Summary
Burada optik fazlı diziler içeren bir SiN entegre fotonik devrenin çalışmasını anlatıyoruz. Devreler yakın kızılötesi düşük sapma lazer ışınları yontmak ve iki boyutlu yönlendirmek için kullanılır.
Abstract
Optik fazlı diziler (OPA' lar) düşük sapmalı lazer ışınları üretebilir ve mekanik parçaların taşınmasına gerek kalmadan emisyon açısını elektronik olarak kontrol etmek için kullanılabilir. Bu teknoloji özellikle ışın direksiyon uygulamaları için yararlıdır. Burada, yakın kızılötesi bir dalga boyu için SiN fotonik devrelere entegre OPAs odaklanmak. Bu tür devrelerin bir karakterizasyon yöntemi sunulur, entegre OPA çıkış Demeti şekillenir ve yönlendirmek için izin verir. Ayrıca, gofret ölçeğinde bir karakterizasyon kurulumu kullanarak, birkaç aygıt bir gofret üzerinde birden çok kalıp arasında kolayca test edilebilir. Bu şekilde, üretim varyasyonları incelenebilir ve yüksek performanslı cihazlar tanımlanabilir. OPA ışınlarının tipik görüntüleri, tek tip dalga kılavuzu uzunluğu olan ve olmayan OPA'lardan yayılan ışınlar ve değişen sayıda kanal içeren görüntüler de dahil olmak üzere gösterilir. Buna ek olarak, faz optimizasyonu işlemi sırasında çıkış demetlerinin evrimi ve iki boyutlu Kiriş direksiyonu sunulmaktadır. Son olarak, aynı cihazların ışın ayrışması varyasyonu bir çalışma gofret üzerindeki konumlarına göre yapılır.
Introduction
Optik fazlı diziler (OPA'lar) optik ışınları mekanik olmayan bir şekilde şekillendirme ve yönlendirme yetenekleri nedeniyle avantajlıdır - bu, ışık algılama ve çeşitli (LIDAR), boş alan iletişimi ve holografik ekranlar1gibi çok çeşitli teknolojik uygulamalarda yararlıdır. Küçük bir fiziksel ayak izi ile kendi imalatı için düşük maliyetli bir çözüm sağlar gibi fotonik devreler OPAs entegrasyonu, özellikle ilgi çekicidir. Entegre OPA'lar InP, Algaa ve silikon2,3,,4gibi farklı malzeme sistemleri kullanılarak başarıyla gösterilmiştir. Bu sistemlerin, silikon fotonik belki de en uygun, yüksek kırılma indeksi kontrast ve CMOS5ile uyumluluk nedeniyle . Nitekim, OPA devreleri yaygın silikon-on-yalıtkan platform6,7,,8,9,10gösterilmiştir ; ancak, bu devrelerin uygulanması hem silikonun dalga boyu saydamlık penceresi hem de mevcut çıkış optik gücü üzerinde bir sınıra yol açan yüksek doğrusal olmayan kayıplar ile sınırlıdır. Bunun yerine, CMOS kapasitesi ve ayak izi boyutu11,12açısından silikon benzer özelliklere sahip bir malzeme olan SiN entegre OPAs odaklanmak. Ancak silikonun aksine, SiN'nin daha geniş bir uygulama yelpazesi için uygun olması beklenir, çünkü saydamlık penceresi daha geniştir, en az 500 nm'ye kadar iner ve nispeten düşük doğrusal olmayan kayıplar sayesinde muhtemelen yüksek optik güç sayesinde.
OPA entegrasyonunun ilkeleri son zamanlarda SiN8,13,14kullanılarak gösterilmiştir. Burada, bu ilkeleri, iki boyutlu ışın direksiyonu için entegre OPA'ları karakterize etme ve çalıştırma yöntemini göstermek için genişleteceğiz. Dalga boyu6'nınatomasına dayanan iki boyutlu ışın direksiyonunun önceki gösterilerine kıyasla, devremiz tek bir dalga boyunda çalışabilir. Öncelikle OPA'ların arkasındaki çalışma prensiplerine kısa bir genel bakış sayılacağız. Bunu, bu çalışmada kullanılan devrelere giriş takip eder. Son olarak, karakterizasyon yöntemi açıklanmıştır ve OPA çıkış demetleri tipik görüntüleri sunulan ve tartışıldı.
OPA'lar, optik fazı kontrol etmek için tek tek ele alınabilen bir dizi yakın aralıklı yayıcılardan oluşur. Yayıcı dizi boyunca doğrusal bir faz ilişkisi varsa, uzak alandaki girişim deseni, çok yarıklı girişim ilkelerine benzer şekilde açıkça ayrılmış birkaç maxima verir. Faz farkının büyüklüğünü kontrol ederek, maksimanın konumu ayarlanabilir ve dolayısıyla, ışın direksiyonu gerçekleştirilir. Entegre OPA'larda, yayıcılar ışığın dağıldığı ve çip düzleminden yayıldığı yakın aralıklı kırınım ızgaralarından oluşur. Entegre bir OPA cihazının şematik bir illüstrasyonu Şekil 1A,B'degösterilmiştir. Işık çip içine birleştiğinde, bir optik fiber üzerinden bu durumda, ve daha sonra birden fazla kanala ayrılır, her entegre faz değiştirici içeren. Optik devrenin diğer ucunda, dalga kılavuzları ızgaralarda sonlandırır ve OPA'yı oluşturmak için birleşir. Elde edilen çıkış demeti, en parlak olanı temel lob olarak adlandırılan ve ışın direksiyon uygulamalarında en sık kullanılan olan çoklu girişim maxima'sından oluşur. Temel lobun emisyon yönü, yonga düzleminin ortogonal projeksiyonuna iki azimuthal açısı ile tanımlanır, φ ve φ, dik ve ızgaranın yönü sırasıyla paraleldir. Bu belgede φ ve φ sırasıyla 'dik' ve 'paralel' emisyon açıları olarak anılacaktır. Dik açı φ OPA kanalları arasındaki faz farkı tarafından belirlenir ve paralel açı, çıkış ızgaralarının periyoduna bağlıdır.
Entegre devrelerimiz, 905 nm dalga boyunda ışığın temel enine elektrik polarizasyon modu için optimize edilmiş bir tasarım olan 600 x 300 nm2'likbir kesite sahip Si3N4 dalga kılavuzları kullanılarak üretilmiştir. Dalga kılavuzlarının altında silikon bir gofretin üzerinde 2,5 m SiO2 tampon tabakası yer alır. Termal faz kaydırıcıları, 500 μm uzunluğunda ve 2 μm genişliğinde dirençli teller oluşturmak için kullanılan 10(100) nm kalınlığındati(TiN) tabakasından yapılmıştır. Devrelerimizde π faz değişimi elde etmek için 90 mW'lık bir elektrik enerjisi gereklidir. OPA çıkış ızgaraları, nominal dolum faktörü 0,5 ve 670 nm ile 700 nm arasında bir ızgara süresi ile 750 tam kazınmıştır. Platform tasarımı ve imalatı hakkında daha fazla bilgi Tyler veark. 15,16verilmiştir.
Bu çalışmada, iki farklı türde devre, faz kaydırma yeteneği olmayan pasif bir devre ve iki boyutlu ışın direksiyonu gerçekleştirmek için tasarlanmış daha karmaşık bir devre karakterize edilir. İki boyutlu ışın direksiyon devresi Şekil 2'degösterilmiştir. Şekil 2A devrenin şemasını içerir ve Şekil 2B fabrikasyon cihazın mikroskop görüntüsünü gösterir. Işık giriş ızgarasında devreye girer. Daha sonra seçici olarak dört alt devreden birine yönlendirilebilen bir anahtarlama ağına ulaşır. Her alt devre, çok modlu girişim aygıtları (MMI) kullanarak ışığı dört kanala böler. Kanalların her biri bir termal faz değiştirici içerir ve devrenin sonunda bir OPA oluşturur. Dört alt devreden kaynaklanan dört OPA'nın her biri 670 nm ile 700 nm arasında farklı bir ızgara periyodunu oluşturur. Bu periyotlar, 7° ile 10° arasında, ızgara eksenine paralel azimuthal açılarına karşılık gelir. Devre hakkında daha ayrıntılı bir açıklama Tyler ve ark16bulunabilir.
Sunulan karakterizasyon kurulumu, tüm gofret boyunca birçok devrede bir dizi ölçüm yapabilen otomatik bir sondalama istasyonuna dayanır. Bu, gofretteki konuma göre performans değişiminin incelenmesini ve optimum özelliklere sahip cihazları seçmeyi sağlar. Ancak, bir prob istasyonu kullanımı gofret üzerinde nispeten küçük kullanılabilir alan nedeniyle OPA karakterizasyon düzeni için bazı fiziksel kısıtlamalar ima eder. Optik fazlı dizilerin karakterizasyonu, uzak alandaki OPA çıkışının çeşitli şekillerde gerçekleştirilebilen görüntülenmesini gerektirir. Örneğin, Fourier görüntüleme sistemi6'da bir dizi lens kullanılabilir veya Lambertian yüzeyinde oluşan uzak alan görüntüsü yansıma veya iletimde görüntülenebilir. Sistemimiz için, gofret yüzeyinin yaklaşık 50 mm üzerine yerleştirilen lensler olmadan geniş bir yüzey 35 mm x 28 mm CMOS sensör yerleştirmenin en basit ve en kompakt çözümü olarak gördüğümüz çözümü seçtik. Bu kadar büyük bir CCD sensörün artan maliyetine rağmen, bu çözüm lensler kullanılmadan yeterli bir görüş alanı sağlar.
Protocol
1. Hazırlıklar
- Aşağıdaki deneysel kurulumu hazırlayın (Şekil 4).
- Bilgisayar kullan.
- Sürekli dalga lif lazer kaynağı birleştiğinde kullanın. Devre kayıplarına bağlı olarak 1 mW güç yeterlidir. Sunulan karakterizasyon kurulumunda lazer kaynağı 905 nm dalga boyundadır.
- Lazer dalga boyu için uyarlanmış bir polarizasyon denetleyicisi kullanın.
- Optik devre giriş ızgara beyit içine çift ışık için bir cleaved giriş lif kullanın.
- Elektronik kontrol panosunu optik devrenin elektriksel temasa bağlamak için bir elektrik sondası kullanın.
- İki boyutlu ışın direksiyon devresinin 20 fazlı modülatörlerini kontrol edebilen bir sistem kullanılması gerekmektedir. Sunulan karakterizasyon kurulumunda, bu sistem, optik devredeki faz değiştiricilerine 0 ile 200 mW arasında elektrik gücü uygulayabilen bir Arduino tarafından kontrol edilen özel bir elektronik karttır. Elektrik devresinin şeması Şekil 3'tegösterilmiştir. Her kanal için devre, dijital komut gerilimini yüksek güçtransistörünün kapısını kontrol eden analog voltata çevirecek bir DAC (Dijitalden Analog Dönüştürücüye) içerir. Isıtıcı yüksek güçlü bir akım kaynağına bağlıdır. Bu nedenle, kapı gerilimi kontrol edilerek, ısıtıcıdaki akım akışı ayarlanabilir.
- Optik çıktının uzak alanını görüntülemek için çıplak görüntü sensörü kullanın. Sunulan karakterizasyon kurulumunda, kamera 35 mm CCD sensördür.
- Fişi hizalama amacıyla görüntülemek için optik mikroskop kullanın.
- 200 mm'lik bir gofrete uyacak şekilde 3 eksenli çeviri aşaması kullanın ve monte edin. Sunulan karakterizasyon kurulumunda, bu aşama silikon fotonikler için yeniden yapılandırılabilir bir prob sistemidir.
- Ekipman montajı
- Ekipmanı Şekil 4'e göre monte edin ve gofret monte edin. Gofret ve sensör arasındaki mesafe, çıkış ışınının yüksek çözünürlüklü görüntüsünü sağlayacak kadar küçük, ancak protokolün 4.
- Sensör ve gofretin paralel olduğundan emin olun; aksi takdirde, piksel/çıkış açısı hesaplamasının hesaplanmasında tahrifat yapabilir. Sunulan karakterizasyon kurulumunda, gofret sensör mesafesini 5 cm'ye ayarlayın. Çift sensör konfigürasyonu kullanılıyorsa (burada sunulan gibi), fiber hizalama amacıyla yakın alanı görüntülemek için optik mikroskoba erişim sağlamak için çıplak sensörün kolayca çıkarılabilmesini sağlayın.
- Elektriksel sonda, kamera ve optik fiberin birbirine dokunmadığından emin olun. Gerekli öğeleri bir bilgisayara bağlayın. Sunulan kurulumda prob istasyonu, CCD sensörü ve faz kontrolü için elektrik devresi, ölçüm işlemini otomatikleştirmek için bir bilgisayar ve Python programı üzerinden sürülür.
2. Optik bağlantı
- Lif hizalaması
- Mikroskobu kullanarak, gofret yüzeyine değene kadar (zarar vermemek için giriş ızgarası den uzak) elyafı dikkatlice indirerek başlayın ve yaklaşık 20 μm yukarı taşıyın.
- Bu işlem yapıldığında, çıkış ızgaralarında ışık yoğunluğunu en üst düzeye çıkarın. Bunu yapmak için, OPA giriş ızgara ivegelenüzerinde lif konumunu süpürme başlar. Mikroskoba bağlı kamera lazer dalga boyuna yanıt veriyorsa (çıplak görüntü sensörü kullanılmiyorsa) ve fiber ve Izgara kibirleyici iyi hizalanmıÅsa, OPA output izghizalarından çıkan ışık görüntüünde güvenliği gü Bir örnek Şekil 5A'dagörülebilir.
- OPA antenlerinden ışık görüldüğünde, çıkış ızgaralarında ışık yoğunluğunu en üst düzeye çıkarmak için polarizasyonu ayarlayın. Giriş lifinin herhangi bir hareket veya titreşiminden kaçındıktan emin olun
- OPA çıkış görüntüleme
- Uzak alan görüntüleme sensörüne geçin ve görüntü kalitesini artırın: Hem sensörün pozlama süresini hem de lazer gücünü, OPA çıkışının kamerada açıkça görülebilmesi ve ışın sensörün doygunluk etmeyecek şekilde ayarlayın. Sensör tarafından kaydedilen örnek bir görüntü Şekil 5B'degösterilmiştir.
- Gerekirse, arka plan ışığının OPA ışınındaki görüntüye müdahale etmeyecek şekilde kurulumu kapatın. Genellikle, zayıf arka plan ışığı, daha düşük ayarlanabilir lazer gücü.
- Yansıma ve kamera arasına son derece yansıtıcı bir sayfa yerleştirerek yansımaları engelleyin. Bazen, gofret yüzeyinden kaynaklanan yansımalar sensör alanına ulaşır ve OPA çıkışının görüntüsünü kirletir (yansımalar giriş ızgarasında meydana gelebilir).
- Net bir görüntü elde etmek için giriş ışığının kutuplaşmasını kolayca hazırla.
3. Işın optimizasyonu ve direksiyon
NOT: Bu bölümde Şekil 2'de gösterilen devrenin işleyişi ve ışın direksiyonunun iki boyutlu olarak nasıl kullanılabileceğini açıklanmaktadır.
- Hazırlık
- Faz kontrolü için elektrik devresini çok kanallı bir elektrik sondasına bağlayın.
- Mikroskobu kullanarak, elektrik sondasının pimlerini optik devrenin metal temas pedlerine bağlayın.
- Giriş lifinin konumunu yeniden optimize edin.
- Uzak alan sensörüne geçin ve çıkışı görüntüleyin.
- Anahtarlama şebekesi kullanılarak paralel emisyon açısının seçimi
- Emisyon açısını kontrol etmek için anahtarlama ağının halka rezonatörlerini incein. Bu amaçla, halka rezonatörlerinde faz değiştiricilerine uygulanan gerilimleri değiştirirken çıkışın uzak alan görüntüsünü gözlemleyin. Her rezonatöre uygulanan doğru gerilimle, sensör üzerindeki farklı bir alan, Şekil 6B'degösterildiği gibi belirli bir değere karşılık gelen şekilde aydınlatılacaktır.
- Halkaların açık ve rezonans dışı olduğu gerilimleri bulun. Bu amaçla, rezonatör voltajlarını süpürmek ve sensördeki farklı alanlardaki yoğunlukları kaydetmek için otomatik bir komut dosyası kullanılabilir. Çeşitli alt devrelere erişmek ve çıkış ışınını yönlendirmek için bulunan gerilimleri kullanın.
- OPA fazlarını optimize ederek ortogonal emisyon açısı φ seçimi
- Çıkış ışınını φ'de şekillendirmek ve yönlendirmek için OPA aşamalarını optimize edin. Bunun için, odaklanmış bir çıkış demeti ile aydınlatılması gereken küçük bir piksel alanı (istenilen φ açısına karşılık gelen) seçin.
- Aşağıdaki optimizasyon yordamını çalıştırarak seçilen alan içindeki parlaklığı en üst düzeye çıkarın.
- OPA kanallarından birinin fazını küçük artışlarla kaydırın. Her vardiyadan sonra, seçilen alanın içindeki piksel alanındaiparlaklık integralini kaydedin, ben , ve dışında, Io, seçili alanın. Oranını Hesaplayın R = Ii / Io. 0 ile 2π arasında tam faz kaydırma döngüsünden sonra, kaydedilen en yüksek parlaklık oranı R ile faz kayması uygulayın.
- Bu faz optimizasyon işlemini bir sonraki OPA kanalında tekrarlayın. Tepe tırmanma gibi farklı optimizasyon algoritmaları kullanılabilir.
- Optimizasyon işlemi doygunluk ve odaklanmış bir çıkış demeti görünür kadar aşamaları optimize ederek optimizasyon işlemini tekrarlayın. Bir optimizasyon işlemi sırasında çekilen çıkış ışınının örnek görüntüleri Şekil 6A'dagösterilmiştir. 16 optimizasyon turundan sonra, çıkış Demeti odaklanmış bir ışın görünür.
NOT: Bazı beklenmeyen zirveler varsa, bu optimizasyon işlemi sırasında devre içine zamansal kararsız bir bağlantı sonucu olabilir. Bu giriş lif ve / veya kararsız polarizasyon durumunun hareketi nedeniyle olabilir.
- Çıkış ışınını farklı bir φ açısına yönlendirmek için yeni bir piksel alanı seçin ve optimizasyon işlemini tekrarlayın.
4. Işın sapma ölçümleri ve görüntü analizi
- Görüntü edinimi
- Giriş lifinin konumunu optimize edin. Çıktının görüntüsünü uzak alandan kaydedin. En az iki net girişim maxima görünür olduğundan emin olun.
- Hizalama sistemini kullanarak, bir sonraki aygıtı giriş fiberine hizalamak için gofret'i hareket ettirin. Kamera tarafından kaydedilen çıkış yoğunluğunu en üst düzeye çıkararak ince hizalama gerçekleştirin. Çıkış görüntüsünü kaydedin.
- Tüm ilgi çekici cihazlar karakterize edilene kadar yukarıdaki adımı tekrarlayın. Seçili optik devre OPA kanallarının faz ayarlama yeteneğine sahipse, görüntüleri kaydetmeden önce bir faz optimizasyonu yordamı gerçekleştirin.
- Görüntü analizi
- Ölü veya sıcak pikseller gibi hatalı piksellerden kaynaklanan yanlış veri noktaları için kaydedilen görüntüleri kontrol edin. Bu veri noktalarını silin veya değerleri normal değerlere göre değiştirin.
- CCD piksellerini AŞAĞıDAKI gibi OPA çıkış açıları φ ve φ ile ilişkilendirin.
- Δφ = sin-1(λ/d) [°]kullanarak OPA tasarımına göre girişim maksiması arasındaki açısal uzaklığı Δφ'i hesaplayın, burada λ dalga boyu ve d OPA ızgaraları arasındaki yanal adımdır. İki girişim maxima iki Gaussian eğrileri uygun ve iki merkez, P1 ve P2konumlarını belirlemek . İki merkez arasındaki mesafe (piksel olarak) N = P2 - P1'inΔφ'e karşılık olması beklendiği için, piksel ler arasında göreceli açı ilişkisi elde etmek için kullanılabilecek bir dönüştürme faktörü c piksel ve açı c = Δφ/N [°/piksel]arasında elde edilir.
- Dyofon yüzeyi ile sensör arasındaki mesafenin ve piksel boyutunun (burada kullanılan sensör için 5,5*5,5μm) doğru bir ölçümü ile dönüşüm faktörü elde edin.
- CCD piksellerden biri için φ ve φ'deki mutlak çıkış açılarını tahmin edin. Işın merkezini simülasyonlara göre beklenen emisyon açısına ayarlayın. Φ'deki mutlak değeri seçmek için, OPA fazlarını ayarlayarak ışını φ'deki çeşitli açılar için optimize edin ve her açı için ana lobun yoğunluğunu kaydedin. OPA teorisine göre, φ = 0°'de yayan ana lob en yoğundur (ve yan loblarda yoğunluk en aza indirilir). Bu nedenle, pikseli kirişin ortasında, kaydedilen maksimum ışın yoğunluğuyla φ = 0°'ye ayarlayın. Görüntünün tüm piksellerine mutlak açı atamak için bu pikseli ve dönüşüm faktörünün kullanın.
- Dikey eksene göre önemli eğime sahip bir çıkış demeti durumunda ve ışın ayrışması ve konumu çok doğru bir şekilde ölçülmesi gerekiyorsa, çıkış ışınına mükemmel bir şekilde dik olması için kamerayı yatırın. Aksi takdirde, çıkış ışını ile kamera düzlemi arasındaki açıya bağlı olarak ışın ların sensör üzerindeki projeksiyonu hesaplayarak ölçülen ışın boyutuna bir düzeltme faktörü uygulamak da mümkündür.
- Işın ıraksamasının hesaplanması
- Φ ve φ boyunca temel Kirişin merkezi boyunca kesitleri ayıklayın.
- İki Gauss eğrisini kesitlere sığdırın ve ışın divergence φdiv ve φdiviçin bir ölçü olarak tam genişlik-at-yarım maxima ayıklayın .
- Beklenen ışın genişliğini φdiv = λ/Nd [°], λ dalga boyu ve d OPA ızgaraları arasındaki yanal uzaklık olarak hesaplayın.
- Çıkış ızgaralarının FDTD simülasyonlarınıgerçekleştirerek ışın ayrışmasını tahmin edin.
- Otomatik test
- Karakterizasyon sırası (burada sunulan gibi) otomatik ölçümler gerçekleştirebiliyorsa, bazı ek adımlar gerçekleştirin. İlk olarak, devre düzeninden ölçülen yapıların yonga boyutlarını ve koordinatlarını elde edin. Ardından, bu değerleri tezgah kontrol yazılımına giriş leyin. Bu nedenle, giriş lifi ilk test edilen yapıya hizalandıktan sonra (bölüm 2.1'de ayrıntılı olarak belirtildiği gibi), tezgah gofretçevirisi ile otomatik olarak bir yapıdan diğerine geçiş yapabilir.
Representative Results
Bu bölümde, OPA ışınlarıoperando görüntüleri birkaç gösterilir. Bunlar, ışının yakın ve uzak alanında ki görüntüleri, faz optimizasyonundan önce ve sonra OPA çıkış demetleri ve farklı sayıda OPA kanalına sahip kirişleri içerir.
Mikroskop kullanılarak kaydedilen ışının yakın alanının bir görüntüsü Şekil 5A'dagörülebilir. Resim, çok sayıda kanala sahip pasif bir OPA devresini gösterir ve OPA ızgaralarında yayılan ışık açıkça görülebilir. Bu devre, CCD sensörü kullanılarak kaydedilen uzak alanda bir girişim deseni üretir. Sensör görüntüsü Şekil 5B'de verilmiştir ve hem temel lobhem de yan lobu gösterir. Sensörün pozlama süresi, lazer gücü ve arka plan ışığı net bir görüntü oluşturmak için optimize edilmiştir. İki maksima, protokol bölümü 4.2.2.1'de verilen denkleme göre hesaplanan 17.6°ile ayrılır. Bu tasarımda, tüm dalga kılavuzlarının aynı uzunlukta olduğunu ve bu nedenle kanallar arasında önemli bir faz farkı bulunmadığını unutmayın. Sonuç olarak, girişim maxima açıkça ayrılır. Kanallar arasında düzensiz faz farkı olan bir OPA devresi örneği aşağıda sunulmuştur.
OPA çıkış deseninde net girişim maksimasını gözlemlemek için OPA kanalları arasında doğrusal faz farkı gereklidir. Ancak, giriş ve çıkış ızgaraları arasındaki dalga kılavuzlarının uzunluğu kanaldan kanala değiştiğinde, girişim deseni ızgara yönlendirmesine dik yönde düz bir çizgi boyunca birden fazla düzensiz girişim kesiti gösterir (yani açı φ boyunca). Şekil 6A'nınsol üst görüntüsünde böyle bir çıktı desenine örnek verilmiştir. Giriş ve çıkış ızgaraları arasında tek düze olmayan dalga kılavuzu uzunluğuna sahip 16 kanallı OPA'nın uzak alan çıkışını gösterir. Neyse ki, bu OPA tasarım faz değiştiriciler her kanalda dahil, böylece aşamaları ayrı ayrı ayarlanabilir ve çıkış demeti şeklinde. Protokol bölüm 3.3'te açıklandığı gibi aşamaları optimize ettikten sonra, çıkış demeti bir net maksimum oluşturur. Şekil 6A, çıkış ışınının optimizasyon işlemi sırasında nasıl geliştiğini gösterir. Sensör alanının dışında daha fazla parazit maximası bulunduğunu unutmayın. Buna ek olarak, 16 kanallı OPA'nın ışın ayrışmasının Şekil 5B'degörülenden çok daha geniş olduğunu gözlemliyoruz. Bu etki beklenmektedir ve kanal sayısında önemli bir azalma nedeniyle.
Aşağıda, OPA direksiyon için optik devrenin iki boyutlu çalışması tartışılacaktır, devre ile ilgili ayrıntılar için Şekil 2'yebakınız. İlk olarak, anahtarlama şebekesinin halka gerilimleri, ışığı her biri OPA içeren farklı alt devrelere yönlendirmek için kalibre edildi. Dört OPA'nın her biri farklı bir ızgara periyodunu oluşturduğundan, alt devre arasındaki ışığın yönlendirmesi, çıkış ışınının farklı açılarda yayılmasıyla sonuçlanır. Bu Şekil 6Bgösterilir , ışık yolu anahtarlama ağının halka rezonatörleri kullanılarak değiştirilir olarak kaydedilen uzak alan görüntüleri içeren. Görüntüler, 'paralel' emisyon açısının, her bir rezonatör ünle ilgili ışıkla rezonansa ayarlanırken diğer rezonatörleri off-rezonans olarak ayarladığını göstermektedir. Devremiz dört farklı açıya erişecek şekilde tasarlanmıştır, ancak anahtarlama ağındaki tasarım hatası nedeniyle sadece üç halka rezonatörünü çalıştırmak mümkündür. Çıkış görüntülerinden, parazit deseninin düzensiz olduğunu ve net bir maksimanın görünmediğini görebiliriz. Çıkış ışınının 'dik' emisyon açısında yönlendirilebilmesi ve şekillendirilebilmesi için OPA fazları ayarlandı ve optimize edildi.
Şekil 7A'daiki boyutlu ışın direksiyon devresinin optimize edilmiş çıkış ışınının örnek bir görüntüsü gösterilmiştir. İki girişim maxima açıkça görülebilir, ana lob ve yan loblar biri karşılık gelen. Şekil 7 Figure 7A'daki üst teki görüntü, sensör ve piksel sayısında kaydedilen parlaklığın ısı haritasını gösterir. Çıkış açısını belirlemek için, görüntü protokolün 4.2 bölümünde açıklandığı gibi işlenmiş ve piksel sayısı ile çıkış açısı arasındaki ilişki belirlenmiştir. Işın yoğunluğu ve açının kalibre edilmiş görüntüsü Şekil 7A'nınen alttaki en görüntüsünde gösterilmiştir.
Aşağıda, ışın direksiyon sonuçları tartışılacaktır. OPA ışını 17,6° × 3° (φ × φ) bir alanda başarıyla yönlendirilmiştir, örnek veriler Şekil 7B ve Şekil 7C'degösterilmiştir. Şekil 7B, φ'de yönlendirilen ışının görüntülerini gösterirken, 8°'de sabit tutar. Bu, ilk olarak = 8° paralel emisyon açısına karşılık gelen OPA'ya erişilmesi ve daha sonra optik fazların dikey emisyon açısını değiştirmek için değişmesi ile elde edilmiştir, φ. φ' de üç farklı çıkış pozisyonuna yönlendirilen temel Kirişin normalleştirilmiş yoğunluk çizerleri Şekil 7C'degösterilir , φ = -2.5° sabit dik emisyon açısı ile 7 ile 9° arasında değişir. Daha önce olduğu gibi, paralel emisyon açısı, OPA'lar arasında geçiş yapmak için halka rezonatör ağı kullanılarak kontrol edildi. OPA seçiminden sonra OPA aşamaları φ = -2.5°'de yayılacak şekilde optimize edildi.
Son olarak, ışın ayrışması protokol bölüm 4.3'te açıklandığı gibi φ ve φ boyunca iki Gaussian eğrisi takılarak tespit edilmiştir. FWHM, ışın ayrışması için bir ölçü görevi görür ve φ = -2,5° ve φ = 8°emisyon açıları için φ olarak 4,3° ve 0,7° olarak ölçüldü, bkz.A Bu değerler, protokolün 4.3.3 ve 4.3.4 bölümlerinde açıklandığı üzere, dört kanallı OPA için sırasıyla φ ve φ'de beklenen 4.3° ve 0.6° değerleri ile uyum içindedir. Dört kanallı OPA'nın ayrılığını belirlemeye ek olarak, çok daha fazla sayıda kanala sahip bir OPA tasarımının farklılığını araştırdık. Şekil 5A'dagösterilene benzer bir tasarıma sahip 128 kanaldan oluşan pasif bir OPA'nın ayrışması ölçüldü. Bir gofret arasında üretim varyasyonları test etmek için, aynı tasarımlara sahip 42 cihaz karakterize etmek için otomatik bir taramaya başlattık. Kaydedilen görüntüler ışın ayrıştırma açısından analiz edildi. Cihazın gofret üzerindeki konumuna göre φ'deki sapma Şekil 8B'degösterilmiştir. Ölçülen değerler 0,19° ile 0,37° arasında dır ve beklenen 0,14°'den biraz daha büyüktür. Bu, tek tek OPA kanallarıiçindeki faz hatalarıyla açıklanabilir. Tasarımdaki tüm dalga kılavuzları aynı uzunluktadır ve bu nedenle teorik olarak OPA kanalları arasında faz farkı ortaya çıkmamalıdır. Ancak, üretim hataları, ışık girişten çıkış ızgaralarına geçerken kontrolsüz faz kaymalarına neden olarak, çıkış ışınının genişletilmesine yol açar. Devrede faz değiştiricilerin bulunmaması nedeniyle bu hataları telafi etmek mümkün değildi. Belirtildiği gibi, π açısı anten ızgara geometrisi ile tanımlanır. Bu nedenle, imalat varyasyonları (SiN film yüksekliği ve yapıları yanal boyutlar deviasyonu) OPA çıkış açısını etkileyebilir. Bu tür varyasyonlar tüm gofret genelinde 40 cihazlarda karakterize edilmiştir. Çok iyi kontrol edilen CMOS üretim işlemi sayesinde, 0,156° ihmal edilebilir 3σ (standart sapmanın üç katı) bulunmuştur.
Şekil 1: Entegre OPA çizimi. (A) OPA çıkışının birinci dereceden girişim lobu, devreyi, sırasıyla ızgaranın ortogonal projeksiyonuna iki azimuthal açıyla bırakır. (B) Ana kurucu öğelerini gösteren bir OPA'nın üst görünümü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: İki boyutlu ışın direksiyonu için entegre optik devrenin şematik ve mikroskop görüntüsü. (A) Her biri bir OPA oluşturan dört alt devreye bağlı bir anahtarlama şebekesi içeren devre. Çıkış alanı dört farklı ızgara periyotlu dört OPA içerir ve dolayısıyla (B) SiNAdalga kılavuzları ve Ti/TiN termal faz kaydırıcıları kullanılarak imal edilen devrenin mikroskop görüntüsünde emisyon açıları içerir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Elektrik devresi 0 mW ile 200 mW arasında elektrik seli uygular. Bu şema, optik devredeki faz değiştiricilerine ayrı ayrı voltaj uygulayabilen ve voltaj uygulamasından sonra elektrik akımını okuyabilen bir elektrik devresini temsil eder. Optik devrelerimizde faz kaydırıcıları 1.3 kΩ dirençli elektrik kablolarından oluşur. Π optik faz kayması elde etmek için 90 mW'lık bir elektrik enerjisi gereklidir. Devre bir Arduino mikrodenetleyicisi ile kontrol edilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: OPA devre karakterizasyonu için deneysel kurulum. (A) Deneysel kurulumun şeması. (B) Deneyin resmi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Çıkış ışınının yakın ve uzak alan görüntüleri. (A) Opa devresinin yakın alan görüntüsü. 905 nm dalga boyunda ışık bir fiber ve bir giriş ızgara sıyrık ile devre içine birleştiğinde. Dalga kılavuzlarının içine ışık saçılması devre tasarımını görmemizi sağlar. Bir MMI ağacının sonunda, ışık OPA ızgaralarında yayılır. (B) Gösterilen devreçıkışının uzak alan görüntüsü (A). Sensörde iki parazit maximası görülebilir. OPA teorisine göre maxima 17.6° ile ayrılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: OPA ışını optimizasyonu ve anahtarlama şebekesi çalışması. (A) FAZ kaydırıcıları kullanılarak 16 kanallı OPA'nın OPA ışını optimizasyonu. Uzak alan görüntüleri her optimizasyon adımından sonra gösterilir. 16 kanalın tümünü optimize ettikten sonra, ışın sensör alanı içinde maksimum bir ana girişim oluşturur. (B) Halka rezonatörlerinden oluşan bir anahtarlama ağı kullanılarak, her biri farklı bir ızgara dönemini oluşturan farklı OPA'lara erişilir. Farklı ızgara süreleri çıkış ışınının farklı açılarda yayan bir şekilde ortaya çıkışına neden olabilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: İki boyutlu ışın direksiyon devresinin karakterizasyonu. (A) Pikselden kaydedilen görüntü verilerinin açı dönüştürmesine. Kiriş direksiyon sonuçları φ ve φ olarak gösterilmiştir (B) ve (C), sırasıyla. Bu rakam Tyler ve ark.16'dandeğiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8: OPA ışın ayrıştırma ölçümleri. (A) 4 kanallı OPA'nın ışın ayrıştırma analizi. Bu rakam Tyler ve ark.16'dandeğiştirilmiştir. (B) 128 kanallı OPA tasarımında ölçülen farklılıkların gofret haritası. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Discussion
Entegre bir OPA'yı karakterize etmek için bir yöntem sunduk. Yöntemin en büyük avantajı, bir gofret boyunca birden fazla ölücünün kolayca incelenebilme, üretim varyasyonlarını arama ve yüksek performanslı cihazları tanımlayabilmesidir. Bu Şekil 8B'degörülebilir. Gofret talan, bu gofret alt yarısında alt ışın divergences ile cihazlar sergiler açık hale gelir. Bu rasgele faz kaymaları ve dolayısıyla ışın divergence azaltır bu alanda daha yüksek bir dalga kılavuzu kalitesi ile açıklanabilir.
Geniş bir alan CCD sensör kullanarak görüntü uzak alan çıkışı entegre devrelerin boş alan çıkışı görüntü için uygun bir yöntemdir, kolayca sık kullanılan göre kompakt boyutu nedeniyle çoğu karakterizasyon kurulumları eklenebilir beri, hantal, Fourier-görüntüleme sistemleri6.
Işın açısının ve sapma ölçümünün yüksek hassasiyetini garanti etmek için, kamera sırasında özellikle dikkatli olunmalıdır - OPA hizalama. Ayrıca, OPA yanıtı kalibrasyon sırasında faz ve polarizasyon kararsızlıklarına duyarlıdır. Bu nedenle, tüm tedirginlik kaynakları kontrol edilmelidir: enjeksiyon lifinin hareketi/titreşimi, lazer sıcaklığı, gelen ışık polarizasyonu vb.
Özetle, entegre OPA'ları karakterize eden bir yöntem sunulmuştur. Işığın nasıl çiftleşdirileceğini, devredeki faz değiştiricilerin nasıl kontrol edilebildiğine ve yakın ve uzak alanda çıkışın nasıl görüntülendirilenekadar görüntülendirilebildiğine dair ayrıntılar verildi. Yakın kızılötesi tek bir dalga boyunda iki boyutlu ışın direksiyon sonuçları da dahil olmak üzere, çeşitli OPA devrelerinin çıkış demetleri tipik görüntüler gösterilmiştir. Ayrıca, ışın ayrıştırma açısından bir gofret üzerinde aynı tasarıma sahip birden fazla cihaz ölçme sonuçlarını gösterir. Gofret üzerindeki pozisyona ilişkin bir performans trendi bulunarak, yüksek kaliteli üretim özelliklerine sahip alanları tanımladı.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma DEMO3S projesi aracılığıyla French Direction Générale des Entreprises (DGE) tarafından finanse edilmiştir.
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).
