主動對準

在衆多制造領域中,興起了将器件對準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,所有這些都需要在制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,内置于其最高性能的數字納米定位和六足位移台控制器中。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并行執行,即同步執行。這可以大幅減少裝配時間,并且通常可以降低99%的成本。

串行對準與并行對準

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。由于一方是優化的,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緻的對準。類似地,當優化角度時,橫向對準将受到影響并且通常需要再次在耗時的串行回路中重新優化。

但使用FMPA,通常可以同時并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緻對準。在許多情況下,也可以實現所有對準的跟蹤和連續優化,并且可以補償漂移和固化應力等特性。

結果是提高了生産能力,并且通常大幅降低了成本。随着設備變得越來越複雜和準确,并且随着它們的生産和測試要求變得越來越苛刻,這種并行性對于過程經濟學越來越至關重要。

不同的對準流程

有兩種類型的流程:用于在既定區域内定位某些品質因數(例如光功率、調制傳遞函數(MTF)、模态純度等)的峰值的區域掃描,以及用于同時有效優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、幹擾等)的梯度搜索。

梯度搜索

梯度搜索執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。正在優化的品質因數的調制量是耦合局部梯度的一個量度。在适當情況下,調制降至零。

|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。

 

根據觀察到的調制,控制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在适當情況下降至零。

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

梯度搜索在橫向優化中最常用,但也可以在單個線性軸中執行(例如,這非常适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,适用于各種優化,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并行執行不同的、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,橫向程序傾向于降級為高速、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

掃描某個區域以确定最高耦合峰值的大緻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。
  • 通過梯度搜索來确定主要耦合模式以便後續優化。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,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栅或蛇形掃描快得多,因為它們是真正連續的并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。

功率計量

優化光功率傳輸

對于某些應用來說,目标是優化元件之間的光功率傳輸。例如,在大多數矽光子學(SiP)制造步驟中,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,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生産經濟所要求的高速度需要米級的超常速度、動态範圍和響應能力。

輸出信号的對數縮放

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态範圍。這對于捕獲小信号尤為重要,例如遠非适宜對準時。 E-712等PI控制器中的快速對準程序首選使用對數功率信号。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,同時減少過沖的風險。

光功率的計算

為獲得實際功率值,必須轉換對數信号。PI的F-712快速對準系統(即E-712控制器)可通過軟件命令自動轉換為功率。 為了準确地将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内進行功率計量,擴展了F-712快速對準系統的多功能性。

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号。這可用于快速确定光信号強度,例如,檢查裝備中各個元件的功能或執行手動粗調。

獨立于源的輸出信号是模拟的對數電壓信号。這允許利用對數縮放并在寬範圍的輸入功率中準确地測量光功率。

E-712控制器内部的簡單軟件命令允許将對數響應信号自動轉換為功率。

特征

20千赫茲的大信号帶寬
高動态範圍
波長範圍為400至1550納米
電流輸入範圍達1毫安
對數輸出
已校準的功率計

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白皮書

可大幅度改善工業生産力

屢獲殊榮的PI快速對準技術可提供給ACS Controls
版本/日期
WP4023E 2019-06
文件語言 English
pdf - 757 KB
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