Aktives Ausrichten

In vielen Anwendungsfeldern gibt es neue Anforderungen, Komponenten bis auf den Nanometer genau auszurichten. Optische Komponenten wie z.B. die Linsen in Kameras, ebenso wie der CCD Chip selbst, müssen mit zunehmender Genauigkeit und Effizienz positioniert werden. In der Silizium-Photonik (SiP) müssen bereits für den Funktionstest auf Wafer-Ebene und später in der Aufbau- und Verbindungstechnik die anzukoppelnden Glasfasern hochpräzise zu den winzigen photonischen Strukturen ausgerichtet werden. Allen Anwendungen gemeinsam sind die Anforderungen, dass mehrere Kanäle, mehrere Elemente, mehrere korrespondierende Ein- und Ausgänge über mehrere Freiheitsgrade hinweg ausgerichtet und optimiert werden müssen, und das mehrfach innerhalb eines Produktionsprozesses.

Fast, Multi-Channel Photonics Alignment (FMPA): Technologie für schnelles Ausrichten

Die PI Technologie für schnelles Ausrichten von Komponenten in mehreren Achsen basiert auf einem Satz von Befehlen auf Firmware-Ebene, der in den leistungsstärksten digitalen Nanopositionierungs- und Hexapod-Controllern integriert ist. Diese Befehle ermöglichen eine schnelle Koppeloptimierung zwischen photonischen und anderen optischen Elementen und Baugruppen, einschließlich der Optimierung über mehrere Freiheitsgrade, Ein- und Ausgänge, Elemente und Kanäle hinweg. Entscheidend ist, dass diese Optimierungen oft simultan, also gleichzeitig, durchgeführt werden können, auch wenn die einzelnen Optimierungen einander gegenseitig beeinflussen. Die simultane Optimierung kann zu einer erheblichen Reduzierung der Montagezeit führen und die Kosten reduzieren sich häufig bis zu 99 %.

Serielles oder simultanes Ausrichten?

So können sich beispielsweise bei den zunehmend in Silizium-Photonik-Strukturen eingesetzten kurzen Wellenleitern die Ein- und Ausgangskopplungen gegenseitig beeinflussen. Wenn eine Seite optimiert ist, verschiebt sich die andere leicht und muss neu optimiert werden. Bisher erforderte dies eine zeitaufwendige, sich wiederholende serielle Abfolge von Ausrichtungen erst des Eingangs, dann des Ausgangs, bis schließlich eine ganzheitliche Optimierung erreicht war. Ebenso würde bei der Optimierung eines Winkels die Querausrichtung beeinträchtigt und müsste erneut optimiert werden, wiederum in einer zeitaufwendigen Serienschleife.

Mit der FMPA-Technologie können diese interagierenden Ausrichtungen oft simultan optimiert werden. Auf diese Weise kann in einem Arbeitsgang eine globale Optimierung über alle Kanäle erreicht werden. Die Nachverfolgung (Tracking) und kontinuierliche Optimierung aller Ausrichtungen ist unter vielen Umständen ebenfalls möglich und ermöglicht die Kompensation von Drifteffekten, z.B. aufgrund von Spannungen während des Aushärtens von Klebern usw.

Das Ergebnis ist eine deutlich höhere Produktivität und oft dramatisch niedrigere Kosten. Mit zunehmender Komplexität und Präzision der optischen / photonischen Strukturen sowie steigenden Produktionszahlen und Prüfanforderungen wird es für die Wirtschaftlichkeit der Produktionsprozesse immer wichtiger, simultan zu optimieren.

Verschiedene Ausrichtungsroutinen

Es gibt zwei Arten von Prozessen: Die Flächenscans, die dazu bestimmt sind, einen Peak eines bestimmten Parameters (z.B. optische Leistung, Modulation Transfer Funktion (MTF), modale Reinheit...) innerhalb eines definierten Bereichs zu lokalisieren, und die Gradientensuche, die darauf abzielt, eine oder mehrere solcher Kopplungen gleichzeitig effizient zu optimieren (und sie optional zu verfolgen („tracken“), um Driftprozesse, Störungen usw. zu mildern).

Gradientensuche

Die Gradientensuche moduliert die Kopplung zwischen zwei Bauelementen in kleinen kreisförmigen Dither-Bewegungen. Der Modulationsgrad des zu optimierenden Werts ist ein Maß für den lokalen Gradienten der Kopplung. Die Modulation fällt im Optimalfall auf null.

|ε(θ)|=∇I=(Imin-Imax)/Imin

 

Gleichung 1: Der beobachtete Gradient dient als Maß für den Ausrichtfehler.

 

Aus der beobachteten Modulation kann der Controller über eine sehr einfache Berechnung (siehe Gleichung 1) den lokalen Gradienten mathematisch ableiten. Im Maximum fällt die Steigung ∇I auf Null.

Jede Bewegungsachse in einem FMPA-System kann jede dieser Arten von Ausrichtungen durchführen (vorbehaltlich der physikalischen Möglichkeiten der Achsen).

Die Gradientensuche ist aus der Queroptimierung am besten bekannt, kann aber auch z.B. in einer einzigen Linearachse durchgeführt werden, was sich ideal zur Lokalisierung der Strahltaille in einer Kopplung mit Faserlinsen oder zur Optimierung der Winkelorientierung eignet. Dies sind sehr universell einsetzbare Algorithmen, die für alle Arten von Optimierungen geeignet sind, einschließlich Bulk-Optik, Laserkavitäten- und Lochmasken-Ausrichtung.

Optische Leistungsverteilung und Gradientensuchroutine

Das Besondere an FMPA ist, dass verschiedene, sogar interagierende Gradientensuchen gleichzeitig durchgeführt werden können. Queroptimierungen sind in der Regel die empfindlichsten und werden auch am stärksten von anderen Justiervorgängen beeinflusst. Daher werden diese eher auf schnelle, hochauflösende piezoelektrische Positioniertische wie den PI >> P-616 NanoCube beschränkt. Die hohe Geschwindigkeit und die kontinuierliche Tracking-Fähigkeit des NanoCube ermöglichen es, die Queroptimierung während der Z- und Winkeloptimierung aufrechtzuerhalten, die normalerweise einen zeitaufwendigen, schleifenförmigen sequentiellen Ansatz erfordern würden.

Flächenscans

Das Scannen eines Bereichs, um die ungefähre Position der Leistungsspitze zu bestimmen, wird für eine Vielzahl von Aufgaben genutzt:

  • "First-Light" Suche.
  • Dimensionale Charakterisierung einer Kopplung. Dies kann ein wichtiger Schritt in der Prozesskontrolle sein.
  • Lokalisieren der Hauptmode einer Kopplung, die später durch die Gradientensuche optimiert wird. Dieser leistungsfähige hybride Ansatz verhindert, dass auf ein lokales Maximum gekoppelt wird.

Einzigartig ist, dass die FMPA-Flächenscan-Optionen monofrequente Sinus- und Spiralscans beinhalten. Diese sind viel schneller als herkömmliche Raster- oder Serpentinenscans, da sie tatsächlich kontinuierlich sind und Einschwingvorgänge vermeiden, wie sie bei den Stop-und-Start-Bewegungen herkömmlicher Scans auftreten. Die Frequenz kann so gewählt werden, dass die Anregung struktureller Resonanzen vermieden wird. Es kann auch eine Spiralabtastung mit konstanter Geschwindigkeit gewählt werden, so dass Daten mit konstanter Dichte über die gesamte Spirale erfasst werden können.

Messen der optischen Leistung

Optimieren der optischen Leistungsübertragung

Bei vielen Anwendungen tritt die Aufgabe auf, die Übertragung der optischen Leistung zwischen mehreren Elementen zu optimieren. Zum Beispiel wird in vielen Produktionsschritten in der Silizium-Photonik (SiP) Licht aus einer Faser in ein Siliziumsubstrat eingekoppelt, oder umgekehrt. Der betrachtete Parameter ist in diesem Fall die optische Leistung, wozu ein optischer Leistungsmesser verwendet wird. Das typische optische Kopplungsprofil ist sehr schmal, was auch zu einer ähnlich scharf konturierten Verteilung der Leistung führt. Die hohen Geschwindigkeiten die heute in der SiP-Produktion verlangt werden, erfordern Messgeräte mit hoher Schnelligkeit, hervorragendem Ansprechverhalten und hoher Dynamik.

Logarithmische Skalierung des Ausgangssignals

Nutzt man ein logarithmisches Leistungssignal, so vergrößert das den dynamischen Bereich für die Messung gegenüber einer linearen Antwort. Dies ist besonders wichtig wenn man kleine Signale erfassen möchte, wie sie z.B. weit weg vom optimalen Kopplungspunkt auftreten. Die schnellen Alignment-Routinen, wie sie von PI z.B. im E-712 Controller verwendet werden, verwenden vorzugsweise ein logarithmisches Leistungssignal. Durch die logarithmische Skalierung werden die steilen Flanken des typischerweise Gauss-verteilten Kopplungsprofils abgeflacht, wodurch die Annäherung an das Maximum sanfter ist und weniger Risiko für Überschwinger bietet.

Berechnung der optischen Leistung

Um den realen Wert der Leistung zu ermitteln, muss das logarithmische Signal umgewandelt werden. Die schnellen F-712 Alignment-Systeme von PI, speziell die E-712 Controller, bieten eine automatische Konvertierung in ein Leistungssignal per Software-Kommando. Um diese echten Leistungswerte mit anderen Messergebnissen vergleichen zu können, wird die Verwendung eines kalibrierten Leistungsmessers empfohlen, wie z.B. des F-712.PM1.

Verwenden des optischen Leistungsmessers F-712.PM1 mit den hochpräzisen schnellen Alignment-Systemen F-712

Die Vielseitigkeit der schnellen Alignment-Systeme F-712 wird zusätzlich erweitert durch den optischen Leistungsmesser F-712.PM1 der sowohl im sichtbaren als auch im Infrarot-Bereich misst.

Der F-712.PM1 verfügt über einen zusätzlichen Stromeingang. An diesen Eingang kann beispielsweise eine Fotodiode angeschlossen werden und der Diodenstrom in ein logarithmisches Spannungssignal gewandelt werden. Damit wird die optische Signalstärke schnell und einfach ermittelt, z.B. um die Funktion einzelner Komponenten in einem Aufbau zu prüfen oder um eine manuelle Grobjustage vorzunehmen.

Unabhängig von der Quelle wird ein analoges, logarithmisches Spannungssignal ausgegeben. So kann sowohl die logarithmische Skalierung genutzt werden als auch die optische Leistung über eine weiten Bereich präzise gemessen werden.

Ein einfaches Kommando im E-712 Controller erlaubt die automatische Konversion des logarithmische Signals in einen Leistungswert.

Merkmale

Große Signalbandbreite von 20 kHz
Hoher Dynamikbereich
Wellenlängenbereich 400 bis 1550 nm
Stromeingangsbereich bis 1 mA
Logarithmisches Ausgangssignal
Kalibrierter Leistungsmesser

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Whitepaper

Enabling Large-Format Industrial Productivity

Award-Winning PI Fast Alignment Technology Comes to ACS Controls
Version / Datum
WP4023E 2019-06
Dokumentsprache Englisch
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