CN117170020B - 一种光学天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学天线，包括：波导；第一介质结构，分设于波导的两侧以外，并沿光的传输方向对称周期设置；第二介质结构，分设于波导的上方两侧，并沿光的传输方向对称周期设置；波导、第一介质结构和第二介质结构之间以第三介质相隔离，第一介质结构的周期尺寸与第二介质结构的周期尺寸一致，且第一介质结构与第二介质结构在光的传输方向上具有一定的相对位移偏量，通过第一介质结构和第二介质结构对波导周围具有的倏逝场进行扰动，使对应产生的两个辐射光场在波导的下方干涉相消，使得辐射能量向上方的自由空间侧辐射。本发明能实现自由空间侧高辐射效率和远场高方向性波束。
Description
技术领域
本发明涉及光子集成电路工艺技术领域，尤其涉及一种可应用于光学相控阵的高方向性高效率光学天线。
背景技术
片上集成光学相控阵是由一系列光学纳米天线单元构成的阵列，能够通过电控的方式实现快速精确的波束扫描，在光通信、探测与测距（LiDAR）等方面具有广阔的应用前景。
目前，限制光学相控阵探测距离的几个重要因素是片上损耗、天线的辐射效率以及阵列的有效辐射口径。在基于商业SOI晶圆结构设计的光栅天线中，地板的缺失将使得近一半的能量泄露到衬底侧，导致能量的浪费。此外，直接对波导上表面或者侧壁进行刻蚀将导致强辐射，严重限制了天线单元的有效辐射长度（辐射口径），导致远场波束的3dB波束宽度较大。天线单元的衬底侧能量泄露以及受限的辐射长度，均会对光学相控阵所能实现的探测范围产生限制。因此，如何设计光学相控阵天线单元以实现高方向性高效率辐射，是当前需要解决的技术问题。
现有的一种光学天线，采用了布拉格反射器（DBR）作为地板，以实现天线高效率辐射，同时利用设于硅波导上层的氮化硅光栅，对波导中导波弱扰动，以实现长辐射口径。然而，该光学天线结构中布拉格反射器结构加工复杂，存在与当前CMOS工艺不兼容问题。
现有的另一种光学天线，采用了在中心亚波长波导光栅（SWG）两侧设置周期分布的介质辐射块形式，介质块通过扰动倏逝场进行辐射，从而大大降低了天线的辐射强度；此外，通过对介质块进行二次浅刻蚀，增加结构上下不对称性，能够将辐射效率提高至70%以上。该光学天线结构虽能够实现较弱的辐射速率，因此获得天线极窄的远场3dB波束宽度（高方向性波束），但其辐射效率提升有限，且带宽较窄。
因此，有必要提供一种新型高方向性高效率光学天线，能够在与当前CMOS工艺兼容的基础上，进一步提高天线辐射效率，并避免天线辐射口径受限。
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，提供一种光学天线。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种光学天线，包括：
波导；
第一介质结构，分设于所述波导的两侧以外，并沿光的传输方向对称周期设置；
第二介质结构，分设于所述波导的上方两侧，并沿光的传输方向对称周期设置；
所述波导、所述第一介质结构和所述第二介质结构之间以第三介质相隔离，所述第一介质结构的周期尺寸与所述第二介质结构的周期尺寸一致，且所述第一介质结构与所述第二介质结构在光的传输方向上具有一定的相对位移偏量，通过所述第一介质结构和所述第二介质结构对所述波导周围具有的倏逝场进行扰动，使对应产生的两个辐射光场在所述波导的下方干涉相消，使得辐射能量向上方的自由空间侧辐射。
进一步地，所述第一介质结构相对于所述第二介质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，所述第一介质结构的中心相对于所述第二介质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，所述第一介质结构包括第一介质块，所述第一介质块的形状包括长方形、正方形、圆形或椭圆形；和/或，所述第二介质结构包括第二介质块，所述第二介质块的形状包括长方形、正方形、圆形或椭圆形。
进一步地，所述波导的宽度大于所述第一介质结构的宽度和所述第二介质结构的宽度，所述波导的高度大于所述第一介质结构的高度，所述第二介质结构的高度大于所述波导的高度，所述第一介质结构的面积大于所述第二介质结构的面积；和/或，所述第一介质结构侧面与所述波导的相对侧面之间的距离大于所述第二介质结构底面与所述波导顶面之间的距离；和/或，所述第一介质结构侧面与所述波导的相对侧面之间的距离小于两个对称设置的所述第二介质结构的相对侧面之间的距离；和/或，两个对称设置的所述第二介质结构的相对侧面之间的距离小于所述波导的宽度。
进一步地，所述光学天线包裹于由所述第三介质形成的包层中，所述包层设于衬底的表面上。
进一步地，所述波导、所述第一介质结构和所述第二介质结构材料包括硅、氮化硅、氮氧化硅、铌酸锂、磷化铟、氧化铝和聚合物中的任意一种；和/或，所述第三介质包括二氧化硅，所述波导、所述第一介质结构和所述第二介质结构材料的折射率高于所述第三介质的折射率。
进一步地，所述光学天线设于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，所述波导和所述第一介质结构通过所述顶层硅层形成，所述埋氧层形成所述光学天线的下包层，所述埋氧层的表面上设有隔离包层，所述隔离包层将所述波导和所述第一介质结构覆盖，所述第二介质结构形成于所述隔离包层的表面上，所述隔离包层的表面上设有上包层，所述上包层将所述第二介质结构覆盖，并与所述隔离包层和作为所述下包层的所述埋氧层共同形成包裹所述光学天线的包层。
进一步地，通过控制所述第一介质结构侧面与所述波导的相对侧面之间的距离大小，和控制两个对称设置的所述第二介质结构的相对侧面之间的距离大小，以控制所述光学天线的辐射强度；和/或，通过控制所述第一介质结构侧面与所述波导的相对侧面之间的距离大小，和控制所述第二介质结构的宽度，以控制所述光学天线的辐射速率。
进一步地，所述波导的宽度为0.5μm，高度为0.22μm；所述第一介质结构的长度为0.36μm，宽度为0.2μm，高度为70nm；所述第二介质结构的长度为0.3μm，宽度为0.2μm，高度为330nm；所述第一介质结构侧面与所述波导的相对侧面之间的距离为130nm；两个对称设置的所述第二介质结构的相对侧面之间的距离为400nm；所述第二介质结构底面与所述波导顶面之间的距离为50nm；所述第一介质结构的周期尺寸和所述第二介质结构的周期尺寸为720nm，且两者间的相对位移偏量为120nm；所述光学天线的长度为100μm。
由上述技术方案可以看出，本发明通过在波导的两侧以外沿光的传输方向对称设置周期性分布的第一介质结构，并在波导的上方两侧沿光的传输方向对称设置周期性分布的第二介质结构，同时使第一介质结构的周期尺寸与第二介质结构的周期尺寸一致，且使第一介质结构与第二介质结构在光的传输方向上具有一定的相对位移偏量，因而可通过第一介质结构和第二介质结构对波导周围具有的倏逝场进行扰动，使对应产生的两个辐射光场在波导的下方干涉相消，使得辐射能量向上方的自由空间侧辐射。本发明同时利用与中心波导两侧位于同层的周期分布的第一介质结构以及位于中心波导上层两侧的周期分布的第二介质结构扰动导波场进行辐射，利用干涉对消实现了自由空间侧高辐射效率；且通过对中心波导的倏逝场进行扰动形成辐射，辐射速率可控，能够实现任意长的有效辐射口径，从而能实现远场高方向性波束。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例的一种光学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学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学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-图2。本发明的一种光学天线，包括：波导101，第一介质结构102，和第二介质结构103。
其中，波导101以沿光的传输方向的走向设置（即波导101具有沿图1所示的空间直角坐标系的x轴向的走向）。波导101具有宽度w和高度h（波导101的宽度w为沿图1所示的空间直角坐标系的y轴向上的宽度w，波导101的高度h为沿图2所示的空间直角坐标系的z轴向上的高度h，图2与图1建立在同一个空间直角坐标系中，图2可视作为在图1中任意一个第一介质结构102处对波导101进行沿y轴向的切断所形成的光学天线的横截面轮廓）。
第一介质结构102为多个，且成对分设于波导101沿走向的两侧以外，形成沿光的传输方向呈对称周期性设置在波导101两侧的多对第一介质结构102。第一介质结构102的侧面与波导101的相对一侧的侧面之间相距一定距离g（距离g为沿y轴向上的距离g）。
第二介质结构103也为多个，且成对分设于波导101的上方两侧，形成沿光的传输方向呈对称周期性设置在波导101上方两侧的多对第二介质结构103。第二介质结构103的数量（对数）与第一介质结构102的数量（对数）对应，且第二介质结构103与第一介质结构102相分离设置。第二介质结构103的底面与波导101的顶面之间相距一定距离h3（距离h3为沿图2所示的空间直角坐标系的z轴向上的距离h3）。每对第二介质结构103中两个第二介质结构103的相对侧面之间相距一定距离d（距离d为y轴向上的距离d）。
光学天线在沿光的传输方向上具有长度L；光学天线的长度L可根据设计需要进行设定。图1所示的第一介质结构102的对数和第二介质结构103的对数仅为示例，并非是对第一介质结构102和第二介质结构103的数量的限制。
波导101、第一介质结构102和第二介质结构103之间以第三介质（包层104材料）相隔离。
位于同侧的每两个相邻的第一介质结构102的中心之间距离（每两对相邻的第一介质结构102的中心之间距离）形成第一介质结构102的周期尺寸。位于同侧的每两个相邻的第二介质结构103的中心之间距离（每两对相邻的第二介质结构103的中心之间距离）形成第二介质结构103的周期尺寸。第一介质结构102的周期尺寸与第二介质结构103的周期尺寸一致，所以这里以相同的周期p表示二者具有相同的周期尺寸。
并且，第一介质结构102与第二介质结构103在光的传输方向上具有一定的相对位移偏量s，即每一个第一介质结构102与对应的一个第二介质结构103（或每一对第一介质结构102与对应的一对第二介质结构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。
本发明的一种光学天线，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，通过第一介质结构102和第二介质结构103对波导101周围具有的倏逝场进行扰动，使对应产生的两个辐射光场在波导101的下方干涉相消，使得辐射能量向上方的自由空间侧辐射，从而实现自由空间侧的高辐射效率。
参考图1-图2。在一些实施例中，位于同侧的任意一个第一介质结构102相对于对应一个第二介质结构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，位于同侧的任意一个第一介质结构102的中心相对于对应一个第二介质结构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，第一介质结构102包括第一介质块；第一介质块沿图1的x-y面方向的平面形状包括长方形、正方形、圆形或椭圆形。
第二介质结构103包括第二介质块；第二介质块沿图1的x-y面方向的平面形状包括长方形、正方形、圆形或椭圆形。
参考图1-图2。在一些实施例中，波导101的宽度w大于第一介质结构102的宽度b和第二介质结构103的宽度b1，波导101的高度h大于第一介质结构102的高度h1，第二介质结构103的高度h2大于波导101的高度h。
在一些实施例中，第一介质结构102的面积大于第二介质结构103的面积。
在一些实施例中，第一介质结构102侧面与波导101的相对侧面之间的距离g大于第二介质结构103底面与波导101顶面之间的距离h3。
在一些实施例中，第一介质结构102侧面与波导101的相对侧面之间的距离g小于一对第二介质结构103中的两个对称设置的第二介质结构103的相对侧面之间的距离d。
在一些实施例中，两个对称设置的第二介质结构103的相对侧面之间的距离d小于波导101的宽度w。
通过设计第一介质结构102和第二介质结构103的上述尺寸及距离参数，使得其辐射速率相当。
在一些实施例中，第一介质结构102与波导101同层设置，且两者的厚度（高度）不同；并且，第一介质结构102的底面（图2所示的下表面）与波导101的底面平齐。第二介质结构103位于第一介质结构102和波导101的上层。
在一些实施例中，光学天线包裹于由第三介质形成的包层104中，包层104设于衬底105的表面上。包层104的第三介质材料形成对各第一介质结构102之间空隙、各第二介质结构103之间空隙以及第一介质结构102、第二介质结构103与波导101之间空隙的完全填充。
在一些实施例中，波导101、第一介质结构102和第二介质结构103材料包括硅、氮化硅、氮氧化硅、铌酸锂、磷化铟、氧化铝和聚合物中的任意一种。
在一些实施例中，衬底105材料包括硅，第三介质包括二氧化硅，波导101、第一介质结构102和第二介质结构103材料的折射率高于二氧化硅第三介质的折射率。
在一些实施例中，光学天线设于SOI衬底上；SOI衬底依次设有衬底硅层、埋氧层和顶层硅层。其中，衬底硅层作为硅衬底105，波导101和第一介质结构102通过顶层硅层制作形成，埋氧层形成光学天线的下包层。埋氧层的表面上设有隔离包层，隔离包层将波导101和第一介质结构102覆盖，第二介质结构103形成于隔离包层的表面上，隔离包层的表面上设有上包层，上包层将第二介质结构103覆盖，并与隔离包层和作为下包层的埋氧层共同形成包裹光学天线的包层104。
在一些实施例中，通过同时控制调整第一介质结构102侧面与波导101的相对侧面之间的距离g和两个对称设置的第二介质结构103的相对侧面之间的距离d的大小，以控制光学天线的辐射强度。
在一些实施例中，通过同时控制调整第一介质结构102侧面与波导101的相对侧面之间的距离g和第二介质结构103的宽度b1的大小，以控制调整光学天线的辐射速率。
参考图1-图2。本发明光学天线的工作原理为，当光由图1所示的左侧进入波导101（硅波导101）的左端，并沿波导101的走向向右端侧传输（即沿x轴向传输）时，光首先在中心波导101中传输，由于第一介质结构102（硅第一介质块）对光场的束缚较弱，在传输波导101附近一定范围内将存在导波的倏逝场。然后，位于波导101同一层两侧的周期分布的第一介质结构102对该倏逝场进行扰动，此时光场向自由空间和衬底105（基底）两侧进行辐射。接着，位于波导101上层两侧的周期分布的第二介质结构103（氮化硅第二介质块）同样扰动波导101上方倏逝场，光辐射至自由空间和衬底105。通过设计周期分布的第一介质结构102与周期分布的第二介质结构103在导波方向的位移偏差s，能够使得衬底105侧的辐射场干涉相消，使得能量向自由空间侧辐射。由于是扰动倏逝场进行能量辐射，同时通过控制上述参数g和d的值，能够控制光学天线的辐射强度，获得任意长的有效辐射口径长度，最终实现光学天线远场波束高方向性系数（极窄的3dB波束宽度）。
在一个实例中，采用中心高折射率硅波导101，硅第一介质块（第一介质结构102）和氮化硅第二介质块（第二介质结构103）形成光学天线，并包裹于低折射率二氧化硅包层104中，波导101工作在TE模式。波导101的宽度w为0.5μm，高度（厚度）h为0.22μm；第一介质块的长度a为0.36μm，宽度b为0.2μm，高度h1为70nm；第二介质块的长度a1为0.3μm，宽度b1为0.2μm，高度h2为330nm；第一介质块侧面与波导101的相对侧面之间的距离g为130nm；每两个对称设置的第二介质块的相对侧面之间的距离d为400nm；第二介质块底面与波导101顶面之间的距离h3为50nm；第一介质块的周期p尺寸和第二介质块的周期p尺寸均为720nm，且两者间的相对位移偏量s为120nm；光学天线的长度L在所提供算例中为100μm。
参考图3，其为上述本发明的一种光学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。从图中可以看出，设计的光学天线能够实现较为完美的单向辐射特性，在1550nm波长处自由空间侧的辐射效率大于95%。此外，沿着波导101传输方向辐射较弱，几乎为均匀辐射，光学天线的有效辐射口径达毫米量级，理论上所能提供的远场3dB波束宽度小于0.1°。
综上，本发明通过在波导101的两侧以外沿光的传输方向对称设置周期性分布的第一介质结构（第一介质块）102，并在波导101的上方两侧沿光的传输方向对称设置周期性分布的第二介质结构（第二介质块）103，同时使第一介质结构102的周期尺寸与第二介质结构103的周期尺寸一致，且使第一介质结构102与第二介质结构103在光的传输方向上具有一定的相对位移偏量，因而可通过第一介质结构102和第二介质结构103对波导101周围具有的倏逝场进行扰动，使对应产生的两个辐射光场在波导101的下方干涉相消，使得辐射能量向上方的自由空间侧辐射。本发明同时利用与中心波导101两侧位于同层的周期分布的第一介质结构102以及位于中心波导101上层两侧的周期分布的第二介质结构103扰动导波场进行辐射，利用干涉对消实现了自由空间侧高辐射效率；且通过对中心波导101的倏逝场进行扰动形成辐射，辐射速率可控，能够实现任意长的有效辐射口径，从而能实现远场高方向性波束。
本发明的光学天线设计可采用商业的SOI结构以及标准的流片工艺来制作，因此能够简化工艺。本发明还有效解决了现有技术中天线辐射效率低、辐射口径长度受限的问题，可作为光学相控阵中基本天线单元以实现远距离探测。
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 (6)
1.一种光学天线，其特征在于，包括：
波导；
第一介质结构，分设于所述波导的两侧以外，并沿光的传输方向对称周期设置；
第二介质结构，分设于所述波导的上方两侧，并沿光的传输方向对称周期设置；
所述波导、所述第一介质结构和所述第二介质结构之间以第三介质相隔离，所述第一介质结构的周期尺寸与所述第二介质结构的周期尺寸一致，且所述第一介质结构与所述第二介质结构在光的传输方向上具有一定的相对位移偏量，通过所述第一介质结构和所述第二介质结构对所述波导周围具有的倏逝场进行扰动，使对应产生的两个辐射光场在所述波导的下方干涉相消，使得辐射能量向上方的自由空间侧辐射；
其中，所述波导的宽度为0.5μm，高度为0.22μm；所述第一介质结构的长度为0.36μm，宽度为0.2μm，高度为70nm；所述第二介质结构的长度为0.3μm，宽度为0.2μm，高度为330nm；所述第一介质结构侧面与所述波导的相对侧面之间的距离为130nm；两个对称设置的所述第二介质结构的相对侧面之间的距离为400nm；所述第二介质结构底面与所述波导顶面之间的距离为50nm；所述第一介质结构的周期尺寸和所述第二介质结构的周期尺寸为720nm，且两者间的相对位移偏量为120nm；所述光学天线的长度为100μm。
2.根据权利要求1所述的光学天线，其特征在于，所述第一介质结构相对于所述第二介质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所述的光学天线，其特征在于，所述第一介质结构的中心相对于所述第二介质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所述的光学天线，其特征在于，所述光学天线包裹于由所述第三介质形成的包层中，所述包层设于衬底的表面上。
5.根据权利要求1所述的光学天线，其特征在于，所述波导、所述第一介质结构和所述第二介质结构材料包括硅、氮化硅、氮氧化硅、铌酸锂、磷化铟、氧化铝和聚合物中的任意一种；和/或，所述第三介质包括二氧化硅，所述波导、所述第一介质结构和所述第二介质结构材料的折射率高于所述第三介质的折射率。
6.根据权利要求1所述的光学天线，其特征在于，所述光学天线设于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，所述波导和所述第一介质结构通过所述顶层硅层形成，所述埋氧层形成所述光学天线的下包层，所述埋氧层的表面上设有隔离包层，所述隔离包层将所述波导和所述第一介质结构覆盖，所述第二介质结构形成于所述隔离包层的表面上，所述隔离包层的表面上设有上包层，所述上包层将所述第二介质结构覆盖，并与所述隔离包层和作为所述下包层的所述埋氧层共同形成包裹所述光学天线的包层。
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