一种光学相控阵雷达光束扫描技术及波导制备方法与流程

1.本发明设计一种光学相控阵雷达光束扫描技术及波导制备方法，设计光学波导激光雷达领域，特别设计一种光学相控阵雷达及光波导芯片。


背景技术：

2.表面等离子体为实现波矢匹配及激发表面等离子体波，通常需要在固定入射波长的情况下，对激光束的入射角度进行一定范围的扫描，通过观察在等离子体波激发情况下宽光谱的变化，确定表面等离子体系统实现波矢匹配。其中，激光光束入射角度的扫描精度及扫描范围在一定程度上决定了表面等离子体实现波矢匹配的精确性及可靠性，同时也决定了表面等离子体适用系统，如传感及显微系统的分辨率和精度。
3.目前，激光扫描系统通常由激光光源、光学元件和控制系统组成，可以实现激光束在平面内的平移或在空间内的转动。根据激光与工作物质相互作用的特点，激光扫描系统可以分为不同类型。其中，折射扫描系统利用折射现象，通过改变光线在介质中的传播方向来控制激光束的偏转，常用于光学显微镜、医疗设备等领域。反射扫描系统则利用反射现象，通过反射镜或反射棱镜来实现激光束的偏转，广泛应用于激光打印、激光雷达等领域。此外，衍射扫描系统利用光的衍射效应，通过控制光束通过光栅或光学衍射元件来实现激光束的偏转。双折射扫描系统则利用光在双折射晶体中的不同传播速度，通过控制晶体的电场来调整激光束的偏转角度。而干涉扫描系统则基于激光干涉效应，通过干涉光束的干涉条纹来控制激光束的偏转角度和位置，常用于激光干涉仪、光学测量等领域。
4.以上激光束扫描系统通常需要借助机械偏转器、声光偏转器，其中机械偏转器应用技术是目前最成熟的一种偏光方法，机械偏转技术是利用反射或者折射等光学元件的偏转和偏振来改变光的方向，并且反射光学元件需要和机械部件联动实现扫描，机械扫描技术在扫描范围大、光损耗小方面具有优点，但由于其机械转动元件的存在，结构复杂且精密，造价昂贵，并且扫描速度较慢，线性扫描范围有限。并且激光扫描系统通常需要精密的光学设计和高度复杂的控制算法。同时，由于机械部件的原因，其扫描范围和扫描速度被限制，且系统可能在大范围扫描时存在光的能量损失或光斑畸变的问题，而一些系统在高速扫描时可能存在控制和精度的挑战。因此，机械扫描技术在性能及扫描范围方面存在限制，难以满足传感及显微技术对扫描速度不断提高的需求，同时将其应用在表面等离子体入射角扫描实现波矢匹配时，也存在系统调控精度的问题，在一定程度上使得增加了系统调试的困难度。
5.基于电控光束扫描的光波导的相控阵雷达扫描技术原理与微波相控阵类似，整体由多个相位调制单元构成，单元由掺杂及本征材料构成芯层和包层结构，在有效约束及耦合激光束传播同时，芯层和包层通过不同的掺杂浓度可被视作电极，可以控制调制器内部的附加折射率差，从而可以控制每个相位调制器出射端光场的附加相位，在施加场压时实现光束偏转。利用光波导相控阵雷达，能通过耦合不同波导器件实现光束的控制及传感，因而实现光子器件的集成化和小型化。由于光被约束在波导芯层传播，因而在光传输及耦合
上不存在例如传统机械部件扫描所引入的光能损失和光斑畸变的问题。同时，光学相控阵雷达利用光学相位调控技术，能够在微米级的尺度上调节光束的相位，从而实现高精度的波束控制。这使得光学相控阵雷达具有极高的角度和距离分辨率，能够在目标探测、跟踪和识别方面表现出色，特别在高精度目标探测和跟踪任务中具有优势。在光束扫描精度分辨率及响应度上，光学相控阵雷达的光学元件具有较高的灵活性和快速响应速度，能够迅速改变波束的指向和形状，从而灵活应对不同场景下的目标探测需求，光学相控阵雷达还能够实现多波束扫描和多任务并行处理，提高了扫描系统的多任务处理能力。因而针对表面等离子体入射角度扫描技术精确调控难，机械部件传动影响扫描速度的问题，提出基于平面波导的用于调控表面等离子体入射角的光学相控阵雷达，最终实现高速率、高精度、大偏转范围的光束扫描系统，提高了表面等离子体入射角调控及扫描的精度，整体降低了波矢匹配与等离子体波激发的系统调控复杂度。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种光学相控阵雷达光束扫描技术及波导制备方法，并使用组分控制技术及材料掺杂度形成电极层，通过电极层施加场压，实现高精度、高响应度、大范围的光束扫描及偏转系统。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种光学相控阵雷达光束扫描技术及波导制备方法，其特征在于，所述光学相控阵雷达波导制备方法及表面等离子体入射角及光束扫描技术实现包括以下步骤：步骤a、将gaas切割成5 cm*5 cm，使用砂纸对衬底表面抛光后，在去离子水、乙醇、丙酮和异丙醇中浸泡，然后使用超声机清洗。然后使用流动的去离子水冲洗1分钟，使用氮气及烘干版加热对衬底烘干，完成对所述显微芯片的清洗；步骤b、将准备好的gaas衬底放置在分子束外延设备的衬底架上，预热衬底至400 ℃至500 ℃之间，然后逐渐升温在600 ℃至700 ℃之间；步骤c、使用离子泵控制反应室内的气体压力，并控制分子束外延algaas薄膜的生长速率，al和ga源材料的流量比例调整为1:3，完成分子束外延设备的控制系统参数设置；步骤d、启动分子束外延设备，使用电子轰击源加热腔内温度至900 ℃，使高纯度ga、as、al和有机金属挥发形成分子束，控制生长速率形成algaas薄膜的生长；步骤e、当掺杂algaas薄膜即相控阵雷达包层生长至目标要求，停止分子束外延生长，然后将衬底和生长的algaas薄膜缓慢冷却至室温；步骤f、将gaas衬底表面生长的algaas薄膜取出，并对algaas薄膜进行化学机械抛光，薄膜抛光后使用去离子水清洗，并且使用氮气吹干表面，完成包层制备；步骤g、将生长有掺杂algaas薄膜的gaas衬底放入分子束外延设备中，预热设备至300 ℃；步骤h、使用溅射对掺杂源进行纯化处理，将低挥发性杂质在高温下挥发或从掺杂源中去除，降低掺杂源中低挥发性杂质的含量达到99.999%；步骤i、将分子束外延腔内温度加热至600 ℃，控制真空度及生长速率，其中al和ga源材料的流量比例调整为2:3，完成分子束外延设备的控制系统参数设置；步骤j、启动分子分子束外延设备，当无掺杂本征型的algaas薄膜即相控阵雷达芯层生长0.55 μm时，生长结束后，将衬底和生长的无掺杂本征型algaas薄膜缓慢冷却至室温，并进行退火处理，加热至300℃并保持一段时间；步骤k、将衬底上生长有掺杂algaas薄膜及无掺杂本征型的algaas薄膜波导取出，并对无掺杂本征型algaas薄膜进行化学机械抛光，抛光头与抛光垫转速为30 r/min，采用二氧化硅抛光液，抛光液流速为50 ml/min，抛光压力为20 kpa，最终
对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
15.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
16.本发明设计一种可调控表面等离子体入射角的光学相控阵雷达光束扫描技术及波导制备方法，设计光学波导激光雷达领域，特别设计一种光学相控阵雷达及光波导芯片。该光学相控阵雷达波导具有体积小、可与光学波导器件集成的特点，与现有调控表面等离子体入射角的机械扫描技术相比，基于光波导的相控阵雷达技术具有高精度、高响应等特点，在表面等离子体激发波矢匹配及系统调控中将显著由于传统机械激光扫描技术。
17.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：首先，选取gaas材料作为光学相控阵雷达波导的衬底，algaas作为包层，无掺杂的本征层algaas作为芯层。使用切割机将gaas晶片切割成5 cm*5 cm的长方形衬底，并使用细砂纸对切割好的gaas晶片进行抛光。然后使用高纯度的去离子水对gaas晶片进行清洗，以去除表面的尘埃、污染物和轻微的有机物残留，将样品放入去离子水中，清洗1分钟。接下来，将gaas晶片转移到超声清洗机中分别使用乙醇、丙酮、异丙醇来浸泡gaas晶片表面的有机污染物和油脂，浸泡时间3分钟后使用30w的超声功率进行清洗。将样品放入去离子水中，进行超声功率10w的清洗，然后使用流动的去离子水冲洗1分钟。最后，使用氮气对石英圆片进行吹干，并将吹干的石英圆片放置于垫有无尘纸的加热板上，将温度设定为120摄氏度，对石英表面可能残留的水分进行烘干，完成对衬底的清洗。
18.然后，将准备好的gaas衬底放置在分子束外延设备的衬底架上，进行预热步骤，使衬底温度升至设定的预热温度，在400 ℃至500 ℃之间，并为后续的外延生长做好准备。在预热完成后，将衬底加热温度逐渐升高至目标生长温度，在600 ℃至700 ℃之间，加热速率逐渐增加。使用离子泵进行分子束外延腔室抽真空，将反应室内的气体压力在10^-6至10^-8 torr，控制分子束外延algaas薄膜的生长速率为0.5
ꢀå
/s，其中al和ga源材料的流量比例调整为1:3，使algaas薄膜成分比例为al0.3ga0.7as，完成分子束外延设备的控制系统参数设置。使用高纯度的氢气作为载气，启动分子束外延设备。使用电子轰击源加热腔内温度至900 ℃，使高纯度ga、as、al和有机金属挥发形成分子束，通过对高纯度的源材料进行电离或电子轰击，产生带电的离子或电子束，然后通过电磁透镜系统将带电束流聚焦并瞄准到gaas衬底表面，控制生长速率形成algaas薄膜的生长。生长过程中，通过光束蒸发探测器或反射高能电子探测器等方法进行实时监测，以控制生长的成分比例为al0.3ga0.7as和1.44 μm厚度作为相控阵雷达包层。当掺杂algaas薄膜即相控阵雷达包层生长至1.44 μm时，停止分子束外延生长，然后将衬底和生长的algaas薄膜缓慢冷却至室温，以减少应力和提高薄膜质量。将gaas衬底表面生长的algaas薄膜取出，并对algaas薄膜进行化学机械抛光，其中抛光法中的抛头在一定压力下与抛光垫、抛光液接触接触，与抛光垫同向转动，抛光头与抛光垫转速为30 r/min，采用二氧化硅抛光液，抛光液流速为50 ml/min，抛光压力为20 kpa，薄膜抛光后使用去离子水清洗，并且使用氮气吹干表面。
19.然后，将生长有掺杂algaas薄膜的gaas衬底放入分子束外延设备中，并且预热设备至300 ℃。控制algaas具有较高的化学纯度和晶体纯度，然后使用溅射对掺杂源进行纯化处理，将低挥发性杂质在高温下挥发或从掺杂源中去除，降低掺杂源中低挥发性杂质的含量达到99.999 %。提升分子束外延腔内温度至600 ℃，控制真空度在10^-6 torr，控制分
子束外延algaas薄膜的生长速率在0.2
ꢀå
/s，其中al和ga源材料的流量比例调整为2:3，使algaas薄膜成分比例为al0.67ga0.33as，完成分子束外延设备的控制系统参数设置。启动分子分子束外延设备，在生长过程中控制掺杂源的供应流量，减少掺杂杂质的引入，并且在生长无掺杂的本征algaas薄膜时，通过实时监测生长过程中的光谱、电学性能等参数，确保无掺杂本征型的algaas薄膜生长。通过实时监测生长过程中的光谱参数，当无掺杂本征型的algaas薄膜即相控阵雷达芯层生长0.55 μm时，生长结束后，将衬底和生长的无掺杂本征型algaas薄膜缓慢冷却至室温，并进行退火处理，加热至300 ℃并保持一段时间，优化薄膜的晶体质量。将衬底上生长有掺杂algaas薄膜及无掺杂本征型的algaas薄膜波导取出，并对无掺杂本征型algaas薄膜进行化学机械抛光，其中抛光法中的抛头在一定压力下与抛光垫、抛光液接触接触，与抛光垫同向转动，抛光头与抛光垫转速为30 r/min，采用二氧化硅抛光液，抛光液流速为50 ml/min，抛光压力为20 kpa，最终实现薄膜抛光，最后使用去离子水清洗，并且使用氮气吹干表面，完成相控阵雷达中衬底、包层、芯层的单层制备，然后重复以上对于包层及芯层的制备步骤，完成通道数量为10的包层及芯层叠加制备。
20.最后，通道数量为10的光学相控阵雷达波导制备完成后经切片和镀增透膜，从电极层即无掺杂本征型及掺杂algaas薄膜中引出控制线，并连接至控制电源。利用单片机作为电压控制系统，通过定义单片机输出引脚及8位数据总线控制电压，通过8位数据总线将控制电压数据串行输出给8位dac并且同步触发转换，输出多路电压信号。其中，不同偏转角对应于不同电极层的驱动电压值，并依据不同极层的电压值将其排布为二进制数据，利用单片机存储器存储电压数据。单片机发出通道信号后，由8位dac转换为模拟信号，并且经过运放电路变为电压信号后加载到相控阵雷达对应得电极层上，完成对应扫描角度的电压加载。固定多波长激光器于三维位移平台上，并且通过调整位移平台，使得多波长激光与自聚焦透镜及光波导相控阵雷达芯片对准，将可改变角度的激光束经相控阵雷达调相后照射至表面等离子体入射面，通过改变电极电压实现表面等离子体入射角调控。通过施加外加电场，对光学相控阵施加最低电压-7.79 v到最高电压8.7 v的场压，控制入射激光束最大偏转角度13.6
°
。在等离子体激发结构后端放置同样的自聚焦透镜，激发光通过自聚焦透镜耦合进光中，并连有光谱仪进行激发波长和匹配角度的数据处理和分析。

技术特征：
1.一种光学相控阵雷达光束扫描技术及波导制备方法，其特征在于，所述相控阵雷达光波导制备包括以下步骤：步骤a、将gaas切割成5 cm*5 cm，使用砂纸对衬底表面抛光后，在去离子水、乙醇、丙酮和异丙醇中浸泡，然后使用超声机清洗。然后使用流动的去离子水冲洗1分钟，使用氮气及烘干版加热对衬底烘干，完成对所述显微芯片的清洗；步骤b、将准备好的gaas衬底放置在分子束外延设备的衬底架上，预热衬底至400 ℃至500 ℃之间，然后逐渐升温在600 ℃至700 ℃之间；步骤c、使用离子泵控制反应室内的气体压力，并控制分子束外延algaas薄膜的生长速率，al和ga源材料的流量比例调整为1:3，完成分子束外延设备的控制系统参数设置；步骤d、启动分子束外延设备，使用电子轰击源加热腔内温度至900℃，使高纯度ga、as、al和有机金属挥发形成分子束，控制生长速率形成algaas薄膜的生长；步骤e、当掺杂algaas薄膜即相控阵雷达包层生长至目标要求，停止分子束外延生长，然后将衬底和生长的algaas薄膜缓慢冷却至室温；步骤f、将gaas衬底表面生长的algaas薄膜取出，并对algaas薄膜进行化学机械抛光，薄膜抛光后使用去离子水清洗，并且使用氮气吹干表面，完成包层制备；步骤g、将生长有掺杂algaas薄膜的gaas衬底放入分子束外延设备中，预热设备至300
ꢀ°
c；步骤h、使用溅射对掺杂源进行纯化处理，将低挥发性杂质在高温下挥发或从掺杂源中去除，降低掺杂源中低挥发性杂质的含量达到99.999 %；步骤i、将分子束外延腔内温度加热至600摄氏度，控制真空度及生长速率，其中al和ga源材料的流量比例调整为2:3，完成分子束外延设备的控制系统参数设置；步骤j、启动分子分子束外延设备，当无掺杂本征型的algaas薄膜即相控阵雷达芯层生长结束后，将衬底和生长的无掺杂本征型algaas薄膜缓慢冷却至室温，并进行退火处理，加热至300℃并保持一段时间；步骤k、将衬底上生长有掺杂algaas薄膜及无掺杂本征型的algaas薄膜波导取出，并对无掺杂本征型algaas薄膜进行化学机械抛光，抛光头与抛光垫转速为30 r/min，采用二氧化硅抛光液，抛光液流速为50 ml/min，抛光压力为20 kpa，最终实现薄膜抛光使用去离子水清洗，并且使用氮气吹干表面，完成相控阵雷达中衬底、包层、芯层的单层制备；步骤l、重复步骤b至步骤k，完成通道数量为10的包层及芯层叠加制备，并在制备完成后经切片和镀增透膜,并从电极层引出控制线连接至控制电源。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c所述的腔体压力保持在10^-6至10^-8 torr，分子束外延algaas薄膜的生长速率为0.5
ꢀå
/s。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤e所述的包层生长厚度为1.44 μm。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤j所述的芯层生长厚度为0.55 μm。5.一种光学相控阵雷达光束扫描技术及波导制备方法，其特征在于，所述相控阵雷达光束扫描技术包括以下步骤：步骤ⅰ、不同偏转角对应于不同电极层的驱动电压值，并依据不同极层的电压值将其排布为二进制数据利用单片机存储器存储电压数据；步骤ⅱ、单片机发出通道信号后，由8位dac转换为模拟信号，并且经过运放电路变为电
压信号后加载到相控阵雷达对应得电极层上，完成对应扫描角度的电压加载；步骤ⅲ、固定多波长激光器于三维位移平台上，调整位移平台，使得多波长激光与自聚焦透镜及光波导相控阵雷达芯片对准，将可改变角度的激光束经相控阵雷达调相后照射至表面等离子体入射面，改变电极电压实现表面等离子体入射角调控；步骤ⅳ、通过施加外加电场，对光学相控阵施加最低电压-7.79 v到最高电压8.7 v的场压，控制入射激光束最大偏转角度13.6
°
；步骤
ⅴ
、在等离子体激发结构后端放置同样的自聚焦透镜，激发光通过自聚焦透镜耦合进光纤中，并连有光谱仪进行激发波长和匹配角度的数据处理和分析。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤ⅰ所述的偏转角度电信号转换实现，通过将扫描角度转换为不同极层施加电压值的二进制数据，并利用单片机存储器存储电压数据。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤ⅲ所述的表面等离子体入射角调控，是经多波长激光器及自聚焦透镜耦合进相控阵雷达光波导并经过施加极层电压后改变出射光束偏转角即激发结构入射角度而实现。8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤ⅳ所述的光学相控阵雷达施加电压范围包括但不仅限于最低电压-7.79 v到最高电压8.7 v。

技术总结
本发明提出了一种光学相控阵雷达光束扫描技术及波导制备方法，属于光学波导激光雷达领域。本发明利用掺杂材料作为包层，通过控制包层中的掺杂类型和掺杂浓度改变材料的电学特性并使其成为电极，而光波导的芯层采用无掺杂的本征层,利用其高电阻特性,在波导层上加载足够的电压,形成足够的电场,从而利用电光效应进行表面等离子入射光束角度的扫描。光学相控阵雷达光束扫描技术用于表面等离子体入射角调控利于等离子体波矢匹配及入射角的精确调控，本发明所提出的用于调控表面等离子体入射角的光学相控阵雷达光束扫描技术及波导制备方法简单，应用广泛，显微、传感及测量领域的发展具有重要的意义。的发展具有重要的意义。的发展具有重要的意义。


技术研发人员：程灏波 冯云鹏 赵佳麒
受保护的技术使用者：深圳市三孚北理新材料科学研究有限公司
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/13