CN115903109A - 一种基于lnoi材料的窄波束光学相控阵输出光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅。本发明由下至上包括支撑衬底层(1)、绝缘层(2)、LN波导层(3)和上包层(4)；所述LN波导层(3)由输入波导(5)、周期光栅波导(6)组成；当光以TE模式经输入波导(5)输入时，其在周期光栅波导(6)被耦合到自由空间，在远场形成特定角度的窄扫描光束。并在远场形成特定角度窄波束的扫描光束，适用于大孔径高精度的硅基光学相控阵天线阵列。
Description
技术领域
本发明属于光通信领域，具体涉及一种基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅。
背景技术
自由空间光通信技术结合了无线电通信和光纤通信的优点，以激光为载波进行通信，在大气信道中直接完成信息的双向传送。其覆盖了光、机、电等多个领域，具有速率较高，频带较宽，链路部署快速，频谱资源丰富等优势。但是收发端对准的条件较为严苛，为了保证光传输链路的性能，光链路之间的捕获、跟踪、瞄准技术尤为重要，目前一般采用的偏光法和动态跟踪法会存在接收端功率降低和设备成本高等种种问题。并且传统的机械式光束偏转技术不能满足空间激光通信中对重量、体积和功耗的要求。
随着激光技术的进步，激光相控阵等新技术逐渐发展，将其应用于空间激光通信技术的捕获、瞄准、跟踪系统中，使传统跟瞄方式发生改变，可极大的提高空间光通信系统的精度、速度及可靠性。基于光波导技术的光学相控阵技术为跟瞄系统向小型化、轻型化、集成化发展提供了可能。
铌酸锂是最广泛使用的光电材料之一，其电光特性出众，基于铌酸锂制备的电光调制器是现代光纤通信技术的支柱。并且其透明窗口范围、光学损耗、非线性性能、高速电光调制性能和压电性能等方面相较硅有很大的优势。从1990年铌酸锂晶体产业化以来，人们就尝试使用质子交换等技术来制备光波导，但是由于当时绝缘体上薄膜未开发成功，其集成光子学的巨大应用潜力并未被发掘。而近几年出现的绝缘体上铌酸锂薄膜材料(Lithium Niobate-on-insulator，LNOI)彻底改变了这一状况。2017年，结合微纳刻蚀工艺，超低损耗(0.027dB/cm)和高光学限制的铌酸锂波导在LNOI平台被研发，开启了铌酸锂在集成光子学、微波光子学等领域应用大门。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅，完善小型化、集成化、低功耗的全固态光束偏转技术，面向空间光通信的应用需求开展光学相控阵研究，在远场形成特定角度窄波束的扫描光束。
一种基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅，由下至上包括支撑衬底层(1)、绝缘层(2)、LN波导层(3)和上包层(4)；
所述LN波导层(3)由输入波导(5)、周期光栅波导(6)组成；当光以TE模式经输入波导(5)输入时，其在周期光栅波导(6)被耦合到自由空间，在远场形成特定角度的窄扫描光束。
所述支撑衬底层(1)为硅层，厚度为300～800μm；
所述绝缘层(2)为二氧化硅层，厚度为2～3μm，用于防止光泄露至所述支撑衬底层中；
所述LN波导层(3)选用铌酸锂材料，厚度为600nm，波导宽度为1.2μm，o光折射率为2.211，e光折射率为2.138；
所述上包层(4)为二氧化硅层，厚度为2μm。
进一步的，本发明采用二次浅刻蚀结构(7)，浅刻蚀结构的周期长度为0.9μm，占空比为0.5，能够有效避免远场旁瓣。
在本发明中，输入的TE模式光经过周期浅刻蚀的光栅结构，被耦合到自由空间，形成特定角度的扫描光束。通过对两次浅刻蚀深度的模拟仿真，选取合适的参数，实现波束收窄和损耗降低。
本发明具有的有益的效果是：
(1)基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅可以将输入的TE模式光耦合到自由空间中，并在远场形成特定角度窄波束的扫描光束。
(2)LNOI材料具有较好的电光特性，利用LNOI材料具有很低的损耗。
(3)利用二次浅刻蚀结构，具有特定发射角度且低损耗，从而达到大孔径、窄波束的效果。
(4)达到了小型化、集成化、低功耗的效果，更有利于光学相控阵研究的进展。
附图说明
图1给出了本发明基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅的结构示意图；
图2给出了基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅的周期光栅波导结构示意图；
图3给出了基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅的周期光栅波导俯视图；
图4给出了基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅的周期光栅波导侧视图；
图5给出了基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅的周期光栅波导未刻蚀部分剖视图；
图6给出了基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅的周期光栅波导刻蚀部分剖视图；
图7给出了基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅的扫描角度与光波长关系曲线；
图8给出了基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅的远场仿真图像。
图中：1、衬底，2、缓冲层，3、LiNbO3波导结构，4、上包层，5、输入波导，6、周期光栅波导，7、浅刻蚀结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅，选用基于绝缘体上铌酸锂薄膜(Lithium Niobate-on-insulator，LNOI)材料的纳米线波导，其芯层为铌酸锂材料；能够将输入的TE模式光耦合至自由空间中，形成特定扫描角度的窄光束。利用浅刻蚀结构减少传输损耗，从而可以设计更长的输出光栅结构，实现大孔径设计；而在理论上，更大的相对孔径意味着更窄的输出波束，从而能够提高扫描精度和准确度。
如表1所示为与相关基于SOI的光学相控阵输出光栅波束角大小对比。
表1.与基于SOI的光学相控阵输出光栅波束角大小对比
其中参考文献1为HUTCHISON D N,SUN J,DOYLEND J K,et al.High-resolutionaliasing-free optical beam steering[J].Optica,2016,3(8):887-90，参考文献2为XUH,SHI Y.Diffraction engineering for silicon waveguide grating antenna byharnessing bound state in the continuum[J].Nanophotonics,2020,9(6):1439-46。
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：
如图1所示，本发明提供一种基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅，其中：本发明的LNOI结构自下至上包括支撑衬底层1、绝缘层2、LN波导层3和上包层4；
本发明提出的基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅，由SiO2衬底、LiNO3周期光栅波导、SiO2包层、自由空间耦合区域组成；其中自由空间耦合区域位于其余结构之上。
进一步，本发明的支撑衬底层1为硅层，厚度一般为300～800μm，主要提供支撑作用；本发明的绝缘层2选用二氧化硅层，厚度为2μm，阻止光泄漏到支撑衬底层1；本发明的LN波导层3选用铌酸锂材料，厚度为600nm，波导宽度为1.2μm，o光折射率为2.211，e光折射率为2.138；本发明的上包层4选用二氧化硅层，厚度为2μm，和绝缘层2一样与LN波导层3形成较大的折射率差，对光进行限制作用。
如图2、图3、图4中所示的周期光栅波导6，为对图1中的LN波导层3顶部进行二次浅刻蚀得到的结构；二次浅刻蚀结构7的刻蚀深度均为100nm，使得传输损耗降低，从而实现大孔径设计，达到窄波束目的。浅刻蚀结构的周期长度为0.9μm，占空比为0.5，能够有效避免远场旁瓣。
如图5、图6所示的为周期光栅波导6在非浅刻蚀部分与浅刻蚀部分的截面图，在侧面进行浅刻蚀，能够减少光在横向的辐射，降低传输损耗，从而实现大孔径设计，达到窄波束目的。
如图7、图8所示的为周期光栅波导长度为1mm时的仿真结果；图7展示了扫描角度与光波长的关系曲线，而图8展示了输入光波长为1.55μm时的远场波束角，其中3dB波束角仅为0.094°。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅，其特征在于：由下至上包括支撑衬底层(1)、绝缘层(2)、LN波导层(3)和上包层(4)；
所述LN波导层(3)由输入波导(5)、周期光栅波导(6)组成；当光以TE模式经输入波导(5)输入时，其在周期光栅波导(6)被耦合到自由空间，在远场形成特定角度的窄扫描光束。
2.根据权利要求1所述的一种基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅，其特征在于：
所述支撑衬底层(1)为硅层，厚度为300～800μm；
所述绝缘层(2)为二氧化硅层，厚度为2～3μm，用于防止光泄露至所述支撑衬底层中；
所述LN波导层(3)选用铌酸锂材料，厚度为600nm，波导宽度为1.2μm，o光折射率为2.211，e光折射率为2.138；
所述上包层(4)为二氧化硅层，厚度为2μm。
3.根据权利要求1或2所述一种基于LNOI材料的窄波束光学相控阵输出光栅，其特征在于：采用二次浅刻蚀结构(7)，浅刻蚀结构的周期长度为0.9μm，占空比为0.5，能够有效避免远场旁瓣。
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