CN114859621A - 光学相控阵辐射器 - Google Patents

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CN114859621A CN202111418331.3A CN202111418331A CN114859621A CN 114859621 A CN114859621 A CN 114859621A CN 202111418331 A CN202111418331 A CN 202111418331A CN 114859621 A CN114859621 A CN 114859621A
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Abstract

本发明涉及光学相控阵(OPA)辐射器，其包括：多个单元辐射器、包层部分以及多个电极；所述多个单元辐射器配置为用作光波导，每个单元辐射器由硅材料制成，并且每个单元辐射器具有预定长度，其中单元辐射器平行地布置；所述包层部分配置为覆盖多个单元辐射器；所述多个电极在包层部分上与多个单元辐射器平行地布置；其中，多个电极布置为在竖直方向上与多个单元辐射器不重叠。通过利用相控阵的单元辐射器辐射的光束可以有效地竖直转向。

Description

光学相控阵辐射器
技术领域
本发明涉及光学相控阵(optical phased array，OPA)辐射器，其利用基于光学相控阵的热光效应。
背景技术
为了检测远距离物体的位置或形状，利用电磁波的无线电检测和测距(radiodetection and ranging，RADAR)技术已经在各个领域使用了很长时间。近来，通过发展这样的检测技术，发展了一种更精确、更快速、更小型化的光检测和测距(light detectionand ranging，LiDAR)技术。利用光的LiDAR技术被视为例如自动驾驶车辆领域、无线光通信领域和三维(3D)传感领域的下一代主要工业领域的核心技术。
在LiDAR的构成中，用于在所需方向上发射准直光束的辐射器是一个重要的组件。如图1(现有技术)所示，辐射器的典型结构包括多个光栅辐射器110，所述光栅辐射器110作为基本单元平行布置，并且通过调节输入到多个光栅辐射器110的各束光130之间的相位差，能够调节从光栅辐射器阵列发射的准直光束的水平方向。在该情况下，作为可转向的最大范围的水平视角(水平辐射角)的大小具有与光栅辐射器阵列之间的排列间距成反比的特性，并且当排列间距是输入光130的半波长时，可以获得最大水平视角(最大水平辐射角)。
另外，如下面的方程式1所示，在光栅辐射器阵列中，辐射光束的竖直辐射角是根据光栅周期和有效折射率neff确定的。利用竖直辐射角通过调节光栅辐射器阵列的温度和有效折射率neff，可以调节辐射的准直光束的竖直方向。
[方程式1]
Figure BDA0003376468310000011
利用焦耳热来调节光栅辐射器阵列的温度，利用金属和高浓度掺杂区域作为导线120，利用构成光栅辐射器阵列的本征硅区域作为电阻，从而调节焦耳热。
参考图2(现有技术)和图3(现有技术)(图3是沿图2的A-A'线截取的截面图)，n个光栅辐射器213(n＝128、256、…)布置为高折射率硅光波导，并且以覆盖n个光栅辐射器213的形式设置低折射率二氧化硅包层的包层部分211。
能够调节光栅结构温度的电阻器布置在电极结构中，用于调节从光栅辐射器阵列发射的光束的竖直辐射角，并且包括电极214和导线216，以便向电阻器供电。
为了获取光栅辐射器阵列的温度变化，光栅辐射器阵列中形成有用于供电的高浓度掺杂区域215。
根据现有技术的电阻器布置不能期望在光栅辐射器阵列的整个区域中获得均匀的温度变化。
即，由于本征硅区域(i区域)的物理结构以及不均匀的电阻，发生不均匀的温度分布而导致激光的相位不一致。从而，如图4所示，可能会出现激光不稳定。
电极之间的距离是根据光栅辐射器阵列的总宽度而确定的，并且随着光栅辐射器阵列具有更佳的性能，电极之间的距离增加。
然而，随着光栅辐射器阵列的总宽度的增加，由于加工误差等，发生电阻不平衡的概率进一步增加。此外，由于电极之间距离的增加导致光栅辐射器阵列的电阻增大，需要施加更高的电压。
当施加更高的电压以加热光栅辐射器阵列时，由于电阻不平衡而发生温度不均匀，从而每个部分的有效折射率不同。因此，通过影响经由相位排列准直的发散角，光束性能可能会变差。
此外，由于施加更高的电压，施加的总热量会增加。从而，由于电阻不平衡导致的局部加热会影响光栅辐射器阵列的耐久性，因此光栅辐射器可能会发生损坏。
上述背景技术中描述的内容是为了帮助理解本发明的背景并且可以包括本发明所属技术领域的技术人员先前不了解的内容。
发明内容
本发明的实施方案致力于提供一种光学相控阵(OPA)辐射器，用于使通过OPA从辐射器辐射的光束有效地竖直转向。
本发明的其它目的和优点可以通过如下描述而理解，并且参考本发明的具体实施方案而变得清楚。此外，对本发明所属领域的技术人员显而易见的是，本发明的目的和优点可以通过要求保护的装置及其组合实现。
根据本发明的实施方案，提供了一种OPA辐射器，其包括：多个单元辐射器、包层部分以及多个电极；所述多个单元辐射器配置为用作光波导，每个单元辐射器由硅材料制成，并且每个单元辐射器具有预定长度，其中单元辐射器平行地布置；所述包层部分配置为覆盖所述多个单元辐射器；所述多个电极在包层部分上与多个单元辐射器平行地布置；其中，多个电极布置为在竖直方向上与多个单元辐射器不重叠。
此外，多个电极可以在竖直方向布置于多个单元辐射器之间。
此外，OPA辐射器可以进一步包括：掺杂区域和导线；所述掺杂区域形成于多个单元辐射器下方的基底部分中，在数量上对应于多个电极；所述导线配置为将多个电极连接至多个掺杂区域。
此外，多个掺杂区域可以布置在竖直方向上与多个单元辐射器不重叠。
此处，包层部分可以包括二氧化硅包层，所述二氧化硅包层的折射率低于单元辐射器的折射率。
此外，多个单元辐射器可以具有相同的间距，每个单元辐射器可以在长度方向上以相同的间距形成不平整结构。
根据本发明的另一实施方案，提供了一种OPA辐射器，其包括：多个单元辐射器、包层部分、第一电极以及第二电极；所述多个单元辐射器配置为用作光波导，每个单元辐射器由硅材料制成，并且每个单元辐射器具有预定长度，其中单元辐射器平行地布置；所述包层部分配置为覆盖多个单元辐射器；所述第一电极布置为在包层部分的上表面的一侧在包层部分的宽度方向上彼此间隔开；所述第二电极布置为在包层部分的上表面的另一侧沿包层部分的宽度方向彼此间隔开，并与第一电极相对。
此外，OPA辐射器可以进一步包括：多个掺杂区域和导线；所述多个掺杂区域形成于多个单元辐射器下方的基底部分中并且布置为在竖直方向上与多个单元辐射器不重叠；所述导线配置为将多个掺杂区域连接至第一电极或第二电极。
此外，多个掺杂区域可以布置于多个单元辐射器之间。
此外，多个单元辐射器可以具有相同的间距，每个单元辐射器可以在长度方向上以相同的间距形成不平整结构。
此外，多个单元辐射器的每一个可以划分为不平整结构区域和非不平整结构区域，所述不平整结构区域中形成不平整结构，所述非不平整结构区域中不形成不平整结构，多个单元辐射器的每一个可以为锥形，使得宽度随着远离不平整结构区域而逐渐减小。
此外，多个掺杂区域的每一个可以划分为第一掺杂区域和第二掺杂区域，第一掺杂区域对应于与不平整结构区域相对应的区域，第二掺杂区域对应于与非不平整结构区域相对应的区域，多个掺杂区域的每一个可以为锥形，使得宽度随着远离第一掺杂区域而逐渐增大。
此外，导线可以连接至多个掺杂区域的每一个的第二掺杂区域。
此外，包层部分可以是二氧化硅包层，所述二氧化硅包层的折射率低于单元辐射器的折射率。
附图说明
图1至图3(现有技术)是示出根据现有技术的光栅辐射器阵列的示意图。
图4是示出根据现有技术的由于加热引起的竖直辐射角的差异的示意图。
图5是示出根据本发明一个实施方案的光学相控阵(OPA)辐射器的平面截面图。
图6是沿着图5的B-B’线截取的截面图。
图7是示出根据本发明修改的实施方案的OPA辐射器的平面截面图。
图8是沿着图7的C-C’线截取的截面图。
图9是沿着图7的D-D’线截取的截面图。
具体实施方式
应当理解，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、大货车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油能源的燃料)。正如本文所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
本文所使用的术语仅为了描述特定实施方案的目的，并不旨在限制本发明。正如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有清楚的说明。还将理解当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括了”时，指明存在所述特征、数值、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或加入一种或更多种其它的特征、数值、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。正如本文所使用的，术语“和/或”包括一种或更多种相关列举项目的任何和所有组合。在整个说明书中，除非明确地相反描述，术语“包括”和变化形式例如“包括有”或“包括了”应被理解为暗示包含所述元件但是不排除任何其它元件。此外，在说明书中描述的术语“单元”、“器件”、“部件”和“模块”意为用于处理至少一个功能和操作的单元，并且可以由硬件组件或者软件组件以及它们的组合来实现。
此外，本发明的控制逻辑可以实施为计算机可读介质上的非易失性计算机可读介质，其包含由处理器、控制器等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光碟(CD)-ROM、磁带、软盘、闪盘驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读介质还可以分布在网络连接的计算机系统上，使得计算机可读介质例如通过远程信息处理服务器或控制器区域网(Controller Area Network，CAN)以分布方式存储和执行。
为了充分理解本发明和本发明的运作优势以及通过实践本发明所实现的目标，应当参考示出本发明的示例性实施方案的附图和附图中的说明。
在描述本发明的示例性实施方案时，可以减少或省略已知技术或重复描述，以避免不必要地模糊本发明的要旨。
图5是示出根据本发明一个实施方案的光学相控阵(OPA)辐射器的平面截面图，图6是沿着图5的B-B’线截取的截面图。
在下文中，将参考图5和图6描述根据本发明一个实施方案的OPA辐射器。
根据本发明一个实施方案的OPA辐射器包括：N个单元辐射器313以及包层部分311；每个所述单元辐射器313具有预定长度，N个单元辐射器313平行布置并通过N个单元辐射器313下方的基底部分313-1连接，包层部分311配置为覆盖每个单元辐射器313。优选地，OPA辐射器实施在芯片的内平坦表面上。
单元辐射器313是由具有高折射率的硅制成的光波导，并且相位调节光束在长度方向上通过单元辐射器313透射。
包层部分311是具有低折射率的氧化硅(SiO2)的二氧化硅包层，并且使光束通过单元辐射器313透射。
多个单元辐射器313形成为在长度方向上以等间距具有不同的高度，从而形成不平整结构。
多个单元辐射器313以预定间距布置，并且具有这样的特性，随着间距的减小，通过OPA辐射器辐射的转向光束的水平视角(水平辐射角)增大。从而，为了获得较宽的水平视角(较宽的水平辐射角)，单元辐射器313之间的间距可以小于转向光束的波长或为该波长的一半。
此外，为了调节辐射的转向光束的竖直辐射角，需要通过调节每个单元辐射器313的温度来调节有效折射率，并且根据本发明，均匀地调节每个单元辐射器313的温度，以解决相位不平衡并防止竖直转向的辐射光束的性能变差。
为此，形成多个电极314，电极314在包层部分311上平行于单元辐射器313的长度方向并布置于单元辐射器313之间。即，多个电极314布置为在竖直方向上与多个单元辐射器313不重叠。
此外，为了均匀地调节OPA辐射器的温度，形成多个高浓度掺杂区域315，并且每个掺杂区域315通过导线316电连接至对应的电极314。
掺杂区域315在每个单元辐射器313的一侧形成于基底部分313-1中，包括在单元辐射器313之间，并且平行于单元辐射器313布置，使得掺杂区域315用作本征区域312中的电阻器以调节焦耳热。
因此，与现有技术相比，可以均匀地调节所有单元辐射器313的温度变化，并且在使光束竖直转向时，可以使光束性能变差最小化。
图7是示出根据本发明修改的实施方案的OPA辐射器的平面截面图，图8是沿着图7的C-C’线截取的截面图，图9是沿着图7的D-D’线截取的截面图。
在下文中，将参考图7至图9描述根据本发明修改的实施方案的OPA辐射器。
根据本发明修改的实施方案的OPA辐射器包括：N个单元辐射器413以及包层部分411；每个所述单元辐射器413具有预定长度，N个单元辐射器413在基底部分413-3上平行布置；所述包层部分411配置为覆盖N个单元辐射器413。
单元辐射器413是由具有高折射率的硅制成的光波导，并且相位调节光束在长度方向上通过单元辐射器413透射。
包层部分411是具有低折射率的二氧化硅包层，并且使光束通过单元辐射器413透射。
多个单元辐射器413形成为在长度方向上以等间距具有不同的高度，从而形成不平整结构。
每个单元辐射器413可以划分为形成不平整结构的不平整结构区域413-1和非不平整结构区域413-2。不平整结构区域413-1的宽度保持恒定，而非不平整结构区域413-2的宽度具有锥形结构，其宽度随着远离不平整结构区域413-1而逐渐减小。
这是为了解决这样的问题，当为了较宽的水平辐射角而使得单元辐射器413之间的间距变窄时，由于工艺的限制，掺杂区域415和导线416不能布置在单元辐射器413之间。由于单元辐射器413、下面将描述的电极和掺杂区域的变形，掺杂区域415和导线416可以布置在单元辐射器413之间。因此，可以防止当连接较窄的宽度时可能发生的超过允许电流限制。
此外，多个电极形成于包层部分411。与上述实施方案不同，第一电极414-1形成于包层部分411的上表面的一侧并且在包层部分411的宽度方向上彼此间隔开，第二电极414-2形成于包层部分411的上表面的另一侧与第一电极414-1相对，并且在包层部分411的宽度方向上彼此间隔开。第一电极414-1和第二电极414-2分别形成为多个第一电极414-1和多个第二电极414-2，并且在包层部分411的宽度方向上彼此间隔开。
此外，为了均匀地调节OPA辐射器的温度，形成多个高浓度掺杂区域415，并且每个掺杂区域415通过导线416电连接至对应的电极414。
掺杂区域415在每个单元辐射器413的一侧形成于基底部分413-3中，包括在单元辐射器413之间，从而作为本征区域412中的电阻调节焦耳热。
因此，可以均匀地调节所有单元辐射器413的温度变化。
从而，将掺杂区域415连接到芯片表面上的电极414-1和414-2的导线416的位置布置于OPA辐射器的范围之外。
同时，掺杂区域415可以划分为连接至第一电极414-1的掺杂区域和连接至第二电极414-2的掺杂区域。
此外，每个掺杂区域415可以划分为第一掺杂区域415-1和第二掺杂区域415-2，所述第一掺杂区域415-1在长度方向上对应于与单元辐射器413的不平整结构区域413-1相对应的区域，所述第二掺杂区域415-2在长度方向上对应于与非不平整结构区域413-2相对应的区域。第一掺杂区域415-1的宽度保持恒定，第二掺杂区域415-2的宽度具有锥形结构，其宽度随着远离第一掺杂区域415-1并且靠近与第一电极414-1和第二电极414-2相对应的位置而逐渐增加。
因此，由于导线416连接至宽度大于第一掺杂区域415-1的宽度的第二掺杂区域415-2，可以连接更宽的导线。
如上所述，根据修改的实施方案，当单元辐射器之间的间距较窄时，为了提高OPA辐射器的性能，可以克服工艺限制并解决掺杂区域415和导线416不能布置在单元辐射器413之间的问题，并且由于锥形结构，可以防止连接较窄的宽度时可能发生的超过允许电流限制。
按照根据本发明的光学相控阵(OPA)辐射器，应用于传统辐射器阵列的高浓度掺杂区域布置于光栅辐射器之间，从而高浓度掺杂区域用作电极，而光栅辐射器用作电阻器，从而可以将热量均匀地施加至光栅辐射器阵列的所有区域。
此外，减小了光栅辐射器之间的间距，从而可以获得较宽的水平视角。在该情况下，由于间距的减小，可以解决形成高浓度掺杂区域和用于将高浓度掺杂区域连接至芯片表面的金属导线的工艺的困难。
此外，可以防止由于光栅辐射器之间间距的增加而引起的局部温度限制以及超过允许电流，从而可以提高光栅辐射器的耐久性。
此外，可以在水平方向上保持从单面光发射OPA辐射器转向和辐射的光束的水平转向方向，并调节光束的竖直发散角。
此外，在利用辐射光束检测物体的应用领域中，具有可以通过减小竖直发散角来提高竖直分辨率，以及可以通过减小光束的发散来增大检测距离的优点。
虽然已经参考附图描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种改变和修改而不限于本文公开的示例性实施方案。因此，应当注意，这种变更或修改落入本发明的权利要求范围，本发明的范围应基于所附权利要求加以解释。

Claims (14)

1.一种光学相控阵辐射器，其包括：
多个单元辐射器，其配置为用作光波导，每个单元辐射器由硅材料制成，并且每个单元辐射器具有预定长度，其中单元辐射器平行地布置；
包层部分，其配置为覆盖所述多个单元辐射器；以及
多个电极，其在所述包层部分上与所述多个单元辐射器平行地布置；
其中，所述多个电极布置为在竖直方向上与多个单元辐射器不重叠。
2.根据权利要求1所述的光学相控阵辐射器，其中，所述多个电极在竖直方向上布置于所述多个单元辐射器之间。
3.根据权利要求2所述的光学相控阵辐射器，其进一步包括：
掺杂区域，其在多个单元辐射器下方的基底部分中形成为与所述多个电极的数量相对应；以及
导线，其配置为将所述多个电极连接至多个掺杂区域。
4.根据权利要求3所述的光学相控阵辐射器，其中，所述多个掺杂区域布置为在竖直方向上与多个单元辐射器不重叠。
5.根据权利要求1所述的光学相控阵辐射器，其中，所述包层部分包括二氧化硅包层，所述二氧化硅包层的折射率低于单元辐射器的折射率。
6.根据权利要求1所述的光学相控阵辐射器，其中，所述多个单元辐射器具有相同的间距，每个单元辐射器在长度方向上以相同的间距形成不平整结构。
7.一种光学相控阵辐射器，其包括：
多个单元辐射器，其配置为用作光波导，每个单元辐射器由硅材料制成，并且每个单元辐射器具有预定长度，其中单元辐射器平行地布置；
包层部分，其配置为覆盖所述多个单元辐射器；
第一电极，其布置为在包层部分的上表面的一侧在包层部分的宽度方向上彼此间隔开；以及
第二电极，其布置为在包层部分的上表面的另一侧在包层部分的宽度方向上彼此间隔开，并与所述第一电极相对。
8.根据权利要求7所述的光学相控阵辐射器，其进一步包括：
多个掺杂区域，其形成于多个单元辐射器下方的基底部分中并且布置为在竖直方向上与多个单元辐射器不重叠；以及
导线，其配置为将所述多个掺杂区域连接至所述第一电极或第二电极。
9.根据权利要求8所述的光学相控阵辐射器，其中，所述多个掺杂区域布置于所述多个单元辐射器之间。
10.根据权利要求9所述的光学相控阵辐射器，其中，所述多个单元辐射器具有相同的间距，每个单元辐射器在长度方向上以相同的间距地形成不平整结构。
11.根据权利要求10所述的光学相控阵辐射器，其中：
所述多个单元辐射器的每一个划分为不平整结构区域和非不平整结构区域，所述不平整结构区域中形成所述不平整结构，所述非不平整结构区域中不形成所述不平整结构；
所述多个单元辐射器的每一个为锥形，使得宽度随着远离不平整结构区域而逐渐减小。
12.根据权利要求11所述的光学相控阵辐射器，其中：
所述多个掺杂区域的每一个划分为第一掺杂区域和第二掺杂区域，所述第一掺杂区域对应于与不平整结构区域相对应的区域，所述第二掺杂区域对应于与非不平整结构区域相对应的区域；
所述多个掺杂区域的每一个为锥形，使得宽度随着远离第一掺杂区域而逐渐增大。
13.根据权利要求12所述的光学相控阵辐射器，其中，所述导线连接至多个掺杂区域的每一个的第二掺杂区域。
14.根据权利要求7所述的光学相控阵辐射器，其中，所述包层部分包括二氧化硅包层，所述二氧化硅包层的折射率低于所述单元辐射器的折射率。
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