PI技术 I FMPA 多条通道、多个元件、多个相互作用的输入和输出、跨多个自由度的多次对准和优化_光学元件_光学系统

在众多制造领域中，越来越多企业将器件对准推至纳米级精度的新需求。诸如相机中的镜头等光学元件乃至CCD芯片自身，均需要以更高的精度和经济效率进行定位。在硅光子学(SiP)中，从晶圆级开始，即需要对准小型器件以进行测试和封装。共同的主题：多条通道、多个元件、多个相互作用的输入和输出、跨多个自由度，所有这些都需要在制造过程中多次对准和优化。

快速多通道光子学对准(FMPA)技术

PI的快速、多通道光子学对准(FMPA)技术是一套固件级命令，内置于其最高性能的数字纳米定位和六足位移台控制器中。这些命令允许光子与其他光学器件和组件之间的快速耦合优化，包括跨多个自由度、输入和输出、元件和通道的优化。重要的是，即使各个优化相互作用，这些优化通常也可以并行执行，即同步执行。这可以大幅减少装配时间，并且通常可以降低99％的成本。

串行对准与并行对准

例如，在硅光子学器件中越来越多地使用的短波导中，输入和输出耦合可以相互引导。由于一方是优化的，另一方略有变化，需要重新优化。以前，这需要一个耗时的、连续的输入的来回调整序列，然后是输出的来回调整序列，重复直到最终实现全局一致的对准。类似地，当优化角度时，横向对准将受到影响并且通常需要再次在耗时的串行回路中重新优化。

但使用FMPA，通常可以同时并行优化这些相互作用的对准。这样就可以一次性实现全局一致对准。在许多情况下，也可以实现所有对准的跟踪和连续优化，并且可以补偿漂移和固化应力等特性。

结果是提高了生产能力，并且通常大幅降低了成本。随着设备变得越来越复杂和准确，并且随着它们的生产和测试要求变得越来越苛刻，这种并行性对于过程经济学越来越至关重要。

以工业速度对准波导器件的输入和输出需要并行优化和纳米级精度

不同的对准流程

有两种类型的流程：用于在既定区域内定位某些品质因数（例如光功率、调制传递函数(MTF)、模态纯度等）的峰值的区域扫描，以及用于同时有效优化一个或多个此类耦合（并且可以跟踪耦合以缓解漂移流程、干扰等）的梯度搜索。

梯度搜索

梯度搜索执行一个器件相对于另一个器件的小圆形抖动运动，即调制耦合。正在优化的品质因数的调制量是耦合局部梯度的一个量度。在适当情况下，调制降至零。

通过圆形抖动确定梯度的图形描述，即调制观察到的耦合功率（或其他量）。相对于抖动的调制相位表示朝向最大值的方向，而其幅度在适当情况下降至0

|ε(θ)|=∇I=(I最小-I最大)/I最小

等式1：观察到的梯度用作对准误差的一个量度。

根据观察到的调制，控制器可以通过非常简单的计算（如等式1）用数学方法推导出局部梯度。请注意，梯度∇I在适当情况下降至零。

FMPA系统中的任何轴都可以执行任何这些类型的对准（当然，取决于轴的物理功能）。

梯度搜索在横向优化中最常用，但也可以在单个线性轴中执行（例如，这非常适合在透镜耦合中定位束腰，或者以万向节方式优化角度方向。这些是高度通用的算法，适用于各种优化，包括体光学、腔体和针孔对准。

光学功率分布和梯度搜索程序

总体而言，FMPA的一个独特功能是可以并行执行不同的、甚至相互作用的梯度搜索。横向优化往往是很敏感的，也是很容易受到其他对准影响的。因此，横向程序倾向于降级为高速、高分辨率的压电级平台，如 >> P-616 NanoCube。NanoCube的高速和连续跟踪功能允许在Z优化和角度优化期间保持横向优化，而Z优化和角度优化通常需要耗时的循环顺序方法。

区域扫描

扫描某个区域以确定最高耦合峰值的大致位置对于各种任务都非常有用：

•寻找第一条光线。

•分析耦合的尺寸表征。这可能是一个重要的过程控制步骤。

•通过梯度搜索来确定主要耦合模式以便后续优化。这种混合方法有助于防止锁定到局部最大值并且非常强大。

独特之处在于，FMPA的区域扫描选项包括单频正弦和螺旋扫描。这些扫描比传统的光栅或蛇形扫描快得多，因为它们是真正连续的并且避免了传统扫描中使用的停止和启动运动的稳定要求，而且可以选择频率以避免激发结构共振。另外，还可以选择恒速螺旋扫描，能够在螺旋上以恒定密度采集数据。

正弦区域扫描

螺旋区域扫描

功率计量

优化光功率传输

对于某些应用来说，目标是优化元件之间的光功率传输。例如，在大多数硅光子学(SiP)制造步骤中，来自光纤的光必须有效地耦合到硅基片中，反之亦然；在这种情况下，品质因数为光功率，并采用光功率计计量。耦合轮廓的形状极窄，因此，功率分布的峰型同样很窄。今天的SiP生产经济所要求的高速度需要米级的超常速度、动态范围和响应能力。

原始高斯型耦合轮廓

输出信号的对数缩放

与线性响应相比，采用对数响应为光学功率计量提供了大得多的动态范围。这对于捕获小信号尤为重要，例如远非适宜对准时。E-712等PI控制器中的快速对准程序首选使用对数功率信号。对数响应可使典型的高斯型耦合轮廓的陡边变得平坦，从而允许采用更平稳的方法达到最大值，同时减少过冲的风险。

耦合轮廓的对数缩放明显比较平缓

光功率的计算

为获得实际功率值，必须转换对数信号。PI的F-712快速对准系统（即E-712控制器）可通过软件命令自动转换为功率。为了准确地将这些实际功率值与其他测量结果相比较，我们建议使用已校准功率计，如PI的F-712.PM1。

使用带有F-712高精度快速对准系统的F-712.PM1功率计

通过使用F-712.PM1光功率计在可见光和红外范围内进行功率计量，扩展了F-712快速对准系统的多功能性。

设备还具有电流输入。例如，光电二极管可与该输入连接，使二极管电流转换成对数电压信号。这可用于快速确定光信号强度，例如，检查装备中各个元件的功能或执行手动粗调。

独立于源的输出信号是模拟的对数电压信号。这允许利用对数缩放并在宽范围的输入功率中准确地测量光功率。

E-712控制器内部的简单软件命令允许将对数响应信号自动转换为功率。