本文介绍了包含光学相控阵的氮化硅集成光子电路的操作方法。该电路可用于发射近红外波段的低发散激光束,并在二维方向上进行光束 steering(操控)。
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本文介绍了包含光学相控阵的氮化硅集成光子电路的操作方法。该电路可用于发射近红外波段的低发散激光束,并在二维方向上进行光束 steering(操控)。
光学相控阵(OPA)能够产生低发散的激光束,并可通过电子方式控制发射角度,而无需使用移动的机械部件。该技术在光束转向应用中尤为有用。本文重点介绍集成在氮化硅(SiN)光子电路中的光学相控阵,工作波长位于近红外波段。文中提出了一种针对此类电路的表征方法,可实现对集成光学相控阵输出光束的整形与转向控制。此外,通过采用晶圆级表征系统,可方便地在一片晶圆的多个芯片上同时测试多个器件。借此可研究制造过程中的工艺偏差,并识别出高性能器件。文中展示了典型的光学相控阵光束图像,包括具有均匀波导长度与非均匀波导长度的光学相控阵所发射的光束,以及具有不同通道数量的光束图像。同时,还展示了在相位优化过程中输出光束的演化情况,以及二维光束转向的结果。最后,研究了相同器件在晶圆上不同位置处光束发散角的变化情况。
光学相控阵(OPAs)因其能够以非机械方式调控和引导光束而具有显著优势,这一特性在多种技术应用中非常有用,例如激光探测与测距(LIDAR)、自由空间通信和全息显示1。将OPA集成于光子电路中尤其受到关注,因为这为其实现提供了低成本、小尺寸的制造方案。集成式OPA已通过多种不同的材料体系成功实现,包括InP、AlGaAs和硅2,3,4。在这些材料中,硅基光子学可能是最便捷的选择,因其具有高折射率对比度,并且与CMOS工艺兼容5。事实上,硅基绝缘体上硅(SOI)平台已广泛用于实现OPA电路6,7,8,9,10;然而,这些电路的应用受到硅材料透光波长范围的限制,同时由于非线性损耗较高,导致可用的输出光功率受限。我们转而关注集成在氮化硅(SiN)中的OPA,该材料在CMOS兼容性和器件尺寸方面与硅具有相似的特性11,12。与硅不同,SiN有望适用于更广泛的应用,因其透光窗口更宽,可延伸至至少500 nm,并且由于其非线性损耗相对较低,可支持更高的光功率输出。
最近已利用SiN8,13,14演示了OPA集成的基本原理。本文将进一步拓展这些原理,展示一种用于实现二维光束偏转的集成OPA表征与操作方法。与以往依赖波长调谐实现二维光束偏转的方案6相比,本研究所提出的电路可在单一波长下工作。我们首先简要介绍OPA的工作原理,随后说明本研究中所采用的电路结构,最后描述表征方法,并展示及讨论OPA输出光束的典型图像。
光子相控阵(OPA)由一系列间距紧密且可独立寻址以控制光相位的发射器组成。若发射器阵列间存在线性相位关系,则远场中的干涉图样会产生数个明显分离的极大值——其原理类似于多缝干涉。通过调控相位差的大小,可以调节极大值的位置,从而实现光束偏转。在集成式OPA中,发射器由间距紧密的衍射光栅构成,光在光栅处发生散射并从芯片平面射出。集成OPA器件的示意图如图1A、B所示。光通过光学纤维耦合进入芯片,随后被分配至多个通道,每个通道均包含一个集成式相位调制器。在光路的另一端,波导以光栅终止,并共同构成OPA。最终输出的光束包含多个干涉极大值,其中最亮的极大值称为主瓣,也是光束偏转应用中最常使用的部分。主瓣的发射方向由两个方位角定义:相对于芯片平面正交投影的φ角和θ角,分别垂直和平行于光栅的取向。在本文中,φ和θ将分别称为“垂直”和“平行”发射角。垂直发射角φ由OPA各通道间的相位差决定,而平行发射角θ则取决于输出光栅的周期。
我们的集成电路采用氮化硅(Si3N4)波导制造,其横截面尺寸为600 × 300 nm2,该设计针对波长为905 nm的光的基本横电极化模式进行了优化。波导下方是在硅晶圆上生长的2.5 µm厚的SiO2缓冲层。热相移器由厚度为10(100) nm的钛(Ti)或氮化钛(TiN)薄膜制成,形成长度为500 µm、宽度为2 µm的电阻丝。在我们的电路中,需要90 mW的电功率来实现π的相移。光学相控阵(OPA)输出光栅由750个完全刻蚀的周期组成,标称占空比为0.5,光栅周期介于670 nm至700 nm之间。有关该平台设计与制造的更多细节,请参见Tyler等人的研究15,16。
本研究中表征了两种不同类型的电路:一种是不具备相位调节能力的无源电路,另一种是更为复杂的二维光束偏转电路。图2展示了该二维光束偏转电路。图2A为电路的示意图,图2B为所制备器件的显微镜图像。光信号从输入光栅进入电路,随后到达一个开关网络,可选择性地将光路由至四个子电路之一。每个子电路利用多模干涉器件(MMI)将光信号分为四路通道。各通道均包含一个热相位调节器,并在电路末端构成一个光学相控阵(OPA)。来自四个子电路的四个OPA各自具有介于670 nm至700 nm之间的不同光栅周期,这些周期对应于平行于光栅轴的方位角θ,范围为7°至10°。有关该电路的更详细描述可参见Tyler等人的研究16。
本文所述的表征装置基于一种自动探针台,能够在整片晶圆的多个电路上执行一系列测量。这使得研究人员可以研究器件性能随晶圆位置变化的情况,并从中筛选出具有最佳特性的器件。然而,使用探针台对光子相控阵(OPA)的表征方案带来了一些物理空间上的限制,因为晶圆上方可用空间相对较小。对光学相控阵的表征需要在远场成像其输出光场,该过程可通过多种方式实现。例如,可采用一组透镜构成傅里叶成像系统6,或者通过朗伯表面形成的远场图像,以反射或透射方式观测。在本系统中,我们选择了一种我们认为最简单且结构最紧凑的方案:在晶圆表面约50 mm的上方,放置一个无透镜的大面积CMOS传感器(尺寸为35 mm × 28 mm)。尽管此类大尺寸CCD传感器成本较高,但该方案无需使用透镜即可提供足够的视场范围。
1. 准备工作
2. 光学耦合
3. 光束优化与调控
注意:本节描述了图2所示电路的工作原理,以及如何利用该电路实现二维光束偏转。
4. 光束发散度测量与图像分析
本部分展示了OPA光束的若干原位成像结果,包括光束近场和远场的图像、相位优化前后OPA输出光束的图像,以及不同OPA通道数量下的光束图像。
使用显微镜记录的光束近场图像如图5A所示。该图像展示了一个具有大量通道的被动式OPA电路,OPA光栅处发射的光清晰可见。该电路在远场产生干涉图样,该图样由CCD传感器记录,传感器图像如图5B所示,显示了主瓣和一个旁瓣。传感器的曝光时间、激光功率以及背景光均已优化,以获得清晰的图像。根据实验方案第4.2.2.1节中给出的公式计算,两个极大值之间的夹角为17.6°。请注意,在此设计中,所有波导的长度均相同,因此各通道之间不存在显著的相位差,从而使得干涉极大值明显分离。下文将展示一个通道间具有不规则相位差的OPA电路示例。
为了在 OPA 输出图样中观察到清晰的干涉极大值,OPA 各通道之间需要具有线性相位差。然而,当输入光栅与输出光栅之间的波导长度在不同通道间存在差异时,干涉图样将沿垂直于光栅取向的方向(即沿角度 φ 方向)呈现出多个不规则的干涉区域。这种输出图样的一个示例如图6A左上方图像所示,其展示了一个在输入与输出光栅之间波导长度不均匀的16通道OPA的远场输出。幸运的是,该OPA设计在每个通道中均集成了相位调节器,因此可对各通道的相位进行独立调节,从而调控输出光束的形状。在按照第3.3节实验方案优化相位后,输出光束形成一个清晰的主极大值。图6A展示了在优化过程中输出光束的演化过程。需要注意的是,在传感器区域之外仍存在其他干涉极大值。此外,我们观察到16通道OPA的光束发散角明显大于图5B中所显示的结果。这一现象是预期之中的,其原因是通道数量显著减少所致。
接下来将讨论用于二维OPA光束偏转的光路操作,有关该光路的详细信息参见图2。首先,对开关网络中的环形谐振器电压进行校准,以将光引导至不同的子光路,每个子光路包含一个OPA。由于四个OPA各自具有不同的光栅周期,将光在不同子光路之间切换会导致输出光束以不同的θ角发射。这一点在图6B中有所展示,该图显示了通过调节开关网络中的环形谐振器改变光路时记录到的远场图像。图像表明,当各个独立的谐振器被调至与输入光共振,而其他谐振器被调离共振状态时,“平行”发射角θ发生变化。我们的光路设计本可实现四个不同的θ角输出,但由于开关网络存在设计错误,仅有三个环形谐振器能够正常工作。从输出图像可以看出,干涉图样不规则,且无明显的强度极大值。为了在“垂直”发射角φ方向上实现光束偏转与波束整形,需对OPA的相位进行调节与优化。
二维光束偏转电路优化输出光束的一个示例图像如图7A所示。图中清晰可见两个干涉极大值,分别对应主瓣和一个旁瓣。在图7A的上方图像中,显示了传感器记录的亮度随像素编号变化的热图。为了确定输出角度,按照协议第4.2节所述对图像进行了处理,并确定了像素编号与输出角度之间的关系。经校准后的光束强度随角度变化的图像如图7A最下方图像所示。
接下来将讨论光束转向的结果。OPA 光束成功在 17.6° × 3°(φ × θ)的范围内实现了转向,示例数据如图 7B和图 7C所示。图 7B展示了在保持 θ 恒定为 8° 时,光束在 φ 方向上的转向图像。该结果通过首先调用对应于平行发射角 θ = 8° 的 OPA,随后调节光学相位以改变垂直发射角 φ 实现。图 7C展示了基频光束在 θ 方向上被导向三个不同输出位置的归一化强度分布图,其中垂直发射角 φ 固定为 -2.5°,θ 在 7° 至 9° 之间变化。与之前相同,平行发射角 θ 通过环形谐振器网络在不同 OPA 之间切换进行控制。在选定 OPA 后,进一步优化其相位以实现 φ = -2.5° 的发射。
最后,通过沿 φ 和 θ 方向拟合两个高斯曲线来确定光束发散角,具体方法如协议第 4.3 节所述。半高全宽(FWHM)用作衡量光束发散角的指标,在发射角 φ = -2.5° 和 θ = 8° 时,测得 φ 方向的发散角为 4.3°,θ 方向为 0.7°,见图 8A。这些数值与四通道 OPA 预期的 φ 和 θ 方向发散角分别为 4.3° 和 0.6° 非常吻合,相关理论见协议的 4.3.3 和 4.3.4 节。除了测定四通道 OPA 的发散角外,我们还研究了一种通道数量多得多的 OPA 设计的发散特性。我们测量了一个由 128 个通道组成的无源 OPA 的发散角,其设计类似于图 5A 所示结构。为了检测晶圆上不同位置器件的制造差异,我们启动了自动扫描程序,对 42 个具有相同设计的器件进行了表征。通过分析所记录的图像,评估其光束发散角。图 图 8B 展示了器件在晶圆上不同位置对应的 φ 方向发散角。测得的发散角值介于 0.19° 至 0.37° 之间,略大于预期值 0.14°。这可能是由于各个 OPA 通道内部存在相位误差所致。设计中所有波导长度均相同,因此理论上各 OPA 通道之间不应产生相位差。然而,制造误差会导致光从输入光栅传播到输出光游戏副本时出现不可控的相位偏移,从而引起输出光束展宽。由于电路中未集成相移器,无法对这些误差进行补偿。如前所述,θ 角由天线光栅的几何结构决定。因此,制造过程中的变化(如 SiN 薄膜高度及结构横向尺寸的偏差)可能会影响 OPA 的输出角度 θ。我们已在整个晶圆上的 40 个器件中对这类变化进行了表征。得益于高度可控的 CMOS 制造工艺,测得的 3σ(三倍标准差)仅为 0.156°,可忽略不计。

图1:集成光学相控阵(OPA)示意图。(A)OPA输出的一阶干涉主瓣以两个方位角φ和θ离开电路,分别相对于芯片平面的正交投影方向垂直和平行于光栅的取向。(B)OPA的俯视图,显示其主要构成元件。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:用于二维光束偏转的集成光路的示意图与显微镜图像。(A)电路包含一个开关网络,连接至四个子电路,每个子电路构成一个光相控阵(OPA)。输出区域包含四个具有四种不同光栅周期的OPA,因此在θ方向上具有不同的出射角度。(B)基于氮化硅(SiN)波导和钛/氮化钛(Ti/TiN)热相位调制器制备的(A)中所述电路的显微镜图像。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:可在 0 mW 至 200 mW 范围内施加电功率的电路。 该示意图表示一种电路,能够分别为光路中的相位调制器施加电压,并在施加电压后读取其电流值。在我们的光路中,相位调制器由电阻为 1.3 kΩ 的导线构成。实现 π 的光相位偏移需要 90 mW 的电功率。该电路由 Arduino 微控制器进行控制。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:OPA电路表征的实验装置。(A)实验装置示意图。(B)实验实景图。请点击此处查看此图的放大版本。

图 5:输出光束的近场和远场图像。 (A)OPA 电路的近场图像。波长为 905 nm 的光通过光纤和输入光栅耦合进入电路。光在波导内部的散射使我们能够观察到电路的设计结构。在 MMI 树的末端,光从 OPA 光栅发射出去。(B)(A)中所示电路输出的远场图像。传感器上可见两个干涉极大值。根据 OPA 理论,这两个极大值之间的夹角为 17.6°。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 6:OPA 光束优化与切换网络工作原理。(A)使用相位调节器对16通道OPA进行光束优化。图中显示了每一步优化后的远场图像。在完成全部16个通道的优化后,光束在传感器区域内形成一个主要的干涉极大值。(B)通过使用由环形谐振器构成的切换网络,可选择不同的OPA,每个OPA具有不同的光栅周期。不同的光栅周期导致输出光束以不同的θ角发射。请点击此处查看该图的放大版本。

图 7:二维光束偏转电路的表征。(A)记录图像数据的像素到角度转换。光束偏转在 φ 和 θ 方向的结果分别显示在(B)和(C)中。此图经修改自 Tyler 等人16。请点击此处查看该图的放大版本。

图 8:OPA 光束发散角测量结果。(A)四通道 OPA 的光束发散角分析。此图经 Tyler 等人16 修改。(B)128 通道 OPA 设计在 φ 方向实测发散角的晶圆分布图。请点击此处查看此图的放大版本。
我们介绍了一种用于表征集成型光学相控阵(OPA)的方法。该方法的主要优势在于能够方便地探测晶圆上多个芯片,以考察制造过程中的工艺差异,并识别出高性能器件。这一点在图8B中可以明显看出。通过晶圆扫描结果可知,晶圆下半部分的器件具有更小的光束发散角。这一现象可能归因于该区域波导质量更高,从而减少了随机相位偏移,进而降低了光束发散角。
使用大面积CCD传感器对远场输出进行成像,是表征集成电路上自由空间输出的一种便捷方法,因为与通常使用的体积较大的傅里叶成像系统相比,CCD传感器结构紧凑,可轻松集成到大多数表征系统中6。
为了确保光束角度和发散度测量的高精度,在相机与OPA的对准过程中必须格外小心。此外,OPA的响应在标定过程中对相位和偏振不稳定性较为敏感。因此,必须控制所有可能的扰动源:注入光纤的移动/振动、激光器温度、入射光的偏振态等。
综上所述,本文介绍了一种用于表征集成光学相控阵(OPA)的方法。详细说明了如何实现光耦合、如何控制电路中的相移器,以及如何对近场和远场的输出进行成像。展示了多个OPA电路输出光束的典型图像,包括在近红外单波长条件下实现二维光束偏转的结果。此外,我们还展示了在同一晶圆上测量多个相同设计器件的光束发散角的结果。通过分析发现,器件性能随晶圆上的位置呈现一定趋势,从而识别出具有高质量制造特性的区域。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由法国企业总司(DGE)通过 DEMO3S 项目资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 25通道电学探针 | Cascade Microtech | InfinityQuad 25ch | |
| 35 mm CCD传感器 | Allied Vision | Prosilica GT 6600 | |
| Arduino uno | Arduino | A100066 | |
| 激光器 | Qphotonics | QFLD-905-10S | |
| 光纤 | Corning | HI780 | |
| 偏振控制器 | ThorLabs | FPC023 | |
| 探针台 | Cascade Microtech | Elite 300 |
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