基于微结构电光波导阵列光学相控阵及其制作方法与应用

本发明涉及电光调制器件的,更具体地,涉及一种基于微结构电光波导阵列光学相控阵及其制作方法与应用。

背景技术：

1、光束扫描或转向技术是指对光束的方向实现精确指向控制的技术，它具有精确、灵巧、紧凑、易操控等优点，在激光雷达探测与跟瞄、高速光交换与空间光通信、光学成像与显示、超快光学的电光采样与扫描等重大需求的工业与重大工程领域有着广泛的应用。光束电光扫描是利用材料的电光效应来控制光束在空间的传播方向，广泛应用于高速光交换与空间光通信、激光雷达与探测、超快光学的电光采样及扫描等具有创新性、战略性产业和重大应用工程。

2、近年来,基于相位调制合成的光学相控阵(optical phased array,opa)技术也是实现光束扫描的重要技术,其调制手段主要为热光调制、电光调制、微机电系统(mems)调制等。opa主要通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变出射的角度,其原理与多缝干涉类似,不依赖机械转动就可以高效地控制光束扫描,具有功耗低、体积小、扫描速度快等明显优势。

3、常见的光学相控阵电光调制材料为载流子注入的硅基平台、液晶、电光晶体、压电陶瓷等。液晶分子在电场下改变取向的速度较慢,难以满足高速扫描的应用需求。铌酸锂波导相控阵主要利用电光效应,采用电场调控波导相位,光束扫描响应时间可达皮秒量级,但目前基于传统块材铌酸锂的移相器间隔大、驱动电压较高、扫描角度较小。压电陶瓷电光系数大、透射光谱宽,利用其可实现纳秒量级的快速光控扫描,但是所需的工作电压非常高(约为1kv),且造价较高。基于硅基波导的集成光学相控阵拥有大扫描角度、合适的调制电压,且与互补金属氧化物半导体(cmos)工艺线相兼容,利于实现光束扫描器件规模集成。

4、光束电光扫描的可控性好,理论上其扫描速度取决于电光材料的响应速度(100ghz量级或以上),扫描调制速率高,且分辨率高。此外,电光扫描的方式能适应机载的加速或减速带来的惯性和振动变化,高低温变化环境等。

5、电光材料铌酸锂(linbo3)具有较高的电光系数,其波导制备技术较为成熟此外,其光学透明波长范围为0.4-5.2um,可覆盖可见光、近红外和部分中红外波段。近些年来,铌酸锂薄膜的初步商用为器件的微型化集成提供了有利的平台。

6、专利文献cn112014983a公开了一种基于铌酸锂波导的电光开关及其制作方法，通过设计等腰三角形形状的微结构电极单元组成的渐变阵列电极，利用了铌酸锂晶体的电光特性，实现光束偏转。

7、专利文献cn106842760公开了一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导及制作方法，通过微结构电极光刻技术，制作出具有平行四边形形状微结构阵列电极结构的z切铌酸锂薄膜平面波导，达到光模式偏转和光模场调控目的，解决了传统铌酸锂波导的波导与其衬底折射率差较低的问题。

8、以上缺点有1)难以形成大角度的偏转，驱动电压较高；2)宽波导结构使波导模式扁平，光束质量受到影响；3)电极结构为渐变阵列电极不适用于高速调制。本发明能够克服以上问题(依靠微结构电极与超晶格结构实现)

技术实现思路

1、本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足),提供一种基于微结构的电光波导阵列光学相控阵及其制作方法,用于解决传统块材铌酸锂的移相器间隔大、驱动电压较高、扫描角度较小的问题。为激光雷达探测与跟瞄、高速光交换与空间光通信、光学成像与显示、超快光学的电光采样提供全新的技术方案,提供高速化、低驱动电压和集成化,且扫描范围较大的技术方案。

2、本发明采取的技术方案是,

3、一方面，本发明提供一种基于微结构的电光波导阵列光学相控阵,其特点在于，包括：

4、硅基衬底；

5、位于所述硅基衬底上的铌酸锂波导层；

6、位于所述铌酸锂波导层上，并包裹所述铌酸锂波导层的二氧化硅缓冲层；以及

7、位于所述氧化硅缓冲层上的微结构电极；

8、其中，所述铌酸锂波导层沿光路划分为入射区域、分束区域、调制区域和出射区域；所述调制区域为波导阵列，所述微结构电极位于所述调制区域上方，沿光路传输方向平行，且二者长度一致；且该微结构电极上周期性分布的矩形孔，平行交叉位于所述所述波导阵列的各条波导上下侧；所述出射区域是由沿着垂直于入射光横向周期性排列的超晶格单元构成，或是由沿着垂直于入射光横向周期性排列、且沿光学传播方向纵向周期性排列的超晶格单元构成；所述超晶格单元为多个尺寸相同、间距不同的铌酸锂波导组成；

9、所述入射区域接收输入激光并经所述分束区域将输入激光分成多路进入所述调制区域，在所述微结构电极上施加正负电压，作用于所述调制区域，使波导内部光场与外界电场充分耦合，激发电光效应，通过施加不同极性和/或不同大小和/或不同频率的电压，经所述出射区域实现不同角度和速度的宽范围输出。

10、所述分束变区的俯视视角为y字形,所述出射区域为m个超晶格单元,所述超晶格单元为一组间隔为等差数列的质子交换铌酸锂波导构成,所述超晶格单元也可以在横向与纵向方向布置,以获得更大的光束扫描范围；所述铌酸锂波导区之外的区域为非波导区。通过多层结构设计,周期性挖孔的电极结构能够充分的发挥铌酸锂晶体的电光性能。与此同时,超晶格单元通过调控波导间的波矢匹配和传输光场的空间相干性,获得其对信号串扰的抑制、扫描光束性能提升的机理和规律。

11、进一步地,上述周期性挖孔电极单元,具体为靠近铌酸锂波导的一侧周期性的进行挖孔,且挖孔之间保持相同的间隔；且挖孔尺寸远小于电极尺寸,微结构挖孔仅对电极层有效；在波导间距较小的情况下其电极间距靠近会引起调制射频信号的传输损耗,限制电光调制带宽的同时,降低调制效率。微结构电极引入将有效解决此不足之处。

12、进一步地,上述电极的尺寸由调制区域决定,电极的宽度由铌酸锂波导之间的距离决定,通常情况下电极的宽度为铌酸锂波导间距的一半；电极的长度与调制区域的长度一致。这样设计的微电极结构能够有效的限制电场的分布,同时防止过近的电极导致调制信号的串扰。上述调制区域设置在周期性挖孔电极的正下方,调制区域的边缘对应所述周期性挖孔电极的内测。这样设计的好处在于,一方面避免不必要的材料或能量损耗,提高利用率,一方面也能高度充分的利用铌酸锂波导的有效宽度,提高调制效率。

13、进一步地,上述微结构电极与调制区域的关系为：记调制区域沿光进入的长度为l1；记微结构电极单个周期结构为矩形o'a'b'c',以o'a'作为矩形的长边为l1；以o'c'作为矩形的高度为l2；以o'作为原点,边o'a'作为x轴；o'c'作为y轴,做二维直角坐标系；记o'点坐标为(0,0),a'点坐标为(l1,0),,b'点坐标(l1,l2),c点坐标(0,l2)；记微结构电极单个周期结构中挖孔结构为矩形d'e'f'g'；以d'e'作为挖孔的长边为l3；以d'g'作为挖孔的高度为l4；所述挖孔结构相对微电极结构为水平居中,挖孔矩形f'g'边距离微电极结构b'c'边距离为l5；矩形挖孔的周期距离为δd；

14、d'坐标为(xy＝l2-l4-l5)；

15、e'坐标为(xy＝l2-l4-l5)；

16、f'坐标为(xy＝l2-l5)；

17、g'坐标为(xy＝l2-l5)；

18、所述调制区域长度l1为n个周期结构沿调制区域排列的总和,代入上述公式可得第n个周期结构的坐标。同组超晶格所对应调制区域的电极在上下不同电极上的矩形挖孔在沿光传播方向上存在错位距离δ；所述错位距离指的是上下电极的第一个矩形挖孔的坐标在光传播方向间距为δ；记xdn表示第n个电极上第一个挖孔的x坐标；

19、错位距离表示为xd0-xd1＝δ；xd1-xd2＝δ；xdn-1-xdn＝δ,并且n×δ＝δ；当其中δ为零时,电极的矩形挖孔是左端对齐的。

20、进一步地,所述的超晶格单元由出射区域决定；所述出射区域的宽度,对应所述超晶格单元经过周期性拓展后的总长度,所述超晶格单元是由一组相同尺寸但是间距不同的铌酸锂波导构成；整体出射区域由m组以相同间距周期性排列的超晶格单元构成,通过这样的设计,使出射区域构成相控阵结构,实现光束的高速扫描。

21、进一步地,上述超晶格单元的横截面与出射区域的关系为：记所述超晶格区域的横截面为矩形oabc,记oa边为x轴,oc边作为y轴,建立二维直角坐标系；线段oa的长度为d1,线段oc的长度为d2；记o点坐标为(0,0),a点坐标为(d1,0),b点坐标(d1,d2),c点坐标(0,d2)；不同超晶格单元之间的距离为d；记单个铌酸锂波导横截面为defg,记de为波导的底边长度为a1,记ef与dg为波导的侧边长度为b1,2,记fg为波导的顶边长度为a2；

22、横截面高度h满足方程:h＝d2；

23、以e为原点,ef的直线方程为:y＝k1*x,

24、以d为原点,dg的直线方程为:y＝k2*x,

25、d点坐标为(0,0；e点坐标为(a1,0)；

26、f点坐标为(a1,xfy),

27、g点坐标为(xgx,xgy),xgy＝xfy；

28、记所述每组超晶格单元的左下角点的坐标为(0,0),(x1,0),(x2,0)……(xm,0),其中(0,0)代表第一组超晶格中第一个铌酸锂波导的左下角点,xm表示第m+1超晶格单元的左下角坐标,表示前m组超晶格宽度d1的加和与m组相同间隔d的和,即xm＝(d1+d)×m。

29、另一方面，本发明还提供一种基于微结构的电光波导阵列光学相控的二维激光扫描装置，其特点于，包括如上所述的基于微结构的电光波导阵列光学相控的芯片。

30、本发明还提供一种基于微结构的电光波导阵列光学相控阵的制作方法，其特点在于，首先在铌酸锂层表面规划处波导区和的非波导区,所述铌酸锂波导区包括输入区域、分束区域、调制区域及出射区域，所述铌酸锂波导区之外的区域为非铌酸锂波导区,在所述铌酸锂非波导区形成二氧化硅的金属掩膜；所述铌酸锂层为绝缘体上薄膜铌酸锂平台或晶体铌酸锂,所述绝缘体上薄膜铌酸锂平台(lnoi)的结构层包括薄膜铌酸锂、高纯度二氧化硅衬底；使用电子束光刻的方法对铌酸锂加工波导结构,所述铌酸锂层中顶部形成电子束光刻铌酸锂波导,然后需要在所述电子束光刻铌酸锂波导上覆盖一层二氧化硅缓冲层,所述波导区的二氧化硅层与所述非波导区的二氧化硅掩模厚度一致,最后通过微结构电极光刻技术在所述二氧化硅缓冲层表面上正对波导区的位置加工微结构周期电极,所述微结构周期电极由形状为周期挖孔电极构成。

31、进一步地,一种基于微结构的电光波导阵列光学相控阵的制备方法包括：12.根据权利要求11所述的一种基于微结构的电光波导阵列光学相控阵,其特征在于,所述一种基于微结构的电光波导阵列光学相控阵的制作步骤具体包括：s1.在所述单晶铌酸锂层的上表面通过电子束蒸发的真空镀膜技术沉积一定厚度的钛层。s2.在钛层上部旋涂正性抗蚀剂,聚甲基丙烯酸甲酯,通过高温烘烤后获得一层抗蚀剂层。s3.然后进行电子束光刻,将设计好的铌酸锂波导图案即波导区图案转移到晶圆上,在上部沉积一层铬层s4.去除大部分铬层和钛层及全部正性抗蚀剂层。s5.将晶圆的掩膜层与粘合剂层完全剥离,然后将上述晶圆使用乙醇清洗得到样品。s6.将上述样品进行x射线能量色散分析测试,检测顶部表面是否存在铬或者钛。s7.在所述电子束光刻铌酸锂波导上再沉积一层二氧化硅。s8.最后,通过微结构电极光刻技术,将特点图案的周期挖孔电极单元光刻在所述二氧化硅缓冲层上。本发明在电子束光刻时,对出射区域在横向与纵向方向都刻蚀有超晶格单元,将传统一维扫描方向拓展为二维扫描方向,极大的拓展扫描的范围,可通过电压调控获得更大范围的扫描范围。

32、进一步地,所述横向与纵向分布的超晶格单元通过图案设计与电子束光刻形成,所述图案设计表示：俯视出射区域,超晶格单元为尺寸完全一致的铌酸锂矩形,在横向与纵向方向上同时按照等差数列分布,是传统超晶格技术的二维拓展；记所述铌酸锂长方体,在俯视图中以对称中心表示坐标,其中超晶格单元之间的距离满足公差相等的等差数列,这种设计克服了传统超晶格结构一维扫描范围不足的缺点,采用横向与纵向分布的超晶格单元能够获得更大范围的光束扫描。

33、进一步地,所述电子束光刻的具体方法包括：进行电子束光刻,对正性抗蚀剂进行图案刻蚀,选择聚甲基丙烯酸甲酯作为正性抗蚀剂；进行电感耦合等离子体蚀刻,通过选择氟化硫和氩离子作为气体蚀刻源,设置蚀刻速率为0.3纳米/秒进行。使用电感耦合等离子体蚀刻可以获得良好的铌酸锂晶体性能,保留更多的铌酸锂各向异性的特点,在电压调控下获得更好的调制效率,有利于光束的高速扫描。

34、进一步地,所述超晶格单元的横截面与出射区域的关系为：记所述超晶格区域的横截面为矩形oabc,记oa边为x轴,oc边作为y轴,建立二维直角坐标系；线段oa的长度为d1,线段oc的长度为d2；记o点坐标为(0,0),a点坐标为(d1,0),b点坐标(d1,d2),c点坐标(0,d2)；不同超晶格单元之间的距离为d；记单个铌酸锂波导横截面为defg,记de为波导的底边长度为a1,记ef与dg为波导的侧边长度为b1,2,记fg为波导的顶边长度为a2；

35、横截面高度h满足方程:h＝d2；

36、以e为原点,ef的直线方程为:y＝k1*x,

37、以d为原点,dg的直线方程为:y＝k2*x,

38、d点坐标为(0,0；e点坐标为(a1,0)；

39、f点坐标为9a1,x)y),

40、g点坐标为(xgx,xgy),xgy＝xfy；

41、记所述每组超晶格单元的左下角点的坐标为(0,0),(x1,0),(x2,0)……(xm,0),其中(0,0)代表第一组超晶格中第一个铌酸锂波导的左下角点,xm表示第m+1超晶格单元的左下角坐标,表示前m组超晶格宽度d1的加和与m组相同间隔d的和,即xm＝(d1+d)×m。对于纵向超晶格单元,在俯视图中,超晶格单元为尺寸完全一致的铌酸锂矩形在横向与纵向方向上同时按照等差数列分布；记所述铌酸锂长方体在俯视图中以对称中心表示坐标,以出射区域横向作x轴,纵向区域作y轴,铌酸锂长方体波导的坐标：

42、第1行坐标为：(x11,y11),(x12,y12)……(x1m，y1m)

43、第2行坐标为：(x21,y21),(x22,y22)……(x2m，y2m)

44、第g行坐标为：(xg1，yg1)，(xg2，yg2)……(xgm，ygm)

45、其中超晶格单元之间的距离g＝xgm-xg-1m，m＝ygm-ygm-1满足公差相等的等差数列。超晶格在横向与纵向排列的方程均可用上述方程表示,仅需将横向方向改为纵向方向可以获得纵向分布的超晶格单元。

46、与现有技术相比,本发明的有益效果为：

47、1)通过波导两端配置微结构电极,特别是矩形挖孔的设计实现电光相位高速调制和电光相位调制(相移)的增强,降低光学相控阵的驱动电压。发射区域的波导阵列通过超晶格波导阵列对信号串扰的抑制、提高输出(扫描)光束性能的关键机理和技术,从而实现高性能的光束高速扫描芯片,通过对调制区域不同铌酸锂波导施加正负电压可以实现大角度的光束扫描。

48、2)通过采用纵向和横向二维超晶格结构设计、电子束光刻、微结构电极技术相结合的制作方法,设计出具有二维高速光束扫描的集成铌酸锂波导芯片。实现了超晶格技术与铌酸锂新材料的有益结合,并且实现了出射光束的超宽范围光束扫描,解决了传统光束扫描技术设备庞大,扫描速度慢,扫描范围窄的问题,使高速光束扫描拓展到更宽的范围,为实现高速、宽范围、低驱动电压的光束扫描器件提供了一种行之有效的方法。

49、3)相对于申请人的在先申请，本发明采用错位排布的微结构电极，达到抑制高频电极信号串扰，提高调制速率的技术效果。同时也采用的电子束光刻技术缩小波导宽度，达到提高光束质量的技术效果。