一种基于图像识别的光栅耦合器定位测量方法

摘要

本发明公开一种基于图像识别的光栅耦合器定位测量方法，具体包括以下步骤：(1)在芯片设计图中定位光栅耦合器的位置坐标；(2)将芯片设计图与测量平台上芯片的尺寸进行映射匹配，从而得到芯片中的光栅耦合器在测量平台上的位置坐标；(3)利用程序控制位移台移动，实现耦合光纤与光栅耦合器位置的微米级定位；(4)使用空间扫描方法实现耦合光纤与光栅耦合器位置的百纳米级以下定位，找出最优的耦合位置进行芯片测量。

权利要求

1.一种基于图像识别的光栅耦合器定位测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)在芯片设计图中定位光栅耦合器的位置坐标，采用在芯片设计图GDS文件中提取光栅耦合器的相关层，然后采用图像识别的方法定位光栅耦合器，找到光栅耦合器的位置坐标；

(2)将芯片设计图与测量平台上芯片的尺寸进行映射匹配，从而得到芯片中的光栅耦合器在测量平台上的位置坐标，采用图像识别的方法分别获得芯片设计图GDS文件和芯片上若干个标志物的位置信息，从而得到光栅耦合器在测量平台上的位置坐标；

(3)利用程序控制位移台移动，实现耦合光纤与光栅耦合器位置的微米级定位；

(4)使用空间扫描方法实现耦合光纤与光栅耦合器位置的百纳米级以下定位，找出最优的耦合位置进行芯片测量；空间扫描的方法是以百纳米以下的精度逐点扫描某一区域内的所有位置，并能够记录并比较每个位置坐标下的光栅耦合器的耦合效率，或耦合光谱带宽，或耦合反射功率；对应得到具有最高耦合效率，或最大耦合光谱带宽，或最小耦合反射功率的位置，即为最优耦合位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像识别的光栅耦合器定位测量方法，其特征在于，步骤(3)中利用程序控制位移台移动是控制耦合光纤的移动或者是控制芯片测量平台上芯片的移动。

说明书

一种基于图像识别的光栅耦合器定位测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤与光子芯片自动耦合的测量领域，具体地，是一种基于图像识别来定位光栅耦合器的位置，并控制光纤自动找到最佳耦合位置的测量方法。

背景技术

[0002] 光子芯片不仅有着通讯速度快、抗电磁干扰等优点，而且有潜力实现多种器件的单片集成，因而在物联网、人工智能等领域有着广泛的应用前景。近年来，光子芯片的研发和测试吸引了越来越多研究者们的目光，而在光子芯片的研发和测试过程中，光纤和芯片的耦合是非常重要的芯片封装技术。如果能实现快速、准确、自动的耦合，无疑将节省人力和时间，大大提高光子芯片的研发和测试效率。目前常见的耦合器有楔形耦合器、棱镜耦合器和光栅耦合器等。其中，光栅耦合器相较于其他耦合方法有着对准容差大、不需要晶圆或芯片预处理、耦合位置较为自由等优点，因此，在光子芯片的研究、开发和应用中占有非常重要的地位。

[0003] 目前已经报道了多项与光纤和光子芯片耦合相关的专利。例如，2007年上海理工大学陈抱雪等人设计的基于多目标演化算法的波导‑光纤自动调芯法及装置(中国发明专利：200710038988.0)；2008年中国科学院半导体研究所徐海华等人设计的光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统，通过控制光纤移动扫描出最大功率值点来进行对准(中国发明专利：200810224107.9)；2016年北京航空航天大学李惠鹏等人发明的一种光纤自动定位与放置装置的方法，基于图像处理技术来放置光纤(中国发明专利：201610270222.4)；2018年北京航空航天大学宋凝芳等人发明的一种基于图像处理的光纤‑波导自动对准耦合仪，用图像处理的方法确定输出点位置(中国发明专利：201810397010.1)。然而，针对光栅耦合器，目前尚未有一种能够实现自动定位光栅耦合器位置，将光纤移动至光栅耦合器处，并找到最佳耦合位置进行器件测试的方法。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于图像识别的光栅耦合器定位测量方法。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0006] 一种基于图像识别的光栅耦合器定位测量方法，具体包括以下步骤：

[0007] (1)在芯片设计图中定位光栅耦合器的位置坐标；

[0008] (2)将芯片设计图与测量平台上芯片的尺寸进行映射匹配，从而得到芯片中的光栅耦合器在测量平台上的位置坐标；

[0009] (3)利用程序控制位移台移动，实现耦合光纤与光栅耦合器位置的微米级定位；

[0010] (4)使用空间扫描方法实现耦合光纤与光栅耦合器位置的百纳米级以下定位，找出最优的耦合位置进行芯片测量。

[0011] 进一步的，步骤(1)中所述的定位光栅耦合器的位置坐标能够采用在芯片设计图GDS文件中提取光栅耦合器的相关层，然后采用图像识别的方法定位光栅耦合器，找到光栅耦合器的位置坐标。

[0012] 进一步的，步骤(2)中将芯片设计图与测量平台上芯片的进行尺寸映射匹配能够采用图像识别的方法分别获得芯片设计图GDS文件和芯片上若干个标志物的位置信息，从而得到光栅耦合器在测量平台上的位置坐标。

[0013] 进一步的，步骤(3)中利用程序控制位移台移动是控制耦合光纤的移动或者是控制芯片测量平台上芯片的移动。

[0014] 进一步的，步骤(4)中空间扫描的方法是以百纳米以下的精度逐点扫描某一区域内的所有位置，并能够记录并比较每个位置坐标下的光栅耦合器的耦合效率，或耦合光谱带宽，或耦合反射功率；对应得到具有最高耦合效率，或最大耦合光谱带宽，或最小耦合反射功率的位置，即最优耦合位置。

[0015] 本发明还提供了一种基于图像识别的光栅耦合器，包括光纤位移台、芯片位移台、相机和电机，光纤位移台放置于芯片位移台的上方两侧，芯片位移台上用于固定芯片，光纤位移台用于固定光纤，且使光纤以近垂直耦合的方式与芯片进行耦合，光纤位移台和芯片位移台均通过所述电机控制；芯片中在波导两侧设计有光栅耦合器，同时在芯片中设计有三个十字形标记；相机固定于芯片正上方用于采集芯片的图像。

[0016] 与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

[0017] 1.本发明具有适用性广的优点。所提出的方法是根据芯片设计图GDS文件来确定耦合位置，该方法不仅使用适用于晶圆级(wafer level)的生产测试，而且适用于芯片级(die level)的研究开发，高效且灵活。

[0018] 2.本发明利用图像识别方法快速定位光栅耦合器的大体位置，然后利用空间扫描方法精确扫描出最优耦合位置，耦合过程兼具快速与准确的优点。

[0019] 3.本发明是一种低成本的芯片定位测量方法，所提出的测量方法基于目前常见的光子芯片测量系统改进，硬件方面改动较小。

[0020] 4.本发明具有自动化程度高的优点，针对不同波导器件结构特点，优化算法可实现全自动芯片器件耦合，降低人工测试成本。

[0021] 5.本发明是一种硬件和算法相结合的耦合方法，通过升级算法可提高耦合的效率和速度，系统具有后期可升级的优点。

附图说明

[0022] 图1为光栅定位及自动耦合测量方法具体实施例硬件示意图。

[0023] 图2为光栅定位及自动耦合测量方法具体实施例硬件实物图。

[0024] 图3为光栅定位及自动耦合测量方法自动耦合测量流程图。

[0025] 图4为光栅定位及自动耦合测量方法光栅定位流程图。

具体实施方式

[0026] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0027] 图1给出的是本发明的一种具体实施例，其中，光纤1固定于光纤位移台3上，以近垂直耦合的方式与芯片5进行耦合，芯片5固定于芯片位移台4上，光纤位移台3和芯片位移台4均使用电机8控制。芯片5中在波导两侧设计有光栅耦合器6，同时在芯片中设计有三个十字形标记7。相机2负责采集芯片5的图像。具体实施例的硬件实物图见图2。

[0028] 具体实施例的实施流程见图3，将芯片5固定到测量平台上后，首先对芯片设计图进行图像处理，获得光栅耦合器6在芯片设计图上的坐标，接下来通过相机2配合芯片位移台4的移动采集芯片5的实际图像，将实际图像和芯片设计图进行图像处理，并将二者相匹配，从而获得芯片5在测量平台上的坐标。接下来将光栅耦合器6在芯片设计图上的坐标与芯片5在测量平台上的坐标相结合，得到光栅耦合器6在测量平台上的坐标。下一步，将光纤1移动至光栅耦合器6的微米级位置后，进行空间扫描得出精度在百纳米级以下的最优耦合位置：固定输入光的功率和波长，控制光纤1沿某一路径进行逐点扫描，对每个点处的输出功率进行比较，得到输出功率最高的位置，即为最优耦合位置，确定最优耦合位置后即可进行测量。

[0029] 图4给出了一种光栅耦合器定位方法的具体流程。第一步，确定光栅耦合器6在芯片设计图上的坐标。将输入的芯片设计图转化为灰度图像，然后对图像进行逐行扫描，找出每一行灰度变化空间频率在设定阈值内的区域，记录该区域的起止x方向坐标，再对每行的结果进行比较，如一定数量的连续行中，每行或每隔几行，都在相同的x坐标位置存在可能有光栅耦合器的区域，则记录这些行对应的y方向坐标，通过这些坐标定位可能有光栅耦合器的区域，再根据这些区域的面积大小进行筛选，剩下的区域即为光栅耦合器6所在的区域，取区域的中点坐标，即光栅耦合器6在芯片设计图上的坐标。

[0030] 第二步，确定芯片5在测量平台上的坐标：芯片5上预先设计有三个用于确定位置的标记7，通过对芯片设计图的二值图像进行边缘处理、轮廓提取，再根据预先设置的面积、长宽比值等参数对提取导的形状进行筛选，从而找出标记7，并获得标记7在芯片设计图上的坐标。而后移动芯片位移台4，配合相机2对测量平台上的芯片5进行全面的拍摄，对拍摄所得的一系列图片进行同样的图像处理，找出其中带有标记7的图片，通过拍摄此图片时芯片位移台4相对于初始位置的位移和该标记7在此图片上的位置，确定该标记7相对于测量平台的坐标。分别得到三个标记7相对于测量平台的坐标后，再将之与标记7相对于芯片设计图的坐标进行匹配，据此得出芯片5在测量平台上的坐标。

[0031] 第三步，计算找到光栅耦合器6在测量平台上的坐标。将前两步中获得的光栅耦合器6在芯片设计图上的坐标和芯片5在测量平台上的坐标进行结合比较，可计算出光栅耦合器6在测量平台上的坐标，从而完成光栅耦合器6的定位过程。

[0032] 本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。