纳米定位、定制化与控制：开辟光计算新前沿

德国科技初创公司 Akhetonics 正致力于重塑高性能计算（HPC）的未来。该公司利用其在光子设计自动化（PDA）和光子集成电路（PIC）领域的专有技术，旨在打造首批全光数字计算设备。其终极目标是推出一款全光数字处理器——Akhetonics 称之为推理处理单元（RPU）——从根本上变革 HPC 架构各个层级的数据处理、传输与存储方式。

尽管光计算预期的优势令人瞩目——例如带宽扩展、高能效和低延迟——但将 Akhetonics 的研发成果及早期 PIC 设计转化为大规模应用仍处于起步阶段。不过，眼下显而易见的是，通过跨学科专业知识的跨界合作，以及涵盖光子系统设计与精密运动控制技术的创新，这家初创公司的进展正在加速。

合作、联合开发与定制化

在这方面，Akhetonics 与 SmarAct 的合作堪称典范案例。SmarAct 是一家专门研发纳米与皮米级精密定位、计量及自动化组装产品的德国制造商。两家公司正在沿着互补的轨道共同塑造光子学的未来：Akhetonics 专注于全栈光计算架构的宏伟愿景，而 SmarAct 则提供一系列赋能技术，助力下一代光计算从构想变为现实。

四年前，两家厂商在瑞士巴塞尔举办的欧洲光通信会议（ECOC 22）上首次会面并开启了合作。当时 Akhetonics 采购清单上的首要目标是：一套用于表征其高端 PIC 的通用光学测试系统。

“市场上确实有现成的 PIC 表征系统，但它们对我们的设计选项构成了诸多限制，”Akhetonics 联合创始人兼首席技术官（CTO）Leonardo Del Bino 解释道。“因此，我们选择与 SmarAct 强强联手，根据我们的严苛规格共同开发了一套紧凑且模块化的测试架构。最终打造的这套装置赋予了我们极高的灵活性，能够评估并优化各类创新的 PIC 设计。”

在 Akhetonics 光学测试工作站的核心，搭载了两个独立的纳米定位子系统：一个是 XY-Rz 芯片平台（本身由三个纳米定位位移台组成，提供沿 X 轴和 Y 轴的水平平移以及绕 Z 轴的旋转），另一个是用于光探针的 Z-Rx-Ry“枢轴”（平移仅沿 Z 轴进行，同时可绕 X 轴和 Y 轴进行角度旋转）。该测试装置（还集成了一台用于 PIC 检查与对准的数字显微镜）可在各个自由度上不受限制地使用，两个子系统协同工作，确保在光耦合和光电表征任务中实现精准的多轴定位。

从更微观的层面来看，每个纳米定位子系统均基于 SmarAct 位移器，并在所有 6 个运动轴上集成了光学编码器（SmarAct 的 METIRIO® 传感器，分辨率达 1 nm）。第一个子系统提供 3 个横向对准自由度（X 和 Y 方向的行程均达 49 mm，绕 Rz 轴可 360° 旋转，每个线性轴的单向重复定位精度为 ±40 nm）。第二个子系统提供垂直与角度对准（Z 轴行程为 31 mm，绕 Ry 轴倾角为 ±5°，绕 Rz 轴旋转为 ±45°，线性 Z 轴的单向重复定位精度为 ±40 nm）。

为了评估新的 PIC 设计，Akhetonics 的光学测试流程主要侧重于测量并最小化输入/输出光纤与芯片上平面波导之间的插入损耗。典型的测量包括依赖于波长和偏振的耦合损耗（例如当光纤阵列将激光耦合进芯片上的一系列光栅耦合器，或者光从平面波导耦合回光纤时）。随后在测试系统中集成电探针（使用两个独立的 XYZ 探针塔），可支持对光调制器和光电探测器等核心芯片构件进行光电表征。

“光电测试的要求算不上夸张，”Del Bino 表示。芯片上的电触点尺寸大致在 $100\ \mu\text{m} \times 100\ \mu\text{m}$ 左右，因此 Akhetonics 的工程师只需要让电探针的定位和对准精度比该尺寸高出一个数量级即可。“但芯片上的光学测试则是另一码事了，”他补充道。“光纤与波导之间哪怕只有 $1\ \mu\text{m}$ 的错位，就会导致巨大的耦合损耗，因此我们需要数十纳米甚至更低的定位精度和重复定位精度。”

互惠互利带来的丰厚回报

在操作层面，这套定制测试系统是 Akhetonics 工程团队与 SmarAct 产品开发团队持续紧密合作的结晶。在确定性能需求后，双方通过 3D CAD 图纸进行了反复迭代，最终就系统设计达成了一致。

“我们提供了构成工作站精密运动核心的纳米定位位移台，”SmarAct 光子应用业务发展经理 Max Trippel 解释道。随后，Akhetonics 将这些模块集成到其自身的测试环境中，包括光纤及光纤阵列单元（FAU）夹具、所需的光学和电学测量设备，以及用于光子表征的软件例程。“这种方式赋予了 Akhetonics 构建完全符合其需求的测试工作流的灵活性，同时能够依托稳定且重复性高的定位平台，”Trippel 补充道。

至关重要的是，SmarAct 的软件“生态系统”和 Python 接口使得将纳米定位位移台集成到 Akhetonics 的 PIC 测试例程中变得十分简便。这一被称为 SmarAct 控制与工艺环境（SCoPE）的软件应用平台，也为持续的工艺改进和产品创新创造了机会（例如能够开发用于全轴快速校准和对准的定制例程）。

这样一来，当 Akhetonics 将其 PIC 测试项目从研发（R&D）阶段过渡到小批量生产运行，并最终实现大批量制造能力时，SCoPE 将成为天然契合的工具。“我们开发 SCoPE 的目标是为客户提供便捷的系统开发途径，无论这适用于光子元件的测试还是组装，”Trippel 表示。“SCoPE 是一个动态演进的平台，我们正在不断集成创新功能、特定应用的插件以及简化第三方设备控制的特性。”

在战略层面，SmarAct 与 Akhetonics 的合作关系正在发展成为一项长期的双赢策略，后者的增长轨迹和不断演进的平台技术将反哺 SmarAct 的产品开发路线图。“客户的成功就是我们的成功，”Trippel 总结道。“通过与 Akhetonics 及同类企业以这种方式合作，意味着我们能够洞察光计算领域的‘未来趋势’。请拭目以待，这绝非终局。”

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原文：Nanopositioning, customization and control: opening new frontiers in optical computing