CN113671769A - 基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵及制备方法，光学相控阵包括：硅基底；氧化硅层，位于硅基底上；硅基光波导层，位于氧化硅层上，硅基光波导层包括耦合分束器及光栅天线，耦合分束器及光栅天线之间具有间隙带；氧化硅包层，填充于硅基光波导层周围及间隙带；铌酸锂移相器，包括位于间隙带上的铌酸锂薄膜、位于铌酸锂薄膜上且连接耦合分束器及光栅天线的铌酸锂光波导、以及位于铌酸锂光波导两侧的铌酸锂薄膜上的调制电极。本发明采用具有高电光系数、低损耗的材料如铌酸锂来代替传统的光学相控阵中所用的热调电阻或者载流子注入的相位调制方式，可以在光学相控阵中进行低功耗、高速、低波导损耗的光学相位调制。
Description
技术领域
本发明属于硅光器件设计及制造领域，特别是涉及一种基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵及制备方法与应用。
背景技术
硅光技术发展至今，在光源、调制器、波导、探测器等光电器件上已取得不少突破和成果。硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工艺制作光器件，方便与其他现有的元器件集成。
受制于硅的晶格特性，硅的线性电光效应较为微弱，使得硅中的光调制主要依赖于自由载流子色散效应。然而，由于自由载流子色散的本征吸收和非线性特性，会降低光调制的振幅，并且在使用高级调制格式时可能导致信号失真。这使得硅光调制器要么显示出较低的光电带宽，要么显示出较高的工作电压。
光学相控阵作为一种可以实现光学空间扫描的器件，在距离传感、激光扫描成像、自由空间光通信等领域有着广泛的潜在应用，在现有技术中，单纯的基于硅材料的光学相控阵激光雷达大多数采用热光效应或者基于电光效应的载流子注入方式来改变光学相控阵每一个通道光学相位，从而达到波束成形的效果。然而，如上所述，由于硅的热光调相和载流子注入调相分别具有移相功耗高、速率低和波导损耗高的缺点，会极大地影响光学相控阵的性能，进而影响测距系统。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵及制备方法，以实现一种新型的光学相控阵的调相方式，降低硅基光学相控阵系统的功耗，提升硅基光学相控阵的调制速率，并且降低系统的波导损耗。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵，所述光学相控阵包括：硅基底；氧化硅层，位于所述硅基底上；硅基光波导层，位于所述氧化硅层上，所述硅基光波导层包括耦合分束器及光栅天线，所述耦合分束器及光栅天线之间具有间隙带；氧化硅包层，填充于所述硅基光波导层周围及所述间隙带；铌酸锂移相器，包括位于所述间隙带上的铌酸锂薄膜、位于所述铌酸锂薄膜上且连接所述耦合分束器及光栅天线的铌酸锂光波导、以及位于所述铌酸锂光波导两侧的铌酸锂薄膜上的调制电极。
可选地，还连接有光环行器及激光器，所述光环行器的输出端连接于所述耦合分束器的输入端，所述激光器的输出端连接于所述光环行器的输入端。所述激光器所发射的激光包括频率线性变化的窄线宽光束。
可选地，所述耦合分束器包括依次串接的多级50:50的分束单元，所述耦合分束器包括一个输入端以及多个输出端，且每个所述输出端所输出的光强相等。
可选地，所述铌酸锂光波导跨接于所述耦合分束器及光栅天线上方，且与所述耦合分束器及光栅天线具有交叠。
可选地，所述硅基光波导层的材料包括硅及氮化硅中的一种。
可选地，所述铌酸锂光波导为脊型波导。
可选地，所述调制电极包括地电极以及控制电极，所述地电极接地，所述控制电极用于输入控制信号，通过将控制信号经由所述控制电极加载到所述铌酸锂光波导的两侧，以改变光波传输区域的折射率，从而改变光波在传输过程中的相位。
本发明还提供一种基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵的制备方法，包括步骤：1)提供SOI衬底，所述SOI衬底包括硅基底、氧化硅层及硅基层；2)刻蚀所述顶硅层以形成硅基光波导层，所述硅基光波导层包括耦合分束器及光栅天线，所述耦合分束器及光栅天线之间具有间隙带；3)填充氧化硅包层于所述硅基光波导层周围及所述间隙带；4)键合铌酸锂层于所述硅基光波导层及所述氧化硅包层上，并刻蚀以形成位于所述间隙带上的铌酸锂薄膜以及连接所述耦合分束器及光栅天线的铌酸锂光波导；5)制备调制电极于所述铌酸锂光波导两侧的铌酸锂薄膜上，以形成铌酸锂移相器。
本发明还提供一种基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵的应用方法，包括：1)激光器将频率线性变化的窄线宽的激光注入到所述耦合分束器的输入端，并通过所述耦合分束器分成多个通道的光波；2)每个通道内的光波进入所述铌酸锂移相器进行相位调制，使每个通道的光波之间具有预定的相位偏移；3)每个通道具有预定相位差的光波进入光栅天线并通过所述光栅天线发射到空间中预定角度。
可选地，步骤2)中，光波进入所述铌酸锂移相器后，基于铌酸锂的电光效应，通过对所述调制电极施加控制信号，以改变通道中的铌酸锂的折射率，从而对所述相应通道内的光波进行相位调制。
如上所述，本发明的基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵及制备方法，具有以下有益效果：
本发明提供了一种新型的基于铌酸锂薄膜材料的光学移相器，并应用于硅基光学相控阵中，本发明采用具有高电光系数、低损耗的材料如铌酸锂来代替传统的光学相控阵中所用的热调电阻或者载流子注入的相位调制方式，可以在光学相控阵中进行低功耗、高速、低波导损耗的光学相位调制。
本发明通过键合工艺把铌酸锂薄膜附着在光学相控阵上，然后在铌酸锂上刻蚀光波导，最后通过溅射工艺在铌酸锂薄膜表面生成光学相位调制器电极，用于调制信号的加载通过铌酸锂薄膜移相器所具有的低半波电压，可以实现与现有的CMOS工艺相结合，具有低光传输损耗和高的调制速度，可以极大地提升硅基光学相控阵的发射光功率以及扫描速度，提升光学相控阵性能。
附图说明
图1～图3显示为本发明实施例的基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵的结构示意图，其中，图2显示为图1中A-A’处的截面结构示意图，图3显示为图1中B-B’处的截面结构示意图。
图4显示为本发明实施例的基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵的制备方法步骤流程示意图。
元件标号说明
101 激光器
20 光学相控阵
201 耦合分束器
202 铌酸锂移相器
203 光栅天线
301 硅基底
302 氧化硅层
303 硅基光波导层
304 氧化硅包层
305 铌酸锂薄膜
306 铌酸锂光波导
307 间隙带
308 地电极
309 控制电极
S11～S15 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～图3所示，本实施例提供一种基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵20，所述光学相控阵20包括：硅基底301、氧化硅层302、硅基光波导层303、氧化硅包层304及铌酸锂移相器202。
所述硅基底301可以为单晶硅基底，所述氧化硅层302，位于所述硅基底301上，可以采用如热氧化生长或其他工艺形成。
所述硅基光波导层303位于所述氧化硅层302上，所述硅基光波导层303包括耦合分束器201及光栅天线203，所述耦合分束器201及光栅天线203之间具有间隙带307。所述硅基光波导层303的材料可以硅及氮化硅中的一种。在本实施例中，所述硅基光波导层303的材料选用为硅。
所述耦合分束器201包括依次串接的多级50:50的分束单元，所述耦合分束器201包括一个输入端以及多个输出端，且每个所述输出端所输出的光强相等。例如，在本实施例中，所述耦合分束器201包括依次串接的两级50:50的分束单元，如图1所示，每级分束单元包括两个光学通道，将前一级分束单元的光波平均分成两份，所述耦合分束器201包括一个输入端以及四个输出端。当然，在其他的实施例中，所述耦合分束器201也可以包括更多级数的分束单元，如3级、4级等，可依据实际需求进行配置，并不限于此处所列举的示例。
所述光栅天线203包括多根平行且间隔排列的硅基天线，所述硅基天线的数量与所述耦合分束器201的输出端的数量一致。所述耦合分束器201及光栅天线203之间由间隙带307隔开，所述间隙带307的区域用于制备铌酸锂移相器202
所述氧化硅包层304填充于所述硅基光波导层303周围及所述间隙带307，所述氧化硅包层304的顶面与硅基光波导层303的顶面齐平，且至少在所述间隙带307两端显露出所述耦合分束器201的端部及光栅天线203的端部，以利于铌酸锂移相器202的连接，如图3所示。
如图2及图3所示，其中，图2显示为图1中A-A’处的截面结构示意图，图3显示为图1中B-B’处的截面结构示意图，如图2所示，所述铌酸锂移相器202包括位于所述间隙带307上的铌酸锂薄膜305、位于所述铌酸锂薄膜305上且连接所述耦合分束器201及光栅天线203的铌酸锂光波导306、以及位于所述铌酸锂光波导306两侧的铌酸锂薄膜305上的调制电极。所述铌酸锂移相器202用于对所述耦合分束器201输入的光波进行相位调制后，输出至所述光栅天线203。
例如，所述铌酸锂光波导306可以为脊型波导，该脊型波导呈直线型延伸。
如图3所示，所述铌酸锂光波导306跨接于所述耦合分束器201及光栅天线203上方，且与所述耦合分束器201及光栅天线203具有交叠，所述铌酸锂薄膜305与所述硅基光波导层303为直接接触，光波在所述耦合分束器201、铌酸锂薄膜305及光栅天线203的传播路径如图3中的箭头所示。
如图2所示，所述调制电极包括地电极308以及控制电极309，所述地电极308接地，所述控制电极309用于输入控制信号，通过将控制信号经由所述控制电极309加载到所述铌酸锂光波导306的两侧，以改变光波传输区域的折射率，从而改变光波在传输过程中的相位。
在本实施例中，如图1所示，所述光学相控阵20还连接有一光环行器及一激光器101，所述光环行器的输出端连接于所述耦合分束器201的输入端，所述激光器101的输出端连接于所述光环行器的输入端。所述激光器101所发射的激光包括频率线性变化的窄线宽光束。
如图1～图4所示，本实施例还提供一种基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵20的制备方法，包括步骤：
如图4所示，首先进行步骤1)S11，提供一SOI衬底，所述SOI衬底包括硅基底301、氧化硅层302及硅基层。
具体地，提供一硅基底301，所述硅基底301可以为单晶硅基底，采用如热氧化生长或其他工艺于所述硅基底301上形成氧化硅层302。然后在所述氧化硅层302上生长一层高折射率的硅或者氮化硅层，作为所述硅基层。
如图4所示，然后进行步骤2)S12，刻蚀所述顶硅层以形成硅基光波导层303，所述硅基光波导层303包括耦合分束器201及光栅天线203，所述耦合分束器201及光栅天线203之间具有间隙带307。
如图4所示，接着进行步骤3)S13，填充氧化硅包层304于所述硅基光波导层303周围及所述间隙带307。
如图4所示，然后进行步骤4)S14，键合铌酸锂层于所述硅基光波导层303及所述氧化硅包层304上，并刻蚀以形成位于所述间隙带307上的铌酸锂薄膜305以及连接所述耦合分束器201及光栅天线203的铌酸锂光波导306。
如图4所示，最后进行步骤5)S15，制备调制电极于所述铌酸锂光波导306两侧的铌酸锂薄膜305上，以形成铌酸锂移相器202。例如，可以通过金属溅射工艺及刻蚀工艺，或采用金属剥离工艺制备调制电极于所述铌酸锂光波导306两侧的铌酸锂薄膜305上。
本实施例还提供一种基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵20的应用方法，所述基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵20的结构如上面的实施例所示，所述应用方法包括：
步骤1)，激光器101将窄线宽的激光注入到所述耦合分束器201的输入端，并通过所述耦合分束器201分成多个通道的光波。
在本实施例中，所述激光器101发射的激光注入到所述耦合分束器201中，且将激光均匀的分配到每一个通道中。
步骤2)，每个通道内的光波进入所述铌酸锂移相器202进行相位调制，使每个通道的光波之间具有预定的相位偏移。
在本实施例中，光波进入所述铌酸锂移相器202后，基于铌酸锂的电光效应，通过对所述调制电极施加控制信号，以改变通道中的铌酸锂的折射率，从而对所述相应通道内的光波进行相位调制。具体地，经过所述铌酸锂移相器202进行相位调制，每个通道内的光波均具有不同的相位偏移。
步骤3)，每个通道具有预定相位差的光波进入光栅天线203并通过所述光栅天线203发射到空间中预定角度。
如上所述，本发明的基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵及制备方法，具有以下有益效果：
本发明提供了一种新型的基于铌酸锂薄膜材料的光学移相器，并应用于硅基光学相控阵中，本发明采用具有高电光系数、低损耗的材料如铌酸锂来代替传统的光学相控阵中所用的热调电阻或者载流子注入的相位调制方式，可以在光学相控阵中进行低功耗、高速、低波导损耗的光学相位调制。
本发明通过键合工艺把铌酸锂薄膜附着在光学相控阵上，然后在铌酸锂上刻蚀光波导，最后通过溅射工艺在铌酸锂薄膜表面生成光学相位调制器电极，用于调制信号的加载通过铌酸锂薄膜移相器所具有的低半波电压，可以实现与现有的CMOS工艺相结合，具有低光传输损耗和高的调制速度，可以极大地提升硅基光学相控阵的发射光功率以及扫描速度，提升光学相控阵性能。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵，其特征在于，所述光学相控阵包括：
硅基底；
氧化硅层，位于所述硅基底上；
硅基光波导层，位于所述氧化硅层上，所述硅基光波导层包括耦合分束器及光栅天线，所述耦合分束器及光栅天线之间具有间隙带；
氧化硅包层，填充于所述硅基光波导层周围及所述间隙带；
铌酸锂移相器，包括位于所述间隙带上的铌酸锂薄膜、位于所述铌酸锂薄膜上且连接所述耦合分束器及光栅天线的铌酸锂光波导、以及位于所述铌酸锂光波导两侧的铌酸锂薄膜上的调制电极。
2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵，其特征在于：还连接有光环行器及激光器，所述光环行器的输出端连接于所述耦合分束器的输入端，所述激光器的输出端连接于所述光环行器的输入端。
3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵，其特征在于：所述耦合分束器包括依次串接的多级50:50的分束单元，所述耦合分束器包括一个输入端以及多个输出端，且每个所述输出端所输出的光强相等。
4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵，其特征在于：所述铌酸锂光波导跨接于所述耦合分束器及光栅天线上方，且与所述耦合分束器及光栅天线具有交叠。
5.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵，其特征在于：所述硅基光波导层的材料包括硅及氮化硅中的一种。
6.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵，其特征在于：所述铌酸锂光波导为脊型波导。
7.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵，其特征在于：所述调制电极包括地电极以及控制电极，所述地电极接地，所述控制电极用于输入控制信号，通过将控制信号经由所述控制电极加载到所述铌酸锂光波导的两侧，以改变光波传输区域的折射率，从而改变光波在传输过程中的相位。
8.一种如权利要求1～8任意一项所述的基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵的制备方法，其特征在于，包括步骤：
1)提供SOI衬底，所述SOI衬底包括硅基底、氧化硅层及硅基层；
2)刻蚀所述顶硅层以形成硅基光波导层，所述硅基光波导层包括耦合分束器及光栅天线，所述耦合分束器及光栅天线之间具有间隙带；
3)填充氧化硅包层于所述硅基光波导层周围及所述间隙带；
4)键合铌酸锂层于所述硅基光波导层及所述氧化硅包层上，并刻蚀以形成位于所述间隙带上的铌酸锂薄膜以及连接所述耦合分束器及光栅天线的铌酸锂光波导；
5)制备调制电极于所述铌酸锂光波导两侧的铌酸锂薄膜上，以形成铌酸锂移相器。
9.一种如权利要求1～8任意一项所述的基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵的应用方法，其特征在于，包括：
1)激光器将窄线宽的激光注入到所述耦合分束器的输入端，并通过所述耦合分束器分成多个通道的光波；
2)每个通道内的光波进入所述铌酸锂移相器进行相位调制，使每个通道的光波之间具有预定的相位偏移；
3)每个通道具有预定相位差的光波进入光栅天线并通过所述光栅天线发射到空间中预定角度。
10.根据权利要求11所述的基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵的应用方法，其特征在于：步骤2)中，光波进入所述铌酸锂移相器后，基于铌酸锂的电光效应，通过对所述调制电极施加控制信号，以改变通道中的铌酸锂的折射率，从而对所述相应通道内的光波进行相位调制。
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