（机械电子工程专业论文）集成光子器件封装过程中的对准算法研究.pdf

摘要 随着信息技术在2 1 世纪的迅猛发展，集成光子器件越来越广泛 的应用于光纤通信，促使光纤通信器件不断向集成化和小型化方向迈 进，其功能和可靠性得到大幅提升。目前，芯片制造与器件封装是制 约集成光子器件发展的瓶颈，而对准耦合技术是集成光子器件精确对 准封装过程的关键，是器件实现相关功能的基础。 本文基于波导光学理论，研究了集成光子芯片与光纤阵列对准耦 合模型，分析了横向位错、纵向位错和角度偏差对集成光子器件对准 耦合的影响规律，为对准算法的仿真研究提供了理论支撑。 基于集成光子芯片与光纤阵列的场强分布理论，研究了光纤阵列 场强分布的理论模型，完成了光纤阵列场强分布规律的实验。根据实 验数据和实验结果，分析了集成光子芯片与光纤阵列的场强分布规 律，为研究精确对准过程中的对准耦合算法奠定了实验基础。 基于集成光子芯片与光纤阵列的对准耦合模型，完成了爬山算法 和模式搜索算法的仿真，分析了两种算法在集成光子器件对准耦合搜 索过程中的优缺点，并最终确定模式搜索算法作为对准耦合算法。 运用德国f i c o n t e c 光学对准平台完成了集成光子芯片与光纤阵 列的精确对准耦合实验，实验结果表明，与爬山算法相比，模式搜索 算法的搜索过程可以减少平台7 3 的移动量，减少精确对准搜索时间 8 7 9 ，且对准成功率达到1 0 0 。 关键词：集成光子器件，对准耦合，对准偏差，爬山算法， 模式搜索算法 a bs t r a c t a si n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y i nt h e21s t c e n t u r y , t h er a p i d d e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dp h o t o n i cd e v i c e sa r ei n c r e a s i n g l yw i d e l yu s e d i no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nd e v i c e s c o n t i n u i n g t o p r o m o t ei n t e g r a t i o n a n dm i n i a t u r i z a t i o nd i r e c t i o n ，i t s f u n c t i o na n dr e l i a b i l i t yh a si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y a tp r e s e n t ，t h ec h i p m a n u f a c t u r i n ga n dd e v i c ep a c k a g i n gi sc o n s t r a i n i n gt h ed e v e l o p m e n to f i n t e g r a t e dp h o t o n i cd e v i c e sb o t t l e n e c k ，w h i l et h ea l i g n m e n tc o u p l i n g t e c h n o l o g yi st h ei n t e g r a t i o no fp h o t o n i cd e v i c e sa c c u r a t e l yt a r g e t i n gk e y e n c a p s u l a t i o np r o c e s si s t h eb a s i sf o rt h ed e v i c et oa c h i e v er e l a t e d f u n c t i o n s b a s e do no p t i c a lw a v e g u i d et h e o r y , i n t e g r a t e dp h o t o n i cc h i p sa n d o p t i c a l f i b e r a r r a ya l i g n m e n tc o u p l i n gm o d e la n a l y s i s o fh o r i z o n t a l d i s l o c a t i o n ，d i s l o c a t i o na n da n g l eo fd e v i a t i o no fv e r t i c a li n t e g r a t i o no f p h o t o n i cd e v i c e so nt h ei n f l u e n c eo ft h ea l i g n m e n tc o u p l i n gf o r t h e a l i g m n e n ta l g o r i t h mf o rt h es i m u l a t i o ns t u d yp r o v i d e st h e o r e t i c a ls u p p o r t b a s e do ni n t e g r a t e dp h o t o n i cc h i p sa n do p t i c a lf i b e ra r r a yo ff i e l d i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o nt h e o r y , t h ef i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ef i b e ra r r a yo f t h e o r e t i c a lm o d e l s ，c o m p l e t ef i e l ds t r e n g t hd i s t r i b u t i o no ff i b e ra r r a y e x p e r i m e n t a c c o r d i n g t ot h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， a n a l y s i s o f i n t e g r a t e dp h o t o n i cc h i p s a n d o p t i c a l f i b e ra r r a yo f f i e l d s t r e n g t h d i s t r i b u t i o nf o rt h es t u d yo fp r e c i s ea l i g n m e n ti nt h e p r o c e s so fl a y i n gt h ea l i g n m e n tc o u p l i n ga l g o r i t h me x p e r i m e n t a lb a s i s b a s e do ni n t e g r a t e dp h o t o n i cc h i p sa n do p t i c a lf i b e ra r r a ya l i g n m e n t c o u p l i n gm o d e l ，c o m p l e t e dt h eh i l l c l i m b i n ga l g o r i t h ma n dp a t t e r ns e a r c h a l g o r i t h m sf o rs i m u l a t i o n ，a n a l y s i so ft h et w oa l g o r i t h m si ni n t e g r a t e d p h o t o n i cd e v i c e st a r g e t i n gt h es t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e sc o u p l e ds e a r c h p r o c e s s ，a n du l t i m a t e l yd e t e r m i n et h ep a t t e ms e a r c ha l g o r i t h mf o ra sa c o u p l i n ga l i g n m e n ta l g o r i t h m i nt h i sp a p e r , t h eg e r m a nf i c o n t e co p t i c a la l i g n m e n tp l a t f o r mf o r t h ec o m p l e t i o no fa 1 1i n t e g r a t e dp h o t o n i cc h i p sa n do p t i c a lf i b e ra r r a yo f i i p r e c i s i o na l i g n m e n tc o u p l i n ge x p e r i m e n t ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ， c o m p a r e dw i t ht h eh i l l - c l i m b i n ga l g o r i t h m ，p a t t e r ns e a r c ha l g o r i t h mo f t h es e a r c hp r o c e s sc a nb er e d u c e d7 3 o ft h em o b i l ep l a t f o r m ，t h e a m o u n to fp r e c i s ea l i g n m e n tt or e d u c es e a r c ht i m e8 7 9 ，a n dt h e a l i g n m e n ts u c c e s sr a t eo f1o o k e yw o r d s ： i n t e g r a t e dp h o t o n i cd e v i c e s ，a l i g n m e n tc o u p l i n g ， a l i g n m e n td e v i a t i o n ，h i l l - c l i m b i n ga l g o r i t h m ， p a t t e ms e a r c ha l g o r i t h m i l l 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 背景与意义 第一章绪论 光纤是光导纤维的简写，由2 0 0 9 年诺贝尔物理学奖得主、原香港中文大学 校长、华裔科学家高锟( c h a r l e sk k a o ) 发明。光纤是一种利用光在玻璃或塑 料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具，由直径大约为o 1m m 的细 玻璃丝构成。它透明、纤细，虽比头发丝还细，却具有把光封闭在其中并沿轴向 进行传播的导波结构。 光纤主要分以下两大类： 1 ) 传输点模数类：传输点模数类分单模光纤( s i n g l em o d ef i b e r ) 和多模光 纤( m u l t im o d ef i b e r ) 。单模光纤的纤芯直径很小，在给定的工作波长上只能以 单一模式传输，传输频带宽，传输容量大。多模光纤是在给定的工作波长上，能以 多个模式同时传输的光纤。与单模光纤相比，多模光纤的传输性能较差。 2 ) 折射率分布类：折射率分布类光纤可分为跳变式光纤和渐变式光纤。跳变 式光纤纤芯的折射率和保护层的折射率都是一个常数。在纤芯和保护层的交界面， 折射率呈阶梯型变化。渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小， 在纤芯与保护层交界处减小为保护层的折射率。纤芯的折射率的变化近似于抛物 线。折射率分布类光纤光束传输如图卜l 所示。 表层 光束1 光束2 ( 8 ) 光束在跃变式光纤中的传输过程 ( b ) 光束在渐变式光纤中的传输过程 图1 1 光在折射率分布类光纤中的传输过程 单模光纤和多模光纤可以从纤芯的尺寸大小来简单地判别。单模光纤的纤芯 很小，约4 1 0 朋，只传输主模态。这样可完全避免了模态色散，使得传输频 带很宽，传输容量很大。这种光纤适用于大容量、长距离的光纤通信。它是未来 光纤通信与光波技术发展的必然趋势。多模光纤又分为多模突变型光纤和多模渐 变型光纤。前者纤芯直径较大，传输模态较多，因而带宽较窄，传输容量较小； 后者纤芯中折射率随着半径的增加而减少，可获得比较小的模态色散，因而频带 较宽，传输容量较大，目前一般都应用后者。 一 耨糍 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 由光纤传输过程中的损耗特性可已得知，在波长为8 0 0 刀聊 - 9 0 0 n m 的短波 波段，1 2 5 0 n m 1 3 5 0 n m 、1 4 9 0 n m 、1 5 0 0 i v m 1 6 0 0 n m 和1 6 2 0 n m 的长波波段 内，在这些波段中，光纤的传输损耗较小，尤其是运行于波段的中心波长之间， 光纤传输性能表现最佳。 光纤有三种连接方式。第一，可以将它们接入连接头并插入光纤插座。连接 头要损耗l o n2 0 的光，但是它使重新配置系统很容易。第二，可以用机械方 法将其接合。方法是将两根小心切割好的光纤的一端放在一个套管中，然后钳起 来。可以让光纤通过结合处来调整，以使信号达到最大。机械结合需要训练过的 人员花大约5 分钟的时间完成，光的损失大约为1 0 。第三，两根光纤可以被融 合在一起形成坚实的耦合连接，即为集成光子器件耦合封装。耦合连接方法形成 的光纤和单根光纤差不多是相同的，但也有一点衰减。对于这三种连接方法，结 合处都有反射，并且反射的能量会和信号交互作用。 光纤通信就是应用光纤特有的结构而发展起来的以光波为载频，光导纤维为 传输介质的一种通信方式。光纤通信有以下优点：传输频带宽，通信容量大：损 耗低；不受电磁干扰；线径细，重量轻；资源丰富。正是由于光纤的以上优点， 使得从八十年代开始，宽频带的光纤逐渐代替窄频带的金属电缆。但是，光纤本 身也有缺点，如质地较脆、机械强度低就是它的致命弱点。稍不注意，就会折断 于光缆外皮当中。施工人员要有比较好的切断、连接、分路和耦合技术。然而， 随着技术的不断发展，这些问题是可以克服的。 由于光纤通信具有一系列优异的特性，因此，光纤通信技术近年来发展速度 无比迅速。可以说这种新兴技术是世界新技术革命的重要标志，又是未来信息社 会中各种信息网的主要传输工具。随着信息技术的迅猛发展，集成光子器件被越 来越广泛的应用于光纤通信，其发展速度遵循摩尔定律，即因特网用户数每3 - 6 个月将翻一番，数据业务量每6 - 9 个月将翻一番，光纤通信的传输带宽平均每 9 1 2 个月将增加一倍，发展态势迅猛 1 “3 1 。 集成光子器件集合了材料科学、波导光学、细微加工和半导体科学等相关技 术的前沿成果于一体，采用半导体制作工艺制造集成光子芯片的光路，在同一光 学衬底表面集成常规分立光学元件的各类功能，完成以往由多个分立光学元件所 构成的庞大光学系统的光信息处理能力，来实现光路开关、光功率的分配和光线 滤波等功能，速度得到显著提高，具有体积小巧、结构紧凑、稳定可靠、强抗干 扰、一致性能好和易于自动化生产等突出优势，是目前集成光子器件发展的前沿 【4 ，5 】 o 下一代光纤通信中最为重要的集成光子器件是集成光子芯片光栅波分复用 器和矩阵光开关1 6 , , - 9 。此外，光相位调制器、光场强调制器、集成光子耦合器、 可调谐光滤波器和可变光衰减器等器件还将被应用于下一代光纤通信网络中。 2 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 集成光子芯片的制造材料主要由二氧化硅、磷化铟和铌酸锂等聚合物构成， 其半导体加工工艺目前已日趋成熟，国外众多公司都可以提供商业化的集成光子 芯片，并且价格在不断下调之中【l 0 1 。 集成光子器件的封装技术是利用亚微米精度的6 维运动平台，将集成光子芯 片与光纤阵列进行精确对准耦合并且固定，用以实现器件的高性能和高可靠性。 其主要特点与微电子学不同，集成光子芯片与光纤阵列间并不是简单的互通，而 是建立在场强匹配的光学对准与耦合基础之上；并且多条光路需要用近乎相同的 低损耗同时实现精确对准耦合，所以要求数十条甚至数百条光路同时达到亚微米 对准精度【l l 】。如此以来，耦合与封装技术，就成为了制约集成光子器件发展的一 个瓶颈，封装成本占了器件总成本的7 0 0 0 , - , 9 0 之间，封装时间占了总生产时间 的5 0 以上【1 2 b 】。 入射光纤集成光子芯片 间隙精确调节 o x o y 入射光纤集成光子芯片出射光纤 一呈至至手 ( 1 ) 集成光子芯片与光纤阵列模块的对准 入射光纤 ( 2 ) 集成光子芯片与光纤阵列的对接面上点胶 入射光纤 ( 3 ) 对接面上的胶固化，形成固接强度 图1 - 2集成光子器件的封装过程示意图 中南火学硕士学位论文第一章绪论 集成光子器件的封装( 如图1 2 所示) 通常采取以下流程：1 ) 将单根的光 纤安装到精密v 形槽中，形成光纤阵列组件，并对该组件端面进行超精密研磨 和抛光，获得光纤阵列模块；2 ) 将集成光子芯片和光纤阵列分别安装到封装工 作台上，在视觉系统引导下对承载光纤阵列的工作台进行粗位置调整，使光纤阵 列进入与集成光子芯片耦合传输光信号的位置范围内；3 ) 在光功率检测搜索的 引导下对承载光纤阵列的工作台进行微动精确对准调整，直至各光路的耦合功率 峰值点被搜索到，此时完成对准与耦合过程；4 ) 点胶系统在集成光子芯片与光 纤阵列的对接面上进行精确微量布胶；5 ) 通过紫外光照射使集成光子芯片与光 纤阵列的对接面的胶液固化，以达到所要求的固接强度和刚度，完成集成光子器 件的封装。 其中，集成光子芯片与光纤阵列的耦合误差包括几何对准误差和场强分布误 差。几何对准误差来源主要包括集成光子芯片与光纤阵列模块的定位基准间的位 置误差、v 形槽的制造误差、光纤的尺寸误差、光纤在v 形槽中的受力与变形、 集成光子芯片中光路的制造误差等，其中v 形槽中光纤的受力与变形也是场强分 布误差的重要成因之一。由于集成光子芯片的通道很多，影响其耦合误差的参数 和规律十分复杂，尚未见文献论述与研究，缺乏定量分析，导致集成光子器件的 封装工艺缺乏理论指导，基本上都是依靠经验来选择封装工艺参数引。 目前可实现集成光子芯片的单通道功率损耗 o 3 础，集成光子芯片与光纤 阵列的对准误差 1p w 的位置，用来缩小搜索的范围。精确对准是在盲搜索之后，以最大光 耦合效率为目标的对准位置优化。 通俗点讲，粗对准的目的就是为了找到有光的点。通过机器视觉，实现集成 光子芯片边缘对准，再以物理尺寸为基准，找到集成光子芯片的中心位置，以此 中心为基准点采用栅格扫描，当扫描到大于或等于设定的功率值后，平台将停留 在此位置点，以此位置点为初始点进行精确对准。 粗对准完成之后就是进行精确对准，而对准算法是精确对准过程中的核心所 在。所以，本章将主要研究目前使用范围较为广泛的爬山算法和模式搜索算法， 运用m a t l a b 软件分别对爬山算法和模式搜索算法进行仿真，将两种算法的仿真 结果进行比对，为下一步精确对准算法的耦合实验打下理论基础。 3 1 爬山算法 表3 - 1 十组相同的初始位置 中南大学硕士学位论文第三章集成光子器件对准算法的仿真研究 为了比较两种对准算法的各自特点，本文依靠m a t l a b 软件进行算法仿真模 拟基于以下两个方面： 1 ) 设定相同的初始条件( 即同一初始坐标如表3 1 ) ；相同的中止条件，功 率损耗0 1 5 d b ( 即对准算法的耦合效率0 9 6 6 1 ) ，比较爬山算法和模式搜索 算法的仿真结果，其目的是分析比较两种对准算法在相同初始值的情况下的搜索 速度和搜索步数。 2 ) 在用m a t l a b 进行爬山算法和模式搜索算法的仿真模拟过程中，随机获取 十组不同的初始条件，中止条件与第1 ) 步中保持一致，比较爬山算法和模式搜 索算法的仿真结果，其目的是分析比较两种对准算法在随机初始位置的情况下的 搜索速度和搜索步数。 3 ) 在步骤1 ) 和步骤2 ) 的前提下，爬山算法和模式搜索算法分别都仿真 1 0 组初始值，求其平均值，目的是研究两种对准算法的可靠性和搜索精度。 3 1 1 爬山算法仿真参数 爬山算法的主要参数： 步长( s t e ps i z e ) ：各个轴上，驱动器的行走时需检测的最小长度。 检查点( c h e c kp o i n t s ) ：为了防止陷入局部峰值，当爬山算法搜索到峰值 后要继续向前搜索的步数，即为检查点。 重复次数( i t e r a t i o n s ) ：当爬山算法搜索到峰值后，步长将要减半，反复 搜索更加细致的靠近峰值位置，重复次数即反复减小步长搜索的次数。 中止条件：达到设定的阈值或者己完成设定的重复次数，即可停止此次搜索。 爬山算法的具体的仿真参数如表3 - 2 所示。 表3 - 2 爬山算法的仿真参数 光纤的波长 光纤的场强半径 波导的场强直径 检测点 迭代次数 初始步长 兄= 1 5 5 t m 吁o = 4 6 , u m 略o = 4 5 u m c h e c k p o i n t s = 4 i t e r a t i o n s = 4 s t e p s i z e = 1 2 t m 3 1 2 爬山算法仿真结果 爬山算法的仿真结果如下： 1 ) 当设定的初始位置为i x ，y ，q ，g ，z 】= 5 ，5 ，0 5 ，0 5 ，2 0 ，目标效率为0 9 6 6 1 时，爬山算法仿真结果如下图3 1 所示。图3 - 1 ( a ) 为总的搜索步数，( b ) 为x 中南大学硕士学位论文第三章集成光子器件对准算法的仿真研究 方向的搜索结果，( c ) 为y 方向的搜索结果，( d ) 为俯仰角色的搜索结果，( e ) 为摆角仇的搜索结果，( f ) 为z 方向的搜索结果。 ；。二一二二二。 ；妒嘲酽甲。 ；d ：l 檀x 矗佣鞠咖月 f 。飞 i i ! ? 掣 a ? f j庶k 日 v 、： s t o p s ( a ) 总搜索结果 ( b ) x 方向搜索结果 a l争 l ，| 卜 、矽。小 劳 。 a 1 5ij 0 令 s l e l 口$ ( c ) y 方向搜索( d ) 俯仰角度搜索结果 。口 八 1 5 cf|：、 0 ，今、 v 夕 ( e ) 摆角搜索结果 、 0 ( f ) z 方向搜索结果 图3 - 1 爬山算法仿真结果 2 7 _uc一u|i葛c=口，ou 宙。p)q3盖 中南大学硕士学位论文 第二章集成光子器件对准算法的仿真研究 其中，采用十组相同的初始值时，爬山算法的模拟仿真的结果如表3 3 所示： 表3 - 3 十组相同初始值的爬山算法仿真结果 2 ) 同一初始值搜索不能比较出算法的统计性能，所以又随即选择了十组不 同的初始位置，用m a t l a b 软件进行仿真模拟，以此来证明爬山算法的搜索能力。 其中，采用十组不同初始值的仿真结果如下表3 4 所示。 表3 4 十组不同初始值的爬山算法仿真结果 中南大学硕士学位论文第三章集成光子器件对准算法的仿真研究 ! 芒 兰 五 其中第1 0 组的仿真结果如下图3 - 2 所示， ( a ) 总搜索结果 言 i 1 ? ? k 叫 |? 弋i夕 矿 ； 氛 z i 6 够 ( b ) x 方向搜索结果 1 c 卜s z 5 i 西 s t e i n ( d ) 俯仰角度搜索结果 八 、 、 7 、 、 、 、 2 9 台已iu篁t 帕 9 8 7 6 5 i 中南大学硕士学位论文 第二章集成光子器件对准算法的仿真研究 3 1 3 爬山算法结果讨论 1 ) 搜索定位的时间较长。由于爬山算法每次只能进行一个自由度的搜索， 而光纤对准需要多个自由度的调整，此时，爬山算法需要在完成一个自由度的搜 索后，再进行下一个自由度的搜索，依次轮流，反复循环，直到达到终止条件， 因此比较费时。 2 ) 可能会陷入局部最大点而无法完成搜索定位。如果用于光纤对准的调整 平台各个运动方向不存在交叉耦合，而且光源输出是比较平滑的单峰函数，则使 用爬山算法一般能搜索到功率耦合的最佳位置，获得光源到光纤的最大耦合效 率。 但在实际的集成光子器件封装过程之中，受平台直线度和垂直度的影响，对 准封装平台各个运动方向将不可避免的存在交叉耦合的现象，即一个方向的运动 可能引起另一个方向的微小变化。同时，封装平台垂直于光轴的运动方向与输入 光源输出光斑的长短轴不一定平行，那么各个自由度之间就会存在一定的相互作 用，由于爬山算法通过变量轮换原理完成多自由度搜索，所以无法克服这种影响 【5 4 】，很容易陷入局部最大而导致搜索失败。 3 2 模式搜索算法 3 2 1 模式搜索算法仿真参数 模式搜索算法的主要参数有： 缩减因子：当任何方向的探测都没有更大的功率值时，则需要缩减步长，小 范围搜索峰值； 加速因子：用于移动方向时，方向探索正确的情况下加快搜索速度； 初始步长：初始时，每步移动的最小距离： 误差条件：经过多次的缩减步长后，步长减小到的最小值。 模式搜索算法仿真参数如表3 - 5 所示。 表3 - 5 模式搜索算法的仿真参数 光纤的波长 光纤的场强半径 波导的场强直径 缩减因子 加速因子 初始步长 误差条件 t = 1 5 5 , u m 吁o = 4 6 , u m q o = 4 5 , u m 口= 0 5 8 = 1 s t e p s i z e = 1 2 t m e p s l = 1 e 4 3 0 中南大学硕士学位论文 第三章集成光子器件对准算法的仿真研究 3 2 2 模式搜索算法仿真结果 模式搜索算法的仿真结果如下： 1 ) 当设定的初始位置为【石，y ，最，b ，z 】= 【5 ，5 ，0 5 ，0 5 ，2 0 】，目标效率为0 9 6 6 1 时，模式搜索算法仿真结果如下图3 - 3 所示。 ( a ) 总搜索结果( b ) x 方向搜索结果 ( c ) y 方向搜索结果( d ) 俯仰角度搜索结果 厂 _ ；j 髓印 i ； ，4 _ f “ ； 、 咖p l ( e ) 摆角搜索结果( f ) z 方向搜索结果 图3 3 模式搜索算法仿真结果 3 1 uc。6鼍_ufid；u 中南大学硕士学位论文第三章集成光子器件对准算法的仿真研究 取十组与爬山算法进行m a t l a b 仿真相同的初始值，用m a t l a b 进行模式搜索 算法的仿真模拟的结果如下表3 6 所示。 表3 - 6 十组相同初始值的模式搜索算法仿真结果 2 ) 其中，取十组不同的初始值，用m a t l a b 进行模式搜索算法的仿真模拟的 结果如下表3 - 7 所示。 表3 7 十组不同初始值的模式搜索算法仿真结果 平均 0 9 9 5 8 712 3 中南大学硕士学位论文第三章集成光子器件对准算法的仿真研究 其中，在随机获取的十组不同初始值进行模式搜索算法仿真的过程之中，第 1 组初始值的仿真结果如下图3 - 4 所示： ( a ) 总搜索结果 k 呻 氧 v ( c ) y 方向搜索结果 v 1 + 1 ： l t i 了 _ 一 j 。 ( e ) 摆角搜索结果 a 3 f l 氧 7。j ( b ) x 方向搜索结果 ( d ) 俯仰角度搜索结果 k 嘟“? ：、 、 、 每 ；r ； k 卜_ 岳 。 ( f ) z 方向搜索结果 图3 - 4 第1 组初始值的模式搜索算法仿真结果 3 3 huc。一u一=凸c=4苦u 中南人学硕士学位论文 第三章集成光子器件对准算法的仿真研究 3 2 3 模式搜索算法结果讨论 1 ) 从模式搜索算法的原理可以看出，模式对准算法中探测移动的作用是确 定基点和保证功率值增大的方向，而模式移动则沿着“山峰”使功率值增加得更 快。由于该算法在x 和y 方向同时探测，然后沿着两个基点矢量方向前进，所 以能够克服两个自由度交叉耦合影响。 2 ) 模式搜索算法可以更快的搜索到最大光功率值，算法收敛性明显高于爬 山算法。在集成光子器件的封装制造中，光纤阵列精确对准是影响器件性能的决 定性因素。从提高对准速度和算法稳定性出发，在集成光子芯片与光纤阵列精确 对准耦合封装过程中，运用模式搜索算法可以更快的搜索到最大光功率值。 3 3 仿真对比分析 从用m a t l a b 分别对爬山算法( 表3 3 ) 和模式搜索算法( 表3 1 0 ) 进行 仿真所得的实验数据中。在相同初始值和不同初始值的情况下，两种算法都可仿 真模拟到耦合效率大于0 9 9 ，即对应的功率损耗小于0 0 4 3 6 d b 的最大光功率值。 由于仿真是建立在理论模拟基础之上，没有考虑任何误差的情况之下，所以 仿真模拟的指标参数比实际值更要求高一些，其中实际要求的耦合效率大于 0 9 6 6 1 ，即对应的功率损耗小于0 1 5d b 。 其中取十组相同初始值进行仿真模拟的结果比较如下表3 8 所示： 表3 - 8 相同初始值的对准算法仿真结果比较 中南大学硕士学位论文第三章集成光子器件对准算法的仿真研究 其中取十组不同初始值进行仿真结果比较如下表3 - 9 所示： 表3 - 9 不同初始值的对准算法仿真结果比较 根据仿真数据和图像分析可知： 在取十组相同的初始位置和十组随机的初始位置的情况下，用爬山算法进行 仿真模拟，耦合效率在达到要求的同时，平台移动步数较多，分别平均达到7 0 1 和6 5 3 步。爬山算法每次只能进行一个自由度的搜索，而光纤对准需要多个自 由度的调整，此时，爬山算法需要在完成一个自由度的搜索后，再进行下一个自 由度的搜索，依次轮流，反复循环，直到达到终止条件，因此比较费时。 相对于爬山算法而言，十组相同和不同初始值位置，开始进行的模式搜索算 法仿真模拟，平台移动步数平均分别只有1 1 7 和1 2 3 步模式搜索算法可以更快 的搜索到最大光功率值，算法收敛性明显高于爬山算法。 模型是基于理论模型建立的，不存在局部峰值。因此，只有通过对准算法的 集成光子芯片与光纤阵列对准耦合实验才能真正验证两种精确对准算法是否具 有全局收敛能力，哪种算法在实际运用中更为有效。 3 4 本章小结 在集成光予器件的封装制造中，光纤阵列精确对准是影响器件性能的决定性 因素，本章基于集成光子芯片与光纤阵列对准的理论模型，用m a t l a b 软件仿真 了爬山算法和模式搜索算法的精确对准耦合过程。 3 5 中南大学硕士学位论文 第三章集成光子器件对准算法的仿真研究 由于理论模型是呈光滑的高斯分布，将爬山算法和模式搜索算法，分别用十 组相同的初始值和十组随机的初始值进行仿真模拟，两种算法在仿真过程中都可 以成功搜索到全局峰值。在耦合效率达到精确对准耦合要求的前提下，爬山算法 两次仿真模拟的耦合效率平均为0 9 9 2 0 和0 9 9 1 7 ，搜索步数平均达到7 0 1 和6 5 3 步；模式搜索算法两次仿真模拟的耦合效率平均值为o 9 9 4 9 5 和0 9 9 5 8 7 ，迭代 次数平均为1 1 7 和1 2 3 步。 爬山算法是商业中应用最为广泛的搜索算法。模式搜索算法的搜索性能较其 它算法优越，其搜索精度高，移动步数少；从提高对准速度和算法稳定性出发， 在集成光子芯片与光纤阵列对准仿真模拟过程中，运用模式搜索算法可以更快的 搜索到最大光功率值。 3 6 中南人学硕士学位论文第四章集成光子器件对准算法的实验分析 第四章集成光子器件对准算法的实验研究 功率损耗是集成光子器件封装的关键技术指标、功率损耗越小，则集成光子 器件的性能越优良。由第三章的集成光子器件对准算法的仿真结果可知，模式搜 索算法在精确对准的过程中，搜索速度快、搜索精度高、平台移动量少，因此， 本文初步选定了如下的实验方案： 1 ) 利用德国f i c o n t e c 光学对准平台，分别采用爬山算法和模式搜索算法， 进行集成光子芯片与光纤阵列的精确对准耦合实验。 2 ) 比较爬山算法和模式搜索算法的搜索性能。 实验过程中，实验反馈的是功率值，对应的耦合效率公式为： 叩2 鲁 对应的功率损耗公式为： 功率损耗( d b ) = 一1 0 1 0 9 ，。( r 。o u t ) 其中，乞一光源的输入功率：e o - 输出功率。 4 1 实验条件 曩 图4 1 德国f i c o n t e c 光学对准平台 实验设备为德国f i c o n t e c 光学对准平台，如图4 1 所示，德国f i c o n t e c 光 学对准平台包括输出和输入两个运动单元，垂直及水平两个c c d 照相机，光源， 点胶及固化单元等。 系统的运行参数如表4 1 所示，设备包括四轴精密电动及两轴手动调整架， 本实验只应用了x ，y ，z 三个轴的自动直线运动，其重复精度为1 4 0 m ，最大运 行速度为2 5 m m s 。( 重复精度为考察重复定位误差的参数，重复精度越高，运行 时移动到原位置的误差越小，是影响搜索成功与否的关键因素。) 中南大学硕士学位论文 第四章集成光子器件对准算法的实验分析 搜索过程初期，通过德国f i c o n t e c 光学对准平台自身的h o m e 位置以及机 器视觉手动完成只，见对准。 因此，精确对准算法实验完成的是x ，y ，z 三个轴向位置的对准搜索实验。 表4 - 1 输入端运动平台的基本参数 输入端运动架自动手动行程重复精度最大速度 x 轴自动2 5 m m 1 4 0 n m2 5 m m s y 轴自动2 5 m m 1 4 0 n m2 5 m m s z 轴自动 2 5 r a m1 4 0 n m 2 5 m m s 臼手动 6 。 口手动 6 。 4 2 集成光子器件对准算法实验 实验规划如下：设定十组随机的初始位置( s t a r tp o i n t ) ，分别采用爬山算法 和模式搜索算法从这十组初始位置开始搜索，目的是比较两个算法的搜索性能。 4 2 1 爬山算法的对准实验 爬山算法搜索的基本参数设置如表4 3 所示。 表4 - 3 爬山算法搜索的基本参数 温度湿度平台移动速度初始步长检测点个数 迭代次数 2 0 。c5 0 1 0 m m s 4 a r m 44 从十组随机的搜索结束位置出发，采用爬山算法进行精确对准实验的实验结 果如表4 4 所示： 表4 - 4 爬山算法对准实验结果 平均值0 9 4 8 8 7 1 1 5 ，5 2 7 0 2 2 7 9 3 8 中南大学硕士学位论文第四章集成光子器件对准算法的实验分析 其中搜索成功的第1 ，2 ，5 ，6 ，9 组实验的实验结果如图4 2 所示： 图4 - 2 - 1 第1 组爬山算法对准实验结果 图4 - 2 - 2 第2 组爬山算法对准实验结果 图4 - 2 - 3 第5 组爬山算法对准实验结果 3 9 中南大学硕十学位论文第四章集成光子器件对准算法的实验分析 图4 - 2 - 4 第6 组爬山算法对准实验结果 图4 - 2 5 第9 组爬山算法对准实验结果 图4 - 2 爬山算法搜索成功的5 组实验结果 采用爬山算法进行精确对准耦合实验得到的实验结果如表4 4 所示。平均耗 时1 分1 5 秒，爬山算法搜索到了功率损耗小于0 1 5 d b 的位置，成功率为5 0 ； 搜索时间较长，且平台平均移动步数为5 2 7 步，平台移动较频繁。 4 2 2 模式搜索算法的对准实验 模式搜索算法实验的实验参数如表4 5 所示。 表4 - 5 模式搜索算法实验参数 从十组随机的搜索结束位置出发，采用模式搜索算法搜索1 0 次的实验结果 如表4 - 6 所示。 表4 - 6 模式搜索算法对准实验结果 - 一 实验组最大耦合效率 搜索耗时移动步数 对应损耗船 一一一 1 0 9 7 7 6 6 ” 9 0 0 9 8 4 2 3 4 5 6 7 8 9 0 9 7 9 9 0 9 7 7 6 0 9 7 8 5 0 9 7 8 5 0 9 6 7 6 0 9 7 4 9 0 9 6 7 6 0 9 6 8 4 5 ， 8 ， 7 1 3 ， 6 ， 8 ， 8 5 7 1 3 1 1 2 1 8 1 3 1 2 6 0 0 8 8 2 0 0 9 8 4 0 0 9 4 4 0 0 9 4 4 0 1 4 3 0 0 1 1 0 4 o 1 4 3 0 0 1 3 9 5 图4 - 3 1 第1 组模式搜索算法对准实验结果 p a t a ns a a r e h 图4 - 3 2 笫2 组模式搜索算法对准实验结果 4 1 中南大学硕+ 学位论文第四章集成光子器件对准算法的实验分析 p a t a ns e a r c h 大夕 z r 】 | 厂 ! f ￥ l v 26b1 0 s t e p s 图4 3 3 第3 组模式搜索算法对准实验结果 p a t a ns e a r c h _ |7；|“ | 3 t r 。| 、y j ， | j ，一一 ! i | 1l s t e p s 图4 - 3 - 4 第4 组模式搜索算法对准实验结果 p a t a ns e a r c h f 。夜。 ，a 旷。 一 久 l + ￥e f 袁 矿 影 工 _ ? s t e p s 图4 - 3 - 5 第5 组模式搜索算法对准实验结果 4 2 ； i huue奄跬山西uiioj。o _uc一u击日c=口，oo j 中南人学硕士学位论文 图 1 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 第四章集成光子器件对准算法的实验分析 p 甜锄s e a r c h 4567日 4 - 3 - 6 第6 组模式搜索算法对准实验结果 p 越a l ls e a r c h o2 4 68 4 图4 - 3 - 7 笫7 组模式搜索算法对准实验结果 p a t e ns e a r c h 图4 - 3 - 8 第8 组模式搜索算法对准实验结果 4 3 7f 厂 ； 。 ， i jj l | j 7 ， 吖 晒 各col3暮山西量anoo 大 矿 ， 。f 久。 ?i i 。v y v “ n 占岳苗岳山5u盖若u 20 ，。 k? ? l 7 | | ， f hucmi。誊山c=也：oq 中南大学硕+ 学位论文第四章集成光子器件对准算法的实验分析 p a t a ns e a r c h ? f i 。 r 、 f ， 7 ? 图4 - 3 - 9 第9 组模式搜索算法对准实验结果 p a t a ns e a r c h 1n 矗i 蕊广l 广 覃； 7 旷+ 羊 一 一 f l j【 r + 什产 l。专 li v 计 r 1 1 削 图4 - 3 - 1 0 第1 0 组模式搜索算法对准实验结果 图4 - 3 模式搜索算法精确对准实验结果 4 3 实验结果讨论 两种对准算法进行1 0 次精确对准耦合实验后的结果分析如表4 8 所示，比 较可知： 其中，运用爬山算法进行精确对准实验的数据中，用加深字体表示的第3 、 4 、7 、8 、1 0 组实验结果，由于耦合效率不能满足0 9 6 6 1 ，即功率损耗o 1 5 d b 的要求，我们认定这5 组精确对