具有电光射束转向的低成本和紧凑的光学相控阵列的制作方法

本申请要求2016年11月3日提交的美国专利申请no.15/342,958的优先权，该美国专利申请的内容通过引用合并于此。

本发明涉及使用飞行时间(tof)lidar传感器的环境感测领域。更具体地，本发明为具有电光射束转向的低成本和紧凑的光学相控阵列toflidar传感器。

背景技术：

光学相控阵列(opa)已被研究用于操纵小的射束(例如，激光束)。opa代表发展良好的射频(rf)对应物的演进。若干组研究了基于各种技术(诸如液晶(lc)、微机电系统(mems)和光波导设备)的光学相控阵列。

opa的一个应用是用于汽车部件的光检测和测距(lidar)传感器。例如，位于汽车上的lidar传感器在运动的同时收集其周围物体的信息。收集的信息表征汽车周围的实时事件。期望lidar传感器转向宽的扫描角度，诸如50度或更大，而发散角需要小(例如，在1mrad的量级)以最小化射束扫描的斑点尺寸。还期望这种类型的传感器足够紧凑以不妨碍汽车外观。优选地，没有与传感器相关联的移动部件。进一步地，用于汽车应用的任何设备需要最小的功耗和低成本。

实现opa的一种方式是基于平面光波电路(plc)，在该平面光波电路(plc)中射束被限制在波导内。美国专利5,233,673公开了使用铌酸锂的电光材料。这种设计基于输入波导(在该输入波导中激光耦合到一对多分路器中)和输出波导的阵列(在该输出波导的阵列中相位被控制)。这种设计在转向角方面具有实际限制，因为输出波导的阵列处的通道间隔是有限的。即，需要相对大的输出通道间隔以最小化电串扰。而且，在批量制造和总体成本方面，铌酸锂波导可能不是最好方法。

基于硅波导芯片的光学相控阵列是已知的。这些设计基于输入波导(在该输入波导中激光耦合到一对多分路器中)、相位偏移器、以及面外发射光的光栅耦合器的阵列。相位调谐的位置已与输出波导的阵列分开，这使得能够实现窄的通道间隔，并且等效地实现高达51°的更宽的转向角。而且，通过互补金属氧化物半导体(cmos)工艺的使用获得低制造成本。然而，这些技术使用加热器以在波导的阵列之间产生相对相位差。即，射束转向对每个通道要求加热器功率。因此，这种技术要求热管理。此外，在汽车应用中总体功耗可能是困难的。

技术实现要素：

装置具有波导输入以接收光。光学分路器连接到波导输入以形成分路信号。波导的阵列接收分路信号。相位调谐区域包括围绕波导的阵列的包覆内的电极。相位调谐区域在相位调谐控制电路的控制下产生电光效应，该相位调谐控制电路向电极施加电场以在波导的阵列内呈现相位差分路信号。输出阵列波导基于相位差分路信号之间的相对相位差将相位差分路信号作为转向射束发射。

附图说明

结合以下结合附图进行的详细描述，更全面地理解本发明，其中：

图1为根据本发明的实施例配置的光学相位阵列的顶视图。

图2为根据本发明的实施例配置的光学相位阵列的截面图。

图3为根据本发明的实施例配置的光学相位阵列的截面图。

贯穿附图的若干视图，同样的附图标记指代对应的部分。

具体实施方式

图1的示意图描绘了光学相控阵列的顶视图。它基于具有波导输入11的衬底10，来自外部源的光耦合在该波导输入11中。替代地，可以使用集成光源以产生光。光被一个或多个分路器12分路以形成分路信号。波导的阵列接收分路信号。波导的阵列包括相位调谐区域13，其包括电极14和15。电极14和15基于相位调谐控制电路13’经受电光效应。

在相位调谐区域13处，选择波导间隔使得设备元件(诸如电极和沟槽)可以制造在该区域中。而且，设计诸如>10μm的大的波导间隔用于最小化波导的阵列中的电相关的串扰。因此，相位调谐区域中的波导间隔比分路信号的工作波长大一个数量级。

行进通过相位调谐区域13的光被递送到输出波导16的阵列。选择输出波导16的波导间隔以限定最大射束转向角。输出波导间隔通常设计为尽可能小，并且基于设备允许的最大光耦合选择。这样，输出阵列波导16的间隔大幅小于相位调谐区域13的波导间隔。

输出射束17基于输出波导16之间的相对相位差转向。更具体地，相位调谐区域13在相位调谐控制电路13’的控制下产生电光效应，该相位调谐控制电路13’向电极14、15施加电场以在波导的阵列中呈现相位差分路信号。输出阵列波导16基于相位差分路信号之间的相对相位差将相位差分路信号作为转向射束发射。

图2的示意图描绘了对于氮化铝(或氮化镓)21作为核心层的情况、在相位调谐区域13处的光学相控阵列芯片10的侧视图。氮化铝被通常为二氧化硅的包覆层22围绕。沉积通常由铝或高掺杂硅制成的电极14和15以产生跨核心层21的电场。氮化铝具有介电张量，其基于电场的取向产生折射率变化。选择电场的方向以在诸如跨电极的最大电压的有限工作范围内产生足够大的折射率变化。这些层制造在衬底23上，该衬底23通常选择为硅。

图3的示意图描绘了对于氮化铝(或氮化镓)的包覆层31的情况、在相位调谐区域13处的光学相控阵列芯片10的侧视图。核心层32被设计为具有比氮化铝(或氮化镓)高的折射率。沉积电极14和15以产生跨核心层32的电场。电场产生包覆层31中的折射率变化，其影响通过波导32传播的导模的相位。这些层制造在衬底33上，该衬底33通常选择为硅。

公开的结构为光束转向设备，其形成基于输出波导之间的相对相位差转向的多个射束。该设计基于光子集成电路(pic)上的光学相控阵列，使得该设备是紧凑的并且没有移动部件。有利地，电光效应不引起比如用于在波导的阵列中产生相对相位差的现有技术的加热器的热管理问题。虽然现有技术的加热器导致相对大的功耗(例如，在瓦特或更高的量级)，但是公开的设备具有最小的功耗(例如，大幅小于瓦特)。

基于光学相控阵列转向的概念类似于基于rf天线转向。射束从波导的阵列形成，并且基于每个波导内的光之间的相对相位差沿波导的阵列转向。主射束的最大转向角和发散角通过下式表示：

ψsteer＝asin(λ/d)

ψdivergence～λ/(dxnxπ)

其中n为输出波导的数量，并且d为波导的通道间隔。还要注意的是，转向射束(在-0.5θsteer和0.5θsteer内转向的主射束和从主射束以θsteer的增量偏移的高阶射束)的数量和波导内的模场直径与波导间隔的比率密切相关，并且大于1。总体上，通过适当地选择波导间隔、阵列波导的数量和每个波导的模场直径，可以完成沿波导的阵列实现光学相控阵列的设计。

硅波导是有吸引力的，因为这些设备可以利用低成本的cmos兼容工艺制造。这些opa已展示有具有热光调谐的16个输出波导。为了改善发散角，需要可以控制每个波导的相位的更大数量的输出波导。热光调谐在硅衬底附近和硅衬底上散热，这可能破坏设备工作。此外，热光调谐增加功耗。因此，从16个输出波导向上扩展的能力是有限的。

为了克服这些限制，公开的技术选择可以利用cmos兼容工艺制造的电光材料。一个例子是氮化铝(aln)。氮化铝具有与通常用于相位调谐的其它半导体材料相当的线性电光系数，并且可以在诸如二氧化硅的cmos兼容材料上生长。结晶的氮化铝是单轴材料，并且通常生长使得光轴在面外且具有面内的各向同性。在这种情况下，电光系数r13和/或r33以及面外电场可以用于实现折射率变化。折射率变化可以表示为：

n＝no–r×no³×ez/2

其中no为不存在电场时的折射率，r为电光系数(r13或r33，其依赖于偏振)，并且ez为跨电光材料的电场。

回到图1，公开了具有输入波导11的衬底10上的pic，该输入波导11接受来自外部光源的输入激光脉冲。来自输入波导11的光进入1×n分路部分12，在该1×n分路部分12中光被分路成n个波导。相位调谐部分13为n个波导产生相位偏移，使得实现所期望的射束转向。调谐可以基于跨由电光材料制成的波导延伸的一对电极14和15发生。来自n个波导的相位调谐光在16处以基于n个波导之间的相对相位差的转向角出射。由于每个波导的相位调谐与输出波导16物理上分开，所以输出波导的波导间隔不受相位调谐所需的诸如电极14和15的元件限制。因此，利用本发明可得到宽范围的转向角。输出射束17以由波导16之间的相对相位差确定的角度转向。集成的面外组件可以用于输出射束17，诸如光栅18或有角镜19。

图2描绘了在相位调谐部分13处的本发明的侧视图。对于氮化铝作为电光材料和作为波导核心21的情况，可以设计波导结构使得在垂直方向上产生电场。电光波导21被一对电极14和15夹在中间。包覆22为使得能够进行核心材料和电极14、15两者的沉积的材料。用于包覆22的典型材料为二氧化硅。对于基于cmos工艺的设备，衬底23是硅，而电极14和15可以是铝、高掺杂硅或任何其它制造兼容的金属。

图3也描绘了在相位调谐部分13处的本发明的侧视图。电光材料被用作包覆31。由于传播模态扩展超出核心层，所以在核心邻近的电光效应将影响模态传播，并且等效地影响其相位。核心32不需要由电光材料制成，但是需要具有比包覆31的折射率大的折射率。核心材料的例子为二氧化钛。电极14和15跨核心层32放置。衬底33可以由硅形成。

前述描述出于解释的目的使用特定术语来提供本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将清楚的是，为了实施本发明，不需要特定细节。因此，出于说明和描述的目的展现了本发明的特定实施例的前述描述。它们并非旨在穷尽或将本发明限制于公开的精确形式；显然，鉴于上述教导，许多修改和变型是可能的。选择和描述实施例以便最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而它们使得本领域其它技术人员能够最好地利用本发明和具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。以下权利要求及其等效旨在限定本发明的范围。