一种基于耦合模型的阵列波导器件对准方法与装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于耦合模型的阵列波导器件对准方法与装置，该方法为：对阵列波导器进行初始寻光；基于波导-光纤对准耦合理论模型直接寻找峰值位置；采用有限测量光功率值并通过模型解析法、插值拟合法、最小二乘法方法计算出理论峰值位置；理论峰值位置确定后运动到该位置点；重复上述步骤进行迭代直到找到实际峰值位置；该系统为：精密光学夹具模块、机器视觉控制模块、光功率监控模块、紫外点胶模块。本发明通过有限数据点计算出峰值点，可大幅提高搜索效率。本发明在寻优过程中不涉及人为权限设定，有效提高了实现波导芯片与阵列光纤的低损耗快速对准耦合的自动化程度和工作效率。
【专利说明】一种基于耦合模型的阵列波导器件对准方法与装置【技术领域】
[0001]本发明属于通信网络【技术领域】，尤其涉及一种基于耦合模型的阵列波导器件对准方法与装置。
【背景技术】
[0002]阵列波导器件是光网络通信系统中的关键部件，全光网通信网的快速发展使阵列波导器件的需求也不断的增长。但是阵列波导器件较高的成本成为制约光网络通信发展的因素之一，调查显示阵列波导器件的封装成本在其总成本中占据较大比重，因此降低其封装成本的重点是降低耦合封装的成本。
[0003]阵列波导器件的封装包括手动封装和自动封装，目前国内的阵列波导器件封装主要使用手动平台进行人工对准，但是各企业间的封装工艺细节都是保密的，而且没有统一的标准或者规范。而全自动的阵列波导器件封装又被少数几家国外企业垄断，因此对阵列波导器件自动化封装装置及工艺的研究可以有效的打破国外垄断，降低阵列波导器件的成本。[0004]阵列光纤与阵列波导之间的连接损耗是影响器件性能的关键参数。由于手动封装过程所需人力成本较大，生产率低下，封装器件的插入损耗性能主要取决于工人的熟练程度。另外阵列波导器件全自动封装耦合的对准算法研究比较多，但基本上都属于数学方法的范畴，不能把阵列波导和光纤之间的光传播规律结合起来。目前国内的阵列波导器件人工对准手动封装过程所需人力成本较大，生产率低下。
【发明内容】
[0005]本发明实施例的目的在于提供一种基于耦合模型的阵列波导器件对准方法与装置，旨在解决目前国内的阵列波导器件人工对准手动封装过程所需人力成本较大，生产率低下的问题。
[0006]本发明实施例是这样实现的，一种基于耦合模型的阵列波导器件对准方法，该基于耦合模型的阵列波导器件对准方法包括:
[0007]步骤一:对阵列波导器进行初始寻光；
[0008]步骤二:基于波导-光纤对准耦合理论模型直接寻找峰值位置
[0009]步骤三:采用有限测量光功率值并通过模型解析法、插值拟合法、最小二乘法方法计算出理论峰值位置；
[0010]步骤四:理论峰值位置确定后运动到该位置点；
[0011]步骤五:重复上述步骤进行迭代直到找到实际峰值位置。
[0012]进一步，在步骤三中，模型解析算法的方法为:此假设波导端面场强分布规律符合高斯分布，在精对准过程，以初始对准寻找到的功率最大值点为基点，在给定数值r为半径的范围内随机选择η个定位点,移动平台到这些定位点，记录每个点位的位置坐标和光功率，利用这η个定位点的坐标位置和光功率，通过光纤-波导模场分布函数模型逆向求解模型的峰值坐标。
[0013]进一步，在步骤三中，插值拟合对准算法的方法为:
[0014]利用函数f(x)在某区间中若干点的函数值，做出特定函数，在点上取已知值，在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f(x)的近似值。
[0015]进一步，在步骤三中，最小二乘法拟合的方法为:采用偏差平方和最小原则来选取拟合函数y = Φ (X)，分为一元拟合和二元拟合。
[0016]本发明的另一目的在于提供一种基于耦合模型的阵列波导器件对准系统，该基于耦合模型的阵列波导器件对准系统包括:六维高精度调整模块、精密光学夹具模块、机器视觉控制模块、光功率监控模块、紫外点胶模块；
[0017]用于安装输入光纤、波导芯片和输出光纤的六维高精度调整模块；
[0018]用于六维高精度调整模块固定的精密光学夹具模块；
[0019]用于对阵列波导器件封装装置实现初始对准的机器视觉控制模块；
[0020]用于对阵列波导器件封装装置实现精密对准的光功率监控模块；
[0021]用于对阵列波导器件封装装置固化的紫外点胶模块。
[0022]进一步，该阵列波导器件的自动化精密对准耦合采用自动化对准算法。
[0023]进一步，该基于耦合模型的阵列波导器件对准系统的初始对准采用机器视觉和螺旋扫描搜索。
[0024]进一步，螺旋扫描搜索方法，使用正交布置的两个CXD相机检测波导芯片和光纤阵列接合部位的位姿，再利用图像识别软件引导调整平台运动，加入一步盲扫描过程。
[0025]进一步，该基于耦合模型的阵列波导器件对准系统的精密对准算法，采用的是基于模型的曲面拟合对准算法与爬山搜索法相结合的算法，最小二乘曲面拟合对准算法可以通过几个试测点的光功率值，快速寻找到一个耦合效率很高的位置。
[0026]本发明提供的基于耦合模型的阵列波导器件对准方法与装置，包括阵列导器件封装装置的组成，电控系统构建以及工控机与装置关键部分的通信、控制方法，分析了阵列波导器件自动化对准耦合各流程的进行简要分析。本发明解决了目前国内的阵列波导器件人工对准手动封装过程所需人力成本较大，生产率低下的问题，从而可以有效的打破国外垄断，降低阵列波导器件的成本。此外，本发明同时采用的是基于模型的曲面拟合对准算法与爬山搜索法相结合的快速可靠的对准算法，可以有效降低对准时间，保证对准精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本发明实施例提供的基于耦合模型的阵列波导器件对准系统的结构框图；
[0028]图2是本发明实施例提供的基于耦合模型的阵列波导器件对准系统初始对准流程图；
[0029]图3是本发明实施例提供的基于耦合模型的阵列波导器件对准方法的初始对准外螺旋搜索方法示意图；
[0030]图4是本发明实施例提供的基于耦合模型的阵列波导器件对准方法的精密对准算法流程图；
[0031]图5是本发明实施例提供的基于耦合模型的阵列波导器件对准方法的应用流程图；[0032]图6是本发明实施例提供的基于耦合模型的阵列波导器件对准方法的流程图。【具体实施方式】
[0033]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034]下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
[0035]如图1所示的基于耦合模型的阵列波导器件对准系统的结构框图，基于耦合模型的阵列波导器件对准系统是集成了光-机-电-液于一体的复杂封装制造装备，按照功能与单元技术模块化设计与集成，以实现器件的高性能封装制造，系统把运动控制功能从每个模块中分离出来，构成一个单独的、统一的控制模块，每个功能结构均可以通过这种统一的模块驱动所有运动机构或控制装置，从面简化和规范了所有装置的运动控制。
[0036]阵列波导器件自动化对准耦合平台主要包括六维高精度调整模块1、精密光学夹具模块2、机器视觉控制模块3、光功率监控模块4以及紫外点胶模块5 ;基于此构建阵列波导器件封装装备；工作流程为首先把输入光纤、波导芯片和输出光纤分别夹装六维高精度调整模块I上，用精密光学夹具模块2固定，设置采用机器视觉控制模块3实现初始对准，然后采用光功率监控模块4实现精密对准，对准后用紫外点胶模块5进行点胶，用紫外灯照射加速固化。
[0037]—种阵列波导器件自动化精密对准耦合工艺分析；自动化对准算法是阵列波导器件自动化封装的关键技术，一种快速可靠的对准算法可以有效降低对准时间，保证对准精度。
[0038]如图2所示一种阵列波导器件封装装置初始对准流程图，根据本发明提出的阵列波导器件耦合封装平台系统构造，初始化对准采用的方法是机器视觉+螺旋扫描搜索；初始对准也称为粗对准，粗对准过程一般设有耦合效率阀值，当耦合效率达到或接近阀值的时候，表明粗对准过程结束；由于粗对准采用的方法和对准算法比较粗糙，所以阀值设定较高的时候，对准过程耗时过多，影响整个耦合对准过程的时间，阀值设定较低的时候，则会给精对准过程的搜索带来较大工作量，甚至导致精对准过程搜索目标失败，以1X8分路器为例，一般初始对准阀值设为损耗< 30dB即可。
[0039]如图3阵列波导器件自动化封装装置初始对准外螺旋搜索方法，使用正交布置的两个CCD相机检测波导芯片和光纤阵列接合部位的位姿，再利用图像识别软件引导调整平台运动，这种方法主要用于粗对准过程；由于机器视觉技术发展比较成熟，应用比较广泛，所以应用到光子器件的耦合对准工艺中，可以快速的实现阵列波导器件和光纤阵列的初始化对准，尤其是角度的对准；但机器视觉的应用不能保证初始化对准之后波导芯片和光纤阵列的耦合效率达到精确对准的标准，也即是没有达到粗对准所要求的耦合效率阀值，这样就需要加入一步盲扫描过程，螺旋扫描作为粗对准常用算法之一，从初始点出发，可以快速的以螺旋运动搜索到大于预设阀值的功率耦合位置；因为在机器视觉对准过程中，已完成角度等姿态的对准，所以螺旋扫描过程中仅考虑在X，y面上进行二维搜索。
[0040]通过机器视觉引导和螺旋扫描盲搜索的结合，可以快速高效的完成阵列波导器件率禹合对准的初始化对准，为后续的精对准提供良好的基础。[0041]如图4所示一种阵列波导器件封装装置精密对准算法流程图，阵列波导器件的精密对准是耦合对准的核心过程，其对准精度会决定封装的结果，也是整个对准过程中耗时最长的一道搜索过程；精密对准分为单通道对准和多通道对准，本发明以单通道精密对准为例进行说明，在本发明中阵列波导器件耦合封装装置系统中的精密对准算法采用的是基于模型的曲面拟合对准算法与爬山搜索法相结合的算法。最小二乘曲面拟合对准算法可以通过几个试测点的光功率值，快速寻找到一个耦合效率很高的位置，仿真和实验证明，该算法可以在二十步以内寻找到耦合效率>80%的位置；但是由于拟合模型本身存在有误差，所以不能搜索达到>90%的峰值位置，而爬山法在高耦合效率范围内的搜索速度较快，精度较高，可靠性较好，两种算法的结合可以实现阵列波导器件耦合封装精密对准过程的快速、闻效以及闻可罪性；
[0042]如图5和图6所示，本发明实施例的基于耦合模型的阵列波导器件对准方法包括以下步骤:
[0043]S601:对阵列波导器进行初始寻光；
[0044]S602:基于波导-光纤对准耦合理论模型直接寻找峰值位置；
[0045]S603:采用有限测量光功率值并通过模型解析法、插值拟合法、最小二乘法方法计算出理论峰值位置；
[0046]S604:理论峰值位置确定后运动到该位置点；
[0047]S605:重复上述步骤进行迭代直到找到实际峰值位置。
[0048]在S603中，模型解析算法的方法为:此假设波导端面场强分布规律符合高斯分布，在精对准过程，以初始对准寻找到的功率最大值点为基点，在给定数值r为半径的范围内随机选择η个定位点，移动平台到这些定位点，记录每个点位的位置坐标和光功率，利用这η个定位点的坐标位置和光功率，通过光纤-波导模场分布函数模型逆向求解模型的峰值坐标；
[0049]I) 一元求解对准算法
[0050]在不考虑ζ，θ χ，Θ y，θ ζ的情况下，单模阵列光线端面耦合效率在x-y平面呈近似高斯分布，且在封装尺寸内，沿χ-y轴对称分布，为此，以单自由度分布为基础，通过模型分别计算出χ、y轴各自的最大值点，以这两点作为坐标点χ、y位置；
【权利要求】
1.一种基于耦合模型的阵列波导器件对准方法，其特征在于，该基于耦合模型的阵列波导器件对准方法包括: 步骤一:对阵列波导器进行初始寻光； 步骤二:基于波导-光纤对准耦合理论模型直接寻找峰值位置步骤三:采用有限测量光功率值并通过模型解析法、插值拟合法、最小二乘法方法计算出理论峰值位置； 步骤四:理论峰值位置确定后运动到该位置点； 步骤五:重复上述步骤进行迭代直到找到实际峰值位置。
2.如权利要求1所述的基于耦合模型的阵列波导器件对准方法，其特征在于，在步骤三中，模型解析算法的方法为:此假设波导端面场强分布规律符合高斯分布，在精对准过程，以初始对准寻找到的功率最大值点为基点，在给定数值r为半径的范围内随机选择η个定位点，移动平台到这些定位点，记录每个点位的位置坐标和光功率，利用这η个定位点的坐标位置和光功率，通过光纤-波导模场分布函数模型逆向求解模型的峰值坐标。
3.如权利要求1所述的基于耦合模型的阵列波导器件对准方法，其特征在于，在步骤三中，插值拟合对准算法的方法为: 利用函数f(x)在某区间中若干点的函数值，做出特定函数，在点上取已知值，在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f(x)的近似值。
4.如权利要求1所述的基于耦合模型的阵列波导器件对准方法，其特征在于，在步骤三中，最小二乘法拟合的方法为:采用偏差平方和最小原则来选取拟合函数y = Φ (X)，分为一兀拟合和二兀拟合。
5.一种基于耦合模型的阵列波导器件对准系统，其特征在于，该基于耦合模型的阵列波导器件对准系统包括:六维高精度调整模块、精密光学夹具模块、机器视觉控制模块、光功率监控模块、紫外点胶模块； 用于安装输入光纤、波导芯片和输出光纤的六维高精度调整模块； 用于六维高精度调整模块固定的精密光学夹具模块； 用于对阵列波导器件封装装置实现初始对准的机器视觉控制模块； 用于对阵列波导器件封装装置实现精密对准的光功率监控模块； 用于对阵列波导器件封装装置固化的紫外点胶模块。
6.如权利要求5所述的基于耦合模型的阵列波导器件对准系统，其特征在于，该阵列波导器件的自动化精密对准耦合采用自动化对准算法。
7.如权利要求5所述的基于耦合模型的阵列波导器件对准系统，其特征在于，该基于耦合模型的阵列波导器件对准系统的初始对准采用机器视觉和螺旋扫描搜索。
8.如权利要求7所述的基于耦合模型的阵列波导器件对准系统，其特征在于，螺旋扫描搜索方法，使用正交布置的两个CCD相机检测波导芯片和光纤阵列接合部位的位姿，再利用图像识别软件引导调整平台运动，加入一步盲扫描过程。
9.如权利要求5所述的基于耦合模型的阵列波导器件对准系统，其特征在于，该基于耦合模型的阵列波导器件对准系统的精密对准算法，采用的是基于模型的曲面拟合对准算法与爬山搜索法相结合的算法，最小二乘曲面拟合对准算法可以通过几个试测点的光功率值，快速寻找到一个耦合效率很高的位置。
【文档编号】G02B6/30GK103513335SQ201310468134
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月9日 优先权日:2013年10月9日
【发明者】段吉安, 郑煜, 吕文, 王丽军, 李继攀, 卢胜强 申请人:中南大学