Charakterisierung von Integrierten optischen Phasenarrays von SiN auf einer Wafer-Scale-Teststation

Um photonische integrierte Schaltungen zu entwickeln, die auf Silizium basieren, benötigen wir eine Charakterisierungsmethode, die schnell, automatisiert und auf der Waferskala ist. Unser Protokoll ermöglicht es uns, unsere Strahllenkkreise auf dem Wafer mit einer leicht modifizierten Sonderstation auszuwerten, die ein Standardgerät in der Mikroelektronikindustrie ist. Wir haben Sylvain Guerber, einen Post-Doc-Forscher aus unserem Labor.

Laden Sie zunächst den Wafer auf Ihre Sondenstation. Um die Fasern auszurichten, verwenden Sie ein Lichtmikroskop, um die Faser sorgfältig zu senken, bis sie die Waferoberfläche berührt, weg von der Eingangsgitterkupplung, bevor Sie die Faser um etwa 20 Mikrometer nach oben bewegen. Um die Lichtintensität an den Ausgangsgittern zu maximieren, beginnen Sie, die Faserposition über den optischen Phasen-Array-Eingangs-Gitterkoppler zu fegen.

Das Licht, das an den optischen Phasen-Array-Ausgangsgittern austritt, sollte auf dem Bild sichtbar sein. Wenn Licht von den optischen Phasen-Array-Antennen beobachtet wird, passen Sie die Polarisation an, um die Lichtintensität an den Ausgangsgittern zu maximieren, wobei Darauf zu achten ist, dass Bewegungen oder Vibrationen der Eingangsfaser vermieden werden. Wechseln Sie für die OPA-Ausgangsbildgebung zum Weitfeld-Bildsensor und passen Sie sowohl die Belichtungszeit des Sensors als auch die Laserleistung so an, dass der OPA-Ausgang auf der Kamera deutlich sichtbar ist, der Strahl den Sensor jedoch nicht sättigt.

Decken Sie ggf. das Setup ab, damit das Hintergrundlicht das Bild nicht vom optischen Phasen-Array-Strahl aus stört. Um die Reflexionen zu blockieren, legen Sie ein hochreflektierendes Blatt zwischen die Reflexion und die Kamera. Eine OPA ist per definitionem äußerst empfindlich gegenüber Phasenvariationen.

Daher müssen alle Quellen von Geräuschen unterdrückt werden, einschließlich Eingangsfaserschwingungen, Polarisationsinstabilitäten und parasitärem Licht. Um die Strahllenkung in zwei Richtungen durchzuführen, schließen Sie zunächst den elektrischen Stromkreis für die Phasensteuerung an eine mehrkanalige elektrische Sonde an und verbinden Sie die Pins der elektrischen Sonde mit den Metallkontaktpads des optischen Schaltkreises. Wechseln Sie dann zum Fernfeldsensor, um den Ausgang abzubilden.

Um den parallelen Emissionswinkel theta über das Schaltnetz auszuwählen, beobachten Sie das Fernfeldbild des Ausgangs, während Sie die Spannungen variieren, die auf Phasenschieber an den Ringresonatoren angewendet werden. Wenn die richtige Spannung auf jeden Resonator angewendet wird, wird ein anderer Bereich auf dem Sensor beleuchtet, der einem bestimmten Theta-Wert entspricht. Um den orthogonalen Emissionswinkel phi durch Optimierung der optischen Phasen des Phasenarrays auszuwählen, wählen Sie einen kleinen Pixelbereich aus, der dem gewünschten Phi-Winkel entspricht, der mit einem fokussierten Ausgangsstrahl beleuchtet werden soll, und verschieben Sie die Phase eines der optischen Phasen-Array-Kanäle in kleinen Schritten.

Zeichnen Sie nach jeder Verschiebung das Integral der Helligkeit im Pixelbereich innerhalb und außerhalb des ausgewählten Bereichs auf, und berechnen Sie das Verhältnis des Inneren Lichts geteilt durch das Außenlicht. Nach einem vollständigen Phasenverschiebungszyklus zwischen Null und zwei pi, wenden Sie die Phasenverschiebung mit dem höchsten aufgezeichneten Helligkeitsverhältnis an. Wechseln Sie dann zum nächsten Kanal und wiederholen Sie die vorherigen Schritte, bis der Optimierungsprozess in gesättigten und fokussierten Ausgabebalken sichtbar ist.

Um den Ausgabestrahl in einen anderen Phi-Winkel zu lenken, wählen Sie einen neuen Pixelbereich aus und wiederholen Sie den Optimierungsprozess. Sobald die Optimierung für mehrere Ausgabe-Phi-Winkel durchgeführt wurde, kann der Strahl gesteuert werden. Um die Strahldivergenz abzubilden, optimieren Sie die Position der Eingangsfaser und zeichnen Sie das Bild des OPA-Ausgangs im Fernfeld auf.

Stellen Sie sicher, dass mindestens zwei klare Interferenzmaxima sichtbar sind, und verwenden Sie das Ausrichtungssystem, um den Wafer zu bewegen, um das nächste Gerät an der Eingangsfaser auszurichten. Mit Präzisionspositionierern kann Licht aus einer Faser effizient an den integrierten optischen Schaltkreis gekoppelt werden, um einen hochintensiven Ausgangsstrahl zu erhalten. Durch den Einsatz einer Mehrkanalsonde können alle elektrischen Anschlüsse gleichzeitig hergestellt werden.

Mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus kann ein schön geformter Strahl auf dem phi-Zugriff erhalten werden. Die Verwendung eines ringbasierten Schalters ermöglicht die richtige Auswahl eines Emissionswinkels und der Thetarichtung. Sobald der OPA kalibriert ist, kann der Strahl beliebig sowohl in den Abmessungen als auch im Lenkbereich und strahldivergence, den wichtigsten Verdienstfiguren in einem OPA, genau charakterisiert werden.

Es ist wichtig, so weit wie möglich, alle elektronischen, mechanischen oder optischen Instabilitäten während des Kalibrierungsvorgangs zu beseitigen. Sobald zufriedenstellende Schaltkreise identifiziert und kalibriert sind, können wir sie mit den anderen Teilen des LIDAR-Systems integrieren, um eine rudimentäre spezielle Bildgebung durchzuführen.