專利名稱：基于多目標(biāo)演化算法的波導(dǎo)－光纖自動(dòng)調(diào)芯法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于多目標(biāo)演化算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法及裝置，屬于光通信領(lǐng)域中、集成光波導(dǎo)器件與單模光纖列陣的自動(dòng)連接技術(shù)和封裝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，在光通信干線網(wǎng)的超高速傳輸實(shí)驗(yàn)、以及接入網(wǎng)的光纖到戶技術(shù)中，越來(lái)越多地采用了光波導(dǎo)器件。在光纖網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)入光波導(dǎo)器件，必須解決光纖和光波導(dǎo)的連結(jié)封裝。其中要解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是光波導(dǎo)器件與光纖列陣的低損耗對(duì)接。國(guó)際上的先進(jìn)指標(biāo)是每端損耗低于0.15dB。要達(dá)到這一指標(biāo)，一方面要求光波導(dǎo)的模場(chǎng)分布盡可能與光纖的一致，另一方面必須要求光波導(dǎo)與光纖的光軸對(duì)準(zhǔn)精度控制在0.1μm以下。
利用高精度調(diào)整架采用常規(guī)手動(dòng)操作，技術(shù)要求很高，特別是在耦合進(jìn)入0.3dB后，作為操作判據(jù)的微變信號(hào)精確測(cè)試是技術(shù)關(guān)鍵，相應(yīng)的微操作十分困難，因此效率很低、重復(fù)性很差。采用自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)與光纖之間的高效率、低損耗對(duì)接耦合是一種有效的手段，常規(guī)自動(dòng)調(diào)芯方法沿襲手動(dòng)操作的思路，通過(guò)掃描微調(diào)波導(dǎo)光軸與光纖光軸的相對(duì)位置來(lái)獲得盡可能大的耦合效率。相關(guān)的專利文獻(xiàn)有a)光波導(dǎo)器件和光纖陣列的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)及其通道能量均衡技術(shù)(武漢光訊科技有限公司，申請(qǐng)?zhí)?2115963.7，公開(kāi)號(hào)1383012)b)一種用于光波導(dǎo)器件和光纖陣列自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的方法(武漢光訊科技有限公司，申請(qǐng)?zhí)?2115964.5，公開(kāi)號(hào)1383005)常規(guī)自動(dòng)調(diào)芯方法依賴于對(duì)微變信號(hào)的精確測(cè)試，不僅要求調(diào)節(jié)架的導(dǎo)軌有非常高的走行精度，還要求探測(cè)器有很高的靈敏度。一般情況下，由于精度原因和各種隨機(jī)誤差，常常導(dǎo)致調(diào)芯的重復(fù)性不好。
近年報(bào)道了一種新的質(zhì)心調(diào)芯法用于解決這個(gè)問(wèn)題，該方法避開(kāi)直接尋找峰值位置，采用測(cè)量計(jì)算峰值附近的耦合效率分布的質(zhì)心來(lái)確定峰值位置。從原理上克服了常規(guī)調(diào)芯過(guò)程依賴于對(duì)微變信號(hào)精確測(cè)試的困難。相關(guān)的專利文獻(xiàn)有c)波導(dǎo)-光纖自動(dòng)對(duì)接的質(zhì)心調(diào)芯法及其所用自動(dòng)調(diào)芯裝置(上海理工大學(xué)，專利號(hào)ZL03129249.6)該系統(tǒng)的工作原理建立在光信號(hào)的反饋伺服基礎(chǔ)上，表現(xiàn)出很強(qiáng)的邏輯性。必須通過(guò)初調(diào)使得光纖-波導(dǎo)-光纖間實(shí)現(xiàn)通光，計(jì)算機(jī)與功率計(jì)間的反饋通道進(jìn)入可運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)調(diào)芯程序方能生效。初調(diào)通光工作仍然需要人工操作來(lái)完成，這個(gè)工作對(duì)操作人員的技術(shù)要求很高，依賴操作者的熟練程度，時(shí)間無(wú)法一概而論。鑒此，最近提出了一種采用遺傳算法的自動(dòng)調(diào)芯系統(tǒng)，一個(gè)重要改善是初調(diào)通光實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，對(duì)人的依賴大幅減少。相關(guān)的專利文獻(xiàn)有d)基于遺傳算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法及其裝置(上海理工大學(xué)，申請(qǐng)?zhí)?00410018175.1)不過(guò)，盡管遺傳法不受反饋處理的強(qiáng)邏輯性限制，允許采用空間各維的并行操作，但是每代種群須含數(shù)十～數(shù)百個(gè)個(gè)體，意味著每遺傳一代至少須進(jìn)行數(shù)十組并行操作，光纖列陣與光波導(dǎo)列陣調(diào)芯的尋優(yōu)收斂需歷經(jīng)近100代的遺傳，總的并行操作達(dá)數(shù)千組，費(fèi)時(shí)要數(shù)十分鐘。另外，列陣對(duì)接自動(dòng)調(diào)芯涉及的是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，既要求各個(gè)通道有高的耦合效率，又希望各通道耦合效率之間有良好的均勻性。由于分立的列陣器件不可避免地存在通道間隔誤差，實(shí)際調(diào)芯時(shí)，兩個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程常常是互相沖突的，不可能同時(shí)得到滿足。兩個(gè)指標(biāo)中何重何輕由加權(quán)左右，但是權(quán)重比例的合理設(shè)定至今仍是一件困難事情，一般只能采用反復(fù)試調(diào)逐漸修正的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述遺傳法自動(dòng)調(diào)芯操作量過(guò)大、權(quán)重比例設(shè)定困難的技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種新的基于多目標(biāo)演化算法的自動(dòng)調(diào)芯方法及其適用于該方法的自動(dòng)調(diào)芯裝置。
本發(fā)明基于以下基本原理光通信系統(tǒng)中通常遇到的是單模波導(dǎo)列陣和單模光纖列陣之間的對(duì)接，在對(duì)接端面，通過(guò)本征模之間的功率耦合實(shí)現(xiàn)載波傳輸。波導(dǎo)與光纖之間填滿了對(duì)工作波長(zhǎng)吸收小且折射率匹配的待固化粘結(jié)劑，端面反射接近-50dB，可以忽略，單芯端面耦合效率理論上表現(xiàn)為熟知的導(dǎo)模場(chǎng)分布間的重疊積分。不失一般性，如圖1所示，設(shè)條波導(dǎo)的光軸沿z方向，光纖光軸與條波導(dǎo)光軸間有一個(gè)角度偏差θ，兩光軸心在垂直于z軸方向上有偏差Δx和Δy，光纖端面和波導(dǎo)端面沿z軸方向的間距為Δz?？紤]到光波導(dǎo)制造工藝中一些不可預(yù)測(cè)的因素導(dǎo)致波導(dǎo)模場(chǎng)分布的不對(duì)稱，用Wxo和Wyo分別表示單模波導(dǎo)導(dǎo)模在x和y方位上的束腰，光纖模的束腰為Wfo。單芯端面耦合效率η可表示為η＝ηx·ηy(1a)
ηx=2exp[-k2(Wfo2+Wxo2)θ22ηxo(Δz)-2ηxo(Δz)(Δx2Wfo2+(Δzθ-Δx)2Wxo2)]ηxo(Δz)...(1b)]]>ηy=2exp[-2Δy2ηyo(Δz)(1Wfo2+1Wyo2)]ηyo(Δz)...(1c)]]>式中ηxo(Δz)=(WxoWfo+WfoWxo)2+(2ΔzkWfoWxo)2...(2a)]]>ηyo(Δz)=(WyoWfo+WfoWyo)2+(2ΔzkWfoWyo)2...(2b)]]>這里，k是光波在波導(dǎo)與光纖之間的介質(zhì)中的波數(shù)，與介質(zhì)的折射率有關(guān)，反映了粘結(jié)劑的介電影響。耦合效率η隨θ、Δx、Δy和Δz的減小而增大，當(dāng)θ、Δx、Δy和Δz為零時(shí)，有最大耦合效率ηmax=1(WfoWxo+WxoWfo)(WfoWyo+WyoWfo)...(3)]]>此時(shí)若波導(dǎo)與光纖的模場(chǎng)分布完全相同，理論上式(3)給出100％的端面耦合效率。盡管實(shí)際情況不是如此理想，但理論分析指出一個(gè)原則，對(duì)于給定的光波導(dǎo)和光纖，要獲得高的端面耦合效率，必須盡可能使兩者的光軸對(duì)準(zhǔn)且保持平行、兩者的端面間隔應(yīng)盡量小且填充適當(dāng)?shù)恼凵渎势ヅ浣橘|(zhì)。
多通道列陣耦合在原理上是上述單芯耦合的推廣，由于實(shí)際的波導(dǎo)列陣和光纖列陣在芯間距上不盡一致，不可能做到所有通道都同時(shí)獲得最高的耦合效率，實(shí)用的折中辦法是采用兩個(gè)指標(biāo)對(duì)調(diào)芯結(jié)果進(jìn)行權(quán)衡評(píng)價(jià)，一個(gè)是所有通道的插入損耗之和是否足夠小，另一個(gè)是所有通道中插入損耗最大值與最小值之差是否足夠小，后者被用來(lái)定義均勻性。由于分立器件自身的損耗是確定的，進(jìn)入調(diào)芯對(duì)接流程時(shí)，影響插入損耗的因素主要是端面耦合損耗，端面耦合損耗用端面耦合效率的分貝值來(lái)表示。
列陣調(diào)芯時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)所有通道的輸出當(dāng)然最好，但由于波導(dǎo)通道數(shù)隨器件技術(shù)的發(fā)展不斷增多、以及受封裝系統(tǒng)成本的限制，調(diào)芯系統(tǒng)一般不配備大量的光功率計(jì)，實(shí)際現(xiàn)狀是采用如圖2例示的雙芯調(diào)芯的方法，1×8波導(dǎo)分支耦合器與光纖列陣對(duì)接耦合時(shí)，取第2和第7路通道(亦可以是相隔一定距離的其它兩路通道)的輸出作為采樣信號(hào)，其它通道的對(duì)接耦合靠分立器件各通道幾何位置的精度來(lái)保證。對(duì)于0.1μm位置精度的光波導(dǎo)列陣和小于0.5μm位置精度的光纖列陣，采用雙芯調(diào)芯方法實(shí)用上沒(méi)有障礙。
由于多芯列陣的端面有較大的長(zhǎng)寬比，端面間隔的微調(diào)必須與端面平行度相關(guān)聯(lián)，要求端面間近乎平行，否則由于邊端碰撞導(dǎo)致間隔微調(diào)不能進(jìn)行。因此商用波導(dǎo)芯片或光纖列陣的光軸與其端面的垂直度偏差一般在0.2°以內(nèi)，以保障波導(dǎo)光軸與光纖光軸之間的平行度可以通過(guò)調(diào)整兩列陣端面之間的平行度來(lái)控制。出射端的端面間平行度和端面間距的調(diào)整涉及和θx、θy和z三維，列陣雙芯對(duì)接涉及x、y和θz三維。在入射端，由于單光纖的圓對(duì)稱性，θz的調(diào)整喪失意義。因此雙芯自動(dòng)調(diào)芯涉及的空間維數(shù)為11維，分別是處于波導(dǎo)芯片輸入端一側(cè)的、調(diào)整輸入光纖芯位置的空間五維，以及處于波導(dǎo)芯片輸出端一側(cè)的、調(diào)整光纖列陣的定位光纖芯位置的空間六維。
多目標(biāo)演化算法的導(dǎo)入列陣對(duì)接自動(dòng)調(diào)芯涉及的是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，既要求各個(gè)通道有高的耦合效率，又希望各通道耦合效率之間有良好的均勻性。本發(fā)明涉及的多目標(biāo)演化算法是一種基于穩(wěn)定淘汰策略的、多目標(biāo)進(jìn)化的非劣解集算法，采用無(wú)支配排序規(guī)則對(duì)種群中的每個(gè)個(gè)體分配Pareto秩，個(gè)體按Pareto秩號(hào)分類后，對(duì)具有相同秩號(hào)的所有個(gè)體算出其擁擠距離，低Pareto秩號(hào)的個(gè)體意味著更趨近多個(gè)目標(biāo)的綜合要求，大擁擠距離的個(gè)體意味著更富多樣性。與傳統(tǒng)遺傳算法相比，本發(fā)明不采用建立包含多個(gè)加權(quán)目標(biāo)的單一適應(yīng)度函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)種群中的個(gè)體，而是按個(gè)體的Pareto秩號(hào)及其擁擠距離的大小決定淘汰順序，Pareto秩小且擁擠距離大的個(gè)體被賦予更多的繁衍機(jī)會(huì)。
為了提高收斂速度，尋優(yōu)過(guò)程結(jié)合了多父代交叉和蟻群爬山法兩個(gè)啟發(fā)式。對(duì)M個(gè)親代個(gè)體先用多父代交叉方法產(chǎn)生一個(gè)新的后代個(gè)體，組成一個(gè)M+1個(gè)個(gè)體的中間群體，按個(gè)體的Pareto秩號(hào)及其擁擠距離的大小淘汰一個(gè)末位個(gè)體后，再用實(shí)值變異方法產(chǎn)生一個(gè)新的后代個(gè)體，按相同判據(jù)淘汰一個(gè)末位個(gè)體，由此得到由M個(gè)個(gè)體組成的下一代種群。顯然，本發(fā)明的方法付諸實(shí)用時(shí)，對(duì)每一代進(jìn)化只需做兩個(gè)個(gè)體的機(jī)器操作，操作量較傳統(tǒng)遺傳算法大幅減少，可顯著提高自動(dòng)調(diào)芯的效率。
導(dǎo)入多目標(biāo)演化算法機(jī)理需要解決演化算法基因模型與實(shí)際調(diào)芯過(guò)程的映射，用演化算法模型中的個(gè)體概念描述實(shí)際調(diào)芯時(shí)波導(dǎo)光軸與光纖光軸之間某個(gè)空間相對(duì)方位；種群概念反映了所考慮的所有空間相對(duì)方位的集合。本發(fā)明的方法的好處是允許采用實(shí)數(shù)編碼方案，不僅避免了二進(jìn)制編碼處理連續(xù)函數(shù)時(shí)存在的精度與搜索空間之間的矛盾，而且計(jì)算速度大大提高，因此用含有多個(gè)決策變量的實(shí)數(shù)數(shù)組來(lái)表示染色體，相當(dāng)于物理空間的坐標(biāo)。調(diào)芯過(guò)程期望達(dá)到的兩個(gè)指標(biāo)分別作為兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值。經(jīng)過(guò)如此概念映射，列陣對(duì)接自動(dòng)調(diào)芯對(duì)耦合效率和均勻性的尋優(yōu)過(guò)程轉(zhuǎn)化為多目標(biāo)演化算法對(duì)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程。
取圖2所示1×8波導(dǎo)分支耦合器與光纖列陣的對(duì)接耦合為例，雙芯自動(dòng)調(diào)芯涉及的空間維數(shù)是11維。一般地，在顯微監(jiān)視操作下，波導(dǎo)光軸與光纖光軸間的初始偏差容易控制在50μm之內(nèi)，波導(dǎo)端面和光纖端面的間距容易控制在4μm之內(nèi)，由此確定x軸和y軸參量的變化范圍為[-50μm，50μm]，z軸參量的變化范圍為
。取θz角的搜索范圍為±5°。為了避免波導(dǎo)芯片與光纖列陣發(fā)生上下或左右的邊端碰撞，θx角和θy角的搜索范圍由下式-zmaxh≤sinθx≤zmaxh,-zmaxw≤sinθy≤zmaxw...(4)]]>決定，這里h、w和zmax分別是光纖列陣的厚度、寬度以及兩端面間的最大間隔。
上述空間11維對(duì)應(yīng)于演化算法的11個(gè)決策變量，一組11維的決策變量構(gòu)成一個(gè)個(gè)體Ui，通過(guò)建立M個(gè)個(gè)體的集合形成種群。每個(gè)個(gè)體在調(diào)芯過(guò)程中對(duì)應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的耦合效率，將耦合效率轉(zhuǎn)化為上述兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于實(shí)際操作時(shí)得到的是采樣信號(hào)的光功率，它與插入損耗成反比，則均勻性直接用兩個(gè)采樣信號(hào)功率的差值來(lái)表示。兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)分別用f1(Ui)＝-[P1(Ui)+P2(Ui)] (5)f2(Ui)＝|P1(Ui)-P2(Ui)|(6)定義，式中P1和P2分別是調(diào)芯位置處于由個(gè)體Ui規(guī)定的空間方位時(shí)、由兩個(gè)采樣通道測(cè)得的輸出光功率，它們與輸入光功率的比值采用分貝表示時(shí)即為插入損耗。顯然P1和P2愈大，目標(biāo)函數(shù)f1愈?。籔1與P2的差異愈小，目標(biāo)函數(shù)f2愈小。
種群中所有個(gè)體的Pareto秩的分配規(guī)則是設(shè)所考察的個(gè)體為Ui，若與另一個(gè)體Uj≠i存在如下目標(biāo)函數(shù)值關(guān)系f1(Ui)＞f1(Uj≠i)and f2(Ui)≥f2(Uj≠i)(7)則個(gè)體Ui的Pareto秩號(hào)增加1，否則秩號(hào)增量為0。通過(guò)與Ui以外的所有個(gè)體逐個(gè)比較，累計(jì)得到個(gè)體Ui的Pareto秩號(hào)值。如此考察過(guò)程遍及所有個(gè)體，完成種群的個(gè)體按Pareto秩號(hào)的分類。顯然，(7)式的判據(jù)以及秩號(hào)分配規(guī)則保證了低Pareto秩號(hào)的個(gè)體更具備雙目標(biāo)同時(shí)優(yōu)化的傾向。對(duì)種群中具有相同秩號(hào)的個(gè)體，按以下規(guī)則計(jì)算擁擠距離把相同秩號(hào)下的k個(gè)個(gè)體Uj按f1(Um)＜f1(Um+1)m＝1，2，L，k-1.(8)f2(Un)＜f2(Un+1)n＝1，2，L，k-1.的順序分別用過(guò)渡性的m下標(biāo)和n下標(biāo)排列，算出d1(Um)=∞at m=1or kf1(Um+1)-f1(Um-1)f1(Uk)-f1(U1)at m≠1or k...(9a)]]>d2(Un)=∞at n=1or kf2(Un+1)-f2(Un-1)f2(Uk)-f2(U1)at n≠1or k...(9b)]]>再將m下標(biāo)排列和n下標(biāo)排列分別對(duì)應(yīng)回復(fù)到原來(lái)的i下標(biāo)排列，于是每個(gè)個(gè)體Ui由此得一對(duì)d1(Ui)和d2(Ui)。個(gè)體Ui的擁擠距離定義為d(Ui)＝d1(Ui)+d2(Ui) (10)上述過(guò)程遍歷種群中所有個(gè)體。顯然，這里的擁擠距離是指由兩個(gè)目標(biāo)維數(shù)決定的兩維空間中、種群中的某個(gè)被考察個(gè)體與其同秩號(hào)相鄰個(gè)體之間的空間距離的估算。擁擠距離大的個(gè)體，它的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值與同秩號(hào)相鄰個(gè)體的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值的差異大，因此對(duì)種群中同秩號(hào)個(gè)體的多樣性貢獻(xiàn)大。物理上，多樣性有助于調(diào)芯過(guò)程避免陷入次優(yōu)的局部收斂?？傊?，對(duì)于種群中的任意兩個(gè)個(gè)體，秩號(hào)小的個(gè)體優(yōu)于秩號(hào)大的個(gè)體；對(duì)于秩號(hào)相同的兩個(gè)個(gè)體，擁擠距離大的個(gè)體優(yōu)于擁擠距離小的個(gè)體。至此用Pareto秩和擁擠距離兩個(gè)參數(shù)完成了對(duì)一代種群中所有個(gè)體的評(píng)價(jià)。
種群的遺傳由交叉、變異和淘汰等三個(gè)步驟來(lái)完成。交叉和變異影響進(jìn)化是否收斂、以及收斂的速度。參與交叉的個(gè)體愈多，進(jìn)化收斂至最優(yōu)的可能性愈大；參與交叉的個(gè)體的優(yōu)劣評(píng)價(jià)愈排前，收斂速度愈快。為此采用多父代交叉，從當(dāng)前大小為M的種群中選擇m個(gè)評(píng)價(jià)排前的個(gè)體，由以下的交叉操作U0=Σi=1maiUi...(11)]]>得到一個(gè)新個(gè)體U0，這里權(quán)重系數(shù)滿足Σi=1mai=1,-0.5≤ai≤1.5...(12)]]>的關(guān)系。新個(gè)體U0與原M個(gè)個(gè)體構(gòu)成一個(gè)大小為M+1的過(guò)渡種群，算出新個(gè)體U0的Pareto秩以及擁擠距離，按這兩個(gè)指標(biāo)淘汰末位個(gè)體后，重新得到一個(gè)大小為M的新種群。為了進(jìn)一步增加種群多樣性和加快收斂速度，再做實(shí)值變異操作，從新種群中隨機(jī)選取一個(gè)個(gè)體，通過(guò)實(shí)值變異，增加一個(gè)在父?jìng)€(gè)體附近的新個(gè)體，再次構(gòu)成大小為M+1的過(guò)渡種群。類似地通過(guò)計(jì)算、比較Pareto秩以及擁擠距離，淘汰末位個(gè)體后，方得一個(gè)大小為M的下一代種群。采用如此的蟻群爬山法，通過(guò)一代一代的交叉、變異、穩(wěn)定淘汰等基因操作，不斷進(jìn)化，直至到達(dá)設(shè)定的最大進(jìn)化代數(shù)為止。最大進(jìn)化代數(shù)的大小與多目標(biāo)演化算法的收斂特性有關(guān)，可以參考試驗(yàn)運(yùn)行的結(jié)果或參考數(shù)值仿真試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)確定，本發(fā)明取最大進(jìn)化代數(shù)為大于或等于35。
數(shù)值仿真以圖2給出的對(duì)接系統(tǒng)作為仿真模型，采樣光纖是第2和第7通道，為了突出端面耦合效率，不失一般性，忽略1×8波導(dǎo)分支耦合器的傳輸損耗、彎曲損耗和Y分支耦合損耗，這個(gè)模型在端面耦合效率達(dá)100％的理想情況下，波導(dǎo)分支耦合器各通道的插入損耗等于9.031dB的1分8原理?yè)p耗。取1550nm波長(zhǎng)下常規(guī)單模光纖的束腰Wfo＝5.63μm，石英單模條波導(dǎo)的模場(chǎng)非對(duì)稱因子α＝1-(Wxo/Wyo)一般在0.1％量級(jí)，這里按0.4％取相對(duì)折射率差Δ＝0.3％的石英單模條波導(dǎo)的束腰Wyo＝5.63μm、Wxo＝5.61μm，輸入光功率為0dBm。初始種群用完全隨機(jī)的方法產(chǎn)生，種群大小為30。
為了把握多目標(biāo)演化調(diào)芯過(guò)程的收斂特性，先考慮光纖列陣和波導(dǎo)列陣的芯間隔均為250μm的理想情況，第2和第7采樣光纖之間的間距為1250μm。波導(dǎo)兩端面與輸入/輸出光纖列陣端面之間的間隙內(nèi)填充的介質(zhì)參照BP300紫外粘結(jié)劑的參數(shù)，1550nm波長(zhǎng)上的折射率為1.444，與石英的折射率差小于0.01，透過(guò)率為98％/mm。做了10次重復(fù)仿真，每次遺傳100代，初始種群采用隨機(jī)方法生成。仿真結(jié)果列于表1，兩芯插入損耗平均值為9.042dB，扣除原理?yè)p耗，端面耦合損耗平均值約為0.011dB。由于設(shè)定了光纖和波導(dǎo)的表1.理想間距的光纖列陣與波導(dǎo)列陣雙芯對(duì)接耦合仿真結(jié)果。

通道間距相等，均勻性誤差為0dB。圖3給出了其中一次仿真的收斂進(jìn)程，早期收斂非常迅速，大約經(jīng)過(guò)35代進(jìn)化即可進(jìn)入小于9.1dB的區(qū)域，搜索效率和收斂性都很好。
實(shí)際產(chǎn)品中，波導(dǎo)列陣由于采用光刻技術(shù)制備，列陣間距有很好的精度，光纖列陣的制備采用刻V形槽后掩埋光纖的工藝，列陣間距的精密控制較困難，表2給出了用列陣芯距測(cè)試儀實(shí)測(cè)的一個(gè)石英基板V形槽8芯光纖列陣的芯中心的位置分布數(shù)據(jù)，與250μm理論間距比較，最大誤差＜0.35μm。結(jié)合實(shí)際情況，用表2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)替代理想光纖列陣，做了表2. 8芯光纖列陣芯中心位置實(shí)測(cè)值。

多目標(biāo)演化算法的雙芯自動(dòng)對(duì)接仿真，表3歸納了10次仿真的結(jié)果，進(jìn)化100代時(shí)對(duì)應(yīng)的通道2和通道7的插入損耗的平均值分別是9.050dB和9.085dB。
表3.實(shí)測(cè)光纖列陣與波導(dǎo)列陣雙芯對(duì)接耦合仿真結(jié)果。

與理想情況相比，分別增加了0.008dB和0.043dB，反映了光纖列陣芯距誤差的影響。選擇表3中第1次仿真得到的耦合位置，計(jì)算了8個(gè)通道的插入損耗，結(jié)果示于圖4。8個(gè)通道的插入損耗的平均值為9.072dB，扣除原理?yè)p耗，端面耦合損耗平均值約為0.041dB，表征均勻性指標(biāo)的最大值與最小值的差為0.054dB，滿足實(shí)用要求。上述結(jié)果為多目標(biāo)演化算法自動(dòng)調(diào)芯系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。
基于上述原理，一種多目標(biāo)演算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，其特點(diǎn)是，方法步驟為1.建立波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯物理參數(shù)與多目標(biāo)演化算法模型之間的映射，其中調(diào)芯時(shí)波導(dǎo)光軸與光纖光軸之間某個(gè)空間相對(duì)位置和方向?qū)?yīng)多目標(biāo)演化算法模型中的個(gè)體，上述空間相對(duì)位置和方向的集合對(duì)應(yīng)多目標(biāo)演化算法模型中的種群，空間坐標(biāo)軸參量對(duì)應(yīng)多目標(biāo)演化算法模型中的染色體，調(diào)芯過(guò)程測(cè)得的兩個(gè)或兩個(gè)以上波導(dǎo)通道的光功率之和對(duì)應(yīng)多目標(biāo)演化算法模型中的第一個(gè)目標(biāo)函數(shù)f1，調(diào)芯過(guò)程測(cè)得的兩個(gè)或兩個(gè)以上波導(dǎo)通道的光功率的最大值和最小值之差對(duì)應(yīng)多目標(biāo)演化算法模型中的第二個(gè)目標(biāo)函數(shù)f2；2.光纖列陣-光波導(dǎo)-光纖列陣系統(tǒng)初調(diào)確認(rèn)采用計(jì)算機(jī)控制、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式調(diào)整輸入用單模光纖列陣和輸出用單模光纖列陣，使之分別與光波導(dǎo)輸入端口和輸出端口的對(duì)準(zhǔn)偏差在±50μm范圍內(nèi)；3.用完全隨機(jī)的方法產(chǎn)生初始種群Q(t＝0)，這里t代表進(jìn)化代數(shù)，種群中個(gè)體的數(shù)目為30或30以上，設(shè)定最大進(jìn)化代數(shù)≥35；4.對(duì)每個(gè)個(gè)體計(jì)算其目標(biāo)函數(shù)值輸入用單模光纖列陣和輸出用單模光纖列陣按每個(gè)個(gè)體的規(guī)定用指定的方向姿態(tài)進(jìn)入指定的空間位置，并讀取和記錄保存兩個(gè)或兩個(gè)以上波導(dǎo)通道的光功率值，該過(guò)程按個(gè)體順序依次進(jìn)行，利用所述測(cè)得的光功率值計(jì)算每個(gè)個(gè)體的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值f1和f2；5.根據(jù)每一個(gè)個(gè)體的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值計(jì)算每一個(gè)個(gè)體的Pareto秩，對(duì)Pareto秩相同的個(gè)體計(jì)算其擁擠距離；6.按照Pareto秩號(hào)小的個(gè)體優(yōu)于Pareto秩號(hào)大的個(gè)體、Pareto秩號(hào)相同的兩個(gè)個(gè)體中擁擠距離大的個(gè)體優(yōu)于擁擠距離小的個(gè)體的原則，完成對(duì)一代種群中所有個(gè)體的評(píng)價(jià)；7.采用交叉、變異和末位淘汰三個(gè)步驟產(chǎn)生下一代種群，上述過(guò)程迭代進(jìn)行，直至到達(dá)設(shè)定的最大進(jìn)化代數(shù)為止，完成一次波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯過(guò)程。
一種基于多目標(biāo)演化算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法所用的自動(dòng)調(diào)芯裝置，其特征在于所述裝置包括抗震平臺(tái)、光波導(dǎo)支架、兩套精密六維調(diào)節(jié)架、兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器、兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、激光源、光功率計(jì)和計(jì)算機(jī)，光波導(dǎo)芯片被固定于所述光波導(dǎo)支架上，該光波導(dǎo)支架可在x、y、z三維實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)整，所述兩套精密六維調(diào)節(jié)架分別用于固定和調(diào)整輸入用和輸出用光纖列陣的空間方位、并分別位于所述光波導(dǎo)支架的兩側(cè)，所述兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別位于光波導(dǎo)支架的上方和正前方，所述光波導(dǎo)支架、兩套精密六維調(diào)節(jié)架和兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均固定安裝在所述抗震平臺(tái)上。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提供的多目標(biāo)演化算法自動(dòng)調(diào)芯方法及其調(diào)芯裝置，從機(jī)理上改進(jìn)了現(xiàn)行自動(dòng)調(diào)芯方法的不足。本發(fā)明的顯著效果表現(xiàn)在與常規(guī)遺傳法自動(dòng)調(diào)芯比較，機(jī)器操作次數(shù)大幅減少，且無(wú)需人為參與目標(biāo)權(quán)重的設(shè)定，顯著提高了可操作性，有效地提高了實(shí)現(xiàn)光纖列陣-波導(dǎo)器件-光纖列陣系統(tǒng)低損耗快速對(duì)接耦合的自動(dòng)化程度和工作效率。


圖1為單模光纖和單模條波導(dǎo)的端面耦合的解析模型圖；圖2為1×8波導(dǎo)Splitter與光纖列陣的對(duì)接耦合圖；圖3.為多目標(biāo)演化算法調(diào)芯數(shù)值仿真進(jìn)程曲線圖；圖4為8個(gè)通道的插入損耗圖；圖5為多目標(biāo)演化算法自動(dòng)調(diào)芯流程圖；圖6為自動(dòng)調(diào)芯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖。
具體實(shí)施例方式
一種多目標(biāo)演算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，其特點(diǎn)是，方法的具體步驟為1.建立波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯物理參數(shù)與多目標(biāo)演化算法模型之間的映射，其中調(diào)芯時(shí)波導(dǎo)光軸與光纖光軸之間某個(gè)空間相對(duì)位置和方向?qū)?yīng)多目標(biāo)演化算法模型中的個(gè)體，上述空間相對(duì)位置和方向的集合對(duì)應(yīng)多目標(biāo)演化算法模型中的種群，空間坐標(biāo)軸參量對(duì)應(yīng)多目標(biāo)演化算法模型中的染色體，調(diào)芯過(guò)程測(cè)得的兩個(gè)或兩個(gè)以上波導(dǎo)通道的光功率之和對(duì)應(yīng)多目標(biāo)演化算法模型中的第一個(gè)目標(biāo)函數(shù)f1，調(diào)芯過(guò)程測(cè)得的兩個(gè)或兩個(gè)以上波導(dǎo)通道的光功率的最大值和最小值之差對(duì)應(yīng)多目標(biāo)演化算法模型中的第二個(gè)目標(biāo)函數(shù)f2；2.光纖列陣-光波導(dǎo)-光纖列陣系統(tǒng)初調(diào)確認(rèn)采用計(jì)算機(jī)控制、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式調(diào)整輸入用單模光纖列陣和輸出用單模光纖列陣，使之分別與光波導(dǎo)輸入端口和輸出端口的對(duì)準(zhǔn)偏差在±50μm范圍內(nèi)；3.用完全隨機(jī)的方法產(chǎn)生初始種群Q(t＝0)，這里t代表進(jìn)化代數(shù)，種群中個(gè)體的數(shù)目為30或30以上，設(shè)定最大進(jìn)化代數(shù)≥35；
4.對(duì)每個(gè)個(gè)體計(jì)算其目標(biāo)函數(shù)值輸入用單模光纖列陣和輸出用單模光纖列陣按每個(gè)個(gè)體的規(guī)定用指定的方向姿態(tài)進(jìn)入指定的空間位置，并讀取和記錄保存兩個(gè)或兩個(gè)以上波導(dǎo)通道的光功率值，該過(guò)程按個(gè)體順序依次進(jìn)行，利用所述測(cè)得的光功率值計(jì)算每個(gè)個(gè)體的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值f1和f2；5.根據(jù)每一個(gè)個(gè)體的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值計(jì)算每一個(gè)個(gè)體的Pareto秩，對(duì)Pareto秩相同的個(gè)體計(jì)算其擁擠距離；6.按照Pareto秩號(hào)小的個(gè)體優(yōu)于Pareto秩號(hào)大的個(gè)體、Pareto秩號(hào)相同的兩個(gè)個(gè)體中擁擠距離大的個(gè)體優(yōu)于擁擠距離小的個(gè)體的原則，完成對(duì)一代種群中所有個(gè)體的評(píng)價(jià)；7.采用交叉、變異和末位淘汰三個(gè)步驟產(chǎn)生下一代種群，上述過(guò)程迭代進(jìn)行，直至到達(dá)設(shè)定的最大進(jìn)化代數(shù)為止，完成一次波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯過(guò)程。
所述步驟1中所述的空間坐標(biāo)軸參量為空間11維，包括輸入端一側(cè)除了繞光纖光軸轉(zhuǎn)動(dòng)以外的5維和輸出端一側(cè)的6維，該11維坐標(biāo)變量用實(shí)數(shù)數(shù)組來(lái)編碼。
所述步驟1中所述的任意第i個(gè)個(gè)體由上所述的、用任意第i個(gè)實(shí)數(shù)數(shù)組編碼的11維坐標(biāo)變量Ui構(gòu)成。
所述步驟1中所述的第一個(gè)目標(biāo)函數(shù)f1(Ui)和第二個(gè)目標(biāo)函數(shù)f2(Ui)分別由以下二式得到f1(Ui)＝-[P1(Ui)+P2(Ui)]f2(Ui)＝|P1(Ui)-P2(Ui)|式中，P1(Ui)和P2(Ui)分別是調(diào)芯位置處于由個(gè)體Ui規(guī)定的空間方位時(shí)、由兩個(gè)采樣通道測(cè)得的輸出光功率。
所述步驟5中所述的個(gè)體的Pareto秩由以下規(guī)則計(jì)算得到對(duì)于任意第i個(gè)個(gè)體Ui，若與另一個(gè)體Uj≠i存在如下目標(biāo)函數(shù)值關(guān)系f1(Ui)＞f1(Uj≠i)以及f2(Ui)≥f2(Uj≠i)那么，個(gè)體Ui的Pareto秩號(hào)增加1，否則秩號(hào)增量為0。按這個(gè)規(guī)則，通過(guò)與Ui以外的所有個(gè)體逐個(gè)比較，累計(jì)得到個(gè)體Ui的Pareto秩號(hào)值。
所述步驟5中所述的個(gè)體的擁擠距離由以下規(guī)則計(jì)算得到對(duì)種群中具有相同秩號(hào)的個(gè)體，把相同秩號(hào)下的k個(gè)個(gè)體Ui按
f1(Um)＜f1(Um+1)m＝1，2，L，k-1.
f2(Un)＜f2(Un+1)n＝1，2，L，k-1.
的順序分別用過(guò)渡性的m下標(biāo)和n下標(biāo)排列，算出 再將m下標(biāo)排列和n下標(biāo)排列分別對(duì)應(yīng)回復(fù)到原來(lái)的i下標(biāo)排列，于是每個(gè)個(gè)體Ui由此得一對(duì)d1(Ui)和d2(Ui)，個(gè)體Ui的擁擠距離d(Ui)由下式得到d(Ui)＝d1(Ui)+d2(Ui)所述步驟7中所述的末位淘汰是指剔除Pareto秩號(hào)最大的個(gè)體群中、擁擠距離最小的個(gè)體。
所述步驟7中所述的交叉由以下規(guī)則計(jì)算得到按照Pareto秩號(hào)小的個(gè)體優(yōu)于Pareto秩號(hào)大的個(gè)體、Pareto秩號(hào)相同的兩個(gè)個(gè)體中擁擠距離大的個(gè)體優(yōu)于擁擠距離小的個(gè)體的原則，從當(dāng)前大小為M的種群中選擇m個(gè)評(píng)價(jià)排前的個(gè)體，由以下計(jì)算U0=Σi=1maiUi]]>得到一個(gè)新個(gè)體U0，式中權(quán)重系數(shù)ai滿足Σi=1mai=1,-0.5≤ai≤1.5]]>的關(guān)系，新個(gè)體U0與原M個(gè)個(gè)體構(gòu)成一個(gè)大小為M+1的過(guò)渡種群，按上述5的規(guī)則算出新個(gè)體U0的Pareto秩以及擁擠距離，按上述7的規(guī)則淘汰末位個(gè)體后，重新得到一個(gè)大小為M的新種群。
所述步驟7中所述的變異由以下規(guī)則得到從上述得到的新種群中隨機(jī)選取一個(gè)個(gè)體，采用實(shí)數(shù)值改變所述的該個(gè)體的實(shí)值編碼，由此增加一個(gè)在父代個(gè)體附近的新個(gè)體，再次構(gòu)成大小為M+1的過(guò)渡種群。按上述Pareto秩和個(gè)體的擁擠距離的計(jì)算規(guī)則得到該過(guò)渡種群中所有個(gè)體的Pareto秩以及擁擠距離，按照末位淘汰規(guī)則淘汰末位個(gè)體后，得到一個(gè)個(gè)體數(shù)量為M的下一代種群。
具體實(shí)施的調(diào)芯過(guò)程概括為在顯微攝像監(jiān)測(cè)下調(diào)整兩端的單模光纖列陣，使之與光波導(dǎo)器件的輸入/輸出波導(dǎo)基本對(duì)準(zhǔn)，然后啟動(dòng)以下程序如圖5所示。
基于多目標(biāo)演化算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯裝置的結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括抗震平臺(tái)、光波導(dǎo)支架、兩套精密六維調(diào)節(jié)架、兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器、兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、激光源、光功率計(jì)和計(jì)算機(jī)，光波導(dǎo)芯片被固定于所述光波導(dǎo)支架上，該光波導(dǎo)支架可在x、y、z三維實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)整，所述兩套精密六維調(diào)節(jié)架分別用于固定和調(diào)整輸入用和輸出用光纖列陣的空間方位、并分別位于所述光波導(dǎo)支架的兩側(cè)，所述兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別位于光波導(dǎo)支架的上方和正前方，所述光波導(dǎo)支架、兩套精密六維調(diào)節(jié)架和兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均固定安裝在所述抗震平臺(tái)上。
光波導(dǎo)芯片被固定于中間的光波導(dǎo)支架上，該光波導(dǎo)支架可在x、y、z三維實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)整。兩側(cè)兩臺(tái)精密六維調(diào)節(jié)架分別置于光波導(dǎo)支架的左右兩側(cè)，分別用于固定和調(diào)整輸入光纖列陣和輸出光纖列陣的空間方位。精密六維調(diào)節(jié)架的x、y、z三維移動(dòng)軸和繞移動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的θx、θy、θz三維轉(zhuǎn)動(dòng)軸均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。x、y、z三維移動(dòng)軸的最小移動(dòng)量為0.05μm，θx轉(zhuǎn)動(dòng)軸的最小轉(zhuǎn)動(dòng)量為0.0030度，θy轉(zhuǎn)動(dòng)軸的最小轉(zhuǎn)動(dòng)量為0.0032度，θz轉(zhuǎn)動(dòng)軸的最小轉(zhuǎn)動(dòng)量為0.0025度。兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)精密六維調(diào)節(jié)架的步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)GPIB接口與計(jì)算機(jī)相連，可用軟件編程進(jìn)行控制。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由兩套沿x、y直交布置的CCD顯微鏡及其微調(diào)架、顯示器和照明冷光源組成，用于初調(diào)整時(shí)的顯微觀察。激光源用以提供穩(wěn)定的工作光波，激光源的輸出接口與光纖對(duì)接。光功率計(jì)用于探測(cè)輸出光纖的輸出光功率，配有兩個(gè)輸入接口，可同時(shí)測(cè)試來(lái)自于兩根光纖的輸出功率。光功率計(jì)置有GPIB接口，與計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)通信。指令系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)擔(dān)當(dāng)，根據(jù)軟件編程控制調(diào)芯操作，實(shí)時(shí)接受光功率計(jì)探測(cè)得到的光功率信號(hào)，實(shí)時(shí)完成判別、記憶和反饋操作。系統(tǒng)軟件用VB語(yǔ)言編制。
實(shí)施例1.單芯光纖-條波導(dǎo)-單芯光纖系統(tǒng)的端面耦合多目標(biāo)演化算法自動(dòng)調(diào)芯及其結(jié)果選擇單芯光纖-條波導(dǎo)-單芯光纖系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)芯、考察端面耦合損耗的試驗(yàn)，可排除波導(dǎo)自身?yè)p耗帶來(lái)的問(wèn)題，便于更客觀地反映調(diào)芯系統(tǒng)在硬件和軟件兩方面的性能。由于是單芯耦合，均勻性指標(biāo)被脫敏。光波導(dǎo)選用日本NHK公司石英基掩埋型單模條波導(dǎo)，波導(dǎo)芯截面設(shè)計(jì)尺寸為8×8μm2，相對(duì)折射率差為0.3％，兩端面平面研磨。光纖為日本住友電工公司的平面研磨單模光纖。清潔干燥的光纖端面和波導(dǎo)端面間置有微量的折射率匹配液，有效抑制端面反射。初調(diào)在直交的x、y兩維顯微監(jiān)視下進(jìn)行，采用鼠標(biāo)操作、0.1μm步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，容易將光纖和光波導(dǎo)的芯對(duì)準(zhǔn)偏差控制在±50μm范圍內(nèi)，波導(dǎo)端面和光纖端面的間距控制在4μm之內(nèi)。此時(shí)啟動(dòng)按上述方法步驟編制的多目標(biāo)演化算法自動(dòng)調(diào)芯程序，兩端調(diào)芯并行進(jìn)行，結(jié)束后記錄輸出功率，完成一次調(diào)芯費(fèi)時(shí)不大于3min。調(diào)芯完畢后，輸出端單模光纖改為多模光纖，重復(fù)上述調(diào)芯過(guò)程。由于多模光纖的芯徑達(dá)50μm，可以近似認(rèn)為多模光纖全部接收了單模條波導(dǎo)的輸出功率。多模光纖與單模光纖的測(cè)量值的分貝差即為單模條波導(dǎo)與單模光纖的端面耦合損耗。自動(dòng)調(diào)芯實(shí)驗(yàn)次數(shù)為7次，結(jié)果列于表4。1542.4nm波長(zhǎng)上的耦合損耗平均值為0.1136dB，單次耦合損耗的最大值小于0.13dB，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.02dB。表明該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高效率、低損耗的光纖-波導(dǎo)自動(dòng)對(duì)接方面是十分有效的。
表4.光纖-波導(dǎo)-光纖系統(tǒng)的端面耦合調(diào)芯試驗(yàn)結(jié)果。

2.單光纖列陣-1×8波導(dǎo)分支耦合器-8光纖列陣的多目標(biāo)演化算法自動(dòng)調(diào)芯及其結(jié)果波導(dǎo)器件選用日本NHK公司的石英基1×8分支耦合器，輸入端的單芯光纖列陣和輸出端的8芯光纖列陣選用霓達(dá)光電器件公司產(chǎn)品。波導(dǎo)端面和光纖列陣端面經(jīng)平面研磨，端面間置有待固化BP300紫外粘結(jié)劑，波導(dǎo)和光纖列陣的芯間距公稱值是250μm。在顯微監(jiān)視下完成初調(diào)后，啟動(dòng)按上述步驟編制的多目標(biāo)演化算法自動(dòng)調(diào)芯程序，工作波長(zhǎng)是1542.4nm，采樣信道是第2和第7通道。重復(fù)調(diào)芯測(cè)試7次，單次調(diào)芯時(shí)間均小于10min。表5歸納了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，各通道插入損耗均小于10.7dB，均勻性指標(biāo)小于0.77dB。表明基于多目標(biāo)演化算法的自動(dòng)調(diào)芯系統(tǒng)具備在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)低損耗列陣調(diào)芯、重復(fù)性好的特征。
表5.光纖列陣-1×8波導(dǎo)分支耦合器-光纖列陣系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)芯實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

權(quán)利要求
1.一種多目標(biāo)演算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，其特點(diǎn)是，方法具體步驟為(1)建立波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯物理參數(shù)與多目標(biāo)演化算法模型之間的映射，其中調(diào)芯時(shí)波導(dǎo)光軸與光纖光軸之間某個(gè)空間相對(duì)位置和方向?qū)?yīng)多目標(biāo)演化算法模型中的個(gè)體，上述空間相對(duì)位置和方向的集合對(duì)應(yīng)多目標(biāo)演化算法模型中的種群，空間坐標(biāo)軸參量對(duì)應(yīng)多目標(biāo)演化算法模型中的染色體，調(diào)芯過(guò)程測(cè)得的兩個(gè)或兩個(gè)以上波導(dǎo)通道的光功率之和對(duì)應(yīng)多目標(biāo)演化算法模型中的第一個(gè)目標(biāo)函數(shù)f1，調(diào)芯過(guò)程測(cè)得的兩個(gè)或兩個(gè)以上波導(dǎo)通道的光功率的最大值和最小值之差對(duì)應(yīng)多目標(biāo)演化算法模型中的第二個(gè)目標(biāo)函數(shù)f2；(2)光纖列陣-光波導(dǎo)-光纖列陣系統(tǒng)初調(diào)確認(rèn)采用計(jì)算機(jī)控制、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式調(diào)整輸入用單模光纖列陣和輸出用單模光纖列陣，使之分別與光波導(dǎo)輸入端口和輸出端口的對(duì)準(zhǔn)偏差在±50μm范圍內(nèi)；(3)用完全隨機(jī)的方法產(chǎn)生初始種群Q(t＝0)，這里t代表進(jìn)化代數(shù)，種群中個(gè)體的數(shù)目為30或30以上，設(shè)定最大進(jìn)化代數(shù)≥35；(4)對(duì)每個(gè)個(gè)體計(jì)算其目標(biāo)函數(shù)值輸入用單模光纖列陣和輸出用單模光纖列陣按每個(gè)個(gè)體的規(guī)定用指定的方向姿態(tài)進(jìn)入指定的空間位置，并讀取和記錄保存兩個(gè)或兩個(gè)以上波導(dǎo)通道的光功率值，該過(guò)程按個(gè)體順序依次進(jìn)行，利用所述測(cè)得的光功率值計(jì)算每個(gè)個(gè)體的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值f1和f2；(5)根據(jù)每一個(gè)個(gè)體的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值計(jì)算每一個(gè)個(gè)體的Pareto秩，對(duì)Pareto秩相同的個(gè)體計(jì)算其擁擠距離；(6)按照Pareto秩號(hào)小的個(gè)體優(yōu)于Pareto秩號(hào)大的個(gè)體、Pareto秩號(hào)相同的兩個(gè)個(gè)體中擁擠距離大的個(gè)體優(yōu)于擁擠距離小的個(gè)體的原則，完成對(duì)一代種群中所有個(gè)體的評(píng)價(jià)；(7)采用交叉、變異和末位淘汰三個(gè)步驟產(chǎn)生下一代種群，上述過(guò)程迭代進(jìn)行，直至到達(dá)設(shè)定的最大進(jìn)化代數(shù)為止，完成一次波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯過(guò)程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多目標(biāo)演算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，其特征在于，所述的步驟(1)中所述的空間坐標(biāo)軸參量為空間11維，包括輸入端一側(cè)除了繞光纖光軸轉(zhuǎn)動(dòng)以外的5維和輸出端一側(cè)的6維，該11維坐標(biāo)變量用實(shí)數(shù)數(shù)組來(lái)編碼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多目標(biāo)演算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，其特征在于，所述的步驟(1)中所述的任意第i個(gè)個(gè)體由上所述的、用任意第i個(gè)實(shí)數(shù)數(shù)組編碼的11維坐標(biāo)變量Ui構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多目標(biāo)演算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，其特征在于，所述的步驟(1)中所述的第一個(gè)目標(biāo)函數(shù)f1(Ui)和第二個(gè)目標(biāo)函數(shù)f2(Ui)分別由以下二式得到f1(Ui)＝-[P1(Ui)+P2(Ui)]f2(Ui)＝|P1(Ui)-P2(Ui)|式中，P1(Ui)和P2(Ui)分別是調(diào)芯位置處于由個(gè)體Ui規(guī)定的空間方位時(shí)、由兩個(gè)采樣通道測(cè)得的輸出光功率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多目標(biāo)演算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，其特征在于，所述的步驟(5)中所述的個(gè)體的Pareto秩由以下規(guī)則計(jì)算得到對(duì)于任意第i個(gè)個(gè)體Ui，若與另一個(gè)體Uj≠i存在如下目標(biāo)函數(shù)值關(guān)系f1(Ui)＞f1(Uj≠i)以及f2(Ui)≥f2(Uj≠i)那么，個(gè)體Ui的Pareto秩號(hào)增加1，否則秩號(hào)增量為0。按這個(gè)規(guī)則，通過(guò)與Ui以外的所有個(gè)體逐個(gè)比較，累計(jì)得到個(gè)體Ui的Pareto秩號(hào)值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多目標(biāo)演算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，其特征在于，所述的步驟(5)中所述的個(gè)體的擁擠距離由以下規(guī)則計(jì)算得到對(duì)種群中具有相同秩號(hào)的個(gè)體，把相同秩號(hào)下的k個(gè)個(gè)體Ui按f1(Um)＜f1(Um+1)m＝1，2，L，k-1.f2(Un)＜f2(Un+1)n＝1，2，L，k-1.的順序分別用過(guò)渡性的m下標(biāo)和n下標(biāo)排列，算出 再將m下標(biāo)排列和n下標(biāo)排列分別對(duì)應(yīng)回復(fù)到原來(lái)的i下標(biāo)排列，于是每個(gè)個(gè)體Ui由此得一對(duì)d1(Ui)和d2(Ui)，個(gè)體Ui的擁擠距離d(Ui)由下式得到d(Ui)＝d1(Ui)+d2(Ui)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多目標(biāo)演算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，其特征在于，所述的步驟(7)中所述的末位淘汰是指剔除Pareto秩號(hào)最大的個(gè)體群中、擁擠距離最小的個(gè)體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多目標(biāo)演算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，其特征在于，所述的步驟(7)中所述的交叉由以下規(guī)則計(jì)算得到按照Pareto秩號(hào)小的個(gè)體優(yōu)于Pareto秩號(hào)大的個(gè)體、Pareto秩號(hào)相同的兩個(gè)個(gè)體中擁擠距離大的個(gè)體優(yōu)于擁擠距離小的個(gè)體的原則，從當(dāng)前大小為M的種群中選擇m個(gè)評(píng)價(jià)排前的個(gè)體，由以下計(jì)算U0=Σi=1maiUi]]>得到一個(gè)新個(gè)體U0，式中權(quán)重系數(shù)ai滿足Σi=1mai=1,]]>-0.5≤ai≤1.5的關(guān)系，新個(gè)體U0與原M個(gè)個(gè)體構(gòu)成一個(gè)大小為M+1的過(guò)渡種群，按上述5和6的規(guī)則算出新個(gè)體U0的Pareto秩以及擁擠距離，按上述7的規(guī)則淘汰末位個(gè)體后，重新得到一個(gè)大小為M的新種群。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多目標(biāo)演算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，其特征在于，所述的步驟(7)中所述的變異由以下規(guī)則得到從上述得到的新種群中隨機(jī)選取一個(gè)個(gè)體，采用實(shí)數(shù)值改變所述的該個(gè)體的實(shí)值編碼，由此增加一個(gè)在父代個(gè)體附近的新個(gè)體，再次構(gòu)成大小為M+1的過(guò)渡種群。按上述Pareto和個(gè)體的擁擠距離的計(jì)算規(guī)則得到該過(guò)渡種群中所有個(gè)體的Pareto秩以及擁擠距離，按照淘汰規(guī)則淘汰末位個(gè)體后，得到一個(gè)個(gè)體數(shù)量為M的下一代種群。
10.一種基于多目標(biāo)演化算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法所用的自動(dòng)調(diào)芯裝置，其特征在于，所述裝置包括抗震平臺(tái)、光波導(dǎo)支架、兩套精密六維調(diào)節(jié)架、兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器、兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、激光源、光功率計(jì)和計(jì)算機(jī)，光波導(dǎo)芯片被固定于所述光波導(dǎo)支架上，該光波導(dǎo)支架可在x、y、z三維實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)整，所述兩套精密六維調(diào)節(jié)架分別用于固定和調(diào)整輸入用和輸出用光纖列陣的空間方位、并分別位于所述光波導(dǎo)支架的兩側(cè)，所述兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別位于光波導(dǎo)支架的上方和正前方，所述光波導(dǎo)支架、兩套精密六維調(diào)節(jié)架和兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均固定安裝在所述抗震平臺(tái)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于多目標(biāo)演化算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法所用的自動(dòng)調(diào)芯裝置，其特征在于，所述的六維調(diào)節(jié)架的x、y、z三維移動(dòng)軸和繞移動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的θx、θy、θz三維轉(zhuǎn)動(dòng)軸均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。x、y、z三維移動(dòng)軸的最小移動(dòng)量為0.05μm，θx轉(zhuǎn)動(dòng)軸的最小轉(zhuǎn)動(dòng)量為0.0030度，θy轉(zhuǎn)動(dòng)軸的最小轉(zhuǎn)動(dòng)量為0.0032度，θz轉(zhuǎn)動(dòng)軸的最小轉(zhuǎn)動(dòng)量為0.0025度，兩臺(tái)六維調(diào)節(jié)架的步進(jìn)電機(jī)由兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)GPIB接口與計(jì)算機(jī)相連。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于多目標(biāo)演化算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法所用的自動(dòng)調(diào)芯裝置，其特征在于，所述的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由兩套沿x、y直交布置的CCD顯微鏡及其微調(diào)架、顯示器和照明冷光源組成，用于初調(diào)整時(shí)的顯微觀察。
全文摘要
本發(fā)明開(kāi)發(fā)了一種基于多目標(biāo)演化算法的自動(dòng)調(diào)芯方法及其適用于該方法的自動(dòng)調(diào)芯裝置?；诙嗄繕?biāo)演化算法的自動(dòng)調(diào)芯方法采用穩(wěn)定淘汰策略處理離散的遺傳篩選過(guò)程，搜索過(guò)程采用多父代交叉和實(shí)值變異，最重要特點(diǎn)是每代遺傳種群只需更換兩個(gè)個(gè)體，因此可大幅提高效率。另外，該方法在實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化過(guò)程中不涉及人為的權(quán)重設(shè)定，提高了可操作性和合理性，解決現(xiàn)行自動(dòng)調(diào)芯方法的不足之處。有效地提高了實(shí)現(xiàn)光纖列陣－波導(dǎo)器件－光纖列陣系統(tǒng)低損耗快速對(duì)接耦合的自動(dòng)化程度和工作效率。
文檔編號(hào)G02B6/26GK101047449SQ200710038988
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2007年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月3日
發(fā)明者陳抱雪, 隋國(guó)榮, 張曉微 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)