在眾多制造領域中，越來越多企業(yè)將器件對準推至納米級精度的新需求。諸如相機中的鏡頭等光學元件乃至CCD芯片自身，均需要以更高的精度和經(jīng)濟效率進行定位。在硅光子學(SiP)中，從晶圓級開始，即需要對準小型器件以進行測試和封裝。共同的主題：多條通道、多個元件、多個相互作用的輸入和輸出、跨多個自由度，所有這些都需要在制造過程中多次對準和優(yōu)化。


PI的快速、多通道光子學對準(FMPA)技術是一套固件級命令，內置于其最高性能的數(shù)字納米定位和六足位移臺控制器中。這些命令允許光子與其他光學器件和組件之間的快速耦合優(yōu)化，包括跨多個自由度、輸入和輸出、元件和通道的優(yōu)化。重要的是，即使各個優(yōu)化相互作用，這些優(yōu)化通常也可以并行執(zhí)行，即同步執(zhí)行。這可以大幅減少裝配時間，并且通?？梢越档?9％的成本。


例如，在硅光子學器件中越來越多地使用的短波導中，輸入和輸出耦合可以相互引導。由于一方是優(yōu)化的，另一方略有變化，需要重新優(yōu)化。以前，這需要一個耗時的、連續(xù)的輸入的來回調整序列，然后是輸出的來回調整序列，重復直到最終實現(xiàn)全局一致的對準。類似地，當優(yōu)化角度時，橫向對準將受到影響并且通常需要再次在耗時的串行回路中重新優(yōu)化。

但使用FMPA，通?？梢酝瑫r并行優(yōu)化這些相互作用的對準。這樣就可以一次性實現(xiàn)全局一致對準。在許多情況下，也可以實現(xiàn)所有對準的跟蹤和連續(xù)優(yōu)化，并且可以補償漂移和固化應力等特性。

結果是提高了生產(chǎn)能力，并且通常大幅降低了成本。隨著設備變得越來越復雜和準確，并且隨著它們的生產(chǎn)和測試要求變得越來越苛刻，這種并行性對于過程經(jīng)濟學越來越至關重要。




有兩種類型的流程：用于在既定區(qū)域內定位某些品質因數(shù)（例如光功率、調制傳遞函數(shù)(MTF)、模態(tài)純度等）的峰值的區(qū)域掃描，以及用于同時有效優(yōu)化一個或多個此類耦合（并且可以跟蹤耦合以緩解漂移流程、干擾等）的梯度搜索。

梯度搜索

梯度搜索執(zhí)行一個器件相對于另一個器件的小圓形抖動運動，即調制耦合。正在優(yōu)化的品質因數(shù)的調制量是耦合局部梯度的一個量度。在適當情況下，調制降至零。


通過圓形抖動確定梯度的圖形描述，即調制觀察到的耦合功率（或其他量）。相對于抖動的調制相位表示朝向最大值的方向，而其幅度在適當情況下降至0


等式1：觀察到的梯度用作對準誤差的一個量度。

根據(jù)觀察到的調制，控制器可以通過非常簡單的計算（如等式1）用數(shù)學方法推導出局部梯度。請注意，梯度?I在適當情況下降至零。

FMPA系統(tǒng)中的任何軸都可以執(zhí)行任何這些類型的對準（當然，取決于軸的物理功能）。

梯度搜索在橫向優(yōu)化中最常用，但也可以在單個線性軸中執(zhí)行（例如，這非常適合在透鏡耦合中定位束腰，或者以萬向節(jié)方式優(yōu)化角度方向。這些是高度通用的算法，適用于各種優(yōu)化，包括體光學、腔體和針孔對準。




總體而言，F(xiàn)MPA的一個獨特功能是可以并行執(zhí)行不同的、甚至相互作用的梯度搜索。橫向優(yōu)化往往是很敏感的，也是很容易受到其他對準影響的。因此，橫向程序傾向于降級為高速、高分辨率的壓電級平臺，如 >> P-616 NanoCube。NanoCube的高速和連續(xù)跟蹤功能允許在Z優(yōu)化和角度優(yōu)化期間保持橫向優(yōu)化，而Z優(yōu)化和角度優(yōu)化通常需要耗時的循環(huán)順序方法。

區(qū)域掃描

掃描某個區(qū)域以確定最高耦合峰值的大致位置對于各種任務都非常有用：

?尋找第一條光線。

?分析耦合的尺寸表征。這可能是一個重要的過程控制步驟。

?通過梯度搜索來確定主要耦合模式以便后續(xù)優(yōu)化。這種混合方法有助于防止鎖定到局部最大值并且非常強大。

獨特之處在于，F(xiàn)MPA的區(qū)域掃描選項包括單頻正弦和螺旋掃描。這些掃描比傳統(tǒng)的光柵或蛇形掃描快得多，因為它們是真正連續(xù)的并且避免了傳統(tǒng)掃描中使用的停止和啟動運動的穩(wěn)定要求，而且可以選擇頻率以避免激發(fā)結構共振。另外，還可以選擇恒速螺旋掃描，能夠在螺旋上以恒定密度采集數(shù)據(jù)。




優(yōu)化光功率傳輸

對于某些應用來說，目標是優(yōu)化元件之間的光功率傳輸。例如，在大多數(shù)硅光子學(SiP)制造步驟中，來自光纖的光必須有效地耦合到硅基片中，反之亦然；在這種情況下，品質因數(shù)為光功率，并采用光功率計計量。耦合輪廓的形狀極窄，因此，功率分布的峰型同樣很窄。今天的SiP生產(chǎn)經(jīng)濟所要求的高速度需要米級的超常速度、動態(tài)范圍和響應能力。



輸出信號的對數(shù)縮放

與線性響應相比，采用對數(shù)響應為光學功率計量提供了大得多的動態(tài)范圍。這對于捕獲小信號尤為重要，例如遠非適宜對準時。E-712等PI控制器中的快速對準程序首選使用對數(shù)功率信號。對數(shù)響應可使典型的高斯型耦合輪廓的陡邊變得平坦，從而允許采用更平穩(wěn)的方法達到最大值，同時減少過沖的風險。

光功率的計算

為獲得實際功率值，必須轉換對數(shù)信號。PI的F-712快速對準系統(tǒng)（即E-712控制器）可通過軟件命令自動轉換為功率。為了準確地將這些實際功率值與其他測量結果相比較，我們建議使用已校準功率計，如PI的F-712.PM1。


使用帶有F-712高精度快速對準系統(tǒng)的F-712.PM1功率計

通過使用F-712.PM1光功率計在可見光和紅外范圍內進行功率計量，擴展了F-712快速對準系統(tǒng)的多功能性。

設備還具有電流輸入。例如，光電二極管可與該輸入連接，使二極管電流轉換成對數(shù)電壓信號。這可用于快速確定光信號強度，例如，檢查裝備中各個元件的功能或執(zhí)行手動粗調。

獨立于源的輸出信號是模擬的對數(shù)電壓信號。這允許利用對數(shù)縮放并在寬范圍的輸入功率中準確地測量光功率。

E-712控制器內部的簡單軟件命令允許將對數(shù)響應信號自動轉換為功率。

特征

?20千赫茲的大信號帶寬

?高動態(tài)范圍

?波長范圍為400至1550納米

?電流輸入范圍達1毫安

?對數(shù)輸出

?已校準的功率計