晶圆级测试平台上氮化硅集成光学相控阵的表征

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。