Summary
Här beskriver vi driften av en SiN integrerad fotonisk krets som innehåller optiska fasader. Kretsarna används för att avge låga divergens laserstrålar i nära infraröd och styra dem i två dimensioner.
Abstract
Optiska fasader (OPAs) kan producera laserstrålar med låg divergens och kan användas för att styra avgasvinkeln elektroniskt utan att det behövs rörliga mekaniska delar. Denna teknik är särskilt användbar för strålstyrningstillämpningar. Här fokuserar vi på OPAs integreras i SiN fotoniska kretsar för en våglängd i nära infraröd. En karakteriseringsmetod för sådana kretsar presenteras, vilket gör att utstrålningsbalken i integrerade OPAs kan formas och styras. Dessutom, med hjälp av en wafer-skala karakterisering setup, kan flera enheter enkelt testas över flera dör på en wafer. På så sätt kan tillverkningsvariationer studeras och högpresterande enheter identifieras. Typiska bilder av OPA-strålar visas, inklusive balkar som avges från OPAs med och utan en enhetlig vågledarlängd, och med varierande antal kanaler. Dessutom presenteras utvecklingen av utgående balkar under fasoptimeringsprocessen och strålstyrningen i två dimensioner. Slutligen utförs en studie av variationen i stråleskillnaderna för identiska anordningar med avseende på deras position på rånet.
Introduction
Optiska fasade arrayer (OPAs) är fördelaktiga på grund av deras förmåga att forma och styra optiska balkar nonmechanically - detta är användbart i ett brett spektrum av tekniska tillämpningar såsom ljusdetektering och räckvidd (LIDAR), fritt utrymme kommunikation och holografiska displayer1. Integreringen av OPAs i fotoniska kretsar är av särskilt intresse, eftersom det ger en billig lösning för deras tillverkning med ett litet fysiskt fotavtryck. Integrerade opas har framgångsrikt demonstrerats med hjälp av ett antal olika materialsystem, inklusive InP, AlGaAs och kisel2,,3,,4. Av dessa system är kiselfotonik kanske den mest bekväma, på grund av dess höga brytningsindexkontrast och kompatibilitet med CMOS5. Opa-kretsar har i stor utsträckning påvisats i plattformen för kisel-på-isolator6,,7,,8,,9,,10. Tillämpningen av dessa kretsar begränsas dock både av kiselns våglängdstransparensfönster och de höga ickelinjära förlusterna, vilket leder till en gräns för den tillgängliga optiska effekten. Vi fokuserar istället på OPAs integrerade i SiN, ett material med liknande egenskaper som kisel när det gäller CMOS kapacitet och fotavtryck storlek11,12. I motsats till kisel förväntas dock SiN vara lämplig för ett större antal applikationer eftersom genomskinlighetsfönstret är bredare, ner till minst 500 nm, och tack vare den eventuellt höga optiska effekten tack vare de relativt låga ickelinjära förlusterna.
Huvudmännen för OPA-integration har nyligen demonstrerats med SiN8,13,14. Här kommer vi att utöka dessa huvudmän för att visa en metod för att karakterisera och driva integrerade OPAs för tvådimensionell strålstyrning. I jämförelse med tidigare demonstrationer av strålstyrning i två dimensioner som förlitar sig på trimning av våglängd6,kan vår krets fungera på en enda våglängd. Vi ger först en kort översikt över verksamhetsprinciperna bakom OPAs. Detta följs av en introduktion till de kretsar som används i detta arbete. Slutligen beskrivs karakteriseringsmetoden och typiska bilder av OPA-utdatastrålar presenteras och diskuteras.
OPAs består av en rad nära placerade sändare som kan åtgärdas individuellt för att styra den optiska fasen. Om det finns ett linjärt fasförhållande över emittermatrisen ger störningsmönstret i det bortre fältet flera klart åtskilda maxima - liknande principerna för multislitsstörningar. Genom att kontrollera omfattningen av fasskillnaden kan maximas position justeras, och därmed strålstyrningen. I integrerade OPAs består sändare av nära placerade diffraktionsgaller där ljuset sprids och avges ut ur spånplanet. En schematisk illustration av en integrerad OPA-enhet visas i figur 1A,B. Ljuset kopplas ihop till chipet, i detta fall via en optisk fiber, och delas sedan in i flera kanaler, var och en innehåller en integrerad fasförskjutning. I andra änden av den optiska kretsen avslutas vågguiderna i galler och kombineras för att bilda OPA. Den resulterande utgående strålen består av flera störningar maxima, den ljusaste som kallas den grundläggande loben och är den som oftast används i strålstyrning applikationer. Emissionsriktningen för grundloben definieras av de två azimuthalvinklarna till den ortogonala projektionen av spånplanet, φ och θ, vinkelrätt och parallellt med gallrets orientering. I detta dokument kommer φ och θ att kallas "vinkelräta" respektive "parallella" utsläppsvinklar. Vinkelvinkeln φ bestäms av fasskillnaden mellan OPA-kanalerna, och den parallella vinkeln θ beror på utgångsgallrens period.
Våra integrerade kretsar tillverkas med Si3N4 vågledare med ett tvärsnitt på 600 x 300 nm2, en design som optimerades för den grundläggande tvärgående elektriska polariseringsläge av ljus vid en våglängd på 905 nm. Under vågledarna ligger ett 2,5 μm SiO2-buffertskikt ovanpå en kiselrån. Den termiska fas shifters gjordes från en 10 (100) nm tjock Ti (TiN) lager som används för att bilda 500 μm lång och 2 μm breda resistiva ledningar. I våra kretsar krävs en elkraft på 90 mW för att uppnå en fasförskjutning på π. OPA-utmatningsgallren består av 750 helt etsade perioder med en nominell fyllningsfaktor på 0,5 och en gallerdurk mellan 670 nm och 700 nm. Ytterligare information om plattformen design och tillverkning ges i Tyler et al.15,16.
I detta arbete kännetecknas två olika typer av kretsar, en passiv krets utan fasväxlingskapacitet och en mer komplex krets, utformad för att utföra strålstyrning i två dimensioner. Den tvådimensionella strålstyrningskretsen visas i figur 2. Figur 2A innehåller en schematisk krets och figur 2B visar en mikroskopbild av den tillverkade enheten. Lampan kommer in i kretsen vid ingångsgallret. Den når sedan ett kopplingsnät där det kan dirigeras selektivt mot en av fyra delkretsar. Varje underkrets delar upp ljuset i fyra kanaler med hjälp av multimode interferensenheter (MMI). Kanalerna innehåller var och en en termisk fasförskjutning och bildar en OPA i slutet av kretsen. De fyra opas som kommer från de fyra delkretsarna utgör vardera en annan gallerdurk mellan 670 nm och 700 nm. Dessa perioder motsvarar azimuthalvinklar parallellt med galleraxeln, θ, mellan 7° och 10°. En mer detaljerad beskrivning på kretsen finns i Tyler et al.16.
Den presenterade karakteriseringsinställningen är baserad på en automatiserad sonderingsstation som kan utföra en serie mätningar på många kretsar över en hel wafer. Detta gör det möjligt att studera prestandavariationen i förhållande till positionen på wafer och att välja de enheter med optimala egenskaper. Användningen av en proberstation innebär dock vissa fysiska begränsningar i OPA-karakteriseringsschemat på grund av det relativt lilla tillgängliga utrymmet ovanför wafer. Karakteriseringen av optiska stegvisa matriser kräver avbildning av OPA-utdata i det bortre fältet, som kan utföras på flera olika sätt. Till exempel kan en serie linser användas i ett Fourier bildsystem6 eller farfield bilden bildas på en Lambertian yta kan ses i antingen reflektion eller överföring. För vårt system valde vi vad vi ansåg vara den enklaste och mest kompakta lösningen att placera en stor yta 35 mm x 28 mm CMOS-sensor utan linser placerade ca 50 mm ovanför wafer ytan. Trots den ökade kostnaden för en så stor CCD-sensor, tillåter denna lösning ett tillräckligt synfält utan användning av linser.
Protocol
1. Förberedelser
- Förbered följande experimentella inställningar (figur 4).
- Använd en dator.
- Använd en kontinuerlig vågfiberkopplad laserkälla. Beroende på kretsförlusterna räcker 1 mW effekt. I den presenterade karakterisering setup, laserkällan är på en våglängd av 905 nm.
- Använd en polariseringsregulator anpassad för laservåglängden.
- Använd en kluven ingångsfiber för att koppla in ljus i ingångsgallret på den optiska kretsen.
- Använd en elektrisk sond för att ansluta det elektroniska styrkortet till den optiska kretsens elektriska kontakt.
- Använd ett system som kan styra 20-fasmodulatorerna i den tvådimensionella strålstyrningskretsen krävs. I den presenterade karakterisering setup, detta system är en anpassad elektronisk styrelse som styrs av en Arduino, som kan tillämpa individuellt mellan 0 och 200 mW elkraft vid fasväxel på den optiska kretsen. Ett schema för den elektriska kretsen visas i figur 3. För varje kanal innehåller kretsen en DAC (Digital till Analog Converter) som översätter den digitala kommandospänningen till en analog spänning som styr porten till en högeffektstransistor. Värmaren är ansluten till en strömkälla med hög effekt. Genom att styra grindspänningen kan därför strömflödet i värmaren justeras.
- Använd en bare bildsensor för att avbilda det bortre fältet för den optiska utgången. I den presenterade karakteriseringsinställningen är kameran en 35 mm CCD-sensor.
- Använd ett optiskt mikroskop för att avbilda chipet för justeringsändamål.
- Använd en 3-axlig översättningsfas och montera för att passa en 200 mm wafer. I den presenterade karakteriseringsinställningen är det här steget ett omkonfigurerbart sondsystem för kiselfotonik.
- Utrustning montering
- Montera utrustningen enligt figur 4 och montera rånet. Avståndet mellan wafer och sensorn måste väljas tillräckligt litet för att säkerställa en högupplöst bild av utgående strålen, men tillräckligt stor för att passa minst två störningar maxima för att kunna hitta förhållandet mellan sensorpixlar och utdatavinkel som kommer att förklaras i avsnitt 4 i protokollet.
- Se till att sensorn och rånet är parallella. Annars kan det förfalska beräkningen av pixel/utdatavinkelberäkning. I den presenterade karakteriseringsinställningen ställer du in wafer-sensoravståndet till 5 cm. Om en dubbel sensor konfiguration används (som den som presenteras här), se till att den nakna sensorn lätt kan tas bort för att ge tillgång till det optiska mikroskopet för att avbilda det nära fältet för fiberjustering ändamål.
- Se till att den elektriska sonden, kameran och den optiska fibern inte vidrör varandra. Anslut nödvändiga element till en dator. I den presenterade installationen drivs sondstationen, CCD-sensorn och den elektriska kretsen för faskontrollen via en dator och ett Python-program för att automatisera mätprocessen.
2. Optisk koppling
- Fiber justering
- Använd mikroskopet, börja med att försiktigt sänka fibern tills den vidrör wafer ytan (bort från ingångsgaller för att undvika att skada den), och sedan flytta upp den ca 20 μm.
- När detta är gjort, maximera ljusintensiteten vid utgående galler. För att göra det, börja sopa fiberpositionen över OPA-inmatningsgallret. Om kameran som är ansluten till mikroskopet är mottaglig för laservåglängden (om den inte använder den nakna bildsensorn), och om fiber- och gallerkopplingen är väl anpassad, ska ljuset som går ut vid OPA-utmatningsgallret vara synligt på bilden. Ett exempel kan ses i figur 5A.
- När ljuset ses från OPA-antennerna justerar du polariseringen för att maximera ljusintensiteten vid utgående galler. Var noga med att undvika rörelse eller vibrationer av ingångsfibern
- OPA-utskriftsbild
- Byt till den avlägsna bildsensorn och förbättra bildkvaliteten: Justera både sensorns exponeringstid och lasereffekten på ett sådant sätt att OPA-utgången syns tydligt på kameran och strålen inte mättar sensorn. En exempelbild som spelats in av sensorn visas i bild 5B.
- Om det behövs, täck upp installationen så att bakgrundslampan inte stör bilden från OPA-strålen. Generellt, ju svagare bakgrundsljus, desto lägre lasereffekt som kan ställas in.
- Blockera reflektionerna genom att placera ett mycket reflekterande ark mellan reflektionen och kameran. Ibland når reflektioner från waferytan sensorområdet och förorenar bilden av OPA-utgången (reflektioner kan ske vid inmatningsgallret).
- Justera polariseringen av ingångslampan för att få en tydlig bild.
3. Stråloptimering och styrning
OBS: I det här avsnittet beskrivs hur kretsen som visas i figur 2 fungerar och hur den kan användas för att utföra strålstyrning i två dimensioner.
- Preparat
- Anslut den elektriska kretsen för faskontrollen till en flerkanalig elektrisk sond.
- Anslut fäststiften på den elektriska sonden med hjälp av mikroskopet till den optiska kretsens metallkontaktkuddar.
- Optimera indatafiberns position igen.
- Växla till den bortre fältsensorn och bild utgången.
- Val av parallell emissionsvinkel θ med kopplingsnätet
- Studera ringresonatorerna i kopplingsnätet för att kontrollera avgasvinkeln i θ. Observera för detta ändamål den bortre fältbilden av utgången samtidigt som spänningarna varieras på fasväktarna vid ringresonatorerna. Med rätt spänning på varje resonator tänds ett annat område på sensorn, vilket motsvarar ett visst θ-värde, som visas i figur 6B.
- Hitta spänningarna där ringarna är på- och avresonans. För detta ändamål kan ett automatiserat skript användas för att sopa resonatorspänningar och registrera intensiteterna på de olika θ områdena på sensorn. Använd hittade spänningar för att komma åt de olika delkretsarna och styra utgående strålen i θ.
- Val av den ortogonala utsläppsvinkeln φ genom att optimera OPA-faserna
- Optimera OPA-faserna för att forma och styra utgående strålen i φ. För detta ändamål väljer du ett litet pixelområde (motsvarande önskad φ-vinkel) som ska belysas med en fokuserad uteffektsstråle.
- Maximera ljusstyrkan inom det valda området genom att köra följande optimeringsrutin.
- Flytta fasen för en av OPA-kanalerna i små steg. Efter varje skift, spela in integralen av ljusstyrkan i pixelområdet inuti, iioch utanför, jago,av det valda området. Beräkna förhållandet R = Ii / Io. Efter en helfasväxlingscykel mellan 0 och 2π, applicera fasförskjutningen med det högsta registrerade ljusstyrt ljusstyrt förhållandet R.
- Upprepa den här fasoptimeringsprocessen på nästa OPA-kanal. Olika optimeringsalgoritmer kan användas, till exempel en bergsklättring.
- Upprepa optimeringsprocessen genom att optimera faserna tills optimeringsprocessen är mättad och en fokuserad utstrålningsstråle är synlig. Exempel på bilder av utdatastrålen som tagits under en optimeringsprocess visas i figur 6A. Efter 16 optimeringsrundor syns utstrålningsstrålen en fokuserad stråle.
OBS: Om det finns ytterligare oväntade toppar kan detta bero på en tidsmässigt instabil koppling till kretsen under optimeringsprocessen. Detta kan bero på förflyttning av ingångsfibern och/eller ett instabilt polariseringstillstånd.
- För att styra utstrålningsstrålen till en annan φ vinkel, välj ett nytt pixelområde och upprepa optimeringsprocessen.
4. Beam divergens mätningar och bildanalys
- Bild förvärv
- Optimera ingångsfiberns position. Spela in bilden av utdata i det bortre fältet. Se till att minst två tydliga störningsmaximer är synliga.
- Använd justeringssystemet och flytta wafer för att justera nästa enhet mot indatafibern. Utför fin justering genom att maximera utdataintensiteten som registreras av kameran. Arkivbild.
- Upprepa ovanstående steg tills alla enheter av intresse har karakteriserats. Om den valda optiska kretsen har kapacitet att fasjustering av OPA-kanalerna, utför en fasoptimeringsrutin innan du spelar in bilderna.
- Bildanalys
- Kontrollera de inspelade bilderna efter falska datapunkter som uppstår från defekta pixlar, till exempel döda eller heta pixlar. Radera dessa datapunkter eller ersätt värdena med typiska värden.
- Korrelera CCD-pixlarna till OPA-utdatavinklarna φ och θ enligt följande.
- Beräkna vinkelavståndet Δφ mellan störningsmaximat enligt OPA-konstruktionen med Δφ = sin-1(λ/d) [°], där λ är våglängden och d är den laterala tonhöjden mellan OPA-gallren. Montera två Gaussiska kurvor till de två störningsmaxima och bestämma positionerna för de två centra, P1 och P2. Eftersom avståndet (i pixlar) mellan de två centra, N = P2 - P1, förväntas motsvara Δφ, får vi en konverteringsfaktor c mellan pixel och vinkel c = Δφ/N [°/pixel], som kan användas för att få en relativ vinkelrelation mellan pixlar.
- Få konverteringsfaktorn, c, genom en noggrann mätning av avståndet mellan wafer-ytan och sensorn och pixelstorleken (5,5*5,5 μm för den sensor som används här).
- Uppskatta de absoluta utdatavinklarna i φ och θ för en av CCD-pixlarna. Ställ strålcentralen i θ till förväntad utsläppsvinkel enligt simuleringar. För att välja det absoluta värdet i φ, optimera strålen för flera vinklar i φ genom att justera OPA-faserna och registrera intensiteten hos huvudloben för varje vinkel. Enligt OPA-teorin är huvudloben mest intensiv (och intensiteten i sidoloberna minimeras) vid avgivande vid φ = 0°. Ställ därför in pixeln i mitten av strålen med den maximala inspelade strålintensiteten, till φ = 0°. Använd den här pixeln och konverteringsfaktorn för att tilldela absoluta vinklar till alla bildpunkter.
- När det gäller en utgående balk med betydande lutning med avseende på den vertikala axeln, och om balkens divergens och läge måste mätas mycket noggrant, luta kameran för att vara helt vinkelrät mot utgående balken. Annars är det också möjligt att tillämpa en korrigeringsfaktor på den uppmätta strålstorleken genom att beräkna strålens projektion på sensorn beroende på vinkeln mellan utgående strålen och kameraplanet.
- Beräkning av balkskillnaderna
- Extrahera tvärsnitt över mitten av grundbalken längs φ och θ.
- Montera två gaussiska kurvor på tvärsnitten och extrahera full-width-at-half-maxima som ett mått för balken divergens φdiv och θdiv.
- Beräkna den förväntade strålbredden φdiv = λ/Nd [°], där λ är våglängden och d det laterala avståndet mellan OPA-gallret.
- Uppskatta strålens divergens θdiv genom att utföra FDTD-simuleringar av utgående galler.
- Automatisk testning
- Om karakteriseringsbänken (som den som presenteras här) kan utföra automatiserade mätningar, utför du ytterligare steg. Först, få chip dimensioner och koordinaterna för de uppmätta strukturerna från kretsen layout. Mata sedan in dessa värden i bänkstyrningsprogrammet. Därför, när ingångsfibern har anpassats på den första testade strukturen (som beskrivs i avsnitt 2.1), kan bänken växla automatiskt från en struktur till en annan via en översättning av wafer.
Representative Results
I detta avsnitt visas flera i operandobilder av OPA-balkar. Dessa inkluderar bilder i strålens när- och närfält, OPA-utdatastrålar före och efter fasoptimering och balkar med ett varierande antal OPA-kanaler.
En bild av strålens närfält, som spelats in med mikroskopet, kan ses i figur 5A. Bilden visar en passiv OPA-krets med ett stort antal kanaler och ljuset som avges vid OPA-gallret syns tydligt. Denna krets ger ett störningsmönster i det avlägsna fältet, som spelades in med hjälp av CCD-sensorn. Sensorbilden ges i figur 5B och visar både den grundläggande loben och en sidolob. Exponeringstiden för sensorn, lasereffekten och bakgrundslampan har optimerats för att ge en tydlig bild. De två maxima separeras med 17,6°, beräknat enligt ekvationen i protokollavsnittet 4.2.2.1. Observera att i denna design, alla waveguides är av samma längd och därför ingen signifikant fas skillnad mellan kanalerna är närvarande. Som ett resultat är störningsmaximasen tydligt åtskilda. Ett exempel på en OPA-krets med en oregelbunden fasskillnad mellan kanalerna presenteras nedan.
För att observera tydliga störningsmaximer i OPA-utdatamönstret krävs en linjär fasskillnad mellan OPA-kanalerna. Men när längden på vågledarna mellan ingången och utgående galler varierar från kanal till kanal, kommer störningsmönstret att visa flera, oregelbundna störningssektioner längs en rak linje i den riktning som är vinkelrät mot gallerriktningen (dvs. längs vinkel φ). Ett exempel på ett sådant utdatamönster ges i den övre vänstra bilden av figur 6A. Den visar den avlägsna utgången av en 16-kanals OPA med en ojämn vågledarlängd mellan ingångs- och utgångsgaller. Lyckligtvis har denna OPA-design fasväktare som ingår i varje kanal, så att faserna kan justeras individuellt och utstrålen formas. Efter att ha optimerat faserna enligt protokollavsnitt 3.3 utgör utdatastrålen ett tydligt maximum. Figur 6A visar hur uteffektsstrålen utvecklas under optimeringsprocessen. Observera att det finns ytterligare störningar utanför sensorområdet. Dessutom konstaterar vi att strålskillnaderna i opa-16-kanalerna är mycket bredare än den som ses i figur 5B. Denna effekt förväntas och beror på en betydande minskning av kanalnumret.
I det följande kommer driften av den optiska kretsen för OPA-styrning i två dimensioner att diskuteras, för detaljer om kretsen se figur 2. För det första kalibrerades kopplingsnätets ringspänningar för att dirigera ljuset till de olika delkretsarna, som var och en innehöll ett OPA. Eftersom de fyra opas vardera omfattar en annan gallerperiod, resulterar dragning av ljuset mellan delkretsen att utgående strålen avges i olika θ-vinklar. Detta visas i figur 6B, som innehåller de långfältsbilder som spelats in när ljusbanan ändras med hjälp av kopplingsnätverkets ringresonatorer. Bilderna visar att den "parallella" utsläppsvinkeln, θ, ändras när varje enskild resonator ställs in på resonans med ingångslampan, samtidigt som de andra resonatorerna av resonansen justeras. Vår krets var utformad för att komma åt fyra olika θ vinklar, men på grund av ett konstruktionsfel i kopplingsnätet, var det bara möjligt att använda tre av ringen resonators. Från utdatabilderna kan vi se att störningsmönstret är oregelbundet och att inga tydliga maxima är synliga. För att styra och forma utgående strålen i utsläppsvinkeln "vinkelrät" justerades och optimerades OPA-faserna.
En exempelbild av en optimerad uteffektsstråle av den tvådimensionella strålstyrningskretsen visas i figur 7A. Två störningar maxima är tydligt synliga, vilket motsvarar huvudloben och en av sidoloberna. Den översta bilden i figur 7A visar en värmekarta över den inspelade ljusstyrkan vid sensorn kontra pixelnummer. För att bestämma utdatavinkeln bearbetades bilden enligt beskrivningen i avsnitt 4.2 i protokollet och förhållandet mellan pixelnummer och utdatavinkel bestäms. Den kalibrerade bilden av strålintensiteten kontra vinkel visas i bilden längst ned i figur 7A.
I det följande kommer strålstyrningsresultaten att diskuteras. OPA-strålen styrdes framgångsrikt i ett område på 17,6 ° × 3 ° (φ × θ), exempel data visas i figur 7B och figur 7C. Figur 7B visar bilder av strålen som styrs i φ samtidigt som θ konstanten bibehålls vid 8°. Detta uppnåddes genom att först komma åt OPA som motsvarar en parallell emissionsvinkel på θ = 8° och därefter variera de optiska faserna för att ändra den vinkelräta utsläppsvinkeln, φ. Normaliserade intensitetsområden för den fundamentala balk som styrs till tre olika utgående positioner i θ visas i figur 7C, med en fast vinkelrät utsläppsvinkel på φ = -2,5° och θ som varierar mellan 7° och 9°. Liksom tidigare styrdes den parallella utsläppsvinkeln θ med hjälp av ringresonatornätet för att växla mellan OPAs. Efter valet av OPA optimerades OPA-faserna för att avge vid φ = -2,5°.
Slutligen avgjordes balkskillnaderna genom montering av två gaussiska kurvor längs φ och θ enligt beskrivningen i protokollavsnitt 4.3. FWHM fungerar som ett mått för balkskillnaderna och mättes till 4,3° i φ och 0,7° i θ för utsläppsvinklar på φ = -2,5° och θ = 8°, se figur 8A. Dessa värden är i god enighet med de förväntade värdena 4,3° respektive 0,6° i φ respektive θ för ett opa med fyra kanaler, enligt beskrivningen i avsnitten 4.3.3 och 4.3.4 i protokollet. Förutom att fastställa skillnaderna mellan en fyra kanal OPA, undersökte vi skillnaden i en OPA design med ett mycket större antal kanaler. Skillnaderna mellan en passiv OPA bestående av 128 kanaler, med en design som liknar den som visas i figur 5A,mättes. För att testa för tillverkning variationer över ett rån, lanserade vi en automatisk genomsökning för att karakterisera 42 enheter med identiska mönster. De inspelade bilderna analyserades med avseende på strålens divergens. Divergensen i φ kontra positionen för enheten på wafer visas i figur 8B. De uppmätta värdena ligger mellan 0,19° och 0,37° och är något större än det förväntade värdet på 0,14°. Detta kan förklaras av fasfel inom de enskilda OPA-kanalerna. Alla waveguides i designen är av samma längd och därför teoretiskt inga fasskillnader bör uppstå mellan OPA-kanalerna. Tillverkningsfel leder dock till okontrollerade fasförskjutningar när ljuset rör sig från ingången till utgående galler, vilket leder till en breddning av utmatningsstrålen. På grund av frånvaron av fasväktare i kretsen var det inte möjligt att kompensera för dessa fel. Som nämnts definieras θ-vinkeln av antenngallergeometrin. Därför kan tillverkningsvariationer (SiN-filmhöjd och strukturer laterala dimensioner avvikelse) påverka OPA-utdatavinkeln, θ. Sådana variationer har karakteriserats på 40 enheter över hela rånet. Tack vare den mycket välkontrollerade CMOS-tillverkningsprocessen har en försumbar 3σ (tre gånger standardavvikelsen) på 0,156° hittats.
Figur 1: Illustration av integrerad OPA. (A)OPA-utgångens första ordningens störningslob lämnar kretsen i två azimuthalvinklar till spånplanets ortogonala projektion, φ φ respektive θ, vinkelrätt och parallell med gallrets orientering. b)Top view för ett OPA som visar dess viktigaste konstituerande element. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Schematisk och mikroskopbild av den integrerade optiska kretsen för tvådimensionell strålstyrning. (A)Krets som innehåller ett kopplingsnät som är anslutet till fyra delkretsar och som var och en bildar ett OPA. Utmatningsområdet innehåller fyra OPAs med fyra olika gallerperioder och därmed emissionsvinklar i θ.(B)Mikroskopbild av kretsen som beskrivs i (A), tillverkade med SiN-vågledare och Ti/TiN termiska fasväktare. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Elektrisk krets för att använda elektriska krafter mellan 0 mW och 200 mW. Detta schematik representerar en elektrisk krets som individuellt kan tillämpa spänningar på fasväxlare i den optiska kretsen och läsa upp sin elektriska ström efter spänningsapplikation. I våra optiska kretsar består fasväxlaren av elektriska ledningar med motstånd på 1,3 kΩ. En elektrisk effekt på 90 mW krävs för att uppnå en optisk fasförskjutning på π. Kretsen styrs via en Arduino mikrokontroller. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Experimentell uppsättning för OPA-kretskarakterisering. (A)Schematisk för den experimentella uppsättningen. (B)Bild av experimentet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 5: När- och fjärran fältbilder av utgående strålen. (A) Nära fältbild av en OPA-krets. Ljus vid en våglängd på 905 nm kopplas in i kretsen via en fiber och en ingångsgaller. Spridning av ljus inuti vågledare tillåter oss att se kretsen design. I slutet av ett MMI-träd avges ljuset vid OPA-gallret. B)Långt fältbild av kretsens utgång som visas i (A). Två störningsmaximer syns på sensorn. Enligt OPA-teorin är maxima åtskilda av 17,6°. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: OPA-stråloptimering och kopplingsnätdrift. (A)OPA-stråloptimering av en 16-kanalig OPA med hjälp av fasväktare. Långtfältsbilder visas efter varje optimeringssteg. Efter optimering av alla 16 kanaler bildar strålen en huvudstörning maximalt inom sensorområdet. b)Genom att använda ett kopplingsnät bestående av ringresonatorer används olika opas som var och en består av en annan gallerdurk. De olika gallerperioderna resulterar i att utgående strålen avges i olika θ vinklar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: Karakterisering av den tvådimensionella strålstyrningskretsen. (A) Pixel till vinkel konvertering av den inspelade bilden data. Strålstyrningsresultaten i φ φ respektive i θ visas i (B) respektive (C). Denna siffra har ändrats från Tyler et al.16. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8: OPA-strålskillnader. (A)Beam divergens analys av en 4-kanals OPA. Denna siffra har ändrats från Tyler et al.16. (B)Wafer karta över uppmätta skillnader i φ av en 128 kanal OPA design. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Vi har presenterat en metod för att karakterisera ett integrerat OPA. Den största fördelen med metoden är möjligheten att enkelt sond flera dör över en wafer, att leta efter tillverkning variationer och att identifiera högpresterande enheter. Detta framgår av figur 8B. Från wafer scan, blir det klart att den nedre halvan av wafer uppvisar enheter med lägre balk divergenser. Detta kan förklaras av en högre vågledarkvalitet i det området, vilket minskar slumpmässiga fasförskjutningar och därmed strålens divergens.
Använda ett stort område CCD-sensor för att avbilda det bortre fältet utgång är en bekväm metod för att avbilda det fria utrymmet utdata av integrerade kretsar, eftersom det lätt kan läggas till de flesta karakterisering set-ups på grund av deras kompakta storlek i jämförelse med de ofta använda, skrymmande, Fourier-imaging system6.
För att garantera en hög noggrannhet av strålvinkel och divergensmätning, måste särskild försiktighet iakttas under kameran - OPA-justeringen. Dessutom är OPA-svaret känsligt för fas- och polariseringsinstabiliteter under kalibrering. Därför måste alla störningskällor kontrolleras: rörelse/vibrationer av injektionsfibern, lasertemperatur, inkommande ljuspolarisering etc.
Sammanfattningsvis presenterades en metod för att karakterisera integrerade opas. Detaljer om hur man kopplar ljus, hur man styr fasväktarna i kretsen och hur man avbildar utdata i när- och det bortre fältet gavs. Typiska bilder av utgående balkar av flera OPA kretsar visades, inklusive resultaten av strålstyrning i två dimensioner vid en enda våglängd i nära infraröd. Dessutom visar vi resultaten av att mäta flera enheter med samma design över ett rån när det gäller strål divergens. En prestandatrend med avseende på positionen på rånet hittades, identifiera områden med högkvalitativa tillverkningsegenskaper.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete finansierades av franska Direction Générale des Entreprises (DGE) via DEMO3S-projektet.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 25 ch electrical Probe | Cascade Microtech | InfinityQuad 25ch | |
| 35 mm CCD sensor | Allied Vision | Prosilica GT 6600 | |
| Arduino uno | Arduino | A100066 | |
| laser | Qphotonics | QFLD-905-10S | |
| optical fibre | Corning | HI780 | |
| polarization controller | ThorLabs | FPC023 | |
| prober station | Cascade Microtech | Elite 300 |
References
- Heck, M. J. Highly integrated optical phased arrays: Photonic integrated circuits for optical beam shaping and beam steering. Nanophotonics. 6 (1), 93-107 (2017).
- Vasey, F., Reinhart, F. K., Houdré, R., Stauffer, J. M. Spatial optical beam steering with an AlGaAs integrated phased array. Applied Optics. 32 (18), 3220-3232 (1993).
- Van Acoleyen, K., et al. Off-chip beam steering with a one-dimensional optical phased array on silicon-on-insulator. Optics Letters. 34 (9), 1477-1479 (2009).
- Guo, W., et al. Two dimensional optical beam steering with InP-based photonic integrated circuits. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 19 (4), 6100212 (2013).
- Jalali, B., Fathpour, S.
- 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).
