一种光学相控阵波导阵列的制作方法

1.本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种光学相控阵波导阵列。


背景技术：

2.光学相控阵是一类通过调控各通道间相位，实现光束定向发射、扫描或接收的光集成器件，其中，含有天线的波导阵列是光学相控阵的重要组成部分，用以定向发射光束。
3.一般而言，要将芯片内的导波光定向辐出为芯片外的空间光，需要依赖设置在波导阵列内的天线结构；天线结构一般设置在各波导表面、两侧或末端，也可设置于临近波导的位置。在实际应用中，为使发射的光束在扫描方向上具有尽量小的发散角和尽量大的有效视场角，要求波导阵列中各波导及天线紧凑排列。然而，介质波导并不会将光场完全束缚在波导芯层内，而是存在部分光场分布在波导周围，以隐失波的形式存在，这一现象在特征尺寸为亚波长的波导上尤其显著。当各波导紧凑排列时，隐失波可能进入相邻波导中，导致各通道内光场的振幅/相位发生混乱，引起严重的串扰。特别地，天线将导波光辐出到空间时，辐出光也可能进入其他通道中，会进一步加剧串扰。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供一种光学相控阵波导阵列。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
5.本发明采用如下技术方案：
6.本发明提供一种光学相控阵波导阵列，该波导阵列包括：若干交替排列的波导及间隔层，且所述间隔层上集成有天线。
7.进一步的，所述间隔层包括：至少一个亚波长薄层，且所述亚波长薄层沿波导阵列导光方向进行延伸布置。
8.进一步的，所述天线集成在与所述波导相邻的亚波长薄层上，且集成在面向所述波导的一侧。
9.进一步的，所述天线由周期、准周期或非周期的散射结构组成。
10.进一步的，位于该波导阵列两侧边缘位置的间隔层包括：一个亚波长薄层，且该位于边缘位置的亚波长薄层在面向所述波导的一侧集成有天线。
11.本发明所带来的有益效果：
12.1.本发明将天线集成在间隔层内，相较于现有方案，本发明提出的波导阵列合理利用了光学相控阵芯片的空间，将集成了天线的间隔层设置在波导间隔内，既承担定向辐出光束的功能，又能降低通道间的串扰，有助于实现有效视场角大、光束发散角小、通道间串扰低的光学相控阵；
13.2.本发明的结构设计支持将波导阵列的各结构在芯片的同一层以相同材料和相
同刻蚀深度实现，工艺简单稳定，性价比高。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
15.图1是本发明光学相控阵波导阵列的结构示意图；
16.图2是本发明位于非边缘位置处的间隔层的其中一种构成方式示意图；
17.图3是本发明位于非边缘位置处的间隔层的另一种构成方式示意图；
18.图4是本发明位于边缘位置处的间隔层的构成方式示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
20.如图1-4所示，本发明提供一种光学相控阵波导阵列，在本发明各附图中，一个实线框表示一个具体的结构单元，例如一条波导、一个亚波长薄层、一个由亚波长薄层和多个天线集成的链锯状结构等；虚线框表示具有完整功能的组件，可能内含一个或一系列具体的结构。
21.本发明的波导阵列10具体包括：若干交替排列的波导1及间隔层2。
22.波导1，用于连接前置结构3和后置结构4，输入光在各波导构成的通道内以导波光的形式传播。前置结构3具有分束、偏振控制、调幅、调相等一系列功能，后置结构4具有测量、反馈、衰减等功能。在一些可选的实施例中，后置结构4不是必需的。以上所提到的前置结构3与后置结构4均为现有技术，本发明不再赘述。
23.间隔层2，用于将波导阵列中各通道内传播的导波光辐出到空间中，并隔离各通道间的串扰。
24.间隔层2上集成有天线6。具体的，间隔层2包括：至少一个亚波长薄层5，且亚波长薄层5沿波导阵列导光方向进行延伸布置。天线6集成在与波导1相邻的亚波长薄层5上，且集成在亚波长薄层5面向波导1的一侧。
25.如图1所示，在靠近相邻的波导1处，各有一个链锯状结构231，即一列天线6与一个亚波长薄层5相结合以形成链锯状结构231，两个链锯状结构231之间设置有一个亚波长薄层5，即相邻两个波导1之间具有三个亚波长薄层5，只有与波导1临近的亚波长薄层5上集成天线6，且在面向波导1的一侧集成天线6。为提高隔离效果，可在两个链锯状结构231之间设置若干个亚波长薄层5。天线6将分布在临近的波导1周围的隐失波散射，最终实现将导波光定向辐出到空间；亚波长薄层5限制隐失波的范围以及减少辐出光进入引导其他通道的波导，以实现串扰的抑制。如图1所示，在波导1靠近边缘位置的一侧，为一系列波导1与间隔层2交替排列的结构21。
26.如图2所示，展示了其中一种位于非边缘位置处的间隔层的构成形式，包含两个链
锯状结构231，可以视为两个亚波长薄层5构成了间隔层，且在亚波长薄层5面向波导1的一侧集成天线6，且两个链锯状结构231之间不再布置其他亚波长薄层，这一构成形式可以适用于需要降低波导间距的应用情景，相比于图1的局部所示构成形式，提高了波导阵列的集成密度，增大了有效视场角，减小了光束发散角。
27.如图3所示，展示了另一种位于非边缘位置处的间隔层的构成形式，包含双侧链锯状结构234，可视为一个亚波长薄层5构成了间隔层，且在亚波长薄层5的两侧均集成有天线6，适用于需要进一步降低波导间距的应用情景，相比于图2所示构成形式，进一步地提高了波导阵列的集成密度，增大了有效视场角，减小了光束发散角。
28.上文中，非边缘位置是指间隔层2两侧均设有波导，相对应的，位于边缘位置的间隔层是指当前间隔层只有一侧布置有波导，另一侧为波导阵列的边缘，即波导阵列的两侧均以一个间隔层作为边缘，其构成与位于阵列非边缘位置处的间隔层有差异。
29.如图4所示，着重展示了位于边缘位置处的间隔层的构成形式。位于波导阵列两侧边缘位置的间隔层包括：一个亚波长薄层5，且该位于边缘位置的亚波长薄层5在面向波导1的一侧集成有天线6。具体的，在波导间隔层交替结构25的两侧分别设有一个链锯状结构231，可视为一组天线和一组亚波长薄层构成，此时，使用链锯状结构代替不含间隔层的天线，是为了提高边缘波导引导的光学通道中导波光受散射的对称性。
30.波导间隔层交替结构25是指波导1与间隔层2交替排列的结构，波导间隔层交替结构25中的间隔层2即为位于非边缘位置处的间隔层。
31.本发明不对间隔层2和波导1的具体数目进行限制，但是一般而言光学相控阵中的波导数目应大于4。
32.天线6由周期、准周期或非周期的散射结构组成。具体的，天线6可以是依据布拉格散射条件设计的周期性结构，或利用优化算法设计的准周期性、非周期性结构。天线6的几何形状包括而不限于长方体、圆柱等常见几何结构，或根据优化算法得到的其他同时具有合理工艺性以及散射功能的形状，或使用不同材料交替组合成栅状实现。进一步地，不同间隔层内的天线，或同一间隔层内的两组天线，既可以采用相同的方式和结构参数实现，也可以采用不同的方式或不同的结构参数实现。考虑到长方体是经过多种光子集成器件设计检验的天线几何设计，且易于与亚波长薄层结合，本发明优选地采用长方体天线以及长方体天线和亚波长薄层组合成的链锯状结构进行叙述，但是不应认为选取其他天线构成形式的设计背离此专利的保护范围。
33.以上所述的光学相控阵波导阵列，可以基于各常见芯片平台上实现，包括而不限于硅、氮化硅、铌酸锂、聚合物等。同时，所使用的若干波导，可以是条形、脊形、复合结构等形状的波导。优选地，考虑到加工的简便性，可以在同高度的一种介质材料层上，利用一次“光刻-刻蚀”工艺制备高度相同的波导、天线和亚波长薄层。但是，本发明所提出的光学相控阵波导阵列中，波导、天线、间隔层等子结构，亦可以由不同材料构成，亦可以具有不同的高度，或各个子结构对应不同刻蚀深度。同时，本发明优选地采用了多个波导以一维排列组成波导阵列的形式进行描述，但是不应认为选取其他波导组合形式，如二维排列、环形排列、星形排列等的设计背离此专利的保护范围。
34.导波光在波导阵列中的通道并不局限于各波导内部，也包括了各波导周围的区域。一般而言，大部分能量集中于波导内，而小部分能量分布于波导外。导波光分布于介质
波导外的部分又被称为隐失波，隐失波强度随距离波导的空间距离增大而衰减，在没有特殊的设计时，隐失波主要分布在波导附近一个到数个波长以内的距离。当这个距离内有其他波导时，隐失波可能耦合到其他波导内，造成通道间的串扰，影响光学相控阵的性能。当这个距离内有散射体等能扰动光场的结构时，这些结构能将隐失波散射到空间中，将导波光辐出到空间。辐出的空间光在进入其他波导时，也会引起通道间串扰。本发明通过合理的设计，在波导1间引入间隔层2，使得波导1与间隔层2形成交替排列的结构，并在间隔层2的亚波长薄层5上集成天线6，由天线6实现导波光的定向辐出，即由天线6散射各自临近通道中波导两侧的隐失波，由亚波长薄层5抑制隐失波和辐出光引起的通道间串扰。
35.本发明在减小波导阵列中各波导的间距的同时严格控制各通道串扰，将天线紧凑地集成在波导1周围的间隔层2上，不仅充分利用芯片上空间紧凑排列各功能单元，便于实现大的有效视场角以及光束扫描方向上小的光束发散角；还具有天线6与波导1完全分离的特点，保证了天线6仅作用于隐失波，可精密控制波导阵列的光衰减系数，从而有潜力实现超长波导阵列，进一步减小垂直于扫描方向的光束发散角。此外，本发明结构简单，以成熟、稳定的工艺即可实现波导阵列的制备，不增加芯片制备的工艺步骤与制造难度，且在满足性能要求的同时，不干扰光学相控阵其他模块的正常工作。
36.本发明的结构设计将多个结构模块在光学相控阵波导阵列上实现了紧凑地集成，相较于现有的方案，具有潜力实现有效视场角更大、光束发散角更小、通道间串扰更低的光学相控阵。且波导与间隔层位于芯片的同一层上，可选择与传统光学相控阵芯片相同的工艺进行制备，没有因为增设间隔层或在间隔层上集成天线，而增加制备光学相控阵芯片所需的光刻、刻蚀等工艺次数，提供了一种工艺简单、成本低廉的光学相控阵波导阵列实现方式，在面向自动驾驶、工业机器人、自由空间光通信、全息显示等领域推广时具有良好应用前景。
37.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。