（物理电子学专业论文）光纤与平面光波光路芯片耦合对准算法及平台研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 随着平面光波光路( p l c ) 技术的迅猛发展，p l c 器件在光网络和光信号处理领域得到越来 越广泛的应用。耦合封装技术成为p l c 器件研制过程的关键。本研究工作以建立高性能p l c 耦 合对准平台为重点，通过对影响光纤与p l c 芯片耦合效率各类因素的分析，提出快速高效耦合 对准方案，为实现p l c 芯片与光纤耦合、准确测试芯片性能奠定基础。 本文首先基于光纤与p l c 芯片的耦合结构，提出了三维近场积分法模型，分析了影响耦合 效率的因素，计算了光纤同p l c 芯片耦合时的对准容差，并对楔形光纤与p l c 芯片的耦合参数 进行了优化设计。接着提出用于光纤与p l c 芯片自动对准的单纯形模拟退火混合算法( s m s a ) ， 并和常见的爬山法、遗传算法、单纯形法进行比较，得到每个算法各自的优缺点，对将来在自 动耦合封装过程中算法的选择具有一定的指导作用。其次基于精密调整平台、机器视觉伺服控 制系统以及点胶系统构建了光纤阵列与p l c 芯片耦合对准平台，确定了耦合对准方案。最后进 行楔形光纤同p l c 芯片的耦合对准实验，测试得到相应的实验参数，楔角为5 0 4 的楔形光纤与 i n p 基p l c 芯片的最佳耦合距离为5 u m ，取得了与数值模拟相吻合的结果。 关键词：平面光波光路芯片；耦合封装；对准算法；耦合对准平台 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 ep l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t ( p l c ) d e v i c e sa r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fo p t i c a ln e t w o r ka n d o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g b u tt h ec o u p l i n g a n dp a c k a g i n gi s s u er e m a i n sab o t t l e n e c kf o rt h e c o s t - e f f e c t i v em a n u f a c t u r i n gs u c h 勰d e v i c e s t h em a i nr e s e a r c ht o p i co ft h i st h e s i si st h ec o n s t r u c t i o n o ff i b e r - t o - c h i pc o u p l i n g # a t f o r mo fh j 曲p e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e c o u p l i n ge f f i c i e n c y , af a s ta n dh i i g h e f f i c i e n tc o u p l i n gs o l u t i o ni sp r o p o s e da n dl a y st h ef o u n d a t i o nf o r f i b e r - t o c h i pc o u p l i n ga n df i b e r - o p t i ct e s ta n dm e a s u r e m e n t f i r s t l y , f r o mt h ef i b e r - t o - c h i pc o u p l i n gm o d e l ，t h et h r e ed i m e n s i o n a ln e a rf i e l di n t e g r a lm e t h o di s p r e s e n t e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h ea l i g n m e n tt o l e r a n c e t h eo p t i m u mp a r a m e t e r sf o r w e d g e - s h a p e df i b e r ( w s f ) c o u p l i n gw i t hp l cc h i pa 阳c a l c u l a t e do u t t h e n , as i m p l e x - s i m u l a t e d a n n e a l i n g ( s m s a ) m e t h o di sa p p l i e di nf i b e r - t o - c h i pa l i g n m e n ta u t o m a t i o na n dc o m p a r e dw i t hs o m e f r e q u e n ta l g o r i t h m ss u c ha sh i l l - c l i m b i n gm e t h o d ，s i m p l e xm e t h o da n dg e n e t i ca l g o r i t h m b a s e do n p r e c i s i o nn a n o - p o s i t i o n i n gs t a g e m a c h i n ev i s i o ns e r v o c o n t r o le q u i p m e n ta n du vc u r i n gs y s t e m ，af a ( f i b e ra r r a y ) - p l cc h i pc o u p l i n gs o l u t i o ni sp u tf o r w a r da n df i n a l l yt h ec o u p l i n ge x p e r i m e n tb e t w e e n w s fa n dt h ep l cc h i pi sc a r r i e do u t , t h eo p t i m a lw e d g e da n g l ea n dc o u p l i n gd i s t a n c ea r e5 0 。a n d s u m w h i c ha c c o r d sw e l lw i t ht h et l l e o r e t i c a lr e s u l t s k e y w o r d s ：p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t ( p l c ) ；c o u p l i n ga n dp a c k a g i n g ；a l i g n m e n ta l g o r i t h m ；c o u p l i n g p l a t f o r m i i 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：笪查!日期： 歹重伫f 。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：堑錾望! ：导师签名：日期：2 0 ，不胪 第一章绪论 第一章绪论 二十世纪末出现的i n t e r n e t 标志着人类社会进入崭新的信息化时代。光纤通信技术凭借其巨大 潜在带宽容量、抗电磁干扰、保密性强、传输损耗低等优点。成为支撑通信业务增长最重要的通信 技术之一而从长远的技术和应用发展来看，光传输也是宽带网络的必然选择。而作为宴现全光传 输的全光网络，在构建中需要采用各种无源和有源光器件。在这些光器件中，特别是耦台器或者分 路器的核心就是其采用的平面光波光踏( p l a n a rl i g h t w a v ec l r c v l t ，p l c ) 芯片。作为光器件的一 类平面光波光路类型的光器件应用在光网络中也必须进行相应的封装，而事实证明，p l c 芯片的 耦台封装在p l c 器件的制作过程中有着举足轻重的作用，其耦合封装的成本已经占整个p l c 器件成 本的一半以上”4 1 。 本章主要回顾了平面光波光路器件及其封装的发展过程对在封装过程的各种技术进行了总结 井综述了现阶段p l c 芯片耦合对准算法及平台的研究进展，最后介绍了本文的研究工作。 1 1 平面光波光路器件的研究进展 1 1 1 光网络与光信号处理中平面光波光路器件 伴随着全光阿络的发展，平面光渡光路器件得到了很大的发展。不仅在光纤到户工程中大量使 用p l c 型的分路器，而且在高性能计算菩先信号处理领域，基于光互连技术的p l c 分路器也已经得 到成功的应用，并正在向高性能计算的镖层次应用渗透。尤其是2 0 世纪9 0 年代后期提出了波分复 用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 皿m ) 技术，这种技术可以将光纤中的带宽分成不同的通 信信道。各个信道使用不同频率的波长进行通信，从而将光纤的传输速率提升至t b p s 的范目。而 删光互连技术又非常倚重性能优异的光分路器，光分路器的插入损耗、输出端口均匀度等性能指 标将极大地影响互连系统的性能。而在众多类型的分路器中。p l c 型功分器的损耗对传输光被长不 敏痘，分光均匀结构禁凑，体积小，具有较好的可扩展性，因而非常适合应用于未来的高性能计 葬机光互连同络中“。 图卜1p l c 器件结构和封裴形式 东南大学颈士学位论文 在p l c 器件的研究和生产过程中基于p l c 技术的光器件结构和封装形式如幽i l 所示其生 产链可分为三个主要环节：p l c 芯片、光纤阵列和器件封装m 。 p l c 芯片的制作主要分为芯片使用的材料结构及其制作t 艺两个方面。p l c 光器件一般在六种 材料上制作，它们是：锯酸锂( l 1 t b 0 3 ) 、1 1 1 v 族半导体化台物、二氧化硅( s i 0 2 ) s o l ( s i l l c o n - o n i n s u l a t o r , 绝缘体上硅) 、聚合物( p o l y m e r ) 和玻璃，各种材科上制作的波导结构如图 l 2 所示。 、一一、i ：”i“、4 、 n 一j 臣瓷医巷墨r ：；_ i r 、霹s ；霹：n - 墨墨函盈 、 、一 r o o ；车； ” = m _ 、 ” ：i ：、 西圈圜 、 曩l 蚕 ：一、 图i - 2p l c 器件制作的常用材料与结构 锯酸铿波导是通过在铌醴锂晶体上扩散1 1 离子形成波导，被导结构为扩散型。i n p 波导以i n p 为称底和下包层，咀 a g e a s p 为芯层，以l a p 或者i t , p 空气为上包层波导结构为掩埋脊形或者脊 形。二氧化硅渡导以硅片为称底，以不同掺杂的s i 0 2 材料为芯层和包层，渡导结构为掩埋矩形。s o l 波导是在s o 基片上制作，村底、下包层、苍层和上包层材料分别为s i 、s i q ，s i 和空气波导结 构为脊形。黎合均渡导队硅片为村底，以不同掺杂浓度的p o l y m e r 材料为芯层，波导结构为掩埋矩 形。玻璃波导是通过在玻璃材料上扩救a g 离子形成波导，波导结构为扩散型而我们通常所说的 a w g 芯片主要以硅基二氧化硅光波导制作。而分路器芯片可以在硅基二氧化硅波导或者玻璃波导上 制作 图卜3 基于铌酸锂光波导f i 勺电光调制器”1 二夏际： f 一 目i - 4 基于玻璃光渡导的光分路嚣 第一章绪论 图卜5 基于聚合物光波导的热光开关阵列 在p l c 芯片的应用方面，铌酸锂晶体具有良好的电光特性，在多路光电调制器中应用广泛，如 图1 - 3 所示。i n p 材料既可以制作光有源器件又可以制作光无源器件，被视为光有源无源器件集成 的最好平台。而s o i 材料在m e m s 器件中应用广泛，是光波导与m e m s 混合集成的优良平台。聚合物 波导的热光系数是s i 0 2 的3 2 倍，应用在需要热光调制的动态器件中，可以大大降低器件功耗，如图 1 - 5 所示。玻璃波导具有最低的传输损耗和与光纤的耦合损耗，而且成本低廉，是目前商用光分路 器的主要材料，如图1 - 4 所示。二氧化硅光波导具有良好的光学、电学、机械性能和热稳定性，因 而广泛使用在各类光无源器件的制作中7 删。 在众多的p l c 工艺和材料的基础上，p l c 器件得到了广泛的应用，而要将p l c 器件能能够大规 模的应用到光网络中，其成本是不得不考虑的因素。如何在生产和制作成本同性能的平衡中，找到 最佳的制作材料和工艺，将是未来p l c 器件制作和研究的主要方向。 1 1 2 硅基p l c 芯片 s o l ( s i l i c o n - o n - i n s u l a t o r ) 材料被称为二十一世纪的微电子材料。与此同时，s o l 材料也是理想的 光波导材料，它与标准c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l - o x i d es e m i c o n d u c t o r ) i 艺完全兼容，s o l 技术 为实现低成本高集成度的光电子回路提供了可能。因此，基于s o l 的集成光电子器件一直是集成光 学中的重要组成部分 而硅基平面光波光路芯片一般是指采用s o i 材料制作的p l c 芯片。s o i 指的是绝缘材料上的硅， 是一种如图所示的三明治结构的硅材料，如图卜6 所示。基于s o i 材料的c m o s 电路具有集成密度高、 速度快、低压、低功耗、耐高温、抗辐射等优点，其性能明显优于常规的硅集成电路。 r s i l i e 螂 4“ 既缀糍攀。坳婵蟛瓣镌滋糍臻羹肇缓 s i l i c o n 辍建螬材毽耙 图卜6s o i 材料结构示意图 s o i 材料最初是为了满足微电子学技术的发展而出现的。但在集成光学领域，s o i 材料展示了其 独特的性能优势。优于s i 和s i 0 2 之间存在很大的材料折射率差别，s o i 材料结构本身就是强限制平 3 末南大学碗士学位论文 扳光波导结构容易获得小尺寸、结构紧凑的s o l 光波导器件：硅在13 - 16 i j m 的光通信波长范围 内是“透明的”光吸收损耗小：而且s 0 1 光波导器件工艺和成鼎的硅基删0 s 工艺完全兼容容易 规模化生产。因此，从二十世纪8 0 年代开始，将s o i 从礅电子学领域拓展到光电子学领域，发展了 集电子学功能和光子学功能于一体的s o l 光波导器件，也形成了硅基平面光波光路芯片的制作工艺 基础”。 随着对s o i 材料研究的深入，相继发展了许多s o l 材料的制备技术，比较经典的有以下几种方 法：( 1 ) 氧离子注入隔离技术：( 2 】硅片键合背面腐蚀技术：( 3 ) 犀熔再结晶技术：“) 外延横向过生长技 术：( 5 ) 注氢智能捌离技术。其中最为成熟且有商品化产品的是前两种技术，而洼氢智能剥离技术兼 有这两种拄术的优点并且克服了两者的不足，是一种极有发展前途的s o l 晶片制造技术。这些高质 量的s 0 1 材料为研制新型的p l c 器件奠定了良好的基础“”。 口口口 i i h i h c ru ( 、h d cf t c l di n t e ll 1 c o 圈卜7 大截面光波导示意图“” 由于s i 和s i 凸的材料折射率差别大，如果s o i 平扳光波导结构要实现单模传输，则要求波导层 的厚度必须小于02 - 这样在与单模光纤耦台时将引 很大的耦台损耗。1 9 9 1 年，s o r e r 等提出 了大截面脊型光渡导单模传输理论，通过采用脊型光波导结构( 如图卜7 所示) ，可以使单模s o i 光 波导的截面尺寸扩展到与单模光纤相匹配“”。图卜8 和图卜9 分别是采用模斑转换工艺制作的脊 型光波导示意图和商用化光波导器件采用的太截面单模s o i 脊型光波导的剖面图。圉卜9 所示单 模光纤 端直径为8 u m ，而在波导端的尺寸只有4 x 4 在渡导前端加入s s c 结构后截面尺寸变 为1 2 x 1 2 “_ 。这样单摸光纤与光波导的耦台效率达到8 1 。 图卜8 脊型s o l 波导示意图国1 - 9 人截面脊波导扫描电镜幽1 矽 第一辛绪论 随着材料制备1 二艺和光波导器件加i1 1 艺的不断改善，s o l 单模光波导的损耗不断降低其损 耗叮咀达到小于0i d b c m ，与二氧化硅光波导或者玻璃基光波导相当，低损耗s 0 1 光波导的研制为 新型的p l c 器件的研发奠定了器件结构基础1 ”1 。 而在平面光波光路芯片的设计过程中不可避免的要接触到弯曲波导的设计问题。对于般的光 通信器件来说为了减小器件的尺寸，希望弯曲波导的弯曲半径辟量小。但通常来说波导弯曲会 导致光场向衬底泄漏，这是限制减小波导弯曲曲率、r 径的一个重要因素。由于s 0 光波导s - 和s l 幔 具有很大的折射率差这种泄漏是可以忽略的。此时限制减小s o l 弯曲波导曲率、p 径的主要因素是 波导的侧向辐射损耗。而采用渐变的锥形结构( 弯曲部分波导的宽度较小) 可减小弯曲波导的最小 弯曲半径”1 “。 低损耗的$ 0 1 光波导与波导弯曲的研制为s o l 光波导器件的发展打下了坚实的基础。这过去的 十年里， 们成功研制了种类繁多的s o l 光被导无源器件、有源器f 1 和集成同路，并且其中相当一 部分已经成功地转化为产品推向市场。 l3 光纤阵列 光通讯器件发展到今天，特剐是波分复用和长距离光纤通信技术的发展，普通的光器件不仅仅 局限于单根光纤对应单个功能的模块，现在的光通信器件更多的向多阵列方向发展。平面光波光路 器件也不例外，出现了异种多通路的p l c 器件。特别对常用的光分路器和a w g 来说其一般都是多 端口结构，不可能采用单根光纤多次对准封装的技术。在注重器什性能及其生产效率的今天，光纤 阵列应运而生。它不仅仅一次可以完成多根光纤的耦合封装，大大提高的生产效率；而且也避免了 多次对准封装带来的通道闻性能的差异。 图卜1 0 光纤阵列 普通f a ( f i b e ra r r a y ，光纤阵列) 如图卜l o 所示其有各种不同的通道数可供选择同时通 道阃的间距也不同，按照标准采说，问距一般只有1 2 7um 和2 5 0pm 两种。并且f 为了避免端面反 射产生回损其端面一般采用斜8 。的结构。光纤阵列一般由多根光纤、光纤定位槽( u 型槽、v 型 槽等) 以及上部的固定盖板构成，如圈卜i i 所示。儿个部分之间一般采用腔水固定粘结。 东南大学硕士学位论文 l 图i - i i 光纤阵列结构示意图 光纤阵列中的关键技术有两个：高精度的v 型槽和高可靠性的胶水。高精度的v 型槽一般采用 石英玻璃材料，通过机械精加工制作，而机械加工的尺寸和精度都必须与光纤放置的位置严格匹配。 同时用于光纤阵列的胶水应具有耐高温高湿特性，而且需要足够的硬度以便于光纤阵列的端面研磨， 这种光纤阵列才能应用在各种不同的环境中。 1 2 平面光波光路器件的封装技术 封装使光子器件成为功能性器件，即具有合适光电界面的耐用产品。其工艺描述为：把经过组 装和电互连的光电器件芯片与相关的功能器件和电路等，封入特制的管壳内，并通过管壳内部的光 学系统与外部实现光互连啪2 7 1 。 1 2 1p l c 器件封装流程和关键技术 图1 - 1 2 典型的p l c 封装流程图 光子器件的封装是光学原理融合于制造科学的高精度、高难度的特殊制造技术，器件的功能由 光学设计和制造精度决定。封装根据不同性能、不同器件、不同用途要求，结构和方式也不同，并 且随着技术的发展，封装结构正趋向于小型化和多功能模块化。平面光波光路器件的封装就是将p l c 6 第一章绪论 上的波导同光纤对准，将波导中的光最大程度耦合进光纤后，使之连接固定，并要求整个p l c 器件 对于外界的环境变化具有相当的稳定性和可靠性。封装过程主要包括材料选择、结构设计、超精密 亚微米对准、连接固定，最后是器件测试，其流程如图卜1 2 所示。其中最重要的两个过程是对准和 连接。 光纤对准可以分为有源对准与无源对准。无源对准通过组件的物理定位实现对准，即在光电器 件不工作的情况下，封装时只通过光电器件的对准标记以及限定光纤位置的v 形槽来完成对准耦合。 无源对准的优点是对准过程简单、省时，不需要昂贵的设备；缺点是插入损耗较大，组件或模块处 理固定时间长，封装产量低，另外，在光纤固定之后还存在变形以及光路污染的问题，这会影响光 电器件的封装可靠性，而且通常这种封装方法的耦合效率相对于有源对准较低。目前，无源对准由 于其低成本封装引起了广泛的关注，而且为光电器件的混合集成提供了途径，但是由于其在装配过 程中装配误差累积使光电器件的封装精度降低而受到了限制。有源对准根据实时测量的光耦合功率 调整组件相对位置实现对准，即在光电器件工作的情况，在光纤的输出端监视光源器件耦合进光纤 的光功率，当耦合功率达到最大时固定光纤位置。由于有源对准能够实现更高的耦合效率，损耗一 致性好，封装产量高，因此在光纤有源器件封装制造中应用更多。缺点是对准过程时间稍长，设备 成本较高，但是可以实现自动化睁3 。 而无论是无源对准还是有源对准过程，光纤器件的封装制造都需要非常高精度，在保证对接或连 接界面处质量的前提下，制造出来器件的光耦合效率，主要取决于光纤和波导( 确切的说两个模场 分布) 的对准精度。光纤与芯片的微小失配都将使耦合损耗非常大，使器件性能劣化。因此，p l c 器件的封装制造过程中必须实现光纤纤芯与p l c 芯片波导的高精度对准，才能保证器件性能。 综上所述，p l c 器件封装的关键技术体现在，首先，封装系统需要有高精度定位平台，并且定位 平台能提供多自由度的调整，精密调整平台能够在多自由度下实施不同行程和精度的调节。其次封 装系统需要有良好的连接固定技术，现阶段封装系统主要采用激光焊接封装技术和紫外胶固化技术， 但两者仍有各自的优缺点，具有不周的适用场合。再次，在自动封装系统中，需要有快速对准的控 制算法，算法在快速耦合对准的同时也要兼顾其稳定性，能保证光器件能够高效的完成封装过程。 最后，光器件封装要注重小型化，同时也不能失去器件的可靠性和重复性，这样才能保证光器件能 够应用在多种不同的场合嘲删1 。 1 2 2p l c 器件的封装技术现状和研究进展 目前，在光器件封装制造业，光纤对准工序以手动为主，部分企业和研究机构开发了自动对准 系统。 7 东南大学硕士学位论文 而光器件手工耦合封装的过程一般都是有源对准的过程，这种封装过程所需设备简单，但封装 效率比较低。针对p l c 类型的功分器，根据工人的熟练度，一般一天也只能有十个左右的产量。当然， 采取多套耦合封装设备能够增加光器件的产量，但人力成本较大。 美 n e w p o r t 公司一直致力于光纤器件封装技术的研究，开发大量的手动和自动耦合对准设备。 对准技术上，在二十世纪八十年代为显微镜下的手动调整，八十年代末到九十年代实现半自动化， 在x ，y ，z 三个自由度的对准。目前，已经开发了六自由度全自动对准工作台，2 0 0 3 年其全自动激 光焊接系统正式商用。粗对准采用光栅扫描法，精对准使用爬山法，平均对准时间大于一分钟。 1 9 9 4 年，美国a d e p t 公司提出的自动封装工作台使用了两个正交方向的c c d 摄像机。粗对准利 用两台c c d 摄像机和目标识别软件进行定位，确保有部分光功率耦合进光纤，这个过程大概需要6 - 1 0 幅图像分析，时间是1 2 分钟，精密对准采用爬山法，通过旋转l d ，利用光电管的功率反馈信号， 时间也需要1 - 2 分钟，整个对准过程需要3 4 分钟。对准平台行程2 5 r a m ，分辨率o 0 5l im 。2 0 0 0 年， a d e p t 公司在而乃z 三自由度基础上增加角度旋转。定位平台采取粗精结合的方式。粗动平台包 括j ，月磊。四个自由度，精密微动工作台由压电陶瓷驱动，行程1 0 0 i im ，分辨率4 0 n t o 。对准时， 先通过显微镜手动粗对准，然后采用机器视觉技术，通过对c c d 图像数据的处理进行对准。 2 0 0 0 年，中日合资骏河精机有限公司开发了自动调芯系统，用于l d p d 模块和光纤列阵一阵列 波导( a w g ) 器件封装中的自动对准。其自动调芯过程也包括粗对准和精密对准两个阶段。粗对准用螺 旋法，在x y 平面寻找超过噪声水平的最大功率点，精密对准在j ，办z 扫描采样，然后确定峰值点。 该系统的最大特点就是配备了接触感知系统，由转动微调架和距离传感器组成，主要用于调整器件 间的平行，实现角度对准。 2 0 0 3 年，深圳开发科技股份有限公司自动化所研制了光纤自动对准系统，用于准直器、光隔离 器以及光纤来料检验等工序。该系统基于光功率反馈进行控制。控制方法采用分步参数化的目标逼 近方法。系统平均对准时间1 2 0 s 2 0 0 4 年，浙江大学研究单模石英光纤与塑料光纤的耦合，对接平台采用三维高分辨率微动工作 台，设计了光功率计反馈和c c i ) 图像采集反馈功能。算法原理是，在x ，y 平面，沿x 和y 轴扫描采 样，根据光功率反馈数据确定最优点。然后再进行z 向调整，根据光功率计反馈的数据和两光纤连 接处图像处理并分析后所得数据，确定z 轴位置。算法进行前先手动调整两光纤到耦合区，再进行 自动对准。自动耦合时间较长，三自由度寻优，自动对准的时间需要两三分钟。 综上所述，国内光子器件的封装一般包括手动对准和自动对准两个方面。手动对准方面，一般 耦合对准效率比较低，存在较多的人为因素。自动对准方面，没有较好的粗对准方案，并且对准过 程中精对准算法的可靠性比较差，一般需要多次对准。同时两种对准方案对封装设备的要求都比较 高，耦合封装的成本都比较大滔1 。 8 第一章绪论 1 2 3 光纤和p l c 芯片耦合对准的研究进展 针对上述有源对准和无源对准的比较，及p l c 耦合封装技术的研究进展，这里主要对光纤和p l c 芯片的有源对准技术进展进行相应的介绍。而光纤和p l c 芯片有源对准又分为粗对准和精对准过程。 下面将分别对这两种不同的对准方式进行阐趔弧3 7 1 。 1 粗对准 租对准的任务是找到初始的光耦合输出，所以又称盲目搜索。从理论上讲，如果夹具的定位重 复性很好，而且器件的模场分布特性一致，则第一只器件对准封装后，后来的器件只要安装在相同 位置就应该处于耦合区，从而免除粗对准过程。但是，每一只器件模场分布特性都不相同，这种差 异可能会导致中心位置数百微米的偏差。这样，光器件与光纤对准前经常是处于零功率耦合的位置， 总是需要粗对准寻找初始光功率，这样粗对准过程是不可避免的汹。 粗对准方法主要有： ( 1 ) 机器视觉技术。利用c c d 图像导引进行初步对准。 ( 2 ) 螺旋扫描法。在一定的搜索范围内，从初始点出发，以螺旋运动寻找大于预定阈值的功率 耦合位置。如图卜1 3 所示。 ( 3 ) 光栅扫描法。光栅扫描法都基于光功率反馈进行控制。 x 轴援囊题溺 图卜1 3 二维螺旋扫描法 螺旋搜索法和光栅扫描法测量光功率作为反馈信号，比较简单，但是搜索结果的不确定性增大， 所以需要根据封装对准的实际情况进行优化，以增强抗干扰能力。而采用机器视觉技术利用c c d 进 行粗定位，对准过程和对准位置比较直观，但有时候c c d 相机观察的不够清晰，或者观察图像清晰， 但整个c c d 成本很高。因此，选择一个有效的粗对准方案是光器件封装过程中首先解决的问题。 2 精对准算法 ( 1 ) 爬山法跏 目前应用最广的精密对准算法就是爬山法。爬山法用于光纤对准最早是在1 9 8 6 年，当时称为 “梯度搜索”算法，用于x ，y ，z 三轴对准，此后，由于爬山法很容易实现而被广泛应用于光器件封 装工业。爬山法的基本原理如图1 - 1 4 所示。搜索过程可描述如下：图中椭圆表示相同耦合功率值的 9 东南大学硕士学位论文 等高线，越往里耦合功率值越大。假定搜索从彳点开始，给定一个初始步长，首先沿j 轴运动，每 走一步，进行功率测量并与上一步的功率值比较，从而决定下一步怎么走，功率值增大则继续向前， 功率值降低则调头反向。越过j 方向的最大点后( 图卜1 4 中的c 点) ，爬山者检测到功率降低，此 时，为了保证功率值的确已经是降低的方向，可以继续沿此方向走若干步进行检验，然后，将步长 减少一半，反方向朝f 点走，按此方式，经过几次迭代，就会非常接近或到达f 点。x 方向搜索结束 后，爬山者再沿y 轴搜索，找到最大点d ，重复上述x 方向和y 方向的搜索过程，就可以找n - 维的最 大值。多维的对准算法同二位对准算法类似。只是增加几个自由度，就要多运用几次爬山法。 图1 - 1 4 爬山法二维寻优 ( 2 ) 汉密尔顿算法伽 m i z u k a m i 等人提出将汉密尔顿算法用于光轴向对准中，但是这个方法涉及解决复杂系统运动的 二阶微分方程。并且，提出的要素信息和利用失真控制能够增强这个基于梯度的算法。但它只能在 一个时刻处理一个自由度，因此对准时间会随自由度的数目以及耦合通道或光纤的数目成比例的增 加。因此，此精对准算法并不常用。 ( 3 ) 单纯形算法眦讧臼1 基本单纯形法的概念第一次被s p e n d l y 等人在1 9 6 2 年提出。一个几何的单纯形由n + 1 个固定距 离的顶和边构成。通过连续反射目标函数对应的最坏点，从而使单纯形中心向最大值移动。由于固 定了单纯形的边长，这个算法显示了一个相当慢的收敛速度相当低的精度。为了克服这些缺点，在 1 9 6 5 年，n e l d e r 和m e a d 发展了改良的或可变化尺寸的单纯形法。 图1 - 1 5 两维单纯形法原理图 如图卜1 5 所示是两个自由度的单纯形法精对准过程，也就是在只有x y 两个自由度的情况下。 在此情况下，3 个顶点，相当于3 个不同的x 和y 值，被最初选定形成一个三角形，在这三个点测量 光功率，很容易确定光功率的最高( h ) ，最低( l ) ，和中间( m ) 值。紧接着进行迭代过程。每一次 l o 第一章绪论 迭代的目的是丢弃最小光功率点，同时通过反射或收缩三角形找出一个更好的点。当达到停止标准 时，如达到一个光功率的阈值时，或最后几个测量量的标准偏差不超过一定的值时，迭代过程结束。 如此就可以达到一个精对准过程。 ( 4 ) 遗传算法( g a ) 蝴 遗传算法是建立在达尔文的生物进化论和孟德尔伽的遗传学说基础上的优化算法。是模拟生物 在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法。遗传算法是一种全局 寻优搜索算法，它通过将问题候选解编码为由基因组成的染色体，然后通过模拟自然界的进化过程， 对染色体进行选择、交叉、变异操作，经过不断的循环处理从而产生代表问题解的染色体侧。同时 由于算法从多初始点开始进行操作，可使搜索过程收敛于局部极值。另一方面，交叉算子的使用是 遗传算法不同于盲目搜索与完全随机搜索，它是一种在当前虽优的基础上构造更优解的过程，因此 具有一定的启发式搜索和梯度搜索效率高的优点。遗传算法通过群体实现搜索过程，使它不同于单 点搜索，且易于并行化，从而提高算法的效率。 其他一些精对准算法，比如，2 0 0 4 年，k o i c h im i y a z a k i 在其申请的美国专利中提出“五点法” 用于x y 平面的光纤自动对准，实质就是多项式拟合的函数插值方法，这种方法在搜索速度上有提高， 但是与爬山法一样，每次只能进行一个自由度的搜索，没有解决多自由度交叉耦合的问题。1 9 9 8 年， 李桂秋等提出高频振动爬山法用于激光二极管与单模光纤自动对准，但其在本质上仍然是一种爬山 法。 1 3 本文主要工作 综上所述，在p l c 器件的封装过程中，封装平台成本高昂，封装效率比较低，自动耦合封装中 算法稳定性也比较差。针对p l c 器件封装过程中存在的问题，本文主要针对以光分路器为代表的平 面光波光路器件的耦合封装，深入研究影响耦合封装的主要因素、精密对准平台、耦合封装系统等 关键技术，以提高器件质量，降低器件成本为主要目标，实现高效快速的对准耦合封装。本文主要 针对上述的关键问题进行认真的研究，主要分为以下几个章节： 第一章综述了光通讯器件的发展，特别是平面光波光路器件的发展。在p l c 器件的基础上，又 分别针对s o i 材料的制作工艺和光纤阵列技术进行了相应的阐述。而后，又分析了p l c 器件封装流 程的关键技术，并对当前了一些p l c 封装技术进行了概述。最后重点阐述了光纤和p l c 芯片的耦合 对准的关键技术和一些相应的解决方案。 第二章将光纤和p l c 芯片波导的出射场等效为高斯光束的方法，提出了计算两者耦合效率的三 位近场积分法。在此方法的基础上，分别分析了单模光纤和楔形光纤同f l c 芯片耦合的情况，并对 l l 东南大学硕士学位论文 影响耦合效率的几个因素进行了详细的分析。 第三章提出了单模光纤同p l c 芯片耦合对准平台上的单纯形模拟退火的混合算法，并将此方法 同其他的一些自动对准算法进行比较分析，得到相应的适合的自动对准算法。 第四章以精密对准平台、机器视觉伺服系统、紫外点胶系统为核心为核心建立耦合对准平台， 并对平台的性能和祸合对准方案进行相应的阐述。在耦台对准平台的基础上，进行耦合对准实验， 并验证前面提出的理论结果。 最后通过对全文的整体分析，得出相应的结论并具体提出下一步工作展望。 1 2 第二章光纤与p l c 芯片耦合的三维近场积分法 第二章光纤与p l c 芯片耦合的三维近场积分法 本章在分析光纤出射光场分布的基础上，提出三维近场积分法来分析单模光纤及楔形光纤同平 面光波光路芯片的耦合模型，并接着对影响光纤同p l c 芯片耦合的一些因素进行了重点分析，并最终 得到相应的理论结果。 2 1 光纤与p l c 芯片耦合模型的建立 2 1 1 单模光纤出射光场分布 作为一般的光纤来说，由于其横截面是圆对称结构，因此出射光场的横截面一般也都是圆对称 结构。对于普通的波导来说，其横截面一般为规则的矩形结构。而对于光纤与波导的耦合过程恰恰 是将光纤中的光耦合进波导的过程，如何将圆对称结构的光场耦合进矩形结构的波导给我们带来了 难题。一般来说，主要有两种途径来解决，一种是尽可能大的增大矩形波导的横截面面积，使其能 包容整个光纤的出射场；另一种是改变光纤的出射场使其能扁平结构，尽可能可以容纳于扁平的矩 形波导中。前者i 主要是对波导制作工艺来说的，制作大截面的波导工艺比较复杂，成本也比较高， 这也就提高了整个光子器件的成本，但是采用新工艺，低成本制作大截面波导，来解决光纤同波导 模场匹配问题是耦合问题的最佳途径。对于后者，在现在还不能广泛使用大截面波导的情况下，我 们一般采用改变光纤出射圆对称模场的方式，迄今为止，已有多种用不同形状的透镜进行模场匹配 的方法，如柱状、半球、四角锥形透镜等删。而其中楔形光纤可以改变光纤出射模场的方式，获 得了较大范围的关注。具有一定楔角和曲率半径的楔形光纤，能有效的将光纤的出射模场扁平化插， 如图2 - 1 所示 图2 1 楔形光纤结构 光纤和波导的模场匹配可以解决了，而光纤同波导位置匹配关系就涉及到光纤出射场分布的问 题。人们早期通常假设光纤出射场的光强沿径向分布是均匀的，这就是认为光纤横截面上每点场强 大小相等，但这明显与实际不符，只能在一定条件下做近似应用。后来也有学者提出出射光场的分 布可以用高斯函数来描述。文献在理论分析的基础上，认为实际上出射光场既不是纯粹的高斯光束， 1 3 东南人学硕士学位论文 也不是纯粹的均匀分布的儿何光求，而是更接近两者的混台，确切地说光纤出射场分布是由不同权 重下的高斯分布和平面渡场的删孔衍射分布叠加的结果。单模光纤出射光场分布的教学模型为。： r1 ，( j ，) = e x “一4 ( x 2 + y 2 ) 】+ o2 5e x p 一6 【( x3 + y2 ) i is r ( 2 1 ) 目z - 2 是根据上式库l g a t l a b 仿真出的单模光纤；射场的3 d 授拟幽。幽中的光场分布呈草帽形 结构，出射场最大光强点在光纤的对称中心轴上，并且我们可咀清晰的看到在最大光强点附近还 有局部的光强较大点。这就要求我们在耦合对准时，要将最大的光功率耦台进波导，不能把局部极 大值点误认为极大值点从而导致出现耦台效率很低的情况。 图2 - 2 单模光纤出射场的3 d 模拟图 幽2 - 3 是数值模拟楔形光纤出射端光场分布，从图中可以看出楔形光纤的出射光场呈扁平状结 构。光场截面麓脯圆状，出射场的最大光强点在对称中心处但横向和纵向明显且有长短轴结构。 !： 孽： 2 12 高斯光束近似 w a q m _ _ m ，p 圈2 _ 3 数值模拟楔形光纤出射端光场分布 一般来说分析光纤同平面光波光路的耦合效率总是归结到分析光纤回p l c 上波导的初始对准 精度以及其对准的长期稳定性方面后者一般趺定了使h j 过程中平面光波光路器件的稳定性：面前 者则决定了p l c 器件的封装耦台效率这对普通的p l c 器件来蜕显得尤为重要。根据文献所述。可 第二章光纤与p l c 芯片耦合的三维近场积分法 以在近场情况下把单模光纤和矩形波导的端面出射场都近似等效为高斯光束，这样就能够在不同的 初始对准条件下得到不同的耦合效率畸引。 图2 - 4 高斯光束等效示意图 图2 - 4 所示，平面光波光路芯片的波导出射场等效为高斯光束，高斯光束是一种近轴光，它有 高斯光束的光斑尺寸、束腰半径等。光斑尺寸指的是高斯光束的电场幅值从中心值到e 。1 点的宽度， 一般用( z ) 表示；束腰半径指的是高斯光束在z = o 处的最小光斑尺寸，一般用 ) o 表示；由于高斯 光束呈发散状出射，因此在每个光斑处都有一个曲率半径，一般用r 表示，这三个参数是高斯光束 的重要指标，同时这三个参数之间也有一定的联系。 国( z ) = a , o b + ( 2 z l k o i ) 2 】l 2 ( 2 2 ) r = z 1 + ( k r _ 0 0 2 2 z ) 2 】 ( 2 3 ) 由上面两式可以看出6 0 0 是一个基本参数，在z = o 处，( z ) = ( ) o 。由上面的几个基本参数，结合高 斯光束的定义，我们就可以将波导的出射光束表示为： e ( x ，y ) = e ( z ) e x p 一( 工2 + y 2 ) 缈( z ) 】 ( 2 4 ) e ( z ) = ( 2 5 ) e ( z ) 为归一化因子。 而根据波导的结构，有矩形波导和正方形波导。正方形波导的出射高斯光束可以等效为园高斯 光束，其可以用上面的公式表示而矩形波导的出射光束则等效为椭圆高斯光束，其具有长短轴的 结构，因此不能用普通的高斯光束的表示方法。这里，我们将q ( z ) 在x 轴方向和y 轴方向分为d ，( z ) 和o ，( z ) ，同样6 0 。也分为d 饥和uo y ，这样椭圆高斯光束就可以由两个束腰半径不一样的圆高斯光束 叠加而成。因此，矩形波导的出射场可以表示为： 沙( 工，乃z ) = ( 五孑) y ( y , z ) e x p 一帆z 】 ( 2 6 ) 其中在x ( 或y ) 方向上 眩( 啦) = e x p 【f 1 2 t a n 叫戌】e x p 卜虿, 2 一访著】 ( 2 7 ) 东南大学硕士学位论文 上式中，k 为自由空间波数，瓦和风分别是x ( 或y ) 方向上高斯光束半径及其曲率半径，则 吼= ( o o u 扛虿 ( 2 8 ) r = 缸l + 酽】 ( 2 9 ) 或= 厄万 ( 2 1 0 ) ， ! = 秀r ( 2 1 1 ) 由上述可知，普通光纤为圆对称结构，因此普通光纤的出射场可以等效为圆高斯光束，其表达 方式同式2 - 4 类似。 在高斯光束等效的基础上，我们都可以将光纤和波导的出射场等效为圆或者椭圆高斯光束。但 是在一般情况下，普通光纤同波导不可能是恰好对准的，如果以波导为参照物的话，光纤一般同波 导的轴向在自由空间中呈一定的角度0 ，并且相对于轴向偏离一定的距离d ，如图2 5 所示。同时， 普通光纤和波导的出射光束在对准平面耦合时，两个高斯光柬场相较于前面的高斯光束出射场发生 了变化。因此，就需要在前面高斯光束等效的基础上，对场表达式空间上做一定的变化。 图2 5 自由空问中光纤同波导出射场的高斯近似 并且单模光纤同楔形光纤由于光纤出射端口的形状不一样，其等效高斯出射场也不一样。因此， 下面在单模光纤和楔形光纤的基础上分别来计算不同高斯光束场对耦合效率的影响，并研究不同的 影响因素对耦合效率的影响 2 2 三维近场积分法 2 2 1 单模光纤与p l c 芯片耦合分析方法 普通光纤在和p l c 芯片耦合对准时需要对总共六个自由度进行精调，这六个自由度分别是三个直 线方向的( 五月芴和三个角度方向的( a ，p ，y ) 。因为单模光纤具有圆对称结构，因此其绕z 轴 自身旋转的y 角引起的损耗可以忽略不计，所以在讨论单模光纤同p l c 芯片耦合时我们只考虑其它 1