高速アクティブアライメント

New needs to align devices down to nanoscale accuracy are arising in many manufacturing fields. Optical components such as the lenses in cameras, or the CCD chip itself, need to be positioned with ever more precision and economic efficiency. In silicon photonics (SiP), tiny devices need to be aligned for testing and packaging, starting at the wafer level. The common theme: multiple channels, multiple elements, multiple interacting inputs and outputs, across multiple degrees of freedom, all need to be aligned and optimized multiple times in the manufacturing process.

高速マルチチャンネルフォトニクスアライメント(FMPA)技術

PIの高速マルチチャネルフォトニクスアライメント(FMPA)技術は、その最高性能のデジタルナノポジショニングおよびヘキサポッドコントローラに組み込まれたファームウェアレベルのコマンドのセットです。これらのコマンドは、複数の自由度、入力と出力、要素とチャンネルにわたる最適化を含む、フォトニックデバイスと他の光学デバイスおよびアセンブリ間の高速結合最適化を可能にします。重要な点として、これらの最適化はたとえ個々の最適化が相互作用するとしても、しばしば並行し同時に実行され得ます。これにより、組立時間が大幅に短縮され、99%のコスト削減が日常的に見られます。

シリアルアライメントとパラレルアライメント

例えば、シリコンフォトニクスデバイスにおいてますます利用されている短い導波路では、入力および出力カップリングは互いにステアリングすることができます。一方が最適化されると、もう一方がわずかにシフトし、再最適化が必要になります。以前は、これには時間のかかる連続した入力、次に出力の前後調整を必要とし、最終的にグローバルなコンセンサスアライメントが達成されるまで繰り返しました。同様に、角度を最適化するとき、横方向の整列は影響を受け、従来はやはり時間のかかる直列ループで再最適化される必要がありました。

しかし、FMPAを使用すると、これらの相互作用するアライメントは、多くの場合、同時に並行して最適化できます。これにより、グローバルなコンセンサスアラインメントを一度に達成できます。すべてのアライメントの追跡と連続的な最適化も、ドリフト、硬化応力などの補正を可能にする多くの状況で可能です。

その結果、生産スループットが大幅に向上し、多くの場合劇的にコストが削減されます。デバイスがより複雑で精密になるにつれて、そしてそれらの製造および試験の要求がより厳しくなるにつれて、この並列性はプロセスの経済性にとってますます重要になっています。

さまざまなアライメントプロセス

プロセスには2つのタイプがあります。性能指数のピーク(光パワー、変調伝達関数(MTF)、モード純度など)を定義された領域内に集中させることを目的とした面積スキャンと効率的な最適化を目的とした勾配検索より多くのそのようなカップリングを一度に(そしてオプションでそれらを追跡してドリフトプロセス、外乱などを軽減する)。

グラディエントサーチ

グラディエントサーチでは、デバイス間で小さな円形のディザモーションが実行されます。最適化される性能指数の変調量は、結合の局所的な勾配の尺度である。変調は最適値でゼロになります。

|ε(θ)|=∇I=(Imin-Imax)/Imin

 

式1:観察された勾配は、整列誤差の尺度として役立つ。

 

観測された変調から、コントローラは式1のような非常に単純な計算によって局所的勾配を数学的に推定することができます。勾配∇Iは最適でゼロに落ちることに注意。

FMPAシステム内のどの軸でも、これらのタイプの位置合わせのいずれかを実行できます(もちろん、軸の物理的機能によります)。

グラディエント検索は横方向の最適化から最もよく知られていますが、(たとえば)レンズカップリングでビームウェストをローカライズする場合や角度方向を最適化するジンバル方式で理想的な単一の直線軸でも実行できます。これらは、バルク光学系、キャビティ、ピンホールアライメントなど、あらゆる種類の最適化に適した非常に汎用的なアルゴリズムです。

光パワー分布と勾配探索ルーチン

一般に、FMPAのユニークな特徴は、異なる、相互作用するグラディエント検索でも並行して実行できることです。横方向の最適化は、他のアライメントによる影響を最も受けやすく、最も影響を受ける傾向があります。そのため、横方向のルーチンは、>> P-616 NanoCubeなどの高速、高分解能の圧電ステージにとってかわられる傾向があります。NanoCubeの高速で連続的なトラッキング能力は、通常は時間のかかる、ループする順次アプローチを必要とするZと角度の最適化の間、横方向の最適化を維持することを可能にします。

エリアスキャン

最も高い結合ピークのおおよその位置を特定するために領域をカニングすることは、さまざまなタスクに役立ちます。

  • ファーストライトシーク
  • カップリングの寸法特性化のためのプロファイリング これは、重要なプロセス管理ステップになる可能性があります。
  • グラディエント探索によるその後の最適化のための結合の主モードの局所化 このハイブリッドアプローチは、極大値への固定を防ぐのに役立ち、非常に強力です。

FMPAのエリアスキャンには、単一周波数の正弦波スキャンとスパイラルスキャンがあります。これらは真に連続的でありそして伝統的な走査で使用される停止および開始運動の整定要件を回避するので、それらは伝統的なラスターまたは蛇行性走査よりもはるかに速く、そして共振構造を回避するために周波数を選択できます。等速スパイラルスキャンもまた選択され、スパイラルにわたって一定の密度でデータを取得することを可能にします。

パワー計測

光パワー伝送の最適化

For some applications, the goal is to optimize the optical power transmission between elements. For example, in most Silicon Photonics (SiP) manufacturing steps, light from a fiber must be efficiently coupled into a silicon substrate or vice versa; the figure-of-merit in this case is optical power, and the metrology is an optical power meter. The coupling profile is very narrow-shaped which results in an equally narrow peak of power distribution. The high speeds demanded by today’s SiP production economics necessitate a meter of unusual speed, dynamic range and responsiveness.

出力信号の対数スケール化

対数応答を用いることで、光パワー計測のダイナミックレンジが線形応答の場合よりも非常に広くなります。これは、最適な配置から離れている信号など、小さい信号の記録で特に重要になります。

E-712を始めとするPI社製コントローラの高速アライメントルーチンでは、対数パワー信号を積極的に用いています。結合プロファイルは通常ガウス関数状になっていますが、対数応答により急な傾斜をなだらかにすることで、行き過ぎのリスクを抑えながらよりスムーズに最大値に近づけることができます。

光パワーの計算

実際のパワーの値を求めるには、対数信号を変換する必要があります。PI社製のF-712高速アライメントシステム(具体的にはE-712コントローラー)には、ソフトウェアコマンドによるパワー値への自動変換機能が備わっています。

変換後の実際のパワー値を他の測定結果と比較する場合には、PI社製のF-712.PM1などの較正済みメーターを使用することをお勧めします。

F-712高精度 高速アライメントシステムとF-712.PM1パワーメーターの併用

可視光域および赤外光域両方におけるパワー計測に対応したF-712.PM1光パワーメーターを使用することで、F-712高速アライメントシステムの用途の幅がさらに広がります。また、電流入力にフォトダイオードを接続することも可能です。

出力信号は、ソースによらずアナログの対数電圧信号になります。このため、対数スケールのメリットを活かし、広い入力パワー範囲で光パワーを正確に測定測定することができます。

E-712コントローラーに内蔵されているシンプルなソフトウェアコマンドを利用することで、対数応答信号をパワーに自動で変換可能です。

特徴

20 kHzに及ぶ大信号帯域幅
高ダイナミックレンジ
波長域400~1550 nm
最大入力電流1 mA
対数出力
較正済みパワーメーター

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ホワイトペーパー

Enabling Large-Format Industrial Productivity

Award-Winning PI Fast Alignment Technology Comes to ACS Controls
日付 / バージョン
WP4023E 2019-06
ドキュメントの言語 英語