光纤阵列与光波导耦合系统的研究

论文摘要

21世纪我们将进入信息时代,与之密切相关的光纤通讯行业必将获得高速的发展。而随着光通讯行业的迅猛发展,对光通讯器件的需求与日俱增,进而导致对光通讯器件生产封装设备的需求也日趋强烈。而在光通讯器件中,由光纤阵列和光波导封装而成的光波导分路器芯片,无论是在骨干网、通信干线上的密集波分复用器还是光纤到户接入网技术中,都得到广泛的使用。因此,光纤阵列和光波导的封装成为众多行业关注的焦点。而光纤阵列与光波导封装的关键技术在于实现光纤阵列与光波导的低损耗耦合。本文在对产生光纤耦合损耗原因进行深入分析的基础上,建立了光纤阵列与光波导耦合硬件系统;对光纤阵列与光波导耦合寻优方法进行了深入研究;设计了光纤阵列与光波导耦合的软件系统;并进行了相关的实验研究。首先,本文对产生光纤耦合损耗原因进行了深入分析。据此提出了光纤阵列与光波导耦合的三种耦合方案,确定了基于改进遗传算法的耦合方案。基于耦合方案建立了由伺服控制模块、光源-光功率计模块、显微视觉模块和辅助模块构成的光纤阵列与光波导耦合的硬件系统。其次,本文在对传统遗传算法进行简介的基础上,分析了传统遗传算法存在的缺陷。为了克服传统遗传算法的缺陷,对传统遗传算法的选择、交叉、变异等基本操作进行了一系列的改进,并通过对改进遗传算法和传统遗传算法的对比,证实了改进遗传算法的优越性。在此基础上将改进遗传算法应用于光纤阵列与光波导的耦合寻优中。再次,本文在对光纤阵列与光波导耦合系统进行需求分析后,对耦合系统的软件进行了概要设计和详细设计,开发出了由显微视觉模块、电机控制模块、光功率计模块和耦合控制模块构成的光纤阵列与光波导耦合的软件系统。最后,本文基于光纤阵列与光波导耦合的软、硬件系统,进行了光纤阵列与光纤阵列的单芯耦合实验、光纤位置偏差对耦合效率影响实验及光纤阵列与光波导的耦合实验,实现了光纤阵列与光波导的耦合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究目的和意义
• 1.2 国内外研究发展现状及分析
• 1.2.1 国外光纤阵列与光波导耦合系统的发展现状
• 1.2.2 国内在光纤阵列与光波导耦合方面的发展现状
• 1.3 课题来源
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 光纤阵列与光波导耦合硬件系统的建立
• 2.1 引言
• 2.2 光纤及光纤器件的简介
• 2.2.1 光纤的简介
• 2.2.2 光纤器件的简介
• 2.3 影响光纤耦合效率的主要因素
• 2.3.1 纤芯径向位错产生的损耗
• 2.3.2 纤芯角度倾斜产生的损耗
• 2.3.3 光纤端面间轴向距离产生的损耗
• 2.3.4 端面间的菲涅尔反射引起的损耗
• 2.3.5 对各种误差进行分析
• 2.4 光纤阵列与光波导耦合系统的耦合方案和原理
• 2.4.1 基于普通CCD进行图像处理与质心法相结合的耦合方案
• 2.4.2 基于红外CCD进行图像处理与遗传算法相结合的耦合方案
• 2.4.3 基于改进遗传算法的耦合方案
• 2.4.4 三种方案的分析比较及最终方案的确定
• 2.4.5 依据耦合方案确定最终的耦合系统原理
• 2.5 光纤阵列与光波导耦合系统搭建
• 2.5.1 系统元器件的选择及设计
• 2.5.2 光纤阵列与光波导耦合系统的搭建
• 2.6 小结
• 第3章 基于改进遗传算法的耦合寻优方法
• 3.1 引言
• 3.2 传统遗传算法基本原理
• 3.2.1 传统遗传算法的生物学背景及其基本思想
• 3.2.2 传统遗传算法控制参数
• 3.2.3 传统遗传算法的基本操作
• 3.3 对传统遗传算法的若干改进
• 3.3.1 基于模拟退火的适应度函数尺度变换
• 3.3.2 自适应调整交叉率和变异率
• 3.3.3 μ+ λ跨世代精英选择
• 3.3.4 自适应改变交叉和变异的位置及多点交叉
• 3.3.5 精英保留和劣种不活策略
• 3.3.6 小生境排挤策略
• 3.4 改进遗传算法与传统遗传算法的性能对比
• 3.5 基于改进遗传算法的耦合寻优
• 3.5.1 编码
• 3.5.2 初始种群的产生
• 3.5.3 适应度函数的确定
• 3.5.4 遗传算子的设计
• 3.5.5 遗传算法的终止条件
• 3.6 小结
• 第4章 光纤阵列与光波导耦合系统的软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 光纤阵列与光波导耦合系统软件的需求分析
• 4.2.1 软件的功能需求
• 4.2.2 软件的性能需求
• 4.3 光纤阵列与光波导耦合系统软件概要设计
• 4.3.1 软件的开发环境
• 4.3.2 软件的模块划分
• 4.3.3 软件的总体框架设计
• 4.3.4 软件的界面设计
• 4.4 光纤阵列与光波导耦合系统软件详细设计
• 4.4.1 显微视觉模块
• 4.4.2 电机控制模块
• 4.4.3 光功率计模块
• 4.4.4 耦合控制模块
• 4.5 小结
• 第5章 光纤阵列与光波导耦合的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 光纤阵列与光纤阵列的单芯耦合仿真及实验
• 5.2.1 基于改进遗传算法的单芯耦合仿真
• 5.2.2 基于改进遗传算法的单芯耦合实验
• 5.3 纤芯的位置偏差对耦合效率的影响实验
• 5.3.1 径向误差实验
• 5.3.2 轴向误差实验
• 5.3.3 角度误差实验
• 5.4 光纤阵列与光波导耦合实验
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢