Photonic intergrated circuits for optical phased array beam steering and remote sensing based on heterodyne detection

Abstract

Photonic integration is a powerful technology for miniaturizing optical devices and systems. Being in the center of research interest for over two decades, photonic integration has made tremendous progress, driven primarily by the information industry's demand for high-bandwidth optical interconnects. However, its maturation has opened the door to new applications in recent years. Remote sensing and ranging applications have gained significant momentum as the next potential mass-market opportunity for photonic integrated circuits (PICs), particularly due to the automotive industry's growing interest in LiDAR. Many different technologies have spawn to address challenges related to high accuracy sensing and fast scanning and develop scalable and cost-effective solutions.Among the various existing integration platforms, silicon nitride (SiN) and polymer-based photonic integration are particularly interesting for remote sensing applications, primarily due to their low loss waveguides and passive components, their wide spectral range of operation, and the high-optical-power handling capabilities. This work leverages these platforms to develop two novel functionalities: optical frequency shifting (OFS) for heterodyne interferometry and two-dimensional laser-beam steering based on optical phased arrays (OPAs). OFS is based on stress-optic index modulation, that offers larger bandwidth than conventional thermo-optic phase shifters, by using lead zirconate titanate (PZT) thin films deposited on top of the SiN waveguides with a wafer-scale process. The OFS PICs are integrated into a NIR laser Doppler vibrometer (LDV) system for non-contact measurements of a vibrating surface. Furthermore, a process for hybrid integration of polymer waveguides on top of the SiN platform is introduced, to combine functionalities from both platforms in a fully compact manner. Optical phased arrays (OPAs) are implemented in the polymer-based technology platform, where multiple waveguiding layers are used to form rectangular apertures at the edge facet of the PICs. Two-dimensional (2D) steering of a NIR laser beam is demonstrated by individual phase control of each OPA channel using thermo-optic phase shifters. Linear aperiodic OPAs with non-uniform emitter spacing are explored to enhance the field of view and reduce control complexity. OPA characterization and calibration aspects are discussed, as well as fabrication considerations for multi-layer polymer PICs. Although the multi-waveguide-layer approach for 2D edge-emitting OPAs has been previously suggested, this work presents the first experimental demonstration of 2D beam steering based on this concept.

Η φωτονική ολοκλήρωση βρίσκεται στο επίκεντρο της ερευνητικής δραστηριότητας για περισσότερο από δύο δεκαετίες, έχοντας σημειώσει αξιοσημείωτη πρόοδο στην κατασκευή ολοκληρωμένων οπτικών συσκευών και κυκλωμάτων, κυρίως λόγω της ανάγκης για οπτικές διασυνδέσεις υψηλού εύρους ζώνης στα δίκτυα επικοινωνιών. Ωστόσο, η ωρίμανση της τεχνολογίας έχει ανοίξει τον δρόμο σε νέες εφαρμογές τα τελευταία χρόνια. Οι εφαρμογές τηλεπισκόπησης έχουν αποκτήσει σημαντική δυναμική ως η επόμενη μεγάλη εμπορική ευκαιρία για τα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (PICs), κυρίως λόγω του ενδιαφέροντος της αυτοκινητοβιομηχανίας για συστήματα LiDAR. Προς αυτή την κατεύθυνση έχουν αναπτυχθεί πολλές τεχνολογίες, με στόχο την αντιμετώπιση προκλήσεων που σχετίζονται με την υψηλή ακρίβεια μέτρησης, τη γρήγορη σάρωση, καθώς και την ανάπτυξη οικονομικά αποδοτικών λύσεων κλίμακας. Μεταξύ των διάφορων τεχνολογιών ολοκλήρωσης, η πλατφόρμα ολοκλήρωσης του silicon nitride (SiN) και η ολοκλήρωση που βασίζεται σε πολυμερή, παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για εφαρμογές τηλεπισκόπησης λόγω των χαμηλών οπτικών απωλειών, την ικανότητα διαχείρισης υψηλής οπτικής ισχύος, καθώς και του φασματικού εύρους λειτουργίας που υποστηρίζουν. Η παρούσα εργασία αξιοποιεί τις δύο παραπάνω πλατφόρμες για την ανάπτυξη δύο νέων λειτουργιών: την μετατόπιση οπτικής συχνότητας (Optical Frequency Shifting - OFS) για ετερόδυνη συμβολομετρία και τη σάρωση μίας οπτικής δέσμης laser στο χώρο με χρήση οπτικών στοιχειοκεραιών (Optical Phased Arrays - OPAs). Για την υλοποίηση κυκλωμάτων μετατόπισης της οπτικής συχνότητας χρησιμοποιούνται λεπτές στρώσεις PZT επάνω από τους κυματοδηγούς SiN για τη διαμόρφωση του δείκτη διάθλασης μέσω του πιεζο-οπτικού φαινομένου, το οποίο προσφέρει μεγαλύτερο εύρος ζώνης σε σχέση με τους συμβατικούς θερμο-οπτικούς διαμορφωτές φάσης. Τα OFS PICs ενσωματώνονται σε ένα σύστημα απομακρυσμένης μέτρησης δονήσεων Laser Doppler Vibrometer (LDV). Επιπλέον, προτείνεται μια διαδικασία υβριδικής ολοκλήρωσης πολυμερικών κυματοδηγών επάνω στην πλατφόρμα SiN για το συνδυασμό των λειτουργιών που υποστηρίζει η κάθε πλατφόρμα σε ένα τσιπ. Οι διατάξεις οπτικών στοιχειοκεραιών υλοποιούνται στην πολυμερική πλατφόρμα, στην οποία χρησιμοποιείται μία προσέγγιση κάθετης ολοκλήρωση για το σχηματισμό πολλαπλών επιπέδων κυματοδήγησης και συνεπώς δισδιάστατων OPAs στην άκρη του τσιπ. Για τη ρύθμιση της φάσης του οπτικού πεδίου σε κάθε κυματοδηγό χρησιμοποιούνται θερμο-οπτικοί διαμορφωτές φάσης χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Επιπλέον, μελετώνται γραμμικές διατάξεις στοιχειοκεραιών με ανομοιόμορφη κατανομή των στοιχείων, για την αύξηση του οπτικού πεδίου (FOV) και τη μείωση της πολυπλοκότητας ελέγχου. Συζητούνται θέματα χαρακτηρισμού και βαθμονόμησης των OPAs, καθώς και παράμετροι κατασκευής των πολύ-επίπεδων πολυμερικών PICs. Η παρούσα εργασία αποτελεί την πρώτη πειραματική υλοποίηση στροφής δέσμης στις δύο διαστάσεις με χρήση PIC πολλαπλών επιπέδων κυματοδήγησης.