CN112946814A - 用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线及其制备方法，所述用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线沿z轴方向自下而上包括：衬底层、介质层和波导层，所述波导层包括用于将光能量向上辐射到自由空间的二维纳米孔状光栅结构。采用本发明的技术方案，波导层包括二维纳米孔状光栅结构，即在水平和垂直方向上均有纳米孔，可以用于向上耦合光输出，二维的纳米孔阵列光栅结构相比于条状光栅结构可以有效地降低光栅的衍射强度，从而增长了光栅长度，减小了光栅天线的远场发散角，提高了光学相控阵的分辨率，结构比较简单，容易制造。

Description

用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线及其制备方法

技术领域

本发明属于硅光子器件技术领域，尤其涉及一种用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线及其制备方法。

背景技术

光束扫描是可以实现目标搜寻、测距和成像等功能的一种重要技术方法，该技术在激光扫描、LiDAR（光检测和测距）、无线数据传输以及光开关和光互连等领域有着广泛的应用。传统的机械式扫描激光雷达技术很成熟，整体结构由三棱镜、万向节、旋转平面反射镜等器件组成。机械式激光雷达损耗小，扫描范围大，但是在扫描过程中有机械转动，具有扫描速度慢、体积大、稳定性差和价格昂贵等缺点。而光学相控阵不需要通过机械式转动就可以实现光束扫描，相比于传统的机械式激光雷达，其能耗和尺寸可以被大幅度地减小。

相比与工作于光波段，利用激光作为光源的光学相控阵，微波相控阵已经发展得很成熟，并且已经广泛地应用于无线通信系统和微波雷达中。光学相控阵可以依靠微波相控阵的技术和原理发展起来，而且光学相控阵的工作波段比微波波长更长，出射激光波束很窄，具有很好的保密性，并且不容易被侦察，也不会受到传统无线电波的干扰。另外，光学相控阵质量轻，功耗低，尺寸小，灵活性高，可以集成在一片芯片上。

光栅天线作为光学相控阵中最关键的器件，目前仍然有着向上衍射效率不高，远场发散角比较大等问题。向上衍射效率会影响光束的探测距离，主要由光栅的方向性决定，方向性定义为光栅向上的效率除以光栅向上和向下的效率之和。远场发散角决定了光束扫描的分辨率，对光学相控阵的分辨能力起到了决定性的作用。因此，提高光栅天线的向上衍射效率和降低远场发散角是光学相控阵中一个极其重要的技术问题。

目前，高效率或者大口径的光栅天线已被广泛报道。实现高效率的光栅天线主要通过双层结构来打破光栅的垂直对称性，从而提高光栅方向性，增大光栅天线向上衍射效率；或者利用金属反射镜实现光栅天线的单一方向出射，提升向上衍射效率。但是，这样需要多个刻蚀步骤或者额外的金属沉积，使制造难度大大提升。实现大口径的光栅天线主要通过将光栅结构和波导结构在垂直方向上或者水平方向上的分离来实现更弱的光栅强度，但是，在垂直方向上分离光栅结构需要多个刻蚀步骤，在水平方向上分离光栅得到的光栅天线向上衍射效率一般比较低，并且特征尺寸一般比较小。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线及其制备方法，以解决现有技术中光栅天线效率低下和远场发散角过大或结构比较复杂的问题。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线，

沿z轴方向自下而上包括：衬底层、介质层和波导层，所述波导层包括用于将光能量向上辐射到自由空间的二维纳米孔状光栅结构。其中，这里的纳米孔指的是纳米尺寸的任意形状的孔。

进一步的，所述二维纳米孔状光栅结构包括在波导上分别在水平和垂直方向上浅刻蚀亚波长大小的纳米孔。

进一步优选的，所述纳米孔的最大特征尺寸为亚波长大小。纳米孔的大小决定了光栅天线的长度，更大的纳米孔会造成光栅天线长度降低，增大远场发散角，不利于光栅天线的高分辨率探测。

采用此技术方案，其中的二维纳米孔状光栅结构用于向上耦合光输出，可以明显地降低光栅强度，减小光栅天线远场发散角，提高光学相控阵的分辨率。

作为本发明的进一步改进，所述二维纳米孔状光栅结构具有x方向和y方向的周期和占空比。

作为本发明的进一步改进，所述波导层的表面设有保护层，所述保护层的折射率小于波导层的折射率。

作为本发明的进一步改进，所述波导层的宽度小于所述衬底层和介质层的宽度。

作为本发明的进一步改进，所述波导层为矩形波导层。

作为本发明的进一步改进，所述波导层的厚度方向为z轴方向，所述波导层的宽度方向y轴方向，光传播方向为x轴方向。

作为本发明的进一步改进，所述衬底层的材料为硅，所述介质层的材料为二氧化硅；所述波导层的材料为硅。

作为本发明的进一步改进，所述二维纳米孔状光栅结构中的孔为矩形或菱形。

作为本发明的进一步改进，所述波导层的厚度为340nm，所述介质层的厚度为2~3μm，所述光栅x方向的周期为1.05μm~1.2μm，y方向周期0.4μm~0.65μm，所述光栅x方向的占空比为0.75~0.9，所述光栅y方向的占空比为0.9~0.5。

所述波导层厚度传统的值有220nm和340nm，其中，340nm波导层厚度的光栅天线具有更高的效率和光栅长度，介质层的厚度一般为2μm或者3μm，波导层厚度选为340nm时，介质层厚度选为2um可以使得光栅天线向下辐射的光能量更低，提升向上衍射的效率。采用此技术方案，合适的波导层厚度、刻蚀深度和光栅的周期以及占空比可以有效地降低光栅向下辐射的光能量，提高光栅天线的向上衍射效率，有利于光学相控阵的远距离探测。作为本发明的进一步改进，所述纳米孔的深度为40nm~90nm。

本发明公开了一种如上所述的用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤S1，提供一个位于底部的衬底层，以及位于衬底层上方的介质层。

步骤S2，在介质层的表面上，形成具有二维纳米孔状光栅结构的波导层；

在波导层的水平和垂直方向上刻蚀纳米孔阵列，形成二维纳米孔状光栅结构。

作为本发明的进一步改进，步骤S2包括：

步骤S21，在介质层的表面上，通过刻蚀形成波导层；

步骤S22，对波导层的顶部浅刻蚀二维的纳米孔阵列，形成二维纳米孔状光栅结构。其中二维的纳米孔阵列为在水平和垂直方向上通过刻蚀形成。采用二维纳米孔状光栅结构可以明显地降低光栅强度，减小光栅天线远场发散角。

作为本发明的进一步改进，步骤S21中，通过刻蚀形成矩形形状的波导层。

作为本发明的进一步改进，步骤S22中，刻蚀深度为40nm~90nm。刻蚀深度越小，光栅天线长度越长，远场发散角越小，但是制作难度也会随之增加。

作为本发明的进一步改进，步骤S21中，所述波导层的刻蚀深度为340nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，采用本发明的技术方案，波导层包括二维纳米孔状光栅结构，即在水平和垂直方向上均有纳米孔，可以用于向上耦合光输出，二维的纳米孔阵列光栅结构相比于条状光栅结构可以有效地降低光栅的衍射强度，从而增长了光栅长度，减小了光栅天线的远场发散角，提高了光学相控阵的分辨率，解决了常规的光栅天线效率不高和浅刻蚀的光栅天线长度较短的问题，光栅天线向上衍射效率高、远场发散角较小，结构比较简单，容易制造。

第二，采用本发明的技术方案，通过设计波导层的厚度340nm、介质层的厚度2μm、刻蚀深度40nm~90nm、x方向周期1.05μm~1.2μm和占空比0.75~0.9可以减小光栅天线向下辐射的光能量，提高光栅方向性，进而提高了光栅天线的向上衍射效率和光学相控阵的探测距离。

第三，采用本发明的技术方案，还可以通过设计刻蚀深度40nm~90nm，x方向周期1.05μm~1.2μm和占空比0.75~0.9，y方向周期0.4μm~0.65μm和占空比0.9~0.5，以及纳米孔的形状来减小光栅强度，进而增长光栅天线长度及减小光栅天线远场发散角，有利于光学相控阵的高分辨率探测。

附图说明

图1是本发明实施例1中用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线的三维结构示意图。

图2是本发明实施例1中用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线的x和z方向截面示意图。

图3是本发明实施例1中用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线的y和z方向截面示意图。

图4是本发明实施例1的光栅天线向上衍射效率和工作波长关系图。

图5是本发明实施例1的光栅天线远场归一化光强度和出射角度关系图。

图6是本发明实施例2中用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线的三维结构示意图。

图7是本发明实施例2中用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线的俯视图。

图8是本发明实施例1和实施例2的光栅天线远场归一化光强度和出射角度关系对比图。

附图标记包括：

1-衬底层，2-介质层，3-波导层。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。需要说明的是，本实施案例中所提供的图示仅以示意的方式说明本发明的基本构想，图中组件并非按照实际案例的组件数目和尺寸绘制，只是实施例的示意。

实施例1

如图1~图3所示，本实施例提供的用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线包括：衬底层1、介质层2和具有矩形二维纳米孔状光栅结构的波导层3，所述波导层3位于所述介质层2的表面。

本波导层3中所述波导层3，是指通过在波导层3进行浅刻蚀，在所述波导层3中形成周期性排列的矩形纳米孔阵列结构，纳米孔结构材料为二氧化硅。

光栅天线是光学相控阵中的光束发射装置，是最关键的一个器件，光栅天线的主要参数包括向上衍射效率和远场发散角。远场发散角由光栅长度决定，光栅长度越长，远场发散角越小，光学相控阵的分辨率越高。因此，本领域的技术人员可以根据需要通过选择合适的刻蚀深度和波导层的厚度等参数。

本实施例采用上述结构，可以通过改变刻蚀深度和纳米孔的周期和占空比精确控制光栅强度。刻蚀深度和纳米孔越小、周期越长，光栅强度越低，远场发散角越小。

进一步优选的，本实施例中，所述波导层3的厚度340nm、纳米孔的刻蚀深度40~90nm、x方向周期1.05μm~1.2μm和占空比0.75~0.9，y方向周期0.4μm~0.65μm，光栅y方向的占空比为0.9~0.5。采用此技术方案，大大减小光栅天线向下辐射光能量，增大光栅方向性，提高光栅天线向上衍射效率，有利于光学相控阵的远距离探测。

在本具体实施方式中，所述衬底层1材料选为硅；所述介质层2材料选为二氧化硅，厚度选为2μm；所述具有二维纳米孔状光栅结构的波导层3材料选为硅，厚度选为340nm，刻蚀深度为70nm。本领域技术人员可以根据具体需求进行改动。

根据上述实例设计了本发明器件，分析了该光栅天线的工作性能。

如图4所示，光栅天线峰值向上衍射效率超过71%，并且在1.95μm-2.05μm的100nm波长范围内，光栅天线向上衍射效率都超过60%，这对于光学相控阵的远距离探测是非常重要的。图5中给出了光栅天线的归一化远场强度和光栅出射角度的关系，可以知道，光栅天线远场发散角为0.16°。这可以通过将矩形纳米孔阵列改成菱形纳米孔阵列，进一步降低远场发散角，而不需要改变其它参数，也可以通过减小纳米孔大小来获得更低的远场发散角。

实施例2

如图6和图7所示，在实施例1的基础上，本实施例提供的用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线包括：衬底层1、介质层2和具有菱形二维纳米孔状光栅结构的波导层3，波导层3位于所述介质层2的表面。

本实施例中所述具有光栅结构的波导层3，是通过在波导层3进行浅刻蚀，在所述波导层3中形成周期性排列的菱形纳米孔阵列结构，纳米孔结构材料为二氧化硅。光栅天线是光学相控阵中的光束发射装置，是最关键的一个器件，光栅天线的主要参数包括向上衍射效率和远场发散角。远场发散角由光栅长度决定，光栅长度越长，远场发散角越小，光学相控阵的分辨率越高。

本实施例中，所述衬底层1材料选为硅；所述介质层2材料选为二氧化硅，厚度选为2μm；所述具有二维纳米孔状光栅结构的波导层3材料选为硅，波导层3的厚度选为340nm，纳米孔的刻蚀深度为70nm。本领域技术人员可以根据具体需求进行改动。

如图8所示，其中，线和实线分别对应于矩形纳米孔光栅天线和菱形纳米孔光栅天线的远场发散角，相比于矩形纳米孔阵列光栅天线，菱形纳米孔阵列光栅天线由于具有更小的刻蚀面积，所以光栅强度更小，远场发散角也更小，为0.035°。这还可以通过减小纳米孔大小和增大光栅周期来获得更低的远场发散角。将矩形纳米孔改成菱形纳米孔并不改变光栅的周期和占空比，所以菱形纳米孔光栅天线也可以保持和矩形纳米孔光栅天线一样的向上衍射效率和相近的扫描范围，这使得菱形纳米孔光栅天线具有更优越的工作性能。

本发明实施例还提供一种用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线的制备方法，本实施例制备得到的用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线的结构图可以参考图1~图3，该制备方法包括以下步骤：

步骤1），提供一衬底层，所述衬底层1表面上有介质层；

步骤2），于所述介质层表面上形成具有二维纳米孔状光栅结构的波导层。

具体地，所述衬底层的材料为硅，介质层的材料为二氧化硅，波导层的材料为硅。形成具有二维纳米孔状光栅结构的波导层包括：

步骤21），全刻蚀所述波导层，形成矩形形状的波导层。

步骤22），对所述波导层进行浅刻蚀，形成二维排列的纳米孔阵列结构。

进一步地，在形成具有光栅结构的波导层之后，还可以通过PECVD（PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积）工艺沉积二氧化硅材料，形成覆盖层，覆盖层位于所述波导层的上方。

综上所述，采用本发明实施例的用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线，本领域技术人员可以根据需要通过设计波导层的厚度、介质层的厚度、纳米孔的刻蚀深度、x方向光栅的周期和占空比，从而减小光栅天线向下辐射的光能量，提高光栅方向性，进而提高光栅天线的向上衍射效率和光学相控阵的探测距离，达到所需要的性能。

综上所述，本发明具体实施方式提供的用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线，通过设计纳米孔的刻蚀深度、x和y方向光栅的周期和占空比，纳米孔形状和大小来减小光栅强度，进而增长光栅天线长度及减小光栅天线远场发散角，有利于光学相控阵的高分辨率探测，此部分内容，本领域技术人员可以根据需要进行设计。

以上内容是结合具体的优选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，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线，其特征在于：沿z轴方向自下而上包括：衬底层、介质层和波导层，所述波导层包括用于将光能量向上辐射到自由空间的二维纳米孔状光栅结构。

2.根据权利要求1所述的用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线，其特征在于：所述二维纳米孔状光栅结构具有x方向和y方向的周期和占空比，所述纳米孔的最大特征尺寸为亚波长大小。

3.根据权利要求2所述的用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线，其特征在于：所述波导层的表面设有保护层，所述保护层的折射率小于波导层的折射率。

4.根据权利要求2所述的用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线，其特征在于：所述波导层的宽度小于所述衬底层、介质层的宽度。

5.根据权利要求4所述的用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线，其特征在于：所述纳米孔的深度为40nm~90nm，所述波导层为矩形波导层。

6.根据权利要求5所述的用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线，其特征在于：所述波导层的厚度为340nm，所述介质层的厚度为2~3μm，所述光栅x方向的周期为1.05μm~1.2μm，y方向周期0.4μm~0.65μm，所述光栅x方向的占空比为0.75~0.9，所述光栅y方向的占空比为0.9~0.5。

7.根据权利要求1~6任意一项所述的用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线，其特征在于：所述波导层的厚度方向为z轴方向，所述波导层的宽度方向y轴方向，光传播方向为x轴方向；所述二维纳米孔状光栅结构中的孔为矩形或菱形；

所述衬底层的材料为硅，所述介质层的材料为二氧化硅；所述波导层的材料为硅。

8.一种如权利要求1~7任意一项所述的用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤S1，提供一个位于底部的衬底层，以及位于衬底层上方的介质层；

步骤S2，在介质层的表面上，形成具有二维纳米孔状光栅结构的波导层；

在波导层的水平和垂直方向上刻蚀纳米孔阵列，形成二维纳米孔状光栅结构。

9.根据权利要求8所述的用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线的制备方法，其特征在于，步骤S2包括：

步骤S21，在介质层的表面上，通过刻蚀形成波导层；

步骤S22，对波导层的顶部刻蚀二维的纳米孔阵列，形成二维纳米孔状光栅结构，所述纳米孔的刻蚀深度为40nm~90nm。

10.根据权利要求9所述的用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线的制备方法，其特征在于：步骤S21中，通过刻蚀形成矩形形状的波导层；所述波导层的刻蚀深度为340nm。

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