PI技術 I FMPA 多條通道、多個元件、多個相互作用的輸入和輸出、跨多個自由度的多次對準和優化_光學元件_光學係統

在眾多製造領域中，越來越多企業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濟效率進行定位。在矽光子學(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，所有這些都需要在製造過程中多次對準和優化。

快速多通道光子學對準(FMPA)技術

PI的快速、多通道光子學對準(FMPA)技術是一套固件級命令，內置於其最高性能的數字納米定位和六足位移台控製器中。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化，包括跨多個自由度、輸入和輸出、元件和通道的優化。重要的是，即使各個優化相互作用，這些優化通常也可以並行執行，即同步執行。這可以大幅減少裝配時間，並且通常可以降低99％的成本。

串行對準與並行對準

例如，在矽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。由於一方是優化的，另一方略有變化，需要重新優化。以前，這需要一個耗時的、連續的輸入的來回調整序列，然後是輸出的來回調整序列，重複直到最終實現全局一致的對準。類似地，當優化角度時，橫向對準將受到影響並且通常需要再次在耗時的串行回路中重新優化。

但使用FMPA，通常可以同時並行優化這些相互作用的對準。這樣就可以一次性實現全局一致對準。在許多情況下，也可以實現所有對準的跟蹤和連續優化，並且可以補償漂移和固化應力等特性。

結果是提高了生產能力，並且通常大幅降低了成本。隨著設備變得越來越複雜和準確，並且隨著它們的生產和測試要求變得越來越苛刻，這種並行性對於過程經濟學越來越至關重要。

以工業速度對準波導器件的輸入和輸出需要並行優化和納米級精度

不同的對準流程

有兩種類型的流程：用於在既定區域內定位某些品質因數（例如光功率、調製傳遞函數(MTF)、模態純度等）的峰值的區域掃描，以及用於同時有效優化一個或多個此類耦合（並且可以跟蹤耦合以緩解漂移流程、幹擾等）的梯度搜索。

梯度搜索

梯度搜索執行一個器件相對於另一個器件的小圓形抖動運動，即調製耦合。正在優化的品質因數的調製量是耦合局部梯度的一個量度。在適當情況下，調製降至零。

通過圓形抖動確定梯度的圖形描述，即調製觀察到的耦合功率（或其他量）。相對於抖動的調製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

|ε(θ)|=∇I=(I最小-I最大)/I最小

等式1：觀察到的梯度用作對準誤差的一個量度。

根據觀察到的調製，控製器可以通過非常簡單的計算（如等式1）用數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係統中的任何軸都可以執行任何這些類型的對準（當然，取決於軸的物理功能）。

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

光學功率分布和梯度搜索程序

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

區域掃描

掃描某個區域以確定最高耦合峰值的大致位置對於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製步驟。

•通過梯度搜索來確定主要耦合模式以便後續優化。這種混合方法有助於防止鎖定到局部最大值並且非常強大。

獨特之處在於，FMPA的區域掃描選項包括單頻正弦和螺旋掃描。這些掃描比傳統的光柵或蛇形掃描快得多，因為它們是真正連續的並且避免了傳統掃描中使用的停止和啟動運動的穩定要求，而且可以選擇頻率以避免激發結構共振。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據。

正弦區域掃描

螺旋區域掃描

功率計量

優化光功率傳輸

對於某些應用來說，目標是優化元件之間的光功率傳輸。例如，在大多數矽光子學(SiP)製造步驟中，來自光纖的光必須有效地耦合到矽基片中，反之亦然；在這種情況下，品質因數為光功率，並采用光功率計計量。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生產經濟所要求的高速度需要米級的超常速度、動態範圍和響應能力。

原始高斯型耦合輪廓

輸出信號的對數縮放

與線性響應相比，采用對數響應為光學功率計量提供了大得多的動態範圍。這對於捕獲小信號尤為重要，例如遠非適宜對準時。E-712等PI控製器中的快速對準程序首選使用對數功率信號。對數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的方法達到最大值，同時減少過衝的風險。

耦合輪廓的對數縮放明顯比較平緩

光功率的計算

為獲得實際功率值，必須轉換對數信號。PI的F-712快速對準係統（即E-712控製器）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高精度快速對準係統的F-712.PM1功率計

通過使用F-712.PM1光功率計在可見光和紅外範圍內進行功率計量，擴展了F-712快速對準係統的多功能性。

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電壓信號。這可用於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行手動粗調。

獨立於源的輸出信號是模擬的對數電壓信號。這允許利用對數縮放並在寬範圍的輸入功率中準確地測量光功率。

E-712控製器內部的簡單軟件命令允許將對數響應信號自動轉換為功率。