Här beskriver vi driften av en SiN integrerad fotonisk krets som innehåller optiska fasader. Kretsarna används för att avge låga divergens laserstrålar i nära infraröd och styra dem i två dimensioner.
Optiska fasader (OPAs) kan producera laserstrålar med låg divergens och kan användas för att styra avgasvinkeln elektroniskt utan att det behövs rörliga mekaniska delar. Denna teknik är särskilt användbar för strålstyrningstillämpningar. Här fokuserar vi på OPAs integreras i SiN fotoniska kretsar för en våglängd i nära infraröd. En karakteriseringsmetod för sådana kretsar presenteras, vilket gör att utstrålningsbalken i integrerade OPAs kan formas och styras. Dessutom, med hjälp av en wafer-skala karakterisering setup, kan flera enheter enkelt testas över flera dör på en wafer. På så sätt kan tillverkningsvariationer studeras och högpresterande enheter identifieras. Typiska bilder av OPA-strålar visas, inklusive balkar som avges från OPAs med och utan en enhetlig vågledarlängd, och med varierande antal kanaler. Dessutom presenteras utvecklingen av utgående balkar under fasoptimeringsprocessen och strålstyrningen i två dimensioner. Slutligen utförs en studie av variationen i stråleskillnaderna för identiska anordningar med avseende på deras position på rånet.
Optiska fasade arrayer (OPAs) är fördelaktiga på grund av deras förmåga att forma och styra optiska balkar nonmechanically – detta är användbart i ett brett spektrum av tekniska tillämpningar såsom ljusdetektering och räckvidd (LIDAR), fritt utrymme kommunikation och holografiska displayer1. Integreringen av OPAs i fotoniska kretsar är av särskilt intresse, eftersom det ger en billig lösning för deras tillverkning med ett litet fysiskt fotavtryck. Integrerade opas har framgångsrikt demonstrerats med hjälp av ett antal olika materialsystem, inklusive InP, AlGaAs och kisel2,,3,,4. Av dessa system är kiselfotonik kanske den mest bekväma, på grund av dess höga brytningsindexkontrast och kompatibilitet med CMOS5. Opa-kretsar har i stor utsträckning påvisats i plattformen för kisel-på-isolator6,,7,,8,,9,,10. Tillämpningen av dessa kretsar begränsas dock både av kiselns våglängdstransparensfönster och de höga ickelinjära förlusterna, vilket leder till en gräns för den tillgängliga optiska effekten. Vi fokuserar istället på OPAs integrerade i SiN, ett material med liknande egenskaper som kisel när det gäller CMOS kapacitet och fotavtryck storlek11,12. I motsats till kisel förväntas dock SiN vara lämplig för ett större antal applikationer eftersom genomskinlighetsfönstret är bredare, ner till minst 500 nm, och tack vare den eventuellt höga optiska effekten tack vare de relativt låga ickelinjära förlusterna.
Huvudmännen för OPA-integration har nyligen demonstrerats med SiN8,13,14. Här kommer vi att utöka dessa huvudmän för att visa en metod för att karakterisera och driva integrerade OPAs för tvådimensionell strålstyrning. I jämförelse med tidigare demonstrationer av strålstyrning i två dimensioner som förlitar sig på trimning av våglängd6,kan vår krets fungera på en enda våglängd. Vi ger först en kort översikt över verksamhetsprinciperna bakom OPAs. Detta följs av en introduktion till de kretsar som används i detta arbete. Slutligen beskrivs karakteriseringsmetoden och typiska bilder av OPA-utdatastrålar presenteras och diskuteras.
OPAs består av en rad nära placerade sändare som kan åtgärdas individuellt för att styra den optiska fasen. Om det finns ett linjärt fasförhållande över emittermatrisen ger störningsmönstret i det bortre fältet flera klart åtskilda maxima – liknande principerna för multislitsstörningar. Genom att kontrollera omfattningen av fasskillnaden kan maximas position justeras, och därmed strålstyrningen. I integrerade OPAs består sändare av nära placerade diffraktionsgaller där ljuset sprids och avges ut ur spånplanet. En schematisk illustration av en integrerad OPA-enhet visas i figur 1A,B. Ljuset kopplas ihop till chipet, i detta fall via en optisk fiber, och delas sedan in i flera kanaler, var och en innehåller en integrerad fasförskjutning. I andra änden av den optiska kretsen avslutas vågguiderna i galler och kombineras för att bilda OPA. Den resulterande utgående strålen består av flera störningar maxima, den ljusaste som kallas den grundläggande loben och är den som oftast används i strålstyrning applikationer. Emissionsriktningen för grundloben definieras av de två azimuthalvinklarna till den ortogonala projektionen av spånplanet, φ och θ, vinkelrätt och parallellt med gallrets orientering. I detta dokument kommer φ och θ att kallas “vinkelräta” respektive “parallella” utsläppsvinklar. Vinkelvinkeln φ bestäms av fasskillnaden mellan OPA-kanalerna, och den parallella vinkeln θ beror på utgångsgallrens period.
Våra integrerade kretsar tillverkas med Si3N4 vågledare med ett tvärsnitt på 600 x 300 nm2, en design som optimerades för den grundläggande tvärgående elektriska polariseringsläge av ljus vid en våglängd på 905 nm. Under vågledarna ligger ett 2,5 μm SiO2-buffertskikt ovanpå en kiselrån. Den termiska fas shifters gjordes från en 10 (100) nm tjock Ti (TiN) lager som används för att bilda 500 μm lång och 2 μm breda resistiva ledningar. I våra kretsar krävs en elkraft på 90 mW för att uppnå en fasförskjutning på π. OPA-utmatningsgallren består av 750 helt etsade perioder med en nominell fyllningsfaktor på 0,5 och en gallerdurk mellan 670 nm och 700 nm. Ytterligare information om plattformen design och tillverkning ges i Tyler et al.15,16.
I detta arbete kännetecknas två olika typer av kretsar, en passiv krets utan fasväxlingskapacitet och en mer komplex krets, utformad för att utföra strålstyrning i två dimensioner. Den tvådimensionella strålstyrningskretsen visas i figur 2. Figur 2A innehåller en schematisk krets och figur 2B visar en mikroskopbild av den tillverkade enheten. Lampan kommer in i kretsen vid ingångsgallret. Den når sedan ett kopplingsnät där det kan dirigeras selektivt mot en av fyra delkretsar. Varje underkrets delar upp ljuset i fyra kanaler med hjälp av multimode interferensenheter (MMI). Kanalerna innehåller var och en en termisk fasförskjutning och bildar en OPA i slutet av kretsen. De fyra opas som kommer från de fyra delkretsarna utgör vardera en annan gallerdurk mellan 670 nm och 700 nm. Dessa perioder motsvarar azimuthalvinklar parallellt med galleraxeln, θ, mellan 7° och 10°. En mer detaljerad beskrivning på kretsen finns i Tyler et al.16.
Den presenterade karakteriseringsinställningen är baserad på en automatiserad sonderingsstation som kan utföra en serie mätningar på många kretsar över en hel wafer. Detta gör det möjligt att studera prestandavariationen i förhållande till positionen på wafer och att välja de enheter med optimala egenskaper. Användningen av en proberstation innebär dock vissa fysiska begränsningar i OPA-karakteriseringsschemat på grund av det relativt lilla tillgängliga utrymmet ovanför wafer. Karakteriseringen av optiska stegvisa matriser kräver avbildning av OPA-utdata i det bortre fältet, som kan utföras på flera olika sätt. Till exempel kan en serie linser användas i ett Fourier bildsystem6 eller farfield bilden bildas på en Lambertian yta kan ses i antingen reflektion eller överföring. För vårt system valde vi vad vi ansåg vara den enklaste och mest kompakta lösningen att placera en stor yta 35 mm x 28 mm CMOS-sensor utan linser placerade ca 50 mm ovanför wafer ytan. Trots den ökade kostnaden för en så stor CCD-sensor, tillåter denna lösning ett tillräckligt synfält utan användning av linser.
Vi har presenterat en metod för att karakterisera ett integrerat OPA. Den största fördelen med metoden är möjligheten att enkelt sond flera dör över en wafer, att leta efter tillverkning variationer och att identifiera högpresterande enheter. Detta framgår av figur 8B. Från wafer scan, blir det klart att den nedre halvan av wafer uppvisar enheter med lägre balk divergenser. Detta kan förklaras av en högre vågledarkvalitet i det området, vilket minskar slumpmässiga fasförskjutningar och därmed strålens divergens.
Använda ett stort område CCD-sensor för att avbilda det bortre fältet utgång är en bekväm metod för att avbilda det fria utrymmet utdata av integrerade kretsar, eftersom det lätt kan läggas till de flesta karakterisering set-ups på grund av deras kompakta storlek i jämförelse med de ofta använda, skrymmande, Fourier-imaging system6.
För att garantera en hög noggrannhet av strålvinkel och divergensmätning, måste särskild försiktighet iakttas under kameran – OPA-justeringen. Dessutom är OPA-svaret känsligt för fas- och polariseringsinstabiliteter under kalibrering. Därför måste alla störningskällor kontrolleras: rörelse/vibrationer av injektionsfibern, lasertemperatur, inkommande ljuspolarisering etc.
Sammanfattningsvis presenterades en metod för att karakterisera integrerade opas. Detaljer om hur man kopplar ljus, hur man styr fasväktarna i kretsen och hur man avbildar utdata i när- och det bortre fältet gavs. Typiska bilder av utgående balkar av flera OPA kretsar visades, inklusive resultaten av strålstyrning i två dimensioner vid en enda våglängd i nära infraröd. Dessutom visar vi resultaten av att mäta flera enheter med samma design över ett rån när det gäller strål divergens. En prestandatrend med avseende på positionen på rånet hittades, identifiera områden med högkvalitativa tillverkningsegenskaper.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete finansierades av franska 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 |