一种应用于光学相控阵的基于交错刻蚀的多层结构波导光栅天线及其制备方法

1.本发明属于集成光电子器件领域，特别涉及一种应用于光学相控阵的基于交错刻蚀的多层结构波导光栅天线及其制备方法。


背景技术：

2.固态激光雷达可以大幅减小系统体积、重量、功耗和成本，是激光雷达发展的必然趋势。基于硅基光电子技术的光学相控阵促进了集成化固态激光雷达的发展，硅基光电子技术具备的高集成度、与cmos工艺兼容、光电单片集成等特性可以为大规模、低成本量化生产硅基激光雷达芯片提供广阔的前景。
3.光学相控阵的损耗限制了探测距离，波导光栅天线是光学相控阵的一个重要元件，负责将光从波导耦合到自由空间中，当前波导光栅天线普遍存在发射效率不高的问题，因此提高发射光栅的发射效率对于光学相控阵来说是十分重要的。光栅天线向基底方向的辐射会影响发射光栅的发射效率，向上衍射的效率主要由光栅的方向性决定，光栅的方向性定义为向芯片上方耦合的光功率与从波导中耦合出的光功率的比值。因此，高方向性波导光栅天线对提升硅基光学相控阵的探测距离有深远意义。
4.cn112946814a公开了一种用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线及其制备方法，其光栅天线存在方向性不够高，有效发射长度不够长的问题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于光学相控阵的基于交错刻蚀的多层结构波导光栅天线及其制备方法，利用交错刻蚀结构和多层结构，可以实现高方向性和厘米级有效发射长度，解决光栅天线发射效率低的问题。
6.本发明提供了一种应用于光学相控阵的基于交错刻蚀的多层结构波导光栅天线，由下至上包括衬底、波导区和顶部氧化层；所述波导区由下至上包括第一波导层、隔离层和第二波导层；其中，所述第二波导层具有交错设置的深浅沟槽。
7.所述衬底、隔离层和顶部氧化层的材料均为二氧化硅。
8.所述第一波导层的材料为硅；第二波导层的材料为氮化硅。
9.所述第二波导层深沟槽的深度为250-300nm；浅沟槽的深度为150-200nm。
10.所述第一波导层的厚度为50-100nm；第二波导层的厚度为500-550nm。
11.本发明提供了一种应用于光学相控阵的基于交错刻蚀的多层结构波导光栅天线的制备方法，包括：
12.提供一衬底；
13.提供第一波导层，位于所述衬底表面；
14.提供第二波导层，沿垂直于所述衬底的方向设置于所述第一波导层上方，且所述第二波导层中具有通过交错进行深刻蚀和浅刻蚀形成的光栅结构；
15.提供隔离层，位于第一波导层和第二波导层之间；
16.提供顶部氧化层，设置于第二波导层表面。
17.本发明利用深浅沟道控制干扰条件，使两种不同刻蚀深度的沟槽的辐射场在发射方向产生建设性干扰，在基底方向产生破坏性干扰，可以提高方向性。光栅结构与硅波导分离可以控制光栅的发射长度，并且为优化光程长度提供了新的自由度。非对称的多层结构可以作为底部反射器，向衬底方向的辐射在各层界面处被反射。因此通过优化刻蚀深度和波导层厚度等光栅结构参数可以实现波导光栅天线的高方向性。
18.有益效果
19.本发明减少了光向衬底的泄露，提高了光向上发射的比例，进而提高了光栅的发射效率，同时具有有效发射长度长的优点，有助于相控阵列探测距离的提升和高功率输出器件的实现。
附图说明
20.图1为本发明光栅天线的结构截面示意图；
21.图2为本发明光栅天线的结构三维立体图；
22.图3为本发明光栅天线的方向性随波长和波导厚度变化曲线；
23.图4为本发明光栅天线的光栅方向性-1db带宽；
24.图5为本发明光栅天线的近场电场强度；
25.图6为本发明光栅天线的近场电场强度拟合；
26.图7为本发明光栅天线的1500nm和1600nm波长下的远场投影；
27.图8为本发明光栅天线不同波长处的远场归一化和角度；
28.元件标号说明：
[0029]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
衬底；
[0030]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一波导层；
[0031]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
隔离层；
[0032]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二波导层；
[0033]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
顶部氧化层。
具体实施方式
[0034]
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0035]
实施例1
[0036]
由图1和图2所示，本实施例提供一种应用于光学相控阵的基于交错刻蚀的多层结构波导光栅天线，由下至上包括衬底1、波导区和顶部氧化层5；所述波导区由下至上包括第一波导层2、隔离层3和第二波导层4；其中，所述第二波导层4具有交错设置的深浅沟槽。所述衬底1、隔离层3和顶部氧化层5的材料均为二氧化硅。所述第一波导层2的材料为硅；第二波导层4的材料为氮化硅。本实施例中，所述第二波导层4深沟槽的深度为260nm；浅沟槽的
深度为180nm。所述第一波导层2的厚度为90nm；第二波导层的4厚度为540nm。
[0037]
本实施例还提供了一种应用于光相控阵的基于交错刻蚀的多层结构波导光栅天线的制备方法，包括：
[0038]
提供一衬底1；
[0039]
提供第一波导层2，位于所述衬底1表面；
[0040]
提供第二波导层4，沿垂直于所述衬底1的方向设置于所述第一波导层2上方，且所述第二波导层4中具有通过交错进行深刻蚀和浅刻蚀形成的光栅结构；
[0041]
提供隔离层3，位于第一波导层2和第二波导层4之间；
[0042]
提供顶部氧化层5，设置于第二波导层4表面。
[0043]
本实施例第一波导层在厚度为90nm时可以实现超过94％的方向性(图3)，在1550nm中心波长附近光栅-1db带宽达到了287nm(图4)，为通过扩大扫描波长范围来增大光束偏转角度的方法提供了空间。50μm长度光栅的近场分布(图5)，光栅与波导分离的结构提供了可控的微扰强度，从而实现了厘米级发射长度(图6)，有效发射长度达到了厘米级，从而保证了很小的发散角。光栅在1500nm和1600nm处的远场图(图7)，在1500nm到1600nm波长扫描范围，空气中远场偏转角大于11
°
(图8)。因此，该器件方向性高、有效发射长度长、远场偏转角合适，在硅基光学相控阵中可以实现很好的应用。


技术特征：
1.一种应用于光学相控阵的基于交错刻蚀的多层结构波导光栅天线，由下至上包括衬底(1)、波导区和顶部氧化层(5)；其特征在于：所述波导区由下至上包括第一波导层(2)、隔离层(3)和第二波导层(4)；其中，所述第二波导层(4)具有交错设置的深浅沟槽。2.根据权利要求1所述的光栅天线，其特征在于：所述衬底(1)、隔离层(3)和顶部氧化层(5)的材料均为二氧化硅。3.根据权利要求1所述的光栅天线，其特征在于：所述第一波导层(2)的材料为硅；第二波导层(4)的材料为氮化硅。4.根据权利要求1所述的光栅天线，其特征在于：所述第二波导层(4)深沟槽的深度为250-300nm；浅沟槽的深度为150-200nm。5.根据权利要求1所述的光栅天线，其特征在于：所述第一波导层(2)的厚度为50-100nm；第二波导层(4)的厚度为500-550nm。6.一种应用于光学相控阵的基于交错刻蚀的多层结构波导光栅天线的制备方法，包括：提供一衬底(1)；提供第一波导层(2)，位于所述衬底(1)表面；提供第二波导层(4)，沿垂直于所述衬底(1)的方向设置于所述第一波导层(2)上方，且所述第二波导层(4)中具有通过交错进行深刻蚀和浅刻蚀形成的光栅结构；提供隔离层(3)，位于第一波导层(2)和第二波导层(4)之间；提供顶部氧化层(5)，设置于第二波导层(4)表面。

技术总结
本发明涉及一种应用于光学相控阵的基于交错刻蚀的多层结构波导光栅天线及其制备方法，由下至上包括衬底(1)、波导区和顶部氧化层(5)；所述波导区由下至上包括第一波导层(2)、隔离层(3)和第二波导层(4)；其中，所述第二波导层(4)具有交错设置的深浅沟槽。本发明减少了光向衬底的泄露，提高了光向上发射的比例，进而提高了光栅的发射效率，同时具有有效发射长度长的优点，有助于相控阵列探测距离的提升和高功率输出器件的实现。和高功率输出器件的实现。和高功率输出器件的实现。


技术研发人员：伯扬 蔡艳 王金玉
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：2022.06.16
技术公布日：2022/10/20