여기서, 광학 위상 배열을 포함하는 SiN 통합 포토닉 회로의 작동에 대해 설명합니다. 회로는 근적외선에서 낮은 발산 레이저 빔을 방출하고 두 가지 차원으로 조종하는 데 사용됩니다.
광학 위상 배열(OPA)은 저발산 레이저 빔을 생성할 수 있으며 기계적 부품을 움직일 필요 없이 전자적으로 방출 각도를 제어하는 데 사용할 수 있습니다. 이 기술은 빔 스티어링 애플리케이션에 특히 유용합니다. 여기서는 근적외선의 파장을 위해 SiN 광도 회로에 통합된 OPA에 중점을 둡니다. 이러한 회로의 특성화 방법이 제시되어 통합 OPA의 출력 빔을 모양과 조향할 수 있습니다. 또한 웨이퍼 스케일 특성화 설정을 사용하여 웨이퍼의 여러 다이에서 여러 장치를 쉽게 테스트할 수 있습니다. 이러한 방식으로 제작 변형을 연구하고 고성능 장치를 식별할 수 있습니다. 균일한 도파관 길이와 다양한 수의 채널로 OPA에서 방출되는 빔을 포함하여 OPA 빔의 일반적인 이미지가 표시됩니다. 또한 위상 최적화 프로세스 및 빔 조향 시 출력 빔의 진화가 2차원으로 제공됩니다. 마지막으로, 웨이퍼에서의 그들의 위치에 대하여 동일한 장치의 빔 발산의 변화에 대한 연구가 수행된다.
광학 위상 배열(OPA)은 광학 빔을 기계적으로 형상화하고 조종하는 능력으로 인해 유리합니다-이는 광 검출 및 레인징(LIDAR), 자유 공간 통신 및 홀로그램 디스플레이1과같은 광범위한 기술 응용 분야에서 유용하다. 포토닉 회로에 OPA를 통합하는 것은 작은 물리적 설치 공간으로 제작을 위한 저렴한 솔루션을 제공하기 때문에 특히 흥미롭습니다. 통합 OPA는 InP, AlGaA 및,실리콘2,3,34를포함한 다양한 재료 시스템을 사용하여 성공적으로 입증되었습니다. 이러한 시스템 중 실리콘 포토닉스는 높은 굴절률 대비와 CMOS5와의호환성으로 인해 가장 편리할 것입니다. 실제로 OPA 회로는 실리콘 온,절연체 플랫폼6,7,78,89,,10에서광범위하게 입증되었습니다. 그러나 이러한 회로의 적용은 실리콘의 파장 투명창과 높은 비선형 손실로 인해 제한되며, 이는 사용 가능한 출력 광 전력에 대한 제한으로 이어진다. 우리는 대신 SiN에 통합 된 OPA에 초점을 맞추고, CMOS 기능 및 풋 프린트 크기11,,12의 관점에서 실리콘과 유사한 특성을 가진 재료. 그러나 실리콘과 는 달리, SiN은 투명도 창이 더 넓고 최소 500 nm까지 내려가며 상대적으로 낮은 비선형 손실로 인해 높은 광학 전력 덕분에 더 넓은 범위의 응용 분야에 적합할 것으로 예상됩니다.
OPA 통합의 주체는 최근 SiN8,13,,14를사용하여 입증되었습니다. 여기서, 우리는 2차원 빔 스티어링을 위한 통합 OPA의 특성화 및 운영 방법을 입증하기 위해 이러한 주체들을 확장할 것이다. 파장6의튜닝에 의존하는 2차원 빔 스티어링의 이전 시연과 비교하여, 우리의 회로는 단일 파장에서 작동할 수 있습니다. 먼저 OPA의 운영 원칙에 대한 간략한 개요를 제공합니다. 그 다음에는 이 작업에 사용되는 회로에 대한 소개가 뒤따릅니다. 마지막으로, 특성화 방법이 설명되고 OPA 출력 빔의 전형적인 이미지가 제시되고 논의된다.
OPA는 광학 위상을 제어하기 위해 개별적으로 해결할 수 있는 밀접한 간격의 이미터배열로 구성됩니다. 이미터 어레이에 선형 위상 관계가 존재하는 경우, 원거리 필드의 간섭 패턴은 다중 슬릿 간섭원리와 유사하게 여러 개의 명확하게 분리된 최대를 생성합니다. 위상 차의 크기를 제어함으로써 최대치의 위치를 조정할 수 있으며, 따라서 빔 스티어링이 수행됩니다. 통합 OPA에서 이미터는 빛이 분산되어 칩 평면에서 방출되는 밀접한 간격의 회절 격자로 구성됩니다. 통합 OPA 장치의 개략적 그림은 그림 1A,B에나와 있습니다. 광은 칩내로 결합되고, 이 경우 광섬유를 통해, 그리고 각각 통합상 시프터를 포함하는 여러 채널로 나뉜다. 광학 회로의 다른 쪽 끝에서 도파관은 격자에서 종단되고 결합되어 OPA를 형성합니다. 생성된 출력 빔은 다중 간섭 최대값으로 구성되며, 그 중 가장 밝은 빔은 기본 로브라고 하며 빔 스티어링 애플리케이션에서 가장 자주 사용되는 빔 빔 빔입니다. 기본 로브의 방출 방향은 칩 평면의 직교 투영에 대한 두 개의 azimuthal 각도에 의해 정의되며, φ 및 θ, 각각 격자의 배향에 수직 및 평행. 이 문서에서 φ와 θ는 각각 ‘수직’ 및 ‘평행’ 방출 각도로 지칭됩니다. 수직 각도 φ는 OPA 채널 간의 위상 차이에 의해 결정되며 병렬 각도 θ는 출력 격자의 기간에 따라 달라집니다.
당사의 집적 회로는 600 x300nm2의단면을 가진 Si 3 N4 도파관을 사용하여 제작되었으며, 905 nm의 파장에서 빛의 기본 횡방향 전기 편광 모드에 최적화된 설계입니다. 도파관 아래에는 실리콘 웨이퍼 위에 2.5 μm SiO2 버퍼 층이 있습니다. 열상 시프터는 길이 500 μm 및 2 μm 폭 의 저항 와이어를 형성하는 데 사용되는 10 (100) nm 두께의 Ti (TiN) 층으로 만들어졌습니다. 우리의 회로에서 π의 위상 이동을 달성하기 위해 90mW의 전력이 필요합니다. OPA 출력 격자는 공칭 충진 계수가 0.5이고 격자 기간이 670 nm에서 700 nm 사이의 750 완전 에칭 기간으로 구성됩니다. 플랫폼 설계 및 제작에 대한 자세한 내용은 Tyler 외15,16에서제공됩니다.
이 작업에서는 위상 변속 기능이 없는 패시브 회로와 2차원 빔 스티어링을 수행하도록 설계된 보다 복잡한 회로가 특징입니다. 2차원 빔 스티어링 회로는 그림 2에나와 있습니다. 도 2A는 회로의 회로도를 포함하고 도 2B는 제조된 장치의 현미경 영상을 나타낸다. 입력 격자에서 표시등이 회로에 들어갑니다. 그런 다음 스위칭 네트워크에 도달하여 4개의 하위 회로 중 하나를 선택적으로 라우팅할 수 있습니다. 각 서브 회로는 멀티 모드 간섭 장치(MMI)를 사용하여 빛을 4개의 채널로 분할합니다. 채널은 각각 열 상 시프터를 포함하고 회로의 끝에 OPA를 형성한다. 4개의 서브 회로로부터 유래된 4개의 OPA는 각각 670 nm 및 700 nm 사이의 상이한 격자 기간을 포함한다. 이 기간은 격자 축, θ, 7 ° 및 10 ° 사이의 평행 한 azimuthal 각도에 해당합니다. 회로에 대한 자세한 설명은 타일러 외16에서찾을 수 있습니다.
제시된 특성화 설정은 전체 웨이퍼에서 여러 회로에서 일련의 측정을 수행할 수 있는 자동화된 프로빙 스테이션을 기반으로 합니다. 이를 통해 웨이퍼의 위치를 기준으로 성능 변동을 연구하고 최적의 특성을 가진 장치를 선택할 수 있습니다. 그러나, 프로버 스테이션의 사용은 웨이퍼 위의 비교적 작은 사용 가능한 공간으로 인해 OPA 특성화 방식에 대한 일부 물리적 제약을 의미한다. 광학 위상 배열의 특성화는 여러 가지 방법으로 수행 될 수있는 먼 필드에서 OPA 출력을 이미징해야합니다. 예를 들어, 일련의 렌즈는 푸리에 이미징 시스템6에서 사용될 수 있거나 램베르시안 표면에 형성된 원거리 이미지는 반사 또는 투과 중 하나에서 볼 수 있다. 우리의 시스템을 위해, 우리는 웨이퍼 표면 위에 약 50mm를 배치 렌즈없이 큰 표면 35mm x 28mm CMOS 센서를 배치의 가장 간단하고 가장 컴팩트 한 솔루션으로 간주 무엇을 선택했다. 이러한 대형 CCD 센서의 비용 증가에도 불구하고 이 솔루션은 렌즈를 사용하지 않고도 충분한 시야를 제공합니다.
우리는 통합 OPA를 특성화하는 방법을 제시했다. 이 방법의 주요 장점은 웨이퍼에서 여러 개의 다이를 쉽게 프로브하고 제작 변형을 찾고 고성능 장치를 식별할 수 있다는 것입니다. 이는 그림 8B에서볼 수 있습니다. 웨이퍼 스캔에서 웨이퍼의 하반부는 빔 이견이 낮은 장치를 나타낸다는 것이 분명해집니다. 이는 해당 영역에서 더 높은 도파관 품질로 설명될 수 있으며, 이는 임의상 이동을 감소시키고 따라서 빔 발산을 감소시킵니다.
대면적 CCD 센서를 사용하여 원거리 장전 출력을 이미지화하는 것은 집적 회로의 여유 공간 출력을 이미지화하는 편리한 방법이며, 대부분의 특성화 설정에 쉽게 추가할 수 있기 때문에 자주 사용되는 푸피에 이미징 시스템6과비교하여 컴팩트한 크기로 인해 대부분의 특성화 설정에 쉽게 추가할 수 있다.
빔 각도와 발산 측정의 높은 정확도를 보장하기 위해, 특별한주의는 카메라 동안 주의해야합니다 – OPA 정렬. 또한 OPA 반응은 교정 중 위상 및 편광 불안정에 민감합니다. 따라서 사출 섬유의 움직임 / 진동, 레이저 온도, 들어오는 광 편광 등 모든 섭동 소스를 제어해야합니다.
요약하면, 통합 OPA를 특성화하는 방법이 제시되었다. 빛을 결합하는 방법, 회로의 위상 변속기를 제어하는 방법 및 근거리에서 출력을 이미지화하는 방법에 대한 세부 정보가 제공되었습니다. 근적외선에서 단일 파장에서 2차원 빔 조향 결과를 포함하여 여러 OPA 회로의 출력 빔의 일반적인 이미지가 표시되었다. 또한, 우리는 빔 발산의 관점에서 웨이퍼에 걸쳐 동일한 디자인으로 여러 장치를 측정의 결과를 보여줍니다. 웨이퍼의 위치에 대한 성능 추세가 발견되어 고품질의 제조 특성을 가진 영역을 식별했습니다.
The authors have nothing to disclose.
이 작품은 DEMO3S 프로젝트를 통해 프랑스 방향 제네랄 데 엔트레프레이즈 (DGE)에 의해 투자되었다.
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 |