通过反射波强度测量对准微芯⽚感应器件与波导的⽅法

本发明涉及电磁波探测，具体涉及一种通过反射波强度测量对准微芯片感应器件与波导的方法。

背景技术：

1、电磁波探测技术在现代工业和日常生活中的应用无处不在，覆盖了从无线电波、微波，到可□光、红外光，直至x射线、β射线等高能射线的广阔波段。根据普朗克原理，电磁波信号是由能量与频率成正比的光子组成的，因此电磁波探测也称为光子探测。现代电磁波探测技术的很大一类是通过制备在微芯片上的集成光子感应器件实现，这些感应器件的显著特征是其尺寸可以很小，仅为微米量级或更小。为了利用所述感应器件探测电磁波信号，被探测的信号必须照射在所述感应器件上。当所述被探测信号由波导传输时，必须将感应器件和所述波导对准，才能确保信号照射在感应器件上从而被探测到。在很多应用场合，传输被探测信号的波导的尺寸也很小，例如用于传输近红外光信号的单模光纤其芯径仅为约9微米。在这些应用场合下，由于感应器件和波导都仅有微米尺寸，如何将它们精确对准是一个显著的技术难题。近年来，随着光量子探测器如超导转变边缘感应器的发展，解决所述对准问题变得尤为重要和紧迫，因为所述光量子探测器探测的光场可能只包含一个或少数几个光子，测量过程中的任何光子损失都将对测量结果产生显著影响。因此，提高所述感应器件的探测效率十分关键，而其先决条件是感应器件必须和传输被探测电磁波信号的波导精确对准，从而使波导输出的光子都落在感应器件上，任何落在感应器件之外的光子都不会被探测到。

2、为了解决所述光子感应器件和传输信号的波导的对准问题以提高感应器件的探测效率，一个简单的解决方案是在显微镜下利用视觉对准。

3、在l.lolli，e.taralli，c.portesi，d.alberto，m.rajteri，e.monticone，

4、“ti/autransi tion-edgesensors coupled to single mode optical fibersaligned by si v-groove”，ieee trans.appl.supercond.21卷，215-218□(2011年)中，利用硅材料制作的v形槽引导和固定光纤，而后在显微镜下观察感应器件和光纤输出的光斑位置，移动微芯片的位置直到它们对准。这一方法虽然简单易行，但因为从微芯片正面观察时，显微镜不能位于光纤的正上方，必须从侧方观察，此时产生的视差限制了其对准精度。该方法的另一个严重缺点是光纤的输出端口不能离感应器件芯片太近，否则光纤包层将遮挡住感应器件和光斑，导致无法在显微镜下进行观察和对准。在前述参考文献中，光纤的输出端口离感应器件微芯片表面的距离在100微米以上，其后果是信号从光纤输出后在传播到微芯片表面上的过程中有显著的扩散，以至于所述信号的光斑尺寸比感应器件更大，有部分光子不能照射到感应器件上，从而造成光子损失降低了感应器件的探测效率。为了避免上述对准方案的缺点，其他研究人员采用了避免从感应器件微芯片正面观察的方法。在d.fukuda等，“titanium based transition-edge photon number resolving detectorwith 98％detection efficiency with index-matched small-gap fiber coupling,”opt.express 19卷，870□(2011年)中，用可以穿透感应器件微芯片衬底的红外光超明并且输入光纤，而后从所述微芯片背面利用倒置红外显微镜观察感应器件和光纤输出的光斑的像，并调整光纤和微芯片的相对位置直到二者的像重合以完成对准工作。这一方法避免了从正面观察时的像差，对准精度显著提高，而且从背面观察时光纤不会遮挡住感应器件和光斑，因此光纤的输出端口离微芯片表面的最小距离没有限制，从而可以通过将所述距离调到非常小来防止光斑的发散，有效地避免了光斑照射到感应器件以外区域，提高了其探测效率。然而，该对准方法必须使用倒置红外显微镜在红外光下从微芯片背面观察，对这一价格昂贵的特殊成像设备的依赖限制了该对准方法的应用范围。考虑到通过观察波导输出的光斑对准感应器件的技术方案的种种困难，在a.j.miller,a.e.lita，b.calkins，l.vayshenker,s.m.gruber,s.w.nam，“compactcry ogenicself-aligning fiber-to-detector coupling with losses below one percent”，opt.express 19卷，文章号143645(2011年)中提出了一种称为“自对准”的方法。在该方案中，将光纤插入一个商用光纤套管组件，其内径就是光纤的外径，光纤插入后纤芯就位于套管的中心位置。同时，利用半导体中的深硅刻蚀工艺，将感应器件周围和光纤套管内径同样大小和形状的衬底刻穿，并将其与感应器件一起从微芯片上移除，再借助精心设计和制作的承托和固定装置放置于光纤套管内。由于此时感应器件也位于套管的中心位置，它就自然和插入所述光纤套管的光纤纤芯对准了。该方法不需要通过视觉观察感应器件和光纤的位置，而且可以达到处理样品时所采用的光刻和刻蚀工艺的微米量级精度。然而，为了对感应器件芯片做深硅刻蚀工艺处理，必须使用昂贵的深硅刻蚀机，不但工艺要求高，在工艺过程中所需的特殊气体等耗材的成本也相当高。为了克服这些缺点，在p-s.ma，h-f.zhang，x.zhou,“fiber-sensoralignment based on surface microstructures”，opt.express 31卷，737-744□(2023年)中，提出了通过在微芯片表面制备波导可以插入的对准结构，以及控制波导输出端口到感应器件垂直距离的限距结构，从而对准感应器件和波导的方法。该方案仅需利用光刻工艺将合适的光刻胶制备成所述对准结构和限距结构，不牵涉到其它的复杂工艺和昂贵的专业设备，因而技术难度和实施成本大大降低。然而，该方案依然需要使用光刻等微电子工艺，涉及到的专业领域和制备工艺超出电磁波技术的范围之外，依然具有一定的技术□槛。

5、综上所述，现有对准方案具有设备要求高、技术难度大、实施成本贵等缺点，有必要寻求□槛更低、实施简单、成本不高的新方法，以更容易地实现感应器件和波导的精确对准，提高其探测效率。

技术实现思路

1、为了解决上述现有对准方案中的一项或多项问题，本发明提供一种通过反射波强度测量对准微芯片感应器件和波导的方法。

2、本发明提供的方法选择合适的电磁波用于对准操作，该电磁波可以是与感应器件设计探测波□相同或不同的单色波，也可以是由不同波□的单色波组成的复色波，但所述电磁波应该能够在传输被探测信号的波导中传播，并且其在感应器件材料和感应器件周围区域的材料上的反射率必须不同。将该电磁波通过波导垂直入射到感应器件微芯片上，并使所述电磁波在感应器件微芯片表面垂直反射后，从波导的输出端口再次进入波导，在波导里反向传输。进一步地，利用一个电磁波元件将在波导里反向传播的反射波和入射电磁波分开，该电磁波元件可以是一个仅允许电磁波单向传播的隔离器或环形器，其工作波□应该覆盖所述用于对准操作的电磁波的波□范围。在反射波和入射波分离开后，即可利用一个功率计测量所述反射波相对于入射电磁波的强度，所述功率计的工作波□应该覆盖所述用于对准操作的电磁波的波□范围。由于所述电磁波在所述感应器件和感应器件周围区域的反射率不同，可以根据反射波强度来判断反射波是由感应器件还是由感应器件周围区域反射的，并通过在调整波导输出端口和感应器件的相对位置时监测反射波的强度将感应器件和波导对准。

3、进一步地，本发明提供的方法利用一个定位装置调整所述波导输出端口相对于所述感应器件微芯片表面的位置、角度、和垂直距离。该对准装置可以固定感应器件芯片，仅调整波导的位置和角度，也可以固定波导，仅调整感应器件芯片的位置和角度。也可以调整波导的位置和感应器件芯片的角度，或者调整波导的角度和感应器件芯片的位置，或者同时调整波导和感应器件的位置和角度，这些可能性都应该视为在本发明的范围之内。利用该定位装置，将波导的输出端口和感应器件芯片表面调整到足够接近且相互垂直的方向，使电磁波垂直入射到感应器件芯片表面上再垂直反射后，能够从波导输出端口再反向耦合进入波导。

4、进一步地，本发明提供的方法利用所述定位装置调整波导输出端口和感应器件的水平相对位置，并在这一过程中测量反射波的强度。由于从波导输出的电磁波垂直入射于感应器件微芯片表面，其形成的光斑和波导输出端口相对于感应器件的水平位置相同。当波导输出端口相对于微芯片表面水平运动时，所述光斑跟随波导输出端口移动。由于所述电磁波在感应器件和感应器件周围区域的反射率不同，当光斑位于感应器件上和感应器件之外时，反射波的强度不同。不但如此，在光斑从感应器件外移动到感应器件上的过程中，当光斑跨越感应器件和其周围其它芯片结构的边界时，光斑将部分位于感应器件上部分位于感应器件外，而反射波的强度将逐渐从感应器件外的值变化到感应器件上的值。通过观察反射波强度的跃变，可以确定感应器件的边界，并将波导输出端口定位到感应器件一侧，即可完成感应器件和波导的对准。

5、在利用本发明提供的方法将微芯片上的感应器件和波导输出端口对准后，为了使二者保持在对准状态，可以在波导输出端口和感应器件以及微芯片表面之间使用胶水，将波导输出端口粘在微芯片的表面，从而将其固定在和感应器件对准的位置上。也可以在对准之前先在微芯片表面滴胶水覆盖感应器件，再使用本发明提供的方法对准感应器件和波导的输出端口，在对准过程完成后，波导的输出端口浸没在所述胶水中。

6、常用的胶水包括但不限于基于光敏树脂的紫外胶，通过照射紫外线使其固化。

7、综上所述，为了克服现有技术方案依赖于特殊成像设备或先进微加工工艺，技术难度大，实施成本高等缺点，本发明提供一种新的方法即通过测量反射波强度将制备在微芯片上的电磁波感应器件与传输电磁波信号的波导精确对准的方法，仅使用成熟可靠、成本低廉的电磁波元件，通过简单的光学操作和强度测量即可将微芯片上的电磁波感应器件和传播电磁波信号的波导对准。所述感应器件包括但不限于基于半导体或超导材料的光子或微波探测器件，本发明的适用范围不受感应器件的工作原理限制。

8、与现有技术相比，本发明提供的基于反射波强度测量的微芯片感应器件和波导对准方法具有以下优势：

9、1.对设备的要求比现有技术大幅降低。本发明提供的方法仅使用常规的电磁波器件如环形器、功率计、位移台、倾斜台等，而不涉及到现有对准技术所依赖的特殊成像设备如倒置红外显微镜，或用于微加工的深硅刻蚀机等高端设备。

10、2.对准操作的技术难度比现有技术显著降低。与现有技术方案不同，本发明提供的对准方法不涉及到特殊成像设备的操作或专业微加工设备的应用，而是仅使用简单的电磁波技术，包括利用位移台定位波导，利用环形器传输和耦合电磁波信号，以及使用功率计测量反射波强度等。这些成熟可靠，广泛运用的电磁波基础技术为领域内的普通技术人员所熟知，因而领域内掌握相关技术的普通技术人员均可利用本技术提供的方法完成微芯片感应器件和波导的对准工作。

11、3.实施成本远低于现有技术方案。本发明提供的方法所用到的电磁波器件价格低廉，远比现有技术所依赖的昂贵的特殊成像设备和专业微加工设备便宜。在对准过程中，也无需使用特殊工艺气体等高价耗材，因此总实施成本远比现有技术方案低。