一种基于热光调制的光波束形成网络芯片及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于波束形成网络器件技术领域，尤其属于微纳米器件领域，具体涉及一种基于热光调制的光波束形成网络芯片及其制备方法。
【背景技术】
[0002]相控阵雷达又称作相位阵列雷达，可通过改变雷达信号的相位来改变波束指向方向，与机械扫描雷达相比，相控阵雷达波束指向灵活、精度高、扫描效率高、自适应及抗干扰性能强，具有更高的可靠性。
[0003]波束形成器是相控阵雷达天线的核心器件，通过波束形成器控制相控阵雷达天线方向图的最大值指向，从而实现相控阵雷达波速扫描，其性能很大程度上决定了相控阵雷达的技术性能。由于渡越时间和孔径效应等诸多因素的限制和制约，传统电域上基于移相器的相控阵天线难以得到理想的信号带宽，限制了相控阵雷达性能的提升。为了实现相控阵雷达宽带宽角度扫描，应在阵列天线的各单元或各子阵级别上使用实时延时线取代移相器，从而避免波束斜视的出现。然而对于采用金属波导或同轴电缆构成的延时线，在制作大型相控阵天线时，需要的金属波导或同轴电缆长度较长，信号衰减大。利用现代光电子技术改进现有微波天线系统，可以大幅缩减器件的体积及重量，提高器件性能。其中光控波束形成技术是微波光子学的重要研宄领域，也是相控阵雷达和下一代无线通信中智能天线的核心技术，它通过控制阵列中各微波链路的相位差或延时差，使各微波辐射源的辐射场在远场的特定方向产生干涉极大，达到定向发射(或接收)的目的，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、带宽大、无波束倾斜等优点。
[0004]在光控波束形成器中，产生延时的主要方法是延长光路。但延长光路需要将光纤或波导等在空间绕行排布，其系统体积比较大，结构也较为复杂。而对于机载或星载相控阵天线来说，降低天线的体积及重量，就可以在有限的空间及载重条件下放入阵列单元更多的天线，可以大幅度的提高相控阵雷达的性能指标。应用慢光效应设计制备光控波束形成器是解决上述问题的有效途径。慢光效应通过降低电磁波传播速度来实现光实时延时，相对延长光路的方法其结构更为紧凑，体积更小、重量更轻。将延时线与光开关等光电器件结合，甚至可以将光控波束形成器集成到芯片上，实现阵列天线单元的芯片化，符合新一代相控阵雷达天线小型化、轻型化、集成化的发展趋势。
[0005]光子晶体慢光波导归根结底是通过制作人工微结构产生强烈的散射，并在光子带隙中引入慢光导模，从而实现光速减慢的。利用相对简单光子晶体慢光波导的结构，可在较小的器件尺寸下实现光速几十甚至几百分之一的减慢。光子晶体结构慢光效应的实现对外部环境没有特殊要求，常温下就能实现。利用光子晶体波导的慢光特性，可实现光延时的功能。同时，光子晶体基本尺寸在光的波长量级，光子晶体波导器件一般处于微米量级，这使得高度集成甚至实现芯片级光控波束形成变为可能。
[0006]基于光子晶体慢光波导的光控波束形成器有望在数百个平方微米的大小下，实现对波束形成器各支路延时量高精度连续可调。相对比利用波导谐振腔及光纤绕行排布技术的波束形成器，具有体积更小、集成度更高、精度更高的优点。光子晶体慢光波导在相控阵雷达天线波束形成器上具有广阔的应用前景，尤其是对体积及重量较为敏感的星载及机载相控阵雷达，基于光子晶体慢光波导的光控波束形成器仪器具有更为紧凑的结构、更小的体积以及更轻的重量，有望在小型化及轻型化的雷达革命中扮演重要的角色。另外，光子晶体慢光波导光控波束形成器还可以广泛应用于移动通信智能天线，在无线移动通信领域也具有重要的潜在应用前景。
[0007]然而，光子晶体慢光波导的延时调制机制较为复杂。对于常见的光子晶体结构，如空气孔结构和介质柱结构，要想在光子晶体结构表面制备热电极则必须在器件表面制备上包层，而对于上述结构，制备上包层后难以实现表面的高平整度，对制备的热光电极加热效率及牢固度有极大的影响。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题是提出一种应用于相控阵雷达及智能天线的集成度高、重量轻、功耗低的基于热光调制的光波束形成网络芯片及制备方法。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:
一种基于热光调制的光波束形成网络芯片，由自下而上的硅衬底层4、二氧化硅埋层
2、光波传导结构层和热光调制结构层依次叠加而成。
[0009]所述光波传导结构层，包括入射親合光栅块10、入射端光波导体9、第一光子晶体慢光波导7、第一出射端光波导体17、第一出射耦合光栅块11、第二光子晶体慢光波导8、第二出射端光波导体18、第二出射耦合光栅块16和热光调制结构层衬底块15。其中，入射耦合光栅块10的输出端与入射端光波导体9的输入端相连接。入射端光波导体9近似呈Y形。入射端光波导体9的输出端分别与第一光子晶体慢光波导7的输入端、第二光子晶体慢光波导8的输入端相连接。第一光子晶体慢光波导7的输出端经第一出射端光波导体17与第一出射耦合光栅块11的输入端相连接。第二光子晶体慢光波导8的输出端经第二出射端光波导体18与第二出射耦合光栅块16的输入端相连接。在第一光子晶体慢光波导7的外侧、第一光子晶体慢光波导7与第二光子晶体慢光波导8之间、第二光子晶体慢光波导8的外侧均设有热光调制结构层衬底块15。
[0010]所述光波传导结构层，包括回形热光电极12、负电极块13和正电极块14。其中，在第一光子晶体慢光波导7两侧的热光调制结构层衬底块15上设有一对回形热光电极12。在第二光子晶体慢光波导8两侧的热光调制结构层衬底块15上设有另一对回形热光电极12。前述四个回形热光电极12的一端均与负电极块13连接在一起，所述回形热光电极12的另一端分别与一个正电极块14相连接。所述的负电极块13与正电极块14均设置在热光调制结构层衬底块15上。
[0011]本发明所述光子晶体热光调制波束形成网络芯片的制备方法，按如下步骤进行: 步骤1、取一块SOI基底，通过光刻工艺在其上制备光子晶体慢光波导、光波导及耦合光栅的结构。
[0012]步骤2、通过热蒸发工艺，在完成步骤I的SOI基底上制备铬材料的热光电极。
[0013]步骤3、通过热蒸发工艺，在完成步骤2的的SOI基底上的热光电极表面制备正负电极Pad顶层金薄膜。
[0014]进一步说，本光子晶体热光调制波束形成网络芯片的制备方法具体如下:
步骤1、取一块SOI基底，通过光刻工艺在其上制备光子晶体慢光波导、光波导及耦合光栅的结构。
[0015]步骤1.1取一片SOI基底进行清洁处理，所述SOI基底的顶部硅层厚度为220nm，中间的二氧化硅埋层厚度为3 μ m，其底部的衬底硅厚度为600 μ m。
[0016]步骤1.2在经过步骤1.1清洁处理的SOI基底上制作一层厚度为2-3 μ m的光刻胶膜。
[0017]步骤1.3将经过步骤1.2涂覆光刻胶膜基底放入烘箱中前烘。
[0018]步骤1.4对经过步骤1.3前烘处理的光刻胶薄膜进行深紫外曝光。
[0019]步骤1.5经过显影、坚膜等工艺流程，在经过步骤1.4曝光处理的SOI表面制作出光刻胶掩模结构。
[0020]步骤1.6 通过等离子体刻蚀(Inductively Coupled Plasma etching，ICP)技术，在经步骤1.5处理所得到的具有光刻胶掩模结构的SOI的表面制作感应耦合模块、以及光子晶体热光调制波束形成网络芯片主体结构，补充地说，本步骤中的刻蚀深度为220nm。
[0021]步骤1.7将经过步骤1.6所述等离子刻蚀处理的SOI表面的光刻胶去除，得到光子晶体热光调制波束形成网络芯片主体结构，及本发明所述的自下而上的硅衬底层4、二氧化硅埋层2和光波传导结构层。
[0022]步骤2、通过热蒸发工艺，在完成步骤I的SOI基底上制备铬材料的热光电极。
[0023]步骤2.1在步骤1.7制备好光子晶体热光调制波束形成网络芯片主体结构的SOI基底上制备一层厚度为10nm的光刻胶薄膜。
[0024]步骤2.2将步骤2.1制备完成的结构进行前烘。
[0025]步骤2.3对制备好的光刻胶薄膜进行曝光。
[0026]步骤2.4经过显影、坚膜后，得到掩膜结构。
[0027]步骤2.5应用热蒸发工艺制备200nm后的铬薄膜。
[0028]步骤2.6对步骤2.5制备完成的覆盖有铬薄膜的基底应用剥离工艺将没有电极图形区域的铬薄膜剥离，得到铬材料热光电极结构。
[0029]步骤3、过热蒸发工艺，在完成步骤2的SOI基底上的热光电极表面制备正负电极Pad顶层金薄膜。
[0030]步骤3.1将步骤2.6制备完成的覆盖有铬热光电极的基底重复第二步相关工艺，得到覆盖于正负电极