激光束扫描（LBS）是许多应用的核心，例如显示器、显微镜、三维映射和量子信息等。将扫描仪缩小到微芯片级别，推动了光学相控阵和焦平面开关阵列的超大规模光子集成电路（PIC）的发展。一个突出的挑战仍然是同时实现紧凑的占位面积、宽波长操作和低功耗。
据麦姆斯咨询报道，近日，德国马克斯·普朗克微结构物理研究所（Max Planck Institute of Microstructure Physics）的研究人员开发了一种满足上述要求的激光束扫描仪。利用嵌入氮化硅纳米光子电路的微悬臂梁，研究人员验证了波长从410 nm到700 nm的宽带一维和二维光束操纵。微悬臂梁的面积超紧凑，约0.1 mm²，功耗约31 - 46 mW，易于控制并能发射单光束。微悬臂梁被单片集成在200 mm硅晶圆上的有源光子平台中。集成微悬臂梁的光子电路使光投影仪得以小型化，从而实现多功能、节能和宽带激光扫描微芯片。
在本项研究工作中，研究人员实现了两种类型的激光束扫描仪设计：（1）直线型MEMS悬臂梁，仅在纵向方向上操纵输出光束；（2）L型单夹悬臂梁，能够通过两个控制电压在纵向和横向方向上操纵光束。在这两种情况下，光在嵌入悬臂梁中的SiN波导中被引导，并在远端终止于输出光栅耦合器。光栅耦合器的宽为10 µm，长为25 µm，由完全蚀刻的150 nm厚的SiN齿组成，周期为440 nm。该光栅耦合器在410 - 700 nm波长范围内的平均损耗为5.2 dB。
微悬臂梁概览
在成像装置中，包括用于创建傅里叶（Fourier）图像的常规透镜，以及用于同时捕获近场和远场图像的分束器。通过在施加功率为0 mW（右波束）和20 mW（左波束）下捕获远场图像的叠加，可视化了四个直线型悬臂梁的转向范围。对于300、500、800和1000 μm长的悬臂梁，在施加30 mW电功率的情况下，测得的最大激光束扫描范围分别为11°、17.6°、22.6°和30.1°，与模拟值吻合良好。研究人员测得的最短到最长悬臂梁的平均响应时间分别为1.2、2.6、4.1和4.7 ms。
直线型悬臂梁：实验装置、远场模式和时间响应
研究人员对L型悬臂梁的纵向和横向角扫描范围进行了测量。主臂和副臂的长度分别为500和600 µm。在最大施加功率23 mW下，θ轴和φ轴分别实现了24.0°和12.2°的角转向范围。在33 ms曝光时间内捕获的输出光束的相应远场图像覆盖了傅立叶空间中约24° × 12°的范围。通过L型悬臂梁臂扫描“NINT”（研究人员所在的部门名称）产生的图像，显示了其图像投影的潜力。
L型悬臂梁的表征
据研究人员所知，所开发的超紧凑、节能、单片集成的微悬臂梁是第一个用于可见光谱的无旁瓣2D激光束扫描仪，也是最宽工作波长带宽>300 THz的激光束扫描仪。所开发的器件实现了24°× 12°的2D扫描范围，臂长为约500 μm，驱动功率仅为46 mW。激光束扫描是在没有波长调谐或使用移相器的情况下实现的，共振扫描速率为数十kHz。在环境条件下共振扫描10亿次后，器件的扫描范围和功率发射没有变化。
总之，这种微悬臂梁集成光子电路为光子波束形成开辟了令人兴奋的途径。该方法将扫描范围的设计与光发射器解耦。悬臂梁易于控制，可以集成在任何具有侧蚀的光子学平台中，并且可以放置在芯片内的任何地方。微悬臂梁集成光子集成电路可以实现超紧凑和节能的解决方案，以改变增强现实显示器、显微镜、量子信息处理器和3D映射技术。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38260-8
延伸阅读：
《半导体光子集成电路（PIC）技术及市场-2022版》
《激光雷达（LiDAR）技术及市场-2022版》
