集成在MEMS悬臂梁上的有源光学相控阵

原创 MEMS 2024-06-14 00:02

三维(3D)传感对于机器在复杂动态环境中的运行和交互至关重要。固态光束扫描装置被视为在传感范围、分辨率、刷新率和成本方面实现所需系统技术指标的关键。在硅晶圆上制造的集成光学相控阵(OPA)是一种潜在的解决方案,但目前具有系统级性能的演示装置依赖于昂贵的宽范围可调谐激光器。

据麦姆斯咨询报道,近日,法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学(Univ. Grenoble Alpes)的研究团队将氮化硅(SiN)光子学和微机电系统(MEMS)技术相结合,展示了有源光子光束操控与压电驱动微悬臂梁的集成。光学相控阵在波长为905 nm的情况下工作,可在一个维度上提供17°范围内的输出光束扫描,而整个集成光路的倾角以及输出光束在第二维度上的角度可以使用压电执行器在高达40°的范围内独立调整。集成有源光子学和压电驱动硅MEMS技术的结合实现了单波长二维光束操控,有望为低成本、基于OPA的固态激光雷达(LiDAR)系统奠定基础。上述研究成果以“Active optical phased array integrated within a micro-cantilever”为题发表于Communications Engineering期刊。

图1a显示了集成在MEMS悬臂梁上的OPA的3D示意图。16通道1D-OPA(为清晰起见,仅显示4个通道)设计为在λ = 905 nm下工作,与商用硅基光电探测器技术兼容。输出光栅的间距d为3 µm。OPA光路基于单模氮化硅波导(传播损耗~1 dB/cm),由一个输入光栅耦合器(插入损耗~ 5 dB)波导分路器树构成,该树由4排1 × 2功率分路器(每个分路器插入损耗~ 0.1 dB)构成,将输入光功率均匀分配给16个波导。接着,每个波导中的光相位由热相位调制器(TPM)阵列单独调制。然后,每个光通道由浅(20 nm)蚀刻光栅终止,该光栅将每个波导的光衍射到自由空间。光纤到自由空间的总插入损耗估计约为8 dB。除了在光子芯片的固定部分制造的光和电输入之外,OPA光路的所有上述元件都嵌入可弯曲的弹性悬臂梁中,其厚度约为tCL = 11 µm,宽度约为wCL = 400 µm,长度约为lCL = 2900 µm,如图1b中的俯视图所示。

图1c显示了层结构主要元件的示意横截面。图1d显示了悬臂梁TPM部分的扫描电子显微镜(SEM)横截面图像。该图显示了集成光路的关键元件:SiN波导(以蓝色突出显示)、氮化钛(TiN)线和在相邻波导之间提供热隔离的充气空隙,以及叠加的PZT层。图1e显示了包含已制造器件的完整200 mm晶圆。


图1 集成在MEMS悬臂上的OPA及其特性

在未向PZT执行器施加电压的情况下,研究人员验证了光子光路的功能。图2a展示了配置 OPA时获得的图像,此时0阶主光束ϕ0的中心位置为ϕ = 0°。测得主光束ϕ的发散角为Δϕ = 1.2°(从图2b中的高斯拟合(蓝线)中提取),接近理论值1.25°。图2c显示了在−10° < ϕ0 < 10°的窗口内以2°为步长校准的主光束的OPA发射强度分布。每条线的颜色对应不同的ϕ0值。


图2 输出光束特性和OPA光束操控

光束在θ方向的强度分布如图2d所示。发射峰值位于相对于晶圆表面法线的θ = 20°处。光束的发散角为Δθ = 0.65°。与放置在固定晶圆表面(而非悬臂梁上)上的相同OPA的θ光束强度分布(图2e)相比,发射角θ = 4°和发散角Δθ = 0.15°均存在明显差异,这两者都大致符合预期的天线行为。


图3 使用准静态悬臂梁模式的2D光束操控

虽然在准静态模式下,所能达到的光束θ值范围受到PZT层介电击穿的限制,但在动态模式下,通过施加正弦电压VPZT(t) = Vmax(1+sin(2πft))/2使悬臂梁进入谐振模式,可获得更大的θ值。图4a显示了对于Vmax = 4 V时,发射角变化幅度Δθ与激励频率f的关系。

当激励频率固定在f0 = 1.52kHz时,可从图4b中看到Δθ随Vmax的变化情况。对于Vmax = 6 V,Δθ ~ 20°,远大于在准静态模式(f = 0 Hz)下观察到的值。在f0下观察到的Δθ最大值接近42°,此时Vmax为16V。通过同步施加到PZT层的正弦电压和施加到OPA电极的电压,研究人员对OPA光束进行了光栅扫描。图4c显示了使用频闪捕捉方法获得的相机图像的合成图像。


图4 使用谐振悬臂梁模式的2D光束操控

综上所述,通过在压电驱动悬臂梁内集成有源1D-OPA光子集成光路,这项研究演示了单波长连续二维光束操控技术。这种现有硅光子学和MEMS技术的集成完全基于成熟的工业级200 mm硅晶圆加工工艺,保留了基于OPA的单一维度光束操控的所有优势,同时避免了使用宽范围可调谐激光器在第二维度上扫描光束的必要性。单波长工作将简化OPA激光雷达的所有元件,从而显著降低系统复杂性和成本。更普遍地说,将复杂的光子光路集成到基于压电驱动的可移动表面上,为集成传感器设计提供了新型架构的可能性。

论文链接:
https://doi.org/10.1038/s44172-024-00224-1

MEMS 中国首家MEMS咨询服务平台——麦姆斯咨询(MEMS Consulting)
评论 (0)
  • ADB(Android Debug Bridge)是Google提供的命令行工具,用于帮助开发者与安卓设备进行通信。它在安卓应用开发和设备管理中非常重要,因为它可以帮助开发者安装、调试和卸载应用,访问设备文件系统,以及获取设备日志等。通过ADB,开发者能够在多种测试场景中模拟用户操作,优化应用性能和用户体验。 要使用ADB,首先需要确保电脑已安装ADB驱动,并且手机已开启USB调试模式。在Windows系统中,通常不需要手动下载ADB驱动,因为Windows 8/10/11已经自带了相应的驱动
    丙丁先生 2024-07-15 07:27 47浏览
  •     PCB表面绝缘电阻(SIR, Surface Insulative Resistance)有IPC和Bellcore GR78-CORE两个主要标准。    IPC-TM-650 方法2.6.3.7 是针对SIR的。这个标准的英文版本可以免费从IPC官网下载获得。IPC(国际电子工业联接协会)是PCB标准化主要组织。    这个测试方法针对PCB裸板(即安装元器件之前的PCB),而且是使用IPC推荐的测试板/图案(Vehicle
    电子知识打边炉 2024-07-14 22:07 38浏览
  •   读报见文《中国的AI价格战和“不知道怎么用AI”的日本人 - FT中文网》  如题,好奇,中日两国对AI表现怎么是这样呢?  我人在中国,看新闻与现实,“中国的AI价格战”不足为奇。  没去过日本,只有看新闻,好奇的是日本人“不知道怎么用AI”?  第一想到的是日本不是很早就搞机器人了吗?  百度看看,日本什么时候开始使用机器人?  日本在20世纪80年代开始在各个领域推广使用机器人。日本将1980年称之为“机器人普及元年”。到了1985年以后,日本进入了被称为“智能机器人的时代”。  智能
    自做自受 2024-07-13 22:40 178浏览
  • “颠覆与涅槃,颠覆自我与重新涅槃,让企业在变革中更完美的蜕变。”这是小鹏汽车董事长兼CEO何小鹏,在2024年开年时候说的话。如今2024年已经过去了一半,小鹏汽车的处境,似乎并没有变得更好,反而是状况不断。据不完全统计,近一年来,从小鹏汽车离职的高管团队,并不在少数。从此前宣布加入英伟达的智驾负责人吴新宙,到后面的AI负责人刘兰个川(Patrick)、软件负责人Parixit Aghera,再到此次离职的矫青春,小鹏汽车近一年都处于内部动荡之中。而在这种动荡之外,小鹏汽车也正在经历一场“冰与火
    刘旷 2024-07-15 09:56 54浏览
  •     丝印层(Silkscreen Layer)位于PCB的外表面,采用白色或者其他颜色的墨水(ink)制作,没有电气特性。    丝印层得名于制造它所用的Silkscreen工艺。这个工艺很像创作版画,或者给T恤上做装饰图:先在一个网板(stencil)上刻划出图案,然后用辊子涂刷墨水,让墨水透过网板附着在PCB上,然后用紫外线或者加热的方式使墨水固化。    丝印层主要起指示作用。丝印层上面的字符、指示线可以直观地告诉观察PCB的
    电子知识打边炉 2024-07-13 14:27 21浏览
  • 概述 SiPM测试系统的信号处理板使用了ADI的单片4通道的高速差分ADC信号,所以FPGA需要通过LVDS接口来收取差分高速ADC送出的差分串行数据。 本文讨论FPGA如何例化LVDS模块,以及几种用来收取外部ADC采样后送来的高速差分串行数据。10代器件LVDS实例化界面 在Intel的10代器件中有Arria、Cyclone、MAX以及Stratix几种,我们使用的是Cyclone系列10代GX产品。图1:LVDS模块例化界面 如图1所示为LVDS例化界面,具体使用方法可以参考1“LVDS
    coyoo 2024-07-14 12:25 100浏览
  •     PCB上不同电气网络的连线之间,要有绝缘间隙(Clearance)和爬电距离(Creepage Distance)。画过PCB的朋友都知道,原理图上的电气连线(Wire)对应PCB Layout上的电气连线,PCB Layout上的电气连线对应铜导线。铜导线是在PCB覆铜层上,利用掩模(mask)和化学蚀刻(Etching)的方法,把PCB Layout上的铜导线部分留下,并去除非导线部分而做出来的。不同电气网络的连线中间要足够绝缘,足够干净,否则轻则漏电,重则短路。
    电子知识打边炉 2024-07-14 16:06 30浏览
  • UAVDT数据集是一个专为无人机图像检测而设计的数据集,其特点包括丰富的标注和多样化的场景,对无人机图像处理领域的研究具有重要的价值。 UAVDT(Unmanned Aerial Vehicle for Detection and Tracking)数据集是为了在无人机图像中进行目标检测和跟踪研究而创建的。这个数据集主要由从无人机捕获的高清视频序列组成,涵盖了各种环境和场景,如城市、乡村、森林和海边等。 在UAVDT数据集中,图像主要包括小型车辆、行人和自行车等类别的目标,这些目标在图像中被
    丙丁先生 2024-07-15 07:33 56浏览
  •     这篇分享对PCB电化学迁移(ECM, Electrochemical Migration)的学习。     ECM发生在导体之间,是一种需要PCB通电才能持续的电化学反应,和电镀的原理相同。反应条件是:     1. 有电场。存在电位差/电压降,一般来说电位差/电压降越大,电化学反应的速度越快。     2. 有可溶性电解质和溶剂,这个和化学腐蚀机理相同。     3. 有迁移通道。即电荷
    电子知识打边炉 2024-07-14 17:40 32浏览
  •     这篇分享对化学腐蚀/离子迁移的学习。    化学腐蚀的本质是氧化还原反应,即原电池。反应条件是:     1. 有可溶性电解质。电解质可能来自PCB的电镀或清洗工序,也可能来自残留的助焊剂(flux)。常见的有氯离子(有卤flux、汗液、盐雾)、酸(flux的酸);     2. 有溶剂。常见的是水(湿气),也可以是有机溶剂。树脂材料内部会吸附湿气,PCB加工过程有湿气,质量差的孔内壁会吸附湿气,V-cut分
    电子知识打边炉 2024-07-14 17:07 37浏览
  • 在+24V输入增加了软起电路和防反接电路,先看电路原理图,如下,防反接电路的原理一目了然,G极达到Vth值,U28和U5就会导通,电流从D极导通到S极,详细规格书见下面。VDS,RDS(on)和ID很重要,如下,之前选的这款为何还是有问题呢,可以从温度和电压电流的应力入手,考察U28的软起参数是否合理。首先,看一看之前测的温度参数,用K型线的热电偶点的,如下,充电的时候,U28温度达到了123℃,如下,放电的时候,U28温度达到了120℃,如下,从上面的数据看,这样的U28温度,我们是接收不了的
    liweicheng 2024-07-13 19:06 38浏览
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦