Summary
In questo caso, descriviamo il funzionamento di un circuito fotonico integrato SiN contenente array ottici phased. I circuiti sono utilizzati per emettere fasci laser a bassa divergenza nell'infrarosso vicino e guidarli in due dimensioni.
Abstract
Gli array ottici phased array (OPA) possono produrre fasci laser a bassa divergenza e possono essere utilizzati per controllare l'angolo di emissione elettronicamente senza la necessità di spostare parti meccaniche. Questa tecnologia è particolarmente utile per le applicazioni di sterzo del fascio. Qui, ci concentriamo su OPA integrati nei circuiti fotonici SiN per una lunghezza d'onda nel vicino infrarosso. Viene presentato un metodo di caratterizzazione di tali circuiti, che consente di sagomare e guidare il fascio di uscita degli OPA integrati. Inoltre, utilizzando una configurazione di caratterizzazione su scala wafer, diversi dispositivi possono essere facilmente testati su più esunti su un wafer. In questo modo, le variazioni di fabbricazione possono essere studiate e si possono identificare dispositivi ad alte prestazioni. Vengono mostrate immagini tipiche dei raggi OPA, inclusi i raggi emessi dagli OpA con e senza una lunghezza uniforme della guida d'onda e con un numero variabile di canali. Inoltre, viene presentata l'evoluzione dei fasci di uscita durante il processo di ottimizzazione della fase e lo sterzo del fascio in due dimensioni. Infine, viene eseguito uno studio della variazione nella divergenza del fascio di dispositivi identici rispetto alla loro posizione sul wafer.
Introduction
Gli array ottici phased (OPA) sono vantaggiosi per la loro capacità di modellare e sterzare i fasci ottici in modo non meccanico - questo è utile in una vasta gamma di applicazioni tecnologiche come il rilevamento della luce e la gamma (LIDAR), la comunicazione dello spazio libero e i display olografici1. L'integrazione degli OPA nei circuiti fotonici è di particolare interesse, in quanto fornisce una soluzione a basso costo per la loro fabbricazione con un ingombro fisico ridotto. Gli OpA integrati sono stati dimostrati con successo utilizzando diversi sistemi di materiali, tra cui InP, AlGaAs e silicio2,3,4.4 Di questi sistemi, la fotonica del silicio è forse la più conveniente, grazie al suo elevato contrasto dell'indice di rifrazione e alla compatibilità con CMOS5. Infatti, i circuiti OPA sono stati ampiamente dimostrati nella piattaforma silicio-on-isolante6,7,8,9,10; tuttavia, l'applicazione di questi circuiti è limitata sia dalla finestra di trasparenza della lunghezza d'onda del silicio sia dalle elevate perdite non lineari, che portano a un limite alla potenza ottica di uscita disponibile. Ci concentriamo invece sugli OPA integrati in SiN, un materiale con proprietà simili al silicio in termini di capacità CMOS e dimensioni dell'impronta11,12. A differenza del silicio, tuttavia, SiN dovrebbe essere adatto a una gamma più ampia di applicazioni poiché la finestra di trasparenza è più ampia, fino ad almeno 500 nm, e grazie alla potenza ottica forse elevata grazie alle perdite non lineari relativamente basse.
I principali dell'integrazione OPA sono stati recentemente dimostrati utilizzando SiN8,13,14. Qui, estenderemo questi principi per dimostrare un metodo di caratterizzazione e funzionamento integrato OPA per lo sterzo del fascio bidimensionale. Rispetto alle precedenti dimostrazioni di sterzo del fascio in due dimensioni che si basano sulla messa a punto della lunghezza d'onda6, il nostro circuito può operare ad una singola lunghezza d'onda. In primo luogo forniamo una breve panoramica dei principi operativi alla base degli OpA. Questo è seguito da un'introduzione ai circuiti utilizzati in questo lavoro. Infine, viene descritto il metodo di caratterizzazione e vengono presentate e discusse immagini tipiche dei fasci di output OPA.
Gli ODA sono composti da una serie di emettitori strettamente distanziati che possono essere affrontati singolarmente per controllare la fase ottica. Se esiste una relazione di fase lineare nell'array dell'emettitore, il modello di interferenza nel campo lontano produce diversi massimi chiaramente separati, simili ai principi di interferenza a più teste. Controllando la grandezza della differenza di fase, la posizione del maxima può essere regolata e, di conseguenza, eseguita lo sterzo del fascio. Negli OPA integrati, gli emettitori sono costituiti da griglie di diffrazione ravvicinate in cui la luce viene dispersa ed emessa dal piano del chip. Un'illustrazione schematica di un dispositivo OPA integrato è illustrata nella Figura 1A,B. La luce viene accoppiata nel chip, in questo caso tramite una fibra ottica, e viene quindi divisa in più canali, ciascuno contenente un cambio di fase integrato. All'altra estremità del circuito ottico, le guide d'onda terminano in grate e si combinano per formare l'OPA. Il fascio di uscita risultante è costituito da massima di interferenza multipla, il più luminoso dei quali è indicato come il lobo fondamentale ed è quello più spesso utilizzato nelle applicazioni di sterzo del fascio. La direzione di emissione del lobo fondamentale è definita dai due angoli azimutale rispetto alla proiezione ortogonale del piano del chip, e , perpendicolarmente e parallelamente all'orientamento della griglia rispettivamente. In questo documento, gli angoli di emissione "perpendicolari" e "paralleli" verranno definiti rispettivamente gli angoli di emissione "perpendicolari" e "paralleli". L'angolo perpendicolare è determinato dalla differenza di fase tra i canali OPA, e l'angolo parallelo, dipende dal periodo delle griglie di output.
I nostri circuiti integrati sono fabbricati utilizzando guide d'onda Si3N4 con una sezione trasversale di 600 x 300 nm2,un design che è stato ottimizzato per la modalità di polarizzazione elettrica trasversale fondamentale della luce ad una lunghezza d'onda di 905 nm. Sotto le guide d'onda si trova uno strato di buffer SiO2 da 2,5 m sopra un wafer di silicio. I mutatelli di fase termica sono stati realizzati da uno strato Ti(TiN) di 10(100) nm utilizzato per formare fili resistivi lunghi 500 m e 2 m di larghezza. Nei nostri circuiti, è necessaria una potenza elettrica di 90 mW per ottenere uno spostamento di fase di . Le griglie di output OPA sono costituite da 750 periodi completamente incisi con un fattore di riempimento nominale di 0,5 e un periodo di grattugia compreso tra 670 e 700 nm. Ulteriori informazioni sulla progettazione e fabbricazione della piattaforma sono fornite in Tyler etal.,16
In questo lavoro, sono caratterizzati due diversi tipi di circuiti, un circuito passivo senza capacità di spostamento di fase e un circuito più complesso, progettato per eseguire lo sterzo del fascio in due dimensioni. Il circuito di sterzo del fascio bidimensionale è illustrato nella Figura 2. Figura 2A contiene uno schema del circuito e Figura 2B mostra un'immagine al microscopio del dispositivo fabbricato. La luce entra nel circuito durante la griglia di ingresso. Raggiunge quindi una rete di commutazione dove può essere instradata in modo selettivo verso uno dei quattro sottocircuiti. Ogni sottocircuito suddivide la luce in quattro canali utilizzando dispositivi di interferenza multimodalità (MMI). I canali contengono ciascuno un cambio di fase termica e formano un OPA alla fine del circuito. I quattro OPA provenienti dai quattro sottocircuiti comprendono ciascuno un periodo di grata diverso tra 670 nm e 700 nm. Questi periodi corrispondono ad angoli azimutale paralleli all'asse della griglia, o 10. Una descrizione più dettagliata sul circuito può essere trovata in Tyler etal.
La configurazione di caratterizzazione presentata si basa su una stazione di sondaggio automatizzata in grado di eseguire una serie di misurazioni su molti circuiti su un intero wafer. Ciò consente di studiare la variazione delle prestazioni rispetto alla posizione sul wafer e di selezionare i dispositivi con le proprietà ottimali. Tuttavia, l'uso di una stazione prober implica alcuni vincoli fisici allo schema di caratterizzazione OPA a causa dello spazio disponibile relativamente piccolo sopra il wafer. La caratterizzazione degli array ottici phased richiede l'imaging dell'output OPA nel campo lontano, che può essere eseguito in diversi modi. Ad esempio, una serie di lenti può essere utilizzata in un sistema di imaging Dimore6 o l'immagine di farfield formata su una superficie Lambertiana può essere visualizzata sia nella riflessione che nella trasmissione. Per il nostro sistema, abbiamo scelto quella che consideravamo la soluzione più semplice e compatta per posizionare un sensore CMOS di grandi dimensioni da 35 mm x 28 mm senza lenti posizionate circa 50 mm sopra la superficie del wafer. Nonostante l'aumento del costo di un sensore CCD così grande, questa soluzione consente un campo visivo sufficiente senza l'uso di lenti.
Protocol
1. Preparativi
- Preparare la seguente configurazione sperimentale (Figura 4).
- Utilizzare un computer.
- Utilizzare una sorgente laser accoppiata in fibra a onda continua. A seconda delle perdite del circuito, è sufficiente 1 mW di potenza. Nella configurazione di caratterizzazione presentata, la sorgente laser è ad una lunghezza d'onda di 905 nm.
- Utilizzare un controller di polarizzazione adattato per la lunghezza d'onda laser.
- Utilizzare una fibra di ingresso scissio per accoppiare la luce nel paio di grata di ingresso del circuito ottico.
- Utilizzare una sonda elettrica per collegare la scheda di controllo elettronica al contatto elettrico del circuito ottico.
- È necessario utilizzare un sistema in grado di controllare i modulatori di fase 20 del circuito di sterzo del fascio bidimensionale. Nella configurazione di caratterizzazione presentata, questo sistema è una scheda elettronica personalizzata controllata da un Arduino, che è in grado di applicare individualmente tra 0 e 200 mW di energia elettrica ai cambi di fase sul circuito ottico. Uno schema del circuito elettrico è mostrato nella Figura 3. Per ogni canale, il circuito contiene un DAC (Digital to Analog Converter) che tradurrà la tensione di comando digitale in una tensione analogica che controlla il cancello di un transistor ad alta potenza. Il riscaldatore è collegato a una fonte di corrente ad alta potenza. Pertanto, controllando la tensione del cancello, il flusso di corrente nel riscaldatore può essere regolato.
- Utilizzare un sensore di immagine nuda per visualizzare il campo lontano dell'uscita ottica. Nella configurazione di caratterizzazione presentata, la fotocamera è un sensore CCD da 35 mm.
- Utilizzare un microscopio ottico per visualizzare il chip ai fini dell'allineamento.
- Utilizzare una fase di traslazione a 3 assi e montare per adattarsi a un wafer da 200 mm. Nella configurazione di caratterizzazione presentata, questa fase è un sistema di sonda riconfigurabile per la fotonica del silicio.
- Assemblaggio dell'attrezzatura
- Assemblare l'apparecchiatura secondo la figura 4 e montare il wafer. La distanza tra il wafer e il sensore deve essere scelta abbastanza piccola da garantire un'immagine ad alta risoluzione del fascio di uscita, ma abbastanza grande da contenere almeno due massimi di interferenza per poter trovare la relazione tra i pixel del sensore e l'angolo di uscita, come verrà spiegato nella sezione 4 del protocollo.
- Assicurarsi che il sensore e il wafer siano paralleli; in caso contrario, potrebbe falsificare il calcolo del calcolo dell'angolo di pixel/output. Nella configurazione di caratterizzazione presentata, impostare la distanza wafer-sensore a 5 cm. Se viene utilizzata una configurazione a doppio sensore (come quella qui presentata), assicurarsi che il sensore nudo possa essere facilmente rimosso per consentire l'accesso al microscopio ottico al fine di rappresentare il vicino campo per scopi di allineamento delle fibre.
- Assicurarsi che la sonda elettrica, la fotocamera e la fibra ottica non si tocchino l'un l'altro. Collegare gli elementi necessari a un computer. Nella configurazione presentata la stazione sonda, il sensore CCD e il circuito elettrico per il controllo di fase sono guidati tramite un computer e un programma Python al fine di automatizzare il processo di misurazione.
2. Accoppiamento ottico
- Allineamento della fibra
- Utilizzando il microscopio, iniziare abbassando con attenzione la fibra fino a toccare la superficie del wafer (lontano dall'accoppiatore a grata di ingresso per evitare di danneggiarla), quindi spostarla verso l'alto di circa 20 m.
- Quando questo è fatto, massimizzare l'intensità della luce alle griglie di uscita. Per farlo, iniziare a spazzare la posizione della fibra sopra l'accoppiatore a griglia di ingresso OPA. Se la fotocamera collegata al microscopio risponde alla lunghezza d'onda laser (se non si utilizza il sensore di immagine nuda) e se la fibra e l'accoppiatore a grata sono ben allineati, la luce che esce dalle griglie di uscita OPA dovrebbe essere visibile sull'immagine. Un esempio può essere visto in Figura 5A.
- Quando la luce viene vista dalle antenne OPA, regolare la polarizzazione per massimizzare l'intensità della luce alle griglie in uscita. Assicurarsi di evitare qualsiasi movimento o vibrazione della fibra di ingresso
- Imaging di uscita OPA
- Passare al sensore di imaging a campo lontano e migliorare la qualità dell'immagine: regolare sia il tempo di esposizione del sensore che la potenza del laser in modo tale che l'uscita OPA sia chiaramente visibile sulla fotocamera e il fascio non saturi il sensore. Un'immagine di esempio registrata dal sensore è illustrata nella Figura 5B.
- Se necessario, coprire la configurazione in modo che la luce di sfondo non interferisca con l'immagine del fascio OPA. Generalmente, più debole è la luce di fondo, minore è la potenza laser che può essere impostata.
- Bloccare i riflessi posizionando un foglio altamente riflettente tra il riflesso e la fotocamera. A volte, i riflessi provenienti dalla superficie del wafer raggiungono l'area del sensore e contaminano l'immagine dell'output OPA (i riflessi possono verificarsi nella griglia di input).
- Riadattare la polarizzazione della luce di input per ottenere un'immagine chiara.
3. Ottimizzazione del fascio e sterzo
NOTA: in questa sezione viene descritto il funzionamento del circuito illustrato nella Figura 2 e come può essere utilizzato per eseguire lo sterzo del fascio in due dimensioni.
- Preparazioni
- Collegare il circuito elettrico per il controllo di fase ad una sonda elettrica multicanale.
- Utilizzando il microscopio, collegare i perni della sonda elettrica ai tamponi di contatto metallici del circuito ottico.
- Ri-ottimizzare la posizione della fibra di ingresso.
- Passare al sensore del campo lontano e l'immagine dell'output.
- Selezione dell'angolo di emissione parallela , utilizzando la rete di commutazione
- Studiare i risonatori ad anello della rete di commutazione per controllare l'angolo di emissione in . A tale scopo, osservare l'immagine del campo lontano dell'uscita mentre si variabilità delle tensioni applicate ai shifter di fase ai risonatori dell'anello. Con la tensione corretta applicata a ogni risonatore, verrà illuminata un'area diversa del sensore, corrispondente a un certo valore , come illustrato nella Figura 6B.
- Trova le tensioni in cui gli anelli sono on e off-resonance. A tale scopo, è possibile utilizzare uno script automatizzato per spazzare le tensioni di risonanza e registrare le intensità sulle diverse aree del sensore. Utilizzare le tensioni trovate per accedere ai vari sottocircuiti e per guidare il fascio di uscita in .
- Selezione dell'angolo di emissione ortogonale: ottimizzando le fasi OPA
- Ottimizzare le fasi OPA per modellare e guidare il fascio di uscita in . A tale scopo, selezionare una piccola area di pixel (corrispondente all'angolo desiderato) che deve essere illuminata con un fascio di uscita focalizzato.
- Massimizzare la luminosità all'interno dell'area scelta eseguendo la seguente routine di ottimizzazione.
- Spostare la fase di uno dei canali OPA in piccoli incrementi. Dopo ogni spostamento, registrare l'integrale della luminosità nell'area dei pixel all'interno, Ii, e all'esterno, Io, dell'area selezionata. Calcolare il rapporto R - Ii / Io. Dopo un ciclo di spostamento di fase completo compreso tra 0 e 2, applicare lo spostamento di fase con il rapporto di luminosità registrato R più alto.
- Ripetere questo processo di ottimizzazione di fase sul canale OPA successivo. Possono essere utilizzati diversi algoritmi di ottimizzazione, come un arrampicata in collina.
- Ripetere il processo di ottimizzazione ottimizzando le fasi fino a quando il processo di ottimizzazione non è saturo e un fascio di uscita focalizzato è visibile. Le immagini di esempio del fascio di output scattate durante un processo di ottimizzazione sono illustrate nella Figura 6A. Dopo 16 giri di ottimizzazione, il fascio di uscita è visibile un fascio a fuoco.
NOTA: se sono presenti altri picchi imprevisti, questo potrebbe essere il risultato di un accoppiamento temporaneamente instabile nel circuito durante il processo di ottimizzazione. Ciò può essere dovuto al movimento della fibra di ingresso e/o a uno stato di polarizzazione instabile.
- Per orientare la trave di uscita a un angolo di pixel diverso, selezionare una nuova area di pixel e ripetere il processo di ottimizzazione.
4. Misurazioni della divergenza del fascio e analisi delle immagini
- Acquisizione di immagini
- Ottimizzare la posizione della fibra di ingresso. Registrare l'immagine dell'output nel campo lontano. Assicurarsi che siano visibili almeno due massimi di interferenza chiari.
- Utilizzando il sistema di allineamento, spostare il wafer per allineare il dispositivo successivo alla fibra di input. Eseguire un allineamento fine massimizzando l'intensità di uscita registrata dalla fotocamera. Registrare l'immagine di output.
- Ripetere il passaggio precedente fino a quando tutti i dispositivi di interesse sono stati caratterizzati. Se il circuito ottico selezionato è in grado di regolare la fase dei canali OPA, eseguire una routine di ottimizzazione della fase prima di registrare le immagini.
- Analisi delle immagini
- Controllare le immagini registrate per i punti dati falsi derivanti da pixel difettosi, ad esempio pixel morti o caldi. Cancellare questi punti dati o sostituire i valori con valori tipici.
- Correlare i pixel CCD all'angolo di output OPA, come indicato di seguito.
- Calcolare la distanza angolare che si trova tra l'indice massimo in-1base al disegno dell'OPA utilizzando la combinazione di z- Montare due curve gaussiane alle due massime di interferenza e determinare le posizioni dei due centri, P1 e P2. Dal momento che la distanza (in pixel) tra i due centri, N - P2 - P1, dovrebbe corrispondere a , si ottiene un fattore di conversione c tra il pixel e l'angolo c , n z/ N [z/pixel], che può essere utilizzato per ottenere una relazione di angolo relativo tra i pixel.
- Ottenere il fattore di conversione, c, attraverso una misurazione accurata della distanza tra la superficie del wafer e il sensore e la dimensione in pixel (5,5,5,5 m per il sensore utilizzato qui).
- Stimare gli angoli di output assoluti in : e in uno dei pixel CCD. Impostare il centro del fascio in , sull'angolo di emissione previsto in base alle simulazioni. Per scegliere il valore assoluto in , ottimizzare la trave per diversi angoli in , regolando le fasi OPA e registrare l'intensità del lobo principale per ogni angolo. Secondo la teoria OPA, il lobo principale è più intenso (e l'intensità nei lobi laterali ridotta al minimo) quando si emette a 0 gradi. Quindi, impostare il pixel al centro della trave con l'intensità massima registrata del fascio, a . Utilizzate questo pixel e il fattore di conversione per assegnare angoli assoluti a tutti i pixel dell'immagine.
- Nel caso di un fascio di uscita con inclinazione significativa rispetto all'asse verticale, e se la divergenza e la posizione del fascio devono essere misurate con molta precisione, inclinare la fotocamera per essere perfettamente perpendicolare al fascio di uscita. In caso contrario, è anche possibile applicare un fattore di correzione alla dimensione misurata del fascio calcolando la proiezione del fascio sul sensore a seconda dell'angolo tra il fascio di uscita e il piano della fotocamera.
- Calcolo della divergenza del fascio
- Estrarre le sezioni trasversali attraverso il centro della trave fondamentale lungo e .
- Montare due curve gaussiane alle sezioni trasversali ed estrarre l'intera larghezza a metà-maxima come misura per la divergenza di fasciodiv e.
- Calcolare la larghezza prevista, ovvero la larghezzadidiv, la larghezza di z/Nd [-], dove è la lunghezza d'onda e la distanza laterale tra le grate OPA.
- Stimare la divergenza del fasciodiv eseguendo simulazioni FDTD delle grate di output.
- Test automatico
- Se il banco di caratterizzazione (come quello qui presentato) può eseguire misurazioni automatizzate, eseguire alcuni passaggi aggiuntivi. In primo luogo, ottenere le dimensioni del chip e le coordinate delle strutture misurate dal layout del circuito. Quindi, immettere tali valori nel software di controllo banco. Pertanto, una volta che la fibra di ingresso è stata allineata sulla prima struttura testata (come descritto nella sezione 2.1), il banco può passare automaticamente da una struttura all'altra tramite una traduzione del wafer.
Representative Results
In questa sezione, sono mostrati diversi in immagini operando di travi OPA. Questi includono immagini nel campo vicino e lontano del fascio, travi di uscita OPA prima e dopo l'ottimizzazione della fase e fasci con un numero variabile di canali OPA.
Un'immagine del campo vicino del fascio, registrata al microscopio, può essere visto in Figura 5A. L'immagine mostra un circuito OPA passivo con un gran numero di canali e la luce emessa alle griglie OPA è chiaramente visibile. Questo circuito produce un modello di interferenza nel campo lontano, che è stato registrato utilizzando il sensore CCD. L'immagine del sensore è data in Figura 5B e mostra sia il lobo fondamentale che un lobo laterale. Il tempo di esposizione del sensore, la potenza del laser e la luce di fondo sono stati ottimizzati per produrre un'immagine chiara. I due massimi sono separati da 17,6 gradi, calcolati in base all'equazione indicata nella sezione del protocollo 4.2.2.1. Si noti che in questo progetto, tutte le guide d'onda sono della stessa lunghezza e quindi non è presente alcuna differenza di fase significativa tra i canali. Di conseguenza, le massime di interferenza sono chiaramente separate. Di seguito è riportato un esempio di circuito OPA con una differenza di fase irregolare tra i canali.
Per osservare la chiara massima di interferenza nel modello di uscita OPA, è necessaria una differenza di fase lineare tra i canali OPA. Tuttavia, quando la lunghezza delle guide d'onda tra le griglie di input e di output varia da canale a canale, il modello di interferenza mostra più sezioni di interferenza irregolare lungo una linea retta nella direzione perpendicolare all'orientamento della griglia (cioè, lungo l'angolo). Un esempio di tale modello di output è dato nell'immagine in alto a sinistra della figura 6A. Mostra l'uscita di campo lontano di un OPA a 16 canali con una lunghezza di guida d'onda non uniforme tra le griglie di input e di uscita. Fortunatamente, questo design OPA ha spostamenti di fase inclusi in ogni canale, in modo che le fasi possano essere regolate singolarmente e il fascio di uscita a forma di. Dopo aver ottimizzato le fasi come descritto nella sezione 3.3 del protocollo, il fascio di uscita costituisce un massimo chiaro. Figura 6A mostra come il fascio di uscita si evolve durante il processo di ottimizzazione. Si noti che ulteriori massimi di interferenza sono presenti al di fuori dell'area del sensore. Inoltre, osserviamo che la divergenza del fascio dell'OPA a 16 canali è molto più ampia di quella vista nella Figura 5B. Questo effetto è previsto ed è dovuto ad una significativa riduzione del numero di canale.
Di seguito, verrà discusso il funzionamento del circuito ottico per lo sterzo OPA in due dimensioni, per i dettagli sul circuito vedere Figura 2. In primo luogo, le tensioni dell'anello della rete di commutazione sono state calibrate al fine di instradare la luce ai diversi sottocircuiti, ciascuno contenente un OPA. Dal momento che i quattro OPA comprendono ciascuno un periodo di grata diverso, instradando la luce tra il sottocircuito comporta l'emissione del fascio di uscita con angoli diversi. Questo è illustrato nella Figura 6B, che contiene le immagini di campo lontano registrate come il percorso della luce viene modificato utilizzando i risonatori ad anello della rete di commutazione. Le immagini mostrano che l'angolo di emissione "parallelo", ovvero, cambia in base alle modifiche di ogni singolo risonatore con la luce di ingresso, ansonando al contempo gli altri risonatori fuori risonanza. Il nostro circuito è stato progettato per accedere a quattro diversi angoli , tuttavia, a causa di un errore di progettazione nella rete di commutazione, è stato possibile utilizzare solo tre dei risonatori ad anello. Dalle immagini di output, possiamo vedere che il modello di interferenza è irregolare e non sono visibili massime chiare. Al fine di orientare e modellare il fascio di uscita nell'angolo di emissione "perpendicolare", le fasi OPA sono state regolate e ottimizzate.
Un esempio di immagine di un fascio di uscita ottimizzato del circuito di sterzo del fascio bidimensionale è illustrato nella Figura 7A. Due massimi di interferenza sono chiaramente visibili, corrispondenti al lobo principale e uno dei lobi laterali. L'immagine superiore nella Figura 7A mostra una mappa termica della luminosità registrata al sensore rispetto al numero di pixel. Per determinare l'angolo di output, l'immagine è stata elaborata come descritto nella sezione 4.2 del protocollo e viene determinata la relazione tra il numero di pixel e l'angolo di uscita. L'immagine calibrata dell'intensità del fascio rispetto all'angolo è illustrata nell'immagine più in basso della figura 7A.
Di seguito, verranno discussi i risultati dello sterzo del fascio. Il fascio OPA è stato guidato con successo in un'area di 17,6 s 3 , dati di esempio sono riportati nella Figura 7B e nella Figura 7C. La figura 7B mostra le immagini del fascio in cui viene guidato, pur mantenendo la costante di 8 gradi. Ciò è stato ottenuto accedendo per la prima volta all'OPA corrispondente a un angolo di emissione parallelo di 8 gradi e successivamente variando le fasi ottiche per Figure 7Cmodificare l'angolo di emissione perpendicolare, . Come in precedenza, l'angolo di emissione parallela è stato controllato utilizzando la rete di risuoni per passare da un OPA all'altro. Dopo la selezione dell'OPA, le fasi OPA sono state ottimizzate per l'emettere a -2,5 gradi.
Infine, la divergenza del fascio è stata determinata montando due curve gaussiane lungo il percorso : e , come descritto nella sezione protocollo 4.3. L'FWHM serve come misura per la divergenza del fascio ed è stato misurato in 4,3 gradi nel numero di metri o più per gli angoli di emissione di , , , e , , , vedere la figura 8A. Questi valori sono in accordo con i valori previsti di 4,3 e 0,6 gradi rispettivamente in , e , rispettivamente, per un OPA a quattro canali, come descritto nelle sezioni 4.3.3 e 4.3.4 del protocollo. Oltre a determinare la divergenza di un OPA a quattro canali, abbiamo studiato la divergenza di un progetto OPA con un numero molto maggiore di canali. È stata misurata la divergenza di un OPA passivo costituito da 128 canali, con un disegno simile a quello illustrato nella Figura 5A. Al fine di testare le variazioni di fabbricazione attraverso un wafer, abbiamo lanciato una scansione automatica per caratterizzare 42 dispositivi con disegni identici. Le immagini registrate sono state analizzate rispetto alla divergenza del fascio. La divergenza nella posizione del dispositivo sul wafer è illustrata nella Figura 8B. I valori misurati sono compresi tra 0,19 e 0,37 e sono leggermente maggiori del valore previsto di 0,14 gradi. Ciò potrebbe essere spiegato da errori di fase all'interno dei singoli canali OPA. Tutte le guide d'onda nella progettazione sono della stessa lunghezza e quindi teoricamente non dovrebbero sorgere differenze di fase tra i canali OPA. Tuttavia, gli errori di fabbricazione provocano spostamenti di fase incontrollati man mano che la luce viaggia dall'ingresso alle griglie di uscita, il che porta ad un ampliamento del fascio di uscita. A causa dell'assenza di cambi di fase nel circuito, non è stato possibile compensare questi errori. Come accennato, l'angolo di svalutazione è definito dalla geometria della griglia dell'antenna. Pertanto, le variazioni di fabbricazione (altezza del film SiN e deviazione delle dimensioni laterali delle strutture) potrebbero influire sull'angolo di uscita OPA, . Tali variazioni sono state caratterizzate su 40 dispositivi in tutto il wafer. Grazie al processo di fabbricazione CMOS molto ben controllato, è stato trovato un trascurabile di 3 (tre volte la deviazione standard) di 0,156 gradi.
Figura 1: Illustrazione dell'OPA integrato. (A) Il lobo di interferenza di primo ordine dell'uscita OPA lascia il circuito a due angoli azimutale rispetto alla proiezione ortogonale del piano del chip, e , perpendicolarmente e parallelo all'orientamento della grata rispettivamente. (B) Vista superiore di un OPA che mostra i suoi principali elementi di costruzione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Immagine schematica e al microscopio del circuito ottico integrato per lo sterzo del fascio bidimensionale. (A) Circuito contenente una rete di commutazione collegata a quattro sottocircuiti, ciascuno dei quali forma un OPA. L'area di uscita contiene quattro OPA con quattro diversi periodi di grata e quindi angoli di emissione nel microscopio (B) del circuito descritto in (A), fabbricati con guide d'onda SiN e interruttori di fase termica Ti/TiN. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Circuito elettrico per applicare potenze elettriche tra 0 mW e 200 mW. Questo schema rappresenta un circuito elettrico che può applicare singolarmente tensioni ai cambi di fase nel circuito ottico e leggere la loro corrente elettrica dopo l'applicazione di tensione. Nei nostri circuiti ottici, i cambi di fase sono costituiti da fili elettrici con resistenze di 1,3 k. Per ottenere uno spostamento di fase ottico è necessaria una potenza elettrica di 90 mW. Il circuito è controllato tramite un microcontrollore Arduino. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Configurazione sperimentale per la caratterizzazione del circuito OPA. (A)Schematico dell'allestito sperimentale. (B) Immagine dell'esperimento. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Immagini di campo vicino e lontano della trave di output. (A) Vicino all'immagine di campo di un circuito OPA. La luce ad una lunghezza d'onda di 905 nm viene accoppiata nel circuito tramite una fibra e una griglia di ingresso. La dispersione della luce all'interno delle guide d'onda ci permette di vedere il design del circuito. Alla fine di un albero MMI, la luce viene emessa alle griglie OPA. (B) Immagine del campo lontano dell'output del circuito mostrato in (A). Sul sensore sono visibili due massimi di interferenza. Secondo la teoria dell'OPA, i massimali sono separati da 17,6. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Ottimizzazione del fascio OPA e funzionamento di commutazione della rete. (A) Ottimizzazione del fascio OPA di un OPA a 16 canali utilizzando i cambi di fase. Le immagini di campo lontano vengono visualizzate dopo ogni passaggio di ottimizzazione. Dopo aver ottimizzato tutti i 16 canali, il fascio costituisce un massimo di interferenza principale all'interno dell'area del sensore. (B) Utilizzando una rete di commutazione composta da risonatori ad anello, si accede a Diversi ODA, ciascuno dei quali comprende un diverso periodo di grata. I diversi periodi di grata comportano l'emissione del fascio di uscita con angoli diversi. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: Caratterizzazione del circuito di sterzo del fascio bidimensionale. (A) Conversione pixel-angolo dei dati immagine registrati. I risultati dello sterzo del fascio, rispettivamente, in , e in , sono visualizzati rispettivamente in (B) e (C). Questa cifra è stata modificata da Tyler etal. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: Misurazioni di divergenza del fascio OPA. (A) Analisi della divergenza del fascio di un OPA a 4 canali. Questa cifra è stata modificata da Tyler etal. (B) Mappa delle divergenze misurate in un progetto OPA a 128 canali. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Discussion
Abbiamo presentato un metodo per caratterizzare un OPA integrato. Il vantaggio principale del metodo è la possibilità di sondare facilmente più muore su un wafer, per cercare variazioni di fabbricazione e per identificare dispositivi ad alte prestazioni. Questo può essere visto in Figura 8B. Dalla scansione del wafer, diventa chiaro che la metà inferiore del wafer presenta dispositivi con divergenze del fascio inferiore. Questo potrebbe essere spiegato da una maggiore qualità della guida d'onda in quell'area, che riduce gli spostamenti di fase casuali e quindi la divergenza del fascio.
Utilizzando un sensore CCD di ampia area per l'immagine dell'uscita campo lontano è un metodo conveniente per l'immagine dell'uscita di spazio libero dei circuiti integrati, dal momento che può essere facilmente aggiunto alla maggior parte delle impostazioni di caratterizzazione a causa delle loro dimensioni compatte rispetto ai sistemi di imaging Fourier6,spesso utilizzati e ingombranti.
Al fine di garantire un'elevata precisione dell'angolo del fascio e della misurazione della divergenza, è necessario prestare particolare attenzione durante l'allineamento fotocamera - OPA. Inoltre, la risposta OPA è sensibile alle instabilità di fase e polarizzazione durante la calibrazione. Pertanto, tutte le fonti di perturbazione devono essere controllate: movimento/ vibrazione della fibra di iniezione, temperatura laser, polarizzazione della luce in entrata ecc.
In sintesi, è stato presentato un metodo per caratterizzare gli OpA integrati. Dettagli su come accoppiare la luce, come controllare i cambi di fase nel circuito e come immagine dell'uscita nel vicino e nel campo lontano sono stati dati. Sono state mostrate immagini tipiche dei fasci di uscita di diversi circuiti OPA, compresi i risultati dello sterzo del fascio in due dimensioni ad una singola lunghezza d'onda nell'infrarosso vicino. Inoltre, mostriamo i risultati della misurazione di più dispositivi con lo stesso design su un wafer in termini di divergenza del fascio. È stata trovata una tendenza delle prestazioni rispetto alla posizione sul wafer, che identifica le aree con proprietà di fabbricazione di alta qualità.
Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato finanziato dalla Direzione francese Générale des Entreprises (DGE) attraverso il progetto DEMO3S.
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).
