一种用于集成光学相控阵的电光单元及光学相控阵的制作方法

本发明涉及一种用于集成光学相控阵的电光单元及光学相控阵。属于光通信领域。
背景技术：
：光学相控阵是一种无惯性光束扫描技术，应用这种技术可以对激光光束方向和形状进行精确的控制及定位。与传统相控阵相比，由于光波长比微波波长更小，因此阵元间隔可大幅度减小，以实现相控阵列的高度集成。因此，光学相控阵技术在激光雷达、激光通信、自由空间光通信等领域均有广阔的前景。目前集成光学相控阵多数由级联分束器，多路独立的条形相位控制器及出射天线组成，在阵列维度、规模及扩展性设计方面均有所限制。技术实现要素：针对光学相控阵的具体需求及现有方案存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种模块化的电光单元，由上述大量电光单元组合排布形成的集成光学相控阵，具有二维扫描、易于大规模集成、响应速度快、易于扩展性设计等特点。其中，在每个电光单元中，至少存在一个用于引导光场的光耦合器，一个用于产生谐振峰的微型谐振器，一个控制光场强度及相位的电光控制结构(包含电光作用区及电学连接线)，以及一个将光场发射到空间中的光发射器。本发明的电光单元将相位调节与光场输出在同一单元中实现，从而避免大量单元排布时产生的复杂引线，为大规模集成光学相控阵提供可能。其中，由大量电光单元组合排布形成的光学相控阵，所用到的单元数量可以由几十至几百万个。各电光单元的输入及输出光场强度可以相等也可以不相等，单元之间可以等周期或不等周期排布，单元间距为一微米至五百微米，使得出射光具有足够的空间相干性。进一步地，上述单个电光单元可以实现将输入的相干光进行波长选择、幅度及相位控制、空间光输出的作用。其具有几何尺寸小、填充因子高等特点。其一般线宽为几微米至几十微米，相邻单元间的距离能够满足在特定工作波长下的光学相控阵所需的空间相干要求。其典型结构如附图1所示。进一步地，上述电光单元中的光耦合器可以利用光的隐逝现象，将外部光信号耦合入电光单元中，在某些情况下，也可将电光单元内部光传输波导中的光耦合入微型谐振器中。通过控制光耦合器的长度及耦合距离，可以控制耦合进入的光场比例。进一步地，上述电光单元中的微型谐振器由光传输波导及光学谐振腔组成。光传输波导与光学谐振腔间距在百纳米至几微米之间，同样满足光的隐逝条件，使得光传输波导中的光能够进入光学谐振腔中。在一些实施方案中，腔体为圆环形或椭圆环型。其在一定的耦合条件下，光传输波导的相干光会耦合至光学腔中，特定波长的光会增强，产生谐振峰。并在某些条件下会耦合回光传输波导中，与光传输波导中的原有光场相互叠加作用，使得特定波长下的输出光场强度及相位发生改变。例如由220nm厚的硅材料SOI平台上使1550nm附近波长的相干光实现谐振选择，可采用直径为10μm、宽度为450nm的圆环型谐振器，其谐振点处光场传播如附图2所示。进一步地，上述电光单元中的电光控制结构，一般由电学连接线及电光作用区构成。其中电学连接线将电信号引入电光单元，加载到光电作用区中，利用材料的电光效应，引起光传输波导及光学腔内的光学特性改变。最常见的方法是改变光学腔的谐振波长，从而使特定输入的光波长从谐振峰的一侧转移到另一侧，从而实现电光单元对相干光的波长选择、幅度及相位控制的功能。例如为实现硅材料光学腔的光学性质变化，可在光学腔内外临近区域掺杂III-IV族元素(如硼、磷)，使腔截面呈P-I-N结构。对于220nmSOI加工工艺平台，其可实现的具体截面结构如附图3所示进一步地，上述电光单元中的光发射器，为集成光天线。以实现将光场发射到空间中的功能。在一些实施方案中，该发射器可由聚光型光栅结构实现。与现有技术相比，本发明的积极效果为：1.将光相位控制部分与光空间发射部分集成到一个单元中，减少了单元与单元间的引线排布，便于真正实现光学相控阵的大规模集成。2.利用材料的等离子色散效应等电光效应，与传统的热光或MEMS相位控制方案相比，在物理机理上大大提高了响应速度。同时谐振器由于存在对特定波长的谐振增强，使光透射率比一般的线性电光注入更快的达到可用值，因而使系统的响应速度得以进一步提高。3.由于所述电光单元的输入输出强度及输出相位均可以灵活设计，故以此电光单元构成的集成光学相控阵拥有良好的设计扩展性。附图说明图1为本发明的结构示意图。图2为特定谐振波长下微型谐振器的光场分布图。图3为一种220nmSOI加工工艺下的电光控制结构截面图。图4为特定谐振波长下微型谐振器的谐振功率与波长的关系特性。图5为电光控制结构中电学连接线排布示意图。图6为基于大量所述电光单元的一种集成光学相控阵原理图。图7为上述集成光学相控阵的几种典型波束扫描远场图；(a)行相位差-π，列相位差π；(b)行相位差π，列相位差π；(c)行相位差-π，列相位差-π；(d)行相位差π，列相位差-π。具体实施方式下面对本发明的方案进行进一步详细描述。对于图1给出的电光单元，基于220nmSOI工艺平台，给出本发明的一种具体实施方案：其中光耦合器为基于硅基波导的隐逝波耦合器，耦合器与输入光波导间距为350μm。其完全耦合长度为40μm，3dB的耦合长度典型值为18μm，5dB的耦合长度典型值为15μm。通过半径典型值为5μm的s型波导，使得光能够从外部光波导引导到电光单元中。对于微型谐振器，我们采用环形谐振腔结构。其半径典型值为10μm。根据谐振波长公式：其中λ为谐振波长，R为环形谐振腔的半径，nc为环形谐振腔的有效折射率，m为谐振阶数。在以上工艺参数下，可设计使得1550nm附近恰好落在谐振峰上，满足光纤通信的窗口要求。数值仿真结果显示，该谐振腔谐振峰半高全宽为0.07nm，品质因数Q可达22000。其谐振峰抑制比在15dB以上，完全满足设计需求。其具体谐振功率随波长的关系如附图4所示。对于电光控制结构，其电光作用区可由在本征硅中掺杂硼、磷元素实现。其典型的截面结构为脊型波导的横向P-I-N结构(如图3所示)。电光作用区中间区域的光学腔为本征硅，两侧区域分别掺杂硼(P型掺杂)和磷(N型掺杂)。在外加正向电压的情况下，两侧的多数载流子注入到中间的本征区中，引起本征区有效折射率的变化。由于这种作用是多数载流子的移动，故对折射率影响较为显著，调制效率较高。Δn＝Δne+Δnh＝-[8.8×10-22ΔNe+8.5×10-18(ΔNh)0.8]Δα＝Δαe+Δαh＝8.5×10-18ΔNe+6.0×10-18ΔNh该作用区的响应速度主要由载流子注入稳态时间限制，其典型值为10ns。而由于光学腔较高的品质因数，当载流子注入尚未达到稳态时，其透射光功率已能够满足要求，从而使得有效的系统响应时间可缩短至ns以内。其中的电学连接线由铝金属和氮化钛构成，分为行信号线和列信号线。通过调整两列信号线的电势，可改变电光作用区两侧的电势差，从而改变微型谐振器的谐振特性，使得输入光波长从谐振峰的一侧转移到另一侧，该过程会使得进入光发射器的光强和相位发生改变。例如，设相位改变π时所需要的电势差为Vπ，则进入光发射器的光相位随行、列信号线上电势变化关系如表1：表1为电势变化关系表列电压\行电压Vpi0Vpi00(反偏)0π0从表1中可以看出，通过电光控制结构可以自由设计每个光单元的输出相位。对于光发射器，我们采用聚光型光栅结构。光栅宽度可为0.8μm～15μm，光栅周期可为500nm～750nm，占空比可为30％～70％。其设计耦合功率不低于30％。基于以上电光单元，我们给出一种光学相控阵的实施方案。其具体系统图如图5所示。该结构由32*32＝1024个电光单元组成，每个光单元尺寸为50μm*50μm。整个相控阵系统尺寸约为2mm*2mm。从激光器输入的相干光经级联分束后分成32路，每路通过耦合器连接32个光电单元中的一个光电单元。外加电信号驱动调整各行列信号线上的电势，作用在电光作用区上，经微环谐振器作用，从光发射器输出不同相位的相干光。各路相干光在空间干涉叠加，从而在远场形成特定的波束。通过调节电信号分布，可以形成不同的空间波束指向。几种典型的波束指向如图6所示，图中的二维坐标表示为相邻行列单元的相位差。数值仿真结果表明，该结构的光学相控阵，其主旁瓣抑制比为13dB。主波瓣宽度仅为0.04°，可实现1.78°的视场扫描。当前第1页1 2 3