SCOTT JORDAN
硅光子学生产面临对准瓶颈，传统单通道对准效率低，而新型快速多通道光子对准系统（FMPA）通过固件驱动的并行对准技术，实现 6 自由度同步优化，将对准时间从数十秒缩短至 250-400 毫秒，精度达纳米级，解决了硅光子晶圆级测试与封装的规模化难题。该技术支持多输入输出同时对准，兼容高斯和顶帽耦合模式，已集成至 Cascade Microtech 等厂商的探针台，推动硅光子从实验室走向量产。
一、硅光子学生产的核心挑战
对准精度要求严苛：硅光子波导截面尺寸仅亚微米级（如硅脊波导宽 450nm、高 220nm），衍射耦合器需横向对准误差 <50nm，否则耦合损耗> 4dB（传统单模光纤对准损耗 < 1dB 需误差 < 100nm）。非对称耦合截面（如一维刀边状、一维宽展）导致传统高斯耦合模型失效，需多维度同步优化。
规模化生产瓶颈：传统单通道对准需数十秒至分钟级 / 器件，无法匹配硅光子晶圆级量产需求（单晶圆含数千器件）。晶圆级测试缺失导致昂贵晶圆（成本超 $2000 / 片） 可能因单个器件缺陷报废，良率损失达 20%-30%。
硅光子晶圆测试为何需要光学 probing？硅光子器件功能依赖光学特性（如损耗、带宽），传统电子测试无法验证光学性能。晶圆级光学 probing 可在切割前筛选出合格器件，避免 600 / 片。
二、FMPA 技术原理与性能
FMPA（快速多通道光子学对准）技术是 PI（Physik Instrumente）公司推出的用于解决光子器件生产中对准难题的关键技术，在提高生产效率、降低成本和保证产品性能方面具有显著优势。FMPA 技术是一套内置于 PI 最高性能数字纳米定位和六足位移台控制器的固件级命令 。其原理基于自动区域扫描和智能梯度搜索算法。自动区域扫描用于快速可靠地检测第一束光，能在既定区域内定位某些品质因数（如光功率、调制传递函数、模态纯度等）的峰值 。梯度搜索算法通过对一个器件相对于另一个器件执行小圆形抖动运动（调制耦合），根据光功率变化确定优化方向，进而同时有效优化一个或多个耦合，并能跟踪耦合以缓解漂移和干扰等问题 。
FMPA 如何实现纳米级对准精度？通过闭环反馈控制（激光干涉仪实时监测位置，分辨率 < 1nm）和并行运动机构（如 PI 的 Hexapod 六足机器人，定位误差 < 5nm），结合固件内的数字梯度搜索算法，动态修正对准偏差，确保纳米级稳定性。
| 技术维度 | 传统对准技术 | FMPA 技术 | | --- | --- | --- | | 对准模式 | 单通道顺序扫描 | 多通道并行（支持 > 8 通道同时对准） | | 自由度 | 3-4 自由度（XYθZ） | 6 自由度（XYZθXθYθZ） | | 控制方式 | 软件驱动点扫描 | 固件集成数字梯度搜索（闭环反馈） | | 对准时间 | 20-60 秒 / 次 | 250-400 毫秒 / 次（提升 50-100 倍） | | 位置稳定性 | 微米级（开环） | 纳米级（闭环，<10nm / 小时漂移） | | 耦合类型兼容 | 仅高斯耦合 | 高斯、顶帽（Top-hat）、非对称截面耦合 |
关键技术细节：
采用正弦光栅扫描（200-400ms / 全视野）或螺旋扫描（适合窄间隙场景），同步采集位置与光功率数据（20k 样本 / 秒）。
固件内置梯度搜索算法，根据光功率梯度相位自动调整运动方向，支持多器件协同优化（如输入输出端联动对准）。
FMPA 对硅光子产业化的最大价值是突破规模化生产的效率瓶颈。传统单通道对准无法满足硅光子器件的高密度集成需求（单芯片含数百通道），而 FMPA 的并行对准能力使多通道器件测试时间从数天缩短至数小时，推动硅光子从实验室样品走向商用产品（如 800G 光模块量产周期从 18 个月缩短至 12 个月）。
三、典型应用与产业化进展
晶圆级光学测试：集成至Cascade Microtech CM300 探针台，实现硅光子晶圆的非接触式光学 probing，避免机械接触损伤器件。
测试流程：自动定位器件→FMPA 对准→光功率扫描→良率分级，单晶圆测试时间从 8 小时缩短至2 小时。
自动化封装系统：与ficonTEC、PI合作开发 6 轴封装平台，支持芯片与光纤阵列的批量键合，对准精度 ±20nm，产能达1000 器件 / 小时（传统手工封装仅 50 器件 / 小时）。
应用案例：某数据中心光模块厂商采用 FMPA 后，封装良率从 75% 提升至95%，成本降低 40%。
新兴技术拓展
量子光子芯片：支持多光子纠缠源的并行对准，对准时间从小时级降至10 秒级，推动量子计算原型机研发。
MEMS 光学开关：纳米级稳定性确保微镜阵列的长期对准精度（漂移 < 5nm / 天），可靠性提升至99.99%。
四、未来展望
技术演进：开发AI 驱动预对准模型，基于晶圆图像预测最佳对准位置，进一步缩短初始对准时间至100ms 内。
生态整合：与 EUV 光刻、3D 集成技术联动，实现 “设计 - 制造 - 测试” 全流程自动化，目标 2025 年硅光子量产成本降至 $100 / 芯片 以下。