专利名称：基于多目标演化算法的波导－光纤自动调芯法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于多目标演化算法的波导-光纤自动调芯法及装置，属于光通信领域中、集成光波导器件与单模光纤列阵的自动连接技术和封装技术领域。
背景技术：
近年来，在光通信干线网的超高速传输实验、以及接入网的光纤到户技术中，越来越多地采用了光波导器件。在光纤网络中导入光波导器件，必须解决光纤和光波导的连结封装。其中要解决的一个关键技术是光波导器件与光纤列阵的低损耗对接。国际上的先进指标是每端损耗低于0.15dB。要达到这一指标，一方面要求光波导的模场分布尽可能与光纤的一致，另一方面必须要求光波导与光纤的光轴对准精度控制在0.1μm以下。
利用高精度调整架采用常规手动操作，技术要求很高，特别是在耦合进入0.3dB后，作为操作判据的微变信号精确测试是技术关键，相应的微操作十分困难，因此效率很低、重复性很差。采用自动化技术实现光波导与光纤之间的高效率、低损耗对接耦合是一种有效的手段，常规自动调芯方法沿袭手动操作的思路，通过扫描微调波导光轴与光纤光轴的相对位置来获得尽可能大的耦合效率。相关的专利文献有a)光波导器件和光纤阵列的自动对准及其通道能量均衡技术(武汉光讯科技有限公司，申请号02115963.7，公开号1383012)b)一种用于光波导器件和光纤阵列自动对准的方法(武汉光讯科技有限公司，申请号02115964.5，公开号1383005)常规自动调芯方法依赖于对微变信号的精确测试，不仅要求调节架的导轨有非常高的走行精度，还要求探测器有很高的灵敏度。一般情况下，由于精度原因和各种随机误差，常常导致调芯的重复性不好。
近年报道了一种新的质心调芯法用于解决这个问题，该方法避开直接寻找峰值位置，采用测量计算峰值附近的耦合效率分布的质心来确定峰值位置。从原理上克服了常规调芯过程依赖于对微变信号精确测试的困难。相关的专利文献有c)波导-光纤自动对接的质心调芯法及其所用自动调芯装置(上海理工大学，专利号ZL03129249.6)该系统的工作原理建立在光信号的反馈伺服基础上，表现出很强的逻辑性。必须通过初调使得光纤-波导-光纤间实现通光，计算机与功率计间的反馈通道进入可运行状态时，自动调芯程序方能生效。初调通光工作仍然需要人工操作来完成，这个工作对操作人员的技术要求很高，依赖操作者的熟练程度，时间无法一概而论。鉴此，最近提出了一种采用遗传算法的自动调芯系统，一个重要改善是初调通光实现了自动化，对人的依赖大幅减少。相关的专利文献有d)基于遗传算法的波导-光纤自动调芯法及其装置(上海理工大学，申请号200410018175.1)不过，尽管遗传法不受反馈处理的强逻辑性限制，允许采用空间各维的并行操作，但是每代种群须含数十～数百个个体，意味着每遗传一代至少须进行数十组并行操作，光纤列阵与光波导列阵调芯的寻优收敛需历经近100代的遗传，总的并行操作达数千组，费时要数十分钟。另外，列阵对接自动调芯涉及的是一个多目标优化问题，既要求各个通道有高的耦合效率，又希望各通道耦合效率之间有良好的均匀性。由于分立的列阵器件不可避免地存在通道间隔误差，实际调芯时，两个目标的实现过程常常是互相冲突的，不可能同时得到满足。两个指标中何重何轻由加权左右，但是权重比例的合理设定至今仍是一件困难事情，一般只能采用反复试调逐渐修正的方法。
发明内容
本发明为了解决上述遗传法自动调芯操作量过大、权重比例设定困难的技术问题，开发一种新的基于多目标演化算法的自动调芯方法及其适用于该方法的自动调芯装置。
本发明基于以下基本原理光通信系统中通常遇到的是单模波导列阵和单模光纤列阵之间的对接，在对接端面，通过本征模之间的功率耦合实现载波传输。波导与光纤之间填满了对工作波长吸收小且折射率匹配的待固化粘结剂，端面反射接近-50dB，可以忽略，单芯端面耦合效率理论上表现为熟知的导模场分布间的重叠积分。不失一般性，如图1所示，设条波导的光轴沿z方向，光纤光轴与条波导光轴间有一个角度偏差θ，两光轴心在垂直于z轴方向上有偏差Δx和Δy，光纤端面和波导端面沿z轴方向的间距为Δz。考虑到光波导制造工艺中一些不可预测的因素导致波导模场分布的不对称，用Wxo和Wyo分别表示单模波导导模在x和y方位上的束腰，光纤模的束腰为Wfo。单芯端面耦合效率η可表示为η＝ηx·ηy(1a)
ηx=2exp[-k2(Wfo2+Wxo2)θ22ηxo(Δz)-2ηxo(Δz)(Δx2Wfo2+(Δzθ-Δx)2Wxo2)]ηxo(Δz)...(1b)]]>ηy=2exp[-2Δy2ηyo(Δz)(1Wfo2+1Wyo2)]ηyo(Δz)...(1c)]]>式中ηxo(Δz)=(WxoWfo+WfoWxo)2+(2ΔzkWfoWxo)2...(2a)]]>ηyo(Δz)=(WyoWfo+WfoWyo)2+(2ΔzkWfoWyo)2...(2b)]]>这里，k是光波在波导与光纤之间的介质中的波数，与介质的折射率有关，反映了粘结剂的介电影响。耦合效率η随θ、Δx、Δy和Δz的减小而增大，当θ、Δx、Δy和Δz为零时，有最大耦合效率ηmax=1(WfoWxo+WxoWfo)(WfoWyo+WyoWfo)...(3)]]>此时若波导与光纤的模场分布完全相同，理论上式(3)给出100％的端面耦合效率。尽管实际情况不是如此理想，但理论分析指出一个原则，对于给定的光波导和光纤，要获得高的端面耦合效率，必须尽可能使两者的光轴对准且保持平行、两者的端面间隔应尽量小且填充适当的折射率匹配介质。
多通道列阵耦合在原理上是上述单芯耦合的推广，由于实际的波导列阵和光纤列阵在芯间距上不尽一致，不可能做到所有通道都同时获得最高的耦合效率，实用的折中办法是采用两个指标对调芯结果进行权衡评价，一个是所有通道的插入损耗之和是否足够小，另一个是所有通道中插入损耗最大值与最小值之差是否足够小，后者被用来定义均匀性。由于分立器件自身的损耗是确定的，进入调芯对接流程时，影响插入损耗的因素主要是端面耦合损耗，端面耦合损耗用端面耦合效率的分贝值来表示。
列阵调芯时能够实时监测所有通道的输出当然最好，但由于波导通道数随器件技术的发展不断增多、以及受封装系统成本的限制，调芯系统一般不配备大量的光功率计，实际现状是采用如图2例示的双芯调芯的方法，1×8波导分支耦合器与光纤列阵对接耦合时，取第2和第7路通道(亦可以是相隔一定距离的其它两路通道)的输出作为采样信号，其它通道的对接耦合靠分立器件各通道几何位置的精度来保证。对于0.1μm位置精度的光波导列阵和小于0.5μm位置精度的光纤列阵，采用双芯调芯方法实用上没有障碍。
由于多芯列阵的端面有较大的长宽比，端面间隔的微调必须与端面平行度相关联，要求端面间近乎平行，否则由于边端碰撞导致间隔微调不能进行。因此商用波导芯片或光纤列阵的光轴与其端面的垂直度偏差一般在0.2°以内，以保障波导光轴与光纤光轴之间的平行度可以通过调整两列阵端面之间的平行度来控制。出射端的端面间平行度和端面间距的调整涉及和θx、θy和z三维，列阵双芯对接涉及x、y和θz三维。在入射端，由于单光纤的圆对称性，θz的调整丧失意义。因此双芯自动调芯涉及的空间维数为11维，分别是处于波导芯片输入端一侧的、调整输入光纤芯位置的空间五维，以及处于波导芯片输出端一侧的、调整光纤列阵的定位光纤芯位置的空间六维。
多目标演化算法的导入列阵对接自动调芯涉及的是一个多目标优化问题，既要求各个通道有高的耦合效率，又希望各通道耦合效率之间有良好的均匀性。本发明涉及的多目标演化算法是一种基于稳定淘汰策略的、多目标进化的非劣解集算法，采用无支配排序规则对种群中的每个个体分配Pareto秩，个体按Pareto秩号分类后，对具有相同秩号的所有个体算出其拥挤距离，低Pareto秩号的个体意味着更趋近多个目标的综合要求，大拥挤距离的个体意味着更富多样性。与传统遗传算法相比，本发明不采用建立包含多个加权目标的单一适应度函数来评价种群中的个体，而是按个体的Pareto秩号及其拥挤距离的大小决定淘汰顺序，Pareto秩小且拥挤距离大的个体被赋予更多的繁衍机会。
为了提高收敛速度，寻优过程结合了多父代交叉和蚁群爬山法两个启发式。对M个亲代个体先用多父代交叉方法产生一个新的后代个体，组成一个M+1个个体的中间群体，按个体的Pareto秩号及其拥挤距离的大小淘汰一个末位个体后，再用实值变异方法产生一个新的后代个体，按相同判据淘汰一个末位个体，由此得到由M个个体组成的下一代种群。显然，本发明的方法付诸实用时，对每一代进化只需做两个个体的机器操作，操作量较传统遗传算法大幅减少，可显著提高自动调芯的效率。
导入多目标演化算法机理需要解决演化算法基因模型与实际调芯过程的映射，用演化算法模型中的个体概念描述实际调芯时波导光轴与光纤光轴之间某个空间相对方位；种群概念反映了所考虑的所有空间相对方位的集合。本发明的方法的好处是允许采用实数编码方案，不仅避免了二进制编码处理连续函数时存在的精度与搜索空间之间的矛盾，而且计算速度大大提高，因此用含有多个决策变量的实数数组来表示染色体，相当于物理空间的坐标。调芯过程期望达到的两个指标分别作为两个目标函数值。经过如此概念映射，列阵对接自动调芯对耦合效率和均匀性的寻优过程转化为多目标演化算法对两个目标函数值进行优化的过程。
取图2所示1×8波导分支耦合器与光纤列阵的对接耦合为例，双芯自动调芯涉及的空间维数是11维。一般地，在显微监视操作下，波导光轴与光纤光轴间的初始偏差容易控制在50μm之内，波导端面和光纤端面的间距容易控制在4μm之内，由此确定x轴和y轴参量的变化范围为[-50μm，50μm]，z轴参量的变化范围为
。取θz角的搜索范围为±5°。为了避免波导芯片与光纤列阵发生上下或左右的边端碰撞，θx角和θy角的搜索范围由下式-zmaxh≤sinθx≤zmaxh,-zmaxw≤sinθy≤zmaxw...(4)]]>决定，这里h、w和zmax分别是光纤列阵的厚度、宽度以及两端面间的最大间隔。
上述空间11维对应于演化算法的11个决策变量，一组11维的决策变量构成一个个体Ui，通过建立M个个体的集合形成种群。每个个体在调芯过程中对应产生相应的耦合效率，将耦合效率转化为上述两个目标函数值进行评价。由于实际操作时得到的是采样信号的光功率，它与插入损耗成反比，则均匀性直接用两个采样信号功率的差值来表示。两个目标函数分别用f1(Ui)＝-[P1(Ui)+P2(Ui)] (5)f2(Ui)＝|P1(Ui)-P2(Ui)|(6)定义，式中P1和P2分别是调芯位置处于由个体Ui规定的空间方位时、由两个采样通道测得的输出光功率，它们与输入光功率的比值采用分贝表示时即为插入损耗。显然P1和P2愈大，目标函数f1愈小；P1与P2的差异愈小，目标函数f2愈小。
种群中所有个体的Pareto秩的分配规则是设所考察的个体为Ui，若与另一个体Uj≠i存在如下目标函数值关系f1(Ui)＞f1(Uj≠i)and f2(Ui)≥f2(Uj≠i)(7)则个体Ui的Pareto秩号增加1，否则秩号增量为0。通过与Ui以外的所有个体逐个比较，累计得到个体Ui的Pareto秩号值。如此考察过程遍及所有个体，完成种群的个体按Pareto秩号的分类。显然，(7)式的判据以及秩号分配规则保证了低Pareto秩号的个体更具备双目标同时优化的倾向。对种群中具有相同秩号的个体，按以下规则计算拥挤距离把相同秩号下的k个个体Uj按f1(Um)＜f1(Um+1)m＝1，2，L，k-1.(8)f2(Un)＜f2(Un+1)n＝1，2，L，k-1.的顺序分别用过渡性的m下标和n下标排列，算出d1(Um)=∞at m=1or kf1(Um+1)-f1(Um-1)f1(Uk)-f1(U1)at m≠1or k...(9a)]]>d2(Un)=∞at n=1or kf2(Un+1)-f2(Un-1)f2(Uk)-f2(U1)at n≠1or k...(9b)]]>再将m下标排列和n下标排列分别对应回复到原来的i下标排列，于是每个个体Ui由此得一对d1(Ui)和d2(Ui)。个体Ui的拥挤距离定义为d(Ui)＝d1(Ui)+d2(Ui) (10)上述过程遍历种群中所有个体。显然，这里的拥挤距离是指由两个目标维数决定的两维空间中、种群中的某个被考察个体与其同秩号相邻个体之间的空间距离的估算。拥挤距离大的个体，它的两个目标函数值与同秩号相邻个体的两个目标函数值的差异大，因此对种群中同秩号个体的多样性贡献大。物理上，多样性有助于调芯过程避免陷入次优的局部收敛。总之，对于种群中的任意两个个体，秩号小的个体优于秩号大的个体；对于秩号相同的两个个体，拥挤距离大的个体优于拥挤距离小的个体。至此用Pareto秩和拥挤距离两个参数完成了对一代种群中所有个体的评价。
种群的遗传由交叉、变异和淘汰等三个步骤来完成。交叉和变异影响进化是否收敛、以及收敛的速度。参与交叉的个体愈多，进化收敛至最优的可能性愈大；参与交叉的个体的优劣评价愈排前，收敛速度愈快。为此采用多父代交叉，从当前大小为M的种群中选择m个评价排前的个体，由以下的交叉操作U0=Σi=1maiUi...(11)]]>得到一个新个体U0，这里权重系数满足Σi=1mai=1,-0.5≤ai≤1.5...(12)]]>的关系。新个体U0与原M个个体构成一个大小为M+1的过渡种群，算出新个体U0的Pareto秩以及拥挤距离，按这两个指标淘汰末位个体后，重新得到一个大小为M的新种群。为了进一步增加种群多样性和加快收敛速度，再做实值变异操作，从新种群中随机选取一个个体，通过实值变异，增加一个在父个体附近的新个体，再次构成大小为M+1的过渡种群。类似地通过计算、比较Pareto秩以及拥挤距离，淘汰末位个体后，方得一个大小为M的下一代种群。采用如此的蚁群爬山法，通过一代一代的交叉、变异、稳定淘汰等基因操作，不断进化，直至到达设定的最大进化代数为止。最大进化代数的大小与多目标演化算法的收敛特性有关，可以参考试验运行的结果或参考数值仿真试验的结果来确定，本发明取最大进化代数为大于或等于35。
数值仿真以图2给出的对接系统作为仿真模型，采样光纤是第2和第7通道，为了突出端面耦合效率，不失一般性，忽略1×8波导分支耦合器的传输损耗、弯曲损耗和Y分支耦合损耗，这个模型在端面耦合效率达100％的理想情况下，波导分支耦合器各通道的插入损耗等于9.031dB的1分8原理损耗。取1550nm波长下常规单模光纤的束腰Wfo＝5.63μm，石英单模条波导的模场非对称因子α＝1-(Wxo/Wyo)一般在0.1％量级，这里按0.4％取相对折射率差Δ＝0.3％的石英单模条波导的束腰Wyo＝5.63μm、Wxo＝5.61μm，输入光功率为0dBm。初始种群用完全随机的方法产生，种群大小为30。
为了把握多目标演化调芯过程的收敛特性，先考虑光纤列阵和波导列阵的芯间隔均为250μm的理想情况，第2和第7采样光纤之间的间距为1250μm。波导两端面与输入/输出光纤列阵端面之间的间隙内填充的介质参照BP300紫外粘结剂的参数，1550nm波长上的折射率为1.444，与石英的折射率差小于0.01，透过率为98％/mm。做了10次重复仿真，每次遗传100代，初始种群采用随机方法生成。仿真结果列于表1，两芯插入损耗平均值为9.042dB，扣除原理损耗，端面耦合损耗平均值约为0.011dB。由于设定了光纤和波导的表1.理想间距的光纤列阵与波导列阵双芯对接耦合仿真结果。
通道间距相等，均匀性误差为0dB。图3给出了其中一次仿真的收敛进程，早期收敛非常迅速，大约经过35代进化即可进入小于9.1dB的区域，搜索效率和收敛性都很好。
实际产品中，波导列阵由于采用光刻技术制备，列阵间距有很好的精度，光纤列阵的制备采用刻V形槽后掩埋光纤的工艺，列阵间距的精密控制较困难，表2给出了用列阵芯距测试仪实测的一个石英基板V形槽8芯光纤列阵的芯中心的位置分布数据，与250μm理论间距比较，最大误差＜0.35μm。结合实际情况，用表2的实测数据替代理想光纤列阵，做了表2. 8芯光纤列阵芯中心位置实测值。
多目标演化算法的双芯自动对接仿真，表3归纳了10次仿真的结果，进化100代时对应的通道2和通道7的插入损耗的平均值分别是9.050dB和9.085dB。
表3.实测光纤列阵与波导列阵双芯对接耦合仿真结果。
与理想情况相比，分别增加了0.008dB和0.043dB，反映了光纤列阵芯距误差的影响。选择表3中第1次仿真得到的耦合位置，计算了8个通道的插入损耗，结果示于图4。8个通道的插入损耗的平均值为9.072dB，扣除原理损耗，端面耦合损耗平均值约为0.041dB，表征均匀性指标的最大值与最小值的差为0.054dB，满足实用要求。上述结果为多目标演化算法自动调芯系统提供了理论依据。
基于上述原理，一种多目标演算法的波导-光纤自动调芯法，其特点是，方法步骤为1.建立波导-光纤自动调芯物理参数与多目标演化算法模型之间的映射，其中调芯时波导光轴与光纤光轴之间某个空间相对位置和方向对应多目标演化算法模型中的个体，上述空间相对位置和方向的集合对应多目标演化算法模型中的种群，空间坐标轴参量对应多目标演化算法模型中的染色体，调芯过程测得的两个或两个以上波导通道的光功率之和对应多目标演化算法模型中的第一个目标函数f1，调芯过程测得的两个或两个以上波导通道的光功率的最大值和最小值之差对应多目标演化算法模型中的第二个目标函数f2；2.光纤列阵-光波导-光纤列阵系统初调确认采用计算机控制、步进电机驱动的方式调整输入用单模光纤列阵和输出用单模光纤列阵，使之分别与光波导输入端口和输出端口的对准偏差在±50μm范围内；3.用完全随机的方法产生初始种群Q(t＝0)，这里t代表进化代数，种群中个体的数目为30或30以上，设定最大进化代数≥35；4.对每个个体计算其目标函数值输入用单模光纤列阵和输出用单模光纤列阵按每个个体的规定用指定的方向姿态进入指定的空间位置，并读取和记录保存两个或两个以上波导通道的光功率值，该过程按个体顺序依次进行，利用所述测得的光功率值计算每个个体的两个目标函数值f1和f2；5.根据每一个个体的两个目标函数值计算每一个个体的Pareto秩，对Pareto秩相同的个体计算其拥挤距离；6.按照Pareto秩号小的个体优于Pareto秩号大的个体、Pareto秩号相同的两个个体中拥挤距离大的个体优于拥挤距离小的个体的原则，完成对一代种群中所有个体的评价；7.采用交叉、变异和末位淘汰三个步骤产生下一代种群，上述过程迭代进行，直至到达设定的最大进化代数为止，完成一次波导-光纤自动调芯过程。
一种基于多目标演化算法的波导-光纤自动调芯法所用的自动调芯装置，其特征在于所述装置包括抗震平台、光波导支架、两套精密六维调节架、两台驱动器、两套监测系统、激光源、光功率计和计算机，光波导芯片被固定于所述光波导支架上，该光波导支架可在x、y、z三维实现手动调整，所述两套精密六维调节架分别用于固定和调整输入用和输出用光纤列阵的空间方位、并分别位于所述光波导支架的两侧，所述两套监测系统分别位于光波导支架的上方和正前方，所述光波导支架、两套精密六维调节架和两套监测系统均固定安装在所述抗震平台上。
本发明的有益效果是本发明提供的多目标演化算法自动调芯方法及其调芯装置，从机理上改进了现行自动调芯方法的不足。本发明的显著效果表现在与常规遗传法自动调芯比较，机器操作次数大幅减少，且无需人为参与目标权重的设定，显著提高了可操作性，有效地提高了实现光纤列阵-波导器件-光纤列阵系统低损耗快速对接耦合的自动化程度和工作效率。
图1为单模光纤和单模条波导的端面耦合的解析模型图；图2为1×8波导Splitter与光纤列阵的对接耦合图；图3.为多目标演化算法调芯数值仿真进程曲线图；图4为8个通道的插入损耗图；图5为多目标演化算法自动调芯流程图；图6为自动调芯系统的结构框架图。
具体实施例方式
一种多目标演算法的波导-光纤自动调芯法，其特点是，方法的具体步骤为1.建立波导-光纤自动调芯物理参数与多目标演化算法模型之间的映射，其中调芯时波导光轴与光纤光轴之间某个空间相对位置和方向对应多目标演化算法模型中的个体，上述空间相对位置和方向的集合对应多目标演化算法模型中的种群，空间坐标轴参量对应多目标演化算法模型中的染色体，调芯过程测得的两个或两个以上波导通道的光功率之和对应多目标演化算法模型中的第一个目标函数f1，调芯过程测得的两个或两个以上波导通道的光功率的最大值和最小值之差对应多目标演化算法模型中的第二个目标函数f2；2.光纤列阵-光波导-光纤列阵系统初调确认采用计算机控制、步进电机驱动的方式调整输入用单模光纤列阵和输出用单模光纤列阵，使之分别与光波导输入端口和输出端口的对准偏差在±50μm范围内；3.用完全随机的方法产生初始种群Q(t＝0)，这里t代表进化代数，种群中个体的数目为30或30以上，设定最大进化代数≥35；
4.对每个个体计算其目标函数值输入用单模光纤列阵和输出用单模光纤列阵按每个个体的规定用指定的方向姿态进入指定的空间位置，并读取和记录保存两个或两个以上波导通道的光功率值，该过程按个体顺序依次进行，利用所述测得的光功率值计算每个个体的两个目标函数值f1和f2；5.根据每一个个体的两个目标函数值计算每一个个体的Pareto秩，对Pareto秩相同的个体计算其拥挤距离；6.按照Pareto秩号小的个体优于Pareto秩号大的个体、Pareto秩号相同的两个个体中拥挤距离大的个体优于拥挤距离小的个体的原则，完成对一代种群中所有个体的评价；7.采用交叉、变异和末位淘汰三个步骤产生下一代种群，上述过程迭代进行，直至到达设定的最大进化代数为止，完成一次波导-光纤自动调芯过程。
所述步骤1中所述的空间坐标轴参量为空间11维，包括输入端一侧除了绕光纤光轴转动以外的5维和输出端一侧的6维，该11维坐标变量用实数数组来编码。
所述步骤1中所述的任意第i个个体由上所述的、用任意第i个实数数组编码的11维坐标变量Ui构成。
所述步骤1中所述的第一个目标函数f1(Ui)和第二个目标函数f2(Ui)分别由以下二式得到f1(Ui)＝-[P1(Ui)+P2(Ui)]f2(Ui)＝|P1(Ui)-P2(Ui)|式中，P1(Ui)和P2(Ui)分别是调芯位置处于由个体Ui规定的空间方位时、由两个采样通道测得的输出光功率。
所述步骤5中所述的个体的Pareto秩由以下规则计算得到对于任意第i个个体Ui，若与另一个体Uj≠i存在如下目标函数值关系f1(Ui)＞f1(Uj≠i)以及f2(Ui)≥f2(Uj≠i)那么，个体Ui的Pareto秩号增加1，否则秩号增量为0。按这个规则，通过与Ui以外的所有个体逐个比较，累计得到个体Ui的Pareto秩号值。
所述步骤5中所述的个体的拥挤距离由以下规则计算得到对种群中具有相同秩号的个体，把相同秩号下的k个个体Ui按
f1(Um)＜f1(Um+1)m＝1，2，L，k-1.
f2(Un)＜f2(Un+1)n＝1，2，L，k-1.
的顺序分别用过渡性的m下标和n下标排列，算出 再将m下标排列和n下标排列分别对应回复到原来的i下标排列，于是每个个体Ui由此得一对d1(Ui)和d2(Ui)，个体Ui的拥挤距离d(Ui)由下式得到d(Ui)＝d1(Ui)+d2(Ui)所述步骤7中所述的末位淘汰是指剔除Pareto秩号最大的个体群中、拥挤距离最小的个体。
所述步骤7中所述的交叉由以下规则计算得到按照Pareto秩号小的个体优于Pareto秩号大的个体、Pareto秩号相同的两个个体中拥挤距离大的个体优于拥挤距离小的个体的原则，从当前大小为M的种群中选择m个评价排前的个体，由以下计算U0=Σi=1maiUi]]>得到一个新个体U0，式中权重系数ai满足Σi=1mai=1,-0.5≤ai≤1.5]]>的关系，新个体U0与原M个个体构成一个大小为M+1的过渡种群，按上述5的规则算出新个体U0的Pareto秩以及拥挤距离，按上述7的规则淘汰末位个体后，重新得到一个大小为M的新种群。
所述步骤7中所述的变异由以下规则得到从上述得到的新种群中随机选取一个个体，采用实数值改变所述的该个体的实值编码，由此增加一个在父代个体附近的新个体，再次构成大小为M+1的过渡种群。按上述Pareto秩和个体的拥挤距离的计算规则得到该过渡种群中所有个体的Pareto秩以及拥挤距离，按照末位淘汰规则淘汰末位个体后，得到一个个体数量为M的下一代种群。
具体实施的调芯过程概括为在显微摄像监测下调整两端的单模光纤列阵，使之与光波导器件的输入/输出波导基本对准，然后启动以下程序如图5所示。
基于多目标演化算法的波导-光纤自动调芯装置的结构如图6所示，包括抗震平台、光波导支架、两套精密六维调节架、两台驱动器、两套监测系统、激光源、光功率计和计算机，光波导芯片被固定于所述光波导支架上，该光波导支架可在x、y、z三维实现手动调整，所述两套精密六维调节架分别用于固定和调整输入用和输出用光纤列阵的空间方位、并分别位于所述光波导支架的两侧，所述两套监测系统分别位于光波导支架的上方和正前方，所述光波导支架、两套精密六维调节架和两套监测系统均固定安装在所述抗震平台上。
光波导芯片被固定于中间的光波导支架上，该光波导支架可在x、y、z三维实现手动调整。两侧两台精密六维调节架分别置于光波导支架的左右两侧，分别用于固定和调整输入光纤列阵和输出光纤列阵的空间方位。精密六维调节架的x、y、z三维移动轴和绕移动轴转动的θx、θy、θz三维转动轴均由步进电机驱动。x、y、z三维移动轴的最小移动量为0.05μm，θx转动轴的最小转动量为0.0030度，θy转动轴的最小转动量为0.0032度，θz转动轴的最小转动量为0.0025度。两台驱动器用于驱动两台精密六维调节架的步进电机，驱动器通过GPIB接口与计算机相连，可用软件编程进行控制。监测系统由两套沿x、y直交布置的CCD显微镜及其微调架、显示器和照明冷光源组成，用于初调整时的显微观察。激光源用以提供稳定的工作光波，激光源的输出接口与光纤对接。光功率计用于探测输出光纤的输出光功率，配有两个输入接口，可同时测试来自于两根光纤的输出功率。光功率计置有GPIB接口，与计算机连接实现通信。指令系统由计算机担当，根据软件编程控制调芯操作，实时接受光功率计探测得到的光功率信号，实时完成判别、记忆和反馈操作。系统软件用VB语言编制。
实施例1.单芯光纤-条波导-单芯光纤系统的端面耦合多目标演化算法自动调芯及其结果选择单芯光纤-条波导-单芯光纤系统的自动调芯、考察端面耦合损耗的试验，可排除波导自身损耗带来的问题，便于更客观地反映调芯系统在硬件和软件两方面的性能。由于是单芯耦合，均匀性指标被脱敏。光波导选用日本NHK公司石英基掩埋型单模条波导，波导芯截面设计尺寸为8×8μm2，相对折射率差为0.3％，两端面平面研磨。光纤为日本住友电工公司的平面研磨单模光纤。清洁干燥的光纤端面和波导端面间置有微量的折射率匹配液，有效抑制端面反射。初调在直交的x、y两维显微监视下进行，采用鼠标操作、0.1μm步进驱动，容易将光纤和光波导的芯对准偏差控制在±50μm范围内，波导端面和光纤端面的间距控制在4μm之内。此时启动按上述方法步骤编制的多目标演化算法自动调芯程序，两端调芯并行进行，结束后记录输出功率，完成一次调芯费时不大于3min。调芯完毕后，输出端单模光纤改为多模光纤，重复上述调芯过程。由于多模光纤的芯径达50μm，可以近似认为多模光纤全部接收了单模条波导的输出功率。多模光纤与单模光纤的测量值的分贝差即为单模条波导与单模光纤的端面耦合损耗。自动调芯实验次数为7次，结果列于表4。1542.4nm波长上的耦合损耗平均值为0.1136dB，单次耦合损耗的最大值小于0.13dB，标准偏差小于0.02dB。表明该系统在实现高效率、低损耗的光纤-波导自动对接方面是十分有效的。
表4.光纤-波导-光纤系统的端面耦合调芯试验结果。
2.单光纤列阵-1×8波导分支耦合器-8光纤列阵的多目标演化算法自动调芯及其结果波导器件选用日本NHK公司的石英基1×8分支耦合器，输入端的单芯光纤列阵和输出端的8芯光纤列阵选用霓达光电器件公司产品。波导端面和光纤列阵端面经平面研磨，端面间置有待固化BP300紫外粘结剂，波导和光纤列阵的芯间距公称值是250μm。在显微监视下完成初调后，启动按上述步骤编制的多目标演化算法自动调芯程序，工作波长是1542.4nm，采样信道是第2和第7通道。重复调芯测试7次，单次调芯时间均小于10min。表5归纳了实测数据，各通道插入损耗均小于10.7dB，均匀性指标小于0.77dB。表明基于多目标演化算法的自动调芯系统具备在短时间内实现低损耗列阵调芯、重复性好的特征。
表5.光纤列阵-1×8波导分支耦合器-光纤列阵系统的自动调芯实验结果。
权利要求
1.一种多目标演算法的波导-光纤自动调芯法，其特点是，方法具体步骤为(1)建立波导-光纤自动调芯物理参数与多目标演化算法模型之间的映射，其中调芯时波导光轴与光纤光轴之间某个空间相对位置和方向对应多目标演化算法模型中的个体，上述空间相对位置和方向的集合对应多目标演化算法模型中的种群，空间坐标轴参量对应多目标演化算法模型中的染色体，调芯过程测得的两个或两个以上波导通道的光功率之和对应多目标演化算法模型中的第一个目标函数f1，调芯过程测得的两个或两个以上波导通道的光功率的最大值和最小值之差对应多目标演化算法模型中的第二个目标函数f2；(2)光纤列阵-光波导-光纤列阵系统初调确认采用计算机控制、步进电机驱动的方式调整输入用单模光纤列阵和输出用单模光纤列阵，使之分别与光波导输入端口和输出端口的对准偏差在±50μm范围内；(3)用完全随机的方法产生初始种群Q(t＝0)，这里t代表进化代数，种群中个体的数目为30或30以上，设定最大进化代数≥35；(4)对每个个体计算其目标函数值输入用单模光纤列阵和输出用单模光纤列阵按每个个体的规定用指定的方向姿态进入指定的空间位置，并读取和记录保存两个或两个以上波导通道的光功率值，该过程按个体顺序依次进行，利用所述测得的光功率值计算每个个体的两个目标函数值f1和f2；(5)根据每一个个体的两个目标函数值计算每一个个体的Pareto秩，对Pareto秩相同的个体计算其拥挤距离；(6)按照Pareto秩号小的个体优于Pareto秩号大的个体、Pareto秩号相同的两个个体中拥挤距离大的个体优于拥挤距离小的个体的原则，完成对一代种群中所有个体的评价；(7)采用交叉、变异和末位淘汰三个步骤产生下一代种群，上述过程迭代进行，直至到达设定的最大进化代数为止，完成一次波导-光纤自动调芯过程。
2.根据权利要求1所述的一种多目标演算法的波导-光纤自动调芯法，其特征在于，所述的步骤(1)中所述的空间坐标轴参量为空间11维，包括输入端一侧除了绕光纤光轴转动以外的5维和输出端一侧的6维，该11维坐标变量用实数数组来编码。
3.根据权利要求1所述的一种多目标演算法的波导-光纤自动调芯法，其特征在于，所述的步骤(1)中所述的任意第i个个体由上所述的、用任意第i个实数数组编码的11维坐标变量Ui构成。
4.根据权利要求1所述的一种多目标演算法的波导-光纤自动调芯法，其特征在于，所述的步骤(1)中所述的第一个目标函数f1(Ui)和第二个目标函数f2(Ui)分别由以下二式得到f1(Ui)＝-[P1(Ui)+P2(Ui)]f2(Ui)＝|P1(Ui)-P2(Ui)|式中，P1(Ui)和P2(Ui)分别是调芯位置处于由个体Ui规定的空间方位时、由两个采样通道测得的输出光功率。
5.根据权利要求1所述的一种多目标演算法的波导-光纤自动调芯法，其特征在于，所述的步骤(5)中所述的个体的Pareto秩由以下规则计算得到对于任意第i个个体Ui，若与另一个体Uj≠i存在如下目标函数值关系f1(Ui)＞f1(Uj≠i)以及f2(Ui)≥f2(Uj≠i)那么，个体Ui的Pareto秩号增加1，否则秩号增量为0。按这个规则，通过与Ui以外的所有个体逐个比较，累计得到个体Ui的Pareto秩号值。
6.根据权利要求1所述的一种多目标演算法的波导-光纤自动调芯法，其特征在于，所述的步骤(5)中所述的个体的拥挤距离由以下规则计算得到对种群中具有相同秩号的个体，把相同秩号下的k个个体Ui按f1(Um)＜f1(Um+1)m＝1，2，L，k-1.f2(Un)＜f2(Un+1)n＝1，2，L，k-1.的顺序分别用过渡性的m下标和n下标排列，算出 再将m下标排列和n下标排列分别对应回复到原来的i下标排列，于是每个个体Ui由此得一对d1(Ui)和d2(Ui)，个体Ui的拥挤距离d(Ui)由下式得到d(Ui)＝d1(Ui)+d2(Ui)。
7.根据权利要求1所述的一种多目标演算法的波导-光纤自动调芯法，其特征在于，所述的步骤(7)中所述的末位淘汰是指剔除Pareto秩号最大的个体群中、拥挤距离最小的个体。
8.根据权利要求1所述的一种多目标演算法的波导-光纤自动调芯法，其特征在于，所述的步骤(7)中所述的交叉由以下规则计算得到按照Pareto秩号小的个体优于Pareto秩号大的个体、Pareto秩号相同的两个个体中拥挤距离大的个体优于拥挤距离小的个体的原则，从当前大小为M的种群中选择m个评价排前的个体，由以下计算U0=Σi=1maiUi]]>得到一个新个体U0，式中权重系数ai满足Σi=1mai=1,]]>-0.5≤ai≤1.5的关系，新个体U0与原M个个体构成一个大小为M+1的过渡种群，按上述5和6的规则算出新个体U0的Pareto秩以及拥挤距离，按上述7的规则淘汰末位个体后，重新得到一个大小为M的新种群。
9.根据权利要求1所述的一种多目标演算法的波导-光纤自动调芯法，其特征在于，所述的步骤(7)中所述的变异由以下规则得到从上述得到的新种群中随机选取一个个体，采用实数值改变所述的该个体的实值编码，由此增加一个在父代个体附近的新个体，再次构成大小为M+1的过渡种群。按上述Pareto和个体的拥挤距离的计算规则得到该过渡种群中所有个体的Pareto秩以及拥挤距离，按照淘汰规则淘汰末位个体后，得到一个个体数量为M的下一代种群。
10.一种基于多目标演化算法的波导-光纤自动调芯法所用的自动调芯装置，其特征在于，所述装置包括抗震平台、光波导支架、两套精密六维调节架、两台驱动器、两套监测系统、激光源、光功率计和计算机，光波导芯片被固定于所述光波导支架上，该光波导支架可在x、y、z三维实现手动调整，所述两套精密六维调节架分别用于固定和调整输入用和输出用光纤列阵的空间方位、并分别位于所述光波导支架的两侧，所述两套监测系统分别位于光波导支架的上方和正前方，所述光波导支架、两套精密六维调节架和两套监测系统均固定安装在所述抗震平台上。
11.根据权利要求10所述的基于多目标演化算法的波导-光纤自动调芯法所用的自动调芯装置，其特征在于，所述的六维调节架的x、y、z三维移动轴和绕移动轴转动的θx、θy、θz三维转动轴均由步进电机驱动。x、y、z三维移动轴的最小移动量为0.05μm，θx转动轴的最小转动量为0.0030度，θy转动轴的最小转动量为0.0032度，θz转动轴的最小转动量为0.0025度，两台六维调节架的步进电机由两台驱动器分别进行驱动，驱动器通过GPIB接口与计算机相连。
12.根据权利要求10所述的基于多目标演化算法的波导-光纤自动调芯法所用的自动调芯装置，其特征在于，所述的监测系统由两套沿x、y直交布置的CCD显微镜及其微调架、显示器和照明冷光源组成，用于初调整时的显微观察。
全文摘要
本发明开发了一种基于多目标演化算法的自动调芯方法及其适用于该方法的自动调芯装置。基于多目标演化算法的自动调芯方法采用稳定淘汰策略处理离散的遗传筛选过程，搜索过程采用多父代交叉和实值变异，最重要特点是每代遗传种群只需更换两个个体，因此可大幅提高效率。另外，该方法在实现多个目标的优化过程中不涉及人为的权重设定，提高了可操作性和合理性，解决现行自动调芯方法的不足之处。有效地提高了实现光纤列阵－波导器件－光纤列阵系统低损耗快速对接耦合的自动化程度和工作效率。
文档编号G02B6/26GK101047449SQ200710038988
公开日2007年10月3日 申请日期2007年4月3日 优先权日2007年4月3日
发明者陈抱雪, 隋国荣, 张晓微 申请人:上海理工大学