受云计算、人工智能、自主系统和高带宽通信等新兴应用的推动，全球数据需求持续呈指数级增长。即使在2020年新冠疫情期间，全球网络流量也增长了20%以上，凸显了可扩展、节能的数据传输和路由基础设施的重要性。

光子芯片产业持续快速发展，其技术已被集成到众多主流应用中。这些应用包括先进的激光雷达（LiDAR）系统、可穿戴设备和汽车视觉系统中的紧凑型传感器?？?，以及量子信息处理、高速光互连和光子计算等新兴领域——在光子计算中，光子取代电子作为逻辑运算的信息载体。

这项技术变革的核心在于硅光子学（SiPh）——一种将光学和电子功能单片集成到单个硅衬底上的平台。这种集成在带宽密度、能源效率和尺寸缩小方面都带来了显著优势。

鉴于硅光子晶体（SiPh）应用领域的快速多元化以及在消费电子和数据通信市场的加速普及，预计未来几年其产量将增长几个数量级——甚至可能高达千倍。实现这种规?；枰远庋Ф宰己头庾凹际跞〉猛哂斜涓镆庖宓慕?，而这正是本文讨论的重点。

光学对准和电子对准的区别

与电子电路相比，光路需要在多个阶段进行耗时的验证和表征步骤——从晶圆级测试到后续的封装和组装工艺。每个阶段对定位精度的要求通常比传统电子探测高两到三个数量级，并且往往涉及额外的机械自由度。

在电子测试中，探针可以轻松接触尺寸在几十微米量级的电测试焊盘。相比之下，硅光子学（SiPh）测试结构和耦合接口的光学特征对准精度在20-50纳米范围内。要实现并保持如此高的精度，需要纳米级的先进运动系统和远超传统半导体探针测试所采用的闭环控制架构。

这种精度无法通过被动视觉反?。ɡ缁?a class="link-system" href="/product/6915929471470624768.html" title="显微镜" target="_blank">显微镜或摄像头的对准方法）来实现，因为这些方法缺乏必要的空间分辨率和动态反馈速度。因此，光学对准必须是主动的，依靠对耦合光功率的实时优化来确定真正的对准精度。这种方法能够确保在机械、热或工艺引起的偏差下仍能实现最高的传输效率。

扩大硅磷生产规模的挑战

制造光子集成电路需要具有挑战性的纳米定位任务，而基于视觉或夹具的技术是不够的，尤其是在考虑到器件差异的情况下。

从晶圆上的初始探测和分级到最终组装和封装，所有制造阶段都需要重复对准，其中包括放置和粘合功能元件的多个步骤以及穿插的额外测试，这长期以来一直被认为是扩大生产规模的障碍，占总成本的 80%。

主动对准方法历来成本高昂，这成为数十年来人们寻求被动对准技术的主要动力。如今，精密主动对准技术已经问世，不仅消除了许多相关费用，还能在整个制造流程中实现一系列的成本节约。

图 1.如今，对光子器件进行测试和封装可能面临多自由度方面的挑战。在现代并行算法出现之前，多通道器件（例如光纤阵列）的对准曾经是一个缓慢且重复的过程。

被动式还是主动式对准？

在非光子制造中，可以使用主动或被动技术实现精确对准。例如，燕尾榫可以将两块电路板以直角连接，从而实现边缘对齐。

然而，对于需要更高精度的应用，例如将光纤对准芯片或其他组件，被动定位往往效果不佳，因为公差太小，导致制造过程不稳定。

当设计变得更加复杂时，为满足所需的公差而需要的机床和程序会变得更加昂贵，废品数量也会增加，从而导致额外的支出。

有些器件公差，例如光纤芯中心定位，无法通过改进制造技术来解决，当器件间的差异超过所需的对准公差时，加工出世界上最精细的 V 形槽也无济于事。

已经出现了巧妙的被动对准解决方案，这些解决方案在特殊应用中展现出巨大的潜力，例如光子插头（Teramount），尽管主动对准仍然是必要的。

相比之下，主动对准通过使用机器人自主对准器件来提高性能，并且考虑到下面所示的成本节约、灵活性和速度，它将继续成为未来光子器件制造的首选。

主动对准通过最大化耦合性能来实现，而本研究中详细介绍的最新突破能够以经济高效的方式在不同的自由度上的多个通道中实现这一点，这是必要的，因为 SiPh 可以在单个芯片上印刷具有多个输入和输出的多个电路。

主动调整：哪些是必要的？

主动对准需要先进的控制电子设备和高精度机械装置。在制造过程中，光子器件的各个组件会进行自主控制，以保持它们之间的相对位置。

传统上，这是一项耗时的操作，因为优化多个通道、输入和输出以及多个自由度需要多次迭代才能达到预期结果。随着设备变得越来越小、越来越复杂，沿用旧方法只会增加所需时间，并进一步推高成本。

例如，多透镜组件的对准比单个元件的对准要困难得多，就像具有多个通道的 SiPh 芯片（而不是 20 世纪 90 年代末使用的单根光纤）一样。

幸运的是，革命性的控制算法现在可以同时完成跨各种自由度、通道和操作系统的所有必要子对准，从而在一步快速操作中完成整个过程。这消除了重复循环，通常可将对准时间缩短 99%。

信号承载元件的精确定位

主动对准的主要问题是精确地排列信号承载器件（如单根光纤或光纤阵列、透镜、中介层或其他芯片）与耦合点（如光栅耦合器或边缘面）之间的关系。

这些耦合可以发生在被动和主动光子结构（例如波导、垂直腔面发射激光器和光电二极管）的内部或外部。连接光子元件时，通常需要几十纳米的对准精度才能实现最大的光功率传输和最低的衰减。

精密自动化：寻找主峰

在几乎所有光子元件对准中，当对准到最佳位置时，信号（例如光功率）会达到全局峰值；而当对准位置不正确时，信号会下降。

这是一个全局规律，但经?；峁鄄斓揭恍┬榧俚慕系突蚓植糠逯?，这些峰值不应被选作优化目标。然而，找到这个全局峰值通常非常耗时，尤其是在涉及多个自由度的情况下。

图 2.光学元件的功率分布图显示出多个峰值。现代算法和精密机械可以帮助确定主模并快速找到精确的峰值。

高级算法和快速力学

先进算法与快速机制的革命性结合，例如 PI 屡获殊荣的快速多通道光子对准解决方案 (FMPA)，显著提高了吞吐量。

FMPA 优化了通道、输入和输出以及自由度之间的光子元件耦合，即使这些独立变量相互影响，它也能利用快速首次光检测、无振动面扫描和创新的并行梯度搜索等新功能，实现实时、多变量跟踪优化。

以前的方法需要按顺序调整耦合，来回循环，并在每个轴上重新调整，以逐步达成共识。

这耗时很长，有时甚至长达几分钟，并且对成本、效率和可扩展性产生了显著影响。相比之下，FMPA 只需一步即可完成所有这些更改，只需执行一组简单的命令，而且只需几秒钟。

由于对准操作是并行执行的，因此优化时间基本与对准次数无关。对准时间的显著缩短（通?？伤醵塘礁鍪考叮┘蟮亟档土顺杀?，使得诸如探测硅磷晶圆之类的操作在商业上可行。

图 3.对准速度对于降低生产成本至关重要。

主动协调：不同的流程

光子元件的对准方法有两种：面扫描和梯度搜索。

面扫描可以识别特定区域内测量指标（例如光功率、调制传递函数 (MTF) 或模式纯度）的峰值。它们可用于精确表征器件的光学特征，并区分全局最大值和局部最大值。

梯度搜索能够实现快速的最终优化和跟踪，而FMPA独特的实现方式可以同时优化和跟踪多个自由度中的一个或多个耦合，从而减少漂移过程、干扰等。这些步骤将在下文中详细介绍。

区域扫描

面扫描，即扫描某个区域以确定最高耦合峰的大致位置，可用于多种用途，包括：

· 探测最早的光线

· 分析联轴器以实现有效的过程控制

· 利用梯度搜索定位耦合的主模态以进行优化。该步骤创建了一种强大的混合策略，有助于防止陷入局部最大值。

FMPA 的区域扫描包括独特的单频正弦波扫描和螺旋扫描。这些扫描方式比光栅扫描或蛇形扫描速度快得多，因为它们是连续的，不需要像传统扫描那样频繁地停止和启动。

此外，频率可调，以避免产生结构共振?；箍梢匝≡窈闼俾菪?，从而在整个螺旋方向上以恒定密度采集数据。

图 4a.用于检测第一束光的正弦面扫描。

图 4b.采用六足/压电方式进行螺旋扫描?？赏敝葱芯干韬痛致陨?。

梯度搜索

梯度搜索利用器件间适度的、大致呈圆形的抖动运动来改变耦合强度。这种品质因数的变化使得耦合强度的局部梯度能够实时确定。控制器自动检测调制，并引导对准过程使其最小化，直至达到零，这标志着优化完成。

图 5.通过圆形抖动确定梯度的图形表示，该抖动调制观测到的耦合功率（或其他参数）。相对于抖动的调制相位指示了趋向最大值的方向，而其振幅在优化后降至零。

|ε(θ)| = ?I = (I最小值?I最大值)/I最小值

图 6. 观测到的梯度可以用上述公式表示，并可作为对准误差的度量。

控制器可以根据观察到的调制自动计算局部梯度（图 6）。

优化后，梯度 (?I) 减小至零。FMPA 系统中的任何轴都可以执行各种类型的对准，具体取决于其物理性能。梯度搜索是横向优化的快速而精确的方法，但它们也可用于其他目的，例如：

· 在单一线性轴上，这非常适合在透镜耦合中定位光束腰。

· 以万向节或旋转的方式优化角度方向

· 在多通道设备的一个通道轴上旋转，使设备阵列式输入/输出 (I/O) 通道的所有元素对应起来。

这些技术适用于各种优化，包括体光学器件、腔体和针孔对准。

图 7.数字梯度搜索（爬山算法）的图形化表示。一旦通过面扫描识别出主模，该算法就能快速到达峰值。主峰会在应用所需的所有自由度范围内自动进行微调。所有这些操作都只需用户发出一个命令即可并行完成。对于当今的光子器件，不能假定峰值是对称的、服从高斯分布的或具有圆形截面。此外，还必须满足边缘耦合器和衍射耦合器两种情况。

应对位置变化

封装内的光子器件必须永久粘合并连接到光纤上才能传输信号，这通常使用紫外固化环氧树脂胶来实现。然而，固化过程中会发生聚合反应，这会增加应力并导致元件移位。

因此，FMPA 算法中的跟踪模式可用于在聚合的早期阶段实时校正光学元件的位置变化，进行必要的校正，并微调对准以保持最佳方向。

解决第一道光问题

在开始优化步骤之前，必须能够检测到高于噪声水平的光信号。

这个过程被称为首光检测。在所有工业光子学对准应用中，包括晶圆探测和器件封装，寻找首光都非常耗时。对于具有输入和输出的器件来说，这尤其困难，因为即使要实现最低限度的耦合，两侧也必须对准。

传统首光搜索算法

在微米到亚微米尺度上，循环图案（如阿基米德螺旋或正弦光栅扫描）通常用于检测信号（见图 4a 和 4b）。

如果设备之间存在相当大的差异或夹具不确定，这些重复的、间隔很窄的扫描可能需要很长时间才能完成，具体取决于要扫描的区域、输入和输出是否必须同时对齐等参数。

新的首次光线捕捉过程

我们开发了一种独特的嵌入式搜索和对齐算法（专利申请中），有望彻底改变该领域。该算法名为PILightning，已集成到PI的先进控制器中。

它使压电扫描器或直驱式气浮平台等高动态机械装置能够比以往的首光搜索算法显著降低成本。这一新流程完全自动化且几乎瞬时完成，无需进行大量的校准或操作员干预。

图 8.使用 PILightning 进行首次光探测。点击此处了解更多信息。

PILightning 基于一种新颖的搜索策略，该策略融合了 AI 驱动的实时执行功能（图 8）。它显著减少了在单侧和双侧耦合以及环回（ω）波导排列中定位第一道光所需的时间。

一旦检测到第一束光，就会激活 FMPA（快速多通道光子对准）快速梯度搜索方法，该方法利用实时反馈控制快速优化跨自由度和通道的对准。

根据应用情况，可以启用跟踪算法来保持最佳耦合效率，这在固化环境中至关重要。

数量级提升

测试表明，在单侧对准应用中，PILightning 可以将首次光捕获量减少一个数量级或更多。

双面应用带来的性能提升超过两个数量级。搜索范围越广（例如，FMPA并行优化功能也支持这种广度），比对越复杂，收益就越大。

图 9. F  -141 双面光纤对准系统（采用 PILightning 技术，简称 PINovAlign）旨在以最紧凑的尺寸提供最高的性能。它提供 3 轴、4 轴和 6 轴配置，并在光纤阵列应用中具有卓越的吞吐量优势。

不同需求的机制

虽然上述技术适用于所有类型的机械对准装置，但对准机构的不同要求，如尺寸、行程范围、自由度等，需要不同的配置和技术。

光功率计：带宽和动态范围规则

为了确保硅光电器件的正确对准，还需要一个灵敏度极高、动态范围宽、带宽高的功率计。为了充分发挥FMPA算法的优势，通常使用20 kHz的信号带宽和六个数量级的动态范围，并采用对数输出。

图 10. 高速光学对准需要高带宽的光功率计。

用于大幅面应用的龙门平台

在电路板、托盘、载体和其他大型基板上对各种应用（包括半导体和 SiPh 测试和制造）进行大面积密集纳米结构加工，需要可靠的平台提供高精度、高通量的解决方案。

新型龙门架系统非常适合这些应用，因为它们可以大大提高吞吐量，同时还能以紧凑的外形尺寸提供可重复且可靠的结果。

目前一些龙门架系统，例如 PI 提供的系统，采用高功率密度的无铁芯线性电机来处理光子学应用中所需的高动态范围。

这些高效的直驱电机可以在每个龙门架轴上配备两个高分辨率线性编码器，分辨率可达纳米级或亚纳米级，即使在最苛刻的工作周期内也能实现可重复定位。

可选择机械轴承或气浮轴承，其中气浮轴承具有诸多优势，包括运行更清洁，避免了可能损害精密光路的污染风险?？刂破骺裳∨淠谥肍MPA功能或不选配FMPA功能。

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  TCube mini 270 超小型热电循环冷却器

  型号：TCube mini 270

  厂家：Solid State Cooling Systems

  概述：TCube mini 270是一款超小型热电循环冷却器，基于UC160-190系列，拥有更大的流体储罐(~180毫升)和更高的冷却能力，使用高可靠性热电技术和精确控制算法。世界上小的循环冷却器，易于集成到被控制系统内部或旁边。该款循环冷却器具有270W的冷却能力和±0.1°C的精确温度控制，适用于高精度温控场景。

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