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基于硅光芯片的光学扫描器

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光学小豆芽
发布2020-08-13 10:26:34
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发布2020-08-13 10:26:34
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文章被收录于专栏:硅光技术分享硅光技术分享

春节将近,先祝各位朋友新春快乐,猪年吉祥!

日本一个研究组最近在Optics Express报道了他们基于硅光芯片实现光学扫描器(optical scanner)的工作。这里详细介绍下这篇工作。

光学扫描器的原理图如下图所示,

光耦入进芯片后,通过光开关阵列(optical switch array)选择不同的路径。光场最终通过光栅耦合器阵列(grating array)耦出芯片。光栅耦合器位于透镜的焦平面上。光场从不同位置的耦合器射出,决定了最终光束的出射角度。芯片的版图结构如下图所示,大部分面积被金属覆盖。

该扫扫描器的光学分辨率由透镜焦距f和相邻光栅耦合器的间隔p决定,

光学扫描器可扫描的最大角度由透镜焦距f和最外侧光栅耦合器的距离l_dev决定,如下图所示,

他们所采用的波导截面图如下图所示,

Box与Cladding层SiO2的厚度分别为3um与6um,heater采用300nm厚的金属钽(Ta)。Heater和硅波导之间的距离比传统方案(~1um)要大。

为了获得更高的分辨率,希望相邻耦合器的间距尽量小。他们采用了聚焦型的光栅耦合器,尺寸大大缩小,如下图所示,

光开关阵列由微环与heater构成, 如下图所示。可通过heater来调节微环的共振波长,从而决定该路光的通断与否。

最终的扫描器原型机如下图所示,左侧为光纤,光芯片贴在PCB板上。

实验中,他们实现了6度的扫描角,0.3度的扫描分辨率,

此外,他们也验证了两维的光学扫描器,结构如下图所示,

其远场成像图案如下图所示,

以上是对这篇工作的简单介绍,可以看出日本人做事情的踏实态度,数据详实,娓娓道来。

总体说来,目前硅光芯片的building block基本固定(虽然不同公司/机构单个器件的性能迥异),人们正致力于使用这些积木去构建更复杂的系统。最简单的系统可能是基于硅光的transceiver, 由耦合器、调制器和探测器等构成,器件数目较少,光路相对简单。相对复杂的系统有光相控阵列、光神经网络等。

系统变复杂后,对工艺的要求越来越高,需要可靠的PDK,否则的话,光路中某一个器件性能达不到要求,整个系统都不能工作, 浪费时间与金钱。另一方面,系统复杂后,金属布线的复杂度也相应增加。这篇进展的版图中,芯片大部分面积用来金属走线。笔者最近在绘制一些版图,大部分时间都花在金属布线上。也许将来,硅光领域也会类似集成电路,有系统架构师这样的职位。

新的一年,谨以这句话勉励自己 "A good engineer is all about figures",做一个靠谱的攻城狮。

文章中如果有任何错误和不严谨之处,还望大家不吝指出,欢迎大家留言讨论。


参考文献:

1. D. Inoue, et.al., "Demonstration of a new optical scanner using silicon photonics integrated circuit", Opt. Exp. 27, 2499(2019)

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原始发表:2019-02-01,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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