光波导器件对接耦合的自动化技术研究

论文摘要

集成光波导器件具有体积小、功能集成度高、适于批量生产等优点,在光通信干线网的超高速传输、以及接入网的光纤到户技术中,得到了愈益广泛的应用。在光纤通信网络中导入波导器件,必须解决光纤和光波导的连结封装,关键工作有两个方面,一个是光纤列阵与波导的低损耗对接,另一个是稳定可靠的封装工艺。其中光纤列阵与波导的低损耗对接涉及多通道、亚微米精度的端面耦合,且要求达到批量生产水平,是尤为重要的关键技术。国外采用调芯流程自动化的方法来解决,自动调芯机理沿袭常规的人工操作思路,依靠严密的逻辑判断和高精度的伺服操作,调芯系统由高品质设备构成,工作环境要求高度稳定,系统成本很高。常规自动调芯方案要求的系统稳定性和硬件指标从经费和技术上都给国内自主研发拔高了门槛,为此本论文工作围绕光波导芯片封装技术的关键,主要针对自动调芯对接耦合技术,旨在开发有望降低系统要求和硬件指标的新的自动调芯方案及其样机系统。本论文研究工作对光波导-光纤端面耦合做了比较详细的理论分析,结合遗传算法和演化算法等最优化理论,提出了中心积分调芯法、自适应遗传调芯法和多目标演化调芯法三种完全不同于常规方法的新的自动调芯方案,采用数值仿真技术验证了各方案的可行性,编制了程序控制软件,研制了相应的自动调芯样机系统。在同一波导样品的条件下,采用本论文工作开发的样机系统和中心积分调芯法与日本Moritex公司和日本骏河精机公司的调芯仪做了比对调芯实验,结果证实试制样机在实现低损耗端面耦合方面具备了与国外设备同等的效能。上述三种调芯方案之间也做了横向比对实验,结果显示,在插入损耗指标方面,中心积分法效果最好;在自动化程度方面,自适应遗传法和多目标演化法具有同等的优势;在均匀性和调芯速度指标方面,多目标演化法优势明显。另外,三种调芯方案被用于光纤-波导-光纤列阵系统的对接自动调芯结果表明,通道插入损耗和均匀性指标全部达到了Telcordia的GR-1209标准。采用本论文工作试制的样机系统实施了1×8、1×16和1×32三种石英光波导功分器的封装试验,封装后的样品在85℃和85%的湿度条件下,做了累计500小时的耐环境试验,结果表明各通道的插入损耗变动量和偏振相关变动量的数据完全满足国内外现行的行业指标。上述一些列实验结果表明,本论文的研究工作具有明显的实用价值,其成果对推进波导器件封装的技术进步,丰富自动调芯机理的学术研究具有重要意义。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光波导器件的耦合封装技术
• 1.2.1 间接耦合
• 1.2.2 直接耦合
• 1.3 常规的自动调芯机理及其控制方法
• 1.4 本课题的意义、研究内容和结果
• 1.5 本论文的构成
• 1.6 本论文的创新点以及有待改善的问题
• 第二章 光波导耦合理论
• 2.1 光波导基本概念
• 2.1.1 波导模式
• 2.1.2 单模光纤和单模波导
• 2.2 端面耦合
• 2.2.1 耦合原理
• 2.2.2 端面耦合损耗分析
• 2.2.2.1 单模波导端面耦合基本理论
• 2.3 本章小节
• 第三章 中心积分调芯法的原理和程序流程
• 3.1 常规自动调芯方法
• 3.1.1 螺旋搜索过程
• 3.1.2 直线爬山搜索过程
• 3.2 中心积分调芯法基本原理
• 3.3 中心积分调芯法的实现
• 3.3.1 改进的螺旋搜索过程
• 3.3.2 中心积分调芯法流程
• 3.4 本章小节
• 第四章 自适应遗传调芯法的原理和程序流程
• 4.1 遗传算法简述
• 4.2 遗传算法的导入
• 4.2.1 遗传算法的编码
• 4.2.2 遗传算法的种群规模和适应度函数
• 4.3 调芯法的数值模拟
• 4.4 遗传调芯法流程
• 4.5 本章小结
• 第五章 多目标演化调芯法的原理和流程
• 5.1 多目标演化算法
• 5.1.1 演化算法的基本理论
• 5.1.2 演化算法的特点
• 5.2 多目标优化问题
• 5.2.1 多目标优化的数学描述
• 5.2.2 传统的多目标优化方法
• 5.3 多目标演化算法
• 5.3.1 目前较流行的多目标演化算法
• 5.3.2 基于稳定淘汰策略的多目标演化算法
• 5.3.2.1 算法流程
• 5.3.2.2 Pareto 秩的计算
• 5.3.2.3 拥挤距离的计算
• 5.3.2.4 多父代交叉
• 5.3.2.5 随机变异
• 5.3.2.6 蚁群爬山法
• 5.4 本章小结
• 第六章 自动调芯系统硬件结构设计和试制
• 6.1 调芯系统结构
• 6.2 系统硬件
• 6.2.1 计算机控制部分
• 6.2.2 精密调整执行机构
• 6.2.2.1 精密六维调整台和波导芯片固定台
• 6.2.2.2 气垫式避震台
• 6.2.2.3 精密调整台控制器
• 6.2.3 光源及测量系统
• 6.2.4 显微观测系统
• 6.3 本章小节
• 第七章 软件结构设计
• 7.1 软件总体构架
• 7.2 软件整体流程和人机交互单元设计
• 7.3 接口通信设计
• 7.3.1 GPIB 总线
• 7.3.2 接口通信连接与设计
• 7.4 本章小节
• 第八章 单芯自动调芯实验和结果
• 8.1 实验条件及工艺流程
• 8.1.1 实验条件及准备工作
• 7.1.2 调芯工艺流程
• 8.2 实验结果及分析
• 8.2.1 单模光纤与单模光纤调芯实验结果
• 8.2.2 单模光纤－单模波导－单模光纤调芯实验结果
• 8.3 本章小结
• 第九章 列阵调芯方案设计
• 9.1 列阵调芯方案分析
• 9.2 端面位置关系分析
• 9.3 列阵调芯的方案设计
• 9.3.1 采样通道的选取
• 9.3.2 实施方案及流程
• 9.4 本章小结
• 第十章 列阵调芯的自适应遗传法设计
• 10.1 遗传算法引入
• 10.2 遗传算法用于列阵调芯的具体措施
• 10.2.1 编码表示
• 10.2.2 产生初始群体
• 10.2.3 个体适应度评价函数的确立
• 10.2.4 选择操作
• 10.2.5 交叉算子、变异算子的设计
• 10.2.6 遗传终止条件
• 10.3 标准遗传算法的缺陷及改进
• 10.4 自适应遗传法双芯对接方案的数值模拟
• 10.5 本章小结
• 第十一章 列阵调芯的多目标演化法设计
• 11.1 基于多目标演化算法的列阵调芯原理
• 11.1.1 编码
• 11.1.2 目标函数的确立
• 11.1.3 Pareto 秩和拥挤距离的计算
• 11.1.4 遗传操作
• 11.2 多目标演化算法列阵自动对接方案的数值模拟
• 11.2.1 调芯流程
• 11.2.2 数值仿真及其结果
• 11.3 本章小结
• 第十二章 列阵调芯实验和结果对比分析
• 12.1 列阵调芯工艺流程
• 12.2 列阵调芯实验
• 12.2.1 中心积分调芯法列阵调芯实验结果
• 12.2.2 自适应遗传调芯法阵列调芯实验结果
• 12.2.3 多目标演化调芯法阵列调芯实验结果
• 12.3 三种调芯法的列阵调芯结果对比分析
• 12.4 与国外同类调芯仪器的比较
• 12.5 本章小结
• 第十三章 波导封装试验
• 13.1 封装实验流程
• 13.2 封装样品测试数据
• 13.3 本章小结
• 第十四章 总结
• 参考文献
• 在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果
• 致谢