Summary
Hier beschrijven we de werking van een SiN geïntegreerd fotonisch circuit met optische gefaseerde arrays. De circuits worden gebruikt om lage divergentie laserstralen uit te zenden in de buurt infrarood en sturen ze in twee dimensies.
Abstract
Optische gefaseerde arrays (OPA's) kunnen laserstralen met lage divergentie produceren en kunnen worden gebruikt om de emissiehoek elektronisch te regelen zonder dat mechanische onderdelen hoeven te worden verplaatst. Deze technologie is vooral handig voor beam steering toepassingen. Hier richten we ons op OPA's geïntegreerd in SiN fotonische circuits voor een golflengte in het nabije infrarood. Een karakteriseringsmethode van dergelijke circuits wordt gepresenteerd, waardoor de uitvoerstraal van geïntegreerde OPA's kan worden gevormd en gestuurd. Bovendien, met behulp van een wafer-schaal karakterisering setup, verschillende apparaten kunnen gemakkelijk worden getest over meerdere matrijzen op een wafer. Op deze manier kunnen fabricagevariaties worden bestudeerd en high-performance apparaten worden geïdentificeerd. Typische beelden van OPA-balken worden getoond, inclusief balken die worden uitgezonden door OPA's met en zonder een uniforme golfgeleiderlengte en met verschillende aantallen kanalen. Daarnaast wordt de evolutie van de output balken tijdens de fase optimalisatie proces en beam steering in twee dimensies gepresenteerd. Ten slotte wordt een studie uitgevoerd naar de variatie in de bundeldivergentie van identieke apparaten met betrekking tot hun positie op de wafer.
Introduction
Optische gefaseerde arrays (OPA's) zijn voordelig vanwege hun vermogen om niet-mechanisch optische balken vorm te geven en te sturen - dit is handig in een breed scala aan technologische toepassingen, zoals lichtdetectie en variërend (LIDAR), vrije ruimtecommunicatie en holografische displays1. De integratie van OPA's in fotonische circuits is van bijzonder belang, omdat het een goedkope oplossing biedt voor hun fabricage met een kleine fysieke voetafdruk. Geïntegreerde OPA's zijn met succes aangetoond met behulp van een aantal verschillende materiaalsystemen, waaronder InP, AlGaAs en silicium2,3,4. Van deze systemen, silicium fotonica is misschien wel de meest handige, vanwege de hoge brekingsindex contrast en compatibiliteit met CMOS5. Opa-circuits zijn immers uitgebreid gedemonstreerd in het silicium-op-isolatorplatform6,7,8,9,10; De toepassing van deze schakelingen wordt echter beperkt door zowel het golflengtetransparantievenster van silicium als de hoge niet-lineaire verliezen, die leiden tot een beperking van het beschikbare uitgangsoptische vermogen. We richten ons in plaats daarvan op OPA's geïntegreerd in SiN, een materiaal met vergelijkbare eigenschappen als silicium in termen van CMOS-capaciteit en voetafdrukgrootte11,12. In tegenstelling tot silicium is SiN echter naar verwachting geschikt voor een groter scala aan toepassingen, aangezien het transparantievenster breder is, tot ten minste 500 nm, en dankzij het mogelijk hoge optische vermogen dankzij de relatief lage niet-lineaire verliezen.
De opdrachtgevers van opa-integratie zijn onlangs aangetoond met behulp van SiN8,13,14. Hier zullen we deze principes uitbreiden om een methode aan te tonen om geïntegreerde OPA's te karakteriseren en te bedienen voor tweedimensionale bundelbesturing. In vergelijking met eerdere demonstraties van straalbesturing in twee dimensies die afhankelijk zijn van de afstemming van de golflengte6,kan ons circuit op één golflengte werken. We geven eerst een kort overzicht van de operationele principes achter OPA's. Dit wordt gevolgd door een inleiding tot de circuits die in dit werk worden gebruikt. Ten slotte wordt de karakteriseringsmethode beschreven en worden typische afbeeldingen van OPA-uitvoerbalken gepresenteerd en besproken.
OPA's bestaan uit een reeks dicht bij elkaar gelegen zenders die individueel kunnen worden aangepakt om de optische fase te controleren. Als er een lineaire faserelatie bestaat over de zenderarray, levert het interferentiepatroon in het verre veld verschillende duidelijk gescheiden maxima op - vergelijkbaar met de principes van interferentie met meerdere spleten. Door de omvang van het faseverschil te regelen, kan de positie van de maxima worden aangepast en dus de bundelbesturing worden uitgevoerd. In geïntegreerde OPA's bestaan uit dicht op elkaar staande diffractieroosters waar het licht wordt verspreid en uit het chipvlak wordt uitgezonden. Een schematische illustratie van een geïntegreerd OPA-apparaat wordt weergegeven in figuur 1A,B. Licht wordt gekoppeld aan de chip, in dit geval via een optische vezel, en wordt vervolgens verdeeld in meerdere kanalen, elk met een geïntegreerde fase shifter. Aan de andere kant van het optische circuit eindigen de golfgeleiders in roosters en vormen ze samen de OPA. De resulterende output straal bestaat uit meerdere interferentie maxima, waarvan de helderste wordt aangeduid als de fundamentele kwab en is de meest gebruikte in beam steering toepassingen. De emissierichting van de fundamentele kwab wordt bepaald door de twee azimutale hoeken ten opzichte van de orthogonale projectie van het spaanvlak, φ en γ, loodrecht en parallel aan de oriëntatie van het rooster respectievelijk. In dit document worden φ en γ respectievelijk de "loodrechte" en "parallelle" emissiehoeken genoemd. De loodrechte hoek φ wordt bepaald door het faseverschil tussen de OPA-kanalen en de parallelle hoek is afhankelijk van de periode van de uitvoerroosters.
Onze geïntegreerde schakelingen zijn vervaardigd met behulp van Si3N4 golfgeleiders met een dwarsdoorsnede van 600 x 300 nm2, een ontwerp dat werd geoptimaliseerd voor de fundamentele dwarse elektrische polarisatie modus van licht op een golflengte van 905 nm. Onder de golfgeleiders ligt een 2,5 μm SiO2 bufferlaag bovenop een siliciumwafer. De thermische faseshifters werden gemaakt van een 10(100) nm dikke Ti(TiN) laag die werd gebruikt om 500 μm lange en 2 μm brede weerstandsdraden te vormen. In onze circuits is een elektrisch vermogen van 90 mW nodig om een faseverschuiving van π te realiseren. De OPA-uitvoerroosters bestaan uit 750 volledig geëtste perioden met een nominale vulfactor van 0,5 en een roosterperiode tussen 670 nm en 700 nm. Verdere informatie over het ontwerp en fabricage van het platform wordt gegeven in Tyler et al.15,16.
In dit werk worden twee verschillende soorten circuits gekenmerkt, een passief circuit zonder faseverschuivingsmogelijkheden en een complexer circuit, ontworpen om bundelbesturing in twee dimensies uit te voeren. Het tweedimensionale bundelstuurcircuit wordt weergegeven in figuur 2. Figuur 2A bevat een schema van het circuit en figuur 2B toont een microscoopbeeld van het gefabriceerde apparaat. Het licht komt het circuit binnen bij het invoerrooster. Het bereikt dan een schakelnetwerk waar het selectief kan worden gerouteerd naar een van de vier subcircuits. Elk subcircuit splitst het licht in vier kanalen met behulp van multimode interferentie-apparaten (MMI). De kanalen bevatten elk een thermische faseshifter en vormen een OPA aan het einde van het circuit. De vier OPA's afkomstig van de vier subcircuits omvatten elk een verschillende roosterperiode tussen 670 nm en 700 nm. Deze perioden komen overeen met azimutische hoeken parallel aan de roosteras, γ, tussen 7° en 10°. Een meer gedetailleerde beschrijving op het circuit is te vinden in Tyler et al.16.
De gepresenteerde karakterisering setup is gebaseerd op een geautomatiseerde indringende station in staat het uitvoeren van een reeks metingen op vele circuits over een hele wafer. Dit maakt het mogelijk om de prestatievariatie ten opzichte van de positie op de wafer te bestuderen en de apparaten met de optimale eigenschappen te selecteren. Het gebruik van een prober station impliceert echter een aantal fysieke beperkingen voor de OPA-karakteriseringsregeling vanwege de relatief kleine beschikbare ruimte boven de wafer. De karakterisering van optische gefaseerde arrays vereist beeldvorming van de OPA-uitgang in het verre veld, die op een aantal manieren kan worden uitgevoerd. Een reeks lenzen kan bijvoorbeeld worden gebruikt in een Fourier imaging system6 of het farfield-beeld dat op een Lamberts oppervlak is gevormd, kan worden bekeken in reflectie of transmissie. Voor ons systeem hebben we gekozen voor wat we beschouwden als de eenvoudigste en meest compacte oplossing van het plaatsen van een groot oppervlak 35 mm x 28 mm CMOS sensor zonder lenzen geplaatst ongeveer 50 mm boven de wafer oppervlak. Ondanks de gestegen kosten van zo'n grote CCD-sensor, maakt deze oplossing een voldoende gezichtsveld mogelijk zonder het gebruik van lenzen.
Protocol
1. Voorbereidingen
- Bereid de volgende experimentele opstelling voor (figuur 4).
- Gebruik een computer.
- Gebruik een continue golf vezel gekoppeldlaserbron. Afhankelijk van de circuitverliezen volstaat 1 mW vermogen. In de gepresenteerde karakterisering setup, de laser bron is op een golflengte van 905 nm.
- Gebruik een polarisatiecontroller aangepast voor de lasergolflengte.
- Gebruik een gespleten ingangsvezel om licht te koppelen aan de ingangsroosterkoppeling van het optische circuit.
- Gebruik een elektrische sonde om de elektronische bedieningsplaat aan te sluiten op het elektrische contact van het optische circuit.
- Gebruik een systeem dat de 20 fase modulatoren van het tweedimensionale bundelstuurcircuit kan regelen. In de gepresenteerde karakterisering setup, dit systeem is een aangepaste elektronische raad gecontroleerd door een Arduino, die in staat is om individueel toe te passen tussen 0 en 200 mW van elektrische energie op de fase shifters op het optische circuit. Een schema van het elektrische circuit wordt weergegeven in figuur 3. Voor elk kanaal bevat het circuit een DAC (Digital to Analog Converter) die de digitale commandospanning vertaalt naar een analoge spanning die de poort van een high-power transistor regelt. De kachel is aangesloten op een hoogvermogen stroombron. Door de spanning van de poort te regelen, kan de stroom in de kachel worden aangepast.
- Gebruik een kale beeldsensor om het verre veld van de optische uitgang in beeld te brengen. In de gepresenteerde karakteriseringsetup is de camera een 35 mm CCD-sensor.
- Gebruik een optische microscoop om de chip in beeld te brengen voor uitlijningsdoeleinden.
- Gebruik een 3-assige vertaalfase en monteer om een wafer van 200 mm te monteren. In de gepresenteerde karakterisering setup, deze fase is een herconfigureerbare sonde systeem voor silicium fotonica.
- Montage van apparatuur
- Monteer de apparatuur volgens figuur 4 en monteer de wafer. De afstand tussen wafer en de sensor moet klein genoeg worden gekozen om een hoge resolutie beeld van de uitgangsbundel te garanderen, maar groot genoeg om ten minste twee interferentie maxima passen om de relatie tussen sensorpixels en uitgangshoek te kunnen vinden, zoals zal worden uitgelegd in sectie 4 van het protocol.
- Zorg ervoor dat de sensor en de wafer parallel zijn; anders kan het de berekening van de berekening van de pixel/uitvoerhoekberekening vervalsen. Stel in de gepresenteerde karakteriseringsopstelling de afstand van de wafersensor in op 5 cm. Als een dubbele sensor configuratie wordt gebruikt (zoals hier gepresenteerd), ervoor te zorgen dat de kale sensor gemakkelijk kan worden verwijderd om toegang te geven tot de optische microscoop om het nabije veld beeld voor vezel uitlijning doeleinden.
- Zorg ervoor dat de elektrische sonde, camera en optische vezel elkaar niet raken. Maak vereiste elementen verbinding met een computer. In de gepresenteerde opstelling worden het sondestation, de CCD-sensor en het elektrische circuit voor de faseregeling aangedreven via een computer en een Python-programma om het meetproces te automatiseren.
2. Optische koppeling
- Vezeluitlijning
- Met behulp van de microscoop, beginnen met het zorgvuldig verlagen van de vezel totdat het raakt de wafer oppervlak (uit de buurt van de input rooster koppeling om te voorkomen dat het beschadigen), en dan verplaatsen tot ongeveer 20 μm.
- Wanneer dit is gedaan, maximaliseer de lichtintensiteit bij de uitgangroosters. Om dit te doen, beginnen met het vegen van de vezel positie over de OPA input rooster koppeling. Als de camera die aan de microscoop is bevestigd, reageert op de lasergolflengte (als u de kale beeldsensor niet gebruikt) en als de vezel en roosterkoppeling goed zijn uitgelijnd, moet het licht dat bij de OPA-uitvoerroosters wordt verlaten, zichtbaar zijn op het beeld. Een voorbeeld is te zien in figuur 5A.
- Wanneer licht wordt gezien van de OPA-antennes, past u de polarisatie aan om de lichtintensiteit bij de uitvoerroosters te maximaliseren. Zorg ervoor dat u beweging of trillingen van de ingangsvezel vermijdt
- OPA-uitvoerbeeldvorming
- Schakel over naar de ver-veld imaging sensor en verbeter de beeldkwaliteit: Pas zowel de belichtingstijd van de sensor als de laserkracht zodanig aan dat de OPA-uitgang duidelijk zichtbaar is op de camera en de straal de sensor niet verzadigt. Een voorbeeldbeeld dat door de sensor is opgenomen, wordt weergegeven in figuur 5B.
- Dek indien nodig de installatie af, zodat het achtergrondlicht het beeld van de OPA-straal niet verstoort. Over het algemeen geldt: hoe zwakker het achtergrondlicht, hoe lager de laserkracht die kan worden ingesteld.
- Blokkeer de reflecties door een sterk reflecterend vel tussen de reflectie en de camera te plaatsen. Soms bereiken reflecties afkomstig van het waferoppervlak het sensorgebied en besmetten ze het beeld van de OPA-uitgang (reflecties kunnen plaatsvinden bij het invoerrooster).
- Pas de polarisatie van het invoerlicht aan om een duidelijk beeld te verkrijgen.
3. Straaloptimalisatie en -besturing
OPMERKING: In deze sectie wordt de werking van het circuit in figuur 2 beschreven en hoe het kan worden gebruikt om bundelbesturing in twee dimensies uit te voeren.
- Preparaten
- Sluit het elektrische circuit voor de faseregeling aan op een meerkanaals elektrische sonde.
- Sluit met behulp van de microscoop de pinnen van de elektrische sonde aan op de metalen contactpads van het optische circuit.
- Optimaliseer de positie van de invoervezel opnieuw.
- Schakel over naar de verre veldsensor en beeld de uitvoer uit.
- Selectie van de parallelle emissiehoek met behulp van het schakelnetwerk
- Bestudeer de ringresonators van het schakelnetwerk om de emissiehoek in de hand te houden. Let hiervoor op het verre veldbeeld van de uitgang, terwijl de spanningen die worden toegepast op de faseshifters bij de ringresonators variëren. Met de juiste spanning die op elke resonator wordt toegepast, wordt een ander gebied op de sensor verlicht, wat overeenkomt met een bepaalde waarde, zoals weergegeven in figuur 6B.
- Zoek de spanningen waar de ringen zijn aan- en off-resonantie. Hiervoor kan een geautomatiseerd script worden gebruikt om de resonatorspanningen te vegen en de intensiteiten op de verschillende gebieden op de sensor vast te leggen. Gebruik gevonden spanningen om toegang te krijgen tot de verschillende subcircuits en om de uitgangsstraal in te sturen.
- Selectie van de orthogonale emissiehoek φ door het optimaliseren van de OPA-fasen
- Optimaliseer de OPA-fasen om de uitvoerbalk in φ vorm en besturing te geven. Selecteer hiervoor een klein pixelgebied (dat overeenkomt met de gewenste φ-hoek) dat moet worden verlicht met een gerichte uitvoerbalk.
- Maximaliseer de helderheid in het gekozen gebied door de volgende optimalisatieroutine uit te voeren.
- Verplaats de fase van een van de OPA-kanalen in kleine stappen. Na elke shift, opnemen van de integraal van de helderheid in het pixelgebied binnen, Ii, en buiten, Io, van het geselecteerde gebied. Bereken de verhouding R = Ii / Io. Pas na een volledige faseverschuivingscyclus tussen 0 en 2π de faseverschuiving toe met de hoogste opgenomen helderheidsverhouding R.
- Herhaal dit faseoptimalisatieproces op het volgende OPA-kanaal. Er kunnen verschillende optimalisatiealgoritmen worden gebruikt, zoals een heuvelklimmen.
- Herhaal het optimalisatieproces door de fasen te optimaliseren totdat het optimalisatieproces verzadigd is en een gerichte uitvoerstraal zichtbaar is. Voorbeeldafbeeldingen van de uitvoerstraal die tijdens een optimalisatieproces is gemaakt, worden weergegeven in figuur 6A. Na 16 optimalisatierondes is de uitvoerstraal zichtbaar.
OPMERKING: Als er extra onverwachte pieken aanwezig zijn, kan dit het gevolg zijn van een tijdelijk instabiele koppeling in het circuit tijdens het optimalisatieproces. Dit kan te wijten zijn aan de beweging van de input vezel en / of een instabiele polarisatie staat.
- Om de uitvoerstraal naar een andere φ-hoek te sturen, selecteert u een nieuw pixelgebied en herhaalt u het optimalisatieproces.
4. Bundeldivergentiemetingen en beeldanalyse
- Beeldacquisitie
- Optimaliseer de positie van de invoervezel. Neem de afbeelding van de uitvoer in het verre veld op. Zorg ervoor dat er ten minste twee duidelijke interferentiemaxima zichtbaar zijn.
- Verplaats de wafer met behulp van het uitlijningssysteem om het volgende apparaat uit te lijnen op de invoervezel. Voer een fijne uitlijning uit door de uitvoerintensiteit die door de camera wordt opgenomen, te maximaliseren. Uitvoerafbeelding opnemen.
- Herhaal de bovenstaande stap totdat alle apparaten van belang zijn gekenmerkt. Als het geselecteerde optische circuit de mogelijkheid heeft om de OPA-kanalen geleidelijk aan af te passen, voert u een faseoptimalisatieroutine uit voordat u de beelden opneemt.
- Beeldanalyse
- Controleer de opgenomen beelden op valse gegevenspunten die voortvloeien uit defecte pixels, zoals dode of hete pixels. Wis deze gegevenspunten of vervang de waarden door typische waarden.
- Correleer de CCD-pixels als volgt naar OPA-uitvoerhoeken φ en γ.
- Bereken de hoekafstand Δφ tussen de interferentiemaxima volgens het OPA-ontwerp met δφ = zonde-1(λ/d) [°], waarbij λ de golflengte is en d de zijdelingse toonhoogte tussen de OPA-roosters. Pas twee Gaussische krommen aan de twee interferentiemaxima en bepaal de posities van de twee centra, P1 en P2. Aangezien de afstand (in pixels) tussen de twee centra, N = P2 - P1,naar verwachting overeenkomt met Δφ, verkrijgen we een conversiefactor c tussen pixel en hoek c = Δφ/N [°/pixel], die kan worden gebruikt om een relatieve hoekrelatie tussen pixels te verkrijgen.
- Verkrijg de conversiefactor, c, via een nauwkeurige meting van de afstand tussen het waferoppervlak en de sensor, en de pixelgrootte (5,5*5,5μm voor de hier gebruikte sensor).
- Schat de absolute uitvoerhoeken in φ en γ voor een van de CCD-pixels. Stel het straalcentrum in op de verwachte emissiehoek volgens simulaties. Om de absolute waarde in φ te kiezen, optimaliseert u de bundel voor verschillende hoeken in φ door de OPA-fasen aan te passen en registreert u de intensiteit van de hoofdkwab voor elke hoek. Volgens de OPA-theorie is de hoofdkwab het meest intens (en de intensiteit in de zijkwabben geminimaliseerd) bij het uitstoten van φ = 0°. Stel daarom de pixel in het midden van de balk in met de maximale geregistreerde bundelintensiteit, op φ = 0°. Gebruik deze pixel en de conversiefactor om absolute hoeken toe te wijzen aan alle pixels van de afbeelding.
- In het geval van een uitvoerstraal met een aanzienlijke kanteling ten opzichte van de verticale as, en als de bundeldivergentie en -positie zeer nauwkeurig moeten worden gemeten, kantelt u de camera om perfect loodrecht op de uitgangsstraal te staan. Anders is het ook mogelijk om een correctiefactor toe te passen op de gemeten bundelgrootte door de projectie van de bundel op de sensor te berekenen, afhankelijk van de hoek tussen de uitvoerstraal en het cameravlak.
- Berekening van de balkdivergentie
- Haal dwarsdoorsnedes over het midden van de fundamentele balk langs φ en γ.
- Pas twee Gaussische krommen op de dwarsdoorsnedes en haal de volledige breedte-op-half-maxima als een maat voor de bundel divergentie φdiv en γdiv.
- Bereken de verwachte bundelbreedte φdiv = λ/Nd [°], waarbij λ de golflengte is en de zijdelingse afstand tussen de OPA-roosters.
- Schat de bundeldivergentiedoor FDTD-simulaties van de uitvoerroosters uit te voeren.
- Automatisch testen
- Als de karakteriseringsbank (zoals hier wordt gepresenteerd) geautomatiseerde metingen kan uitvoeren, voert u enkele extra stappen uit. Verkrijg eerst de chipafmetingen en de coördinaten van de gemeten structuren uit de circuitlay-out. Voer deze waarden vervolgens in op de software voor bankbesturing. Daarom, zodra de ingangvezel op de eerste geteste structuur is uitgelijnd (zoals beschreven in punt 2.1), kan de bank automatisch van de ene structuur naar de andere schakelen via een vertaling van de wafer.
Representative Results
In deze sectie worden verschillende operando-afbeeldingen van OPA-balken getoond. Deze omvatten beelden in het nabije en verre veld van de bundel, OPA output balken voor en na fase optimalisatie, en balken met een wisselend aantal OPA kanalen.
Een beeld van het nabije gebied van de bundel, dat met behulp van de microscoop wordt opgenomen, is te zien in figuur 5A. De foto toont een passief OPA-circuit met een groot aantal kanalen en het licht dat wordt uitgezonden bij de OPA-roosters is duidelijk zichtbaar. Dit circuit produceert een interferentiepatroon in het verre veld, dat werd opgenomen met behulp van de CCD-sensor. Het sensorbeeld wordt gegeven in figuur 5B en toont zowel de fundamentele kwab als een zijkwab. De belichtingstijd van de sensor, het laservermogen en het achtergrondlicht zijn geoptimaliseerd om een duidelijk beeld te produceren. De twee maxima worden gescheiden door 17,6°, berekend volgens de vergelijking in het protocolpunt 4.2.2.1. Merk op dat in dit ontwerp alle golfgeleiders van dezelfde lengte zijn en dat er dus geen significant faseverschil tussen de kanalen aanwezig is. Als gevolg hiervan zijn de interferentiemaxima duidelijk gescheiden. Een voorbeeld van een OPA circuit met een onregelmatige fase verschil tussen de kanalen wordt hieronder gepresenteerd.
Om duidelijke interferentiemaxima in het OPA-uitgangspatroon te observeren, is een lineair faseverschil tussen de OPA-kanalen vereist. Wanneer de lengte van de golfgeleiders tussen de ingang en de uitvoerroosters echter van kanaal tot kanaal varieert, vertoont het interferentiepatroon meerdere, onregelmatige interferentiesecties langs een rechte lijn in de richting die loodrecht staat op de roosteroriëntatie (d.w.z. langs hoek φ). Een voorbeeld van een dergelijk uitvoerpatroon wordt gegeven in de afbeelding linksboven van figuur 6A. Het toont de verre veld output van een 16-kanaals OPA met een niet-uniforme waveguide lengte tussen de input en output roosters. Gelukkig heeft dit OPA-ontwerp faseshifters in elk kanaal opgenomen, zodat de fasen individueel kunnen worden aangepast en de uitvoerstraal gevormd. Na het optimaliseren van de fasen zoals beschreven in protocolpunt 3.3, vormt de uitvoerbundel één duidelijk maximum. Figuur 6A laat zien hoe de uitvoerbundel evolueert tijdens het optimalisatieproces. Houd er rekening mee dat er buiten het sensorgebied nog meer storingsmaxima aanwezig zijn. Bovendien stellen we vast dat de bundeldivergentie van de 16-kanalen OPA veel breder is dan die van figuur 5B. Dit effect wordt verwacht en is te wijten aan een aanzienlijke vermindering van het kanaalnummer.
In het volgende, zal de werking van het optische circuit voor OPA besturing in twee dimensies worden besproken, voor meer informatie over het circuit zie figuur 2. Ten eerste werden de ringspanningen van het schakelnetwerk gekalibreerd om het licht te leiden naar de verschillende subcircuits, die elk een OPA bevatten. Aangezien de vier OPA's elk een andere roosterperiode omvatten, resulteert het routeren van het licht tussen het subcircuit in dat de uitvoerstraal onder verschillende hoeken wordt uitgezonden. Dit wordt weergegeven in figuur 6B, die de verre veld beelden opgenomen als het licht pad wordt gewijzigd met behulp van de ring resonators van het schakelnetwerk bevat. De beelden laten zien dat de 'parallelle' emissiehoek, γ, verandert als elke individuele resonator is ingesteld op resonantie met de input licht, terwijl het afstemmen van de andere resonators off-resonantie. Ons circuit is ontworpen om toegang te krijgen tot vier verschillende hoeken, maar door een ontwerpfout in het schakelnetwerk was het alleen mogelijk om drie van de ringresonators te bedienen. Uit de uitgangsbeelden kunnen we zien dat het interferentiepatroon onregelmatig is en dat er geen duidelijke maxima zichtbaar zijn. Om de uitvoerstraal in de 'loodrechte' emissiehoek te sturen en vorm te geven, werden de OPA-fasen aangepast en geoptimaliseerd.
Een voorbeeldafbeelding van een geoptimaliseerde uitvoerstraal van het tweedimensionale bundelleidingscircuit wordt weergegeven in figuur 7A. Twee interferentiemaxima zijn duidelijk zichtbaar, overeenkomend met de hoofdkwab en een van de zijkwabben. De bovenste afbeelding in figuur 7A toont een heatmap van de opgenomen helderheid bij de sensor versus het pixelnummer. Om de uitvoerhoek te bepalen, werd de afbeelding verwerkt zoals beschreven in punt 4.2 van het protocol en de relatie tussen pixelnummer en uitvoerhoek bepaald. Het gekalibreerde beeld van de bundelintensiteit versus de hoek wordt weergegeven in het onderste beeld van figuur 7A.
In het volgende worden de beam steering resultaten besproken. De OPA-straal werd met succes gestuurd in een gebied van 17,6° × 3° (φ × γ), voorbeeldgegevens worden weergegeven in figuur 7B en figuur 7C. Figuur 7B toont beelden van de balk die in φ wordt gestuurd terwijl de balk constant blijft op 8°. Dit werd bereikt door eerst toegang te krijgen tot de OPA die overeenkomt met een parallelle emissiehoek van γ = 8° en vervolgens de optische fasen te variëren om de loodrechte emissiehoek te veranderen, φ. Genormaliseerde intensiteitspercelen van de fundamentele bundel die naar drie verschillende uitgangsposities in γ wordt gestuurd, worden weergegeven in figuur 7C, met een vaste loodrechte emissiehoek van φ = -2,5° en varieert tussen 7° en 9°. Net als voorheen werd de parallelle emissiehoek geregeld met behulp van het ringresonatornetwerk om te schakelen tussen de OPA's. Na DEA-selectie werden de OPA-fasen geoptimaliseerd om uit te zenden bij φ = -2,5°.
Ten slotte werd de bundeldivergentie bepaald door het aanbrengen van twee Gaussische krommen langs φ en γ zoals beschreven in protocolpunt 4.3. De FWHM dient als maat voor de bundeldivergentie en werd gemeten als 4,3° in φ en 0,7° in γ voor emissiehoeken van φ = -2,5° en γ = 8°, zie figuur 8A. Deze waarden zijn in overeenstemming met de verwachte waarden van respectievelijk 4,3° en 0,6° in φ en γ voor een vierkanaals OPA, zoals beschreven in de punten 4.3.3 en 4.3.4 van het protocol. Naast het bepalen van de divergentie van een vierkanaals OPA, onderzochten we de divergentie van een OPA-ontwerp met een veel groter aantal kanalen. De divergentie van een passieve OPA bestaande uit 128 kanalen, met een ontwerp dat vergelijkbaar is met dat van figuur 5A,werd gemeten. Om te testen op fabricagevariaties in een wafer, lanceerden we een automatische scan om 42 apparaten met identieke ontwerpen te karakteriseren. De opgenomen beelden werden geanalyseerd met betrekking tot de bundel divergentie. De divergentie in φ ten opzichte van de positie van het apparaat op de wafer wordt weergegeven in figuur 8B. De gemeten waarden liggen tussen 0,19° en 0,37° en zijn iets groter dan de verwachte waarde van 0,14°. Dit kan worden verklaard door fasefouten binnen de afzonderlijke OPA-kanalen. Alle golfgeleiders in het ontwerp zijn van dezelfde lengte en daarom theoretisch geen faseverschillen moeten ontstaan tussen de OPA kanalen. Fabricagefouten leiden echter tot ongecontroleerde faseverschuivingen als het licht van de ingang naar de uitgangsroosters reist, wat leidt tot een verbreding van de uitvoerstraal. Door het ontbreken van faseshifters in het circuit was het niet mogelijk om deze fouten te compenseren. Zoals gezegd wordt de hoek bepaald door de antenneroostergeometrie. Daarom kunnen fabricagevariaties (SiN-filmhoogte en afwijkingen van de structuren laterale afmetingen) de OPA-uitgangshoek beïnvloeden. Dergelijke variaties zijn gekenmerkt op 40 apparaten in de hele wafer. Dankzij het zeer goed gecontroleerde CMOS fabricageproces is een verwaarloosbare 3σ (drie keer de standaarddeviatie) van 0,156° gevonden.
Figuur 1: Illustratie van geïntegreerde OPA. (A) De eerste-orde interferentiekwab van de OPA-uitgang verlaat het circuit op twee azimuthalhoeken ten opzichte van de orthogonale projectie van het chipvlak, φ en γ, loodrecht en parallel aan de oriëntatie van het rooster. bB) De bovenste weergave van een OPA met zijn belangrijkste constitutieve elementen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: Schematisch en microscoopbeeld van het geïntegreerde optische circuit voor tweedimensionale bundelbesturing. (A) Circuit met een schakelnetwerk dat is aangesloten op vier subcircuits, die elk een OPA vormen. Het uitgangsgebied bevat vier OPA's met vier verschillende roosterperioden en dus emissiehoeken in γ. (B) Microscoopbeeld van het circuit beschreven in (A), vervaardigd met behulp van SiN golfgeleiders en Ti / TiN thermische fase shifters. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: Elektrisch circuit om elektrische krachten toe te passen tussen 0 mW en 200 mW. Dit schema vertegenwoordigt een elektrisch circuit dat individueel spanningen kan toepassen op de faseshifters in het optische circuit en hun elektrische stroom kan uitlezen na de spanningstoepassing. In onze optische circuits bestaan de faseshifters uit elektrische draden met weerstanden van 1,3 kΩ. Een elektrisch vermogen van 90 mW is nodig om een optische faseverschuiving van π te bereiken. Het circuit wordt bediend via een Arduino microcontroller. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: Experimentele opstelling voor opa-circuitkarakterisering. aA) Schematisch van de experimentele opstelling. (B) Foto van het experiment. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: Bijna- en verveldbeelden van de uitvoerstraal. (A) In de buurt van veldafbeelding van een OPA-circuit. Licht op een golflengte van 905 nm wordt via een vezel en een ingangsrooster in het circuit gekoppeld. Verstrooiing van licht in de golfgeleiders stelt ons in staat om het circuit ontwerp te zien. Aan het einde van een MMI boom wordt het licht uitgezonden bij de OPA roosters. (B) Verre veldafbeelding van de output van het circuit in (A). Op de sensor zijn twee storingsmaxima zichtbaar. Volgens de OPA-theorie worden de maxima gescheiden door 17,6°. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6: OPA-straaloptimalisatie en-switchingnetwerkbewerking. (A) OPA bundel optimalisatie van een 16-kanaals OPA met behulp van fase shifters. Beelden in het vervelding worden na elke optimalisatiestap weergegeven. Na het optimaliseren van alle 16 kanalen vormt de bundel één hoofdinterferentiemaximum in het sensorgebied. bB) Door gebruik te maken van een schakelnetwerk bestaande uit ringresonators, worden verschillende OPA's met elk een andere roosterperiode geopend. De verschillende roosterperioden leiden ertoe dat de uitvoerbalk onder verschillende hoeken uitzendt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 7: Karakterisering van het tweedimensionale straalstuurcircuit. (A) Pixel naar hoek conversie van de opgenomen afbeeldingsgegevens. De beam steering resultaten in φ en in γ worden weergegeven in respectievelijk (B) en (C). Dit cijfer is gewijzigd van Tyler et al.16. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 8: OPA-bundeldivergentiemetingen. (A) Beam divergentie analyse van een 4-kanaals OPA. Dit cijfer is gewijzigd van Tyler et al.16. (B) Wafer kaart van gemeten verschillen in φ van een 128 kanaals OPA ontwerp. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Discussion
We hebben een methode gepresenteerd om een geïntegreerde OPA te karakteriseren. Het belangrijkste voordeel van de methode is de mogelijkheid om gemakkelijk meerdere matrijzen in een wafer te sonde, om te zoeken naar fabricagevariaties en om krachtige apparaten te identificeren. Dit is te zien in figuur 8B. Uit de waferscan wordt duidelijk dat de onderste helft van de wafer apparaten vertoont met lagere bundelverschillen. Dit kan worden verklaard door een hogere waveguide kwaliteit op dat gebied, die willekeurige fase verschuivingen en dus de bundel divergentie vermindert.
Met behulp van een groot gebied CCD-sensor om het beeld van de verre veld output is een handige methode om de vrije ruimte output van geïntegreerde schakelingen beeld, omdat het gemakkelijk kan worden toegevoegd aan de meeste karakterisering set-ups als gevolg van hun compacte grootte in vergelijking met de vaak gebruikte, omvangrijker, Fourier-imaging systemen6.
Om een hoge nauwkeurigheid van de straalhoek en divergentiemeting te garanderen, moet bijzondere aandacht worden besteed tijdens de camera - OPA-uitlijning. Bovendien is de OPA-respons gevoelig voor fase- en polarisatie-instabiliteit tijdens kalibratie. Daarom moeten alle bronnen van verstoring worden gecontroleerd: beweging/trilling van de injectievezel, lasertemperatuur, inkomende lichtpolarisatie enz.
Samengevat werd een methode gepresenteerd om geïntegreerde OPA's te karakteriseren. Details over hoe licht te koppelen, hoe fase shifters controle in het circuit en hoe de output beeld in de nabije en het verre veld werden gegeven. Typische beelden van de outputstralen van verschillende OPA-circuits werden getoond, waaronder de resultaten van bundelbesturing in twee dimensies op één golflengte in het nabij-infrarood. Bovendien tonen we de resultaten van het meten van meerdere apparaten met hetzelfde ontwerp over een wafer in termen van bundel divergentie. Er werd een prestatietrend gevonden met betrekking tot de positie op de wafer, die gebieden met hoogwaardige fabricageeigenschappen identificeert.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd gefinancierd door de Franse Direction Générale des Entreprises (DGE) via het DEMO3S-project.
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).
