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

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

Характеристика интегрированных оптических фазированных массивов SiN на испытательной станции Вафель-Шкала

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

Summary

Здесь мы описываем работу интегрированной фотонической цепи SiN, содержащей оптические фазированные массивы. Схемы используются для излучать лазерные лучи с низкой дивергенцией в ближнем инфракрасном диапазоне и направлять их в двух измерениях.

Abstract

Оптические фазированные массивы (OPA) могут производить лазерные лучи с низким уровнем расхождения и могут использоваться для управления углом выбросов в электронном виде без необходимости перемещения механических деталей. Эта технология особенно полезна для применения рулевого управления пучка. Здесь мы сосредоточиваемся на OPA, интегрированных в фотонные схемы SiN для длины волны в ближнем инфракрасном диапазоне. Представлен метод характеристики таких схем, который позволяет формировать и управлять выходным лучом интегрированных ОПС. Кроме того, используя настройку характеристик масштаба вафель, несколько устройств могут быть легко протестированы на нескольких умирает на. Таким образом, можно изучить вариации изготовления и определить высокопроизводительные устройства. Типичные изображения лучей OPA показаны, в том числе пучки, излучаемые из OPA с и без равномерной длины волнопередачи, и с различным количеством каналов. Кроме того, представлена эволюция выходных лучей в процессе фазовой оптимизации и рулевого управления пучка в двух измерениях. Наконец, проводится исследование вариации расхождения в лучах идентичных устройств в отношении их положения на вафельном.

Introduction

Оптические фазированные массивы (OPA) выгодны благодаря своей способности формировать и управлять оптическими лучами немеханически – это полезно в широком диапазоне технологических применений, таких как обнаружение света и диапазон (LIDAR), свободная космическая связь и голографические дисплеи1. Интеграция OPA в фотонные схемы представляет особый интерес, поскольку она обеспечивает низкозатратное решение для их изготовления с небольшим физическим следом. Интегрированные OPA были успешно продемонстрированы с использованием ряда различных материальных систем, включая InP, AlGaAs и кремния2,3,4. Из этих систем кремниевая фотоника, пожалуй, наиболее удобна, благодаря высокой рефракционной контрастности и совместимости с CMOS5. Действительно, схемы OPA были широко продемонстрированы в кремниевой платформе6,,7,788,9,,10; однако применение этих схем ограничено как окном прозрачности длины волны кремния, так и высокими нелинейными потерями, которые приводят к ограничению имеющейся выходной оптической мощности. Вместо этого мы сосредоточиваемся на OPAs, интегрированном в SiN, материале с аналогичными свойствами кремния с точки зрения возможностей CMOS и размера следа11,12. В отличие от кремния однако, SiN, как ожидается, будет подходит для более широкого спектра приложений, так как окно прозрачности шире, до по крайней мере 500 нм, и благодаря возможно высокой оптической мощности благодаря относительно низким нелинейным потерям.

Принципы интеграции OPA недавно были продемонстрирована с помощью SiN88,13,,14. Здесь мы расширим эти принципы, чтобы продемонстрировать метод характеристики и эксплуатации интегрированных ОПД для двухмерного рулевого управления пучка. По сравнению с предыдущими демонстрациями луча рулевого управления в двух измерениях, которые полагаются на настройку длины волны6,наша схема может работать на одной длине волны. Сначала мы предоставляем краткий обзор принципов работы, лежащих в основе ОПД. За этим следует введение в схемы, используемые в этой работе. Наконец, описан метод характеристики и представлены и обсуждены типичные изображения выходных лучей OPA.

OPA состоят из массива тесно расположенных излучателей, которые могут быть адресованы индивидуально для управления оптической фазой. Если линейная фаза взаимосвязана между массивом эмиттера, структура интерференции в дальнем поле дает несколько четко разделенных максима – по аналогии с принципами многоразового вмешательства. Контролируя величину фазовой разницы, положение максимы может быть скорректировано, а значит, и рулевое управление лучом выполнено. В интегрированных OPA, излучатели состоят из тесно расположенных дифракционных решеток, где свет рассеян и излучается из плоскости чипа. Схематическая иллюстрация интегрированного устройства OPA показана на рисунке 1A,B. Свет в сочетании с чипом, в данном случае через оптическое волокно, а затем делится на несколько каналов, каждый из которых содержит интегрированный фазовый сменщик. На другом конце оптической цепи волноводы заканчиваются в решетках и объединяются в OPA. Полученный выходной луч состоит из нескольких интерференций максимы, самая яркая из которых называется основной долей и является наиболее часто используемой в приложениях рулевого управления пучка. Направление выбросов основной доли определяется двумя azimuthal углы ортогональной проекции чип плоскости, q и q, перпендикулярно и параллельно ориентации решетки соответственно. В этом документе, й и К, будут называться “перпендикулярными” и “параллельными” углами выбросов, соответственно. Перпендикулярный угол, определяемый фазовой разницей между каналами OPA, а параллельный угол – зависит от периода выходных решеток.

Наши интегранные схемы изготовлены с использованием Si3N4 волнорезов с поперечным сечением 600 х 300 нм2, дизайн, который был оптимизирован для фундаментального поперечного электрического режима поляризации света на длине волны 905 нм. Под волноводами лежит 2,5 мкм SiO2 буферный слой поверх кремниевой пластины. Термальные фазы переключения были сделаны из 10 (100) нм толщиной Ti (TiN) слой, используемый для формирования 500 мкм в длину и 2 мкм широкий резистивные провода. В наших схемах электрическая мощность 90 мВт необходима для достижения фазового сдвига кв. Выпускные решетки OPA состоят из 750 полностью вытравленных периодов с номинальным коэффициентом заполнения 0,5 и периодом решетки между 670 нм и 700 нм. Более подробная информация о дизайне платформы и изготовлении приведена в Тайлер и др.15,16.

В этой работе, два различных типа схем характеризуются, пассивная схема без возможностей фазового смещения, и более сложная схема, предназначенная для выполнения луча рулевого управления в двух измерениях. Двухмерная схема рулевого управления пучка показана на рисунке 2. Рисунок 2А содержит схему цепи, а на рисунке 2B показан амбиец с изображением сфабрикованных устройств. Свет входит в контур на вхоложской решетке. Затем он достигает коммутационной сети, где его можно избирательно направить к одной из четырех подзаголовок. Каждая подзамы разделяет свет на четыре канала с помощью многорежимных интерференционных устройств (MMI). Каналы содержат термальный сменщик фазы и образуют OPA в конце цепи. Четыре OPA, происходящие из четырех подсхем, каждая из которых состоит из разного периода решетки между 670 нм и 700 нм. Эти периоды соответствуют азимуталу, параллельным оси решетки, между 7 и 10 градусами. Более подробное описание схемы можно найти в Тайлер и др.16.

Представленная настройка характеристик основана на автоматизированной зондирующим станциях, способной выполнять ряд измерений на многих схемах по всей вафле. Это позволяет изучить изменение производительности относительно положения на вафельке и выбрать устройства с оптимальными свойствами. Однако использование пробер-станции предполагает некоторые физические ограничения в схеме характеристик ОПА из-за относительно небольшого имеющегося пространства над вафельной. Характеристика оптических фазированных массивов требует визуализации вывода OPA в дальней области, которая может быть выполнена несколькими способами. Например, серия линз может быть использована в системе визуализации Фурье6 или изображение дальнего поля, образованное на поверхности Ламбертиана, может быть просмотрено в отражении или передаче. Для нашей системы мы выбрали то, что мы считали самым простым и компактным решением размещения большой поверхности 35 мм х 28 мм датчика CMOS без линз, расположенных примерно на 50 мм над поверхностью вафель. Несмотря на возросшую стоимость такого большого датчика CCD, это решение позволяет достаточное поле зрения без использования линз.

Protocol

1. Подготовка Подготовьте следующую экспериментальную установку(рисунок 4). Воспользуйтесь компьютером. Используйте непрерывный волновой волокн, соединенный лазерным источником. В зависимости от потери цепи, 1 мВт мощности достаточно. В представленной настройке характеристики, лазерный источник находится на длине волны 905 нм. Используйте контроллер поляризации, адаптированный для длины лазерной волны. Используйте расщепляющееся вхололетнее волокно для того чтобы соединить свет в парку решетки вхоза оптической цепи. Используйте электрический зонд для подключения электронной платы управления к электрическому контакту оптической цепи. Требуется использовать систему, способную управлять 20 фазными модуляторами двухмерной цепи рулевого управления пучка. В представленной установке характеристик, эта система представляет собой пользовательский электронный совет, управляемый Arduino, который способен применять индивидуально между 0 и 200 мВт электроэнергии на фазе переключения на оптической цепи. Схема электрической цепи показана на рисунке 3. Для каждого канала схема содержит DAC (Digital to Analog Converter), который преобразует цифровое командное напряжение на аналоговое напряжение, контролируя ворота высокомощных транзисторов. Нагреватель подключен к источнику тока высокой мощности. Таким образом, контролируя напряжение ворот, поток тока в нагревателе может быть скорректирован. Используйте голый датчик изображения для изображения дальнего поля оптического вывода. В представленной настройке характеристики камера представляет собой 35-мм датчик CCD. Используйте оптический микроскоп для того, чтобы изображение чипа для целей выравнивания. Используйте 3-осевой этап перевода и крепления, чтобы соответствовать 200 мм пластины. В представленной настройке характеристик, этот этап является перенастраиваемой системой зонда для кремниевой фотоники. Сборка оборудования Соберите оборудование в соответствии с рисунком 4 и смонтировать. Расстояние между вафельной и датчиком должно быть выбрано достаточно маленьким, чтобы обеспечить изображение выходного луча с высоким разрешением, но достаточно большим, чтобы соответствовать по крайней мере двум интерференционным максимам, чтобы иметь возможность найти связь между пикселями датчика и углом вывода, как это будет объяснено в разделе 4 протокола. Убедитесь, что датчик и вафля параллельны; в противном случае это может фальсифицировать вычисление углового пикселя/вывода. В представленной настройке характеристики установите расстояние вафельного датчика до 5 см. Если используется конфигурация двойного датчика (как здесь), убедитесь, что голый датчик может быть легко удален, чтобы дать доступ к оптическому микроскопу для того, чтобы изображение ближнего поля для целей выравнивания волокон. Убедитесь, что электрический зонд, камера и оптическое волокно не касаются друг друга. Подключение необходимых элементов к компьютеру. В представленной установке зондная станция, датчик CCD и электрическая цепь для управления фазой управляются с помощью компьютера и программы Python для автоматизации процесса измерения. 2. Оптическое соединение Выравнивание волокна Используя микроскоп, начните с тщательного снижения волокна, пока он не коснется поверхности пластины (вдали от входной решетки парной, чтобы избежать повреждения), а затем переместить его примерно на 20 мкм. Когда это будет сделано, максимизируйте интенсивность света на выходных решетках. Для этого начните подметать положение волокна над вхотворной парной OPA. Если камера, прикрепленная к микроскопу, реагирует на длину лазерной волны (если не использовать голый датчик изображения), и если волокно и решетка пара хорошо выровнены, свет выхода на выходе решетки OPA должны быть видны на изображении. Пример можно увидеть на рисунке 5A. Когда свет виден с антенн OPA, отрегулируйте поляризацию, чтобы максимизировать интенсивность света на выходных решетках. Не забудьте избежать движения или вибрации входного волокна Изображение результатов OPA Переключитесь на датчик дальнего изображения и улучшите качество изображения: отрегулируйте как время экспозиции датчика, так и мощность лазера таким образом, чтобы выход OPA был хорошо виден на камере и луч не насыщал датчик. Пример изображения, записанного датчиком, показан на рисунке 5B. При необходимости накройте установку так, чтобы фоновый свет не мешал изображению от луча OPA. Как правило, чем слабее фоновый свет, тем ниже мощность лазера, который может быть установлен. Блокируйте отражения, поместив высоко отражающий лист между отражением и камерой. Иногда отражения, происходящие из поверхности вафель, достигают области датчика и загрязняют изображение выхода OPA (отражения могут произойти на входной решетке). Отредражите поляризацию входном света, чтобы получить четкое изображение. 3. Оптимизация и рулевое управление пучка ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе описывается работа цепи, показанной на рисунке 2, и как она может быть использована для выполнения рулевого управления пучка в двух измерениях. Препараты Подключите электрическую цепь для управления фазой к многокантому электрическому зонду. Используя микроскоп, соедините штыри электрического зонда с металлическими контактными колодками оптической цепи. Повторно оптимизировать положение вхозатого волокна. Переключитесь на датчик дальнего поля и изобразите выход. Выбор параллельного угла эмиссии – с помощью коммутационной сети Изучите кольцевые рессонаторы коммутационной сети, чтобы контролировать угол выброса в К. Для этого наблюдайте изображение дальнего поля выходного при различном напряжении, применяемом к фазовым сменщикам на кольцевых рессонаторах. При правильном напряжении, нанесенном на каждый резонатор, будет освещена другая область датчика, соответствующая определенному значению, как показано на рисунке 6B. Найти напряжения, где кольца на и вне резонанса. Для этого можно использовать автоматический скрипт для подметания напряжения резонанса и записи интенсивности на различных областях датчика. Используйте найденные напряжения для доступа к различным подсхемам и для управления выходной лучом в К. Выбор угла ортогоналучения – за счет оптимизации фаз OPA Оптимизируйте фазы OPA, чтобы сформировать и направить выходной луч в . Для этого выберите небольшую область пикселей (соответствующую желаемому ракурсу), которая должна быть освещена сфокусированным выходным лучом. Увеличьте яркость внутри выбранной области, запустив следующий режим оптимизации. Сдвиг фазы одного из каналов OPA небольшими приращениями. После каждой смены, запись интегральной яркости в области пикселей внутри,я, и снаружи, яo, выбранной области. Рассчитайте соотношение R и яя / Яо. После полного цикла фазового сдвига между 0 и 2 “, применить фазовый сдвиг с самым высоким зарегистрированным коэффициентом яркости R. Повторите этот процесс фазовой оптимизации на следующем канале OPA. Могут использоваться различные алгоритмы оптимизации, такие как восхождение на холм. Повторите процесс оптимизации, оптимизируя фазы до тех пор, пока процесс оптимизации не будет насыщен и не будет виден сфокусированный выводной луч. Пример изображения выходного луча, сделанные в процессе оптимизации, показан на рисунке 6A. После 16 раундов оптимизации виден выводной луч сфокусированного луча.ПРИМЕЧАНИЕ: Если присутствуют дополнительные неожиданные пики, это может быть результатом временно нестабильной связи в цепи во время процесса оптимизации. Это может быть связано с движением входной волокна и/или нестабильной поляризацией. Для того, чтобы направить выводной луч в другой угол, выберите новую область пикселей и повторите процесс оптимизации. 4. Измерения расхождения в лучах и анализ изображений Приобретение изображения Оптимизируйте положение вхожей волокна. Запись изображения вывода в дальнем поле. Убедитесь, что по крайней мере два четких максима вмешательства видны. Используя систему выравнивания, переместите пластину, чтобы выровнять следующее устройство с входинным волокном. Выполняйте тонкое выравнивание, максимизируя интенсивность вывода, записанную камерой. Запись выходных изображений. Повторите вышеуказанный шаг до тех пор, пока не будут охарактеризованы все интересующие устройства. Если выбранная оптическая схема имеет возможность фазовой регулировки каналов OPA, выполняйте процедуру фазовой оптимизации перед записью изображений. Анализ изображений Проверьте записанные изображения на наличие ложных точек данных, возникающих из дефектных пикселей, таких как мертвые или горячие пиксели. Стереть эти точки данных или заменить значения типичными значениями. Соотведать пиксели CCD с углами вывода OPA и следующим образом. Рассчитайте угловое расстояние между интерференцией maxima в соответствии с дизайном OPA, используя «грех-1(я/д) » , где — это длина волны, а d — боковая точка между решетками OPA. Fit две гауссианские кривые к двум интерференции максимы и определить позиции двух центров, P1 и P2. Так как расстояние (в пикселях) между двумя центрами, N No P2 – P1, как ожидается, соответствует q, мы получаем коэффициент преобразования c между пикселем и уголом c . Получить коэффициент преобразования, c, с помощью точного измерения расстояния между поверхностью и датчика, и размер пикселей (5,5 х 5,5 м для датчика, используемого здесь). Оцените абсолютные углы вывода в ки и для одного из пикселей CCD. Установите центр луча в к ожидаемому углу выбросов в соответствии с симуляциями. Для того, чтобы выбрать абсолютное значение в : оптимизировать луч для нескольких углов в : путем регулировки фаз OPA, и зафиксируйте интенсивность основной доли для каждого угла. Согласно теории OPA, основная доли является наиболее интенсивным (и интенсивность в боковых долей сведены к минимуму), когда излучающих на й 0 “. Таким образом, установите пиксель в центре луча с максимальной зарегистрированной интенсивностью луча, до 0 евро. Используйте этот пиксель и коэффициент преобразования, чтобы назначить абсолютные углы для всех пикселей изображения. В случае выходного луча со значительным наклоном по отношению к вертикальной оси, и если расхождение и положение луча должны быть измерены очень точно, наклоните камеру, чтобы быть совершенно перпендикулярно выходному лучу. В противном случае можно также применить коэффициент коррекции к измеренному размеру луча, вычислив проекцию луча на датчике в зависимости от угла между выходным лучом и плоскостью камеры. Расчет расхождения пучка Извлеките поперечные секции по центру фундаментального луча вдоль й и No. Fit две гауссианские кривые к поперечным сечениям и извлечь полную ширину на половину-maxima в качестве меры для пучка дивергенции идив .div Рассчитайте ожидаемую ширину луча в форматедив и Нд, где длина волны и d боковое расстояние между решетками OPA. Оцените расхождение луча идив, выполняя моделирование FDTD выходных решеток. Автоматическое тестирование Если скамейка для характеристик (как здесь представлена) может выполнять автоматизированные измерения, выполнять некоторые дополнительные шаги. Во-первых, получить размеры чипа и координаты измеренных структур от макета цепи. Затем ввешайте эти значения в программное обеспечение для управления скамейкой. Таким образом, как только входной волокна были выровнены на первой проверенной структуры (как описано в разделе 2.1), скамейка может автоматически переключаться с одной структуры на другую через перевод пластины.

Representative Results

В этом разделе показаны несколько изображений оперендо из лучей OPA. К ним относятся изображения в ближнем и дальнем поле луча, выходные лучи OPA до и после фазовой оптимизации, а также балки с разным количеством каналов OPA. Изображение ближнего поля луча, записанное с помощью микроскопа, можно увидеть на рисунке 5А. На рисунке показана пассивная схема OPA с большим количеством каналов, и свет, излучаемый на решетках OPA, хорошо виден. Эта схема создает интерференционную модель в дальнем поле, которая была записана с помощью датчика CCD. Изображение датчика дается на рисунке 5B и показывает как фундаментальную доле, так и боковую. Время экспозиции датчика, мощность лазера и фоновый свет были оптимизированы для получения четкого изображения. Две максимы разделены на 17,6 “, рассчитанные в соответствии с уравнением, приведенным в разделе протокола 4.2.2.1. Обратите внимание, что в этой конструкции, все волноводы имеют одинаковую длину и, следовательно, нет существенной разницы фазы между каналами присутствует. В результате, интерференция максима четко разделены. Ниже приводится пример схемы OPA с нерегулярной фазовой разницей между каналами. Для того чтобы наблюдать четкую интерференцию в модели вывода OPA, требуется линейная фазовая разница между каналами OPA. Однако, когда длина волноводов между входной и выходной решеткой варьируется от канала к каналу, шаблон интерференции будет показывать несколько, нерегулярные помехи разделов вдоль прямой линии в направлении, перпендикулярно решетке ориентации (т.е. вдоль угла No). Пример такого выходного шаблона приведен в левом верхнем изображении рисунка 6A. Он показывает дальнее поле выход 16-канальный OPA с неравномерной длиной волны между входного и выходных решеток. К счастью, эта конструкция OPA имеет фазовые сменщики, включенные в каждый канал, так что фазы могут быть скорректированы индивидуально и выходного луча формы. После оптимизации фаз, описанных в разделе протокола 3.3, выходной луч образует один четкий максимум. На рисунке 6А показано, как развивается выходной луч в процессе оптимизации. Обратите внимание, что дальнейшие интерференции maxima присутствуют за пределами области датчика. Кроме того, мы отмечаем, что расхождение пучка 16-канидов OpA гораздо шире, чем на рисунке 5B. Этот эффект ожидается и связан со значительным сокращением числа каналов. В следующем, работа оптической цепи для РУлевого управления OPA в двух измерениях будут обсуждаться, для получения подробной информации о цепи см. Рисунок 2. Во-первых, кольцевые напряжения коммутационной сети были откалиброваны для того, чтобы направить свет в различные подсхемы, каждая из которых содержит OPA. Так как четыре OPA каждый из них состоят из разного периода решетки, маршрутизирование света между подзамы приводит к выходу луча, испускаемого под разными углами. Это показано на рисунке 6B, который содержит изображения дальнего поля, записанные как световой путь изменяется с помощью кольцевого резонанса коммутационной сети. Изображения показывают, что “параллельный” угол выбросов, К, изменения, как каждый отдельный резонанс устанавливается на резонанс с входному светом, в то время как настройка других резонансов вне резонанса. Наша схема была разработана для доступа к четырем различным углам, однако, из-за ошибки в конструкции в сети переключения, можно было работать только три кольца ресонаторов. На выводах изображений видно, что шаблон интерференции нерегулярный и четкой максимы не видно. Для того, чтобы управлять и формировать выходной луч в “перпендикулярном” угол еха, К, фазы OPA были скорректированы и оптимизированы. Пример изображения оптимизированного выходного луча двухмерной цепи рулевого управления пучка показан на рисунке 7A. Хорошо видны две интерференции максимы, соответствующие основной доле и одной из боковых долей. Верхнее изображение на рисунке 7А показывает тепловую карту записанной яркости на датчике по сравнению с числом пикселей. Для определения угла вывода изображение было обработано в описанном в разделе 4.2 протокола и определено отношение между числом пикселей и уголом вывода. Калиброванное изображение интенсивности луча по сравнению с углом показано на нижнем изображении Рисунок 7A. В следующем, результаты рулевого луча будут обсуждаться. Луч OPA был успешно управляемым в области 17,6 “и 3” (я п.п.), пример данных показан на рисунке 7B и рисунок 7C. На рисунке 7B показаны изображения луча, управляемого в q, сохраняя при этом постоянную на уровне 8 градусов. Это было достигнуто путем первого доступа к OPA, соответствующего параллельному уровню выбросов в размере 8 евро, а затем изменяя оптические фазы, чтобы изменить угол перпендикулярного выброса, q. Нормализованные участки интенсивности фундаментального луча, управляемые на три различные выходные позиции в q, показаны на рисунке 7C, с фиксированным перпендикулярным углом излучения в -2,5 и различными значениями от 7 до 9 градусов. Как и прежде, параллельный угол выброса , контролировался с помощью кольцевой ресонатора для переключения между ОПС. После выбора OPA фазы OPA были оптимизированы, чтобы излучать при -2,5 .5. Наконец, расхождение луча было определено путем установки двух гауссийских кривых вдоль q и q, как описано в разделе протокола 4.3. FWHM служит в качестве меры для расхождения пучка и был измерен в 4,3 “в” и 0,7 “в ” для выбросов углы ” -2,5″ и “8” см. Рисунок 8А. Эти значения находятся в хорошем согласии с ожидаемыми значениями 4,3 и 0,6 “в q и q, соответственно, для четырехканального OPA, как описано в разделах 4.3.3 и 4.3.4 протокола. В дополнение к определению расхождения четырехканалов OPA, мы исследовали расхождение дизайна OPA с гораздо большим количеством каналов. Измерена дивергенция пассивной OPA, состоящей из 128 каналов, с дизайном, аналогичным тому, который показан на рисунке 5A. Для того, чтобы проверить вариации изготовления через пластину, мы запустили автоматическое сканирование для характеристики 42 устройств с идентичными конструкциями. Записанные изображения были проанализированы в отношении расхождения луча. Расхождение в положении q по сравнению с положением устройства на вафельке показано на рисунке 8B. Измеренные значения составляют от 0,19 до 0,37 евро и немного превышают ожидаемое значение 0,14.14. Это можно объяснить фазовые ошибки внутри отдельных каналов OPA. Все волноводы в конструкции имеют одинаковую длину и поэтому теоретически никакие фазовые различия не должны возникать между каналами OPA. Однако ошибки изготовления приводят к неконтролируемым фазовым сдвигам по мере того, как свет перемещается от входных к выходным решеткам, что приводит к расширению выходного луча. Из-за отсутствия фазовых сменщиков в цепи не удалось компенсировать эти ошибки. Как уже упоминалось, угол конь определяется геометрией решетки антенны. Таким образом, вариации изготовления (высота пленки SiN и отклонение боковых размеров структур) могут повлиять на угол вывода OPA, З. Такие вариации были характерны для 40 устройств по всей пластине. Благодаря очень хорошо контролируемому процессу изготовления CMOS было обнаружено незначительное 3 “3” (в три раза больше стандартного отклонения) в 0,156 “. Рисунок 1: Иллюстрация интегрированной ОПА. (A) Доли помех первого порядка выхода OPA оставляет цепь под двумя azimuthal углами к ортогональной проекции плоскости чипа, q и q, перпендикулярно и параллельно с ориентацией решетки соответственно. (B) Вид сверху OPA, показывающий ее основные составные элементы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 2: Схематическое и микроскопическое изображение интегрированной оптической цепи для двухмерного луча рулевого управления. (A) Цепь, содержащая коммутационную сеть, подключенную к четырем подсхемам, каждая из которых формирует OPA. Выходная область содержит четыре OPA с четырьмя различными периодами решетки и, следовательно, углы выбросов в К. (B) Микроскоп изображение цепи, описанной в (A), изготовлены с использованием SiN волноводы и Ti / TiN термических сменщиков фазы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 3: Электрическая цепь для применения электрических мощностей между 0 мВт и 200 мВт. Эта схема представляет собой электрическую схему, которая может индивидуально применять напряжение к фазовым сменокам в оптической цепи и зачитывать их электрический ток после применения напряжения. В наших оптических схемах фазовые сменщики состоят из электрических проводов с сопротивлением 1,3 кЗ. Электрическая мощность 90 мВт необходима для достижения оптического фазового сдвига к. Схема управляется с помощью микроконтроллера Arduino. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 4: Экспериментальная настройка для характеристики схемы OPA. (A) Схема экспериментальной настройки. (B) Изображение эксперимента. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 5: Изображения ближнего и дальнего поля выходного луча. (A) Близкое поле изображение цепи OPA. Свет на длине волны 905 нм в сочетании с цепью через волокно и входиную решетку. Рассеяние света внутри волнообразов позволяет нам видеть конструкцию цепи. В конце дерева MMI свет излучается на решетках OPA. (B) Дальнее поле изображение вывода цепи показано в (A). На датчике видны две интерференции. Согласно теории OPA, максима разделена на 17,6 “. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 6: оптимизация и переключение работы сети OPA. (A) OPA лучей оптимизации 16-канальный OPA с помощью фазовых сменщиков. Изображения дальнего поля отображаются после каждого шага оптимизации. После оптимизации всех 16 каналов луч образует одну основную интерференцию в области датчика. (B) С помощью коммутационной сети, состоящей из кольцевых резонансов, доступны различные OPA, каждый из которых включает в себя различный период решетки. Различные периоды решетки приводят к тому, что выходной луч излучается под разными углами. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 7: Характеристика двухмерной цепи рулевого управления пучка. (A) Пиксель к преобразованию угловых данных о записанных изображениях. Результаты рулевого управления в м. и в К показаны в (B)и (C), соответственно. Эта цифра была изменена с Тайлер и др.16. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 8: измерения дивергенции пая OPA. (A) Луч дивергенции анализа 4-канальный OPA. Эта цифра была изменена с Тайлер и др.16. (B) Вафельный карта измеренных расхождений в Виде 128 канала OPA дизайн. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Discussion

Мы представили метод для характеристики интегрированной ОПА. Основным преимуществом метода является возможность легко зондировать несколько умирает через вафельу, искать вариации изготовления и идентифицировать высокопроизводительные устройства. Это можно увидеть на рисунке 8B. Из вафельного сканирования становится ясно, что нижняя половина экспонатов устройств с нижней пучка расхождений. Это может быть объяснено более высоким качеством волноводов в этой области, что уменьшает случайные фазовые сдвиги и, следовательно, расхождение пучка.

Использование большой площади CCD датчик для изображения дальнего выхода поля является удобным методом для изображения свободного пространства выход интегрированных схем, так как он может быть легко добавлен в большинстве характеристик настройки из-за их компактный размер по сравнению с часто используемых, громоздких, Фурье-изображения систем6.

Для того, чтобы гарантировать высокую точность измерения угла луча и измерения расхождения, особую осторожность необходимо проявлять во время камеры – выравнивание OPA. Кроме того, ответ ОПА чувствителен к фазовой и поляризации неустойчивости во время калибровки. Поэтому необходимо контролировать все источники возмущения: движение/вибрацию внучённого волокна, температуру лазера, поляризацию входящих ламп и т.д.

Таким образом, был представлен метод характеристики интегрированных ОПО. Подробная информация о том, как соединить свет, как контролировать фазовые сменщики в цепи и как изображение вывода в ближнем и дальнем поле были даны. Были показаны типичные изображения выходных лучей нескольких схем OPA, включая результаты рулевого управления пучка в двух измерениях на одной длине волны в ближнем инфракрасном диапазоне. Кроме того, мы показываем результаты измерения нескольких устройств с той же конструкцией через пластину с точки зрения расхождения пучка. Была обнаружена тенденция к производительности в отношении положения на вафельном представлении, определяющих области с высококачественными свойствами изготовления.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа финансировалась французским направлением «Генерале де Энтреприс» (DGE) в рамках проекта 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