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

Este trabalho foi financiado pela Direção Francesa Générale des Entreprises (DGE) através do projeto DEMO3S.

1. Preparativos
<ol><li>Prepare a seguinte configuração experimental(Figura 4).<ol>
<li>Use um computador.</li>
		<li>Use uma fonte de laser acoplado a fibra de onda contínua. Dependendo das perdas do circuito, é suficiente potência de 1 mW. Na configuração de caracterização apresentada, a fonte laser está em um comprimento de onda de 905 nm.</li>
		<li>Use um controlador de polarização adaptado para o comprimento de onda do laser.</li>
		<li>Use uma fibra de entrada acoplada para acoplar luz no acoplador de entrada do circuito óptico.</li>
		<li>Use uma sonda elétrica para conectar a placa de controle eletrônico ao contato elétrico do circuito óptico.</li>
		<li>É necessário utilizar um sistema capaz de controlar os moduladores de 20 fases do circuito de direção de feixe bidimensional. Na configuração de caracterização apresentada, este sistema é uma placa eletrônica personalizada controlada por um Arduino, que é capaz de aplicar individualmente entre 0 e 200 mW de energia elétrica nos shifters de fase no circuito óptico. Um esquema do circuito elétrico é mostrado na Figura 3. Para cada canal, o circuito contém um DAC (Digital to Analog Converter) que traduzirá a tensão de comando digital para uma tensão analógica que controla o portão de um transistor de alta potência. O aquecedor está conectado a uma fonte de corrente de alta potência. Portanto, controlando a tensão do portão, o fluxo de corrente no aquecedor pode ser ajustado.</li>
		<li>Use um sensor de imagem nua para visualizar o campo distante da saída óptica. Na configuração de caracterização apresentada, a câmera é um sensor CCD de 35 mm.</li>
		<li>Use um microscópio óptico para fazer a imagem do chip para fins de alinhamento.</li>
		<li>Use um estágio de tradução de 3 eixos e montagem para caber um wafer de 200 mm. Na configuração de caracterização apresentada, esta etapa é um sistema de sonda reconfigurável para fotônica de silício.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Montagem do equipamento<ol>
<li>Monte o equipamento de acordo com a Figura 4 e monte o wafer. A distância entre o wafer e o sensor precisa ser escolhida pequena o suficiente para garantir uma imagem de alta resolução do feixe de saída, mas grande o suficiente para caber pelo menos duas máximas de interferência, a fim de ser capaz de encontrar a relação entre pixels do sensor e ângulo de saída, como será explicado na seção 4 do protocolo.</li>
		<li>Certifique-se de que o sensor e o wafer são paralelos; caso contrário, ele pode falsificar a computação do ângulo de pixel/saída. Na configuração de caracterização apresentada, defina a distância do sensor de wafer para 5 cm. Se uma configuração de sensor duplo for usada (como a apresentada aqui), certifique-se de que o sensor nu possa ser facilmente removido para dar acesso ao microscópio óptico, a fim de visualizar o campo próximo para fins de alinhamento de fibras.</li>
		<li>Certifique-se de que a sonda elétrica, a câmera e a fibra óptica não estão se tocando. Conecte os elementos necessários a um computador. Na configuração apresentada, a estação de sonda, o sensor CCD e o circuito elétrico para o controle de fase são acionados através de um computador e um programa Python, a fim de automatizar o processo de medição.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Acoplamento óptico
<ol><li>Alinhamento de fibras<ol>
<li>Usando o microscópio, comece baixando cuidadosamente a fibra até que ela toque a superfície do wafer (longe do acoplador de grade de entrada para evitar danificá-la), e depois mova-a para cima cerca de 20 μm.</li>
		<li>Quando isso for feito, maximize a intensidade da luz nas grades de saída. Para isso, comece a varrer a posição da fibra sobre o acoplador de grade de entrada OPA. Se a câmera ligada ao microscópio estiver respondendo ao comprimento de onda do laser (se não usar o sensor de imagem nua), e se a fibra e o acoplador de grade estiverem bem alinhados, a saída de luz nas grades de saída opa deve ser visível na imagem. Um exemplo pode ser visto na Figura 5A.</li>
		<li>Quando a luz for vista das antenas OPA, ajuste a polarização para maximizar a intensidade da luz nas grades de saída. Certifique-se de evitar qualquer movimento ou vibração da fibra de entrada</li>
	</ol>
</li>
	<li>Imagem de saída de OPA<ol>
<li>Mude para o sensor de imagem de campo distante e melhore a qualidade da imagem: Ajuste tanto o tempo de exposição do sensor quanto o poder do laser de forma que a saída OPA seja claramente visível na câmera e o feixe não satura o sensor. Uma imagem de exemplo registrada pelo sensor é mostrada na Figura 5B.</li>
		<li>Se necessário, cubra a configuração para que a luz de fundo não interfira com a imagem do feixe OPA. Geralmente, quanto mais fraca a luz de fundo, menor a potência do laser que pode ser definida.</li>
		<li>Bloqueie os reflexos colocando uma folha altamente refletida entre o reflexo e a câmera. Às vezes, reflexos originários da superfície do wafer atingem a área do sensor e contaminam a imagem da saída opa (reflexos podem acontecer na grade de entrada).</li>
		<li>Reajustar a polarização da luz de entrada para obter uma imagem clara.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Otimização e direção do feixe
NOTA: Esta seção descreve o funcionamento do circuito mostrado na Figura 2 e como ele pode ser usado para executar a direção do feixe em duas dimensões.
<ol><li>Preparações<ol>
<li>Conecte o circuito elétrico para o controle de fase a uma sonda elétrica multicanal.</li>
		<li>Usando o microscópio, conecte os pinos da sonda elétrica às almofadas de contato metálicas do circuito óptico.</li>
		<li>Re-otimizar a posição da fibra de entrada.</li>
		<li>Mude para o sensor de campo distante e imagem a saída.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Seleção do ângulo de emissão paralelo φ usando a rede de comutação<ol>
<li>Estude os ressonadores de anel da rede de comutação para controlar o ângulo de emissão em φ. Para isso, observe a imagem de campo distante da saída enquanto varia as tensões aplicadas aos shifters de fase nos ressonadores do anel. Com a tensão correta aplicada a cada ressonador, uma área diferente no sensor será iluminada, correspondendo a um certo valor φ, conforme mostrado na Figura 6B.</li>
		<li>Encontre as tensões onde os anéis estão ligados e desligados. Para isso, um script automatizado pode ser usado para varrer as tensões do ressonador e registrar as intensidades nas diferentes áreas do sensor. Use as tensões encontradas para acessar os vários subcircuitos e para orientar o feixe de saída em φ.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Seleção do ângulo de emissão ortogonal φ otimizando as fases opa<ol>
<li>Otimize as fases opa a fim de moldar e orientar o feixe de saída em φ. Para isso, selecione uma pequena área de pixel (correspondente ao ângulo φ desejado) que deve ser iluminada com um feixe de saída focalizado.</li>
		<li>Maximize o brilho dentro da área escolhida executando a seguinte rotina de otimização.<ol>
<li>Mude a fase de um dos canais OPA em pequenos incrementos. Após cada turno, registre a integral do brilho na área de pixels dentro, ii, e fora, io, da área selecionada. Calcular a razão R =I / Io. Após um ciclo de mudança de fase completa entre 0 e 2π, aplique a mudança de fase com a maior razão de brilho registrada R.</li>
			<li>Repita este processo de otimização de fase no próximo canal OPA. Algoritmos de otimização diferentes podem ser usados, como uma subida de colina.</li>
			<li>Repita o processo de otimização otimizando as fases até que o processo de otimização esteja saturado e um feixe de saída focalizado seja visível. Exemplos de imagens do feixe de saída tiradas durante um processo de otimização são mostrados na Figura 6A. Após 16 rodadas de otimização, o feixe de saída de um feixe focalizado é visível. NOTA: Se houver alguns picos inesperados adicionais, isso pode ser resultado de um acoplamento temporalmente instável no circuito durante o processo de otimização. Isso pode ser devido ao movimento da fibra de entrada e/ou um estado de polarização instável.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Para direcionar o feixe de saída para um ângulo φ diferente, selecione uma nova área de pixele repita o processo de otimização.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Medidas de divergência de feixe e análise de imagem
<ol><li>Aquisição de imagens<ol>
<li>Otimize a posição da fibra de entrada. Registre a imagem da saída no campo mais distante. Certifique-se de que pelo menos duas máximas claras de interferência estejam visíveis.</li>
		<li>Usando o sistema de alinhamento, mova o wafer para alinhar o próximo dispositivo à fibra de entrada. Realize um bom alinhamento maximizando a intensidade de saída gravada pela câmera. Gravar imagem de saída.</li>
		<li>Repita a etapa acima até que todos os dispositivos de interesse tenham sido caracterizados. Se o circuito óptico selecionado tiver a capacidade de ajuste de fase dos canais OPA, execute uma rotina de otimização de fase antes de gravar as imagens.</li>
	</ol></li>
	<li>Análise de imagens<ol>
<li>Verifique as imagens gravadas em busca de pontos de dados falsos decorrentes de pixels defeituosos, como pixels mortos ou quentes. Apagar esses pontos de dados ou substituir os valores por valores típicos.</li>
		<li>Correlacionar os pixels CCD aos ângulos de saída OPA φ e φ da seguinte forma.<ol>
<li>Calcule a distância angular Δφ entre a máxima de interferência de acordo com o desenho opa usando Δφ = pecado-1(λ/d) [°], onde λ é o comprimento de onda e d é o tom lateral entre as grades OPA. Encaixe duas curvas gaussianas nas duas máximas de interferência e determine as posições dos dois centros, P1 e P2. Uma vez que a distância (em pixels) entre os dois centros, N = P2 - P1, é esperada para corresponder a Δφ, obtemos um fator de conversão c entre pixel e ângulo c = Δφ/N [°/pixel], que pode ser usado para obter uma relação de ângulo relativo entre pixels.</li>
			<li>Obter o fator de conversão, c, através de uma medição precisa da distância entre a superfície do wafer e o sensor, e o tamanho do pixel (5.5 * 5.5μm para o sensor usado aqui).</li>
			<li>Estimar os ângulos de saída absolutos em φ e φ para um dos pixels CCD. Coloque o centro do feixe no ângulo de emissão esperado de acordo com as simulações. Para escolher o valor absoluto em φ, otimize o feixe por vários ângulos em φ, ajustando as fases opa, e registre a intensidade do lobo principal para cada ângulo. De acordo com a teoria da OPA, o lóbulo principal é mais intenso (e a intensidade nos lóbulos laterais minimizadas) ao emitir φ = 0°. Assim, defina o pixel no centro do feixe com a intensidade máxima do feixe registrado, para φ = 0°. Use este pixel e o fator de conversão para atribuir ângulos absolutos a todos os pixels da imagem.</li>
			<li>No caso de um feixe de saída com inclinação significativa em relação ao eixo vertical, e se a divergência e posição do feixe devem ser medidas com muita precisão, incline a câmera para ser perfeitamente perpendicular ao feixe de saída. Caso contrário, também é possível aplicar um fator de correção ao tamanho do feixe medido calculando a projeção do feixe no sensor, dependendo do ângulo entre o feixe de saída e o plano da câmera.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Cálculo da divergência do feixe<ol>
<li>Extrair seções transversais através do centro do feixe fundamental ao longo de φ e φ.</li>
		<li>Encaixe duas curvas gaussianas nas seções transversais e extraia a largura total-a-meia-máxima como medida para a divergência de feixe φdiv e φdiv.</li>
		<li>Calcule a largura do feixe esperado φdiv = λ/Nd [°], onde λ é o comprimento de onda e d a distância lateral entre as grades OPA.</li>
		<li>Estimar a divergência do feixe φdiv realizando simulações FDTD das grades de saída.</li>
	</ol></li>
	<li>Testes automáticos<ol>
<li>Se o banco de caracterização (como o apresentado aqui) puder realizar medições automatizadas, realize algumas etapas adicionais. Primeiro, obter as dimensões do chip e as coordenadas das estruturas medidas a partir do layout do circuito. Em seguida, insira esses valores para o software de controle de banco. Portanto, uma vez que a fibra de entrada tenha sido alinhada na primeira estrutura testada (conforme detalhado na seção 2.1), o banco pode mudar automaticamente de uma estrutura para outra através de uma tradução do wafer.</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. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+optical+beam+steering+with+an+AlGaAs+integrated+phased+array.">Spatial optical beam steering with an AlGaAs integrated phased array.</a> Applied Optics. 32 (18), 3220-3232 (1993).</li><li>Van Acoleyen, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Off-chip+beam+steering+with+a+one-dimensional+optical+phased+array+on+silicon-on-insulator.">Off-chip beam steering with a one-dimensional optical phased array on silicon-on-insulator.</a> Optics Letters. 34 (9), 1477-1479 (2009).</li><li>Guo, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two+dimensional+optical+beam+steering+with+InP-based+photonic+integrated+circuits.">Two dimensional optical beam steering with InP-based photonic integrated circuits.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 19 (4), 6100212 (2013).</li><li>Jalali, B., Fathpour, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+photonics.">Silicon photonics.</a> Journal of Lightwave Technology. 24 (12), 4600-4615 (2006).</li><li>Hulme, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fully+integrated+hybrid+silicon+two+dimensional+beam+scanner.">Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam scanner.</a> Optics Express. 23 (5), 5861-5874 (2015).</li><li>Chung, S., Abediasl, H., Hashemi, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+monolithically+integrated+large-scale+optical+phased+array+in+silicon-on-insulator+CMOS.">A monolithically integrated large-scale optical phased array in silicon-on-insulator CMOS.</a> IEEE Journal of Solid-State Circuits. 53 (1), 275-296 (2018).</li><li>Poulton, C. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-scale+silicon+nitride+nanophotonic+phased+arrays+at+infrared+and+visible+wavelengths.">Large-scale silicon nitride nanophotonic phased arrays at infrared and visible wavelengths.</a> Optics Letters. 42 (1), 21-24 (2017).</li><li>Poulton, C. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+solid-state+LIDAR+with+silicon+photonic+optical+phased+arrays.">Coherent solid-state LIDAR with silicon photonic optical phased arrays.</a> Optics Letters. 42 (20), 4091-4094 (2017).</li><li>Martin, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photonic+integrated+circuit+based+FMCW+coherent+LiDAR.">Photonic integrated circuit based FMCW coherent LiDAR.</a> Journal of Lightwave Technology. 36 (19), 4640-4645 (2018).</li><li>Subramanian, A. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-Loss+Single+mode+PECVD+Silicon+Nitride+Photonic+Wire+Waveguides+for+532-900+nm+Wavelength+Window+Fabricated+Within+a+CMOS+Pilot+Line.">Low-Loss Single mode PECVD Silicon Nitride Photonic Wire Waveguides for 532-900 nm Wavelength Window Fabricated Within a CMOS Pilot Line.</a> IEEE Photonics Journal. 5 (6), 2202809 (2013).</li><li>Baets, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+Photonics:+silicon+nitride+versus+silicon-on-insulator.">Silicon Photonics: silicon nitride versus silicon-on-insulator.</a> Optical Fiber Communication Conference, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America). , (2016).</li><li>Sabouri, S., Jamshidi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+Considerations+of+Silicon+Nitride+Optical+Phased+Array+for+Visible+Light+Communications.">Design Considerations of Silicon Nitride Optical Phased Array for Visible Light Communications.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 24 (6), (2018).</li><li>Zadka, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-chip+platform+for+a+phased+array+with+minimal+beam+divergence+and+wide+field-of-view.">On-chip platform for a phased array with minimal beam divergence and wide field-of-view.</a> Optics Express. 26 (3), 2528-2534 (2018).</li><li>Tyler, N. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=SiN+Integrated+Photonics+for+near-infrared+LIDAR.">SiN Integrated Photonics for near-infrared LIDAR.</a> 2018 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ). , 63-66 (2018).</li><li>Tyler, N. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=SiN+integrated+optical+phased+arrays+for+2-dimensional+beam+steering+at+a+single+near-infrared+wavelength.">SiN integrated optical phased arrays for 2-dimensional beam steering at a single near-infrared wavelength.</a> Optics Express. 27 (4), 5851-5858 (2019).</li></ol>

Os autores não têm nada para revelar.

Apresentamos um método para caracterizar uma OPA integrada. A principal vantagem do método é a capacidade de sondar facilmente várias mortes através de um wafer, procurar variações de fabricação e identificar dispositivos de alto desempenho. Isso pode ser visto na Figura 8B. A partir da varredura de wafer, fica claro que a metade inferior do wafer exibe dispositivos com divergências de feixe inferior. Isso pode ser explicado por uma maior qualidade de guia de ondas nessa área, o que reduz as mudanças de fase aleatórias e, consequentemente, a divergência do feixe.
Usar um sensor CCD de grande área para visualizar a saída de campo distante é um método conveniente para visualizar a saída de espaço livre de circuitos integrados, uma vez que pode ser facilmente adicionado à maioria das configurações de caracterização devido ao seu tamanho compacto em comparação com ossistemasde imagem fourier muitas vezes usados, mais volumosos 6 .
Para garantir uma alta precisão do ângulo do feixe e da medição da divergência, deve-se tomar um cuidado especial durante o alinhamento da câmera - OPA. Além disso, a resposta opa é sensível às instabilidades de fase e polarização durante a calibração. Portanto, todas as fontes de perturbação devem ser controladas: movimento/vibração da fibra de injeção, temperatura do laser, polarização da luz de entrada etc.
Em resumo, foi apresentado um método para caracterizar ASB integradas. Detalhes sobre como acoplar luz, como controlar os shifters de fase no circuito e como visualizar a saída no campo próximo e distante foram dados. Imagens típicas dos feixes de saída de vários circuitos OPA foram mostradas, incluindo os resultados da direção do feixe em duas dimensões em um único comprimento de onda no infravermelho próximo. Além disso, mostramos os resultados da medição de vários dispositivos com o mesmo design em um wafer em termos de divergência de feixe. Uma tendência de desempenho em relação à posição no wafer foi encontrada, identificando áreas com propriedades de fabricação de alta qualidade.

As matrizes em fases ópticas (OPAs) são vantajosas devido à sua capacidade de moldar e orientar feixes ópticos não-mecanicamente - isso é útil em uma ampla gama de aplicações tecnológicas, como detecção de luz e alcance (LIDAR), comunicação espacial livre e displays holográficos1. A integração de OPAs em circuitos fotônicos é de particular interesse, pois proporciona uma solução de baixo custo para sua fabricação com uma pequena pegada física. As OPAs integradas foram demonstradas com sucesso usando vários sistemas de materiais diferentes, incluindo InP, AlGaAs e silício2,3,4. Destes sistemas, a fotônica do silício é talvez a mais conveniente, devido ao seu alto contraste de índice refrativo e compatibilidade com CMOS5. De fato, os circuitos OPA foram amplamente demonstrados na plataforma de silício-sobre-isolador6,,7,8,9,10; no entanto, a aplicação desses circuitos é limitada tanto pela janela de transparência do comprimento de onda do silício quanto pelas altas perdas não lineares, que levam a um limite na potência óptica de saída disponível. Focamos, em vez disso, em OPAs integradas em SiN, um material com propriedades semelhantes ao silício em termos de capacidade de CMOS e tamanho de pegada11,12. Em contraste com o silício, espera-se que o SiN seja adequado para uma gama maior de aplicações, uma vez que a janela de transparência é mais ampla, até pelo menos 500 nm, e graças à potência óptica possivelmente alta graças às perdas não lineares relativamente baixas.
Os princípios da integração opa foram recentemente demonstrados usando o SiN8,13,14. Aqui, estenderemos esses princípios para demonstrar um método de caracterização e operação de OPAs integradas para direção de feixe bidimensional. Em comparação com demonstrações anteriores de direção de feixe em duas dimensões que dependem da sintonia do comprimento de onda6,nosso circuito pode operar em um único comprimento de onda. Primeiro fornecemos uma breve visão geral dos princípios operacionais por trás das OPAs. Isso é seguido por uma introdução aos circuitos utilizados neste trabalho. Finalmente, o método de caracterização é descrito e imagens típicas de feixes de saída OPA apresentados e discutidos.
Os OPAs são compostos por uma matriz de emissores espaçados que podem ser abordados individualmente para controlar a fase óptica. Se existe uma relação de fase linear em toda a matriz de emissores, o padrão de interferência no campo distante produz várias máximas claramente separadas - semelhante aos princípios de interferência multi-fenda. Controlando a magnitude da diferença de fase, a posição da máxima pode ser ajustada e, portanto, a direção do feixe realizada. Em OPAs integradas, os emissores consistem em grades de difração espaçadas de perto onde a luz é espalhada e emitida para fora do plano de chip. Uma ilustração esquemática de um dispositivo OPA integrado é mostrada na Figura 1A,B. A luz é acoplada ao chip, neste caso através de uma fibra óptica, e então é dividida em múltiplos canais, cada um contendo um shifter de fase integrado. Na outra extremidade do circuito óptico, os guias de onda terminam em grades e combinam para formar a OPA. O feixe de saída resultante é composto por máximas de interferência múltipla, a mais brilhante das quais é referida como o lobo fundamental e é a mais usada em aplicações de direção de feixe. A direção de emissão do lobo fundamental é definida pelos dois ângulos azimutais à projeção ortogonal do plano de chip, φ e φ, perpendicular e paralelo à orientação da grade, respectivamente. Neste documento, φ e φ serão chamados de ângulos de emissão "perpendiculares" e "paralelos", respectivamente. O ângulo perpendicular φ é determinado pela diferença de fase entre os canais OPA, e o ângulo paralelo φ depende do período das grades de saída.
Nossos circuitos integrados são fabricados usando guias de onda Si3N4 com uma seção transversal de 600 x 300 nm2, um design que foi otimizado para o modo fundamental de polarização elétrica transversal da luz a um comprimento de onda de 905 nm. Abaixo dos guias de onda está uma camada tampão SiO2 de 2,5 μm em cima de um wafer de silício. Os shifters de fase térmica foram feitos a partir de uma camada ti(tin) de 10(100) nm de espessura usada para formar fios resistivos de 500 μm de comprimento e 2 μm de largura. Em nossos circuitos, uma potência elétrica de 90 mW é necessária para alcançar uma mudança de fase de π. As grades de saída de OPA consistem em 750 períodos totalmente gravados com um fator de enchimento nominal de 0,5 e um período de grade entre 670 nm e 700 nm. Mais informações sobre o design e fabricação da plataforma são dadas em Tyler et al.15,16.
Neste trabalho, são caracterizados dois tipos diferentes de circuitos, um circuito passivo sem capacidades de mudança de fase e um circuito mais complexo, projetado para realizar a direção do feixe em duas dimensões. O circuito de direção do feixe bidimensional é mostrado na Figura 2. A Figura 2A contém um esquema do circuito e a Figura 2B mostra uma imagem de microscópio do dispositivo fabricado. A luz entra no circuito na grade de entrada. Em seguida, atinge uma rede de comutação onde pode ser roteada seletivamente em direção a um dos quatro subcircuitos. Cada subcircuito divide a luz em quatro canais usando dispositivos de interferência multimodo (MMI). Os canais contêm um shifter de fase térmica e formam uma OPA no final do circuito. Os quatro OPAs originários dos quatro subcircuitos compreendem um período de grade diferente entre 670 nm e 700 nm. Esses períodos correspondem a ângulos azimutais paralelos ao eixo de grade, φ, entre 7° e 10°. Uma descrição mais detalhada do circuito pode ser encontrada em Tyler et al.16.
A configuração de caracterização apresentada é baseada em uma estação de sondagem automatizada capaz de realizar uma série de medições em muitos circuitos em um wafer inteiro. Isso permite estudar a variação de desempenho em relação à posição no wafer e selecionar os dispositivos com as propriedades ideais. No entanto, o uso de uma estação de sonda implica algumas restrições físicas ao esquema de caracterização da OPA devido ao espaço relativamente pequeno disponível acima do wafer. A caracterização de matrizes em fases ópticas requer a imagem da saída OPA no campo distante, que pode ser realizada de várias maneiras. Por exemplo, uma série de lentes podem ser usadas em um sistema de imagem Fourier6 ou a imagem de campo distante formada em uma superfície lambertiana pode ser vista em reflexão ou transmissão. Para o nosso sistema, escolhemos o que consideramos ser a solução mais simples e compacta de colocar um sensor cmos grande de 35 mm x 28 mm sem lentes colocadas aproximadamente 50 mm acima da superfície do wafer. Apesar do custo aumentado de um sensor CCD tão grande, esta solução permite um campo de visão suficiente sem o uso de lentes.

<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

As matrizes em fases ópticas (OPAs) podem produzir raios laser de baixa divergência e podem ser usadas para controlar o ângulo de emissão eletronicamente sem a necessidade de mover peças mecânicas. Esta tecnologia é particularmente útil para aplicações de direção de feixe. Aqui, focamos em OPAs integradas em circuitos fotônicos SiN para um comprimento de onda no infravermelho próximo. É apresentado um método de caracterização desses circuitos, que permite que o feixe de saída de OPAs integradas seja moldado e direcionado. Além disso, usando uma configuração de caracterização em escala de wafer, vários dispositivos podem ser facilmente testados em várias mortes em um wafer. Dessa forma, podem ser estudadas variações de fabricação e dispositivos de alto desempenho identificados. Imagens típicas de feixes OPA são mostradas, incluindo feixes emitidos de OPAs com e sem um comprimento de guia de onda uniforme, e com um número variado de canais. Além disso, apresenta-se a evolução dos feixes de saída durante o processo de otimização de fase e a direção do feixe em duas dimensões. Por fim, é realizado um estudo da variação da divergência de feixes de dispositivos idênticos em relação à sua posição no wafer.

Nesta seção, várias imagens em operação de feixes OPA são mostradas. Estes incluem imagens no campo próximo e no campo distante do feixe, feixes de saída OPA antes e depois da otimização da fase e feixes com um número variado de canais OPA.
Uma imagem do campo próximo do feixe, gravada usando o microscópio, pode ser vista na Figura 5A. A imagem mostra um circuito OPA passivo com um grande número de canais e a luz emitida nas grades OPA é claramente visível. Este circuito produz um padrão de interferência no campo distante, que foi gravado usando o sensor CCD. A imagem do sensor é dada na Figura 5B e mostra tanto o lobo fundamental como um lóbulo lateral. O tempo de exposição do sensor, a potência do laser e a luz de fundo foram otimizados para produzir uma imagem clara. As duas máximas são separadas por 17,6°, calculadas de acordo com a equação dada na seção de protocolo 4.2.2.1. Observe que neste design, todos os guias de onda são do mesmo comprimento e, portanto, não há diferença de fase significativa entre os canais. Como resultado, as máximas de interferência estão claramente separadas. Um exemplo de circuito OPA com uma diferença de fase irregular entre os canais é apresentado abaixo.
Para observar a máxima de interferência clara no padrão de saída opa, é necessária uma diferença de fase linear entre os canais OPA. No entanto, quando o comprimento das guias de onda entre as grades de entrada e saída varia de canal para canal, o padrão de interferência mostrará várias seções irregulares de interferência ao longo de uma linha reta na direção perpendicular à orientação da grade (ou seja, ao longo do ângulo φ). Um exemplo desse padrão de saída é dado na imagem superior esquerda da Figura 6A. Ele mostra a saída de campo distante de uma OPA de 16 canais com um comprimento de guia de onda não uniforme entre as grades de entrada e saída. Felizmente, este design OPA tem shifters de fase incluídos em todos os canais, para que as fases possam ser ajustadas individualmente e o feixe de saída em forma. Depois de otimizar as fases conforme descrito na seção de protocolo 3.3, o feixe de saída forma um máximo claro. A Figura 6A mostra como o feixe de saída evolui durante o processo de otimização. Observe que mais máximas de interferência estão presentes fora da área do sensor. Além disso, observa-se que a divergência de feixe da OPA de 16 canais é muito mais ampla do que a observada na Figura 5B. Esse efeito é esperado e deve-se a uma redução significativa no número do canal.
Na sequência, será discutida a operação do circuito óptico para direção OPA em duas dimensões, para detalhes sobre o circuito ver Figura 2. Em primeiro lugar, as tensões do anel da rede de comutação foram calibradas a fim de direcionar a luz para os diferentes subcircuitos, cada um contendo uma OPA. Uma vez que os quatro OPAs cada um compreendem um período de grade diferente, o roteamento da luz entre o subcircuito resulta na emissão do feixe de saída em diferentes ângulos φ. Isso é mostrado na Figura 6B,que contém as imagens de campo distante registradas à medida que o caminho de luz é alterado usando os ressonadores do anel da rede de comutação. As imagens mostram que o ângulo de emissão 'paralelo', φ, muda à medida que cada ressonador individual é colocado em ressonância com a luz de entrada, enquanto sintoniza os outros ressonadores fora da ressonância. Nosso circuito foi projetado para acessar quatro ângulos diferentes, porém, devido a um erro de design na rede de comutação, só foi possível operar três dos ressonadores do anel. A partir das imagens de saída, podemos ver que o padrão de interferência é irregular e nenhuma máxima clara é visível. Para orientar e moldar o feixe de saída no ângulo de emissão 'perpendicular', φ, as fases OPA foram ajustadas e otimizadas.
Uma imagem exemplo de um feixe de saída otimizado do circuito de direção do feixe bidimensional é mostrada na Figura 7A. Duas máximas de interferência são claramente visíveis, correspondendo ao lobo principal e a um dos lóbulos laterais. A imagem superior na Figura 7A mostra um mapa de calor do brilho registrado no sensor versus número de pixel. Para determinar o ângulo de saída, a imagem foi processada conforme descrito na seção 4.2 do protocolo e a relação entre o número de pixel e o ângulo de saída determinado. A imagem calibrada de intensidade do feixe versus ângulo é mostrada na imagem inferior mais baixa da Figura 7A.
Na sequência, os resultados da direção da viga serão discutidos. O feixe OPA foi dirigido com sucesso em uma área de 17,6° × 3° (φ × φ), os dados de exemplo são mostrados nas Figuras 7B e 7C. A figura 7B mostra imagens do feixe sendo direcionado em φ, mantendo φ constante a 8°. Isso foi conseguido primeiro acessando a OPA correspondente a um ângulo de emissão paralelo de φ = 8° e, posteriormente, variando as fases ópticas para alterar o ângulo de emissão perpendicular, φ. As parcelas de intensidade normalizadas do feixe fundamental direcionadas a três diferentes posições de saída em φ são mostradas na Figura 7C, com um ângulo de emissão perpendicular fixo de φ = -2,5° e φ variando entre 7° e 9°. Como antes, o ângulo de emissão paralela φ foi controlado usando a rede de ressonador do anel para alternar entre as OPAs. Após a seleção da OPA, as fases opa foram otimizadas para emitir em φ = -2,5°.
Finalmente, a divergência do feixe foi determinada pela montagem de duas curvas gaussianas ao longo de φ e φ conforme descrito na seção de protocolo 4.3. O FWHM serve como medida para a divergência do feixe e foi medido como 4,3° em φ e 0,7° em φ para ângulos de emissão de φ = -2,5° e φ = 8°, ver Figura 8A. Esses valores estão em boa concordância com os valores esperados de 4,3° e 0,6° em φ e φ, respectivamente, para uma OPA de quatro canais, conforme descrito nas seções 4.3.3 e 4.3.4 do protocolo. Além de determinar a divergência de uma OPA de quatro canais, investigamos a divergência de um projeto opa com um número muito maior de canais. Foi medida a divergência de uma OPA passiva composta por 128 canais, com desenho semelhante ao mostrado na Figura 5A. Para testar as variações de fabricação em um wafer, lançamos uma varredura automática para caracterizar 42 dispositivos com designs idênticos. As imagens gravadas foram analisadas com relação à divergência do feixe. A divergência na posição φ versus do dispositivo no wafer é mostrada na Figura 8B. Os valores medidos estão entre 0,19° e 0,37° e são ligeiramente maiores do que o valor esperado de 0,14°. Isso pode ser explicado por erros de fase dentro dos canais individuais da OPA. Todos os guias de onda no design são do mesmo comprimento e, portanto, teoricamente, nenhuma diferença de fase deve surgir entre os canais OPA. No entanto, erros de fabricação resultam em mudanças de fase descontroladas à medida que a luz viaja da entrada para as grades de saída, o que leva a uma ampliação do feixe de saída. Devido à ausência de derturnos de fase no circuito, não foi possível compensar esses erros. Como mencionado, o ângulo φ é definido pela geometria da grade da antena. Portanto, as variações de fabricação (altura do filme SiN e o desvio das dimensões laterais das estruturas) podem afetar o ângulo de saída da OPA, φ. Tais variações foram caracterizadas em 40 dispositivos em todo o wafer. Graças ao processo de fabricação de CMOS muito bem controlado, um insignificante 3σ (três vezes o desvio padrão) de 0,156° foi encontrado.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig1.jpg"> Figura 1: Ilustração de OPA integrada. ( A) O lóbulo de interferência de primeira ordem da saída OPA deixa o circuito em dois ângulos azimutais para a projeção ortogonal do plano de chip, φ e φ, perpendicular e paralelo à orientação da grade, respectivamente. (B) Visão superior de uma OPA mostrando seus principais elementos constitutivos. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig2.jpg"> Figura 2: Imagem esquemática e microscópio do circuito óptico integrado para direção de feixe bidimensional. (A) Circuito contendo uma rede de comutação conectada a quatro subcircuitos, cada um formando uma OPA. A área de saída contém quatro OPAs com quatro períodos de grade diferentes e, portanto, ângulos de emissão em φ.(B) Imagem de microscópio do circuito descrito em (A), fabricado usando guias de onda SiN e shifters de fase térmica Ti/TiN. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig3.jpg"> Figura 3: Circuito elétrico para aplicar potências elétricas entre 0 mW e 200 mW. Este esquema representa um circuito elétrico que pode aplicar individualmente tensões aos shifters de fase no circuito óptico e ler sua corrente elétrica após a aplicação da tensão. Em nossos circuitos ópticos, os shifters de fase consistem em fios elétricos com resistências de 1,3 kΩ. Uma potência elétrica de 90 mW é necessária para alcançar uma mudança de fase óptica de π. O circuito é controlado através de um microcontrolador Arduino. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig4.jpg"> Figura 4: Configuração experimental para caracterização do circuito OPA. (A)Esquema da configuração experimental. (B) Imagem do experimento. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig4large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig5.jpg"> Figura 5: Imagens de campo próximo sofrem do feixe de saída. (A)Imagem de campo próximo de um circuito OPA. A luz a um comprimento de onda de 905 nm é acoplada ao circuito através de uma fibra e uma grade de entrada. A dispersão de luz dentro dos guias de onda nos permite ver o design do circuito. No final de uma árvore MMI, a luz é emitida nas grades OPA. (B) Imagem de campo distante da saída do circuito mostrada em (A). Duas máximas de interferência são visíveis no sensor. De acordo com a teoria da OPA, as máximas são separadas por 17,6°. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig5large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig6.jpg"> Figura 6: Otimização do feixe OPA e operação da rede de comutação. (A) Otimização do feixe OPA de uma OPA de 16 canais usando shifters de fase. Imagens de campo distante são mostradas após cada etapa de otimização. Depois de otimizar todos os 16 canais, o feixe forma uma interferência máxima dentro da área do sensor. (B) Utilizando uma rede de comutação composta por ressonadores de anel, diferentes OPAs cada uma compreendendo um período de grade diferente é acessada. Os diferentes períodos de grade resultam na emissão do feixe de saída em diferentes ângulos φ. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig6large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig7.jpg"> Figura 7: Caracterização do circuito de direção de feixe bidimensional. (A) Pixel para conversão de ângulo dos dados de imagem gravados. Os resultados da direção do feixe em φ e φ são mostrados em (B) e (C), respectivamente. Esta figura foi modificada de Tyler et al.16. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig7large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60269/60269fig8.jpg"> Figura 8: Medidas de divergência do feixe OPA. (A)Análise de divergência de feixe de uma OPA de 4 canais. Esta figura foi modificada de Tyler et al.16. (B) Mapa wafer de divergências medidas em φ de um design OPA de 128 canais. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60269/60269fig8large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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

Aqui, descrevemos o funcionamento de um circuito fotônico integrado SiN contendo matrizes ópticas em fases. Os circuitos são usados para emitir raios laser de baixa divergência no infravermelho próximo e guiá-los em duas dimensões.

Caracterização de arrays em fases ópticas integradas siN em uma estação de teste em escala de wafer

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

Para desenvolver circuitos integrados fotônicos construídos sobre silício, precisamos de um método de caracterização rápido, automatizado e na escala de wafer. Nosso protocolo nos permite avaliar nossos circuitos de direção de feixe no wafer usando uma estação de sondagem levemente modificada, que é um equipamento padrão na indústria de microeletrônica. Demonstrando o procedimento, temos Sylvain Guerber, uma pesquisadora pós-doutora do nosso laboratório.Para começar, carregue o wafer na estação da sonda. Para alinhar as fibras, use um microscópio leve para baixar cuidadosamente a fibra até que toque a superfície do wafer, longe do acoalador de grade de entrada, antes de mover a fibra para cima cerca de 20 micrômetros. Para maximizar a intensidade da luz nas grades de saída, comece a varrer a posição de fibra sobre o acoalador óptico de entrada de matriz em fases.A luz que sai nas grades ópticas de saída da matriz em fases deve ser visível na imagem. Quando a luz for observada a partir das antenas ópticas de matriz em fases, ajuste a polarização para maximizar a intensidade da luz nas grades de saída, tomando o cuidado de evitar qualquer movimento ou vibração da fibra de entrada. Para a imagem de saída OPA, mude para o sensor de imagem de campo distante e ajuste cuidadosamente tanto o tempo de exposição do sensor quanto a potência do laser de tal forma que a saída OPA seja claramente visível na câmera, mas o feixe não satura o sensor.Se necessário, cubra a configuração, para que a luz de fundo não interfira na imagem do feixe óptico de matriz em fases. Para bloquear os reflexos, coloque uma folha altamente refletida entre o reflexo e a câmera. Uma OPA é, por definição, extremamente sensível à variação de fase.Portanto, todas as fontes de ruídos devem ser suprimidas, incluindo vibrações de fibra de entrada, instabilidades de polarização e luz parasitária. Para realizar a direção do feixe em duas direções, primeiro conecte o circuito elétrico para o controle de fase a uma sonda elétrica multicanal e use o microscópio para conectar os pinos da sonda elétrica às almofadas de contato metálicas do circuito óptico. Em seguida, mude para um sensor de campo distante para a imagem da saída.Para selecionar a de ângulo de emissão paralela usando a rede de comutação, observe a imagem de campo distante da saída enquanto varia as tensões aplicadas aos shifters de fase nos ressonadores do anel. Com a tensão correta aplicada a cada ressonador, uma área diferente no sensor será iluminada, correspondendo a um determinado valor. Para selecionar o ângulo de emissão ortogonal phi otimizando as fases ópticas de matriz em fases, selecione uma pequena área de pixel correspondente ao ângulo phi desejado que deve ser iluminado com um feixe de saída focado e mude a fase de um dos canais ópticos de matriz em fases ópticas em pequenos incrementos.Após cada mudança, registe a integral do brilho na área do pixel dentro e fora da área selecionada, e calcule a razão da luz interna dividida pela luz externa. Após um ciclo de turno de fase completa entre zero e dois pi, aplique a mudança de fase com a maior razão de brilho registrada. Em seguida, mude para o próximo canal e repita as etapas anteriores até que o processo de otimização em saturado e um feixe de saída focado seja visível.Para direcionar o feixe de saída para um ângulo phi diferente, selecione uma nova área de pixel e repita o processo de otimização. Uma vez realizada a otimização para vários ângulos de saída, o feixe pode ser direcionado. Para visualizar a divergência do feixe, otimize a posição da fibra de entrada e regise a imagem da saída de OPA no campo distante.Certifique-se de que pelo menos duas máximas de interferência claras estejam visíveis e use o sistema de alinhamento para mover o wafer para alinhar o próximo dispositivo à fibra de entrada. Utilizando posicionadores de precisão, a luz de uma fibra é capaz de ser acoplada eficientemente ao circuito óptico integrado para obter um feixe de saída de alta intensidade. O uso de uma sonda multicanal permite que todas as conexões elétricas sejam feitas simultaneamente.Usando um algoritmo de otimização, um feixe bem moldado pode ser obtido no acesso phi. O uso de um interruptor baseado em anel permite a seleção adequada de um ângulo de emissão e a direção. Uma vez calibrado o OPA, o feixe pode ser arbitrariamente direcionado em ambas as dimensões e a faixa de direção e divergência de feixe, as principais figuras de mérito em uma OPA, podem ser caracterizadas com precisão.É essencial, tanto quanto possível, eliminar qualquer instabilidade eletrônica, mecânica ou óptica durante o procedimento de calibração. Uma vez identificados e calibrados circuitos satisfatórios, podemos integrá-los com as outras partes do sistema LIDAR, para realizar algumas imagens especiais rudimentares.

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