CN106932866B - 一种硅基光子器件的自动对光装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基光子器件的自动对光装置及方法，将光纤探头在待测芯片表面划定区域内逐点进行二维扫描，所述并对相隔一定位置的点进行反射光功率的检测，所述划定区域包含目标器件和反射镜；划定区域扫描完成后，得到位置与光功率的对应信息，找到最大功率所在的坐标，该坐标即为反射镜的位置，同理获得与该反射镜相对称的另一个反射镜；反射镜的位置与目标器件的输入输出点相对位置固定，通过两个反射镜的位置找到目标器件的输入输出点，将输入输出光纤与目标器件的垂直耦合光栅结构对准即可。本发明操作简单，算法实现更加简单，大大简化了自动对光的过程，降低了系统的成本，且整个对光的时间较短，适合普通使用者操作。

Description

一种硅基光子器件的自动对光装置及方法
技术领域
本发明涉及一种硅基光子芯片的检测技术，尤其涉及的是一种硅基光子器件的自动对光装置及方法。
背景技术
硅基光子集成技术在过去十几年受到了广泛的关注，分别在通信传输、数据处理以及生化传感等领域得到了快速的发展。伴随着这些技术的发展，硅基光子芯片的耦合封装技术也被广泛的研究，针对硅基光子集成芯片，目前主要有两种耦合方式，一种是端面耦合，即光波导的端面与光纤的端面平行对准，利用光纤或者波导出射的光一定程度的准直性直接进行信号的发送和接收；另外一种是垂直耦合，通过芯片上制作好的垂直耦合光栅结构进行信号的接收和传送。相对于端面耦合，垂直耦合具有更大的对准容差，无需划片抛光，易于封装等优点。在生化传感领域，硅基微纳器件(如微环)由于其传感器超小的尺寸，可以在一个微小芯片上实现很高的集成度，从而在同一个芯片上实现多物质传感，如果将耦合封装好的芯片供给客户使用，势必会使用到阵列光纤将芯片上的多个传感器信号批量传出，然而这种方法由于引入阵列光纤，必然会增加单个芯片封装成本。目前是使用图像识别技术来实现传感器的定位，图像识别技术的算法更为复杂，成本较高，不适合大批量的生产。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种硅基光子器件的自动对光装置及方法，实现较为简单的自动对光。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
(1)在待测芯片上制备至少两个相互对称的反射镜，所述反射镜结构的耦合光栅结构与芯片上的目标器件的耦合光栅结构相同；
(2)将光纤在待测芯片表面划定区域内逐点进行二维扫描，并对相隔一定位置的点进行反射光功率的检测，所述划定区域包含目标器件和反射镜；
(3)划定区域扫描完成后，得到位置与光功率的对应信息，找到最大功率所在的坐标，该坐标即为反射镜的位置，同理获得与该反射镜相对称的另一个反射镜；
(4)反射镜的位置与目标器件的输入输出点相对位置固定，通过两个反射镜的位置找到目标器件的输入输出点，将输入输出光纤与目标器件的垂直耦合光栅结构对准即可。
所述步骤(2)中，通过二维遍历扫描的算法来寻找待测芯片中的反射镜位置。可以简单计算得到反射镜的位置。
所述步骤(2)中，光纤距离待测芯片表面划定区域的垂直距离小于1mm。便于测量精准，减少反射干扰。
所述步骤(2)中，划定区域的形状为矩形。矩形形状便于计算。
所述对光方法还包括精确调节，具体步骤如下：将待测芯片一端的光纤作为输出端，另一端的光纤作为输入端，输出端的光纤保持静止，输入端的光纤在待测芯片表面保持Z轴方向不动，在X轴方向和Y轴方向上实现扫描，同时记录每个点的功率大小，根据功率与位置的对应关系，将输入端的光纤移动到功率最大的位置，然后重复两次，实现目标器件的一端耦合光栅结构对准的精调，同理实现目标器件的另一端耦合光栅结构的对准精调。
一种使用所述的硅基光子器件的自动对光方法的对光装置，包括激光器、光开关和两个结构相同的对光件，每个对光件包括三维调节架、光纤、光纤夹具、功率计和光环形器，所述光纤的一端裸露，另一端连接光环形器，所述光纤的裸露端夹持在光纤夹具上，所述光纤夹具连接在三维调节架上，所述光环形器连接功率计，所述激光器连接在光开关上，所述光开关分别连接两个对光件上的光环形器；所述两个对光件上光纤的裸露端分别位于待测芯片的两端。
所述三维调节架的通过步进电机驱动调节，最小步进距离为100nm。能够在X，Y，Z三个方向上移动，同时可以实现移动精度为亚微米级别。
所述光纤的裸露端具有倾斜角为6～10°的倾斜面，可有效的减少光纤端面反射带来的干扰，提高信噪比。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明操作简单，算法实现更加简单，无需复杂的光路以及自动调焦的过程，大大简化了自动对光的过程，降低了系统的成本，且整个对光的时间较短，适合普通使用者操作。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是待测芯片的结构示意图；
图3是光纤与待测芯片的局部示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例的自动对光装置，包括激光器1、光开关2和两个结构相同的对光件，每个对光件包括三维调节架5、光纤6、光纤夹具10、功率计3和光环形器4，所述光纤6的一端裸露，另一端连接光环形器4，所述光纤6的裸露端夹持在光纤夹具10上，所述光纤夹具10连接在三维调节架5上，所述光环形器4连接功率计3，所述激光器1连接在光开关2上，所述光开关2分别连接两个对光件上的光环形器4；所述两个对光件上光纤6的裸露端分别位于待测芯片7的两端。
如图2所示，本实施例待测芯片7中有相互对称的反射镜8和目标器件9，的反射镜8包括一个垂直耦合光栅，一个功分器以及环形波导，光通过垂直耦合光栅输入进微纳目标器件9，再通过功分器分束，两束光经过环形波导绕一圈，再通过功分器、耦合光栅重新返回到耦合光纤6中。图中虚线为矩形划定区域。
整个系统中光路径如下：首先从激光器1中发射光，先通过光开关2先切换到左边通道，进入光环形器4，再通过光纤6将光打到待测芯片7表面。
本实施例的三维调节架5的通过步进电机驱动调节，最小步进距离为100nm。能够在X，Y，Z三个方向上移动，同时可以实现移动精度为亚微米级别。
如图3所示，本实施例的光纤6的裸露端具有倾斜角为8°的倾斜面，可有效的减少光纤6端面反射带来的干扰，提高信噪比。若光纤6的端面为垂直时，将会存在至少4％的由端面造成的反射光，为了减少光纤6端面反射带来的干扰，所以将光纤6的端面切成倾斜角α为8°斜面。
本实施例的自动对光过程如下：
首先在待测芯片7上制备至少两个相互对称的反射镜8，所述反射镜8结构的耦合光栅结构与芯片上的目标器件9的耦合光栅结构相同；
利用光开关2切换到图1中的左侧通道，将三维调节架5带动光纤6先在Z方向下降距离芯片表面<1mm处，将光纤在待测芯片7表面的矩形划定区域内逐点进行二维扫描，通过光环形器4和功率计3记录每个扫描点处的反射光强度，最后光强度与扫描坐标形成一一对应的关系，当光纤6移动到反射镜8处时，会有很强的反射光重新回到光纤6中，并经过光环形器4进入功率计3，此时的光强度将强于其他处的反射光强度，通过这种特性以及最终形成的反射光和坐标位置的一一对应关系，可以确定各个反射镜8的坐标关系，由于装配的误差原因，待测芯片7存在一定程度的倾斜，所以尽量使扫描范围中存在两个或以上反射镜8，最后根据待测芯片7的版图，确定反射镜8与目标器件9的相对位置，通过确定的相对位置，由反射镜8可以寻找到目标器件9一端的耦合光栅结构，
当光开关2切换到右侧通道，可实现寻找到目标器件9另一端的耦合光栅结构，完成粗调。
精调过程如下：
将待测芯片7一端的光纤6作为输出端，另一端的光纤6作为输入端，输出端的光纤6保持静止，输入端的光纤6在待测芯片7表面保持Z轴方向不动，在X轴方向和Y轴方向上实现扫描，通过记录扫描过程中每点输出口功率的大小，确定最强功率的坐标，将光纤6移动到此处，重复两次，实现目标器件9一端耦合光栅的对准精调，同理可以实现另一端的精调。
将本发明的自动对光方法用在生化传感领域中，通过电动精密三维调节架5来调节入射光纤和出射光纤，找到目标器件9传感器的光栅位置，在入射信号固定的情况下，可以通过判断出射信号的变化来判断传感器的状态，从而可以判断出待检测物质的浓度等信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种硅基光子器件的自动对光方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在待测芯片上制备至少两个相互对称的反射镜，所述反射镜结构的耦合光栅结构与芯片上的目标器件的耦合光栅结构相同；
(2)将光纤在待测芯片表面划定区域内逐点进行二维扫描，并对相隔一定位置的点进行反射光功率的检测，所述划定区域包含目标器件和反射镜；
(3)划定区域扫描完成后，得到位置与光功率的对应信息，找到最大功率所在的坐标，该坐标即为反射镜的位置，同理获得与该反射镜相对称的另一个反射镜；
(4)反射镜的位置与目标器件的输入输出点相对位置固定，通过两个反射镜的位置找到目标器件的输入输出点，将输入输出光纤与目标器件的垂直耦合光栅结构对准即可。
2.根据权利要求1所述的一种硅基光子器件的自动对光方法，其特征在于，所述步骤(2)中，通过二维遍历扫描的算法来寻找待测芯片中的反射镜位置。
3.根据权利要求1所述的一种硅基光子器件的自动对光方法，其特征在于，所述步骤(2)中，光纤距离待测芯片表面划定区域的垂直距离小于1mm。
4.根据权利要求1所述的一种硅基光子器件的自动对光方法，其特征在于，所述步骤(2)中，划定区域的形状为矩形。
5.根据权利要求1所述的一种硅基光子器件的自动对光方法，其特征在于，所述对光方法还包括精确调节，具体步骤如下：将待测芯片一端的光纤作为输出端，另一端的光纤作为输入端，输出端的光纤保持静止，输入端的光纤在待测芯片表面保持Z轴方向不动，在X轴方向和Y轴方向上实现扫描，同时记录每个点的功率大小，根据功率与位置的对应关系，将输入端的光纤移动到功率最大的位置，然后重复两次，实现目标器件的一端耦合光栅结构对准的精调，同理实现目标器件的另一端耦合光栅结构的对准精调。
6.一种使用如权利要求1～5任一项所述的硅基光子器件的自动对光方法的对光装置，其特征在于，包括激光器、光开关和两个结构相同的对光件，每个对光件包括三维调节架、光纤、光纤夹具、功率计和光环形器，所述光纤的一端裸露，另一端连接光环形器，所述光纤的裸露端夹持在光纤夹具上，所述光纤夹具连接在三维调节架上，所述光环形器连接功率计，所述激光器连接在光开关上，所述光开关分别连接两个对光件上的光环形器；所述两个对光件上光纤的裸露端分别位于待测芯片的两端。
7.根据权利要求6所述的一种硅基光子器件的自动对光装置，其特征在于，所述三维调节架的通过步进电机驱动调节，最小步进距离为100nm。
8.根据权利要求6所述的一种硅基光子器件的自动对光装置，其特征在于，所述光纤的裸露端具有倾斜角为6～10°的倾斜面。
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