Caracterização de arrays em fases ópticas integradas siN em uma estação de teste em escala de wafer

Para desenvolver circuitos integrados fotônicos construídos sobre silício, precisamos de um método de caracterização rápido, automatizado e na escala de wafer. Nosso protocolo nos permite avaliar nossos circuitos de direção de feixe no wafer usando uma estação de sondagem levemente modificada, que é um equipamento padrão na indústria de microeletrônica. Demonstrando o procedimento, temos Sylvain Guerber, uma pesquisadora pós-doutora do nosso laboratório.

Para começar, carregue o wafer na estação da sonda. Para alinhar as fibras, use um microscópio leve para baixar cuidadosamente a fibra até que toque a superfície do wafer, longe do acoalador de grade de entrada, antes de mover a fibra para cima cerca de 20 micrômetros. Para maximizar a intensidade da luz nas grades de saída, comece a varrer a posição de fibra sobre o acoalador óptico de entrada de matriz em fases.

A luz que sai nas grades ópticas de saída da matriz em fases deve ser visível na imagem. Quando a luz for observada a partir das antenas ópticas de matriz em fases, ajuste a polarização para maximizar a intensidade da luz nas grades de saída, tomando o cuidado de evitar qualquer movimento ou vibração da fibra de entrada. Para a imagem de saída OPA, mude para o sensor de imagem de campo distante e ajuste cuidadosamente tanto o tempo de exposição do sensor quanto a potência do laser de tal forma que a saída OPA seja claramente visível na câmera, mas o feixe não satura o sensor.

Se necessário, cubra a configuração, para que a luz de fundo não interfira na imagem do feixe óptico de matriz em fases. Para bloquear os reflexos, coloque uma folha altamente refletida entre o reflexo e a câmera. Uma OPA é, por definição, extremamente sensível à variação de fase.

Portanto, todas as fontes de ruídos devem ser suprimidas, incluindo vibrações de fibra de entrada, instabilidades de polarização e luz parasitária. Para realizar a direção do feixe em duas direções, primeiro conecte o circuito elétrico para o controle de fase a uma sonda elétrica multicanal e use o microscópio para conectar os pinos da sonda elétrica às almofadas de contato metálicas do circuito óptico. Em seguida, mude para um sensor de campo distante para a imagem da saída.

Para selecionar a de ângulo de emissão paralela usando a rede de comutação, observe a imagem de campo distante da saída enquanto varia as tensões aplicadas aos shifters de fase nos ressonadores do anel. Com a tensão correta aplicada a cada ressonador, uma área diferente no sensor será iluminada, correspondendo a um determinado valor. Para selecionar o ângulo de emissão ortogonal phi otimizando as fases ópticas de matriz em fases, selecione uma pequena área de pixel correspondente ao ângulo phi desejado que deve ser iluminado com um feixe de saída focado e mude a fase de um dos canais ópticos de matriz em fases ópticas em pequenos incrementos.

Após cada mudança, registe a integral do brilho na área do pixel dentro e fora da área selecionada, e calcule a razão da luz interna dividida pela luz externa. Após um ciclo de turno de fase completa entre zero e dois pi, aplique a mudança de fase com a maior razão de brilho registrada. Em seguida, mude para o próximo canal e repita as etapas anteriores até que o processo de otimização em saturado e um feixe de saída focado seja visível.

Para direcionar o feixe de saída para um ângulo phi diferente, selecione uma nova área de pixel e repita o processo de otimização. Uma vez realizada a otimização para vários ângulos de saída, o feixe pode ser direcionado. Para visualizar a divergência do feixe, otimize a posição da fibra de entrada e regise a imagem da saída de OPA no campo distante.

Certifique-se de que pelo menos duas máximas de interferência claras estejam visíveis e use o sistema de alinhamento para mover o wafer para alinhar o próximo dispositivo à fibra de entrada. Utilizando posicionadores de precisão, a luz de uma fibra é capaz de ser acoplada eficientemente ao circuito óptico integrado para obter um feixe de saída de alta intensidade. O uso de uma sonda multicanal permite que todas as conexões elétricas sejam feitas simultaneamente.

Usando um algoritmo de otimização, um feixe bem moldado pode ser obtido no acesso phi. O uso de um interruptor baseado em anel permite a seleção adequada de um ângulo de emissão e a direção. Uma vez calibrado o OPA, o feixe pode ser arbitrariamente direcionado em ambas as dimensões e a faixa de direção e divergência de feixe, as principais figuras de mérito em uma OPA, podem ser caracterizadas com precisão.

É essencial, tanto quanto possível, eliminar qualquer instabilidade eletrônica, mecânica ou óptica durante o procedimento de calibração. Uma vez identificados e calibrados circuitos satisfatórios, podemos integrá-los com as outras partes do sistema LIDAR, para realizar algumas imagens especiais rudimentares.