戚媛婧，顏 科，周雄鋒

（中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083）

0 引言

光纖有源器件是光纖通信系統(tǒng)的核心器件之一，主要包括光源、光探測(cè)器、光纖放大器，如激光二極管（LED）、光電二極管（PIN），摻鉺光纖放大器（EDFA）等。在這些器件的制造過(guò)程中，封裝成本所占的比重最大，為70%～90%[1,2]，而且，在器件封裝制造的各個(gè)工藝流程中，對(duì)器件成品率影響最大的是對(duì)準(zhǔn)耦合與固定工序。目前，國(guó)內(nèi)很多光纖器件生產(chǎn)制造廠商仍依賴手工組裝，產(chǎn)量低，模塊質(zhì)量一致性低，生產(chǎn)效率低，人力成本高，極大地阻礙了光通信行業(yè)的發(fā)展，因此，光纖器件對(duì)準(zhǔn)耦合的自動(dòng)化是提高生產(chǎn)效率、降低企業(yè)制造成本的關(guān)鍵技術(shù)。

現(xiàn)有的光電探測(cè)器，是將半導(dǎo)體光接收器通過(guò)封裝工藝，制造成具有光通信標(biāo)準(zhǔn)接口的產(chǎn)品，封裝工藝中的關(guān)鍵步驟之一為光纖與光接收芯片的對(duì)準(zhǔn)耦合。對(duì)準(zhǔn)過(guò)程可分為粗對(duì)準(zhǔn)和精密對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)階段，粗對(duì)準(zhǔn)是根據(jù)光纖的外部輪廓進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，一般采用機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行初始定位，精密對(duì)準(zhǔn)是在粗對(duì)準(zhǔn)完成以后，在算法控制下以最大響應(yīng)電流為目標(biāo)的對(duì)準(zhǔn)耦合。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為普遍也最早使用的精密對(duì)準(zhǔn)算法是爬山法，爬山法是美國(guó)Newport公司提出的一種單自由度搜索算法[3]，但是光纖與光接收芯片的對(duì)準(zhǔn)涉及到多個(gè)自由度的調(diào)整，爬山法通過(guò)單個(gè)變量的交替輪換完成多自由度對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間隨著自由度數(shù)目的增加而增加，而且爬山法會(huì)經(jīng)常陷入局部極值點(diǎn)且難以克服多自由度之間交叉耦合的影響，容易造成搜索失敗。為解決這個(gè)問(wèn)題，提出將模式搜索法應(yīng)用于光纖與光接收芯片的精密對(duì)準(zhǔn)過(guò)程，模式搜索法可以多自由度同時(shí)進(jìn)行位置搜索，從而提高對(duì)準(zhǔn)效率。文章運(yùn)用爬山法和模式搜索法進(jìn)行了仿真并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，與爬山法相比，模式搜索法對(duì)于實(shí)現(xiàn)光纖與光接收芯片的多自由度對(duì)準(zhǔn)耦合，搜索速度更快，耦合成功率更高。

1 對(duì)準(zhǔn)耦合基本原理

如圖1所示，管芯中含光接收芯片（PD芯片），光纖插入適配器中，經(jīng)透鏡折射，光接收芯片將光纖中傳遞過(guò)來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，產(chǎn)生響應(yīng)電流，通過(guò)檢測(cè)管芯引腳上的電流就可以判斷芯片與光纖的耦合效果，在對(duì)準(zhǔn)耦合算法的控制下，光纖與光接收芯片對(duì)準(zhǔn)至最大響應(yīng)電流位置處，然后經(jīng)過(guò)點(diǎn)膠、固化等工序完成光電探測(cè)器模塊的封裝。自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的目的是在算法的控制下實(shí)現(xiàn)光纖與光接收芯片的亞微米級(jí)對(duì)準(zhǔn)，使各個(gè)自由度上的偏差最小化，完成從零到最大響應(yīng)電流位置的搜索定位，使得耦合效率最大。

圖1 光電探測(cè)器耦合模型

光電探測(cè)器模塊的封裝制造過(guò)程中，光纖與光接收芯片之間的耦合損耗可分為三種：傳輸損耗、模場(chǎng)匹配損耗和對(duì)準(zhǔn)偏差損耗（包括橫向位錯(cuò)損耗、縱向位錯(cuò)損耗以及軸向角度損耗）[4]，前兩項(xiàng)損耗主要取決于器件本身的制造誤差，而對(duì)準(zhǔn)偏差損耗則取決于光纖與芯片之間的對(duì)準(zhǔn)是否準(zhǔn)確，本文中只討論對(duì)準(zhǔn)偏差損耗。在光纖與芯片的耦合對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中，光纖的實(shí)際位置和理想位置如圖2所示，光纖與芯片的對(duì)準(zhǔn)偏差為光纖軸線與坐標(biāo)軸的角度偏差θx、θy，垂直于光纖軸線的橫向偏差ΔX、ΔY以及平行于光纖軸線的縱向偏差ΔZ，這些偏差將大大降低光纖與光接收芯片的耦合效率，從而導(dǎo)致模塊性能劣化甚至封裝失敗。

圖2 光纖與光接收芯片五自由度對(duì)準(zhǔn)

圖3為自行研制的光纖與光接收芯片自動(dòng)耦合系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)的核心部分是自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)，包括五個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)：X、Y、Z、θx、θy，各運(yùn)動(dòng)平臺(tái)都由兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。光功率計(jì)（Optical power meter）檢測(cè)PD芯片上產(chǎn)生的響應(yīng)電流，系統(tǒng)在對(duì)準(zhǔn)算法的控制下隨時(shí)進(jìn)行響應(yīng)電流的檢測(cè)和監(jiān)控，以最大響應(yīng)電流為目標(biāo)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)耦合。

2 對(duì)準(zhǔn)算法原理

2.1 爬山法

圖3 光纖與光接收芯片耦合對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

爬山法是有源光纖器件自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)領(lǐng)域的傳統(tǒng)控制算法，是一種尋找局部最優(yōu)的方法。從初始搜索位置開(kāi)始，當(dāng)算法搜索到一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與前后兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的值進(jìn)行比較，若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的值最大，那么則認(rèn)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為峰值，否則，就將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到最大值處的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行搜索，如此循環(huán)下去，找到最大值。

應(yīng)用爬山法進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)耦合的具體步驟如圖4中所示：根據(jù)設(shè)定的初始步長(zhǎng)和初始方向搜索到一個(gè)峰值，為了判斷該峰值是否為局部峰值，繼續(xù)沿當(dāng)前搜索方向搜索N個(gè)步長(zhǎng)至檢測(cè)點(diǎn)，如果在搜索的N個(gè)步長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)中有比剛剛找到的峰值更大的電流值，則將剛剛找到的峰值判定為局部峰值（Local Peak），此時(shí)需要繼續(xù)向前搜索，直至找到最大峰值；當(dāng)找到最大峰值后，以一定的比例（縮減因子）縮減當(dāng)前步長(zhǎng)后向反方向搜索，同樣的，當(dāng)找到峰值后繼續(xù)向前搜索至新的檢測(cè)點(diǎn)，確定沒(méi)有出現(xiàn)更高的電流值后再反向搜索，不停重復(fù)以上步驟，當(dāng)步長(zhǎng)縮減至搜索精度（最小搜索步長(zhǎng)）或響應(yīng)電流達(dá)到預(yù)設(shè)的搜索目標(biāo)后，停止搜索，當(dāng)前找到的峰值即為實(shí)際峰值（Absolute Peak），完成整個(gè)搜索[4～8,10～12]。

圖4 爬山法原理圖

2.2 模式搜索法

模式搜索法（Hooke-Jeeves方法）是Hooke和Jeeves于1961年提出的一種位置搜索算法。與爬山法相比，模式搜索法能夠多個(gè)自由度同時(shí)進(jìn)行迭代搜索最大值，并且可以保證迭代方向逐步逼近最大點(diǎn)，更適合光纖與芯片的多自由度對(duì)準(zhǔn)。

以X和Y兩個(gè)自由度的搜索為例，應(yīng)用模式搜索法進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)耦合的具體步驟如圖5所示。假設(shè)從A1位置處開(kāi)始搜索，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的初始步長(zhǎng)，從A1即第一個(gè)基點(diǎn)位置處開(kāi)始沿X和Y方向進(jìn)行探測(cè)移動(dòng)，得到第二個(gè)基點(diǎn)A2，從A1探測(cè)移動(dòng)到A2的條件是A2處的響應(yīng)電流比A1處的更大；然后，沿著A1→A2的矢量方向前進(jìn)一步到B1，步長(zhǎng)是A1到A2的距離，這一次的移動(dòng)叫做模式移動(dòng)；隨后，從B1處再進(jìn)行探測(cè)移動(dòng)，如此反復(fù)迭代，直到無(wú)論朝哪個(gè)方向的探測(cè)移動(dòng)后當(dāng)前基點(diǎn)的響應(yīng)電流都比上一基點(diǎn)處的?。ㄈ鐖D5中的A5），那么這一次的模式移動(dòng)和探測(cè)移動(dòng)都是無(wú)效的，退回到上一基點(diǎn)A4，以一定的比例（縮減因子）縮減當(dāng)前步長(zhǎng)后重新開(kāi)始上述搜索過(guò)程；最后，當(dāng)步長(zhǎng)達(dá)到搜索精度（最小搜索步長(zhǎng)）或響應(yīng)電流達(dá)到預(yù)設(shè)的搜索目標(biāo)后，完成整個(gè)搜索[4～12]。

圖5 兩個(gè)自由度的模式搜索法

模式搜索法在X和Y兩個(gè)自由度同時(shí)進(jìn)行探測(cè)移動(dòng)，然后沿著探測(cè)移動(dòng)前后兩個(gè)基點(diǎn)的矢量方向進(jìn)行模式移動(dòng)。相對(duì)爬山法而言，模式搜索法搜索速度快，而且能夠克服多自由度之間交叉耦合的影響，更適合用于光纖與芯片的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題中。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1 數(shù)學(xué)模型

光纖與光接收芯片耦合效率的計(jì)算主要基于高斯光束傳播理論[13]。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假定相位完全匹配，僅考慮對(duì)準(zhǔn)耦合損耗的影響，可以得出光電探測(cè)器的耦合效率計(jì)算公式[14]為：

3.2 仿真參數(shù)

為了比較爬山法和模式搜索法兩種算法的差異，需進(jìn)行仿真對(duì)比。設(shè)置同一初始條件，比較兩種算法的搜索速度和迭代次數(shù)，算法的終止搜索條件是上述式(1)中的耦合效率達(dá)到99%。光纖中傳輸光的波長(zhǎng)λ=1310nm，R0=5μm，感光半徑Rf=25μm。

現(xiàn)對(duì)一些重要參數(shù)進(jìn)行初始賦值：

1）初始對(duì)準(zhǔn)誤差設(shè)置為：dx和dy設(shè)為50μm，z設(shè)為50μm，θx和θy設(shè)為5°；

2）初始步長(zhǎng)：算法開(kāi)始搜索時(shí)移動(dòng)的步長(zhǎng)，X、Y、Z軸設(shè)為5μm，θx、θy設(shè)為1°；

3）縮減因子：搜索到峰值后，需縮減步長(zhǎng)在小范圍內(nèi)尋找最大峰值，縮減因子即為步長(zhǎng)縮減的比例，設(shè)為0.5；

4）檢測(cè)點(diǎn)：爬山法搜索到一個(gè)峰值后要繼續(xù)向前搜索的步數(shù)，設(shè)為12步；

5）搜索精度：運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的最小搜索步長(zhǎng)，即為分辨率，線性運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的分辨率為0.1μm，角度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的分辨率為0.001°。

3.3 仿真結(jié)果

根據(jù)上面設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行模擬仿真，圖6為分別使用爬山法和模式搜索法的耦合效率變化曲線。如圖6所示，使用模式搜索法只需進(jìn)行18次迭代就可以達(dá)到目標(biāo)耦合效率，而爬山法則需要搜索90步，而且，模式搜索法的搜索過(guò)程也非常簡(jiǎn)潔明了。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6 不同搜索算法耦合效率仿真結(jié)果對(duì)比

為了實(shí)際對(duì)比爬山法和模式搜索法兩種算法的搜索效果，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為50組適配器與管芯器件，以及一根光纖。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，角度偏差對(duì)耦合結(jié)果影響不大，因而實(shí)驗(yàn)中只考慮橫向位錯(cuò)和縱向位錯(cuò)引起的耦合損耗。搜索的過(guò)程為：為了保證兩種算法都從相同的起點(diǎn)位置開(kāi)始三自由度搜索，對(duì)于每一組器件，首先手動(dòng)找到最大響應(yīng)電流的耦合位置，然后將夾持光纖適配器的夾具沿著X、Y、Z方向偏離一定的距離，分別進(jìn)行50次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，設(shè)置響應(yīng)電流的目標(biāo)值為0.9μA。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。結(jié)果表示，模式搜索法的耦合成功率達(dá)到了92%，而爬山法只有58%，前者成功率比后者提高了34%，而且，模式搜索法在搜索速度上也有很大的優(yōu)勢(shì)。

表1 爬山法與模式搜索法實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)論

在光電探測(cè)器模塊的耦合封裝中，光纖與光接收芯片的對(duì)準(zhǔn)精度是決定器件質(zhì)量的最重要因素之一。本文從耦合成功率和耦合速度的角度出發(fā)，對(duì)光纖與光接收芯片的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)算法進(jìn)行了研究，可以實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)；提出將模式搜索法應(yīng)用到光纖與光接收芯片的精密對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中，可以進(jìn)行多個(gè)自由度的同時(shí)搜索，而且還能夠克服多自由度交叉耦合的影響。結(jié)果證明，與傳統(tǒng)的爬山法相比，使用模式搜索法，光纖與光接收芯片的對(duì)準(zhǔn)速度和成功率都大大提高，對(duì)于X、Y、Z三自由度的對(duì)準(zhǔn)耦合，使用模式搜索法的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間在25s以內(nèi)，對(duì)準(zhǔn)成功率也提高到了90%以上。