Her beskriver vi driften af et integreret SiN-fotonisk kredsløb, der indeholder optiske faseinddelte arrays. Kredsløbene bruges til at udsende lav divergens laserstråler i den nærmeste infrarøde og styre dem i to dimensioner.
Optiske faseinddelte arrays (OPA’er) kan producere lav-divergens laserstråler og kan bruges til at styre emissionvinkel elektronisk uden behov for at flytte mekaniske dele. Denne teknologi er især nyttig til strålestyring applikationer. Her fokuserer vi på OPAs integreret i SiN fotoniske kredsløb for en bølgelængde i den nærmeste infrarøde. En karakteriseringmetode for sådanne kredsløb præsenteres, hvilket gør det muligt at forme udgangsstrålen af integrerede OPA’er og styre. Desuden ved hjælp af en wafer-skala karakterisering setup, kan flere enheder nemt testes på tværs af flere dør på en wafer. På denne måde kan fabrikationsvariationer studeres, og højtydende enheder kan identificeres. Typiske billeder af OPA bjælker vises, herunder bjælker udsendes fra OPA’er med og uden en ensartet waveguide længde, og med varierende antal kanaler. Desuden præsenteres udviklingen af udgangsstråler under faseoptimeringsprocessen og strålestyring i to dimensioner. Endelig udføres en undersøgelse af variationen i stråleafvigelsen af identiske anordninger med hensyn til deres position på waferen.
Optiske faseinddelte arrays (OPA’er) er fordelagtige på grund af deres evne til at forme og styre optiske stråler ikke mekanisk – dette er nyttigt i en bred vifte af teknologiske applikationer såsom lysdetektering og spænder (LIDAR), fri rumkommunikation og holografiske displays1. Integrationen af OPA’er i fotoniske kredsløb er af særlig interesse, da det giver en billig løsning til deres fabrikation med et lille fysisk fodaftryk. Integrerede OPA’er er blevet demonstreret med succes ved hjælp af en række forskellige materialesystemer, herunder InP, AlGA’er og silicium2,3,4. Af disse systemer, silicium fotonik er måske den mest bekvemme, på grund af sin høje brydningsindeks kontrast og kompatibilitet med CMOS5. OpA-kredsløb er blevet demonstreret i vid udstrækning i silicium-on-isolator-platformen6,7,8,9,10; Anvendelsen af disse kredsløb begrænses imidlertid både af silicium’s bølgelængdegennemsigtighedsvindue og de høje ikke-lineære tab, hvilket fører til en grænse for den tilgængelige optiske udgangseffekt. Vi fokuserer i stedet på OPA’er integreret i SiN, et materiale med lignende egenskaber som silicium i form af CMOS kapacitet og fodaftryk størrelse11,,12. I modsætning til silicium forventes SiN imidlertid at være egnet til en større vifte af applikationer, da gennemsigtighedsvinduet er bredere, ned til mindst 500 nm og takket være den muligvis høje optiske effekt takket være de relativt lave ikke-lineære tab.
Opa-integrationens principper er for nylig blevet demonstreret ved hjælp af SiN8,13,14. Her vil vi udvide disse principper til at demonstrere en metode til at karakterisere og drive integrerede OPA’er til todimensionel strålestyring. I forhold til tidligere demonstrationer af strålestyring i to dimensioner, der er afhængige af tuning af bølgelængde6, kan vores kredsløb fungere på en enkelt bølgelængde. Vi giver først et kort overblik over driftsprincipperne bag OPA’er. Dette efterfølges af en introduktion til de kredsløb, der anvendes i dette arbejde. Endelig er karakteriseringsmetoden beskrevet og typiske billeder af OPA output bjælker præsenteret og diskuteret.
OPA’er består af en række tæt forbundne udledere, der kan behandles individuelt for at styre den optiske fase. Hvis der findes en lineær faserelation på tværs af emitterarrayet, giver interferensmønsteret i det fjerne felt flere klart adskilte maksima – svarende til principperne om multispaltinterferens. Ved at kontrollere omfanget af faseforskellen kan maksimaens position justeres, og dermed udføres strålestyring. I integrerede OPA’er består udledere af tæt fordelte diffraktionsriste, hvor lyset er spredt og udsendes ud af spånplanet. En skematisk illustration af en integreret OPA-anordning er vist i figur 1A,B. Lys er koblet ind i chippen, i dette tilfælde via en optisk fiber, og derefter opdelt i flere kanaler, der hver indeholder en integreret fase skifter. I den anden ende af det optiske kredsløb ender bølgeguiderne i riste og kombineres for at danne OPA. Den resulterende output stråle består af flere interferens maxima, hvoraf den lyseste kaldes den grundlæggende lap og er den, der oftest anvendes i stråle styretøj applikationer. Den grundlæggende laps emissionsretning defineres af de to azimuthalvinkler til den ortogonale projektion af spånplanet, φ og θ, vinkelret og parallelt med retningen af risten. I dette dokument vil φ og θ blive omtalt som henholdsvis de »vinkelrette« og »parallelle« emissionsvinkler. Vinkelrette vinkelφ bestemmes af faseforskellen mellem OPA-kanalerne, og den parallelle vinkel afhænger af outputristens periode.
Vores integrerede kredsløb er fremstillet ved hjælp af Si3N4 waveguides med et tværsnit på 600 x 300 nm2, et design, der blev optimeret til den grundlæggende tværgående elektriske polariseringstilstand af lys ved en bølgelængde på 905 nm. Under bølgeguiderne ligger et 2,5 μm SiO2 bufferlag oven på en siliciumwafer. De termiske faseskiftere blev fremstillet af et 10(100) nm tykt Ti(TiN) lag, der blev brugt til at danne 500 μm lange og 2 μm brede resistive ledninger. I vores kredsløb, en elektrisk effekt på 90 mW er nødvendig for at opnå en fase skift af π. OPA-udgangsristene består af 750 fuldt ætsede perioder med en nominel fyldningsfaktor på 0,5 og en ristperiode på mellem 670 nm og 700 nm. Yderligere oplysninger om platformens design og fabrikation findes i Tyler et al.15,16.
I dette arbejde er to forskellige typer af kredsløb karakteriseret, et passivt kredsløb uden faseskiftende kapaciteter, og et mere komplekst kredsløb, der er designet til at udføre strålestyring i to dimensioner. Styrekredsløbet for todimensionale bjælker er vist i figur 2. Figur 2A indeholder et skema af kredsløbet og Figur 2B viser et mikroskop billede af den fabrikerede enhed. Lyset kommer ind i kredsløbet ved indgangsristen. Derefter når en switching netværk, hvor det kan dirigeres selektivt mod en af fire sub-kredsløb. Hvert underkredsløb opdeler lyset i fire kanaler ved hjælp af MMI (Multimode Interference Devices). Kanalerne indeholder hver en termisk fase skifter og danner en OPA i slutningen af kredsløbet. De fire OPA’er, der stammer fra de fire delkredsløb, omfatter hver en forskellig ristperiode på mellem 670 nm og 700 nm. Disse perioder svarer til azimuthal vinkler parallelt med risten akse, θ, mellem 7 ° og 10°. En mere detaljeret beskrivelse på kredsløbet kan findes i Tyler et al.16.
Den præsenterede karakterisering setup er baseret på en automatiseret sondering station i stand til at udføre en række målinger på mange kredsløb på tværs af en hel wafer. Dette gør det muligt at undersøge præstationsvariationen i forhold til placeringen på waferen og vælge de enheder, der har de optimale egenskaber. Men brugen af en prober station indebærer nogle fysiske begrænsninger for OPA karakterisering ordningen på grund af den relativt lille tilgængelige plads over wafer. Karakteriseringen af optiske faseinddelte arrays kræver billedbehandling af OPA-outputtet i det fjerne felt, som kan udføres på en række måder. For eksempel kan en række linser anvendes i en Fourier billeddannelse system6 eller farfield billede dannet på en Lambertian overflade kan ses i enten refleksion eller transmission. Til vores system valgte vi, hvad vi anså for at være den enkleste og mest kompakte løsning til at placere en stor overflade 35 mm x 28 mm CMOS-sensor uden linser placeret ca. 50 mm over waferoverfladen. På trods af de øgede omkostninger ved en så stor CCD-sensor, giver denne løsning et tilstrækkeligt synsfelt uden brug af linser.
Vi har præsenteret en metode til at karakterisere en integreret OPA. Den største fordel ved metoden er evnen til nemt at sonde flere dør på tværs af en wafer, at kigge efter fabrikation variationer og til at identificere højtydende enheder. Dette fremgår af figur 8B. Fra waferscanning, bliver det klart, at den nederste halvdel af wafer udstiller enheder med lavere stråle afvigelser. Dette kan forklares ved en højere bølgeguidekvalitet i dette område, hvilket reducerer tilfældige faseskift og dermed stråleafvigelsen.
Ved hjælp af et stort område CCD sensor til at billedet langt felt output er en bekvem metode til at billedet den ledige plads output af integrerede kredsløb, da det nemt kan føjes til de fleste karakterisering set-ups på grund af deres kompakte størrelse i forhold til de ofte anvendte, bulkier, Fourier-imaging systemer6.
For at sikre en høj nøjagtighed af strålevinklen og divergensmåling, skal der udvises særlig forsigtighed under kameraet – OPA justering. Desuden er OPA-responsen følsom over for fase- og polariseringsustabilitet under kalibreringen. Derfor skal alle kilder til forstyrrelser styres: bevægelse / vibration af injektionsfiberen, lasertemperatur, indkommende lyspolarisering osv.
Sammenfattende blev der fremlagt en metode til at karakterisere integrerede OPA’er. Detaljer om, hvordan man parlys, hvordan man styrer faseskiftere i kredsløbet, og hvordan man billede output i den nærmeste og det fjerne felt blev givet. Typiske billeder af udgangsstrålerne fra flere OPA-kredsløb blev vist, herunder resultaterne af strålestyring i to dimensioner ved en enkelt bølgelængde i den nærmeste infrarøde. Desuden viser vi resultaterne af at måle flere enheder med samme design på tværs af en wafer med hensyn til stråledivergens. Der blev fundet en præstationstendens med hensyn til placeringen på waferen, der identificerede områder med fabrikationsegenskaber af høj kvalitet.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev finansieret af den franske Direction Générale des Entreprises (DGE) via DEMO3S-projektet.
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 |