COB光模塊耦合對準及算法研究

馬銘涵，涂凱揚，段 煉，劉志賢

（中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室 機電工程學院，長沙 410000）

0 引言

作為光電轉換的連接器件，光模塊一定程度上影響著光通信產業的飛速發展[1]。如今，光模塊的封裝種類朝著功耗更低、體積更小、速度更快的方向發展，板上芯片封裝（Chip On Board,COB）技術很好的滿足了這一要求[2]。COB是將光電裸芯片粘貼在PCB板上，利用較小的引線將芯片和PCB連接，因此在很大程度上提升了封裝密度[3]。COB光模塊的耦合對準是封裝過程的重要步驟，同時也是技術難點,耦合質量的好壞直接影響到COB光模塊的良品率[4]。耦合對準的目的是為了找到最佳耦合位置，從數學角度講就是函數優化問題，解決函數優化問題一般采用數值解法和智能優化算法。數值解法中，爬山法在激光器和光纖的對準問題已經有了很多應用成果[5]，但是其只能進行一維對準。2006年淳靜等在解決光纖的自動對準問題時應用了模式搜索法[6～8]，可以在X-Y平面兩個自由度搜索，該算法經過實驗證明可靠性高，不易陷入局部最優，但是僅克服X-Y兩自由度的耦合誤差，未沿其他自由度進行搜索。相比于數值算法，智能優化算法在求解過程中，一般不需要優化問題明確的數學表達式，因此該種算法常用于求解復雜優化問題。2012年Marc Landry等人提出粒子群智能優化算法[9]，并將其應用在兩根光纖間的耦合對準，該種算法簡單，能夠在多個自由度同時搜索，實驗證明該算法可靠性高，并且不容易陷入局部最優。

粒子群智能優化算法在搜索速度上還有一定的提升空間，而自適應權重粒子群算法在很多研究中已經證明了可以通過調節權重提升搜索速度和可靠性[10]。但是其在光通信器件的耦合封裝領域鮮有研究。本文分析了COB光模塊的耦合對準原理，并通過實際的耦合對準實驗討論各種偏差對耦合效率的影響。基于以上分析和研究引入了自適應權重的粒子群算法并將其運用在COB光模塊的耦合對準過程中，并進行了仿真和實驗驗證，實驗結果表明該算法很大程度上提高了耦合對準效率和成功率，為COB光模塊的精密封裝提供了理論技術支持。

1 耦合對準

1.1 耦合對準原理

COB光模塊耦合對準的原理是在光發射端將電信號轉換為光信號，驅動垂直腔面發射激光器(VCSEL)發出光信號，并傳輸到光纖之中；在光接收端本征光電探測器（PIN）將光信號轉換為電信號，實現電-光-電的轉換。在此過程中，VCSEL和PIN都需要確定最佳的位置與光纖耦合，這樣才能夠使光信號高效傳輸[11]。VCSEL和PIN的裸芯片都是通過鍵合和貼片等工藝貼裝在PCB上，VCSEL的激光發射方向和PIN的接收光信號方向都垂直于其芯片，而光纖平行于PCB板，所以和VCSEL/PIN的芯片呈90°。因此如何將光纖和芯片高效耦合是COB光模塊封裝的關鍵，本研究中采用光彎折法。如圖1所示，以光發射端為例，利用反射鏡使光路彎折，VCSEL發出的光經過45°的反射鏡旋轉90°，經過透鏡射入光纖完成耦合。

圖1 光彎折法示意圖

由于COB光模塊四個通路間距相等，芯片和光纖互相對應，四個光路之間干擾很小，所以選用其中一路進行分析。對于光發射端和接收端，其光路如圖2和圖3所示。

圖2 光發射端光路示意圖

圖3 光接收端光路示意圖

1.2 合對準實驗

在前文對COB光模塊的耦合對準原理分析的基礎上，本節將進行耦合對準實驗，分析不同方向偏移對和耦合效率的實際影響。

在耦合對準實驗中，如圖4所示，耦合時VCSEL/PIN芯片固定，反射鏡、聚焦透鏡、準直透鏡組成Lens適配器，光纖插入Lens適配器中與之形成整體。在耦合過程中，芯片固定，因此只需考慮光纖在空間中的位置變化。實驗中通過夾具控制光纖角度偏差，因此不需要考慮θx、θy、θz的偏差。X和Y方向的偏移由Lens適配器的橫向位移確定，Z方向的偏移由Lens適配器的縱向位移確定。實驗選取3組COB光模塊對光發射端和接收端進行耦合對準，每組實驗通過手動對準至耦合效率最高處，并將該點設置為偏移量為0的點，之后再進行不同方向偏移。為更好地呈現偏移對耦合效率的影響，對耦合效率采用歸一化方法[12]，即分母為手動耦合的最大耦合值，分子為各個點的實際耦合值。

圖4 實驗耦合對準示意圖

光發射端和光接收端耦合對準實驗數據分別如圖5、圖6所示。在光發射端，X/Y方向的偏移量達到±5um時，耦合效率降低到80%；偏移量達到±30um時，耦合效率接近于0；耦合效率的下降速度也較快。Z方向的偏移量達到±10um時，耦合效率為90%；當偏移量達到-80um或+100um時，耦合效率接近于0；耦合效率的下降速度較快。

圖5 光發射端耦合對準實驗數據

圖6 光接收端耦合對準實驗數據

在光接收端，X/Y方向的偏移對耦合效率的影響與光發射端相比較小。在±5um的范圍內，耦合效率無明顯變化；當偏移量達到±15um時，耦合效率降至80%；當偏移量達到±50um時，耦合效率接近于0；耦合效率的下降速度相對于光發射端較緩慢。Z方向的偏移對耦合效率的影響與光發射端相比較小。在偏移量-30um至+45um范圍內，耦合效率無明顯變化。光接收端出現耦合效率無明顯變化現象的主要原因是，與光發射端VCSEL芯片相比，光接收端PIN芯片有著更大的接收光敏面，沿X/Y/Z方向移動一定的距離，PIN芯片都能接收到光，因此在光接收端的耦合效率曲線上會出現平坦區域。當偏移量達到-60um或+70um時，耦合效率為90%；當偏移量達到-120um或+210um時，耦合效率接近于0；耦合效率的下降速度相對于光發射端較緩慢。

2 合對準算法研究

2.1 算法原理

粒子群算法（PSO）由Eberhart和Kennedy提出[13]，是粒子群根據位置和適應度按照某種迭代規則進行尋優的一種算法。在求解n維最優化問題中，假設粒子群中有m個粒子，并且每個粒子都有n維位置向量和速度向量。n維位置向量表示為其代表最優化問題中的一個潛在解。n維速度向量表示為其代表粒子在迭代過程中前進的方向和距離。將位置向量xi代入最優化問題的數學模型可以得到粒子在當前位置的適應度值，記錄粒子在迭代過程中每個粒子搜索到的最優位置記錄粒子在迭代過程中整個粒子群搜索到的最優位置

使用式(1)和式(2)對粒子的位置和速度迭代尋優[14]：

本章中提出的是自適應權重粒子群優化算法，其是在粒子群算法的基礎上引入非線性動態慣性權重系數ω，其表達式如式(3)所示：

其中ωmin、ωmax為慣性權重最小值和最大值，fmax、favg為粒子最大適應度和平均適應度，ω值隨著粒子適應度值變化而變化，因此稱為自適應權重[10]。

在使用自適應權重粒子群算法時，應先將粒子的速度和位置初始化，然后計算適應度f的值來得到粒子的位置，直至找到最佳值[15]。流程圖如圖7所示。

圖7 自適應權重粒子群算法應用流程圖

2.2 仿真結果

為使仿真過程簡單，假定相位完全匹配，本文只考慮對準誤差對耦合效率的影響，因此耦合效率表達式為[16]：

w0為z=0時光纖的模場半徑，wf0為芯片的感光半徑徑，當芯片和光纖的距離是z時，模場半徑表達式為：

dx、dy為橫向偏移，z為縱向偏移，θx、θy為角度偏移，λ為傳輸光中心波長。

本文選取爬山法與其對比，對兩算法設置相同的初始條件：

1）誤差范圍：dx、dy為40um，z為80um，θx、θy為5°；

2）模場參數：λ=850nm，w0=5um，wf0=25um；

3）運動平臺精度：線性運動0.1um，角度旋轉0.001°。

爬山法仿真參數如表1所示。

表1 爬山法仿真參數

自適應權重粒子群算法仿真參數如表3所示。

表3 自適應權重粒子群算法仿真參數

基于以上仿真參數，分別用爬山法和自適應權重粒子群算法進行耦合相率仿真，仿真結果如圖8所示。

圖8 算法對比

通過分析上圖仿真結果，在同種條件下，自適應權重粒子群算法迭代次數僅為25次，而爬山法迭代次數多達80次，相比之下，自適應權重粒子群算法的耦合效率明顯優于爬山法。

2.3 實驗結果

為比較在實際應用中爬山法和自適應權重粒子群算法的耦合效果，本節針對兩種算法進行實驗。耦合系統已固定角度方向偏移，因此本實驗只需考慮橫向偏移X、Y以及縱向偏移Z。采用20組COB光模塊組件在耦合對準系統下進行實驗，其過程為：

1）將每組光模塊手動耦合至功率最大值處。

2）經過運動平臺步進，將Lens適配器分別沿X、Y、Z方向隨機移動一定距離（40um范圍內）。

3）分別用爬山法和自適應權重粒子群算法在相同位置開始耦合，記錄光發射端和接收端的耦合時間以及成功/失敗的次數。

實驗結果如表4所示。

表4 兩種算法的實驗結果對比

分析上述實驗結果可以看出，自適應權重粒子群算法的耦合成功率較高，可達92.5%，相比于爬山法的耦合成功率(70%)提高了32%。并且在搜索效率上自適應權重粒子群算法也較快，僅需6～10秒，相比于爬山法的耦合時間(18-27秒)加快了44%以上。

2.4 結果分析

爬山法屬于數值解法，原理簡單，在激光器和光纖的對準問題上已經有了很多應用，但是在耦合對準過程中一次只能進行單維度搜索，搜索速度較慢，成功率不高，不能克服每個自由度之間的耦合誤差，容易陷入局部最優的誤區。

通過2.2節仿真曲線分析，自適應權重粒子群算法在前期耦合速度很快，迭代6次就達到了耦合效率80%的位置，雖然后期耦合速度相對偏慢，但是迭代25次后耦合效率就達到100%，耦合速度明顯優于爬山法。自適應權重粒子群算法在迭代過程中更傾向于全局搜索，避免粒子群向最優的位置集中，使粒子群較為離散的分布在整個區域，能很好避免局部優值，在解決復雜的優化問題中表現出了良好的性能。

3 結語

COB光模塊的耦合對準是封裝工藝的關鍵步驟，也是技術難點，耦合質量直接影響到光模塊的良品率。本文分析了耦合對準原理，并經過實驗理論分析了對準誤差對耦合效率的影響；在此研究和分析的基礎上，提出了自適應權重粒子群算法，并與爬山法進行仿真和實驗對比，得出結論：自適應權重粒子群算法使得COB光模塊的耦合速度和耦合成功率大幅提升，在X、Y、Z三個自由度的耦合成功率較高（92.5%），與爬山法相比提高了32%。在搜索效率上自適應權重粒子群算法也較優，僅需6-10秒，與爬山法相比加快了44%以上。由于自適應權重的引入，粒子群算法在平衡全局和局部搜索的優化問題上，比爬山法更加智能和準確。