CN112630753B - 光学相控阵芯片的校正系统及校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学相控阵芯片的校正系统和校正方法。所述校正系统包括载物台、红外显微观察模块、阵列化驱动控制模块、二维光束扫描模块、光电转换模块以及上位机，利用光束位置搜索与相控阵相位误差补偿。校正系统基于光路可逆原理，从当前需要校正的角度发射激光平面波反向输入到光学相控阵芯片中，借助上述软件方案将光学相控阵芯片的总线波导中反向输出的功率最大化，完成在目标角度的电压校正。本发明公开的系统自动化程度高、校正速度快、兼容性强，对于光学相控阵芯片的批量化测试与校正有重要意义。

Description

光学相控阵芯片的校正系统及校正方法

技术领域

本发明涉及集成光电子芯片测试技术领域，尤其涉及一种光学相控阵芯片的校正系统及校正方法。

背景技术

基于光学相控阵原理的波束控制芯片，简称光学相控阵芯片——后文中同时指晶圆中的裸片与光电封装后位于光学相控阵收发机中的芯片——是纯固态扫描式激光雷达收发端中的关键组件，该类波束控制技术不仅彻底摆脱了限制扫描速度的机械元件，同时还能借助灵活的波束成形以及高方向增益，将探测光功率集中在数字式变化的探测方向上，从而打破了微机电(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)振镜等其他方案中由成像原理导致的矛盾关系。此外，作为一种高速、高性能的固态激光波束控制芯片，光学相控阵芯片还可以用于全息投影、虚拟现实、自由空间光通信等众多领域，广泛服务于信息产业5G与后5G时代的传感、通信领域。

对于大规模量产的芯片而言，晶圆测试是评估加工质量、校正工艺误差的重要部分，其自动化程度、效率与准确性直接关系到量产的可行性与最终芯片单元的成本；对于部署在场外使用的光学相控阵收发机，封装后的芯片经历了高负荷复杂天候和环境变化后，返厂校正同样需要高速大批量的解决方案。所以校正系统对于应用于自动驾驶领域的激光雷达产品不仅意味着整体成本，同时也在技术层面支撑了解决方案的安全系数。为光学相控阵芯片提供一种高度自动化，同时适用于批量测试与晶圆校正的系统对于其推广使用有关键的节点意义。

目前为止，光学相控阵芯片的测试主要由科研院所或开发单位自行独立完成，对应的测试方式标准化程度与自动化程度都很低，定制化解决方案和人力干预成分较多，总体而言测试通量较小，评估结果可比性不高。这和光学相控阵芯片同时需要片上光场控制和自由空间波束质量评估两个组成部分是分不开的。自由空间波束质量评估对片上光场控制提供反馈，片上光场控制则由驱动电路根据反馈信息完成。其中，最为主流的自由空间波束质量评估方案依托傅里叶光学成像系统(Le Thomas,Houdréet al.,Journal of theOptical Society of America B,24,2964-2971,2007)，或在此基础上改进的成像系统(Hutchison,Sun et al.,Optica,3,887-890,2016)，又或者直接采用自由空间传播(Tyler,Fowler et al.,Optics Express,27,5851-5858,2019)与参照物辅助测试(ChulShin,Mohanty et al.,Optics letters,45,1934-1937,2020)进行。

综合而言，以上方法都涉及到将芯片远场直接或间接映射到相机的传感器面阵上，形成一定视场角范围的远场图案用于波束校正。上述校正系统应用广泛，并且已经初步形成了晶圆校正方案(Tyler,Guerber et al.,JoVE,158,e60269,2020)。但是，由于该类型系统依赖红外相机传感器面阵的像素数与尺寸，在响应速度、视场大小和视场精细度之间有天然的制衡关系；红外相机的视场刷新速度也相对较低(30-60Hz)，在大规模阵列校正过程中无法提供高速的反馈，构成了校正过程中的速度短板。此外，无论采取哪种成像手段，成像系统都需要进行复杂的预校正，以获得视场的参考信息。为了有效解决相机作为波束质量评估器件导致的速度慢、视场受限等问题，融合采用片外单像素光电传感器与位移台的测试系统由(Doylend,Heck et al.,Optics Express,19,21595-21604,2011)提出并由(Qi-hao,Ling-xuan et al.,Acta Photonica Sinica,49,726001,2020)提供了数值意义的收敛性保证，哥伦比亚大学(Phare,Shin et al.,Conference on Lasers and Electro-Optics,SM3I.2,2018)也结合振镜系统与单像素光电传感器进行过光学相控阵芯片的校正。该类型方案通过精简传感器规模并依照Komljenovic等人(Komljenovic and Pintus,Optics Express,26,3199-3210,2018)的理论指导，能够提供相对高效的波束成形，但其校正过程自动化程度不足，没有为光电传感器提供角度控制方案，同时也缺乏普适性。

发明内容

本发明提供了一种基于光路可逆原理的光学相控阵芯片的校正系统及校正方法，解决了现有测试系统标准化与自动化程度低、通用性差等问题，其硬件与软件组成部分可实现性强，大部分组件可以借助商用器材搭建，整体功能完善高效，尤其适用于光电子封装后光学相控阵收发机的批次校正或者光学相控阵芯片的晶圆级校正，具有极高的应用价值。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种光学相控阵芯片的校正方法，包括以下步骤：

将准直激光反向输入到待校正的光学相控阵芯片中，通过所述待校正的光学相控阵芯片对所述准直激光进行相干合束；

调节所述待校正的光学相控阵芯片的参数，使所述光学相控阵芯片的总线波导输出的光功率最大化，从而实现芯片状态校正。

进一步的，调节所述外部激光反向输入时，包括粗调步骤和精调步骤，所述粗调步骤包括：

通过判断所述准直激光的光斑与阵列发射区域的重合度，来补偿输入角度变化引入的位移；

所述精调步骤包括：

获取所述光学相控阵芯片总线波导中相干合束的光信号的光功率，并通过调整所述光学相控阵芯片和二维光束扫描模块的相对位置使所述光信号的功率最大化。

进一步的，调节所述光学相控阵芯片的参数时，被调节的参数包括所述光学相控阵芯片的子通道相位补偿器件的相位补偿参数。

进一步的，在调节所述子通道相位补偿器件的相位补偿参数，包括以下步骤：

在不同波束成形角上反向输入准直激光，并获取总线波导中相干合束的光功率，并利用相位补偿算法，优化得到当前角度上的波束成形时，各个子通道相位补偿器件所需的最优驱动电信号。

进一步的，所述相位补偿算法包括逐通道的一维搜索算法或者爬山算法、单纯形法、高斯搜索中的至少一种。

将所述准直激光反向输入到待校正的光学相控阵芯片中时，将所述准直激光照射至所述光学相控阵芯片的发射阵列区域

本申请还提供了一种光学相控阵芯片的校正系统，用于满足光学相控阵芯片测试和封装后光学相控阵收发机测试，包括：

红外显微观察模块，用于供用户观察获取所述光学相控阵芯片反向输入区域处准直激光的光斑图像以及所述光学相控阵芯片表面；

二维光束扫描模块，用于提供准直激光，且能够调节所述准直激光的出射角度；

载物台模块，用于固定待校正的光学相控阵芯片或光学相控阵收发机，并用于调节所述光学相控阵芯片或光学相控阵收发机的空间位置；

光电转换模块，用于获取所述光学相控阵芯片的总线波导中相干合束的光功率；

阵列化驱动控制模块，用于连接至所述光学相控阵芯片的子通道相位补偿器件，为所述子通道相位补偿器件提供驱动电信号；

上位机，连接至所述阵列化驱动控制模块，用于访问和控制阵列化驱动控制模块，最终驱动光学相控阵芯片中的子通道相位补偿器件并保存子通道驱动电信号参数。

进一步的，所述的红外显微观察模块包括：

电动位移台；

显微镜；

红外相机，所述红外相机与显微镜镜筒之间通过相机卡口与转接件连接，所述显微镜的镜筒通过夹具固定在所述电动位移台上，且所述显微镜可以模块化地插入分光镜，以增加可见光相机的观测端口。

进一步的，所述的二维光束扫描模块包括扫描振镜模块、光学相控阵模块中的任意一种，用于外部准直激光的反向输入。

进一步的，多通道可编程驱动电源；

中大规模探针阵列卡，用于连接所述多通道可编程驱动电源以及所述光学相控阵芯片或所述光学相控阵收发机，以驱动调节子通道相位补偿器件，实现晶圆级测试；

集成型阵列化驱动控制单元，包括用户自主集成在所述光学相控阵收发机中的电学驱动阵列，所述电学驱动阵列与所述光学相控阵收发机对应的通信接口和通信协议相适应，供测试机构通过所述上位机访问及调整对应驱动电压，从而调节所述子通道相位补偿器件。

进一步的，所述的子通道相位补偿器件包括移相器，所述移相器将外部的控制电信号转化为导波结构中的光程变化并引入相移，光场调控机制包括热光效应、色散载流子效应、压电效应与电光双折射效应中的至少一种。

进一步的，所述光电转换模块通过光电探测器连接至所述光学相控阵芯片的总线波导。

进一步的，所述的载物台模块包括夹具以及六轴位移台，所述夹具与所述六轴位移台的定位孔配合。

本发明的校正系统和校正方法利用光路可逆原理，将方向性的接收转变为方向性的反向输入，将片外的波束成形问题转换为片内的相干合束问题，从而将自由空间波束质量分析从校正过程中移除，最大限度地提高了测试的自动化潜力，从而为规模化测试提供了有效手段，并且，借助光路可逆原理，采用反向激发方法移除了片外的自由空间波束质量评估环节，有效简化并加速了芯片的批量测试或者晶圆测试流程。

所述校正系统还可适用于不同规模、不同尺寸的光学相控阵芯片晶圆校正，对大规模芯片有突出优势，反向入射方法适用波长范围广，限制条件少，有利于规避大规模光学相控阵夫琅禾费距离过长的问题，具备普适性。

所述校正系统的各模块自动化程度高、可实现性高、成本可控，适用于光学相控阵芯片制造商或封测机构部分展开部署或者在现有硬件基础上增量展开部署。

所述校正系统的软件层面流程逻辑清晰，适用于其他类型的硬件及硬件接口，并具备在不同语言编写的应用程序之间移植的潜力。

附图说明

图1为一实施例中所述校正系统的结构示意图；

图2为一实施例中所述校正方法的步骤流程示意图；

图3为光波复振幅的复平面矢量表示与相位和角度的关系；

图4为光学相控阵波束成形原理示意图；

图5为矢量累加中三角不等式示意图；

图6为晶圆校正系统实施例构成示意图；

图7为晶圆校正流程图；

图8为反向输入二维光束扫描模块实施例示意图；

图9为阵列化驱动控制模块实施例示意图；

图10为光电转换模块实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图及晶圆校正场景下的实施例详细说明本发明的具体实施方式。相关行业的从业者应当理解，用于批量光学相控阵收发机样品校正的实施例中芯片已经具备基本完整的光电子封装，校正复杂度与难度低于晶圆校正，所需的系统可以在晶圆校正系统的基础上减量配置，不再使用探针卡和耦合位移台，而直接使用光学相控阵收发机自身的光电子封装，故而，实施例针对更加困难完整的晶圆测试场景展开。

本申请的一实施例中提供了一种光学相控阵芯片的校正系统。

请参阅图1，为一实施例中所述校正系统的结构示意图。

在该实施例中，所述光学相控阵芯片107的校正系统用于满足晶圆106级光学相控阵芯片107测试和封装后光学相控阵收发机测试，包括红外显微观察模块101、二维光束扫描模块104、载物台模块105、光电转换模块102、阵列化驱动控制模块103以及上位机。所述载物台模块105、阵列化驱动控制模块103、二维光束扫描模块104、所述校正系统自下而上依次设置。

所述光学相控阵芯片107包括子通道相位补偿器件，所述子通道相位补偿器件包括移相器，所述移相器将外部的控制电信号转化为导波结构中的光程变化并引入相移，光场调控机制包括热光效应、色散载流子效应、压电效应与电光双折射效应中的至少一种。

所述红外显微观察模块101用于供用户观察获取所述光学相控阵芯片107的波导中红外激光的图像，包括电动位移台、显微镜以及红外相机，所述红外相机与显微镜镜筒之间通过相机卡口与转接件连接，所述显微镜的镜筒通过夹具固定在所述电动位移台上，且所述显微镜可以模块化地插入分光镜，以增加可见光相机的观测端口。

所述相机卡口为包括C口在内的典型相机卡口，所述电动位移台的位移方向为X-Y方向。

所述二维光束扫描模块104用于提供反向输入激光，且能够调节所述反向输入激光的角度，从而调节入射至所述光学相控阵芯片107的激光的角度。用户能够根据红外显微观察模块101的图像信息，将不同角度的光束对齐到待校正的光学相控阵芯片107的接收区域，最终实现外部激光反向输入。

所述二维光束扫描模块104包括扫描振镜模块、光学相控阵模块中的任意一种，所述光学相控阵模块为已经校正并封装的光学相控阵模块。所述光学相控阵模块安装在电动位移台上，可以从任意俯仰角与方位角发射平行光，从而实现校正方向的反向激光输入。

所述的二维光束扫描模块104将被部署在工作位置上，实施例采用图8所示的商用扫描振镜模块，当然也可以采用之前已经校正并封装的光学相控阵提供校正所需的反向输入以当前光学相控阵芯片107当前角度的反向输入校正流程为例，首先将二维光束扫描模块104设置为当前校正的反向输入角度，此时，由于光束斜射，光斑位置将会偏离光学相控阵芯片107发射光栅区域，通过在红外相机中观察其光斑并在红外相机的反馈下，借助X-Y方向的电动位移台将该角度的光束对齐到光学相控阵芯片107的发射区域从而实现相控阵对平面波波前的采样，此时可以进一步通过光电转换模块102的光功率反馈微调二维光束扫描模块104的位置，也可以直接开始校正优化。

所述载物台模块105用于承载、固定待校正的光学相控阵芯片107，并调节所述光学相控阵芯片107的空间位置，包括夹具以及六轴位移台，所述夹具与所述六轴位移台的定位孔配合，所述六轴位移台的X-Y方向的行程大于Z轴行程。所述六轴位移台的X-Y方向的行程较大，对应满足批量化测试或者晶圆106对应的尺寸，Z轴与姿态角轴(俯仰、偏航、横滚)精度较高、行程较小，确保样品表面水平。使用所述载物台模块105，可以便捷地通过X-Y轴的平移实现样品间的切换，所述的夹具与电机模块有成熟的商业产品可以立即采用或者便捷定制，在此不多做赘述。

所述载物台模块105可以大幅度地移动所述光学相控阵芯片107，将批次内不同的光学相控阵芯片107移动到测试区域内，其他模块也具有行程相对较小、但精读更高的多轴电动位移台，从而确保光学相控阵芯片107之间的切换是快速准确的，便于实现批量测试或者晶圆106测试。

例如，对于晶圆106校正场景，晶圆106内含有多个同型号待测光学相控阵芯片107，所述载物台模块105可以通过在水平方向上大行程地移动整个晶圆106，从而将待测样品移动到测试区域。所述载物台模块105Z轴和姿态角(俯仰、偏航、横滚)补偿轴可以减少同型光学相控阵芯片107之间切换的时间，同时避免光学相控阵芯片107和测试模块之间的磨损。在当前例校正顺利结束后，其他模块的相对位置已经最优，其他模块无需调整或者只需要精细补偿的条件下通过小幅降下晶圆106，并且确保晶圆106水平的前提下从一处光学相控阵芯片107切换到下一个光学相控阵芯片107，再将晶圆106抬升到测试高度，显然，可以同理支持光学相控阵收发机批量测试。

所述光电转换模块102通过光电探测器连接至所述光学相控阵芯片107的总线波导，用于获取所述光学相控阵芯片107的波导中光线的光功率。所述光电转换模块102与片上测试端口配合设计，对于条件允许的光电混合集成光学相控阵芯片107，可以集成在光学相控阵芯片107内，借助定向耦合器在内的功分器件耦合在总线波导上。此时，片内设置的光电探测器进行光电转换并以光电流的形式将测量结果从探针阵列中对应增设的电气连接中输出作为反馈控制信号，故而，不再需要额外的部署流程，同时对应的反馈特性已经在阵列化驱动控制模块103的部署过程中获取；

在一些其他的实施例中，对流片工艺不支持光电探测器集成的光学相控阵芯片107，也可以采用片外的光电探测器作为所述光电转换模块102。如图10所示，采用总线波导的输入端作为空间光耦合对象，耦合可以采用平头光纤、透镜光纤在内的器件作为接收端，将入射的光信号输送到片外的光电探测器模块获得光电流信息，提供校正过程所需的光功率参考。由于校正过程对于整体的带宽要求不突出，光电探测器设计及电气连接允许由用户自行设计。

由于系统对插入损耗的要求较低，主要关注优化过程中功率的相对变化，故而外部接收端夹具不仅需要在相机的辅助下通过X-Y-Z三个方向上的位移台部署到总线波导的测试端口，同时需要反馈补偿对其位置进行锁定，这需要待测光学相控阵芯片107按照设计规范添加用于对准的测试光栅对，提供有源对准的功率信息。当总线波导的模斑转换器为高性能光栅时，对应耦合模块可以直接部署，当总线波导的模斑转换器需要采用端面耦合器时，设计规范应当要求用户借助定向耦合器在内的功分器件耦合在总线波导上部署额外的光栅测试端口。

对于光电混合集成的片上方案，所述的光电探测器基于光电效应原理工作，结区设计具体采用但不限于采用p-i-n或者p-n结构，结区材料具体采用但不限于采用锗-硅、掺杂硅、或者III-V族材料体系，对应的光子在结区生成光生载流子并输运到结区外形成光电流并最终输出到探测器外，由于校正过程整体的带宽要求不突出，光电探测器设计及片上电气连接允许由用户自行设计。

对于已经进行光电子封装的光学相控阵收发机样品，样品自带总线波导功率检测的光电流端口或者总线波导的光功率耦合端口，同样不再需要外部的光电转换模块102，只需要将相应的光电流信号通过电开关选通输送到跨阻放大器与模数转换器模块并由上位机的采集卡采集或者将相应的光功率通过光开关选通输送到系统的光电传感器并相应进行跨阻放大、模数转换并提供给上位机作为反馈信号即可。所述的电开关与光开关均为通用技术，有成型的商用解决方案，故不再另行说明。

所述阵列化驱动控制模块103用于连接至待校正的光学相控阵芯片107的子通道相位补偿器件，为所述子通道相位补偿器件提供驱动电信号。所述阵列化驱动控制模块103包括多通道可编程驱动电源、中大规模探针阵列卡以及集成型阵列化驱动控制单元。

所述中大规模探针阵列卡用于连接多通道可编程驱动电源和光学相控阵芯片107上的驱动及测试电极，以驱动调节子通道相位补偿器件，实现晶圆级测试。所述集成型阵列化驱动控制单元包括用户集成在待测试的光学相控阵收发机中的电学驱动阵列，由用户提供所述光学相控阵收发机的样品对应的通信接口和通信协议，通过上位机访问及调整对应驱动电压，调节子通道相位补偿器件。

在实际使用的过程中，所述的阵列化驱动控制模块103通过阵列化探针卡部署到所述光学相控阵芯片107上，在确保电气连接的同时，辅助光学相控阵芯片107的定位，并给所述子通道相位补偿器件施加驱动控制信号，所述子通道相位补偿器件指片上移相器单元及其所作用的局域波导结构。

具体而言，如图9所示实施例采用的中大规模探针阵列，带宽兼容直流至GHz水平，探针阵列采用商用解决方案，当然也可以通过3D打印在内的方式进行定制，对应探针阵列尖端几何尺寸与光学相控阵芯片107上的驱动及测试电极相互匹配，并通过X-Y方向的电动位移台在相机辅助下移动到对应位置，最终通过Z轴下降实现电气连接，对片上移相器单元的I-V特性测试或者对用户预留的电气连接校正端口的测试将确保电气连接的可靠性。在此基础上，获得所有通道的驱动特性，以及进一步的光电探测器偏置与暗电流特性，实现光学相控阵芯片107系统电气驱动的准备工作。

对于已经进行光电子封装的光学相控阵收发机样品，由于其自带电气连接和对应的集成型阵列化驱动控制单元，故而不再需要使用所述中大规模探针阵列卡来建立所述多通道可编程驱动电源与所述光学相控阵收发机样品的连接，用户在光电子封装时自行完成电气连接特性测试，并将电气连接特性测试存储在板载驱动卡的内存中，用户可以选择共享相关数据便于校正测试，也可以只提供通信接口和通信协议，确保测试机构最终有效驱动板载的光学相控阵芯片107，此时所述光学相控阵收发机样品只需连接到供电电源即可。

所述上位机连接至所述阵列化驱动控制模块103，用于访问和控制阵列化驱动控制模块103，以驱动光学相控阵芯片107中的子通道相位补偿器件。所述上位机连接到所述光电转换模块102，并读取所述光电转换模块102测量到的光功率，利用相位补偿算法，优化得到当前角度上波束成形时，各个子通道相位补偿器件所需的最优驱动电信号。通过在不同波束成形角上重复上述过程，即可得到光学相控阵芯片107波束扫描时需要调用的驱动电信号查找表，达成光学相控阵芯片107初始相位误差校正的目的。

所述上位机内置有可执行的控制程序，所述控制程序能够实现逐通道的一维搜索算法或者爬山算法、单纯形法、高斯搜索等典型最优化方法中的至少一种，以调整各个子通道的相位，最大化入射至所述光学相控阵芯片107的光线的光功率。

用于提供并记录相位补偿参数的光学相控阵芯片107驱动电路的上位机推荐使用最终产品对应的上位机，从而实现模糊化和所见即所得的补偿效果。

固定所有已经部署模块，并且通过采样平均抑制环境振动带来的影响，此时根据光电转换模块102的光功率反馈，经由阵列化驱动控制模块103，依据上述光路可逆测试原理，调节通道移相器，获得总线波导中做大的相干合束光功率，具体的优化过程可以采用随机梯度下降算法、单纯形算法、粒子群算法以及复杂度分解的序列二次规划(SQP)算法或者黄金分割搜索乃至专门训练的神经网络来实现该最优化补偿过程，上述算法实现方式属于通用技术，同时可以通过软件需求进一步更新以及调参，从而获得更快更高效的校正过程。

当目标角度波束成形最优驱动参数已经获得，则切换二维光束扫描模块104的反向输入角度，进行下一个目标角度的校正；当测试光学相控阵芯片107所有可分辨点或者需要校正的角度已经完成上述校正流程，则借助晶圆106载物台切换到下一个光学相控阵芯片107，依此类推，从而高速高效地完成光学相控阵芯片107的批量校正或者晶圆106校正过程。

所述校正系统可以实现所述光学相控阵芯片的校正。

本申请的一实施例中提供了一种光学相控阵芯片的校正方法，利用上述实施例中的光学相控阵芯片的校正系统中的子通道相位补偿器件，补偿通道相位误差。具体的，利用热光效应或者电光效应改变子通道相位补偿器作用范围内的波导的有效折射率，从而改变对应的光程与光经过移相器区域产生的相移，简单方便。

请参阅图2，为一实施例中所述校正方法的步骤流程示意图。

在该实施例中，所述光学相控阵芯片的校正方法包括以下步骤：

步骤S201：将准直激光反向输入到待校正的光学相控阵芯片中，通过所述待校正的光学相控阵芯片对所述准直激光进行相干合束。

将准直激光反向输入到待校正的光学相控阵芯片中时，可以通过结合红外显微观察模块的图像信息和光电转换模块中的光功率信息，调整所述光学相控阵芯片的二维光束扫描模块的位置来实现。所述二维光束扫描模块可以将准直激光从当前需要校正的波束成形角度调整到照射至所述光学相控阵芯片的发射阵列区域。

具体的，将准直激光反向输入到待校正的光学相控阵芯片中时，包括粗调步骤和精调步骤，其中所述粗调步骤利用所述红外显微观察模块观察红外激光光斑与阵列发射区域是否重合，来补偿角度调整引入的位移；精调步骤检测光功率信息，通过微调所述电动位移台使光功率最大，从而实现精细对准。所述光功率信息采用所述校正系统用的光电转换模块测量得到。

步骤S202：调节所述待校正的光学相控阵芯片的参数，使所述光学相控阵芯片的总线波导输出的光功率最大化，从而实现芯片状态校正，所述参数包括调节所述光学相控阵芯片的子通道相位补偿器件的相位补偿参数。改变所述子通道相位补偿器件，可以改变子通道间的相位关系。

在调节所述馈送网络中的子通道相位补偿器件时，包括以下步骤：在不同波束成形角上反向输入准直激光，获取总线波导中相干合束的光功率，并利用相位补偿算法，优化得到当前角度上的波束成形时，各个子通道相位补偿器件所需的最优驱动电信号。

所述相位补偿算法包括逐通道的一维搜索算法或者爬山算法、单纯形法、高斯搜索中的至少一种。

为了在当前工作方向上的合成波束，相控阵阵元应当具有当前方向平面波波阵面序列被阵列几何平面所截处对应的相位分布，此处以Φ_S,n符号表示，S表示采样，n表示第n通道，所有通道相位值对应的一维矩阵标记为Φ_S。波阵面信息同时包含的振幅幅度信息可以类似标记为a_n，应当注意的是，相控阵波束成形中幅度分布仅以窗函数的效果调整波束的边模抑制比在内的波束质量特性，对于波束成形本身并不是不可或缺的，这与图像处理中仅凭相位信息就可以进行图像恢复的原理类似，而幅度分布主要影响对比度；从校正角度而言，无源阵列的校正不含有幅度校正，有源阵列则可以在实际使用环境下自适应地调整阵元幅度分布，实现灵活地探测，但校正阶段主要负责获得各个阵元的幅度调制的驱动信息，而非系统性的幅度分布校正，故而本发明中通道振幅分布不作为校正对象，幅度相关符号也只用于表征的完整性。

对于任意一次校正，系统中的不一致性是未知但固定的，尽管成因较多，但需要校正的对象是各种成因导致通道相位误差的总和，此处可以表示为φ_E,n，E表示误差，其一维矩阵为Φ_E。

相关技术属于通用技术领域，同时新兴的液晶或者压电移相器的工作原理各有不同，但都能提供补偿所需的相移，校正系统只需要对应的驱动资源就可以适配上述不同的补偿手段。此外，尽管移相器单元之间同样存在上述偏差，移相器单元静态状态下导致的相位偏差已经包含在上述总和中，移相器动态驱动中的误差和不一致性则会随着校正的过程反馈性地补偿并记录为查找表，同时包含这种驱动不一致性和驱动量的移相器控制相位表示为Φ_M,n，M表示控制，其一维矩阵为Φ_M，框图关系如图5所示。

各种成因相位误差的总和已经表示为Φ_E,假设通道静态的公有初相为0或者φ₀。又已知各种成因相位补偿的总和已经表示为Φ_M，目标的相位分布为Φ_S，定义传输引起的相位滞后对应减去一个相位则正向传输满足Φ_S＝φ₀-Φ_E-Φ_M。在此基础上，遵守光路可逆变换时复振幅共轭的特性，参考上述的相位平面波对应关系，反向输入光场的相位矩阵为Φ_RS＝-Φ_S，R表示反向，反向输出的光场相位矩阵为Φ_P,由于光场传输过程仍然经历相位误差和相位调制引入的滞后，对应减去相位，则Φ_P＝Φ_RS-Φ_E-Φ_M，反向输出在总线波导处的相干合束对应的复振幅表达式为

结合图5所示的复振幅矢量表达式，相干合束过程等于所有通道复平面矢量的连加，即二维空间中矢量首尾相连的延伸过程。如图6所示，由三角不等式，即在三角形中任意两边之和大于第三边，可以迭代式地证明当且仅当φ_P,n≡φ_P,ms.t.n,m∈N时满足

即相干合束对应的光功率最大。显然，此时不一定满足φ_P,n≡φ_P,m＝φ_P＝-φ₀，但由于波束成形条件对应相位控制阵列中阵元之间的相位关系，即前文所述的相位分布，而非具体的相位值，故而对于波束成形目的而言，发射端公共初相和反向输入相干合束的公共初相之间可以有常数差异，同时此常数差异可以忽略，若记φ_P＝-φ₀+φ_B，B表示常量偏置，有φ₀＝φ_B-φ_P，对于此时校正的结果有Φ_RS-Φ_E-Φ_M＝φ_P,正向输入时有φ₀-Φ_E-Φ_M＝φ_B-φ_P-Φ_E-Φ_M＝φ_B-Φ_RS＝Φ_S+φ_B。显然，当前阵元相位关系为需要采样的平面波波前相位关系统一增加一个标量偏置φ_B，能够实现当前方向的波束成形，故而反向输入校正原理是正确的。

上述晶圆校正过程整理概括为图7所示的流程图右图，对应的光学相控阵收发机模块校正流程为图7所示的左图。

所述测试系统基于光路可逆原理不再进行自由空间波束质量评估，而仅仅依靠反向输出的总线波导光功率之和作为校正的反馈信号，移除了红外相机导致的测试速度瓶颈，极大提高了大规模光学相控阵的校正速度，最大限度地提高了测试的自动化程度与潜力。同领域的科研或产业部门人员容易理解。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，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 (11)

1.一种光学相控阵芯片的校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

将准直激光反向输入到待校正的光学相控阵芯片中，通过所述待校正的光学相控阵芯片对所述准直激光进行相干合束；

调节所述待校正的光学相控阵芯片的参数，使所述光学相控阵芯片的总线波导输出的光功率最大化，从而实现芯片状态校正；

将准直激光反向输入到待校正的光学相控阵芯片中时，包括粗调步骤和精调步骤，其中：

所述粗调步骤包括：

通过判断所述准直激光的光斑与阵列发射区域的重合度，来补偿输入角度变化引入的位移；

所述精调步骤包括：

获取所述光学相控阵芯片总线波导中相干合束的光信号的光功率，并通过调整所述光学相控阵芯片和二维光束扫描模块的相对位置使所述光信号的功率最大化。

2.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，调节所述光学相控阵芯片的参数时，被调节的参数包括所述光学相控阵芯片的子通道相位补偿器件的相位补偿参数。

3.根据权利要求2所述的校正方法，其特征在于，在调节所述子通道相位补偿器件的相位补偿参数，包括以下步骤：

在不同波束成形角上反向输入准直激光，并获取总线波导中相干合束的光功率，并利用相位补偿算法，优化得到当前角度上的波束成形时，各个子通道相位补偿器件所需的最优驱动电信号。

4.根据权利要求3所述的校正方法，其特征在于，所述相位补偿算法包括逐通道的一维搜索算法或者爬山算法、单纯形法、高斯搜索中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，将所述准直激光反向输入到待校正的光学相控阵芯片中时，将所述准直激光照射至所述光学相控阵芯片的发射阵列区域。

6.一种光学相控阵芯片的校正系统，其特征在于，用于满足光学相控阵芯片测试和封装后光学相控阵收发机测试，包括：

红外显微观察模块，用于供用户观察获取所述光学相控阵芯片反向输入区域处准直激光的光斑图像以及所述光学相控阵芯片表面；

二维光束扫描模块，用于提供准直激光，且能够调节所述准直激光的出射角度；

载物台模块，用于固定待校正的光学相控阵芯片或光学相控阵收发机，并用于调节所述光学相控阵芯片或光学相控阵收发机的空间位置；

光电转换模块，用于获取所述光学相控阵芯片的总线波导中相干合束的光功率；

阵列化驱动控制模块，用于连接至所述光学相控阵芯片的子通道相位补偿器件，为所述子通道相位补偿器件提供驱动电信号；

上位机，连接至所述阵列化驱动控制模块，用于访问和控制阵列化驱动控制模块，最终驱动光学相控阵芯片中的子通道相位补偿器件并保存子通道驱动电信号参数。

7.根据权利要求6所述的校正系统，其特征在于，所述的红外显微观察模块包括：

电动位移台；

显微镜；

红外相机，与显微镜镜筒之间通过相机卡口与转接件连接，所述显微镜的镜筒通过夹具固定在所述电动位移台上，且所述显微镜可以模块化地插入分光镜，以增加观测端口用以观测可见光。

8.根据权利要求6所述的校正系统，其特征在于，所述的二维光束扫描模块包括扫描振镜模块、光学相控阵模块中的任意一种，用于外部准直激光的反向输入。

9.根据权利要求6所述的校正系统，其特征在于，所述的阵列化驱动控制模块包括：

多通道可编程驱动电源，用于提供驱动电压，以驱动调节所述子通道相位补偿器件，实现晶圆级测试；

中大规模探针阵列卡，用于连接所述多通道可编程驱动电源以及所述光学相控阵芯片或所述光学相控阵收发机；

集成型阵列化驱动控制单元，包括用户自主集成在所述光学相控阵收发机中的电学驱动阵列，所述电学驱动阵列与所述光学相控阵收发机对应的通信接口和通信协议相适应，供测试机构通过所述上位机访问及调整对应驱动电压，从而调节所述子通道相位补偿器件。

10.根据权利要求6所述的校正系统，其特征在于，所述光电转换模块通过光电探测器连接至所述光学相控阵芯片的总线波导。

11.根据权利要求6所述的校正系统，其特征在于，所述的载物台模块包括夹具以及六轴位移台，所述夹具与所述六轴位移台的定位孔配合。

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