光子學(xué)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)顯然是迅速擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)會(huì)達(dá)到三個(gè)數(shù)量級(jí)。無(wú)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(duì)準(zhǔn)對(duì)于效率、性能和實(shí)用性至關(guān)重要。隨著光子學(xué)越來(lái)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(shuō)是無(wú)人駕駛汽車(chē)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(chǎng)對(duì)光子元件的需求，就必須實(shí)現(xiàn)光子學(xué)測(cè)試和組裝工藝的智能自動(dòng)化。最耗時(shí)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(duì)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(duì)準(zhǔn) >> 算法，可在多個(gè)通道和自由度上進(jìn)行自動(dòng)同步優(yōu)化，能夠快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的對(duì)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(lái)探索對(duì)準(zhǔn)方法從手動(dòng)流程到當(dāng)今先進(jìn)技術(shù)的演變過(guò)程。

　　歷史上的光子學(xué)對(duì)準(zhǔn)：傳統(tǒng)工具及其局限性

　　在20世紀(jì)80年代末個(gè)人電腦問(wèn)世后不久，第一批用于生產(chǎn)的對(duì)準(zhǔn)自動(dòng)化工具便問(wèn)世了。這些方法使用PC軟件中的對(duì)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(guò)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(huì)被所有新的硅光子應(yīng)用所帶來(lái)的巨大需求所淹沒(méi)。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(gè)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(chǔ)空間。這為更復(fù)雜的算法打開(kāi)了大門(mén)，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(jí)別上運(yùn)行，以應(yīng)對(duì)硅光子和其他光子器件測(cè)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(wèn)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(jiǎn)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(shí)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(duì)準(zhǔn)時(shí)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(cè)試與組裝領(lǐng)域。

　　由于對(duì)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(duì)準(zhǔn)

　　要實(shí)現(xiàn)光纖對(duì)準(zhǔn)或光子學(xué)對(duì)準(zhǔn)的最高性能，所涉及的元件和公差都非常小，有時(shí)只有幾十納米的數(shù)量級(jí)。要達(dá)到這一級(jí)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(cè)試開(kāi)始，經(jīng)過(guò)多個(gè)器件組裝和測(cè)試步驟，可能需要進(jìn)行多達(dá)二十幾次的此類(lèi)對(duì)準(zhǔn)。

　　被動(dòng)與主動(dòng)：哪一種才是光子學(xué)對(duì)準(zhǔn)的未來(lái)?

　　被動(dòng)對(duì)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(lè)高式的子元件組裝，而主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)則利用高精度運(yùn)動(dòng)和實(shí)時(shí)反饋來(lái)優(yōu)化幾乎任何耦合。被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)和主動(dòng)對(duì)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(dòng)對(duì)準(zhǔn)?

　　被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)是指采用機(jī)械夾具或預(yù)定對(duì)準(zhǔn)特征對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)元件進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程。該過(guò)程主要依靠對(duì)準(zhǔn)特征固有的機(jī)械精度來(lái)實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)。被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)既簡(jiǎn)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(shí)，被動(dòng)對(duì)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(dòng)對(duì)準(zhǔn)會(huì)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(dòng)對(duì)準(zhǔn)?

　　主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)采用促動(dòng)(計(jì)算機(jī)控制的精密平臺(tái)或最簡(jiǎn)單的操作員轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)中，操作員的雙手和眼睛被數(shù)字控制器和對(duì)準(zhǔn)算法所取代，該算法會(huì)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)對(duì)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(dòng)主動(dòng)對(duì)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(gè)共同點(diǎn)是產(chǎn)量巨大。據(jù)估計(jì)，該行業(yè)一定會(huì)在短短幾年內(nèi)擴(kuò)大1000倍。任何手動(dòng)流程都無(wú)法達(dá)到這樣的規(guī)模，高速自動(dòng)化是必不可少的。某種形式的對(duì)準(zhǔn)自動(dòng)化已經(jīng)使用了三十多年。然而，隨著器件越來(lái)越小、越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。對(duì)準(zhǔn)多透鏡組件的要求遠(yuǎn)高于對(duì)準(zhǔn)只有兩個(gè)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(gè)有32條通道的硅光子芯片所花費(fèi)的時(shí)間要多得多。理想情況下，只需一個(gè)快速步驟，即可同時(shí)完成跨多個(gè)元件和多個(gè)自由度的多次對(duì)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(duì)準(zhǔn)技術(shù)所需的多個(gè)冗長(zhǎng)、重復(fù)的循環(huán)，從而將對(duì)準(zhǔn)時(shí)間縮短了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　現(xiàn)代自動(dòng)主動(dòng)對(duì)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(lèi)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(shí)跨多條通道和多個(gè)自由度優(yōu)化耦合性能，這對(duì)于在單個(gè)芯片上具有多個(gè)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(cè)試和組裝速度，消除了對(duì)專(zhuān)業(yè)勞動(dòng)力和參考公差的依賴(lài)。

　　硅光子學(xué)結(jié)構(gòu)要求對(duì)準(zhǔn)精度在二十到五十納米之間，以達(dá)到常見(jiàn)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(dòng)技術(shù)。通過(guò)主動(dòng)控制對(duì)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(dòng)對(duì)準(zhǔn)和舊法主動(dòng)對(duì)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(shí)，自動(dòng)主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)還能提高產(chǎn)量并降低成本。

　　智能光纖對(duì)準(zhǔn)的現(xiàn)代機(jī)構(gòu)和算法

　　最早的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)需要專(zhuān)用機(jī)構(gòu)或高成本平臺(tái)堆疊。近十年前，基于多軸壓電陶瓷納米定位平臺(tái)和六足位移臺(tái)組合的新型解決方案被證明適用于>>?硅光子測(cè)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(tái)堆疊得以執(zhí)行高通量、多通道并行對(duì)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(chǎng)。這就解決了一個(gè)新出現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題，因?yàn)槿藗冋J(rèn)識(shí)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(cè)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(cè)和器件封裝在內(nèi)的所有工業(yè)光子學(xué)對(duì)準(zhǔn)應(yīng)用中，尋找第一束光歷來(lái)是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程。不過(guò)，在具有輸入和輸出的器件中，這一過(guò)程尤其耗時(shí)，因?yàn)榧词挂獙?shí)現(xiàn)臨界量的耦合，也必須完成雙面對(duì)準(zhǔn)。直到現(xiàn)在，情況依然如此。