基于硅光芯片的光學掃描器

  日本一個研究組最近在Optics Express報道了他們基于硅光芯片實現光學掃描器(optical scanner)的工作。這里詳細介紹下這篇工作。

  光學掃描器的原理圖如下圖所示：

  光耦入進芯片后，通過光開關陣列(optical switch array)選擇不同的路徑。光場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。芯片的版圖結構如下圖所示，大部分面積被金屬覆蓋。

  該掃描器的光學分辨率由透鏡焦距 f 和相鄰光柵耦合器的間隔 p 決定

  光學掃描器可掃描的最大角度由透鏡焦距f和最外側光柵耦合器的距離 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和硅波導之間的距離比傳統方案(~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：

  光開關陣列由微環(huán)與heater構成， 如下圖所示?？赏ㄟ^heater來調節(jié)微環(huán)的共振波長，從而決定該路光的通斷與否。

  最終的掃描器原型機如下圖所示，左側為光纖，光芯片貼在PCB板上。

  實驗中，他們實現了6度的掃描角，0.3度的掃描分辨率，

  此外，他們也驗證了兩維的光學掃描器，結構如下圖所示，

  其遠場成像圖案如下圖所示，

  以上是對這篇工作的簡單介紹，可以看出日本人做事情的踏實態(tài)度，數據詳實，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/機構單個器件的性能迥異)，人們正致力于使用這些積木去構建更復雜的系統。最簡單的系統可能是基于硅光的transceiver， 由耦合器、調制器和探測器等構成，器件數目較少，光路相對簡單。相對復雜的系統有光相控陣列、光神經網絡等。

  系統變復雜后，對工藝的要求越來越高，需要可靠的PDK，否則的話，光路中某一個器件性能達不到要求，整個系統都不能工作, 浪費時間與金錢。另一方面，系統復雜后，金屬布線的復雜度也相應增加。這篇進展的版圖中，芯片大部分面積用來金屬走線。筆者最近在繪制一些版圖，大部分時間都花在金屬布線上。也許將來，硅光領域也會類似集成電路，有系統架構師這樣的職位。

  參考文獻：

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