Summary
Her beskriver vi driften af et integreret SiN-fotonisk kredsløb, der indeholder optiske faseinddelte arrays. Kredsløbene bruges til at udsende lav divergens laserstråler i den nærmeste infrarøde og styre dem i to dimensioner.
Abstract
Optiske faseinddelte arrays (OPA'er) kan producere lav-divergens laserstråler og kan bruges til at styre emissionvinkel elektronisk uden behov for at flytte mekaniske dele. Denne teknologi er især nyttig til strålestyring applikationer. Her fokuserer vi på OPAs integreret i SiN fotoniske kredsløb for en bølgelængde i den nærmeste infrarøde. En karakteriseringmetode for sådanne kredsløb præsenteres, hvilket gør det muligt at forme udgangsstrålen af integrerede OPA'er og styre. Desuden ved hjælp af en wafer-skala karakterisering setup, kan flere enheder nemt testes på tværs af flere dør på en wafer. På denne måde kan fabrikationsvariationer studeres, og højtydende enheder kan identificeres. Typiske billeder af OPA bjælker vises, herunder bjælker udsendes fra OPA'er med og uden en ensartet waveguide længde, og med varierende antal kanaler. Desuden præsenteres udviklingen af udgangsstråler under faseoptimeringsprocessen og strålestyring i to dimensioner. Endelig udføres en undersøgelse af variationen i stråleafvigelsen af identiske anordninger med hensyn til deres position på waferen.
Introduction
Optiske faseinddelte arrays (OPA'er) er fordelagtige på grund af deres evne til at forme og styre optiske stråler ikke mekanisk - dette er nyttigt i en bred vifte af teknologiske applikationer såsom lysdetektering og spænder (LIDAR), fri rumkommunikation og holografiske displays1. Integrationen af OPA'er i fotoniske kredsløb er af særlig interesse, da det giver en billig løsning til deres fabrikation med et lille fysisk fodaftryk. Integrerede OPA'er er blevet demonstreret med succes ved hjælp af en række forskellige materialesystemer, herunder InP, AlGA'er og silicium2,3,4. Af disse systemer, silicium fotonik er måske den mest bekvemme, på grund af sin høje brydningsindeks kontrast og kompatibilitet med CMOS5. OpA-kredsløb er blevet demonstreret i vid udstrækning i silicium-on-isolator-platformen6,7,8,9,10; Anvendelsen af disse kredsløb begrænses imidlertid både af silicium's bølgelængdegennemsigtighedsvindue og de høje ikke-lineære tab, hvilket fører til en grænse for den tilgængelige optiske udgangseffekt. Vi fokuserer i stedet på OPA'er integreret i SiN, et materiale med lignende egenskaber som silicium i form af CMOS kapacitet og fodaftryk størrelse11,,12. I modsætning til silicium forventes SiN imidlertid at være egnet til en større vifte af applikationer, da gennemsigtighedsvinduet er bredere, ned til mindst 500 nm og takket være den muligvis høje optiske effekt takket være de relativt lave ikke-lineære tab.
Opa-integrationens principper er for nylig blevet demonstreret ved hjælp af SiN8,13,14. Her vil vi udvide disse principper til at demonstrere en metode til at karakterisere og drive integrerede OPA'er til todimensionel strålestyring. I forhold til tidligere demonstrationer af strålestyring i to dimensioner, der er afhængige af tuning af bølgelængde6, kan vores kredsløb fungere på en enkelt bølgelængde. Vi giver først et kort overblik over driftsprincipperne bag OPA'er. Dette efterfølges af en introduktion til de kredsløb, der anvendes i dette arbejde. Endelig er karakteriseringsmetoden beskrevet og typiske billeder af OPA output bjælker præsenteret og diskuteret.
OPA'er består af en række tæt forbundne udledere, der kan behandles individuelt for at styre den optiske fase. Hvis der findes en lineær faserelation på tværs af emitterarrayet, giver interferensmønsteret i det fjerne felt flere klart adskilte maksima - svarende til principperne om multispaltinterferens. Ved at kontrollere omfanget af faseforskellen kan maksimaens position justeres, og dermed udføres strålestyring. I integrerede OPA'er består udledere af tæt fordelte diffraktionsriste, hvor lyset er spredt og udsendes ud af spånplanet. En skematisk illustration af en integreret OPA-anordning er vist i figur 1A,B. Lys er koblet ind i chippen, i dette tilfælde via en optisk fiber, og derefter opdelt i flere kanaler, der hver indeholder en integreret fase skifter. I den anden ende af det optiske kredsløb ender bølgeguiderne i riste og kombineres for at danne OPA. Den resulterende output stråle består af flere interferens maxima, hvoraf den lyseste kaldes den grundlæggende lap og er den, der oftest anvendes i stråle styretøj applikationer. Den grundlæggende laps emissionsretning defineres af de to azimuthalvinkler til den ortogonale projektion af spånplanet, φ og θ, vinkelret og parallelt med retningen af risten. I dette dokument vil φ og θ blive omtalt som henholdsvis de »vinkelrette« og »parallelle« emissionsvinkler. Vinkelrette vinkelφ bestemmes af faseforskellen mellem OPA-kanalerne, og den parallelle vinkel afhænger af outputristens periode.
Vores integrerede kredsløb er fremstillet ved hjælp af Si3N4 waveguides med et tværsnit på 600 x 300 nm2, et design, der blev optimeret til den grundlæggende tværgående elektriske polariseringstilstand af lys ved en bølgelængde på 905 nm. Under bølgeguiderne ligger et 2,5 μm SiO2 bufferlag oven på en siliciumwafer. De termiske faseskiftere blev fremstillet af et 10(100) nm tykt Ti(TiN) lag, der blev brugt til at danne 500 μm lange og 2 μm brede resistive ledninger. I vores kredsløb, en elektrisk effekt på 90 mW er nødvendig for at opnå en fase skift af π. OPA-udgangsristene består af 750 fuldt ætsede perioder med en nominel fyldningsfaktor på 0,5 og en ristperiode på mellem 670 nm og 700 nm. Yderligere oplysninger om platformens design og fabrikation findes i Tyler et al.15,16.
I dette arbejde er to forskellige typer af kredsløb karakteriseret, et passivt kredsløb uden faseskiftende kapaciteter, og et mere komplekst kredsløb, der er designet til at udføre strålestyring i to dimensioner. Styrekredsløbet for todimensionale bjælker er vist i figur 2. Figur 2A indeholder et skema af kredsløbet og Figur 2B viser et mikroskop billede af den fabrikerede enhed. Lyset kommer ind i kredsløbet ved indgangsristen. Derefter når en switching netværk, hvor det kan dirigeres selektivt mod en af fire sub-kredsløb. Hvert underkredsløb opdeler lyset i fire kanaler ved hjælp af MMI (Multimode Interference Devices). Kanalerne indeholder hver en termisk fase skifter og danner en OPA i slutningen af kredsløbet. De fire OPA'er, der stammer fra de fire delkredsløb, omfatter hver en forskellig ristperiode på mellem 670 nm og 700 nm. Disse perioder svarer til azimuthal vinkler parallelt med risten akse, θ, mellem 7 ° og 10°. En mere detaljeret beskrivelse på kredsløbet kan findes i Tyler et al.16.
Den præsenterede karakterisering setup er baseret på en automatiseret sondering station i stand til at udføre en række målinger på mange kredsløb på tværs af en hel wafer. Dette gør det muligt at undersøge præstationsvariationen i forhold til placeringen på waferen og vælge de enheder, der har de optimale egenskaber. Men brugen af en prober station indebærer nogle fysiske begrænsninger for OPA karakterisering ordningen på grund af den relativt lille tilgængelige plads over wafer. Karakteriseringen af optiske faseinddelte arrays kræver billedbehandling af OPA-outputtet i det fjerne felt, som kan udføres på en række måder. For eksempel kan en række linser anvendes i en Fourier billeddannelse system6 eller farfield billede dannet på en Lambertian overflade kan ses i enten refleksion eller transmission. Til vores system valgte vi, hvad vi anså for at være den enkleste og mest kompakte løsning til at placere en stor overflade 35 mm x 28 mm CMOS-sensor uden linser placeret ca. 50 mm over waferoverfladen. På trods af de øgede omkostninger ved en så stor CCD-sensor, giver denne løsning et tilstrækkeligt synsfelt uden brug af linser.
Protocol
1. Præparater
- Klargør følgende eksperimentelle opsætning (Figur 4).
- Brug en computer.
- Brug en kontinuerlig bølge fiber koblet laser kilde. Afhængigt af kredsløbets tab er 1 mW effekt tilstrækkelig. I den præsenterede karakteriseringsopsætning er laserkilden ved en bølgelængde på 905 nm.
- Brug en polariseringscontroller, der er tilpasset laserbølgelængden.
- Brug en kløvet input fiber til at parre lys ind i input ristkoblingen af det optiske kredsløb.
- Brug en elektrisk sonde til at forbinde det elektroniske styrebræt med den elektriske kontakt af det optiske kredsløb.
- Brug et system, der kan styre de 20 fasemodulatorer i det todimensionale styrekredsløb med bjælker. I den præsenterede karakterisering setup, dette system er en brugerdefineret elektronisk bord styres af en Arduino, som er i stand til at anvende individuelt mellem 0 og 200 mW af elektrisk strøm på fase skiftere på det optiske kredsløb. En skematisk af det elektriske kredsløb er vist i figur 3. For hver kanal indeholder kredsløbet en DAC (Digital til Analog Converter), der oversætter den digitale kommandospænding til en analog spænding, der styrer porten til en højeffekttransistor. Varmevarmeren er forbundet til en strømstrømskilde. Ved at styre portspændingen kan strømningen i varmemåtten derfor justeres.
- Brug en bare billedsensor til at afbilde det fjerneste felt af den optiske udgang. I den præsenterede karakteriseringsopsætning er kameraet en 35 mm CCD-sensor.
- Brug et optisk mikroskop for at afbilde chippen til justeringsformål.
- Brug et 3-akset oversættelsestrin og en monter til at montere en 200 mm wafer. I den præsenterede karakterisering setup, denne fase er en rekonfigurerbar sonde system til silicium fotonik.
- Samling af udstyr
- Udstyret samles i henhold til figur 4, og waferen monteres. Afstanden mellem wafer og sensoren skal vælges lille nok til at sikre et billede i høj opløsning af udgangsstrålen, men stor nok til at passe til mindst to interferensmaksima for at kunne finde forholdet mellem sensorpixel og udgangsvinkel, som det vil blive forklaret i protokollens afsnit 4.
- Sørg for, at sensoren og waferen er parallelle. Ellers kan det forfalske beregningaf pixel/outputvinkelberegning. I den præsenterede karakteriseringsopsætning skal du indstille wafersensorafstanden til 5 cm. Hvis der anvendes en dobbelt sensorkonfiguration (som den, der præsenteres her), skal du sørge for, at den nøgne sensor nemt kan fjernes for at give adgang til det optiske mikroskop for at afbilde nærfeltet til fiberjusteringsformål.
- Sørg for, at den elektriske sonde, kamera og optiske fiber ikke rører hinanden. Tilslut de nødvendige elementer til en computer. I den præsenterede opsætning køres sondestationen, CCD-sensoren og det elektriske kredsløb til fasestyringen via en computer og et Python-program for at automatisere måleprocessen.
2. Optisk kobling
- Fiberjustering
- Brug mikroskopet, start med forsigtigt at sænke fiberen, indtil den rører wafer overfladen (væk fra input ristkoblingen for at undgå at beskadige den), og derefter flytte den op omkring 20 μm.
- Når dette er gjort, maksimere lysintensiteten ved udgangsristene. For at gøre dette, begynde at feje fiber position over OPA input rist kobling. Hvis kameraet, der er fastgjort til mikroskopet, reagerer på laserbølgelængden (hvis ikke den bare billedsensor), og hvis fiber- og ristkoblingen er godt justeret, skal lys, der forlader OPA-udgangsristene, være synligt på billedet. Et eksempel kan ses i figur 5A.
- Når lyset ses fra OPA-antennerne, skal polariseringen justeres for at maksimere lysintensiteten ved udgangsristene. Sørg for at undgå bevægelse eller vibrationer fra inputfiberen
- OPA-outputbilledbehandling
- Skift til den yderste feltbilledsensor, og forbedre billedkvaliteten: Juster både sensorens eksponeringstid og lasereffekten på en sådan måde, at OPA-udgangen er tydeligt synlig på kameraet, og strålen ikke mætter sensoren. Et eksempelbillede, der er optaget af sensoren, er vist i figur 5B.
- Hvis det er nødvendigt, skal du dække opsætningen, så baggrundslyset ikke forstyrrer billedet fra OPA-strålen. Generelt, jo svagere baggrundslys, jo lavere laser magt, der kan indstilles.
- Bloker refleksionerne ved at placere et meget reflekterende ark mellem refleksionen og kameraet. Nogle gange, refleksioner stammer fra wafer overflade nå sensoren området og forurene billedet af OPA output (refleksioner kan ske ved indgangen rist).
- Juster polariseringen af indgangslyset for at opnå et klart billede.
3. Beam optimering og styring
BEMÆRK: Dette afsnit beskriver driften af kredsløbet vist i figur 2, og hvordan det kan bruges til at udføre strålestyring i to dimensioner.
- Præparater
- Tilslut det elektriske kredsløb til fasestyringen til en elektrisk sonde med flere kanaler.
- Brug mikroskopet til at forbinde stifterne af den elektriske sonde med metalkontaktpuderne i det optiske kredsløb.
- Reoptimere placeringen af input fiber.
- Skift til langt feltsensoren og billede output.
- Valg af parallelemissionsvinkel θ ved hjælp af koblingsnettet
- Ringresonatorer til koblingsnettet undersøges for at kontrollere emissionsvinklen i θ. Til dette formål skal du observere det fjerneste feltbillede af outputtet, mens du varierer de spændinger, der anvendes på faseskiftere ved ringresonatorerne. Med den korrekte spænding, der påføres hver resonator, lyser et andet område på sensoren, svarende til en vis θværdi, som vist i figur 6B.
- Find spændingerne, hvor ringene er on- og off-resonans. Til dette formål kan et automatiseret script bruges til at feje resonatorspændingerne og registrere intensiteterne på de forskellige θområder på sensoren. Brug fundne spændinger for at få adgang til de forskellige underkredsløb og til at styre udgangsstrålen i θ.
- Valg af ortogonale emissionsvinkel φ ved at optimere OPA-faserne
- Opa-faserne optimer for at forme og styre udgangsstrålen i φ. Til dette formål skal du vælge et lille pixelområde (svarende til den ønskede φ vinkel), der skal belyses med en fokuseret udgangsstråle.
- Maksimer lysstyrken inde i det valgte område ved at køre følgende optimeringsrutinen.
- Skift fasen af en af OPA-kanalerne i små intervaller. Efter hvert skift, registrere en integreret del af lysstyrken i pixel området inde, jegi,og udenfor, jego,af det valgte område. Beregn forholdet R = Jegi / Io. Efter en fuld faseskiftcyklus på mellem 0 og 2π anvendes faseskiftet med det højeste registrerede lysstyrkeforhold R.
- Gentag denne faseoptimeringsproces på den næste OPA-kanal. Forskellige optimeringsalgoritmer kan anvendes, f.eks.
- Gentag optimeringsprocessen ved at optimere faserne, indtil optimeringsprocessen er mættet, og en fokuseret outputstråle er synlig. Eksempel billeder af udgangsstrålen taget under en optimeringsproces er vist i figur 6A. Efter 16 optimeringsrunder er udgangsstrålen en fokuseret stråle synlig.
BEMÆRK: Hvis der er yderligere uventede toppe til stede, kan dette skyldes en tidsmæssigt ustabil kobling ind i kredsløbet under optimeringsprocessen. Dette kan skyldes bevægelse af input fiber og / eller en ustabil polarisering tilstand.
- For at styre udgangsstrålen til en anden φ vinkel skal du vælge et nyt pixelområde og gentage optimeringsprocessen.
4. Bomafvigelsesmålinger og billedanalyse
- Erhvervelse af billede
- Optimer placeringen af inputfiberen. Optag billedet af outputtet i det fjerne felt. Sørg for, at mindst to klare interferensmaksima er synlige.
- Brug justeringssystemet til at flytte waferen for at justere den næste enhed til inputfiberen. Udfør fin justering ved at maksimere den outputintensitet, der registreres af kameraet. Optag outputbillede.
- Gentag ovenstående trin, indtil alle enheder af interesse er blevet karakteriseret. Hvis det valgte optiske kredsløb har mulighed for fasejustering af OPA-kanalerne, skal du udføre en faseoptimeringsrutine, før du optager billederne.
- Billedanalyse
- Kontroller de optagede billeder for falske datapunkter, der opstår som følge af defekte pixel, f.eks. Sletter disse datapunkter, eller erstatte værdierne med typiske værdier.
- KorrelerCC-pixlerne med OPA-udgangsvinklerne φ og θ som følger.
- Vinkelafstanden Δφ mellem interferensmaksimaen beregnes i henhold til OPA-konstruktionen med Δφ = sin-1(λ/d) [°], hvor λ er bølgelængden, og d er den laterale hældning mellem OPA-ristene. Passer to gaussiske kurver til de to interferens maxima og bestemme placeringen af de to centre, P1 og P2. Da afstanden (i pixel) mellem de to centre, N = P2 - P1, forventes at svare til Δφ, får vi en omregningsfaktor c mellem pixel og vinkel c = Δφ/N [°/pixel], som kan bruges til at opnå en relativ vinkelrelation mellem pixel.
- Anskaf omregningsfaktoren, c, via en nøjagtig måling af afstanden mellem waferoverfladen og sensoren og pixelstørrelsen (5,5*5,5 μm for den sensor, der anvendes her).
- Anslå de absolutte outputvinkler i φ og θ for en af CCD-pixlerne. Indstil strålecentret i θ til den forventede emissionsvinkel i henhold til simuleringer. For at vælge den absolutte værdi i φ, optimere strålen for flere vinkler i φ ved at justere OPA faser, og registrere intensiteten af de vigtigste lap for hver vinkel. Ifølge OPA teori, de vigtigste lap er mest intens (og intensiteten i sidelapper minimeret) når udsender ved φ = 0 °. Sæt derfor pixlen i midten af bjælken med den maksimale registrerede stråleintensitet til φ = 0°. Brug denne pixel og konverteringsfaktoren til at tildele absolutte vinkler til alle pixel i billedet.
- Hvis der er tale om en udgangsstråle med betydelig hældning i forhold til den lodrette akse, og hvis stråleafvigelsen og -positionen skal måles meget nøjagtigt, vippes kameraet til for at være helt vinkelret på udgangsstrålen. Ellers er det også muligt at anvende en korrektionsfaktor på den målte strålestørrelse ved at beregne projektionen af strålen på sensoren afhængigt af vinklen mellem udgangsstrålen og kameraplanet.
- Beregning af bomafvigelsen
- Uddrag tværsnit på tværs af midten af den grundlæggende stråle langs φ og θ.
- Passer to gaussiske kurver til tværsnit og uddrag fuld bredde-at-halv-maxima som et mål for stråle divergens φdiv og θdiv.
- Den forventede strålebredde φdiv = λ/Nd [°], hvor λ er bølgelængden og d den laterale afstand mellem OPA-ristene.
- Anslå stråleafvigelsen θdiv ved at udføre FDTD simuleringer af udgangsristene.
- Automatisk testning
- Hvis karakteriseringsbænken (som den, der præsenteres her) kan udføre automatiserede målinger, skal du udføre nogle yderligere trin. Først skal du opnå spåndimensionerne og koordinaterne for de målte strukturer fra kredsløbets layout. Derefter indtaste disse værdier til bænken kontrol software. Derfor, når input fiber er blevet justeret på den første testede struktur (som beskrevet i afsnit 2.1), kan bænken skifte automatisk fra en struktur til en anden via en oversættelse af wafer.
Representative Results
I dette afsnit vises flere i operando billeder af OPA bjælker. Disse omfatter billeder i den nærmeste og langt felt af strålen, OPA output bjælker før og efter fase optimering, og bjælker med et varierende antal OPA kanaler.
Et billede af strålens nærmeste felt, der er optaget ved hjælp af mikroskopet, kan ses i figur 5A. Billedet viser et passivt OPA-kredsløb med et stort antal kanaler, og det lys, der udsendes ved OPA-ristene, er tydeligt synligt. Dette kredsløb producerer et interferensmønster i det fjerne felt, som blev optaget ved hjælp af CCD-sensoren. Sensorbilledet er angivet i figur 5B og viser både den grundlæggende lap samt en sidelap. Sensorens eksponeringstid, lasereffekten og baggrundslyset er optimeret til at give et klart billede. De to maksima er adskilt med 17,6°, beregnet efter ligningen i protokolpunkt 4.2.2.1. Bemærk, at i dette design er alle waveguides af samme længde, og derfor er der ingen signifikant faseforskel mellem kanalerne. Som følge heraf er interferensmaksimaen klart adskilt. Et eksempel på et OPA-kredsløb med en uregelmæssig faseforskel mellem kanalerne er præsenteret nedenfor.
For at observere klare interferensmaksima i OPA-udgangsmønstret kræves der en lineær faseforskel mellem OPA-kanalerne. Men når længden af bølgeguiderne mellem indgangen og udgangsristene varierer fra kanal til kanal, vil interferensmønsteret vise flere, uregelmæssige interferenssektioner langs en lige linje i retningvinkelret på ristens retning (dvs. langs vinkelφ). Et eksempel på et sådant outputmønster findes i øverste venstre billede af figur 6A. Det viser langt-felt output af en 16-kanals OPA med en uensartet waveguide længde mellem input og output riste. Heldigvis har dette OPA design faseskiftere inkluderet i hver kanal, så faserne kan justeres individuelt og udgangsstrålen formet. Efter optimering af faserne som beskrevet i protokolafsnit 3.3 danner udgangsbjælken et klart maksimum. Figur 6A viser, hvordan udgangsstrålen udvikler sig under optimeringsprocessen. Bemærk, at der findes yderligere interferensmaksima uden for sensorområdet. Desuden bemærker vi, at stråleafvigelsen for OPA med 16 kanaler er meget bredere end den, der ses i figur 5B. Denne effekt forventes og skyldes en betydelig reduktion i kanalnummeret.
I det følgende vil driften af det optiske kredsløb til OPA-styring i to dimensioner blive drøftet, for nærmere oplysninger om kredsløbet se figur 2. For det første blev koblingsnettets ringspændinger kalibreret for at dirigere lyset til de forskellige underkredsløb, der hver indeholder en OPA. Da de fire OPA'er hver især omfatter en forskellig ristperiode, resulterer det, at udgangsstrålen udsendes i forskellige vinkelvinkler. Dette er vist i figur 6B, som indeholder de fjernbilleder, der registreres, når lysvejen ændres ved hjælp af koblingsnetværkets ringresonatorer. Billederne viser, at den 'parallelle' emissionsvinkel, θ, ændres, da hver enkelt resonator er indstillet på resonans med indgangslyset, mens de andre resonatorer ikke resonanser. Vores kredsløb var designet til at få adgang til fire forskellige θ vinkler, men på grund af en designfejl i koblingsnetværket var det kun muligt at betjene tre af ringresonatorerne. Fra output billeder, kan vi se, at interferens mønster er uregelmæssig og ingen klare maksima er synlige. For at styre og forme udgangsstrålen i den vinkelrette emissionsvinkel ,φ, blev OPA-faserne justeret og optimeret.
Et eksempel billede af en optimeret udgangsstråle af det todimensionale strålestyrekredsløb er vist i figur 7A. To interferens maksima er klart synlige, svarende til hovedlap og en af sidefliperne. Det øverste billede i Figur 7A viser et varmekort over den optagede lysstyrke ved sensoren versus pixelnummeret. For at bestemme outputvinklen blev billedet behandlet som beskrevet i protokollens afsnit 4.2, og forholdet mellem pixeltal og outputvinkel blev bestemt. Det kalibrerede billede af stråleintensitet versus vinkel vises på det nederste billede af figur 7A.
I det følgende vil strålen styreresultaterne blive drøftet. OPA-strålen blev styret med succes i et område på 17,6° × 3° (φ × θ), eksempeldata er vist i figur 7B og figur 7C. Figur 7B viser billeder af strålen, der styres i φ, samtidig med at konstanten holdes på 8°. Dette blev opnået ved først at få adgang til OPA svarende til en parallel emissionsvinkel på θ = 8° og efterfølgende variere de optiske faser for at ændre den vinkelrette emissionsvinkel, φ. Normaliserede intensitetsområder for den grundlæggende stråle, der styres til tre forskellige udgangspositioner i θ, er vist i figur 7Cmed en fast vinkelret emissionsvinkel på φ = -2,5° og varierende mellem 7° og 9°. Som tidligere blev den parallelle emissionsvinkel θ kontrolleret ved hjælp af ringresonatornettet til at skifte mellem OPA'erne. Efter OPA-valget blev OPA-faserne optimeret til at udsende ved φ = -2,5°.
Endelig blev stråleafvigelsen bestemt ved at montere to gaussiske kurver langs φ og θ som beskrevet i protokol punkt 4.3. Fwhm tjener som et mål for stråleafvigelsen og blev målt til at være 4,3° i φ og 0,7° i θ for emissionsvinkler på φ = -2,5° og θ = 8°, se figur 8A. Disse værdier er i god overensstemmelse med de forventede værdier på henholdsvis 4,3° og 0,6° i φ og θ for en opa med fire kanaler som beskrevet i protokollens punkt 4.3.3 og 4.3.4. Ud over at fastslå forskellen på en opa med fire kanaler undersøgte vi forskellene mellem et OPA-design med et langt større antal kanaler. Forskellen mellem en passiv OPA bestående af 128 kanaler med et design svarende til det, der er vist i figur 5A,blev målt. For at teste for fabrikation variationer på tværs af en wafer, lancerede vi en automatisk scanning for at karakterisere 42 enheder med identiske designs. De optagede billeder blev analyseret med hensyn til stråleafvigelsen. Afvigelsen i φ versus anordningens position på waferen er vist i figur 8B. De målte værdier ligger mellem 0,19° og 0,37° og er lidt større end den forventede værdi på 0,14°. Dette kan forklares ved fasefejl i de enkelte OPA-kanaler. Alle waveguides i designet er af samme længde, og derfor teoretisk set bør der ikke opstå faseforskelle mellem OPA-kanalerne. Fabrikationsfejl resulterer imidlertid i ukontrollerede faseskift, når lyset bevæger sig fra indgangen til udgangsristene, hvilket fører til en udvidelse af udgangsstrålen. På grund af fraværet af faseskiftere i kredsløbet var det ikke muligt at kompensere for disse fejl. Som nævnt er θvinklen defineret af antenneristgeometrien. Derfor kan fabrikationsvariationer (SiN-filmhøjde og strukturerlaterale dimensionsafvigelse) påvirke OPA's udgangsvinkel, θ. Sådanne variationer er blevet karakteriseret på 40 enheder på tværs af hele wafer. Takket være den meget velkontrollerede CMOS fabrikationsproces er der fundet en ubetydelig 3σ (tre gange standardafvigelsen) på 0,156°.
Figur 1: Illustration af integreret OPA. (A) OPA-udgangens førsteordens interferenslap forlader kredsløbet i to azimuthalvinkler til spånplanets ortogonale projektion, φ og θ, vinkelret og parallelt med retningen af risten. (B) Topvisning af en OPA, der viser dens vigtigste konstituerende elementer. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Skematisk og mikroskopbillede af det integrerede optiske kredsløb til todimensionel strålestyring. (A) Kredsløb, der indeholder et koblingsnetværk, der er forbundet med fire underkredsløb, og som hver udgør en OPA. Udgangsområdet indeholder fire OPA'er med fire forskellige ristperioder og dermed emissionsvinkler i θ. (B) Mikroskopbillede af det kredsløb, der er beskrevet i (A), fremstillet ved hjælp af SiN-bølgeguider og Ti/TiN termiske faseskiftere. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Elektrisk kredsløb til at anvende elektriske kræfter mellem 0 mW og 200 mW. Denne skematisk repræsenterer et elektrisk kredsløb, som individuelt kan anvende spændinger på faseskiftere i det optiske kredsløb og aflæse deres elektriske strøm efter spænding ansøgning. I vores optiske kredsløb består faseskifterne af elektriske ledninger med en modstand på 1,3 kΩ. En elektrisk effekt på 90 mW er nødvendig for at opnå en optisk fase skift af π. Kredsløbet styres via en Arduino mikrocontroller. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Eksperimentel opsætning til OPA kredsløbskarakterisering. AA) Skema af forsøgssættet. BB) Billede af forsøget. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Nær- og farfeltbilleder af udgangsstrålen. (A) Nær feltbillede af et OPA-kredsløb. Lys ved en bølgelængde på 905 nm kobles ind i kredsløbet via en fiber og en indgangsrist. Spredning af lys inde i waveguides giver os mulighed for at se kredsløbet design. For enden af et MMI-træ udsendes lyset ved OPA-ristene. (B) Langt feltbillede af kredsløbets output vist i (A). Der er to interferensmaksima er synlige på sensoren. Ifølge OPA teori, er maxima adskilt af 17.6°. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: OPA-stråleoptimering og -skift af netværksdrift. (A) OPA stråle optimering af en 16-kanals OPA ved hjælp af faseskiftere. Fjernbilleder vises efter hvert optimeringstrin. Efter optimering af alle 16 kanaler danner strålen en hovedinterferens maksimal inde i sensorområdet. (B)Ved hjælp af et koblingsnet bestående af ringresonatorer er der adgang til forskellige OPA'er, der hver omfatter en forskellig ristperiode. De forskellige ristperioder resulterer i, at udgangsstrålen udsender i forskellige vinkelvinkler. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: Karakterisering af det todimensionelle strålestyrekredsløb. (A) Pixel til vinkelkonvertering af de optagede billeddata. Beamstyreresultater i φ og i θ er vist i henholdsvis(B) og (C). Dette tal er blevet ændret fra Tyler et al.16. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8: OPA-bomafvigelsesmålinger. (A) Beam divergens analyse af en 4-kanals OPA. Dette tal er blevet ændret fra Tyler et al.16. (B) Wafer kort over målte forskelle i φ af en 128 kanal OPA design. Klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
Vi har præsenteret en metode til at karakterisere en integreret OPA. Den største fordel ved metoden er evnen til nemt at sonde flere dør på tværs af en wafer, at kigge efter fabrikation variationer og til at identificere højtydende enheder. Dette fremgår af figur 8B. Fra waferscanning, bliver det klart, at den nederste halvdel af wafer udstiller enheder med lavere stråle afvigelser. Dette kan forklares ved en højere bølgeguidekvalitet i dette område, hvilket reducerer tilfældige faseskift og dermed stråleafvigelsen.
Ved hjælp af et stort område CCD sensor til at billedet langt felt output er en bekvem metode til at billedet den ledige plads output af integrerede kredsløb, da det nemt kan føjes til de fleste karakterisering set-ups på grund af deres kompakte størrelse i forhold til de ofte anvendte, bulkier, Fourier-imaging systemer6.
For at sikre en høj nøjagtighed af strålevinklen og divergensmåling, skal der udvises særlig forsigtighed under kameraet - OPA justering. Desuden er OPA-responsen følsom over for fase- og polariseringsustabilitet under kalibreringen. Derfor skal alle kilder til forstyrrelser styres: bevægelse / vibration af injektionsfiberen, lasertemperatur, indkommende lyspolarisering osv.
Sammenfattende blev der fremlagt en metode til at karakterisere integrerede OPA'er. Detaljer om, hvordan man parlys, hvordan man styrer faseskiftere i kredsløbet, og hvordan man billede output i den nærmeste og det fjerne felt blev givet. Typiske billeder af udgangsstrålerne fra flere OPA-kredsløb blev vist, herunder resultaterne af strålestyring i to dimensioner ved en enkelt bølgelængde i den nærmeste infrarøde. Desuden viser vi resultaterne af at måle flere enheder med samme design på tværs af en wafer med hensyn til stråledivergens. Der blev fundet en præstationstendens med hensyn til placeringen på waferen, der identificerede områder med fabrikationsegenskaber af høj kvalitet.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev finansieret af den franske Direction Générale des Entreprises (DGE) via DEMO3S-projektet.
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. Silicon photonics. Journal of Lightwave Technology. 24 (12), 4600-4615 (2006).
- 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).
