CN115210617A - 基于多层平台的高效端射式3d光学相控阵 - Google Patents

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Abstract

射束转向设备诸如光学相控阵(OPA)是固态LIDAR和无线通信的应用中的关键部件。传统的单层OPA由于从光栅耦合器结构的向下耦合引起的基板泄漏而导致显著的能量损耗。在本公开中，我们已经研究了基于多层Si3N4/SiO2平台的结构，该结构可以形成3D OPA以高效率地从设备的边缘发射光，将2D会聚的输出耦合射束端射到空气。数值化地演示了高效率和宽水平射束转向，也讨论了垂直串扰、延迟长度、波导层的数量和制造可行性的影响。

Description

基于多层平台的高效端射式3D光学相控阵
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年3月2日提交的美国临时申请号62/984,004的权益。上述申请的全部公开通过援引并入本文。
政府支持
本发明是在国家科学基金会授予的ECCS1644731的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。
技术领域
本公开涉及一种基于多层平台的高效端射式3D光学相控阵。
背景技术和发明内容
本部分提供与本公开有关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。本部分提供了本公开的总体概述，而不是其全部范围或所有特征的全面公开。
随着诸如固态LIDAR(光探测和测距)等新兴应用的出现，基于集成光学相控阵(OPA，optical phased array)的射束转向(beam steering)在过去十年中吸引了许多研究工作。已经在包括热调谐、电光调谐、高灵敏度波长调谐、集成片上光源(integrated on-chip light source)、非周期性旁瓣抑制(side lobe suppression by aperiodic)或切趾阵列放置(apodized array placement)等方面取得了重大进展。
传统上，片上集成光子研究通常使用单个波导层结构，这也是大多数关于OPA研究的情况。例如，设备结构可能由于各种要求是复杂的，但仅包含单个波导层，因此，由单个层形成的OPA只能具有向上的上向射束。这典型地导致相对较低的发射效率。当OPA被放置在正面和背面均由均匀介质制成的环境中时，光的干涉在环境的正面和背面形成射束。在本发明人的先前工作中，表明光的大于50％的部分可以在OPA的正面是空气而背面是玻璃时被发射到基板上。然而，作为集成射束转向设备的主要潜在应用之一，固态LIDAR通常需要超过至少100m的探测范围。尽管光源和探测器所有发展，但是射束转向设备的光发射效率与LIDAR的探测范围直接相关。
一些工作试图解决相对低的效率挑战。在D·Kowng[D·科恩]等人的“1×12Unequally Spaced Waveguide Array For Actively Tuned Optical Phased Array OnA Silicon Nanomembrane[用于硅纳米膜上的主动调谐光学相控阵的1×12不等间距波导阵列]”中，利用了从芯片的边缘发射光的结构配置。C·Qin[C·秦]等人的“1×256Multi-Layer,Low-Loss,Si3N4 Waveguide Optical Phased Arrays With 0.050°Instantaneous-Field-Of-View[具有0.050°瞬时视野的1×256多层、低损耗、Si3N4波导光学相控阵]”中也实现了超会聚的射束。旨在将波导空间限制在半波长的进一步工作已经通过各种方法完成。然而，这些工作也采用了单个波导层的配置。这确实为调谐各波导的相位提供了便利，但是由此配置发射的射束确实是扇形射束，因为单个波导层只能在芯片的边缘上形成1-DOPA。从边缘发射2D会聚的射束(端射)的可能性要求在边缘侧上有2D OPA。之前，对2D端射式OPA的性能进行了数值化讨论，并且提出了一种利用纳米膜转移印刷从SOI晶圆上制造具有阻挡Si层的多层结构的方法，并且该方法得到了试验验证。此外，应用基于超快激光刻写(ULI，ultrafast laser inscription)的直写方法来实现用于单层波导与3D波导之间转换的结构，因此可以在边缘侧上形成2D OPA。
在本公开中，基于多层Si3N4/SiO2平台的3D结构配置被设置成实现从边缘发射的2D会聚的射束。此结构的性能已经被证明，并且本公开提出了关于在光输入端和光发射端的能量效率的主要改进。还研究了垂直串扰、延迟长度的工程、和波导层的数量的影响。
其他应用领域从本文提供的描述将变得显而易见。在本发明内容中的描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于所选实施方案的说明性目的，而不是所有可能的实现方式，并且不旨在限制本公开的范围。
图1A为3D OPA形成在设备的前边缘上的结构的前视图。
图1B为设备的截面结构的侧视图，6个厚度为800nm的Si3N4层和5个厚度为500nm的SiO2层。
图1C为示出了各波导Si3N4层的图案的结构的俯视图，该图案包含9个宽度为800nm、间距为2μm的波导。
图2为输入耦合的切趾强度分布的图示，设备的总厚度相当于普通单模光纤(single mode fiber)的MFD。
图3为设备在1550nm下的远场图案，该设备发射明显的2D会聚的射束。
图4A为图1A至图1C中的结构的模拟结果，显示了水平远场等值线图(contourmap)，明显的主瓣转向24.78°/100nm，可以观察到两个旁瓣。
图4B为图1A至图1C中的结构的模拟结果，显示了竖直远场等值线图，仅存在一个主瓣，没有竖直转向。
图4C为图1A至图1C中的结构的模拟结果，显示了水平角与竖直角之间的比较。
图4D为图1A至图1C中的结构的模拟结果，显示了水平FWHM与竖直FWHM之间的比较。
图4E为图1A至图1C中的结构的模拟结果，显示了发射的总能量的耦合效率。
图5A为较薄的SiO2结构(8个厚度为650nm的Si3N4层)的模拟结果，显示了水平远场等值线图。
图5B为较薄的SiO2结构(8个厚度为650nm的Si3N4层)的模拟结果，显示了竖直远场等值线图。
图5C为较薄的SiO2结构(8个厚度为650nm的Si3N4层)的模拟结果，显示了较薄的SiO2结构与原始结构之间的竖直角的比较。
图5D为较薄的SiO2结构(8个厚度为650nm的Si3N4层)的模拟结果，显示了竖直FWHM的比较。
图5E为较薄的SiO2结构(8个厚度为650nm的Si3N4层)的模拟结果，显示了耦合效率的比较。
图6A为具有不同延迟长度(5400nm和7000nm)的结构的模拟结果，显示了具有5400nm延迟长度的结构的水平远场等值线图。
图6B为具有不同延迟长度(5400nm和7000nm)的结构的模拟结果，显示了具有7000nm延迟长度的结构的水平远场等值线图。
图6C为具有不同延迟长度(5400nm和7000nm)的结构的模拟结果，显示了具有不同延迟长度(原始6200nm、5400nm、7000nm)的结构之间的水平角的比较。
图6D为具有不同延迟长度(5400nm和7000nm)的结构的模拟结果，显示了水平FWHM的比较。
图6E为具有不同延迟长度(5400nm和7000nm)的结构的模拟结果，显示了耦合效率的比较。
图7A为具有不同波导层(4层和8层)的结构的模拟结果，显示了具有4个波导层的结构的竖直远场等值线图。
图7B为具有不同波导层(4层和8层)的结构的模拟结果，显示了具有8个波导层的结构的竖直远场等值线图。
图7C为具有不同波导层(4层和8层)的结构的模拟结果，显示了具有不同波导层(原始6层、4层、8层)的结构之间的竖直角的比较。
图7D为具有不同波导层(4层和8层)的结构的模拟结果，显示了竖直FWHM的比较。
图7E为具有不同波导层(4层和8层)的结构的模拟结果，显示了耦合效率的比较。
图8展示了单周期光栅耦合器结构。
图9展示了复合周期光栅耦合器结构。
图10为复合周期光栅耦合器在所施加波长为15550nm的远场模拟结果。
图11A和图11B分别为复合周期光栅耦合器根据所施加波长的性能的远场等值线图和能量流图。
图12展示了具有DBR基板的复合周期光栅结构。
图13A和图13B分别为具有DBR基板的复合周期光栅耦合器根据所施加波长的性能的远场等值线图和能量流图。
图14展示了某些间隙无法制造的情况下的结构。
图15A和15B分别为复合周期光栅耦合器考虑到高纵横比间隙的制造公差根据所施加波长的性能的远场等值线图和能量流图。
图16展示了干涉机制。
图17展示了根据本教导的原理的多层结构。
图18展示了在1550nm下的、在y方向上具有射束会聚的远场图案。
图19展示了根据本教导的原理的多层结构和费尔菲尔德(Fairfield)图案。
图20展示了根据本教导的原理的多层结构和费尔菲尔德图案。
图21展示了在x方向和y方向上的射束会聚的组合的效果。
图22展示了普通周期结构与准周期结构的比较。
图23为比较普通周期结构与准周期结构的表。
贯穿附图的若干视图，相应的附图标记指代相应的部件。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例性实施方案。
提供示例性实施方案，将使得本公开为彻底的，并且将范围充分地传递给本领域技术人员。阐述了许多具体细节(诸如具体组件、设备和方法的示例)，以提供对本公开的实施方案的透彻理解。对于本领域技术人员将是显而易见的是，不需要采用具体细节，可以以许多不同的形式来实施示例性实施方案，且具体细节不应被理解为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，并未详细描述公知的过程、公知的设备结构和公知的技术。
本文中使用的术语仅为了描述特定示例性实施方案的目的，且不旨在是限制性的。如本文中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“所述/该(the)”可以旨在包括复数形式。术语“包含(comprises，comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”是包含性的，因此特指所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。除非明确地标识为执行顺序，否则本文描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须以所讨论或示出的特定顺序进行执行。还应理解，可以采用附加或替代步骤。
当元件或层被称为“在另一元件或层上”，“被接合至”、“被连接至”或“被耦接至”另一元件或层时，此元件或层可以直接在另一元件或层上，被直接接合至、连接至或耦接至另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”，“直接被接合至”、“直接被连接至”或“直接被耦接至”另一元件或层时，则可能没有中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应以类似方式来解释(例如，“在……之间”相对于“直接在至另一元件或层之间”，“邻近”相对于“直接邻近”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关的所列项目中的一个或多个的任意组合和所有组合。
尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可以在本文中被用于描述不同元件、组件、区域、层和/或区段，但是些元件、组件、区域、层和/或区段不应被这些术语限制。这些术语可以仅用将一个元件、组件、区域、层和/或区段与另一区域、层和/或区段区分开来。在本文中使用时，除非上下文明确指出，否则诸如“第一”、“第二”和其他数值术语并不暗指次序或顺序。因此，在不背离示例性实施方案的教导的情况下，下面讨论的第一元件、第一组件、第一区域、第一层或第一区段可以被称为第二元件、第二组件、第二区域、第二层或第二区段。
为了方便描述，空间相对术语(诸如“内部”、“外部”、“之下”、“下方”、“下面”、“上方”和“上面”等)可以在本文中用于描述附图中所示的一个元件或特征与另一个(另一些)元件或特征的关系。空间相对术语可以旨在涵盖设备在使用或操作中除了附图中描述的取向之外的不同取向。例如，如果图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”的元件将随后被取向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例术语“下方”可以涵盖上方和下方的取向。设备可以以其他方式被定向(旋转90度，或以其他取向被定向)，以及相应地进行解释在本文中使用的空间相对描述。
根据本教导，提供基于OPA的射束转向结构以解决LIDAR中的检测范围问题。此外，在本公开中，数值化地演示了基于多层Si3N4/SiO2平台的、具有从设备的边缘出射的光的3D光学相控阵(OPA)。讨论了此设备的CMOS兼容制造策略。多层结构可实现输入耦合和发射耦合的高效率，端射发射效率可以高达82％。在发射OPA的远场图案中清楚地生成了2D会聚的射束，可以通过波长调谐纯水平地转向该2D会聚的射束，这表明此设备有可能应用于构建多线固态LIDAR。详细研究了3D OPA结构的相互关系：垂直串扰不影响输出耦合角(out-coupling angle)；延迟线的长度可以设计成实现高转向灵敏度或高转向分辨率；波导层的数量也可以作为制造复杂性与设备性能之间的权衡来设计。详细解释了高效率和单个自由度控制这两个主要特征。这项工作有望固态射束转向设备的进一步研究和固态LIDAR的应用，以及诸如无线通信或光学显微镜等其他新兴领域的应用。
结构配置
根据本教导，基于本OPA的射束转向结构的结构配置在图1A至图1C中展示。在一些示例中，如图1B所示，该设备包括：6个厚度为800nm的Si3N4层、以及被Si3N4层夹在中间的5个厚度为500nm的SiO2层。各Si3N4层是图案化的，图1C为各Si3N4层的俯视图，设置了9个宽度为800nm的波导，各波导的中心之间的间距为2μm。在红圈部中，波导的长度以6200nm的步长逐渐增加。
此设备的制造策略讨论如下。可以在Si基板上制造此结构。首先，可以制作SiO2层。如图1A至图1C所示，可以制造六(6)个具有完全相同图案的图案化Si3N4层。有两种可能的方法来制造此多层结构。首先，“1×256 multi-layer,low-loss,Si3N4 waveguideoptical phased arrays with 0.050°instantaneous-field-of-view[具有0.050°瞬时视野的1×256多层、低损耗、Si3N4波导光学相控阵]”(C·Qin[C·秦]、K·Shang[K·商]、S·Feng[S·冯]、G·Liu[G·柳]、S·Pathak[S·帕萨科]和S·B·Yoo[S·B·刘]，2017年激光与电光会议(CLEO)，第1-2页，电气与电子工程师协会(IEEE)，2017年5月)中提出的方法可利用于此制造，此方法的挑战将是对平坦化步骤的控制，此步骤将影响夹在中间的SiO2层的厚度，而此厚度的精确控制在此结构中是至关重要的。其次，由于各Si3N4层上的相同图案，可以利用“On the fabrication of three-dimensional silicon-on-insulatorbased optical phased array for agile and large angle laser beam steeringsystems[基于用于敏捷和大角度激光束转向系统的光学相控阵的三维绝缘体上硅的制造]”(A·Hosseini[A·侯赛尼]、D·Kwong[D·科恩]、Y·Zhang[Y·张]、S·A·Chandorkar[S·A·多卡尔]、F·Crnogorac[F.茨尔诺戈拉茨]、A·Carlson[A·卡奈森]、B·Fallah[B·法拉赫]、S·Bank[S·班科]、E·Tutuc[E·图图查]、J·Rogers[J·劳格斯]、R·F·W·Pease[R·F·W·皮斯]、R·T·Chen[R·T·陈]，真空科学与技术杂志B，纳米技术与微电子：材料、加工、测量和现象，第28卷第6期，C6O1-C6O7，2010年)中提出的自对齐方法。Si3N4和SiO2彼此之间具有低蚀刻选择性，但是两者相对于Si都具有高选择性的事实也有助于该方法：选择性差异提供了在使用Si作为掩模的同一蚀刻步骤中蚀刻多层的Si3N4和SiO2的可能性。然而，极高的纵横比将成为这里的障碍。利用这两种方法的组合来制造此结构更为现实：使用自对齐方法在一个步骤中蚀刻掉2-3个Si3N4层，然后使用上面的多步骤工艺最终得到6个图案化的Si3N4层。只要自对齐方法可以在一个步骤中处理不止一个Si3N4层，(在两个Si3N4层和一个夹在中间的SiO2层的情况下，蚀刻步骤中孔的纵横比将为1.2μ/2.1μm＝0.57)，所需的总步骤数量将显著减少。
在制造6个图案化的Si3N4层和5个未图案化的SiO2层之后，沉积最终地钝化SiO2层。随后，将切割晶圆，将抛光裸片的边缘，以确保来自外部激光源的输入耦合和处于发射端处的输出耦合。作为最后一步，四分之一波长的SiO2层(T＝1550/5*1.45)＝267nm)将被沉积在边缘侧上，这可以执行Si3N4波导与空气之间的抗反射功能。整个制造工艺遵循标准的微芯片制造工艺，因此该方法是CMOS兼容的。
在本公开中，我们只考虑每层中9个波导，以及发射端处的阵列的总周期性为2μm。值得注意的是，即使在本公开中仅考虑了9个波导，但是通过使用分束器树也可以在每层中具有更多波导。然后可以采用Ω形延迟长度结构在波导之间产生相位差。各波导之间的长度差相同，2μm的周期性可以消除波导之间的串扰，因此，发射端处的各阵列之间的相位差将相同，这可以满足在各波导层(水平方向)中在方程(1)中的相控阵条件。在竖直方向上，由于各波导层中的结构完全相同，所以各层之间的相位差为0，因此也满足层之间(竖直方向)的相控阵条件。因此，此结构能够从设备的边缘发射具有2D会聚的射束。
在本公开中，我们仅考虑每层中9个波导，以及发射端处的阵列间距为2μm。值得注意的是，尽管在本公开中仅考虑了9个波导，通过使用分束器树可以在每层中具有更多波导。光的会聚可以通过大量的阵列元件来增强，所以即使本公开提出的会聚数据是从9个波导中得到的，但实际上在原理上还可以进一步改进。然后，采用Ω形延迟长度结构在波导之间产生均匀的相位差，2μm的间距可以消除波导之间的串扰。因此，发射端处的各阵列之间的相位差将相同，这可以满足各波导层(水平方向)的相控阵条件。在竖直方向上，由于各波导层中的结构完全相同，所以各层之间的相位差为0，因此也满足层之间(竖直方向)的相控阵条件。总的结果是，此结构能够从设备的边缘发射具有2D会聚的射束。方程1显示了相位条件：
Figure BDA0003825101610000081
其中，θ为发射角，λ0为真空波长，
Figure BDA0003825101610000082
和d为各阵列元件之间的相位差和间距。
此结构的显著改进是非常高的能效。首先，在以往的大多数研究中，都将单模光纤的外部激光作为光源，但是无论采用竖直耦合还是对接耦合，光在输入耦合处都会遭受相当大的损耗。特别是在对接耦合中，损耗通常是显著的，因为波导层的厚度通常比普通芯直径为8.2μm的单模光纤的模场直径(MFD，mode field diameter)小十倍。在此多层结构中，6个Si3N4层和5个夹在中间的SiO2层竖直地占据7.3μm，因此，当光从单模光纤耦合到片上波导时，耦合效率远高于使用单波导层结构。使用类似耦合机制的“On The Fabrication OfThree-Dimensional Silicon-On-Insulator Based Optical Phased Array For AgileAnd Large Angle Laser Beam Steering Systems[基于用于敏捷和大角度激光束转向系统的光学相控阵的三维绝缘体上硅的制造]”(A·Hosseini[A·侯赛尼]、D·Kwong[D·科恩]、Y·Zhang[Y·张]、S·A·Chandorkar[S·A·多卡尔]、F·Crnogorac[F·茨尔诺戈拉茨]、A·Carlson[A·卡奈森]、B·Fallah[B·法拉赫]、S·Bank[S·班科]、E·Tutuc[E·图图查]、J·Rogers[J·劳格斯]、R·F·W·Pease[R·F·W·皮斯]、R·T·Chen[R·T·陈]，真空科学与技术杂志B，纳米技术与微电子：材料、加工、测量和现象，第28卷第6期，C6O1-C6O7，2010年)的斑点尺寸转换器，首先将来自单模光纤的光耦合到具有类似尺寸的Si3N4/SiO2层的锥形堆叠体，然后在锥形化后将斑点形状转换为竖直线，并最终将光耦合到尺寸比光纤小得多的Si波导。根据他们的结果，单模光纤与多层斑点尺寸转换器之间的模式重叠可以高达94％-99％。在那项工作中，Si3N4层的厚度为225nm，而在本公开中，Si3N4波导层的厚度为800nm，因此耦合效率可能没有如他们的结果那么高，但是我们相信，多个Si3N4能够有助于高输入耦合效率仍然是明显的。
在另一方面上，此多Si3N4层结构也有助于切趾场分布(apodized fielddistribution)。在“Two-Dimensional Apodized Silicon Photonic Phased Arrays[二维切趾硅光子相控阵]”(J·Sun[J·孙]、E·shah Hosseini[E·萨桑侯赛尼]、A·Yaacobi[A·雅各比]、D·B·Cole[D·B·科尔]、G·Leake[G·利克]、D·Coolbaugh[D·库尔博]和M·R·Watts[M·R·瓦茨]，光学快报，第39卷第2期，第367-370页，2014年)中，利用高斯切趾相控阵来抑制旁瓣，在这项工作中，特意设计了跨阵列的切趾场分布。在本公开中，由于耦合机制，跨各Si3N4波导层的切趾场分布是自动形成的。这在图2中展示。
发射端也有助于高效率。从图1A至图1C，可以看出OPA形成在设备的边缘上，OPA的正面是抗反射涂层和空气，这是一种均匀的介质，可以通过各阵列元件之间的干涉产生输出耦合射束。此外，由于射束是被端射到空气，所以高度抑制了后向发射。从模拟结果来看，发射端处的输出耦合效率可以高达82％。
在本公开中，利用FDTD(有限差分时域，finite difference time domain)方法来模拟结构。在该模拟中，模型如图1A至图1C中所展示进行设置，并施加TM偏振高斯脉冲作为光源，脉冲照亮每个波导。波长范围设置为1400nm至1700nm，覆盖100nm波长调谐范围。图3显示了设备在1550nm下的远场图。它表明该设备在水平–1.53°和竖直–6.99E—4°处产生明显的主瓣，此瓣具有4.43°的水平FWHM(半峰全宽)以及10.96°的竖直FWHM；在–52.78°和–47.77°处可以观察到水平方向的两个旁瓣。旁瓣的形成是各层中波导之间的间距较大造成的，同时由于周期性(2μm)不比波长(1550nm)大太多，所以旁瓣远离主瓣且不强。在另一方面上，竖直方向的周期性(即各波导层的中心之间的间距)为1.3μm，因此在竖直方向上仅产生一个明显的主瓣。竖直FWHM比水平FWHM更大，这是因为OPA竖直上仅覆盖7.3μm，而水平上覆盖18.8μm。
该设备的波长调谐性能在图4A至图4E中示出。图4A为水平远场等值线图，其显示了主瓣可以通过波长调谐进行转向，射束从1500nm下的10.99°转向到1600nm下的–13.79°，实现了在100nm波长范围内的24.78°转向范围。此转向能力是通过延迟长度结构实现的；各波导之间的长度差是固定的，因此可以通过波长调谐来相干地改变各阵列元件在水平方向上的相位差。图4B为竖直远场等值线图，不同层中的波导之间没有长度差异，因此在波长调谐时，各阵列元件之间在竖直方向上的相位差始终为0，因此竖直远场角整体范围仅轻微改变，它只改变3.13E–3°。图4C显示了水平远场角与竖直远场角之间的比较。射束随波长变化沿水平方向线性转向，可忽略竖直方向的转向。图4D显示了水平FWHM和竖直FWHM的变化，射束的会聚保持在整个波长调谐范围内，水平FWHM变化小于7.67％，竖直FWHM变化小于7.12％。图4E显示了调谐范围内的耦合效率，此效率是通过使用发射的总能量除以刚好在发射OPA之前的所有波导中的能量来计算的。整个范围内的效率高于76.43％，此最小值出现在1600nm波长处，可以在1570nm波长处观察到最大值82.22％。由于主瓣在整个范围内占主导地位，因此主瓣的发射效率接近图4E中的效率值。正如第2部分中所讨论的，高效率是由端射机制和SiO2抗反射涂层共同促成的。
具有纯水平转向的调谐功能仅通过波长调谐来实现。在此设备中，不需要对各波导中的相位进行精确控制，因此，操作所需的自由度数量从N(N是每层中的波导数量)减少到1，操作原理高度简化。在LIDAR的应用中，传统的机械式LIDAR旋转整个设备来实现水平视野(FOV，field of view)，并且竖直视野是通过竖直利用多条射束线实现的，这就要求各射束在旋转期间维持其竖直角度。此设备可以发射2D会聚的射束，该2D会聚的射束可以被纯水平转向，因此可以利用多个设备一起构建多线固态LIDAR。
垂直串扰的影响
各波导之间在水平方向上的间距被选择为2μm以消除串扰，这是考虑到各水平波导中光的相位不同的事实。在另一方面上，夹在中间的SiO2的厚度被设置为500nm。实际上，此厚度不能完全消除不同层中波导之间的串扰。然而，由于各波导层中的图案完全相同，此串扰不会有助于旁瓣。这是因为各层之间的相位差为零，且各层中的光的强度相当，因此整个系统中的垂直串扰处于动态平衡：当一个波导中的主光脉冲感应到相邻波导中的延迟脉冲，此波导也将接收到从此相邻波导由主脉冲感应到的延迟脉冲，并且由于各波导中的主脉冲具有零相位差，因此这些波导中的感应延迟脉冲也具有零相位差。在此情况下，所有感应脉冲也可以与输出耦合射束在同一方向上相互干涉，因此它也有助于主瓣。进行另一次模拟以确认这一点，结果在图5A至图5E中示出。在此模拟中，我们使用8个650nm的Si3N4层和7个300nm的SiO2层，因此OPA在竖直上仍然覆盖7.3μm的范围，这与图1A至图1C中的原始结构相同。
图5A中的水平角转向范围为23.00°/100nm，这与图4A至图4E中的结果略有不同，此差异的原因是在此结构中改变了波导厚度，因此将会改变波导的有效折射率(effectiveindex)；不过此结构中的图案和上一个是一样的，所以变化不大。图5B至图5C显示了此结构的竖直角转向，可以发现，即使SiO2层只有300nm厚，射束的竖直角不受串扰的影响。然而，竖直FWHM和效率变得更大，这是因为即使OPA在竖直上覆盖相同的范围，波导层的比例也更高，因此，此结构与用于图4A至图4E的原始结构相比更接近具有7.3μm厚度的厚板波导。而在任何一种情况下，图5A至图5E中的结果清楚地表明波导之间的垂直串扰不影响发射射束的角度。
延迟长度的工程设计
我们已经指出，通过在各层中使用更多的波导，可以进一步增强设备的水平会聚性。因此，在实际情况下，波长调谐的LIDAR的探测分辨率取决于每一波长的转向灵敏度和光源的波长调谐分辨率。在本公开中，我们选择6200nm作为结构的延迟长度；而在实际应用中，可以选择更大的延迟长度来增加转向灵敏度。完成了延迟长度为5400nm和7000nm的两次模拟，结果在图6A至图6E中示出。
在此模拟中结构之间的差异在于各波导层的图案，因此仅关于水平角的信息被绘制在图6A至图6E中。最重要的比较在图6C中，在此图中，红色曲线与图4C中的红色曲线相同，黄色曲线针对具有5400nm延迟长度的结构，粉色曲线针对7000nm延迟长度。5400nm延迟长度结构的转向灵敏度为21.58°/100nm波长，针对具有6200nm延迟长度的原设备为24.78°/100nm，且针对7000nm延迟长度为28.32°/100nm。这表明可以通过选择不同的延迟长度来改变转向灵敏度：在大多数情况下，为了实现更高的转向灵敏度，更大的延迟长度将是优选的；而在某些情况下，如果光源的波长调谐分辨率受限，则可能需要更低的转向灵敏度来提高探测分辨率，这可以通过选择更小的延迟长度来完成。同时，水平FWHM和耦合效率变化不大，这是因为在所有三个结构中，各阵列元件之间的间距都保持不变。
波导层数量的选择
在本公开中，我们选择6个Si3N4层以在竖直方向上覆盖7.3μm的范围，这是为了确保总竖直尺寸与普通单模光纤的模场直径(MFD)类似。在此结构中，可以通过分束器树增加在各层中的波导数量，而波导层的数量受到场的MFD的限制。在另一方面，如本文所讨论的，多层结构的制造在需要更多层时将成为挑战。因此，选择制造多少层将是制造复杂性与设备性能之间的权衡。在本公开中，我们还研究了此参数。模拟了两种结构(这两种结构与针对图4A至图4E使用的结构相同，但仅波导层的数量不同)并且结果在图7A至图7E中示出。
在图7A至图7E中，仅绘制了关于竖直角的信息，并且与图6A至图6E类似，图6C至图6E中的蓝色曲线与图4A至图4E中的蓝色曲线和黑色曲线完全相同。如前所述，各阵列元件之间在竖直方向上的相位差始终为0，因此4层结构和8层结构都显示出与原始6层结构类似的远场转向曲线是不足为奇的。然而，在图7D中，可以发现6层结构实际上显示出最佳的FWHM结果：4层结构由于缺乏足够的阵列元件和竖直尺寸而显示出大得多的FWHM；并且8层结构也显示出类似但略高的FWHM。8层结构没有显示出更佳的FWHM的原因可能是由于垂直串扰：垂直串扰在较少层结构中不是问题，但可能在更多层结构中成为问题。在图7C中，竖直角在整个波长范围内变化不大，但整个淡蓝色曲线向正向偏移了一点点，这也可能来自于垂直串扰。这表明6层可能在此结构配置中已经足够了。在另一方面，4层结构也显示出明显的会聚性，尽管FWHM比6层结构更宽。如果在一些应用竖直会聚并不重要，这可能是有帮助的，那么4层结构将显著地降低制造复杂性。
根据本发明的继续教导，应当理解光栅耦合器是最基本的集成光子结构之一。由于其在紧凑型非机械射束转向方面的出色性能，所以引起了极大的研究兴趣。根据本教导，提出了一种新的复合周期光栅耦合器，该新的复合周期光栅耦合器通过组合两个具有不同周期的光栅结构而形成。新的复合周期光栅耦合器结构可以将波导模式耦合到两种具有不同角度的辐射模式中。因此，由于额外的射束，射束转向范围加倍。我们用数值证明了这个想法，在1500nm到1600nm的波长调谐范围内观察到了26.20°的转向范围。还演示了以分布式布拉格反射镜(DBR，distributed Bragg reflector)为基板的复合周期光栅结构，高度抑制了其到基板的能量泄漏。此外，对制造公差的研究显示了可以用当前的CMOS技术制造新结构。
介绍
研究芯片级光学介质中光的产生、处理和探测的新兴集成光子学是现代光学研究中最重要的课题之一。集成光子学中的一个关键课题是光纤与光子芯片之间的光信号耦合。由于光栅耦合器与对接耦合器相比具有更高的耦合效率，与棱镜耦合器和锥形对接耦合器相比制造工艺简单，因此光栅耦合器已经成为有前途的候选者。可以用两步UV(紫外)光刻制造SOI(绝缘体上硅)晶圆上的典型光栅耦合器。
在过去的几十年中已经进行了许多研究，以不同的方式对传统的光栅结构进行改动，以提高光纤到芯片的耦合效率。例如，整个光栅可以被设计成抛物线形状，以将光直接聚焦在波导上。其中，将应用二元周期光栅结构来模拟闪耀光栅(blazed grating)。通过2-D光栅阵列的设计来实现偏振无关性。此外，通过金属层可以增加基板界面的反射率，从而增强耦合的方向性。也可以优化基板的厚度以减轻泄漏的辐射。最近，一项研究报告显示耦合效率可高达93％。
近年来，已经开展一些利用光栅耦合器实现光从光子芯片到自由空间的耦合的研究努力，旨在用从光子芯片产生的射束实现空间扫描。通过设计波导光栅耦合器的阵列，实现了自由空间的2-D扫描。此外，借助光子晶体来控制波导模式的相位分布，可以进一步增强射束转向范围(对于波长调谐转向，以度/nm为单位)，甚至可以消除对真实光栅的要求。
在本公开中，提供了一种设计有复合周期的光栅耦合器的新型结构，以同时产生两个输出耦合射束。新型复合周期光栅耦合器可以同时产生两个不同系列的表面谐波；因此，波导模式中的能量可以耦合到两种不同的辐射模式中。这两种辐射模式都满足光栅衍射方程，因此它们都会响应波长调谐或折射率调谐。因此，在一定的波长调谐范围内，两个射束中的每个射束均表现出与来自传统单周期光栅耦合器的射束范围相当的转向范围，新的复合周期光栅耦合器的射束转向范围与单周期光栅耦合器相比大约加倍。
2.耦合机制
传统的光栅耦合器具有单周期性。在大多数集中于Si基光栅耦合器的研究中，该设备位于SOI(绝缘体上硅)晶圆上。图15显示了典型的基于SOI的光栅耦合器的侧截面，其包含在厚度为2μm的氧化物层顶部上的220nm厚的Si波导。通过两步UV光刻制造此类型的光栅耦合器。首先蚀刻220nm的Si层以形成波导布局；其次，波导被蚀刻70nm以在波导上形成光栅结构。
此光栅耦合器结构的输出耦合角由光栅方程控制，如[2]中所示：
Figure BDA0003825101610000141
其中，Λ是光栅的周期性；θ是输出耦合角；k0是自由空间波数；β0是光栅区域中导引模式的传播常数；以及m是衍射级，在大多数情况下为-1。此方程描述了波导模式与辐射模式之间的相位匹配条件。项k0sinθ是辐射模式的波数在波导方向上的投影。当波导模式的传播常数符合k0sinθ，能量将能够从波导模式耦合到辐射模式。光栅结构使得这成为可能，因为光栅结构会由于光栅区域中折射率的周期性空间波动而产生一系列表面谐波，波导模式的电场分布可以被表示为所有谐波的总和[3]，即：
Figure BDA0003825101610000142
其中，Sm是第m级谐波的振幅，β0是基本波导模式的传播常数，以及Λ是周期性。这里我们将项m(2π/Λ)称为谐波的改变因子。波导模式的传播常数由此因子改变。在典型的光栅耦合器中，这些改变的传播常数之一与特定辐射模式的波数完全匹配，而其他传播常数不满足此相位匹配。因此，波导模式中的能量能够耦合到此辐射模式，并且当光栅数量增加时，耦合效率趋于接近1(unity)。只有一个传播常数满足相位匹配条件的原因是方程1中的项sinθ必须在(-1，1)的范围内。
原则上，如果结构可以产生具有不同周期性的不同系列的表面谐波，那么结构中的电场可以被表示为：
Figure BDA0003825101610000143
在此情况下，有可能不止一个谐波可以满足相位匹配条件。因此，将从该结构中发射出多个输出耦合射束。
在本公开中，提供了光栅结构，其中光栅的配置是两个具有不同周期的光栅的组合。图9显示了结构。我们将25个周期性为720nm的光栅和36个周期性为500nm的光栅组合以形成包络周期性为18000nm的新光栅结构；在这里，我们将两个具有单周期性的光栅命名为分量光栅(component grating)，以及将新结构命名为复合周期光栅。为确保与以往研究的一致性，光栅的厚度为70nm；波导层的厚度为220nm；2μm的SiO2基板层放置在波导层的下方；并且在此项工作中只考虑了复合周期光栅的一个包络周期。两个分量光栅的填充因子为0.5，新的复合周期光栅的填充因子为0.64。Si和SiO2的折射率在1550nm的波长下被分别设置为3.477和1.450。在此项工作中，利用了FDTD(有限差分时域)。将具有TE偏振的正弦脉冲施加到Si波导以进行模拟。
由于两种周期性的结合，波导模式的电场分布变成了两个系列谐波的总和：
Figure BDA0003825101610000151
其中，Λ1＝720nm并且Λ2＝500nm。
因此，波导模式与两种辐射模式同时满足相位匹配条件。第一辐射模式形成具有输出耦合角θ1的射束，该输出耦合角满足：
Figure BDA0003825101610000152
并且第二种辐射方式满足：
Figure BDA0003825101610000153
图10显示了使用远场计算器计算得到的复合周期光栅耦合器在1550nm的波长下的远场角分布。远场图中的强度被自动地归一化并且知道有多少能量分布在此远场图案中，我们能够估计各射束的强度。对于此波长，耦合到空气的能量相对于输入能量的比率为31.60％；输入能量的此比率被分布在这两个射束中。远场角中的正值在图9中为θ1，并且负值为相反的θ2。
如图10中所示，当输入波长在1550nm时，通过复合周期光栅结构产生两个射束；第一射束的远场角为35.67°，归一化强度为0.0324，FWHM(半峰全宽)为5.48°，而第二射束的远场角为-21.38°，归一化强度为0.0375，以及FWHM为4.86°。第一射束由周期性为720nm的谐波产生，以及第二射束由周期性为500nm的谐波产生，分别标记为射束1和射束2。射束2包含稍高的强度和较窄的FWHM，显示出比射束1更佳的性能。这是因为500nm周期光栅比720nm周期光栅多11个光栅。SiO2基板具有比空气更高的折射率，因此56.86％的输入能量耦合到基板，这比耦合到空气的能量(31.60％)多。除了耦合到辐射模式的能量外，4.86％的光被透射；它保持在波导内部传播，因为此结构的光栅数量不足以将所有能量从波导模式中耦合出来。7.15％的输入能量被反射而去到波导的相反方向；这是因为由光栅结构产生的空间波动也形成了弱的DBR(分布式布拉格反射器)结构，从而导致反射。
为了实现固态射束转向，我们在这项工作中利用了波长调谐。图11A显示了复合周期光栅结构的远场角等值线图与波长的关系；我们以10nm的间隔测试了从1300nm到1800nm的波长。
为了与先前的研究一致，分析了1500nm至1600nm波长内的射束转向范围。如图11A中所示，红线表示了两个射束在此波长范围的射束转向范围。射束1从1500nm下的42.59°变化到1600nm下的30.53°，并且仅通过FWHM的微小变化(例如，1500nm下为5.73°，1600nm下为5.79°)来实现12.06°的射束转向范围。射束2从1500nm下的-13.94°变化到1600nm下的-28.08°，并且射束转向范围为14.14°。射束2的FWHM也以可忽略的值变化：在1500nm下为4.50°，而在1600nm下为5.85°。通过将两个射束转向范围相加计算得出总的射束转向范围为26.20°。作为比较，先前对单周期光栅结构的研究在相同的波长调谐范围内实现了14.10°的射束转向范围。在另一方面，复合周期光栅结构产生的两个射束具有12.06°和14.14°的转向范围，它们都与先前工作中的单射束相当。因此，通过使用复合周期性代替单周期性，设备的总射束转向范围大约加倍。
图11A中的黄线表示复合周期光栅结构的总变化范围。选择此范围是因为两个射束的强度都足够高。波长的总范围为1400nm至1750nm。在此范围内，射束1的远场角从60.94°变化到12.48°。当波长小于1400nm时，射束1因为不再满足方程4而逐渐消失。射束1的FWHM在双射束范围内在1400nm处具有最大值7.90°；形成此大FWHM是因为当输出耦合射束具有较大角度时，光栅结构会聚能量变得更加困难。射束1的FWHM的最小值在1630nm下为4.53°，因此可以观察到射束1在总的两个射束范围内会聚。射束2的远场角从1400nm下的1.18°变化到1750nm下的-58.02°，并且整个转向范围为59.20°，比射束1高了10.74°。这是因为射束2是由具有周期性为500nm的表面谐波产生的，而射束1的表面谐波具有720nm的周期性。因此，根据方程4和方程5，远场角对射束2的波长的灵敏度高于射束1。射束2的FWHM在1750nm下的最大值为8.67°，在1410nm下的最小值为4.07°。
综上所述，从1400nm至1750nm，射束1覆盖了从60.94°至12.48°的角度，射束2覆盖了从1.18°至-58.02°的角度；通过350nm的波长调谐范围(1400nm至1750nm)实现了107.66°的总转向范围。此外，也可以以两种方式覆盖从1.18°至12.48°的中心角范围：一种方式是利用波长比1750nm更高的射束1，另一种方式是利用波长比1400nm更低的射束2。
两个射束的归一化强度由图11(a)中通过远场计算器计算得出的颜色图示出。图11(b)显示了整个系统的能量流，其中红线是耦合到空气的能量，并且显示了根据波长在两个射束中分布了多少能量；蓝线是耦合到SiO2基板的能量，该能量比在整个范围内空气的能量更高；粉线显示了透射；以及黑线显示了反射。
在图11A中，两个射束在1610nm附近的波长都是弱的，以及图11B显示在此波长处出现了显著的反射峰，其中分别在1610nm和1620nm下反射了59.29％和58.61％的能量。这可能是因为周期性为720nm和500nm的两个表面谐波都形成了弱DBR结构，并且它们都在此波长处显示出高反射，从而导致在1610nm和1620nm的波长下有特别高的反射峰。在另一方面，在1620nm波长下耦合到空气的能量的最低值为9.00％，而在双射束范围内空气的最高能量在1470nm下为34.30％；因此，耦合到空气的最低能量(9.00％)是最高能量(34.30％)的26.24％。考虑到在1620nm的波长下的两个射束近似均匀地共享能量，我们估计在此波长下的两个射束的强度仍然足以被探测到。从图11还可以观察到，当波长接近1300nm或1800nm时，两个射束中的一个射束逐渐消失，从而导致耦合到空气的能量减少。当空气的能量下降时，能量的减少部分要么耦合到基板，要么保持在波导模式中。综上所述，可以得出的结论是，复合周期光栅结构在整个双射束范围内具有良好的性能。
3.具有DBR基板的复合周期光栅结构
具有SiO2基板的光栅耦合器的一个严重问题是当能量从波导模式耦合到空气时，能量泄漏到基板可以达到50％以上。此问题的原因是SiO2基板的折射率高于1，因此能量更容易耦合到基板而不是空气。从图11(b)可以观察到有相当数量的能量耦合到基板。当光栅耦合器被用于光纤到芯片的耦合时也会出现此问题，解决此问题的一种可能方案是在基板处使用金属层来抑制能量泄漏。在这项工作中，我们利用DBR(分布式布拉格反射器)结构作为基板来实现能量泄漏抑制并保持设备仅是Si基的。图12展示了具有DBR基板的复合周期光栅结构。
在这项工作中，选择Si和SiO2以创建中心波长为1550nm的DBR结构。Si和SiO2层的厚度被分别设置为111.45nm和267.24nm。在这项工作中应用了十对Si/SiO2堆叠体。为了制造此设备，将需要更复杂的程序。首先，将制造具有十对堆叠体的DBR。然后，将SOI晶圆的顶表面结合到DBR层，并且通过干法刻蚀去除被掩埋的氧化物层和基板Si层。最终，将光栅耦合器结构制造在左Si层上。此复杂的过程将确保光栅耦合器是由单晶Si层制成的。
图13显示了此结构的远场角等值线图和能量流图。从图13A，可以观察到总的两个射束范围减小，两个射束的射束转向范围总共为73.70°。红色箭头表示在1500nm至1600nm的波长内的26.67°的射束转向范围与SiO2基板结构类似。
从图13B，可以看出DBR基板结构的最重要的优势，即在整个双射束范围内抑制了到基板的能量泄漏。DBR结构是典型的1-D光子晶体，因此波导模式中的能量几乎不可能耦合到基板的辐射模式。在此情况下，耦合到空气的两个射束的强度增强。从图13B可以注意到，随着波长变大，光栅耦合器显示出将能量从波导模式耦合到辐射模式的能力降低；可以通过增加光栅耦合器的周期数量来解决此问题。在这项工作中，复合周期光栅包含25个720nm周期性光栅和36个500nm周期性光栅，作为结果，当波长大于1590nm时，透射能量达到50％以上。
综上所述，具有DBR基板的复合周期光栅结构显示出极低的能量泄漏，而由于在较长波长中增强的波导模式，总的射束转向范围也受到了抑制。这使我们有可能根据设备的实际应用在射束强度与射束转向范围之间进行权衡。
4.制造公差
在这项工作中，将两个分量光栅组合在一起形成了复合周期光栅结构。然而，复合周期光栅结构包含几个宽度极小的间隙。最小的间隙的宽度为10nm，且考虑到光栅的深度为70nm，此间隙的纵横比为7；此高纵横比和小特征尺寸的结构难以使用CMOS处理技术来制造。在另一方面，波导模式与辐射模式之间的耦合是通过表面谐波来实现的，因此，大量光栅中部分光栅的消失将会削弱表面谐波，但不会消除表面谐波。
因此，我们可以预测，如果无法制造某些窄间隙，则设备的整体性能将不会发生太大变化。图14展示了在某些间隙无法制造的情况下结构是什么样子。
图15显示了当某些间隙不能被制造时的远场等值线图和能量流图。在此结果中考虑了传统的SiO2基板结构。在这里，我们测试了所有宽度低于100nm的间隙，因为原则上可以用当前的COMS处理技术制造宽度为100nm和深度为70nm的间隙。
在图15A中，可以观察到射束1的远场角在可以制造所有间隙时为35.67°，并且当无法制造100nm以下的所有间隙时，远场角变化为36.57°。因为当气隙被Si代替时总有效折射率也增加了，所以远场角略有增加。射束1的FWHM几乎没有变化。射束2具有与射束1相同的趋势：图15A中的远场角从-21.38°变化到-20.42°。
图15B显示了结果的能量流图。可以观察到，所有的线都近似平坦；空气的能量从31.60％变化到28.97％，差异可以忽略不计。因此，可以得出的结论是，复合周期光栅结构具有不苛刻的制造公差。
5.结论
根据本教导，已显示出并且数值化地演示了复合周期光栅结构。利用此设计，传统的光栅耦合器可以修改以同时产生两个输出耦合射束，并且由于额外的射束，设备的射束转向范围加倍。在100nm的波长调谐范围内(1500nm至1600nm)实现了26.20°的总射束转向范围。此外，通过优化和结合其他研究，诸如使用光子晶体作为波导，可以潜在地改善此结果。此外，DBR基板结构研究显示出增强的射束强度，同时略微抑制了转向范围。显示了在射束强度与射束转向范围之间存在权衡。考虑到成本效率，研究了复合周期光栅结构的制造公差，结果显示即使无法制造100nm以下的所有间隙，此结构仍能保持良好的性能。因此，复合周期光栅结构对于许多应用(诸如电信和传感)具有巨大的潜力，特别是对于固态LIDAR技术亦如此。
根据本发明的继续教导，OPA基于干涉机制。如果相位在所有阵列元件中均匀地分布，则可以通过相长干涉向上形成射束，如图16中的辐射射束所示。然而，在单层设备中，基板也是均匀的材料，因此OPA将形成另一向下的射束，如图16中的泄漏射束所示。不幸的是，这部分光最终将会被浪费掉。根据模拟结果，在SiO2基板上的Si波导的情况下，泄漏射束造成的效率损失可以高达60％，因此导致效率低于40％。
为了克服此问题，可以将OPA布置为仅面向均匀材料的一个方向。根据本教导，提供端射式OPA结构来实现这一点。在此结构中，OPA形成在设备的侧部上。在此情况下，OPA面向的方向是空气，可以照常形成发射射束；而OPA的后向方向是一系列波导，介质是不均匀的，因此抑制了泄漏射束。
施加多层结构来实现此配置。高折射率材料均匀地分布以形成周期性相位元件(参见图17)。结构的模拟窗口如图所示。由周期性Si3N4/SiO2堆叠体形成多层结构。光将在Si3N4层中传播(我们在模拟中以6层为例)，并在端部处形成1-D周期性相位阵列，从而将形成在竖直方向上会聚的扇形射束(参见图18)。
为了在水平方向上会聚射束，利用了延迟线配置(参见图19)。首先仅使用一层波导来模拟此配置。发射射束将水平地会聚。通过添加蚀刻所有的Si3N4层成为相同的延迟线结构，可以在侧部上形成2-D OPA(参见图20和图21)。
因此回想一下，在此结构中，2-D OPA形成在设备的侧壁上。OPA面向空气并将产生2-D会聚的射束，并且OPA的后向方向为一系列波导，介质是不均匀的，因此高度抑制了后向发射。根据模拟结果，整个设备的发射效率在1500nm至1600nm的整个波长范围内可以达到约70％。与向上发射射束的单层OPA相比，效率可以提高75％(假设单层OPA的效率为40％)。
可以通过波长调谐和热调谐相结合来实现此设备的射束转向。
1.延迟线结构应用于所有Si3N4层上，它对波长调谐很敏感。因此，波长调谐将在水平方向上使射束转向。另外，与波导光栅耦合器设备不同，可以自由选择此结构的延迟长度，我们实际上可以选择度数/波长的灵敏度。作为示例，我们在此模拟中选择延迟长度为2.7um，并获得0.3度/1nm的转向灵敏度。该表显示了针对此模拟在水平(x)方向上的数据。
2.射束的竖直会聚是通过周期性分布的多层实现的，该多层对波长调谐不敏感。实际上，y上的角度在整个100nm波长范围内仅变化0.034度。所以我们可以使用热调谐来使射束竖直地转向。通过在表面上制造金属加热器，我们可以从顶部加热设备。在此情况下，将在竖直方向上产生温度梯度，从而使射束竖直地转向。
在此结构中的层的数量受到光源可以覆盖的大小的限制。因此，可能难以在竖直(y)方向上获得真正低的FWHM。一种可能的解决方案是在竖直方向上使用准周期层结构。如图22中所示，A＝Si3N4，B＝SiO2。即使使用相同数量的Si3N4层(在此模拟中为6层)，准周期结构也可以产生比普通周期结构更低的FWHM(参见图23)。同时，波长灵敏度保持相同。
为了展示和描述的目的，已经提供了实施方案的前述描述。并不旨在穷举或限制本公开。特定实施方案的各个元件或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适用的情况下是可互换的，并且即使未具体显示或描述，也可以用于所选择的实施方案。同样也可以以许多方式变化。这样的变体不应被认为是脱离本公开，并且所有这样的修改旨在包括在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种射束转向设备，所述射束转向设备包括：
具有多个层的结构，所述多个层具有交替的第一材料层和第二材料层，所述第一材料层和所述第二材料层被配置成形成3D OPA以高效率地从所述结构的边缘发射光并且从所述结构的长形端部输出2D会聚的输出耦合射束，所述结构具有Ω形的延迟线。
2.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述第一材料层中的各第一材料层具有800nm的厚度，并且所述第二材料层中的各第二材料层具有500nm的厚度、被所述第一材料层夹在中间。
3.根据权利要求2所述的射束转向设备，其中，各波导的中心之间的间距约为2μm。
4.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述第一材料层中的各第一材料层具有约800nm或更小的厚度。
5.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述第二材料层中的各第二材料层具有500nm或更小的厚度、设置在所述第一材料层之间。
6.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述结构包含抗反射材料。
7.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述结构包括在输入端处的对接耦合。
8.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述结构包括热加热器，所述热加热器用于将热梯度施加到所述结构的至少一部分。
9.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述结构的所述多个层包括准周期配置。
10.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述第一材料是Si3N4，以及所述第二材料是SiO2。
11.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述第一材料是Si，以及所述第二材料是SiO2。
12.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述第一材料是Si，以及所述第二材料是Si3N4。
13.一种射束转向设备，所述射束转向设备包括：
具有多个层的结构，所述多个层具有交替的Si3N4层和SiO2层，所述Si3N4层和所述SiO2层被配置成形成3D OPA以高效率地从所述结构的边缘发射光并且从所述结构的端部输出2D会聚的输出耦合射束，所述结构具有Ω形的延迟线。
14.根据权利要求13所述的射束转向设备，其中，所述Si3N4层中的各Si3N4层具有800nm的厚度，并且所述SiO2层中的各SiO2层具有500nm的厚度、被所述Si3N4层夹在中间。
15.根据权利要求14所述的射束转向设备，其中，各波导的中心之间的间距约为2μm。
16.根据权利要求13所述的射束转向设备，其中，所述Si3N4层中的各Si3N4层具有约800nm或更小的厚度。
17.根据权利要求13所述的射束转向设备，其中，所述SiO2层中的各SiO2层具有500nm或更小的厚度、设置在所述Si3N4层之间。
18.根据权利要求13所述的射束转向设备，其中，所述结构包括SiO2抗反射件。
19.一种射束转向设备，所述射束转向设备包括：
基板；以及
具有光栅结构的波导，所述光栅结构具有多个光栅，所述多个光栅中的第一光栅具有与所述多个光栅中的第二光栅不同的周期性以形成复合周期性。
20.根据权利要求19所述的射束转向设备，其中，所述多个光栅中的所述第一光栅包括第一周期性，并且所述多个光栅中的所述第二光栅包括与所述第一周期性不同的第二周期性，所述第一周期性和所述第二周期性一起形成与所述第一周期性和所述第二周期性不同的包络周期性。
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