photometric machine vision (SLPMV) optical microbench is presented and built for fiber-to-chip coupling. By a rotation mechanics in SLPMV, the multi-view-camera can scan the various surface status of the chips coupled. To realize 3D imaging more explicitly, the modified photometric stereo algorithm is proposed through acquiring the images of weak saturation, matching the scanning illuminative angles, and rectifying rectangularly the original images. The reconstructed images have had similar qualities as those obtained by scanning electron microscopy and have unveiled the detailed information obscured in the 2D images. For the InP-based optical waveguide chip coupled with wedge-shaped fiber, the insertion loss tested on the SLPMV is 3 dB less than one on the conventional testing station. The SLPMV could serve as a more cost-effective and compact scientific observation instrumentation in imaging informatics than commercial ones.     

球透镜耦合效率研究

根据能量积分法计算了球透镜用于激光二极管(LD)与单模光纤(SMF)之间耦合的耦合效率,并对其进行研究。结果表明:当采用单球透镜时,所带来的轴向偏差为±30 μm,横向偏差为±1.0 μm,沿着X-Y平面的轴向倾角偏差为±1.2°;当采用双球透镜时,角向偏差最大,横向偏差次之,轴向偏差最小。     

模式搜索法在光纤有源自动对准中的应用

提出基于模式搜索法的光纤有源自动对准算法,实现了多自由度同时寻优,解决了不同自由度之间的交叉耦合问题,提高了对准速度和对准精度。通过仿真与实验研究,与传统的爬山法进行对比。仿真结果表明,激光二极管与单模光纤五自由度对准时,模式搜索法只需20次迭代就可以找到最大点,收敛速度是爬山法的9倍。实验结果证明,横向调整两个自由度对准时,模式搜索法搜索速度比爬山法平均快10 s,定位成功率达到90%。     

Hyperbolic-cosine waveguide tapers and oversize rectangular waveguide for reduced broadband insertion loss in W-band electron paramagnetic resonance spectroscopy

The two-way insertion loss of a 1 m length of waveguide was reduced by nearly 5 dB over a 4% bandwidth at W-band (94 GHz) for an electron paramagnetic resonance (EPR) spectrometer relative to WR10 waveguide. The waveguide has an oversize section of commercially available rectangular WR28 and a novel pair of tapers that vary in cross section with axial position according to a hyperbolic-cosine (HC) function. The tapers connect conventional rectangular WR10 waveguide to the WR28. For minimum loss, the main mode electric field is parallel to the long side of the WR28. Using mode coupling theory, the position of maximum flare (inflection point) in the taper was optimized with respect to the coupling to higher order modes and the reflection of the main mode. The optimum inflection point position is about one-tenth of the taper length from the small end of the taper. Reflection and coupling were reduced by about 20 dB relative to a pyramidal (linear) taper of the same length. Comb-like dips in the transmission coefficient produced by resonances of the higher order modes in the oversize section were about 0.03 dB. Specially designed high-precision, adjustable WR28 flanges with alignment to about 5 μm were required to keep higher order mode amplitudes arising from the flanges comparable to those from the HC tapers. Minimum return loss was about 30 dB. This paper provides a foundation for further optimization, if needed. Methods are not specific to EPR or the microwave frequency band.     

全光纤MZI型三信道波长交错滤波器的改进

为改善全光纤三信道波长交错器的输出特性,提出了一种不对称结构的三光纤臂Mach-Zehnder干涉仪(A-MZI),这种光纤干涉仪由一个一字型3×3单模光纤耦合器和一个品字型3×3单模光纤耦合器以及三条光纤干涉臂组成,其中一字型3×3单模光纤耦合器作为输入耦合器,品字型3×3单模光纤耦合器作为输出耦合器。推导了该器件的输出表达式,并进行了数值模拟。模拟结果表明,与常规的全光纤MZI型三信道波长交错器(C-MZI)相比,本文提出的交错滤波器的信道间功率旁瓣降低了约13.6dB,并且具有对器件参数偏差不敏感等优点。用光纤熔融拉锥法实验制作了该器件,实验结果与理论分析吻合得很好,实验样品的信道间功率旁瓣值-34.6dB,插入损耗1.0dB,信道隔离度30dB。     

平面光波导精密对准平台运动误差的敏感性分析

在阵列光纤与波导芯片的对准过程中,多自由度精密运动平台的运动精度直接影响其耦合效率。针对此问题,运用多体动力学理论,通过分析运动平台的各项误差源,建立了多自由度精密运动平台的误差模型。采用基于方差的Sobol法对运动平台的各项误差进行敏感性分析,从而得到了各误差参数在敏感方向的影响程度。试验结果与理论分析结果基本吻合,说明该模型具有一定的适用性。该模型可为多自由度精密运动平台的运动精度控制、误差补偿分析以及系统优化设计提供借鉴。     

六轴运动平台几何误差与阵列光纤对准精度的映射关系

针对光缆中阵列光纤与波导芯片精准对接问题,运用光电子封装系统六轴精密运动平台,研究了控制阵列光纤的位姿及对准精度。依据齐次坐标矩阵的几何误差模型,采用方差敏感性分析方法,辨识得出影响对准精度的重要误差项;分析了运动平台的搭建结构,探讨了运动平台几何误差与光纤对准精度的映射规律。实验结果表明,该方法可靠、有效,可为提高光纤封装效率与对准效率提供参考。