Characterization of optical phased array based on silicon nitride platform
Creators: name: Σπανίδου, Καλλιόπη Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Νιτρίδιο του πυριτίου
Φωτονική
Θερμο-οπτικό φαινόμενο
Optical phased array
Silicon nitride
Photonics

description: Optical phased arrays (OPA)s represent a new technology that supports easy, precise, cost- affordable, lightweight optical transceivers, unlike conventional mechanical systems. OPAs have been extensively studied, targeting applications such as Light Detection and Ranging (LiDAR) systems for recording distances, gaseous pollutants, and atmospheric conditions, holographic displays, free-space and space optical communications. The purpose of the thesis is to study and characterize the performance of an optical phased array. The array is a photonic integrated circuit (PIC) developed on a silicon nitride (SiN) platform in a chip of dimensions of 1x0,5 cm. The advantage of a silicon nitride distribution network is the tolerance of on-chip high-power due to the low nonlinearities. Also, it is emerging as an alternative silicon photonics platform as it demonstrates the capability to provide most of the elementary functions with minimum losses. One of the key elements of this OPA is SiN waveguide-based radiating elements that perform as a diffraction grating for the formation of interference patterns in the free space. The operation of this 1-D end-fire OPA relies on the wave propagation phase adjustments inside the SiN waveguides. The wave phases are adjusted in such a way that their distribution interferes with the desired emission angle in the far-field. Here, the manipulation of the optical beam is implemented through the thermo-optic heaters that are placed on top of the waveguide channels, and excited via electric current. Therefore, the direction of the maximum emission peak from the OPA can be adjusted by changing the phase of each part of the light that is going to interfere. The device is characterized with an input light at 1550 nm by capturing the far-field patterns using an infrared camera. Since the light is affected by diffraction phenomena while exiting the chip, cylindrical and spherical lenses were used to converge its field of view, targeting emission pattern capturing with a single snapshot. Then, for better results the phase in each waveguide is adjusted by the thermo-optic phase shifters, compensating the phase errors and demonstrating a better performance of the beam formation. Each input channel of N waveguides has a different length shifter structure above each waveguide demonstrating dissimilar phase difference conditions. Therefore, by adjusting different electric current adjustments, the output beam performs field scanning up to 15 degrees of angle. The optical beam forming and steering are evaluated for two 1x5 OPA structures integrated into two different chips. In the far-field patterns, the distorted beam formation was eliminated after the phase errors correction with the DC settings. Therefore, the beam-steering was feasible and reached 9,8 degrees and 15 degrees, for chips B1 and B2, respectively. Furthermore, the implementation of different input power conditions with wavelength sweep and distance sweep in relation to the distance from the chip facet, all these proof-of-principle experimental approaches support the great beam performance and manipulation in the free space
description: Οι οπτικές στοιχειοκεραίες (OPA) αντιπροσωπεύουν μια νέα τεχνολογία που υποστηρίζει εύκολους, ακριβείς, οικονομικά προσιτούς, ελαφριούς οπτικούς πομποδέκτες, σε αντίθεση με τα συμβατικά μηχανικά συστήματα. Τα ΟΡΑ έχουν μελετηθεί εκτενώς, στοχεύοντας εφαρμογές όπως συστήματα ανίχνευσης φωτός και εμβέλειας (LiDAR) για καταγραφή αποστάσεων, αέριων ρύπων και ατμοσφαιρικών συνθηκών, ολογραφικών οθονών, οπτικών επικοινωνιών ελεύθερου χώρου και διαστήματος. Ο σκοπός της διατριβής είναι να μελετήσει και να χαρακτηρίσει την απόδοση μιας οπτικής στοιχειοκεραίας. Η στοιχειοκεραία είναι ένα φωτονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα (PIC) που αναπτύχθηκε σε πλατφόρμα νιτριδίου του πυριτίου (SiN) σε ένα τσιπ διαστάσεων 1x0,5 cm. Το πλεονέκτημα ενός δικτύου διανομής νιτριδίου πυριτίου είναι η ανοχή της υψηλής ισχύος on-chip λόγω της έλλειψης φαινομένων μη γραμμικότητας. Επίσης, αναδύεται ως εναλλακτική πλατφόρμα φωτονικής πυριτίου καθώς αποδεικνύει την ικανότητα να παρέχει τις περισσότερες από τις στοιχειώδεις λειτουργίες με ελάχιστες απώλειες. Ένα από τα βασικά στοιχεία του ΟΡΑ είναι τα ακτινοβολούμενα στοιχεία που βασίζονται στον κυματοδηγό SiN και λειτουργούν ως φράγμα περίθλασης για το σχηματισμό μοτίβων παρεμβολών στον ελεύθερο χώρο. Η λειτουργία αυτού του 1-D διαμήκους πυροδότησης ΟΡΑ βασίζεται στις ρυθμίσεις φάσης διάδοσης κυμάτων μέσα στους κυματοδηγούς SiN. Οι φάσεις των κυμάτων ρυθμίζονται με τέτοιο τρόπο ώστε η κατανομή τους να παρεμβαίνει στην επιθυμητή γωνία εκπομπής στο μακρινό πεδίο. Εδώ, ο χειρισμός της οπτικής δέσμης πραγματοποιείται μέσω των θερμο-οπτικών μετατοπιστών φάσης που τοποθετούνται πάνω από τα κανάλια κυματοδηγού και διεγείρονται μέσω ηλεκτρικού ρεύματος. Επομένως, η κατεύθυνση της μέγιστης εκπομπής από το ΟΡΑ μπορεί να ρυθμιστεί αλλάζοντας τη φάση κάθε τμήματος του φωτός που πρόκειται να παρεμβληθεί. Η συσκευή χαρακτηρίζεται με φως εισόδου στα 1550 nm καταγράφοντας τα μοτίβα μακρινών πεδίων χρησιμοποιώντας μια υπέρυθρη κάμερα. Δεδομένου ότι το φως επηρεάζεται από φαινόμενα περίθλασης κατά την έξοδο από το τσιπ, χρησιμοποιήθηκαν κυλινδρικοί και σφαιρικοί φακοί για τη σύγκλιση του οπτικού πεδίου του, στοχεύοντας τη λήψη μοτίβων αποτυπωμένα σε ένα μόνο στιγμιότυπο. Στη συνέχεια, για καλύτερα αποτελέσματα, η φάση σε κάθε κυματοδηγό ρυθμίζεται από τους θερμο-οπτικούς μετατοπιστές φάσης, αντισταθμίζοντας τα σφάλματα φάσης και επιδεικνύοντας καλύτερη απόδοση του σχηματισμού δέσμης. Κάθε κανάλι εισόδου Ν κυματοδηγών έχει διαφορετικό μήκος μετατοπιστή φάσης πάνω από κάθε κυματοδηγό πραγματοποιώντας διαφορετικές συνθήκες διαφοράς φάσης. Επομένως, εφαρμόζοντας διαφορετικές τιμές ηλεκτρικού ρεύματος, η δέσμη εξόδου εκτελεί σάρωση πεδίου έως και 15 μοίρες γωνίας. Η διαμόρφωση και η αλλαγή πορείας της οπτικής δέσμης αξιολογούνται για δύο δομές 1x5 OPA ενσωματωμένες σε δύο διαφορετικά τσιπ. Στα μοτίβα μακρινών πεδίων, η παραμόρφωση στην εικόνα εξαλείφθηκε μετά τη διόρθωση σφαλμάτων φάσης με τις ρυθμίσεις DC. Επομένως, το σύστημα διεύθυνσης δέσμης ήταν εφικτό και έφτασε τους 9,8 μοίρες και 15 μοίρες, για τα τσιπ B1 και B2, αντίστοιχα. Επιπλέον, η εφαρμογή διαφορετικών συνθηκών ισχύος εισόδου με σάρωση μήκους κύματος και σάρωση απόστασης σε σχέση με την απόσταση από την έξοδο του τσιπ, όλες αυτές οι πειραματικές προσεγγίσεις απόδειξης αρχής αποδεικνύουν τη μεγάλη απόδοση της δέσμης και τον χειρισμό της στον ελεύθερο χώρο