توصيف صفائف SiN المتكاملة على مراحل بصرية على محطة اختبار مقياس الرقاقة
Summary
هنا ، ونحن نصف تشغيل دائرة ضوئية متكاملة SiN تحتوي على صفائف على مراحل البصرية. وتستخدم الدوائر تنبعث منها أشعة الليزر منخفضة الاختلاف في الأشعة تحت الحمراء القريبة وتوجيهها في بعدين.
Abstract
يمكن أن تنتج الصفائف المرحلية البصرية (OPAs) أشعة ليزر منخفضة الاختلاف ويمكن استخدامها للتحكم في زاوية الانبعاثات إلكترونيًا دون الحاجة إلى نقل الأجزاء الميكانيكية. هذه التكنولوجيا مفيدة بشكل خاص لتطبيقات توجيه الحزم. هنا ، نركز على OPAs المدمجة في الدوائر الضوئية SiN لطول الموجة في الأشعة تحت الحمراء القريبة. يتم تقديم طريقة توصيف هذه الدوائر ، والتي تسمح بصياغة شعاع الإخراج من OPAs المتكاملة وتوجيهها. وعلاوة على ذلك، باستخدام إعداد توصيف على نطاق رقاقة، يمكن بسهولة اختبار العديد من الأجهزة عبر يموت متعددة على رقاقة. وبهذه الطريقة، يمكن دراسة اختلافات التصنيع، وتحديد الأجهزة عالية الأداء. وتظهر الصور النموذجية لعوارض OPA، بما في ذلك الحزم المنبعثة من OPAs مع وبدون طول الموجي موحد، ومع أعداد متفاوتة من القنوات. وبالإضافة إلى ذلك، يتم تقديم تطور الحزم الإخراج خلال عملية التحسين المرحلة وتوجيه شعاع في بعدين. وأخيرا، يتم إجراء دراسة للاختلاف في اختلاف شعاع من الأجهزة متطابقة فيما يتعلق موقفها على رقاقة.
Introduction
الصفائف المرحلية البصرية (OPAs) مفيدة نظرا لقدرتها على تشكيل وتوجيه الحزم البصرية nonmechanically – وهذا مفيد في مجموعة واسعة من التطبيقات التكنولوجية مثل الكشف عن الضوء والنطاق (LIDAR)، والاتصالات الفضاء الحر ويعرض ثلاثية الأبعاد1. إن دمج OPAs في الدوائر الضوئية له أهمية خاصة ، لأنه يوفر حلًا منخفض التكلفة لتصنيعها مع بصمة مادية صغيرة. وقد ثبت بنجاح OPAs المتكاملة باستخدام عدد من أنظمة المواد المختلفة بما في ذلك InP، AlGaAs والسيليكون2،3،4. من هذه الأنظمة، الضوئيات السيليكون ربما يكون الأكثر ملاءمة، وذلك بسبب تباين مؤشر الانكسار عالية والتوافق مع CMOS5. في الواقع ، وقد أظهرت الدوائر OPA على نطاق واسع في منصة السيليكون على عازل6،7،8،9،10؛ ومع ذلك ، فإن تطبيق هذه الدوائر محدود بنافذة شفافية الطول الموجي للسيليكون والخسائر غير الخطية العالية ، مما يؤدي إلى حد على الطاقة البصرية المتاحة للإخراج. نحن نركز بدلا من ذلك على OPAs متكاملة في SiN، وهي مادة ذات خصائص مماثلة للسيليكون من حيث قدرة CMOS وحجم البصمة11،12. على النقيض من السيليكون ومع ذلك ، من المتوقع أن تكون SiN مناسبة لمجموعة أكبر من التطبيقات نظرًا لأن نافذة الشفافية أوسع ، وصولاً إلى 500 نانومتر على الأقل ، وبفضل الطاقة البصرية العالية ربما بفضل الخسائر غير الخطية المنخفضة نسبيًا.
وقد أظهرت مؤخرا مبادئ التكامل OPA باستخدام SiN8،13،14. هنا، سوف نقوم بتوسيع هذه المبادئ لإظهار طريقة توصيف وتشغيل OPAs متكاملة لتوجيه شعاع اثنين من الأبعاد. بالمقارنة مع العروض السابقة لتوجيه شعاع في بعدين التي تعتمد على ضبط الطول الموجي6،يمكن أن تعمل دائرتنا في طول موجة واحدة. نحن نقدم أولا لمحة موجزة عن مبادئ التشغيل وراء OPAs. ويتبع ذلك مقدمة للدوائر المستخدمة في هذا العمل. وأخيراً، يتم وصف طريقة التوصيف والصور النموذجية لحزم إخراج OPA التي يتم تقديمها ومناقشتها.
تتكون OPAs من مجموعة من الانبعاثات المتباعدة بشكل وثيق التي يمكن معالجتها بشكل فردي للتحكم في المرحلة البصرية. إذا كانت هناك علاقة مرحلة خطية عبر صفيف الباعث، فإن نمط التداخل في الحقل البعيد ينتج عنه العديد من المبادئ القصوى المنفصلة بوضوح – على غرار مبادئ التداخل متعدد الشقات. من خلال التحكم في حجم الفرق المرحلة، يمكن تعديل موقف ماكسيما، وبالتالي، توجيه شعاع يؤديها. في OPAs المتكاملة ، تتكون الباعثات من صرات حيود متباعدة عن كثب حيث ينتشر الضوء وينبعث من مستوى الشريحة. ويرد رسم تخطيطي لجهاز OPA متكامل في الشكل 1A، B. ويقترن الضوء في رقاقة، في هذه الحالة عن طريق الألياف البصرية، ومن ثم ينقسم إلى قنوات متعددة، كل منها يحتوي على متحول المرحلة المتكاملة. في الطرف الآخر من الدائرة البصرية ، والموجيإنهاء في صريف والجمع لتشكيل OPA. وتتألف شعاع الإخراج الناتج من أقصى قدر من التداخل المتعدد، ويشار إلى ألمعها باسم الفص الأساسي، وهو الأكثر استخداماً في تطبيقات توجيه الحزمة. يتم تعريف اتجاه الانبعاثات من الفص الأساسي من خلال زاويتين السمتال إلى الإسقاط المتعامد للمستوى رقاقة، وο، عمودي وبالتوازي مع اتجاه صريف على التوالي. في هذه الوثيقة، سيتم الإشارة إلى زوايا الانبعاثات “العمودي” و “المتوازي” على التوالي. يتم تحديد الزاوية المتعامدة حسب فرق المرحلة بين قنوات OPA ، وتعتمد الزاوية المتوازية على فترة صريف الإخراج.
يتم تصنيع دوائرنا المتكاملة باستخدام أدلة الموجات Si3N4 مع مقطع عرضي من 600 × 300 نانومتر2، وهو التصميم الذي تم تحسينه لوضع الاستقطاب الكهربائي العرضي الأساسي للضوء على طول موجة يبلغ 905 نانومتر. تحت الموجات تقع طبقة عازلة SiO2 2 ميكرون على قمة رقاقة السيليكون. تم إجراء شيفات المرحلة الحرارية من طبقة تي (TiN) سميكة 10 (100) نانومتر تستخدم لتشكيل أسلاك مقاومة 500 ميكرومتر و2 ميكرومتر واسعة. في دوائرنا، مطلوب طاقة كهربائية تبلغ 90 mW لتحقيق تحول المرحلة من. يتكون صريف إخراج OPA من 750 فترة محفورة بالكامل مع عامل تعبئة اسمي قدره 0.5 وفترة صريف بين 670 نانومتر و 700 نانومتر. وترد معلومات إضافية عن تصميم المنصة وتصنيعها في تايلر وآخرون15،16.
في هذا العمل ، يتميز نوعان مختلفان من الدوائر ، دائرة سلبية بدون قدرات تحويل المرحلة ، ودائرة أكثر تعقيدًا ، مصممة لتنفيذ توجيه الشعاع في بعدين. يتم عرض دائرة توجيه شعاع ثنائية الأبعاد في الشكل 2. الشكل 2A يحتوي على تخطيطي للدائرة والشكل 2B يظهر صورة المجهر من الجهاز ملفقة. الضوء يدخل الدائرة في المدخلات صريف. ثم تصل إلى شبكة تبديل حيث يمكن توجيهها بشكل انتقائي نحو واحدة من أربع دوائر فرعية. تقسم كل دائرة فرعية الضوء إلى أربع قنوات باستخدام أجهزة التداخل متعددة الواسطة (MMI). تحتوي كل قناة على مُنقل مرحلة حرارية وتشكل OPA في نهاية الدائرة. وتتألف هذه التقييمات الأربع المنبثقة من الدوائر الفرعية الأربع من فترة صر مختلفة تتراوح بين 670 نانومتر و700 نانومتر. تتوافق هذه الفترات مع زوايا السمتثال الموازية لمحور الصريف ، بين 7 و 10 درجات. يمكن العثور على وصف أكثر تفصيلا ً على الدائرة في تايلر وآخرون16.
ويستند الإعداد التوصيف المقدمة على محطة التحقيق الآلي قادرة على إجراء سلسلة من القياسات على العديد من الدوائر عبر رقاقة كاملة. وهذا يتيح دراسة تباين الأداء بالنسبة إلى الموضع على رقاقة واختيار الأجهزة مع الخصائص المثلى. ومع ذلك، فإن استخدام محطة المسبار ينطوي على بعض القيود المادية على نظام توصيف OPA بسبب المساحة المتاحة الصغيرة نسبياً فوق الرقاقة. يتطلب توصيف الصفائف البصرية المرحلية تصوير إخراج OPA في الحقل البعيد ، والذي يمكن تنفيذه بعدة طرق. على سبيل المثال، يمكن استخدام سلسلة من العدسات في نظام التصوير فورييه6 أو صورة فارفيلد التي تشكلت على سطح لامبرتي يمكن عرضها إما في انعكاس أو انتقال. لنظامنا، اخترنا ما اعتبرناه الحل الأبسط والأكثر إحكاماً لوضع مستشعر CMOS على السطح 35 مم × 28 مم بدون عدسات موضوعة على سطح الرقاقة بحوالي 50 مم. على الرغم من زيادة تكلفة مثل هذا الاستشعار اتفاقية مكافحة التصحر كبيرة، وهذا الحل يسمح مجال كاف من الرؤية دون استخدام العدسات.
Protocol
Representative Results
Discussion
لقد قدمنا طريقة لوصف عملية تقييم الإنشاء المتكامل. الميزة الرئيسية للطريقة هي القدرة على التحقيق بسهولة يموت متعددة عبر رقاقة، للبحث عن اختلافات التصنيع وتحديد الأجهزة عالية الأداء. ويمكن رؤية هذا في الشكل 8B. من مسح رقاقة، يصبح من الواضح أن النصف السفلي من أجهزة رقائق معارض مع اختلافات شعاع أقل. ويمكن تفسير ذلك بنوعية أعلى من دليل الموجات في هذا المجال، مما يقلل من نوبات المرحلة العشوائية وبالتالي اختلاف الحزمة.
استخدام استشعار اتفاقية مكافحة التصحر منطقة كبيرة لتصوير إخراج حقل بعيد هو طريقة مريحة لتصوير إخراج الفضاء الحر من الدوائر المتكاملة، لأنه يمكن بسهولة أن تضاف إلى معظم إعدادات التوصيف نظرا لحجمها المضغوط بالمقارنة مع أنظمة التصوير الأكثر استخداما، أكبر حجما، فورييه6.
من أجل ضمان دقة عالية من زاوية شعاع وقياس الاختلاف، يجب توخي الحذر خاصة خلال الكاميرا – محاذاة OPA. وعلاوة على ذلك، فإن استجابة البروتوكول الاختياري للطوارئ حساسة لعدم استقرار المرحلة والاستقطاب أثناء المعايرة. لذلك ، يجب التحكم في جميع مصادر الاضطرابات: حركة / اهتزاز ألياف الحقن ، درجة حرارة الليزر ، استقطاب الضوء الوارد وما إلى ذلك.
وخلاصة القول، قُدمت طريقة لتوصيف الـ OPAs المتكاملة. تم إعطاء تفاصيل حول كيفية زوجين الضوء ، وكيفية التحكم في المرحلة المتحولين في الدائرة وكيفية صورة الإخراج في المجال القريب والبعيد. وعرضت صور نموذجية لعوارض الإخراج للعديد من دوائر OPA، بما في ذلك نتائج توجيه الحزمة ببعدين في طول موجي واحد في الأشعة تحت الحمراء القريبة. وعلاوة على ذلك، نعرض نتائج قياس أجهزة متعددة بنفس التصميم عبر رقاقة من حيث الاختلاف في الحزمة. تم العثور على اتجاه الأداء فيما يتعلق بالموقف على رقاقة، وتحديد المناطق ذات خصائص تصنيع عالية الجودة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد موّل هذا العمل من قبل الإدارة الفرنسية العامة للإدارة العامة للمؤسسة (DGE) من خلال مشروع DEMO3S.
Materials
| 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 |
References
- Heck, M. J. Highly integrated optical phased arrays: Photonic integrated circuits for optical beam shaping and beam steering. Nanophotonics. 6 (1), 93-107 (2017).
- Vasey, F., Reinhart, F. K., Houdré, R., Stauffer, J. M. Spatial optical beam steering with an AlGaAs integrated phased array. Applied Optics. 32 (18), 3220-3232 (1993).
- Van Acoleyen, K., et al. Off-chip beam steering with a one-dimensional optical phased array on silicon-on-insulator. Optics Letters. 34 (9), 1477-1479 (2009).
- Guo, W., et al. Two dimensional optical beam steering with InP-based photonic integrated circuits. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 19 (4), 6100212 (2013).
- Jalali, B., Fathpour, S. Silicon photonics. Journal of Lightwave Technology. 24 (12), 4600-4615 (2006).
- Hulme, J. C. Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam scanner. Optics Express. 23 (5), 5861-5874 (2015).
- Chung, S., Abediasl, H., Hashemi, H. A monolithically integrated large-scale optical phased array in silicon-on-insulator CMOS. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 53 (1), 275-296 (2018).
- Poulton, C. V., et al. Large-scale silicon nitride nanophotonic phased arrays at infrared and visible wavelengths. Optics Letters. 42 (1), 21-24 (2017).
- Poulton, C. V., et al. Coherent solid-state LIDAR with silicon photonic optical phased arrays. Optics Letters. 42 (20), 4091-4094 (2017).
- Martin, A., et al. Photonic integrated circuit based FMCW coherent LiDAR. Journal of Lightwave Technology. 36 (19), 4640-4645 (2018).
- Subramanian, A. Z., et al. Low-Loss Single mode PECVD Silicon Nitride Photonic Wire Waveguides for 532-900 nm Wavelength Window Fabricated Within a CMOS Pilot Line. IEEE Photonics Journal. 5 (6), 2202809 (2013).
- Baets, R., et al. Silicon Photonics: silicon nitride versus silicon-on-insulator. Optical Fiber Communication Conference, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America). , (2016).
- Sabouri, S., Jamshidi, K. Design Considerations of Silicon Nitride Optical Phased Array for Visible Light Communications. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 24 (6), (2018).
- Zadka, M., et al. On-chip platform for a phased array with minimal beam divergence and wide field-of-view. Optics Express. 26 (3), 2528-2534 (2018).
- Tyler, N. A., et al. SiN Integrated Photonics for near-infrared LIDAR. 2018 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ). , 63-66 (2018).
- Tyler, N. A., et al. SiN integrated optical phased arrays for 2-dimensional beam steering at a single near-infrared wavelength. Optics Express. 27 (4), 5851-5858 (2019).
