在这里,我们描述了包含光学相控阵列的SiN集成光子电路的运行情况。这些电路用于在近红外发射低发散激光束,并引导它们以两维。
光学相控阵列 (OPA) 可产生低发散激光束,可用于电子控制发射角度,而无需移动机械部件。该技术特别适用于光束转向应用。在这里,我们专注于集成到SiN光子电路的OPA,用于近红外波长。提出了这种电路的表征方法,允许对集成OP的输出光束进行塑造和引导。此外,使用晶圆级表征设置,多个器件可以轻松地在晶圆上的多个模具上进行测试。通过这种方式,可以研究制造变化,并识别高性能设备。显示了 OPA 光束的典型图像,包括具有和没有均匀波导长度且通道数量不同的 OPA 发射的光束。此外,还介绍了相位优化过程中输出光束的演变和光束转向的两维。最后,对相同器件的光束离散变化进行了研究,研究其在晶圆上的位置。
光学相控阵列(OPAs)由于能够非机械地塑造和引导光束,因此具有优势,这在广泛的技术应用中非常有用,如光探测和测距(LIDAR)、自由空间通信和全息显示1。OPA 在光子电路中的集成特别令人感兴趣,因为它为其制造提供了低成本的解决方案,物理占用空间很小。集成的OPA已经成功地证明了使用许多不同的材料系统,包括InP,AlGaA和硅22,3,4。3,4在这些系统中,硅光子可能是最方便的,由于其高折射率对比度和与CMOS5的兼容性。事实上,OPA电路已经在绝缘子上的硅平台,6、7、8、9、107,8中得到了广泛的证明;9,106然而,这些电路的应用受到硅波长透明度窗口和非线性损耗高的限制,从而限制了可用输出光功率。我们专注于集成在SiN中的OPA,这种材料在CMOS能力和尺寸11,12,12方面与硅具有相似的特性。然而,与硅相比,SiN 有望适用于更广泛的应用,因为透明度窗口更宽,至少达 500 nm,而且由于非线性损耗相对较低,因此光学功率可能很高。
OPA集成的主体最近被证明使用SiN8,8,13,14。,14在这里,我们将扩展这些主体,以演示一种为二维光束转向进行特征化和操作集成 OPA 的方法。与之前依靠波长6调谐的两维光束转向演示相比,我们的电路可以在单个波长下运行。我们首先简要概述了 OPA 背后的操作原则。然后介绍本工作中使用的电路。最后,对OPA输出光束的表征方法进行了描述和描述。
OPA 由一系列间隔紧密的发射器组成,这些发射器可以单独处理以控制光相。如果发射体阵列之间存在线性相位关系,则远场中的干涉模式会产生几个明显分离的最大值-类似于多狭缝干扰原理。通过控制相位差的大小,可以调整最大位置,从而进行光束转向。在集成的OPA中,发射器由间隔紧密的衍射光栅组成,其中光线被散射并发射出芯片平面。图 1A,B显示了集成 OPA 设备的示意图。光通过光纤耦合到芯片中,然后分为多个通道,每个通道包含集成的相位移位器。在光电路的另一端,波导以光栅结束并结合形成OPA。产生的输出光束由多个干涉最大值组成,其中最亮的光束称为基叶,是光束转向应用中最常用的。基本叶的发射方向由芯片平面正交投影的两个同形角定义,分别为α和α,垂直和平行于光栅的方向。在本文档中,*和*将分别称为”垂直”和”平行”发射角度。垂直角度 = 由 OPA 通道之间的相位差确定,平行角度 * 取决于输出光栅的周期。
我们的集成电路采用Si3N4波导,横截面为600 x 300 nm2,该设计针对波长为905nm的基本横向电极化模式进行了优化。波导下方是硅晶片顶部的 2.5 μm SiO2缓冲层。热相移器由 10(100) nm 厚的 Ti(TiN) 层制成,用于形成 500 μm 长和 2 μm 宽电阻线。在我们的电路中,需要 90 mW 的功率来实现 +的相移。OPA 输出光栅由 750 个完全蚀刻周期组成,标称填充系数为 0.5,光栅周期介于 670 nm 和 700 nm 之间。有关平台设计和制造的更多信息,在 Tyler 等人15、,16中提供。
在这项工作中,有两种不同类型的电路被定性,一种是无相位移位功能的无源电路,另一种是更复杂的电路,旨在执行两维的光束转向。图2显示了二维光束转向电路。图2A包含电路原理图,图2B显示了制造设备的显微镜图像。指示灯进入输入光栅处的电路。然后,它到达交换网络,在那里可以有选择地路由到四个子电路之一。每个子电路使用多模干扰器件 (MMI) 将光分成四个通道。通道各包含一个热相移器,并在电路末端形成 OPA。源自四个子电路的四个 OPA 组成 670 nm 和 700 nm 之间的不同光栅周期。这些周期对应于与光栅轴平行的相位角,在 7° 和 10° 之间。在泰勒等人16中可以找到关于电路的更详细的描述。
呈现的表征设置基于一个自动探测站,能够在整个晶圆上的许多电路上执行一系列测量。这样,就可以研究相对于晶圆位置的性能变化,并选择具有最佳性能的设备。然而,由于晶圆上方的可用空间相对较小,探测器站的使用意味着OPA表征方案的一些物理限制。光学相控阵列的特性要求成像远领域的OPA输出,这可以通过多种方式进行。例如,傅立叶成像系统6中可以使用一系列镜头,或者在兰伯斯表面上形成的远场图像可以在反射或传输中查看。对于我们的系统,我们选择了我们认为最简单、最紧凑的解决方案,即放置一个 35 mm x 28 mm 的大表面 CMOS 传感器,而没有将镜头放置在晶圆表面上方约 50 mm 上。尽管这种大型CCD传感器的成本增加了,但该解决方案允许在不使用镜头的情况下有足够的视野。
我们提出了一种描述综合OPA的方法。该方法的主要优点是能够轻松地探测晶圆上的多个模具,查找制造变化并识别高性能设备。这可以从图 8B中看到。从晶圆扫描中,很明显,晶圆的下半部分显示具有较低光束发散的器件。这可以通过该地区更高的波导质量来解释,这减少了随机相位移,从而减少了光束发散。
使用大面积CCD传感器对远场输出进行成像是一种方便的方法,可以成像集成电路的自由空间输出,因为它的体积与常用的、体积较大的傅立叶成像系统6相比,很容易添加到大多数表征设置中。
为了保证光束角度和发散测量的高精度,在摄像机 – OPA 对准过程中必须特别注意。此外,OPA 响应对校准期间的相位和极化不稳定性很敏感。因此,必须控制所有扰动源:喷射纤维的运动/振动、激光温度、入射光极化等。
总之,提出了一种对综合业务机会的定性方法。详细介绍了如何耦合光,如何控制电路中的相移器,以及如何对近场和远场的输出进行成像。显示了多个OPA电路输出光束的典型图像,包括近红外中单波长的光束转向两维的结果。此外,我们还展示了在晶片上测量不同设计的不同器件在光束发散方面的结果。发现晶圆位置的性能趋势,确定具有高质量制造性能的区域。
The authors have nothing to disclose.
这项工作由法国国家指导部通过DEMO3S项目资助。
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 |