CN112490671A - 一种反射式光学相控阵芯片及制造方法及激光扫描装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射式光学相控阵芯片及制造方法及激光扫描装置，包括：基底、高反层、压电层、天线阵列以及换能单元；其中，所述高反层设置在所述基底与所述压电层之间；所述天线阵列包括多个纳米天线元件，所述多个纳米天线元件以周期性图案布置在所述压电层上；所述纳米天线元件的高度可调节，以用于改变所述天线阵列的相位；所述换能单元设置在所述压电层上，且布置在所述天线阵列的周围。本发明相控阵芯片设置压电层，在压电层布置多个纳米天线元件形成的天线阵列，通过对纳米天线元件的高度调节，以调节天线阵列的出射相位，当光束直接入射到天线阵列上时，即可对光束进行控制，结构简单、灵活性好。
Description
技术领域
本发明涉及光束扫描技术领域，尤其涉及一种反射式光学相控阵芯片及制造方法及激光扫描装置。
背景技术
光束扫描作为一项重要的技术，已经广泛应用在通信、激光雷达、三维成像、高光谱成像和光学传感等领域。目前，实现光束扫描主要是采用缓慢且昂贵的机械式光束扫描器件，例如采用旋转棱镜、微机电系统(MEMS)振镜、传统机械振镜等器件；然而，这些机械式的器件通常是结构复杂且价格昂贵，响应速度有限，而且稳定性较差。
光学相控阵(Optical Phased Arrays，OPA)技术是一种灵活、快速和精确的非机械光束定向扫描技术，其具有分辨率高、抗干扰性强和高保密性等特点；光学相控阵为光束扫描提供了一种纯固态光束控制器件，当激光光束照射到OPA器件上时，OPA器件通过调节各个结构单元的相位，可以实现光束指向的变化、从而实现光束扫描。若将光学相控阵集成在一块芯片上，则光束扫描不再需要电机等机械驱动装置，将其应用于测量系统中，可利于测量系统的结构简化，且灵活性好、功耗低，这使得光学相控阵在光检测和测距、图像投影、激光雷达和光学存储等领域有着极大的吸引力，因此，有必要对光学相控阵芯片进行研究开发。
上述背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反射式光学相控阵芯片及制造方法及激光扫描装置，以解决上述背景技术问题中的至少一种问题。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
一种反射式光学相控阵芯片，包括：基底、高反层、压电层、天线阵列以及换能单元；其中，
所述高反层设置在所述基底与所述压电层之间；
所述天线阵列包括多个纳米天线元件，所述多个纳米天线元件以周期性图案布置在所述压电层上；所述纳米天线元件的高度可调节，以用于改变所述天线阵列的相位；
所述换能单元设置在所述压电层上，且布置在所述天线阵列的周围。
在一些实施例中，所述换能单元用于将相位控制信号转换为表面波，通过所述表面波驱动所述纳米天线元件的高度呈周期性变化。
在一些实施例中，所述天线阵列为一维阵列或者二维阵列，并且相邻的两个所述纳米天线元件之间的间隔小于入射光的波长。
在一些实施例中，所述换能单元包括至少一组叉指换能器，每组叉指换成器包括至少一个输入叉指换能器，通过输入叉指换能器将输入的相位控制信号转换为表面波。
在一些实施例中，所述相位控制信号为电信号，通过调节所述电信号的大小、频率以及波动曲线生成对应的所述表面波，以驱动所述纳米天线元件的高度发生对应的变化。
在一些实施例中，还包括有支撑壁和透明保护盖板；其中，所述支撑臂设置在所述基底上并位于所述基底的四周，以用于支撑所述透明保护盖板；所述透明保护盖板、所述支撑壁与所述基底形成一个封闭的空间，以将所述高反层、所述压电层、所述天线阵列和所述换能单元封闭设置在所述空间内。
在一些实施例中，还包括有介质层，所述介质层设置在所述高反层与所述压电层之间。
本发明实施例另一技术方案为：
一种制造反射式光学相控阵芯片的方法，包括如下步骤：
S10、提供基底，并在所述基底的表面设置高反层；
S20、在所述高反层表面设置压电层；
S30、将多个纳米天线元件以周期性图案布置在压电层上形成天线阵列，并在天线阵列的周围布置换能单元；其中，纳米天线元件的高度可调节，以用于改变天线阵列的相位。
在一些实施例中，还包括步骤：在所述高反层与所述压电层之间设置介质层。
本发明实施例又一技术方案为：
一种激光扫描装置，包括发射器、采集器以及控制与处理电路；其中，
发射器，包有光源以及前述任一实施例方案所述的相控阵芯片；所述光源发出的光束通过相控阵芯片进行调相处理后朝向目标区域发射，至少部分发射光束经目标区域反射后形成反射光束；
采集器，用于接收所述反射光束得到电信号；
控制与处理电路，连接所述发射器与所述采集器，用于对所述发射器和所述采集器进行控制，并计算光束从发射到反射回来被接收所需要的时间。
本发明技术方案的有益效果是：
相较于现有技术，本发明相控阵芯片设置压电层，在压电层布置多个纳米天线元件形成的天线阵列，通过对纳米天线元件的高度调节，以调节天线阵列的出射相位，当光束直接入射到天线阵列上时，即可对光束进行控制，结构简单、灵活性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明一个实施例反射式光学相控阵芯片的结构示意图。
图2是根据本发明一个实施例反射式光学相控阵芯片的天线阵列的排布示意图。
图3是根据本发明一个实施例反射式光学相控阵芯片的叉指换能器的结构图示。
图4是根据本发明一个实施例反射式光学相控阵芯片的俯视图。
图5是根据本发明另一个实施例反射式光学相控阵芯片的结构示意图。
图6是根据本发明又一个实施例反射式光学相控阵芯片的结构示意图。
图7是根据本发明一个实施例制造反射式光学相控阵芯片的方法的流程示意图。
图8是根据本发明一个实施例激光扫描装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
图1所示为本发明一个实施例一种反射式光学相控阵芯片的结构示意图。芯片包括：基底101、高反层102、压电层103、天线阵列106以及换能单元104；其中，高反层102设置在基底101和压电层103之间；天线阵列106包括多个纳米天线元件105，多个纳米天线元件105以周期性图案布置在压电层103上；所述纳米天线元件105的高度可调节，以用于改变天线阵列106的相位；换能单元104设置在压电层103上，且布置在天线阵列106的周围。基底101的材料为硅、砷化镓、石英、蓝宝石、氮化镓以及碳化硅等其中的任一种。
具体的，天线阵列106包括多个高度可调节的纳米天线元件105，且多个纳米天线元件105的结构相同。其中，多个纳米天线元件105成周期性排布形成天线阵列106，天线阵列106可以是一维阵列也可以是二维阵列，并且相邻的两个纳米天线元件105之间的间隔小于入射光波长。
在一些实施例中，多个纳米天线元件105按照一维排列的方式形成天线阵列106，如图2所示的实施例，其中纳米天线元件105呈长条块结构，纳米天线元件的长度根据具体器件的参数设计配置，在本发明中不做具体限制。
在一些实施例中，多个纳米天线元件按照二维排列的方式形成天线阵列，纳米天线元件呈圆柱形、方柱形、圆孔形、方孔形、椭圆柱形、椭圆孔、十字柱形、十字孔形、V型柱、V型孔等结构中的至少一种。在本发明中，纳米天线元件的数量根据具体器件的参数设计配置。
换能单元104根据外部输入的相位控制信号调节纳米天线元件105的高度发生周期性的变化，根据纳米天线元件105高度的变化量调制纳米天线元件的相位响应，而纳米天线元件的幅度响应基本保持不变。其中，相位响应的变化区间为[0，2π]，随着纳米天线元件的高度增加，相位响应逐渐趋近于2π。当光束(图中用实线箭头表示)入射到天线阵列106时，通过调节各个纳米天线元件105的相位响应调节每个光束的相位，使得出射的光束在视场中实现扫描。其中，纳米天线元件是具有高折射率的压电材料。
换能单元104用于将外部输入的相位控制信号转换为表面波，表面波沿压电层103的表面传播，当表面波经过天线阵列106时，会引起压电层103发生振动，从而使得布置于压电层103上的纳米天线元件的高度随着振动呈现周期性变化，实现在表面波的驱动下调整各个纳米天线元件105的高度呈现周期性的伸长或缩短，且各个纳米天线元件105的高度互不相同，从而可调节天线阵列106的相位响应轮廓，当光束直接入射到天线阵列上时，即可根据相位控制信号对光束进行控制。其中，压电层103是由支持表面波的激发和传播的压电材料组成，压电层的材料可以和纳米天线元件的材料相同，也可以和纳米天线元件的材料不同；在一些实施例中，所述压电材料可以是砷化镓、铌酸锂、氧化锌、氮化铝等其中的一种。所述相位控制信号可以是电信号，通过调节电信号的大小、频率以及波动曲线生成对应的表面波，以驱动纳米天线元件的高度发生对应的变化，达到对天线阵列的输出相位的调节。其中，所述表面波是一种机械波，优选为声表面波。
当入射光束的一部分透过压电层103时，高反层102可以将透过压电层103的光束反射回压电层103后再经由天线阵列106出射，入射光束经过天线阵列106进行了两次调制；具体的，入射光束经过纳米天线元件进行第一次调节，经过高反层反射后经过天线阵列进行第二次调节，如此设计不仅提高了能量利用率也增强了天线阵列对光束的调制能力。其中，高反层102的材料可以是金、银、铝等高反射率金属构成，也可以是由高折射率和低折射率材料交叠形成的多层介质膜。
在一些实施例中，换能单元104包括至少一组叉指换能器，每组叉指换成器包括至少一个输入叉指换能器，输入叉指换能器利用逆压电效应将外部输入的相位控制信号转换为表面波。在一个实施例中，每组叉指换能器还包括至少一个与输入叉指换能器相对的输出叉指换能器，用于将声表面波转换为电信号输出以作为反馈信号，根据反馈信号可以监测天线阵列在相位控制信号驱动下的工作状态，并在必要时进行反馈控制。其中，天线阵列被设置在输入、输出叉指换能器之间。在一些实施例中，叉指换能器是由两条汇流条和交替连接在这两个汇流条上的多条金属电极构成。在一些实施例中，叉指换能器的结构为啁啾结构、倾斜结构、切趾结构中的至少一种，图3所示为叉指换能器的结构图，其中，图3a所示为啁啾结构，图3b所示为倾斜结构，图3c所示为切趾结构。
如图4所示是本发明一个实施例的光学相控阵芯片的俯视图。在一些实施例中，换能单元104被配置为包括两组叉指换能器阵列1041、1042，每组叉指换能器阵列分别设置在天线阵列106的两侧，每组叉指换能器阵列中包括多个输入叉指换能器，各个输入叉指换能器的输入电信号之间存在相位差，以用于控制光束实现二维扫描。在一些实施例中，每组叉指换能器阵列还包括有多个输出叉指换能器。进一步的，每个输出叉指换能器与每个输入叉指换能器对应设置。
如图5为本发明另一个实施例的光学相控阵芯片的结构示意图。芯片包括：基底101、高反层102、压电层103、天线阵列106、换能单元104、支撑壁107和透明保护盖板108。其中，高反层102设置在基底101与压电层103之间；天线阵列106和换能单元104设置在压电层103上；支撑臂107设置在基底101上并位于基底101的四周，用于支撑透明保护盖板108；透明保护盖板108、支撑壁107与基底101形成一个封闭的空间，以将高反层102、压电层103、天线阵列106和换能单元104封闭设置在该空间内。
如图6所示是本发明又一个实施例的光学相控阵芯片的结构示意图。芯片包括：基底101、高反层102、压电层103、天线阵列106、换能单元104和介质层109。其中，高反层102设置在基底101上，介质层109设置在高反层102与压电层103之间，天线阵列106和换能单元104设置在压电层103上。所述介质层109是由透明、低折射率的材料构成，比如二氧化硅。通过设置具有低折射率的介质层，有效减小了天线元件在高度呈现周期性变化时产生的幅度变化造成的干扰。
参照图7所示，本发明还提出了一种制造反射式光学相控阵芯片的方法，方法包括如下步骤：
S10、提供基底，并在基底的表面设置高反层；
具体的，在一些实施例中，基底的材料为硅、砷化镓、石英、蓝宝石、氮化镓以及碳化硅等其中的任一种，通过将高反射率金属材料沉积在基底上形成高反射层，或将高反膜蒸镀在基底上形成高反层；其中，所述高反射率金属材料为金、银、铝等其中之一种；在一些实施例中，也可以将包括高折射率和低折射率的材料通过交叠沉积的方式形成具有多层介质膜结构的高反层。
S20、在高反层表面设置压电层；
具体的，将压电材料沉积在高反层上形成一定厚度的压电层。
S30、将多个纳米天线元件以周期性图案布置在压电层上形成天线阵列，并在天线阵列的周围布置将换能单元；其中，纳米天线元件的高度可调节，以用于改变天线阵列的相位。
具体的，将多个纳米天线元件以一定图案布置在压电层上形成天线阵列，优选地，多个纳米天线元件布置在压电层的中心位置；其中，纳米天线元件的排列方式可以是一维阵列也可以是二维阵列，并且相邻的两个所述纳米天线元件之间的间隔小于入射光的波长。换能单元布置在天线阵列的周围且设置在压电层上，在一些实施例中，可以将金属沉积在压电层上形成金属电极，以作为换能单元。
可以理解的是，以上制造方法只是本发明的一个实施例，并不对本发明的芯片制造方法做具体限制。在一些其他可能的实施例中，也可以将各部分单独制作完成后再耦合到一起组成本发明实施例中所涉及的光学相控阵芯片。
参照图8所示，作为本发明一实施例还提供一种激光扫描装置200，包括发射器20、采集器21以及控制与处理电路22；其中，发射器20包有光源201以及前述任一实施例方案所述的相控阵芯片202，光源201发出的光束通过相控阵芯片202，由相控阵芯片202进行调相处理后朝向目标区域300发射，该光束400发射至目标区域空间中以照明空间中的目标物体，至少部分发射光束经目标区域反射后形成反射光束400，反射光束400中的至少部分光束被采集器21接收；采集器21，用于接收所述反射光束400得到电信号；控制与处理电路22，连接所述发射器20与采集器21，用于对所述发射器20和采集器21进行控制，并计算光束从发射到反射回来被接收所需要的时间。
可以理解的是，以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
此外，本发明的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。
Claims (10)
1.一种反射式光学相控阵芯片，其特征在于：包括基底、高反层、压电层、天线阵列以及换能单元；其中，
所述高反层设置在所述基底与所述压电层之间；
所述天线阵列包括多个纳米天线元件，所述多个纳米天线元件以周期性图案布置在所述压电层上；所述纳米天线元件的高度可调节，以用于改变所述天线阵列的相位；
所述换能单元设置在所述压电层上，且布置在所述天线阵列的周围。
2.如权利要求1所述的反射式光学相控阵芯片，其特征在于：所述换能单元用于将相位控制信号转换为表面波，通过所述表面波驱动所述纳米天线元件的高度呈周期性变化。
3.如权利要求1所述的反射式光学相控阵芯片，其特征在于：所述天线阵列为一维阵列或者二维阵列，并且相邻的两个所述纳米天线元件之间的间隔小于入射光的波长。
4.如权利要求2所述的反射式光学相控阵芯片，其特征在于：所述换能单元包括至少一组叉指换能器，每组叉指换成器包括至少一个输入叉指换能器，通过输入叉指换能器将输入的相位控制信号转换为表面波。
5.如权利要求2所述的反射式光学相控阵芯片，其特征在于：所述相位控制信号为电信号，通过调节所述电信号的大小、频率以及波动曲线生成对应的所述表面波，以驱动所述纳米天线元件的高度发生对应的变化。
6.如权利要求1所述的反射式光学相控阵芯片，其特征在于：还包括有支撑壁和透明保护盖板；其中，所述支撑臂设置在所述基底上并位于所述基底的四周，以用于支撑所述透明保护盖板；所述透明保护盖板、所述支撑壁与所述基底形成一个封闭的空间，以将所述高反层、所述压电层、所述天线阵列和所述换能单元封闭设置在所述空间内。
7.如权利要求1所述的反射式光学相控阵芯片，其特征在于：还包括有介质层，所述介质层设置在所述高反层与所述压电层之间。
8.一种制造反射式光学相控阵芯片的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10、提供基底，并在所述基底的表面设置高反层；
S20、在所述高反层表面设置压电层；
S30、将多个纳米天线元件以周期性图案布置在所述压电层上形成天线阵列，并在所述天线阵列的周围布置换能单元；其中，所述纳米天线元件的高度可调节，以用于改变所述天线阵列的相位。
9.如权利要求8所述的制造反射式光学相控阵芯片的方法，其特征在于，还包括步骤：在所述高反层与所述压电层之间设置介质层。
10.一种激光扫描装置，其特征在于，包括发射器、采集器以及控制与处理电路；其中，
发射器，包有光源以及权利要求1-7任一项所述的相控阵芯片；所述光源发出的光束通过所述相控阵芯片进行调相处理后朝向目标区域发射，至少部分发射光束经目标区域反射后形成反射光束；
采集器，用于接收所述反射光束得到电信号；
控制与处理电路，连接所述发射器与所述采集器，用于对所述发射器和所述采集器进行控制，并计算光束从发射到反射回来被接收所需要的时间。
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