一种大波长控制扫描角度的光学相控阵的制作方法

1.本发明属于集成光子器件领域，涉及一种大波长控制扫描角度的光学相控阵。


背景技术：

2.随着自动驾驶的兴起，激光雷达作为一种实现自动驾驶的重要传感器，吸引了人们的极大关注，传统的机械式激光雷达利用机械装置实现光束的扫描，由于机械装置的限制，光束的扫描速度受到极大的限制，并且机械式激光雷达一般体积大，造价昂贵。光学相控阵的引入可以消除机械装置，极大的降低激光雷达的体积，降低成本，提高光束的扫描速度。实际应用中人们希望光学相控阵有足够大的扫描角度。目前具备二维光束扫描功能的光学相控阵，都是利用发射单元的非均匀排布消除栅瓣来增大扫描角度，但是这种方法浪费了主瓣的能量。
3.因此，如何提供一种新的方式来扩大光学相控阵的扫描角度，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大波长控制扫描角度的光学相控阵，用于解决现有光学相控阵的扫描角度较小，或者在增大扫描角度的同时造成较大的主瓣能量损失的问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种大波长控制扫描角度的光学相控阵，包括：
6.光开关，包括多个输出端；
7.多个光学相控子阵列，分别与所述光开关的不同输出端相连，所述光学相控子阵列包括依次相连的分束器、移相器及发射光栅结构，不同所述光学相控子阵列的发射光栅结构的光栅周期不同。
8.可选地，所述光学相控阵包括第一光学相控子阵列与第二光学相控子阵列，所述第一光学相控子阵列与所述第二光学相控子阵列在相同的激光器波长范围内，对应的偏转角度互补。
9.可选地，所述光学相控阵包括2-100个所述光学相控子阵列。
10.可选地，所述移相器包括多个平行设置的移相单元，所述移相单元包括自下而上依次设置的移相波导、隔离层与加热器。
11.可选地，所述发射光栅结构包括多个平行设置的光栅单元，同一所述发射光栅结构中的多个光栅单元的光栅周期相同。
12.可选地，所述光栅单元包括自下而上依次设置的波导层、隔离层与光栅层，所述光栅层中设有光栅图案。
13.可选地，所述波导层的材质包括硅，所述隔离层的材质包括二氧化硅，所述光栅层的材质包括氮化硅。
14.可选地，所述移相器与所述发射光栅结构之间通过传输波导连接。
15.可选地，所述光学相控阵还包括硅衬底层及绝缘层，所述硅衬底层位于所述绝缘层下方，所述光学相控子阵列位于所述绝缘层上方。
16.可选地，所述光学相控阵还包括上包保护层，所述上包保护层包覆所述光学相控子阵列的显露表面。
17.如上所述，本发明的大波长控制扫描角度的光学相控阵包括光开光和多个光栅周期不同的光学相控阵子阵列，每个子阵列包括分束器、移相器以及发射光栅结构。本发明利用光开关加光学相控阵子阵列的方式来增大波长控制的扫描角度，其中，利用光开关选择工作的光学相控阵子阵列，两个子阵列在相同的激光器波长范围内，对应的偏转角度恰好互补，通过切换工作的子阵列就可以实现波长控制扫描角度的扩大，提高波长控制扫描角度的效率，通过增加子阵列的数量可以进一步增大波长控制的扫描角度。
附图说明
18.图1显示为本发明的大波长控制扫描角度的光学相控阵的结构框图。
19.图2显示为本发明的大波长控制扫描角度的光学相控阵中所述第一光学相控子阵列的发射光栅结构的发射角度随波长的变化的示意图。
20.图3显示为本发明的大波长控制扫描角度的光学相控阵中所述第二光学相控子阵列的发射光栅结构的发射角度随波长的变化的示意图。
21.图4显示为本发明的大波长控制扫描角度的光学相控阵的一种平面布局图。
22.图5显示为图4中椭圆虚线框所示区域的局部放大图。
23.元件标号说明
24.1光开关
25.2a第一光学相控子阵列
26.2b第二光学相控子阵列
27.201a、201b分束器
28.202a、202b移相器
29.203a、203b发射光栅结构
具体实施方式
30.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
31.请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
32.在实际应用中，通常需要光学相控阵具备二维光束扫描的能力，而且要求扫描角度要足够大，通常实现二维光束扫描的方案是在其中一个维度上用相位来控制，另一个维
度则利用光栅发射角度与波长的相关性来控制。光学相控阵的扫描角度在一个方向上受限于通道间隔大于半波长时而产生的栅瓣，而在另一个维度上因为利用光栅发射角度与波长的相关性去实现，因此在这个维度上的扫描角度受激光器带宽的影响。本发明提供一种新的大波长控制扫描角度的光学相控阵结构，利用光开关加光学相控阵子阵列的方式来增大波长控制的扫描角度。
33.请参阅图1，显示为本发明的大波长控制扫描角度的光学相控阵的结构框图，包括光开关1及多个光学相控子阵列，其中，所述光开关1包括多个输出端，多个所述光学相控子阵列分别与所述光开关1的不同输出端相连。
34.具体的，光开关是一种光路转换器件，其具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作。本实施例中，所述光开关1采用2
×
2光开光，其包括两个输入端及两个输出端，相应的，所述光学相控子阵列的数量以2个为例(第一光学相控子阵列2a与第二光学相控子阵列2b)，分别与所述光开关1的两个输出端相连。在其它实施例中，所述光开关的输出端数量及所述光学相控子阵列的数量可以更多，例如3-100个。
35.具体的，所述光学相控子阵列包括依次相连的分束器、移相器及发射光栅结构，不同所述光学相控子阵列的发射光栅结构的光栅周期不同。本实施例中，所述第一光学相控子阵列2a包括依次相连的分束器201a、移相器202a及发射光栅结构203a，所述第二光学相控子阵列2b包括依次相连的分束器201b、移相器202b及发射光栅结构20b，所述第一光学相控子阵列2a与所述第二光学相控子阵列2b的发射光栅结构的光栅周期设置为使所述第一光学相控子阵列2a与所述第二光学相控子阵列2b在相同的激光器波长范围内，对应的偏转角度互补。
36.作为示例，请参阅图2，显示为所述第一光学相控子阵列2a的发射光栅结构203a的发射角度随波长的变化的示意图，其角度变化范围是θ0～θ1。请参阅图3，显示为所述第二光学相控子阵列2b的发射光栅结构203b的发射角度随波长的变化的示意图，其角度变化范围是θ0～θ2，其中，θ2＝-θ1。
37.具体的，由于两个子阵列在相同的激光器波长范围内对应的偏转角度恰好互补，通过切换工作的子阵列就可以实现波长控制扫描角度的扩大，从而可以提高波长控制扫描角度的效率。
38.需要指出的是，在其它实施例中，通过增加子阵列的数量可以进一步增大波长控制的扫描角度。
39.作为示例，请参阅图4及图5，其中，图4显示为所述大波长控制扫描角度的光学相控阵的一种平面布局图，图5显示为图4中椭圆虚线框所示区域的局部放大图。可见，所述移相器202a及所述移相器202b均包括多个平行设置的移相单元，所述发射光栅结构203a及所述发射光栅结构203b均包括多个平行设置的光栅单元。本实施例中，同一所述发射光栅结构中的多个光栅单元的光栅周期相同。
40.具体的，分束器是可将一束光分成多束光的光学装置，本发明中，所述分束器将由所述光开关1的输出端输出的光分为多路光信号并分别输送至多个所述移相单元进行相位调制，产生所需的相位差。
41.作为示例，所述移相单元包括自下而上依次设置的移相波导、隔离层与加热器，其
中，通过改变加载至所述加热器两端电极的电压，使所述加热器对所述移相波导进行加热，从而改变所述移相波导的折射率，进而改变相邻移相波导的光束相位差。其中，移相波导与加热器之间的隔离层可采用二氧化硅层。
42.作为示例，所述光栅单元包括自下而上依次设置的波导层、隔离层与光栅层，所述光栅层中设有光栅图案，所述移相器与所述发射光栅结构之间通过传输波导连接。
43.作为示例，所述波导层的材质包括硅，所述隔离层的材质包括二氧化硅，所述光栅层的材质包括氮化硅。
44.作为示例，所述光学相控阵可基于绝缘体上硅(soi)晶圆制作，即所述光学相控阵还包括硅衬底层及绝缘层，所述硅衬底层位于所述绝缘层下方，所述光学相控子阵列位于所述绝缘层上方。
45.作为示例，基于soi晶圆制作本发明的光学相控阵的一种制作工艺的主要流程如下：
46.(1)提供一soi晶圆，所述soi晶圆包括自下而上依次层叠的底层硅、埋氧层及顶层硅，首先对所述顶层硅进行光刻、刻蚀等工艺以得到需要的硅波导图形；
47.(2)采用等离子体化学气相沉积法(pecvd)或其它合适的方法沉积第一sio2层，然后使用化学机械抛光(cmp)减薄第一sio2层以得到所需厚度的第一sio2隔离层；
48.(3)采用低压化学气相沉积法(lpcvd)、等离子体化学气相沉积法(pecvd)或其它合适的方法于第一sio2层上沉积一si3n4层，并对si3n4层进行光刻和刻蚀工艺以形成所述发射光栅结构所在区域的氮化硅层图形；
49.(4)采用等离子体化学气相沉积法(pecvd)或其它合适的方法沉积第二sio2层，然后使用化学机械抛光得到所需厚度的第二sio2隔离层；
50.(5)采用溅射法或其它合适的方法于第二sio2隔离层上形成所需厚度的加热器层，所述加热器层的材质可包括tin或其它合适的材料。
51.(6)用等离子体化学气相沉积法(pecvd)或其它合适的方法一sio2层作为器件的上包层以包覆所述光学相控子阵列的显露表面。
52.综上所述，本发明的大波长控制扫描角度的光学相控阵包括光开光和多个光栅周期不同的光学相控阵子阵列，每个子阵列包括分束器、移相器以及发射光栅结构。本发明利用光开关加光学相控阵子阵列的方式来增大波长控制的扫描角度，其中，利用光开关选择工作的光学相控阵子阵列，两个子阵列在相同的激光器波长范围内，对应的偏转角度恰好互补，通过切换工作的子阵列就可以实现波长控制扫描角度的扩大，提高波长控制扫描角度的效率，通过增加子阵列的数量可以进一步增大波长控制的扫描角度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
53.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种大波长控制扫描角度的光学相控阵，其特征在于，包括：光开关，包括多个输出端；多个光学相控子阵列，分别与所述光开关的不同输出端相连，所述光学相控子阵列包括依次相连的分束器、移相器及发射光栅结构，不同所述光学相控子阵列的发射光栅结构的光栅周期不同。2.根据权利要求1所述的大波长控制扫描角度的光学相控阵，其特征在于：所述光学相控阵包括第一光学相控子阵列与第二光学相控子阵列，所述第一光学相控子阵列与所述第二光学相控子阵列在相同的激光器波长范围内，对应的偏转角度互补。3.根据权利要求1所述的大波长控制扫描角度的光学相控阵，其特征在于：所述光学相控阵包括2-100个所述光学相控子阵列。4.根据权利要求1所述的大波长控制扫描角度的光学相控阵，其特征在于：所述移相器包括多个平行设置的移相单元，所述移相单元包括自下而上依次设置的移相波导、隔离层与加热器。5.根据权利要求1所述的大波长控制扫描角度的光学相控阵，其特征在于：所述发射光栅结构包括多个平行设置的光栅单元，同一所述发射光栅结构中的多个光栅单元的光栅周期相同。6.根据权利要求5所述的大波长控制扫描角度的光学相控阵，其特征在于：所述光栅单元包括自下而上依次设置的波导层、隔离层与光栅层，所述光栅层中设有光栅图案。7.根据权利要求6所述的大波长控制扫描角度的光学相控阵，其特征在于：所述波导层的材质包括硅，所述隔离层的材质包括二氧化硅，所述光栅层的材质包括氮化硅。8.根据权利要求1所述的大波长控制扫描角度的光学相控阵，其特征在于：所述移相器与所述发射光栅结构之间通过传输波导连接。9.根据权利要求1所述的大波长控制扫描角度的光学相控阵，其特征在于：所述光学相控阵还包括硅衬底层及绝缘层，所述硅衬底层位于所述绝缘层下方，所述光学相控子阵列位于所述绝缘层上方。10.根据权利要求1所述的大波长控制扫描角度的光学相控阵，其特征在于：所述光学相控阵还包括上包保护层，所述上包保护层包覆所述光学相控子阵列的显露表面。

技术总结
本发明提供一种大波长控制扫描角度的光学相控阵，该大波长控制扫描角度的光学相控阵包括光开关及多个光学相控子阵列，其中，光开关包括多个输出端；多个光学相控子阵列分别与光开关的不同输出端相连，光学相控子阵列包括依次相连的分束器、移相器及发射光栅结构，不同光学相控子阵列的发射光栅结构的光栅周期不同。本发明利用光开关加光学相控阵子阵列的方式来增大波长控制的扫描角度，其中，利用光开关选择工作的光学相控阵子阵列，两个子阵列在相同的激光器波长范围内，对应的偏转角度恰好互补，通过切换工作的子阵列就可以实现波长控制扫描角度的扩大，提高波长控制扫描角度的效率，通过增加子阵列的数量可以进一步增大波长控制的扫描角度。长控制的扫描角度。长控制的扫描角度。


技术研发人员：王庆 蔡艳 汪巍 余明斌
受保护的技术使用者：上海新微技术研发中心有限公司
技术研发日：2021.12.29
技术公布日：2023/7/13