Charakterisierung von Integrierten optischen Phasenarrays von SiN auf einer Wafer-Scale-Teststation

Summary

Hier beschreiben wir den Betrieb einer integrierten photonischen SiN-Schaltung, die optische Phasenarrays enthält. Die Schaltungen werden verwendet, um Laserstrahlen mit geringer Divergenz im Nahen Infrarot auszusenden und sie in zwei Dimensionen zu steuern.

Abstract

Optische Phasenarrays (OPAs) können laserarme Laserstrahlen mit geringer Divergenz erzeugen und können verwendet werden, um den Emissionswinkel elektronisch zu steuern, ohne dass mechanische Teile bewegt werden müssen. Diese Technologie ist besonders nützlich für Strahllenkungsanwendungen. Hier konzentrieren wir uns auf OPAs, die in SiN-Photonik-Schaltungen für eine Wellenlänge im Nahinfrarot integriert sind. Es wird eine Charakterisierungsmethode solcher Schaltungen vorgestellt, die es ermöglicht, den Ausgangsstrahl integrierter OPAs zu formen und zu steuern. Darüber hinaus können mithilfe eines Wafer-scale-Charakterisierungs-Setups mehrere Geräte problemlos über mehrere Matrizen auf einem Wafer getestet werden. Auf diese Weise können Fertigungsvarianten untersucht und Hochleistungsgeräte identifiziert werden. Typische Bilder von OPA-Strahlen werden gezeigt, einschließlich Strahlen, die von OPAs mit und ohne gleichmäßige Wellenleiterlänge und mit unterschiedlicher Anzahl von Kanälen emittiert werden. Darüber hinaus wird die Entwicklung der Ausgangsträger während des Phasenoptimierungsprozesses und der Strahllenkung in zwei Dimensionen dargestellt. Schließlich wird eine Studie über die Variation der Strahldivergenz identischer Geräte in Bezug auf ihre Position auf dem Wafer durchgeführt.

Introduction

Optische Phasenarrays (OPAs) sind aufgrund ihrer Fähigkeit, optische Strahlen nicht mechanisch zu formen und zu steuern, von Vorteil - dies ist in einer Breitenpalette technologischer Anwendungen wie Lichterkennung und -umfang (LIDAR), Freiraumkommunikation und holographische Displays¹nützlich. Die Integration von OPAs in photonische Schaltungen ist von besonderem Interesse, da sie eine kostengünstige Lösung für ihre Fertigung mit geringem physischen Platzbedarf bietet. Integrierte OPAs wurden erfolgreich mit einer Reihe von verschiedenen Materialsystemen wie InP, AlGaAs und Silizium^2,,3,4demonstriert. Von diesen Systemen ist Silizium-Photonik aufgrund seines hohen Brechungsindexkontrasts und seiner Kompatibilität mit CMOS⁵vielleicht am bequemsten. In der Tat wurden OPA-Schaltungen in der Silizium-auf-Isolator-Plattform^6,7,8,9,10ausgiebig demonstriert; Die Anwendung dieser Schaltungen wird jedoch sowohl durch das Wellenlängentransparenzfenster von Silizium als auch durch die hohen nichtlinearen Verluste begrenzt, die zu einer Begrenzung der verfügbaren optischen Ausgangsleistung führen. Wir konzentrieren uns stattdessen auf OPAs, die in SiN integriert sind, ein Material mit ähnlichen Eigenschaften wie Silizium in Bezug auf CMOS-Fähigkeit und Grundfläche^11,12. Im Gegensatz zu Silizium dürfte SiN jedoch für eine größere Bandbreite von Anwendungen geeignet sein, da das Transparenzfenster breiter ist, bis zu mindestens 500 nm, und dank der möglicherweise hohen optischen Leistung dank der relativ geringen nichtlinearen Verluste.

Die Prinzipien der OPA-Integration wurden kürzlich mit SiN^8,13,14demonstriert. Hier werden wir diese Prinzipale erweitern, um eine Methode zur Charakterisierung und Bedienung integrierter OPAs für die zweidimensionale Strahllenkung zu demonstrieren. Im Vergleich zu früheren Demonstrationen der Strahllenkung in zwei Dimensionen, die auf der Abstimmung der Wellenlänge⁶basieren, kann unsere Schaltung mit einer einzigen Wellenlänge arbeiten. Zunächst geben wir einen kurzen Überblick über die Funktionsprinzipien der OPAs. Es folgt eine Einführung in die Schaltungen, die in dieser Arbeit verwendet werden. Schließlich wird die Charakterisierungsmethode beschrieben und typische Bilder von OPA-Ausgabeträgern vorgestellt und diskutiert.

OPAs bestehen aus einem Array von emittern mit eng verteiltem Abstand, die einzeln adressiert werden können, um die optische Phase zu steuern. Wenn eine lineare Phasenbeziehung über das Emitter-Array besteht, ergibt das Interferenzmuster im Fernfeld mehrere klar voneinander getrennte Maxima - ähnlich den Prinzipien der Multi-Slit-Interferenz. Durch die Steuerung der Größe der Phasendifferenz kann die Position der Maxima eingestellt und damit die Strahllenkung durchgeführt werden. In integrierten OPAs bestehen Emitter aus eng verteilten Beugungsgittern, bei denen das Licht gestreut und aus der Chipebene emittiert wird. Eine schematische Darstellung eines integrierten OPA-Geräts ist in Abbildung 1A,Bdargestellt. Licht wird über eine Glasfaser in den Chip gekoppelt und dann in mehrere Kanäle unterteilt, die jeweils einen integrierten Phasenschieber enthalten. Am anderen Ende des optischen Schaltkreises enden die Wellenleiter in Gittern und bilden den OPA. Der resultierende Ausgangsstrahl besteht aus mehreren Interferenzmaximen, von denen der hellste als Basislappen bezeichnet wird und der am häufigsten in Strahlsteuerungsanwendungen verwendet wird. Die Emissionsrichtung des Basislappens wird durch die beiden azimutalen Winkel zur orthogonalen Projektion der Spanebene, sen und, senkrecht und parallel zur Ausrichtung des Gitters definiert. In diesem Dokument werden die Emissionswinkel "senkrecht" bzw. "parallel" als "senkrechte" bzw. "parallele" Emissionswinkel bezeichnet. Der senkrechte Winkel wird durch die Phasendifferenz zwischen den OPA-Kanälen bestimmt, und der parallele Winkel hängt von der Periode der Ausgangsgitter ab.

Unsere integrierten Schaltungen werden mit Si₃N₄ Wellenleitern mit einem Querschnitt von 600 x 300 nm²hergestellt, ein Design, das für den grundlegenden transversalen elektrischen Polarisationsmodus von Licht bei einer Wellenlänge von 905 nm optimiert wurde. Unter den Wellenleitern liegt eine 2,5-m-SiO2-Pufferschicht auf einem Siliziumwafer.₂ Die thermischen Phasenschieber wurden aus einer 10(100) nm dicken Ti(TiN)-Schicht hergestellt, die zu 500 m langen und 2 m breiten Widerstandsdrähten verwendet wurde. In unseren Schaltungen ist eine elektrische Leistung von 90 mW erforderlich, um eine Phasenverschiebung von . Die OPA-Ausgangsgitter bestehen aus 750 voll geätzten Perioden mit einem nennen Füllfaktor von 0,5 und einer Gitterzeit zwischen 670 nm und 700 nm. Weitere Informationen zum Plattformdesign und der Plattformfertigung finden Sie in Tyler et al.^15,16.

In dieser Arbeit werden zwei verschiedene Arten von Schaltungen charakterisiert, eine passive Schaltung ohne Phasenverschiebungsfähigkeiten und eine komplexere Schaltung, die für die Strahllenkung in zwei Dimensionen ausgelegt ist. Die zweidimensionale Strahllenkung ist in Abbildung 2dargestellt. Abbildung 2A enthält einen Schaltplan der Schaltung und Abbildung 2B zeigt ein Mikroskopbild des hergestellten Geräts. Das Licht tritt am Eingangsgitter in die Schaltung ein. Es erreicht dann ein Schaltnetz, wo es selektiv zu einem von vier Teilkreisen geleitet werden kann. Jede Unterschaltung teilt das Licht mit Multimode-Interferenzgeräten (MMI) in vier Kanäle auf. Die Kanäle enthalten jeweils einen thermischen Phasenschieber und bilden am Ende der Schaltung einen OPA. Die vier OPA, die aus den vier Teilkreisen stammen, umfassen jeweils eine unterschiedliche Gitterzeit zwischen 670 nm und 700 nm. Diese Perioden entsprechen den azimutalen Winkeln parallel zur Gitterachse, - zwischen 7° und 10°. Eine ausführlichere Beschreibung der Schaltung finden Sie in Tyler et al.¹⁶.

Das vorgestellte Charakterisierungs-Setup basiert auf einer automatisierten Sondierungsstation, die in der Lage ist, eine Reihe von Messungen auf vielen Schaltkreisen über einen ganzen Wafer durchzuführen. Dies ermöglicht die Untersuchung der Leistungsschwankungen relativ zur Position auf dem Wafer und die Auswahl der Geräte mit den optimalen Eigenschaften. Die Verwendung einer Proberstation impliziert jedoch aufgrund des relativ geringen verfügbaren Platzes über dem Wafer einige physikalische Einschränkungen für das OPA-Charakterisierungsschema. Die Charakterisierung optischer Phasenarrays erfordert eine Abbildung des OPA-Ausgangs im Fernfeld, die auf verschiedene Weise durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann eine Reihe von Linsen in einem Fourier-Bildgebungssystem⁶ verwendet werden oder das auf einer Lambertian-Oberfläche gebildete Farfield-Bild kann entweder in Reflexion oder Übertragung betrachtet werden. Für unser System haben wir uns für die einfachste und kompakteste Lösung entschieden, einen großen 35 mm x 28 mm Großen CMOS-Sensor ohne Objektive zu platzieren, die ca. 50 mm über der Waferoberfläche platziert sind. Trotz der gestiegenen Kosten eines so großen CCD-Sensors ermöglicht diese Lösung ein ausreichendes Sichtfeld ohne den Einsatz von Linsen.

Protocol

1. Vorbereitungen

1. Bereiten Sie die folgenden Versuchseinstellungen vor (Abbildung 4).
   1. Verwenden Sie einen Computer.
   2. Verwenden Sie eine kontinuierliche Wellenfaser gekoppelte Laserquelle. Je nach Schaltungsverlust reicht 1 mW Leistung aus. Im vorgestellten Charakterisierungs-Setup liegt die Laserquelle bei einer Wellenlänge von 905 nm.
   3. Verwenden Sie einen Polarisationsregler, der für die Laserwellenlänge angepasst ist.
   4. Verwenden Sie eine gekelte Eingangsfaser, um Licht in den Eingangsgitterkoppler der optischen Schaltung zu koppeln.
   5. Verwenden Sie eine elektrische Sonde, um die elektronische Steuerplatine mit dem elektrischen Kontakt der optischen Schaltung zu verbinden.
   6. Verwenden Sie ein System, das in der Lage ist, die 20-Phasen-Modulatoren des zweidimensionalen Strahllenkkreises zu steuern. Im vorgestellten Charakterisierungs-Setup ist dieses System eine benutzerdefinierte elektronische Platine, die von einem Arduino gesteuert wird, das in der Lage ist, einzeln zwischen 0 und 200 mW elektrische Leistung an den Phasenschiebern auf dem optischen Stromkreis anzuwenden. Ein Schaltplan des elektrischen Schaltkreises ist in Abbildung 3dargestellt. Für jeden Kanal enthält die Schaltung einen DAC (Digital to Analog Converter), der die digitale Befehlsspannung in eine analoge Spannung übersetzt, die das Gate eines Hochleistungstransistors steuert. Die Heizung ist an eine Hochleistungsstromquelle angeschlossen. Durch die Steuerung der Torspannung kann daher der Stromfluss in der Heizung eingestellt werden.
   7. Verwenden Sie einen nackten Bildsensor, um das weite Feld des optischen Ausgangs abzubilden. Bei der vorgestellten Charakterisierungseinrichtung handelt es sich bei der Kamera um einen 35-mm-CCD-Sensor.
   8. Verwenden Sie ein optisches Mikroskop, um den Chip für Ausrichtungszwecke abzubilden.
   9. Verwenden Sie eine 3-Achsen-Übersetzungsstufe und montieren Sie, um einen 200-mm-Wafer zu montieren. Im vorgestellten Charakterisierungs-Setup ist diese Stufe ein rekonfigurierbares Sondensystem für Siliziumphotonik.
2. Gerätemontage
   1. Montieren Sie das Gerät gemäß Abbildung 4 und montieren Sie den Wafer. Der Abstand zwischen Wafer und Sensor muss klein genug gewählt werden, um ein hochauflösendes Bild des Ausgangsstrahls zu gewährleisten, aber groß genug, um mindestens zwei Interferenzmaxima zu passen, um die Beziehung zwischen Sensorpixeln und Ausgabewinkel finden zu können, wie in Abschnitt 4 des Protokolls erläutert wird.
   2. Stellen Sie sicher, dass der Sensor und der Wafer parallel sind; Andernfalls kann die Berechnung der Berechnung des Pixel-/Ausgabewinkels verfälscht werden. Legen Sie im vorgestellten Charakterisierungs-Setup den Wafer-Sensor-Abstand auf 5 cm fest. Wenn eine Doppelsensorkonfiguration verwendet wird (wie hier vorgestellt), stellen Sie sicher, dass der blanke Sensor leicht entfernt werden kann, um den Zugang zum optischen Mikroskop zu erhalten, um das Nahfeld für Faserausrichtungszwecke abzubilden.
   3. Achten Sie darauf, dass sich elektrische Sonde, Kamera und Glasfaser nicht berühren. Verbinden Sie die erforderlichen Elemente mit einem Computer. Bei der vorgestellten Einrichtung werden die Sondenstation, der CCD-Sensor und der elektrische Schaltkreis für die Phasensteuerung über einen Computer und ein Python-Programm angetrieben, um den Messprozess zu automatisieren.

2. Optische Kopplung

1. Faserausrichtung
   1. Beginnen Sie mit dem Mikroskop, indem Sie die Faser sorgfältig senken, bis sie die Waferoberfläche berührt (weg vom Eingangsgitterkoppler, um eine Beschädigung zu vermeiden), und bewegen Sie sie dann etwa 20 m nach oben.
   2. Wenn dies geschehen ist, maximieren Sie die Lichtintensität an den Ausgangsgittern. Um dies zu tun, beginnen Sie, die Faserposition über den OPA-Eingangsgitterkoppler zu fegen. Wenn die am Mikroskop angebrachte Kamera auf die Laserwellenlänge reagiert (wenn nicht der bare Bildsensor verwendet wird), und wenn der Faser- und Gitterkoppler gut ausgerichtet ist, sollte Licht, das an den OPA-Ausgangsgittern austritt, auf dem Bild sichtbar sein. Ein Beispiel ist In Abbildung 5Azu sehen.
   3. Wenn Licht von den OPA-Antennen aus gesehen wird, stellen Sie die Polarisation ein, um die Lichtintensität an den Ausgangsgittern zu maximieren. Achten Sie darauf, bewegungen oder Vibrationen der Eingangsfaser zu vermeiden
2. OPA-Ausgangsbildgebung
   1. Wechseln Sie zum Weitfeld-Bildsensor und verbessern Sie die Bildqualität: Passen Sie sowohl die Belichtungszeit des Sensors als auch die Laserleistung so an, dass der OPA-Ausgang auf der Kamera deutlich sichtbar ist und der Strahl den Sensor nicht sättigt. Ein vom Sensor aufgenommenes Beispielbild ist in Abbildung 5Bdargestellt.
   2. Bedecken Sie ggf. das Setup so, dass das Hintergrundlicht das Bild vom OPA-Strahl nicht beeinträchtigt. Im Allgemeinen gilt: Je schwächer das Hintergrundlicht, desto geringer ist die Laserleistung, die eingestellt werden kann.
   3. Blockieren Sie die Reflexionen, indem Sie ein hochreflektierendes Blatt zwischen der Reflexion und der Kamera platzieren. Manchmal erreichen Reflexionen, die von der Waferoberfläche stammen, den Sensorbereich und verunreinigen das Bild des OPA-Ausgangs (Reflexionen können am Eingangsgitter auftreten).
   4. Stellen Sie die Polarisation des Eingangslichts nach, um ein klares Bild zu erhalten.

3. Strahloptimierung und Lenkung

HINWEIS: In diesem Abschnitt wird der Betrieb der in Abbildung 2 dargestellten Schaltung beschrieben und beschreibt, wie sie zur Zwei-Dimensional-Lenkung verwendet werden kann.

1. Vorbereitungen
   1. Schließen Sie den Elektrischen Stromkreis für die Phasensteuerung an eine mehrkanalige elektrische Sonde an.
   2. Schließen Sie die Stifte der elektrischen Sonde mit Hilfe des Mikroskops an die Metallkontaktpads des optischen Schaltkreises an.
   3. Optimieren Sie die Position der Eingangsfaser neu.
   4. Wechseln Sie zum Fernfeldsensor und bebildern Sie den Ausgang.
2. Auswahl des parallelen Emissionswinkels über das Schaltnetz
   1. Untersuchen Sie die Ringresonatoren des Schaltnetzes, um den Emissionswinkel in . Beobachten Sie zu diesem Zweck das Fernfeldbild des Ausgangs, während Sie die Spannungen variieren, die auf die Phasenschieber an den Ringresonatoren angebracht werden. Wenn die richtige Spannung auf jeden Resonator angewendet wird, wird ein anderer Bereich auf dem Sensor beleuchtet, der einem bestimmten Wert entspricht, wie in Abbildung 6Bdargestellt.
   2. Finden Sie die Spannungen, bei denen die Ringe on- und off-resonanz sind. Zu diesem Zweck kann ein automatisiertes Skript verwendet werden, um die Resonatorspannungen zu fegen und die Intensitäten auf den verschiedenen Bereichen des Sensors aufzuzeichnen. Verwenden Sie gefundene Spannungen, um auf die verschiedenen Unterkreise zuzugreifen und den Ausgangsstrahl in .
3. Auswahl des orthogonalen Emissionswinkels durch Optimierung der OPA-Phasen
   1. Optimieren Sie die OPA-Phasen, um den Ausgangsstrahl in . Wählen Sie dazu einen kleinen Pixelbereich (entsprechend dem gewünschten Winkel), der mit einem fokussierten Ausgangsstrahl beleuchtet werden soll.
   2. Maximieren Sie die Helligkeit innerhalb des gewählten Bereichs, indem Sie die folgende Optimierungsroutine ausführen.
      1. Verschieben Sie die Phase eines der OPA-Kanäle in kleinen Schritten. Zeichnen Sie nach jeder Verschiebung das Integral der Helligkeit im Pixelbereich innerhalb, I_i, und außerhalb, I_o, des ausgewählten Bereichs auf. Berechnen Sie das Verhältnis R = I_i / I_o. Nach einem vollphasigen Schichtzyklus zwischen 0 und 2 % wenden Sie die Phasenverschiebung mit dem höchsten aufgezeichneten Helligkeitsverhältnis R an.
      2. Wiederholen Sie diesen Phasenoptimierungsprozess auf dem nächsten OPA-Kanal. Es können verschiedene Optimierungsalgorithmen verwendet werden, z. B. ein Bergsteigen.
      3. Wiederholen Sie den Optimierungsprozess, indem Sie die Phasen optimieren, bis der Optimierungsprozess gesättigt ist und ein fokussierter Ausgangsstrahl sichtbar ist. Beispielbilder des Ausgabestrahls, der während eines Optimierungsprozesses aufgenommen wurde, sind in Abbildung 6Adargestellt. Nach 16 Optimierungsrunden ist der Ausgangsstrahl ein fokussierter Strahl sichtbar.
         HINWEIS: Wenn einige weitere unerwartete Spitzen vorhanden sind, kann dies das Ergebnis einer zeitlich instabilen Kopplung in den Schaltkreis während des Optimierungsprozesses sein. Dies kann auf die Bewegung der Eingangsfaser und/oder einen instabilen Polarisationszustand zurückzuführen sein.
   3. Um den Ausgangsstrahl in einen anderen Winkel zu lenken, wählen Sie einen neuen Pixelbereich aus und wiederholen Sie den Optimierungsprozess.

4. Strahldivergenzmessungen und Bildanalyse

1. Bildaufnahme
   1. Optimieren Sie die Position der Eingangsfaser. Zeichnen Sie das Bild der Ausgabe im Fernfeld auf. Stellen Sie sicher, dass mindestens zwei klare Interferenzmaxima sichtbar sind.
   2. Verschieben Sie den Wafer mit dem Ausrichtungssystem, um das nächste Gerät an der Eingangsfaser auszurichten. Führen Sie eine fein ausgerichtete Ausrichtung durch Maximierung der von der Kamera aufgezeichneten Ausgabeintensität durch. Aufzeichnen des Ausgabebilds.
   3. Wiederholen Sie den obigen Schritt, bis alle Geräte von Interesse charakterisiert wurden. Wenn die ausgewählte optische Schaltung die Möglichkeit hat, die OPA-Kanäle phasenweise zu justieren, führen Sie eine Phasenoptimierungsroutine aus, bevor Sie die Bilder aufnehmen.
2. Bildanalyse
   1. Überprüfen Sie die aufgenommenen Bilder auf falsche Datenpunkte, die aus defekten Pixeln, wie z. B. toten oder heißen Pixeln, resultiert. Löschen Sie diese Datenpunkte, oder ersetzen Sie die Werte durch typische Werte.
   2. Korrelieren Sie die CCD-Pixel wie folgt mit den OPA-Ausgangswinkeln.
      1. Berechnen Sie den Winkelabstand zwischen den Interferenzmaxima nach dem OPA-Design unter Verwendung von sin^{-1 (sin-/d)}[°], wobei die Wellenlänge und d die seitliche Steigung zwischen den OPA-Gittern ist. Passen Sie zwei Gaußsche Kurven an die beiden Interferenzmaxima an und bestimmen Sie die Positionen der beiden Zentren P₁ und P₂. Da der Abstand (in Pixel) zwischen den beiden Zentren, N =_P2 -_P1, voraussichtlich dem Wert von n entsprechen wird, erhalten wir einen Umrechnungsfaktor c zwischen Pixel und Winkel c = N [°/Pixel], der verwendet werden kann, um eine relative Winkelbeziehung zwischen Pixeln zu erhalten.
      2. Erhalten Sie den Umrechnungsfaktor c über eine genaue Messung des Abstands zwischen waferoberfläche und Sensor und der Pixelgröße (5,5 * 5,5 m für den hier verwendeten Sensor).
      3. Schätzen Sie die absoluten Ausgabewinkel in - und , für eines der CCD-Pixel. Stellen Sie den Strahlmittelpunkt gemäß Simulationen auf den erwarteten Emissionswinkel ein. Um den absoluten Wert in , zu wählen, optimieren Sie den Strahl für mehrere Winkel in , indem Sie die OPA-Phasen anpassen, und zeichnen Sie die Intensität des Hauptlappens für jeden Winkel auf. Nach der OPA-Theorie ist der Hauptlappen am intensivsten (und die Intensität in den Seitenlappen minimiert), wenn er bei 0° emittiert wird. Legen Sie daher das Pixel in der Mitte des Strahls mit der maximalen aufgezeichneten Strahlintensität auf . = 0° fest. Verwenden Sie dieses Pixel und den Konvertierungsfaktor, um allen Pixeln des Bildes absolute Winkel zuzuweisen.
      4. Im Falle eines Ausgangsstrahls mit signifikanter Neigung in Bezug auf die vertikale Achse, und wenn die Strahldivergeinheit und Position sehr genau gemessen werden müssen, neigen Sie die Kamera, um perfekt senkrecht zum Ausgangsstrahl zu sein. Andernfalls ist es auch möglich, einen Korrekturfaktor auf die gemessene Strahlgröße anzuwenden, indem die Projektion des Strahls auf den Sensor in Abhängigkeit vom Winkel zwischen Ausgangsstrahl und Kameraebene berechnet wird.
3. Berechnung der Strahldivergenz
   1. Extrahieren Sie Querschnitte über die Mitte des Grundbalkens entlang der Abschnitte .
   2. Passen Sie zwei Gaußsche Kurven an die Querschnitte an und extrahieren Sie die volle Breite-bei-Halbmaxima als Maß für die Strahldivergenz_. div und_div.
   3. Berechnen Sie die erwartete Strahlbreite von_div = s/Nd [°], wobei die Wellenlänge und d der seitliche Abstand zwischen den OPA-Gittern ist.
   4. Schätzen Sie die Strahldivergenz_div, indem Sie FDTD-Simulationen der Ausgangsgitter durchführen.
4. Automatisches Testen
   1. Wenn die Charakterisierungsbank (wie hier vorgestellt) automatisierte Messungen durchführen kann, führen Sie einige zusätzliche Schritte aus. Beziehen Sie zunächst die Chipabmessungen und die Koordinaten der gemessenen Strukturen aus dem Schaltungslayout. Geben Sie dann diese Werte in die Tischsteuerungssoftware ein. Sobald die Eingangsfaser an der ersten getesteten Struktur ausgerichtet ist (wie in Abschnitt 2.1 beschrieben), kann die Bank über eine Übersetzung des Wafers automatisch von einer Struktur zur anderen wechseln.

Representative Results

In diesem Abschnitt werden mehrere Operandobilder von OPA-Strahlen gezeigt. Dazu gehören Bilder im nahen und weiten Feld des Strahls, OPA-Ausgangsstrahlen vor und nach der Phasenoptimierung und Strahlen mit einer unterschiedlichen Anzahl von OPA-Kanälen.

Ein Bild des Nahfeldes des Strahls, aufgenommen mit dem Mikroskop, ist in Abbildung 5Azu sehen. Das Bild zeigt eine passive OPA-Schaltung mit einer großen Anzahl von Kanälen und das lichtee Licht an den OPA-Gittern ist deutlich sichtbar. Diese Schaltung erzeugt ein Interferenzmuster im Fernfeld, das mit dem CCD-Sensor aufgezeichnet wurde. Das Sensorbild ist in Abbildung 5B angegeben und zeigt sowohl den Basislappen als auch einen Seitenlappen. Die Belichtungszeit des Sensors, die Laserleistung und das Hintergrundlicht wurden optimiert, um ein klares Bild zu erzeugen. Die beiden Maxima sind durch 17,6° getrennt, berechnet nach der Gleichung im Protokollabschnitt 4.2.2.1. Beachten Sie, dass bei diesem Design alle Wellenführungen die gleiche Länge haben und daher kein signifikanter Phasenunterschied zwischen den Kanälen vorhanden ist. Dadurch sind die Interferenzmaxima klar voneinander getrennt. Ein Beispiel für eine OPA-Schaltung mit einem unregelmäßigen Phasenunterschied zwischen den Kanälen wird unten dargestellt.

Um klare Interferenzmaxima im OPA-Ausgangsmuster zu beobachten, ist eine lineare Phasendifferenz zwischen den OPA-Kanälen erforderlich. Wenn jedoch die Länge der Wellenführungen zwischen dem Eingang und den Ausgangsgittern von Kanal zu Kanal variiert, zeigt das Interferenzmuster mehrere, unregelmäßige Interferenzabschnitte entlang einer geraden Linie in Richtung senkrecht zur Gitterausrichtung (d. h. entlang winkel n). Ein Beispiel für ein solches Ausgabemuster finden Sie im oberen linken Bild von Abbildung 6A. Es zeigt die Fernfeldleistung eines 16-Kanal-OPA mit einer ungleichmäßigen Wellenleiterlänge zwischen Eingangs- und Ausgangsgittern. Glücklicherweise verfügt dieses OPA-Design über Phasenschieber, die in jedem Kanal enthalten sind, so dass die Phasen individuell eingestellt und der Ausgangsstrahl geformt werden kann. Nach der Optimierung der Phasen, wie in Protokollabschnitt 3.3 beschrieben, bildet der Ausgangsstrahl ein klares Maximum. Abbildung 6A zeigt, wie sich der Ausgangsstrahl während des Optimierungsprozesses entwickelt. Beachten Sie, dass weitere Interferenzmaxima außerhalb des Sensorbereichs vorhanden sind. Darüber hinaus stellen wir fest, dass die Strahldivergenz der 16-Kanal-OPA viel breiter ist als in Abbildung 5B. Dieser Effekt wird erwartet und ist auf eine deutliche Reduzierung der Kanalzahl zurückzuführen.

Im Folgenden wird der Betrieb der optischen Schaltung für OPA-Lenkung in zwei Dimensionen erörtert, details siehe Abbildung 2. Zunächst wurden die Ringspannungen des Schaltnetzes kalibriert, um das Licht an die verschiedenen Teilkreise zu leiten, die jeweils eine OPA enthalten. Da die vier OPAs jeweils eine unterschiedliche Gitterzeit umfassen, führt das Routing des Lichts zwischen der Unterschaltung dazu, dass der Ausgangsstrahl in unterschiedlichen Winkeln emittiert wird. Dies ist in Abbildung 6Bdargestellt, die die Fernfeldbilder enthält, die aufgezeichnet wurden, wenn der Lichtweg mit den Ringresonatoren des Schaltnetzes verändert wird. Die Bilder zeigen, dass sich der "parallele" Emissionswinkel, , ändert, wenn jeder einzelne Resonator mit dem Eingangslicht auf Resonanz gesetzt wird, während die anderen Resonatoren außerhalb der Resonanz gestimmt werden. Unsere Schaltung wurde für den Zugriff auf vier verschiedene Winkel entwickelt, aber aufgrund eines Konstruktionsfehlers im Schaltnetz war es nur möglich, drei der Ringresonatoren zu betreiben. Aus den Ausgabebildern können wir sehen, dass das Interferenzmuster unregelmäßig ist und keine klaren Maxima sichtbar sind. Um den Ausgangsstrahl im "senkrechten" Emissionswinkel zu steuern und zu formen, wurden die OPA-Phasen angepasst und optimiert.

Ein Beispielbild eines optimierten Ausgangsstrahls der zweidimensionalen Strahllenkung summieren sie in Abbildung 7A. Zwei Interferenzmaxima sind deutlich sichtbar, entsprechend dem Hauptlappen und einem der Seitenlappen. Das obere Bild in Abbildung 7A zeigt eine Wärmekarte der aufgezeichneten Helligkeit am Sensor im Vergleich zur Pixelzahl. Um den Ausgabewinkel zu bestimmen, wurde das Bild wie in Abschnitt 4.2 des Protokolls beschrieben verarbeitet und die Beziehung zwischen Pixelzahl und Ausgabewinkel bestimmt. Das kalibrierte Bild der Strahlintensität im Vergleich zum Winkel wird im unteren Bild von Abbildung 7Adargestellt.

Im Folgenden werden die Ergebnisse der Strahllenkung diskutiert. Der OPA-Strahl wurde erfolgreich in einem Bereich von 17,6° x 3° (- , ) gelenkt, Beispieldaten sind in Abbildung 7B und Abbildung 7Cdargestellt. Abbildung 7B zeigt Bilder des Strahls, der in , unter Beibehaltung der Konstante bei 8°, gelenkt wird. Dies wurde erreicht, indem zunächst auf die OPA zugangs zu einem parallelen Emissionswinkel von n = 8° zugegangen wurde und anschließend die optischen Phasen variiert wurden, um den senkrechten Emissionswinkel zu ändern. Normalisierte Intensitätsdiagramme des Grundstrahls, die auf drei verschiedene Ausgangspositionen in - gelenkt werden, sind in Abbildung 7Cdargestellt, mit einem festen senkrechten Emissionswinkel von - - -2,5° und - zwischen 7° und 9°. Nach wie vor wurde der parallele Emissionswinkel - über das Ringresonatornetz gesteuert, um zwischen den OPAs zu wechseln. Nach der OPA-Auswahl wurden die OPA-Phasen so optimiert, dass sie bei -2,5° ausstoßen.

Schließlich wurde die Strahldivergenz bestimmt, indem zwei Gaußsche Kurven entlang der Gaussschen Kurven entlang der Parameter 4.3 einpassten. Der FWHM dient als Maß für die Strahldivergenz und wurde gemessen auf 4,3° in n und 0,7° in n für Emissionswinkel von n = -2,5° und - = 8°, siehe Abbildung 8A. Diese Werte stehen in gutem Widerspruch zu den erwarteten Werten von 4,3° bzw. 0,6° in - bzw. für eine vierkanalige OPA, wie in den Abschnitten 4.3.3 und 4.3.4 des Protokolls beschrieben. Neben der Bestimmung der Divergenz eines vierkanalig OPA untersuchten wir die Divergenz eines OPA-Designs mit einer viel größeren Anzahl von Kanälen. Die Divergenz einer passiven OPA, die aus 128 Kanälen besteht, mit einem ähnlichen Design wie in Abbildung 5A, wurde gemessen. Um Fertigungsvarianten über einen Wafer zu testen, haben wir einen automatischen Scan gestartet, um 42 Geräte mit identischen Designs zu charakterisieren. Die aufgenommenen Bilder wurden im Hinblick auf die Strahldivergenz analysiert. Die Divergenz in der Position des Geräts auf dem Wafer ist in Abbildung 8Bdargestellt. Die Messwerte liegen zwischen 0,19° und 0,37° und sind etwas größer als der erwartete Wert von 0,14°. Dies könnte durch Phasenfehler innerhalb der einzelnen OPA-Kanäle erklärt werden. Alle Wellenführungen im Design haben die gleiche Länge und daher sollten theoretisch keine Phasenunterschiede zwischen den OPA-Kanälen entstehen. Fertigungsfehler führen jedoch zu unkontrollierten Phasenverschiebungen, wenn das Licht vom Eingang zu den Ausgangsgittern übergeht, was zu einer Verbreiterung des Ausgangsstrahls führt. Aufgrund des Fehlens von Phasenschiebern in der Schaltung war es nicht möglich, diese Fehler zu kompensieren. Wie bereits erwähnt, wird der Winkel durch die Antennengittergeometrie definiert. Daher können Fertigungsvariationen (SiN-Filmhöhe und Strukturabweichung der lateralen Abmessungen) den OPA-Ausgangswinkel beeinflussen. Solche Variationen wurden auf 40 Geräten über den gesamten Wafer charakterisiert. Dank des sehr gut gesteuerten CMOS-Fertigungsprozesses wurde ein vernachlässigbares 3" (dreimal so viel wie Standardabweichung) von 0,156° gefunden.

Abbildung 1: Abbildung der integrierten OPA. (A) Der Interferenzlappen erster Ordnung des OPA-Ausgangs verlässt den Schaltkreis in zwei azimutalen Winkeln zur orthogonalen Projektion der Spanebene, senund, senkrecht und parallel zur Ausrichtung des Gitters. (B) Die Ansicht eines OPA mit seinen wichtigsten konstitutiven Elementen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Schaltplan und Mikroskopbild des integrierten optischen Schaltkreises für die zweidimensionale Strahllenkung. (A) Schaltung mit einem Schaltnetz, das mit vier Unterkreisen verbunden ist, die jeweils eine OPA bilden. Der Ausgangsbereich enthält vier OPAs mit vier unterschiedlichen Gitterperioden und damit Emissionswinkeln in . (B) Mikroskopbild des in (A) beschriebenen Schaltkreises, hergestellt mit SiN-Wellenleitern und Ti/TiN-Thermophasenschiebern. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Stromkreis zur Anwendung elektrischer Leistungen zwischen 0 mW und 200 mW. Dieser Schaltplan stellt einen elektrischen Stromkreis dar, der die Spannungen individuell auf die Phasenschieber im optischen Schaltkreis anwenden und ihren elektrischen Strom nach der Spannungsanwendung auslesen kann. In unseren optischen Schaltungen bestehen die Phasenschieber aus elektrischen Drähten mit einem Widerstand von 1,3 k.- Für eine optische Phasenverschiebung von 90 mW ist eine elektrische Leistung von 90 mW erforderlich. Die Steuerung erfolgt über einen Arduino-Mikrocontroller. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Versuchsaufbau für die OPA-Schaltungscharakterisierung. (A) Schemader des Versuchsaufbaus. (B) Bild des Experiments. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Nah- und Fernfeldbilder des Ausgangsstrahls. (A) Nahfeldbild einer OPA-Schaltung. Licht bei einer Wellenlänge von 905 nm wird über eine Faser und ein Eingangsgitter in den Kreislauf gekoppelt. Die Streuung des Lichts innerhalb der Wellenleiter ermöglicht es uns, das Schaltungsdesign zu sehen. Am Ende eines MMI-Baums wird das Licht an den OPA-Gittern emittiert. (B) Fernfeldbild des Ausgangs der Schaltung in (A) gezeigt. Zwei Interferenzmaxima sind auf dem Sensor sichtbar. Nach der OPA-Theorie sind die Maxima durch 17,6° getrennt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 6: OPA-Strahloptimierung und Netzbetrieb. (A) OPA-Strahloptimierung eines 16-Kanal-OPA mit Phasenschiebern. Nach jedem Optimierungsschritt werden Fernfeldbilder angezeigt. Nach der Optimierung aller 16 Kanäle bildet der Strahl ein Hauptinterferenzmaximum im Sensorbereich. (B) Über die Verwendung eines aus Ringresonatoren bestehenden Schaltnetzes wird auf unterschiedliche OPA zugegriffen, die jeweils eine unterschiedliche Gitterzeit umfassen. Die unterschiedlichen Gitterzeiten führen dazu, dass der Ausgangsstrahl in unterschiedlichen Winkeln emittiert wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 7: Charakterisierung des zweidimensionalen Strahllenkkreises. (A) Pixel-zu-Winkel-Konvertierung der aufgezeichneten Bilddaten. Die Ergebnisse der Strahllenkung in - bzw. in b werden in (B) bzw. (C) angezeigt. Diese Zahl wurde von Tyler et al.¹⁶geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 8: OPA-Strahlabweichungsmessungen. (A) Strahldivergenzanalyse eines 4-Kanal-OPA. Diese Zahl wurde von Tyler et al.¹⁶geändert. (B) Wafer-Map der gemessenen Divergenzen in einem 128-Kanal-OPA-Design. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

Wir haben eine Methode zur Charakterisierung einer integrierten OPA vorgestellt. Der Hauptvorteil der Methode ist die Möglichkeit, mehrere Matrizen einfach über einen Wafer zu untersuchen, nach Fertigungsvarianten zu suchen und Hochleistungsgeräte zu identifizieren. Dies ist in Abbildung 8B zusehen. Aus dem Wafer-Scan wird deutlich, dass die untere Hälfte des Wafers Geräte mit niedrigeren Strahlabweichungen aufweist. Dies könnte durch eine höhere Wellenleiterqualität in diesem Bereich erklärt werden, die zufällige Phasenverschiebungen und damit die Strahldivergenz reduziert.

Die Verwendung eines großflänischen CCD-Sensors zum Abbilden der Fernfeldausgabe ist eine bequeme Methode, um die freie Raumausgabe integrierter Schaltungen abzubilden, da sie aufgrund ihrer kompakten Größe im Vergleich zu den häufig verwendeten, sperrigeren Fourier-Imaging-Systemen⁶leicht zu den meisten Charakterisierungs-Setups hinzugefügt werden kann.

Um eine hohe Genauigkeit des Abstrahlwinkels und divergenzmessung zu gewährleisten, ist bei der Kamera - OPA-Ausrichtung - besonders vorsichtig zu sein. Darüber hinaus ist die OPA-Antwort empfindlich gegenüber Phasen- und Polarisationsinstabilitäten während der Kalibrierung. Daher müssen alle Störquellen kontrolliert werden: Bewegung/Vibration der Injektionsfaser, Lasertemperatur, lichteingehende Polarisation usw.

Zusammenfassend wurde eine Methode zur Charakterisierung integrierter OPAs vorgestellt. Details zum Koppeln von Licht, zur Steuerung von Phasenschiebern in der Schaltung und zum Abbilden des Ausgangs im nahen und dem fernen Feld wurden gegeben. Typische Bilder der Ausgangsstrahlen mehrerer OPA-Schaltungen wurden gezeigt, einschließlich der Ergebnisse der Strahllenkung in zwei Dimensionen bei einer einzigen Wellenlänge im nahen Infrarot. Darüber hinaus zeigen wir die Ergebnisse der Messung mehrerer Geräte mit dem gleichen Design über einen Wafer in Bezug auf strahldivergence. Es wurde ein Leistungstrend in Bezug auf die Position auf dem Wafer gefunden, der Bereiche mit hochwertigen Fertigungseigenschaften identifizierte.

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