CN216485897U

CN216485897U - 一种波导阵列及集成光学相控阵芯片

Info

Publication number: CN216485897U
Application number: CN202123297988.7U
Authority: CN
Inventors: 刘敬伟; 李文玲; 张新群
Original assignee: Guoke Optical Core Haining Technology Co ltd
Current assignee: Guoke Optical Core Haining Technology Co ltd
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2031-12-23

Abstract

本实用新型公开了一种波导阵列及集成光学相控阵芯片，该波导阵列包括：波导包层、多个波导芯层以及多个低折射率结构，低折射率结构的折射率低于波导包层的折射率；相邻的波导芯层之间设置低折射率结构；波导包层包围多个波导芯层和多个低折射率结构。通过实施本实用新型，在波导包层中设置折射率低于波导包层的低折射率结构，该低折射率结构能够降低波导包层中传输的光束的倏逝场强度，减小波导的模场直径，减少波导间的耦合系数，从而抑制波导之间的功率串扰。

Description

一种波导阵列及集成光学相控阵芯片

技术领域

本实用新型涉及激光雷达领域，具体涉及一种波导阵列及集成光学相控阵芯片。

背景技术

激光雷达(Light detection and ranging,LiDAR)通过发射扫描激光束，接收反射回波实现距离或形貌的探测，在无人机，自动驾驶，环境监测等领域有着广泛的应用。激光雷达实现光束扫描的常见方案包括机械旋转，微机电系统(Micro Electro MechanicalSystem,MEMS)及光学相控阵(Optical Phased Array,OPA)。

光学相控阵技术是指通过调制方式使阵列波导之间产生特定位相差，实现光束角度的旋转，与机械旋转和MEMS光束扫描方案相比，光学相控阵雷达不含转动元件，具有扫描速度快，扫描范围大，集成度高，可靠性高，成本低等优点。

实现光学相控阵波导相位调制的原理包括液晶、酷钛酸铅镧陶瓷、铌酸锂等材料的电光效应，硅基集成光学芯片的热光效应等。其中，硅基集成光学芯片与半导体CMOS工艺兼容，可实现光源探测器片上集成，结构紧凑，成本低。因此，基于硅基集成光学芯片的相控阵激光雷达具有很大的市场前景。

在相控阵激光雷达中，扫描角度是光学相控阵的关键性能指标之一，无栅瓣扫描角度与波导间距呈反向关系，波导间距缩小将导致波导之间的功率串扰增加，从而导致光学相控阵远场分布中旁瓣抑制比增加，雷达性能劣化。从而使得光学相控阵的扫描角度受限难以提高。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种波导阵列及集成光学相控阵芯片，以解决现有技术中波导缩小导致串扰增加的技术问题。

本实用新型实施例提供的技术方案如下：

本实用新型实施例提供一种波导阵列，包括：波导包层、多个波导芯层以及多个低折射率结构，所述低折射率结构的折射率低于所述波导包层的折射率；相邻的波导芯层之间设置所述低折射率结构；所述波导包层包围所述多个波导芯层和多个低折射率结构。

可选地，所述低折射率结构内部为真空或空气；所述低折射率结构为低折射率条形结构，相邻的波导芯层之间包括至少一组低折射率结构。

可选地，相邻波导芯层之间的间距为等间距或非等间距；多个波导芯层的宽度为相等或不相等；任意一个波导芯层为直线形或曲线形。

可选地，所述波导包层包括：二氧化硅波导包层，掺杂二氧化硅波导包层、硅波导包层、氮化硅波导包层、氮氧化硅波导包层或碳化硅波导包层中的任意一种；所述波导芯层包括：二氧化硅波导芯层，掺杂二氧化硅波导芯层、硅波导芯层、氮化硅波导芯层、氮氧化硅波导芯层或碳化硅波导芯层中的任意一种。

可选地，当工作波长位于780-940nm范围内，所述波导芯层的宽度为250nm～700nm，所述波导芯层的长度为0.2mm～1mm，所述波导芯层的厚度为300nm～450nm。

可选地，当工作波长位于780-940nm范围内，相邻波导芯层的中心间距为700nm～900nm，相邻的波导芯层之间低折射率结构的宽度为180nm～600nm，厚度为400nm～800nm。

本实用新型实施例第二方面提供一种集成光学相控阵芯片，包括：依次设置的输入耦合器、功率分束器、相位调制器阵列以及本实用新型实施例第一方面及第一方面任一项所述的波导阵列。

可选地，所述输入耦合器的结构包括：基于绝热渐变波导的边耦合器、基于绝热渐变波导的边耦合器阵列、波导衍射光栅耦合器以及平板波导中的任意一种。

可选地，所述功率分束器的结构包括：多模干涉耦合器，Y分支分束器、星形耦合器、定向耦合器中的任意一种、任意一种的级联组合或任意两种以上的级联组合。

可选地，所述相位调制器的调制原理为基于电光效应，热光效应，弹光效应中的任意一种。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

本实用新型实施例提供的波导阵列，通过在波导包层中设置折射率低于波导包层的低折射率结构，该低折射率结构能够降低波导包层中传输的光束的倏逝场强度，减小波导的模场直径，减少波导间的耦合系数，从而抑制波导之间的功率串扰。

本实用新型实施例提供的集成光学相控阵芯片，设置输入耦合器、功率分束器、相位调制器阵列以及波导阵列，其中，在波导阵列中，相邻的波导芯层间设置低折射率结构，该低折射率结构位于波导包层中，且折射率低于波导包层，当光束在该波导阵列中传输时，大部分光束会在波导芯层中传输，但是也会有部分光束进入到波导包层中传输，由于波导包层中低折射率结构的折射率低于波导包层，由此，该低折射率结构能够使得波导包层中传输的光束的倏逝场强度降低，减小波导的模场直径，减少波导间的耦合系数，从而抑制波导之间的功率串扰。因此，该集成光学相控阵芯片可在低串扰条件下获得更小间距的波导阵列，扩大扫描角度范围。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例中波导阵列的截面示意图；

图2为本实用新型另一实施例中波导阵列的截面示意图；

图3为本实用新型实施例中集成光学相控阵芯片的结构框图。

具体实施方式

正如在背景技术中所述，无栅瓣扫描角度与波导间距呈反向关系，若为了增大扫描角度缩小波导间距会导致波导之间的功率串扰增加。具体地，光学相控阵远场角度无栅瓣扫描角度半宽θ与波导阵列间距之间满足如下公式：

其中，λ为真空环境下的光波长。从该公式可以看出，扫描角度与波导间距呈反向关系，当波导间距小于半波长时，扫描角度在180度范围内均不会出现栅瓣。

但实际上，波导间距缩小将导致波导之间的功率串扰增加，从而导致光学相控阵远场分布中旁瓣抑制比增加。对于常见的硅波导(厚度250nm，宽度450nm，氧化硅包层)，工作波长1550nm条件下，波导间距为半波长775nm条件下，耦合长度，即100％功率耦合所需长度约为1mm。若远场旁瓣抑制比要求串扰上限为-20dB，则波导阵列的长度不能大于64μm。当光学相控阵芯片具有128路以上相控通道时，过短的波导阵列长度将难以实现合理的版图布局。

为了降低波导之间的功率串扰，减小光学相控阵的波导间距，近年来研究人员提出了多种方案，包括在波导之间设置光子晶体结构或超材料结构，以隔离波导间的串扰；或者采用周期性的弯曲波导阵列结构，使相邻波导的有效折射率产生差异，降低模式耦合而抑制串扰；还有一种是采用波导超晶格结构，使阵列中的波导因宽度不同而具有不同的有效折射率，从而抑制串扰。

同时，也有直接扩大扫描角度的方案，例如采用稀疏的非等间距波导阵列；稀疏阵列，即大间距波导阵列避免了过高的串扰，同时非等间距结构使得阵列中不同间距波导所对应的栅瓣角度分散开，达到提高栅瓣抑制比的效果。

然而，现有技术中，在波导间引入光子晶体或超材料结构抑制波导串扰的方案，加工时光刻特征尺寸需要达到40nm-100nm范围，超出常用的以193nm为特征尺寸的深紫外光刻加工能力，使工艺难度大幅增加。另外，采用非等间距稀疏阵列抑制波导串扰方案，虽然可以获得较高的栅瓣抑制比，但分散的栅瓣功率将成为背景噪声形成干扰，同时使主瓣功率，即目标扫描方向上的出射功率下降。

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种波导阵列及基于该波导阵列的集成光学相控阵芯片，具有小的波导间距和低的功率串扰，从而提高光学相控阵芯片的扫描角度范围。且工艺难度不因技术改进而显著增加，且方案的可行性较高。

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实用新型实施例提供一种波导阵列，如图1所示，该波导阵列包括：波导包层203、多个波导芯层201以及多个低折射率结构202，所述低折射率结构202的折射率低于所述波导包层203的折射率；相邻的波导芯层201之间设置所述低折射率结构202；所述波导包层203包围所述多个波导芯层201和多个低折射率结构202。

基于光学相控阵远场角度无栅瓣扫描角度半宽θ与波导阵列间距之间满足的公式可知，扫描角度与波导间距呈反向关系，当波导间距小于半波长时，扫描角度在180度范围内均不会出现栅瓣。但实际上，波导间距缩小将导致波导之间的功率串扰增加，若波导间的串扰增加到-20dB以上，将导致光学相控阵远场分布中旁瓣抑制比劣化。

根据波导的耦合模理论(Coupled mode theory)，相邻两根波导之间的最大功率串扰Crosstalk通过以下公式计算：

其中，P_in为主波导的入射功率，ΔP为耦合波导中的最大功率增量，Δβ为两波导的有效折射率差，κ为波导之间的耦合系数。当有效折射率差增加或耦合系数减小，串扰将会降低。

由此，为了降低波导之间的功率串扰，可以通过增加两波导的有效折射率差或者减小波导之间的耦合系数实现。而减小耦合系数的一种方法是减小波导的模场直径，使波导包层中的倏逝场强度降低，从而减少相邻波导间模场的重叠。而降低模场直径可以通过提高芯层与包层的折射率差异来实现。

该实施例中，通过在相邻的波导芯层间设置低折射率结构，该低折射率结构位于波导包层中，且折射率低于波导包层，当光束在该波导阵列中传输时，大部分光束会在波导芯层中传输，但是也会有部分光束进入到波导包层中传输，由于波导包层中低折射率结构的折射率低于波导包层，由此，该低折射率结构能够使得波导包层中传输的光束的倏逝场强度降低，减小波导的模场直径，减少波导间的耦合系数，从而抑制波导之间的功率串扰。

在一实施方式中，所述低折射率结构内部为真空或空气；所述低折射率结构为低折射率条形结构，相邻的波导芯层之间包括至少一组低折射率结构。具体地，相邻的波导芯层之间可以设置一组低折射率条形结构，也可以设置多组低折射率条形结构。同时，为了降低成本，该低折射率结构内部包括真空或空气，即可以通过刻蚀形成空隙的方式在波导阵列中形成低折射率结构。

在一实施方式中，相邻波导芯层之间的间距为等间距或非等间距；多个波导芯层的宽度为相等或不相等；任意一个波导芯层为直线形或曲线形。具体地，对于该波导阵列中设置的多个波导芯层，其可以等间距设置，也可以非等间距设置。同时对于多个波导芯层的宽度以及结构也可以是相同或不完全相同。即对于波导芯层不做具体限定。

在一实施方式中，所述波导包层包括：二氧化硅波导包层，掺杂二氧化硅波导包层、硅波导包层、氮化硅波导包层、氮氧化硅波导包层或碳化硅波导包层中的任意一种；所述波导芯层包括：二氧化硅波导芯层，掺杂二氧化硅波导芯层、硅波导芯层、氮化硅波导芯层、氮氧化硅波导芯层或碳化硅波导芯层中的任意一种。对于波导芯层和波导包层，其可以采用常用的含硅材料制备。

在一实施方式中，当工作波长位于780-940nm范围内，所述波导芯层的宽度为250nm～700nm，所述波导芯层的长度为0.2mm～1mm，所述波导芯层的厚度为300nm～450nm。当工作波长位于780-940nm范围内，相邻波导芯层的中心间距为700nm～900nm，相邻的波导芯层之间低折射率结构的宽度为180nm～600nm，厚度为400nm～800nm。此外，当工作波长位于其他范围内时，上述波导芯层以及低折射率结构的参数也可以进行相应的调整。

需要说明的是，该波导阵列也可以与现有的弯曲波导结构、超晶格波导阵列或者非等间距波导阵列相结合，进一步降低波导之间的串扰，优化光学相控阵的输出特征。

如图2所示，对于该波导阵列，除波导芯层201、波导包层203以及低折射率结构202外，还可以包括衬底层204，即可以在衬底层204上设置形成波导芯层201、波导包层203以及低折射率结构202得到波导阵列。其中，波导包层可以包括下包层和上包层。

具体地，该波导阵列可以采用如下的方式制备：在衬底硅晶圆上采用热氧化工艺形成氧化硅下包层；在下包层上采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，等离子体增强化学的气相沉积)工艺沉积厚度400nm的氮化硅作为波导芯层；然后再采用PECVD工艺沉积200nm厚的氧化硅作为缓冲层；通过深紫外光刻及RIE(Reactiveion etching，反应离子刻蚀)刻蚀对氧化硅和氮化硅进行刻蚀，形成波导芯层和低折射率结构，其中，对于低折射率结构，其刻蚀深度可以是800nm-900nm；最后采用PECVD方法沉积上包层氧化硅。由于低折射率结构的深度达到800nm-900nm，大于其宽度，即该低折射率结构的深度和宽度的比值大于1；属于高深宽比结构，由此，在制备过程中，可以选择恰当的气源，如硅烷等，可在高深宽比结构中形成空隙。即在刻蚀之后再沉积上包层氧化硅，氧化硅也无法良好填充形成的空隙，从而形成低折射率结构的空腔。

实施例2

本实用新型实施例还提供一种集成光学相控阵芯片，如图3所示，该集成光学相控阵芯片包括：依次设置的输入耦合器101、功率分束器102、相位调制器阵列103以及上述实施例所述的波导阵列。其中，该波导阵列可以作为集成光学相控阵芯片中的输出波导阵列104；同时，输入耦合器101，功率分束器102，相位调制器阵列103及输出波导阵列104为集成光学波导元件，位于同一集成芯片上。

具体地，集成光学相控阵芯片作为激光雷达扫描光源中的一个构成部分，通过输入耦合器将光源芯片或光源尾纤出射的光束低损耗地转换为波导模式光束在芯片上传输，再经过功率分束器分为多路光束，其中的每一路光束分别经过一路相位调制器调制相位，连接到输出波导阵列中的一路波导，输出至自由空间中。多路光束在自由空间中某一方向干涉加强，合成该方向的定向光束。当调节相位使多路光束之间相位差改变，则干涉加强方向改变，合成光束角度改变，形成角度扫描。

在一实施方式中，所述输入耦合器的结构包括：基于绝热渐变波导的边耦合器、基于绝热渐变波导的边耦合器阵列、波导衍射光栅耦合器以及平板波导中的任意一种。所述功率分束器的结构包括：多模干涉耦合器，Y分支分束器、星形耦合器、定向耦合器中的任意一种、任意一种的级联组合或任意两种以上的级联组合。所述相位调制器的调制原理为基于电光效应，热光效应，弹光效应中的任意一种。其中，对于功率分束器，其可以采用单个的耦合器或分束器，也可以采用其中的一种级联形成，或者采用其中的两种或多种进行级联组合。

实施例3

本实用新型实施例提供一种集成光学相控阵芯片，包括：依次设置的输入耦合器、功率分束器、相位调制器阵列以及上述实施例所述的波导阵列。该实施例中，集成光学相控阵芯片的工作波长为850nm，芯片的衬底层材料为硅，包层材料为氧化硅，芯层材料为氮化硅。

所述输入耦合器为绝热渐变边耦合器，将光纤激光器尾纤输出光束低损耗的耦合到芯片上的波导中；功率分束器为1分128路星形耦合器，其分束比随端口数变化服从高斯函数分布；分束后每路波导经过相位调制器阵列中的一路调制器；所述相位调制器的工作原理为弹光效应，即通过在波导上方的压电材料上施加电压，使压电材料产生形变，进而对波导芯区施加压力。波导芯区材料因弹光效应而产生折射率变化，形成相位调制。每路相位调制器波导连接至输出波导阵列中的一路，并通过芯片端面输出至自由空间中。

在波导阵列中，波导芯层厚度为400nm，波导宽度为300nm-600nm，构成以每5根波导为一组的超晶格波导阵列，相邻波导中心距相等为700nm-900nm，相邻波导之间设置有宽度180nm-600nm，高度400nm-800nm的空气条形结构，如图2所示。所述波导阵列为相互平行的直线形阵列结构，长度为0.2-0.4mm。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本实用新型保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本实用新型的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本实用新型的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本实用新型描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本实用新型可以对它们进行应用。因此，本实用新型所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims

1.一种波导阵列，其特征在于，包括：波导包层、多个波导芯层以及多个低折射率结构，所述低折射率结构的折射率低于所述波导包层的折射率；

相邻的波导芯层之间设置所述低折射率结构；

所述波导包层包围所述多个波导芯层和多个低折射率结构。

2.根据权利要求1所述的波导阵列，其特征在于，所述低折射率结构内部为真空或空气；所述低折射率结构为低折射率条形结构，相邻的波导芯层之间包括至少一组低折射率结构。

3.根据权利要求1所述的波导阵列，其特征在于，相邻波导芯层之间的间距为等间距或非等间距；多个波导芯层的宽度为相等或不相等；任意一个波导芯层为直线形或曲线形。

4.根据权利要求1所述的波导阵列，其特征在于，

所述波导包层包括：二氧化硅波导包层，掺杂二氧化硅波导包层、硅波导包层、氮化硅波导包层、氮氧化硅波导包层或碳化硅波导包层中的任意一种；

所述波导芯层包括：二氧化硅波导芯层，掺杂二氧化硅波导芯层、硅波导芯层、氮化硅波导芯层、氮氧化硅波导芯层或碳化硅波导芯层中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的波导阵列，其特征在于，当工作波长位于780-940nm范围内，所述波导芯层的宽度为250nm～700nm，所述波导芯层的长度为0.2mm～1mm，所述波导芯层的厚度为300nm～450nm。

6.根据权利要求1所述的波导阵列，其特征在于，当工作波长位于780-940nm范围内，相邻波导芯层的中心间距为700nm～900nm，相邻的波导芯层之间低折射率结构的宽度为180nm～600nm，厚度为400nm～800nm。

7.一种集成光学相控阵芯片，其特征在于，包括：依次设置的输入耦合器、功率分束器、相位调制器阵列以及权利要求1-6任一项所述的波导阵列。

8.根据权利要求7所述的集成光学相控阵芯片，其特征在于，所述输入耦合器的结构包括：基于绝热渐变波导的边耦合器、基于绝热渐变波导的边耦合器阵列、波导衍射光栅耦合器以及平板波导中的任意一种。

9.根据权利要求7所述的集成光学相控阵芯片，其特征在于，所述功率分束器的结构包括：多模干涉耦合器，Y分支分束器、星形耦合器、定向耦合器中的任意一种、任意一种的级联组合或任意两种以上的级联组合。

10.根据权利要求7所述的集成光学相控阵芯片，其特征在于，所述相位调制器的调制原理为基于电光效应，热光效应，弹光效应中的任意一种。