用于寬帶激光束掃描的微懸臂梁集成光子電路

激光束掃描（LBS）是許多應(yīng)用的核心，例如顯示器、顯微鏡、三維映射和量子信息等。將掃描儀縮小到微芯片級別，推動了光學(xué)相控陣和焦平面開關(guān)陣列的超大規(guī)模光子集成電路（PIC）的發(fā)展。一個突出的挑戰(zhàn)仍然是同時實現(xiàn)緊湊的占位面積、寬波長操作和低功耗。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，德國馬克斯·普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所（Max Planck Institute of Microstructure Physics）的研究人員開發(fā)了一種滿足上述要求的激光束掃描儀。利用嵌入氮化硅納米光子電路的微懸臂梁，研究人員驗證了波長從410 nm到700 nm的寬帶一維和二維光束操縱。微懸臂梁的面積超緊湊，約0.1 mm2，功耗約31 - 46 mW，易于控制并能發(fā)射單光束。微懸臂梁被單片集成在200 mm硅晶圓上的有源光子平臺中。集成微懸臂梁的光子電路使光投影儀得以小型化，從而實現(xiàn)多功能、節(jié)能和寬帶激光掃描微芯片。

在本項研究工作中，研究人員實現(xiàn)了兩種類型的激光束掃描儀設(shè)計：（1）直線型MEMS懸臂梁，僅在縱向方向上操縱輸出光束；（2）L型單夾懸臂梁，能夠通過兩個控制電壓在縱向和橫向方向上操縱光束。在這兩種情況下，光在嵌入懸臂梁中的SiN波導(dǎo)中被引導(dǎo)，并在遠端終止于輸出光柵耦合器。光柵耦合器的寬為10 μm，長為25 μm，由完全蝕刻的150 nm厚的SiN齒組成，周期為440 nm。該光柵耦合器在410 - 700 nm波長范圍內(nèi)的平均損耗為5.2 dB。

微懸臂梁概覽

在成像裝置中，包括用于創(chuàng)建傅里葉（Fourier）圖像的常規(guī)透鏡，以及用于同時捕獲近場和遠場圖像的分束器。通過在施加功率為0 mW（右波束）和20 mW（左波束）下捕獲遠場圖像的疊加，可視化了四個直線型懸臂梁的轉(zhuǎn)向范圍。對于300、500、800和1000 μm長的懸臂梁，在施加30 mW電功率的情況下，測得的最大激光束掃描范圍分別為11°、17.6°、22.6°和30.1°，與模擬值吻合良好。研究人員測得的最短到最長懸臂梁的平均響應(yīng)時間分別為1.2、2.6、4.1和4.7 ms。

直線型懸臂梁：實驗裝置、遠場模式和時間響應(yīng)

研究人員對L型懸臂梁的縱向和橫向角掃描范圍進行了測量。主臂和副臂的長度分別為500和600 μm。在最大施加功率23 mW下，θ軸和φ軸分別實現(xiàn)了24.0°和12.2°的角轉(zhuǎn)向范圍。在33 ms曝光時間內(nèi)捕獲的輸出光束的相應(yīng)遠場圖像覆蓋了傅立葉空間中約24° × 12°的范圍。通過L型懸臂梁臂掃描“NINT”（研究人員所在的部門名稱）產(chǎn)生的圖像，顯示了其圖像投影的潛力。

L型懸臂梁的表征

據(jù)研究人員所知，所開發(fā)的超緊湊、節(jié)能、單片集成的微懸臂梁是第一個用于可見光譜的無旁瓣2D激光束掃描儀，也是最寬工作波長帶寬>300 THz的激光束掃描儀。所開發(fā)的器件實現(xiàn)了24°× 12°的2D掃描范圍，臂長為約500 μm，驅(qū)動功率僅為46 mW。激光束掃描是在沒有波長調(diào)諧或使用移相器的情況下實現(xiàn)的，共振掃描速率為數(shù)十kHz。在環(huán)境條件下共振掃描10億次后，器件的掃描范圍和功率發(fā)射沒有變化。

總之，這種微懸臂梁集成光子電路為光子波束形成開辟了令人興奮的途徑。該方法將掃描范圍的設(shè)計與光發(fā)射器解耦。懸臂梁易于控制，可以集成在任何具有側(cè)蝕的光子學(xué)平臺中，并且可以放置在芯片內(nèi)的任何地方。微懸臂梁集成光子集成電路可以實現(xiàn)超緊湊和節(jié)能的解決方案，以改變增強現(xiàn)實顯示器、顯微鏡、量子信息處理器和3D映射技術(shù)。

審核編輯：劉清