挠性光电印制电路板工艺光纤特性仿真与测试

挠性光电印制电路板(Flexible Electro-Optical Printed Circuit Board,FEOPCB)在高温层压制作过程中,埋入光纤会产生热应力,造成光纤损坏等缺陷,影响其可靠性和高速信号传输性能。为了降低FEOPCB弯曲半径并提升其可靠性,将在双面覆铜聚酰亚胺(PI)基板上设计制作高精度矩形光纤定位槽。首先建立有/无涂覆层光纤埋入挠性基板有限元仿真模型,对FEOPCB制造工艺进行模拟仿真,并对埋入光纤应力及影响因素进行分析。结果表明,有涂覆层光纤所受应力远小于无涂覆层光纤。针对有涂覆层光纤,采用激光刻蚀技术在双面覆铜PI基板上制作了高精度矩形定位槽,通过高温层压工艺完成了FEOPCB制作。FEOPCB完成了温度冲击、低温、高温、湿热和10万次弯曲疲劳可靠性试验,利用光学显微镜观察分析,埋入光纤无高温降解和破裂等缺陷。FEOPCB最小弯曲半径小至2 mm,弯曲损耗分别为0.57 dB(90°)和1.12 dB(180°),且相邻光纤之间无串扰,在850 nm波长条件下通信速率可达10 Gbps,误码率小于10^(-16)。

大模场抗弯曲全固态光纤的结构设计

提出了一种具有对称结构的大模场面积和低弯曲损耗的新型结构光纤,运用全矢量有限元法结合完美匹配层边界条件分析了光纤特性。该光纤由纤芯中的梯形折射率环和包层中的多层下陷层组成,仿真结果显示该光纤具有低弯曲损耗大模场单模传输的特性。对比分析了梯形谐振环、矩形谐振环、三角形谐振环结构光纤的弯曲损耗以及电场模式分布,实验结果显示梯形折射率环更具优越性。多层下陷层结构将模场限制在纤芯中,下陷层的数量大于2时模场面积基本上保持不变。研究结果表明,在波长为1550 nm、弯曲半径为20 cm时,基模(FM)弯曲损耗只有0.056868 dB/m,而高阶模(HOMs)损耗为3.58 dB/m,有效模场面积可达2313.67μm^(2)。该光纤对弯曲方向不敏感,在高功率光纤激光器放大器等光通信器件领域具有广阔的发展前景。

超低损耗孔助光纤弯曲性能优化设计

建立了弯曲光纤的二维轴对称有限元分析模型,对初始光纤弯曲性能进行了有限元分析,分别计算其弯曲损耗,有效模场面积和连接损耗;选取芯层到下陷层距离b,下陷层宽度c,下陷层深度Δt,空气孔孔径r为设计变量,以弯曲损耗和连接损耗最小为目标,利用正交试验和灰度关联分析相结合的方法对光纤弯曲性能进行了多因素多目标优化设计。研究结果表明:优化后光纤弯曲损耗从0.127 8 dB/m减小到1.749 8×10-4dB/m;有效模场面积从94.741μm2减小到82.37μm2;连接损耗由0.174 3 dB减小到5.805×10-4dB。与标准单模光纤对比发现,新型光纤在弯曲半径为3 mm的情况下,有效模场面积从209.21μm2减小到82.3μm2,连接损耗从7.535 8 d B减小到5.805×10-4dB,大大地降低了光纤的连接损耗。新型光纤在小半径弯曲情况下,也能保证系统的传输质量。

层压工艺对埋入光纤传输性能影响分析

针对层压工艺下,埋入挠性光电基板的光纤,其应力、位移的变化,会影响光路的耦合效率,改变光纤有效折射率,导致传输性能发生变化的问题,采用有限元分析软件,对光纤埋入不同槽型的挠性光电基板进行了力学、传热和电磁场耦合分析.分析结果表明:光纤埋入梯形槽挠性基板的应力最大,达到68.336 7MPa.埋入梯形槽的光纤位移量最大,其值为1.430 4μm.随着槽宽增加,光纤最大等效应力从52.667MPa增加至71.907 MPa;随着槽间距增加,光纤最大应力从51.589 MPa增加至53.567MPa;随着槽深增加,光纤最大应力从52.667MPa减小至47.793 8 MPa,然后增加到67.349 6MPa.随着温度和压力的增加,单模光纤在X方向的有效折射率从1.446 249 977增加至1.446 259 084;Y方向的有效折射率从1.446 326 398增加至1.446 393 041.光纤有效折射率差会随着温度的增加而增大,随着压力的增加而减小.光纤有效折射率增加,限制光的能力增加,能够有效地减小光纤弯曲损耗.本文分析结果对挠性光电基板光纤埋入结构设计和层压工艺具有一定的参考价值和指导意义.

基于Workbench的管材液压冲击成形数值模拟

针对液压力未知并不能预设时,Dynaform无法实现管材液压成形过程数值模拟,提出应用ANSYS Workbench软件对管材液压冲击成形进行瞬态动力学分析,以得到管材内部压力随时间变化的关系曲线的思路,为实现Dynaform分析奠定基础。同时证明提出的管材液压冲击成形工艺可行并具实用价值。

挠性光互联弯曲损耗研究

针对挠性光互联中光纤存在弯曲损耗的问题,文中简要介绍了弯曲损耗产生的原理,采用全矢量有限元法对比研究了SMF-28单模光纤和G657B光纤的弯曲损耗。研究结果表明,弯曲损耗随入射波长的增加而增加,随弯曲半径的增加而减小。2种光纤的弯曲损耗相差较大,主要原因在于G657B在光纤结构上的差异,其包层上掺杂了下陷层,增大了芯层和包层之间的折射率的差,增强了光纤芯层的束光能力,降低了光纤的弯曲损耗。文中的研究对光纤在挠性光互联中的应用具有一定的指导意义。

基于改进响应面法的电缆碳纤维增强复合材料集成构件电缆埋置位置优化

针对电缆碳纤维增强复合材料(CFRP)集成构件中电缆埋置位置参数难以确定的问题,建立了集成构件的有限元分析模型和电磁兼容分析模型,提出了一种采用改进响应面法来求解电缆埋置位置参数优化问题的方法。利用该方法,综合考虑电缆的力学性能、电磁兼容性能和制造约束条件,预测得到了一组高质量的电缆埋置位置参数。验证结果表明,使用这组参数得到的集成构件能满足所有的约束条件,所有响应的预测值与实际值的平均误差仅为3%,且埋置电缆对CFRP基体力学性能的影响很小。

不同槽型结构挠性基板对光纤应力应变的影响

为分析层压过程中不同槽型结构挠性基板对光纤应力应变的影响,采用COMSOL软件对光纤埋入不同槽型(U形、梯形、矩形)挠性基板的层压工艺进行仿真,分析槽型结构尺寸对光纤偏移量的影响,得到最优槽型结构。仿真结果表明,光纤埋入矩形槽挠性基板可降低光纤在层压过程产生的偏移量,且最优的矩形槽槽型结构的宽度与深度分别为125、145μm,此时光纤最大应力和最大偏移量分别为19.89MPa、2.0403μm。

刚挠结合光电印制板内埋入光纤槽型与位置对光纤应力的影响

针对刚挠结合光电印制板中埋入光纤的槽型及埋入位置对内部光纤的应力影响问题,建立了刚挠结合光电印制板二维有限元分析模型,对刚挠结合光电印制板在热固耦合载荷下,带有涂覆层和不带涂覆层的光纤分别埋入矩形、U形和梯形槽3种不同槽型结构以及不同位置处的光纤应力和偏移进行了研究,得到了3种槽型的槽深与槽宽对光纤应力与偏移的影响规律。研究结果表明,当埋入不带涂覆层光纤时,采用U形槽埋入光纤,光纤受到的最大应力值最小;不带涂覆层光纤埋入3种槽型结构中的最大应力值大小依次为:梯形槽(44.938MPa)>矩形槽(38.218MPa)>U形槽(36.371MPa);当不带涂覆层光纤埋入槽深为111μm,槽宽为104μm矩形槽时,埋入光纤的应力值最小;当不带涂覆层光纤埋入槽深为127μm,槽宽为104μm U形槽或梯形槽时,埋入光纤的应力值最小;不带涂覆层光纤埋入3种槽型结构中,光纤的偏移量都会随槽深的增大而增加,随槽宽的增大而减小;光纤埋入位置越靠近挠性基板边缘,受到的应力越大;涂覆层能够有效减小内部光纤的应力。

柔性光电器件光电特性分析

近年来,基于非晶铟镓锌氧化物的柔性光电薄膜晶体管在柔性显示、通信和探测等领域得到广泛应用。为提高柔性光电探测器的开关电流比和光谱灵敏度,文中基于SILVACO软件的ATLAS对柔性有源层非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管进行了模拟分析,研究在不同材料有源层厚度比情况下具有底栅电极结构的柔性光电器件的光电性能。分析结果表明,双有源层结构比单有源层结构薄膜晶体管有更好的电学性能,特别是在有源层结构厚度为40 nm的情况下,当铟锌氧(Indium-Zinc-Oxide, IZO)与铟镓锌氧(Indium-Gallium-Zinc-Oxide, IGZO)材料的厚度比为1∶7时,柔性光电器件具有最佳的开关电流比;在波长为300 nm的光照下入射光对光器件的关态电流增益影响最大,光电器件的积分灵敏度最高,说明其对紫外光较敏感,有望应用在军事通讯、空间科学、环境和生物细胞癌变监测等紫外光波段探测领域。