Name: ウェーハスケール試験場におけるSiN統合光フェーズドアレイの特性評価 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-04-01T13:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 57 s
Description: 学ぼう、SiN統合光フェーズドアレイのウェーハスケール特性評価プロトコル。標準プローバステーションを用いて、ビームステアリング回路の2次元偏向とビーム発散特性を効率的に評価・最適化する方法を解説します。

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この作品は、DEMO3Sプロジェクトを通じてフランスのジェネラル・デ・エントレプシーズ(DGE)によって資金提供されました。

1. 準備
<ol><li>次の実験用セットアップを準備します (図 4)。<ol>
<li>コンピュータを使用します。</li>
		<li>連続波ファイバー結合レーザー光源を使用します。回路の損失に応じて、1 mWの電力で十分です。提示された特性評価の設定では、レーザー源は905 nmの波長にある。</li>
		<li>レーザー波長に適合した偏光コントローラを使用します。</li>
		<li>切断された入力ファイバを使用して、光回路の入力格子に光を結合します。</li>
		<li>電気プローブを使用して、電子制御基板を光回路の電気的接触に接続します。</li>
		<li>2次元ビームステアリング回路の20相変調器を制御できるシステムを使用する必要がある。提示された特性評価の設定では、このシステムは、光回路上の位相シフタで0〜200mWの電力を個別に適用することができるArduinoによって制御されるカスタム電子基板です。図3に、電気回路の概略図を示します。各チャンネルに対して、回路には、デジタルコマンド電圧を高出力トランジスタのゲートを制御するアナログ電圧に変換するDAC(デジタル-アナログコンバータ)が含まれています。ヒーターは、高出力電流源に接続されています。そのため、ゲートテンションを制御することにより、ヒータ内の電流流量を調整することができる。</li>
		<li>裸のイメージセンサーを使用して、光学出力の遠視野をイメージします。提示された特性評価の設定では、カメラは35 mm CCDセンサーである。</li>
		<li>チップを整列させるために光学顕微鏡を使用して画像を作成します。</li>
		<li>3軸変換ステージを使用し、200 mmのウェハに合わせてマウントします。提示された特性評価の設定では、この段階はシリコンフォトニクスのための再構成可能な調査システムである。</li>
	</ol>
</li>
	<li>機器アセンブリ<ol>
<li>図4に従って装置を組み立て、ウエハを取り付ける。ウエハとセンサ間の距離は、出力ビームの高解像度画像を確保するのに十分な小さいが、プロトコルのセクション4で説明されるように、センサーピクセルと出力角度の関係を見つけるために少なくとも2つの干渉最大値に適合するのに十分な大きさを選択する必要があります。</li>
		<li>センサーとウェハが平行であることを確認します。そうでない場合は、ピクセル/出力角度の計算を改ざんする可能性があります。提示された特性評価の設定で、ウエハセンサーの距離を5cmに設定します。ダブルセンサー構成(ここで示すものなど)を使用する場合は、ファイバーアライメントのために近視野を画像化するために、裸センサーを簡単に取り外して光学顕微鏡にアクセスできるようにします。</li>
		<li>電気プローブ、カメラ、光ファイバが互いに接触していないことを確認してください。必要な要素をコンピューターに接続します。提示されたセットアップでは、プローブステーション、CCDセンサーと位相制御のための電気回路は、測定プロセスを自動化するためにコンピュータとPythonプログラムを介して駆動されます。</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 光結合
<ol><li>ファイバーアライメント<ol>
<li>顕微鏡を使用して、ウエハ表面に触れるまで繊維を慎重に下げて(損傷を避けるために入力格子から離して)、約20μm上に移動します。</li>
		<li>これを行うと、出力グレーティングで光強度を最大にします。これを行うには、OPA 入力格子カプラ上でファイバー位置をスイープします。顕微鏡に取り付けられたカメラがレーザー波長に反応する場合(裸のイメージセンサーを使用しない場合)、繊維と格子のカプラがうまく整列している場合は、OPA出力グレーティングで出る光が画像に見えるはずです。図5Aに例を示します。</li>
		<li>OPAアンテナから光が見える場合は、出力グレーティングで光強度を最大にするために偏光を調整します。入力ファイバの動きや振動を避けるようにしてください</li>
	</ol>
</li>
	<li>OPA出力イメージング<ol>
<li>遠距離イメージングセンサーに切り替えて画質を向上させる:OPA出力がカメラにはっきりと見え、ビームがセンサーを飽和しないように、センサーとレーザーパワーの両方の露光時間を調整します。センサーによって記録された画像の例を図5Bに示します。</li>
		<li>必要に応じて、バックグラウンド ライトが OPA ビームからのイメージに干渉しないようにセットアップをカバーします。一般的に、背景光が弱いほど、設定できるレーザーパワーが低くなります。</li>
		<li>反射とカメラの間に反射シートを配置して、反射をブロックします。時には、ウエハ表面から発生する反射がセンサー領域に到達し、OPA出力の画像を汚染することがあります(反射は入力格子で起こり得ます)。</li>
		<li>入力光の偏光を入れ、鮮明な画像を得る。</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. ビーム最適化とステアリング
注: このセクションでは、図 2に示す回路の動作と、ビーム ステアリングを 2 次元で実行する方法について説明します。
<ol><li>準備<ol>
<li>位相制御用の電気回路をマルチチャンネル電気プローブに接続します。</li>
		<li>顕微鏡を使用して、電気プローブのピンを光回路の金属接点パッドに接続します。</li>
		<li>入力ファイバの位置を再最適化します。</li>
		<li>遠距離フィールドセンサーに切り替え、出力を画像化します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>スイッチングネットワークを用いた平行発光角度θの選択<ol>
<li>θで発光角度を制御するために、スイッチングネットワークのリング共振子を調べてください。この目的のために、リング共振器の位相シフタに印加される電圧を変えながら、出力の遠視野画像を観察します。各共振器に正しい電圧を印加すると、図6Bに示すように、あるθ値に対応するセンサ上の異なる領域が点灯する。</li>
		<li>リングがオンとオフの共振である電圧を見つけます。この目的のために、自動スクリプトを使用して共振器の電圧を掃引し、センサ上の異なるθ領域の強度を記録することができます。検出された電圧を使用して、さまざまなサブ回路にアクセスし、出力ビームをθで操縦します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>OPAフェーズを最適化して直交発光角度φの選択<ol>
<li>出力ビームをφで形状化し、操縦するためにOPAフェーズを最適化します。この目的のために、焦点を合わせた出力ビームで照らす小さなピクセル領域(所望のφ角度に対応)を選択します。</li>
		<li>次の最適化ルーチンを実行して、選択した領域内の明るさを最大化します。<ol>
<li>OPA チャネルの 1 つのフェーズを少しずつシフトします。各シフトの後、選択した領域の内側のピクセル領域、I、および外側のIoに明るさの積分を記録します。比率 R =I i / Ioを計算します。0から2πの間の全位シフトサイクルの後、最高記録された明るさ比Rで位相シフトを適用します。</li>
			<li>次の OPA チャネルでこのフェーズ最適化プロセスを繰り返します。ヒルクライミングなど、さまざまな最適化アルゴリズムを使用できます。</li>
			<li>最適化プロセスが飽和状態になり、フォーカスされた出力ビームが表示されるまで、フェーズを最適化して最適化プロセスを繰り返します。最適化プロセス中に撮影した出力ビームの例を図6Aに示します。16回の最適化ラウンドの後、出力ビームは焦点を合わせビームが見える。 注: 予期しないピークが追加されている場合は、最適化プロセス中に回路に一時的に不安定なカップリングが発生した可能性があります。これは、入力ファイバの移動や不安定な偏光状態が原因である可能性があります。</li>
		</ol>
</li>
		<li>出力ビームを別のφ角度に導くために、新しい画素領域を選択し、最適化プロセスを繰り返します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. ビーム発散測定と画像解析
<ol><li>画像取得<ol>
<li>入力ファイバの位置を最適化します。遠距離フィールドに出力の画像を記録します。少なくとも 2 つの明確な干渉の最大値が表示されていることを確認します。</li>
		<li>アライメントシステムを使用して、次のデバイスを入力ファイバーに位置合わせするためにウェハを移動します。カメラで記録された出力強度を最大化して、細かいアライメントを行います。出力イメージを記録します。</li>
		<li>目的の全てのデバイスが特徴付けられるまで、上記の手順を繰り返します。選択した光回路がOPAチャンネルの位相調整機能を有する場合は、画像を記録する前に位相最適化ルーチンを実行します。</li>
	</ol></li>
	<li>画像解析<ol>
<li>記録された画像に、死んだピクセルやホットピクセルなどの欠陥のあるピクセルから生じる誤ったデータポイントがないかを確認します。これらのデータ ポイントを消去するか、値を標準値に置き換えます。</li>
		<li>CCDピクセルをOPA出力角度φとθに次のように相関させます。<ol>
<li>干渉マキシマ間の角度距離Δφを計算するには、OPA設計に従って、Δφ = sin-1(λ/d) [°]、λは波長、dはOPA格子間の横ピッチです。2 つのガウス曲線を 2 つの干渉の最大値に合わせ、2 つの中心の位置を決定します( P1と P2)。2つの中心間の距離(ピクセル単位)はΔφに相当2すると予想されるため、画素と角度c=Δφ/N[°/pixel]の間の変換係数cを取得し、ピクセル間の相対角度関係を得ることができます。</li>
			<li>変換係数cは、ウエハ表面とセンサ間の距離を正確に測定し、ピクセルサイズ(ここで使用するセンサの場合は5.5*5μm)を得る。</li>
			<li>CCDピクセルの1つに対して、絶対出力角度をφとθで推定します。シミュレーションに従って、ビームの中心を予想される放出角度にθで設定します。φで絶対値を選択するために、OPA相を調整してφの複数の角度にビームを最適化し、各角度の主ローブの強度を記録します。OPA理論によれば、主ローブはφ=0°で発光する際に最も強い(そして、側葉の強度を最小にする)。したがって、最大記録されたビーム強度を持つビームの中心のピクセルをφ= 0°に設定します。このピクセルと変換係数を使用して、イメージのすべてのピクセルに絶対角度を割り当てます。</li>
			<li>縦軸に対して大きな傾きを持つ出力ビームの場合、およびビーム発散と位置を非常に正確に測定する必要がある場合は、出力ビームに完全に垂直になるようにカメラを傾けます。それ以外の場合は、出力ビームとカメラ面との間の角度に応じてセンサ上のビームの投影を計算することによって測定されたビームサイズに補正係数を適用することもできる。</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>ビーム発散の計算<ol>
<li>φとθに沿って基本ビームの中心を横切って断面を抽出します。</li>
		<li>2つのガウス曲線を断面にフィットさせ、ビーム発散φdivとθdivの尺度として全幅の半分の最大値を抽出します。</li>
		<li>予想されるビーム幅 φdiv = λ/Nd [°]を計算し、ここで λは波長、d は OPA グレーティング間の横の距離を求めます。</li>
		<li>出力格子のFDTDシミュレーションを行うことにより、ビーム発散θdivを推定します。</li>
	</ol></li>
	<li>自動テスト<ol>
<li>(ここで示したもの)の特性評価ベンチが自動測定を実行できる場合は、いくつかの追加のステップを実行します。まず、回路レイアウトから、測定した構造体のチップ寸法と座標を取得する。次に、これらの値をベンチ制御ソフトウェアに入力します。したがって、入力ファイバが最初のテストされた構造(セクション2.1で詳述されているように)に整列されたら、ベンチはウエハの翻訳を介して1つの構造から別の構造に自動的に切り替えることができます。</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>

著者らは開示するものは何もない。

我々は統合OPAを特徴付ける方法を提示した。この方法の主な利点は、ウエハーをまたいで複数のダイを容易に探査し、製造のバリエーションを探し、高性能デバイスを特定できることです。これは図 8Bに示されています。ウエハスキャンから、ウエハの下半分が低いビーム発散を有する装置を示すことが明らかとなる。これは、その領域のより高い導波管の品質によって説明することができ、ランダムな位相シフトを減少させ、したがってビーム発散を減らすことができます。
広域CCDセンサを使用して遠距離フィールド出力を画像化することは、集積回路の空き領域出力を画像化する便利な方法であり、多くの場合使用される、かさばる、フーリエイメージングシステム6と比較して小型サイズのため、ほとんどの特性評価セットアップに容易に追加することができるので。
ビーム角度と発散測定の高精度を保証するためには、カメラの間に特別な注意を払う必要があります - OPAアライメント。さらに、OPA応答は、較正中の位相および偏光不安定性に敏感です。したがって、すべての摂動源は、注入繊維の動き/振動、レーザー温度、入射光偏光など、制御する必要があります。
要約すると、統合OPAを特徴付ける方法が提示された。光を結合する方法、回路内の位相シフトを制御する方法、および近傍フィールドと遠方フィールドで出力を画像化する方法の詳細が与えられました。いくつかのOPA回路の出力ビームの典型的な画像は、近赤外の単一の波長で2次元のビームステアリングの結果を含めて示された。さらに、ビーム発散の観点から、同じ設計の複数のデバイスをウエハ全体で測定した結果を示す。ウエハ上の位置に関する性能傾向が見つかり、高品質の製造特性を有する領域を特定した。

光学系位相配列(OPA)は、光学ビームを非機械的に形状および操縦する能力のために有利である - これは、光検出及び測距(LIDAR)、空き空間通信およびホログラフィックディスプレイ1のような幅広い技術的なアプリケーションにおいて有用である。フォトニック回路におけるOPAの統合は、小型の物理的フットプリントで製造するための低コストのソリューションを提供するため、特に興味深いものです。統合された OPA は、InP、AlGaA、,シリコン2、3、43など2、さまざまな材料システムを使用して実証されています。4これらのシステムの中で、シリコンフォトニクスは、屈折率のコントラストが高く、CMOS5との互換性があるため、おそらく最も便利です。実際、OPA回路はシリコン・オン・絶縁体プラットフォーム66、7、8、9、107,8,9,10で広く実証されています。しかし、これらの回路の適用は、シリコンの波長透過性の窓と高い非線形損失の両方によって制限され、利用可能な出力光パワーの限界につながります。我々は、代わりにSiNに統合されたOPAに焦点を当て、CMOS能力とフットプリントサイズ11、12,12の点でシリコンと同様の特性を持つ材料である。しかし、シリコンとは対照的に、SiNは透明性ウィンドウが広く、少なくとも500nmまで下がり、比較的低い非線形損失のおかげでおそらく高い光パワーのおかげで、より広い範囲のアプリケーションに適していると予想されます。
OPA 統合のプリンシパルは、SiN8、13,、14を使用して最近実証されています。ここでは、これらのプリンシパルを拡張して、2次元ビームステアリング用の統合OPAを特徴付け、操作する方法を示します。波長6のチューニングに依存する2次元のビームステアリングの以前のデモンストレーションと比較して、我々の回路は単一の波長で動作することができます。まず、OPAの背後にある動作原理の概要を説明します。その後、この作業で使用される回路の紹介が続きます。最後に、特徴付け方法について説明し、OPA出力ビームの代表的な画像を提示し、議論する。
OPAは、光位相を制御するために個別に対処できる、間隔が縮まったエミッタの配列で構成されています。エミッタアレイに線形位相関係が存在する場合、遠距離フィールドの干渉パターンは、マルチスリット干渉の原理と同様に、いくつかの明確に分離された最大値を生み出します。位相差の大きさを制御することで、最大の位置を調整することができ、したがって、ビームステアリングが行われます。統合されたOPAでは、エミッタは、光が散乱し、チッププレーンから放出される密接に間隔の回折格子で構成されています。統合 OPA デバイスの概略図を図 1A,Bに示します。光はチップに結合され、この場合は光ファイバを介して、次いで複数のチャネルに分割され、それぞれが統合された位相シフターを含む。光回路のもう一方の端では、導波ガイドはグレーティングで終了し、結合してOPAを形成します。結果として得られる出力ビームは複数の干渉の極度で構成され、最も明るいのは基本的なローブと呼ばれ、ビームステアリングの適用で最も頻繁に使用されるものである。基本ローブの放出方向は、チップ平面の直交投影に対する2つの方位角角度、φおよびθ、垂直および平行格子の向きによってそれぞれ定義される。この文書では、φとθはそれぞれ「垂直」と「平行」放出角度と呼ばれます。垂直角度φはOPAチャンネル間の位相差によって決定され、平行角度θは出力格子の周期に依存する。
当社の集積回路は、波長905nmの基本的な横方向の電気偏光モードに最適化された、600 x 300 nm2の断面を有するSi3N4導波ガイドを使用して製造されています。導波ガイドの下には、シリコンウェーハの上に2.5 μm SiO2バッファ層があります。熱位相シフターは、長さ500μm、幅2μmの抵抗線を形成するために使用される10(100)nm厚Ti(TiN)層から作られました。当社の回路では、πの位相シフトを実現するためには90mWの電力が必要です。OPA出力格子は、750完全にエッチングされた期間で構成され、公称充填率は0.5、格子期間は670 nm~700 nmです。プラットフォームの設計と製作に関する詳細は、Tyler et al.15,,16.
この研究では、位相シフト機能のないパッシブ回路と、ビームステアリングを2次元で行うよう設計されたより複雑な回路の2種類の回路が特徴です。2 次元のビームステアリング回路を図2に示します。図2Aは回路の概略を示し、図2Bは、製造された装置の顕微鏡画像を示す。光は入力格子で回路に入ります。その後、スイッチングネットワークに到達し、4つのサブ回路のいずれかに向かって選択的にルーティングできます。各サブ回路は、マルチモード干渉デバイス(MMI)を使用して、ライトを4つのチャンネルに分割します。各チャンネルには熱位相シフタが含まれ、回路の端にOPAが形成されます。4 つのサブ回路から発信される 4 つの OPA は、それぞれ 670 nm と 700 nm の間の異なる格子期間を備えています。これらの周期は、7°~10°の間の格子軸θに平行な方位角角に対応します。回路に関するより詳細な説明は、Tylerら16.
提示された特性評価の設定は、ウエハー全体で多くの回路で一連の測定を行うことができる自動プローブステーションに基づいています。これにより、ウエハ上の位置に対する性能変動の研究と、最適な特性を持つデバイスの選択が可能になります。しかし、プローブステーションを使用することは、ウエハの上の比較的小さな空きスペースのためにOPA特性評価スキームに物理的な制約を意味する。光フェーズドアレイの特性を測定するには、遠方フィールドでOPA出力をイメージングする必要があり、これはいくつかの方法で実行できます。例えば、一連のレンズは、フーリエ撮像システム6で使用されてもよいし、ランベルティア表面上に形成された遠距離画像は、反射または透過のいずれかで見ることができる。当社のシステムでは、ウエハ表面の上にレンズを置かずに35mm x 28mmのCMOSセンサーを大きく配置する最もシンプルでコンパクトなソリューションを選択しました。このような大型CCDセンサーのコストが増加しているにもかかわらず、このソリューションはレンズを使用せずに十分な視野を可能にします。

<table><tbody><tr><td>25 ch電気プローブ</td><td>カスケードMicrotechInfinityQuad</td><td>25ch</td><td></td></tr><tr><td>35 mm CCDセンサー</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></td><td>レーザーQphotonics</td><td>QFLD-905-10S</td><td></td></tr><tr><td>光ファイバー</td><td>コーニング</td><td>HI780</td><td></td></tr><tr><td>偏光コントローラー</td><td>ThorLabs</td><td>FPC023</td><td></td></tr><tr><td>プローバステーション</td><td>Cascade Microtech</td><td>Elite 300</td><td></td></tr></tbody></table>

ウェーハスケール試験場におけるsin統合光フェーズドアレイの特性評価

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

光フェーズドアレイ(OPA)は、低ダイバージェンスレーザービームを生成することができ、機械部品を移動することなく、電子的に放出角度を制御するために使用することができます。この技術はビームステアリングの適用のために特に有用である。ここでは、近赤外線の波長を求めるSiNフォトニック回路に統合されたOPAに焦点を当てます。このような回路の特性評価方法を提示し、統合されたOPAの出力ビームを形成し、操縦することを可能にする。さらに、ウエハースケールの特性評価設定を使用して、複数のデバイスをウエハ上の複数のダイ間で容易にテストすることができます。このようにして、製造バリエーションを検討し、高性能なデバイスを特定することができます。OPAビームの典型的な画像は、均一な導波路の長さの有無にかかわらず、およびチャネルの数が異なるOPAから放出されるビームを含む、示される。さらに、位相最適化プロセス中の出力ビームの進化とビームステアリングを2次元で提示します。最後に、同一の装置のビーム発散の変動の研究が、ウエハ上でのそれらの位置に関して行われる。

このセクションでは、OPAビームのオペランド画像をいくつか示します。これには、ビームの近傍および遠方のフィールドの画像、フェーズ最適化前後のOPA出力ビーム、およびOPAチャンネル数が異なるビームが含まれます。
顕微鏡を用いて記録されたビームの近傍場の画像は、図5Aに見ることができる。写真は、多数のチャンネルを持つパッシブOPA回路を示しており、OPAグレーティングで放射される光がはっきりと見えます。この回路は、CCDセンサを使用して記録された遠距離に干渉パターンを生成します。センサー画像は図5Bに示され、基本的なローブとサイドローブの両方を示しています。センサーの露光時間、レーザーパワー、バックグラウンドライトが、鮮明な画像を生成するように最適化されています。2つの最大値は、プロトコルセクション4.2.2.1で与えられた方程式に従って計算された17.6°で分離されています。この設計では、すべての導波管が同じ長さであるため、チャネル間に有意な位相差が存在しない点に注意してください。その結果、干渉の最大値は明確に分離されます。チャンネル間の位相差が不規則なOPA回路の例を以下に示します。
OPA出力パターンで明確な干渉の最大値を観察するためには、OPAチャンネル間の線形位相差が必要です。しかし、入力と出力グレーティングの間の導波管の長さがチャンネルごとに変化する場合、干渉パターンは、格子の向きに垂直な方向(すなわち、角度φに沿って)に直線に沿って複数の不規則な干渉セクションを示す。このような出力パターンの例は、図6Aの左上の画像に示されています。入力と出力のグレーティングの間に不均一な導波路長を持つ16チャンネルOPAの遠距離出力を示す。幸いにも、このOPA設計は、フェーズを個別に調整し、出力ビーム形状を行うことができるように、すべてのチャネルに含まれる位相シフトを有する。プロトコルセクション3.3で説明したようにフェーズを最適化した後、出力ビームは1つの明確な最大値を形成する。図6Aは、最適化プロセス中に出力ビームがどのように進化するかを示しています。さらに干渉の最大値がセンサー領域の外側に存在していることに注意してください。さらに、16チャンネルOPAのビーム発散は、図5Bに見られるものよりもはるかに広い。この効果は予想され、チャンネル数の大幅な減少によるものです。
以下では、OPAステアリング用の光回路の動作を2次元で説明しますが、回路の詳細については図2を参照してください。まず、スイッチングネットワークのリング電圧を、それぞれOPAを含む異なるサブ回路に光をルーティングするために較正された。4つのOPAはそれぞれ異なる格子周期を含むため、サブ回路間で光をルーティングすると、出力ビームが異なるθ角度で放出されます。これは、スイッチングネットワークのリング共振器を使用してライトパスが変更されると記録された遠距離画像を含む図6Bに示されています。画像は、個々の共振器が入力光と共振し、他方の共振器をオフ共鳴にチューニングすると、各々の共振器がオン共鳴するにつれて「平行」放出角度θが変化することを示している。当社の回路は4つの異なるθ角度にアクセスするように設計されましたが、スイッチングネットワークの設計エラーにより、リング共振器の3つだけを操作することが可能でした。出力画像からは、干渉パターンが不規則であり、明瞭な最大値が見えないことがわかります。出力ビームを「垂直」放射角、φで操縦・形状化するために、OPA相を調整し、最適化した。
2次元ビームステアリング回路の最適化出力ビームの例を図7Aに示す。2つの干渉の最大は、主ローブと側葉の1つに対応して、はっきりと見えます。図7Aの上の画像は、センサーとピクセル数で記録された明るさのヒートマップを示しています。出力角度を決定するために、画像は、プロトコルのセクション4.2に記載されているように処理され、画素数と出力角度との関係が決定した。ビーム強度対角度の校正された画像は、図7Aの最下端の画像に示されています。
以下では、ビームステアリング結果について議論する。OPAビームは17.6°×3°(φ×θ)の領域でうまく操縦した、例データは図7Bおよび図7Cに示されている。図7Bは、θを8°で一定に保ちながらφで操縦しているビームの画像を示しています。これは、まずθ=8°の平行発光角度に対応するOPAにアクセスし、その後光学相を変化させて垂直発光角度を変化させることで達成された、φ.θの3つの異なる出力位置に操縦された基本ビームの正規化強度プロットを図7Cに示し、固定垂直発光角度φ=-2.5°と7°と9°の間の変動θを示した。以前と同様に、パラレル発光角度θは、環共鳴ネットワークを用いてOPAを切り替えて制御した。OPAの選択後、OPAの位相はφ=2.5°で放出するように最適化された。
最後に、ビーム発散は、プロトコルセクション4.3に記載されているようにφとθに沿って2つのガウス曲線を合わせて決定した。FWHMは、ビーム発散の尺度として機能し、φ=-2.5°およびθ=8°の発光角度に対してφで4.3°、θで0.7°と測定した、図8Aを参照してください。これらの値は、プロトコルのセクション 4.3.3 および 4.3.4 で説明されているように、4 チャンネル OPA に対して、それぞれ φ および θ の 4.3° および 0.6° の期待値と一致します。4つのチャンネルOPAの発散を決定することに加えて、我々は、はるかに多くのチャネルを有するOPA設計の発散を調査した。図5Aに示すような設計を用いた128チャンネルからなる受動OPAの発散を測定した。ウエハ全体で製造バリエーションをテストするために、同じデザインの42台のデバイスを特徴付ける自動スキャンを開始しました。記録された画像をビーム発散に関して分析した。ウエハ上のデバイスのφ対位置の発散を図8Bに示す。測定値は0.19°から0.37°の間にあり、予想値0.14°よりわずかに大きくなります。これは、個々の OPA チャネル内の位相エラーによって説明できます。設計内のすべての導波管は同じ長さであるため、理論的にはOPAチャネル間で位相差が生じるべきではありません。ただし、加工誤差は、光が入力から出力グレーティングに移動するにつれて、制御されていない位相シフトを生じ、出力ビームの広がりにつながります。回路内に位相シフトが存在しないことにより、これらの誤差を補うことはできなかった。前述のように、θ角度はアンテナ格子幾何学によって定義されます。したがって、製造のバリエーション(SiN膜高さおよび構造横方向の寸法偏差)は、OPA出力角度θに影響を与える可能性があります。このようなバリエーションは、ウエハー全体で40のデバイスで特徴付けられています。非常によく制御されたCMOS製造プロセスのおかげで、0.156°のわずか3σ(標準偏差の3倍)が発見されました。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig1.jpg"> 図1:統合OPAの図。(A)OPA出力の第一次干渉ローブは、チッププレーンの直交投影に対して2つの方位角角で回路を離れ、φとθ、それぞれ格子の向きに垂直かつ平行にする。A(B) 主要な構成要素を示す OPA のトップビュー。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig1large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig2.jpg"> 図2:2次元ビームステアリング用集積光学回路の模式図および顕微鏡画像。(A)4つのサブ回路に接続されたスイッチングネットワークを含む回路で、それぞれOPAを形成する。出力領域には、4つの異なるグレーティング期間を有する4つのOPAが含まれ、したがって、放出角度θ.(B)で説明されている回路の顕微鏡画像(A)、SiNの導波ガイドおよびTi/TiN熱相シフタを使用して作製した。A<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig2large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig3.jpg"> 図3:0 mW~200mWの電力を供給する電気回路この回路は、光回路の位相シフトに電圧を個別に適用し、電圧印加後の電流を読み出すことができる電気回路を表しています。当社の光回路では、位相シフターは1.3 kΩの抵抗を持つ電線で構成されています。πの光学位相シフトを実現するには、90mWの電力が必要です。回路はArduinoのマイクロコントローラによって制御される。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig3large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig4.jpg"> 図4 OPA回路特性評価の実験的設定(A)実験セットアップの概略図。(B)実験の画像。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig4large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig5.jpg"> 図5:出力ビームの近傍および遠方のフィールド画像。(A) OPA回路の近傍フィールド画像。波長905nmの光は、ファイバと入力格子を介して回路に結合されます。導波ガイドの中の光の散乱は、回路設計を見ることができます。MMI ツリーの最後に、光は OPA グレーティングで放出されます。(B)に示す回路の出力の遠視野画像(A)センサーには2つの干渉の最大値が見える。OPA理論によれば、最大は17.6°で分離されています。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig5large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig6.jpg"> 図6:OPAビーム最適化とスイッチングネットワーク動作(A)位相シフトを使用した16チャンネルOPAのOPAビーム最適化遠距離フィールドの画像は、各最適化ステップの後に表示されます。16チャンネルすべてを最適化した後、ビームはセンサエリア内で最大1つの主な干渉を形成します。(B) リング共振器からなるスイッチングネットワークを用いることで、それぞれ異なる格子周期を含む異なるOPAがアクセスされる。異なるグレーティング期間は、出力ビームが異なるθ角度で放出される結果になります。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig6large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig7.jpg"> 図7:2次元ビームステアリング回路の特性評価。(A)記録された画像データの角度変換にピクセル。ビームステアリング結果はφ及びθでそれぞれ(B)及び(C)に示されている。この図はタイラーら16から変更されました。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig7large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig8.jpg"> 図8:OPAビーム発散測定。(A)4チャンネルOPAのビーム発散解析。この図はタイラーら16から変更されました。(B)128チャンネルOPA設計のφで測定されたダイバージェンスのウエハーマップ。B<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig8large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>

ここでは、光相取アレイを含むSiN集積フォトニック回路の動作について述べます。回路は、近赤外線で低発散レーザービームを放出し、それらを2次元で操縦するために使用されます。

ウェーハスケール試験場におけるSiN統合光フェーズドアレイの特性評価

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シリコン上に構築されたフォトニック集積回路を開発するには、高速で自動化されたウエハースケールでの特性評価方法が必要です。当社のプロトコルにより、マイクロエレクトロニクス業界の標準的な機器である軽く改造されたプローブステーションを使用して、ウエハ上のビームステアリング回路を評価することができます。この手順を実証し、私たちの研究室のポストドック研究者であるシルヴァン・ゲルバーがいました。まず、プローブステーションにウエハーをロードします。繊維を整列させるには、光顕微鏡を使用して、約20マイクロメートル上に繊維を移動する前に、入力格子カプラから離れて、ウエハ表面に触れるまで慎重に繊維を下げます。出力グレーティングで光強度を最大にするために、光相取りアレイ入力格子カプラ上で光の位置をスイープし始めます。光位相取りアレイ出力グレーティングで発光する光は、画像に表示されるはずです。光位相取りアレイアンテナから光が観測される場合は、偏光を調整して出力格子での光強度を最大にし、入力ファイバの動きや振動を避けるように注意してください。OPA出力イメージングの場合は、遠視野撮像センサーに切り替え、OPA出力がカメラにはっきりと見えるようにセンサーとレーザーパワーの両方の露光時間を慎重に調整しますが、ビームはセンサーを飽和させません。必要に応じて、光位の光が光相取アレイビームからの画像に干渉しないように、セットアップをカバーします。反射をブロックするには、反射とカメラの間に反射シートを配置します。OPA は、定義上、位相変動に対して非常に敏感です。したがって、入力繊維振動、偏光の不安定性、寄生光など、すべてのノイズ源を抑制する必要があります。ビームステアリングを2方向に実行するには、まず位相制御用の電気回路をマルチチャンネル電気プローブに接続し、顕微鏡を使用して電気プローブのピンを光回路の金属接点パッドに接続します。次に、遠視野センサに切り替えて出力を画像化します。スイッチングネットワークを使用して平行発光角度θを選択するには、リング共振器の位相シフタに印加される電圧を変化させながら、出力の遠視野画像を観察します。各共振器に正しい電圧が印加されると、センサ上の異なる領域が照らされ、特定のテタ値に対応します。光学フェーズドアレイ位相を最適化して直交発光角度phiを選択するには、焦点を合わせた出力ビームで照らされるべき望ましいphi角度に対応する小さなピクセル領域を選択し、光相配列チャネルの1つの位相を少しずつずらします。各シフトの後、選択した領域の内側と外側のピクセル領域の明るさの積分を記録し、外光で割った内側の光の比率を計算します。ゼロと2 πの間の全位シフトサイクルの後、記録された輝度の比率が最も高い位相シフトを適用します。次に、次のチャンネルに切り替え、最適化プロセスが飽和状態で、フォーカスのある出力ビームが見えるまで、前の手順を繰り返します。出力ビームを異なる phi 角度に導くには、新しいピクセル領域を選択し、最適化プロセスを繰り返します。最適化がいくつかの出力phi角度に対して実行されると、ビームを操縦することができます。ビーム発散をイメージするには、入力ファイバの位置を最適化し、遠視野にOPA出力の画像を記録します。少なくとも 2 つの明確な干渉マキシマが見えるようにし、アライメント システムを使用してウェハを移動し、次のデバイスを入力ファイバーに位置合わせします。精密ポジショナを使用して、光ファイバからの光を集積光回路に効率的に結合して高強度出力ビームを得ることができます。マルチチャンネルプローブを使用すると、すべての電気接続を同時に行うことができます。最適化アルゴリズムを使用して、ピアクセスでうまく整形したビームを得ることができます。リングベースのスイッチを使用することで、発光角度とθ方向を適切に選択できます。OPAが較正されると、ビームは、次元とステアリング範囲とビーム発散の両方で任意に操縦することができ、OPAにおけるメリットの主な数字は、正確に特徴付けることができる。キャリブレーション手順中に電子的、機械的、または光学的な不安定性を排除することは、可能な限り不可欠です。満足のいく回路が特定され、較正されたら、LIDARシステムの他の部分と統合して、いくつかの初歩的な特別なイメージングを行うことができます。

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