一种光学测量仪器及其实时自动校准系统

技术领域

本发明涉及光学测量、观察技术领域以及封装集成电路技术领域，尤其涉及一种光学测量仪器及其实时自动校准系统。

背景技术

实时测量物体的微纳米位移和振动在信息技术和微机电系统(MEMS)领域至关重要。有许多测量方法可以实现亚微米位移分辨率。光学测量作为一种重要的非接触无损检测技术，具有结构简单、精度高、稳定性好、易于实现等优点，得到了广泛的应用。主要技术包括差分干涉法、共焦显微镜、相干干涉法和像散法。而在硅光子芯片的封装过程中，常采用光栅耦合的形式将外部光信号通过光纤阵列传输到芯片上的光波导内。光纤阵列与片上光栅口耦合到最佳状态后，有最小的损耗。然而在整个封装过程中，有时光纤阵列并不在一个很稳定的环境下工作，例如在完成电学封装后，需要将光纤阵列与硅光子芯片仅仅进行耦合来测试片上光开关的静态工作点。整个测试时间较长，无法保证光纤阵列的位置不产生漂移。当漂移产生时，传统的校准方式是通过光功率计监测损耗的增加，人为地调节或者通过计算机扫描周围位置的损耗来调节。这样的校准方式校准时间往往较长，因此需要一种实时监测且响应快、调节速度快的检测与自校准系统复位光纤阵列，让耦合一直处于损耗最小的状态。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种光学测量仪器及其实时自动校准系统。本发明用于监测芯片封装过程中光纤阵列由于各种外界干扰因素在两个维度上的微小位移并将其自动校准，使光纤阵列与芯片上光栅口的耦合一直处于损耗最小的状态，同时校准的速度更快，有利于实现实时的自动校准。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明实施例第一方面提供了一种光学测量仪器，包括用于连接外部激光器的转换接头、套管、反射镜、压力片、物镜、物镜转换接口、分光棱镜、棱镜装载体、第一套筒、第二套筒、滑动套筒、第二透镜、柱镜、圆柱转接块、第一螺纹孔、第二螺纹孔、第一透镜和四象限探测器；所述转换接头与套管之间固定有第一透镜，所述压力片将反射镜固定在该光学测量仪器上，所述物镜通过物镜转换接口固定在棱镜装载体上，所述分光棱镜安装在棱镜装载体上，所述第二透镜镶嵌安装在第一套筒和第二套筒之间并压紧，所述第一套筒和第二套筒之间采用螺纹旋转连接，所述第一套筒设置有第一螺纹孔，所述圆柱转接块采用螺丝挤压安装在第一螺纹孔处，所述圆柱转接块设置有槽体和便于光能够透过柱镜的通孔，所述柱镜通过速干胶固定在槽体上，所述滑动套筒通过紧配合安装在第二套筒上，所述滑动套筒设置有第二螺纹孔，所述四象限探测器通过第二螺纹孔安装在滑动套筒上。

进一步地，所述激光器选用波长为632.8nm的He-Ne激光器。

进一步地，所述物镜的数值孔径为0.55。

进一步地，所述分光棱镜的分光比为50/50。

进一步地，所述第一透镜的准直镜的激光波长为633nm，准直直径为1mm-4mm。

进一步地，所述准直镜的准直直径为2.24mm。

进一步地，所述四象限探测器的工作波长为630nm-650nm，工作电压小于25V。

进一步地，所述四象限探测器使用三螺丝固定法控制调节。

本发明实施例第二方面提供了一种实时自动校准系统，包括：

电控位移平台，用于控制光纤阵列在xy方向上移动；

上述的光学测量仪器；

光功率计，用于监测光纤阵列的耦合损耗；和

计算机，与所述光学测量仪器相连。

进一步地，所述电控位移平台设置有夹具。

本发明的有益效果是，本发明的光学测量仪器结构简单，有助于降低成本，集成度好并且精度较高，最高的偏移测量精度可以达到纳米级，有助于精准的测量硅光子芯片封装过程中耦合完的光纤阵列受外界干扰在水平面两个维度上的发生的微小偏移；通过包含该光学测量仪器的实时自动校准系统，在光学测量仪器测量到光纤阵列的微小偏移时，该实时自动校准系统可对光纤阵列进行实时校正，使得光纤阵列复位到最佳耦合位置，该实时自动校准系统具有响应快、校准速度快、精度高的优点。

附图说明

图1是本发明中光学测量仪器的工作原理示意图；

图2是本发明中光学测量仪器的主视图；

图3是本发明中光学测量仪器的半剖视结构示意图；

图4是本发明中的第二透镜、柱镜以及相应套筒的俯视图；

图5是本发明的图4中B-B向剖视结构示意图；

图6是本发明中装有柱镜的圆柱转接块的结构示意图；

图7是本发明中离焦信号SFE与离焦量Δz的关系图；

图8是本发明中光学测量仪器的工作结构示意图；

图9是本发明中的实时自动校准系统结构示意图。

图中，光纤阵列1、镜组2、光学系统3、转换接头4、套管5、反射镜6、压力片7、物镜8、物镜转换接口9、分光棱镜10、棱镜装载体11、第一套筒12、第二套筒13、滑动套筒14、第二透镜15、柱镜16、圆柱转接块17、槽体171、通孔172、第一螺纹孔18、第二螺纹孔19、激光器20、第一透镜21、四象限探测器22。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

本发明中的光学测量仪器包括转换接头4、套管5、反射镜6、压力片7、物镜8、物镜转换接口9、分光棱镜10、棱镜装载体11、第一套筒12、第二套筒13、滑动套筒14、第二透镜15、柱镜16、圆柱转接块17、第一螺纹孔18、第二螺纹孔19、第一透镜21和四象限探测器22。

参见图2-图6，转换接头4用于连接外部的激光器20，激光器20通过光纤与光纤连接得以安装于转换接头4上，转换接头4与套管5之间固定有第一透镜21，压力片7将反射镜6固定在该光学测量仪器上，物镜8通过物镜转换接口9固定在棱镜装载体11上，分光棱镜10安装在棱镜装载体11上，第二透镜15镶嵌安装在第一套筒12和第二套筒13之间并压紧，第一套筒12和第二套筒13之间采用螺纹旋转连接，第一套筒12设置有第一螺纹孔18，圆柱转接块17采用螺丝挤压安装在第一螺纹孔18处，圆柱转接块17设置有槽体171和通孔172，采用速干胶将柱镜16固定在槽体171上，通孔172用于实现透光的作用，以便光能够透过柱镜16，滑动套筒14通过紧配合安装在第二套筒13上，滑动套筒14设置有第二螺纹孔19，第二螺纹孔19用于安装四象限探测器22。

优选地，激光器20选用波长为632.8nm的He-Ne激光器，将其作为本实施例中的激光源。物镜8选用50X Mitutoyo Plan Apo Infinity Corrected Long WD Objective，其数值孔径为0.55。在选择物镜8时，应优先选择较大的数值孔径的物镜8，有助于增加测量的分辨率。也就是说尽可能地选择较小的焦距，本实施例中选择的焦距为4mm，在这种物镜焦距条件下，当第二透镜15与柱镜16的间距达到180mm的时候，对离焦量检测的分辨率可以达到1nm，而当第二透镜15与柱镜16之间的距离仅为5mm的条件下，对离焦量的检测分辨率只有40nm。

优选地，分光棱镜10的分光比为50/50。

本实施例中，第一透镜21的准直镜的激光波长为633nm，准直直径为1mm-4mm。进一步优选地，准直镜的准直直径为2.24mm。在本实施例中，选用Thorlabs的FC260FC-B-633，作为准直镜，它的准直直径是2.24mm；应当理解的是，第一透镜21的准直镜还可以选择其它符合要求的型号。

本实施例中，四象限探测器22的工作波长为630nm-650nm，工作电压小于25V，光敏面的尺寸可以是直径1cm左右的圆形，也可以是边长1cm左右的正方形。在本实施例中，四象限探测器22选用first sensor的QP50-6-42u SD2；应当理解的是，四象限探测器22还可以选择其它符合要求的型号。

本实施例中，圆柱转接块17的外径是20mm；应当理解的是，圆柱转接块17可以针对不同尺寸的柱镜16设计不同大小尺寸的槽体171，如此设计便于更换不同的柱镜16，具体可以根据实际情况进行设计。

在另外一些实施例中，第一套筒12和第二套筒13之间还可以加入用于调节距离的套筒，因为第一套筒12与第二套筒13之间通过螺纹旋转连接，所以两者之间可以加入螺纹转接的套筒，使得第二透镜15与柱镜16之间的间距可以在大于5mm以上的距离任意调节，如此设计，便可以快速调节第二透镜15、柱镜16以及两镜的间距，以达到更改光学测量仪器的精度与量程(越大的精度量程越小)，由此适配不同的精度与测量范围的需要。

本实施例中，该光学测量仪器使用He-Ne激光器20产生的632.8nm波长激光，光经过固定在转换接头4与套管5之间第一透镜21的准直镜后到达反射镜6，光经过45°反射镜6进入立方体状的分光棱镜10，其分光比为50/50，光经过分光棱镜10的反射被物镜8聚焦于光纤阵列1表面的反射涂层上，反射的光透射穿过分光棱镜10，经过装配在第一套筒12和第二套筒13之间的第二透镜15以及柱镜16的汇聚后，在滑动套筒14上方通过第二螺纹孔19固定的四象限探测器22上形成圆形高斯光斑，如图8所示。该圆形高斯光斑被用作检测光纤阵列1表面的离焦量。

其中，四象限探测器22使用三螺丝固定法控制调节。进一步地，第二螺纹孔19是三个互成120°的螺纹孔，可以用三个螺丝固定四象限探测器22并调节其位置，使得高斯光斑的中心在四象限的中心。四象限探测器22的安装：首先将被测物体放置在距离物镜8的距离4mm(焦距)位置处，然后调节三个螺丝改变四象限探测器的位置，使得圆形光斑的圆心在四象限探测器22的圆心上，并且需要此时四个象限的电压信号VA、VB、VC、VD全部相等。通常的，由于被测物体很难被精准地放置在距离物镜4mm的位置处，这时需要轻微地旋转第一套筒12和第二套筒13，使它们之间的距离产生一定的变化。同时移动滑动套筒14，由此改变四象限探测器22与柱镜16之间的距离。再通过三个螺丝调节四象限探测器22的位置，使四个象限的电压信号相同。

如图1所示，镜组2包括反射镜6、物镜8和分光棱镜10，光学系统3包括第二透镜15和柱镜16。如图1(a)所示，光聚焦到光纤阵列1表面的反射涂层上，反射的光经过镜组2后再经过光学系统3在后方的四象限探测器22上形成圆形高斯光斑，此时，高斯光斑为正圆形，四象限探测器22获得的四个象限的电信号(V

四象限探测器22将获得的四个象限的电信号传输至计算机，通过下列公式运用labview进行处理可以得到离焦信号：

其中，V

如图7所示，在一定的离焦范围(微米级别)内，离焦信号与离焦量呈线性关系。

根据该光学测量仪器在光纤阵列1表面测得的离焦信号经过计算机处理得到离焦量，即光纤阵列在某一轴向上的位移量。

本发明的光学测量仪器结构简单，有助于降低成本，集成度好并且精度较高，最高的偏移测量精度可以达到纳米级，有助于精准的测量硅光子芯片封装过程中耦合完的光纤阵列受外界干扰在水平面两个维度上的发生的微小偏移。

值得一提的是，本发明实施例还提供了一种实时自动校准系统。

如图9所示，该实时自动校准系统用于光交换芯片的光封装过程中光纤阵列微小偏移的光学检测以及实时自动校准，该系统包括电控位移平台、上述光学测量仪器、光功率计和计算机。其中，电控位移平台可用于控制光纤阵列1在xy方向上移动，光学测量仪器用于检测xy方向上的微小位移，光功率计用于监测光纤阵列1的耦合损耗，计算机与上述光学测量仪器互联。

具体地，如图8所示，激光器20作为整个系统的外部光源，发出632.8nm波长的激光，激光经过第一透镜21的准直镜后到达反射镜6，准直的激光经过反射镜6反射后进入分光棱镜10，激光再经过分光棱镜10的反射被物镜8聚焦于焦点，激光再反射透射穿过分光棱镜10，经过第二透镜15以及柱镜16的汇聚后，在四象限探测器22上形成圆形高斯光斑。

四象限探测器22会探测获取到四个象限的电信号，分别是V

应当理解的是，该实时自动校准系统还包括数据采集记录仪，四象限探测器22的四个输出电信号口与数据采集记录仪的四个输入口相连，数据采集记录仪与计算机采用串口连接。如此，数据采集记录仪采集到的四个象限的电信号即可传输给计算机。

优选地，数据采集记录仪选用National Instrument的USB-4431数据采集记录仪，采集数据的效果更加好。

计算机根据离焦信号的公式运用labview进行处理得到离焦信号：

其中，V

应当理解的是，计算机可根据如图7所示的关系在已知离焦信号的情况下进行反推得到离焦量。

电控位移平台设置有夹具，在收到离焦量信号后，可以通过夹具控制光纤阵列1在xy方向上移动，当离焦量信号为负值时，代表光纤阵列1发生了靠近光学测量仪器，且距离为离焦量的微小位移；相反的，当离焦量信号为正值时，光纤阵列1发生了远离光学测量仪器，且距离为离焦量的微小位移；通过对离焦量正负以及数值的处理，计算机会传输给电控位移台相应的移动指令，对光纤阵列1进行校正，从而实现实时地对光纤阵列1进行复位，使光纤阵列1可在存在外界干扰的环境下耦合工作，保持损耗稳定在最小值。

对于本发明实施例的应用场景进行举例说明：现在的硅光子芯片有往大规模的方向发展的趋势，而大规模的光芯片的光封装工艺中，有一步是光纤阵列1的点胶固化。在这一过程中由于紫外胶的固化收缩特性，往往会对光纤阵列1产生一个牵扯的拉力，这会导致本来的最佳耦合状态被破坏，带来较大的额外附加损耗，甚至直接导致耦合的失败。然而在这个过程中，拉力并不是单一方向上的，可能是多维度的，这一位移难以被检测从而判断如何修改点胶的顺序、位置。本发明也可以用作点胶固化光纤阵列1这一工艺过程中，检测光纤阵列1发生了何种位移的有效手段。并可以用于探究在不同方向上的不同位移量究竟会对耦合损耗带来怎样的影响。

本发明通过设置的实时自动校准系统，在光学测量仪器测量到光纤阵列1的微小偏移时，该实时自动校准系统可对光纤阵列1进行实时校正，使得光纤阵列1复位到最佳耦合位置，该实时自动校准系统具有响应快、校准速度快、精度高的优点。

当光纤阵列1产生位移时，通过四象限探测器22采集到的椭圆光斑在四个象限上的信号来计算位移量，计算机经过信号处理后反馈信号控制光纤阵列1实时复位。在此过程中也可以同时用光功率计记录对应的损耗。本发明为硅光子芯片的封装过程中光纤阵列1的微小偏移提供了检测系统，并提供了实时复位光纤阵列保持光纤阵列1与芯片之间耦合稳定，工作损耗一直在最小值且稳定。同时也解决了硅光子芯片光封装过程中光纤阵列1的偏移量难以具化表征的问题。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行来详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使用相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。