Charakterisierung von Integrierten optischen Phasenarrays von SiN auf einer Wafer-Scale-Teststation
Summary
Hier beschreiben wir den Betrieb einer integrierten photonischen SiN-Schaltung, die optische Phasenarrays enthält. Die Schaltungen werden verwendet, um Laserstrahlen mit geringer Divergenz im Nahen Infrarot auszusenden und sie in zwei Dimensionen zu steuern.
Abstract
Optische Phasenarrays (OPAs) können laserarme Laserstrahlen mit geringer Divergenz erzeugen und können verwendet werden, um den Emissionswinkel elektronisch zu steuern, ohne dass mechanische Teile bewegt werden müssen. Diese Technologie ist besonders nützlich für Strahllenkungsanwendungen. Hier konzentrieren wir uns auf OPAs, die in SiN-Photonik-Schaltungen für eine Wellenlänge im Nahinfrarot integriert sind. Es wird eine Charakterisierungsmethode solcher Schaltungen vorgestellt, die es ermöglicht, den Ausgangsstrahl integrierter OPAs zu formen und zu steuern. Darüber hinaus können mithilfe eines Wafer-scale-Charakterisierungs-Setups mehrere Geräte problemlos über mehrere Matrizen auf einem Wafer getestet werden. Auf diese Weise können Fertigungsvarianten untersucht und Hochleistungsgeräte identifiziert werden. Typische Bilder von OPA-Strahlen werden gezeigt, einschließlich Strahlen, die von OPAs mit und ohne gleichmäßige Wellenleiterlänge und mit unterschiedlicher Anzahl von Kanälen emittiert werden. Darüber hinaus wird die Entwicklung der Ausgangsträger während des Phasenoptimierungsprozesses und der Strahllenkung in zwei Dimensionen dargestellt. Schließlich wird eine Studie über die Variation der Strahldivergenz identischer Geräte in Bezug auf ihre Position auf dem Wafer durchgeführt.
Introduction
Optische Phasenarrays (OPAs) sind aufgrund ihrer Fähigkeit, optische Strahlen nicht mechanisch zu formen und zu steuern, von Vorteil – dies ist in einer Breitenpalette technologischer Anwendungen wie Lichterkennung und -umfang (LIDAR), Freiraumkommunikation und holographische Displays1nützlich. Die Integration von OPAs in photonische Schaltungen ist von besonderem Interesse, da sie eine kostengünstige Lösung für ihre Fertigung mit geringem physischen Platzbedarf bietet. Integrierte OPAs wurden erfolgreich mit einer Reihe von verschiedenen Materialsystemen wie InP, AlGaAs und Silizium2,,3,4demonstriert. Von diesen Systemen ist Silizium-Photonik aufgrund seines hohen Brechungsindexkontrasts und seiner Kompatibilität mit CMOS5vielleicht am bequemsten. In der Tat wurden OPA-Schaltungen in der Silizium-auf-Isolator-Plattform6,7,8,9,10ausgiebig demonstriert; Die Anwendung dieser Schaltungen wird jedoch sowohl durch das Wellenlängentransparenzfenster von Silizium als auch durch die hohen nichtlinearen Verluste begrenzt, die zu einer Begrenzung der verfügbaren optischen Ausgangsleistung führen. Wir konzentrieren uns stattdessen auf OPAs, die in SiN integriert sind, ein Material mit ähnlichen Eigenschaften wie Silizium in Bezug auf CMOS-Fähigkeit und Grundfläche11,12. Im Gegensatz zu Silizium dürfte SiN jedoch für eine größere Bandbreite von Anwendungen geeignet sein, da das Transparenzfenster breiter ist, bis zu mindestens 500 nm, und dank der möglicherweise hohen optischen Leistung dank der relativ geringen nichtlinearen Verluste.
Die Prinzipien der OPA-Integration wurden kürzlich mit SiN8,13,14demonstriert. Hier werden wir diese Prinzipale erweitern, um eine Methode zur Charakterisierung und Bedienung integrierter OPAs für die zweidimensionale Strahllenkung zu demonstrieren. Im Vergleich zu früheren Demonstrationen der Strahllenkung in zwei Dimensionen, die auf der Abstimmung der Wellenlänge6basieren, kann unsere Schaltung mit einer einzigen Wellenlänge arbeiten. Zunächst geben wir einen kurzen Überblick über die Funktionsprinzipien der OPAs. Es folgt eine Einführung in die Schaltungen, die in dieser Arbeit verwendet werden. Schließlich wird die Charakterisierungsmethode beschrieben und typische Bilder von OPA-Ausgabeträgern vorgestellt und diskutiert.
OPAs bestehen aus einem Array von emittern mit eng verteiltem Abstand, die einzeln adressiert werden können, um die optische Phase zu steuern. Wenn eine lineare Phasenbeziehung über das Emitter-Array besteht, ergibt das Interferenzmuster im Fernfeld mehrere klar voneinander getrennte Maxima – ähnlich den Prinzipien der Multi-Slit-Interferenz. Durch die Steuerung der Größe der Phasendifferenz kann die Position der Maxima eingestellt und damit die Strahllenkung durchgeführt werden. In integrierten OPAs bestehen Emitter aus eng verteilten Beugungsgittern, bei denen das Licht gestreut und aus der Chipebene emittiert wird. Eine schematische Darstellung eines integrierten OPA-Geräts ist in Abbildung 1A,Bdargestellt. Licht wird über eine Glasfaser in den Chip gekoppelt und dann in mehrere Kanäle unterteilt, die jeweils einen integrierten Phasenschieber enthalten. Am anderen Ende des optischen Schaltkreises enden die Wellenleiter in Gittern und bilden den OPA. Der resultierende Ausgangsstrahl besteht aus mehreren Interferenzmaximen, von denen der hellste als Basislappen bezeichnet wird und der am häufigsten in Strahlsteuerungsanwendungen verwendet wird. Die Emissionsrichtung des Basislappens wird durch die beiden azimutalen Winkel zur orthogonalen Projektion der Spanebene, sen und, senkrecht und parallel zur Ausrichtung des Gitters definiert. In diesem Dokument werden die Emissionswinkel “senkrecht” bzw. “parallel” als “senkrechte” bzw. “parallele” Emissionswinkel bezeichnet. Der senkrechte Winkel wird durch die Phasendifferenz zwischen den OPA-Kanälen bestimmt, und der parallele Winkel hängt von der Periode der Ausgangsgitter ab.
Unsere integrierten Schaltungen werden mit Si3N4 Wellenleitern mit einem Querschnitt von 600 x 300 nm2hergestellt, ein Design, das für den grundlegenden transversalen elektrischen Polarisationsmodus von Licht bei einer Wellenlänge von 905 nm optimiert wurde. Unter den Wellenleitern liegt eine 2,5-m-SiO2-Pufferschicht auf einem Siliziumwafer.2 Die thermischen Phasenschieber wurden aus einer 10(100) nm dicken Ti(TiN)-Schicht hergestellt, die zu 500 m langen und 2 m breiten Widerstandsdrähten verwendet wurde. In unseren Schaltungen ist eine elektrische Leistung von 90 mW erforderlich, um eine Phasenverschiebung von . Die OPA-Ausgangsgitter bestehen aus 750 voll geätzten Perioden mit einem nennen Füllfaktor von 0,5 und einer Gitterzeit zwischen 670 nm und 700 nm. Weitere Informationen zum Plattformdesign und der Plattformfertigung finden Sie in Tyler et al.15,16.
In dieser Arbeit werden zwei verschiedene Arten von Schaltungen charakterisiert, eine passive Schaltung ohne Phasenverschiebungsfähigkeiten und eine komplexere Schaltung, die für die Strahllenkung in zwei Dimensionen ausgelegt ist. Die zweidimensionale Strahllenkung ist in Abbildung 2dargestellt. Abbildung 2A enthält einen Schaltplan der Schaltung und Abbildung 2B zeigt ein Mikroskopbild des hergestellten Geräts. Das Licht tritt am Eingangsgitter in die Schaltung ein. Es erreicht dann ein Schaltnetz, wo es selektiv zu einem von vier Teilkreisen geleitet werden kann. Jede Unterschaltung teilt das Licht mit Multimode-Interferenzgeräten (MMI) in vier Kanäle auf. Die Kanäle enthalten jeweils einen thermischen Phasenschieber und bilden am Ende der Schaltung einen OPA. Die vier OPA, die aus den vier Teilkreisen stammen, umfassen jeweils eine unterschiedliche Gitterzeit zwischen 670 nm und 700 nm. Diese Perioden entsprechen den azimutalen Winkeln parallel zur Gitterachse, – zwischen 7° und 10°. Eine ausführlichere Beschreibung der Schaltung finden Sie in Tyler et al.16.
Das vorgestellte Charakterisierungs-Setup basiert auf einer automatisierten Sondierungsstation, die in der Lage ist, eine Reihe von Messungen auf vielen Schaltkreisen über einen ganzen Wafer durchzuführen. Dies ermöglicht die Untersuchung der Leistungsschwankungen relativ zur Position auf dem Wafer und die Auswahl der Geräte mit den optimalen Eigenschaften. Die Verwendung einer Proberstation impliziert jedoch aufgrund des relativ geringen verfügbaren Platzes über dem Wafer einige physikalische Einschränkungen für das OPA-Charakterisierungsschema. Die Charakterisierung optischer Phasenarrays erfordert eine Abbildung des OPA-Ausgangs im Fernfeld, die auf verschiedene Weise durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann eine Reihe von Linsen in einem Fourier-Bildgebungssystem6 verwendet werden oder das auf einer Lambertian-Oberfläche gebildete Farfield-Bild kann entweder in Reflexion oder Übertragung betrachtet werden. Für unser System haben wir uns für die einfachste und kompakteste Lösung entschieden, einen großen 35 mm x 28 mm Großen CMOS-Sensor ohne Objektive zu platzieren, die ca. 50 mm über der Waferoberfläche platziert sind. Trotz der gestiegenen Kosten eines so großen CCD-Sensors ermöglicht diese Lösung ein ausreichendes Sichtfeld ohne den Einsatz von Linsen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir haben eine Methode zur Charakterisierung einer integrierten OPA vorgestellt. Der Hauptvorteil der Methode ist die Möglichkeit, mehrere Matrizen einfach über einen Wafer zu untersuchen, nach Fertigungsvarianten zu suchen und Hochleistungsgeräte zu identifizieren. Dies ist in Abbildung 8B zusehen. Aus dem Wafer-Scan wird deutlich, dass die untere Hälfte des Wafers Geräte mit niedrigeren Strahlabweichungen aufweist. Dies könnte durch eine höhere Wellenleiterqualität in diesem Bereich erklärt werden, die zufällige Phasenverschiebungen und damit die Strahldivergenz reduziert.
Die Verwendung eines großflänischen CCD-Sensors zum Abbilden der Fernfeldausgabe ist eine bequeme Methode, um die freie Raumausgabe integrierter Schaltungen abzubilden, da sie aufgrund ihrer kompakten Größe im Vergleich zu den häufig verwendeten, sperrigeren Fourier-Imaging-Systemen6leicht zu den meisten Charakterisierungs-Setups hinzugefügt werden kann.
Um eine hohe Genauigkeit des Abstrahlwinkels und divergenzmessung zu gewährleisten, ist bei der Kamera – OPA-Ausrichtung – besonders vorsichtig zu sein. Darüber hinaus ist die OPA-Antwort empfindlich gegenüber Phasen- und Polarisationsinstabilitäten während der Kalibrierung. Daher müssen alle Störquellen kontrolliert werden: Bewegung/Vibration der Injektionsfaser, Lasertemperatur, lichteingehende Polarisation usw.
Zusammenfassend wurde eine Methode zur Charakterisierung integrierter OPAs vorgestellt. Details zum Koppeln von Licht, zur Steuerung von Phasenschiebern in der Schaltung und zum Abbilden des Ausgangs im nahen und dem fernen Feld wurden gegeben. Typische Bilder der Ausgangsstrahlen mehrerer OPA-Schaltungen wurden gezeigt, einschließlich der Ergebnisse der Strahllenkung in zwei Dimensionen bei einer einzigen Wellenlänge im nahen Infrarot. Darüber hinaus zeigen wir die Ergebnisse der Messung mehrerer Geräte mit dem gleichen Design über einen Wafer in Bezug auf strahldivergence. Es wurde ein Leistungstrend in Bezug auf die Position auf dem Wafer gefunden, der Bereiche mit hochwertigen Fertigungseigenschaften identifizierte.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der französischen Direktion Générale des Entreprises (DGE) über das DEMO3S-Projekt finanziert.
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 |
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