用于将光纤垂直对准光子晶片的系统和方法与流程

本总体上涉及用于将光纤垂直对准到基板的系统和方法，并且更具体地涉及确定光纤和基板(诸如光子晶片)之间的z距离。

背景技术：

1、光子集成电路(pic)或集成光学电路是集成多个(至少两个)光子功能的设备，并且因此类似于电子集成电路。两者之间的主要区别在于光子集成电路为施加在通常在可见或近红外光谱中的光波长上的信息信号提供功能。pic用于电信、仪器仪表和信号处理领域中的各种应用。pic通常使用光波导来实现和/或互连各种片上组件，诸如波导、光开关、联接器、路由器、分路器、多路复用器/解多路复用器、调制器、放大器、波长转换器、光电(o/e)和电光(e/o)信号转换器(例如，光电二极管、激光器)等。

2、pic中的波导通常是引导光的片上固体光导体。为了正确操作，pic通常需要在外部光纤与一个或多个片上波导之间有效地联接光。存在用于将光从光纤联接到pic的两种不同方法。

3、在第一种方法中，光纤联接到pic的边缘。这要求从晶片切割管芯。因此，pic不能在晶片上进行测试，并且必须在确定pic是否正常工作之前进行封装。这增加了pic的生产成本，并且需要光纤和波导端部之间的严格对准公差。

4、在第二种方法中，使用衍射光栅联接器将来自光纤的光联接进/出pic。在这种情况下，光纤对接联接到pic的平坦表面，并且光从平坦表面离开pic/从平坦表面进入pic。图1a和1b中示出了这种联接配置的一个例子。图1a是与pic的第一光栅联接器112a(光联接器)垂直对准的第一光纤120a的横截面前视图，pic形成用于光联接光纤的基板105。如箭头所示，光通过第一光栅联接器112a从光纤120a进入pic，并在通过第二光栅联接器112b和第二光纤120b离开之前传播通过pic的波导114。因此，光纤光栅联接器被用作发射和接收光信号的“光接合焊盘”。图1b是图1a所示结构的透视图。垂直对准结构允许在切割之前使用包含电和光纤探针头的探针测试pic。

5、经由光学探测的测试呈现出与电探测不同的一组复杂度。一方面，光子探测的定位公差通常比电探测的定位公差严格两个数量级。与纯电气测试的对准要求相反，光纤需要在六个不同的空间(x，y，z)和角度(俯仰、偏转、旋转)方向上对准。使用压电控制平台和主动对准，横向对准可以非常准确，其中在pic芯片上生成或检测光，并且通过最大化联接到光纤的光功率来优化光联接。然而，还需要非接触测量和精确的高度控制。晶片卡盘形貌的变化还可进一步使垂直对准定位复杂化。

6、传统的对准系统依赖于使用多个传感器和/或专用对准系统。例如，这样的系统通常包括需要复杂的固定装置和校准的额外传感器。

技术实现思路

1、各方面和实施例涉及一种用于确定光纤与基板之间的z距离的方法和系统。

2、根据一个或多个方面，提供了一种确定光纤和基板之间的z距离的方法。该方法包括获得包括光纤的端部和光纤的端部从基板的表面的反射的图像，以及处理图像以确定光纤的端部与基板之间沿着z轴的z距离。

3、在一个示例中，获得图像包括获得包括多个像素的灰度图像，并且处理图像包括对灰度图像进行阈值处理以生成二值图像。

4、在另一示例中，处理图像还包括：将与光纤的端部的表示对应的第一模板图像与二值图像进行比较，以检测二值图像中与第一模板图像匹配的多个像素的第一子集，多个像素的第一子集对应于光纤的端部的表示。将与所述光纤的所述端部从所述基板的所述表面的所述反射的表示对应的第二模板图像与所述二值图像进行比较，以检测所述二值图像中与所述第二模板图像匹配的所述多个像素的第二子集，所述多个像素的所述第二子集对应于所述光纤的所述端部从所述基板的所述表面的所述反射的表示，并且确定所述多个像素中存在于所述第一子集与所述第二子集之间的像素的数量，对应于z距离的像素的数量。

5、在另一示例中，该方法还包括获得并存储第一模板图像和第二模板图像中的每一个。

6、在一个示例中，该方法还包括执行校准过程，该校准过程包括将光纤移动到沿z轴的选定位置。在另一示例中，该方法还包括从在每个选定位置处获得的图像确定z距离，以及将拟合算法应用于所确定的z距离与已知z距离之间的比较。

7、在另一示例中，该方法还包括：对于在每个选定位置处获得的每个图像，确定光纤的端部及其相应反射中的每一个的图像z位置，将确定的图像z位置与已知的z距离进行比较，并基于该比较计算图像补偿校准因子。

8、在一个示例中，该方法包括确定光纤的端部及其反射中的每一个的x位置。

9、在一个示例中，该方法包括确定x位置，确定x位置包括沿着z轴将光纤移动到选定位置，并且确定光纤的每个端部及其反射中的至少两个选定位置的x位置，并且该方法还包括在针对光纤的每个端部的两个选定位置处的所确定的x位置与其反射之间执行比较。

10、在另一示例中，该方法还包括将光纤移动到光纤与基板垂直对准的z距离。

11、在另一示例中，光纤垂直对准，使得在光纤和基板之间引入小于0.5分贝(db)的光学插入损耗。

12、在另一示例中，光纤垂直对准，使得引入小于0.2db的光学插入损耗。在另一示例中，光纤以一微米内的精度垂直对准。

13、根据一个或多个方面，提供了一种用于确定光纤和基板之间的z距离的系统。该系统包括：摄像头，其被配置为获得光纤的端部的图像和光纤的端部从基板的表面的反射，以及图像处理器，其被配置为接收和处理图像并确定光纤的端部和基板之间沿着z轴的z距离。

14、在一个示例中，图像是包括多个像素的灰度图像，并且图像处理器被配置为通过对灰度图像进行阈值处理来处理图像以生成二值图像。在另一示例中，图像处理器还被配置为：将与光纤的端部的表示对应的第一模板图像与二值图像进行比较，以检测二值图像中与第一模板图像匹配的多个像素的第一子集，多个像素的第一子集对应于光纤的端部的表示。将与所述光纤的所述端部从所述基板的所述表面的所述反射的表示对应的第二模板图像与所述二值图像进行比较，以检测所述二值图像中与所述第二模板图像匹配的所述多个像素的第二子集，所述多个像素的所述第二子集对应于所述光纤的所述端部从所述基板的所述表面的所述反射的表示，并且确定所述多个像素中存在于所述第一子集与所述第二子集之间的像素的数量。在另一示例中，该系统还包括驱动机构，该驱动机构被配置为沿着z轴将光纤移动到选定位置。

15、在一个示例中，图像处理器被配置为根据在每个选定位置处获得的图像来确定z距离，并且系统还包括计算设备，该计算设备被配置为将拟合算法应用于所确定的z距离与已知z距离之间的比较。

16、在另一示例中，图像处理器被配置为确定光纤的端部及其在每个选定位置处获得的每个图像的相应反射中的每一个的图像z位置，并且该系统还包括计算设备，该计算设备被配置为将所确定的图像z位置与已知z距离进行比较，并基于该比较来计算图像补偿校准因子。

17、在另一示例中，图像处理器还被配置为确定光纤的端部及其反射中的每一个的x位置，在另一示例中，图像处理器还被配置为计算针对光纤的端部及其反射的所确定的x位置中的每一个的匹配因子。在一个示例中，图像处理器被配置为当所计算的匹配因子中的至少一个超过阈值时提供一个或多个输出。

18、在一个示例中，基板包括光子集成电路(pic)，并且光纤与pic的光栅联接器垂直对准。

19、下面详细讨论这些示例方面和实施例的其他方面、实施例和优点。此外，应当理解，前述信息和以下详细说明书仅仅是各个方面和实施例的说明性示例，并且旨在提供用于理解所要求保护的方面和实施例的性质和特性的概述或框架，本文公开的实施例可以与其他实施例组合，并且对“实施例”、“示例”、“一些实施例”、“一些示例”、“替代实施例”、“各种实施例”、“一个实施例”、“至少一个实施例”、“该实施例和其他实施例”的引用。“某些实施例”等不一定是相互排斥的，并且旨在指示所描述的特定特征、结构或特性可以包括在至少一个实施例中。这些术语在本文中的出现不一定都指代相同的实施例。