光子學(xué)行業(yè)的發(fā)展趨勢顯然是迅速擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，預(yù)計(jì)在不久的將來會達(dá)到三個數(shù)量級。無論面臨的挑戰(zhàn)是經(jīng)濟(jì)、可擴(kuò)展地制造多通道硅光子(SiPh)器件，還是組裝日益精密的小型相機(jī)，抑或是在數(shù)千英里的太空中傳輸高速數(shù)據(jù)：對準(zhǔn)對于效率、性能和實(shí)用性至關(guān)重要。隨著光子學(xué)越來越多地應(yīng)用于最終消費(fèi)者和醫(yī)療點(diǎn)，可穿戴設(shè)備將成為一種商品。LIDAR和ADAS攝像頭可以說是無人駕駛汽車最重要的要求。在量子光學(xué)、光學(xué)計(jì)算等領(lǐng)域還有更多的應(yīng)用即將出現(xiàn)，要滿足所有這些市場對光子元件的需求，就必須實(shí)現(xiàn)光子學(xué)測試和組裝工藝的智能自動化。最耗時的生產(chǎn)步驟在于光學(xué)器件、光纖陣列、波導(dǎo)或其他光子元件的對準(zhǔn)。

現(xiàn)代機(jī)構(gòu)配備了先進(jìn)的控制裝置，具有智能的內(nèi)置對準(zhǔn) >> 算法，可在多個通道和自由度上進(jìn)行自動同步優(yōu)化，能夠快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的對準(zhǔn)。以前使用傳統(tǒng)工具需要數(shù)分鐘才能完成的任務(wù)，現(xiàn)在通常只需一條命令在一秒鐘內(nèi)即可完成。讓我們一起來探索對準(zhǔn)方法從手動流程到當(dāng)今先進(jìn)技術(shù)的演變過程。

歷史上的光子學(xué)對準(zhǔn)：傳統(tǒng)工具及其局限性

在20世紀(jì)80年代末個人電腦問世后不久，第一批用于生產(chǎn)的對準(zhǔn)自動化工具便問世了。這些方法使用PC軟件中的對準(zhǔn)功能，并以逐步、逐點(diǎn)的方式耐心執(zhí)行。盡管這些方法還存在瓶頸，與人工方法相比，這些方法在生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性方面還是有了數(shù)倍的提升，得益于過往的接受慣性，這些方法至今仍在廣泛使用。

然而，這種慣性很快就會被所有新的硅光子應(yīng)用所帶來的巨大需求所淹沒。多核處理器不僅僅存在于電腦中(即使是今天的Raspberry Pi也有四個功能強(qiáng)大的64位內(nèi)核)，PC也不再局限于640KB的內(nèi)存和幾兆字節(jié)的存儲空間。這為更復(fù)雜的算法打開了大門，在某些情況下，這些算法甚至包含了機(jī)器學(xué)習(xí)功能。

其結(jié)果是一套作為內(nèi)置自主算法實(shí)現(xiàn)的功能，這些算法以前所未有的速度在亞微米級別上運(yùn)行，以應(yīng)對硅光子和其他光子器件測試和組裝工藝所面臨的挑戰(zhàn)。

這些挑戰(zhàn)包括：

1.解決硅光子器件的多通道問題，這需要在自由度(DOF)上進(jìn)行優(yōu)化，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了20世紀(jì)90年代簡單的尾端粘結(jié)應(yīng)用的要求。

2.跨通道、I/O和DOF的并行優(yōu)化處理，與傳統(tǒng)方法所需的耗時串行步驟序列相比，只需一步即可實(shí)現(xiàn)所有這些方面的一致優(yōu)化。

3.整體對準(zhǔn)時間縮短百倍。

4.廣泛適用于硅光子學(xué)、成像光學(xué)、激光和其他光電測試與組裝領(lǐng)域。

由于對準(zhǔn)占封裝硅光子器件或光學(xué)組件成本的絕大部分，因此在生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性方面面臨著不小的挑戰(zhàn)。

光纖對準(zhǔn)

要實(shí)現(xiàn)光纖對準(zhǔn)或光子學(xué)對準(zhǔn)的最高性能，所涉及的元件和公差都非常小，有時只有幾十納米的數(shù)量級。要達(dá)到這一級別的精度，需要具有亞微米到納米分辨率的機(jī)構(gòu)。在典型的硅光子制造工藝中，從晶圓測試開始，經(jīng)過多個器件組裝和測試步驟，可能需要進(jìn)行多達(dá)二十幾次的此類對準(zhǔn)。

被動與主動：哪一種才是光子學(xué)對準(zhǔn)的未來?

被動對準(zhǔn)依靠的是在子元件制造工藝中以超高精度實(shí)現(xiàn)的預(yù)定特征，從而完成樂高式的子元件組裝，而主動對準(zhǔn)則利用高精度運(yùn)動和實(shí)時反饋來優(yōu)化幾乎任何耦合。被動對準(zhǔn)和主動對準(zhǔn)之間的選擇取決于精度要求、制造能力、系統(tǒng)復(fù)雜性和成本考慮等因素。

Q1

什么是被動對準(zhǔn)?

被動對準(zhǔn)是指采用機(jī)械夾具或預(yù)定對準(zhǔn)特征對系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)元件進(jìn)行對準(zhǔn)的過程。該過程主要依靠對準(zhǔn)特征固有的機(jī)械精度來實(shí)現(xiàn)精確對準(zhǔn)。被動對準(zhǔn)既簡單又經(jīng)濟(jì);當(dāng)公差要求低于大多數(shù)最新硅光子元件所需的公差要求時，被動對準(zhǔn)就能很好地發(fā)揮作用。但在一般情況下，由于當(dāng)今的高性能光子器件要求的精度水平很高，被動對準(zhǔn)會導(dǎo)致成本增加、制造工藝不可靠和產(chǎn)量低下。

Q2

什么是主動對準(zhǔn)?

主動對準(zhǔn)采用促動(計(jì)算機(jī)控制的精密平臺或最簡單的操作員轉(zhuǎn)動旋鈕的雙手)和光功率計(jì)的反饋，提供有關(guān)光功率的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，從而提高耦合效率。在自動主動對準(zhǔn)中，操作員的雙手和眼睛被數(shù)字控制器和對準(zhǔn)算法所取代，該算法會自動驅(qū)動定位機(jī)構(gòu)，直至達(dá)到給定的閾值或最大光功率。許多解決方案仍然以PC 1987風(fēng)格實(shí)現(xiàn)算法。相比之下，最先進(jìn)的主動對準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)已完全集成到控制器中，以實(shí)現(xiàn)最高的速度和可靠性。

實(shí)現(xiàn)自動主動對準(zhǔn)

與電信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用相比，大多數(shù)新光子學(xué)應(yīng)用的一個共同點(diǎn)是產(chǎn)量巨大。據(jù)估計(jì)，該行業(yè)一定會在短短幾年內(nèi)擴(kuò)大1000倍。任何手動流程都無法達(dá)到這樣的規(guī)模，高速自動化是必不可少的。某種形式的對準(zhǔn)自動化已經(jīng)使用了三十多年。然而，隨著器件越來越小、越來越復(fù)雜，對準(zhǔn)時間呈指數(shù)級增長。對準(zhǔn)多透鏡組件的要求遠(yuǎn)高于對準(zhǔn)只有兩個元件的組件。此外，與1997年尾端粘結(jié)激光二極管的大型應(yīng)用相比，連接一個有32條通道的硅光子芯片所花費(fèi)的時間要多得多。理想情況下，只需一個快速步驟，即可同時完成跨多個元件和多個自由度的多次對準(zhǔn)。在這些多通道應(yīng)用中，這種一步到位的流程取代了傳統(tǒng)對準(zhǔn)技術(shù)所需的多個冗長、重復(fù)的循環(huán)，從而將對準(zhǔn)時間縮短了兩個數(shù)量級。

現(xiàn)代自動主動對準(zhǔn)系統(tǒng)完成工作的速度比任何人工操作員都要快得多，而且重復(fù)精度更高。盡管此類系統(tǒng)需要較高的初始投資，但卻具有更高的靈活性和更快的速度，并能為大批量生產(chǎn)節(jié)省大量成本。最新的系統(tǒng)甚至可以同時跨多條通道和多個自由度優(yōu)化耦合性能，這對于在單個芯片上具有多個電路的硅光子學(xué)應(yīng)用是至關(guān)重要的。這種方法加快了?>>?測試和組裝速度，消除了對專業(yè)勞動力和參考公差的依賴。

硅光子學(xué)結(jié)構(gòu)要求對準(zhǔn)精度在二十到五十納米之間，以達(dá)到常見的0.02dB耦合重復(fù)精度規(guī)范，這就需要采用分辨率更高的新型運(yùn)動技術(shù)。通過主動控制對準(zhǔn)流程，這些系統(tǒng)可以補(bǔ)償子元件、夾具和放置公差，與被動對準(zhǔn)和舊法主動對準(zhǔn)相比，可實(shí)現(xiàn)更高水平的精度和重復(fù)精度。在確保最佳性能的同時，自動主動對準(zhǔn)還能提高產(chǎn)量并降低成本。

智能光纖對準(zhǔn)的現(xiàn)代機(jī)構(gòu)和算法

最早的自動對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)需要專用機(jī)構(gòu)或高成本平臺堆疊。近十年前，基于多軸壓電陶瓷納米定位平臺和六足位移臺組合的新型解決方案被證明適用于>>?硅光子測試和組裝領(lǐng)域的新興應(yīng)用。最近，憑借控制器的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)高效的工業(yè)平臺堆疊得以執(zhí)行高通量、多通道并行對準(zhǔn)，從而建立起前所未有的靈活架構(gòu)，甚至可以應(yīng)用于PCB等大型基板?？諝廨S承軸的緊湊組件將其聞名遐邇的潔凈度帶到了現(xiàn)場。這就解決了一個新出現(xiàn)的關(guān)鍵問題，因?yàn)槿藗冋J(rèn)識到，要想實(shí)現(xiàn)良率目標(biāo)，“后端”工藝(如硅光子器件的探測和組裝)必須比傳統(tǒng)微電子工藝更加清潔。例如，在包括晶圓探測和器件封裝在內(nèi)的所有工業(yè)光子學(xué)對準(zhǔn)應(yīng)用中，尋找第一束光歷來是一個耗時的過程。不過，在具有輸入和輸出的器件中，這一過程尤其耗時，因?yàn)榧词挂獙?shí)現(xiàn)臨界量的耦合，也必須完成雙面對準(zhǔn)。直到現(xiàn)在，情況依然如此。