CN109901263A - 一种基于共用电极的硅基集成光学相控阵芯片 - Google Patents

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发明公开了一种基于共用电极的硅基集成光学相控阵芯片。该芯片由如下部分组合构成：光栅耦合器(1)、输入连接波导(2)、级联分光器(3)、连接波导(4)、相位调制阵列(5)、输出连接波导(6)、出射阵列天线(7)。其基本原理是，激光器激光经光栅耦合器(1)耦合进入输入连接波导(2)，经级联的分光器(3)将光强等分后，经连接波导(4)输入到相位调制阵列(5)，采用电极加电控制改变波导折射率的方式，对波导阵元进行相位调制。其中，主要提出相位调制阵列(5)中的控制电极采用共用电极方式，实现紧凑排布。而后，具有不同相位的光场经输出连接波导(6)输入到出射阵列天线(7)发射，实现光束偏转。

Description

一种基于共用电极的硅基集成光学相控阵芯片
技术领域
本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种基于共用电极的硅基集成光学相控阵芯片。
背景技术
光学相控阵(Optical Phased Array,OPA)是基于微波相控阵扫描理论和技术发展起来的新型光束指向控制技术，通过改变阵列单元中光的相位延迟来实现对出射光束波前的控制，从而达到光束偏转目的。光学相控阵具有无惯性器件、精确稳定、方向可任意控制等优点，克服了机械扫描的局限性，在激光显示、激光探测、激光雷达等领域具有广阔的应用前景。
自提出光学相控阵的概念之后，便涌现出了各种材料、各种结构的光学相控阵，包括液晶材料、MEMS结构以及基于热光效应的硅基集成光学技术。CMOS工艺发展相对成熟，具有较低成本和高集成度等特点，已受到广泛关注并形成了一定的竞争优势。硅基所具有的材料属性——热光系数较大，因此，应用于相控阵技术中时可利用热光调制效应。在硅基上构建空间间隔较小的光波导阵列，具有低成本、高稳定性，易于单片光电集成的优点。
但是，芯片内相位调制器阵列中的加热电极会占据很大的面积。每一个电极占据百微米量级的面积，当光学相控阵需要达到几十甚至几百个相位调制器阵列时，优化电极设计的需求将更为重要。因此，需要采用优化的共用电极排布设计，以达到减小芯片尺寸和降低外电路信号的控制复杂程度的目的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于共用电极的硅基集成光学相控阵芯片。本发明采用的是共用电极设计，可应用于在大规模集成的相位控制阵列芯片中，以达到减小芯片尺寸和降低外电路信号的控制复杂程度的目的。
一种基于共用电极的硅基集成光学相控阵芯片，包括光栅耦合器(1)、输入连接波导(2)、级联分光器(3)、连接波导(4)、相位调制阵列(5)、输出连接波导(6)、出射阵列天线(7)；所述的光栅耦合器(1)将光源从光纤耦合到波导芯片中的单模输入连接波导(2)；经级联的分光器(3)将光强等分后，再经连接波导(4)输入到相位调制阵列(5)，在相位调制阵列(5)中采用电极加电改变波导折射率的方法，对波导阵元进行相位调制；然后将具有不同相位的光场经输出连接波导(6)输入到出射阵列天线(7)发射，近场相位面倾斜的光场在远场相干叠加，实现光束偏转；
所述的相位调制阵列(5)，由级联分光器(3)分出的2N个具有相同光强的单模波导阵列构成，采用电极加电压改变波导折射率的方法进行相位调制，提出共用电极的排布方式。
所述的级联分光器(3)由N级1×2的3dB功分器构成，其结构是多模干涉耦合器，可以分出2N个相同强度的光路。
所述出射阵列天线(7)是相位调制后，经输出连接波导(6)连接的2N路天线阵列，实现远场光束偏转。
所述的相位调制阵列(5)利用等离子色散效应改变硅波导的折射率，即可改变光在波导中的相位；硅折射率变化Δn与自由载流子浓度ΔNe和ΔNh的关系如下：
Δn＝-6.2×10-22ΔNe-6.0×10-18(ΔNh)0.8 (1)
式(1)中，自由载流子浓度ΔNe和ΔNh可以通过改变施加电压的大小和偏压方向得到；
如要形成光束扫描，需要对每个相位调制阵列的电极施加不同的电压信号，形成相位调制器阵元之间的相位差；波导阵元中光场相位变化满足：
或者
其中，Δφ为波导阵元中产生的相位变化，λ为工作波长；式(2)中，Δn为波导的折射率变化，L为相位调制长度；式(3)中，n为波导的折射率，ΔL为相位调制长度差；即相位变化可以通过形成相位调制长度差ΔL实现。
本发明金属电极与波导之间存在二氧化硅隔离层，因此两者之间采用通孔连接；将电极排布与波导设计分开，且采用结构参数上下对称的波导设计，结构参数对称的波导共用一个电极，即施加相同的电压信号；采用共用电极排布方式优化相位调制阵列上的电极排布。
本发明具有的有益的效果是：
基于硅基的集成光学相控阵芯片，具有波导结构紧凑，与CMOS工艺兼容，易于单片集成，成本低的特点；
采用共用电极的设计，可以实现电极排布紧凑，并且所需控制电路信号数减少一半，即减小外电路信号控制难度。
附图说明
图1是本发明基于硅基集成的光学相控阵芯片的组成示意图。
图中：光栅耦合器(1)、输入连接波导(2)、级联分光器(3)、连接波导(4)、相位调制阵列(5)、输出连接波导(6)、出射阵列天线(7)。
图2是相位调制器结构示意图。
图3是相位调制器结构横截面示意图。
图4是相位调制阵列中的共用电极示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于硅基集成的光学相控阵芯片，自左向右依次包括光栅耦合器(1)、输入连接波导(2)、级联分光器(3)、连接波导(4)、相位调制阵列(5)、输出连接波导(6)、出射阵列天线(7)。激光器激光经光栅耦合器(1)耦合进入输入连接波导(2)，经级联的分光器(3)将光强等分后，经连接波导(4)输入到相位调制阵列(5)，采用电极加电改变波导折射率的方法，对波导阵元进行相位调制。其中，主要提出了在相位调制阵列(5)中采用共用电极设计的方法。然后，具有不同相位的光场经输出连接波导(6)输入到出射阵列天线(7)发射，近场相位面倾斜的光场在远场相干叠加，实现光束偏转。
所述的相位调制阵列(5)，是由级联分光器(3)分出的2N个具有相同光强的单模波导阵列构成。如图2所示，此相位调制器是利用等离子色散效应改变硅波导的折射率，即可改变光在波导中的相位。硅折射率变化Δn与自由载流子浓度ΔNe和ΔNh的关系如下：
Δn＝-6.2×10-22ΔNe-6.0×10-18(ΔNh)0.8 (1)
式(1)中，自由载流子浓度ΔNe和ΔNh可以通过改变施加电压的大小和偏压方向得到。
如要形成光束扫描，需要对每个相位调制阵列的电极施加不同的电压信号，形成相位调制器阵元之间的相位差。波导阵元中光场相位变化满足：
或者
其中，Δφ为波导阵元中产生的相位变化，λ为工作波长。式(2)中，Δn为波导的折射率变化，L为相位调制长度。式(3)中，n为波导的折射率，ΔL为相位调制长度差。即相位变化可以通过形成相位调制长度差ΔL实现。
如图3所示，金属电极与波导之间存在二氧化硅隔离层，它们之间采用通孔连接。将电极排布与波导设计分开，使得电极的在面上更加自由排布。由于单个电极的尺寸较大，具有一定规模的相控阵的尺寸将由电极的占地面积决定。如图1所示，采用结构参数上下对称的波导设计，可以优化相位调制阵列上的电极排布，可以采用共用电极排布方式。
图4是相位调制阵列(5)中的共用电极示意图，为了标明共用电极位置，图中示意了电极下方的2N个波导阵列。结构参数对称的波导共用一个电极，即施加相同的电压信号。共用了电极的波导之间的相位差通过不同的调制长度的方式实现，如式(3)所示。不同电极之间的相位差即可通过改变电压得到，其中GND相对于其他电极电压，可以为高电平或者低电平，从而实现正负相位差，实现光束正负角的双向扫描。通过如上设计方式，芯片尺寸得到极大的减小，并且控制电压信号数减少一半，这极大的化简了控制电路的复杂度。

Claims (5)

1.一种基于共用电极的硅基集成光学相控阵芯片，其特征在于包括光栅耦合器(1)、输入连接波导(2)、级联分光器(3)、连接波导(4)、相位调制阵列(5)、输出连接波导(6)、出射阵列天线(7)；所述的光栅耦合器(1)将光源从光纤耦合到波导芯片中的单模输入连接波导(2)；经级联的分光器(3)将光强等分后，再经连接波导(4)输入到相位调制阵列(5)，在相位调制阵列(5)中采用电极加电改变波导折射率的方法，对波导阵元进行相位调制；然后将具有不同相位的光场经输出连接波导(6)输入到出射阵列天线(7)发射，近场相位面倾斜的光场在远场相干叠加，实现光束偏转；
所述的相位调制阵列(5)，由级联分光器(3)分出的2N个具有相同光强的单模波导阵列构成，采用电极加电压改变波导折射率的方法进行相位调制，提出共用电极的排布方式。
2.根据权利要求1所述的一种基于共用电极的硅基集成光学相控阵芯片，其特征在于所述的级联分光器(3)由N级1×2的3dB功分器构成，其结构是多模干涉耦合器，可以分出2N个相同强度的光路。
3.根据权利要求2所述的一种基于共用电极的硅基集成光学相控阵芯片，其特征在于出射阵列天线(7)是相位调制后，经输出连接波导(6)连接的2N路天线阵列，实现远场光束偏转。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于共用电极的硅基集成光学相控阵芯片，其特征在于
所述的相位调制阵列(5)利用等离子色散效应改变硅波导的折射率，即可改变光在波导中的相位；硅折射率变化Δn与自由载流子浓度ΔNe和ΔNh的关系如下：
Δn＝-6.2×10-22ΔNe-6.0×10-18(ΔNh)0.8 (1)
式(1)中，自由载流子浓度ΔNe和ΔNh可以通过改变施加电压的大小和偏压方向得到；
如要形成光束扫描，需要对每个相位调制阵列的电极施加不同的电压信号，形成相位调制器阵元之间的相位差；波导阵元中光场相位变化满足：
或者
其中，Δφ为波导阵元中产生的相位变化，λ为工作波长；式(2)中，Δn为波导的折射率变化，L为相位调制长度；式(3)中，n为波导的折射率，ΔL为相位调制长度差；即相位变化可以通过形成相位调制长度差ΔL实现。
5.根据权利要求4所述的一种基于共用电极的硅基集成光学相控阵芯片，其特征在于金属电极与波导之间存在二氧化硅隔离层，因此两者之间采用通孔连接；将电极排布与波导设计分开，且采用结构参数上下对称的波导设计，结构参数对称的波导共用一个电极，即施加相同的电压信号；采用共用电极排布方式优化相位调制阵列上的电极排布。
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