Summary
Aquí, describimos el funcionamiento de un circuito fotónico integrado siN que contiene matrices ópticas por fases. Los circuitos se utilizan para emitir rayos láser de baja divergencia en el infrarrojo cercano y dirigirlos en dos dimensiones.
Abstract
Los arreglos ópticos por fases (OPA) pueden producir rayos láser de baja divergencia y se pueden utilizar para controlar el ángulo de emisión electrónicamente sin necesidad de mover piezas mecánicas. Esta tecnología es particularmente útil para aplicaciones de dirección de haz. Aquí, nos centramos en OPAs integrados en circuitos fotónicos SiN para una longitud de onda en el infrarrojo cercano. Se presenta un método de caracterización de estos circuitos, que permite dar forma y dirección al haz de salida de los OPA integrados. Además, utilizando una configuración de caracterización a escala de obleas, varios dispositivos se pueden probar fácilmente a través de varios troqueles en una oblea. De esta manera, se pueden estudiar las variaciones de fabricación y se pueden identificar dispositivos de alto rendimiento. Se muestran imágenes típicas de haces OPA, incluyendo haces emitidos desde OPAs con y sin una longitud de guía de onda uniforme, y con un número variable de canales. Además, se presenta la evolución de los haces de salida durante el proceso de optimización de la fase y la dirección del haz en dos dimensiones. Por último, se realiza un estudio de la variación en la divergencia de haz de dispositivos idénticos con respecto a su posición en la oblea.
Introduction
Los arreglos ópticos por fases (OPA) son ventajosos debido a su capacidad para dar forma y dirigir haces ópticos no mecánicamente - esto es útil en una amplia gama de aplicaciones tecnológicas como la detección de luz y el rango (LIDAR), la comunicación de espacio libre y las pantallas holográficas1. La integración de OPAs en circuitos fotónicos es de particular interés, ya que proporciona una solución de bajo costo para su fabricación con una pequeña huella física. Los OPA integrados se han demostrado con éxito utilizando una serie de diferentes sistemas de materiales, incluyendo InP, AlGaAs y silicio2,3,4. De estos sistemas, la fotónica de silicio es quizás la más conveniente, debido a su alto contraste de índice de refracción y compatibilidad con CMOS5. De hecho, los circuitos OPA han sido ampliamente demostrados en la plataforma de silicio sobre aislador6,7,8,9,10; sin embargo, la aplicación de estos circuitos está limitada tanto por la ventana de transparencia de longitud de onda de silicio como por las altas pérdidas no lineales, que conducen a un límite en la potencia óptica de salida disponible. Nos centramos en su lugar en OPAs integrados en SiN, un material con propiedades similares al silicio en términos de capacidad CMOS y tamaño de huella11,12. A diferencia del silicio, sin embargo, se espera que SiN sea adecuado para una mayor gama de aplicaciones ya que la ventana de transparencia es más amplia, hasta al menos 500 nm, y gracias a la potencia óptica posiblemente alta gracias a las pérdidas no lineales relativamente bajas.
Los principales de la integración de OPA se han demostrado recientemente utilizando SiN8,13,14. Aquí, ampliaremos estos principios para demostrar un método de caracterización y operación de OPAs integrados para la dirección de haz bidimensional. En comparación con las demostraciones anteriores de la dirección del haz en dos dimensiones que se basan en la afinación de la longitud de onda6,nuestro circuito puede funcionar a una sola longitud de onda. En primer lugar, proporcionamos una breve descripción general de los principios operativos detrás de los OPA. Esto es seguido por una introducción a los circuitos utilizados en este trabajo. Por último, se describe el método de caracterización y se presentan y discuten imágenes típicas de los haces de salida OPA.
Los OPA se componen de una matriz de emisores estrechamente espaciados que se pueden abordar individualmente para controlar la fase óptica. Si existe una relación de fase lineal a través de la matriz del emisor, el patrón de interferencia en el campo lejano produce varios maximas claramente separados, similares a los principios de interferencia de varias ranuras. Al controlar la magnitud de la diferencia de fase, se puede ajustar la posición del máximo y, por lo tanto, realizar la dirección del haz. En los OpA integrados, los emisores consisten en rejillas de difracción estrechamente espaciadas donde la luz se dispersa y se emite fuera del plano de la viruta. En la Figura 1A,Bse muestra una ilustración esquemática de un dispositivo OPA integrado. La luz se acopla en el chip, en este caso a través de una fibra óptica, y luego se divide en múltiples canales, cada uno de los cuales contiene un cambiador de fase integrado. En el otro extremo del circuito óptico, las guías de onda terminan en rejillas y se combinan para formar el OPA. El haz de salida resultante se compone de múltiples maximizas de interferencia, la más brillante de las cuales se conoce como el lóbulo fundamental y es el más utilizado en aplicaciones de dirección de haz. La dirección de emisión del lóbulo fundamental se define por los dos ángulos acimutales a la proyección ortogonal del plano de la viruta, á y , perpendicular y paralela a la orientación de la rejilla respectivamente. En este documento, se denominarán los ángulos de emisión "perpendicular" y "paralelo", respectivamente. El ángulo perpendicular - está determinado por la diferencia de fase entre los canales OPA, y el ángulo paralelo depende del período de las rejillas de salida.
Nuestros circuitos integrados se fabrican utilizando guías de onda Si3N4 con una sección transversal de 600 x 300 nm2,un diseño que fue optimizado para el modo de polarización eléctrica transversal fundamental de la luz a una longitud de onda de 905 nm. Debajo de las guías de onda se encuentra una capa tampón De O2 de 2,5 m encima de una oblea de silicio. Los cambiadores de fase térmica se hicieron a partir de una capa Ti(TiN) de 10(100) nm de espesor utilizada para formar cables resistivos de 500 m de largo y 2 m de ancho. En nuestros circuitos, se requiere una potencia eléctrica de 90 mW para lograr un cambio de fase de . Las rejillas de salida OPA constan de 750 períodos completamente grabados con un factor de llenado nominal de 0,5 y un período de rejilla entre 670 nm y 700 nm. Más información sobre el diseño de la plataforma y la fabricación se da en Tyler et al.15,16.
En este trabajo, se caracterizan dos tipos diferentes de circuitos, un circuito pasivo sin capacidades de cambio de fase, y un circuito más complejo, diseñado para realizar la dirección de haz en dos dimensiones. El circuito de dirección de haz bidimensional se muestra en la Figura 2. La Figura 2A contiene un esquema del circuito y la Figura 2B muestra una imagen del microscopio del dispositivo fabricado. La luz entra en el circuito en la rejilla de entrada. A continuación, alcanza una red de conmutación donde se puede enrutar selectivamente hacia uno de los cuatro subcircuitos. Cada subcircuito divide la luz en cuatro canales utilizando dispositivos de interferencia multimodo (MMI). Los canales contienen cada uno un cambiador de fase térmica y forman un OPA al final del circuito. Los cuatro OPA procedentes de los cuatro subcircuitos comprenden cada uno un período de rejilla diferente entre 670 nm y 700 nm. Estos períodos corresponden a ángulos acimutales paralelos al eje de rejilla, entre 7o y 10o. Una descripción más detallada sobre el circuito se puede encontrar en Tyler et al.16.
La configuración de caracterización presentada se basa en una estación de sondeo automatizada capaz de realizar una serie de mediciones en muchos circuitos a través de toda una oblea. Esto permite estudiar la variación de rendimiento en relación con la posición en la oblea y seleccionar los dispositivos con las propiedades óptimas. Sin embargo, el uso de una estación prober implica algunas restricciones físicas al esquema de caracterización OPA debido al espacio relativamente pequeño disponible por encima de la oblea. La caracterización de matrices ópticas por fases requiere tomar imágenes de la salida OPA en el campo lejano, que se puede realizar de varias maneras. Por ejemplo, se puede utilizar una serie de lentes en un sistema de imágenes Fourier6 o la imagen de campo lejano formada en una superficie lambertiana puede verse en reflexión o transmisión. Para nuestro sistema, elegimos lo que consideramos la solución más simple y compacta de colocar un sensor CMOS de superficie grande de 35 mm x 28 mm sin lentes colocadas aproximadamente 50 mm por encima de la superficie de la oblea. A pesar del aumento del costo de un sensor CCD tan grande, esta solución permite un campo de visión suficiente sin el uso de lentes.
Protocol
1. Preparativos
- Prepare la siguiente configuración experimental (Figura 4).
- Usa una computadora.
- Utilice una fuente láser acoplada de fibra de onda continua. Dependiendo de las pérdidas del circuito, la potencia de 1 mW es suficiente. En la configuración de caracterización presentada, la fuente láser está en una longitud de onda de 905 nm.
- Utilice un controlador de polarización adaptado para la longitud de onda láser.
- Utilice una fibra de entrada sin levadura para acoplar la luz en el acoplador de rejilla de entrada del circuito óptico.
- Utilice una sonda eléctrica para conectar la placa de control electrónica al contacto eléctrico del circuito óptico.
- Utilice un sistema capaz de controlar los moduladores de 20 fases del circuito de dirección de haz bidimensional. En la configuración de caracterización presentada, este sistema es una placa electrónica personalizada controlada por un Arduino, que es capaz de aplicar individualmente entre 0 y 200 mW de potencia eléctrica en los cambiadores de fase en el circuito óptico. En la Figura 3se muestra un esquema del circuito eléctrico. Para cada canal, el circuito contiene un DAC (Digital to Analog Converter) que traducirá el voltaje de comando digital a un voltaje analógico que controla la puerta de un transistor de alta potencia. El calentador está conectado a una fuente de corriente de alta potencia. Por lo tanto, mediante el control de la tensión de la puerta, el flujo de corriente en el calentador se puede ajustar.
- Utilice un sensor de imagen desnudo para tomar imágenes del campo lejano de la salida óptica. En la configuración de caracterización presentada, la cámara es un sensor CCD de 35 mm.
- Utilice un microscopio óptico para visualizar el chip para fines de alineación.
- Utilice una etapa de traslación de 3 ejes y monte para adaptarse a una oblea de 200 mm. En la configuración de caracterización presentada, esta etapa es un sistema de sonda reconfigurable para fotónica de silicio.
- Montaje del equipo
- Montar el equipo de acuerdo con la Figura 4 y montar la oblea. La distancia entre la oblea y el sensor debe elegirse lo suficientemente pequeña como para garantizar una imagen de alta resolución del haz de salida, pero lo suficientemente grande como para caber al menos dos máximos de interferencia para poder encontrar la relación entre los píxeles del sensor y el ángulo de salida como se explicará en la sección 4 del protocolo.
- Asegúrese de que el sensor y la oblea sean paralelos; de lo contrario, puede falsificar el cálculo del cálculo del ángulo de píxel/salida. En la configuración de caracterización presentada, ajuste la distancia del sensor de oblea a 5 cm. Si se utiliza una configuración de sensor doble (como la que se presenta aquí), asegúrese de que el sensor desnudo se puede quitar fácilmente para dar acceso al microscopio óptico con el fin de crear una imagen del campo cercano para fines de alineación de fibra.
- Asegúrese de que la sonda eléctrica, la cámara y la fibra óptica no se toquen entre sí. Conecte los elementos necesarios a un ordenador. En la configuración presentada, la estación de sonda, el sensor CCD y el circuito eléctrico para el control de fase se impulsan a través de un ordenador y un programa Python con el fin de automatizar el proceso de medición.
2. Acoplamiento óptico
- Alineación de la fibra
- Usando el microscopio, comience bajando cuidadosamente la fibra hasta que toque la superficie de la oblea (lejos del acoplador de rejilla de entrada para evitar dañarla), y luego muévala hacia arriba unos 20 m.
- Cuando esto se hace, maximizar la intensidad de la luz en las rejillas de salida. Para ello, comience a barrer la posición de fibra sobre el acoplador de rejilla de entrada OPA. Si la cámara conectada al microscopio responde a la longitud de onda del láser (si no utiliza el sensor de imagen desnuda), y si la fibra y el acoplador de rejilla están bien alineados, la luz que sale en las rejillas de salida OPA debe ser visible en la imagen. Un ejemplo se puede ver en el cuadro 5A.
- Cuando la luz se ve de las antenas OPA, ajuste la polarización para maximizar la intensidad de la luz en las rejillas de salida. Asegúrese de evitar cualquier movimiento o vibración de la fibra de entrada
- Imágenes de salida OPA
- Cambie al sensor de imagen de campo lejano y mejore la calidad de la imagen: Ajuste tanto el tiempo de exposición del sensor como la potencia del láser de tal manera que la salida OPA sea claramente visible en la cámara y el haz no sature el sensor. Una imagen de ejemplo registrada por el sensor se muestra en el cuadro 5B.
- Si es necesario, cubra la configuración para que la luz de fondo no interfiera con la imagen del haz OPA. Generalmente, cuanto más débil sea la luz de fondo, menor será la potencia del láser que se puede ajustar.
- Bloquee los reflejos colocando una hoja altamente reflectante entre el reflejo y la cámara. A veces, los reflejos procedentes de la superficie de la oblea llegan al área del sensor y contaminan la imagen de la salida OPA (las reflexiones pueden ocurrir en la rejilla de entrada).
- Reajuste la polarización de la luz de entrada para obtener una imagen clara.
3. Optimización y dirección del haz
NOTA: En esta sección se describe el funcionamiento del circuito que se muestra en la Figura 2 y cómo se puede utilizar para realizar la dirección de haz en dos dimensiones.
- Preparaciones
- Conecte el circuito eléctrico para el control de fase a una sonda eléctrica multicanal.
- Con el microscopio, conecte los pines de la sonda eléctrica a las almohadillas de contacto metálicas del circuito óptico.
- Vuelva a optimizar la posición de la fibra de entrada.
- Cambie al sensor de campo lejano y la imagen de la salida.
- Selección del ángulo de emisión paralelo mediante la red de conmutación
- Estudiar los resonadores de anillo de la red de conmutación con el fin de controlar el ángulo de emisión en . Para ello, observe la imagen de campo lejano de la salida mientras varía los voltajes aplicados a los cambiadores de fase en los resonadores de anillo. Con la tensión correcta aplicada a cada resonador, se iluminará un área diferente en el sensor, correspondiente a un cierto valor de , como se muestra en la Figura 6B.
- Encuentre los voltajes donde los anillos están dentro y fuera de resonancia. Para este propósito, se puede utilizar un script automatizado para barrer los voltajes del resonador y registrar las intensidades en las diferentes áreas de la sonda en el sensor. Utilice los voltajes encontrados para acceder a los distintos subcircuitos y para dirigir el haz de salida en el sistema.
- Selección del ángulo de emisión ortogonal mediante la optimización de las fases OPA
- Optimice las fases de OPA para dar forma y dirigir el haz de salida en el sistema. Para ello, seleccione un área de píxeles pequeña (correspondiente al ángulo deseado) que se debe iluminar con un haz de salida enfocado.
- Maximice el brillo dentro del área elegida ejecutando la siguiente rutina de optimización.
- Cambie la fase de uno de los canales OPA en pequeños incrementos. Después de cada turno, registre la integral del brillo en el área de píxeles dentro,i i,y fuera,i o, del área seleccionada. Calcular la relación R -I / Io. Después de un ciclo de desplazamiento de fase completo entre 0 y 2o, aplique el desplazamiento de fase con la relación de brillo más alta registrada R.
- Repita este proceso de optimización de fase en el siguiente canal OPA. Se pueden utilizar diferentes algoritmos de optimización, como una escalada en la colina.
- Repita el proceso de optimización optimizando las fases hasta que el proceso de optimización se saque y un haz de salida enfocado sea visible. En la Figura 6Ase muestran imágenes de ejemplo del haz de salida tomadas durante un proceso de optimización. Después de 16 rondas de optimización, el haz de salida es visible un haz enfocado.
NOTA: Si hay algunos picos inesperados adicionales, esto puede ser el resultado de un acoplamiento temporalmente inestable en el circuito durante el proceso de optimización. Esto puede deberse al movimiento de la fibra de entrada y/o a un estado de polarización inestable.
- Para dirigir el haz de salida a un ángulo diferente, seleccione un nuevo área de píxeles y repita el proceso de optimización.
4. Mediciones de divergencia de haz y análisis de imagen
- Adquisición de imágenes
- Optimizar la posición de la fibra de entrada. Registre la imagen de la salida en el campo lejano. Asegúrese de que al menos dos maxima de interferencia clara sean visibles.
- Usando el sistema de alineación, mueva la oblea para alinear el siguiente dispositivo a la fibra de entrada. Realice una alineación fina maximizando la intensidad de salida grabada por la cámara. Grabar imagen de salida.
- Repita el paso anterior hasta que se hayan caracterizado todos los dispositivos de interés. Si el circuito óptico seleccionado tiene la capacidad de ajuste de fase de los canales OPA, realice una rutina de optimización de fase antes de grabar las imágenes.
- Análisis de imágenes
- Compruebe las imágenes grabadas en busca de puntos de datos falsos que surjan de píxeles defectuosos, como píxeles muertos o calientes. Borre estos puntos de datos o reemplace los valores por valores típicos.
- Correlacione los píxeles CCD con los ángulos de salida de OPA, de la siguiente manera.
- Calcular la distancia angular entre la máxima de interferencia de acuerdo con el diseño opA utilizando el sin-1(-/d) [-], donde el valor de la longitud de onda y d es el paso lateral entre las rejillas de OPA. Ajuste dos curvas gaussianas a los dos máximos de interferencia y determine las posiciones de los dos centros, P1 y P2. Dado que la distancia (en píxeles) entre los dos centros, N - P2 - P1, se espera que corresponda a la posición de la unidad, obtenemos un factor de conversión c entre el píxel y el ángulo c á / N [ / píxel ], que se puede utilizar para obtener una relación de ángulo relativo entre los píxeles.
- Obtenga el factor de conversión, c, a través de una medición precisa de la distancia entre la superficie de la oblea y el sensor, y el tamaño de píxel (5,5 * 5,5 m para el sensor utilizado aquí).
- Calcule los ángulos de salida absolutos en los valores de los valores de los valores de los valores de los píxeles DE CCD. Fije el centro de la viga en el ángulo de emisión esperado de acuerdo con las simulaciones. Con el fin de elegir el valor absoluto en el valor de , optimizar la viga para varios ángulos en el ajuste de las fases OPA, y registrar la intensidad del lóbulo principal para cada ángulo. De acuerdo con la teoría de la OPA, el lóbulo principal es más intenso (y la intensidad en los lóbulos laterales se minimiza) cuando se emite a . Por lo tanto, establezca el píxel en el centro de la viga con la intensidad máxima de haz registrada, en . Utilice este píxel y el factor de conversión para asignar ángulos absolutos a todos los píxeles de la imagen.
- En el caso de una viga de salida con una inclinación significativa con respecto al eje vertical, y si la divergencia y la posición del haz deben medirse con mucha precisión, incline la cámara para que sea perfectamente perpendicular al haz de salida. De lo contrario, también es posible aplicar un factor de corrección al tamaño de haz medido calculando la proyección del haz en el sensor dependiendo del ángulo entre el haz de salida y el plano de la cámara.
- Cálculo de la divergencia del haz
- Extraiga las secciones transversales a lo largo del centro de la viga fundamental a lo largo de los elementos de los mismos.
- Ajuste dos curvas gaussianas a las secciones transversales y extraiga la anchura completa a media máximadivcomo medida para la divergencia de viga.
- Calcule la anchura de la viga esperada,div, donde es la longitud de onda y la distancia lateral entre las rejillas OPA.
- Estimar la divergencia de hazdiv mediante la realización de simulaciones FDTD de las rejillas de salida.
- Pruebas automáticas
- Si el banco de caracterización (como el que se presenta aquí) puede realizar mediciones automatizadas, realice algunos pasos adicionales. En primer lugar, obtenga las dimensiones de la viruta y las coordenadas de las estructuras medidas a partir de la disposición del circuito. A continuación, introduzca esos valores en el software de control de banco. Por lo tanto, una vez que la fibra de entrada se ha alineado en la primera estructura probada (como se detalla en la sección 2.1), el banco puede cambiar automáticamente de una estructura a otra a través de una traducción de la oblea.
Representative Results
En esta sección, se muestran varias imágenes en operaoperacion de haces OPA. Estos incluyen imágenes en el campo cercano y lejano de la viga, haces de salida OPA antes y después de la optimización de fase, y haces con un número variable de canales OPA.
Una imagen del campo cercano del haz, grabada con el microscopio, se puede ver en la Figura 5A. La imagen muestra un circuito OPA pasivo con un gran número de canales y la luz emitida en las rejillas OPA es claramente visible. Este circuito produce un patrón de interferencia en el campo lejano, que fue grabado usando el sensor CCD. La imagen del sensor se da en la Figura 5B y muestra tanto el lóbulo fundamental como un lóbulo lateral. El tiempo de exposición del sensor, la potencia del láser y la luz de fondo se han optimizado para producir una imagen clara. Los dos maximas están separados por 17,6o, calculados de acuerdo con la ecuación indicada en la sección de protocolo 4.2.2.1. Tenga en cuenta que en este diseño, todas las guías de onda son de la misma longitud y, por lo tanto, no hay ninguna diferencia de fase significativa entre los canales está presente. Como resultado, los máximos de interferencia están claramente separados. A continuación se presenta un ejemplo de un circuito OPA con una diferencia de fase irregular entre los canales.
Para observar los máximos de interferencia claros en el patrón de salida OPA, se requiere una diferencia de fase lineal entre los canales OPA. Sin embargo, cuando la longitud de las guías de onda entre la entrada y las rejillas de salida varía de un canal a un canal, el patrón de interferencia mostrará varias secciones de interferencia irregulares a lo largo de una línea recta en la dirección perpendicular a la orientación de la rejilla (es decir, a lo largo del ángulo. Un ejemplo de tal patrón de salida se da en la imagen superior izquierda de la Figura 6A. Muestra la salida de campo lejano de un OPA de 16 canales con una longitud de guía de onda no uniforme entre las rejillas de entrada y salida. Afortunadamente, este diseño OPA tiene cambiadores de fase incluidos en todos los canales, por lo que las fases se pueden ajustar individualmente y la forma del haz de salida. Después de optimizar las fases como se describe en la sección 3.3 del protocolo, el haz de salida forma un máximo claro. La Figura 6A muestra cómo evoluciona el haz de salida durante el proceso de optimización. Tenga en cuenta que hay más máximas de interferencia fuera del área del sensor. Además, observamos que la divergencia de haz de los 16 canales OPA es mucho más amplia que la observada en la Figura 5B. Este efecto se espera y se debe a una reducción significativa en el número de canal.
A continuación, se discutirá el funcionamiento del circuito óptico para la dirección OPA en dos dimensiones, para obtener más información sobre el circuito, véase la Figura 2. En primer lugar, las tensiones de anillo de la red de conmutación se calibraron para enrutar la luz a los diferentes subcircuitos, cada uno de los cuales contenía un OPA. Puesto que los cuatro OPA comprenden cada uno un período de rejilla diferente, el enrutamiento de la luz entre el subcircuito da como resultado que el haz de salida se emita en diferentes ángulos. Esto se muestra en el cuadro 6B,que contiene las imágenes de campo lejano grabadas como la trayectoria de la luz se altera usando los resonadores del timbre de la red de Conmutación. Las imágenes muestran que el ángulo de emisión 'paralelo', cambia a medida que cada resonador individual se establece en resonancia con la luz de entrada, mientras que afinar los otros resonadores fuera de resonancia. Nuestro circuito fue diseñado para acceder a cuatro ángulos diferentes, sin embargo, debido a un error de diseño en la red de conmutación, sólo era posible operar tres de los resonadores de anillo. A partir de las imágenes de salida, podemos ver que el patrón de interferencia es irregular y no hay máximas claras visibles. Con el fin de dirigir y dar forma al haz de salida en el ángulo de emisión "perpendicular", se ajustaron y optimizaron las fases OPA.
En la Figura 7Ase muestra una imagen de ejemplo de un haz de salida optimizado del circuito de dirección de haz bidimensional. Dos máximas de interferencia son claramente visibles, correspondientes al lóbulo principal y a uno de los lóbulos laterales. La imagen superior de la Figura 7A muestra un mapa de calor del brillo grabado en el sensor frente al número de píxel. Para determinar el ángulo de salida, la imagen fue procesada como se describe en la sección 4.2 del protocolo y la relación entre el número de píxel y el ángulo de salida determinado. La imagen calibrada de la intensidad del haz frente al ángulo se muestra en la imagen inferior de la Figura 7A.
A continuación, se discutirán los resultados de la dirección del haz. El haz OPA se dirigió con éxito en un área de 17,6o a 3o (a 3o), los datos de ejemplo se muestran en la Figura 7B y en la Figura7C. Figure 7 La Figura 7B muestra las imágenes del haz que se dirige en el mismo, manteniendo la constante a 8o. Esto se logró accediendo primero al OPA correspondiente a un ángulo de emisión paralelo de -8o y posteriormente variando las fases ópticas para cambiar el ángulo de emisión perpendicular, . Las gráficas de intensidad normalizadas del haz fundamental dirigido a tres posiciones de salida diferentes en la Figura 7C, con un ángulo de emisión perpendicular fijo de -2,5o y de rango entre 7o y 9o. Al igual que antes, el ángulo de emisión paralelo se controlaba utilizando la red de resonador de anillos para cambiar entre los OPA. Después de la selección de OPA, las fases de OPA se optimizaron para emitir a un número de -2,5o.
Por último, la divergencia de la viga se determinó ajustando dos curvas gaussianas a lo largo de los s.a. y de la sección 4.3 del protocolo. El FWHM sirve como medida para la divergencia del haz y se midió para ser de 4,3o en s y 0,7o en s para los ángulos de emisión de los valores de -2,5o y de 8o, véase la Figura 8A. Estos valores están en buen acuerdo con los valores esperados de 4,3o y 0,6o en y , respectivamente, para un OPA de cuatro canales, como se describe en las secciones 4.3.3 y 4.3.4 del protocolo. Además de determinar la divergencia de un OPA de cuatro canales, investigamos la divergencia de un diseño OPA con un número mucho mayor de canales. Se midió la divergencia de un OPA pasivo compuesto por 128 canales, con un diseño similar al que se muestra en la Figura 5A. Con el fin de probar las variaciones de fabricación a través de una oblea, lanzamos un escaneo automático para caracterizar 42 dispositivos con diseños idénticos. Las imágenes grabadas fueron analizadas con respecto a la divergencia del haz. La divergencia en la posición del dispositivo en la oblea se muestra en la Figura 8B. Los valores medidos se encuentran entre 0,19o y 0,37o y son ligeramente más grandes que el valor esperado de 0,14o. Esto podría explicarse por los errores de fase dentro de los canales OPA individuales. Todas las guías de onda en el diseño son de la misma longitud y, por lo tanto, teóricamente no deben surgir diferencias de fase entre los canales OPA. Sin embargo, los errores de fabricación dan lugar a cambios de fase incontrolados a medida que la luz viaja de la entrada a las rejillas de salida, lo que conduce a una ampliación del haz de salida. Debido a la ausencia de cambiadores de fase en el circuito, no fue posible compensar estos errores. Como se ha mencionado, el ángulo de la antena se define mediante la geometría de la rejilla de la antena. Por lo tanto, las variaciones de fabricación (altura de la película de SiN y las estructuras de desviación de las dimensiones laterales) podrían afectar al ángulo de salida de OPA, . Tales variaciones se han caracterizado en 40 dispositivos en toda la oblea. Gracias al proceso de fabricación de CMOS muy bien controlado, se ha encontrado un insignificante 3o (tres veces la desviación estándar) de 0,156o.
Figura 1: Ilustración de OPA integrado. (A) El lóbulo de interferencia de primer orden de la salida OPA deja el circuito en dos ángulos acimutales a la proyección ortogonal del plano de viruta, á y s, perpendicular y paralelo a la orientación de la rejilla respectivamente. (B) Vista superior de un OPA que muestra sus principales elementos constitutivos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Imagen esquemática y microscopio del circuito óptico integrado para la dirección de haz bidimensional. (A) Circuito que contiene una red de conmutación conectada a cuatro subcircuitos, cada uno de los cuales forma un OPA. El área de salida contiene cuatro OPA con cuatro períodos de rejilla diferentes y, por lo tanto, ángulos de emisión en el punto (B) Imagen del microscopio del circuito descrito en (A), fabricado utilizando guías de onda SiN y cambiadores de fase térmica Ti/TiN. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Circuito eléctrico para aplicar potencias eléctricas entre 0 mW y 200 mW. Este esquema representa un circuito eléctrico que puede aplicar voltajes individualmente a los cambiadores de fase en el circuito óptico y leer su corriente eléctrica después de la aplicación de tensión. En nuestros circuitos ópticos, los cambiadores de fase consisten en cables eléctricos con resistencias de 1,3 ko. Se requiere una potencia eléctrica de 90 mW para lograr un cambio de fase óptica de . El circuito se controla a través de un microcontrolador Arduino. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Configuración experimental para la caracterización del circuito OPA. (A) Esquema de la configuración experimental. (B) Imagen del experimento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Imágenes de campo cercano y lejano del haz de salida. (A) Imagen de campo cercano de un circuito OPA. La luz a una longitud de onda de 905 nm se acopla al circuito a través de una fibra y una rejilla de entrada. La dispersión de la luz dentro de las guías de onda nos permite ver el diseño del circuito. Al final de un árbol MMI, la luz se emite en las rejillas OPA. (B) Imagen de campo lejano de la salida del circuito que se muestra en (A). Dos maximizas de interferencia son visibles en el sensor. De acuerdo con la teoría de la OPA, los máximos están separados por 17,6o. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Optimización del haz OPA y conmutación de la operación de la red. (A) Optimización del haz OPA de un OPA de 16 canales mediante cambios de fase. Las imágenes de campo lejano se muestran después de cada paso de optimización. Después de optimizar los 16 canales, el haz forma un máximo de interferencia principal dentro del área del sensor. (B) Mediante el uso de una red de conmutación compuesta por resonadores de anillo, se accede a diferentes OPA cada uno de los cuales comprende un período de rejilla diferente. Los diferentes períodos de rejilla dan como resultado que el haz de salida se emita en diferentes ángulos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Caracterización del circuito de dirección de haz bidimensional. (A) Conversión de píxeles a ángulo de los datos de imagen grabados. Los resultados de la dirección del haz en los siguientes elementos de dirección en los siguientes se muestran en (B) y (C), respectivamente. Esta cifra ha sido modificada de Tyler et al.16. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: Mediciones de divergencia de haz OPA. (A) Análisis de divergencia de haz de un OPA de 4 canales. Esta cifra ha sido modificada de Tyler et al.16. (B) Mapa de obleas de divergencias medidas en un diseño OPA de 128 canales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Discussion
Hemos presentado un método para caracterizar un OPA integrado. La principal ventaja del método es la capacidad de sondear fácilmente varios troqueles a través de una oblea, buscar variaciones de fabricación e identificar dispositivos de alto rendimiento. Esto se puede ver en el cuadro 8B. A partir de la exploración de obleas, queda claro que la mitad inferior de la oblea exhibe dispositivos con divergencias de haz inferior. Esto podría explicarse por una mayor calidad de guía de onda en esa área, lo que reduce los cambios de fase aleatorios y, por lo tanto, la divergencia del haz.
El uso de un sensor CCD de área grande para crear una imagen de la salida de campo lejano es un método conveniente para crear imágenes de la salida de espacio libre de los circuitos integrados, ya que se puede agregar fácilmente a la mayoría de las configuraciones de caracterización debido a su tamaño compacto en comparación con los sistemas de imágenes Fourier6de uso frecuente, más voluminosos.
Con el fin de garantizar una alta precisión del ángulo de haz y la medición de la divergencia, se debe tener especial cuidado durante la alineación de la cámara - OPA. Además, la respuesta OPA es sensible a las inestabilidades de fase y polarización durante la calibración. Por lo tanto, todas las fuentes de perturbación deben ser controladas: movimiento / vibración de la fibra de inyección, temperatura del láser, polarización de la luz entrante, etc.
En resumen, se presentó un método para caracterizar los OPA integrados. Se dieron detalles sobre cómo acoplar la luz, cómo controlar los cambiadores de fase en el circuito y cómo crear una imagen de la salida en el campo cercano y lejano. Se mostraron imágenes típicas de los haces de salida de varios circuitos OPA, incluyendo los resultados de la dirección del haz en dos dimensiones a una sola longitud de onda en el infrarrojo cercano. Además, mostramos los resultados de la medición de múltiples dispositivos con el mismo diseño a través de una oblea en términos de divergencia de haz. Se encontró una tendencia de rendimiento con respecto a la posición en la oblea, identificando áreas con propiedades de fabricación de alta calidad.
Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue financiado por la Dirección Francesa Générale des Entreprises (DGE) a través del proyecto 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).
