CN114153029B - 一种基于连续域束缚态的光栅结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于连续域束缚态的光栅结构，包括基底和安装在基底上的光栅层，所述光栅层包括一个条形波导以及在条形波导两侧对称设置的子光栅，所述子光栅激发辐射模式，通过调整条形波导的宽度在侧向辐射模式之间形成相消干涉，用于建立连续域束缚态。本发明通过设计光栅结构并调整条形波导的宽度，在子光栅之间建立衍射受限的连续域束缚态，抑制光的侧向发射，从而抑制光栅之间的串扰，进而可以减小光学相控阵的阵列间距，增大相位调谐的光束扫描范围。
Description
技术领域
本发明涉及光栅设备领域，尤其是一种基于连续域束缚态的光栅结构。
背景技术
在光学相控阵的研究中，有研究者在光栅设计中引入了连续域束缚态(BIC)的概念，这种模式频率处于辐射连续域内但是并不会与辐射模耦合的独特状态为器件设计提供了一种新的思路。
光学相控阵的光栅天线阵列间距是决定光束扫描范围的因素之一，阵列间距越小，光束扫描范围越大。同时阵列间距的大小对远场光斑图样也有影响，如果阵列间距大于工作波长的一半，远场图样会出现光栅瓣，光栅瓣会导致混叠，并分散主瓣的功率。但是减小阵列间距势必会使相邻光栅之间的串扰加强，对相邻光栅的相位和振幅产生影响。当前硅基光学相控阵的光栅阵列间距通常是几微米，这可以有效地抑制串扰，但是牺牲了光束扫描范围。因此现在芯片级光学相控阵的一个重要研究方向是在不增加相邻光栅间距的情况下尽可能抑制串扰。
目前已有的抑制串扰的方法主要有3种。第一种方法是设计波导超晶格(waveguide superlattices)；第二种方法是基于绝热消除(adiabatic elimination)原理。第三种方法是控制倏逝波的衰减速度。
波导超晶格的阶数(即每个单元的波导数)增加可以使串扰进一步减小，但是高阶超晶格中波导的宽度差也会进一步减小，这会使串扰对波导宽度偏差更为敏感，因此对制造精度的要求也更高。基于绝热消除原理的波导设计所需的尺寸精度约为几纳米，这对当前的制造技术提出了很高的要求。第三种方法提到的超材料在SOI平台的实现是通过周期性排列的薄硅带来实现的，其最小特征尺寸仅有50nm，现有技术仅支持单片加工制造。综上可以看到这三种方法都对纳米加工制造技术有很高的要求。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种基于连续域束缚态的光栅结构，该结构可以实现对光栅侧向发射的抑制，进而抑制光栅之间的串扰，相比其他抑制串扰的方法来说，它的结构更加简单，对工艺要求不高。将这种结构用于光学相控阵可以减小发射端的阵列间距，从而提升光束扫描范围、并且抑制由于强侧向发射产生的远场光斑分裂，使光学相控阵的性能得到提高。
本发明提出的一种基于连续域束缚态的光栅结构，包括基底和安装在基底上的光栅层，所述光栅层包括一个条形波导以及在条形波导两侧对称设置的子光栅，所述子光栅激发辐射模式，通过调整条形波导的宽度在侧向辐射模式之间形成相消干涉，用于建立连续域束缚态。
本发明的进一步技术方案是：所述通过调整条形波导的宽度建立连续域束缚态，具体为：所述条形波导的宽度配合所述子光栅激发辐射模式，通过在侧向辐射模式之间建立破坏性干涉，使光栅侧向发射的光强占光栅整体发射的光强比例小于0.5。
本发明的进一步技术方案是：所述子光栅为矩形结构，同侧子光栅周期性排列，所述子光栅和条形波导的厚度相同。
本发明的进一步技术方案是：所述基底为硅氧化物层。
本发明的进一步技术方案是：所述条形波导和子光栅的材料为硅、氮化硅中的一种或多种。
本发明提供了一种基于连续域束缚态的光栅结构，对于光栅而言，能量向相邻波导的耦合可分为两部分。一是与条形波导类似的耦合效应，二是由于光栅侧向发射的存在增强的耦合效应，因此抑制光的侧向发射有助于改善光栅之间的串扰。本发明利用基于连续域束缚态的光栅结构来抑制光的侧向发射，从而抑制光栅之间的串扰，进而可以减小光学相控阵的阵列间距，增大相位调谐的光束扫描范围。连续域束缚态(BIC)为波导提供了一种新的光限制机制。其中一类BIC是通过参数调谐控制辐射模式干涉来实现。当辐射通道的数量很小时，优化光栅结构参数可以抑制耦合进入辐射模式的能量。通常这种抑制可以解释为两个或多个辐射模式相互抵消的干涉效应。因此基于BIC的波导可以解释为多个辐射通道之间的相消干涉消除了波的向外辐射。最终得到本发明的有益效果如下：
(1)光栅结构可以有效抑制光栅的侧向发射，抑制双光斑，进而减小光栅之间的串扰。
(2)本发明提供的基于连续域束缚态的光栅结构，仅需进行一次全刻蚀工艺就可以完成，降低了工艺的复杂度，从而降低了成本；同时确保了设计与硅光电子铸造厂的典型制造工艺相兼容。
附图说明
图1是本发明一个实施例的光栅结构立体示意图；
图2是本发明一个实施例的光栅结构俯视示意图；
图3是本发明一个实施例的光栅结构中光栅辐射示意图；
图4是本发明一个实施例的光栅结构中光在光栅中的各向发射与条形波导宽度w1的关系比较图；
图5是本发明一个实施例的光栅结构中条形波导宽度w1＝400nm时光栅的远场示意图；
图6是本发明一个实施例的光栅结构中条形波导宽度w1＝550nm时光栅的远场示意图；
图7是本发明一个实施例的光栅结构中光栅与条形波导之间的串扰与直波导的串扰比较图。
具体实施方式
为进一步对本发明的技术方案作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的步骤。
参考图1，一种基于连续域束缚态的光栅结构，包括基底1和安装在基底1上的光栅层，所述光栅层包括一个条形波导2以及多个在条形波导两侧对称设置的子光栅3，所述子光栅3激发辐射模式，通过调整条形波导2的宽度在侧向辐射模式之间形成相消干涉，用于建立连续域束缚态。参考图1，所述子光栅3为矩形结构，同侧子光栅3周期性排列，所述子光栅3和条形波导2的厚度相同。参考图2，条形波导2的宽度范围w1为350nm至550nm时，侧向发射比例小于0.5。
在优选实施方式中，基底1是硅氧化物层，具体为厚度为2μm的二氧化硅。
在优选实施方式中，子光栅3和条形波导2的厚度为220nm。
参考图2，在优选实施方式中，子光栅3排列周期T为800nm，占空比dc为0.3，其中dc＝a/T，其中a为子光栅长度。
参考图2，在优选实施方式中，子光栅3与条形波导2的间距d为100nm。
参考图2，在优选实施方式中，子光栅3宽度w2为160nm。
在优选实施方式中，条形波导2和子光栅3的材料为硅、氮化硅中的一种或多种。
在优选实施方式中，条形波导2的宽度配合子光栅3激发辐射模式，通过在侧向辐射模式之间建立破坏性干涉，使光栅的侧向发射比例小于0.1，具体实施过程中，光栅的侧向发射比例越低，破坏性干涉效果越好，由于亚波长尺寸的子光栅3的周期性调制，入射波导的部分能量可以耦合到由亚波子光栅3激发的辐射模式中，同时亚波长子光栅3也会向左右两侧激发辐射模式，辐射示意图参考图3所示，分别表示条形波导左右两侧对称设置的子光栅3激发出的辐射模式，“+”表示向右辐射的模式，“-”表示向左辐射的模式，如果能在/>和/>之间建立破坏性的相消干涉，那么就可以使模式在水平方向(x方向)被限制于结构内部，从而建立衍射受限的BIC。如果输入的是TE0模，束缚态是沿着条形波导2内部(朝向+z方向)传输的TE0模，而连续态是在自由空间中传输的辐射模。连续域束缚态的建立与条形波导2的宽度，子光栅3宽度以及子光栅3与条形波导2的间距有关，而调节条形波导2的宽度更容易建立连续域束缚态。通过调整条形波导2的宽度w1，可以控制沿侧向的多个散射模式之间的干涉；当满足干涉相消的条件时，光的侧向发射就可以被抑制，实施例中条形波导2的宽度通过不断调整，直到检测到光栅的侧向发射比例小于0.1时即认为建立连续域束缚态。
本发明的一个具体实施例中，设置光栅结构参数为T＝800nm，w2＝160nm，d＝100nm，dc＝0.3，在1550nm的波长下仿真得到扫描时光栅的各个方向发射比例的变化，结果参考图4所示，可以看到侧向发射比例会随着w1的变化而变化，当w1等于365nm时，侧向发射的比例最低，小于0.1，表明侧向发射被有效抑制。根据图4的结果，将w1设置为400nm和550nm，仿真得到两种结构光栅的远场图样如图5、图6所示，可以看到w1为550nm时，由于侧向发射较强，光栅的远场产生了分裂。而w1为400nm时，没有这样的现象，这说明侧向发射的抑制可以避免远场光斑产生分裂。进一步验证BIC光栅之间的串扰情况，在w1为400nm时，仿真了在1500nm到1600nm波长范围内相邻光栅之间的串扰，并且与相应的宽度w1为400nm的条形波导进行了比较。仿真结果如图7所示，可以看到在光栅间距为1.3μm时，光栅与条形波导之间的串扰大小很接近，这意味着光栅侧向发射增强的耦合效应得到了抑制。在光栅间距为1.5μm时，长波长处光栅与条形波导之间的串扰大小依然差距很小，但是在短波长处BIC光栅(SWG)的串扰明显大于直波导(Strip)，这是因为相比于1.3μm的光栅间距，此时光栅的侧向发射对耦合的影响更大，而短波长处对光的侧向发射抑制又较弱。综上所述，基于BIC的光栅结构可以有效抑制光的侧向发射，因而也有效地改善了光栅之间的串扰。
综上所述，本发明提供了一种基于连续域束缚态的光栅结构，对于光栅而言，能量向相邻波导的耦合可分为两部分。一是与条形波导类似的耦合效应，二是由于光栅侧向发射的存在增强的耦合效应，因此抑制光的侧向发射有助于改善光栅之间的串扰。本发明利用基于连续域束缚态的光栅结构来抑制光的侧向发射，从而抑制光栅之间的串扰，进而可以减小光学相控阵的阵列间距，增大相位调谐的光束扫描范围。连续域束缚态(BIC)为波导提供了一种新的光限制机制。其中一类BIC是通过参数调谐控制辐射模式干涉来实现。当辐射通道的数量很小时，优化光栅结构参数可以抑制耦合进入辐射模式的能量。通常这种抑制可以解释为两个或多个辐射模式相互抵消的干涉效应。因此基于BIC的波导可以解释为多个辐射通道之间的相消干涉消除了波的向外辐射。最终可以有效抑制光栅的侧向发射，抑制双光斑，进而减小光栅之间的串扰。另外，本发明提供的光栅结构简单，仅需进行一次全刻蚀工艺就可以完成，降低了工艺的复杂度，从而降低了成本；同时确保了设计与硅光电子铸造厂的典型制造工艺相兼容。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的步骤、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种步骤、方法所固有的要素。
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 (4)
1.一种基于连续域束缚态的光栅结构，其特征在于，包括基底和安装在基底上的光栅层，所述光栅层包括一个条形波导以及在条形波导两侧对称设置的子光栅，所述子光栅激发辐射模式，通过调整条形波导的宽度在侧向辐射模式之间形成相消干涉，用于建立连续域束缚态，其中子光栅排列周期T＝800nm，子光栅宽度w2＝160nm，子光栅与条形波导的间距d＝100nm，占空比dc＝a/T＝0.3，a表示子光栅长度，条形波导宽度w1＝365nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于连续域束缚态的光栅结构，其特征在于，所述子光栅为矩形结构，同侧子光栅周期性排列，所述子光栅和条形波导的厚度相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于连续域束缚态的光栅结构，其特征在于，所述基底为硅氧化物层。
4.根据权利要求1所述的一种基于连续域束缚态的光栅结构，其特征在于，所述条形波导和子光栅的材料为硅、氮化硅中的一种或多种。
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