一种用于光学相位天线阵列的光学天线

本公开涉及一种光学天线，更具体地说，涉及一种适用于光相位天线阵列的光学天线。

背景技术：

1、光学相位阵通常用于各种工业应用中，例如光检测和测距(lidar)系统以及用于发射或接收光的光通信。一种光学相位阵发射器包括诸如激光器的光源、功率分配器、可调移相器和辐射或天线元件阵列。使用光波导技术使得在一个或多个芯片衬底的表面上实现这些光学功能成为可能。使用功率分配器将光源的输出光分成几个分支。每个分支然后被馈送到可调移相器，该移相器对光进行相移。相移光被输入到辐射元件，例如光学天线元件，其将来自片上波导的光联接到自由空间中。由光学天线元件辐射的光在远场中被组合以形成光学相位阵的远场轮廓。通过调整光学天线元件之间的相对相移或相位延迟，可以形成和控制光束。

2、在一些应用中，例如在汽车工业中，光学相位阵需要提供沿水平方向向左和向右大约50度的宽转向角，以及例如数百米范围内的长光束投射。为此，天线阵列的总面积需要在厘米范围内，在一维天线阵列的情况下，这要求其光学天线元件不仅密集地封装在一起，而且每个光学天线元件都需要足够长，使得光学相位阵列可以发射窄的、优选准直的光束，其束腰在厘米范围内，即在1cm以上，光束投射距离在数百米范围内，即在100m以上。

3、提供满足上述要求的光学相位阵是非常具有挑战性的，因为目前还没有技术能够将天线元件充分密集地封装在一起并制造天线元件以提供宽转向角和长投影。最近的研究提出了一种宽的二维光束控制解决方案，其中二维光束控制由一维光学相位阵列提供，该光学相位阵列采用多个具有衍射光栅的密集封装的波长相关天线元件，其中可调移相器在一个方向(例如x轴)上提供光束控制，而衍射光栅在另一个方向(例如y轴)上提供光束控制。然而，使用这种衍射光栅将来自片上波导的光联接到自由空间，妨碍了该阵列的规模以提供长光束投影，因为使用高对比度材料不能以足够的精度制造衍射光栅，高对比度材料允许光学相位阵列中天线元件的密集封装。

技术实现思路

1、本公开实施例的目的是提供一种克服上述限制的天线元件。本公开实施例的另一个目的是提供一种克服上述限制的集成天线元件。

2、独立权利要求阐述了本发明的各种实施例所寻求的保护范围。本说明书中描述的不属于独立权利要求范围的实施例和特征(如果有的话)应解释为有助于理解本发明各种实施例的示例。

3、根据本公开的第一示例方面，该目的通过由权利要求1的特征表征的光学天线来实现。特别地，光学天线包括形成在衬底上的波导结构。波导结构包括波导芯和波导翼片。波导芯和波导翼片可以由例如相同的材料制成，从而形成统一的波导结构。可选地，波导芯和波导翼片可以例如由不同的材料制成。例如，波导芯可以包括折射率为3.45的硅，而波导翼片包括折射率为2.1的氮化硅。可选地，波导芯可以包括折射率为2.1的氮化硅，而波导翼片包括折射率为3.45的硅。波导芯和波导翼片都是细长的三维结构，例如正交或长方体，其表面具有高纵横比的特征。可选地，波导翼片和/或波导芯可以具有非矩形横截面，同时仍然符合本公开的权利要求1中所述的纵横比。为了形成波导结构，波导翼片以直角放置在波导芯的顶部。可选地，为了形成波导结构，可以将波导翼片以直角放置在波导芯下方，然后向底部辐射光，即基本上将波导结构倒置。更具体地说，波导翼片，顾名思义，以其较长、较窄的表面放置在波导芯较长、较宽的表面之上，从而在衬底上形成具有倒置t形横截面的波导结构。这要求波导芯和波导翼片在天线中至少具有相同的长度。这样形成的波导结构具有由波导翼片和凸缘形成的肋或垂直部分，或者由波导芯形成的水平部分。波导翼片的高度大于波导芯的高度。波导芯具有以下纵横比：波导芯的宽度等于或大于波导芯高度的两倍。波导翼片具有以下纵横比：波导翼片的高度等于或大于波导翼片宽度的两倍。此外，波导翼片以这样的方式放置在波导芯的顶部，即波导翼片的中心轴相对于波导芯的中心轴偏心一定的偏移量。换句话说，波导芯的中心轴和波导翼片的中心轴之间存在偏移。偏移破坏了波导结构在水平方向上的对称性。换句话说，偏移破坏了沿波导芯中心线延伸的垂直平面上的镜像对称性。这种不对称产生了非零场重叠，其在垂直方向上将波导结构的导模联接到辐射模。通过这样做，形成了在垂直方向上泄漏辐射的光学天线，即，远离衬底平面并通过波导翼片的顶部泄漏辐射，辐射泄漏基本上由偏移限定。这种光学天线可以容易地构造，而不需要使用任何复杂的、高度受控的制造工艺，例如高精度光刻。换句话说，使用当前的大规模光刻技术可以容易地制造这种集成光学天线。此外，以这种方式构造光学天线允许设计具有泄漏分布的光学天线，该光学天线适用于各种各样的应用，例如用于自动驾驶汽车或虚拟/人工现实的lidar解决方案以及用于芯片到芯片数据通信的光学数据通信解决方案。

4、优选地，波导芯和波导翼片的中心轴之间的偏移沿着波导芯的长度变化。如上所述，偏移基本上限定了辐射泄漏。因此，改变沿波导芯长度的偏移允许控制沿光学天线长度的辐射泄漏，即辐射泄漏率，这又限定了由光学天线产生的光束的轮廓。与传统的解决方案相反，在传统的解决方案中，泄漏率是通过复杂的亚波长结构来控制的，例如需要高度受控的制造工艺的碟形衍射光栅，在这里，辐射泄漏率是通过简单地改变沿光学天线长度的偏移来控制的。有利的是，获得具有期望光束轮廓的光束不需要快速改变偏移，即偏移不需要沿着光学天线的长度快速或突然改变，并且不需要不连续性。换句话说，偏移确实会沿着天线的长度发生显著变化，但由于天线很长，因此不会快速变化。因此，沿着光学天线的长度缓慢变化的偏移足以提供对泄漏率的所需控制，从而允许使用如上所述的当前大规模光刻技术来制造光学天线。尽管与更复杂、高度受控的对应工艺相比，这些传统制造工艺可能经受更高的工艺变化，但由工艺变化引起的偏移变化是可以容忍的。

5、优选地，波导芯具有基本上矩形的横截面，其横截面宽度沿着波导芯的长度变化。有利的是，沿着波导芯的长度改变波导芯的矩形横截面的宽度允许基本上控制沿着波导芯的长度的辐射泄漏的方向。优选地，波导翼片还具有基本上矩形的横截面，其纵横比高于波导芯横截面的纵横比，并且宽度沿着波导翼片的长度变化。改变波导翼片的矩形横截面的宽度还允许对波导模式的传播常数进行基本控制，并因此允许对辐射泄漏沿波导芯长度的方向进行基本控制。换句话说，辐射泄漏的方向可以通过改变波导芯的横截面宽度或通过改变波导翼片的横截面宽度来控制。这允许通过使用不是一个而是两个控制参数来控制泄漏辐射的方向，即分别使用波导芯和波导翼片的横截面宽度。因此，可以实现更高程度的辐射方向控制。结果，光学天线可以设计成满足广泛应用的要求。

6、有利的是，控制泄漏率的不对称性以及因此波导结构的导模和辐射模之间的联接可以以控制波导结构在水平方向上的不对称性以及因此波导结构的导模和辐射模之间的模式重叠的任何方式来实现。作为优选选项，可以通过改变偏移来获得不对称性，即，沿着波导芯的长度放置波导翼片，从而改变光学天线的长度。在这种情况下，波导翼片的中心轴相对于波导芯的中心轴之间的距离受到控制，并且波导芯和波导翼片的横截面尺寸保持相同。作为另一个优选选项，通过改变波导芯的矩形横截面沿其长度的宽度以及偏移量来控制不对称性。在这种情况下，芯横截面的宽度轮廓因此充当附加控制参数，该参数可以与偏移一起使用，以进一步控制波导结构中的不对称性。换句话说，优选地，使用独立的控制参数来控制波导结构的几何形状，以调整通过不对称和模式重叠的泄漏率以及通过传播常数的辐射角。因此，改变这两个控制参数允许对波导结构的不对称性进行精确控制，并因此允许对光学天线的导模和辐射模之间的联接进行精确控制。作为另一个优选选项，通过改变波导翼片沿其长度的矩形横截面的宽度以及偏移量，可以获得光学天线的导模和辐射部分之间的联接。因此，翼片横截面的宽度轮廓也可以作为附加的控制参数，该参数可以与偏移一起使用，以进一步控制波导结构中的不对称性。换句话说，优选通过改变这三个控制参数中的任何一个来控制波导结构的不对称，并因此控制沿着光学天线长度的泄漏率和泄漏方向，这三个控制参数即芯体横截面的宽度、翼片横截面的宽度以及它们相对于彼此的位置或它们的任意组合。

7、有利的是，光学天线可以配置成产生具有光束轮廓的光束，该光束轮廓可以由沿着波导芯长度的泄漏率和泄漏方向来定义。优选地，光学天线配置成产生具有基本上高斯(gaussian)光束轮廓的光束。这可以通过例如改变沿波导芯长度的泄漏率来实现。优选地，泄漏率从非常弱(即零)变化到非常强(即可达到的最大值)。这可以通过例如单独使用偏移作为控制参数来定义沿着光学天线长度的泄漏率的轮廓，使得辐射光束具有高斯轮廓来实现。更优选地，光学天线配置成产生具有准直且基本上为高斯光束轮廓的光束。这可以通过例如改变沿波导芯长度的泄漏率同时保持泄漏方向沿波导芯长度基本均匀来实现。为此，除了偏移之外，波导芯的横截面宽度和/或波导翼片的横截面宽度被用作控制参数，以保持沿波导芯长度的传播恒定，即保持沿波导芯长度的辐射角恒定。结果，光学天线可以被设计成辐射具有所需光束轮廓的光束，例如具有所需的光束轮廓、束腰和光束投射距离。

8、有利的是，光学天线可以产生光束，该光束具有沿着波导芯长度的光束轮廓，其特征在于束腰在厘米范围内，光束投射距离在数百米范围内。例如，光学天线可以产生束腰在10-30mm范围内、光束投射距离在100-300m范围内的光束。此外，光学天线可以产生具有上述特性的光束，该光束可以在100度的范围内被操纵。这种光束轮廓允许光学天线用于各种各样的应用，例如汽车或虚拟/人工现实应用以及许多其他应用。对于汽车应用，束腰为30mm、光束投射距离为200m至300m的光束轮廓可以检测半径为200m至300m的周围物体。

9、更有利的是，光学天线的光束轮廓取决于波长。换句话说，特定波长的特定光束轮廓可以通过改变波导芯的横截面宽度、波导翼片的横截面宽度以及它们相对于彼此的位置中的任何一个或组合来设计。因此，通过仔细改变上述控制参数中的任何一个或组合，可以获得具有所需特性的光束轮廓，从而使得光学天线能够产生具有严格光束轮廓要求的光束。

10、优选地，波导翼片设有衍射光栅。衍射光栅是一种包括凹槽、通道或空腔图案的光学器件，其配置成将来自波导结构的辐射联接到自由空间中，更具体地说，将来自波导翼片的辐射联接到自由空间中。衍射光栅是一维或线性光栅，即以在一个方向上形成的凹槽、通道或空腔的图案为特征的衍射光栅。此外，可以优化衍射光栅以实现tm偏振的最佳化。也就是说，凹槽、通道或空腔的图案和/或凹槽、通道或空腔的尺寸可以针对所需的偏振进行优化。优选地，衍射光栅是周期性的或均匀的。换句话说，凹槽、通道或空腔的图案是周期性的或均匀的，即凹槽、通道或空腔等距隔开。此外，由于通过简单地控制偏移量来控制泄漏率，并因此控制光束轮廓，因此可以制造这里的均匀衍射光栅，而不需要仔细设计周期和填充因子的变化，并使用当前的大规模光刻工艺，其中工艺条件为最大均匀性而优化。因此，避免了用于生产具有复杂图案的衍射光栅(即无盘光栅)的高度受控的过程，例如高精度光刻等。此外，衍射光栅优选由折射率对比度高于10％的材料制成。例如，衍射光栅可以由诸如硅、氮化硅、氮氧化硅、二氧化硅、半导体和氧化铝的材料制成。使用具有这种折射率反差的材料允许实现强衍射光栅，确保所有泄漏的辐射联接到自由空间中。可选地，可以使用折射光学元件来代替使用具有上述特征的衍射光栅。例如，可以替代使用能够提供与衍射光栅相同功能的任何传统折射光学元件。这种折射光学元件的一个例子是倾斜界面，例如棱镜。同样，避免了用于制造折射光学元件的高度受控的制造工艺，因为其唯一目的是将辐射联接到自由空间中。在制造波导结构之后，折射光学元件通常放置在波导翼片的顶部。

11、优选地，波导结构是电介质或半导体波导结构。换句话说，波导结构，即波导芯和波导翼片可以由诸如氮化硅sin的介电材料或诸如硅si的半导体材料制成，而衬底可以由诸如硅、二氧化硅和磷化铟inp的其他半导体或介电材料制成。更优选地，波导芯由相对于周围材料具有10％以上折射率对比度的材料制成。换句话说，波导芯可以由硅或氮化硅制成，而波导翼片和衬底可以分别由二氧化硅制成。这样做确保了波导结构可以做得足够窄，允许它们以周期性阵列间隔开，并且可以充分设计引导的te模式和辐射tm模式之间的模式重叠，以获得高辐射泄漏率。

12、优选地，波导翼片的宽度基本上等于或大于波导芯的高度。

13、优选地，波导翼片的光学厚度大于波导芯的光学厚度。波导翼片的光学厚度大约对应于波导翼片的宽度与波导翼片的折射率的乘积。波导芯的光学厚度近似对应于波导芯的厚度与波导芯的折射率的乘积。例如，当波导芯包括三层板，并且翼片在其侧面包括三层板时，波导翼片的有效折射率应该高于波导芯的有效折射率，对于相应板的te模式都是如此，其中e场指向平面外。

14、根据第二示例方面，公开了具有权利要求16的特征的光学相位天线阵列。特别地，光学相位天线阵列包括根据第一示例方面的多个光学天线。这种光学相位天线阵列可以提供一个或多个上述优点。光学天线可以例如布置成形成一维阵列，其中光学天线间隔小于4μm。优选地，光学天线间隔大约3μm，以使得能够产生具有期望光束轮廓的光束，该光束可以在x方向上以超过100度的范围内的转向角被转向。如果堆叠的光学天线设计成波长相关的，那么通过控制输入光的波长，发射的光束也可以在y方向上被操纵。将大约10000个这样的光学天线堆叠在一维阵列中，可以形成一个光学相位阵列，能够发射x方向上30mm宽的束腰光束。