TWI726694B - 相控光學波導天線陣列 - Google Patents

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Abstract

一種相控光學波導天線陣列，包括：一分光元件，一陣列式相位移位元件，以及一光學波導天線陣列。分光元件係將輸入一光信號分配到多個光學波導，相位移位元件係與分光元件耦接，而光學波導天線陣列係與一陣列的相位移位元件耦接。其中，光學波導天線陣列利用特殊側邊結構設計以輸出均勻分布的光，而每一相位移位元件旁設置有一加熱元件，以調整控制每一光學波導天線的輸出相位，改變光學波導天線陣列的輸出光角度。

Description

相控光學波導天線陣列
本發明揭露一種相控光學波導天線陣列，特別是一種利用特殊側邊散射結構的相控光學波導天線陣列。
近年來，因自動駕駛汽車(self-driving car)、無人駕駛飛行器(unmanned aerial vehicle,UVA)與機器視覺的技術不斷發展，因此相對的，用於光學雷達系統(LiDAR)中的光學相控光束掃描單元(optical phase controlled beam scanning unit)的需求亦逐年增加，此光束掃描單元可以由相控光學波導天線陣列(phase controlled optical waveguide antenna array組成。
相較相控光學波導天線陣列，傳統光學雷達則是透過機械轉動鏡面以進行光束掃描。然而，機械光學轉向的掃描速度通常較慢，且易受振動和物理磨損而影響操作。再者，機械光束轉向系統的體積亦較為龐大，在工作運轉時亦需消耗大量能量，並且在轉向能力亦有所限制。除此之外，這些的機械方法只能控制光線光束，無法根據不同的需求特性來改變遠場光束的形狀。
相較傳統光學雷達，相控光學波導天線陣列是由相位移位器陣列與分佈於一定空間大小的陣列式光學波導天線組成，而各光學波導天線都可以控制信號來控制相位。透過改變相位可以控制光學波導天線陣列的光束發射角度和場型。光學波導天線陣列的設計是決定光束發射角度和場型的關鍵。除此 之外，可以由控制相位移位器陣列的相位而形成任意波前，以進行更高級的通信和傳感應用。
根據本揭露之其中一目的，提出一種相控光學波導天線陣列，包括：一分光元件，一陣列式相位移位元件，以及一光學波導天線陣列。分光元件係將輸入一光信號分配到多個光學波導，相位移位元件係與分光元件耦接，而光學波導天線陣列係與一陣列的相位移位元件耦接。其中，光學波導天線陣列利用特殊側邊結構設計以輸出均勻分布的光。再者，相位移位元件旁設置有一加熱元件，以調整控制每一光學波導天線的輸出相位，改變光學波導天線陣列的輸出光角度。
10:相控光學波導天線陣列
101:分光器
102:相位移位器
103:光學波導天線陣列
104:金屬加熱器
105:光學波導
106:漸變寬度週期性塊狀結構
圖1係為本揭露之一實施例之相控光學波導天線陣列之示意圖。
圖2係為本揭露之一實施例之無相位移位器的光學波導天線陣列示意圖。
圖3係為本揭露之一實施例之相控光學波導天線陣列之分光元件與相位移位器之示意圖。
圖4係為本揭露之一實施例之相控光學波導天線陣列之光學波導天線第一局部示意圖。
圖5係為本揭露之一實施例之相控光學波導天線陣列之分光元件與波導天線陣列之放大圖。
圖6係為本揭露之一實施例之相控光學波導天線陣列之光學波導天線第二局部示意圖。
圖7係為本揭露之一實施例之光學波導天線陣列之模擬近場場度分布圖。
圖8係為本揭露之一實施例之光學波導天線陣列之模擬遠場強度分布圖。
以下將參照相關圖式，說明依本揭露之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。
一般而言，相控光學波導天線陣列在設計上可拆分為三個部分，分別是分光器、相位移位器(或稱相移器)和光學波導天線陣列。
首先，在分光器的設計上主要有兩大主流，第一是多模干涉器(multimode interference)，第二則是串接方向耦合器(cascaded directional coupler)。其中，多模干涉器具有較準確的分光比，且在樹狀多級串接後能維持每一通道的分光比。多模干涉器具有較大波長頻寬。而串接方向耦合器具有可調分光比和低光學傳播損失優點，但因為對製的程精度較為敏感，故其分光比較難以精準地控制。
而就相移器而言，指的是一段波導，鄰近處設置有加熱元件，藉由加熱元件加熱，改變這段波導的折射係數跟相位。或者是在此段波導中摻雜P型及N型材料形成相位調變器，利用電極注入電流或逆向偏壓以改變這段波導的折射係數跟相位。因此相位移位可以以熱阻式相移器和相位調變器兩個方法達成。熱阻式相移器的優點是可調控相位大且設計相對簡單，但有調控速度較 慢和熱分布均勻的問題。而相位調變器則具有極高速的相位調制速度，然而其缺點是可調控的相位較小和可能有較高光損耗。此外相移器在整體光學波導天線陣列的配置也影響控制電路的複雜度。
光學波導天線的部分則較具多樣性。光學波導天線可依光繞射(optical diffraction)的不同略分為三大類。第一類為淺蝕刻側邊光柵矽波導(Shallow etched sidewall-grating waveguide)，此類波導是最相容於現存CMOS半導體製程，係以微影(lithography)製程，以乾蝕刻製作出鋸齒狀的波導。此種波導天線通常有較大的繞射率，在製作長波導天線時不易達到均勻出光，且以微調蝕刻漸變鋸齒狀凹槽以控制繞射率時會受到限制。
第二類為多晶矽光柵矽波導(waveguide grating with polysilicon overlay and oxide etch stop layer)，此類波導的光柵是在製作在波導上方的一層多晶矽上，可以透過微影改變光柵的週期、寬度、厚度和材料等參數，更有彈性的調整天線出光量和均勻度，但缺點係需要額外的定義材料圖層和增加製程的複雜度。
第三類為二維孔洞光子晶體波導(two-dimensional bulk photonic crystal waveguide)，此類波導是利用光子體的多重路徑的相位干涉出光，多個二維孔洞光子晶體波導可以形成一個二維孔洞陣列，同時還可省略分光器的設計，大幅簡化天線的設計。但此方法使用光子晶體原理，需要準確的模擬和精密的製程技術，實作上難度較高。另外，由於此結構無法使用相移器，因此天線出光角度的控制只能採用改變雷射波長來調控。
接著請先參閱圖1，圖1係為本揭露之一實施例之相控光學波導天線陣列之示意圖。於本揭露中，相控光學波導天線陣列係採用標準CMOS製程之 架構來實現，但並不以此為限。本揭露之相控光學波導天線陣列亦可以其他種製程方式來實現。如圖1所示，本揭露之相控光學波導天線陣列10之結構包括一分光器101、一相位移位器102及一光學波導天線陣列103。
請一併參閱圖1及圖2，圖2係為本揭露之一實施例之相控光學波導天線陣列之分光器之示意圖。如圖2所示，於本實施例中，分光器101係為一系列多級串接的小型1對2多模干涉器，每一1對2多模干涉器的分光比例係為50%：50%。分光器101的多級多模干涉器可將一導入之光信號分為多個通道。再如圖2所示，分光器101係程樹狀串接成多級結構，形成一樹狀串接結構之多模干涉器。藉此，可使得本揭露中之多通道輸出光強度達到均勻一致之功效。需注意的是，本實施例中之1對2多模干涉器僅為示例，分光器101並不限於1對2多模干涉器。
請一併參閱圖1及圖3，圖3係為本揭露之一實施例之相控光學波導天線陣列之分光器與相位移位器之示意圖。如圖3所示，本揭露之光學波導天線陣列之相位移位器102的設計，採用在光學波導105上方設置一加熱器104以局部加熱光學波導105的方式來實現。藉此實現方式，本揭露之相位移位器102之設計係應用電阻式加熱效應來對光學波導105加熱。此加熱器可以一段金屬或半導體製成的電阻來實現。詳言之，金屬加熱器104加熱時係造成光學波導105的溫度升高，此時光學波導105的熱光效應將改變光學波導105的有效折射率，使光學波導105中的行進光產生相位差，從而調整每一相鄰通道的行進光產生相位差，提供一陣列的相位差給一陣列的光學波導天線，以藉由各光學波導天線階的相位差形成干涉控 制光束發射角度和場型。圖3即示例出光學波導105係為金屬加熱器104所覆蓋。
請再參閱圖1及圖4-5，圖4係為本揭露之一實施例之相控光學波導天線陣列之波導天線陣列之第一局部示意圖，而圖5係為本揭露之一實施例之相控光學波導天線陣列之分光器與波導天線陣列之放大圖，此圖未含相移器。如圖4-5所示，本揭露係採用漸變寬度週期性塊狀結構106來達到均勻散射出光並隔離鄰近光學波導105的交互作用。如圖4所示，漸變寬度週期性塊狀結構106的排列週期為P，漸變寬度週期性塊狀結構106的寬度為Wg，且漸變寬度週期性塊狀結構106與光學波導105的距離為D。圖4所示之W係為光學波導105寬度。這些參數必須優化達到：(1)光學波導105為單模波導；(2)延光的行進方向調整Wg與D達到均勻散射出光。此優化與所選用的光學波導結構與材料相關。其中，Wg與D係沿天線方向漸變。
請同時一併參閱圖1及圖4-5，本揭露之光學波導天線陣列103係可達到波導光束均勻出光之功效，且輻射角度接近垂直。如圖4-5所示，並連串的矩形塊狀的漸變寬度週期性塊狀結構106係可隔離光學波導105間不同相位的光彼此交互作用，使光學波導105可以排列更緊密。其中，於本揭露中，設計光學波導天線陣列103的方法是透過調整漸變寬度週期性塊狀結構106的寬度Wg與調整光學波導105間距D來抑制光束耦合至週期性結構，並減少輻射光束的次波瓣(sidelobe)及調整出光均勻度。
請再參閱圖6，圖6係為本揭露之一實施例之相控光學波導天線陣列之光學波導天線第二局部示意圖。因圖6所示之結構與圖4類似，故延 用圖4之元件標號。如圖6所示，本第二局部示意圖與前述第一局部示意圖之差異在於，漸變寬度週期性塊狀結構106係由一窄寬度波導107所串接。藉由串此窄寬度波導107串接漸變寬度週期性塊狀結構106，可達到增加製程均勻度之功效，並提供結構優化之彈性。除此之外，圖4及6之連串之矩型波導結構之材料係以矽為實施例。
接著請參閱圖7，圖7係為本揭露之一實施例之相控光學波導天線陣列之天線波導近場的場度分布圖。如圖7所示，經適當優化本實施例之光學波導天線陣列，並以500μm長的光學波導天線結構進行光學模擬其發射光的表現，顯示出光強度呈現均勻的趨勢。此外，以其實施例的模擬計算推估，光傳播在本揭露之結構中有比正常波導更好的光侷限性，且在波導中心與漸變寬度週期性塊狀結構的中心的間距為1μm下，其耦合長度比無此結構的波導多出368μm長。其中，圖7中之Re(E)表示輸出光場的電場實部。
請參閱圖8，圖8係為本揭露之一實施例之相控光學波導天線陣列之天線波導之遠場強度分布圖，係將模擬數據轉成遠場強度分布圖。如圖7所示，在光學波導天線間距為2.09μm時，遠場波導垂直方向會產生旁瓣，波束尺寸半高寬0.12度，而兩個旁瓣的大概位於+/-50度方位，可以其他光學方法濾除。
綜上，由於積體光學的不斷發展，光達系統晶片可以由CMOS半導體代工廠製造，作為積體化的整合矽光子晶片。其中，繞射光柵的光學波導天線是光學相控陣列的關鍵元件之一，用於使輸出光透過光學波導天線陣列晶片在遠場集束且有較小的發散角。繞射光柵已經在積體 光學領域廣泛的被研究。然而，由於波導內外的折射係數相差較大，大多數光集中在光柵的相對較前端輸出，也就是光輸出沿著光前進方向快速遞減，如此將使輸出光有較大發散角，影響空間解析度。因此，本揭露之新式繞射光柵結構(即本揭露之光學波導天線陣列103)來使光可以沿較長的光柵均勻散射出來，以縮小光束發散角度，提高空間掃描解析度。相較先前技術中僅對波導的寬度、厚度或光柵進行較小結構微調的微調改進，本案所提技術具有更大設計彈性、更大微影和蝕刻製程製造容許度，且可以實現更小的光束發散角。
綜上，本揭露係將雷射光源導入波導，通過分光器分光至多路波導，再利用熱光效應或相位調變調控各通道波導中光的相位，再將光傳播至特殊設計的光繞射型波導將光束均勻垂直發出。利用控制相鄰光學波導天線的相對相位延遲，將干涉形成集束的波束成型(beamforming)以減小光束發散角並利用調整相位改變光束角度。另外，本發明其中之一重點則在呈現具側向隔離結構型波導而使光源能均勻發散的設計。
綜上，本揭露係採取多模干涉器的分光設計，藉此可確保量產的可行性。而在相移器的設計上，本發明可採取條型電阻加熱式相移器，並透過熱分布模擬，將相移器適當分散配置，藉此可避免元件間的餘熱相互干擾相位調控。另外可採取其他如相位調變的相移器方法。
綜上，本揭露中光學波導天線設計方案部分，其結構形式為在兩條光學波導間插入週期性塊狀結構型波導。此類週期性塊狀結構型波導提供繞射光柵以將光的行進方向改為垂直輸出並控制其光束角度功能，並利用漸變寬度調整與光學波導天線波導間的光場耦合效率，以控制 繞射光比率。為能夠沿光學波導天線方向均勻出光，塊狀結構型波導的寬度必須漸次變寬。其中，本揭露為阻止光學波導天線間的光耦合，本揭露之漸變寬度週期性塊狀結構兼具有隔離波導天線間的光彼此耦合的作用，使得光學波導天線可以排列更緊密，以實現超高密度的光學波導天線陣列。
綜上，因本揭露將週期性塊狀結構做漸變寬度設計，藉此使近場的光場分佈更均勻，以達較小的光束發散角。本發明使用的塊狀波導結構有較大的製程容忍度，可以避免使用更精密製程的需求。因此，本揭露之結構有利於縮小天線發出的遠場光束。
綜上，本揭露其中之一特徵係改良淺蝕刻側邊光柵矽波導天線，以漸變寬度週期性塊狀結構提供均勻光散射並阻隔波導間的光耦合，進而設計成高密度波導陣列天線，以提高天線光束純度，也就是旁瓣帶離主帶(Main lobe)較遠。
可見本揭露在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，至感德便。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。其它任何未脫離本揭露之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應該包含於後附之申請專利範圍中。
10:相控光學波導天線陣列
101:分光器
102:相位移位器
103:光學波導天線陣列

Claims (11)

  1. 一種相控光學波導天線陣列，包括：一分光元件，該分光元件係將輸入一光信號分配至多個光學波導；一陣列的相位移位元件，該陣列之一相位移位元件係與該分光元件之一個輸出光學波導耦接；以及一陣列的光學波導天線，該光學波導天線係與該相位移位元件耦接；其中，每一光學波導天線兩側有一週期性塊狀結構以提供光學繞射與降低波導天線間的光耦合，該光學波導天線陣列藉由控制該光學相位移位元件的相位改變射出光束的角度或形狀。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之相控光學波導天線陣列，其中該分光元件係為1對多多模干涉器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之相控光學波導天線陣列，其中該分光元件係串接而成一樹狀串接多級結構。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之相控光學波導天線陣列，其中該分光元件之每一級係將一光信號分成二通道，且該二通道上之分光比約略相等。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之相控光學波導天線陣列，其中該週期性塊狀結構係成一連串之矩型波導結構。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之相控光學波導天線陣列，其中該週期性塊狀結構之寬度係沿天線方向漸變。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之相控光學波導天線陣列，其中該週期性塊狀結構由一窄寬度波導串接。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之相控光學波導天線陣列，其中該相位移位元件為一段鄰近加熱元件的波導。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之相控光學波導天線陣列，其中該相位移位元件為一電極控制的相位調變器。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之光學波導天線陣列，其中該連串之矩型波導結構之材料係為矽。
  11. 如申請專利範圍第6項所述之光學波導天線陣列，其中該波導天線陣列與該漸變寬度週期性結構係間隔排列。
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