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BSc in MaschinentechnikBIBEBUVAComputergestütztes Ausrichten optischer FasernPhysik / Betreuer: Dr. Valerio Romano, Dr. Andreas BurnExperte: Peter KnobelDie Montage von Mikrolinsen in optischen Geräten oder das Justieren von Bauteilen in fasergekoppeltenDiodenlasern erfordert ein hohes Mass an Präzision. Zudem werden zur Untersuchung von Laserlicht undoptischen Fasern in Labors Versuche jeglicher Art durchgeführt. Bei all diesen Vorgängen müssen Optimierungsproblemegelöst werden. In der Industrie ist es wünschenswert, solche Vorgänge so schnell wiemöglich mit jeweils gleicher Genauigkeit durchzuführen.AusgangslageDas manuelle Einkoppeln eines Laserstrahlsin eine optische Faser istzeitaufwendig. Will man eine hoheEinkoppeleffizienz erreichen, so istes unumgänglich die optischenKomponenten, optimal auf die Glasfaseranzupassen. Dazu sind meistensmehrere Anläufe nötig. Durchdie Automatisierung der Einkopplungkann viel Zeit eingespart werden.VorgehenEin mittels Schrittmotoren gesteuertesPositioniergerät, übernimmt dasAusrichten der optischen Faser. Dieam Ausgang der Faser gemesseneLeistung des Lichts gilt als zu optimierendeGrösse, sie soll einen maximalmöglichen Wert erreichen. Inder Entwicklungsumgebung Lab-VIEW wurden vier verschiedene Optimierungsverfahrenprogrammiertund anhand diverser Versuche derenLeistungsfähigkeit untersucht.Die biologische Evolution diente alsVorbild für den ersten Algorithmus,der sogenannten Evolutionsstrategie.Durch Mechanismen wie Duplikation,Mutation, Selektion undRekombination wird aus zufällig erzeugtenPositionen über Generationenhinweg ein Optimum erzeugt.Weiter wurden zwei Gra dientenverfahrenmit jeweils unterschiedlicherSchrittweitensteuerung implementiert.Die Gradientenverfahrenführen entlang des positiven Gradientenin Richtung Optimum, dieSchrittweitensteuerung sorgt dabeifür die Konvergenz im Optimum. Derletzte realisierte Algorithmus ist diesogenannte Simplexmethode nachNelder, Mead. Sie ist eine direkteSuchmethode und kann mehrdimensionaleOptimierungsproblemelösen.ErgebnisDie Evolutionsstrategie löst das Problemohne Mühe, ist aber durch ihrFunktionsprinzip in der Geschwindigkeitbegrenzt und für weitauskomplexere Optimierungsproblemegedacht. Die Gradientenverfahrenmit jeweils unterschiedlicher Schrittweitensteuerungunterscheiden sichgrundlegend. Ein Verfahren konvergiertschnell, erreicht aber eine geringeQualität. Das andere Verfahrenerreicht dagegen eine hohe Qualität,konvergiert aber langsam. Die Simplexmethodenach Nelder, Mead,besitzt beide positive Eigenschaftender Gradientenverfahren und istdeshalb der optimale Algorithmusfür das computergestützte Ausrichtenoptischer Fasern. Das Ausrichtendauert bei kleinen Faserkerndurchmessern(4 bis 9μm) 1 bis 2Mi nuten. Bei grösseren Kerndurchmessern(25μm) kann das Problemin unter einer Minute gelöst werden.Beat Zulaufbeat.zulauf@besonet.chLaboraufbau mit PositioniergerätVerlauf einer Evolutionsstrategieti.bfh.ch237