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

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 silicon^2,3,4. 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 izolatorze^6,7,8,9,10; 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 powierzchni^11,12. 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 SiN^8,13,14. 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, I_i, i na zewnątrz,_Io, wybranego obszaru. Obliczyć stosunek R = I_i / I_o. 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 φ_działek i θ_dział.
   3. Oblicz oczekiwaną szerokość wiązki φ_div = λ/Nd [°], gdzie λ jest długością fali, a d odległością poprzeczną między kratami OPA.
   4. Oszacuj rozbieżność wiązki θ_div, 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 pokazano kilka zdjęć wiązek OPA w operando. Należą do nich obrazy w bliskim i dalekim polu wiązki, wiązki wyjściowe OPA przed i po optymalizacji fazowej oraz wiązki o różnej liczbie kanałów OPA.

Obraz bliskiego pola wiązki, zarejestrowany za pomocą mikroskopu, można zobaczyć w Rysunek 5A. Na zdjęciu widać pasywny obwód OPA z dużą liczbą kanałów, a światło emitowane na kratkach OPA jest wyraźnie widoczne. Obwód ten wytwarza wzór zakłóceń w polu dalekim, który został zarejestrowany za pomocą czujnika CCD. Obraz czujnika jest podany w Rysunek 5B i pokazuje zarówno płat podstawowy, jak i boczny. Czas naświetlania czujnika, moc lasera i światło tła zostały zoptymalizowane w celu uzyskania wyraźnego obrazu. Te dwa maksima są oddalone od siebie o 17,6°, obliczone zgodnie z równaniem podanym w ppkt 4.2.2.1 protokołu. Należy pamiętać, że w tej konstrukcji wszystkie falowody mają tę samą długość i dlatego nie występuje znacząca różnica faz między kanałami. W rezultacie maksima zakłóceń są wyraźnie oddzielone. Poniżej przedstawiono przykład obwodu OPA z nieregularną różnicą faz między kanałami.

Aby zaobserwować wyraźne maksima zakłóceń we wzorcu wyjściowym OPA, wymagana jest liniowa różnica faz między kanałami OPA. Jednakże, gdy długość falowodów między siatkami wejściowymi i wyjściowymi różni się w zależności od kanału, wzór interferencyjny pokaże wiele nieregularnych odcinków interferencyjnych wzdłuż linii prostej w kierunku prostopadłym do orientacji siatki (tj. wzdłuż kąta φ). Przykład takiego wzorca wyjściowego jest podany na lewym górnym obrazie Rysunek 6A. Pokazuje wyjście dalekiego pola 16-kanałowego OPA z niejednolitą długością falowodu między siatkami wejściowymi i wyjściowymi. Na szczęście ta konstrukcja OPA ma przesuwniki fazowe zawarte w każdym kanale, dzięki czemu fazy można regulować indywidualnie, a wiązkę wyjściową kształtować. Po zoptymalizowaniu faz zgodnie z opisem w sekcji 3.3 protokołu, wiązka wyjściowa tworzy jedno wyraźne maksimum. Rysunek 6A pokazuje, jak ewoluuje wiązka wyjściowa podczas procesu optymalizacji. Należy pamiętać, że dalsze maksima zakłóceń występują poza obszarem czujnika. Ponadto zauważamy, że rozbieżność wiązki 16-kanałowego OPA jest znacznie szersza niż ta widoczna w Rysunek 5B. Efekt ten jest oczekiwany i wynika ze znacznego zmniejszenia liczby kanałów.

W dalszej części omówione zostanie działanie obwodu optycznego do sterowania OPA w dwóch wymiarach, szczegóły dotyczące obwodu znajdują się w Rysunek 2. Po pierwsze, skalibrowano napięcia pierścieniowe sieci przełączającej w celu skierowania światła do różnych obwodów podrzędnych, z których każdy zawierał OPA. Ze względu na to, że każdy z czterech OPA ma inny okres siatkowania, kierowanie światła między podobwodem powoduje, że wiązka wyjściowa jest emitowana pod różnymi kątami θ. Jest to pokazane w Rysunek 6B, który zawiera obrazy dalekiego pola zarejestrowane, gdy ścieżka światła jest zmieniana za pomocą rezonatorów pierścieniowych sieci przełączającej. Obrazy pokazują, że "równoległy" kąt emisji θ zmienia się, gdy każdy pojedynczy rezonator jest ustawiony w rezonansie ze światłem wejściowym, jednocześnie dostrajając inne rezonatory do rezonansu. Nasz obwód został zaprojektowany tak, aby uzyskać dostęp do czterech różnych kątów θ, jednak z powodu błędu konstrukcyjnego w sieci przełączającej możliwe było działanie tylko trzech rezonatorów pierścieniowych. Na obrazach wyjściowych widzimy, że wzór interferencji jest nieregularny i nie są widoczne żadne wyraźne maksima. W celu sterowania i kształtowania wiązki wyjściowej w "prostopadłym" kącie emisji, φ, fazy OPA zostały dostosowane i zoptymalizowane.

Przykładowy obraz zoptymalizowanej wiązki wyjściowej dwuwymiarowego obwodu sterującego wiązką jest pokazany w Rysunek 7A. Wyraźnie widoczne są dwa maksima interferencyjne, odpowiadające płacowi głównemu i jednemu z płatów bocznych. Górny obraz w Rysunek 7A pokazuje mapę cieplną zarejestrowanej jasności na czujniku w funkcji liczby pikseli. W celu wyznaczenia kąta wyjściowego obraz został przetworzony w sposób opisany w punkcie 4.2 protokołu i określono zależność między liczbą pikseli a kątem wyjściowym. Skalibrowany obraz intensywności wiązki w funkcji kąta jest pokazany na najniższym obrazie Rysunek 7A.

W dalszej części omówione zostaną wyniki sterowania belką. Wiązka OPA została pomyślnie skierowana w obszarze 17,6° × 3° (φ × θ), przykładowe dane są pokazane w Rysunek 7B i Rysunek 7C. Rysunek 7B pokazuje obrazy wiązki sterowanej w φ przy zachowaniu stałego θ na poziomie 8°. Udało się to osiągnąć, najpierw uzyskując dostęp do OPA odpowiadającego równoległemu kątowi emisji θ = 8°, a następnie zmieniając fazy optyczne w celu zmiany prostopadłego kąta emisji φ. Znormalizowane wykresy intensywności wiązki podstawowej skierowanej na trzy różne pozycje wyjściowe w θ są pokazane na Rysunek 7C, ze stałym prostopadłym kątem emisji φ = -2,5° i θ wahającym się między 7° a 9°. Tak jak poprzednio, równoległy kąt emisji θ był kontrolowany za pomocą sieci rezonatorów pierścieniowych do przełączania między OPA. Po wybraniu OPA, fazy OPA zostały zoptymalizowane tak, aby emitowały przy φ = -2,5°.

Na koniec, rozbieżność wiązki została określona poprzez dopasowanie dwóch krzywych Gaussa wzdłuż φ i θ, jak opisano w sekcji 4.3 protokołu. FWHM służy jako miara rozbieżności wiązki i został zmierzony jako 4,3° w φ i 0,7° w θ dla kątów emisji φ = -2,5° i θ = 8°, patrz Rysunek 8A. Wartości te są zgodne z oczekiwanymi wartościami wynoszącymi odpowiednio 4,3° i 0,6° w φ i θ dla czterokanałowego OPA, jak opisano w sekcjach 4.3.3 i 4.3.4 protokołu. Oprócz określenia rozbieżności czterokanałowego OPA, zbadaliśmy rozbieżność konstrukcji OPA ze znacznie większą liczbą kanałów. Zmierzono rozbieżność pasywnego OPA składającego się ze 128 kanałów, o konstrukcji podobnej do tej pokazanej na rysunku Rysunek 5A. W celu przetestowania różnic produkcyjnych na płytce krzemowej, uruchomiliśmy automatyczne skanowanie w celu scharakteryzowania 42 urządzeń o identycznych konstrukcjach. Zarejestrowane obrazy analizowano pod kątem rozbieżności wiązki. Rozbieżność między φ a położeniem urządzenia na płytce jest pokazana na Rysunek 8B. Zmierzone wartości mieszczą się w zakresie od 0,19° do 0,37° i są nieco większe niż oczekiwana wartość 0,14°. Można to wytłumaczyć błędami fazowymi wewnątrz poszczególnych kanałów OPA. Wszystkie falowody w konstrukcji mają tę samą długość, dlatego teoretycznie nie powinny powstawać różnice faz między kanałami OPA. Jednak błędy produkcyjne powodują niekontrolowane przesunięcia fazowe, gdy światło przemieszcza się od sieci wejściowej do wyjściowej, co prowadzi do poszerzenia wiązki wyjściowej. Ze względu na brak przesuwników fazowych w obwodzie nie było możliwe skompensowanie tych błędów. Jak wspomniano, kąt θ jest definiowany przez geometrię siatki anteny. W związku z tym różnice w produkcji (wysokość folii SiN i odchylenie wymiarów bocznych konstrukcji) mogą wpływać na kąt wyjściowy OPA, θ. Takie różnice zostały scharakteryzowane na 40 urządzeniach na całej płytce. Dzięki bardzo dobrze kontrolowanemu procesowi produkcji CMOS znaleziono znikome 3σ (trzykrotne odchylenie standardowe) wynoszące 0,156°.

Rysunek 1: Ilustracja zintegrowanego OPA. (A) Krzywka interferencyjna pierwszego rzędu wyjścia OPA opuszcza obwód pod dwoma kątami azymutalnymi do rzutu ortogonalnego płaszczyzny chipa, φ i θ, odpowiednio prostopadle i równolegle do orientacji siatki. (B) Widok z góry OPA z ukazującymi jego główne elementy składowe. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

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 z czterema różnymi okresami siatkowania, a tym samym kątami emisji w θ. (B) Obraz mikroskopowy obwodu opisanego w (A), wytworzonego przy użyciu falowodów SiN i termicznych przesuwników fazowych Ti/TiN. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ilustracja 3: obwód elektryczny doprowadzający prąd elektryczny o mocy od 0 mW do 200 mW. Ten schemat przedstawia obwód elektryczny, który może indywidualnie przykładać napięcia do przesuwników fazowych w obwodzie optycznym i odczytywać ich prąd elektryczny po przyłożeniu napięcia. W naszych obwodach optycznych przesuwniki fazowe składają się z przewodów elektrycznych o rezystancji 1,3 kΩ. Do osiągnięcia optycznego przesunięcia fazowego o π potrzebna jest moc elektryczna 90 mW. Układ sterowany jest za pomocą mikrokontrolera Arduino. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ilustracja 4: Zestaw eksperymentalny do charakterystyki obwodu OPA. (A) Schemat układu doświadczalnego. (B) Zdjęcie eksperymentu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Obrazy wiązki wyjściowej w bliskim i dalekim polu. (A) Obraz obwodu OPA w bliskim polu. Światło o długości fali 905 nm jest sprzężone z obwodem za pomocą światłowodu i siatki wejściowej. Rozpraszanie światła wewnątrz falowodów pozwala nam zobaczyć konstrukcję obwodu. Na końcu drzewa MMI światło jest emitowane na kratkach OPA. (B) Obraz dalekiego pola wyjścia obwodu pokazany w (A). Na czujniku widoczne są dwa maksima zakłóceń. Zgodnie z teorią OPA, maksima są oddalone od siebie o 17,6°. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Optymalizacja wiązki OPA i praca sieci przełączającej. (A) Optymalizacja wiązki OPA 16-kanałowego OPA za pomocą przesuwników fazowych. Obrazy dalekiego pola są wyświetlane po każdym kroku optymalizacji. Po zoptymalizowaniu wszystkich 16 kanałów, wiązka tworzy maksymalnie jedną główną interferencję w obszarze czujnika. (B) Poprzez zastosowanie sieci przełączającej składającej się z rezonatorów pierścieniowych, uzyskuje się dostęp do różnych OPA, z których każdy ma inny okres siatkowania. Różne okresy siatek powodują, że wiązka wyjściowa emituje pod różnymi kątami θ. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Charakterystyka dwuwymiarowego obwodu sterowania wiązką. (A) Konwersja piksela na kąt zarejestrowanych danych obrazu. Wyniki sterowania wiązką w φ i θ są pokazane odpowiednio w (B) i (C). Ten rysunek został zmodyfikowany na podstawie Tyler et al.¹⁶. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 8: Pomiary rozbieżności wiązki OPA. (A) Analiza rozbieżności wiązki 4-kanałowego OPA. Ten rysunek został zmodyfikowany na podstawie Tyler et al.¹⁶. (B) Mapa płytkowa zmierzonych rozbieżności w φ 128-kanałowego projektu OPA. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą 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.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
25-kanałowa sonda elektryczna	Cascade Microtech	InfinityQuad 25-kanałowy
czujnik CCD 35 mm	Allied Vision	Prosilica GT 6600
Arduino uno	Arduino	A100066
laser	Qphotonics	QFLD-905-10S
światłowód	Kontroler
	Stacja pomiarowa ThorLabs	FPC023
	Cascade Microtech	Elite 300