基于硅光芯片的光學(xué)掃描器

  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(guò)光開(kāi)關(guān)陣列(optical switch array)選擇不同的路徑。光場(chǎng)最終通過(guò)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(kāi)關(guān)陣列由微環(huán)與heater構(gòu)成， 如下圖所示?？赏ㄟ^(guò)heater來(lái)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(lái)。

  總體說(shuō)來(lái)，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(lái)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(qián)。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(lái)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(lái)，硅光領(lǐng)域也會(huì)類(lèi)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)