Summary
هنا ، ونحن نصف تشغيل دائرة ضوئية متكاملة SiN تحتوي على صفائف على مراحل البصرية. وتستخدم الدوائر تنبعث منها أشعة الليزر منخفضة الاختلاف في الأشعة تحت الحمراء القريبة وتوجيهها في بعدين.
Abstract
يمكن أن تنتج الصفائف المرحلية البصرية (OPAs) أشعة ليزر منخفضة الاختلاف ويمكن استخدامها للتحكم في زاوية الانبعاثات إلكترونيًا دون الحاجة إلى نقل الأجزاء الميكانيكية. هذه التكنولوجيا مفيدة بشكل خاص لتطبيقات توجيه الحزم. هنا ، نركز على OPAs المدمجة في الدوائر الضوئية SiN لطول الموجة في الأشعة تحت الحمراء القريبة. يتم تقديم طريقة توصيف هذه الدوائر ، والتي تسمح بصياغة شعاع الإخراج من OPAs المتكاملة وتوجيهها. وعلاوة على ذلك، باستخدام إعداد توصيف على نطاق رقاقة، يمكن بسهولة اختبار العديد من الأجهزة عبر يموت متعددة على رقاقة. وبهذه الطريقة، يمكن دراسة اختلافات التصنيع، وتحديد الأجهزة عالية الأداء. وتظهر الصور النموذجية لعوارض OPA، بما في ذلك الحزم المنبعثة من OPAs مع وبدون طول الموجي موحد، ومع أعداد متفاوتة من القنوات. وبالإضافة إلى ذلك، يتم تقديم تطور الحزم الإخراج خلال عملية التحسين المرحلة وتوجيه شعاع في بعدين. وأخيرا، يتم إجراء دراسة للاختلاف في اختلاف شعاع من الأجهزة متطابقة فيما يتعلق موقفها على رقاقة.
Introduction
الصفائف المرحلية البصرية (OPAs) مفيدة نظرا لقدرتها على تشكيل وتوجيه الحزم البصرية nonmechanically - وهذا مفيد في مجموعة واسعة من التطبيقات التكنولوجية مثل الكشف عن الضوء والنطاق (LIDAR)، والاتصالات الفضاء الحر ويعرض ثلاثية الأبعاد1. إن دمج OPAs في الدوائر الضوئية له أهمية خاصة ، لأنه يوفر حلًا منخفض التكلفة لتصنيعها مع بصمة مادية صغيرة. وقد ثبت بنجاح OPAs المتكاملة باستخدام عدد من أنظمة المواد المختلفة بما في ذلك InP، AlGaAs والسيليكون2،3،4. من هذه الأنظمة، الضوئيات السيليكون ربما يكون الأكثر ملاءمة، وذلك بسبب تباين مؤشر الانكسار عالية والتوافق مع CMOS5. في الواقع ، وقد أظهرت الدوائر OPA على نطاق واسع في منصة السيليكون على عازل6،7،8،9،10؛ ومع ذلك ، فإن تطبيق هذه الدوائر محدود بنافذة شفافية الطول الموجي للسيليكون والخسائر غير الخطية العالية ، مما يؤدي إلى حد على الطاقة البصرية المتاحة للإخراج. نحن نركز بدلا من ذلك على OPAs متكاملة في SiN، وهي مادة ذات خصائص مماثلة للسيليكون من حيث قدرة CMOS وحجم البصمة11،12. على النقيض من السيليكون ومع ذلك ، من المتوقع أن تكون SiN مناسبة لمجموعة أكبر من التطبيقات نظرًا لأن نافذة الشفافية أوسع ، وصولاً إلى 500 نانومتر على الأقل ، وبفضل الطاقة البصرية العالية ربما بفضل الخسائر غير الخطية المنخفضة نسبيًا.
وقد أظهرت مؤخرا مبادئ التكامل OPA باستخدام SiN8،13،14. هنا، سوف نقوم بتوسيع هذه المبادئ لإظهار طريقة توصيف وتشغيل OPAs متكاملة لتوجيه شعاع اثنين من الأبعاد. بالمقارنة مع العروض السابقة لتوجيه شعاع في بعدين التي تعتمد على ضبط الطول الموجي6،يمكن أن تعمل دائرتنا في طول موجة واحدة. نحن نقدم أولا لمحة موجزة عن مبادئ التشغيل وراء OPAs. ويتبع ذلك مقدمة للدوائر المستخدمة في هذا العمل. وأخيراً، يتم وصف طريقة التوصيف والصور النموذجية لحزم إخراج OPA التي يتم تقديمها ومناقشتها.
تتكون OPAs من مجموعة من الانبعاثات المتباعدة بشكل وثيق التي يمكن معالجتها بشكل فردي للتحكم في المرحلة البصرية. إذا كانت هناك علاقة مرحلة خطية عبر صفيف الباعث، فإن نمط التداخل في الحقل البعيد ينتج عنه العديد من المبادئ القصوى المنفصلة بوضوح - على غرار مبادئ التداخل متعدد الشقات. من خلال التحكم في حجم الفرق المرحلة، يمكن تعديل موقف ماكسيما، وبالتالي، توجيه شعاع يؤديها. في OPAs المتكاملة ، تتكون الباعثات من صرات حيود متباعدة عن كثب حيث ينتشر الضوء وينبعث من مستوى الشريحة. ويرد رسم تخطيطي لجهاز OPA متكامل في الشكل 1A، B. ويقترن الضوء في رقاقة، في هذه الحالة عن طريق الألياف البصرية، ومن ثم ينقسم إلى قنوات متعددة، كل منها يحتوي على متحول المرحلة المتكاملة. في الطرف الآخر من الدائرة البصرية ، والموجيإنهاء في صريف والجمع لتشكيل OPA. وتتألف شعاع الإخراج الناتج من أقصى قدر من التداخل المتعدد، ويشار إلى ألمعها باسم الفص الأساسي، وهو الأكثر استخداماً في تطبيقات توجيه الحزمة. يتم تعريف اتجاه الانبعاثات من الفص الأساسي من خلال زاويتين السمتال إلى الإسقاط المتعامد للمستوى رقاقة، وο، عمودي وبالتوازي مع اتجاه صريف على التوالي. في هذه الوثيقة، سيتم الإشارة إلى زوايا الانبعاثات "العمودي" و "المتوازي" على التوالي. يتم تحديد الزاوية المتعامدة حسب فرق المرحلة بين قنوات OPA ، وتعتمد الزاوية المتوازية على فترة صريف الإخراج.
يتم تصنيع دوائرنا المتكاملة باستخدام أدلة الموجات Si3N4 مع مقطع عرضي من 600 × 300 نانومتر2، وهو التصميم الذي تم تحسينه لوضع الاستقطاب الكهربائي العرضي الأساسي للضوء على طول موجة يبلغ 905 نانومتر. تحت الموجات تقع طبقة عازلة SiO2 2 ميكرون على قمة رقاقة السيليكون. تم إجراء شيفات المرحلة الحرارية من طبقة تي (TiN) سميكة 10 (100) نانومتر تستخدم لتشكيل أسلاك مقاومة 500 ميكرومتر و2 ميكرومتر واسعة. في دوائرنا، مطلوب طاقة كهربائية تبلغ 90 mW لتحقيق تحول المرحلة من. يتكون صريف إخراج OPA من 750 فترة محفورة بالكامل مع عامل تعبئة اسمي قدره 0.5 وفترة صريف بين 670 نانومتر و 700 نانومتر. وترد معلومات إضافية عن تصميم المنصة وتصنيعها في تايلر وآخرون15،16.
في هذا العمل ، يتميز نوعان مختلفان من الدوائر ، دائرة سلبية بدون قدرات تحويل المرحلة ، ودائرة أكثر تعقيدًا ، مصممة لتنفيذ توجيه الشعاع في بعدين. يتم عرض دائرة توجيه شعاع ثنائية الأبعاد في الشكل 2. الشكل 2A يحتوي على تخطيطي للدائرة والشكل 2B يظهر صورة المجهر من الجهاز ملفقة. الضوء يدخل الدائرة في المدخلات صريف. ثم تصل إلى شبكة تبديل حيث يمكن توجيهها بشكل انتقائي نحو واحدة من أربع دوائر فرعية. تقسم كل دائرة فرعية الضوء إلى أربع قنوات باستخدام أجهزة التداخل متعددة الواسطة (MMI). تحتوي كل قناة على مُنقل مرحلة حرارية وتشكل OPA في نهاية الدائرة. وتتألف هذه التقييمات الأربع المنبثقة من الدوائر الفرعية الأربع من فترة صر مختلفة تتراوح بين 670 نانومتر و700 نانومتر. تتوافق هذه الفترات مع زوايا السمتثال الموازية لمحور الصريف ، بين 7 و 10 درجات. يمكن العثور على وصف أكثر تفصيلا ً على الدائرة في تايلر وآخرون16.
ويستند الإعداد التوصيف المقدمة على محطة التحقيق الآلي قادرة على إجراء سلسلة من القياسات على العديد من الدوائر عبر رقاقة كاملة. وهذا يتيح دراسة تباين الأداء بالنسبة إلى الموضع على رقاقة واختيار الأجهزة مع الخصائص المثلى. ومع ذلك، فإن استخدام محطة المسبار ينطوي على بعض القيود المادية على نظام توصيف OPA بسبب المساحة المتاحة الصغيرة نسبياً فوق الرقاقة. يتطلب توصيف الصفائف البصرية المرحلية تصوير إخراج OPA في الحقل البعيد ، والذي يمكن تنفيذه بعدة طرق. على سبيل المثال، يمكن استخدام سلسلة من العدسات في نظام التصوير فورييه6 أو صورة فارفيلد التي تشكلت على سطح لامبرتي يمكن عرضها إما في انعكاس أو انتقال. لنظامنا، اخترنا ما اعتبرناه الحل الأبسط والأكثر إحكاماً لوضع مستشعر CMOS على السطح 35 مم × 28 مم بدون عدسات موضوعة على سطح الرقاقة بحوالي 50 مم. على الرغم من زيادة تكلفة مثل هذا الاستشعار اتفاقية مكافحة التصحر كبيرة، وهذا الحل يسمح مجال كاف من الرؤية دون استخدام العدسات.
Protocol
1- الاستعدادات
- إعداد الإعداد التجريبي التالي(الشكل 4).
- استخدام جهاز كمبيوتر.
- استخدام موجة مستمرة الألياف مقرونة مصدر الليزر. اعتمادا على الخسائر الدائرة، 1 mW الطاقة يكفي. في إعداد التوصيف المقدم ، يكون مصدر الليزر على طول موجة من 905 نانومتر.
- استخدم وحدة تحكم الاستقطاب المصممة لطول موجة الليزر.
- استخدام ألياف المدخلات المشور لزوجين الضوء في المدخلات صريف كونسير من الدائرة البصرية.
- استخدام مسبار كهربائي لتوصيل لوحة التحكم الإلكترونية للاتصال الكهربائي للدائرة البصرية.
- استخدام نظام قادر على السيطرة على 20 مرحلة المغيرات من دائرة التوجيه شعاع ثنائي الأبعاد مطلوب. في الإعداد التوصيف المقدمة، وهذا النظام هو لوحة إلكترونية مخصصة تسيطر عليها اردوينو، والتي هي قادرة على تطبيق بشكل فردي بين 0 و 200 mW من الطاقة الكهربائية في المرحلة المتحولين على الدائرة البصرية. ويرد تخطيطي للدائرة الكهربائية في الشكل 3. لكل قناة، تحتوي الدائرة على DAC (المحول الرقمي إلى التناظري) التي ستترجم جهد الأمر الرقمي إلى جهد تناظري يتحكم في بوابة الترانزستور عالي الطاقة. يتم توصيل سخان لمصدر التيار عالية الطاقة. لذلك ، من خلال التحكم في توتر البوابة ، يمكن تعديل التدفق الحالي في المدفأة.
- استخدام جهاز استشعار صورة عارية لتصوير المجال البعيد من الإخراج البصري. في إعداد التوصيف المقدم ، الكاميرا هي مستشعر CCD 35 مم.
- استخدام المجهر البصري من أجل صورة رقاقة لأغراض المحاذاة.
- استخدم مرحلة ترجمة ثلاثية المحاور وجبل لتناسب رقاقة 200 مم. في إعداد التوصيف المقدم ، هذه المرحلة هي نظام مسبار قابل لإعادة التشكيل للفوتونيكس السيليكونية.
- تجميع المعدات
- تجميع المعدات وفقا للشكل 4 وجبل رقاقة. المسافة بين رقاقة وأجهزة الاستشعار يحتاج إلى أن يتم اختيار صغيرة بما يكفي لضمان صورة عالية الدقة من شعاع الإخراج، ولكن كبيرة بما يكفي لتناسب الحد الأقصى تدخل اثنين على الأقل من أجل أن تكون قادرة على العثور على العلاقة بين بكسل الاستشعار وزاوية الإخراج كما سيتم شرحها في القسم 4 من البروتوكول.
- تأكد من أن أجهزة الاستشعار والرقاقة متوازية؛ وإلا، فإنه قد تزوير حساب حساب زاوية بكسل /الإخراج الحساب. في إعداد التوصيف المقدم ، قم بتعيين مسافة مستشعر الرقاقة إلى 5 سم. إذا تم استخدام تكوين استشعار مزدوج (مثل واحد قدم هنا) ، وضمان أن الاستشعار العارية يمكن إزالتها بسهولة لإعطاء الوصول إلى المجهر البصري من أجل صورة القريب من الميدان لأغراض محاذاة الألياف.
- تأكد من أن المسبار الكهربائي والكاميرا والألياف البصرية لا تلمس بعضها البعض. توصيل العناصر المطلوبة بجهاز كمبيوتر. في الإعداد المقدم يتم قيادة محطة المسبار ومستشعر CCD والدائرة الكهربائية للتحكم في المرحلة عبر جهاز كمبيوتر وبرنامج Python من أجل أتمتة عملية القياس.
2. اقتران بصري
- محاذاة الألياف
- باستخدام المجهر، ابدأ بخفض الألياف بعناية حتى يلمس سطح الرقاقة (بعيدًا عن المقرن ة المدخلات لتجنب إتلافه)، ثم حركه لأعلى حوالي 20 ميكرومتر.
- عندما يتم ذلك، تعظيم شدة الضوء في صريف الإخراج. للقيام بذلك، ابدأ في كنس موضع الألياف على مرّة المدخلات OPA. إذا كانت الكاميرا المرفقة بالمجهر تستجيب لطول موجة الليزر (إن لم تكن تستخدم مستشعر الصورة العارية) ، وإذا كانت الألياف والمقرن المنصم ة متوائمة بشكل جيد ، فيجب أن يكون الخروج من الضوء عند صريف إخراج OPA مرئيًا على الصورة. ويمكن رؤية مثال في الشكل 5A.
- عندما ينظر إلى الضوء من هوائيات OPA، وضبط الاستقطاب من أجل تحقيق أقصى قدر من شدة الضوء في صريف الإخراج. تأكد من تجنب أي حركة أو اهتزاز من الألياف المدخلات
- تصوير إخراج OPA
- التبديل إلى استشعار التصوير البعيد الميدان وتحسين جودة الصورة: ضبط كل من وقت التعرض للاستشعار وقوة الليزر في مثل هذه الطريقة التي الإخراج OPA مرئية بوضوح على الكاميرا والشعاع لا تشبع أجهزة الاستشعار. تظهر صورة مثال مسجلة بواسطة المستشعر في الشكل 5B.
- إذا لزم الأمر، قم بتغطية الإعداد بحيث لا يتداخل ضوء الخلفية مع الصورة من شعاع OPA. عموما، أضعف ضوء الخلفية، وانخفاض قوة الليزر التي يمكن تعيينها.
- منع انعكاسات عن طريق وضع ورقة تعكس للغاية بين الانعكاس والكاميرا. في بعض الأحيان ، تصل الانعكاسات الناشئة من سطح الرقاقة إلى منطقة المستشعر وتلوث صورة إخراج OPA (يمكن أن تحدث الانعكاسات عند صريف الإدخال).
- إعادة تعديل الاستقطاب من ضوء الإدخال للحصول على صورة واضحة.
3. شعاع الأمثل والتوجيه
ملاحظة: يصف هذا القسم تشغيل الدائرة الموضحة في الشكل 2 وكيف يمكن استخدامها لتنفيذ توجيه الحزم في بعدين.
- الاعمال التحضيريه
- قم بتوصيل الدائرة الكهربائية للتحكم في المرحلة بمسبار كهربائي متعدد القنوات.
- باستخدام المجهر، قم بتوصيل دبابيس المسبار الكهربائي بمنصات الاتصال المعدنية للدائرة البصرية.
- إعادة تحسين موقف الألياف المدخلات.
- التبديل إلى استشعار الميدان البعيد وصورة الإخراج.
- اختيار زاوية الانبعاثات المتوازية باستخدام شبكة التبديل
- دراسة الرنين الرنانة من شبكة التبديل من أجل السيطرة على زاوية الانبعاثات في ο. لهذا الغرض، لاحظ صورة الحقل البعيد للإخراج مع تغيير الفولتية المطبقة على المتحولين المرحلة في الرنانة الحلبة. مع الجهد الصحيح المطبق على كل جهاز رماة، سيتم إضاءة منطقة مختلفة على جهاز الاستشعار، المقابلة لقيمة معينة، كما هو مبين في الشكل 6B.
- العثور على الفولتية حيث الحلقات هي على وخارج الرنين. لهذا الغرض ، يمكن استخدام سيناريو تلقائي لاكتساح الفولتية الرسونات وسجل الكثافة على مناطق مختلفة على أجهزة الاستشعار. استخدام الفولتية وجدت للوصول إلى الدوائر الفرعية المختلفة وتوجيه شعاع الإخراج في ο.
- اختيار زاوية الانبعاثات التقويمية من خلال تحسين مراحل OPA
- تحسين مراحل OPA من أجل تشكيل وتوجيه شعاع الإخراج في لهذا الغرض، حدد منطقة بكسل صغيرة (مطابقة للزاوية المطلوبة) التي يجب أن تكون مضيئة مع شعاع الإخراج المركزة.
- تكبير السطوع داخل المنطقة المختارة عن طريق تشغيل روتين التحسين التالي.
- تحويل مرحلة واحدة من قنوات OPA بزيادات صغيرة. بعد كل نوبة، سجل جزءا لا يتجزأ من السطوع في منطقة بكسل داخل،أنا، وخارج، وأناس، من المنطقة المحددة. حساب نسبة R =أنا / أناس. بعد دورة التحول مرحلة كاملة بين 0 و 2ο، وتطبيق التحول المرحلة مع أعلى نسبة سطوع المسجلة R.
- كرر عملية تحسين المرحلة هذه على قناة OPA التالية. يمكن استخدام خوارزميات تحسين مختلفة، مثل تسلق التل.
- كرر عملية التحسين من خلال تحسين المراحل حتى يتم تشبع عملية التحسين ويكون شعاع الإخراج المركز مرئيًا. يظهر مثال صور شعاع الإخراج التي تم التقاطها أثناء عملية التحسين في الشكل 6A. بعد 16 جولات التحسين ، شعاع الإخراج شعاع مركزة مرئية.
ملاحظة: إذا كانت هناك بعض القمم غير المتوقعة إضافية، قد يكون هذا نتيجة اقتران غير مستقر مؤقتاً في الدائرة أثناء عملية التحسين. قد يكون هذا بسبب حركة ألياف الإدخال و / أو حالة الاستقطاب غير المستقرة.
- من أجل توجيه شعاع الإخراج إلى زاوية مختلفة ، حدد منطقة بكسل جديدة وكرر عملية التحسين.
4. قياسات الاختلاف شعاع وتحليل الصور
- الحصول على الصور
- تحسين موقف الألياف المدخلات. تسجيل صورة الإخراج في الحقل البعيد. تأكد من أن اثنين على الأقل من التدخل واضحة ماكسيما مرئية.
- باستخدام نظام المحاذاة، حرك الرقاقة من أجل محاذاة الجهاز التالي إلى ألياف الإدخال. تنفيذ محاذاة غرامة عن طريق تعظيم كثافة الإخراج المسجلة من قبل الكاميرا. تسجيل صورة الإخراج.
- كرر الخطوة المذكورة أعلاه حتى يتم وصف جميع الأجهزة ذات الأهمية. إذا كانت الدائرة البصرية المحددة لديها القدرة على تعديل المرحلة من قنوات OPA، قم بإجراء روتين تحسين المرحلة قبل تسجيل الصور.
- تحليل الصور
- تحقق من الصور المسجلة بحثًا عن نقاط بيانات خاطئة ناشئة عن وحدات بكسل معيبة، مثل وحدات البكسل الميتة أو الساخنة. مسح نقاط البيانات هذه أو استبدال القيم بالقيم النموذجية.
- ربط بكسل اتفاقية مكافحة التصحر بزوايا إخراج OPA وο على النحو التالي.
- احسب المسافة الزاوية بين الحد الأقصى للتدخل وفقًا لتصميم OPA باستخدام الخطيئة-1(ο/d) [°]، حيث يكون الطول الموجي وd هو الملعب الجانبي بين صريف OPA. تناسب اثنين من منحنيات غاوسي إلى الحد الأقصى التدخل اثنين وتحديد مواقف المركزين، P1 و P2. بما أن المسافة (بالبكسل) بين المركزين، N = P2 - P1، من المتوقع أن تتوافق مع Οο، نحصل على عامل تحويل c بين البكسل والزاوية c = Οο/N [°/pixel]، والتي يمكن استخدامها للحصول على علاقة زاوية نسبية بين البيكسلات.
- الحصول على عامل التحويل، ج، عن طريق قياس دقيق للمسافة بين سطح رقاقة وأجهزة الاستشعار، وحجم بكسل (5.5 * 5.5μm للاستشعار المستخدمة هنا).
- تقدير زوايا الإخراج المطلقة في وο لأحد بكسل CCD. تعيين مركز شعاع في إلى زاوية الانبعاثات المتوقعة وفقا للمحاكاة. من أجل اختيار القيمة المطلقة في ، وتحسين شعاع لعدة زوايا في عن طريق ضبط مراحل OPA ، وتسجيل كثافة الفص الرئيسي لكل زاوية. وفقا لنظرية OPA، الفص الرئيسي هو الأكثر كثافة (وكثافة في الفصوص الجانبية تصغير) عند انبعاث في = 0°. وبالتالي، تعيين بكسل في وسط شعاع مع الحد الأقصى كثافة شعاع المسجلة، إلى = 0°. استخدم هذا البكسل وعامل التحويل لتعيين زوايا مطلقة لجميع وحدات البكسل في الصورة.
- في حالة شعاع الإخراج مع إمالة كبيرة فيما يتعلق بالمحور الرأسي ، وإذا كان يجب قياس اختلاف الحزمة وموضعها بدقة كبيرة ، قم بإمالة الكاميرا من أجل أن تكون عموديًا تمامًا على شعاع الإخراج. خلاف ذلك ، فمن الممكن أيضا لتطبيق عامل تصحيح لحجم شعاع يقاس عن طريق حساب إسقاط شعاع على جهاز الاستشعار اعتمادا على الزاوية بين شعاع الإخراج والطائرة الكاميرا.
- حساب اختلاف الحزمة
- استخراج المقاطع العرضية عبر وسط شعاع الأساسية على طول وο.
- تناسب اثنين من منحنيات غاوسي إلى المقاطع العرضية واستخراج كامل العرض في نصف الحد الأقصى كمقياس للتباعد شعاعdiv وdiv .
- حساب عرض شعاعالمتوقعة div = ο/Nd [°]، حيث هو الطول الموجي ود المسافة الجانبية بين صرOPA.
- تقدير الاختلاف شعاعdiv عن طريق تنفيذ محاكاة FDTD من صريف الإخراج.
- اختبار تلقائي
- إذا كان مقعد التوصيف (كما هو المعروض هنا) يمكن إجراء قياسات تلقائية، قم بإجراء بعض الخطوات الإضافية. أولاً، الحصول على أبعاد الشريحة وإحداثيات الهياكل المقاسة من تخطيط الدائرة. ثم قم بإدخال هذه القيم إلى برنامج التحكم في مقاعد البدلاء. لذلك ، بمجرد محاذاة ألياف الإدخال على الهيكل الأول المختبر (كما هو مفصل في القسم 2.1) ، يمكن للمقاعد القضائية التبديل تلقائيًا من بنية إلى أخرى عبر ترجمة الرقاقة.
Representative Results
في هذا القسم، يتم عرض العديد من الصور في operando من الحزم OPA. وتشمل هذه الصور في المجال القريب والبعيد من شعاع، والحزم إخراج OPA قبل وبعد مرحلة التحسين، والحزم مع عدد مختلف من قنوات OPA.
صورة للحقل القريب من شعاع، سجلت باستخدام المجهر، ويمكن رؤية في الشكل 5A. تُظهر الصورة دائرة OPA سلبية مع عدد كبير من القنوات والضوء المنبعث في صرات OPA مرئي بوضوح. وتنتج هذه الدائرة نمط تداخل في الميدان البعيد، تم تسجيله باستخدام مستشعر اتفاقية مكافحة التصحر. يتم إعطاء صورة الاستشعار في الشكل 5B ويظهر كل من الفص الأساسي وكذلك الفص الجانبي. تم تحسين وقت التعرض للمستشعر وقوة الليزر وضوء الخلفية لإنتاج صورة واضحة. يتم فصل الحد الأقصى اثنين من 17.6 درجة، محسوبة وفقا للمعادلة الواردة في قسم البروتوكول 4.2.2.1. لاحظ أنه في هذا التصميم، جميع الموجات هي من نفس الطول، وبالتالي لا يوجد فرق مرحلة كبيرة بين القنوات. ونتيجة لذلك، فإن الحد الأقصى للتدخل منفصل بوضوح. وفيما يلي مثال على دائرة OPA مع اختلاف المرحلة غير النظامية بين القنوات.
من أجل ملاحظة التدخل الواضح القصوى في نمط إخراج OPA ، يلزم وجود فرق مرحلة خطية بين قنوات OPA. ومع ذلك، عندما يختلف طول الموجات بين الإدخال وصريفالإخراج من قناة إلى أخرى، سيظهر نمط التداخل مقاطع تداخل متعددة وغير منتظمة على طول خط مستقيم في الاتجاه عمودي على اتجاه الصريف (أي على طول الزاوية). يتم إعطاء مثال على نمط الإخراج هذا في الصورة اليسرى العليا من الشكل 6A. وهو يعرض الإخراج الميداني البعيد لـ OPA ذو 16 قناة مع طول موجه غير موحد بين المدخلات وصريف اتصافر الإخراج. لحسن الحظ ، يحتوي تصميم OPA هذا على متحولات المرحلة المدرجة في كل قناة ، بحيث يمكن تعديل المراحل بشكل فردي وتشكيل شعاع الإخراج. بعد تحسين المراحل كما هو موضح في قسم البروتوكول 3.3، يشكل شعاع الإخراج حدًا أقصى واضح واحدًا. يوضح الشكل 6A كيفية تطور شعاع الإخراج أثناء عملية التحسين. لاحظ أن هناك مزيد من التداخل الأقصى خارج منطقة الاستشعار. وبالإضافة إلى ذلك، نلاحظ أن الاختلاف شعاع من 16 قناة OPA أوسع بكثير من تلك التي شوهدت في الشكل 5B. ومن المتوقع أن يحدث هذا التأثير ويعزى إلى انخفاض كبير في عدد القناة.
في ما يلي ، سيتم مناقشة تشغيل الدائرة البصرية لتوجيه OPA في بعدين ، للحصول على تفاصيل حول الدائرة انظر الشكل 2. أولا، تم معايرة الفولتية حلقة من شبكة التبديل من أجل توجيه الضوء إلى الدوائر الفرعية المختلفة، كل تحتوي على OPA. بما أن ّ الأربعة OPAs كل ّ يضمّ مختلفة صريف فترة, يُحدّث الضوء بين الدائرة الفرعية ينتج في شعاع الإخراج الذي ينبعث بزوايا مختلفة. يظهر هذا في الشكل 6B، الذي يحتوي على الصور الميدانية البعيدة المسجلة أثناء تغيير مسار الضوء باستخدام رنين رنين شبكة التبديل. تظهر الصور أن زاوية الانبعاثات "المتوازية" تتغير مع تعيين كل رنين فردي على الرنين مع ضوء الإدخال ، أثناء ضبط الصدى الآخر خارج الرنين. تم تصميم دائرتنا للوصول إلى أربع زوايا مختلفة ، ومع ذلك ، بسبب خطأ في التصميم في شبكة التبديل ، كان من الممكن فقط تشغيل ثلاثة من الرنينات الحلقية. من صور الإخراج ، يمكننا أن نرى أن نمط التداخل غير منتظم ولا يوجد حد أقصى واضح مرئي. من أجل توجيه وشكل شعاع الإخراج في زاوية الانبعاثات "المتعامدة"، تم تعديل مراحل OPA وتحسينها.
وتظهر صورة مثال لشعاع الإخراج الأمثل من دائرة التوجيه شعاع ثنائية الأبعاد في الشكل 7A. اثنين من الحد الأقصى التدخل مرئية بوضوح، المقابلة للفص الرئيسي واحد من الفص الجانبي. تُظهر الصورة العلوية في الشكل 7A خريطة حرارية للسطوع المسجل في المستشعر مقابل رقم البكسل. من أجل تحديد زاوية الإخراج، تمت معالجة الصورة كما هو موضح في القسم 4.2 من البروتوكول وتحديد العلاقة بين عدد البكسل وزاوية الإخراج. تظهر الصورة المعايرة لكثافة الحزمة مقابل الزاوية في الصورة السفلية الأكثر من الشكل 7A.
في ما يلي، سيتم مناقشة نتائج توجيه شعاع. تم توجيه شعاع OPA بنجاح في منطقة 17.6 درجة × 3 درجة (ο × ο)، وتظهر بيانات المثال في الشكل 7B والشكل 7C. ويبين الشكل 7باء صوراً للشعاع الذي يجري توجيهه مع الحفاظ على ثابت عند درجة 8. وقد تحقق ذلك بالوصول أولاً إلى اتفاق الشراء الأولي المطابق لزاوية انبعاثات متوازية تبلغ = 8 درجة، ثم تغيير المراحل البصرية لتغيير زاوية الانبعاثات المتعامدة، ومخططات الكثافة العادية للشعاع الأساسي الموجهة إلى ثلاثة مواقع نواتج مختلفة في الشكل 7C،مع زاوية انبعاثات عمودية ثابتة قدرها = -2.5 درجة وتتراوح بين 7 و9 درجات. وكما كان الحال من قبل، تم التحكم في زاوية الانبعاثات المتوازية باستخدام شبكة الرنين الحلقي للتبديل بين المناطق المكتبية. بعد اختيار OPA ، تم تحسين مراحل OPA للتنبعث عند = -2.5 درجة.
وأخيراً، تم تحديد اختلاف الحزمة من خلال تركيب منحنيين غاوسيين على طول وοكما هو موضح في القسم 4.3 من البروتوكول. يعمل FWHM كمقياس لتباعد الحزمة وتم قياسه ليكون 4.3 درجة في ο و 0.7 ° في زوايا الانبعاثات من = -2.5 ° و = 8 درجات ، انظر الشكل 8A. وتتفق هذه القيم بشكل جيد مع القيم المتوقعة وهي 4.3 و0.6 درجة في الـ 4.3 و، على التوالي، لـ OPA من أربع قنوات، كما هو موضح في القسمين 4.3.3 و4.3.4 من البروتوكول. بالإضافة إلى تحديد الاختلاف من أربع قنوات OPA، قمنا بالتحقيق في اختلاف تصميم OPA مع عدد أكبر بكثير من القنوات. تم قياس اختلاف OPA السلبي الذي يتكون من 128 قناة ، مع تصميم مشابه للتصميم المبين في الشكل 5A. من أجل اختبار الاختلافات تلفيق عبر رقاقة، أطلقنا مسح تلقائي لتوصيف 42 الأجهزة مع تصاميم متطابقة. تم تحليل الصور المسجلة فيما يتعلق بتباين الحزمة. يظهر الاختلاف في موقف الجهاز مقابل هُو على الرقاقة في الشكل 8B. القيم المقاسة تقع بين 0.19 درجة و 0.37 درجة وهي أكبر قليلاً من القيمة المتوقعة البالغة 0.14 درجة. ويمكن تفسير ذلك بأخطاء المرحلة داخل قنوات OPA الفردية. جميع الموجات في التصميم هي من نفس الطول ، وبالتالي من الناحية النظرية لا ينبغي أن تنشأ اختلافات المرحلة بين قنوات OPA. ومع ذلك ، تؤدي أخطاء التصنيع إلى تحولات مرحلة غير منضبطة حيث ينتقل الضوء من الإدخال إلى صريف الإخراج ، مما يؤدي إلى توسيع شعاع الإخراج. وبسبب عدم وجود متحولات المرحلة في الحلبة، لم يكن من الممكن التعويض عن هذه الأخطاء. كما ذكر، يتم تعريف زاوية من قبل هندسة صريف الهوائي. لذلك ، يمكن أن تؤثر اختلافات التصنيع (ارتفاع فيلم SiN وانحراف الأبعاد الجانبية للهياكل) على زاوية إخراج OPA ، ο. وقد تميزت هذه الاختلافات على 40 جهازعبر رقاقة كله. بفضل عملية تصنيع CMOS التي يتم التحكم فيها بشكل جيد للغاية ، تم العثور على 3 × 3 ×الانحراف المعياري ) من 0.156 درجة.
الشكل 1: توضيح البروتوكول الاختياري المتكامل. (أ)الفص التدخلي من الدرجة الأولى من إخراج OPA يترك الدائرة في زاويتين السمتثال إلى الإسقاط المتعامد للطائرة رقاقة، وο، عمودي وبالتوازي مع اتجاه صريف على التوالي. (ب)أعلى عرض لOPA تظهر عناصره التأسيسية الرئيسية. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: صورة تخطيطية ومجهرية للدائرة البصرية المتكاملة لتوجيه شعاع ثنائي الأبعاد. (أ)الدائرة التي تحتوي على شبكة التبديل متصلة بأربع دوائر فرعية، كل منها يشكل OPA. تحتوي منطقة الإخراج على أربعة OPAs مع أربع فترات صر مختلفةBوبالتالي زوايا الانبعاثات فيA. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: الدائرة الكهربائية لتطبيق القوى الكهربائية بين 0 mW و 200 mW. هذا التخطيطي يمثل الدائرة الكهربائية التي يمكن تطبيق الفولتية بشكل فردي على التحول المرحلة في الدائرة البصرية وقراءة التيار الكهربائي بعد تطبيق الجهد. في دوائرنا البصرية ، تتكون شيفتر المرحلة من أسلاك كهربائية مع مقاومات 1.3 كيلو. مطلوب قوة كهربائية من 90 mW لتحقيق تحول المرحلة البصرية من. يتم التحكم في الدائرة عن طريق متحكم صغير في Arduino. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: الإعداد التجريبي لتوصيف دائرة OPA. (أ)التخطيطي للإعداد التجريبي. (ب)صورة التجربة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: صور ميدانية قريبة وبعيدة لشعاع الإخراج. (أ)صورة الحقل القريب من دائرة OPA. ويقترن الضوء على طول موجة من 905 نانومتر في الدائرة عن طريق الألياف وصريف المدخلات. إن نثر الضوء داخل الموجات يسمح لنا برؤية تصميم الدائرة. في نهاية شجرة MMI ، ينبعث الضوء في صر OPA. (ب)صورة حقل بعيدة من إخراج الدائرة المعروضة في (أ). اثنين من الحد الأقصى التدخل مرئية على أجهزة الاستشعار. وفقا لنظرية OPA، يتم فصل ماكسيما من قبل 17.6 درجة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: تحسين شعاع OPA وتبديل تشغيل الشبكة. (أ)أوبا شعاع الأمثل من 16 قناة OPA باستخدام التحول المرحلة. يتم عرض صور الحقول البعيدة بعد كل خطوة تحسين. بعد تحسين جميع القنوات الـ 16، يشكل الشعاع تداخلًا رئيسيًا واحدًا أقصى داخل منطقة المستشعر. (ب)باستخدام شبكة تبديل تتكون من رنين الحلقة، يتم الوصول إلى OPAs مختلفة كل منها تتألف من فترة صريف مختلفة. تؤدي فترات الصريف المختلفة إلى انبعاث شعاع الإخراج بزوايا مختلفة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: توصيف دائرة توجيه شعاع الأبعاد الثانية. (أ)بكسل إلى زاوية تحويل بيانات الصورة المسجلة. تظهر نتائج التوجيه شعاع في وفي (ب) و (جيم) ، على التوالي. وقد تم تعديل هذا الرقم من تايلر وآخرون16. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 8: قياسات تباعد شعاع OPA. (أ)تحليل الاختلاف شعاع من 4 قناة OPA. وقد تم تعديل هذا الرقم من تايلر وآخرون16. (ب)خريطة رقاقة من الاختلافات المقاسة في تصميم 128 قناة OPA. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Discussion
لقد قدمنا طريقة لوصف عملية تقييم الإنشاء المتكامل. الميزة الرئيسية للطريقة هي القدرة على التحقيق بسهولة يموت متعددة عبر رقاقة، للبحث عن اختلافات التصنيع وتحديد الأجهزة عالية الأداء. ويمكن رؤية هذا في الشكل 8B. من مسح رقاقة، يصبح من الواضح أن النصف السفلي من أجهزة رقائق معارض مع اختلافات شعاع أقل. ويمكن تفسير ذلك بنوعية أعلى من دليل الموجات في هذا المجال، مما يقلل من نوبات المرحلة العشوائية وبالتالي اختلاف الحزمة.
استخدام استشعار اتفاقية مكافحة التصحر منطقة كبيرة لتصوير إخراج حقل بعيد هو طريقة مريحة لتصوير إخراج الفضاء الحر من الدوائر المتكاملة، لأنه يمكن بسهولة أن تضاف إلى معظم إعدادات التوصيف نظرا لحجمها المضغوط بالمقارنة مع أنظمة التصوير الأكثر استخداما، أكبر حجما، فورييه6.
من أجل ضمان دقة عالية من زاوية شعاع وقياس الاختلاف، يجب توخي الحذر خاصة خلال الكاميرا - محاذاة OPA. وعلاوة على ذلك، فإن استجابة البروتوكول الاختياري للطوارئ حساسة لعدم استقرار المرحلة والاستقطاب أثناء المعايرة. لذلك ، يجب التحكم في جميع مصادر الاضطرابات: حركة / اهتزاز ألياف الحقن ، درجة حرارة الليزر ، استقطاب الضوء الوارد وما إلى ذلك.
وخلاصة القول، قُدمت طريقة لتوصيف الـ OPAs المتكاملة. تم إعطاء تفاصيل حول كيفية زوجين الضوء ، وكيفية التحكم في المرحلة المتحولين في الدائرة وكيفية صورة الإخراج في المجال القريب والبعيد. وعرضت صور نموذجية لعوارض الإخراج للعديد من دوائر OPA، بما في ذلك نتائج توجيه الحزمة ببعدين في طول موجي واحد في الأشعة تحت الحمراء القريبة. وعلاوة على ذلك، نعرض نتائج قياس أجهزة متعددة بنفس التصميم عبر رقاقة من حيث الاختلاف في الحزمة. تم العثور على اتجاه الأداء فيما يتعلق بالموقف على رقاقة، وتحديد المناطق ذات خصائص تصنيع عالية الجودة.
Disclosures
وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
وقد موّل هذا العمل من قبل الإدارة الفرنسية العامة للإدارة العامة للمؤسسة (DGE) من خلال مشروع 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).
