Summary
Her beskriver vi driften av en SiN integrert fotoniske krets som inneholder optiske fasede arrayer. Kretsene brukes til å avgi lav divergens laserstråler i nær infrarød og styre dem i to dimensjoner.
Abstract
Optiske fasede arrayer (OPAer) kan produsere lavdivergens laserstråler og kan brukes til å kontrollere utslippsvinkelen elektronisk uten behov for bevegelige mekaniske deler. Denne teknologien er spesielt nyttig for strålestyring applikasjoner. Her fokuserer vi på OPAer integrert i SiN fotoniske kretser for en bølgelengde i nær infrarød. En karakteriseringsmetode for slike kretser presenteres, noe som gjør at utgangsstrålen til integrerte OPAer kan formes og styres. Videre, ved hjelp av en wafer-skala karakterisering oppsett, flere enheter kan enkelt testes over flere dør på en wafer. På denne måten kan fabrikasjonsvariasjoner studeres, og enheter med høy ytelse identifiseres. Typiske bilder av OPA-bjelker vises, inkludert bjelker som sendes ut fra OPAer med og uten en jevn bølgeguidelengde, og med varierende antall kanaler. I tillegg presenteres utviklingen av utgangsbjelker under faseoptimaliseringsprosessen og strålestyring i to dimensjoner. Til slutt utføres en studie av variasjonen i stråledivergensen av identiske enheter med hensyn til deres posisjon på wafer.
Introduction
Optiske fasede arrayer (OPAs) er fordelaktige på grunn av deres evne til å forme og styre optiske bjelker ikke mekanisk - dette er nyttig i et bredt spekter av teknologiske applikasjoner som lysdeteksjon og alt (LIDAR), fri romkommunikasjon og holografiske skjermer1. Integreringen av OPAer i fotoniske kretser er av spesiell interesse, da det gir en rimelig løsning for fabrikasjon en liten fysisk fotavtrykk. Integrerte OPAer har blitt demonstrert ved hjelp av en rekke forskjellige materialsystemer, inkludert InP, AlGaAs og silisium2,,3,,4. Av disse systemene er silisiumfotonikk kanskje den mest praktiske, på grunn av sin høye brytningsindekskontrast og kompatibilitet med CMOS5. Faktisk har OPA kretser blitt grundig demonstrert i silisium-på-isolator plattform6,,7,8,9,10; Imidlertid er anvendelsen av disse kretsene begrenset både av bølgelengdegjennomsiktighetsvinduet av silisium og de høye ikke-lineære tapene, noe som fører til en grense på tilgjengelig utgangoptisk effekt. Vi fokuserer i stedet på OPAs integrert i SiN, et materiale med lignende egenskaper som silisium i form av CMOS evne og fotavtrykk størrelse11,,12. I motsetning til silisium forventes Imidlertid SiN å være egnet for et større spekter av applikasjoner siden gjennomsiktighetsvinduet er bredere, ned til minst 500 nm, og takket være den muligens høye optiske kraften takket være de relativt lave ikke-lineære tapene.
Rektorene for OPA-integrasjon har nylig blitt demonstrert ved hjelp av SiN8,13,14. Her vil vi utvide disse rektorene for å demonstrere en metode for å karakterisere og drifte integrerte OPAer for todimensjonal strålestyring. Sammenlignet med tidligere demonstrasjoner av strålestyring i to dimensjoner som er avhengige av tuning av bølgelengde6,kan vår krets operere med en enkelt bølgelengde. Vi gir først en kort oversikt over driftsprinsippene bak OPAer. Dette etterfølges av en introduksjon til kretsene som brukes i dette arbeidet. Til slutt er karakteriseringsmetoden beskrevet og typiske bilder av OPA-utgangsbjelker som presenteres og diskuteres.
OPAs består av en rekke tett mellomromede emittere som kan tas opp individuelt for å kontrollere den optiske fasen. Hvis det finnes en lineær faserelasjon på tvers av emittermatrisen, gir interferensmønsteret i det fjerne feltet flere tydelig separert maxima - lik prinsippene for multi-slit interferens. Ved å kontrollere omfanget av faseforskjellen, kan maxima-posisjonen justeres, og dermed strålestyring utføres. I integrerte OPAer består emittere av tett avstand diffraksjonsrister der lyset er spredt og slippes ut av chipplanet. En skjematisk illustrasjon av en integrert OPA-enhet vises i figur 1A,B. Lyset er koblet til brikken, i dette tilfellet via en optisk fiber, og deles deretter inn i flere kanaler, hver inneholder en integrert faseshifter. I den andre enden av den optiske kretsen avsluttes waveguider i rister og kombineres for å danne OPA. Den resulterende utgangsstrålen består av flere interferensmaxima, den lyseste som kalles den grunnleggende fliken og er den som oftest brukes i strålestyringsapplikasjoner. Utslippsretningen til den grunnleggende fliken er definert av de to azimuthalvinklene til ortogonprojeksjonen av chipplanet, φ og θ, vinkelrett og parallelt med orienteringen av risten henholdsvis. I dette dokumentet vil φ og θ bli referert til som henholdsvis "vinkelrett" og "parallelle" utslippsvinkler. Vinkelvinkelen φ bestemmes av faseforskjellen mellom OPA-kanalene, og parallellvinkelen er avhengig av perioden med utgangsgitteringene.
Våre integrerte kretser er fabrikkert ved hjelp av Si3N4 waveguides med et tverrsnitt på 600 x 300 nm2, et design som ble optimalisert for den grunnleggende tverrgående elektriske polariseringsmodusen av lys med en bølgelengde på 905 nm. Under waveguides ligger et 2,5 μm SiO2 bufferlag på toppen av en silisiumwafer. De termiske faseskifterne ble laget av et 10 (100) nm tykt Ti(TiN) lag som ble brukt til å danne 500 μm lange og 2 μm brede resistive ledninger. I våre kretser er det nødvendig med en elektrisk effekt på 90 mW for å oppnå et faseskift av π. OPA-utgangsgitterene består av 750 fullt etset perioder med en nominell fyllingsfaktor på 0,5 og en ristperiode mellom 670 nm og 700 nm. Ytterligere informasjon om plattformen design og fabrikasjon er gitt i Tyler et al.15,16.
I dette arbeidet er to forskjellige typer kretser karakterisert, en passiv krets uten faseskiftende evner, og en mer kompleks krets, designet for å utføre strålestyring i to dimensjoner. Den todimensjonale strålestyrekretsen er vist i figur 2. Figur 2A inneholder en skjematisk av kretsen og figur 2B viser et mikroskopbilde av den fabrikkerte enheten. Lyset kommer inn i kretsen ved inngangsristen. Den når deretter et byttenettverk hvor det kan rutes selektivt mot en av fire underkretser. Hver underkrets deler lyset i fire kanaler ved hjelp av multimode interferensenheter (MMI). Kanalene inneholder hver av dem en termisk faseskifter og danner en OPA på slutten av kretsen. De fire OPAene som kommer fra de fire underkretsene, utgjør hver en annen ristperiode mellom 670 nm og 700 nm. Disse periodene tilsvarer azimuthalvinkler parallelt med ristaksen, θ, mellom 7° og 10°. En mer detaljert beskrivelse på kretsen finner du i Tyler et al.16.
Det presenterte karakteriseringsoppsettet er basert på en automatisert sondestasjon som kan utføre en rekke målinger på mange kretser over en hel wafer. Dette gjør det mulig å studere ytelsesvariasjonen i forhold til posisjonen på wafer og velge enhetene med optimale egenskaper. Bruken av en proberstasjon innebærer imidlertid noen fysiske begrensninger i OPA-karakteriseringsordningen på grunn av den relativt små tilgjengelige plassen over waferen. Karakteriseringen av optiske fasede arrayer krever avbildning av OPA-utgangen i det fjerne feltet, som kan utføres på en rekke måter. For eksempel kan en rekke linser brukes i et Fourier bildesystem6 eller farfield bildet dannet på en Lambertian overflate kan sees i enten refleksjon eller overføring. For vårt system valgte vi det vi anså for å være den enkleste og mest kompakte løsningen for å plassere en stor overflate 35 mm x 28 mm CMOS-sensor uten linser plassert ca. 50 mm over waferoverflaten. Til tross for den økte kostnaden for en så stor CCD-sensor, gir denne løsningen et tilstrekkelig synsfelt uten bruk av linser.
Protocol
1. Forberedelser
- Forbered følgende eksperimentelle oppsett (Figur 4).
- Bruk en datamaskin.
- Bruk en kontinuerlig bølgefiber koblet laserkilde. Avhengig av kretstap, er 1 mW strøm tilstrekkelig. I det presenterte karakteriseringsoppsettet er laserkilden på en bølgelengde på 905 nm.
- Bruk en polariseringskontroller tilpasset laserbølgelengden.
- Bruk en spaltet inngangsfiber til å koble lys inn i inngangsristen til den optiske kretsen.
- Bruk en elektrisk sonde til å koble det elektroniske kontrollkortet til den elektriske kontakten til den optiske kretsen.
- Bruk et system som er i stand til å kontrollere 20 fasemodulatorer av den todimensjonale strålestyringen krets er nødvendig. I det presenterte karakteriseringsoppsettet er dette systemet et tilpasset elektronisk bord kontrollert av en Arduino, som kan brukes individuelt mellom 0 og 200 mW elektrisk kraft ved faseskifterne på den optiske kretsen. En skjematisk av den elektriske kretsen er vist i figur 3. For hver kanal inneholder kretsen en DAC (Digital to Analog Converter) som vil oversette den digitale kommandospenningen til en analog spenning som styrer porten til en høyeffekts transistor. Varmeapparatet er koblet til en høyeffektsstrømkilde. Derfor, ved å kontrollere portspenningen, kan strømmen i varmeapparatet justeres.
- Bruk en naken bildesensor til å bilde det fjerne feltet i den optiske utgangen. I det presenterte karakteriseringsoppsettet er kameraet en 35 mm CCD-sensor.
- Bruk et optisk mikroskop for å bilde brikken for justeringsformål.
- Bruk et 3-akseroversettelsestrinn og monter til å passe til en 200 mm wafer. I det presenterte karakteriseringsoppsettet er dette stadiet et rekonfigurerbart sondesystem for silisiumfotonikk.
- Montering av utstyr
- Monter utstyret i henhold til figur 4 og monter waferen. Avstanden mellom wafer og sensoren må velges liten nok til å sikre et høyoppløselig bilde av utgangsstrålen, men stor nok til å passe minst to interferensmaxima for å kunne finne forholdet mellom sensorpiksler og utgangsvinkel som vil bli forklart i avsnitt 4 i protokollen.
- Sørg for at sensoren og waferen er parallelle; Ellers kan det forfalske beregning av piksel/ utgangsvinkelberegning. I det presenterte karakteriseringsoppsettet setter du wafer-sensoravstanden til 5 cm. Hvis en dobbel sensorkonfigurasjon brukes (som den som presenteres her), må du sørge for at den nakne sensoren enkelt kan fjernes for å gi tilgang til det optiske mikroskopet for å bilde nærfeltet for fiberjusteringsformål.
- Pass på at den elektriske sonden, kameraet og den optiske fiberen ikke berører hverandre. Koble nødvendige elementer til en datamaskin. I det presenterte oppsettet blir probestasjonen, CCD-sensoren og den elektriske kretsen for fasekontrollen drevet via en datamaskin og et Python-program for å automatisere måleprosessen.
2. Optisk kobling
- Fiber justering
- Bruk mikroskopet til å begynne å senke fiberen forsiktig til den berører waferoverflaten (vekk fra inngangsristen for å unngå å skade den), og flytt den deretter opp ca. 20 μm.
- Når dette er gjort, maksimerlysintensiteten ved utgangsgitteringene. For å gjøre dette, begynn å feie fiberposisjonen over OPA-inngangsristkobleren. Hvis kameraet som er festet til mikroskopet, reagerer på laserbølgelengden (hvis ikke bruk den nakne bildesensoren), og hvis fiber- og ristkopet er godt justert, bør lysutgang ved OPA-utgangsgitter være synlige på bildet. Et eksempel kan ses i figur 5A.
- Når lyset ses fra OPA-antennene, justerer du polariseringen for å maksimere lysintensiteten ved utgangsgitteringene. Pass på at du unngår bevegelse eller vibrasjon er av inngangsfiberen
- OPA utgangsavbildning
- Bytt til bildesensoren på langt felt og forbedre bildekvaliteten: Juster både eksponeringstiden til sensoren og lasereffekten på en slik måte at OPA-utgangen er tydelig synlig på kameraet, og strålen ikke metter sensoren. Et eksempel bilde som er tatt opp av sensoren, vises i figur 5B.
- Dekk eventuelt oppsettet slik at bakgrunnslyset ikke forstyrrer bildet fra OPA-strålen. Vanligvis, jo svakere bakgrunnslyset, jo lavere laserkraft som kan stilles inn.
- Blokker refleksjonene ved å plassere et svært reflekterende ark mellom refleksjonen og kameraet. Noen ganger kommer refleksjoner fra waferoverflaten til sensorområdet og forurenser bildet av OPA-utgangen (refleksjoner kan skje ved inngangsristen).
- Juster polariseringen av inngangslyset for å få et klart bilde.
3. Stråleoptimalisering og styring
MERK: Denne delen beskriver driften av kretsen som vises i figur 2 og hvordan den kan brukes til å utføre strålestyring i to dimensjoner.
- Forberedelser
- Koble den elektriske kretsen for fasekontrollen til en flerkanals elektrisk sonde.
- Bruk mikroskopet til å koble pinnene på den elektriske sonden til metallkontaktputene på den optiske kretsen.
- Optimaliser posisjonen til inngangsfiberen på nytt.
- Bytt til den fjerne feltsensoren og bilde utgangen.
- Valg av parallellutslippsvinkelen ved hjelp av koblingsnettverket
- Studer ringresonatorene til koblingsnettet for å kontrollere utslippsvinkelen i θ. For dette formålet, observere det fjerne feltbildet av utgangen mens du varierer spenningene som brukes på faseskifterne på ringresonatorene. Med riktig spenning som brukes på hver resonator, vil et annet område på sensoren bli opplyst, tilsvarende en bestemt θverdi, som vist i figur 6B.
- Finn spenningene der ringene er på- og av-resonans. For dette formålet kan et automatisert skript brukes til å feie resonatorspenningene og registrere intensitetene på de forskjellige θområdene på sensoren. Bruk funnet spenninger for å få tilgang til de ulike underkretsene og styre utgangsstrålen i θ.
- Valg av orthogonal utslippsvinkel φ ved å optimalisere OPA-fasene
- Optimaliser OPA-fasene for å forme og styre utgangsstrålen i φ. For dette formålet velger du et lite pikselområde (tilsvarende ønsket φvinkel) som skal lyses opp med en fokusert utgangsstråle.
- Maksimer lysstyrken innenfor det valgte området ved å kjøre følgende optimaliseringsrutine.
- Skift fasen av en av OPA-kanalene i små trinn. Etter hvert skift registrerer du integralen av lysstyrken i pikselområdet inne, jegiog utenfor, jego, av det valgte området. Beregn forholdet R = Ii / Io. Etter en full faseskiftsyklus mellom 0 og 2π, bruk faseskiftet med det høyeste registrerte lysstyrkeforholdet R.
- Gjenta denne faseoptimaliseringsprosessen på neste OPA-kanal. Ulike optimaliseringsalgoritmer kan brukes, for eksempel en bakkeklatring.
- Gjenta optimaliseringsprosessen ved å optimalisere fasene til optimaliseringsprosessen er mettet og en fokusert utgangsstråle er synlig. Eksempel bilder av utdatastrålen som er tatt under en optimaliseringsprosess, vises i figur 6A. Etter 16 optimaliseringsrunder er utgangsstrålen en fokusert stråle synlig.
MERK: Hvis det finnes noen ekstra uventede topper, kan dette være et resultat av en tidsmessig ustabil kobling inn i kretsen under optimaliseringsprosessen. Dette kan skyldes bevegelse av inngangsfiber og/eller en ustabil polariseringstilstand.
- For å styre utgangsstrålen til en annen φvinkel, velg et nytt pikselområde og gjenta optimaliseringsprosessen.
4. Stråledivergensmålinger og bildeanalyse
- Bildeoppkjøp
- Optimaliser plasseringen av inngangsfiberen. Ta opp bildet av utdataene i det fjerne feltet. Kontroller at minst to klare forstyrrelser er synlige.
- Bruk justeringssystemet til å flytte waferen for å justere neste enhet til inngangsfiberen. Utfør fin justering ved å maksimere utgangsintensiteten som er registrert av kameraet. Ta opp utdatabildet.
- Gjenta trinnet ovenfor til alle enheter av interesse er karakterisert. Hvis den valgte optiske kretsen har evnen til fasejustering av OPA-kanalene, utfører du en faseoptimaliseringsrutine før du tar opp bildene.
- Bildeanalyse
- Kontroller de innspilte bildene for falske datapunkter som oppstår fra defekte piksler, for eksempel døde eller varme piksler. Slette disse datapunktene eller erstatte verdiene med vanlige verdier.
- Korreler CCD-pikslene til OPA utgangsvinkler φ og θ som følger.
- Beregn vinkelavstanden Δφ mellom interferensmaxima i henhold til OPA-designen ved hjelp av Δφ = synd-1(λ/d) [°], hvor λ er bølgelengden og d er den laterale banen mellom OPA-rister. Monter to gaussiske kurver til de to interferensmaxima og bestemme posisjonene til de to sentrene, P1 og P2. Siden avstanden (i piksler) mellom de to sentrene, N = P2 - P1,forventes å tilsvare Δφ, får vi en konverteringsfaktor c mellom piksel og vinkel c = Δφ / N [° / pixel], som kan brukes til å oppnå en relativ vinkelforhold mellom piksler.
- Få konverteringsfaktoren, c, via en nøyaktig måling av avstanden mellom waferoverflaten og sensoren, og pikselstørrelsen (5,5* 5,5 μm for sensoren som brukes her).
- Anslå de absolutte utgangsvinklene i φ og θ for en av CCD-pikslene. Sett strålesenteret i θ til forventet utslippsvinkel i henhold til simuleringer. For å velge den absolutte verdien i φ, optimaliser strålen for flere vinkler i φ ved å justere OPA-fasene, og registrere intensiteten til hovedlappen for hver vinkel. Ifølge OPA teorien er hovedflippen mest intens (og intensiteten i sideflikene minimert) når den slippes ut ved φ = 0°. Sett derfor pikselen i midten av strålen med maksimal innspilt stråleintensitet, til φ = 0°. Bruk denne pikselen og konverteringsfaktoren til å tilordne absolutte vinkler til alle bildepunkter.
- I tilfelle av en utgangsstråle med betydelig helling med hensyn til den vertikale aksen, og hvis stråledivergensen og posisjonen må måles svært nøyaktig, vippe kameraet for å være helt vinkelrett på utgangsstrålen. Ellers er det også mulig å bruke en korreksjonsfaktor på den målte strålestørrelsen ved å beregne projeksjonen av strålen på sensoren avhengig av vinkelen mellom utgangsstrålen og kameraplanet.
- Beregning av stråledivergensen
- Trekk ut tverrsnitt over midten av den grunnleggende strålen langs φ og θ.
- Monter to gaussiske kurver til tverrsnittene og trekk ut full bredde-på-halv-maxima som et mål for stråledivergensen φdiv og θdiv.
- Beregn forventet strålebredde φdiv = λ/Nd [°], hvor λ er bølgelengden og d den laterale avstanden mellom OPA-rister.
- Estimer stråledivergensen θdiv ved å utføre FDTD-simuleringer av utgangsgitter.
- Automatisk testing
- Hvis karakteriseringsbenken (som den som presenteres her), kan utføre automatiske målinger, utfører du noen ekstra trinn. Først få chip dimensjoner og koordinatene til de målte strukturer fra kretsoppsettet. Deretter skriver du inn disse verdiene til benkkontrollprogramvaren. Derfor, når inngangsfiberen er justert på den første testede strukturen (som beskrevet i avsnitt 2.1), kan benken bytte automatisk fra en struktur til en annen via en oversettelse av wafer.
Representative Results
I denne delen vises flere i operandobilder av OPA-bjelker. Disse inkluderer bilder i nær og langt feltet av strålen, OPA utgangsstråler før og etter fase optimalisering, og bjelker med et varierende antall OPA-kanaler.
Et bilde av det nære feltet av strålen, registrert ved hjelp av mikroskopet, kan ses i figur 5A. Bildet viser en passiv OPA-krets med et stort antall kanaler, og lyset som sendes ut ved OPA-rister er tydelig synlig. Denne kretsen produserer et interferensmønster i fjernfeltet, som ble registrert ved hjelp av CCD-sensoren. Sensorbildet er gitt i figur 5B og viser både den grunnleggende fliken samt en sidelapp. Eksponeringstiden til sensoren, laserkraften og bakgrunnslyset er optimalisert for å produsere et klart bilde. De to maxima er atskilt med 17,6°, beregnet i henhold til ligningen gitt i protokollen pkt. 4.2.2.1. Vær oppmerksom på at i denne designen er alle waveguides av samme lengde, og derfor er det ingen signifikant faseforskjell mellom kanalene til stede. Som et resultat er interferensmaxima tydelig atskilt. Et eksempel på en OPA-krets med en uregelmessig faseforskjell mellom kanalene presenteres nedenfor.
For å observere klar interferensmaxima i OPA-utgangsmønsteret, er det nødvendig med en lineær faseforskjell mellom OPA-kanalene. Men når lengden på waveguides mellom inngangen og utgangsgitteringene varierer fra kanal til kanal, vil interferensmønsteret vise flere uregelmessige interferensseksjoner langs en rett linje i retningen vinkelrett på ristretningen (dvs. langs vinkelφ). Et eksempel på et slikt utdatamønster er gitt øverst til venstre av figur 6A. Den viser langt-feltet utgang av en 16-kanals OPA med en ikke-uniform waveguide lengde mellom inngangen og utgang rister. Heldigvis har denne OPA-designen faseskiftere inkludert i hver kanal, slik at fasene kan justeres individuelt og utgangsstrålen er formet. Etter å ha optimalisert fasene som beskrevet i protokolldel 3.3, danner utdatastrålen en klar maksimum. Figur 6A viser hvordan utgangsstrålen utvikler seg under optimaliseringsprosessen. Vær oppmerksom på at ytterligere interferensmaxima er til stede utenfor sensorområdet. I tillegg ser vi at stråledivergensen til 16-kanaler OPA er mye bredere enn det som er sett i figur 5B. Denne effekten forventes og skyldes en betydelig reduksjon i kanalnummeret.
I det følgende vil driften av den optiske kretsen for OPA-styring i to dimensjoner bli diskutert, for detaljer om kretsen se Figur 2. For det første ble ringspenningene til koblingsnettet kalibrert for å rute lyset til de forskjellige underkretsene, som hver inneholder en OPA. Siden de fire OPAene hver utgjør en annen ristperiode, fører lyset mellom underkretsen i utgangsstrålen som slippes ut i forskjellige θvinkler. Dette vises i figur 6B, som inneholder de fjerntgående bildene som er tatt opp når lysbanen endres ved hjelp av ringresonatorene til koblingsnettverket. Bildene viser at den "parallelle" utslippsvinkelen, θ, endres etter hvert som hver enkelt resonator er satt på resonans med inngangslyset, mens tuning de andre resonatorene off-resonans. Vår krets ble designet for å få tilgang til fire forskjellige θ vinkler, men på grunn av en designfeil i koblingsnettet, var det bare mulig å betjene tre av ringresonatorene. Fra utgangsbildene kan vi se at interferensmønsteret er uregelmessig og ingen klar maxima er synlige. For å styre og forme utgangsstrålen i "vinkelrett" utslippsvinkel, φ, ble OPA-fasene justert og optimalisert.
Et eksempel bilde av en optimalisert utgangsstråle av den todimensjonale strålestyringkrets er vist i figur 7A. To interferensmaxima er godt synlige, tilsvarende hovedlappen og en av sideflikene. Det øverste bildet i figur 7A viser et varmekart over den registrerte lysstyrken på sensoren kontra pikselnummer. For å bestemme utdatavinkelen ble bildet behandlet som beskrevet i avsnitt 4.2 i protokollen og forholdet mellom pikselnummer og utdatavinkel bestemt. Det kalibrerte bildet av stråleintensitet kontra vinkel vises i bildet av figur 7 A nederst i bildet av figur 7A.
I det følgende vil strålestyringsresultatene bli diskutert. OPA-strålen ble styrt i et område på 17,6° × 3° (φ × θ), eksempeldata vises i figur 7B og figur 7C. Figur 7B viser bilder av strålen som styres i φ samtidig som den opprettholder θ konstant ved 8°. Dette ble oppnådd ved først å få tilgang til OPA som tilsvarer en parallell utslippsvinkel på θ = 8° og deretter varierede de optiske fasene for å endre vinkelrett utslippsvinkel, φ. Normaliserte intensitetsplott av den grunnleggende strålen styrt til tre forskjellige utgangsposisjoner i θ er vist i figur 7C,med en fast vinkelrett utslippsvinkel på φ = -2,5° og θ varierende mellom 7° og 9°. Som før ble parallellutslippsvinkelen θ kontrollert ved hjelp av ringresonatornettverket for å bytte mellom OPAene. Etter OPA-valg ble OPA-fasene optimalisert for å avgi ved φ = -2,5°.
Til slutt ble stråledivergensen bestemt ved å montere to gaussiske kurver langs φ og θ som beskrevet i protokoll seksjon 4.3. FWHM fungerer som et mål for stråledivergensen og ble målt til å være 4,3° i φ og 0,7° i θ for utslippsvinkler av φ = -2,5° og θ = 8°, se figur 8A. Disse verdiene er i god enighet med de forventede verdiene på henholdsvis 4,3° og 0,6° i henholdsvis φ og θ for en firekanals OPA, som beskrevet i protokollpkt. I tillegg til å bestemme divergensen av en firekanals OPA, undersøkte vi divergensen av en OPA-design med et mye større antall kanaler. Divergensen av en passiv OPA bestående av 128 kanaler, med en design som ligner på den som vises i figur 5A,ble målt. For å teste for fabrikasjonsvariasjoner på tvers av en wafer, lanserte vi en automatisk skanning for å karakterisere 42 enheter med identiske design. De innspilte bildene ble analysert med hensyn til stråledivergensen. Divergensen i φ versus posisjonen til enheten på waferen er vist i figur 8B. De målte verdiene ligger mellom 0,19° og 0,37° og er litt større enn forventet verdi på 0,14°. Dette kan forklares med fasefeil i de enkelte OPA-kanalene. Alle waveguider i design er av samme lengde, og teoretisk sett bør det ikke oppstå noen faseforskjeller mellom OPA-kanalene. Fabrikasjonsfeil fører imidlertid til ukontrollerte faseskift når lyset beveger seg fra inngangen til utgangsgitteringene, noe som fører til en utvidelse av utgangsstrålen. På grunn av fravær av faseskiftere i kretsen, var det ikke mulig å kompensere for disse feilene. Som nevnt er θvinkelen definert av antenneristgeometrien. Fabrikasjonsvariasjoner (SiN-filmhøyde og strukturer sidedimensjonavvik) kan derfor påvirke OPA-utgangsvinkelen, θ. Slike variasjoner har blitt karakterisert på 40 enheter over hele wafer. Takket være den meget godt kontrollerte CMOS fabrikasjonsprosessen er det funnet en ubetydelig 3σ (tre ganger standardavviket) på 0,156° .
Figur 1: Illustrasjon av integrert OPA. (A) Den første-order interferens flike av OPA-utgangen forlater kretsen ved to azimuthal vinkler til orthogonal projeksjon av chip planet, φ og θ, vinkelrett og parallelt med orienteringen av risten henholdsvis. (B) Toppvisning av en OPA som viser sine viktigste konstitutive elementer. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Skjematisk og mikroskopbilde av den integrerte optiske kretsen for todimensjonal strålestyring. (A)Krets som inneholder et koblingsnettverk koblet til fire underkretser, som hver danner en OPA. Utgangsområdet inneholder fire OPAer med fire forskjellige ristperioder og dermed utslippsvinkler i θ. (B) Mikroskopbilde av kretsen som er beskrevet i (A), fabrikkert ved hjelp av SiN waveguides og Ti/TiN termiskfaseskiftere. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Elektrisk krets for å påføre elektriske krefter mellom 0 mW og 200 mW. Denne skjematiske representerer en elektrisk krets som individuelt kan bruke spenninger til faseskifterne i den optiske kretsen og lese ut sin elektriske strøm etter spenningsapplikasjon. I våre optiske kretser består faseskifterne av elektriske ledninger med motstand på 1,3 kΩ. En elektrisk effekt på 90 mW er nødvendig for å oppnå et optisk faseskift av π. Kretsen styres via en Arduino mikrokontroller. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Eksperimentell oppsett for OPA-kretskarakterisering. (A) Skjematisk av eksperimentell oppsett. (B) Bilde av eksperimentet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Nesten- og langt feltbilder av utgangsstrålen. (A) Nær feltbilde av en OPA-krets. Lys med en bølgelengde på 905 nm kobles inn i kretsen via en fiber og en inngangsrist. Spredning av lys inne i waveguides tillater oss å se kretsen design. På slutten av et MMI-tre sendes lyset ut ved OPA-rister. (B) Langt feltbilde av utgangen av kretsen som vises i (A). To interferensmaxima er synlige på sensoren. Ifølge OPA-teorien er maxima atskilt med 17,6°. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: OPA stråleoptimalisering og bytte nettverksdrift. (A) OPA stråleoptimalisering av en 16-kanals OPA ved hjelp av faseskiftere. Bilder i langt felt vises etter hvert optimaliseringstrinn. Etter å ha optimaliseret alle 16 kanaler, danner strålen en hovedinterferens maksimum inne i sensorområdet. (B) Ved å bruke et koblingsnettverk bestående av ringresonatorer, er forskjellige OPAer hver bestående av en annen ristperiode tilgjengelig. De forskjellige ristperiodene resulterer i at utgangsstrålen slippes ut i forskjellige θvinkler. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Karakterisering av den todimensjonale strålestyringskretsen. (A) Piksel for å vinkelkonvertering av de registrerte bildedataene. Strålestyring resulterer i φ og i θ er vist i (B) og (C), henholdsvis. Dette tallet er endret fra Tyler et al.16. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: OPA stråledivergensmålinger. (A) Stråledivergensanalyse av en 4-kanals OPA. Dette tallet er endret fra Tyler et al.16. (B) Wafer kart over målte divergens i φ av en 128 kanal OPA design. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Discussion
Vi har presentert en metode for å karakterisere en integrert OPA. Den største fordelen med metoden er evnen til enkelt å sondere flere dør over en wafer, for å se etter fabrikasjonsvariasjoner og for å identifisere høyytelsesenheter. Dette kan sees i figur 8B. Fra wafer-skanningen blir det klart at den nedre halvdelen av wafer en utstiller enheter med nedre stråleavvik. Dette kan forklares med en høyere waveguide kvalitet i dette området, noe som reduserer tilfeldige faseskift og dermed stråledivergensen.
Ved hjelp av et stort område CCD-sensor for å bilde langt feltutgang er en praktisk metode for å bilde ledig plass utgang av integrerte kretser, siden det lett kan legges til de fleste karakterisering oppsett på grunn av deres kompakte størrelse i forhold til de ofte brukte, bulkier, Fourier-imaging systemer6.
For å garantere en høy nøyaktighet av strålevinkelen og divergensmålingen, må det tas særlig forsiktighet under kameraet - OPA-justering. Videre er OPA-responsen følsom for fase- og polariseringsustabiliteter under kalibrering. Derfor må alle kilder til perturbasjon styres: bevegelse/vibrasjon av injeksjonsfiberen, lasertemperaturen, innkommende lyspolarisering etc.
Oppsummert ble det presentert en metode for å karakterisere integrerte OPAer. Detaljer om hvordan du kobler lys, hvordan å kontrollere fase shifters i kretsen og hvordan du bilde utgangen i nær og langt feltet ble gitt. Typiske bilder av utgangsbjelkene i flere OPA-kretser ble vist, inkludert resultatene av strålestyring i to dimensjoner ved en enkelt bølgelengde i nær infrarød. Videre viser vi resultatene av å måle flere enheter med samme design på tvers av en wafer når det gjelder stråledivergens. En ytelsestrend med hensyn til posisjonen på wafer ble funnet, identifisere områder med høy kvalitet fabrikasjon egenskaper.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble finansiert av den franske retning Générale des Entreprises (DGE) via DEMO3S-prosjektet.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 25 ch electrical Probe | Cascade Microtech | InfinityQuad 25ch | |
| 35 mm CCD sensor | Allied Vision | Prosilica GT 6600 | |
| Arduino uno | Arduino | A100066 | |
| laser | Qphotonics | QFLD-905-10S | |
| optical fibre | Corning | HI780 | |
| polarization controller | ThorLabs | FPC023 | |
| prober station | Cascade Microtech | Elite 300 |
References
- Heck, M. J. Highly integrated optical phased arrays: Photonic integrated circuits for optical beam shaping and beam steering. Nanophotonics. 6 (1), 93-107 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jalali, B., Fathpour, S.
- Hulme, J. C. Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam scanner. Optics Express. 23 (5), 5861-5874 (2015).
- 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).
- Poulton, C. V., et al. Large-scale silicon nitride nanophotonic phased arrays at infrared and visible wavelengths. Optics Letters. 42 (1), 21-24 (2017).
- Poulton, C. V., et al. Coherent solid-state LIDAR with silicon photonic optical phased arrays. Optics Letters. 42 (20), 4091-4094 (2017).
- Martin, A., et al. Photonic integrated circuit based FMCW coherent LiDAR. Journal of Lightwave Technology. 36 (19), 4640-4645 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Tyler, N. A., et al. SiN Integrated Photonics for near-infrared LIDAR. 2018 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ). , 63-66 (2018).
- 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).
