一种基于稀疏矩阵结构的高分辨率低串扰相控阵扫描芯片

1.本发明涉及芯片技术领域，尤其涉及一种基于稀疏矩阵结构的高分辨率低串扰相控阵扫描芯片。


背景技术：

2.相控阵系统以其快捷的波束扫描模式、灵活的波形综合以及更高的发射功率特点，以广泛应用于雷达、遥感和通信领域。而相控阵矩阵决定整个相控阵系统性能的关键子系统，其好坏直接影响着全系统的分辨率、作用距离、体积和成本指标。
3.光学相控阵(opa)技术在芯片级提供了一种很有前途的非机械光束控制。许多铸造制造服务提供的硅光子学最新进展使得大规模集成opa能够以低成本大批量制造。由于高折射率对比度和成熟的互补金属氧化物半导体(cmos)兼容制造工艺，硅光子平台提供了强大的光限制，使元件间距较小，同时保持光学损耗可控。
4.硅光波导具有芯包层折射率差大、器件尺寸小、集成度高、性能稳定性高等优点，较之于目前的绝缘衬底上硅(soi)技术，其制作成本低且制备工艺简单。由于硅材料的优良特性，国内外对于硅波导的光器件研究广泛，例如微环谐振腔，光栅耦合器等。【在先技术：p.ginel-moreno et al.,"highly efficient optical antenna with small beam divergence in silicon waveguides,"opt.lett.45,5668-5671(2020).】。虽然稀疏矩阵的高分辨率硅光相控阵扫描芯片的传输损耗低，结构简单，光学性能良好，易于集成在光子集成电路中，但还未见稀疏矩阵的高分辨率硅光相控阵扫描芯片相关报道。因此如何利用稀疏矩阵硅光束偏转芯片实现对光束的扫描，成为现有技术中需要解决的问题。
5.此外，传统结构相控阵芯片要实现高分辨(小发散角)，要求天线的面积较大，而大视场扫描要求波导天线阵列间距较小，也即要求大规模的波导阵列来实现大的天线面积，进而导致芯片的移相器功耗较大，难以用cmos控制电路实现一体化集成。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种利用较少规模的波导阵列，实现高分辨、宽视场的光束扫描偏转控制的高分辨率低串扰相控阵扫描芯片。
7.为达到上述目的，本发明提出一种基于稀疏矩阵结构的高分辨率低串扰相控阵扫描芯片，包括基底、二氧化硅缓冲层、二氧化硅包层及基于硅波导的芯层；所述二氧化硅缓冲层设于所述基底上，所述芯层设于所述二氧化硅缓冲层上且包覆于所述二氧化硅包层内；
8.所述芯层包括多个具有相同结构参数的光分束单元、热光移相器和出射波阵列；可见光光束依次经过所述光分束单元、所述热光移相器和所述出射波导阵列，实现均匀分束、相位调制以及光束偏转。
9.进一步的，所述光分束单元和出射波导阵列位于所述二氧化硅包层内且位于所述二氧化硅缓冲层上；所述热光移相器置于所述二氧化硅包层上；
10.所述光分束单元包括多个基于硅波导的分束器；所述分束器的工作带宽1450-1750nm；在所述工作带宽内，所述输出端口之间的不均匀性小于0.5db。
11.进一步的，输入分束器和输出分束器均设有1个输入端口和4个输出端口。
12.所述分束器包括依次连接的输入段、多模干涉耦合段和输出段；
13.所述输入段包括输入直波导段和与所述输入直波导段连接的输入锥形波导段；所述输入锥形波导段的大端连接所述多模干涉耦合段；
14.所述输出段包括4个输出锥形波导段和与所述输出锥形波导段分别连接的输出直波导段；所述输出锥形波导段的大端与所述多模干涉耦合段连接。
15.进一步的，所述多模干涉耦合段的宽度12um；所述多模干涉耦合段的长度为60um；所述多模干涉耦合段的长度制作容差范围-4％到+4％。
16.进一步的，当所述分束器的工作波长为中心波长1550nm时，在所述制作容差范围内，所述分束器的输出总功率大于90％。
17.进一步的，所述输入锥形波导段的长度为2um，所述输入锥形波导段的大端的宽度为2.2um；所述输入锥形波导段的小端的宽度为0.5um；所述输入直波导段和输出直波导段的宽度为均为0.5um，长度均为8um；输出直波导段之间的间隔为1.5um；
18.所述输出锥形波导段的大端宽度为2.2um；输出锥形波导段的小端宽度为0.5um；所述输出锥形波导段的长度为2um。
19.进一步的，所述热光移相器为金属加热器；所述热光移相器置于所述分束器分束单元的输出通道上。
20.进一步的，所述二氧化硅包层的厚度为1um。
21.进一步的，所述出射波阵列包括多个不同长度相邻设置的波导光栅，所述波导光栅由400um长的刻蚀直波导组成，宽度为0.5um以基本保持单模条件，相邻的所述波导光栅之间的间隙为1.5um；
22.进一步的，所述波导光栅为硅周期光栅，相邻的所述两个所述硅周期光栅，周期为0.3-0.4um，占空比为0.5到0.8，宽度为0.12um，光栅数目为1500到2000；所述硅周期光栅之间间距为0.5um；相邻的两个所述硅周期光栅排列方式满足costas矩阵。
23.与现有技术相比，本发明的优势之处在于：
24.1)本发明基于新型半导体材料硅制作，尺寸小，结构紧凑且加工简单，制作容差大，产品良率高。
25.2)本发明的波导阵列可实现在1550nm光波段降低波导间串扰，实现高透过率，低插入损耗，在光相控阵领域具有重要的实用价值；并且本发明在波长为1550nm范围内，依旧保持较低的插入损耗和串扰，带宽达到80nm。
26.3)本发明的稀疏波导阵列结构在光束扫描方面可实现大角度扫描，面阵稀布率低于0.5且增益与满阵大致相当,其要创新点在于通过中间稀疏光栅结构，使得不同波导之间光的相位失配，对阵因子进行调制来抑制栅瓣进入自由空间，以达到增加单元间距，即稀疏的目的，从而提出一种结构紧凑、分辨率率高且串扰低的硅光相控阵扫描芯片在高密度集成波导元件、光学相控阵、具有大光束扫描角的固体激光雷达等领域具有重要的应用前景。本发明的制造设备与商用cmos制造设备兼容，所以可以实现大批量、低成本的生产。
附图说明
27.图1为本发明实施例的稀疏矩阵的高分辨率硅光相控阵扫描芯片的结构图；
28.图2为图1中分束器的结构图；
29.图3为图2中分束器处的稀疏矩阵的高分辨率硅光相控阵扫描芯片的截面图；
30.图4为本发明基于时域有限差分法模拟在中心波长为1550nm光入射时，分束器中光传输的场分布图；
31.图5为本发明基于时域有限差分法使用仿真软件lumerical fdtd solutions模拟在中心波长为1450-1750nm光入射时，各输出端口归一化后能量输出图；
32.图6为本发明基于时域有限差分法使用仿真软件lumerical fdtd solutions模拟在中心波长为1450-1750nm光入射时，稀疏矩阵的高分辨率硅光相控阵扫描芯片的远场扫描角度图；
33.图7为本发明一实施例的稀疏矩阵的高分辨率硅光相控阵扫描芯片的制作流程图。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。
35.如图1、3所示，一种可基于稀疏矩阵天线的高分辨率硅光相控阵扫描芯片，包括硅基衬底5、二氧化硅缓冲层6、二氧化硅包层8和硅波导的芯层7；二氧化硅缓冲层6设置在硅基衬底5上；二氧化硅包层8附在二氧化硅缓冲层6上；芯层7包括光分束单元、热光移相器3和出射波导阵列4；可见光光束依次经过光分束单元、热光移相器3和出射波导阵列4，实现均匀分束、相位调制以及光束偏转；光分束单元和出射波导阵列4位于述二氧化硅包层8内且位于述二氧化硅缓冲层7上；热光移相器3置于二氧化硅包层8上；光分束单元包括多个基于氮化硅波导的分束器；分束器的工作带宽1450-1750nm。
36.在本实施例中，输入分束器与输出分束器串联；输入分束器均设有1个输入端口和4个输出端口。保证每路光束在到达出射波导阵列4时通过相同的传播路径一致即保证相位相同。
37.如图2所示，分束器包括依次连接的输入段、多模干涉耦合段和输出段；输入段包括输入直波导段和与输入直波导段连接的输入锥形波导段；输入锥形波导段的大端连接多模干涉耦合段；输出段包括4个输出锥形波导段和与输出锥形波导段分别连接的输出直波导段；输出锥形波导段的大端与多模干涉耦合段连接。具体的，多模干涉耦合段的宽度e为12um；多模干涉耦合段的长度d为60um；多模干涉耦合段的长度d制作容差范围-4％到+4％；输入锥形波导段的长度b为2um，输入锥形波导段的大端的宽度c为2.2um；输入锥形波导段的小端的宽度为0.5um；输入直波导段的宽度a和输出直波导段的宽度为均为0.5um，长度均为8um；输出直波导段之间的间隔为1.5um；输出锥形波导段的大端宽度f为2.2um；输出锥形波导段的小端宽度为0.5um；输出锥形波导段的长度g为8um。
38.当分束器的工作波长设置为中心波长1550nm时，在多模干涉耦合段最佳长度为60微米的基础上，在长度制作容差范围内，即改变多模干涉耦合段的长度d，得到不同长度情况下分束器的输出总功率均大于90％。耦合段的最佳耦合宽度为12um时，在不改变分束器
此规格的情况下，通过设置分束器的工作带宽即输入不同波长的可见光，得到的不同工作波长情况下的输出端口之间的不均匀性均小于0.5db。其中，分束器的输出总功率为4个输出端口的总输出能量与一个输入端口的输入能量比。
39.在本实施例中，输入分束器1和输出分束器2的结构相同。设计时，计算在1550nm波长入射下不同宽度的波导对应最佳耦合长度以及输出波导的最优化结构。具体的，输入分束器1和输出分束器2的参数设计过程如下：为了优化输入光束和输出光束的光耦合，提高分束器的效率，提升多级分束单元，即1个输入分束器1和4个输出分束器2在工作波段的工作性能，在多级分束单元设计时，引入了一种基于锥形结构的光波导模型，克服了常用方法中遇到的低损耗设计问题。具体步骤为：
40.首先由选定的入射波长λ以及耦合区域的波导宽度，再由有效宽度计算出耦合区域的长度，初步得到理论上可见光波段均匀分束的器件参数；然后通过计算电磁学的时域有限差分法对可1450-1750nm波段硅光分束器设计参数进行优化，使其满足中心波长1550nm的te偏振光均匀分束成相位、光强一致的4路输出。
41.经过上述设计优化后的输入分束器1和输出分束器2，在工作中心波长1550nm的传输损耗将小于0.1db，各个输出端口之间的不均匀性小于0.1db，可实现对te偏振光为0.1db均匀输出比。
42.在本实施例中，热光移相器3为加热器；热光移相器3附在二氧化硅包层8上并置于分束单元的输出端。采用热光调制器结构的移相器，实现高效低损耗的相位控制。热光移相器3通电加热芯层7，而基于氮化硅波导的芯层7的折射率与温度有关，由此控制通过波导的光相位。若热光移相器3离输出分束器2较近，则调制效率较高，但热光移相器3对波导中传输的光有吸收作用，导致光的传输损耗较大；但若热光移相器3离输出分束器2较远，则光的传输损耗较小，调制效率也不高。最终权衡不同电极位置与形貌对调制效率与光传输损耗的影响选定二氧化硅包层8厚度为1um。为完成高效低损耗的相位控制，加热器部分采用高电阻的ti/pt金属材料，加热器的厚度为100nm，加热器的面积为250
×
5um2；加热器与外部电流源连接的电极部分选用电阻率低ti/au金属材料，使加热器的效率更高，损耗更小。
43.对于稀疏周期光栅的设计，通过在稀疏直波导上刻蚀同周期和占空比的光栅结构以达到抑制波导耦合的作用，选择一种周期光栅结构，周期为0.3-0.4um，占空比为0.5到0.8，宽度为0.12um，光栅数目为1500到2000。相邻波导光栅结构之间间隙为0.5um。
44.对于性能参数的比较，η入射为从入射端口入射光的透射率，η耦合为与输入波导耦合的输出波导的透射率，η直通为输入波导直通的输出波导端口的透射率。优化后的结构，η直通可以达到86.7％，η耦合低至0.8％。相关指标为:插入损耗(il)为10lg((η直通+η耦合)/η入射)，峰值串扰为10lg(η直通/η耦合)。
45.对于光栅排布的设计，根据惠更斯-菲涅耳原理，传播波的波前上的每个点可以被认为是点源，并且任何后续点处的波前可以通过将来自每个单独点源的贡献相加来找到。一个理想的衍射光栅可以认为由一组等间距的无限长无限窄狭缝组成，狭缝之间的间距为d，称为光栅常数。当波长为λ的平面波垂直入射于光栅时，每条狭缝上的点都扮演了次波源的角色；从这些次波源发出的光线沿所有方向传播(即球面波)。由于狭缝为无限长，可以只考虑与狭缝垂直的平面上的情况，即把狭缝简化为该平面上的一排点。则在该平面上沿某一特定方向的光场是由从每条狭缝出射的光相干叠加而成的。在发生干涉时，由于从每条
狭缝出射的光的在干涉点的相位都不同，它们之间会部分或全部抵消。首先理解光栅的单缝衍射和多缝相干相长干涉理论，当从相邻两条狭缝出射的光线到达干涉点的光程差是光的波长的整数倍时，两束光线相位相同，就会发生干涉加强现象。然后依据此理论推导n路天线opa的远场(ffp)的强度分布与近场(nfp)之间的一般关系，由于天线的远场强度分布是由近场通过傅里叶变换得到，而远场的光强度是远场的复振幅分布平方，通过带入转换可以得到近场强度分布和光强的关系，通过对转换后光强公式可以得到位移向量对光强的影响。
46.天线的近场分布为：
[0047][0048]
天线的远场复振幅分布情况为：
[0049]
f(ξ)＝∫∫e(r)exp[ik0(r.ξ)]d2r
[0050]
则远场的光强度分布为：
[0051]
i(ξ)＝|f(ξ)|2＝∫∫∫e(r)e*(r)exp[ik0(r-r
′
)
·
ξ]d2rd2r
′
＝∫∫r
ee
(δ)exp[ik0(δ
·
ξ)]d2δ
[0052]ree
(δ)表示近场分布情况在空间域中的自相关函数。而其可以表示为：
[0053]ree
(δ)＝r
uu
(δ)*r
aa
(δ)
[0054]
引入天线排布的自相关系数：
[0055][0056]
其中δ＝r-r
′
，δ＝r
n-rm，δ是dirac的δ函数，其分别是来自每个天线的电场分布和阵列布局的自相关函数。因为每个天线阵列布局和天线的电场分布自相关函数的卷积通过傅里叶变换可得到远场的光强分布，所以天线矩阵的排布方式会直接影响远场的光强分布情况。通过costas矩阵的排列形式可在实现远场光场相干相长的前提下更加精细的采样分辨率。
[0057]
最终设计的稀疏矩阵的高分辨率硅光相控阵扫描芯片，可实现在1450-1750nm波段输入te偏振光，波导间耦合现象显著改善，插入损耗低，串扰降低，光束偏转方面可实现大角度扫描，在光学相控阵和扫描方面可以得到应用。
[0058]
(二)器件制作
[0059]
首先，在绝缘体上硅基片(soi)上，镀上二氧化硅膜作为刻蚀波导的掩膜。然后使用电子束光刻和等离子刻蚀等制备波导，实时监控刻蚀深度，可得到表面平坦的硅波导。随后，样品经过二氧化硅刻蚀，hf腐蚀液中加入一定的氟化氨作为缓冲剂，形成腐蚀液缓冲氟化氢(bhf)，用于除去硅波导表面的二氧化硅。再经过湿化学工艺清洗(rca)去除硅表面杂质后，使用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)在硅波导上镀二氧化硅包覆层，最后切割样品。
[0060]
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。本发明提出了一种采用纳米线辅助的阵列波导光栅，它可以
在低的插入损耗的情况下实现高的均匀性。并且在引入该纳米线时，该波导光栅的整体尺寸将保持不变。
[0061]
本发明提出的稀疏矩阵天线的高分辨率硅光相控阵扫描芯片设计简单易制作，没有任何额外的插入损耗，可以低成本大批量的生产，有望在高度集成的雷达系统中得到广泛应用。
[0062]
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于稀疏矩阵结构的高分辨率低串扰相控阵扫描芯片，包括基底、二氧化硅缓冲层、二氧化硅包层及基于硅波导的芯层；所述二氧化硅缓冲层设于所述基底上，所述芯层设于所述二氧化硅缓冲层上且包覆于所述二氧化硅包层内；其特征在于，所述芯层包括多个具有相同结构参数的光分束单元、热光移相器和出射波阵列；可见光光束依次经过所述光分束单元、所述热光移相器和所述出射波导阵列，实现均匀分束、相位调制以及光束偏转。2.根据权利要求1所述的基于稀疏矩阵结构的高分辨率低串扰相控阵扫描芯片，其特征在于，所述光分束单元和出射波导阵列位于所述二氧化硅包层内且位于所述二氧化硅缓冲层上；所述热光移相器置于所述二氧化硅包层上；所述光分束单元包括多个基于硅波导的分束器；所述分束器的工作带宽1450-1750nm；在所述工作带宽内，所述输出端口之间的不均匀性小于0.5db。3.根据权利按要求2所述的基于稀疏矩阵结构的高分辨率低串扰相控阵扫描芯片，其特征在于，输入分束器和输出分束器均设有1个输入端口和4个输出端口。所述分束器包括依次连接的输入段、多模干涉耦合段和输出段；所述输入段包括输入直波导段和与所述输入直波导段连接的输入锥形波导段；所述输入锥形波导段的大端连接所述多模干涉耦合段；所述输出段包括4个输出锥形波导段和与所述输出锥形波导段分别连接的输出直波导段；所述输出锥形波导段的大端与所述多模干涉耦合段连接。4.根据权利按要求3所述的基于稀疏矩阵结构的高分辨率低串扰相控阵扫描芯片，其特征在于，所述多模干涉耦合段的宽度12um；所述多模干涉耦合段的长度为60um；所述多模干涉耦合段的长度制作容差范围-4％到+4％。5.根据权利按要求4所述的基于稀疏矩阵结构的高分辨率低串扰相控阵扫描芯片，其特征在于，当所述分束器的工作波长为中心波长1550nm时，在所述制作容差范围内，所述分束器的输出总功率大于90％。6.根据权利按要求3所述的稀疏矩阵的高分辨率硅光相控阵扫描芯片，其特征在于，所述输入锥形波导段的长度为2um，所述输入锥形波导段的大端的宽度为2.2um；所述输入锥形波导段的小端的宽度为0.5um；所述输入直波导段和输出直波导段的宽度为均为0.5um，长度均为8um；输出直波导段之间的间隔为1.5um；所述输出锥形波导段的大端宽度为2.2um；输出锥形波导段的小端宽度为0.5um；所述输出锥形波导段的长度为2um。7.根据权利按要求1所述的稀疏矩阵的高分辨率硅光相控阵扫描芯片，其特征在于，所述热光移相器为金属加热器；所述热光移相器置于所述分束器分束单元的输出通道上。8.根据权利按要求7所述的稀疏矩阵的高分辨率硅光相控阵扫描芯片，其特征在于，所述二氧化硅包层的厚度为1um。9.根据权利要求1所述的稀疏矩阵的高分辨率硅光相控阵扫描芯片，其特征在于，所述出射波阵列包括多个不同长度相邻设置的波导光栅，所述波导光栅由400um长的刻蚀直波导组成，宽度为0.5um以基本保持单模条件，相邻的所述波导光栅之间的间隙为1.5um。10.根据权利要求9所述的稀疏矩阵的高分辨率硅光相控阵扫描芯片，其特征在于，所述波导光栅为硅周期光栅，相邻的所述两个所述硅周期光栅，周期为0.3-0.4um，占空比为
0.5到0.8，宽度为0.12um，光栅数目为1500到2000；所述硅周期光栅之间间距为0.5um；相邻的两个所述硅周期光栅排列方式满足costas矩阵。

技术总结
本发明提出一种基于稀疏矩阵天线的高分辨率硅光相控阵扫描芯片，包括硅基衬底、二氧化硅缓冲层、二氧化硅包层和基于硅波导的芯层；芯层包括光分束单元、热光移相器和出射光栅波导阵列；光分束单元和出射光栅波导阵列位于二氧化硅包层内且位于二氧化硅缓冲层上；热光移相器置于二氧化硅包层上；光分束单元包括多个基于硅波导的分束器；分束器的工作带宽1450-1750nm。本发明通过引入自相关因子来设计稀疏光栅结构，使得不同波导之间光的相位失配，对阵因子进行调制来抑制栅瓣进入自由空间，以达到改变波导光栅长度，即稀疏的目的，从而提出一种结构紧凑、分辨率高且串扰低的硅光相控阵扫描芯片。相控阵扫描芯片。相控阵扫描芯片。


技术研发人员：冯吉军 刘海鹏 任文波 张福领 封治华
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/7/12