光子學行業的發展趨勢顯然是迅速擴大生產規模，預計在不久的將來會達到三個數量級。無論面臨的挑戰是經濟、可擴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，抑或是在數千英里的太空中傳輸高速數據：對準對于效率、性能和實用性至關重要。隨著光子學越來越多地應用于最終消費者和醫療點，可穿戴設備將成為一種商品。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、光學計算等領域還有更多的應用即將出現，要滿足所有這些市場對光子元件的需求，就必須實現光子學測試和組裝工藝的智能自動化。最耗時的生產步驟在于光學器件、光纖陣列、波導或其他光子元件的對準。

現代機構配備了先進的控制裝置，具有智能的內置對準 >> 算法，可在多個通道和自由度上進行自動同步優化，能夠快速實現復雜的對準。以前使用傳統工具需要數分鐘才能完成的任務，現在通常只需一條命令在一秒鐘內即可完成。讓我們一起來探索對準方法從手動流程到當今先進技術的演變過程。

歷史上的光子學對準：傳統工具及其局限性

在20世紀80年代末個人電腦問世后不久，第一批用于生產的對準自動化工具便問世了。這些方法使用PC軟件中的對準功能，并以逐步、逐點的方式耐心執行。盡管這些方法還存在瓶頸，與人工方法相比，這些方法在生產經濟性方面還是有了數倍的提升，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也有四個功能強大的64位內核)，PC也不再局限于640KB的內存和幾兆字節的存儲空間。這為更復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器學習功能。

其結果是一套作為內置自主算法實現的功能，這些算法以前所未有的速度在亞微米級別上運行，以應對硅光子和其他光子器件測試和組裝工藝所面臨的挑戰。

這些挑戰包括：

1.解決硅光子器件的多通道問題，這需要在自由度(DOF)上進行優化，因此遠遠超出了20世紀90年代簡單的尾端粘結應用的要求。

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

3.整體對準時間縮短百倍。

4.廣泛適用于硅光子學、成像光學、激光和其他光電測試與組裝領域。

由于對準占封裝硅光子器件或光學組件成本的絕大部分，因此在生產經濟性方面面臨著不小的挑戰。

光纖對準

要實現光纖對準或光子學對準的最高性能，所涉及的元件和公差都非常小，有時只有幾十納米的數量級。要達到這一級別的精度，需要具有亞微米到納米分辨率的機構。在典型的硅光子制造工藝中，從晶圓測試開始，經過多個器件組裝和測試步驟，可能需要進行多達二十幾次的此類對準。

被動與主動：哪一種才是光子學對準的未來?

被動對準依靠的是在子元件制造工藝中以超高精度實現的預定特征，從而完成樂高式的子元件組裝，而主動對準則利用高精度運動和實時反饋來優化幾乎任何耦合。被動對準和主動對準之間的選擇取決于精度要求、制造能力、系統復雜性和成本考慮等因素。

Q1

什么是被動對準?

被動對準是指采用機械夾具或預定對準特征對系統內的光學元件進行對準的過程。該過程主要依靠對準特征固有的機械精度來實現精確對準。被動對準既簡單又經濟;當公差要求低于大多數最新硅光子元件所需的公差要求時，被動對準就能很好地發揮作用。但在一般情況下，由于當今的高性能光子器件要求的精度水平很高，被動對準會導致成本增加、制造工藝不可靠和產量低下。

Q2

什么是主動對準?

主動對準采用促動(計算機控制的精密平臺或最簡單的操作員轉動旋鈕的雙手)和光功率計的反饋，提供有關光功率的準確數據，從而提高耦合效率。在自動主動對準中，操作員的雙手和眼睛被數字控制器和對準算法所取代，該算法會自動驅動定位機構，直至達到給定的閾值或最大光功率。許多解決方案仍然以PC 1987風格實現算法。相比之下，最先進的主動對準實現已完全集成到控制器中，以實現最高的速度和可靠性。

實現自動主動對準

與電信和數據中心應用相比，大多數新光子學應用的一個共同點是產量巨大。據估計，該行業一定會在短短幾年內擴大1000倍。任何手動流程都無法達到這樣的規模，高速自動化是必不可少的。某種形式的對準自動化已經使用了三十多年。然而，隨著器件越來越小、越來越復雜，對準時間呈指數級增長。對準多透鏡組件的要求遠高于對準只有兩個元件的組件。此外，與1997年尾端粘結激光二極管的大型應用相比，連接一個有32條通道的硅光子芯片所花費的時間要多得多。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。在這些多通道應用中，這種一步到位的流程取代了傳統對準技術所需的多個冗長、重復的循環，從而將對準時間縮短了兩個數量級。

現代自動主動對準系統完成工作的速度比任何人工操作員都要快得多，而且重復精度更高。盡管此類系統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，并能為大批量生產節省大量成本。最新的系統甚至可以同時跨多條通道和多個自由度優化耦合性能，這對于在單個芯片上具有多個電路的硅光子學應用是至關重要的。這種方法加快了?>>?測試和組裝速度，消除了對專業勞動力和參考公差的依賴。

硅光子學結構要求對準精度在二十到五十納米之間，以達到常見的0.02dB耦合重復精度規范，這就需要采用分辨率更高的新型運動技術。通過主動控制對準流程，這些系統可以補償子元件、夾具和放置公差，與被動對準和舊法主動對準相比，可實現更高水平的精度和重復精度。在確保最佳性能的同時，自動主動對準還能提高產量并降低成本。

智能光纖對準的現代機構和算法

最早的自動對準機構需要專用機構或高成本平臺堆疊。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域的新興應用。最近，憑借控制器的進步，經濟高效的工業平臺堆疊得以執行高通量、多通道并行對準，從而建立起前所未有的靈活架構，甚至可以應用于PCB等大型基板。空氣軸承軸的緊湊組件將其聞名遐邇的潔凈度帶到了現場。這就解決了一個新出現的關鍵問題，因為人們認識到，要想實現良率目標，“后端”工藝(如硅光子器件的探測和組裝)必須比傳統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的所有工業光子學對準應用中，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，因為即使要實現臨界量的耦合，也必須完成雙面對準。直到現在，情況依然如此。