CN108292053A - 具有适用于光相位排列天线的可调制光栅结构的纳米光学辐射器 - Google Patents
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Abstract
构成光相位排列天线的光辐射器元件，包括：光波导，包含使用半导体材料的波导内芯和波导覆层；以及光栅，周期性地形成在所述光波导上部或下部，所述光辐射器元件，沿所述光波导和所述光栅的一个方向入射输入光波，并且利用来自所述光栅的散射向自由空间辐射输出光波，且为了调整向所述自由空间辐射的输出光波的辐射角，在所述光辐射器元件周围通过电压施加或电流注入，变化所述光栅的有效折射率。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于光相位排列天线(photonic phased array antenna)的光辐射器(radiator)结构，更具体来讲，建议了一种为了使光波(light wave)沿光栅的自由空间(free space)辐射，使用能调制光栅的纵方向辐射角的光栅结构的辐射器结构。
背景技术
光相位排列天线在无人汽车、机器人等中为了影像扫描，可被用为扫描光束的光源。就在多种领域中用于应用的光相位排列天线的优选性能而言，要求其尺寸小，光束辐射效率高，形成鲜明的光束，并且光束扫描的范围要广。为了在这种多样需求性能中达成小型化，需要基于半导体材料的光相位排列天线构成。并且，光束的辐射效率、鲜明度、以及扫描的性能很大程度依赖于辐射光波的光辐射器的结构，因此在本发明中基于半导体材料来建议与光辐射器相关的具体结构。
在此，半导体材料不仅包括硅、化合物材料半导体，也包括用于这些材料的光元件制造的硅氧化物、硅氮化物等绝缘体(dielectric)材料和金属薄膜材料。
并且，在可调制光栅结构中，辐射角度可按光栅的纵方向进行控制，且调制手段在光栅内或附近形成p型或n型掺杂区域，在电压施加或电流注入时，使用根据电光(electro-optic)效果或热光(thermo-optic)效果的折射率的变化。
通过与基于纳米光学的光相位排列天线相关的现有发明(美国专利申请2014/0192394 A1)和本研究室以前的发明(PCT/KR2015/012199)，曾建议了基于半导体硅材料的光栅结构的相位控制天线结构。
上述发明的光栅结构的光辐射器，根据光栅的周期、输入光的波长将从光栅中辐射的输出光波的纵方向辐射方向按特定方向进行限定。鉴于此，相位匹配光束的纵方向扫描范围局限于窄的范围。
具体来讲，在MxN二维(2D)相位排列天线结构中(例如，美国专利申请2014/0192394 A1)为了按纵方向连续地变化辐射方向，必须按矩阵(matrix)配置的二维相位排列的列方向(column)即纵方向提供相位变化。但，存在如下问题：在二维相位排列中为了获取列方向的相位控制功能，需要二维排列的复杂结构，以及鉴于具有多种功能的构成元件按各辐射器单位集成，由于空间的制约，按相位排列可获取的纵方向扫描范围被缩窄为10。以内。
并且，在如1xM一维(1D)光辐射器阵列的结构中，必须调制入射波长才能主动变化纵方向辐射方向。但，为了提供入射波长的调制功能，存在必须使用能进行广范围的波长调制的光源之问题。
具体来讲，在本研究室以前的发明(PCT/KR2015/012199)中建议的1xM型基本相位排列天线结构如图1所示。在图1中，构成相位排列天线的主要元件大体上由光源100(lightsource)、光功率分配器101-1和101-2(power distributor)、相位控制器102(phasecontroller)以及光辐射器104(radiator)构成。这些构成元件每一个经由光波导106(waveguide)连接。例如，相位控制器102与光辐射器104经由光波导106互相连接，且该连接波导密集度高，会发生波导间的耦合(coupling)，鉴于该配置重要，因此按相位供给线103(phase-feeding line)进行区分。
在图1的相位排列中，为了沿光辐射器104的长度方向确保充分的空间，除了1xM辐射器阵列105外还具有配置光功率分配器101-1和101-2、相位控制器102以及相位供给线103的特征。此时，在1xM辐射器阵列中仅通过横方向相位变化不能实现竖直方向即纬度(latitude)方向的扫描。鉴于此，以前的发明(PCT/KR2015/012199)建议了上下独立配置N个1xM辐射器阵列且通过在每个1xM辐射器阵列中按各自不同角度负责纵方向辐射角度从而赋予二维空间的光束扫描功能的结构。这种方式存有必须上下配置N个1xM辐射器阵列的问题。
因此，本发明建议了一种无需使用纵方向相位调制或可调制光源就能直接调制纵方向辐射角的光辐射器结构。尤其，在1xM型一维相位排列天线或沿纵方向在相位排列中具有独立性的(1xM)xN型相位排列天线的特定波长中，由于不能进行与纵方向辐射角相关的主动控制，因此本发明的辐射角可调制的辐射器结构在上述两种类型的相位排列天线中将会非常有用地被使用。
发明内容
本发明通过使用纵方向辐射角可调制的光辐射器，仅通过一个1xM一维阵列，用以达成在横方向和纵方向全部包括的二维扫描功能。
根据本发明的一个实施例，一种构成光相位排列天线的光辐射器元件，包括：光波导，包含使用半导体材料的波导内芯和波导覆层；以及光栅，周期性地形成在所述光波导上部或下部，所述光辐射器元件，沿所述光波导和所述光栅的一个方向入射输入光波，并且利用来自所述光栅的散射向自由空间辐射输出光波，且为了调整向所述自由空间辐射的输出光波的辐射角，在所述光辐射器元件周围通过电压施加或电流注入，变化所述光栅的有效折射率。
所述光辐射器元件，为了沿所述光栅的纵方向变宽范围，调整所述辐射角。
所述光辐射器元件，利用通过所述电压施加或所述电流注入的电光效果，变化所述光栅的有效折射率。
所述光辐射器元件，为了利用通过所述电压施加或所述电流注入的电光效果，在所述光栅内或附近形成p-n结结构。
所述光辐射器元件，为了利用通过所述电压施加或所述电流注入的电光效果，在所述光栅内或附近形成p-i-n结结构。
所述光辐射器元件，利用通过所述电流注入的热光效果，变化所述光栅的有效折射率。
所述光辐射器元件，为了利用通过所述电流注入的热光效果，在所述光栅内或附近形成按p型或n型中任意一个的型而掺杂的区域，且通过向所述掺杂的区域注入电流而发生的焦耳热，使所述光栅部分的温度上升。
所述光辐射器元件，为了利用通过所述电流注入的热光效果，在所述光栅内或附近形成p-n结，且通过向所述p-n结注入电流而发生的焦耳热，使所述光栅部分的温度上升。
所述光辐射器元件，为了利用通过所述电流注入的热光效果，向形成在所述光栅内或附近的p-n结施加逆电压，且通过根据击穿电压以上的电压的击穿电流，使所述光栅部分的温度上升。
本发明通过使用纵方向辐射角可调制的光辐射器，即使仅通过一个1xM一维阵列，也能达成在横方向和纵方向全部包括的二维扫描功能。
附图说明
图1是示出构成在以前的发明中建议的光相位排列天线的主要元件的示意图。
图2是示出本发明的光辐射器的基本结构的示意图。
图3是作为根据本发明的一个实施例的电光效果具有可调制光栅结构的光辐射器的结构，示出由p-n结构成的光辐射器的结构的示图。
图4是作为根据本发明的一个实施例的电光效果具有可调制光栅结构的光辐射器的结构，示出由p-i-n结构成的光辐射器的结构的示图。
图5是作为根据本发明的一个实施例的热光效果具有可调制光栅结构的光辐射器的结构，示出由p或n掺杂区域构成的光辐射器的结构的示图。
图6是作为根据本发明的一个实施例的热光效果具有可调制光栅结构的光辐射器的结构，示出由p-n结构成的光辐射器的结构的示图。
【附图标记】
100：光源(light source)
101-1、101-2：1:N光功率分配器(1:N power distributor)
102：相位控制器(phase controller)
103：相位供给线(phase-feeding line)
104：光辐射器(radiator)
105：1xM辐射器阵列(1xM radiator array)
106、200、300、400、500、600：光波导内芯(waveguide core)
201、301、401、501、601：光栅(grating)
202、302、402、502、602：输入光波(light wave)
203：光栅中辐射的衍射图案的输出光波
304-1、404-1、604-1：p型掺杂区域
304-2、404-2、604-2：n型掺杂区域
504：p型或n型掺杂区域
305-1、305-2、405-1、405-2、505-1、505-2、605-1、605-2：电极(electrode)
306、406、506、606：光波导的肋部分或光波导的覆层
具体实施方式
以下，参考附图对根据本发明实施例之光栅结构辐射器进行详细说明。本发明的下述实施例只是用于具体化本发明而不是限制或限定本发明的权利范围。本发明所属技术领域的技术人员从本发明的详细说明和实施例中能很容易得推理出本发明应被认为是属于本发明的权利范围。
图2是示出根据本发明一个实施例的光辐射器的基本结构的示意图。具体来讲，图2的(a)是示出光辐射器的纵剖图，且(b)是示出光辐射器的平面图。
参考图2，从光栅结构辐射的输出光波的远距离场203的辐射角根据衍射(diffraction)原理，可使用数学式1进行设计。
<数学式1>
在数学式1中，λ0表示输入光波的自由空间中重心波长，表示光栅的周期，neff表示包含光栅的光波导(包含内芯和覆层的整体波导)的有效折射率(effective index)，nc表示覆盖形成有光栅的光波导内芯上面的覆层(clad)的折射率，且θ表示在由从周期的光栅中散射的光波的衍射形成的衍射图案中与光的强度最强中心相对应的辐射角度(例如，自光栅表面的法线(normal)方向起的角度)。
在此，有效折射率neff基于根据光波导的材料和光波的波长之折射率(effectiveindex)，根据光波导的结构而被决定。并且，覆层的折射率当光栅露出于自由空间时，可按nc＝1进行显示。这种数学式基于传统的衍射原理，但当光栅的周期、光波导内芯的宽度和厚度等几何规模为衍射界限(diffraction limit)以下时，即，当接近于输入波长的波长的一半(λ0/2)或相比其要小时，通过传统的衍射原理难以圆满地进行描述。但，根据波长和折射率，与辐射角度相关的大致依赖性通过数学式1可进行预测。因此，本发明建议了一种在数学式1中通过电气性地变化有效折射率neff能控制辐射角θ的辐射角结构。
图3是作为根据本发明的一个实施例的电光效果具有可调制光栅结构的光辐射器的结构，示出由p-n结构成的光辐射器的结构的示图。具体来讲，图3的(a)是平面图，(b)是沿Z1-Z2线的纵剖图。
图4是作为根据本发明的一个实施例的电光效果具有可调制光栅结构的光辐射器的结构，示出由p-i-n结构成的光辐射器的结构的示图。具体来讲，图4的(a)是平面图，(b)是沿Z1-Z2线的纵剖图。
参考使用p-n结结构的图3，如(a)所示，p型掺杂区域304-1和n型掺杂区域304-2形成在光波导内芯300内的光栅301部分或附近。并且，在光波导内芯300附近的p型掺杂区域304-1和n型掺杂区域304-2形成有电极305-1和305-2。
在输入光波302入射到这种光波导内芯300的状态中，若在两电极305-1和305-2之间施加电压或电流时，在掺杂区域304-1和304-2中载流子(carrier)浓度即电子(electron)或空穴(hole)的浓度增加，根据电光(electro-optic)效果，具体来讲自由载流子等离子体色散(FCPD，free carrier plasma dispersion)效果，可变化掺杂的区域的折射率。鉴于该折射率变化，从掺杂区域的光栅301中辐射的输出光波203的辐射角θ会发生变化。由于电光效果和FCPD效果在半导体的光学中是已广泛周知的效果，因此省略详细的说明。
参考使用p-i-n结结构的图4，如(a)所示，p型掺杂区域404-1、i型区域404-3和n型掺杂区域404-2形成在光波导内芯400内的光栅401部分或附近。并且，在光栅401部分附近的p型掺杂区域404-1和n型掺杂区域404-2形成有电极405-1和405-2。
若在两电极405-1和405-2之间施加电压或电流时，通过参考图3说明的原理，根据电光(electro-optic)效果即FCPD效果，可变化掺杂的区域的折射率，且鉴于该折射率变化，从掺杂区域的光栅401中辐射的输出光波203的辐射角θ会发生变化。
在电压或电流施加中能更有效地获取折射率变化的优选方法为：在图3的p-n结结构中为了抽取载流子而施加逆向偏置(reverse bias)，且在图4的p-i-n结结构中为了注入载流子而施加正向偏置(forward bias)。
此时，从掺杂区域的光栅401中辐射的输出光波203的辐射角θ通过适当地调整向电极405-1和405-2施加的电压的值可被控制。
图5是作为根据本发明的一个实施例的热光效果具有可调制光栅结构的光辐射器的结构，示出由p或n掺杂区域构成的光辐射器的结构的示图。具体来讲，图5的(a)是平面图，(b)是沿Z1-Z2线的纵剖图。
图6是作为根据本发明的一个实施例的热光效果具有可调制光栅结构的光辐射器的结构，示出由p-n结构成的光辐射器的结构的示图。具体来讲，图6的(a)是平面图，(b)是沿Z1-Z2线的纵剖图。
参考示出由p型或n型掺杂的区域构成的光辐射器的图5，如(a)所示，按p型或n型中任一型而掺杂的区域504形成在光波导内芯500内的光栅501部分或附近。并且，在光波导内芯500的两端附近的p型或n型掺杂区域504中形成有电极505-1和505-2。
这种按p型或n型形成掺杂区域504的目的是：相比周围使阻抗降低，从而进行引导，以在电流注入时，向掺杂的区域集中地流过电流。因此，在输入光波502入射到光波导内芯500的状态中，若在两电极505-1和305-2之间施加电流时，根据电流的焦耳(Joule)热会发生，进而温度会上升。若掺杂区域504-1和504-2部分的温度上升，根据热光效果，光栅501部分的有效折射率会变化。
因此，鉴于该有效折射率变化，从掺杂区域内的光栅501中辐射的输出光波203的辐射角θ会发生变化。由于热光效果在半导体的光学中是已广泛周知的效果，因此省略详细的说明。
在图5所示的光辐射器的结构中，在两电极505-1和505-2之间，电流注入的方向按哪一端进行都无妨。也就是说，在电极505-1中相对地施加+电压且在505-2中相对地施加-电压，使电流从电极505-1朝向电极505-2进行施加也可；相反地施加+电压和-电压，使电流从电极505-2朝向电极505-1进行施加也可。鉴于根据焦耳热的温度上升随电流变大而增大，因此有效折射率的变化即辐射角θ的控制根据电流的强度进行调整。
参考使用p-n结结构的图6，如(a)所示，p型掺杂区域604-1和n型掺杂区域604-2形成在光波导内芯600内的光栅601部分或附近。并且，在光波导内芯600附近的p型掺杂区域604-1和n型掺杂区域604-2形成有电极605-1和605-2。
在此，即使p型掺杂区域604-1和n型掺杂区域604-2的两种掺杂区域接合，这些掺杂区域相比周围，其阻抗低，因此可集中地流过电流。因此，在光波602入射到光波导内芯600的状态中，若在两电极605-1和605-2之间施加电流时，根据电流的焦耳(Joule)热会发生，进而掺杂的区域604-1和604-2部分的温度会上升。若掺杂区域604-1和604-2部分的温度上升，根据热光效果，折射率会变化。鉴于该折射率变化，从掺杂区域内的光栅601中辐射的输出光波203的辐射角θ会发生变化。
在图6示出的光辐射器的结构中，在两电极605-1和605-2之间根据电压施加的方向，温度上升的程度会不同。当在两电极605-1和605-2之间施加正方向的电压时，根据电压从0起连续上升，电流也从0起连续上升。因此，有效折射率也会连续变化。
与此相比，当在两电极605-1和605-2之间施加逆方向的电压时，至达到击穿电压(breakdown voltage)前为止，电流小且其变化也小，然后若超过击穿电压，电流则会剧增。因此，掺杂区域604-1和604-2的温度上升和根据热光效果的有效折射率变化也会在击穿电压以上中效果性地进行显示。
根据与硅材料的光栅耦合器(grating coupler)相关的研究结果(Jong-Hun Kimet al.，IEEE Photo.Tech.Lett，vol.27，no.21，p.2034，Nov.1，2015)，逆电压下的击穿状态中按电流对比折射率变化而显示的调制效率，在相同的p-n结结构中，相比正电压下调制效率要高。因此，一个实施例在使用p-n结结构的光栅结构光辐射器中若考虑调制效率，相比施加正电压，更优选地是施加逆电压而使用击穿状态。无论是正电压还是逆电压，根据焦耳热的温度上升由于随电流的变大而增大，因此在图6的光辐射器的结构中，有效折射率的变化即辐射角θ的控制，可通过电极605-1和605-2之间注入的电流的强度或电极605-1和605-2之间施加的绝对电压的大小进行调整。
如上所述的实施例仅是用于具体化本发明，细部结构可进行多样地调整。例如，在图3和图6中针对在形成有光栅的光波导内芯301和601的中间设置p-n结的情况也进行了说明，但其并不局限或限定于此，p-n结可倾向于光波导内芯内的任一端侧面或位于光波导内芯外的任一端。
同样地，在图4中针对在形成有光栅的光波导内芯401侧面端中分别设置p-i结和i-p结的情况也进行了说明，但其并不局限或限定于此，p-i结和i-p结可分别设置在光波导内芯内的任一端或位于光波导内芯外的任一端。
并且，在图3至图6中针对电极305-1、305-2、405-1、405-2、505-1、505-2、605-1、605-2形成在p型或n型掺杂区域上的情况也进行了说明，但其并不局限或限定于此，电极305-1、305-2、405-1、405-2、505-1、505-2、605-1、605-2按照降低电气阻抗的意图，也可形成在相比光栅部分301、401、501、601的p型或n型掺杂浓度更高浓度的p+型或n+型掺杂区域上。
并且，在图3至图6中针对电极305-1、305-2、405-1、405-2、505-1、505-2、605-1、605-2设置在形成有光栅的光波导内芯301、401、501、601的侧面附近部分的情况进行了说明，但其并不局限或限定于此，电极305-1、305-2、405-1、405-2、505-1、505-2、605-1、605-2为了适当的电压施加、电流注入阵列配置，可配置在脱离于光波导内芯的侧面的位置。
并且，在图3的(b)、图4的(b)、图5的(b)和图6的(b)中针对以肋型波导结构为例在光波导内芯300、400、500、600侧面，电极形成在波导的肋部分(光波导下部层的一部分)306、406、506、606的情况进行了说明，但其并不局限或限定于此，电极基于带(strip)(channel)型、嵌带(embedded strip)型、脊(ridge)型(例如，“Fundamentals ofPhotonics,”B.E.A.Saleh and M.C.Teich,2nd Edition,p.310)等多种类型的光波导，可按能在光栅部分的附近执行电压施加和电流注入的多种结构和位置而形成。
在上述的实施例中使用的符号如下所示。
X：光栅的纵方向
Z：光栅的横方向
Y：光栅的法线方向(normal方向)
λ0：自由空间中输入光波的波长
Λg：光栅的周期
M：阵列内的光辐射器个数
θ：单位光栅的纵方向辐射角度(自法线起的角度)
neff：形成有光栅的光波导的有效折射率(effective index)
nc：覆盖形成有光栅的光波导上面的覆层的折射率
如上所述，虽然以有限的实施例和附图来描述了实施例，但是本领域的普通技术人员可以通过前述的记载，能够进行各种修改和变更。例如，所描述的技术能够以与所描述方法不同的顺序来执行，及/或所描述的系统、结构、装置、电路等构成要素能够以与所描述的方法不同的形态结合或组合，或者即使被其他构成要素或等同物取代，也可以获得合适的结果。
因此，其他表现形式、其他实施例以及与权利要求等同的手段，也包括在权利要求的范围内。
Claims (9)
1.一种光辐射器元件，作为构成光相位排列天线的光辐射器元件，包括：
光波导，包含使用半导体材料的波导内芯和波导覆层；以及
光栅，周期性地形成在所述光波导上部或下部，
所述光辐射器元件，沿所述光波导和所述光栅的一个方向入射输入光波，并且利用来自所述光栅的散射向自由空间辐射输出光波，且为了调整向所述自由空间辐射的输出光波的辐射角，在所述光辐射器元件周围通过电压施加或电流注入，变化所述光栅的有效折射率。
2.如权利要求1所述的光辐射器元件，其特征在于，所述光辐射器元件，为了沿所述光栅的纵方向变宽范围，调整所述辐射角。
3.如权利要求1所述的光辐射器元件，其特征在于，所述光辐射器元件，利用通过所述电压施加或所述电流注入的电光效果，变化所述光栅的有效折射率。
4.如权利要求3所述的光辐射器元件，其特征在于，所述光辐射器元件，为了利用通过所述电压施加或所述电流注入的电光效果，在所述光栅内或附近形成p-n结结构。
5.如权利要求3所述的光辐射器元件，其特征在于，所述光辐射器元件，为了利用通过所述电压施加或所述电流注入的电光效果，在所述光栅内或附近形成p-i-n结结构。
6.如权利要求1所述的光辐射器元件，其特征在于，所述光辐射器元件，利用通过所述电流注入的热光效果，变化所述光栅的有效折射率。
7.如权利要求6所述的光辐射器元件，其特征在于，所述光辐射器元件，为了利用通过所述电流注入的热光效果，在所述光栅内或附近形成按p型或n型中任意一个的型而掺杂的区域，且通过向所述掺杂的区域注入电流而发生的焦耳热，使所述光栅部分的温度上升。
8.如权利要求6所述的光辐射器元件，其特征在于，所述光辐射器元件，为了利用通过所述电流注入的热光效果，在所述光栅内或附近形成p-n结，且通过向所述p-n结注入电流而发生的焦耳热，使所述光栅部分的温度上升。
9.如权利要求8所述的光辐射器元件，其特征在于，所述光辐射器元件，为了利用通过所述电流注入的热光效果，向形成在所述光栅内或附近的p-n结施加逆电压，且通过根据击穿电压以上的电压的击穿电流，使所述光栅部分的温度上升。
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