声光光束操控芯片及其制备方法与流程

本申请涉及声光光束操控，特指一种声光光束操控芯片及其制备方法。

背景技术：

1、激光雷达作为一种光学探测装置，广泛应用于工业、农业、医学、国防等领域。激光雷达按照扫描方式分为机械扫描激光雷达(mechanical scanning lidar)和固态扫描激光雷达(solid-state scanning lidar)，其中，机械扫描激光雷达主要通过旋转镜等机械部件进行扫描，机械扫描雷达的零部件堆积量大、零部件相对位置要求严格，固态扫描激光雷达主要通过固态光学器件(如光学相控阵)进行非机械扫描，固态扫描激光雷达相比于机械扫描激光雷达体积更小、可靠性更高，是激光雷达发展的主要方向。

2、现有技术中，固态扫描激光雷达通常利用光学相控阵(optical phased array，opa)技术、空间光调制(spatial light modulator，slm)技术、闪存(flash)技术等实现非机械扫描。其中，闪存技术存在测量距离不远的问题，无法作为主雷达应用。光学相控阵技术和空间光调制技术的核心器件是光束操控器件，但是基于光学相控阵技术的光束操控器件通常依赖于光源扫频才能实现二维扫描，结构复杂，而基于空间光调制技术的光束操控器件，实现双轴扫描所需的电极布局也较为复杂。相关技术中，还存在利用声光效应实现双轴扫描的光束操控器件，但相关技术中利用声光效应实现双轴扫描的光束操控器件无法平衡结构的复杂程度和效率水平，可见市场对结构简单且系统效率高的双轴光束操控器件存在迫切需求。

技术实现思路

1、本申请实施例的目的在于提供一种声光光束操控芯片及其制备方法，以解决现有技术中存在的光束操控器件无法平衡结构的复杂程度和效率水平的技术问题。

2、为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种声光光束操控芯片，所述声光光束操控芯片包括：

3、压电衬底；

4、光波导结构，包括第一包层和光波导层，所述第一包层设于所述压电衬底的表面，所述光波导层设于所述第一包层背离所述压电衬底的表面，所述光波导层的折射率大于所述第一包层的折射率，所述光波导结构和所述压电衬底之间形成有间隙；

5、光耦合器，用于将外部光束耦合进所述光波导层内；

6、叉指换能器阵列，设于所述压电衬底设有所述光波导结构的表面上，用于在所述光波导层内产生传播方向与所述光束的传播方向相反的声表面波。

7、在其中一个实施例中，所述压电衬底为晶圆或厚度大于在所述压电衬底内传播的声表面波的波长值的单晶薄膜。

8、在其中一个实施例中，所述光耦合器为耦合光栅、棱镜耦合器和边缘耦合器中的一种或多种的结合。

9、其中，所述耦合光栅设于所述光波导层上相对于所述压电衬底悬空设置的部位；或者，所述耦合光栅设于所述光波导层上支撑于所述第一包层上的部位，所述第一包层的厚度大于在所述光波导层内传播的光波的波长值除以所述光波导结构的等效折射率。

10、在其中一个实施例中，所述声光光束操控芯片还包括金属反射镜，所述金属反射镜设于所述压电衬底设有所述光波导结构的表面，所述金属反射镜在所述压电衬底上的正投影覆盖所述耦合光栅在所述压电衬底上的正投影。

11、在其中一个实施例中，所述叉指换能器阵列包括沿光束的宽度方向排列的多个叉指换能器；所述光波导层呈树状，所述光波导层具有一个光输入端和多个光输出端，所述光耦合器将外部光束经所述光输入端耦合至所述光波导层内，多个所述光输出端的数量与多个所述叉指换能器的数量相等，各所述光输出端输出的光束用于与对应的所述叉指换能器产生的声表面波耦合。

12、在其中一个实施例中，所述光波导结构还包括第二包层，所述第二包层设于所述光波导层背离所述第一包层的一侧的表面，所述第二包层的折射率低于所述光波导层的折射率。

13、为实现上述目的，本申请还提供一种声光光束操控芯片的制备方法，所述声光光束操控芯片的制备方法包括：

14、提供压电衬底，在所述压电衬底的一侧的表面设置叉指换能器阵列和间隙填充层；

15、在所述压电衬底上设置包裹所述叉指换能器阵列和所述间隙填充层的第一包层；

16、将所述第一包层背离所述压电衬底的表面抛平，并使所述第一包层整体减薄；

17、在所述第一包层背离所述压电衬底的表面上设置光波导层；

18、去除所述第一包层和所述光波导层的局部结构，以使所述叉指换能器阵列显露于所述压电衬底的表面；

19、设置用于将外部光束耦合进所述光波导层内的光耦合器；

20、采用蚀刻流体将所述间隙填充层蚀刻，以使所述光波导层和所述压电衬底之间形成间隙。

21、在其中一个实施例中，在所述第一包层背离所述压电衬底的表面设置光波导层之后，还包括在所述光波导层背离所述第一包层的表面设置第二包层；使所述叉指换能器阵列显露于所述压电衬底的表面包括去除所述第一包层、所述光波导层和所述第二包层的局部结构。

22、在其中一个实施例中，所述压电衬底选用128y晶向的铌酸锂晶圆。

23、在其中一个实施例中，所述叉指换能器由铝和钛制成

24、在其中一个实施例中，所述间隙填充层由非晶硅制成，所述蚀刻流体选用氟化氙气体。

25、在其中一个实施例中，所述第一包层由氧化硅制成。

26、在其中一个实施例中，所述光波导层由硅或氮化硅制成。

27、在其中一个实施例中，所述第二包层由氧化硅制成。

28、本申请提供的声光光束操控芯片及其制备方法的有益效果在于：与现有技术相比，本申请提供的声光光束操控芯片，在压电衬底上搭建光波导结构和叉指换能器阵列，使光波导层的部分区域相对于压电衬底悬空设置，并利用光耦合器将外部光束耦合进所述光波导层内，整体结构简单，易于制造；并且，在压电衬底上搭建光波导结构和叉指换能器阵列，使得压电衬底的厚度可以设置得较厚，有利于提高压电衬底的机电转换效率，进而提升声光光束操控芯片的系统效率；将光波导层的部分区域设置为相对于压电衬底悬空，使得声表面波在光波导层悬空区域内传播时的波长值得到减小，可增大散射光的散射角度，同时还使得声表面波在光波导层悬空区域内传播时的振幅得到增大，使得散射效率提高，进而进一步提升声光光束操控芯片的系统效率。可见，本申请提供的声光光束操控芯片能够很好地平衡结构的复杂程度和效率水平，不仅结构简单、易于制造，而且系统效率较高。

技术特征：

1.一种声光光束操控芯片，其特征在于，所述声光光束操控芯片包括：

2.根据权利要求1所述的声光光束操控芯片，其特征在于，所述压电衬底为晶圆或厚度大于在所述压电衬底内传播的声表面波的波长值的单晶薄膜。

3.根据权利要求1所述的声光光束操控芯片，其特征在于，所述光耦合器为耦合光栅、棱镜耦合器和边缘耦合器中的一种或多种的结合。

4.根据权利要求3所述的声光光束操控芯片，其特征在于，所述耦合光栅设于所述光波导层上相对于所述压电衬底悬空设置的部位；或者，所述耦合光栅设于所述光波导层上支撑于所述第一包层上的部位，所述第一包层的厚度大于在所述光波导层内传播的光波的波长值除以所述光波导结构的等效折射率。

5.根据权利要求4所述的声光光束操控芯片，其特征在于，所述声光光束操控芯片还包括金属反射镜，所述金属反射镜设于所述压电衬底设有所述光波导结构的表面，所述金属反射镜在所述压电衬底上的正投影覆盖所述耦合光栅在所述压电衬底上的正投影。

6.根据权利要求1所述的声光光束操控芯片，其特征在于，所述叉指换能器阵列包括沿光束的宽度方向排列的多个叉指换能器；所述光波导层呈树状，所述光波导层具有一个光输入端和多个光输出端，所述光耦合器将外部光束经所述光输入端耦合至所述光波导层内，多个所述光输出端的数量与多个所述叉指换能器的数量相等，各所述光输出端输出的光束用于与对应的所述叉指换能器产生的声表面波耦合。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的声光光束操控芯片，其特征在于，所述光波导结构还包括第二包层，所述第二包层设于所述光波导层背离所述第一包层的一侧的表面，所述第二包层的折射率低于所述光波导层的折射率。

8.一种声光光束操控芯片的制备方法，用于制备权利要求1所述的声光光束操控芯片，其特征在于，所述声光光束操控芯片的制备方法包括：

9.根据权利要求8所述的声光光束操控芯片的制备方法，其特征在于，

10.根据权利要求9所述的声光光束操控芯片的制备方法，其特征在于，

技术总结
本申请属于声光光束操控技术领域，提供一种声光光束操控芯片及其制备方法，该声光光束操控芯片包括压电衬底、光波导结构、光耦合器和叉指换能器阵列。光波导结构包括第一包层和光波导层，第一包层设于压电衬底的表面，光波导层设于第一包层背离压电衬底的表面，光波导结构和压电衬底之间形成有间隙。光耦合器用于将外部光束耦合进光波导层内。叉指换能器阵列设于压电衬底设有光波导结构的表面上，用于在光波导层内产生传播方向与光束的传播方向相反的声表面波。本申请提供的声光光束操控芯片，能够很好地平衡结构的复杂程度和效率水平，不仅结构简单、易于制造，而且系统效率较高。

技术研发人员：张忠祥,韦丽萍,郭晶晶,杨丁宁
受保护的技术使用者：深圳力策科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15