Allineamento Attivo

In molti settori sta crescendo la necessità di allineare dispositivi con una accuratezza su scala nanometrica. Componenti ottici quali lenti o insiemi di lenti in piccole fotocamere, o anche il chip CCD stesso, devono essere posizionati con sempre maggiore precisione. Nella Silicon Photonics, i dispositivi a fibra ottica devono essere allineati per ottimizzare la produzione ottica prima che il processo di test e di impacchettamento possa cominciare. A volte più canali, o input e output interagenti, devono essere allineati e ottimizzati per la caratterizzazione dei dispositivi, o nelle procedure di test e confezionamento.

Tecnologia Multi-Canale, Veloce per l'Allineamento in Fotonica (FIMPA)

PI’s Fast, Multi-Channel Photonics Alignment (FMPA) technology is a set of firmware-level commands built into its highest-performance digital nanopositioning and hexapod controllers. These commands allow fast coupling optimization between photonic and other optical devices and assemblies, including optimization across multiple degrees-of-freedom, inputs and outputs, elements and channels. Importantly, these optimizations can often be performed in parallel, i.e. simultaneously, even if the individual optimizations interact. This can yield vast reductions in assembly-time and cost-reductions of 99% are routinely seen.

Allineamento Seriale control Allineamento Parallelo

Per esempio, nelle guide d'onda corte utilizzate nei dispositivi di silicon photonics, gli accoppiamenti di input e output possono orientarsi a vicenda. Nel momento in cui un lato è ottimizzato, l'altro si sposta leggermente e necessita di essere ri-ottimizzato. Precedentemente, questo richiedeva una serie di allineamenti avanti indietro, dispendiosi in termini di tempo, prima degli input e poi degli output, ripetendo l'operazione finché non si fosse raggiungo un allineamento globale. Allo stesso modo, quando si doveva ottimizzare un angolo, l'allineamento trasversale ne sarebbe stato influenzato, a avrebbe dovuto essere ri-ottimizzato, sempre per mezzo di un ciclo seriale che richiede tempo.

Grazie al FMPA, questi allineamenti iterativi possono essere spesso ottimizzati simultaneamente, in parallelo. Questo consente di raggiungere un allineamento globale con una sola operazione. Il monitoraggio e la continua ottimizzazione degli allineamenti può anche spesso avvenire consentendo la compensazione della deriva, il trattamento delle sollecitazioni, e così via.

Ne si ottiene una più elevata produttività e, spesso, costi nettamente inferiori. Dato che i dispositivi diventano sempre più complessi e precisi, e le loro richieste di produzione e test più esigenti, questo parallelismo diventa un fattore sempre più critico per l'economia di processo.

Differenti Processi di Allineamento

Esistono due tipi di processi: scansioni areali per localizzare un picco di qualche fattore di merito (quali potenza ottica, Funzione di Tasferimento della Modulazione (MTF), purezza modale...) all'interno di un'area definita, e ricerche di gradienti destinate a ottimizzare in modo efficiente uno o più accoppiamenti contemporaneamente (ed eventualmente tracciarli per mitigare i processi di deriva, disturbi, ecc.).

Ricerche Gradienti

Le ricerche dei gradienti effettuano un piccolo movimento circolare di un dispositivo rispetto all'altro, che modula l'accoppiamento. La quantità di modulazione della figura di merito che viene ottimizzata è una misura del gradiente locale dell'accoppiamento. La modulazione arriva a zero al valore ottimale.

|ε(θ)|=∇I=(Imin-Imax)/Imin

 

Equazione 1: Il gradiente osservato serve da misura dell'errore di allineamento.

 

Dalla modulazione osservata il controllore può dedurre matematicamente il gradiente locale tramite un calcolo molto semplice quale l'Equazione 1. Notare che il gradiente ∇I scende a 0 al valore ottimale.

Qualsiasi asse in un sistema FMPA può effettuare uno di questi tipi di allineamento (ovviamente in funzione delle capacità fisiche degli assi).

Le ricerche dei graditi sono più comuni nell'ottimizzazione trasversale ma possono anche essere eseguite (per esempio) in un singolo asse lineare, che è ideale per la localizzazione della vita del fascio in un accoppiamento con lenti, o in modo cardanico per ottimizzare l'orientamento angolare. Si tratta di algoritmi altamente general-purpose adatti a tutti i tipi di ottimizzazione, inclusi allineamenti di ottiche di massa, cavità e pinhole.

Distribuzione della potenza ottica e routine di ricerca di gradiente

In linea generale, una caratteristica unica del FMPA è che anche diverse ricerche di gradienti, anche interagenti, possono essere eseguite in parallelo. Le ottimizzazioni trasversali tendo ad essere le più sensibili ed anche le più influenzate da altri allineamenti. In questo modo, le routines trasversali tendono ad essere relegate a stage piezoelettrici ad alta velocità e risoluzione quali il >> P-616 NanoCube. L'elevata velocità e la capacità di tracking continuo del NanoCube consentono il mantenimento delle ottimizzazioni trasversali durante le ottimizzazioni in Z e angolari che di solito richiederebbero parecchio tempo e un approccio a cicli sequenziali.

Scansioni di Superficie

Effettuare una scansione di un'area per determinare la posizione approssimativa del punto di accoppiamento maggiore è utile per varie attività:

  • Ricerca della prima luce.
  • Profilatura per la caratterizzazione dimensionale di un accoppiamento. Questo può essere un punto importante per il controllo del processo.
  • Localizzazione della modalità principale di un accoppiamento per una successiva ottimizzazione tramite una ricerca di gradienti. Questo approccio ibrido aiuta a prevenire il bloccaggio su un massimo locale ed è molto potente.

Sicuramente, le opzioni di scansione areale dell'FMPA includono scansioni sinusoidali a singola frequenza e a spirale. Questi sono molto più veloci rispetto alle tradizionali scansioni raster o serpentine in quanto realmente continue ed evitano le necessità di assestamento dei movimenti stop-and-start utilizzati nelle scansioni tradizionali, inoltre la frequenza può essere selezionata per evitare risonanze strutturali eccitanti. Può inoltre essere selezionata una scansione a spirale a velocità costante, consentendo di acquisire i dati con una densità costante lungo la spirale.

Metrologia di Potenza

Ottimizzazione della Trasmissione di Potenza Ottica

La necessità di ottimizzare la trasmissione di potenza ottica è comune a tutte le applicazioni. Per esempio, nel caso di applicazioni di Silicon Photonics, la luce di una fibra viene accoppiata in un substrato di silicone o vice versa. Il profilo di accoppiamento ha una forma molto stretta da che ne risulta, in ugual modo, una distribuzione di potenza di picco molto stretta.

Scala Logaritmica del Segnale di Output

Rispetto ad una risposta lineare, l'utilizzo di una risposta logaritmica fornisce una gamma dinamica molto più ampia per la metrologia ottica di potenza. Questo specialmente è importante per catturare piccoli segnali, ad esempio quando si è lontani dall'allineamento ottimale.

Le routines di allineamento veloce nei controllori PI, quali l'E-712, utilizzano di preferenza un segnale di potenza logaritmico. La risposta logaritmica appiattisce i lati ripidi del profilo di accoppiamento tipicamente Gaussiano, permettendo un approccio più fluido al massimo con minor rischio di overshoot.

Calcolo della Potenza Ottica

Per ottenere dei valori di potenza reali è necessario convertire il segnale logaritmico. Il sistema di allineamento veloce di PI F-712, ovvero i controllori E-712, forniscono una conversione automatica all'alimentazione tramite comandi software.

Per confrontare questi valori reali di potenza con altri risultati di misura, raccomandiamo di utilizzare un misuratore di potenza calibrato, quale il F-712.PM1 di PI.

Utilizzo del Misuratore di Potenza F-712.PM1 con il Sistema di Allineamento Veloce ad Alta Precisione F-712

La versatilità del Sistema di Allineamento Veloce F-712 è migliorata dall'utilizzo del Misuratore di Potenza Ottica F-712.PM1, per la metrologia di potenza sia nel campo del visibile che nell'infrarosso.

Inoltre, un'ulteriore corrente di input può essere utilizzata per collegare un fotodiodo. Indipendentemente dalla sorgente, il segnale in uscita è un segnale di tensione logaritmico, analogico. Questo consente di trarre vantaggio dalla scala logaritmica e di misurare accuratamente la potenza ottica in un ampio range di potenze di input.

Un semplice comando software nel controllore E-712 consente una conversione automatica della risposta logaritmica del segnale in potenza.

Caratteristiche

Ampia larghezza di banda del segnale di 20 kHz
Elevato range dinamico
Gamma di lunghezza d'onda da 400 fino a 1550 nm
Campo di corrente in ingresso fino a 1 mA
Uscita logaritmica
Misuratore di potenza calibrato

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Enabling Large-Format Industrial Productivity

Award-Winning PI Fast Alignment Technology Comes to ACS Controls
Versione / Data
WP4023E 2019-06
Lingua documento inglese
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