Характеристика интегрированных оптических фазированных массивов SiN на испытательной станции Вафель-Шкала
1 апреля 2020 г.
Здесь мы описываем работу интегрированной фотонической цепи SiN, содержащей оптические фазированные массивы. Схемы используются для излучать лазерные лучи с низкой дивергенцией в ближнем инфракрасном диапазоне и направлять их в двух измерениях.
Для разработки фотональных интегральных схем, построенных на кремнии, нам нужен метод характеристики, который быстро, автоматизирован и в вафельном масштабе. Наш протокол позволяет нам оценить наши цепи рулевого управления лучом на пластине с помощью слегка модифицированной станции зонда, которая является стандартной частью оборудования в микроэлектроники промышленности. Демонстрируя процедуру, у нас есть Сильвен Гербер, пост-док исследователь из нашей лаборатории.
Для начала загрузите пластину на станцию зонда. Чтобы выровнять волокна, используйте световой микроскоп, чтобы тщательно снизить волокна, пока он не коснется поверхности пластины, вдали от ввода решетки парпер, прежде чем двигаться волокна около 20 микрометров. Чтобы максимизировать интенсивность света на выходных решетках, начните подметать положение волокна над оптическим фазируемым массивом входной решетки.
Свет, выходящий на оптические фазеные решетки выходного массива, должен быть виден на изображении. Когда свет наблюдается от оптических фазовых антенн массива, настроить поляризацию, чтобы максимизировать интенсивность света на выходе решетки, заботясь, чтобы избежать каких-либо движений или вибрации входного волокна. Для вывода изображения OPA переключитесь на датчик изображения дальнего поля и тщательно отрегулируйте как время экспозиции датчика, так и мощность лазера таким образом, чтобы выход OPA был хорошо виден на камере, но луч не насыщает датчик.
При необходимости накройте установку так, чтобы фоновый свет не мешал изображению из оптического фазового луча массива. Чтобы заблокировать отражения, поместите высоко отражающий лист между отражением и камерой. OPA по определению чрезвычайно чувствительна к фазовой вариации.
Таким образом, все источники шумов должны быть подавлены, в том числе вибрации входного волокна, поляризация нестабильности, и паразитический свет. Для выполнения рулевого управления лучом в двух направлениях, сначала подключите электрическую цепь для фазового управления к многоканальный электрический зонд и использовать микроскоп для подключения булавки электрического зонда к металлическим контактным колодки оптической цепи. Затем переключитесь на датчик дальнего поля для изображения вывода.
Чтобы выбрать параллельный угол излучения, используя коммутающая сеть, наблюдайте за изображением дальнего поля вывода, изменяя напряжение, применяемое к фазовым переключателям на кольцевых ресонаторах. При правильном напряжении, применяемом к каждому ресонатору, будет освещена другая область датчика, соответствующая определенному значению темы. Чтобы выбрать ортогональный угол излучения phi путем оптимизации оптических фазных фаз массива, выберите небольшую пиксельную область, соответствующую желаемому углу фи, которая должна быть освещена сфокусированным выходным лучом, и сдвинуть фазу одного из оптических фазируемых каналов массива небольшими шагами.
После каждой смены замыкайте интеграл яркости в пиксельной области внутри и за пределами выбранной области и вычисляйте соотношение внутреннего света, разделенного внешним светом. После полного цикла сдвига фазы между нулем и двумя пи, применить сдвиг фазы с самым высоким зарегистрированным соотношением яркости. Затем переключитесь на следующий канал и повторите предыдущие шаги до тех пор, пока процесс оптимизации не будет насыщен и не будет виден сфокусированный выходной луч.
Чтобы направить выходный луч под другим углом фи, выберите новую область пикселей и повторите процесс оптимизации. После того, как оптимизация была выполнена для нескольких выходных углов фи, луч может управляться. Чтобы изображение дивергенции луча, оптимизировать положение входного волокна и записать изображение выхода OPA в дальнем поле.
Убедитесь, что по крайней мере два четких максимы помех видны и использовать систему выравнивания для перемещения пластины, чтобы выровнять следующее устройство к входной волокна. Используя высокоточные позиционеры, свет от волокна способен эффективно сочетаться со интегрированной оптической цепью для получения высокоинтенсивного выходного луча. Использование многоканального зонда позволяет осуществлять все электрические соединения одновременно.
Используя алгоритм оптимизации, приятно формы пучка могут быть получены на фи доступа. Использование выключателя на кольцевой основе позволяет правильно ответь угол выбросов и направление тьи. После калибровки OPA луч может произвольно управляться как в размерах, так и в диапазоне рулевого управления и дивергенции пучка, основные фигуры заслуг в OPA, могут быть точно охарактеризованы.
Важно, насколько это возможно, устранить любые электронные, механические или оптические нестабильности во время процедуры калибровки. После того, как удовлетворительные схемы были определены и откалиброваны, мы можем интегрировать их с другими частями системы LIDAR, чтобы выполнить некоторые элементарные специальные изображения.
Обзор
В данной статье описывается работа интегрированной фотонной схемы на основе нитрида кремния (SiN), содержащей оптические фазированные антенные решетки. Эти схемы предназначены для излучения лазерных лучей с низкой расходимостью в ближнем инфракрасном диапазоне и позволяют осуществлять двумерное управление лучом.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Интегральная фотоника
- Оптические фазированные антенные решетки
- Технология управления лучом
Теоретические основы
- Фотонные интегральные схемы необходимы для передовых оптических приложений.
- Методы характеризации должны быть быстрыми и автоматизированными для оценки на уровне пластины.
- Стандартное оборудование микроэлектронной промышленности может быть адаптировано для этой цели.
- Минимизация шумов и нестабильностей имеет решающее значение для точности измерений.
Цель исследования
- Разработать протокол характеризации схем управления лучом.
- Продемонстрировать процедуру с использованием стандартной зондовой станции.
- Оптимизировать интенсивность и расходимость выходного луча.
Используемые методы
- Использование светового микроскопа для совмещения волокна с пластиной.
- Регулировка поляризации для достижения максимальной интенсивности света на выходных решетках.
- Применение метода визуализации дальнего поля для наблюдения выходных пучков.
- Использование многоканального электрического щупа для подключения системы управления фазой.
Основные результаты
- Успешная демонстрация управления лучом в двух измеренияниях.
- Оптимизация интенсивности выходного луча путем фазовых корректировок.
- Характеристика достигнутого диапазона отклонения и расходимости луча.
- Интеграция калиброванных схем с системами LIDAR для получения изображений.
Выводы
- Разработанный протокол обеспечивает эффективную оценку фотонных схем.
- Устранение нестабильностей имеет важное значение для точной калибровки.
- Результаты способствуют развитию технологий оптической связи.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
В данной работе представлен метод характеризации на уровне пластины для интегрированных фазированных оптических антенных решеток из нитрида кремния, позволяющий проводить быстрый автоматизированный анализ фотонных схем управления лучом. Данный подход обеспечивает высокопроизводительный скрининг вариаций изготовления между кристаллами, что облегчает поиск высокоэффективных устройств для последующей интеграции. Благодаря использованию стандартных зондовых станций для микроэлектроники, этот протокол предлагает масштабируемый и совместимый с промышленными стандартами способ оценки характеристик фазированных оптических антенных решеток, имеющих критическое значение для систем LIDAR и систем оптической связи в свободном пространстве.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проверять гипотезы по проектированию фотонных схем путем прямого измерения отклонения и расходимости пучка при контролируемых фазовых входах.
- Практическая ценность: обеспечивает количественные, воспроизводимые результаты для оценки функциональности устройства, что помогает в принятии решений о целесообразности выбора тех или иных фотонных компонентов.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: позволяет получать стандартизированные профили луча в дальней зоне и кривые отклика на управление в качестве количественных показателей для оценки производительности оптических фазированных решеток по принципу анализа (assay).
- Практическая ценность: обеспечивает возможность параллельного тестирования нескольких устройств на одном кристалле, что повышает пропускную способность и статистическую значимость на ранних этапах кампаний по фотонному скринингу.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Способствует снижению рисков при разработке фотонных интегральных схем путем характеризации ключевых показателей эффективности (расходимости луча, диапазона отклонения) в реальных условиях эксплуатации.
- Практическая ценность: Обеспечивает преемственность от этапа разработки до доклинической интеграции за счет проверки работоспособности схем перед их внедрением в системы LIDAR или сенсорные системы.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод вписывается в цикл фотонного поиска, обеспечивая возможность быстрой оценки после изготовления и позволяя принимать обоснованные решения о переходе от разработки устройства к его интеграции и системному тестированию.
- Открывающая биология: обеспечивает проверку гипотез о параметрах дизайна фотоники (например, количестве каналов, однородности волноводов) посредством измеряемых характеристик выходного луча.
- Скрининг: предоставляет количественные данные визуализации луча и оптимизации фазы, готовые к анализу, для сравнения эффективности устройств при различных вариантах технологического процесса.
- Аналитика: предоставляет извлекаемые метрики, такие как расходимость луча, угол отклонения и однородность интенсивности, для сравнительного анализа и прогностического моделирования.
- Трансляционные исследования: обеспечивает преклиническую непрерывность путем подтверждения того, что откалиброванные схемы соответствуют порогам производительности для интеграции в LIDAR.
- Корпоративное повторное использование: создает многоразовую платформу для характеризации на уровне пластин для итерационного проектирования фотоники и оптимизации процессов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозирования работы фотонных схем путем установления связи между входными сигналами управления фазой и детерминированными выходными данными управления лучом.
- Операционная ценность: повышает воспроизводимость и пропускную способность за счет автоматизированного тестирования на уровне пластин с использованием стандартных пробовых станций.
- Стратегическая ценность: снижает риски на поздних этапах интеграции, позволяя на ранних стадиях выявлять высокопроизводительные фотонные кристаллы с высоким выходом годных изделий.
- Влияние на портфель: способствует оптимизации распределения ресурсов с учетом рисков за счет количественной оценки вариативности изготовления и распределения характеристик по пластинам.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области интеграционной фотоники, волоконно-оптического сопряжения и электрического зондирования для управления фазой.
- Зависит от наличия доступа к зондовой станции для пластин, системы формирования изображений дальнего поля и оборудования для управления поляризацией.
- Необходима межкомандная стандартизация процедур юстировки, протоколов оптимизации фазы и метрик анализа луча.
- При измерениях необходимо учитывать воздействие внешних факторов, таких как механические вибрации, тепловой дрейф и стабильность входной поляризации.
- Валидация характеристик ограничена ближним инфракрасным диапазоном длин волн и платформами на основе SiN; расширение области применения на другие материалы или длины волн требует повторной валидации.
Часто задаваемые вопросы о биофармацевтике
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:36
Optical Coupling: Fiber Alignment
1:25
Optical Coupling: Optical Phase Array (OPA) Output Imaging
2:14
Beam Optimization and Steering
4:05
Beam Divergence Measurement Imaging
4:30
Results: Representative Silicon Nitride (SiN) Integrated OPA Characterization
5:20
Conclusion
