CN117148500A - 一种光栅天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光栅天线，包括：波导；槽结构，向内设于所述波导的表面上，并沿光的传输方向周期设置；光栅结构，向外设于所述波导的两侧上，并沿光的传输方向对称周期设置；所述槽结构的周期尺寸与所述光栅结构的周期尺寸一致，且所述槽结构与所述光栅结构在光的传输方向上具有一定的相对位移偏量，所述槽结构产生的辐射光场的强度与所述光栅结构产生的辐射光场的强度相当。本发明能实现光栅天线自由空间高效率的单向辐射特性，且光栅天线的辐射效率随波长在目标波长域内不会产生振荡。
Description
技术领域
本发明涉及光子集成电路工艺技术领域，尤其涉及一种高效率单向辐射光栅天线。
背景技术
光栅天线是实现光子集成电路波导中导波场与自由空间辐射场以及光纤模场间耦合的重要基本单元，其通常是通过波导上表面或者侧壁的周期性调制构成。然而，在传统的绝缘体上硅（SOI）结构中，由于缺少地板，从波导中周期性泄露的光场将同时向自由空间侧以及基底侧辐射，导致自由空间侧的辐射效率较低。在未采取任何特殊设计的波导光栅天线中，自由空间侧的辐射效率典型值小于50%。因此，在基于成熟的SOI平台以及加工条件下，如何设计光栅天线以实现自由空间侧高辐射效率（即单向辐射）是当前需要解决的技术问题。
一般可以通过设计波导结构浅刻蚀光栅来改善辐射效率，但是作用比较有限。现有方案的高效率光栅天线主要是采用多层光栅结构，并且需要根据要求对每一层的波导结构进行设计。其中，对于采用浅刻蚀光栅的方案，其自身缺陷为：辐射效率提升有限，并且由于基底分界面反射波的干涉效应，天线效率将随波长震荡。对于采用多层光栅结构的方案，其带来的缺陷为：需要定制晶圆结构，导致工艺较复杂，且存在多层结构间的对齐问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种光栅天线。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种光栅天线，包括：
波导；
槽结构，向内设于所述波导的表面上，并沿光的传输方向周期设置；
光栅结构，向外设于所述波导的两侧上，并沿光的传输方向对称周期设置；
所述槽结构的周期尺寸与所述光栅结构的周期尺寸一致，且所述槽结构与所述光栅结构在光的传输方向上具有一定的相对位移偏量，所述槽结构产生的辐射光场的强度与所述光栅结构产生的辐射光场的强度相当。
进一步地，所述槽结构相对于所述光栅结构在面向光的传输方向上具有超前的一定位移偏量。
进一步地，所述槽结构的中心相对于所述光栅结构的中心在面向光的传输方向上具有超前的一定位移偏量。
进一步地，所述波导包括条形波导；和/或，所述槽结构的形状包括长方形、正方形、圆形或椭圆形；和/或，所述光栅结构的形状包括长方形、正方形、圆形或椭圆形。
进一步地，所述槽结构在所述波导中的深度小于或等于所述波导在同方向上的高度；和/或，所述光栅结构的高度小于或等于所述波导在同方向上的高度，且所述光栅结构的底面与所述波导的底面平齐。
进一步地，所述光栅天线包裹于介质包层中，所述包层设于衬底的表面上。
进一步地，所述光栅天线材料包括硅、氮化硅、氮氧化硅、铌酸锂、磷化铟、氧化铝或聚合物；和/或，所述光栅天线材料的折射率高于所述包层材料的折射率。
进一步地，所述光栅天线设于SOI衬底上，所述SOI衬底依次设有衬底硅层、埋氧层和顶层硅层，所述光栅天线通过所述顶层硅层形成，所述埋氧层形成所述光栅天线的下包层，所述埋氧层的表面上设有上包层，所述上包层将所述光栅天线覆盖，并与作为所述下包层的所述埋氧层共同形成包裹所述光栅天线的包层。
进一步地，通过控制所述槽结构和所述光栅结构在所述波导表面所在平面上的投影尺寸，使得所述槽结构产生的辐射光场的强度与所述光栅结构产生的辐射光场的强度相当。
进一步地，所述波导的宽度为0.4μm，高度为0.22μm；所述槽结构的长度为0.13μm，宽度为0.13μm，深度为70nm；每侧的所述光栅结构的长度为0.375μm，宽度为0.2μm，高度为70nm；所述槽结构的周期尺寸和所述光栅结构的周期尺寸为750nm，且两者间的相对位移偏量为200nm；所述光栅天线的长度为20μm。
由上述技术方案可以看出，本发明通过在波导的表面上沿光的传输方向设置周期性的槽结构，并在波导的两侧上沿光的传输方向对称设置周期性的光栅结构，同时使槽结构的周期尺寸与光栅结构的周期尺寸一致，且使槽结构与光栅结构在光的传输方向上具有一定的相对位移偏量，以及使所述槽结构产生的辐射光场的强度与所述光栅结构产生的辐射光场的强度相当，因而能够使得基底侧的辐射光场干涉相消，而在上半空间的辐射光场干涉相长，从而实现了光栅天线自由空间高效率（大于95%）的单向辐射特性。并且，由于几乎不存在泄露到基底的光场，因此光栅天线的辐射效率随波长在目标波长域内（1500-1600nm）不会产生振荡。而且，光栅天线可采用常规SOI结构以及标准的流片工艺来制作，不需要多层结构来实现相类似的功能，从而简化了工艺。因此，本发明有效解决了现有技术存在的传统光栅天线自由空间侧辐射效率低，光栅天线效率随波长振荡，光栅天线存在多层结构、工艺复杂的问题。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例的一种光栅天线的平面结构示意图。
图2为本发明一较佳实施例的一种光栅天线的横截面结构示意图。
图3为本发明一较佳实施例的一种光栅天线工作时的电场分布示意图；图中横坐标和纵坐标分别对应空间直角坐标系的x轴和z轴，坐标单位为（m）（×10^-6）。
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作出创造性劳动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。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
参考图1。本发明的一种光栅天线，包括：波导101，槽结构102，和光栅结构103。
其中，槽结构102为多个；槽结构102设于波导101的表面（图1所示的波导101面向图面的表面）上，并向内进入波导101中。各槽结构102之间在沿光的传输方向（图1所示的空间直角坐标系的x轴向，即沿波导101的左端向右端的方向）上，在波导101的表面上呈间隔距离一致的周期性设置。并且，各槽结构102的中心连线与波导101沿光的传输方向上的轴线相平行，且各槽结构102的中心连线在图1所示的波导101表面上的投影，与波导101沿光的传输方向上的轴线在波导101表面上的投影相重合。槽结构102在波导101的表面上形成封闭的槽的侧壁，即所有的槽结构102在波导101表面上的投影都位于波导101的表面以内的区域上。
光栅结构103为两组，两组光栅结构103中都包含数量相同的多个光栅结构103。两组光栅结构103分设于波导101沿光的传输方向上的轴线两侧的波导101侧面（面对图1所示的空间直角坐标系的y轴向的两个波导101侧面）上，并朝向波导101侧面以外方向设置。两组光栅结构103中的各光栅结构103在波导101两侧上呈间隔距离一致的对称的周期性设置，即两组光栅结构103中的各光栅结构103在波导101的两侧成对设置，且任意两对相邻的光栅结构103之间的间距相同。光栅结构103连接在波导101的侧面上与波导101成为一体。槽结构102的数量与光栅结构103的对数相对应。
光栅天线在沿光的传输方向上的长度L可根据设计需要进行设定，图1所示的槽结构102和光栅结构103的数量仅为示例，并非是对槽结构102和光栅结构103数量的限制。
每两个相邻的槽结构102的中心之间距离形成槽结构102的周期尺寸；每组光栅结构103中的每两个相邻的光栅结构103的中心之间距离（每两对相邻的光栅结构103的中心之间距离）形成光栅结构103的周期尺寸。槽结构102的周期尺寸与光栅结构103的周期尺寸一致，以相同的周期p表示二者具有相同的周期尺寸。
并且，槽结构102与光栅结构103在光的传输方向上具有一定的相对位移偏量s，即每一个槽结构102与对应的一个光栅结构103（一对光栅结构103）之间，在光的传输方向上的相对位置具有一定的前后错位。
本发明的一种光栅天线，当光由例如图1所示的波导101的左端进入波导101向右端传输时，光在传输到槽结构102中时产生的辐射光场的强度与光在传输到光栅结构103中时产生的辐射光场的强度将相当（相一致）。
参考图1。在一些实施例中，槽结构102相对于光栅结构103在面向光的传输方向上，即在朝向波导101左端的方向上具有超前的一定位移偏量s。
进一步地，槽结构102的中心相对于光栅结构103的中心在面向光的传输方向上具有超前的一定位移偏量s。
在一些实施例中，波导101包括条形波导101，如图1所示自左向右走向的条形波导101。
在一些实施例中，沿作为光栅天线中心的波导101表面分布的周期性槽结构102的平面形状包括长方形、正方形、圆形或椭圆形，且尺寸可变。
在一些实施例中，沿中心波导101两侧分布的周期性光栅结构103的平面形状包括长方形、正方形、圆形或椭圆形，且尺寸可变。
参考图2和图1。图2可视作为在图1中任意一个槽结构102处对波导101进行沿y轴向的切断所形成的光栅天线的横截面轮廓。在一些实施例中，槽结构102在波导101中的深度h2（即槽结构102在图2所示的空间直角坐标系的z轴向（图2与图1建立在同一个空间直角坐标系中）上的高度）小于或等于波导101在同方向上的高度h。
在一些实施例中，光栅结构103的高度h1小于或等于波导101在同方向上的高度h，且光栅结构103的底面（图2所示的下表面）与波导101的底面平齐。
在一些实施例中，光栅天线包裹于介质包层104中，包层104设于衬底105的表面上。包层104还形成对槽结构102的完全填充，以及对各光栅结构103之间空隙的完全填充。
在一些实施例中，波导101和光栅结构103采用相同材料制作形成。
在一些实施例中，光栅天线材料的折射率高于包层104材料的折射率。
在一些实施例中，光栅天线材料包括硅、氮化硅、氮氧化硅、铌酸锂、磷化铟、氧化铝或聚合物。包层104材料可以是二氧化硅；衬底105可以是硅衬底105。
在一些实施例中，光栅天线设于SOI衬底上；SOI衬底依次设有作为硅衬底105的衬底硅层、埋氧层和顶层硅层。光栅天线（波导101、槽结构102和光栅结构103）通过顶层硅层制作形成，埋氧层形成光栅天线的下包层；埋氧层的表面上设有上包层，上包层将光栅天线覆盖，并与作为下包层的埋氧层共同形成包裹光栅天线的包层104。
在一些实施例中，通过控制槽结构102和光栅结构103在波导101表面所在平面上的投影尺寸，使得槽结构102产生的辐射光场的强度与光栅结构103产生的辐射光场的强度相当。
参考图1-图2。以波导101为条形硅波导101，槽结构102和光栅结构103为矩形结构为例，波导101具有沿x轴向的长度，沿y轴向的宽度w，和沿z轴向的高度h；槽结构102具有沿x轴向的长度a1，沿y轴向的宽度b1，和沿z轴向的深度（高度）h2；光栅结构103具有沿x轴向的长度a，沿y轴向的宽度b，和沿z轴向的高度h1；槽结构102与光栅结构103具有相同的周期p；光栅天线具有沿x轴向的长度L。光由图1所示的左侧进入波导101的左端，并沿波导101向右端侧传输（即沿x轴向传输）。周期性槽结构102面向光的传输方向超前周期性光栅结构103一定的位移偏量s。
光先在中心硅波导101中传输，首先进入周期分布的槽结构102区域；此时，光场向自由空间和衬底105（基底）两侧进行辐射。然后，光继续在波导101中传输，进入两侧具有周期分布的光栅结构103的区域，该光栅结构103将同样辐射光场至自由空间和衬底105。通过控制上述参数a1、b1、a、b的值，使得两个辐射光场的强度相当。由于周期性槽结构102与周期性光栅结构103之间在导波方向上具有一定的位移偏量s，能够使得衬底105侧的辐射光场干涉相消，而在上半空间的辐射光场干涉相长，从而使本发明的光栅天线产生高效率的单向辐射特性。
在一个实例中，波导101工作在例如TE基模模式。波导101的宽度w为0.4μm，高度h为0.22μm；槽结构102的长度a1为0.13μm，宽度b1为0.13μm，深度h2为70nm；每侧的光栅结构103的长度a为0.375μm，宽度b为0.2μm，高度h1为70nm；槽结构102与光栅结构103的周期p尺寸均为750nm，且两者间的相对位移偏量s为200nm；光栅天线的长度L为20μm。
参考图3，其为上述本发明的一种光栅天线器件实例工作时在如图1-图2的空间直角坐标系中x-z面的电场分布图。从光栅天线辐射的光场大部分在上半空间干涉产生自由空间定向波束，而仅有极少的能量泄露到下方的基底（衬底105）侧，因此实现了很好的高效率单向辐射特性，其1500nm波长处自由空间侧的辐射效率大于95%，且在宽带范围内均有效。
可以理解，波导101的宽度w及厚度（高度h）可变，使得波导101支持单模工作即可。并且，光栅天线器件的工作模式不局限于TE，也可以设计为TM模工作模式。
沿中心波导101表面分布的周期性槽结构102，可以采取浅刻蚀、深刻蚀、全刻蚀形式制作形成。
沿中心波导101两侧分布的周期性光栅结构103，可以采取浅刻蚀、深刻蚀、全刻蚀形式制作形成。
周期性分布的槽结构102以及周期性光栅的周期p相等，且可以根据远场辐射角的需求进行调整。
综上，本发明通过在波导101的表面上沿光的传输方向设置周期性的槽结构102，并在波导101的两侧上沿光的传输方向对称设置周期性的光栅结构103，同时使槽结构102的周期尺寸与光栅结构103的周期尺寸一致，且使槽结构102与光栅结构103在光的传输方向上具有一定的相对位移偏量，以及使槽结构102产生的辐射光场的强度与光栅结构103产生的辐射光场的强度相当，因而能够使得基底侧的辐射光场干涉相消，而在上半空间的辐射光场干涉相长，从而实现了光栅天线自由空间高效率（大于95%）的单向辐射特性。并且，由于几乎不存在泄露到基底的光场，因此光栅天线的辐射效率随波长在目标波长域内（1500-1600nm）不会产生振荡。而且，光栅天线可采用常规SOI结构以及标准的流片工艺来制作，不需要多层结构来实现相类似的功能，从而简化了工艺。因此，本发明有效解决了现有技术存在的传统光栅天线自由空间侧辐射效率低，光栅天线效率随波长振荡，光栅天线存在多层结构、工艺复杂的问题。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。
Claims (10)
1.一种光栅天线，其特征在于，包括：
波导；
槽结构，向内设于所述波导的表面上，并沿光的传输方向周期设置；
光栅结构，向外设于所述波导的两侧上，并沿光的传输方向对称周期设置；
所述槽结构的周期尺寸与所述光栅结构的周期尺寸一致，且所述槽结构与所述光栅结构在光的传输方向上具有一定的相对位移偏量，所述槽结构产生的辐射光场的强度与所述光栅结构产生的辐射光场的强度相当。
2.根据权利要求1所述的光栅天线，其特征在于，所述槽结构相对于所述光栅结构在面向光的传输方向上具有超前的一定位移偏量。
3.根据权利要求1所述的光栅天线，其特征在于，所述槽结构的中心相对于所述光栅结构的中心在面向光的传输方向上具有超前的一定位移偏量。
4.根据权利要求1所述的光栅天线，其特征在于，所述波导包括条形波导；和/或，所述槽结构的形状包括长方形、正方形、圆形或椭圆形；和/或，所述光栅结构的形状包括长方形、正方形、圆形或椭圆形。
5.根据权利要求1所述的光栅天线，其特征在于，所述槽结构在所述波导中的深度小于或等于所述波导在同方向上的高度；和/或，所述光栅结构的高度小于或等于所述波导在同方向上的高度，且所述光栅结构的底面与所述波导的底面平齐。
6.根据权利要求1所述的光栅天线，其特征在于，所述光栅天线包裹于介质包层中，所述包层设于衬底的表面上。
7.根据权利要求6所述的光栅天线，其特征在于，所述光栅天线材料包括硅、氮化硅、氮氧化硅、铌酸锂、磷化铟、氧化铝或聚合物；和/或，所述光栅天线材料的折射率高于所述包层材料的折射率。
8.根据权利要求1所述的光栅天线，其特征在于，所述光栅天线设于SOI衬底上，所述SOI衬底依次设有衬底硅层、埋氧层和顶层硅层，所述光栅天线通过所述顶层硅层形成，所述埋氧层形成所述光栅天线的下包层，所述埋氧层的表面上设有上包层，所述上包层将所述光栅天线覆盖，并与作为所述下包层的所述埋氧层共同形成包裹所述光栅天线的包层。
9.根据权利要求1所述的光栅天线，其特征在于，通过控制所述槽结构和所述光栅结构在所述波导表面所在平面上的投影尺寸，使得所述槽结构产生的辐射光场的强度与所述光栅结构产生的辐射光场的强度相当。
10.根据权利要求1所述的光栅天线，其特征在于，所述波导的宽度为0.4μm，高度为0.22μm；所述槽结构的长度为0.13μm，宽度为0.13μm，深度为70nm；每侧的所述光栅结构的长度为0.375μm，宽度为0.2μm，高度为70nm；所述槽结构的周期尺寸和所述光栅结构的周期尺寸为750nm，且两者间的相对位移偏量为200nm；所述光栅天线的长度为20μm。
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Citations (4)
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| CN115128733A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-30 | 吉林大学 | 一种双光栅结构及制作方法、光学相控阵、激光雷达 |
| CN115903109A (zh) * | 2022-11-15 | 2023-04-04 | 浙江大学 | 一种基于lnoi材料的窄波束光学相控阵输出光栅 |
| CN116661059A (zh) * | 2023-07-20 | 2023-08-29 | 上海铭锟半导体有限公司 | 一种高方向性的波导光栅天线及其制备方法 |
-
2023
- 2023-11-01 CN CN202311432881.XA patent/CN117148500B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112630884A (zh) * | 2020-12-22 | 2021-04-09 | 联合微电子中心有限责任公司 | 用于光学相控阵的波导光栅天线阵列及其制备方法 |
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| CN116661059A (zh) * | 2023-07-20 | 2023-08-29 | 上海铭锟半导体有限公司 | 一种高方向性的波导光栅天线及其制备方法 |
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