Name: 晶圆级试验站上SiN集成光学相控阵列的特性 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-04-01T13:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 57 s
Description: 了解在晶圆级试验站上对氮化硅集成光学相控阵列进行特性表征的方法。该技术可实现快速自动化的光束偏转电路评估，优化输出光束强度和发散角，为光通信和激光雷达系统集成提供关键支持。

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本工作由法国企业总司（DGE）通过 DEMO3S 项目资助。

1. 准备工作
<ol>
	<li>准备以下实验装置（图4）。
	<ol>
		<li>使用一台计算机。</li>
		<li>使用连续波光纤耦合激光光源。根据电路损耗情况，1 mW的功率已足够。在本实验所展示的表征装置中，激光光源的波长为905 nm。</li>
		<li>使用适用于该激光波长的偏振控制器。</li>
		<li>使用端面切割的输入光纤，将光耦合至光路的输入光栅耦合器中。</li>
		<li>使用电探针将电子控制板连接至光路的电极触点。</li>
		<li>需要使用一个能够控制二维光束偏转电路中20个相位调制器的系统。在本实验所展示的表征装置中，该系统为一个由Arduino控制的定制电子电路板，可独立地向光路中的各个相移器施加0至200 mW的电功率。电气电路的示意图见图3。对于每个通道，电路包含一个数模转换器（DAC），用于将数字指令电压转换为模拟电压，以控制大功率晶体管的栅极电压。加热器连接至一个大电流源。因此，通过调节栅极电压，可控制流经加热器的电流。</li>
		<li>使用裸露的图像传感器对光输出的远场进行成像。在本实验所展示的表征装置中，相机为35 mm的CCD传感器。</li>
		<li>使用光学显微镜对芯片进行成像，以实现对准。</li>
		<li>使用三轴平移台及适配夹具，以固定200 mm晶圆。在本实验所展示的表征装置中，该平移台为用于硅基光子学的可重构探针系统。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>设备组装
	<ol>
		<li>根据图4所示组装设备，并安装晶圆。晶圆与传感器之间的距离应足够小，以确保输出光束的高分辨率成像；但又需足够大，以容纳至少两个干涉极大值，从而能够在协议第4节中解释如何确定传感器像素与输出角度之间的关系。</li>
		<li>确保传感器与晶圆保持平行；否则可能影响像素与输出角度关系的计算准确性。在本实验所展示的表征装置中，将晶圆与传感器之间的距离设为5 cm。若采用双传感器配置（如本实验所示），应确保裸露的传感器可轻松移除，以便使用光学显微镜对近场成像，从而完成光纤对准。</li>
		<li>确保电探针、相机和光纤彼此不接触。将所需组件连接至计算机。在本实验装置中，探针台、CCD传感器以及相位控制的电子电路均通过计算机和Python程序进行控制，以实现测量过程的自动化。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 光学耦合
<ol>
	<li>光纤对准
	<ol>
		<li>使用显微镜，首先小心地降低光纤，直至其接触晶圆表面（应避开输入光栅耦合器，以避免损坏），然后将光纤向上移动约 20 µm。</li>
		<li>完成此操作后，最大化输出光栅处的光强。为此，开始在OPA输入光栅耦合器上方扫描光纤位置。如果连接到显微镜的相机对激光波长有响应（若无响应，则使用裸露的图像传感器），且光纤与光栅耦合器对准良好，则从OPA输出光栅射出的光应在图像中可见。示例见图5A。</li>
		<li>当观察到OPA天线发出的光时，调节偏振态以最大化输出光栅处的光强。务必避免输入光纤发生任何移动或振动。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>OPA输出成像
	<ol>
		<li>切换至远场成像传感器，并改善图像质量：调节传感器的曝光时间与激光功率，使OPA输出在相机上清晰可见，同时确保光束不会使传感器饱和。传感器记录的示例图像如图5B所示。</li>
		<li>如有必要，遮盖整个装置，以防止背景光干扰OPA光束的成像。通常，背景光越弱，可设置的激光功率越低。</li>
		<li>通过在反射光路径与相机之间放置高反射性薄片来阻挡反射光。有时来自晶圆表面的反射光会到达传感器区域，污染OPA输出图像（反射可能发生在输入光栅处）。</li>
		<li>重新调节输入光的偏振态，以获得清晰的图像。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>准备工作
	<ol>
		<li>将相位控制的电路连接至多通道电探针。</li>
		<li>使用显微镜，将电探针的引脚连接至光路的金属接触焊盘。</li>
		<li>重新优化输入光纤的位置。</li>
		<li>切换至远场传感器并成像输出光场。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>利用切换网络选择平行发射角 θ
	<ol>
		<li>研究切换网络中的环形谐振器，以控制在 θ 方向上的发射角。为此，在改变施加于环形谐振器相移器上的电压的同时，观察输出端的远场图像。当在每个谐振器上施加适当的电压时，传感器上的不同区域将被照亮，对应于特定的 θ 值，如图6B所示。</li>
		<li>确定环形谐振器处于谐振态和非谐振态时的电压。为此，可使用自动化脚本扫描谐振器电压，并记录传感器上不同 θ 区域的光强。利用所确定的电压来访问各个子电路，并在 θ 方向上调控输出光束。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过优化 OPA 相位选择正交发射角 φ
	<ol>
		<li>优化 OPA 相位，以在 φ 方向上调控输出光束的形状和指向。为此，选择一个较小的像素区域（对应期望的 φ 角度），该区域应被聚焦的输出光束照亮。</li>
		<li>通过运行以下优化程序，最大化所选区域内亮度。
		<ol>
			<li>以微小步长改变其中一个 OPA 通道的相位。每次相位改变后，记录所选区域内（Ii）和区域外（Io）像素的亮度积分值。计算比值 R = Ii / Io。完成一次从 0 到 2π 的完整相位扫描后，采用对应最高亮度比值 R 的相位偏移。</li>
			<li>在下一个 OPA 通道上重复此相位优化过程。可采用不同的优化算法，例如爬山法。</li>
			<li>重复优化过程，直至相位优化达到饱和状态，并可观察到聚焦的输出光束。优化过程中采集的输出光束示例图像如图6A所示。经过16轮优化后，输出光束呈现为聚焦光束。 
			注：若出现一些额外的非预期峰，可能是优化过程中电路耦合存在时间不稳定性所致。这可能源于输入光纤的移动和/或偏振态不稳定。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>若需将输出光束导向不同的 φ 角度，可选择新的像素区域并重复优化过程。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 光束发散度测量与图像分析
<ol>
	<li>图像采集
	<ol>
		<li>优化输入光纤的位置。记录远场中的输出图像。确保至少有两个清晰的干涉极大值可见。</li>
		<li>使用对准系统移动晶圆，使下一个器件与输入光纤对准。通过最大化相机记录的输出光强进行精细对准。记录输出图像。</li>
		<li>重复上述步骤，直到完成所有目标器件的表征。如果所选光路具备对OPA通道相位调节的能力，在记录图像前应执行相位优化程序。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>图像分析
	<ol>
		<li>检查所记录图像中是否存在由缺陷像素（如死像素或热像素）引起的异常数据点。删除这些数据点，或用典型值替代。</li>
		<li>将CCD像素与OPA输出角度φ和θ进行关联，方法如下：
		<ol>
			<li>根据OPA设计，使用Δφ = sin-1(λ/d) [°] 计算干涉极大值之间的角距离Δφ，其中λ为波长，d为OPA光栅之间的横向间距。对两个干涉极大值拟合两个高斯曲线，并确定两个中心位置P1和P2。由于两个中心之间的距离（以像素为单位）N = P2 - P1 应对应于Δφ，因此可得到像素与角度之间的转换系数c = Δφ/N [°/像素]，该系数可用于建立像素间的相对角度关系。</li>
			<li>通过精确测量晶圆表面与传感器之间的距离以及像素尺寸（本实验所用传感器为5.5×5.5 µm），获得转换系数c。</li>
			<li>估算其中一个CCD像素在φ和θ方向的绝对输出角度。将θ方向的光束中心设为仿真预测的发射角度。为确定φ方向的绝对值，通过调节OPA相位，在多个φ角度下优化光束，并记录每个角度下主瓣的强度。根据OPA理论，当发射角度为φ = 0°时，主瓣强度最大（旁瓣强度最小）。因此，将记录到最大光束强度时光束中心对应的像素设为φ = 0°。利用该像素及转换系数，为图像中所有像素分配绝对角度。</li>
			<li>若输出光束相对于垂直轴存在显著倾斜，且需要非常精确地测量光束发散角和位置，则应调整相机方向，使其与输出光束完全垂直。否则，也可通过计算光束在传感器平面上的投影（根据输出光束与相机平面之间的夹角），对测得的光束尺寸应用校正因子。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>光束发散角的计算
	<ol>
		<li>提取沿φ和θ方向通过基模光束中心的截面。</li>
		<li>对截面数据拟合两个高斯曲线，并提取半高全宽作为光束发散角φdiv和θdiv的度量。</li>
		<li>计算预期光束宽度φdiv = λ/Nd [°]，其中λ为波长，d为OPA光栅之间的横向间距。</li>
		<li>通过对外输出光栅进行FDTD仿真，估算光束发散角θdiv。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>自动测试
	<ol>
		<li>如果表征平台（如本文所述）能够执行自动测量，则需执行一些附加步骤。首先，从电路版图中获取芯片尺寸及被测结构的坐标。然后将这些参数输入到测试平台的控制软件中。因此，一旦输入光纤已对准首个被测结构（如第2.1节所述），测试平台即可通过晶圆平移，自动在不同结构之间切换。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Heck, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+integrated+optical+phased+arrays%3A+Photonic+integrated+circuits+for+optical+beam+shaping+and+beam+steering%5BTitle%5D)+AND+%22Nanophotonics%22%5BJournal%5D)">Highly integrated optical phased arrays: Photonic integrated circuits for optical beam shaping and beam steering.</a> Nanophotonics. 6 (1), 93-107 (2017).</li>
<li>Vasey, F., Reinhart, F. K., Houdré, R., Stauffer, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+optical+beam+steering+with+an+AlGaAs+integrated+phased+array%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Spatial optical beam steering with an AlGaAs integrated phased array.</a> Applied Optics. 32 (18), 3220-3232 (1993).</li>
<li>Van Acoleyen, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Off-chip+beam+steering+with+a+one-dimensional+optical+phased+array+on+silicon-on-insulator%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Off-chip beam steering with a one-dimensional optical phased array on silicon-on-insulator.</a> Optics Letters. 34 (9), 1477-1479 (2009).</li>
<li>Guo, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two+dimensional+optical+beam+steering+with+InP-based+photonic+integrated+circuits%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Journal+of+Selected+Topics+in+Quantum+Electronics%22%5BJournal%5D)">Two dimensional optical beam steering with InP-based photonic integrated circuits.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 19 (4), 6100212(2013).</li>
<li>Jalali, B., Fathpour, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silicon+photonics%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Lightwave+Technology%22%5BJournal%5D)">Silicon photonics.</a> Journal of Lightwave Technology. 24 (12), 4600-4615 (2006).</li>
<li>Hulme, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fully+integrated+hybrid+silicon+two+dimensional+beam+scanner%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam scanner.</a> Optics Express. 23 (5), 5861-5874 (2015).</li>
<li>Chung, S., Abediasl, H., Hashemi, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+monolithically+integrated+large-scale+optical+phased+array+in+silicon-on-insulator+CMOS%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Journal+of+Solid-State+Circuits%22%5BJournal%5D)">A monolithically integrated large-scale optical phased array in silicon-on-insulator CMOS.</a> IEEE Journal of Solid-State Circuits. 53 (1), 275-296 (2018).</li>
<li>Poulton, C. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-scale+silicon+nitride+nanophotonic+phased+arrays+at+infrared+and+visible+wavelengths%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Large-scale silicon nitride nanophotonic phased arrays at infrared and visible wavelengths.</a> Optics Letters. 42 (1), 21-24 (2017).</li>
<li>Poulton, C. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coherent+solid-state+LIDAR+with+silicon+photonic+optical+phased+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Coherent solid-state LIDAR with silicon photonic optical phased arrays.</a> Optics Letters. 42 (20), 4091-4094 (2017).</li>
<li>Martin, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photonic+integrated+circuit+based+FMCW+coherent+LiDAR%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Lightwave+Technology%22%5BJournal%5D)">Photonic integrated circuit based FMCW coherent LiDAR.</a> Journal of Lightwave Technology. 36 (19), 4640-4645 (2018).</li>
<li>Subramanian, A. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-Loss+Single+mode+PECVD+Silicon+Nitride+Photonic+Wire+Waveguides+for+532-900+nm+Wavelength+Window+Fabricated+Within+a+CMOS+Pilot+Line%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Photonics+Journal%22%5BJournal%5D)">Low-Loss Single mode PECVD Silicon Nitride Photonic Wire Waveguides for 532-900 nm Wavelength Window Fabricated Within a CMOS Pilot Line.</a> IEEE Photonics Journal. 5 (6), 2202809(2013).</li>
<li>Baets, R., et al. Silicon Photonics: silicon nitride versus silicon-on-insulator. Optical Fiber Communication Conference, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America). , paper Th3J.1 (2016).</li>
<li>Sabouri, S., Jamshidi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+Considerations+of+Silicon+Nitride+Optical+Phased+Array+for+Visible+Light+Communications%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Journal+of+Selected+Topics+in+Quantum+Electronics%22%5BJournal%5D)">Design Considerations of Silicon Nitride Optical Phased Array for Visible Light Communications.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 24 (6), (2018).</li>
<li>Zadka, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On-chip+platform+for+a+phased+array+with+minimal+beam+divergence+and+wide+field-of-view%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">On-chip platform for a phased array with minimal beam divergence and wide field-of-view.</a> Optics Express. 26 (3), 2528-2534 (2018).</li>
<li>Tyler, N. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SiN+Integrated+Photonics+for+near-infrared+LIDAR%5BTitle%5D)+AND+%222018+IEEE+CPMT+Symposium+Japan+%28ICSJ%29%22%5BJournal%5D)">SiN Integrated Photonics for near-infrared LIDAR.</a> 2018 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ). , 63-66 (2018).</li>
<li>Tyler, N. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SiN+integrated+optical+phased+arrays+for+2-dimensional+beam+steering+at+a+single+near-infrared+wavelength%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">SiN integrated optical phased arrays for 2-dimensional beam steering at a single near-infrared wavelength.</a> Optics Express. 27 (4), 5851-5858 (2019).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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。

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。

<table><tbody><tr><td>25通道电学探针</td><td>Cascade Microtech</td><td>InfinityQuad 25ch</td><td></td></tr><tr><td>35 mm CCD传感器</td><td>Allied Vision</td><td>Prosilica GT 6600</td><td></td></tr><tr><td>Arduino uno</td><td>Arduino</td><td>A100066</td><td></td></tr><tr><td>激光器</td><td>Qphotonics</td><td>QFLD-905-10S</td><td></td></tr><tr><td>光纤</td><td>Corning</td><td>HI780</td><td></td></tr><tr><td>偏振控制器</td><td>ThorLabs</td><td>FPC023</td><td></td></tr><tr><td>探针台</td><td>Cascade Microtech</td><td>Elite 300</td><td></td></tr></tbody></table>

晶圆级测试平台上氮化硅集成光学相控阵的表征

Characterization of SiN Integrated Optical Phased Arrays on a Wafer-Scale Test Station

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。

本节展示了若干OPA光束的原位成像结果，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，使用CCD传感器进行记录。传感器图像如图5B所示，显示了主瓣以及一个旁瓣。传感器的曝光时间、激光功率和背景光均已优化，以获得清晰的图像。两个极大值之间的夹角为17.6°，根据实验方案第4.2.2.1节中给出的公式计算得出。需要注意的是，在此设计中，所有波导长度相同，因此各通道之间无显著相位差。因此，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，需要在 OPA 通道之间引入线性相位差。然而，当各通道中输入光栅与输出光栅之间的波导长度不同时，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。此类输出图样的一个示例如图6A左上方图像所示，其展示了具有非均匀波导长度的16通道OPA在远场的输出结果。幸运的是，该OPA设计在每个通道中均集成了相移器，因此可以独立调节各通道的相位，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情况。需要注意的是，在传感器区域外仍存在其他干涉极大值。此外，我们观察到16通道OPA的光束发散角明显比图5B中的更宽。该现象符合预期，是由于通道数量显著减少所致。
接下来将讨论用于二维OPA光束偏转的光路工作原理，有关该光路的详细信息请参见图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电路，每个子电路包含一个OPA。由于四个OPA各自具有不同的光栅周期，将光在不同子电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，当各个环形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。我们的电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方向上实现光束的偏转与整形，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。图像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像素亮度随像素编号变化的热图。为了确定输出角度，按照本方案第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。
接下来将讨论光束偏转的结果。OPA光束成功在17.6° × 3°（φ × θ）的范围内实现了偏转，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方向上的偏转图像。该结果通过首先调用对应于θ = 8°平行发射角的OPA，随后调节光学相位以改变垂直发射角φ而实现。图7C展示了基频光束在θ方向上偏转至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，具体方法如方案第 4.3 节所述。半高全宽（FWHM）作为光束发散角的度量，在发射角 φ = -2.5° 和 θ = 8° 时测得 φ 方向为 4.3°，θ 方向为 0.7°，见图 8A。这些数值与四通道光子集成电路阵列（OPA）的预期值 4.3° 和 0.6°（分别对应 φ 和 θ 方向）吻合良好，相关理论见方案第 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。为了检验晶圆上不同位置的加工差异，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来评估光束发散角。图8B 显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°。这一现象可归因于各个 OPA 通道内部的相位误差。设计中所有波导长度相同，因此理论上各 OPA 通道之间不应产生相位差。然而，加工误差导致光从输入光栅传播到输出光栅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，加工过程中的变化（如氮化硅薄膜高度及结构横向尺寸偏差）可能影响 OPA 的输出角度 θ。此类变化已在整个晶圆上的 40 个器件上进行了表征。得益于高度可控的 CMOS 加工工艺，实测得到的 3σ（三倍标准差）仅为 0.156°，可忽略不计。
<img alt="集成光学相控阵示意图，包含氮化硅电路、输入光纤和电极接触；激光输入装置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 1"> 
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正交投影方向垂直和平行于光栅取向。(B) OPA 的俯视图，显示其主要构成元件。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的高清版本。</a>
<img alt="带有波导、相移器和金属连接的光学相控阵示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图2"> 
图2：用于二维光束偏转的集成光路示意图与显微镜图像。（A）电路包含一个连接至四个子电路的开关网络，每个子电路构成一个光学相控阵（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方向上具有不同的发射角度。（B）基于氮化硅（SiN）波导和钛/氮化钛（Ti/TiN）热相移器制备的（A）中所述电路的显微镜图像。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<img alt="用于电压调制的Arduino控制相位调制器电路图，包含DAC和多路复用器。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图3"> 
图3：用于施加0 mW至200 mW之间电功率的电路。 该示意图展示了一种电路，可对光路中的相位调制器单独施加电压，并在施加电压后读取其电流值。在我们的光路系统中，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。该电路通过Arduino微控制器进行控制。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="光学激发装置：激光器、CCD传感器、晶圆、示意图；偏振、相位控制。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图4"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="光束模式分析：波导和瓣状测量的近场和远场图像。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 5"> 
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。波导内部的光散射使我们能够观察到电路设计。在MMI分束器树的末端，光从OPA光栅发射出来。（B）图（A）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°。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="OPA 相位与环形谐振器电压优化；光激发分析的光谱拟合图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 6"> 
图 6：OPA 光束优化与切换网络运行。 （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 角度发射。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="光束偏转分析；图A：像素-角度转换；B、C：角度变化结果。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图7"> 
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 方向的结果分别如（B）和（C）所示。本图改编自 Tyler 等人16。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig7large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的高清版本。</a>
<img alt="光学参量放大器4通道光束发散角分析图与128通道晶圆图，用于光学研究。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图8"> 
图8：OPA光束发散角测量结果。（A）4通道OPA的光束发散角分析。此图经Tyler等16修改而来。（B）128通道OPA设计在φ方向上测得的发散角晶圆分布图。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig8large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的高清版本。</a>

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（OPAs）能够产生低发散角的激光束，并可实现发射角度的电子化控制，而无需使用机械移动部件。

为了开发基于硅的光子集成回路，我们需要一种快速、自动化且能够在晶圆尺度上进行表征的方法。我们的方案使得我们能够利用经过轻微改造的标准探针台——微电子行业中的常规设备——在晶圆上评估光束偏转回路。演示该操作流程的是来自我们实验室的博士后研究人员 Sylvain Guerber。首先，将晶圆装载到探针台上。为对准光纤，使用光学显微镜小心地将光纤降低至接触晶圆表面，但需避开输入光栅耦合器区域，随后将光纤向上移动约 20 微米。为在输出光栅处获得最大光强，开始扫描光纤位置，覆盖光学相控阵输入光栅耦合器区域。在图像上应能观察到从光学相控阵输出光栅出射的光。当观察到来自光学相控阵天线的光时，调整偏振态以使输出光栅处的光强最大化，同时注意避免输入光纤发生任何移动或振动。进行OPA输出成像时，切换至远场成像传感器，并仔细调节传感器的曝光时间以及激光功率，使得OPA输出在相机上清晰可见，同时光束不会使传感器饱和。如有必要，应遮盖装置，以避免背景光干扰来自光学相控阵光束的图像。为阻挡反射光，在反射面与相机之间放置一张高反射率的反射板。根据定义，光学相控阵（OPA）对相位变化极为敏感。因此，必须抑制所有噪声源，包括输入光纤振动、偏振不稳定性以及寄生光。为了实现双向光束偏转，首先将相位控制的电路连接至多通道电探针，并使用显微镜将电探针的针脚与光路的金属接触焊盘对准连接。随后，切换至远场传感器以对输出光束成像。通过使用切换网络选择平行发射角 theta 时，应在改变环形谐振器上移相器所施加电压的同时，观察输出端的远场图像。当向每个谐振器施加适当的电压时，传感器上的不同区域将被照亮，对应特定的 theta 值。为了通过优化光相控阵阵列的相位来选择正交发射角 phi，应选取对应于期望 phi 角的小像素区域（该区域应被聚焦的输出光束照亮），并以微小步长调节其中一个光相控阵阵列通道的相位。每次相位移动后，记录所选区域内和区域外像素面积内亮度的积分值，并计算区域内光强与区域外光强的比值。完成从零到两倍π的完整相位移动周期后，应用亮度比值最高的相位移动。然后切换到下一个通道，重复上述步骤，直至优化过程达到饱和并观察到聚焦的输出光束。为了将输出光束导向不同的 phi 角度，需选择新的像素区域并重复优化过程。在完成多个输出 phi 角度的优化后，即可实现光束的转向。为了成像光束发散度，需优化输入光纤的位置，并记录远场中 OPA 输出的图像。确保至少有两个清晰的干涉极大值可见，并使用对准系统移动晶圆，使下一个器件与输入光纤对准。利用精密位移器，可将光纤中的光高效耦合至集成光学电路，从而获得高强度的输出光束。使用多通道探针可同时完成所有电学连接。通过使用优化算法，可以在 phi 方向上获得形状良好的光束。利用基于环形的开关，可正确选择发射角度和 theta 方向。一旦 OPA 完成校准，光束便可在两个维度上任意 steering，且 OPA 的主要性能指标——steering 范围和光束发散角——均可被精确表征。在标定过程中，应尽可能消除所有电子、机械或光学方面的不稳定性。一旦确定并完成对满意电路的标定，便可将其与激光雷达系统的其他部分集成，以执行一些基本的特殊成像。

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