Name: characterization of sin integrated optical phased arrays on a wafer-scale test station
Uploaded: 2020-04-01T13:00:00
Duration: 5 min 57 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Characterization of SiN Integrated Optical Phased Arrays on a Wafer-Scale Test Station at JoVE.com

Ces travaux ont été financés par le Français Direction Générale des Entreprises (DGE) via le projet DEMO3S.

1. Préparations
<ol><li>Préparer la configuration expérimentale suivante(figure 4).<ol>
<li>Utilisez un ordinateur.</li>
		<li>Utilisez une source laser couplée à la fibre d’onde continue. Selon les pertes de circuit, 1 mW de puissance suffit. Dans la configuration de caractérisation présentée, la source laser est à une longueur d’onde de 905 nm.</li>
		<li>Utilisez un contrôleur de polarisation adapté pour la longueur d’onde laser.</li>
		<li>Utilisez une fibre d’entrée fendue pour coupler la lumière dans le coupleur de grille d’entrée du circuit optique.</li>
		<li>Utilisez une sonde électrique pour relier le panneau de contrôle électronique au contact électrique du circuit optique.</li>
		<li>Utilisez un système capable de contrôler les modulateurs de phase 20 du circuit de direction à poutres bidimensionnelles est nécessaire. Dans la configuration de caractérisation présentée, ce système est un panneau électronique personnalisé contrôlé par un Arduino, qui est capable d’appliquer individuellement entre 0 et 200 mW d’énergie électrique aux quarts de phase sur le circuit optique. Un schéma du circuit électrique est indiqué dans la figure 3. Pour chaque canal, le circuit contient un CAD (Digital to Analog Converter) qui traduira la tension de commande numérique en une tension analogique qui contrôle la porte d’un transistor de haute puissance. Le chauffage est relié à une source de courant de haute puissance. Par conséquent, en contrôlant la tension de la porte, le courant de débit dans le radiateur peut être ajusté.</li>
		<li>Utilisez un capteur d’image nu pour imager le champ lointain de la sortie optique. Dans la configuration de caractérisation présentée, la caméra est un capteur CCD de 35 mm.</li>
		<li>Utilisez un microscope optique afin d’imager la puce à des fins d’alignement.</li>
		<li>Utilisez une étape de traduction à 3 axes et montez pour installer une plaquette de 200 mm. Dans la configuration de caractérisation présentée, cette étape est un système de sonde reconfigurable pour la photonique de silicium.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Assemblage d’équipement<ol>
<li>Assembler l’équipement selon la figure 4 et monter la plaquette. La distance entre la plaquette et le capteur doit être choisie assez petite pour assurer une image haute résolution du faisceau de sortie, mais assez grande pour s’adapter à au moins deux maxima d’interférence afin d’être en mesure de trouver la relation entre les pixels du capteur et l’angle de sortie comme cela sera expliqué dans la section 4 du protocole.</li>
		<li>Assurez-vous que le capteur et la plaquette sont parallèles; autrement, il peut falsifier le calcul du calcul de l’angle de pixel/sortie. Dans la configuration de caractérisation présentée, définissez la distance de la plaquette-capteur à 5 cm. Si une configuration de double capteur est utilisée (comme celle présentée ici), assurez-vous que le capteur nu peut facilement être enlevé pour donner accès au microscope optique afin d’imager le champ proche à des fins d’alignement des fibres.</li>
		<li>Assurez-vous que la sonde électrique, la caméra et la fibre optique ne se touchent pas. Connectez les éléments nécessaires à un ordinateur. Dans la configuration présentée, la station de sonde, le capteur CCD et le circuit électrique pour le contrôle de phase sont conduits via un ordinateur et un programme Python afin d’automatiser le processus de mesure.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Couplage optique
<ol><li>Alignement de fibre<ol>
<li>À l’aide du microscope, commencez par abaisser soigneusement la fibre jusqu’à ce qu’elle touche la surface de la plaquette (loin du coupler de grille d’entrée pour éviter de l’endommager), puis déplacez-la vers le haut d’environ 20 m.</li>
		<li>Lorsque cela est fait, maximiser l’intensité de la lumière aux grilles de sortie. Pour ce faire, commencer à balayer la position de fibre sur le coupler de grille d’entrée OPA. Si la caméra attachée au microscope est sensible à la longueur d’onde laser (si ce n’est pas utiliser le capteur d’image nue), et si la fibre et le coupleur de grille sont bien alignés, la lumière sortant aux grilles de sortie OPA devrait être visible sur l’image. Un exemple peut être vu dans la figure 5A.</li>
		<li>Lorsque la lumière est vue des antennes OPA, ajustez la polarisation afin de maximiser l’intensité lumineuse aux grilles de sortie. Assurez-vous d’éviter tout mouvement ou vibration de la fibre d’entrée</li>
	</ol>
</li>
	<li>Imagerie par sortie OPA<ol>
<li>Passez au capteur d’imagerie à champ lointain et améliorez la qualité de l’image : ajustez à la fois le temps d’exposition du capteur et la puissance laser de manière à ce que la sortie OPA soit clairement visible sur la caméra et que le faisceau ne sature pas le capteur. Une image d’exemple enregistrée par le capteur est montrée dans la figure 5B.</li>
		<li>Si nécessaire, couvrez la configuration afin que la lumière de fond n’interfère pas avec l’image du faisceau OPA. Généralement, plus la lumière de fond est faible, plus la puissance laser peut être réglée.</li>
		<li>Bloquez les reflets en plaçant une feuille très réfléchissante entre la réflexion et la caméra. Parfois, les reflets provenant de la surface de la plaquette atteignent la zone du capteur et contaminent l’image de la sortie OPA (les réflexions peuvent se produire à la grille d’entrée).</li>
		<li>Réajustez la polarisation de la lumière d’entrée pour obtenir une image claire.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Optimisation et direction des faisceaux
REMARQUE : Cette section décrit le fonctionnement du circuit indiqué dans la figure 2 et comment il peut être utilisé pour effectuer la direction du faisceau en deux dimensions.
<ol><li>Préparations<ol>
<li>Connectez le circuit électrique pour le contrôle de phase à une sonde électrique multicanal.</li>
		<li>À l’aide du microscope, connectez les broches de la sonde électrique aux plaquettes de contact métalliques du circuit optique.</li>
		<li>Ré optimiser la position de la fibre d’entrée.</li>
		<li>Passez au capteur de champ lointain et imagez la sortie.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Sélection de l’angle d’émission parallèle à l’aide du réseau de commutation<ol>
<li>Étudier les résonateurs d’anneau du réseau de commutation afin de contrôler l’angle d’émission dans . À cette fin, observez l’image lointaine du champ de la sortie tout en variant les tensions appliquées aux quarts de phase aux résonateurs de l’anneau. Avec la tension correcte appliquée à chaque résonateur, une zone différente sur le capteur sera éclairée, correspondant à une certaine valeur, comme le montre la figure 6B.</li>
		<li>Trouvez les tensions où les anneaux sont sur et hors résonance. À cette fin, un script automatisé peut être utilisé pour balayer les tensions de résonance et enregistrer les intensités sur les différentes zones sur le capteur. Utilisez des tensions trouvées pour accéder aux différents sous-circuits et pour orienter le faisceau de sortie dans l’entreprise.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Sélection de l’angle d’émission orthogonale en optimisant les phases OPA<ol>
<li>Optimiser les phases OPA afin de façonner et de diriger le faisceau de sortie dans le . À cette fin, sélectionnez une petite zone de pixels (correspondant à l’angle désiré) qui doit être éclairée avec un faisceau de sortie focalisé.</li>
		<li>Maximisez la luminosité à l’intérieur de la zone choisie en exécutant la routine d’optimisation suivante.<ol>
<li>Déplacez la phase de l’un des canaux OPA par petites incréments. Après chaque quart de travail, enregistrer l’intégrale de la luminosité dans la zone de pixels à l’intérieur, je,et à l’extérieur, jeo, de la zone sélectionnée. Calculer le ratio R - Ii / Io. Après un cycle de changement de phase complet entre 0 et 2, appliquez le décalage de phase avec le rapport de luminosité le plus élevé enregistré R.</li>
			<li>Répétez ce processus d’optimisation de phase sur le prochain canal OPA. Différents algorithmes d’optimisation peuvent être utilisés, comme une escalade.</li>
			<li>Répétez le processus d’optimisation en optimisant les phases jusqu’à ce que le processus d’optimisation soit saturé et qu’un faisceau de sortie ciblé soit visible. Exemple d’images du faisceau de sortie pris au cours d’un processus d’optimisation est montré dans la figure 6A. Après 16 tours d’optimisation, le faisceau de sortie d’un faisceau focalisé est visible. REMARQUE : Si d’autres pics inattendus sont présents, cela peut être le résultat d’un accouplement temporellement instable dans le circuit pendant le processus d’optimisation. Cela peut être dû au mouvement de la fibre d’entrée et / ou un état de polarisation instable.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Afin de diriger le faisceau de sortie à un angle différent, sélectionnez une nouvelle zone de pixels et répétez le processus d’optimisation.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Mesures de divergence de faisceau et analyse d’image
<ol><li>Acquisition d’images<ol>
<li>Optimisez la position de la fibre d’entrée. Enregistrez l’image de la sortie dans l’extrême champ. Assurez-vous qu’au moins deux maxima d’interférence claire sont visibles.</li>
		<li>À l’aide du système d’alignement, déplacez la plaquette afin d’aligner le dispositif suivant sur la fibre d’entrée. Effectuez un alignement fin en maximisant l’intensité de sortie enregistrée par la caméra. Image de sortie d’enregistrement.</li>
		<li>Répétez l’étape ci-dessus jusqu’à ce que tous les dispositifs d’intérêt aient été caractérisés. Si le circuit optique sélectionné a la capacité d’ajustement de phase des canaux OPA, effectuez une routine d’optimisation de phase avant d’enregistrer les images.</li>
	</ol></li>
	<li>Analyse d’image<ol>
<li>Vérifiez les images enregistrées à la recherche de faux points de données provenant de pixels défectueux, tels que des pixels morts ou chauds. Effacer ces points de données ou remplacer les valeurs par des valeurs typiques.</li>
		<li>Corréler les pixels CCD aux angles de sortie de l’OPA et les angles de sortie de l’OPA comme suit.<ol>
<li>Calculer la distance angulaire entre les maxima d’interférence selon la conception de l’OPA à l’aide de la hauteur de l’OPA, où l’ondule et le d sont le pas latéral entre les grilles de l’OPA.-1 Adapter deux courbes gaussiennes aux deux maxima d’interférence et déterminer les positions des deux centres, P1 et P2. Étant donné que la distance (en pixels) entre les deux centres, N-P 2 - P1, devrait correspondre à , nous obtenons un facteur de conversion c entre le pixel et l’angle c ' '/N ['/pixel], qui peut être utilisé pour obtenir une relation d’angle relative entre les pixels.</li>
			<li>Obtenez le facteur de conversion, c, par une mesure précise de la distance entre la surface de la plaquette et le capteur, et la taille du pixel (5,5 à 5,5 m pour le capteur utilisé ici).</li>
			<li>Estimez les angles de sortie absolus dans l’un des pixels DU CCD. Réglez le centre de faisceau dans l’angle d’émission prévu selon les simulations. Afin de choisir la valeur absolue en , optimisez le faisceau pour plusieurs angles en ajustant les phases OPA, et enregistrez l’intensité du lobe principal pour chaque angle. Selon la théorie de l’OPA, le lobe principal est le plus intense (et l’intensité dans les lobes latéraux minimisé) lors de l’émission à 0 ' . Par conséquent, réglez le pixel au centre du faisceau avec l’intensité maximale du faisceau enregistré, à 0 euros. Utilisez ce pixel et le facteur de conversion pour attribuer des angles absolus à tous les pixels de l’image.</li>
			<li>Dans le cas d’un faisceau de sortie avec une inclinaison significative par rapport à l’axe vertical, et si la divergence et la position du faisceau doivent être mesurées avec beaucoup de précision, inclinez la caméra afin d’être parfaitement perpendiculaire au faisceau de sortie. Dans le cas contraire, il est également possible d’appliquer un facteur de correction à la taille mesurée du faisceau en calculant la projection du faisceau sur le capteur en fonction de l’angle entre le faisceau de sortie et le plan de la caméra.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Calcul de la divergence du faisceau<ol>
<li>Extraire les sections transversales à travers le centre du faisceau fondamental le long de l’et de l’autre.</li>
		<li>Adapter deux courbes gaussiennes aux sections transversales et extraire la pleine largeur-à-moitié-maxima comme une mesure pour la divergence de faisceau etdiv .div</li>
		<li>Calculer la largeur prévue du faisceau 'div '/Nd ', où est la longueur d’onde et d la distance latérale entre les grilles OPA.</li>
		<li>Estimez la divergence de faisceaudiv en effectuant des simulations FDTD des grilles de sortie.</li>
	</ol></li>
	<li>Test automatique<ol>
<li>Si le banc de caractérisation (comme celui présenté ici) peut effectuer des mesures automatisées, effectuez quelques étapes supplémentaires. Tout d’abord, obtenir les dimensions de puce et les coordonnées des structures mesurées à partir de la disposition du circuit. Ensuite, entrez ces valeurs sur le logiciel de contrôle du banc. Par conséquent, une fois que la fibre d’entrée a été alignée sur la première structure testée (comme détaillé dans la section 2.1), le banc peut passer automatiquement d’une structure à l’autre via une traduction de la plaquette.</li>
	</ol></li>
</ol>

<ol>
	<li>Heck, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+integrated+optical+phased+arrays:+Photonic+integrated+circuits+for+optical+beam+shaping+and+beam+steering.">Highly integrated optical phased arrays: Photonic integrated circuits for optical beam shaping and beam steering.</a> Nanophotonics. 6 (1), 93-107 (2017).</li><li>Vasey, F., Reinhart, F. K., Houdr&#233;, R., Stauffer, J. 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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Nous avons présenté une méthode pour caractériser une OPA intégrée. Le principal avantage de la méthode est la capacité de sonder facilement plusieurs matrices à travers une plaquette, de rechercher des variations de fabrication et d’identifier des dispositifs de haute performance. Cela peut être vu dans la figure 8B. À partir de l’analyse des gaufrettes, il devient clair que la moitié inférieure de la plaquette présente des dispositifs avec des divergences de faisceau inférieures. Cela pourrait s’expliquer par une qualité plus élevée de guide d’onde dans ce domaine, qui réduit les changements aléatoires de phase et donc la divergence de faisceau.
L’utilisation d’un capteur CCD de grande surface pour imager la sortie de champ lointain est une méthode pratique pour imager la sortie spatiale libre des circuits intégrés, car il peut facilement être ajouté à la plupart des configurations de caractérisation en raison de leur taille compacte par rapport aux systèmes souvent utilisés, plus volumineux, Fourier-imagerie6.
Afin de garantir une grande précision de l’angle de faisceau et la mesure de divergence, un soin particulier doit être pris pendant la caméra - l’alignement OPA. En outre, la réponse de l’OPA est sensible aux instabilités de phase et de polarisation pendant l’étalonnage. Par conséquent, toutes les sources de perturbation doivent être contrôlées : mouvement/vibration de la fibre d’injection, température laser, polarisation de la lumière entrante, etc.
En résumé, une méthode pour caractériser les APO intégrées a été présentée. Des détails sur la façon de coupler la lumière, comment contrôler les quarts de phase dans le circuit et comment l’image de la sortie dans le champ proche et lointain ont été donnés. Des images typiques des faisceaux de sortie de plusieurs circuits OPA ont été montrées, y compris les résultats de la direction de faisceau en deux dimensions à une longueur d’onde simple dans l’infrarouge proche. En outre, nous montrons les résultats de la mesure de plusieurs appareils avec la même conception à travers une plaquette en termes de divergence de faisceau. Une tendance de performance par rapport à la position sur la plaquette a été trouvée, identifiant des secteurs avec des propriétés de fabrication de haute qualité.

Les réseaux optiques échelonnés (OPA) sont avantageux en raison de leur capacité à façonner et à diriger les faisceaux optiques de façon nonmécanique - cela est utile dans un large éventail d’applications technologiques telles que la détection de la lumière et la portée (LIDAR), la communication spatiale libre et les écrans holographiques1. L’intégration des OPA dans les circuits photoniques est particulièrement intéressante, car elle fournit une solution à faible coût pour leur fabrication avec une petite empreinte physique. Les OPA intégrés ont été démontrés avec succès à l’aide d’un certain nombre de systèmes de matériaux différents, y compris InP, AlGaAs et silicium2,3,4. Parmi ces systèmes, la photonique de silicium est peut-être la plus pratique, en raison de son contraste d’index réfractif élevé et de compatibilité avec CMOS5. En effet, les circuits OPA ont été largement démontrés dans la plate-forme de silicium sur isolant6,7,8,9,10; cependant, l’application de ces circuits est limitée à la fois par la fenêtre de transparence de longueur d’onde du silicium et les pertes non linéaires élevées, qui conduisent à une limite à la puissance optique de sortie disponible. Nous nous concentrons plutôt sur les OPA intégrés dans SiN, un matériau avec des propriétés similaires au silicium en termes de capacité CMOS et la taille de l’empreinte11,12. Contrairement au silicium cependant, SiN devrait être adapté à une plus grande gamme d’applications puisque la fenêtre de transparence est plus large, jusqu’à au moins 500 nm, et grâce à la puissance optique peut-être élevée grâce aux pertes non linéaires relativement faibles.
Les principes de l’intégration OPA ont récemment été démontrés en utilisant SiN8,13,14. Ici, nous allons étendre ces principes pour démontrer une méthode de caractérisation et d’exploitation intégrée OPAs pour la direction de faisceau en deux dimensions. Par rapport aux démonstrations précédentes de direction de faisceau en deux dimensions qui s’appuient sur l’accordage de la longueur d’onde6, notre circuit peut fonctionner à une longueur d’onde unique. Nous fournissons d’abord un bref aperçu des principes de fonctionnement qui sous-tendent les APO. Elle est suivie d’une introduction aux circuits utilisés dans ce travail. Enfin, la méthode de caractérisation est décrite et les images typiques des faisceaux de sortie OPA présentés et discutés.
Les OPA sont composés d’un éventail d’émetteurs étroitement espacés qui peuvent être traités individuellement pour contrôler la phase optique. Si une relation de phase linéaire existe à travers le tableau des émetteurs, le modèle d’interférence dans le champ lointain donne plusieurs maxima clairement séparés - semblables aux principes de l’interférence multi-fente. En contrôlant l’ampleur de la différence de phase, la position de la maxima peut être ajustée, et donc, la direction de faisceau effectuée. Dans les OPA intégrés, les émetteurs se composent de grilles de diffraction étroitement espacées où la lumière est dispersée et émise hors du plan à puce. Une illustration schématique d’un dispositif intégré OPA est montrée dans la figure 1A,B. La lumière est couplée dans la puce, dans ce cas via une fibre optique, et est ensuite divisée en plusieurs canaux, chacun contenant un changement de phase intégré. À l’autre extrémité du circuit optique, les guides d’onde se terminent par des grilles et se combinent pour former l’OPA. Le faisceau de sortie qui en résulte est composé de multiples maxima d’interférence, dont le plus brillant est appelé le lobe fondamental et est celui le plus souvent utilisé dans les applications de direction de faisceau. La direction d’émission du lobe fondamental est définie par les deux angles azimuthal à la projection orthogonale du plan de puce, et ' , perpendiculaire et parallèle à l’orientation de la grille respectivement. Dans ce document, les angles d’émission « perpendiculaires » et « parallèles » seront appelés respectivement les angles d’émission « perpendiculaires » et « parallèles ». L’angle perpendiculaire est déterminé par la différence de phase entre les canaux de l’OPA, et l’angle parallèle dépend de la période des grilles de sortie.
Nos circuits intégrés sont fabriqués à l’aide de guides d’ondes Si3N4 avec une section transversale de 600 x 300 nm2, un design optimisé pour le mode de polarisation électrique transversale fondamentale de la lumière à une longueur d’onde de 905 nm. Sous les guides d’onde se trouve une couche tampon SiO2 de 2,5 m sur une plaquette de silicium. Les quarts de phase thermique ont été fabriqués à partir d’une couche Ti(TiN) de 10(100 po) d’épaisseur utilisée pour former des fils de résistance de 500 m de long et de 2 m de large. Dans nos circuits, une puissance électrique de 90 mW est nécessaire pour réaliser un changement de phase de . Les grilles de sortie OPA se composent de 750 périodes entièrement gravées avec un facteur de remplissage nominal de 0,5 et une période de râpage entre 670 nm et 700 nm. Plus d’informations sur la conception et la fabrication de la plate-forme sont données dans Tyler et coll.15,16.
Dans ce travail, deux types différents de circuits sont caractérisés, un circuit passif sans capacités de changement de phase, et un circuit plus complexe, conçu pour effectuer la direction du faisceau en deux dimensions. Le circuit de direction à poutres bidimensionnelles est indiqué dans la figure 2. La figure 2A contient un schéma du circuit et la figure 2B montre une image au microscope de l’appareil fabriqué. La lumière pénètre dans le circuit à la grille d’entrée. Il atteint ensuite un réseau de commutation où il peut être acheminé sélectivement vers l’un des quatre sous-circuits. Chaque sous-circuit divise la lumière en quatre canaux à l’aide de dispositifs d’interférence multimode (MMI). Les canaux contiennent chacun un changement de phase thermique et forment une OPA à la fin du circuit. Les quatre OPA provenant des quatre sous-circuits comprennent chacun une période de râpage différente entre 670 nm et 700 nm. Ces périodes correspondent à des angles d’azimuthal parallèles à l’axe de grille, entre 7 et 10 degrés. Une description plus détaillée sur le circuit peut être trouvée dans Tyler et al.16.
La configuration de caractérisation présentée est basée sur une station de sondage automatisée capable d’effectuer une série de mesures sur de nombreux circuits à travers une plaquette entière. Cela permet d’étudier la variation de performance par rapport à la position sur la plaquette et de sélectionner les appareils avec les propriétés optimales. Cependant, l’utilisation d’une station de sondeur implique certaines contraintes physiques au système de caractérisation de l’OPA en raison de l’espace relativement petit disponible au-dessus de la plaquette. La caractérisation des tableaux optiques échelonnés nécessite l’imagerie de la sortie OPA dans le champ lointain, qui peut être effectuée de plusieurs façons. Par exemple, une série de lentilles peut être utilisée dans un système d’imagerie Fourier6 ou l’image farfield formée sur une surface lambertienne peut être vue dans la réflexion ou la transmission. Pour notre système, nous avons choisi ce que nous considérions comme la solution la plus simple et la plus compacte de placer une grande surface 35 mm x 28 mm capteur CMOS sans lentilles placées environ 50 mm au-dessus de la surface de la plaquette. Malgré le coût accru d’un tel capteur CCD, cette solution permet un champ de vision suffisant sans l’utilisation de lentilles.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>25 ch electrical Probe</td>
			<td>Cascade Microtech</td>
			<td>InfinityQuad 25ch</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>35 mm CCD sensor</td>
			<td>Allied Vision</td>
			<td>Prosilica GT 6600</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Arduino uno</td>
			<td>Arduino</td>
			<td>A100066</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>laser</td>
			<td>Qphotonics</td>
			<td>QFLD-905-10S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>optical fibre</td>
			<td>Corning</td>
			<td>HI780</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>polarization controller</td>
			<td>ThorLabs</td>
			<td>FPC023</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>prober station</td>
			<td>Cascade Microtech</td>
			<td>Elite 300</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

characterization of sin integrated optical phased arrays on a wafer-scale test station

Les réseaux optiques échelonnés (APO) peuvent produire des faisceaux laser à faible divergence et peuvent être utilisés pour contrôler l’angle d’émission électroniquement sans avoir besoin de pièces mécaniques mobiles. Cette technologie est particulièrement utile pour les applications de direction de faisceau. Ici, nous nous concentrons sur les OPA intégrés dans les circuits photoniques SiN pour une longueur d’onde dans le proche infrarouge. Une méthode de caractérisation de ces circuits est présentée, ce qui permet de façonner et de diriger le faisceau de sortie des APO intégrés. En outre, à l’aide d’une configuration de caractérisation à l’échelle des gaufrettes, plusieurs appareils peuvent facilement être testés sur plusieurs matrices sur une plaquette. De cette façon, les variations de fabrication peuvent être étudiées, et les dispositifs de haute performance identifiés. Des images typiques des faisceaux de l’OPA sont montrées, y compris les faisceaux émis par les APO avec et sans une longueur uniforme de guide d’onde, et avec un nombre variable de canaux. En outre, l’évolution des faisceaux de sortie au cours du processus d’optimisation de phase et de la direction du faisceau en deux dimensions est présentée. Enfin, une étude de la variation de la divergence de faisceau des dispositifs identiques est effectuée en ce qui concerne leur position sur la plaquette.

Dans cette section, plusieurs images d’opéando de faisceaux OPA sont montrées. Il s’agit notamment d’images dans le champ proche et lointain du faisceau, les faisceaux de sortie OPA avant et après la phase d’optimisation, et les faisceaux avec un nombre variable de canaux OPA.
Une image du champ proche du faisceau, enregistrée à l’aide du microscope, peut être vue dans la figure 5A. L’image montre un circuit passif OPA avec un grand nombre de canaux et la lumière émise lors des grilles OPA est clairement visible. Ce circuit produit un modèle d’interférence dans le champ lointain, qui a été enregistré à l’aide du capteur CCD. L’image du capteur est donnée dans la figure 5B et montre à la fois le lobe fondamental ainsi qu’un lobe latéral. Le temps d’exposition du capteur, la puissance laser et la lumière de fond ont été optimisés pour produire une image claire. Les deux maxima sont séparés par 17,6 degrés, calculés en fonction de l’équation donnée dans la section du protocole 4.2.2.1. Notez que dans cette conception, tous les guides d’onde sont de la même longueur et donc aucune différence de phase significative entre les canaux n’est présente. En conséquence, les maxima d’interférence sont clairement séparés. Un exemple d’un circuit OPA avec une différence de phase irrégulière entre les canaux est présenté ci-dessous.
Afin d’observer des maxima d’interférence clairs dans le modèle de sortie OPA, une différence de phase linéaire entre les canaux OPA est nécessaire. Toutefois, lorsque la longueur des guides d’onde entre l’entrée et les grilles de sortie varie d’un canal à l’autre, le modèle d’interférence affichera plusieurs sections d’interférence irrégulières le long d’une ligne droite dans la direction perpendiculaire à l’orientation de grille (c.-à-d., le long de l’angle . Un exemple d’un tel modèle de sortie est donné dans l’image supérieure gauche de la figure 6A. Il montre la sortie extra-terrestre d’un OPA à 16 canaux avec une longueur de guide d’onde non uniforme entre l’entrée et les grilles de sortie. Heureusement, cette conception OPA a des quarts de phase inclus dans chaque canal, de sorte que les phases peuvent être ajustées individuellement et le faisceau de sortie en forme. Après avoir optimisé les phases telles que décrites dans la section 3.3 du protocole, le faisceau de sortie forme un maximum clair. La figure 6A montre comment le faisceau de sortie évolue au cours du processus d’optimisation. Notez que d’autres maxima d’interférence sont présents à l’extérieur de la zone du capteur. En outre, nous observons que la divergence de faisceau de l’OPA à 16 canaux est beaucoup plus large que celle observée dans la figure 5B. Cet effet est attendu et est dû à une réduction significative du nombre de canaux.
Dans ce qui suit, le fonctionnement du circuit optique pour la direction de l’OPA en deux dimensions sera discuté, pour plus de détails sur le circuit voir figure 2. Tout d’abord, les tensions d’anneau du réseau de commutation ont été calibrées afin d’acheminer la lumière vers les différents sous-circuits, chacun contenant une OPA. Étant donné que les quatre APO comprennent chacun une période de râpage différente, l’acheminement de la lumière entre le sous-circuit entraîne l’émis du faisceau de sortie à différents angles. Ceci est montré dans la figure 6B, qui contient les images en champ lointain enregistrées lorsque le chemin lumineux est modifié à l’aide des résonateurs d’anneau du réseau de commutation. Les images montrent que l’angle d’émission « parallèle », c’est-à-dire que chaque résonateur individuel est mis en résonance avec la lumière d’entrée, tout en accordant les autres résonateurs hors résonance. Notre circuit a été conçu pour accéder à quatre angles différents, cependant, en raison d’une erreur de conception dans le réseau de commutation, il n’a été possible d’exploiter que trois des résonateurs d’anneau. À partir des images de sortie, nous pouvons voir que le modèle d’interférence est irrégulier et aucune maxima claire n’est visible. Afin de diriger et de façonner le faisceau de sortie dans l’angle d’émission « perpendiculaire », les phases de l’OPA ont été ajustées et optimisées.
Une image par exemple d’un faisceau de sortie optimisé du circuit de direction à deux dimensions est montrée dans la figure 7A. Deux maxima d’interférence sont clairement visibles, correspondant au lobe principal et à l’un des lobes latéraux. L’image supérieure de la figure 7A montre une carte thermique de la luminosité enregistrée au capteur par rapport au nombre de pixels. Afin de déterminer l’angle de sortie, l’image a été traitée comme décrit à la section 4.2 du protocole et la relation entre le nombre de pixels et l’angle de sortie déterminée. L’image calibrée de l’intensité du faisceau par rapport à l’angle est montrée dans l’image la plus faible de la figure 7A.
Dans ce qui suit, les résultats de la direction du faisceau seront discutés. Le faisceau OPA a été dirigé avec succès dans une zone de 17,6 degrés à 3 degrés, des données d’exemple sont indiquées dans la figure 7B et la figure 7C. La figure 7B montre des images du faisceau orienté dans le faisceau, tout en maintenant la constante à 8 degrés. Pour ce faire, l’accès de l’OPA correspondait d’abord à un angle d’émission parallèle de 8 degrés et, par la suite, en variant les phases optiques pour changer l’angle d’émission perpendiculaire, c’est-à-dire les parcelles d’intensité normalisées du faisceau fondamental orientés vers trois positions de sortie différentes dans la figure 7C, avec un angle d’émission perpendiculaire fixe de -2,5 et de 2,5 degrés et de varier entre 7 et 9 degrés. Comme auparavant, l’angle d’émission parallèle a été contrôlé à l’aide du réseau de résonateurs d’anneau pour basculer entre les APO. Après la sélection de l’OPA, les phases de l’OPA ont été optimisées pour émettre à -2,5 degrés.
Enfin, la divergence du faisceau a été déterminée en installant deux courbes gaussiennes le long de l’article 4.3 du protocole. Le FWHM sert de mesure à la divergence du faisceau et a été mesuré à 4,3 degrés en et à 0,7 ' pour les angles d’émission de -2,5 et de 8 degrés, voir la figure 8A. Ces valeurs sont en bon accord avec les valeurs attendues de 4,3 et 0,6 ' en et en euros, respectivement, pour une OPA à quatre canaux, comme décrit dans les sections 4.3.3 et 4.3.4 du protocole. En plus de déterminer la divergence d’un OPA à quatre canaux, nous avons étudié la divergence d’une conception OPA avec un nombre beaucoup plus grand de canaux. La divergence d’un OPA passif composé de 128 canaux, avec une conception similaire à celle indiquée dans la figure 5A, a été mesurée. Afin de tester les variations de fabrication à travers une plaquette, nous avons lancé un scan automatique pour caractériser 42 appareils avec des conceptions identiques. Les images enregistrées ont été analysées en ce qui concerne la divergence du faisceau. La divergence entre la position de l’appareil sur la plaquette est indiquée dans la figure 8B. Les valeurs mesurées se situent entre 0,19 et 0,37 et sont légèrement supérieures à la valeur prévue de 0,14 degrés. Cela pourrait s’expliquer par des erreurs de phase à l’intérieur des différents canaux OPA. Toutes les guides d’onde dans la conception sont de la même longueur et donc théoriquement aucune différence de phase ne devrait survenir entre les canaux OPA. Cependant, les erreurs de fabrication entraînent des changements de phase incontrôlés à mesure que la lumière se déplace de l’entrée vers les grilles de sortie, ce qui conduit à un élargissement du faisceau de sortie. En raison de l’absence de quarts de phase dans le circuit, il n’a pas été possible de compenser ces erreurs. Comme mentionné, l’angle est défini par la géométrie de grille d’antenne. Par conséquent, les variations de fabrication (hauteur du film SiN et structures de déviation des dimensions latérales) pourraient affecter l’angle de sortie OPA, . Ces variations ont été caractérisées sur 40 appareils sur l’ensemble de la plaquette. Grâce au procédé de fabrication CMOS très bien contrôlé, un écart négligeable de 3 degrés (trois fois l’écart standard) de 0,156 degrés a été trouvé.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig1.jpg"> Figure 1 : Illustration de l’OPA intégrée. (A) Le lobe d’interférence de premier ordre de la sortie OPA laisse le circuit à deux angles azimuthal à la projection orthogonale du plan de puce, et ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' (B) Vue supérieure d’une OPA montrant ses principaux éléments constitutifs. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig1large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig2.jpg"> Figure 2 : Image schématique et microscope du circuit optique intégré pour la direction de faisceau bidimensionnelle. (A) Circuit contenant un réseau de commutation connecté à quatre sous-circuits, chacun formant une OPA. La zone de sortie contient quatre OPAs avec quatre périodesBde râpage différentes et donc des angles d’émission dans l’image de microscope du circuit décrit dans (A), fabriqué à l’aide de guides d’ondes SiN et de quarts de phase thermique Ti/TiN. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig3.jpg"> Figure 3 : Circuit électrique pour appliquer des puissances électriques entre 0 mW et 200 mW. Ce schéma représente un circuit électrique qui peut appliquer individuellement des tensions aux quarts de phase dans le circuit optique et lire leur courant électrique après l’application de tension. Dans nos circuits optiques, les quarts de phase sont constitués de fils électriques avec des résistances de 1,3 k. Une puissance électrique de 90 mW est nécessaire pour réaliser un changement de phase optique de ' . Le circuit est contrôlé par un microcontrôleur Arduino. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig3large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig4.jpg"> Figure 4 : Mise en place expérimentale pour la caractérisation du circuit OPA. (A) Schéma de la mise en place expérimentale. (B) Image de l’expérience. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig4large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig5.jpg"> Figure 5 : Images de champ proches et lointaines du faisceau de sortie. (A) Image de champ proche d’un circuit OPA. La lumière à une longueur d’onde de 905 nm est couplée dans le circuit par une fibre et une grille d’entrée. La diffusion de la lumière à l’intérieur des guides d’ondes nous permet de voir la conception du circuit. À la fin d’un arbre MMI, la lumière est émise aux grilles de l’OPA. (B) Image de champ lointain de la sortie du circuit montré dans (A). Deux maxima d’interférence sont visibles sur le capteur. Selon la théorie de l’OPA, les maxima sont séparés par 17,6 degrés. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig5large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig6.jpg"> Figure 6 : Optimisation et mise à jour du réseau OPA. (A) optimisation du faisceau OPA d’un OPA à 16 canaux à l’aide de quarts de phase. Des images lointaines sont affichées après chaque étape d’optimisation. Après avoir optimisation les 16 canaux, le faisceau forme un maximum d’interférence principal à l’intérieur de la zone du capteur. (B) En utilisant un réseau de commutation composé de résonateurs d’anneau, différents OPAs chacun comprenant une période de grille différente est accessible. Les différentes périodes de râpage se traduisent par l’émission du faisceau de sortie à différents angles. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig6large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig7.jpg"> Figure 7 : Caractérisation du circuit de direction à poutres bidimensionnelles. (A) Conversion Pixel à angle des données d’image enregistrées. Les résultats de direction de faisceau dans ' et dans ' sont montrés dans (B) et (C), respectivement. Ce chiffre a été modifié à partir de Tyler et al.16. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig7large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig8.jpg"> Figure 8 : Mesures de divergence de faisceau OPA. (A) Analyse de divergence de faisceau d’un OPA à 4 canaux. Ce chiffre a été modifié à partir de Tyler et al.16. (B) Carte de gaufrettes des divergences mesurées dans le numéro OPA de 128 canaux. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig8large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>

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Characterization of SiN Integrated Optical Phased Arrays on a Wafer-Scale Test Station

Ici, nous décrivons le fonctionnement d’un circuit photonique intégré SiN contenant des tableaux optiques échelonnés. Les circuits sont utilisés pour émettre des faisceaux laser à faible divergence dans l’infrarouge proche et les orienter en deux dimensions.

Caractérisation des tableaux intégrés de phase optique de SiN sur une station d’essai à l’échelle des gaufrettes

Optical phased arrays (OPAs) can produce low-divergence laser beams and can be used to control the emission angle electronically without the need for ...

Pour développer des circuits intégrés photoniques construits sur du silicium, nous avons besoin d’une méthode de caractérisation rapide, automatisée et à l’échelle des plaquettes. Notre protocole nous permet d’évaluer nos circuits de direction de faisceau sur la plaquette à l’aide d’une station de prober légèrement modifiée, qui est une pièce d’équipement standard dans l’industrie de la micro-électronique. Pour démontrer la procédure, nous avons Sylvain Guerber, un chercheur post-doc de notre laboratoire.Pour commencer, chargez la plaquette sur votre station de sonde. Pour aligner les fibres, utilisez un microscope léger pour abaisser soigneusement la fibre jusqu’à ce qu’elle touche la surface de la gaufrette, loin du coupler de grille d’entrée, avant de déplacer la fibre vers le haut d’environ 20 micromètres. Pour maximiser l’intensité lumineuse des grilles de sortie, commencez à balayer la position de la fibre au-dessus du coupler de grille d’entrée de réseau optique progressivement.La lumière sortant des grilles de sortie optiques progressives du réseau doit être visible sur l’image. Lorsque la lumière est observée à partir des antennes optiques à réseau progressivement, ajuster la polarisation pour maximiser l’intensité lumineuse aux grilles de sortie, en prenant soin d’éviter tout mouvement ou vibration de la fibre d’entrée. Pour l’imagerie de sortie OPA, passez au capteur d’imagerie à champ lointain et ajustez soigneusement le temps d’exposition du capteur et la puissance laser de manière à ce que la sortie OPA soit clairement visible sur la caméra, mais le faisceau ne sature pas le capteur.Si nécessaire, couvrez la configuration, de sorte que la lumière de fond n’interfère pas avec l’image du faisceau optique de réseau progressivement. Pour bloquer les reflets, placez une feuille très réfléchissante entre la réflexion et la caméra. Une OEO est par définition extrêmement sensible à la variation de phase.Par conséquent, toutes les sources de bruits doivent être supprimées, y compris les vibrations des fibres d’entrée, les instabilités de polarisation et la lumière parasitaire. Pour effectuer la direction du faisceau dans deux directions, connectez d’abord le circuit électrique pour le contrôle de phase à une sonde électrique multicanal et utilisez le microscope pour connecter les broches de la sonde électrique aux plaquettes de contact métalliques du circuit optique. Ensuite, passez au capteur de champ lointain pour l’image de la sortie.Pour sélectionner l’angle d’émission parallèle theta à l’aide du réseau de commutation, observez l’image de champ éloigné de la sortie tout en variant les tensions appliquées aux décalages de phase aux résonateurs d’anneau. Avec la tension correcte appliquée à chaque résonateur, une zone différente sur le capteur sera éclairée, correspondant à une certaine valeur theta. Pour sélectionner l’angle d’émission orthogonal phi en optimisant les phases optiques progressives du tableau, sélectionnez une petite zone pixel correspondant à l’angle phi désiré qui doit être éclairée par un faisceau de sortie focalisé et déplacez la phase de l’un des canaux optiques de réseau par étapes par petites incréments.Après chaque quart de travail, enregistrez l’intégrale de la luminosité dans la zone pixel à l’intérieur et à l’extérieur de la zone sélectionnée, et calculez le rapport de la lumière intérieure divisée par la lumière extérieure. Après un cycle de décalage de phase complet entre zéro et deux pi, appliquez le décalage de phase avec le rapport de luminosité enregistré le plus élevé. Ensuite, passez au canal suivant et répétez les étapes précédentes jusqu’à ce que le processus d’optimisation en saturé et un faisceau de sortie focalisé soit visible.Pour diriger le faisceau de sortie vers un angle phi différent, sélectionnez une nouvelle zone pixel et répétez le processus d’optimisation. Une fois que l’optimisation a été effectuée pour plusieurs angles de sortie phi, le faisceau peut être dirigé. Pour imager la divergence de faisceau, optimisez la position de la fibre d’entrée et enregistrez l’image de la sortie OPA dans le champ lointain.Assurez-vous qu’au moins deux maxima d’interférences claires sont visibles et utilisez le système d’alignement pour déplacer la plaquette pour aligner le dispositif suivant sur la fibre d’entrée. À l’aide de positionnistes de précision, la lumière d’une fibre est capable d’être couplée efficacement au circuit optique intégré pour obtenir un faisceau de sortie de haute intensité. L’utilisation d’une sonde multicanal permet de faire toutes les connexions électriques simultanément.À l’aide d’un algorithme d’optimisation, un faisceau bien formé peut être obtenu sur l’accès phi. L’utilisation d’un interrupteur à base d’anneau permet la sélection appropriée d’un angle d’émission et la direction theta. Une fois que l’OEO a été calibré, le faisceau peut être dirigé arbitrairement dans les deux dimensions et la portée de direction et la divergence de faisceau, les principales figures de mérite dans un OEO, peuvent être caractérisées avec précision.Il est essentiel, autant que possible, d’éliminer toute instabilité électronique, mécanique ou optique pendant la procédure d’étalonnage. Une fois que les circuits satisfaisants ont été identifiés et calibrés, nous pouvons les intégrer avec les autres parties du système LIDAR, pour effectuer une imagerie spéciale rudimentaire.

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