光電探測器與單模光纖精確對準算法研究

戚媛婧，顏 科，周雄鋒

（中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083）

0 引言

光纖有源器件是光纖通信系統的核心器件之一，主要包括光源、光探測器、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工藝流程中，對器件成品率影響最大的是對準耦合與固定工序。目前，國內很多光纖器件生產制造廠商仍依賴手工組裝，產量低，模塊質量一致性低，生產效率低，人力成本高，極大地阻礙了光通信行業的發展，因此，光纖器件對準耦合的自動化是提高生產效率、降低企業制造成本的關鍵技術。

現有的光電探測器，是將半導體光接收器通過封裝工藝，制造成具有光通信標準接口的產品，封裝工藝中的關鍵步驟之一為光纖與光接收芯片的對準耦合。對準過程可分為粗對準和精密對準兩個階段，粗對準是根據光纖的外部輪廓進行對準，一般采用機器視覺進行初始定位，精密對準是在粗對準完成以后，在算法控制下以最大響應電流為目標的對準耦合。目前國內外應用最為普遍也最早使用的精密對準算法是爬山法，爬山法是美國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準涉及到多個自由度的調整，爬山法通過單個變量的交替輪換完成多自由度對準，對準時間隨著自由度數目的增加而增加，而且爬山法會經常陷入局部極值點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。為解決這個問題，提出將模式搜索法應用于光纖與光接收芯片的精密對準過程，模式搜索法可以多自由度同時進行位置搜索，從而提高對準效率。文章運用爬山法和模式搜索法進行了仿真并和實驗結果進行了對比，結果表明，與爬山法相比，模式搜索法對于實現光纖與光接收芯片的多自由度對準耦合，搜索速度更快，耦合成功率更高。

1 對準耦合基本原理

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，經透鏡折射，光接收芯片將光纖中傳遞過來的光信號轉換為電信號，產生響應電流，通過檢測管芯引腳上的電流就可以判斷芯片與光纖的耦合效果，在對準耦合算法的控制下，光纖與光接收芯片對準至最大響應電流位置處，然后經過點膠、固化等工序完成光電探測器模塊的封裝。自動對準的目的是在算法的控制下實現光纖與光接收芯片的亞微米級對準，使各個自由度上的偏差最小化，完成從零到最大響應電流位置的搜索定位，使得耦合效率最大。

圖1 光電探測器耦合模型

光電探測器模塊的封裝制造過程中，光纖與光接收芯片之間的耦合損耗可分為三種：傳輸損耗、模場匹配損耗和對準偏差損耗（包括橫向位錯損耗、縱向位錯損耗以及軸向角度損耗）[4]，前兩項損耗主要取決于器件本身的制造誤差，而對準偏差損耗則取決于光纖與芯片之間的對準是否準確，本文中只討論對準偏差損耗。在光纖與芯片的耦合對準過程中，光纖的實際位置和理想位置如圖2所示，光纖與芯片的對準偏差為光纖軸線與坐標軸的角度偏差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準

圖3為自行研制的光纖與光接收芯片自動耦合系統的示意圖。該系統的核心部分是自動對準平臺，包括五個自由度的運動：X、Y、Z、θx、θy，各運動平臺都由兩相步進電機驅動。光功率計（Optical power meter）檢測PD芯片上產生的響應電流，系統在對準算法的控制下隨時進行響應電流的檢測和監控，以最大響應電流為目標進行對準耦合。

2 對準算法原理

2.1 爬山法

圖3 光纖與光接收芯片耦合對準系統

爬山法是有源光纖器件自動對準領域的傳統控制算法，是一種尋找局部最優的方法。從初始搜索位置開始，當算法搜索到一個節點時，會將當前節點與前后兩個相鄰節點的值進行比較，若當前節點的值最大，那么則認為當前節點為峰值，否則，就將當前節點移動到最大值處的節點繼續進行搜索，如此循環下去，找到最大值。

應用爬山法進行對準耦合的具體步驟如圖4中所示：根據設定的初始步長和初始方向搜索到一個峰值，為了判斷該峰值是否為局部峰值，繼續沿當前搜索方向搜索N個步長至檢測點，如果在搜索的N個步長所對應的各個節點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），此時需要繼續向前搜索，直至找到最大峰值；當找到最大峰值后，以一定的比例（縮減因子）縮減當前步長后向反方向搜索，同樣的，當找到峰值后繼續向前搜索至新的檢測點，確定沒有出現更高的電流值后再反向搜索，不停重復以上步驟，當步長縮減至搜索精度（最小搜索步長）或響應電流達到預設的搜索目標后，停止搜索，當前找到的峰值即為實際峰值（Absolute Peak），完成整個搜索[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自由度同時進行迭代搜索最大值，并且可以保證迭代方向逐步逼近最大點，更適合光纖與芯片的多自由度對準。

以X和Y兩個自由度的搜索為例，應用模式搜索法進行對準耦合的具體步驟如圖5所示。假設從A1位置處開始搜索，根據預先設定的初始步長，從A1即第一個基點位置處開始沿X和Y方向進行探測移動，得到第二個基點A2，從A1探測移動到A2的條件是A2處的響應電流比A1處的更大；然后，沿著A1→A2的矢量方向前進一步到B1，步長是A1到A2的距離，這一次的移動叫做模式移動；隨后，從B1處再進行探測移動，如此反復迭代，直到無論朝哪個方向的探測移動后當前基點的響應電流都比上一基點處的小（如圖5中的A5），那么這一次的模式移動和探測移動都是無效的，退回到上一基點A4，以一定的比例（縮減因子）縮減當前步長后重新開始上述搜索過程；最后，當步長達到搜索精度（最小搜索步長）或響應電流達到預設的搜索目標后，完成整個搜索[4～12]。

圖5 兩個自由度的模式搜索法

模式搜索法在X和Y兩個自由度同時進行探測移動，然后沿著探測移動前后兩個基點的矢量方向進行模式移動。相對爬山法而言，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對準問題中。

3 仿真與實驗

3.1 數學模型

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

3.2 仿真參數

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

現對一些重要參數進行初始賦值：

1）初始對準誤差設置為：dx和dy設為50μm，z設為50μm，θx和θy設為5°；

2）初始步長：算法開始搜索時移動的步長，X、Y、Z軸設為5μm，θx、θy設為1°；

3）縮減因子：搜索到峰值后，需縮減步長在小范圍內尋找最大峰值，縮減因子即為步長縮減的比例，設為0.5；

4）檢測點：爬山法搜索到一個峰值后要繼續向前搜索的步數，設為12步；

5）搜索精度：運動平臺的最小搜索步長，即為分辨率，線性運動平臺的分辨率為0.1μm，角度運動平臺的分辨率為0.001°。

3.3 仿真結果

根據上面設置的參數進行模擬仿真，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行18次迭代就可以達到目標耦合效率，而爬山法則需要搜索90步，而且，模式搜索法的搜索過程也非常簡潔明了。

3.4 實驗結果與分析

圖6 不同搜索算法耦合效率仿真結果對比

為了實際對比爬山法和模式搜索法兩種算法的搜索效果，進行了實驗研究，實驗對象為50組適配器與管芯器件，以及一根光纖。根據實際經驗的總結，角度偏差對耦合結果影響不大，因而實驗中只考慮橫向位錯和縱向位錯引起的耦合損耗。搜索的過程為：為了保證兩種算法都從相同的起點位置開始三自由度搜索，對于每一組器件，首先手動找到最大響應電流的耦合位置，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，分別進行50次對比實驗，設置響應電流的目標值為0.9μA。實驗結果如表1所示。結果表示，模式搜索法的耦合成功率達到了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勢。

表1 爬山法與模式搜索法實驗對比結果

4 結論

在光電探測器模塊的耦合封裝中，光纖與光接收芯片的對準精度是決定器件質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，對光纖與光接收芯片的自動對準算法進行了研究，可以實現快速自動對準；提出將模式搜索法應用到光纖與光接收芯片的精密對準過程中，可以進行多個自由度的同時搜索，而且還能夠克服多自由度交叉耦合的影響。結果證明，與傳統的爬山法相比，使用模式搜索法，光纖與光接收芯片的對準速度和成功率都大大提高，對于X、Y、Z三自由度的對準耦合，使用模式搜索法的對準時間在25s以內，對準成功率也提高到了90%以上。