JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

אפיון מערכים אופטיים משולבים של מערכי מופע בתחנת הבדיקה בסולם וופל

Published: April 01, 2020
doi:
10.3791/60269
, , , , , ,
1University Grenoble Alpes and CEA, LETI, Minatec Campus

Summary

כאן, אנו מתארים את הפעולה של מעגל משולב של החטא המכיל מערכי מופע אופטי. המעגלים משמשים לפלוט קרני לייזר נמוכות מתפצלות באינפרא-אדום הקרוב ומנווטים אותם בשני מימדים.

Abstract

מערכים אופטיים לשלבים (OPAs) יכולים לייצר לייזר בסטייה נמוכה קרני וניתן להשתמש בהם כדי לשלוט על זווית הפליטה באופן אלקטרוני ללא צורך בהעברת חלקים מכניים. טכנולוגיה זו שימושית במיוחד עבור יישומים היגוי הקורה. כאן, אנו מתמקדים OPAs משולב לתוך מעגלי החטאים עבור אורך הגל באינפרא אדום הקרוב. שיטת אפיון של מעגלים כאלה מוצגת, אשר מאפשר את קרן הפלט של OPAs משולבים להיות בצורת וניווט. יתר על כן, באמצעות הגדרת אפיון בקנה מידה, התקנים מסוימים יכולים בקלות להיבדק על פני מספר מתים על וופל. בדרך זו, ניתן ללמוד וריאציות ייצור והתקנים בעלי ביצועים גבוהים מזוהים. תמונות טיפוסיות של קרני OPA מוצגות, כולל קורות הנפלטים מ-OPAs עם וללא אורך מדריך גל אחיד, עם מספר משתנה של ערוצים. בנוסף, האבולוציה של קורות הפלט במהלך תהליך אופטימיזציה שלב והיגוי קרן בשני מימדים מוצג. בסופו של דבר, מחקר וריאציה של הסטייה הקורה של התקנים זהים מבוצעת ביחס לעמדתם על הפרוסת.

Introduction

מערכים אופטיים בשלבים (OPAs) הם יתרון בשל יכולתם לעצב ולנווט קורות אופטיים לא מכנית-זה שימושי במגוון רחב של יישומים טכנולוגיים כגון גילוי אור (LIDAR), תקשורת שטח חופשי מציג הולוגרפית1. שילוב של opas במעגלים פוטוני הוא עניין מיוחד, כפי שהוא מספק פתרון עלות נמוכה עבור הייצור שלהם עם טביעת רגל פיזית קטנה. Opas משולב הפגינו בהצלחה באמצעות מספר מערכות חומרים שונים כולל inp, אלאס ו סיליקון2,3,4. של מערכות אלה, פוטוניקה סיליקון הוא אולי הנוח ביותר, בשל השבירה הגבוהה שלה מדד ותאימות עם CMOS5. אכן, מעגלים OPA הפגינו בהרחבה בפלטפורמת סיליקון על בידוד6,7,8,9,10; עם זאת, היישום של מעגלים אלה מוגבל הן על ידי חלון שקיפות אורך הגל של סיליקון ואת הפסדים לא לינארית גבוה, אשר להוביל מגבלה על החשמל הזמין הפלט האופטי. אנו מתמקדים במקום opas משולב בחטא, חומר עם תכונות דומות לסיליקון במונחים של יכולת CMOS וגודל טביעת רגל11,12. בניגוד לסיליקון עם זאת, החטא צפוי להיות מתאים למגוון רחב יותר של יישומים מכיוון שחלון השקיפות רחב יותר, עד לפחות 500 ננומטר, והודות לכוח האופטי הגבוה הודות להפסדים לא-ליניאריים נמוכים יחסית.

מנהלי האינטגרציה של ה-OPA הוכחו לאחרונה באמצעות חטא8,13,14. כאן, אנו להרחיב את העקרונות הללו כדי להדגים שיטה של אפיון והפעלה OPAs משולבים להגה קרן שני מימדי. בהשוואה להפגנות קודמות של היגוי קרן בשני ממדים המסתמכים על כוונון של אורך הגל6, המעגל שלנו יכול לפעול באורך גל אחד. תחילה אנו מספקים סקירה קצרה של עקרונות התפעול מאחורי OPAs. הדבר מלווה בהקדמה למעגלים המשמשים בעבודה זו. לבסוף, שיטת האפיון מתוארת ותמונות טיפוסיות של קורות הפלט של ה-OPA שהוצגו ונדונו.

OPAs מורכבים ממערך של מפולטים במרווחים קרובים שניתן לטפל בהם באופן אינדיבידואלי כדי לשלוט בשלב האופטי. אם קיים קשר שלב ליניארי על-פני מערך הפולט, תבנית ההפרעות בשדה הרחוק מניבה מספר מופרדים באופן ברור הדומה לעקרונות של הפרעות מרובות-סדקים. על ידי שליטה על סדר הגודל של הבדל השלב, את המיקום של מקסימה ניתן לכוונן, ולכן, היגוי קרן ביצע. ב-OPAs משולבים, פולטים מורכב של מגרלות עקיפה במרווח, כאשר האור מפוזר ונפלט מתוך מישור השבב. איור סכמטי של התקן OPA משולב מוצג באיור 1A, B. אור מצמידים לשבב, במקרה זה באמצעות סיבים אופטיים, והוא מחולק לערוצים מרובים, כל אחד המכיל משנה שלב משולב. בקצה השני של המעגל האופטי, המדריכים מסתיימים באופן מעגלי ומשתלבים כדי ליצור את ה-OPA. קרן הפלט כתוצאה מכך מורכב הפרעות מרובות מקסימה, המבריקים אשר נקרא האונה הבסיסית והוא אחד המשמשים לרוב ביישומים היגוי קורה. כיוון הפליטה של האונה הבסיסית מוגדר על-ידי שתי זוויות האזימוט להטלה האורתוגונלית של מישור השבב, הφ והθ, בניצב ובמקביל לכיוון הסורגים בהתאמה. במסמך זה, הφ והθ מתייחסים לזוויות הפליטה ‘ הניצב ‘ ו’מקביל ‘, בהתאמה. הזווית האנכית φ נקבעת על-ידי הפרש הפאזה בין ערוצי ה-OPA, והזווית המקבילה θ תלויה בתקופת החיתוך של הפלט.

מעגלים משולבים שלנו מיוצרים באמצעות Si3N4 מדריכים גל עם חתך של 600 x 300 nm2, עיצוב זה היה אופטימיזציה עבור המצב הבסיסי של הקיטוב החשמלי רוחבי של אור באורך הגל של 905 nm. מתחת למדריכים גל נמצא 2.5 יקרומטר SiO2 שכבת מאגר על גבי וופל סיליקון. משני משני השלבים התרמיים נעשו מ 10 (100) שכבת Ti (TiN) עבה (בדיל) המשמש לטופס 500 יקרומטר ארוך 2 יקרומטר התנגדות רחב חוטי. במעגלים שלנו, כוח חשמלי של 90 mW נדרש כדי להשיג משמרת שלב של π. הגרגים של תפוקת ה-OPA מורכבים מ-750 תקופות מילוי מלאות עם מקדם נומינלי של 0.5 ותקופת פומפיה בין 670 nm לבין 700 nm. מידע נוסף על העיצוב פלטפורמה וייצור מוענק טיילר et al.15,16.

בעבודה זו, שני סוגים שונים של מעגלים מאופיינים, מעגל פסיבי ללא יכולות הסטה פאזה, ומעגל מורכב יותר, שנועד לבצע היגוי קרן בשני מימדים. מעגל ההיגוי של קרן דו מימדי מוצג באיור 2. איור 2A מכיל סכמטי של המעגל ואיור 2a מראה תמונת מיקרוסקופ של המכשיר מפוברק. האור נכנס למעגל בסורג הקלט. לאחר מכן היא מגיעה לרשת מיתוג שבה ניתן לנתב אותה באופן סלקטיבי לעבר אחד מארבעת מעגלי המשנה. כל תת-מעגל מפצל את האור לארבעה ערוצים באמצעות התקני הפרעה מרובי-מצב (אם…). כל הערוצים מכילים מחלף פאזה תרמי ויוצרים את ה-OPA בסוף המעגל. ארבעת OPAs שמקורם ארבעה מעגלים משנה כל אחד מהווה תקופה פומפיה שונה בין 670 nm ו 700 nm. התקופות הללו מתאימות לזוויות azimuthal במקביל לציר הפומפיה, θ, בין 7 ° ל -10 °. תיאור מפורט יותר על המעגל ניתן למצוא טיילר et al.16.

כיוונון האפיון המוצג מבוסס על תחנת גישוש אוטומטית המסוגלת לבצע סדרה של מדידות במעגלים רבים על גבי וופל שלם. הדבר מאפשר לימוד של וריאציית הביצועים ביחס למיקום על הפרוסת ולבחירת ההתקנים בעלי המאפיינים האופטימליים. עם זאת, השימוש בתחנת מעקב מרמז על אילוצים פיזיים לערכת האפיון של ה-OPA בשל השטח הקטן יחסית הזמין מעל לפרוסת הסיליקון. האפיון של מערכים אופטיים בשלבים מחייב הדמיה של פלט ה-OPA בשדה הרחוק, אשר ניתן לבצע במספר דרכים. לדוגמה, ניתן להשתמש בסדרה של עדשות במערכת הדמיה פורייה6 או בתמונת הפרפילד הנוצרת על פני משטח לאמראסטי בהשתקפות או בשידור. עבור המערכת שלנו, אנו בחרנו מה שאנו מחשיב להיות הפתרון הפשוט ביותר וקומפקטי ביותר של הצבת משטח גדול 35 mm x 28 מ”מ חיישן CMOS ללא עדשות ממוקם כ 50 מ”מ מעל פני השטח וופל. למרות עלות מוגברת של כזה חיישן CCD גדול, פתרון זה מאפשר שדה מספיק של השקפה ללא שימוש של עדשות.

Protocol

1. ההכנות הכן את ההתקנה הניסיונית הבאה (איור 4). . תשתמש במחשב השתמש סיב גל רציף מצמידים מקור לייזר. בהתאם להפסדים המעגלים, מספק 1 מגוואט הספיק. בכיוונון האפיון המוצג, מקור הלייזר הוא באורך גל של 905 ננומטר. השתמש בבקר פוליריזציה המותאם לאורך הגל הלייזר. השתמש סיבי קלט ביקע לאור זוג לתוך מצמד פומפיה הקלט של המעגל האופטי. השתמש במכשיר חשמלי כדי לחבר את לוח הבקרה האלקטרוני למגע החשמלי של המעגל האופטי. השתמש במערכת המסוגלת לשלוט על 20 הפאזה מודולים של מעגל שני מימדי היגוי קרן נדרש. בכיוונון האפיון המוצג, מערכת זו היא לוח אלקטרוני מותאם אישית נשלט על ידי Arduino, אשר מסוגל להחיל בנפרד בין 0 ו 200 mW של חשמל בשלב משני השלבים על המעגל האופטי. תרשים שרטוט של המעגל החשמלי מוצג באיור 3. עבור כל ערוץ, המעגל מכיל DAC (דיגיטלי אנלוגי ממיר) אשר יתרגם את מתח הפקודה הדיגיטלית מתח אנלוגי השולט על השער של טרנזיסטור בעוצמה גבוהה. מחמם התנור מחובר למקור זרם חשמל גבוה. לכן, על-ידי שליטה במתח השער, ניתן לכוונן את הזרימה הנוכחית בתנור. השתמש בחיישן תמונה חשופה כדי לדמות את השדה הרחוק של הפלט האופטי. בכיוונון האפיון המוצג, המצלמה היא חיישן CCD 35 מ”מ. השתמש במיקרוסקופ אופטי כדי לדמות את השבב למטרות יישור. השתמש בשלב התרגום של 3 צירים והר כדי להתאים 200 מ”מ וופל. בכיוונון האפיון המוצג, שלב זה הוא מערכת בדיקה מחדש להגדרה עבור פוטוניקה סיליקון. מכשור הרכבה הכנס את הציוד לפי איור 4 והבהר את הפרוסת. המרחק בין וופל לבין החיישן צריך להיבחר קטן מספיק כדי להבטיח תמונה ברזולוציה גבוהה של קרן פלט, אבל גדול מספיק כדי להתאים לפחות שתי הפרעות מקסימה כדי להיות מסוגל למצוא את הקשר בין פיקסלים חיישן וזווית הפלט כפי שמוסבר בסעיף 4 של הפרוטוקול. ודא שהחיישן והרקיק מקבילים; אחרת, היא עשויה לזייף את החישוב של החישוב של זווית הפיקסל/פלט. בכיוונון האפיון המוצג, הגדר את מרחק חיישן הרקיק ל-5 ס מ. אם נעשה שימוש בתצורת חיישן כפול (כמו זו שהוצגה כאן), ודא שניתן להסיר בקלות את החיישן החשוף כדי להעניק גישה למיקרוסקופ האופטי כדי לדמות את השדה הקרוב למטרות יישור סיבים. ודא כי המכשיר החשמלי, המצלמה וסיבים אופטיים אינם נוגעים זה בזה. חבר את הרכיבים הדרושים למחשב. בכיוונון הציג את תחנת הבדיקה, את חיישן CCD ואת מעגל חשמלי עבור בקרת הפאזה מונעים באמצעות מחשב ותוכנית פיתון כדי להפוך את תהליך המדידה. 2. צימוד אופטי יישור סיבים באמצעות המיקרוסקופ, להתחיל בזהירות הנמכת סיבים עד שהוא נוגע משטח וופל (הרחק מצמד סורגים הקלט כדי למנוע נזק זה), ולאחר מכן להעביר אותו על 20 μm. כאשר זה נעשה, למקסם את עוצמת האור על הציפוי פלט. כדי לעשות זאת, התחל לטאטא את מיקום הסיבים מעל מצמד פומפיה של כניסת ה-OPA. אם המצלמה מחוברת למיקרוסקופ הוא מגיב לייזר אורך הגל (אם לא להשתמש בחיישן התמונה חשופים), ואם מצמד סיבים ופומפיה מיושרים היטב, אור יוצא על הסורגים הפלט OPA צריך להיות גלוי על התמונה. דוגמא לדוגמה ניתן לראות באיור 5א. כאשר אור נראה מתוך אנטנות OPA, להתאים את הקיטוב כדי למקסם את עוצמת האור על הציפוי פלט. הקפד להימנע כל תנועה או רטט של סיבי קלט הדמיה של פלט OPA מעבר לחיישן הדמיה בשדה הרחוק ומשפר את איכות התמונה: להתאים הן את זמן החשיפה של החיישן ואת כוח הלייזר בצורה כזאת, כי הפלט של ה-OPA נראה בבירור על המצלמה ואת הקרן לא להרוות את החיישן. תמונה לדוגמה שנרשמה על-ידי החיישן מוצגת באיור 5ב. במקרה הצורך, יש לכסות את הכיוונון כך שנורית הרקע לא תפריע לתמונה מקרן ה-OPA. באופן כללי, ככל שאור הרקע חלש יותר, כך עוצמת הלייזר הנמוכה יותר יכולה להיות מוגדרת. חסום את ההשתקפויות על-ידי הצבת גיליון משקף בין ההשתקפות למצלמה. לפעמים, השתקפויות שמקורם משטח וופל להגיע לאזור החיישן ולזהם את התמונה של פלט ה-OPA (השתקפויות יכול לקרות בפומפיה הקלט). לקרוא רק את הקיטוב של אור הקלט כדי לקבל תמונה ברורה. 3. מיטוב קרן והיגוי הערה: סעיף זה מתאר את הפעולה של המעגל המוצג באיור 2 וכיצד ניתן להשתמש בה כדי לבצע היגוי אלומות בשני מימדים. הכנות חבר את המעגל החשמלי לבקרת הפאזה לגשוש חשמלי רב ערוצי. באמצעות המיקרוסקופ, לחבר את הפינים של המכשיר החשמלי כדי ליצור קשר עם מתכת רפידות המעגל האופטי. מטב מחדש את מיקום סיבי הקלט. מעבר לחיישן השדה הרחוק והתמונה הפלט. בחירה בזווית הפליטה המקבילית θ באמצעות רשת המיתוג למדו את התהודה הטבעתיים של רשת המיתוג על מנת לשלוט בזווית הפליטה בθ. למטרה זו, שימו לב לתמונת השדה הרחוקה של הפלט תוך שינוי המתח המוחל על משני השלבים השונים של הצלצול. עם המתח הנכון החלים על כל מהדהד, אזור אחר על החיישן יהיה מואר, המתאים ערך θ מסוים, כפי שמוצג באיור 6ב. מצא את המתח שבו הטבעות. הן על-ומחוץ לתהודה לצורך זה, סקריפט אוטומטי יכול לשמש כדי לטאטא את המתח התהודה ולהקליט את עוצמות הכוונות על האזורים θ שונים על החיישן. השימוש המתח נמצא כדי לגשת מעגלים משנה שונים כדי לנווט את קרן הפלט ב θ. בחירה בזווית הפליטה האורתוגונלית φ על-ידי אופטימיזציה של שלבי ה-OPA מטב את שלבי ה-OPA כדי לעצב ולנווט את קרן הפלט בφ. למטרה זו, בחרו אזור פיקסלים קטן (המתאים לזווית הφ הרצויה) שצריך להיות מואר עם קרן פלט ממוקדת. הגדל את הבהירות בתוך האזור הנבחר על-ידי הפעלת שגרת המיטוב הבאה. הזזת השלב של אחד מערוצי ה-OPA במרווחים קטנים. לאחר כל משמרת, להקליט את האינטגרל של הבהירות באזור הפיקסל בתוך,אני, ובחוץ, אניאו, של האזור שנבחר. לחשב את היחס R =אני/אני o. לאחר מחזור שלב מלא בין 0 ל-2π, החל את משמרת השלב עם יחס הבהירות המוקלט הגבוה ביותר R. חזור על תהליך מיטוב שלב זה בערוץ ה-OPA הבא. ניתן להשתמש באלגוריתמי אופטימיזציה שונים, כגון טיפוס על גבעה. חזור על תהליך האופטימיזציה על-ידי אופטימיזציה של השלבים עד שתהליך האופטימיזציה רווי וקרן פלט ממוקדת גלויה. תמונות דוגמה של קרן הפלט שצולמו במהלך תהליך אופטימיזציה מוצג באיור 6א. לאחר 16 סיבובים אופטימיזציה, קרן פלט קרן ממוקדת נראה.הערה: אם קיימים מספר פסגות בלתי צפויות נוספות, הדבר עשוי לנבוע מזיווג לא יציב באופן זמני לתוך המעגל במהלך תהליך המיטוב. הדבר עשוי לנבוע מתנועה של סיבי הקלט ו/או מצב פולריזציה לא יציב. כדי לנווט את קרן הפלט לזווית φ שונה, בחר אזור פיקסל חדש ולחזור על תהליך האופטימיזציה. 4. קרן מדידות וניתוח תמונה רכישת תמונה מטב את המיקום של סיבי הקלט. הקלט את תמונת הפלט בשדה הרחוק. ודא שלפחות שתי הפרעות ברורות מסוימות גלויות. באמצעות מערכת היישור, הזז את הופל כדי ליישר את ההתקן הבא לסיבי הקלט. בצע יישור עדין באמצעות הגדלת עוצמת הפלט המתועדת על-ידי המצלמה. הקלטת תמונת פלט. חזור על השלב לעיל עד שכל מכשירי העניין האופיינים. אם המעגל האופטי שנבחר כולל את היכולת של התאמת פאזה של ערוצי ה-OPA, בצע שגרת מיטוב פאזה לפני הקלטת התמונות. אנליזת תמונות בדוק את התמונות המוקלטות עבור נקודות נתונים שגויות הנובעות מפיקסלים פגומים, כגון מתים או פיקסלים חמים. מחק נקודות נתונים אלה או החלף את הערכים לפי ערכים טיפוסיים. לתאם את הפיקסלים CCD לזוויות פלט OPA φ ו θ כדלקמן. לחשב את המרחק הזוויתי Δφ בין ההפרעה מקסימה על פי עיצוב ה-OPA באמצעות Δφ = החטא-1(λ/d) [°], שם λ הוא אורך הגל ו-d הוא הגובה לרוחב בין הגרגים OPA. התאם שתי עקומות גאוסיאנית לשתי ההפרעות מקסימה וקבע את עמדות שני המרכזים, P1 ו-p2. מאז המרחק (בפיקסלים) בין שני המרכזים, N = P2 -p1, צפוי להתאים Δφ, אנו מקבלים גורם ההמרה c בין פיקסל זווית c = Δφ/N [°/פיקסל], אשר ניתן להשתמש כדי להשיג קשר זווית יחסית בין פיקסלים. השג את פקטור ההמרה, c, באמצעות מדידה מדויקת של המרחק בין משטח וופל לבין החיישן, ואת גודל הפיקסל (5.5 * 5.5 μm עבור חיישן המשמש כאן). להעריך את זוויות הפלט המוחלט ב φ ו θ עבור אחד של פיקסלים CCD. הגדר את מרכז הקרן בθ לזווית הפליטה הצפויה בהתאם לסימולציות. כדי לבחור את הערך המוחלט ב φ, מיטוב הקורה למספר זוויות ב-φ על-ידי התאמת שלבי ה-OPA והקלטת את עוצמת האונה הראשית עבור כל זווית. על פי תיאוריית ה-OPA, האונה הראשית היא האינטנסיבית ביותר (והעוצמה באונות הצדדיות ממוזערת) כאשר היא פולטת ב-φ = 0 °. מכאן, להגדיר את הפיקסל במרכז הקרן עם עוצמת הקרן המקסימלי מוקלט, כדי φ = 0 °. השתמשו בפיקסל זה ובפקטור ההמרה להקצאת זוויות מוחלטות לכל הפיקסלים בתמונה. במקרה של קרן פלט עם הטיה משמעותית ביחס לציר האנכי, ואם הקרן מתפצלות ומיקום חייב להיות נמדד במדויק מאוד, להטות את המצלמה כדי להיות בניצב לחלוטין קרן פלט. אחרת, ניתן גם להחיל גורם תיקון על גודל הקרן נמדד על ידי חישוב הקרנת הקרן על החיישן בהתאם לזווית בין קרן פלט לבין מטוס המצלמה. חישוב הסטייה של הקרן לחלץ את חתכי הצלב על פני מרכז הקרן הבסיסית לאורך φ ו θ. התאם שתי עקומות גאוסיאנית למקטעי הצלב וחלץ את הרוחב-בחצי-מקסימה כאמצעי לφdiv של הקרן וθdiv. חישוב רוחב הקרן הצפוי φdiv = λ/Nd [°], כאשר λ הוא אורך הגל ו-d המרחק הצדדי בין הגרגים של ה-OPA. הערכת הקרן מתפצלות θdiv על-ידי ביצוע סימולציות fdtd של הציפוי הפלט. בדיקה אוטומטית אם ספסל האפיון (כפי שמוצג כאן) יכול לבצע מדידות אוטומטיות, בצע כמה צעדים נוספים. ראשית, השג את ממדי השבב ואת הקואורדינטות של המבנים שנמדדו מפריסת המעגל. לאחר מכן, הקלט ערכים אלה לתוכנת בקרת הספסל. לכן, כאשר סיבי הקלט מיושרים על המבנה הנבדק הראשון (כפי שמפורט בסעיף 2.1), הספסל יכול לעבור אוטומטית ממבנה אחד למשנהו באמצעות תרגום של הפרוסת.

Representative Results

במקטע זה, מוצגים מספר תמונות של קרני OPA. אלה כוללים תמונות בסמוך ואת השדה הרחוק של הקרן, הפלט של ה-OPA לפני ואחרי שלב אופטימיזציה, וקורות עם מספר שונים של ערוצי OPA. תמונה של השדה הקרוב של הקרן, הקליט באמצעות המיקרוסקופ, ניתן לראות באיור 5א. התמונה מציגה מעגל פסיבי של ה-OPA עם מספר רב של ערוצים, והאור הנפלט ב-OPA מופיע בבירור. מעגל זה מייצר דפוס הפרעה בתחום המרוחק, אשר נרשם באמצעות חיישן CCD. תמונת החיישן ניתנת באיור 5B ומראה הן את האונה הבסיסית והן את האונה הצדדית. זמן החשיפה של החיישן, כוח הלייזר ואור הרקע ממוטבים להפקת תמונה ברורה. שני מקסימה מופרדים על ידי 17.6 °, מחושב בהתאם למשוואה הנתונה בסעיף הפרוטוקול 4.2.2.1. שים לב כי בעיצוב זה, כל מדריכי גל הם באותו אורך ולכן אין הבדל שלב משמעותי בין הערוצים הוא נוכח. כתוצאה מכך, ההתערבות מקסימה הופרדו בבירור. דוגמה למעגל ה-OPA עם הפרש פאזה לא סדיר בין הערוצים מוצגת להלן. כדי להתבונן בהפרעות ברורות בתבנית הפלט של ה-OPA, נדרש הפרש שלב ליניארי בין ערוצי ה-OPA. עם זאת, כאשר אורך מכווני הגל בין הקלט לבין החיתוך משתנה מערוץ לערוץ, תבנית ההפרעה תציג מספר מקטעים הפרעות חריגות לאורך קו ישר בכיוון הניצב לכיוון הסורגים (כלומר, לאורך זווית φ). דוגמה לתבנית פלט כזו ניתנת בתמונה השמאלית העליונה של איור 6A. זה מראה את הפלט של השדה הרחוק של ה-OPA 16 ערוצים עם אורך מדריך גל שאינו אחיד בין התשומות קלט ופלט. למרבה המזל, עיצוב זה של ה-OPA כולל משני השלבים הכלולים בכל ערוץ, כך שהשלבים יכולים להיות מותאמים בנפרד ואת קרן הפלט בצורת. לאחר אופטימיזציה של השלבים כפי שמתואר בסעיף הפרוטוקול 3.3, קרן הפלט צורות אחד ברור מקסימום. איור 6מראה כיצד קרן הפלט מתפתחת במהלך תהליך האופטימיזציה. שים לב כי הפרעה נוספת מקסימה נמצאת מחוץ לאזור החיישן. בנוסף, אנו מתבוננים כי הקרן הסטייה של ה-OPA של 16 ערוצים הוא הרבה יותר רחב ממה שנראה באיור 5ב. אפקט זה צפוי והוא נובע מהפחתה משמעותית במספר הערוץ. בהמשך, הפעולה של המעגל האופטי עבור היגוי OPA בשני ממדים יידונו, לקבלת פרטים על המעגל לראות איור 2. ראשית, מתח הטבעת של רשת המיתוג מכויל כדי לנתב את האור לתתי-מעגלים שונים, כל אחד מהם מכיל OPA. מאחר שארבעת ה-OPAs מהווים תקופת גירוד שונה, מנתב את האור בין תוצאות מעגל המשנה בקרן הפלט הנפלטת בזוויות θ שונות. הדבר מוצג באיור 6B, המכיל את התמונות בשדה הרחוק שנרשמו כאשר נתיב האור משתנה באמצעות מכשירי הטבעת של רשת המיתוג. התמונות מראות שזווית הפליטה ‘ מקבילית ‘, θ, משתנה כשכל מהדהד מוגדר על-ידי התהודה עם תאורת הקלט, תוך כוונון התהודה השנייה של התהודה. המעגל שלנו תוכנן כדי לגשת ארבע זוויות θ שונות, עם זאת, בשל שגיאת עיצוב ברשת המעבר, זה היה אפשרי רק להפעיל שלושה מהדהד צלצול. מתמונות הפלט, ניתן לראות שתבנית ההפרעות אינה סדירה ואין מקסימה ברורה. על מנת לנווט ולעצב את קרן הפלט בזווית הפליטה הניצב, φ, שלבי ה-OPA הותאמו וממוטבים. תמונה לדוגמה של קרן פלט ממוטבת של מעגל דו מימדי היגוי קרן מוצג באיור 7א. שתי הפרעות מקסימה מוצגות בבירור, המתאימות לאונה הראשית ולאחת מהאונות הצדדיות. התמונה העליונה באיור 7A מראה מפת חום של בהירות מוקלטת בחיישן לעומת מספר פיקסל. על מנת לקבוע את זווית הפלט, התמונה טופלה כמתואר בסעיף 4.2 של הפרוטוקול ואת הקשר בין מספר פיקסל זווית הפלט נקבע. התמונה מכויל של עוצמת הקורה לעומת הזווית מוצג בתחתית התמונה ביותר של איור 7א. בהמשך, התוצאות היגוי הקרן יידונו. קרן ה-OPA הוצגה בהצלחה באזור של 17.6 ° × 3 ° (φ × θ), נתונים לדוגמה מוצגים באיור 7B ובאיור 7ג. איור 7ב מראה תמונות של הקרן הφ בתוך שמירה על קבוע θ ב -8 °. זה הושג על ידי הראשון בגישה ל-OPA המתאים לזווית פליטה מקבילה של θ = 8 °, ולאחר מכן שינוי השלבים האופטיים כדי לשנות את זווית הפליטה האנכית, φ. חלקות אינטנסיביות מנורמלת של הקרן הבסיסית שהוסגה לשלוש עמדות פלט שונות ב-θ מוצגות באיור 7C, עם 2.5 זווית פליטה קבועה כמו בעבר, זווית הפליטה המקבילית θ נשלטת באמצעות רשת התהודה של הטבעת כדי לעבור בין ה-OPAs. לאחר בחירת OPA, שלבי ה-OPA היו ממוטבים לפלוט ב φ =-2.5 °. לבסוף, נקבע הסטייה של הקרן על-ידי התאמת שתי עקומות גאוסיאנית לאורך φ ו-θ כמתואר בסעיף 4.3. ה-FWHM משמש כמדד לסטייה הקרן ונמדד כ4.3 ° ב-φ ו0.7 ° בθ לזוויות פליטה של φ =-2.5 ° ו-θ = 8 °, ראה איור 8א. ערכים אלה נמצאים בהסכם טוב עם הערכים הצפויים של 4.3 ° ו 0.6 ° φ ו θ, בהתאמה, עבור OPA ארבעה ערוצים, כפי שמתואר בסעיפים 4.3.3 ו4.3.4 של הפרוטוקול. בנוסף לקביעת הסטייה של ה-OPA של ארבעה ערוצים, חקרנו את הסטייה של עיצוב ה-OPA עם מספר גדול יותר של ערוצים. הסטייה של OPA פסיבי המורכב של 128 ערוצים, עם עיצוב דומה לזה המוצג באיור 5א, נמדד. כדי לבדוק וריאציות ייצור על פני וופל, השקנו סריקה אוטומטית כדי לאפיין את 42 התקנים עם עיצובים זהים. התמונות המוקלטות נותחו ביחס לסטייה של הקרן. הסטייה בφ לעומת המיקום של המכשיר על הופל מוצג באיור 8ב. הערכים שנמדדו משקרים בין 0.19 ° ל-0.37 ° והינם גדולים במקצת מהערך הצפוי של 0.14 °. זה יכול להיות מוסבר על ידי שגיאות פאזה בתוך ערוצי ה-OPA הבודדים. כל מדריכי גל בעיצוב הם באותו אורך ולכן תיאורטית אין הבדלים הפאזה צריך להיווצר בין ערוצי ה-OPA. עם זאת, שגיאות הייצור תוצאה במשמרות שלב בלתי מבוקרת כמו האור נוסע מן הקלט להגרגים פלט, אשר מוביל להרחבת קרן הפלט. בשל היעדר משני השלבים במעגל, לא ניתן היה לפצות על שגיאות אלה. כפי שהוזכר, הזווית הθ מוגדרת על-ידי הגיאומטריה של האנטנה. לכן, וריאציות ייצור (הסרט SiN גובה ומבנים סטייה ממדים לרוחב) יכול להשפיע על זווית הפלט של ה-OPA, θ. וריאציות כאלה האופיינים על 40 התקנים על פני כל וופל. בזכות תהליך ייצור ה-CMOS היטב מבוקרת, 3σ זניח (שלוש פעמים את סטיית התקן) של 0.156 ° נמצא. איור 1: איור של משולב של OPA. (א) האונה הראשונה של ההפרעה של יציאת ה-OPA משאירה את המעגל בשתי זוויות אזימוט להטלה האורתוגונלית של מישור השבב, הφ והθ, בניצב ובמקביל לכיוון הסורגים בהתאמה. (ב) השקפה מלמעלה של קופה המציגה את היסודות העיקריים שלה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 2: דימוי סכימטי ומיקרוסקופ של המעגל האופטי המשולב להגה קרן דו מימדי. (א) מעגל המכיל רשת מיתוג המחוברת לארבעה מעגלים משניים, כל אחד מהם יוצר OPA. אזור הפלט מכיל ארבעה OPAs עם ארבע תקופות גירוד שונות ולכן זוויות פליטה ב θ. (ב) תמונת מיקרוסקופ של המעגל המתואר ב (א), המציא באמצעותמדריכיגל החטא Ti/TiN משני השלבים שלב תרמי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 3: מעגל חשמלי להחיל כוחות חשמל בין 0 mw ו 200 mW. סכימטי זה מייצג מעגל חשמלי שיכול להחיל באופן אינדיבידואלי את המתח על משני השלבים במעגל האופטי ולקרוא את הזרם החשמלי שלהם לאחר בקשת מתח. במעגלים האופטיים שלנו, משני השלבים של השלב מורכבים מחוטי חשמל בעלי עמידות של 1.3 kΩ. כוח חשמלי של 90 mW נדרש כדי להשיג משמרת אופטית השלב של π. המעגל נשלט באמצעות מיקרו בקר Arduino. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 4: הגדרת ניסיוני לאפיון מעגל OPA. (א) סכימטי של הגדרת הניסוי. (ב) תמונה של הניסוי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 5: תמונות השדה הקרוב והרחוק של קרן הפלט. (A) בסמוך לתמונת שדה של מעגל OPA. אור באורך גל של 905 ננומטר מצמידים לתוך המעגל דרך סיבים ופומפיה. פיזור האור בתוך מכווני הגל מאפשר לנו לראות את המעגל. בסופו של עץ של סמי, האור נפלט בסורגי ה-OPA. (ב) תמונת שדה מרחוק של הפלט של המעגל המוצג ב (א). שתי הפרעות מקסימה נראות על החיישן. על פי תיאוריית ה-OPA, הקסימה מופרדת ב-17.6 °. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 6: מיטוב קרן למיטוב ותפעול רשת. (A) האופטימיזציה של קרן של 16 ערוצים של ה-opa באמצעות משני השלבים. תמונות בשדה הרחוק מוצגות לאחר כל שלב מיטוב. לאחר אופטימיזציה של כל 16 ערוצים, הקרן יוצרת הפרעה עיקרית אחת המרבי בתוך אזור החיישן. (ב) באמצעות רשת מיתוג המורכבת מהתהודה של הטבעת, מתבצעת גישה ל-opas שונה לכל אחת מתקופות הגירוד השונות. תקופות הגירוד השונות גורמות לקרן הפלט הפולטת בזוויות θ שונות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 7: אפיון מעגל ההיגוי של קרן דו מימדי. (A) פיקסל להמרת זווית של נתוני התמונה המוקלטת. היגוי תוצאות הקרן ב φ ו ב θ מוצגים (ב) ו (ג), בהתאמה. דמות זו שונתה מטיילר ואח ’16. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 8: מדידות של קרן OPA. (א) קרן התפצלות ניתוח של OPA 4 ערוצים. דמות זו שונתה מטיילר ואח ’16. (ב) מיפוי וופל של דיגנציות מדודות בφ של 128 ערוץ מדגם OPA. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

הצגנו שיטה לאפיון של OPA משולב. היתרון העיקרי של השיטה הוא היכולת לחקור בקלות מספר מתים על פני וופל, כדי לחפש וריאציות ייצור ולזהות התקנים בעלי ביצועים גבוהים. ניתן לראות זאת באיור 8ב. מסריקת הרקיק, מתברר שהחצי התחתון של הרקיק מציג התקנים עם הבדלים באלומות התחתונות. זה יכול להיות מוסבר על ידי איכות גבוהה יותר גל מדריך באזור זה, אשר מפחית משמרות בשלב אקראי ולכן הקרן מתפצלות.

באמצעות חיישן CCD שטח גדול לתמונה הפלט בשדה הרחוק היא שיטה נוחה כדי לצלם את הפלט שטח פנוי של מעגלים משולבים, מאז הוא יכול בקלות להתווסף לרוב הגדרת האפיון בגלל הגודל הקומפקטי שלהם בהשוואה לעתים קרובות, בורגול, פורייה מערכות הדמיה6.

כדי להבטיח דיוק גבוה של זווית הקרן ואת המדידה הסטייה, טיפול מסוים יש לנקוט במהלך המצלמה-היישור OPA. יתרה מזאת, תגובת ה-OPA רגישה לתהליך היציבות של השלב והקיטוב במהלך הכיול. לכן, יש לשלוט בכל מקורות הפרטורציה: תנועה/רטט של סיבי ההזרקה, טמפרטורת לייזר, קיטוב אור נכנס ועוד.

לסיכום, הוצגה שיטה לאפיון OPAs משולבים. פרטים על כמה אור, כיצד לשלוט על משני השלבים במעגל וכיצד לצלם את הפלט בקרוב ואת השדה הרחוק ניתנו. תמונות טיפוסיות של קורות הפלט של מעגלי ה-OPA מספר הוצגו, כולל התוצאות של היגוי קרן בשני מימדים באורך גל אחד באינפרא אדום הקרוב. יתר על כן, אנו מראים את התוצאות של מדידת מכשירים מרובים עם עיצוב זהה על פני וופל במונחים של התפצלות קרן. מגמת ביצועים ביחס למיקום על הופל נמצאה, זיהוי אזורים בעלי תכונות ייצור באיכות גבוהה.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

העבודה הזאת ממומנת על ידי הבימוי הצרפתי דה יזם (DGE) באמצעות פרויקט 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Heck, M. J. Highly integrated optical phased arrays: Photonic integrated circuits for optical beam shaping and beam steering. Nanophotonics. 6 (1), 93-107 (2017).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Jalali, B., Fathpour, S. Silicon photonics. Journal of Lightwave Technology. 24 (12), 4600-4615 (2006).
  6. Hulme, J. C. Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam scanner. Optics Express. 23 (5), 5861-5874 (2015).
  7. 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).
  8. Poulton, C. V., et al. Large-scale silicon nitride nanophotonic phased arrays at infrared and visible wavelengths. Optics Letters. 42 (1), 21-24 (2017).
  9. Poulton, C. V., et al. Coherent solid-state LIDAR with silicon photonic optical phased arrays. Optics Letters. 42 (20), 4091-4094 (2017).
  10. Martin, A., et al. Photonic integrated circuit based FMCW coherent LiDAR. Journal of Lightwave Technology. 36 (19), 4640-4645 (2018).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Tyler, N. A., et al. SiN Integrated Photonics for near-infrared LIDAR. 2018 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ). , 63-66 (2018).
  16. 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).

Tags

SiN Integrated Optical Phased ArraysWafer-scale CharacterizationAutomated TestingBeam-steering CircuitsProber StationGrating CouplerFar-field ImagingPhase ControlBeam SteeringRing Resonators

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Tyler, N. A., Guerber, S., Fowler, D., Malhouitre, S., Garcia, S., Grosse, P., Szelag, B. Characterization of SiN Integrated Optical Phased Arrays on a Wafer-Scale Test Station. J. Vis. Exp. (158), e60269, doi:10.3791/60269 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image