Artykuł metodologiczny

Charakterystyka zintegrowanych optycznych układów fazowych SiN na stanowisku testowym w skali waflowej

9.5K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/60269

⸱

1 kwietnia 2020

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1University Grenoble Alpes and CEA, LETI, Minatec Campus

W tym artykule

Podsumowanie

Tutaj opisujemy działanie zintegrowanego obwodu fotonicznego SiN zawierającego optyczne układy fazowane. Obwody służą do emitowania wiązek laserowych o niskiej rozbieżności w bliskiej podczerwieni i kierowania nimi w dwóch wymiarach.

Streszczenie

Optyczne tablice fazowe (OPA) mogą wytwarzać wiązki laserowe o niskiej rozbieżności i mogą być używane do elektronicznego sterowania kątem emisji bez potrzeby stosowania ruchomych części mechanicznych. Technologia ta jest szczególnie przydatna w zastosowaniach związanych ze sterowaniem wiązką. W tym miejscu skupimy się na OPA zintegrowanych z obwodami fotonicznymi SiN dla długości fali w bliskiej podczerwieni. Przedstawiono metodę charakterystyki takich obwodów, która pozwala na kształtowanie i sterowanie wiązką wyjściową zintegrowanych OPA. Ponadto, korzystając z konfiguracji do charakteryzacji w skali wafla, kilka urządzeń można łatwo przetestować na wielu matrycach na płytce. W ten sposób można badać warianty produkcyjne i identyfikować urządzenia o wysokiej wydajności. Pokazane są typowe obrazy wiązek OPA, w tym wiązki emitowane przez OPA z jednolitą długością falowodu i bez niej oraz z różną liczbą kanałów. Ponadto przedstawiono ewolucję belek wyjściowych podczas procesu optymalizacji fazowej i sterowania belką w dwóch wymiarach. Na koniec przeprowadza się badanie zmienności rozbieżności wiązki identycznych urządzeń w odniesieniu do ich położenia na płytce.

Wprowadzenie

Optyczne tablice fazowe (OPA) są korzystne ze względu na ich zdolność do niemechanicznego kształtowania i kierowania wiązkami optycznymi - jest to przydatne w szerokim zakresie zastosowań technologicznych, takich jak wykrywanie i określanie odległości światła (LIDAR), komunikacja w wolnej przestrzeni i wyświetlacze holograficzne1. Integracja OPA w obwodach fotonicznych jest szczególnie interesująca, ponieważ zapewnia tanie rozwiązanie do ich wytwarzania przy niewielkiej powierzchni fizycznej. Zintegrowane OPA zostały z powodzeniem zademonstrowane przy użyciu wielu różnych systemów materiałowych, w tym InP, AlGaAs i silicon2,3,4. Spośród tych systemów fotonika krzemowa jest prawdopodobnie najwygodniejsza, ze względu na wysoki współczynnik załamania światła, kontrast i kompatybilność z CMOS5. Rzeczywiście, obwody OPA zostały szeroko zademonstrowane na platformie krzemu na izolatorze6,7,8,9,10; Jednak zastosowanie tych obwodów jest ograniczone zarówno przez okno przezroczystości długości fali krzemu, jak i wysokie straty nieliniowe, które prowadzą do ograniczenia dostępnej wyjściowej mocy optycznej. Zamiast tego skupiamy się na OPA zintegrowanych z SiN, materiałem o właściwościach podobnych do krzemu pod względem możliwości CMOS i rozmiaru powierzchni11,12. Oczekuje się jednak, że w przeciwieństwie do krzemu, SiN będzie odpowiedni do szerszego zakresu zastosowań, ponieważ okno przezroczystości jest szersze, do co najmniej 500 nm, a także dzięki możliwie wysokiej mocy optycznej dzięki stosunkowo niskim stratom nieliniowym.

Zasady integracji OPA zostały ostatnio zademonstrowane za pomocą SiN8,13,14. W tym miejscu rozszerzymy te zasady, aby zademonstrować metodę charakteryzowania i obsługi zintegrowanych OPA dla dwuwymiarowego sterowania wiązką. W porównaniu z poprzednimi demonstracjami sterowania wiązką w dwóch wymiarach, które opierają się na dostrojeniu długości fali6, nasz obwód może działać na jednej długości fali. W pierwszej kolejności przedstawiamy krótki przegląd zasad działania OPA. Po tym następuje wprowadzenie do obwodów używanych w tej pracy. Na koniec opisano metodę charakterystyki oraz przedstawiono i omówiono typowe obrazy wiązek wyjściowych OPA.

OPA składają się z szeregu blisko rozmieszczonych emiterów, które mogą być adresowane indywidualnie w celu kontrolowania fazy optycznej. Jeśli istnieje liniowa zależność fazowa w poprzek układu emitera, wzór interferencyjny w dalekim polu daje kilka wyraźnie oddzielonych maksimów - podobnie jak w przypadku interferencji wieloszczelinowej. Kontrolując wielkość różnicy faz, można regulować położenie maksimów, a co za tym idzie, wykonywane jest sterowanie wiązką. W zintegrowanych OPA emitery składają się z blisko rozmieszczonych siatek dyfrakcyjnych, w których światło jest rozpraszane i emitowane poza płaszczyznę chipa. Schematyczną ilustrację zintegrowanego urządzenia OPA przedstawiono na rysunkach 1A,B. Światło jest sprzężone z chipem, w tym przypadku za pomocą światłowodu, a następnie jest dzielone na wiele kanałów, z których każdy zawiera zintegrowany przesuwnik fazowy. Na drugim końcu obwodu optycznego falowody kończą się siatkami i łączą się, tworząc OPA. Powstała wiązka wyjściowa składa się z wielu maksimów interferencyjnych, z których najjaśniejsze jest określane jako krzywek podstawowy i jest najczęściej używane w zastosowaniach związanych ze sterowaniem wiązką. Kierunek emisji płata podstawowego jest określony przez dwa kąty azymutalne do rzutu prostopadłego płaszczyzny wióra, φ i θ, odpowiednio prostopadłe i równoległe do orientacji siatki. W niniejszym dokumencie φ i θ będą określane odpowiednio jako "prostopadłe" i "równoległe" kąty emisji. Kąt prostopadły φ jest określany przez różnicę faz między kanałami OPA, a kąt równoległy θ zależy od okresu krat wyjściowych.

Nasze układy scalone są produkowane przy użyciu falowodów Si3N4 o przekroju 600 x 300 nm2, konstrukcja zoptymalizowana pod kątem podstawowego trybu poprzecznej polaryzacji elektrycznej światła o długości fali 905 nm. Pod falowodami znajduje się warstwa buforowa SiO2 o grubości 2,5 μm na płytce krzemowej. Termiczne przesuwniki fazowe zostały wykonane z warstwy Ti(TiN) o grubości 10 (100) nm, użytej do uformowania drutów rezystancyjnych o długości 500 μm i szerokości 2 μm. W naszych obwodach do osiągnięcia przesunięcia fazowego o π potrzebna jest moc elektryczna 90 mW. Kratki wyjściowe OPA składają się z 750 w pełni trawionych okresów o nominalnym współczynniku wypełnienia 0,5 i okresie tarcia od 670 nm do 700 nm. Więcej informacji na temat projektowania i produkcji platformy można znaleźć w Tyler et al.15,16.

W tej pracy scharakteryzowano dwa różne typy obwodów, obwód pasywny bez możliwości przesunięcia fazowego oraz bardziej złożony obwód, przeznaczony do sterowania wiązką w dwóch wymiarach. Dwuwymiarowy obwód sterowania wiązką pokazano na rysunku 2. Rysunek 2A zawiera schemat obwodu, a rysunek 2B przedstawia obraz mikroskopowy wyprodukowanego urządzenia. Światło wchodzi do obwodu na siatce wejściowej. Następnie dociera do sieci przełączającej, gdzie może być selektywnie kierowany do jednego z czterech obwodów podrzędnych. Każdy podobwód rozdziela światło na cztery kanały za pomocą wielomodowych urządzeń zakłócających (MMI). Każdy z kanałów zawiera termiczny przesuwnik fazowy i tworzy OPA na końcu obwodu. Każdy z czterech OPA pochodzących z czterech podobwodów ma inny okres siatkowania między 670 nm a 700 nm. Okresy te odpowiadają kątom azymutalnym równoległym do osi siatki, θ, między 7° a 10°. Bardziej szczegółowy opis obwodu można znaleźć w Tyler et al.16.

Prezentowany układ charakterystyki opiera się na zautomatyzowanej stacji pomiarowej zdolnej do wykonania serii pomiarów na wielu obwodach na całej płytce. Umożliwia to badanie zmian wydajności w stosunku do pozycji na płytce i wybór urządzeń o optymalnych właściwościach. Jednak użycie stacji sondującej wiąże się z pewnymi fizycznymi ograniczeniami schematu charakterystyki OPA ze względu na stosunkowo małą dostępną przestrzeń nad płytką. Charakterystyka optycznych układów fazowych wymaga zobrazowania wyjścia OPA w polu dalekim, co można przeprowadzić na wiele sposobów. Na przykład, seria soczewek może być używana w systemie obrazowania Fouriera6 lub obraz dalekiego pola utworzony na powierzchni Lamberta może być oglądany w odbiciu lub transmisji. Do naszego systemu wybraliśmy to, co uważaliśmy za najprostsze i najbardziej kompaktowe rozwiązanie polegające na umieszczeniu wielkopowierzchniowej matrycy CMOS 35 mm x 28 mm bez soczewek umieszczonych około 50 mm nad powierzchnią płytki. Pomimo zwiększonego kosztu tak dużej matrycy CCD, rozwiązanie to pozwala na uzyskanie wystarczającego pola widzenia bez użycia soczewek.

Protokół

1. Przygotowania

  1. Przygotuj następującą konfigurację eksperymentalną (Rysunek 4).
    1. Korzystaj z komputera.
    2. Użyj źródła lasera sprzężonego ze światłowodem o fali ciągłej. W zależności od strat w obwodzie wystarczy 1 mW mocy. W prezentowanym układzie charakteryzacji źródło lasera znajduje się na długości fali 905 nm.
    3. Użyj kontrolera polaryzacji dostosowanego do długości fali lasera.
    4. Użyj rozszczepionego światłowodu wejściowego, aby połączyć światło ze złączem siatki wejściowej obwodu optycznego.
    5. Użyj sondy elektrycznej, aby podłączyć elektroniczną płytkę sterującą do styku elektrycznego obwodu optycznego.
    6. Wymagane jest zastosowanie systemu zdolnego do sterowania 20-fazowymi modulatorami dwuwymiarowego obwodu sterowania wiązką. W prezentowanej konfiguracji charakterystyki układ ten jest niestandardową płytką elektroniczną sterowaną przez Arduino, która jest w stanie indywidualnie przyłożyć od 0 do 200 mW mocy elektrycznej na przesuwniki fazowe w obwodzie optycznym. Schemat obwodu elektrycznego jest pokazany na Rysunek 3. Dla każdego kanału obwód zawiera przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) (przetwornik cyfrowo-analogowy), który przetłumaczy cyfrowe napięcie sterujące na napięcie analogowe, które steruje bramką tranzystora dużej mocy. Grzałka jest podłączona do źródła prądu dużej mocy. Dlatego też, kontrolując napięcie bramy, można regulować przepływ prądu w nagrzewnicy.
    7. Użyj nieosłoniętego przetwornika obrazu, aby zobrazować dalekie pole wyjścia optycznego. W prezentowanym układzie charakteryzacji kamera wyposażona jest w matrycę CCD 35 mm.
    8. Użyj mikroskopu optycznego, aby zobrazować chip w celu wyrównania.
    9. Użyj 3-osiowego stolika translacyjnego i zamontuj, aby dopasować go do płytki o średnicy 200 mm. W prezentowanym układzie charakteryzacyjnym etap ten jest rekonfigurowalnym układem sondy dla fotoniki krzemowej.
  2. Montaż sprzętu
    1. Zmontuj sprzęt zgodnie z Rysunek 4 i zamontuj wafel. Odległość między płytką a czujnikiem musi być wystarczająco mała, aby zapewnić obraz wiązki wyjściowej o wysokiej rozdzielczości, ale wystarczająco duża, aby zmieścić co najmniej dwa maksima zakłóceń, aby móc znaleźć zależność między pikselami czujnika a kątem wyjściowym, jak zostanie wyjaśnione w sekcji 4 protokołu.
    2. Upewnij się, że czujnik i płytka są równoległe; w przeciwnym razie może to zafałszować obliczenia obliczania piksela/kąta wyjściowego. W prezentowanej konfiguracji charakteryzacji ustaw odległość między płytką a czujnikiem na 5 cm. Jeśli używana jest konfiguracja z podwójnym czujnikiem (taka jak przedstawiona tutaj), upewnij się, że nieosłonięty czujnik można łatwo zdjąć, aby uzyskać dostęp do mikroskopu optycznego w celu zobrazowania bliskiego pola w celu wyrównania światłowodu.
    3. Upewnij się, że sonda elektryczna, kamera i światłowód nie stykają się ze sobą. Podłącz wymagane elementy do komputera. W prezentowanej konfiguracji stacja pomiarowa, czujnik CCD i obwód elektryczny do sterowania fazą są sterowane za pomocą komputera i programu Python w celu zautomatyzowania procesu pomiaru.

2. Sprzężenie optyczne

  1. Wyrównanie włókien
    1. Za pomocą mikroskopu zacznij od ostrożnego opuszczenia włókna, aż dotknie powierzchni płytki (z dala od łącznika siatki wejściowej, aby uniknąć jej uszkodzenia), a następnie przesuń je w górę o około 20 μm.
    2. Po wykonaniu tej czynności zmaksymalizuj natężenie światła na kratkach wyjściowych. Aby to zrobić, zacznij przesuwać pozycję światłowodu nad łącznikiem siatki wejściowej OPA. Jeśli kamera podłączona do mikroskopu reaguje na długość fali lasera (jeśli nie, użyj gołego czujnika obrazu), a światłowód i łącznik siatkowy są dobrze wyrównane, światło wychodzące z siatek wyjściowych OPA powinno być widoczne na obrazie. Przykład można zobaczyć w Rysunek 5A.
    3. Gdy światło jest widziane z anten OPA, dostosuj polaryzację, aby zmaksymalizować natężenie światła na siatkach wyjściowych. Upewnij się, że unikasz jakichkolwiek ruchów lub wibracji włókna wejściowego
  2. Obrazowanie wyjściowe OPA
    1. Przełącz się na czujnik obrazowania dalekiego pola i popraw jakość obrazu: Dostosuj zarówno czas naświetlania czujnika, jak i moc lasera w taki sposób, aby wyjście OPA było wyraźnie widoczne w aparacie, a wiązka nie nasycała matrycy. Przykładowy obraz zarejestrowany przez czujnik jest pokazany w Rysunek 5B.
    2. W razie potrzeby zakryj konfigurację tak, aby światło tła nie zakłócało obrazu z wiązki OPA. Ogólnie rzecz biorąc, im słabsze światło tła, tym mniejsza moc lasera, którą można ustawić.
    3. Zablokuj odbicia, umieszczając silnie odbijający arkusz między odbiciem a aparatem. Zdarza się, że odbicia pochodzące od powierzchni płytki docierają do obszaru czujnika i zanieczyszczają obraz wyjścia OPA (odbicia mogą wystąpić na siatce wejściowej).
    4. Dostosuj polaryzację światła wejściowego, aby uzyskać wyraźny obraz.

3. Optymalizacja wiązki i sterowanie

UWAGA: Ta sekcja opisuje działanie obwodu pokazanego w Rysunek 2 i jak można go użyć do sterowania wiązką w dwóch wymiarach.

  1. Preparaty
    1. Podłącz obwód elektryczny regulatora fazy do wielokanałowej sondy elektrycznej.
    2. Za pomocą mikroskopu połącz styki sondy elektrycznej z metalowymi podkładkami kontaktowymi obwodu optycznego.
    3. Ponownie zoptymalizuj położenie światłowodu wejściowego.
    4. Przełącz się na czujnik dalekiego pola i zobrazuj wyjście.
  2. Wybór równoległego kąta emisji θ za pomocą sieci przełączającej
    1. Zbadaj rezonatory pierścieniowe sieci przełączającej w celu kontrolowania kąta emisji w θ. W tym celu obserwuj obraz wyjścia w dalekim polu podczas zmiany napięć przyłożonych do przesuwników fazowych w rezonatorach pierścieniowych. Przy prawidłowym napięciu przyłożonym do każdego rezonatora, zostanie podświetlony inny obszar czujnika, odpowiadający określonej wartości θ, jak pokazano na Rysunek 6B.
    2. Znajdź napięcia, w których pierścienie są włączone i wyłączone. W tym celu można użyć zautomatyzowanego skryptu do przemiatania napięć rezonatora i rejestrowania natężeń w różnych obszarach θ na czujniku. Użyj znalezionych napięć, aby uzyskać dostęp do różnych obwodów podrzędnych i sterować wiązką wyjściową w θ.
  3. Dobór ortogonalnego kąta emisji φ poprzez optymalizację faz OPA
    1. Zoptymalizuj fazy OPA, aby kształtować i sterować wiązką wyjściową w φ. W tym celu należy wybrać mały obszar piksela (odpowiadający pożądanemu kątowi φ), który ma być oświetlony skupioną wiązką wyjściową.
    2. Zmaksymalizuj jasność w wybranym obszarze, uruchamiając postępującą procedurę optymalizacji.
      1. Przesuwaj fazę jednego z kanałów OPA w małych odstępach. Po każdej zmianie zapisuj całkę jasności w obszarze pikseli wewnątrz, Ii, i na zewnątrz,Io, wybranego obszaru. Obliczyć stosunek R = Ii / Io. Po pełnym cyklu przesunięcia fazowego w zakresie od 0 do 2π zastosuj przesunięcie fazowe z najwyższym zarejestrowanym współczynnikiem jasności R.
      2. Powtórz ten proces optymalizacji fazy na następnym kanale OPA. Można stosować różne algorytmy optymalizacji, takie jak wspinaczka pod górę.
      3. Powtórz proces optymalizacji, optymalizując fazy, aż proces optymalizacji zostanie nasycony i widoczna będzie skupiona wiązka wyjściowa. Przykładowe obrazy belki wyjściowej wykonane podczas procesu optymalizacji są pokazane w Rysunek 6A. Po 16 rundach optymalizacyjnych widoczna jest wiązka wyjściowa skupionej wiązki.
        UWAGA: Jeśli występują dodatkowe nieoczekiwane szczyty, może to być wynikiem czasowo niestabilnego sprzężenia z obwodem podczas procesu optymalizacji. Może to być spowodowane ruchem światłowodu wejściowego i/lub niestabilnym stanem polaryzacji.
    3. Aby skierować wiązkę wyjściową pod innym kątem φ, wybierz nowy obszar pikseli i powtórz proces optymalizacji.

4. Pomiary rozbieżności wiązki i analiza obrazu

  1. Akwizycja obrazu
    1. Zoptymalizuj położenie światłowodu wejściowego. Nagraj obraz wyjściowy w dalekim polu. Upewnij się, że widoczne są co najmniej dwa wyraźne maksima zakłóceń.
    2. Korzystając z systemu wyrównywania, przesuń płytkę, aby wyrównać następne urządzenie z włóknem wejściowym. Wykonaj precyzyjne wyrównanie, maksymalizując intensywność wyjściową rejestrowaną przez kamerę. Nagraj obraz wyjściowy.
    3. Powtarzaj powyższy krok, aż wszystkie interesujące Cię urządzenia zostaną scharakteryzowane. Jeśli wybrany obwód optyczny ma możliwość regulacji fazy kanałów OPA, przed zapisaniem obrazów należy wykonać procedurę optymalizacji fazy.
  2. Analiza obrazu
    1. Sprawdź zarejestrowane obrazy pod kątem fałszywych punktów danych wynikających z wadliwych pikseli, takich jak martwe lub gorące piksele. Wymaż te punkty danych lub zastąp wartości typowymi wartościami.
    2. Skoreluj piksele CCD z kątami wyjściowymi OPA φ i θ w następujący sposób.
      1. Obliczyć odległość kątową Δφ między maksimami zakłóceń zgodnie z obliczeniami OPA, przyjmując Δφ = sin-1(λ/d) [°], gdzie λ jest długością fali, a d jest podziałką boczną między kratami OPA. Dopasuj dwie krzywe Gaussa do dwóch maksimów interferencji i określ położenie dwóch środków, P1 i P2. Ponieważ oczekuje się, że odległość (w pikselach) między dwoma środkami, N = P2 - P1, będzie odpowiadać Δφ, otrzymujemy współczynnik konwersji c między pikselem a kątem c = Δφ/N [°/piksel], który można wykorzystać do uzyskania względnej relacji kąta między pikselami.
      2. Uzyskaj współczynnik konwersji c, poprzez dokładny pomiar odległości między powierzchnią płytki a czujnikiem oraz rozmiaru piksela (5,5 * 5,5 μm dla zastosowanego tutaj czujnika).
      3. Oszacuj bezwzględne kąty wyjściowe w φ i θ dla jednego z pikseli CCD. Ustaw środek belki w θ na oczekiwany kąt emisji zgodnie z symulacjami. Aby wybrać wartość bezwzględną w φ, zoptymalizuj wiązkę pod kątem kilku kątów w φ, dostosowując fazy OPA, i zapisz intensywność płata głównego dla każdego kąta. Zgodnie z teorią OPA, płat główny jest najbardziej intensywny (a intensywność w płatach bocznych zminimalizowana), gdy emituje pod kątem φ = 0°. W związku z tym ustaw piksel w środku wiązki z maksymalnym zarejestrowanym natężeniem wiązki, na φ = 0°. Użyj tego piksela i współczynnika konwersji, aby przypisać kąty bezwzględne do wszystkich pikseli obrazu.
      4. W przypadku wiązki wyjściowej o znacznym nachyleniu w stosunku do osi pionowej, jeżeli rozbieżność i położenie wiązki muszą być mierzone bardzo dokładnie, należy przechylić kamerę tak, aby była idealnie prostopadła do wiązki wyjściowej. W przeciwnym razie możliwe jest również zastosowanie współczynnika korekcyjnego do zmierzonej wielkości wiązki poprzez obliczenie rzutu wiązki na czujnik w zależności od kąta między wiązką wyjściową a płaszczyzną kamery.
  3. Obliczanie rozbieżności wiązki
    1. Wyodrębnij przekroje poprzeczne w poprzek środka belki podstawowej wzdłuż φ i θ.
    2. Dopasuj dwie krzywe Gaussa do przekrojów poprzecznych i wyodrębnij maksima o pełnej szerokości na połowie jako miarę rozbieżności wiązki φdziałek i θdział.
    3. Oblicz oczekiwaną szerokość wiązki φdiv = λ/Nd [°], gdzie λ jest długością fali, a d odległością poprzeczną między kratami OPA.
    4. Oszacuj rozbieżność wiązki θdiv, wykonując symulacje FDTD siatek wyjściowych.
  4. Testowanie automatyczne
    1. Jeśli stanowisko do charakteryzacji (takie jak przedstawione tutaj) może wykonywać pomiary automatyczne, należy wykonać kilka dodatkowych kroków. Najpierw uzyskaj wymiary chipa i współrzędne mierzonych struktur z układu obwodu. Następnie wprowadź te wartości do oprogramowania sterującego stołem. W związku z tym, po wyrównaniu włókna wejściowego na pierwszej badanej strukturze (jak opisano w sekcji 2.1), stół może automatycznie przełączać się z jednej struktury na drugą poprzez translację płytki.

Wyniki

W tej sekcji przedstawiono kilka obrazów wiązek OPA uzyskanych w warunkach in operando. Obejmują one obrazy wiązki w polu bliskim i dalekim, wiązki wyjściowe OPA przed i po optymalizacji fazy, a także wiązki przy zmiennej liczbie kanałów OPA.

Obraz pola bliskiego wiązki, zarejestrowany za pomocą mikroskopu, przedstawiono na Rysunku 5A. Zdjęcie ukazuje pasywny obwód OPA z dużą liczbą kanałów, na którym wyraźnie widać światło emitowane na kratkach OPA. Obwód ten generuje wzór interferencyjny w polu dalekim, który został zarejestrowany za pomocą detektora CCD. Obraz z detektora przedstawiono na Rysunku 5B; widoczny jest na nim zarówno płat główny, jak i płat boczny. Czas ekspozycji detektora, moc lasera oraz światło tła zostały zoptymalizowane w celu uzyskania wyraźnego obrazu. Dwa maksima są oddzielone kątem 17,6°, obliczonym zgodnie z równaniem podanym w sekcji 4.2.2.1 protokołu. Należy zauważyć, że w tej konstrukcji wszystkie falowody mają tę samą długość, w związku z czym pomiędzy kanałami nie występuje znacząca różnica faz. W rezultacie maksima interferencyjne są wyraźnie odseparowane. Poniżej przedstawiono przykład obwodu OPA z nieregularną różnicą faz między kanałami.

Aby zaobserwować wyraźne maksima interferencyjne w obrazie wyjściowym OPA, wymagana jest liniowa różnica faz między kanałami OPA. Jednakże, gdy długość falowodów między siatkami wejściowymi a wyjściowymi różni się w zależności od kanału, obraz interferencyjny wykaże wiele nieregularnych sekcji interferencyjnych wzdłuż linii prostej prostopadłej do orientacji siatki (tj. wzdłuż kąta φ). Przykład takiego obrazu wyjściowego przedstawiono na górnym lewym zdjęciu na Rysunku 6A. Przedstawia on wyjściowy obraz pola dalekiego 16-kanałowego OPA z niejednorodną długością falowodów między siatkami wejściowymi a wyjściowymi. Na szczęście konstrukcja tego OPA zawiera przesuwacze fazy w każdym kanale, dzięki czemu fazy mogą być regulowane indywidualnie, a wiązka wyjściowa kształtowana. Po optymalizacji faz, opisanej w sekcji 3.3 protokołu, wiązka wyjściowa tworzy jedno wyraźne maksimum. Rysunek 6A pokazuje, jak wiązka wyjściowa ewoluuje podczas procesu optymalizacji. Należy zauważyć, że poza obszarem czujnika występują kolejne maksima interferencyjne. Ponadto obserwujemy, że dywergencja wiązki 16-kanałowego OPA jest znacznie większa niż ta widoczna na Rysunku 5B. Efekt ten jest oczekiwany i wynika ze znacznej redukcji liczby kanałów.

Poniżej omówiono działanie obwodu optycznego służącego do sterowania OPA w dwóch wymiarach; szczegóły dotyczące obwodu przedstawiono na Rysunku 2. W pierwszej kolejności skalibrowano napięcia pierścieni sieci przełączającej w celu skierowania światła do różnych podobwodów, z których każdy zawiera OPA. Ponieważ cztery OPA mają różne okresy siatek, kierowanie światła pomiędzy podobwodami powoduje emisję wiązki wyjściowej pod różnymi kątami θ. Przedstawiono to na Rysunku 6B, który zawiera obrazy pola dalekiego zarejestrowane podczas zmiany ścieżki światła za pomocą rezonatorów pierścieniowych sieci przełączającej. Obrazy pokazują, że „równoległy” kąt emisji, θ, zmienia się, gdy każdy poszczególny rezonator jest ustawiany w rezonansie z anizującym światłem, podczas gdy pozostałe rezonatory są odstrajane. Nasz obwód został zaprojektowany tak, aby uzyskać dostęp do czterech różnych kątów θ, jednak ze względu na błąd projektowy w sieci przełączającej możliwe było uruchomienie tylko trzech rezonatorów pierścieniowych. Z obrazów wyjściowych wynika, że wzór interferencyjny jest nieregularny i nie są widoczne wyraźne maksima. Aby sterować wiązką wyjściową i kształtować ją pod „prostopadłym” kątem emisji, φ, fazy OPA zostały dostrojone i zoptymalizowane.

Przykład obrazu zoptymalizowanej wiązki wyjściowej dwuwymiarowego układu sterowania wiązką przedstawiono na Rysunku 7A. Wyraźnie widoczne są dwa maksima interferencyjne, odpowiadające listkowi głównemu oraz jednemu z listków bocznych. Górny obraz na Rysunku 7A przedstawia mapę cieplną zarejestrowanej jasności w detektorze w funkcji numeru piksela. Aby wyznaczyć kąt wyjściowy, obraz przetworzono zgodnie z opisem w sekcji 4.2 protokołu i określono zależność między numerem piksela a kątem wyjściowym. Skalibrowany obraz natężenia wiązki w funkcji kąta przedstawiono na najniższym obrazie na Rysunku 7A.

W dalszej części omówiono wyniki sterowania wiązką. Wiązkę OPA skutecznie sterowano w obszarze 17,6° × 3° (φ × θ); przykładowe dane przedstawiono na Ryc. 7B oraz Ryc. 7C. Ryc. 7B przedstawia obrazy wiązki sterowanej w osi φ przy zachowaniu stałej wartości θ na poziomie 8°. Osiągnięto to poprzez najpierw uzyskanie dostępu do OPA odpowiadającego równoległemu kątowi emisji θ = 8°, a następnie zmianę faz optycznych w celu modyfikacji prostopadłego kąta emisji φ. Znormalizowane wykresy natężenia wiązki podstawowej sterowanej do trzech różnych pozycji wyjściowych w osi θ przedstawiono na Ryc. 7C, przy stałym prostopadłym kącie emisji φ = -2,5° i wartościach θ zmieniających się w zakresie od 7° do 9°. Podobnie jak wcześniej, równoległy kąt emisji θ był kontrolowany za pomocą sieci rezonatorów pierścieniowych w celu przełączania pomiędzy OPA. Po wyborze OPA, fazy OPA zostały zoptymalizowane do emisji przy φ = -2,5°.

Na koniec rozbieżność wiązki określono poprzez dopasowanie dwóch krzywych Gaussa wzdłuż φ i θ, zgodnie z opisem w sekcji 4.3 protokołu. FWHM służy jako miara rozbieżności wiązki i wyniosła 4,3° dla φ oraz 0,7° dla θ przy kątach emisji φ = -2,5° i θ = 8°, patrz Rycina 8A. Wartości te są zgodne z oczekiwanymi wartościami odpowiednio 4,3° dla φ i 0,6° dla θ dla czterokanałowego OPA, jak opisano w sekcjach 4.3.3 i 4.3.4 protokołu. Oprócz wyznaczenia rozbieżności czterokanałowego OPA, zbadaliśmy rozbieżność konstrukcji OPA z znacznie większą liczbą kanałów. Zmierzono rozbieżność pasywnego OPA składającego się ze 128 kanałów, o konstrukcji podobnej do przedstawionej na Rycina 5A. Aby przetestować zmienność procesu wytwarzania w obrębie wafla, uruchomiono automatyczny skan w celu charakterystyki 42 urządzeń o identycznej konstrukcji. Nagrane obrazy przeanalizowano pod kątem rozbieżności wiązki. Zależność rozbieżności w φ od położenia urządzenia na waflu przedstawiono na Rycina 8B. Zmierzone wartości mieszczą się w przedziale od 0,19° do 0,37° i są nieco większe od wartości oczekiwanej wynoszącej 0,14°. Można to wyjaśnić błędami fazowymi w poszczególnych kanałach OPA. Wszystkie falowody w konstrukcji mają tę samą długość, zatem teoretycznie między kanałami OPA nie powinny wystąpić różnice fazowe. Jednak błędy wykonawcze prowadzą do niekontrolowanych przesunięć fazowych podczas przemieszczania się światła od kratki wejściowej do wyjściowej, co powoduje poszerzenie wiązki wyjściowej. Ze względu na brak przesuwników fazowych w obwodzie, nie było możliwości skompensowania tych błędów. Jak wspomniano, kąt θ jest definiowany przez geometrię kratki anteny. Zatem zmienność procesu wytwarzania (wysokość warstwy SiN oraz odchylenia wymiarów bocznych struktur) mogłaby wpłynąć na kąt wyjściowy OPA, θ. Takie zmienności scharakteryzowano na 40 urządzeniach w obrębie całego wafla. Dzięki bardzo dobrze kontrolowanemu procesowi wytwarzania CMOS, odnotowano pomijalne 3σ (trzykrotność odchylenia standardowego) wynoszące 0,156°.

Schemat optycznego układu fazowego z obwodem SiN, włóknem wejściowym, stykami elektrycznymi; konfiguracja wejścia lasera.
Rysunek 1: Ilustracja zintegrowanego OPA. (A) Listek interferencyjny pierwszego rzędu wyjścia OPA opuszcza obwód pod dwoma kątami azymutalnymi względem rzutu ortogonalnego płaszczyzny chipa, φ i θ, odpowiednio prostopadle i równolegle do orientacji kratki. (B) Widok z góry OPA przedstawiający jego główne elementy składowe. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Schemat optycznej macierzy fazowej z prowadnikami falowymi, przesuwaczami fazy i połączeniami metalowymi.
Rysunek 2: Schemat i obraz mikroskopowy zintegrowanego obwodu optycznego do dwuwymiarowego sterowania wiązką. (A) Obwód zawierający sieć przełączającą połączoną z czterema podobwodami, z których każdy tworzy OPA. Obszar wyjściowy zawiera cztery OPA o czterech różnych okresach kratki, a co za tym idzie, różnych kątach emisji θ. (B) Obraz mikroskopowy obwodu opisanego w (A), wykonanego przy użyciu prowadników falowych z SiN i termicznych przesuwników fazy z Ti/TiN. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Schemat obwodu przesuwnika fazowego sterowanego przez Arduino z przetwornikami DAC i multiplekserem do modulacji napięcia.
Rycina 3: Obwód elektryczny do przyłożenia mocy elektrycznej od 0 mW do 200 mW. Przedstawiony schemat obrazuje obwód elektryczny, który umożliwia indywidualne przyłożenie napięć do przesuwników fazowych w obwodzie optycznym oraz odczyt prądu elektrycznego po przyłożeniu napięcia. W naszych obwodach optycznych przesuwniki fazowe składają się z przewodów elektrycznych o rezystancji 1.3 kΩ. Do uzyskania przesunięcia fazy optycznej o wartość π wymagana jest moc elektryczna 90 mW. Obwód jest sterowany za pomocą mikrokontrolera Arduino. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Układ wzbudzenia optycznego: laser, sensor CCD, podłoże krzemowe, schemat; kontrola polaryzacji i fazy.
Rysunek 4: Układ eksperymentalny do charakterystyki obwodu OPA. (A) Schemat układu eksperymentalnego. (B) Zdjęcie eksperymentu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Analiza wzoru wiązki optycznej: obrazy pola bliskiego i dalekiego z pomiarami falowodów i listków.
Rysunek 5: Obrazy pola bliskiego i dalekiego wiązki wyjściowej. (A) Obraz pola bliskiego obwodu OPA. Światło o długości fali 905 nm jest wprowadzane do obwodu za pomocą włókna i kratki wejściowej. Rozpraszanie światła wewnątrz falowodów pozwala na wizualizację konstrukcji obwodu. Na końcu drzewa MMI światło jest emitowane przez kratki OPA. (B) Obraz pola dalekiego wyjścia obwodu pokazanego na (A). Na detektorze widoczne są dwa maksima interferencyjne. Zgodnie z teorią OPA maksima są rozdzielone o 17.6°. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Optymalizacja fazy OPA i napięcia pierścienia; diagramy dopasowania spektralnego dla analizy wzbudzenia optycznego.
Rysunek 6: Optymalizacja wiązki OPA i działanie sieci przełączającej. (A) Optymalizacja wiązki 16-kanałowego OPA z wykorzystaniem przesuwników fazowych. Przedstawiono obrazy pola dalekiego po każdym etapie optymalizacji. Po zoptymalizowaniu wszystkich 16 kanałów wiązka tworzy jedno główne maksimum interferencyjne w obszarze czujnika. (B) Dzięki zastosowaniu sieci przełączającej składającej się z rezonatorów pierścieniowych uzyskano dostęp do różnych OPA, z których każdy posiada inny okres kratki. Różne okresy kratek powodują emisję wiązki wyjściowej pod różnymi kątami θ. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Analiza sterowania wiązką; schemat A: konwersja piksel-kąt; B, C: wyniki zmienności kątowej.
Rysunek 7: Charakterystyka dwuwymiarowego układu sterowania wiązką. (A) Konwersja pikseli na kąty w zarejestrowanych danych obrazu. Wyniki sterowania wiązką w φ i w θ przedstawiono odpowiednio na (B) i (C). Rysunek został zmodyfikowany na podstawie pracy Tyler et al.16. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Analiza rozbieżności wiązki z wykresu 4-kanałowego OPA i mapy wafla 128-kanałowego OPA dla badań nad optyką.
Rysunek 8: Pomiary rozbieżności wiązki OPA. (A) Analiza rozbieżności wiązki 4-kanałowego OPA. Rysunek zmodyfikowany na podstawie pracy Tyler i wsp.16. (B) Mapa wafla zmierzonych rozbieżności w φ dla konstrukcji 128-kanałowego OPA. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Dyskusja

Przedstawiliśmy metodę charakterystyki zintegrowanej OPA. Główną zaletą tej metody jest możliwość łatwego sondowania wielu matryc na płytce, szukania różnic produkcyjnych i identyfikowania urządzeń o wysokiej wydajności. Można to zobaczyć na rysunku 8B. Ze skanu płytki staje się jasne, że dolna połowa płytki wykazuje urządzenia z rozbieżnościami dolnej wiązki. Można to wytłumaczyć wyższą jakością falowodu w tym obszarze, co zmniejsza losowe przesunięcia fazowe, a tym samym rozbieżność wiązki.

Użycie wielkopowierzchniowego czujnika CCD do obrazowania wyjścia dalekiego pola jest wygodną metodą obrazowania wyjścia wolnej przestrzeni układów scalonych, ponieważ można go łatwo dodać do większości zestawów do charakteryzacji ze względu na ich kompaktowy rozmiar w porównaniu z często używanymi, większymi systemami obrazowania Fouriera6.

W celu zagwarantowania wysokiej dokładności pomiaru kąta wiązki i rozbieżności, należy zachować szczególną ostrożność podczas ustawiania kamery - OPA. Co więcej, odpowiedź OPA jest wrażliwa na niestabilność fazy i polaryzacji podczas kalibracji. Dlatego wszystkie źródła zakłóceń muszą być kontrolowane: ruch/wibracje włókna iniekcyjnego, temperatura lasera, polaryzacja światła wpadającego itp.

Podsumowując, przedstawiono metodę charakterystyki zintegrowanych OPA. Podano szczegółowe informacje na temat sprzęgania światła, sterowania przesuwnikami fazowymi w obwodzie oraz obrazowania wyjścia w bliskim i dalekim polu. Pokazano typowe obrazy wiązek wyjściowych kilku obwodów OPA, w tym wyniki sterowania wiązką w dwóch wymiarach na jednej długości fali w bliskiej podczerwieni. Ponadto pokazujemy wyniki pomiarów wielu urządzeń o tej samej konstrukcji na płytce pod względem rozbieżności wiązki. Stwierdzono trend w zakresie wydajności w odniesieniu do pozycji na płytce, identyfikując obszary o wysokiej jakości właściwościach produkcyjnych.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca została sfinansowana przez Francuskie Direction Générale des Entreprises (DGE) za pośrednictwem projektu DEMO3S.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
25-kanałowa sonda elektrycznaCascade MicrotechInfinityQuad 25-kanałowy
czujnik CCD 35 mmAllied VisionProsilica GT 6600
Arduino unoArduinoA100066
laserQphotonicsQFLD-905-10S
światłowódKontroler
Stacja pomiarowa ThorLabsFPC023
Cascade MicrotechElite 300
polaryzacji Corning HI780

Bibliografia

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

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Azotek krzemutestowanie w skali waflasterowanie wiązkąobrazowanie w polu dalekimoptymalizacja fazysprzęgacz siatkowysonda wielokanałowarozbieżność wiązkiintegracja z LIDAR
Charakterystyka zintegrowanych optycznych układów fazowych SiN na stanowisku testowym w skali waflowej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.