Gofret Ölçekli Test İstasyonunda SiN Entegre Optik Fazlı Dizilerin Karakterizasyonu
Summary
Burada optik fazlı diziler içeren bir SiN entegre fotonik devrenin çalışmasını anlatıyoruz. Devreler yakın kızılötesi düşük sapma lazer ışınları yontmak ve iki boyutlu yönlendirmek için kullanılır.
Abstract
Optik fazlı diziler (OPA’ lar) düşük sapmalı lazer ışınları üretebilir ve mekanik parçaların taşınmasına gerek kalmadan emisyon açısını elektronik olarak kontrol etmek için kullanılabilir. Bu teknoloji özellikle ışın direksiyon uygulamaları için yararlıdır. Burada, yakın kızılötesi bir dalga boyu için SiN fotonik devrelere entegre OPAs odaklanmak. Bu tür devrelerin bir karakterizasyon yöntemi sunulur, entegre OPA çıkış Demeti şekillenir ve yönlendirmek için izin verir. Ayrıca, gofret ölçeğinde bir karakterizasyon kurulumu kullanarak, birkaç aygıt bir gofret üzerinde birden çok kalıp arasında kolayca test edilebilir. Bu şekilde, üretim varyasyonları incelenebilir ve yüksek performanslı cihazlar tanımlanabilir. OPA ışınlarının tipik görüntüleri, tek tip dalga kılavuzu uzunluğu olan ve olmayan OPA’lardan yayılan ışınlar ve değişen sayıda kanal içeren görüntüler de dahil olmak üzere gösterilir. Buna ek olarak, faz optimizasyonu işlemi sırasında çıkış demetlerinin evrimi ve iki boyutlu Kiriş direksiyonu sunulmaktadır. Son olarak, aynı cihazların ışın ayrışması varyasyonu bir çalışma gofret üzerindeki konumlarına göre yapılır.
Introduction
Optik fazlı diziler (OPA’lar) optik ışınları mekanik olmayan bir şekilde şekillendirme ve yönlendirme yetenekleri nedeniyle avantajlıdır – bu, ışık algılama ve çeşitli (LIDAR), boş alan iletişimi ve holografik ekranlar1gibi çok çeşitli teknolojik uygulamalarda yararlıdır. Küçük bir fiziksel ayak izi ile kendi imalatı için düşük maliyetli bir çözüm sağlar gibi fotonik devreler OPAs entegrasyonu, özellikle ilgi çekicidir. Entegre OPA’lar InP, Algaa ve silikon2,3,,4gibi farklı malzeme sistemleri kullanılarak başarıyla gösterilmiştir. Bu sistemlerin, silikon fotonik belki de en uygun, yüksek kırılma indeksi kontrast ve CMOS5ile uyumluluk nedeniyle . Nitekim, OPA devreleri yaygın silikon-on-yalıtkan platform6,7,,8,9,10gösterilmiştir ; ancak, bu devrelerin uygulanması hem silikonun dalga boyu saydamlık penceresi hem de mevcut çıkış optik gücü üzerinde bir sınıra yol açan yüksek doğrusal olmayan kayıplar ile sınırlıdır. Bunun yerine, CMOS kapasitesi ve ayak izi boyutu11,12açısından silikon benzer özelliklere sahip bir malzeme olan SiN entegre OPAs odaklanmak. Ancak silikonun aksine, SiN’nin daha geniş bir uygulama yelpazesi için uygun olması beklenir, çünkü saydamlık penceresi daha geniştir, en az 500 nm’ye kadar iner ve nispeten düşük doğrusal olmayan kayıplar sayesinde muhtemelen yüksek optik güç sayesinde.
OPA entegrasyonunun ilkeleri son zamanlarda SiN8,13,14kullanılarak gösterilmiştir. Burada, bu ilkeleri, iki boyutlu ışın direksiyonu için entegre OPA’ları karakterize etme ve çalıştırma yöntemini göstermek için genişleteceğiz. Dalga boyu6’nınatomasına dayanan iki boyutlu ışın direksiyonunun önceki gösterilerine kıyasla, devremiz tek bir dalga boyunda çalışabilir. Öncelikle OPA’ların arkasındaki çalışma prensiplerine kısa bir genel bakış sayılacağız. Bunu, bu çalışmada kullanılan devrelere giriş takip eder. Son olarak, karakterizasyon yöntemi açıklanmıştır ve OPA çıkış demetleri tipik görüntüleri sunulan ve tartışıldı.
OPA’lar, optik fazı kontrol etmek için tek tek ele alınabilen bir dizi yakın aralıklı yayıcılardan oluşur. Yayıcı dizi boyunca doğrusal bir faz ilişkisi varsa, uzak alandaki girişim deseni, çok yarıklı girişim ilkelerine benzer şekilde açıkça ayrılmış birkaç maxima verir. Faz farkının büyüklüğünü kontrol ederek, maksimanın konumu ayarlanabilir ve dolayısıyla, ışın direksiyonu gerçekleştirilir. Entegre OPA’larda, yayıcılar ışığın dağıldığı ve çip düzleminden yayıldığı yakın aralıklı kırınım ızgaralarından oluşur. Entegre bir OPA cihazının şematik bir illüstrasyonu Şekil 1A,B’degösterilmiştir. Işık çip içine birleştiğinde, bir optik fiber üzerinden bu durumda, ve daha sonra birden fazla kanala ayrılır, her entegre faz değiştirici içeren. Optik devrenin diğer ucunda, dalga kılavuzları ızgaralarda sonlandırır ve OPA’yı oluşturmak için birleşir. Elde edilen çıkış demeti, en parlak olanı temel lob olarak adlandırılan ve ışın direksiyon uygulamalarında en sık kullanılan olan çoklu girişim maxima’sından oluşur. Temel lobun emisyon yönü, yonga düzleminin ortogonal projeksiyonuna iki azimuthal açısı ile tanımlanır, φ ve φ, dik ve ızgaranın yönü sırasıyla paraleldir. Bu belgede φ ve φ sırasıyla ‘dik’ ve ‘paralel’ emisyon açıları olarak anılacaktır. Dik açı φ OPA kanalları arasındaki faz farkı tarafından belirlenir ve paralel açı, çıkış ızgaralarının periyoduna bağlıdır.
Entegre devrelerimiz, 905 nm dalga boyunda ışığın temel enine elektrik polarizasyon modu için optimize edilmiş bir tasarım olan 600 x 300 nm2’likbir kesite sahip Si3N4 dalga kılavuzları kullanılarak üretilmiştir. Dalga kılavuzlarının altında silikon bir gofretin üzerinde 2,5 m SiO2 tampon tabakası yer alır. Termal faz kaydırıcıları, 500 μm uzunluğunda ve 2 μm genişliğinde dirençli teller oluşturmak için kullanılan 10(100) nm kalınlığındati(TiN) tabakasından yapılmıştır. Devrelerimizde π faz değişimi elde etmek için 90 mW’lık bir elektrik enerjisi gereklidir. OPA çıkış ızgaraları, nominal dolum faktörü 0,5 ve 670 nm ile 700 nm arasında bir ızgara süresi ile 750 tam kazınmıştır. Platform tasarımı ve imalatı hakkında daha fazla bilgi Tyler veark. 15,16verilmiştir.
Bu çalışmada, iki farklı türde devre, faz kaydırma yeteneği olmayan pasif bir devre ve iki boyutlu ışın direksiyonu gerçekleştirmek için tasarlanmış daha karmaşık bir devre karakterize edilir. İki boyutlu ışın direksiyon devresi Şekil 2’degösterilmiştir. Şekil 2A devrenin şemasını içerir ve Şekil 2B fabrikasyon cihazın mikroskop görüntüsünü gösterir. Işık giriş ızgarasında devreye girer. Daha sonra seçici olarak dört alt devreden birine yönlendirilebilen bir anahtarlama ağına ulaşır. Her alt devre, çok modlu girişim aygıtları (MMI) kullanarak ışığı dört kanala böler. Kanalların her biri bir termal faz değiştirici içerir ve devrenin sonunda bir OPA oluşturur. Dört alt devreden kaynaklanan dört OPA’nın her biri 670 nm ile 700 nm arasında farklı bir ızgara periyodunu oluşturur. Bu periyotlar, 7° ile 10° arasında, ızgara eksenine paralel azimuthal açılarına karşılık gelir. Devre hakkında daha ayrıntılı bir açıklama Tyler ve ark16bulunabilir.
Sunulan karakterizasyon kurulumu, tüm gofret boyunca birçok devrede bir dizi ölçüm yapabilen otomatik bir sondalama istasyonuna dayanır. Bu, gofretteki konuma göre performans değişiminin incelenmesini ve optimum özelliklere sahip cihazları seçmeyi sağlar. Ancak, bir prob istasyonu kullanımı gofret üzerinde nispeten küçük kullanılabilir alan nedeniyle OPA karakterizasyon düzeni için bazı fiziksel kısıtlamalar ima eder. Optik fazlı dizilerin karakterizasyonu, uzak alandaki OPA çıkışının çeşitli şekillerde gerçekleştirilebilen görüntülenmesini gerektirir. Örneğin, Fourier görüntüleme sistemi6’da bir dizi lens kullanılabilir veya Lambertian yüzeyinde oluşan uzak alan görüntüsü yansıma veya iletimde görüntülenebilir. Sistemimiz için, gofret yüzeyinin yaklaşık 50 mm üzerine yerleştirilen lensler olmadan geniş bir yüzey 35 mm x 28 mm CMOS sensör yerleştirmenin en basit ve en kompakt çözümü olarak gördüğümüz çözümü seçtik. Bu kadar büyük bir CCD sensörün artan maliyetine rağmen, bu çözüm lensler kullanılmadan yeterli bir görüş alanı sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Entegre bir OPA’yı karakterize etmek için bir yöntem sunduk. Yöntemin en büyük avantajı, bir gofret boyunca birden fazla ölücünün kolayca incelenebilme, üretim varyasyonlarını arama ve yüksek performanslı cihazları tanımlayabilmesidir. Bu Şekil 8B’degörülebilir. Gofret talan, bu gofret alt yarısında alt ışın divergences ile cihazlar sergiler açık hale gelir. Bu rasgele faz kaymaları ve dolayısıyla ışın divergence azaltır bu alanda daha yüksek bir dalga kılavuzu kalitesi ile açıklanabilir.
Geniş bir alan CCD sensör kullanarak görüntü uzak alan çıkışı entegre devrelerin boş alan çıkışı görüntü için uygun bir yöntemdir, kolayca sık kullanılan göre kompakt boyutu nedeniyle çoğu karakterizasyon kurulumları eklenebilir beri, hantal, Fourier-görüntüleme sistemleri6.
Işın açısının ve sapma ölçümünün yüksek hassasiyetini garanti etmek için, kamera sırasında özellikle dikkatli olunmalıdır – OPA hizalama. Ayrıca, OPA yanıtı kalibrasyon sırasında faz ve polarizasyon kararsızlıklarına duyarlıdır. Bu nedenle, tüm tedirginlik kaynakları kontrol edilmelidir: enjeksiyon lifinin hareketi/titreşimi, lazer sıcaklığı, gelen ışık polarizasyonu vb.
Özetle, entegre OPA’ları karakterize eden bir yöntem sunulmuştur. Işığın nasıl çiftleşdirileceğini, devredeki faz değiştiricilerin nasıl kontrol edilebildiğine ve yakın ve uzak alanda çıkışın nasıl görüntülendirilenekadar görüntülendirilebildiğine dair ayrıntılar verildi. Yakın kızılötesi tek bir dalga boyunda iki boyutlu ışın direksiyon sonuçları da dahil olmak üzere, çeşitli OPA devrelerinin çıkış demetleri tipik görüntüler gösterilmiştir. Ayrıca, ışın ayrıştırma açısından bir gofret üzerinde aynı tasarıma sahip birden fazla cihaz ölçme sonuçlarını gösterir. Gofret üzerindeki pozisyona ilişkin bir performans trendi bulunarak, yüksek kaliteli üretim özelliklerine sahip alanları tanımladı.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma DEMO3S projesi aracılığıyla French Direction Générale des Entreprises (DGE) tarafından finanse edilmiştir.
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).
