基于微结构电光波导阵列光学相控阵及其制作方法与应用技术

本发明专利技术涉及集成光芯片领域,更具体地,涉及一种基于微结构的电光波导阵列光学相控阵。用于解决传统电光调制的光束扫描器件仍然难于达到高速化(GHZ)、大扫描角度(视场)等要求的问题。这种光束扫描技术自上而下的结构为微结构电极、缓冲层、铌酸锂层或者绝缘体上薄膜铌酸锂平台(LNOI)；上述的微结构电极为周期性矩形打孔电极；所述铌酸锂和缓冲层内包裹有电子束光刻铌酸锂波导；所述电子束光刻波导设置有入射区域、分束区域、调制区域和输出区域共同构成波导区；所述芯片的出射区域设置有超晶格单元；所述超晶格单元为不同间隔分布的铌酸锂波导序列；通过上述技术方案,以实现高速率、大扫描角度的技术效果。大扫描角度的技术效果。大扫描角度的技术效果。

【技术实现步骤摘要】
基于微结构电光波导阵列光学相控阵及其制作方法与应用


[0001]本专利技术涉及电光调制器件的
,更具体地,涉及一种基于微结构电光波导阵列光学相控阵及其制作方法与应用。

技术介绍

[0002]光束扫描或转向技术是指对光束的方向实现精确指向控制的技术，它具有精确、灵巧、紧凑、易操控等优点，在激光雷达探测与跟瞄、高速光交换与空间光通信、光学成像与显示、超快光学的电光采样与扫描等重大需求的工业与重大工程领域有着广泛的应用。光束电光扫描是利用材料的电光效应来控制光束在空间的传播方向，广泛应用于高速光交换与空间光通信、激光雷达与探测、超快光学的电光采样及扫描等具有创新性、战略性产业和重大应用工程。
[0003]近年来,基于相位调制合成的光学相控阵(OPTICAL PHASED ARRAY,OPA)技术也是实现光束扫描的重要技术,其调制手段主要为热光调制、电光调制、微机电系统(MEMS)调制等。OPA主要通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变出射的角度,其原理与多缝干涉类似,不依赖机械转动就可以高效地控制光束扫描,具有功耗低、体积小、扫描速度快等明显优势。
[0004]常见的光学相控阵电光调制材料为载流子注入的硅基平台、液晶、电光晶体、压电陶瓷等。液晶分子在电场下改变取向的速度较慢,难以满足高速扫描的应用需求。铌酸锂波导相控阵主要利用电光效应,采用电场调控波导相位,光束扫描响应时间可达皮秒量级,但目前基于传统块材铌酸锂的移相器间隔大、驱动电压较高、扫描角度较小。压电陶瓷电光系数大、透射光谱宽,利用其可实现纳秒量级的快速光控扫描,但是所需的工作电压非常高(约为1KV),且造价较高。基于硅基波导的集成光学相控阵拥有大扫描角度、合适的调制电压,且与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺线相兼容,利于实现光束扫描器件规模集成。
[0005]光束电光扫描的可控性好,理论上其扫描速度取决于电光材料的响应速度(100GHZ量级或以上),扫描调制速率高,且分辨率高。此外,电光扫描的方式能适应机载的加速或减速带来的惯性和振动变化,高低温变化环境等。
[0006]电光材料铌酸锂(LINBO3)具有较高的电光系数,其波导制备技术较为成熟此外,其光学透明波长范围为0.4
‑
5.2UM,可覆盖可见光、近红外和部分中红外波段。近些年来,铌酸锂薄膜的初步商用为器件的微型化集成提供了有利的平台。
[0007]专利文献CN112014983A公开了一种基于铌酸锂波导的电光开关及其制作方法，通过设计等腰三角形形状的微结构电极单元组成的渐变阵列电极，利用了铌酸锂晶体的电光特性，实现光束偏转。
[0008]专利文献CN106842760公开了一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导及制作方法，通过微结构电极光刻技术，制作出具有平行四边形形状微结构阵列电极结构的Z切铌酸锂薄膜平面波导，达到光模式偏转和光模场调控目的，解决了传统铌酸锂波导的波导与其衬底折射率差较低的问题。
[0009]以上缺点有1)难以形成大角度的偏转，驱动电压较高；2)宽波导结构使波导模式扁平，光束质量受到影响；3)电极结构为渐变阵列电极不适用于高速调制。本专利技术能够克服以上问题(依靠微结构电极与超晶格结构实现)

技术实现思路

[0010]本专利技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足),提供一种基于微结构的电光波导阵列光学相控阵及其制作方法,用于解决传统块材铌酸锂的移相器间隔大、驱动电压较高、扫描角度较小的问题。为激光雷达探测与跟瞄、高速光交换与空间光通信、光学成像与显示、超快光学的电光采样提供全新的技术方案,提供高速化、低驱动电压和集成化,且扫描范围较大的技术方案。
[0011]本专利技术采取的技术方案是,
[0012]一方面，本专利技术提供一种基于微结构的电光波导阵列光学相控阵,其特点在于，包括：
[0013]硅基衬底；
[0014]位于所述硅基衬底上的铌酸锂波导层；
[0015]位于所述铌酸锂波导层上，并包裹所述铌酸锂波导层的二氧化硅缓冲层；以及
[0016]位于所述氧化硅缓冲层上的微结构电极；
[0017]其中，所述铌酸锂波导层沿光路划分为入射区域、分束区域、调制区域和出射区域；所述调制区域为波导阵列，所述微结构电极位于所述调制区域上方，沿光路传输方向平行，且二者长度一致；且该微结构电极上周期性分布的矩形孔，平行交叉位于所述所述波导阵列的各条波导上下侧；所述出射区域是由沿着垂直于入射光横向周期性排列的超晶格单元构成，或是由沿着垂直于入射光横向周期性排列、且沿光学传播方向纵向周期性排列的超晶格单元构成；所述超晶格单元为多个尺寸相同、间距不同的铌酸锂波导组成；
[0018]所述入射区域接收输入激光并经所述分束区域将输入激光分成多路进入所述调制区域，在所述微结构电极上施加正负电压，作用于所述调制区域，使波导内部光场与外界电场充分耦合，激发电光效应，通过施加不同极性和/或不同大小和/或不同频率的电压，经所述出射区域实现不同角度和速度的宽范围输出。
[0019]所述分束变区的俯视视角为Y字形,所述出射区域为M个超晶格单元,所述超晶格单元为一组间隔为等差数列的质子交换铌酸锂波导构成,所述超晶格单元也可以在横向与纵向方向布置,以获得更大的光束扫描范围；所述铌酸锂波导区之外的区域为非波导区。通过多层结构设计,周期性挖孔的电极结构能够充分的发挥铌酸锂晶体的电光性能。与此同时,超晶格单元通过调控波导间的波矢匹配和传输光场的空间相干性,获得其对信号串扰的抑制、扫描光束性能提升的机理和规律。
[0020]进一步地,上述周期性挖孔电极单元,具体为靠近铌酸锂波导的一侧周期性的进行挖孔,且挖孔之间保持相同的间隔；且挖孔尺寸远小于电极尺寸,微结构挖孔仅对电极层有效；在波导间距较小的情况下其电极间距靠近会引起调制射频信号的传输损耗,限制电光调制带宽的同时,降低调制效率。微结构电极引入将有效解决此不足之处。
[0021]进一步地,上述电极的尺寸由调制区域决定,电极的宽度由铌酸锂波导之间的距离决定,通常情况下电极的宽度为铌酸锂波导间距的一半；电极的长度与调制区域的长度
一致。这样设计的微电极结构能够有效的限制电场的分布,同时防止过近的电极导致调制信号的串扰。上述调制区域设置在周期性挖孔电极的正下方,调制区域的边缘对应所述周期性挖孔电极的内测。这样设计的好处在于,一方面避免不必要的材料或能量损耗,提高利用率,一方面也能高度充分的利用铌酸锂波导的有效宽度,提高调制效率。
[0022]进一步地,上述微结构电极与调制区域的关系为：记调制区域沿光进入的长度为L1；记微结构电极单个周期结构为矩形O'A'B'C',以O'A'作为矩形的长边为l1；以O'C'作为矩形的高度为l2；以O'作为原点,边O'A'作为X轴；O'C'作为Y轴,做二维直角坐标系；记O'点坐标为(0,0),A'点坐标为(l1,0),,B'点坐标(l1,l2),C点坐标(0,l2)；记微结构电极单个周期结构中挖孔结构为矩形D'E本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微结构的电光波导阵列光学相控阵,其特征在于，包括：硅基衬底；位于所述硅基衬底上的铌酸锂波导层(300)；位于所述铌酸锂波导层(300)上，并包裹所述铌酸锂波导层(300)的二氧化硅缓冲层(200)；以及位于所述氧化硅缓冲层(200)上的微结构电极(100)；其中，所述铌酸锂波导层(300)沿光路划分为入射区域(3101)、分束区域(31011)、调制区域(3102)和出射区域(3103)；所述调制区域(3102)为波导阵列，所述微结构电极(100)位于所述调制区域(3102)上方，沿光路传输方向平行，且二者长度一致；且该微结构电极(100)上周期性分布的矩形孔，平行交叉位于所述所述波导阵列的各条波导上下侧；所述出射区域(3103)是由沿着垂直于入射光横向周期性排列的超晶格单元构成，或是由沿着垂直于入射光横向周期性排列、且沿光学传播方向纵向周期性排列的超晶格单元构成；所述超晶格单元为多个尺寸相同、间距不同的铌酸锂波导组成；所述入射区域接收输入激光并经所述分束区域将输入激光分成多路进入所述调制区域，在所述微结构电极上施加正负电压，作用于所述调制区域，使波导内部光场与外界电场充分耦合，激发电光效应，通过施加不同极性和/或不同大小和/或不同频率的电压，经所述出射区域实现不同角度和速度的宽范围输出。2.根据权利要求1所述的基于微结构的电光波导阵列光学相控阵，其特征在于，所述微结构电极(100)在靠近所述铌酸锂波导层(300)的上下两侧排布置有一系列周期、等大的矩形孔洞，且相对所述铌酸锂波导层(300)水平镜像，所述微结构电极(100)的边缘平行且远离所述铌酸锂波导层(300)，所述矩形孔洞平行于铌酸锂薄膜脊形波导，边长固定不改变。3.根据权利要求1所述的基于微结构的电光波导阵列光学相控阵,其特征在于,所述分束区域(31011)即级联分束器，为Y型结构的铌酸锂波导，该级联分束器入射端设置有一个铌酸锂波导,出射端口设置为两个铌酸锂波导。4.根据权利要求1所述的基于微结构的电光波导阵列光学相控阵,其特征在于,入射区域(3101)与调制区域(3102)之间为分束区域(31011),通过分束波导将入射光分成N*M个子光束进入调制区域(3102)；所述N*M个子光束中N代表超晶格单元所包含的子光束个数；M代表超晶格单元的个数；所述调制区域(3102)包含了N*M个铌酸锂直波导,所述铌酸锂直波导间距相同。5.根据权利要求1所述的基于微结构的电光波导阵列光学相控阵,其特征在于,所述超晶格单元由不同尺寸的铌酸锂薄膜脊形波导构成,记N个相同尺寸的铌酸锂薄膜脊形波导为一组,每一组内波导的间隔满足等差数列排列；不同组之间的间隔相同。6.根据权利要求5所述的一种基于微结构的电光波导阵列光学相控阵,其特征在于,所述超晶格单元的横截面与出射区域(3103)的关系为：记所述超晶格区域的横截面为矩形OABC,记OA边为X轴,OC边作为Y轴,建立二维直角坐标系；线段OA的长度为D1,线段OC的长度为D2；记O点坐标为(0,0),A点坐标为(D1,0),B点坐标(D1,D2),C点坐标(0,D2)；不同超晶格单元之间的距离为D；记单个铌酸锂波导横截面为DEFG,记DE为波导的底边长度为A1,记EF与DG为波导的侧边长度为B
1,2
,记FG为波导的顶边长度为A2；横截面高度H满足方程:h＝d2；
以E为原点,EF的直线方程为:y＝k1*x,以D为原点,DG的直线方程为:y＝k2*x,D点坐标为(0,0)；E点坐标为(a1,0)；F点坐标为(a1,X
FY
),G点坐标为(X
GX
,X
GY
),X
GY
＝X
FY
；记所述每组超晶格单元的左下角点的坐标为(0,0),(X1,0),(X2,0)
……
(X
m
,0),其中(0,0)代表第一组超晶格中第一个铌酸锂波导的左下角点,X
m
表示第M+1超晶格单元的左下角坐标,表示前M组超晶格宽度D1的加和与M组相同间隔D的和,即X
m
＝(d1+D)
×
m。7.根据权利要求6所述的基于微结构的电光波导阵列光学相控阵,其特征在于,所述超晶格单元由N个不同尺寸的铌酸锂波导组成,铌酸锂波导的间隔为Δx,2Δx,3Δx
……
,(n
‑
1)Δx,单个超晶格单元的长度D1即OA的长度为N个波导的底边长度为A1与个间隔Δx的和。8.根据权利要求7所述的基于微结构的电光波导阵列光学相控阵,其特征在于,所述超晶格单元在出射区域(3103)在纵向方向与横向方向上同时以相同间隔进行超晶格单元排列,超晶格单元为尺寸完全一致的铌酸锂长方体在横向与纵向方向上同时按照等差数列分布；记所述铌酸锂长方体在俯视图中以对称中心表示坐标,以出射区域横向作X轴,纵向区域作Y轴,铌酸锂长方体波导的坐标：第1行坐标为：(X
11
,Y
11
),(X
12
,Y
12
)
……
(X
1m
,Y
1m
)第2行坐标为：(X
21
,Y
21
),(X
22
,Y
22
)
……
(X
2m
,Y
2m
)第G行坐标为：(X
g1
,Y
g1
),(X
g2
,Y
g...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕贤鹏，卢惠辉，关贺元，杨铁锋，田子平，吴姝瑶，彭佳豪，董江莉，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：