CN112946816A - 多孔径相干合束接收器及其制作方法 - Google Patents

多孔径相干合束接收器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多孔径相干合束接收器的制作方法，制作方法包括：在衬底上形成包括多个第一光波导的光波导阵列和包括第二光波导和合束部的光波导合束器，其中，合束部具有多个光波导分支部，第二光波导和第一光波导对应连接到多个光波导分支部；对第一光波导的端部进行处理，以形成用于接收光信号的光学天线；在第二光波导的端部设置处理单元。本发明还公开了一种多孔径相干合束接收器。本发明解决了现有的多孔径接收器的光纤束合束器的合束部分工艺复杂、捆绑较粗、合束效率低，限制了多孔径接收器的应用范围的问题。

Description

多孔径相干合束接收器及其制作方法
技术领域
本发明涉及光学芯片技术领域，尤其涉及一种多孔径相干合束接收器及其制作方法。
背景技术
空间激光通信是指利用激光作为传输载体在空间进行语言、数据、图像等信息双向传送的一种技术。其主要优势有：通信容量大(传输速率达上百Gbps)、抗电磁干扰能力强、频谱范围宽且无需频谱许可、通信系统终端体积小功耗低重量轻等优势。根据接收端探测方式的不同，空间激光通信被分为直接探测和相干探测。相干探测方式具有接受灵敏度高、抗干扰能力强、调制方式灵活等优势，因此在高速率、大容量、长距离的空间激光通信传输中具有很大的应用潜力，成为研发的热点。
在空间激光通信系统中，由于大气湍流的影响，传输光束的空间相干性退化，振幅和相位随机起伏，使得接收面出现光强闪烁、波形畸变、到达角起伏、光束漂移等现象。这些大大增加了激光通信系统的误码率，限制了激光通信系统的传输速率，严重地降低了系统的通信性能。
为了降低大气湍流对空间激光通信系统的影响，接收端的自适应光学技术方案和多孔径技术方案被相继提出。自适应光学技术需要使用倾斜镜、变形镜、波前传感器等设备，因而技术复杂、造价高。多孔径技术不但可以有效地降低光强起伏方差，还可以有效增加信号接收面积，还可以降低通信系统中断概率。多孔径接收方案的关键技术在于如何高效地将多路接收信号合为一路，并最终解调出通信信号。
现有的空间激光通信系统多孔径接收器的光纤束合束器(如图1所示)都是以单个光纤端面(图1中a)为孔径、基于光纤捆的多端面(孔径)模块，然而该结构的物理结构复杂，而且多个光纤束的合束部(图1中b)较粗、合束效率低，还限制了多孔径接收器的应用范围，尤其是不适于应用在薄型的电子设备中。
发明内容
为了达到上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
本发明的一方面提供了一种多孔径相干合束接收器的制作方法，所述制作方法包括：
在衬底上形成包括多个第一光波导的光波导阵列和包括第二光波导和合束部的光波导合束器，其中，所述合束部具有多个光波导分支部，所述第二光波导和所述第一光波导对应连接到所述多个光波导分支部；
对所述第一光波导的端部进行处理，以形成用于接收光信号的光学天线；
在所述第二光波导的端部设置处理单元。
优选地，所述第二光波导的宽度和所述第一光波导的宽度相等。
优选地，形成所述光学天线的方法包括：
在所述第一光波导的端部进行湿法腐蚀和离子注入，使所述第一光波导的端部以背向所述衬底的一侧弯曲，从而形成所述光学天线。
优选地，形成所述光学天线的方法具体包括：
利用湿法腐蚀工艺对所述第一光波导束的端部进行处理以形成悬臂梁；
在所述悬臂梁的预设位置处注入离子，以形成应力，使得所示悬臂梁在所述应力的作用下以背向所述衬底的一侧弯曲，以形成所述光学天线。
优选地，形成所述光学天线的方法具体包括：
在所述光波导束的端部的预设位置处注入离子，以形成应力；
利用湿法腐蚀工艺对离子注入后的所述光波导束的端部进行处理以形成悬臂梁，所述悬臂梁在所述应力的作用下以背向所述衬底的一侧弯曲，以形成所述光学天线。
优选地，所述制作方法还包括：
在多个所述第一光波导上分别设置相移器。
优选地，所述制作方法还包括：
在所述光学天线的表面上形成光学薄膜。
优选地，所述制作方法还包括：
在所述光学天线的上部设置光学透镜。
本发明的另一方面提供了一种多孔径相干合束接收器，包括衬底和设于所述衬底表面上的光波导阵列和光波导合束器，所述光波导阵列包括多个第一光波导，所述光波导合束器包括第二光波导和合束部，其中，所述合束部具有多个光波导分支部，所述第二光波导和所述第一光波导对应连接到所述多个光波导分支部，所述第一光波导的端部设有光学天线，所述第二光波导的端部设有处理单元。
优选地，所述第二光波导的宽度和所述第一光波导的宽度相等。
与现有技术相比，本发明采用了对衬底上的光波导材料层进行图形化的方式，将多个光波导和光波导合束器形成在片状或板状的衬底上，实现了多孔径相干合束接收器的薄型化，从而解决了现有的多孔径接收器的光纤束合束器的合束部分较粗，限制了其应用范围的问题。
附图说明
图1为现有光纤束合束器的结构示意图；
图2为本发明实施例的多孔径相干合束接收器的俯视图；
图3为本发明实施例的多孔径相干合束接收器的侧视图；
图4为本发明实施例的另一种多孔径相干合束接收器的俯视图；
图5为本发明实施例的又一种多孔径相干合束接收器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1
本实施例提供了多孔径相干合束接收器的制作方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤S1、在SOI(silicon-on-insulator)衬底上涂覆光刻胶。
步骤S2、通过曝光、显影、刻蚀的方法在SOI衬底上形成所需光波导的图案。具体是，将具有预设图形的掩模板置于涂覆有光刻胶的SOI衬底的上方并进行曝光；而后刻蚀以获得光波导图形结构(如图2所示)。其中，所述光波导图形结构包括具有多个第一光波导21的光波导阵列2和具有第二光波导32和合束部31的光波导合束器3，所述合束部31具有多个光波导分支部31a和由所述多个光波导分支部31a汇聚而成的聚合部31b，所述第一光波导21具有相对的第一端部和第二端部，所述第一光波导21的第一端部对应地连接到所述多个光波导分支部31a，所述第二光波导32具有相对的第三端部和第四端部，所述第二光波导32的第三端部连接到所述聚合部31b。作为另一种示例，如图4所示，每个所述光波导分支部31a还可以包括子分支部(31a’)，所述子分支部(31a’)包括至少两个分支。当然，本申请的光波导合束器3还可以采取其他的合束形态，在这里不一一举例。
步骤S3、对所述第一光波导21进行处理，以形成用于接收光信号的光学天线A。具体是，在所述第一光波导21的第二端部进行湿法腐蚀和离子注入，使所述第一光波导21的第二端部以背向所述衬底1的一侧弯曲，从而形成所述光学天线A，也就是说，所述光波导阵列2中的每个所述第一光波导21的第二端部均形成了所述光学天线A，从而形成了光学天线A阵列。其中，最优的所述第一光波导21的第二端部的弯曲形态为垂直弯曲，所谓的垂直弯曲意味着，所述第一光波导21的第二端部弯曲之后与所述衬底1的表面垂直。
步骤S4、在所述第二光波导32的第四端部设置处理单元5。具体地，所述处理单元5可以是光学图像处理器或者是光学数据处理器。
通过本实施例提供的方案，可以将多孔径相干合束接收器形成在片状或板状的衬底1之上，从而实现了多孔径相干合束接收器的薄型化，以此解决了现有的多孔径接收器的光纤束合束器的捆绑部分较粗，限制了其应用范围的问题。
通过本实施例的制作方法来制作的多孔径相干合束接收器是薄型的，因此可适用于小型的电子设备中，例如：智能手机或者是平板电脑等。
进一步地，本申请的多孔径相干合束接收器是通过在衬底1上形成光波导材料层之后，进行图形化的方式来进行的，因此上述的步骤S2中，第二光波导32的宽度和所述第一光波导21的宽度可设置成相同的宽度，从而进一步减小了光波导合束器3的尺寸。
进一步地，上述的步骤S3中，形成所述光学天线A的方法具体包括：
利用湿法腐蚀工艺对所述第一光波导21束的端部进行处理以形成悬臂梁；
在所述悬臂梁的预设位置处注入离子，以形成应力，使得所示悬臂梁在所述应力的作用下以背向所述衬底1的一侧垂直弯曲，以形成所述光学天线A；
或者是，在所述光波导束的端部的预设位置处注入离子，以形成应力；
利用湿法腐蚀工艺对离子注入后的所述光波导束的端部进行处理以形成悬臂梁，所述悬臂梁在所述应力的作用下以背向所述衬底1的一侧垂直弯曲，以形成所述光学天线A。
进一步地，根据实际的应用需求，在所述光学天线A的表面上利用气相沉积工艺形成一层或多层光学薄膜。例如：为了能够使垂直的光学天线A更好地约束所接收的光信号，所述光学薄膜可采用低折射率薄膜。
进一步地，在多个所述第一光波导21上分别设置相移器。
进一步地，为了提高光学天线A的光信号收集效率，在所述光学天线A上设置聚光透镜。设置聚光透镜的具体方法为：在所述光学天线A阵列的上部放置光学透镜阵列板，所述光学透镜阵列板包括阵列排布的多个光学透镜，其中，多个所述光学透镜的排列方式与多个所述光学天线A的排列方式相同，因此将所述光学透镜阵列板放置于所述光学天线A阵列的上部时，每个所述光学透镜对应于一个所述光学天线A，以此进一步提高了所述光学天线A的光信号接收能力。
实施例2
本实施例提供了一种多孔径相干合束接收器，如图2和图3所示，该多孔径相干合束接收器包括衬底1和设于所述衬底1上的光波导阵列2和光波导合束器3。其中，所述光波导阵列2和所述光波导合束器3为，对所述衬底1上的光波导材料层进行曝光显影之后形成的光波导图形结构。其中，所述光波导阵列2包括多个第一光波导21，所述光波导合束器3包括第二光波导32和合束部31。所述合束部31包括多个光波导分支部31a和由所述多个光波导分支部31a汇聚而成的聚合部31b。所述第一光波导21具有相对的第一端部和第二端部，所述第一光波导21的第一端部对应连接到所述多个光波导分支部31a，所述第二光波导32具有相对的第三端部和第四端部，所述第二光波导32的第三端部连接到所述聚合部31b。所述第一光波导21的第二端部设有光学天线A，以形成光学天线A阵列，每个所述光学天线的表面上形成有光学薄膜。所述第二光波导32的第四端部设置有处理单元5。
本实施例提供的多孔径相干合束接收器的光学天线A阵列收集光学信号之后，每个所述光学天线A所接收的光学信号沿着所述第一光波导21汇聚在所述聚合部31b中，之后沿着所述第二光波导32达到处理单元5处等待处理。
作为较佳的实施形态，如图5所示，光学天线阵列中所述光学天线A的排布方式优选采用蜂窝状的排布方式，以提高光学天线A的密集度，进而提高接收光信号的性能。此外，如图5所示，为了提高光学天线A的光信号收集效率，在所述光学天线A上设置聚光透镜。设置聚光透镜的具体方法为：在所述光学天线A阵列的上部放置光学透镜阵列板X，所述光学透镜阵列板X包括阵列排布的多个光学透镜Y，其中，多个所述光学透镜Y的排列方式与多个所述光学天线A的排列方式相同，因此将所述光学透镜阵列板放置于所述光学天线A阵列的上部时，每个所述光学透镜对应于一个所述光学天线A，以此进一步提高了所述光学天线A的光信号接收能力。
与现有技术相比，本实施例的多孔径相干合束接收器采用了薄型化设计，因此可适用于小型的电子设备中，例如：智能手机或者是平板电脑等。从而解决了现有的多孔径接收器的光波导合束器的捆绑部分较粗，限制了其应用范围的问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种多孔径相干合束接收器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在衬底上形成包括多个第一光波导的光波导阵列和包括第二光波导和合束部的光波导合束器，其中，所述合束部具有多个光波导分支部，所述第二光波导和所述第一光波导对应连接到所述多个光波导分支部；
对所述第一光波导的端部进行处理，以形成用于接收光信号的光学天线；
在所述第二光波导的端部设置处理单元。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，形成所述光学天线的方法包括：
在所述第一光波导的端部进行湿法腐蚀和离子注入，使所述第一光波导的端部以背向所述衬底的一侧弯曲，从而形成所述光学天线。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，形成所述光学天线的方法具体包括：
利用湿法腐蚀工艺对所述第一光波导束的端部进行处理以形成悬臂梁；
在所述悬臂梁的预设位置处注入离子，以形成应力，使得所示悬臂梁在所述应力的作用下以背向所述衬底的一侧弯曲，以形成所述光学天线。
4.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，形成所述光学天线的方法具体包括：
在所述光波导束的端部的预设位置处注入离子，以形成应力；
利用湿法腐蚀工艺对离子注入后的所述光波导束的端部进行处理以形成悬臂梁，所述悬臂梁在所述应力的作用下以背向所述衬底的一侧弯曲，以形成所述光学天线。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：
在多个所述第一光波导上分别设置相移器。
6.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：
在所述光学天线的表面上形成光学薄膜。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：
在所述光学天线的上部设置有光学透镜。
8.一种多孔径相干合束接收器，其特征在于，包括衬底和设于所述衬底表面上的光波导阵列和光波导合束器，所述光波导阵列包括多个第一光波导，所述光波导合束器包括第二光波导和合束部，其中，所述合束部具有多个光波导分支部，所述第二光波导和所述第一光波导对应连接到所述多个光波导分支部，所述第一光波导的端部设有光学天线，所述第二光波导的端部设有处理单元。
9.根据权利要求8所述的多孔径相干合束接收器，其特征在于，所述光学天线的表面上形成有光学薄膜。
10.根据权利要求8所述的多孔径相干合束接收器，其特征在于，所述光学天线的上部设置有光学透镜。
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