專利名稱：基于遺傳算法的波導(dǎo)－光纖自動(dòng)調(diào)芯法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信領(lǐng)域中纖維對(duì)纖維匹配裝置的自動(dòng)連接技術(shù)和封裝技術(shù)，特別是涉及一種適用于集成光波導(dǎo)器件與單模光纖之間調(diào)芯的基于遺傳算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法及其裝置。
背景技術(shù)：
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)封裝問題，其中的關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)器件與光纖的低損耗對(duì)接。目前，國際上的先進(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)的模場分布盡可能與光纖的一致，另一方面要求光波導(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，目前常規(guī)方法是模仿手動(dòng)操作的過程，通過掃描微調(diào)波導(dǎo)光軸與光纖光軸的相對(duì)位置來獲得盡可能大的耦合效率?，F(xiàn)有的專利技術(shù)包括中國專利申請(qǐng)?zhí)?2115963.7，公開號(hào)1383012，名稱為“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)”；中國專利申請(qǐng)?zhí)?2115964.5，公開號(hào)1383005，名稱為“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”。上述方法代表著常規(guī)的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯，調(diào)芯過程依賴于對(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。因此，中國專利申請(qǐng)?zhí)?3129249.6，公開號(hào)1462891，名稱為“波導(dǎo)-光纖自動(dòng)對(duì)接的質(zhì)心調(diào)芯法”又公開了一種新的質(zhì)心調(diào)芯法，該方法避開直接尋找峰值位置，采用測(cè)量計(jì)算峰值附近的耦合效率分布的質(zhì)心來確定峰值位置，從原理上克服了常規(guī)調(diào)芯過程依賴于對(duì)微變信號(hào)精確測(cè)試的困難。但是，上述系統(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完成，這個(gè)工作對(duì)操作人員的技術(shù)要求很高，費(fèi)時(shí)達(dá)數(shù)十分鐘甚至更長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了建立一種基于遺傳算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法及其裝置，使調(diào)芯要求的自動(dòng)尋優(yōu)過程不再是邏輯性很強(qiáng)的連續(xù)操作，代之以模仿自然界的遺傳篩選的離散過程，在問題與求解涉及的多維空間進(jìn)行全局并行的隨機(jī)搜索，每一代遺傳都伴隨著實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的更高概率，使表征問題的可能解的種群向著全局最優(yōu)解的方向進(jìn)化，最后收斂于最優(yōu)化的目標(biāo)，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的相關(guān)缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯的效率，降低調(diào)芯操作對(duì)人工的依賴，減少調(diào)芯花費(fèi)的時(shí)間。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是基于以下的原理一、波導(dǎo)-光纖調(diào)芯的基本原理光通信系統(tǒng)中涉及單模光纖和單模條波導(dǎo)器件之間的對(duì)接，在對(duì)接端面上通過本征模之間的功率耦合實(shí)現(xiàn)載波的傳輸。對(duì)接過程中，波導(dǎo)與光纖之間通常填滿了折射率匹配的待固化粘結(jié)劑或匹配液，端面反射很小，可以忽略。因此這種端面耦合的效率理論上表現(xiàn)為導(dǎo)模場分布間的重疊積分。圖1給出了單模光纖和單模條波導(dǎo)的端面耦合的解析模型，不失一般性，設(shè)光纖和條波導(dǎo)在X-Z面內(nèi)有一個(gè)光軸間的角度偏差θ以及模場峰值在垂直于Z軸方向上的偏差x0，光纖端面和波導(dǎo)端面沿Z軸方向的間距為z1?？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)模場分布的非對(duì)稱性，用兩個(gè)不同的束腰Wxo1和Wxo2表征波導(dǎo)單模的非對(duì)稱場分布。出于解析上的方便，設(shè)Y方向上波導(dǎo)模的場分布對(duì)稱，束腰為Wyo。單模光纖和單模條波導(dǎo)的出射光波可以用高斯光波描述，以圖1中條波導(dǎo)端面(Z＝0)作為參考面，在該面上波導(dǎo)與光纖的端面耦合效η可表示為η＝ηx·ηy， (1a)ηx=4exp[-2(z1θ+x0)2Wf2(z1)]πWf(z1)(Wxo1+Wxo2){[S2-S1+πA1exp(Q12)]2+[T2-T1+πB1exp(Q12)]2},---(1b)]]>
ηy=2[(WfoWyo+WyoWfo)2+(2z1kWfoWyo)2]12,---(1c)]]>式中Si=Aiexp(Qi2)Erfc(Qi)-∫0Riexp(t2)[Aisin(2Qit)+Bicos(2Qit)]dt,(i=1or2)---(2a)]]>Ti=Biexp(Qi2)Erfc(Qi)-∫0Riexp(t2)[Bisin(2Qit)-Aicos(2Qit)]dt,(i=1or2)---(2b)]]>Ai=exp(-Ri2)[Micos(2QiRi)+Nisin(2QiRi)],(i=1or2)---(2c)]]>Bi=exp(-Ri2)[Nicos(2QiRi)-Misin(2QiRi)],(i=1or2)---(2d)]]>Qi=z1θ+x0Wf2(z1)Mi+k2(z1θ+x0Rf(z1)-θ)Ni,(i=1or2)---(2e)]]>Ri=k2(z1θ+x0Rf(z1)-θ)Mi-z1θ+x0Wf2(z1)Ni,(i=1or2)---(2f)]]>Mi=[(1Wf2(z1)+1Wxoi2)2+k24Rf(z1)+1Wf2(z1)+1Wxoi22[(1Wf2(z1)+1Wxoi2)2+k24Rf(z1)]]12,(i=1or2)---(2g)]]>Ni=[(1Wf2(z1)+1Wxoi2)2+k24Rf(z1)-1Wf2(z1)-1Wxoi22[(1Wf2(z1)+1Wxoi2)2+k24Rf(z1)]]12.(i=1or2)---(2h)]]>Wf(z)=Wfo1+(2zkWfo2)2---(2i)]]>Rf(z)=z[1+(kWfo22z)2]---(2j)]]>這里，Wfo是光纖模的束腰，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 長下常規(guī)單模光纖和單模條波導(dǎo)的束腰Wfo＝5.63μm、Wyo＝Wxo2＝5.63μm。圖2顯示，對(duì)于單模波導(dǎo)，耦合效率分布曲線近似呈高斯函數(shù)的特征。于是，調(diào)芯過程歸結(jié)為獲得耦合效率峰值位置的尋優(yōu)過程。
二、基于遺傳算法的波導(dǎo)-光纖調(diào)芯原理遺傳算法具有強(qiáng)魯棒性、高適應(yīng)性、高并行處理能力等特長，可以高效率地解決此類尋優(yōu)問題。通常的自動(dòng)調(diào)芯過程受反饋處理的強(qiáng)邏輯性限制，空間各維的操作是串連進(jìn)行的，采用遺傳算法原理，空間各維的操作可并行進(jìn)行，大幅提高了調(diào)芯效率。另外，遺傳算法采用隨機(jī)轉(zhuǎn)換規(guī)則，不受確定性規(guī)則的限制，在光纖和波導(dǎo)之間尚未通光時(shí)即可啟動(dòng)工作，相當(dāng)程度地降低了初調(diào)難度以及對(duì)人工操作的依賴。
具體步驟如下一種基于遺傳算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，包括如下步驟(1)建立調(diào)芯物理參數(shù)與遺傳法基因模型的映射，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)位置對(duì)應(yīng)遺傳法基因模型中的個(gè)體，上述空間相對(duì)位置的集合對(duì)應(yīng)種群，坐標(biāo)軸參量對(duì)應(yīng)染色體，耦合過程中測(cè)得的光功率值對(duì)應(yīng)適應(yīng)度函數(shù)；(2)在顯微攝像監(jiān)測(cè)下調(diào)整輸入用單模光纖的出射端和輸出用單模光纖的入射端，使之分別與單模波導(dǎo)的輸入端和輸出端基本對(duì)準(zhǔn)，建立初始種群和各項(xiàng)參數(shù)，按初始種群中個(gè)體的規(guī)定，各軸依次進(jìn)入個(gè)體指定的坐標(biāo)位置并讀取相應(yīng)的光功率，進(jìn)行染色體適應(yīng)度評(píng)價(jià)后，依據(jù)遺傳法規(guī)則進(jìn)行選擇、交叉、變異操作，上述過程迭代進(jìn)行直到實(shí)現(xiàn)插入損耗低于2dB為止；(3)采用爬上法小鄰域內(nèi)調(diào)整四軸，找到全局最佳位置，完成一次波導(dǎo)-光纖的自動(dòng)調(diào)芯過程。
用于上述基于遺傳算法的波導(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穩(wěn)壓電源、高穩(wěn)定光源、兩套精密六維調(diào)整裝置、波導(dǎo)固定用調(diào)整座、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、顯微攝像觀測(cè)系統(tǒng)、高分辨率光功率計(jì)和計(jì)算機(jī)，光波導(dǎo)芯片被固定在中間的三維手動(dòng)調(diào)整座上，兩套用于固定輸入光纖和輸出光纖的精密六維調(diào)整臺(tái)分別位于所述三維手動(dòng)調(diào)整座二側(cè)，其四個(gè)軸X軸、Y軸、Z軸和θz轉(zhuǎn)軸均連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，另外兩個(gè)軸通過手動(dòng)操作本發(fā)明的有益效果在于，通常的自動(dòng)調(diào)芯法過程受反饋處理的強(qiáng)邏輯性限制，空間各維的操作是串連進(jìn)行的，效率較低，而遺傳算法具有強(qiáng)魯棒性、高適應(yīng)性、高并行處理能力等特長，可以高效率地解決尋優(yōu)問題。本發(fā)明采用了遺傳算法原理，空間各維的操作可并行進(jìn)行，能夠大幅提高調(diào)芯操作的效率。另外，遺傳算法采用隨機(jī)轉(zhuǎn)換規(guī)則，不受確定性規(guī)則的限制，在光纖和波導(dǎo)之間尚未通光時(shí)即可啟動(dòng)工作，相當(dāng)程度地降低了調(diào)芯初調(diào)的難度以及對(duì)人工操作的依賴，具有智能化的特征。本發(fā)明可以大幅度降低了波導(dǎo)-光纖調(diào)芯對(duì)人工操作的技術(shù)要求，縮短了調(diào)芯時(shí)間，進(jìn)一步提高波導(dǎo)-光纖低損耗快速對(duì)接耦合的自動(dòng)化程度。


圖1是單模光纖和單模條波導(dǎo)的端面耦合的解析模型；圖2是單模光纖與非對(duì)稱單模條波導(dǎo)的耦合效率分布曲線；圖3是波導(dǎo)-光纖任意一個(gè)可能的初始位置示意圖；圖4是波導(dǎo)-光纖任意一個(gè)可能的初始位置坐標(biāo)圖；圖5是四維遺傳算法自動(dòng)調(diào)芯數(shù)值仿真進(jìn)程圖；圖6是所述基于遺傳算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法流程圖；圖7是自動(dòng)調(diào)芯裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是端面夾角與液滴的形狀、位置的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合各個(gè)附圖對(duì)本發(fā)明具體描述如圖6所示，一種基于遺傳算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，其特征在于如下步驟建立調(diào)芯物理參數(shù)與遺傳法基因模型的映射，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)位置對(duì)應(yīng)遺傳法基因模型中的個(gè)體，上述空間相對(duì)位置的集合對(duì)應(yīng)種群，坐標(biāo)軸參量對(duì)應(yīng)染色體，耦合過程中測(cè)得的光功率值對(duì)應(yīng)適應(yīng)度函數(shù)；在顯微攝像監(jiān)測(cè)下調(diào)整單模光纖的兩端，使之與單模波導(dǎo)基本對(duì)準(zhǔn)，建立初始種群和各項(xiàng)參數(shù)，按初始種群中個(gè)體的規(guī)定，各軸依次進(jìn)入個(gè)體指定的坐標(biāo)位置并讀取相應(yīng)的光功率，進(jìn)行染色體適應(yīng)度評(píng)價(jià)后，依據(jù)遺傳法規(guī)則進(jìn)行選擇、交叉、變異操作，上述過程迭代進(jìn)行直到實(shí)現(xiàn)插入損耗低于2dB為止；采用爬上法小鄰域內(nèi)調(diào)整四軸，找到全局最佳位置，完成一次波導(dǎo)-光纖的自動(dòng)調(diào)芯過程。步驟(1)中所述物理空間坐標(biāo)軸參量用a表示，所述染色體用b表示，在m位二進(jìn)制編碼中a=amin+b2m-1(amax-amin),]]>其中amax、amin分別為軸參量變化范圍的上限和下限，由儀器參數(shù)確定，編碼位數(shù)m由算式(2m-1)×L≥(amax-amin)確定，L為調(diào)芯裝置X、Y軸的最小驅(qū)動(dòng)步長。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200μm之內(nèi)，由此確定每個(gè)軸參量a的變化范圍為[-200μm，200μm]，amax＝200μm、amin＝-200μm。本發(fā)明研制的調(diào)芯裝置的X、Y軸的最小驅(qū)動(dòng)步長為0.05μm，由(2m-1)×0.05μm≥(amax-amin)可以確定m＝13。四維并行調(diào)芯的二進(jìn)制串的總長4×13＝52構(gòu)成個(gè)體長度，可以覆蓋整個(gè)尋優(yōu)空間，圖3、圖4給出了波導(dǎo)-光纖任意一個(gè)可能的初始位置、以及坐標(biāo)系的示意圖。于是，通過建立眾多個(gè)體的集合形成種群，每個(gè)個(gè)體在調(diào)芯系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的耦合效率，將耦合效率作為適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，即可按適者生存的遺傳法則通過一代一代的選擇再生、交叉、變異等基因操作不斷進(jìn)化，直至收斂于最佳耦合位置。以單模光纖-單模波導(dǎo)-單模光纖系統(tǒng)的兩端自動(dòng)對(duì)接作為仿真模型，初始種群用完全隨機(jī)的方法產(chǎn)生。初始種群數(shù)目大，有利于多個(gè)解的同時(shí)處理，但每次迭代所需時(shí)間增加，通常在30～100之間取值，本發(fā)明取種群大小為50。選擇再生操作采用輪盤賭選擇法的規(guī)則，適應(yīng)度值為對(duì)接系統(tǒng)的插入損耗。交叉率決定實(shí)施交叉的頻率，頻率高有助于提高收斂速度，但過高的頻率容易導(dǎo)致過早地收斂于局部次佳點(diǎn)，出現(xiàn)所謂的早熟現(xiàn)象。變異率的大小與樣本模式的多樣性成正比，大的變異率有助于提高搜索能力，但過大的變異率會(huì)引起不穩(wěn)定，種群數(shù)目大、染色體長度較長時(shí)，變異率一般取較小的值。為了在自動(dòng)調(diào)芯過程中有效地利用這些特點(diǎn)，揚(yáng)長避短，本方案采用視父代適應(yīng)度值自動(dòng)調(diào)整交叉率和變異率的自適應(yīng)方法。當(dāng)種群中大部分個(gè)體的適應(yīng)度趨于一致或者趨于局部次優(yōu)時(shí)，增加交叉率和變異率當(dāng)群體適應(yīng)度比較分散時(shí)，減小交叉率和變異率。同時(shí)，對(duì)于適應(yīng)度值高于群體平均適應(yīng)度值的個(gè)體，賦予較低的交叉率和變異率，以提高該個(gè)體進(jìn)入下一代的概率；對(duì)于低于平均適應(yīng)度值的個(gè)體，則賦予較高的交叉率和變異率，促使其被淘汰。自適應(yīng)交叉率Pc及變異率Pm由下式得到

式中fmax為當(dāng)代群體中的最大適應(yīng)度值，favg為群體的平均適應(yīng)度值，f′為實(shí)施交叉的兩個(gè)個(gè)體中較大的那個(gè)適應(yīng)度值，Pc1、Pc2為修正交叉概率，Pm1、Pm2為修正變異概率。一般地，交叉率在0.4～0.9之間取值，變異率在0.001～0.1之間取值，據(jù)此，本發(fā)明取Pc1＝0.9，Pc2＝0.6，Pm1＝0.1，Pm2＝0.001。為了通過數(shù)值仿真把握調(diào)芯過程的大致收斂進(jìn)程，取進(jìn)化最大代數(shù)為100，做了10次重復(fù)仿真，每次改變隨機(jī)產(chǎn)生的初始種群。不失一般性，忽略波導(dǎo)的傳輸損耗，此時(shí)調(diào)芯系統(tǒng)的插入損耗表現(xiàn)為波導(dǎo)兩端的端面耦合損耗之和。取光通信波長λ＝1550nm，對(duì)應(yīng)的單模光纖和單模條波導(dǎo)的束腰相同，均為5.63μm，這樣理論上最佳耦合點(diǎn)的插入損耗為0dB。10次仿真的結(jié)果列于表1。
表1.四維遺傳算法自動(dòng)調(diào)芯數(shù)值仿真結(jié)果。進(jìn)化100代

從表1可知，選取100代作為最大進(jìn)化次數(shù)已足以完成收斂。遺傳過程中出現(xiàn)的最低插入損耗和最終代種群對(duì)應(yīng)的耦合位置的插入損耗的平均值分別為0.000032dB和0.000038dB，均小于0.0001dB，光纖與波導(dǎo)間的耦合效率近乎可達(dá)100％。與理論值0dB的微小偏差主要是由最小步長的限制引起的。圖5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10代遺傳即可進(jìn)入小于2dB的區(qū)域，此后逐漸逼近最佳點(diǎn)，收斂性能良好。
如圖7所示，一種基于遺傳算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法所用的自動(dòng)調(diào)芯裝置，主要包括穩(wěn)壓電源、高穩(wěn)定光源、兩套精密六維調(diào)整裝置、波導(dǎo)固定用調(diào)整座、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、顯微攝像觀測(cè)系統(tǒng)、高分辨率光功率計(jì)和計(jì)算機(jī)。光波導(dǎo)芯片被固定于中間的三維手動(dòng)調(diào)整座上，左右兩側(cè)的精密六維調(diào)整臺(tái)分別用于固定輸入光纖和輸出光纖。精密六維調(diào)整臺(tái)的X軸、Y軸、Z軸和θz轉(zhuǎn)軸由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，另外兩維手動(dòng)操作。驅(qū)動(dòng)控制器通過RS232串行接口與計(jì)算機(jī)相連，通過軟件編程進(jìn)行控制。步進(jìn)移動(dòng)量的最小值由脈沖的分割數(shù)決定，最小分割數(shù)為1/20，對(duì)應(yīng)的移動(dòng)量理論上為0.05μm。θz的靈敏度為0.0045度，其它兩軸的最小讀數(shù)為34角分。顯微攝像觀測(cè)系統(tǒng)主要由兩套直交安置的CCD顯微鏡及其微調(diào)架、監(jiān)視器和照明冷光源等構(gòu)成。系統(tǒng)選用高穩(wěn)定度通信用光源，可達(dá)到±0.005dB/15min的短期穩(wěn)定度和±0.05dB/12h長期穩(wěn)定度。探測(cè)用光功率計(jì)的相對(duì)測(cè)量分辨率為0.001dB，帶有GP-IB接口功能，可方便地與計(jì)算機(jī)連接。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)接受探測(cè)器的光功率信號(hào)，實(shí)時(shí)完成判別、記憶和反饋操作。
實(shí)施例——光纖-波導(dǎo)-光纖系統(tǒng)的遺傳法自動(dòng)調(diào)芯及其結(jié)果光波導(dǎo)選用日本NHK公司出品的石英基SiO2掩埋型單模條波導(dǎo)，波導(dǎo)的芯截面尺寸為8×8μm2，相對(duì)折射率差Δ＝0.3％，兩端面經(jīng)平面研磨。輸入和輸出端置有單模光纖，端面間置有折射率匹配液。匹配液的折射率在1310nm和1550nm波長上分別為1.445和1.444，與石英光纖芯的折射率差小于0.01，反射損耗小于-50dB。匹配液在1310nm和1550nm波長上的透過率分別為99％/mm和98％/mm，對(duì)于1μm左右的端面間隙可忽略匹配液的吸收。在顯微攝像觀測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)下，手動(dòng)操作完成光軸的角度調(diào)整。如圖8所示，利用兩波導(dǎo)端面間的匹配液珠的表面張力作用，借助直交的顯微攝像系統(tǒng)觀測(cè)液珠的位置和形狀，可以獲得很好的端面間平行。兩波導(dǎo)端面間的間隔通過顯微觀測(cè)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)來控制，最小步長為0.05μm。通過監(jiān)測(cè)匹配液的擠展?fàn)顟B(tài)可控制間隔在1μm前后。顯微攝像監(jiān)測(cè)下調(diào)整條波導(dǎo)兩端與兩光纖分別基本對(duì)齊。然后采用遺傳法自動(dòng)調(diào)芯程序進(jìn)行兩端并行調(diào)芯，完成調(diào)芯的時(shí)間累計(jì)不超過8分鐘。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。1310nm和1550nm波長的自動(dòng)調(diào)芯實(shí)驗(yàn)次數(shù)各為7次，所用光纖為平面研磨單模跳線，波導(dǎo)為石英基SiO2方形芯截面單模掩埋式波導(dǎo)，結(jié)果列于表2。
表2.光纖-波導(dǎo)端面耦合調(diào)芯試驗(yàn)結(jié)果

1310nm和1550nm波長上的耦合損耗平均值分別為0.134dB和0.109dB，標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為0.009dB和0.012dB。1310nm和1550nm波長的單次耦合損耗的最大值分別為0.15dB和0.13dB，表明本發(fā)明的方法及其系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高效率的光纖-波導(dǎo)-光纖自動(dòng)對(duì)接方面是十分有效的。
權(quán)利要求
1.一種基于遺傳算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，其特征在于如下步驟(1)建立調(diào)芯物理參數(shù)與遺傳法基因模型之間的映射，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)位置對(duì)應(yīng)遺傳法基因模型中的個(gè)體，上述空間相對(duì)位置的集合對(duì)應(yīng)種群，坐標(biāo)軸參量對(duì)應(yīng)染色體，耦合過程中測(cè)得的光功率值對(duì)應(yīng)適應(yīng)度函數(shù)；(2)在顯微攝像監(jiān)測(cè)下調(diào)整輸入用單模光纖的出射端和輸出用單模光纖的入射端，使之分別與單模波導(dǎo)的輸入端和輸出端基本對(duì)準(zhǔn)，建立初始種群和各項(xiàng)參數(shù)，按初始種群中個(gè)體的規(guī)定，各軸依次進(jìn)入個(gè)體指定的坐標(biāo)位置并讀取相應(yīng)的光功率，進(jìn)行染色體適應(yīng)度評(píng)價(jià)后，依據(jù)遺傳法規(guī)則進(jìn)行選擇、交叉、變異操作，上述過程迭代進(jìn)行到實(shí)現(xiàn)插入損耗低于2dB為止；(3)采用爬上法小鄰域內(nèi)調(diào)整四軸，找到全局最佳位置，完成一次波導(dǎo)-光纖的自動(dòng)調(diào)芯過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，其特征在于步驟(1)中所述物理空間坐標(biāo)軸參量用a表示，所述染色體用b表示，在m位二進(jìn)制編碼中a=amin+b2m-1(amax-amin),]]>其中amax、amin分別為軸參量變化范圍的上限和下限，由儀器參數(shù)確定，編碼位數(shù)m由算式(2m-1)×L≥(amax-amin)確定，L為調(diào)芯裝置X、Y軸的最小驅(qū)動(dòng)步長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的波導(dǎo)-光纖自動(dòng)調(diào)芯法，其特征在于步驟(2)中的適應(yīng)交叉率參數(shù)Pc及變異率參數(shù)Pm由下式得到 式中fmax為當(dāng)代群體中的最大適應(yīng)度值，favg為群體的平均適應(yīng)度值，f′為實(shí)施交叉的兩個(gè)個(gè)體中較大的那個(gè)適應(yīng)度值，Pc1、Pc2為修正交叉概率，Pm1、Pm2為修正變異概率。
4.一種基于遺傳算法的波導(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穩(wěn)壓電源、高穩(wěn)定光源、兩套精密六維調(diào)整裝置、波導(dǎo)固定用調(diào)整座、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、顯微攝像觀測(cè)系統(tǒng)、高分辨率光功率計(jì)和計(jì)算機(jī)，光波導(dǎo)芯片被固定在中間的三維手動(dòng)調(diào)整座上，兩套用于固定輸入光纖和輸出光纖的精密六維調(diào)整臺(tái)分別位于所述三維手動(dòng)調(diào)整座二側(cè)，其四個(gè)軸X軸、Y軸、Z軸和θz轉(zhuǎn)軸均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，另外兩個(gè)軸通過手動(dòng)操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自動(dòng)調(diào)芯裝置，其特征在于所述的由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密六維調(diào)整臺(tái)四個(gè)軸X軸、Y軸、Z軸和θz轉(zhuǎn)軸的步進(jìn)移動(dòng)量的最小值由脈沖的分割數(shù)決定，最小分割數(shù)為1/20，對(duì)應(yīng)的步進(jìn)移動(dòng)量最小值為0.05μm，θz的靈敏度為0.0045度，另外兩個(gè)軸的最小讀數(shù)為34角分。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自動(dòng)調(diào)芯裝置，其特征在于所述的顯微攝像觀測(cè)系統(tǒng)主要由兩套直交安置的CCD顯微鏡及其微調(diào)架、監(jiān)視器和照明冷光源組成，系統(tǒng)選用的高穩(wěn)定度通信用光源短期穩(wěn)定度可達(dá)±0.005dB/15min，長期穩(wěn)定度可達(dá)±0.05dB/12h，探測(cè)用光功率計(jì)的相對(duì)測(cè)量分辨率為0.001dB，通過GP-IB接口與所述計(jì)算機(jī)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于遺傳算法的波導(dǎo)－光纖自動(dòng)調(diào)芯法及其裝置，其特征在于建立調(diào)芯物理參數(shù)與遺傳法基因模型之間的映射，用個(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)位置，將耦合效率作為適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，按照適者生存的遺傳法則通過一代一代的選擇再生、交叉、變異等基因操作不斷調(diào)整波導(dǎo)與光纖之間的相對(duì)位置，直至收斂于最佳耦合位置，在初步實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)—光纖插入損耗低于2dB的基礎(chǔ)上采用爬上法小鄰域內(nèi)調(diào)整四軸，找到波導(dǎo)—光纖之間的最佳位置，完成一次自動(dòng)調(diào)芯過程。本發(fā)明具有智能化的特征，降低了調(diào)芯操作的難度以及對(duì)人工操作的依賴，縮短了調(diào)芯時(shí)間，提高了波導(dǎo)－光纖低損耗快速對(duì)接耦合的自動(dòng)化程度。
文檔編號(hào)H04B10/12GK1570687SQ20041001817
公開日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2004年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月9日
發(fā)明者陳抱雪, 沙慧軍, 陳林 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)