日本一個(gè)研究組最近在Optics Express報(bào)道了他們基于硅光芯片實(shí)現(xiàn)光學(xué)掃描器(optical scanner)的工作。這里詳細(xì)介紹下這篇工作。
光學(xué)掃描器的原理圖如下圖所示:
光耦入進(jìn)芯片后,通過光開關(guān)陣列(optical switch array)選擇不同的路徑。光場(chǎng)最終通過光柵耦合器陣列(grating array)耦出芯片。光柵耦合器位于透鏡的焦平面上。光場(chǎng)從不同位置的耦合器射出,決定了最終光束的出射角度。芯片的版圖結(jié)構(gòu)如下圖所示,大部分面積被金屬覆蓋。
該掃描器的光學(xué)分辨率由透鏡焦距 f 和相鄰光柵耦合器的間隔 p 決定
光學(xué)掃描器可掃描的最大角度由透鏡焦距f和最外側(cè)光柵耦合器的距離 l_dev 決定,如下圖所示:
他們所采用的波導(dǎo)截面圖如下圖所示:
Box與Cladding層SiO2的厚度分別為3um與6um,heater采用300nm厚的金屬鉭(Ta)。Heater和硅波導(dǎo)之間的距離比傳統(tǒng)方案(~1um)要大。
為了獲得更高的分辨率,希望相鄰耦合器的間距盡量小。他們采用了聚焦型的光柵耦合器,尺寸大大縮小,如下圖所示:
光開關(guān)陣列由微環(huán)與heater構(gòu)成, 如下圖所示??赏ㄟ^heater來調(diào)節(jié)微環(huán)的共振波長(zhǎng),從而決定該路光的通斷與否。
最終的掃描器原型機(jī)如下圖所示,左側(cè)為光纖,光芯片貼在PCB板上。
實(shí)驗(yàn)中,他們實(shí)現(xiàn)了6度的掃描角,0.3度的掃描分辨率,
此外,他們也驗(yàn)證了兩維的光學(xué)掃描器,結(jié)構(gòu)如下圖所示,
其遠(yuǎn)場(chǎng)成像圖案如下圖所示,
以上是對(duì)這篇工作的簡(jiǎn)單介紹,可以看出日本人做事情的踏實(shí)態(tài)度,數(shù)據(jù)詳實(shí),娓娓道來。
總體說來,目前硅光芯片的building block基本固定(雖然不同公司/機(jī)構(gòu)單個(gè)器件的性能迥異),人們正致力于使用這些積木去構(gòu)建更復(fù)雜的系統(tǒng)。最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)可能是基于硅光的transceiver, 由耦合器、調(diào)制器和探測(cè)器等構(gòu)成,器件數(shù)目較少,光路相對(duì)簡(jiǎn)單。相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)有光相控陣列、光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。
系統(tǒng)變復(fù)雜后,對(duì)工藝的要求越來越高,需要可靠的PDK,否則的話,光路中某一個(gè)器件性能達(dá)不到要求,整個(gè)系統(tǒng)都不能工作, 浪費(fèi)時(shí)間與金錢。另一方面,系統(tǒng)復(fù)雜后,金屬布線的復(fù)雜度也相應(yīng)增加。這篇進(jìn)展的版圖中,芯片大部分面積用來金屬走線。筆者最近在繪制一些版圖,大部分時(shí)間都花在金屬布線上。也許將來,硅光領(lǐng)域也會(huì)類似集成電路,有系統(tǒng)架構(gòu)師這樣的職位。
參考文獻(xiàn):
1. D. Inoue, et.al., "Demonstration of a new optical scanner using silicon photonics integrated circuit", Opt. Exp. 27, 2499(2019)