CN113703244A - 一种大规模集成的电光微环光学相控阵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大规模集成的电光微环光学相控阵，至下而上包括硅衬底、二氧化硅掩埋层和硅芯层；二氧化硅掩埋层附着在硅衬底；在硅芯层这一层上还包括用于接收激光光源并将激光光源引导至光分束网络的光栅耦合器、用于将光栅耦合器输出的光源分成多路信号并传输至相位调谐区的光分束网络、用于产生相位差光束的相位调谐区和用于将产生的相位差光束发射至自由空间的天线阵列；相位调谐区包括由多个阵元构成的调谐阵列、与光分束网络连接的直波导、用于控制阵元的电压输出的控制总线；每个阵元均包括定向耦合器、p‑i‑n调制器和电极片；定向耦合器将直波导上的光信号耦合至p‑i‑n调制器，所述p‑i‑n调制器通过电极片与控制总线连接，用于使各路光产生相位差。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达通信技术领域，具体涉及一种大规模集成的电光微环光学相控阵。
背景技术
随着智能汽车的不断发展，无人驾驶已经成为近几年汽车企业的热门发展项目。激光雷达作为智能汽车的关键核心部件之一，其主要功能是将探测到的信息传给云计算系统，实现对陆地错综复杂的交通环境的感知。通常激光雷达分为两大类：机械式激光雷达和固态激光雷达。机械式激光雷达采用机械旋转部件作为光束扫描的实现方式，可以实现大角度扫描，但是扫描频率低、装配困难，近几年机械式激光雷达在智能汽车上已得到初步应用，但由于无法实现批量生产，成本居高不下，无法实现广泛推广。由于现有的机械式的激光雷达价格短时无法降下来，为了配合自动驾驶的普及，固态激光雷达也就逐渐成为了市场的宠儿。固态激光雷达目前的实现方式有微机电系统(MEMS)、面阵闪光(Flash)技术和光学相控阵(OPA)技术。微机电系统(MEMS)采用微扫描振镜，达到了一定的集成度，但是受限于振镜的偏转范围；面阵闪光(Flash)技术已有商用，但是视场角受限，扫描速率较低，探测距离近；光学相控阵(OPA)技术是基于光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，具有无惯性器件、精确稳定、方向可任意控制等优点，又被称为全固态激光雷达技术。
目前，光学相控阵相位操作方式主要分为三种：一种是基于热光相位调制(TO)，这种调制效果更加有效，但其调制速度慢，不适合大规模集成的光学相控阵；另外一种是MEMS调制，集成度高，响应速度相对于热光调制更快，但由于是机械结构，稳定性不高，操作环境受限；最后一种是电光调制(EO)，该调制方式的响应速度是最突出的优点，可控性高，集成度高，但扫描角度和调制的移相范围小。
移相器越多代表着光学相控阵的集成度越高，其结构也越复杂。一般阵元间距介于一个波长左右，因为间距过大，会导致旁瓣靠近主峰位置，影响扫描范围；而过小又会导致相邻波导之间发生串扰，使得远场的光束质量变差。
因此如何在保证远场光束质量的前提下，解决扫描范围小，调制效率不高，集成度低的问题，一直都是大规模光学相控阵的重大解决难题。
发明内容
发明目的：为解决大规模光学相控阵存在的扫描范围小，调制效率不高，集成度低的问题，本发明提出了一种大规模集成的电光微环光学相控阵。
技术方案：一种大规模集成的电光微环光学相控阵，至下而上包括硅衬底、二氧化硅掩埋层和硅芯层；二氧化硅掩埋层附着在硅衬底；在硅芯层这一层上还包括用于接收激光光源并将激光光源引导至光分束网络的光栅耦合器、用于将所述光栅耦合器输出的光源分成多路信号并传输至相位调谐区的光分束网络、用于产生相位差光束的相位调谐区和用于将产生的相位差光束发射至自由空间的天线阵列；
其中，所述相位调谐区包括由多个阵元构成的调谐阵列、与光分束网络连接的直波导、用于控制阵元的电压输出的控制总线；
每个所述阵元均包括定向耦合器、p-i-n调制器和电极片；所述定向耦合器将直波导上的光信号耦合至p-i-n调制器，所述p-i-n调制器通过电极片与控制总线连接，用于通过外加电压控制p-i-n调制器内载流子的运输，使各路光产生相位差。
进一步的，所述p-i-n调制器包括n型掺杂的微环谐振器、p型掺杂的凹波导和轻掺杂的环形波导；所述轻掺杂的环形波导设置在n型掺杂的微环谐振器的外围，所述p型掺杂的凹波导设置在轻掺杂的环形波导的外围。
进一步的，所述控制总线包括用于控制行阵元的电压输出的行阵元控制总线和用于控制列阵元的电压输出的列阵元控制总线；
所述轻掺杂的环形波导通过电极片与行阵元控制总线连接，所述n型掺杂的微环谐振器通过电极片与列阵元控制总线连接。
进一步的，所述定向耦合器为镜像S型结构，该定向耦合器的耦合长度满足以下条件：
其中，L％为耦合长度，Δn为有效折射率指数差，P0为直波导上光功率，P1为耦合波导的光功率，λ0为中心波长。
进一步的，所述光分束网络包括级联的(N/2-1)个1x2多模干涉耦合器和N/2个y型分束器，N为光学相控阵的行阵列数；每个所述1x2多模干涉耦合器均包括锥形输入端、多模干涉耦合段和锥形输出端；作为主级联的1x2多模干涉耦合器的锥形输入端与光栅耦合器连接，其锥形输出端连接次级联的1x2多模干涉耦合器；作为次级联的1x2多模干涉耦合器的锥形输入端与上一级的1x2多模干涉耦合器的锥形输出端连接，其锥形输出端与下一级的1x2多模干涉耦合器的锥形输入端连接；作为最后一级的1x2多模干涉耦合器的锥形输出端与y型分束器连接；所述y型分束器包括输入直波导和输出直波导；所述输入直波导与1x2多模干涉耦合器的锥形输出端连接，所述输出直波导与相位调谐区的直波导连接。
进一步的，所述锥形输入端通过弯曲波导与光栅耦合器/上一级1x2多模干涉耦合器的锥形输出端连接；所述锥形输出端通过脊型波导与下一级1x2多模干涉耦合器的锥形输入端/y型分束器连接。
进一步的，根据输入波导宽度、宽带传输和光损耗参数，得到1x2多模干涉耦合器的锥形输入端的锥度、锥形输出端的锥度、多模干涉耦合段的耦合长度和多模干涉耦合段的耦合宽度。
进一步的，各天线阵列间距小于一个工作波长。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明的电光微环光学相控阵克服了传统光学相控阵中天线各阵元因间距大小而导致的串扰问题，同时也克服了二维光束偏转过程中，电光调制光束相移量不足的问题，能进一步提高大规模集成光芯片的性能，具有尺寸小、结构紧凑简单、低功耗、可扩展、与现代CMOS工艺兼容、调制效率高等优点；
(2)本发明的电光微环光学相控阵工作在1550nm的激光雷达，因其高信噪比和对噪声因子的高鲁棒性，相比于成熟的905nm激光雷达，探测范围更广，对人眼更加安全，对恶劣天气更具有实用性；
(3)本发明可以实现1500nm～1600nm光束波段的相位调制和光束扫描，其纵向扫描范围为15°，横向扫描范围在±50°的光束偏转。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的横截面结构示意图；
图3为1x2多模干涉耦合器的结构示意图；
图4为y型分束器的结构示意图；
图5为本发明基于时域有限差分法使用lumerical FDTD solution模拟的锥度为1.1um的多模干涉耦合器和分光比为50/50的y型分光器，在波长为1550nm的光传输的光场分布图；
图6为本发明基于时域有限差分法使用lumerical FDTD solution模拟分光比为50/50的y型分光器，在波长为1550nm的光传输的不同波长下的透射图；
图7为本发明基于时域有限差分法使用lumerical FDTD solution模拟锥度为1.1um的多模干涉耦合器，在波长为1550nm的光传输的不同波长下的透射图；
图8为相位调谐区示意图；
图9为本发明基于时域有限差分法使用lumerical FDTD solution模拟p-i-n调制器的有效折射率和传输效率随不同波长变化的曲线图；
图10为本发明基于时域有限差分法使用lumerical FDTD solution模拟的条形光栅占空比为50％，刻蚀深度为0.1时，在波长为1550nm处的光场分布图；
图11为本发明的电光微环光学相控阵使用Matlab计算的64x64个天线阵列在波长为1550nm处的光束远场扫描图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。
图1示出了相控阵的整体布局图，图2示出了相控阵至下而上的材料横截图；由图2可知，本发明公开一种大规模集成的电光微环光学相控阵，至下而上分别为硅衬底11、二氧化硅掩埋层12，包层13和硅芯层14；其中，二氧化硅掩埋层12附着在硅衬底11上，图一中的光栅耦合器2、光分束网络3、相位调谐区7、天线阵列9、控制总线和数模转换器6都在硅芯层14这一层上。现结合图1，进一步说明本发明的电光微环光学相控阵的具体结构，包括：
激光光源1，其为可调谐光源，用于光束纵向控制；
光栅耦合器2，用于接收输入端的光信号；
光分束网络3，用于将光栅耦合器2输出的光源分成多路信号，并传输至相位调谐区7；
相位调谐区7，用于通过定向耦合器阵列将各自分路的光信号耦合进调制区域，采用外加电压的方式使耦合波导内产生相位差；
天线阵列9由条形光栅组成，用于将产生相位差的光束发射至自由空间；
行阵元控制总线8，用于控制行阵元的电压输出；
列阵元控制总线10，用于控制列阵元的电压输出；
数模转换器6，用于提供驱动电流。
激光光源1产生的光信号先经过光栅耦合器2，将光束耦合进芯片中；输入到光分束网络3时，激光光信号被平均分成多路光信号，多路光信号传输至相位调谐区7，调制比例由外接的数模转换器6、行阵元控制总线8和列阵元控制总线10来分配，各分路的光信号将因此发生相位差，最后调制过的光信号再从天线阵列9转向射出，实现二维光束偏转。
如图3、图4和图5所示，光分束网络3包括(N/2-1)个1x2多模干涉耦合器(MMI)4和N/2个y型分束器5，N为光学相控阵的行阵列数，(N/2-1)个1x2多模干涉耦合器4级联，且每个多模干涉耦合器4均包括锥形输入端402、多模干涉耦合段405和锥形输出端403，其中，锥形输入端402与弯曲波导401连接，锥形输出端403与脊型波导404连接。作为主级联的1x2多模干涉耦合器的锥形输入端与光栅耦合器连接，其锥形输出端连接次级联的1x2多模干涉耦合器；作为次级联的1x2多模干涉耦合器的锥形输入端与上一级的1x2多模干涉耦合器的锥形输出端连接，其锥形输出端与下一级的1x2多模干涉耦合器的锥形输入端连接；作为最后一级的1x2多模干涉耦合器的锥形输出端与y型分束器连接。
每个y型分束器5均包括输入直波导501、第一输出直波导502和第二输出直波导503。输入直波导与1x2多模干涉耦合器的锥形输出端连接，输出直波导与相位调谐区的直波导连接。
在设计多模干涉耦合器4时，首先需根据基模分布来选择输入波导宽度，即：
其中，Lπ特征成像长度，nf为芯层折射率，λ0为中心波长，Wmmi 2为基模的有效宽度。
然后计算在1500nm～1600nm波段的宽带传输和光损耗参数，找出适合该波段的最佳参数，该参数包括锥形输入端的宽度、锥形输出端的宽度、多模干涉耦合段的耦合长度、多模干涉耦合段的耦合宽度；最佳参数通过公式(1)和仿真软件lumerical，计算出各参数项的扫描结果，得到最优值：锥形输入端402的锥度和锥形输出端403的锥度最佳为1.1um，损耗为0.3dB，多模干涉耦合段405的耦合长度最佳为32um，耦合宽度最佳为6um。在对分光比为50/50的y型分束器5进行优化时，需计算该波段内的插入损耗和传输效率，确保光信号能够被均匀分配。
如图6和图7所示，在耦合长度为32um，耦合宽度为6um时，该多模干涉耦合器4在1500nm～1600nm的传输效率最高可达46.5％；分光比为50/50的y型分束器5在1500nm～1600nm的TE模优化后的传输效率最高可达48.5％，插入损耗在工作波长区间为0.1dB。y型分束器的归一化传输效率模拟如图6所示，该图表明y型分束器中无论是TE模还是TM模，S21和S31仿真结果吻合，证明该分束器的分光比约为50/50。以及证明这个尺寸的y行分束器在1500nm～1600nm这个波段损耗非常小。
如图8所示，相位调谐区7包括定向耦合器阵列703、n型掺杂的微环谐振器阵列706、p型掺杂的凹波导701、轻掺杂的环形波导702、电极片705和直波导704。其中，定向耦合器阵列703为两段折叠放置，用于将直波导704上的光信号耦合至调制区域，其耦合长度L和耦合间隙g决定光耦合的效率，设计定向耦合器阵列703时需要根据基模的有效折射率指数差来定义耦合长度，本实施例中耦合间隙g设置为0.05um，即：
其中，L％为耦合长度，Δn为有效折射率指数差，P0为直波导上光功率，P1为耦合波导的光功率，λ0为中心波长；若想将100％的光从直波导704耦合到耦合波导上，所需长度为12.9um。
其中，n型掺杂的微环谐振器阵列706、p型掺杂的凹形波导701、轻掺杂的环形波导702掺杂形成p-i-n调制器，调制分路光信号产生相位差；分别在n型掺杂区和p型掺杂区设有铝电极片705，通过施加外加电压控制p-i-n调制器内载流子的运输，实现波导内有效折射率改变，从而使各路光产生相位差。
图9分别表示掺杂浓度为1018/cm3的光学模式下有效指数和调制传输响应相对于偏置电压的变化，对于0.5-4V的电压范围，移相量为π时所需电压为：
其中，λ0为中心波长，Δneff为有效折射率指数，Lpi为臂的长度；
消光比为：
插入损耗IL＝-10log10(maxT)。
其中，T为传输率，结合图9数据计算可得，Vpi为1.02V，ER为21dB，IL为0.03dB。因此由图9可知，p-i-n调制器调制性能明显，调制功耗低，插入损耗小，适用于大规模的光学相控阵。
图10为基于时域有限差分法使用lumerical FDTD solution模拟条形光栅天线的光场分布，条形光栅的天线阵列9在1550nm处，透射率大于40％；其中光栅占空比为50％，刻蚀深度为0.1um，各天线阵列间隔小于一个工作波长，间隔为1.5um。
图11是使用Matlab计算的64x64(4096)个天线阵列9在波长为1550nm处的光束远场扫描图，扫描角度可达±50°，且该范围内栅瓣得到明显抑制。
综上，最终设计的大规模集成的电光微环光学相控阵，数值模拟了一束激光信号均匀分成64路光信号的相控阵，经过相位调谐可实现1500nm～1600nm的广视场二维光束扫描，纵向扫描角度为15°，横向扫描角度可达±50°；芯片整体尺寸随阵元的数量变化，其单元阵列尺寸大小为2.5umx2.5um，本发明适用于光学相控阵的大规模集成，结构简单、紧凑，调制响应快，功耗低，能有效提高性能和降低成本。
Claims (8)
1.一种大规模集成的电光微环光学相控阵，至下而上包括硅衬底、二氧化硅掩埋层和硅芯层；二氧化硅掩埋层附着在硅衬底；其特征在于：在硅芯层这一层上还包括用于接收激光光源并将激光光源引导至光分束网络的光栅耦合器、用于将所述光栅耦合器输出的光源分成多路信号并传输至相位调谐区的光分束网络、用于产生相位差光束的相位调谐区和用于将产生的相位差光束发射至自由空间的天线阵列；
其中，所述相位调谐区包括由多个阵元构成的调谐阵列、与光分束网络连接的直波导、用于控制阵元的电压输出的控制总线；
每个所述阵元均包括定向耦合器、p-i-n调制器和电极片；所述定向耦合器将直波导上的光信号耦合至p-i-n调制器，所述p-i-n调制器通过电极片与控制总线连接，用于通过外加电压控制p-i-n调制器内载流子的运输，使各路光产生相位差。
2.根据权利要求1所述的一种大规模集成的电光微环光学相控阵，其特征在于：所述p-i-n调制器包括n型掺杂的微环谐振器、p型掺杂的凹波导和轻掺杂的环形波导；所述轻掺杂的环形波导设置在n型掺杂的微环谐振器的外围，所述p型掺杂的凹波导设置在轻掺杂的环形波导的外围。
3.根据权利要求2所述的一种大规模集成的电光微环光学相控阵，其特征在于：所述控制总线包括用于控制行阵元的电压输出的行阵元控制总线和用于控制列阵元的电压输出的列阵元控制总线；
所述轻掺杂的环形波导通过电极片与行阵元控制总线连接，所述n型掺杂的微环谐振器通过电极片与列阵元控制总线连接。
4.根据权利要求1所述的一种大规模集成的电光微环光学相控阵，其特征在于：所述定向耦合器为镜像S型结构，该定向耦合器的耦合长度满足以下条件：
其中，L％为耦合长度，Δn为有效折射率指数差，P0为直波导上光功率，P1为耦合波导的光功率，λ0为中心波长。
5.根据权利要求1所述的一种大规模集成的电光微环光学相控阵，其特征在于：所述光分束网络包括级联的(N/2-1)个1x2多模干涉耦合器和N/2个y型分束器，N为光学相控阵的行阵列数；每个所述1x2多模干涉耦合器均包括锥形输入端、多模干涉耦合段和锥形输出端；作为主级联的1x2多模干涉耦合器的锥形输入端与光栅耦合器连接，其锥形输出端连接次级联的1x2多模干涉耦合器；作为次级联的1x2多模干涉耦合器的锥形输入端与上一级的1x2多模干涉耦合器的锥形输出端连接，其锥形输出端与下一级的1x2多模干涉耦合器的锥形输入端连接；作为最后一级的1x2多模干涉耦合器的锥形输出端与y型分束器连接；所述y型分束器包括输入直波导和输出直波导；所述输入直波导与1x2多模干涉耦合器的锥形输出端连接，所述输出直波导与相位调谐区的直波导连接。
6.根据权利要求5所述的一种大规模集成的电光微环光学相控阵，其特征在于：所述锥形输入端通过弯曲波导与光栅耦合器/上一级1x2多模干涉耦合器的锥形输出端连接；所述锥形输出端通过脊型波导与下一级1x2多模干涉耦合器的锥形输入端/y型分束器连接。
7.根据权利要求5所述的一种大规模集成的电光微环光学相控阵，其特征在于：根据输入波导宽度、宽带传输和光损耗参数，得到1x2多模干涉耦合器的锥形输入端的宽度、锥形输出端的宽度、多模干涉耦合段的耦合长度和多模干涉耦合段的耦合宽度。
8.根据权利要求1所述的一种大规模集成的电光微环光学相控阵，其特征在于：各天线阵列间距小于一个工作波长。
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