一種基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法與裝置，該方法為：對陣列波導(dǎo)器進(jìn)行初始尋光；基于波導(dǎo)-光纖對準(zhǔn)耦合理論模型直接尋找峰值位置；采用有限測量光功率值并通過模型解析法、插值擬合法、最小二乘法方法計算出理論峰值位置；理論峰值位置確定后運(yùn)動到該位置點(diǎn)；重復(fù)上述步驟進(jìn)行迭代直到找到實(shí)際峰值位置；該系統(tǒng)為：精密光學(xué)夾具模塊、機(jī)器視覺控制模塊、光功率監(jiān)控模塊、紫外點(diǎn)膠模塊。本發(fā)明通過有限數(shù)據(jù)點(diǎn)計算出峰值點(diǎn)，可大幅提高搜索效率。本發(fā)明在尋優(yōu)過程中不涉及人為權(quán)限設(shè)定，有效提高了實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)芯片與陣列光纖的低損耗快速對準(zhǔn)耦合的自動化程度和工作效率。
【專利說明】一種基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法與裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于通信網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]陣列波導(dǎo)器件是光網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，全光網(wǎng)通信網(wǎng)的快速發(fā)展使陣列波導(dǎo)器件的需求也不斷的增長。但是陣列波導(dǎo)器件較高的成本成為制約光網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展的因素之一，調(diào)查顯示陣列波導(dǎo)器件的封裝成本在其總成本中占據(jù)較大比重，因此降低其封裝成本的重點(diǎn)是降低耦合封裝的成本。
[0003]陣列波導(dǎo)器件的封裝包括手動封裝和自動封裝，目前國內(nèi)的陣列波導(dǎo)器件封裝主要使用手動平臺進(jìn)行人工對準(zhǔn)，但是各企業(yè)間的封裝工藝細(xì)節(jié)都是保密的，而且沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或者規(guī)范。而全自動的陣列波導(dǎo)器件封裝又被少數(shù)幾家國外企業(yè)壟斷，因此對陣列波導(dǎo)器件自動化封裝裝置及工藝的研究可以有效的打破國外壟斷，降低陣列波導(dǎo)器件的成本。[0004]陣列光纖與陣列波導(dǎo)之間的連接損耗是影響器件性能的關(guān)鍵參數(shù)。由于手動封裝過程所需人力成本較大，生產(chǎn)率低下，封裝器件的插入損耗性能主要取決于工人的熟練程度。另外陣列波導(dǎo)器件全自動封裝耦合的對準(zhǔn)算法研究比較多，但基本上都屬于數(shù)學(xué)方法的范疇，不能把陣列波導(dǎo)和光纖之間的光傳播規(guī)律結(jié)合起來。目前國內(nèi)的陣列波導(dǎo)器件人工對準(zhǔn)手動封裝過程所需人力成本較大，生產(chǎn)率低下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法與裝置，旨在解決目前國內(nèi)的陣列波導(dǎo)器件人工對準(zhǔn)手動封裝過程所需人力成本較大，生產(chǎn)率低下的問題。
[0006]本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法，該基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法包括:
[0007]步驟一:對陣列波導(dǎo)器進(jìn)行初始尋光；
[0008]步驟二:基于波導(dǎo)-光纖對準(zhǔn)耦合理論模型直接尋找峰值位置
[0009]步驟三:采用有限測量光功率值并通過模型解析法、插值擬合法、最小二乘法方法計算出理論峰值位置；
[0010]步驟四:理論峰值位置確定后運(yùn)動到該位置點(diǎn)；
[0011]步驟五:重復(fù)上述步驟進(jìn)行迭代直到找到實(shí)際峰值位置。
[0012]進(jìn)一步，在步驟三中，模型解析算法的方法為:此假設(shè)波導(dǎo)端面場強(qiáng)分布規(guī)律符合高斯分布，在精對準(zhǔn)過程，以初始對準(zhǔn)尋找到的功率最大值點(diǎn)為基點(diǎn)，在給定數(shù)值r為半徑的范圍內(nèi)隨機(jī)選擇η個定位點(diǎn),移動平臺到這些定位點(diǎn)，記錄每個點(diǎn)位的位置坐標(biāo)和光功率，利用這η個定位點(diǎn)的坐標(biāo)位置和光功率，通過光纖-波導(dǎo)模場分布函數(shù)模型逆向求解模型的峰值坐標(biāo)。
[0013]進(jìn)一步，在步驟三中，插值擬合對準(zhǔn)算法的方法為:
[0014]利用函數(shù)f(x)在某區(qū)間中若干點(diǎn)的函數(shù)值，做出特定函數(shù)，在點(diǎn)上取已知值，在區(qū)間的其他點(diǎn)上用這特定函數(shù)的值作為函數(shù)f(x)的近似值。
[0015]進(jìn)一步，在步驟三中，最小二乘法擬合的方法為:采用偏差平方和最小原則來選取擬合函數(shù)y = Φ (X)，分為一元擬合和二元擬合。
[0016]本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)，該基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)包括:六維高精度調(diào)整模塊、精密光學(xué)夾具模塊、機(jī)器視覺控制模塊、光功率監(jiān)控模塊、紫外點(diǎn)膠模塊；
[0017]用于安裝輸入光纖、波導(dǎo)芯片和輸出光纖的六維高精度調(diào)整模塊；
[0018]用于六維高精度調(diào)整模塊固定的精密光學(xué)夾具模塊；
[0019]用于對陣列波導(dǎo)器件封裝裝置實(shí)現(xiàn)初始對準(zhǔn)的機(jī)器視覺控制模塊；
[0020]用于對陣列波導(dǎo)器件封裝裝置實(shí)現(xiàn)精密對準(zhǔn)的光功率監(jiān)控模塊；
[0021]用于對陣列波導(dǎo)器件封裝裝置固化的紫外點(diǎn)膠模塊。
[0022]進(jìn)一步，該陣列波導(dǎo)器件的自動化精密對準(zhǔn)耦合采用自動化對準(zhǔn)算法。
[0023]進(jìn)一步，該基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)采用機(jī)器視覺和螺旋掃描搜索。
[0024]進(jìn)一步，螺旋掃描搜索方法，使用正交布置的兩個CXD相機(jī)檢測波導(dǎo)芯片和光纖陣列接合部位的位姿，再利用圖像識別軟件引導(dǎo)調(diào)整平臺運(yùn)動，加入一步盲掃描過程。
[0025]進(jìn)一步，該基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)的精密對準(zhǔn)算法，采用的是基于模型的曲面擬合對準(zhǔn)算法與爬山搜索法相結(jié)合的算法，最小二乘曲面擬合對準(zhǔn)算法可以通過幾個試測點(diǎn)的光功率值，快速尋找到一個耦合效率很高的位置。
[0026]本發(fā)明提供的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法與裝置，包括陣列導(dǎo)器件封裝裝置的組成，電控系統(tǒng)構(gòu)建以及工控機(jī)與裝置關(guān)鍵部分的通信、控制方法，分析了陣列波導(dǎo)器件自動化對準(zhǔn)耦合各流程的進(jìn)行簡要分析。本發(fā)明解決了目前國內(nèi)的陣列波導(dǎo)器件人工對準(zhǔn)手動封裝過程所需人力成本較大，生產(chǎn)率低下的問題，從而可以有效的打破國外壟斷，降低陣列波導(dǎo)器件的成本。此外，本發(fā)明同時采用的是基于模型的曲面擬合對準(zhǔn)算法與爬山搜索法相結(jié)合的快速可靠的對準(zhǔn)算法，可以有效降低對準(zhǔn)時間，保證對準(zhǔn)精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0028]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)流程圖；
[0029]圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法的初始對準(zhǔn)外螺旋搜索方法示意圖；
[0030]圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法的精密對準(zhǔn)算法流程圖；
[0031]圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法的應(yīng)用流程圖；[0032]圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法的流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0033]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0034]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。
[0035]如圖1所示的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)是集成了光-機(jī)-電-液于一體的復(fù)雜封裝制造裝備，按照功能與單元技術(shù)模塊化設(shè)計與集成，以實(shí)現(xiàn)器件的高性能封裝制造，系統(tǒng)把運(yùn)動控制功能從每個模塊中分離出來，構(gòu)成一個單獨(dú)的、統(tǒng)一的控制模塊，每個功能結(jié)構(gòu)均可以通過這種統(tǒng)一的模塊驅(qū)動所有運(yùn)動機(jī)構(gòu)或控制裝置，從面簡化和規(guī)范了所有裝置的運(yùn)動控制。
[0036]陣列波導(dǎo)器件自動化對準(zhǔn)耦合平臺主要包括六維高精度調(diào)整模塊1、精密光學(xué)夾具模塊2、機(jī)器視覺控制模塊3、光功率監(jiān)控模塊4以及紫外點(diǎn)膠模塊5 ;基于此構(gòu)建陣列波導(dǎo)器件封裝裝備；工作流程為首先把輸入光纖、波導(dǎo)芯片和輸出光纖分別夾裝六維高精度調(diào)整模塊I上，用精密光學(xué)夾具模塊2固定，設(shè)置采用機(jī)器視覺控制模塊3實(shí)現(xiàn)初始對準(zhǔn)，然后采用光功率監(jiān)控模塊4實(shí)現(xiàn)精密對準(zhǔn)，對準(zhǔn)后用紫外點(diǎn)膠模塊5進(jìn)行點(diǎn)膠，用紫外燈照射加速固化。
[0037]—種陣列波導(dǎo)器件自動化精密對準(zhǔn)耦合工藝分析；自動化對準(zhǔn)算法是陣列波導(dǎo)器件自動化封裝的關(guān)鍵技術(shù)，一種快速可靠的對準(zhǔn)算法可以有效降低對準(zhǔn)時間，保證對準(zhǔn)精度。
[0038]如圖2所示一種陣列波導(dǎo)器件封裝裝置初始對準(zhǔn)流程圖，根據(jù)本發(fā)明提出的陣列波導(dǎo)器件耦合封裝平臺系統(tǒng)構(gòu)造，初始化對準(zhǔn)采用的方法是機(jī)器視覺+螺旋掃描搜索；初始對準(zhǔn)也稱為粗對準(zhǔn)，粗對準(zhǔn)過程一般設(shè)有耦合效率閥值，當(dāng)耦合效率達(dá)到或接近閥值的時候，表明粗對準(zhǔn)過程結(jié)束；由于粗對準(zhǔn)采用的方法和對準(zhǔn)算法比較粗糙，所以閥值設(shè)定較高的時候，對準(zhǔn)過程耗時過多，影響整個耦合對準(zhǔn)過程的時間，閥值設(shè)定較低的時候，則會給精對準(zhǔn)過程的搜索帶來較大工作量，甚至導(dǎo)致精對準(zhǔn)過程搜索目標(biāo)失敗，以1X8分路器為例，一般初始對準(zhǔn)閥值設(shè)為損耗< 30dB即可。
[0039]如圖3陣列波導(dǎo)器件自動化封裝裝置初始對準(zhǔn)外螺旋搜索方法，使用正交布置的兩個CCD相機(jī)檢測波導(dǎo)芯片和光纖陣列接合部位的位姿，再利用圖像識別軟件引導(dǎo)調(diào)整平臺運(yùn)動，這種方法主要用于粗對準(zhǔn)過程；由于機(jī)器視覺技術(shù)發(fā)展比較成熟，應(yīng)用比較廣泛，所以應(yīng)用到光子器件的耦合對準(zhǔn)工藝中，可以快速的實(shí)現(xiàn)陣列波導(dǎo)器件和光纖陣列的初始化對準(zhǔn)，尤其是角度的對準(zhǔn)；但機(jī)器視覺的應(yīng)用不能保證初始化對準(zhǔn)之后波導(dǎo)芯片和光纖陣列的耦合效率達(dá)到精確對準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，也即是沒有達(dá)到粗對準(zhǔn)所要求的耦合效率閥值，這樣就需要加入一步盲掃描過程，螺旋掃描作為粗對準(zhǔn)常用算法之一，從初始點(diǎn)出發(fā)，可以快速的以螺旋運(yùn)動搜索到大于預(yù)設(shè)閥值的功率耦合位置；因?yàn)樵跈C(jī)器視覺對準(zhǔn)過程中，已完成角度等姿態(tài)的對準(zhǔn)，所以螺旋掃描過程中僅考慮在X，y面上進(jìn)行二維搜索。
[0040]通過機(jī)器視覺引導(dǎo)和螺旋掃描盲搜索的結(jié)合，可以快速高效的完成陣列波導(dǎo)器件率禹合對準(zhǔn)的初始化對準(zhǔn)，為后續(xù)的精對準(zhǔn)提供良好的基礎(chǔ)。[0041]如圖4所示一種陣列波導(dǎo)器件封裝裝置精密對準(zhǔn)算法流程圖，陣列波導(dǎo)器件的精密對準(zhǔn)是耦合對準(zhǔn)的核心過程，其對準(zhǔn)精度會決定封裝的結(jié)果，也是整個對準(zhǔn)過程中耗時最長的一道搜索過程；精密對準(zhǔn)分為單通道對準(zhǔn)和多通道對準(zhǔn)，本發(fā)明以單通道精密對準(zhǔn)為例進(jìn)行說明，在本發(fā)明中陣列波導(dǎo)器件耦合封裝裝置系統(tǒng)中的精密對準(zhǔn)算法采用的是基于模型的曲面擬合對準(zhǔn)算法與爬山搜索法相結(jié)合的算法。最小二乘曲面擬合對準(zhǔn)算法可以通過幾個試測點(diǎn)的光功率值，快速尋找到一個耦合效率很高的位置，仿真和實(shí)驗(yàn)證明，該算法可以在二十步以內(nèi)尋找到耦合效率>80%的位置；但是由于擬合模型本身存在有誤差，所以不能搜索達(dá)到>90%的峰值位置，而爬山法在高耦合效率范圍內(nèi)的搜索速度較快，精度較高，可靠性較好，兩種算法的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)陣列波導(dǎo)器件耦合封裝精密對準(zhǔn)過程的快速、聞效以及聞可罪性；
[0042]如圖5和圖6所示，本發(fā)明實(shí)施例的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法包括以下步驟:
[0043]S601:對陣列波導(dǎo)器進(jìn)行初始尋光；
[0044]S602:基于波導(dǎo)-光纖對準(zhǔn)耦合理論模型直接尋找峰值位置；
[0045]S603:采用有限測量光功率值并通過模型解析法、插值擬合法、最小二乘法方法計算出理論峰值位置；
[0046]S604:理論峰值位置確定后運(yùn)動到該位置點(diǎn)；
[0047]S605:重復(fù)上述步驟進(jìn)行迭代直到找到實(shí)際峰值位置。
[0048]在S603中，模型解析算法的方法為:此假設(shè)波導(dǎo)端面場強(qiáng)分布規(guī)律符合高斯分布，在精對準(zhǔn)過程，以初始對準(zhǔn)尋找到的功率最大值點(diǎn)為基點(diǎn)，在給定數(shù)值r為半徑的范圍內(nèi)隨機(jī)選擇η個定位點(diǎn)，移動平臺到這些定位點(diǎn)，記錄每個點(diǎn)位的位置坐標(biāo)和光功率，利用這η個定位點(diǎn)的坐標(biāo)位置和光功率，通過光纖-波導(dǎo)模場分布函數(shù)模型逆向求解模型的峰值坐標(biāo)；
[0049]I) 一元求解對準(zhǔn)算法
[0050]在不考慮ζ，θ χ，Θ y，θ ζ的情況下，單模陣列光線端面耦合效率在x-y平面呈近似高斯分布，且在封裝尺寸內(nèi)，沿χ-y軸對稱分布，為此，以單自由度分布為基礎(chǔ)，通過模型分別計算出χ、y軸各自的最大值點(diǎn)，以這兩點(diǎn)作為坐標(biāo)點(diǎn)χ、y位置；
【權(quán)利要求】
1.一種基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法，其特征在于，該基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法包括: 步驟一:對陣列波導(dǎo)器進(jìn)行初始尋光； 步驟二:基于波導(dǎo)-光纖對準(zhǔn)耦合理論模型直接尋找峰值位置步驟三:采用有限測量光功率值并通過模型解析法、插值擬合法、最小二乘法方法計算出理論峰值位置； 步驟四:理論峰值位置確定后運(yùn)動到該位置點(diǎn)； 步驟五:重復(fù)上述步驟進(jìn)行迭代直到找到實(shí)際峰值位置。
2.如權(quán)利要求1所述的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法，其特征在于，在步驟三中，模型解析算法的方法為:此假設(shè)波導(dǎo)端面場強(qiáng)分布規(guī)律符合高斯分布，在精對準(zhǔn)過程，以初始對準(zhǔn)尋找到的功率最大值點(diǎn)為基點(diǎn)，在給定數(shù)值r為半徑的范圍內(nèi)隨機(jī)選擇η個定位點(diǎn)，移動平臺到這些定位點(diǎn)，記錄每個點(diǎn)位的位置坐標(biāo)和光功率，利用這η個定位點(diǎn)的坐標(biāo)位置和光功率，通過光纖-波導(dǎo)模場分布函數(shù)模型逆向求解模型的峰值坐標(biāo)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法，其特征在于，在步驟三中，插值擬合對準(zhǔn)算法的方法為: 利用函數(shù)f(x)在某區(qū)間中若干點(diǎn)的函數(shù)值，做出特定函數(shù)，在點(diǎn)上取已知值，在區(qū)間的其他點(diǎn)上用這特定函數(shù)的值作為函數(shù)f(x)的近似值。
4.如權(quán)利要求1所述的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)方法，其特征在于，在步驟三中，最小二乘法擬合的方法為:采用偏差平方和最小原則來選取擬合函數(shù)y = Φ (X)，分為一兀擬合和二兀擬合。
5.一種基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，該基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)包括:六維高精度調(diào)整模塊、精密光學(xué)夾具模塊、機(jī)器視覺控制模塊、光功率監(jiān)控模塊、紫外點(diǎn)膠模塊； 用于安裝輸入光纖、波導(dǎo)芯片和輸出光纖的六維高精度調(diào)整模塊； 用于六維高精度調(diào)整模塊固定的精密光學(xué)夾具模塊； 用于對陣列波導(dǎo)器件封裝裝置實(shí)現(xiàn)初始對準(zhǔn)的機(jī)器視覺控制模塊； 用于對陣列波導(dǎo)器件封裝裝置實(shí)現(xiàn)精密對準(zhǔn)的光功率監(jiān)控模塊； 用于對陣列波導(dǎo)器件封裝裝置固化的紫外點(diǎn)膠模塊。
6.如權(quán)利要求5所述的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，該陣列波導(dǎo)器件的自動化精密對準(zhǔn)耦合采用自動化對準(zhǔn)算法。
7.如權(quán)利要求5所述的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，該基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)采用機(jī)器視覺和螺旋掃描搜索。
8.如權(quán)利要求7所述的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，螺旋掃描搜索方法，使用正交布置的兩個CCD相機(jī)檢測波導(dǎo)芯片和光纖陣列接合部位的位姿，再利用圖像識別軟件引導(dǎo)調(diào)整平臺運(yùn)動，加入一步盲掃描過程。
9.如權(quán)利要求5所述的基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，該基于耦合模型的陣列波導(dǎo)器件對準(zhǔn)系統(tǒng)的精密對準(zhǔn)算法，采用的是基于模型的曲面擬合對準(zhǔn)算法與爬山搜索法相結(jié)合的算法，最小二乘曲面擬合對準(zhǔn)算法可以通過幾個試測點(diǎn)的光功率值，快速尋找到一個耦合效率很高的位置。
【文檔編號】G02B6/30GK103513335SQ201310468134
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月9日
【發(fā)明者】段吉安, 鄭煜, 呂文, 王麗軍, 李繼攀, 盧勝強(qiáng) 申請人:中南大學(xué)