CN115128733B - 一种双光栅结构及制作方法、光学相控阵、激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双光栅结构及制作方法、光学相控阵、激光雷达，包括硅波导和氮化硅波导组成的双层波导，在所述氮化硅波导上表面制作上刻蚀光栅结构和在下表面制作下刻蚀光栅结构，所述上刻蚀光栅结构与所述下刻蚀光栅结构不同，所述上刻蚀光栅结构与所述下刻蚀光栅结构在传播方向上错开预设距离，所述上刻蚀光栅和所述下刻蚀光栅在散射光强度上匹配。通过硅波导和氮化硅波导共同制作具有单向散射能力的波导光栅，使得波导光栅阵列天线的光栅间距缩小，硅波导上方的氮化硅波导上下表面具有不对称的光栅结构，通过上下表面散射光强度的匹配，实现光栅高效的单向散射能力。
Description
技术领域
本发明涉及光学雷达领域，特别涉及一种双光栅结构及制作方法、光学相控阵、激光雷达。
背景技术
激光雷达是自动驾驶汽车，智能机器人，路网监控，地形测绘的关键部件。当前激光雷达正从大型的机械式激光雷达向小型化全固态式激光雷达发展，其中集成芯片式的光学相控阵激光雷达是固态激光雷达主要研究方向之一。对于该类型固态激光雷达而言，光学相控阵是最为重要的部件。目前大部分光学相控阵采用的是波导光栅阵列天线完成光束的发射和反射回波的接收，然而波导光栅会同时进行向上和向下两个方向散射，向下散射的光束进入衬底而损耗掉了，只有向上散射的光束能被雷达系统所利用，所以天线的效率低于50％。
近年来研究发现利用双层氮化硅波导制作具有一定位错的双层波导光栅可以实现高效的单向辐射。但受限于氮化硅波导与二氧化硅包层之间折射率差较小，导致氮化硅波导的间距往往要大于4um才能避免波导间的耦合串扰。而对于光栅阵列天线而言波导间距越大，视场内栅瓣会增加，不但导致了天线损耗增大，还限制了光束的转向范围。硅波导与二氧化硅包层折射率差很大，可以实现很小的波导间距。但由于绝缘层上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)平台中，硅波导由固定厚度的硅薄膜制成，工艺上无法制作双层的硅波导光栅，所以硅波导光栅无法实现光束的单向发射。
结合图1所示，普通硅波导的光栅结构，其中图1示出了硅波导光栅侧面图，箭头表示光的传播方向，沿着波导传播的光遇到光栅后分成上下两束散射光。光散射方向有上下两个，能够被利用的光只有向上的一束，向下的光被损耗掉了，造成光损失，使得波导光栅天线的效率低于50％。
结合图2a、图2b和图2c所示，美国麻省理工学院提出的氮化硅双光栅结构，其中图2a示出了氮化硅波导双光栅侧视图，图2b示出了氮化硅波导双光栅斜视立体图，箭头表示光的传播方向，通过合计设计可以实现单向光散射(只有向上方向)，图2c示出了氮化硅波导双光栅天线斜视立体图，但受限于氮化硅材料的缘故，波导间距需要大于4μm以避免相邻波导之间的交叉串扰。对于光学相控阵而言，光栅间距增大会导致扫描范围的缩小以及来自栅瓣的损耗的增加。另外，制作两层氮化硅波导需要更多的工艺流程，会增加生产成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种双光栅结构及制作方法、光学相控阵、激光雷达。
第一方面，本发明提供了一种双光栅结构，包括硅波导和氮化硅波导组成的双层波导，在所述氮化硅波导在所述硅波导上方，所述双光栅结构包括氮化硅波导上表面的上刻蚀光栅结构和氮化硅波导下表面的下刻蚀光栅结构，所述上刻蚀光栅结构与所述下刻蚀光栅结构不同，所述上刻蚀光栅结构与所述下刻蚀光栅结构在传播方向上错开预设距离，所述上刻蚀光栅和所述下刻蚀光栅在散射光强度上匹配。
作为一种可选的方案，所述上刻蚀光栅结构具有多个间隔设置的第一光栅齿，所述下刻蚀光栅结构具有多个间隔设置的第二光栅齿，所述第一光栅齿和所述第二光栅齿在传播方向上错开预设距离。
作为一种可选的方案，所述硅波导厚度为220纳米，所述硅波导的宽度为500纳米。
作为一种可选的方案，所述双层波导的光栅周期为0.67微米。
作为一种可选的方案，通过调整所述上刻蚀光栅和下刻蚀光栅的占空比，可以实现对出射光场分布的控制，形成均匀形貌的光场、高斯形貌的光场等，可以视具体情况而定，在本发明实施例中不做具体限定。
第二方面，本发明提供了一种光学相控阵，其特征在于，具有如上述的双光栅结构。
作为一种可选的方案，包括至少两组所述双光栅结构，相邻两组所述双光栅结构之间的距离大于等于1.6微米。
第三方面，本发明提供了一种光学相控阵激光雷达，具有如上述的双光栅结构。
第四方面，本发明提供了一种双光栅结构的制作方法，包括：
在顶层硅上表面刻蚀预定宽度的硅波导结构；
在所述顶层硅上表面和所述硅波导结构上沉积二氧化硅层，并对所述二氧化硅层的上表面进行抛平；
在抛平后的二氧化硅层的上表面按照预设刻蚀深度和光栅周期刻蚀下刻蚀光栅结构；
在所述下刻蚀光栅结构上表面沉积预设厚度的氮化硅层，对所述氮化硅层的上表面进行抛平至目标厚度；
在所述氮化硅层上表面刻蚀上刻蚀光栅结构，完成制作。
作为一种可选的方案，所述顶层硅的厚度为220纳米，所述预定宽度为500纳米，所述预设厚度为400纳米，所述目标厚度为340纳米，所述预设刻蚀深度为100纳米，所述光栅周期为0.67微米。
本发明提供的一种双光栅结构及制作方法、光学相控阵、激光雷达，包括硅波导和氮化硅波导组成的双层波导，所述双光栅结构包括氮化硅波导上表面的上刻蚀光栅结构和氮化硅波导下表面的下刻蚀光栅结构，所述上刻蚀光栅结构与所述下刻蚀光栅结构不同，所述上刻蚀光栅结构与所述下刻蚀光栅结构在传播方向上错开预设距离。通过硅波导和氮化硅波导共同制作具有单向散射能力的波导光栅，使得波导光栅阵列天线的光栅间距缩小，硅波导上方的氮化硅波导上下表面具有不对称的光栅结构，通过上下表面散射光强度的匹配，实现光栅高效的单向散射能力。
附图说明
图1是现有方案中一种硅波导光栅的侧面图；
图2a是现有方案中一种氮化硅波导双光栅的侧视图；
图2b是现有方案中一种氮化硅波导双光栅斜视的立体图；
图2c是现有方案中一种氮化硅波导双光栅天线的斜视立体图；
图3a是本发明实施例中提供一种双光栅结构的结构侧视图及各部分截面图；
图3b是本发明实施例中提供一种双光栅结构中光栅结构的立体图；
图3c是本发明实施例中提供一种双光栅结构中波导光栅阵列天线的斜视立体图；
图4a是本发明实施例中提供一种双光栅结构中国波导光栅结构的单向散射原理图；
图4b是本发明实施例中提供一种双光栅结构中波导光栅结构的截面图；
图4c是本发明实施例中提供一种双光栅结构的散射单向性与下刻蚀光栅结构刻蚀宽度的关系示意图；
图5a是单模氮化硅波导的截面图和波导内光功率的分布曲线示意图；
图5b是单模硅波导的截面图和波导内光功率的分布曲线示意图；
图5c是本发明实施例中提供的一种用于制作双光栅结构的氮化硅加硅双层波导的截面图，以及波导内光功率的分布曲线示意图；
图5d是硅波导、氮化硅波导、本发明实施例中提供一种氮化硅加硅双层波导的耦合长度与波导间距的关系示意图；
图6是本发明实施例中提供一种双光栅结构与现有方案的效果比对示意图；
图7a是本发明实施例中提供一种双光栅结构的制作方法的示意图；
图7b是本发明实施例中提供一种双光栅结构的制作方法的示意图；
图7c是本发明实施例中提供一种双光栅结构的制作方法的示意图；
图7d是本发明实施例中提供一种双光栅结构的制作方法的示意图；
图7e是本发明实施例中提供一种双光栅结构的制作方法的示意图；
图7f是本发明实施例中提供一种双光栅结构的制作方法的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图3a、3b及3c所示，本发明实施例提供了一种双光栅结构，包括硅波导和氮化硅波导组成的双层波导，在所述氮化硅波导包括上刻蚀光栅结构和下刻蚀光栅结构，所述上刻蚀光栅结构与所述下刻蚀光栅结构不同，所述上刻蚀光栅结构与所述下刻蚀光栅结构在传播方向上错开预设距离，上刻蚀光栅和下刻蚀光栅在散射光强度上相匹配，耦合系数上相匹配，设计上刻蚀光栅结构和下刻蚀光栅结构不相同，因为上下两个光栅需要进行散射光强度的匹配以实现最大单向发射效率，要求上下两个光栅在传播方向上错开一定的距离，这样通过硅波导和氮化硅波导共同制作具有单向散射能力的波导光栅，使得波导光栅阵列天线的光栅间距缩小，硅波导上方的氮化硅波导上下表面具有不对称的光栅结构，通过上下表面散射光强度的匹配，实现光栅高效的单向散射能力。
本实施例中，所述波导包括硅波导和上方的氮化硅波导，所述双光栅包括氮化硅上表面的上刻蚀光栅和下表面的下刻蚀光栅，所述上刻蚀光栅结构具有多个间隔设置的第一光栅齿，所述下刻蚀光栅结构具有多个间隔设置的第二光栅齿，所述第一光栅齿和所述第二光栅齿在传播方向上错开预设距离，所述衬底厚度为220纳米，所述双侧硅波导的宽度为500纳米，所述双层硅波导的光栅周期为0.67微米。
结合图4a、4b以及4c所示，本发明实施例中提供的一种双光栅结构的工作原理加以介绍：
图4a中示出了波导光栅结构单向散射原理图，激光沿波导方向传播，光的散射发生在刻蚀区域的界面上，取某一周期为例，上刻蚀光栅结构在交界面处同时产生向上和向下两个方向的第一光，同理下刻蚀光栅结构也会产生向上和向下两个方向的第二光。由于两个光栅横向的错位，产生了一个横向的相位差由于波导的厚度，在纵向上也会产生相位差/>向上的两束光(第一光虚线和第二光虚线)，他们之间的相位差为/>向下的两束光，他们之间的相位差为：/> 通过设计光栅的厚度，控制/>和错位长度，控制/>可以使向上的光加强，而向下的光减弱。当/>时，向下的光束干涉相消，即向下的光束最弱。
光束干涉公式为：
其中，I1和I2分别为两束光的强度，为两束光的相位差，I为干涉后的光强度。当/>时，干涉后光强最小，且只有当I1＝I2的时候，干涉结果I可以取得最小值0。说明波导光栅要取的最高的单向性(即向下散射光最弱)，需要上下两个光栅散射的光强完全一致。由图4b所示的光栅结构截面图，可以看出光栅结构在竖直方向上并不对称，说明若要上下两个光栅散射光强完全一致，需要对光栅进行不对称的设计，这是本发明结构高单向性的关键，本案提出的上刻蚀光栅和下刻蚀光栅结构不相同，通过散射强度匹配的办法，实现了单向性设计。
这里我们定义单向性为：
其中Iup为向上散射的光强，Idown为向下散射的光强。这里选取的下层光栅刻蚀区域的宽度we作为光强匹配的变量，利用FDTD基于矢量3维麦克斯维方程求解进行仿真，得到如图4c显示的结果。可以看出，当we约为0.28μm时，上下两组光栅的散射光强最为匹配，单向性高达0.96。
结合图5a、5b、5c、5d所示，具体地，本发明一种实施例中提供的一种双光栅结构中光栅可以实现更小波导间距的原理：
1.55um波段，硅材料的折射率为3.471，氮化硅材料的折射率为1.996，二氧化硅的折射率为1.444。在二氧化硅包层中，硅波导与包层的折射率差较大，相较之下氮化硅波导与包层折射率差较小，所以硅波导对光模场的限制能力要强于氮化硅波导。图5a示单模氮化硅波导的截面图，以及波导内光功率的分布；图5b示单模硅波导的截面图，以及波导内的光功率分布。可以看出在激光的传输过程中，氮化硅波导的光模场要大于硅波导，这就意味着氮化硅波导需要更大的波导间距来避免波导间光功率的交叉耦合。图5c示本案光栅结构的波导的截面图和光功率分布，可以看出本发明提出的波导结构具有了很强的光模场的限制能力。耦合长度通常定义为发生完全耦合所需的长度，硅波导、氮化硅波导和本发明提出的结构的耦合长度计算结果如图5d所示。图5d示出了硅波导、氮化硅波导、本发明中氮化硅加硅双层波导的耦合长度与波导间距的关系，可以看出同样间距下，硅波导的耦合长度要远大于氮化硅，而本发明结构与硅波导的耦合长度大致相等。可以理解的是，光学相控阵中的光栅阵列天线长度通常为几百微米到几毫米，当耦合长度足够长(大于100毫米)时，在天线中的交叉耦合可以忽略。如图5d中所示，对于本案所述波导结构而言100毫米的耦合长度需要波导间距仅约为1.6微米，而氮化硅波导需要大于4微米的波导间距。
结合图6所示，其中，图6示出了双光栅结构与现有方案的效果比对示意图，模拟计算的结果：图6中左半部分是普通光栅，上下都有光散射；右半部分是本发明提供双光栅结构，只有向上的光散射，通过试验可以证明本发明的使用效果很好。
本发明实施例中提供的一种双光栅结构，可以使光只在一个方向上散射，提高了光栅天线的能量效率。利用本双光栅结构设计的天线阵列可以在保证光束单向发射的基础上，缩小波导光栅的间距，进一步提高天线的效率。本方案设计的光栅结构，制作工艺简单，易于实现，通过调整光栅看空比，可以改变出射光场的分布，如均匀分布、高斯分布等。
相应地，本发明实施例提供了一种光学相控阵，具有如上述的双光栅结构，利用本双光栅结构设计的天线阵列可以在保证光束单向发射的基础上，缩小波导光栅的间距，进一步提高天线的效率。
可选地，本发明实施例中的光学相控阵包括至少两组所述双光栅结构，相邻两组所述双光栅结构之间的距离大于1.6微米，对于硅波导光栅阵列天线，波导间距为1.6微米时可以避免相邻的波导的交叉耦合。
相应地，本发明实施例提供了一种光学相控阵激光雷达，具有如上述的双光栅结构，利用本双光栅结构设计的天线阵列可以在保证光束单向发射的基础上，缩小波导光栅的间距，进一步提高天线的效率。
相应地，本发明实施例还提供了一种双光栅结构的制作方法，包括：
S701、在顶层硅上表面刻蚀预定宽度的硅波导结构。
S702、在所述顶层硅上表面和所述硅波导结构上沉积二氧化硅层，并对所述二氧化硅层的上表面进行抛平。
S703、在抛平后的二氧化硅层的上表面按照预设刻蚀深度和光栅周期刻蚀下刻蚀光栅结构。
S704、在所述下刻蚀光栅结构上表面沉积预设厚度的氮化硅层，对所述氮化硅层的上表面进行抛平至目标厚度。
S705、在所述氮化硅层上表面刻蚀上刻蚀光栅结构，完成制作。
需要说明的是，抛平的方法可以采用化学机械抛光方法，对此不做限定。
对于S704中沉积氮化硅层可以采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，等离子体增强化学的气相沉积法)或LPCVD(Low Pressure Chemical VaporDeposition，低压力化学气相沉积法)方法进行，具体可以根据需要灵活选择，对此不做限定。
作为一种可选的方案，所述顶层硅的厚度为220纳米，所述预定宽度为500纳米，所述预设厚度为400纳米，所述目标厚度为340纳米，所述预设刻蚀深度为100纳米，所述光栅周期为0.67微米。
结合图7a至7f所示，为了更好理解本方法，以绝缘层上硅(SOI)平台为例，结合具体场景介绍本发明提供的一种双光栅结构的制作方法，包括：
S1、在220nm的顶层硅上刻蚀出500nm宽的硅波导结构，如图7a所示。
S2、沉积二氧化硅材料，使用化学机械抛光方法把上表面抛平，如7b所示。
S3、在抛光的二氧化硅表面刻蚀出下刻蚀光栅结构，刻蚀深度为100nm，光栅周期为0.67μm，如图7c所示。
S4、用PECVD或LPCVD方法沉积400nm的SiN材料，并用化学机械抛光方法把上表面抛平，剩余厚度340nm，如图7d所示。
S5、然后在SiN氮化硅上刻蚀上刻蚀光栅结构，如图7e所示。
S6、最后刻蚀出波导结构，如图7f所示。
需要说明的是，绝缘层上硅(SOI)平台中，晶圆自带一层硅薄膜可以用于硅波导的制作，本案只需要制作一层氮化硅即可实现，降低成本。
本案主要针对光栅阵列天线的设计，用途不限于激光雷达，还包括空间光通信的发射机和接收机、光束耦合等应用。
本发明实施例提供的双光栅结构制作方法具备以下优点：
1、本发明设计的光栅结构，可以使光只在一个方向上散射，提高了光栅天线的能量效率。
2、本发明设计的天线阵列可以在保证光束单向发射的基础上，缩小波导光栅的间距，进一步提高天线的效率。
3、本发明设计的光栅结构，制作工艺简单，易于实现。
4、通过调整光栅占空比，可以改变出射光场的分布，如均匀分布、高斯分布等。
本发明实施例中提供的一种双光栅结构的制作方法、光学相控阵、激光雷达，包括硅波导和氮化硅波导组成的双层波导，在所述氮化硅波导包括上刻蚀光栅结构和下刻蚀光栅结构，所述上刻蚀光栅结构与所述下刻蚀光栅结构不同，所述上刻蚀光栅结构与所述下刻蚀光栅结构在传播方向上错开预设距离，所述上刻蚀光栅和所述下刻蚀光栅在散射光强度上相匹配。通过硅波导和氮化硅波导共同制作具有单向散射能力的波导光栅，使得波导光栅阵列天线的光栅间距缩小，硅波导上方的氮化硅波导上下表面具有不对称的光栅结构，通过上下表面散射光强度的匹配，实现光栅高效的单向散射能力。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双光栅结构，其特征在于，所述双光栅结构是由硅波导和氮化硅波导组成的双层波导，在所述氮化硅波导的上表面有上刻蚀光栅结构和下表面有下刻蚀光栅结构，所述上刻蚀光栅结构与所述下刻蚀光栅结构不同，所述上刻蚀光栅结构与所述下刻蚀光栅结构在传播方向上错开预设距离，所述上刻蚀光栅和所述下刻蚀光栅在散射光强度上相匹配，实现光栅高效的单向散射能力；所述下刻蚀光栅结构的刻蚀区域的宽度w e=0.28μm时，单向性为0.96；所述单向性表示为：
；
其中I up为向上散射的光强，I down为向下散射的光强。
2.根据权利要求1所述的双光栅结构，其特征在于，所述上刻蚀光栅结构具有多个间隔设置的第一光栅齿，所述下刻蚀光栅结构具有多个间隔设置的第二光栅齿，所述第一光栅齿和所述第二光栅齿在传播方向上错开预设距离。
3.根据权利要求1或2所述的双光栅结构，其特征在于，所述硅波导厚度为220纳米，所述硅波导的宽度为500纳米。
4.根据权利要求1所述的双光栅结构，其特征在于，所述双层波导的光栅周期为0.67微米。
5.一种光学相控阵，其特征在于，具有如权利要求1至4中任一项所述的双光栅结构。
6.根据权利要求5所述的光学相控阵，其特征在于，包括至少两组所述双光栅结构，相邻两组所述双光栅结构之间的距离大于1.6微米。
7.一种光学相控阵激光雷达，其特征在于，具有如权利要求1至4中任一项所述的双光栅结构。
8.一种双光栅结构的制作方法，其特征在于，用于制作权利要求1-4任意一项所述的双光栅结构，包括：
在顶层硅上刻蚀预定宽度的硅波导结构；
在所述顶层硅上表面和所述硅波导结构上沉积二氧化硅层，并对所述二氧化硅层的上表面进行抛平；
在抛平后的二氧化硅层的上表面按照预设刻蚀深度和光栅周期刻蚀下刻蚀光栅结构；
在所述下刻蚀光栅结构上表面沉积预设厚度的氮化硅层，对所述氮化硅层的上表面进行抛平至目标厚度；
在所述氮化硅层上表面刻蚀上刻蚀光栅结构，完成制作。
9.根据权利要求8所述的双光栅结构的制作方法，其特征在于，所述顶层硅的厚度为220纳米，所述预定宽度为500纳米，所述预设厚度为400纳米，所述目标厚度为340纳米，所述预设刻蚀深度为100纳米，所述光栅周期为0.67微米。
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