Her beskriver vi driften av en SiN integrert fotoniske krets som inneholder optiske fasede arrayer. Kretsene brukes til å avgi lav divergens laserstråler i nær infrarød og styre dem i to dimensjoner.
Optiske fasede arrayer (OPAer) kan produsere lavdivergens laserstråler og kan brukes til å kontrollere utslippsvinkelen elektronisk uten behov for bevegelige mekaniske deler. Denne teknologien er spesielt nyttig for strålestyring applikasjoner. Her fokuserer vi på OPAer integrert i SiN fotoniske kretser for en bølgelengde i nær infrarød. En karakteriseringsmetode for slike kretser presenteres, noe som gjør at utgangsstrålen til integrerte OPAer kan formes og styres. Videre, ved hjelp av en wafer-skala karakterisering oppsett, flere enheter kan enkelt testes over flere dør på en wafer. På denne måten kan fabrikasjonsvariasjoner studeres, og enheter med høy ytelse identifiseres. Typiske bilder av OPA-bjelker vises, inkludert bjelker som sendes ut fra OPAer med og uten en jevn bølgeguidelengde, og med varierende antall kanaler. I tillegg presenteres utviklingen av utgangsbjelker under faseoptimaliseringsprosessen og strålestyring i to dimensjoner. Til slutt utføres en studie av variasjonen i stråledivergensen av identiske enheter med hensyn til deres posisjon på wafer.
Optiske fasede arrayer (OPAs) er fordelaktige på grunn av deres evne til å forme og styre optiske bjelker ikke mekanisk – dette er nyttig i et bredt spekter av teknologiske applikasjoner som lysdeteksjon og alt (LIDAR), fri romkommunikasjon og holografiske skjermer1. Integreringen av OPAer i fotoniske kretser er av spesiell interesse, da det gir en rimelig løsning for fabrikasjon en liten fysisk fotavtrykk. Integrerte OPAer har blitt demonstrert ved hjelp av en rekke forskjellige materialsystemer, inkludert InP, AlGaAs og silisium2,,3,,4. Av disse systemene er silisiumfotonikk kanskje den mest praktiske, på grunn av sin høye brytningsindekskontrast og kompatibilitet med CMOS5. Faktisk har OPA kretser blitt grundig demonstrert i silisium-på-isolator plattform6,,7,8,9,10; Imidlertid er anvendelsen av disse kretsene begrenset både av bølgelengdegjennomsiktighetsvinduet av silisium og de høye ikke-lineære tapene, noe som fører til en grense på tilgjengelig utgangoptisk effekt. Vi fokuserer i stedet på OPAs integrert i SiN, et materiale med lignende egenskaper som silisium i form av CMOS evne og fotavtrykk størrelse11,,12. I motsetning til silisium forventes Imidlertid SiN å være egnet for et større spekter av applikasjoner siden gjennomsiktighetsvinduet er bredere, ned til minst 500 nm, og takket være den muligens høye optiske kraften takket være de relativt lave ikke-lineære tapene.
Rektorene for OPA-integrasjon har nylig blitt demonstrert ved hjelp av SiN8,13,14. Her vil vi utvide disse rektorene for å demonstrere en metode for å karakterisere og drifte integrerte OPAer for todimensjonal strålestyring. Sammenlignet med tidligere demonstrasjoner av strålestyring i to dimensjoner som er avhengige av tuning av bølgelengde6,kan vår krets operere med en enkelt bølgelengde. Vi gir først en kort oversikt over driftsprinsippene bak OPAer. Dette etterfølges av en introduksjon til kretsene som brukes i dette arbeidet. Til slutt er karakteriseringsmetoden beskrevet og typiske bilder av OPA-utgangsbjelker som presenteres og diskuteres.
OPAs består av en rekke tett mellomromede emittere som kan tas opp individuelt for å kontrollere den optiske fasen. Hvis det finnes en lineær faserelasjon på tvers av emittermatrisen, gir interferensmønsteret i det fjerne feltet flere tydelig separert maxima – lik prinsippene for multi-slit interferens. Ved å kontrollere omfanget av faseforskjellen, kan maxima-posisjonen justeres, og dermed strålestyring utføres. I integrerte OPAer består emittere av tett avstand diffraksjonsrister der lyset er spredt og slippes ut av chipplanet. En skjematisk illustrasjon av en integrert OPA-enhet vises i figur 1A,B. Lyset er koblet til brikken, i dette tilfellet via en optisk fiber, og deles deretter inn i flere kanaler, hver inneholder en integrert faseshifter. I den andre enden av den optiske kretsen avsluttes waveguider i rister og kombineres for å danne OPA. Den resulterende utgangsstrålen består av flere interferensmaxima, den lyseste som kalles den grunnleggende fliken og er den som oftest brukes i strålestyringsapplikasjoner. Utslippsretningen til den grunnleggende fliken er definert av de to azimuthalvinklene til ortogonprojeksjonen av chipplanet, φ og θ, vinkelrett og parallelt med orienteringen av risten henholdsvis. I dette dokumentet vil φ og θ bli referert til som henholdsvis “vinkelrett” og “parallelle” utslippsvinkler. Vinkelvinkelen φ bestemmes av faseforskjellen mellom OPA-kanalene, og parallellvinkelen er avhengig av perioden med utgangsgitteringene.
Våre integrerte kretser er fabrikkert ved hjelp av Si3N4 waveguides med et tverrsnitt på 600 x 300 nm2, et design som ble optimalisert for den grunnleggende tverrgående elektriske polariseringsmodusen av lys med en bølgelengde på 905 nm. Under waveguides ligger et 2,5 μm SiO2 bufferlag på toppen av en silisiumwafer. De termiske faseskifterne ble laget av et 10 (100) nm tykt Ti(TiN) lag som ble brukt til å danne 500 μm lange og 2 μm brede resistive ledninger. I våre kretser er det nødvendig med en elektrisk effekt på 90 mW for å oppnå et faseskift av π. OPA-utgangsgitterene består av 750 fullt etset perioder med en nominell fyllingsfaktor på 0,5 og en ristperiode mellom 670 nm og 700 nm. Ytterligere informasjon om plattformen design og fabrikasjon er gitt i Tyler et al.15,16.
I dette arbeidet er to forskjellige typer kretser karakterisert, en passiv krets uten faseskiftende evner, og en mer kompleks krets, designet for å utføre strålestyring i to dimensjoner. Den todimensjonale strålestyrekretsen er vist i figur 2. Figur 2A inneholder en skjematisk av kretsen og figur 2B viser et mikroskopbilde av den fabrikkerte enheten. Lyset kommer inn i kretsen ved inngangsristen. Den når deretter et byttenettverk hvor det kan rutes selektivt mot en av fire underkretser. Hver underkrets deler lyset i fire kanaler ved hjelp av multimode interferensenheter (MMI). Kanalene inneholder hver av dem en termisk faseskifter og danner en OPA på slutten av kretsen. De fire OPAene som kommer fra de fire underkretsene, utgjør hver en annen ristperiode mellom 670 nm og 700 nm. Disse periodene tilsvarer azimuthalvinkler parallelt med ristaksen, θ, mellom 7° og 10°. En mer detaljert beskrivelse på kretsen finner du i Tyler et al.16.
Det presenterte karakteriseringsoppsettet er basert på en automatisert sondestasjon som kan utføre en rekke målinger på mange kretser over en hel wafer. Dette gjør det mulig å studere ytelsesvariasjonen i forhold til posisjonen på wafer og velge enhetene med optimale egenskaper. Bruken av en proberstasjon innebærer imidlertid noen fysiske begrensninger i OPA-karakteriseringsordningen på grunn av den relativt små tilgjengelige plassen over waferen. Karakteriseringen av optiske fasede arrayer krever avbildning av OPA-utgangen i det fjerne feltet, som kan utføres på en rekke måter. For eksempel kan en rekke linser brukes i et Fourier bildesystem6 eller farfield bildet dannet på en Lambertian overflate kan sees i enten refleksjon eller overføring. For vårt system valgte vi det vi anså for å være den enkleste og mest kompakte løsningen for å plassere en stor overflate 35 mm x 28 mm CMOS-sensor uten linser plassert ca. 50 mm over waferoverflaten. Til tross for den økte kostnaden for en så stor CCD-sensor, gir denne løsningen et tilstrekkelig synsfelt uten bruk av linser.
Vi har presentert en metode for å karakterisere en integrert OPA. Den største fordelen med metoden er evnen til enkelt å sondere flere dør over en wafer, for å se etter fabrikasjonsvariasjoner og for å identifisere høyytelsesenheter. Dette kan sees i figur 8B. Fra wafer-skanningen blir det klart at den nedre halvdelen av wafer en utstiller enheter med nedre stråleavvik. Dette kan forklares med en høyere waveguide kvalitet i dette området, noe som reduserer tilfeldige faseskift og dermed stråledivergensen.
Ved hjelp av et stort område CCD-sensor for å bilde langt feltutgang er en praktisk metode for å bilde ledig plass utgang av integrerte kretser, siden det lett kan legges til de fleste karakterisering oppsett på grunn av deres kompakte størrelse i forhold til de ofte brukte, bulkier, Fourier-imaging systemer6.
For å garantere en høy nøyaktighet av strålevinkelen og divergensmålingen, må det tas særlig forsiktighet under kameraet – OPA-justering. Videre er OPA-responsen følsom for fase- og polariseringsustabiliteter under kalibrering. Derfor må alle kilder til perturbasjon styres: bevegelse/vibrasjon av injeksjonsfiberen, lasertemperaturen, innkommende lyspolarisering etc.
Oppsummert ble det presentert en metode for å karakterisere integrerte OPAer. Detaljer om hvordan du kobler lys, hvordan å kontrollere fase shifters i kretsen og hvordan du bilde utgangen i nær og langt feltet ble gitt. Typiske bilder av utgangsbjelkene i flere OPA-kretser ble vist, inkludert resultatene av strålestyring i to dimensjoner ved en enkelt bølgelengde i nær infrarød. Videre viser vi resultatene av å måle flere enheter med samme design på tvers av en wafer når det gjelder stråledivergens. En ytelsestrend med hensyn til posisjonen på wafer ble funnet, identifisere områder med høy kvalitet fabrikasjon egenskaper.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble finansiert av den franske retning Générale des Entreprises (DGE) via DEMO3S-prosjektet.
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 |