具有适用于光相位排列天线的可调制光栅结构的纳米光学辐射器制造技术

构成光相位排列天线的光辐射器元件，包括：光波导，包含使用半导体材料的波导内芯和波导覆层；以及光栅，周期性地形成在所述光波导上部或下部，所述光辐射器元件，沿所述光波导和所述光栅的一个方向入射输入光波，并且利用来自所述光栅的散射向自由空间辐射输出光波，且为了调整向所述自由空间辐射的输出光波的辐射角，在所述光辐射器元件周围通过电压施加或电流注入，变化所述光栅的有效折射率。

Nano optical radiator with tunable grating structure suitable for optical phased array antenna

An optical radiator element that forms an optical phase array antenna, including an optical waveguide, including a waveguide inner core and a waveguide cladding using semiconductor material; and a grating, periodically formed in the upper or lower part of the optical waveguide, and the light radiator element is input to the light wave in one direction of the optical waveguide and the grating. And the effective refractive index of the grating is changed by using the scattering from the grating to output the light wave to the free space, and in order to adjust the radiation angle of the output light wave to the free space, and by applying voltage or current injection around the light radiator element.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有适用于光相位排列天线的可调制光栅结构的纳米光学辐射器
本专利技术涉及一种适用于光相位排列天线(photonicphasedarrayantenna)的光辐射器(radiator)结构，更具体来讲，建议了一种为了使光波(lightwave)沿光栅的自由空间(freespace)辐射，使用能调制光栅的纵方向辐射角的光栅结构的辐射器结构。
技术介绍
光相位排列天线在无人汽车、机器人等中为了影像扫描，可被用为扫描光束的光源。就在多种领域中用于应用的光相位排列天线的优选性能而言，要求其尺寸小，光束辐射效率高，形成鲜明的光束，并且光束扫描的范围要广。为了在这种多样需求性能中达成小型化，需要基于半导体材料的光相位排列天线构成。并且，光束的辐射效率、鲜明度、以及扫描的性能很大程度依赖于辐射光波的光辐射器的结构，因此在本专利技术中基于半导体材料来建议与光辐射器相关的具体结构。在此，半导体材料不仅包括硅、化合物材料半导体，也包括用于这些材料的光元件制造的硅氧化物、硅氮化物等绝缘体(dielectric)材料和金属薄膜材料。并且，在可调制光栅结构中，辐射角度可按光栅的纵方向进行控制，且调制手段在光栅内或附近形成p型或n型掺杂区域，在电压施加或电流注入时，使用根据电光(electro-optic)效果或热光(thermo-optic)效果的折射率的变化。通过与基于纳米光学的光相位排列天线相关的现有专利技术(美国专利申请2014/0192394A1)和本研究室以前的专利技术(PCT/KR2015/012199)，曾建议了基于半导体硅材料的光栅结构的相位控制天线结构。上述专利技术的光栅结构的光辐射器，根据光栅的周期、输入光的波长将从光栅中辐射的输出光波的纵方向辐射方向按特定方向进行限定。鉴于此，相位匹配光束的纵方向扫描范围局限于窄的范围。具体来讲，在MxN二维(2D)相位排列天线结构中(例如，美国专利申请2014/0192394A1)为了按纵方向连续地变化辐射方向，必须按矩阵(matrix)配置的二维相位排列的列方向(column)即纵方向提供相位变化。但，存在如下问题：在二维相位排列中为了获取列方向的相位控制功能，需要二维排列的复杂结构，以及鉴于具有多种功能的构成元件按各辐射器单位集成，由于空间的制约，按相位排列可获取的纵方向扫描范围被缩窄为10。以内。并且，在如1xM一维(1D)光辐射器阵列的结构中，必须调制入射波长才能主动变化纵方向辐射方向。但，为了提供入射波长的调制功能，存在必须使用能进行广范围的波长调制的光源之问题。具体来讲，在本研究室以前的专利技术(PCT/KR2015/012199)中建议的1xM型基本相位排列天线结构如图1所示。在图1中，构成相位排列天线的主要元件大体上由光源100(lightsource)、光功率分配器101-1和101-2(powerdistributor)、相位控制器102(phasecontroller)以及光辐射器104(radiator)构成。这些构成元件每一个经由光波导106(waveguide)连接。例如，相位控制器102与光辐射器104经由光波导106互相连接，且该连接波导密集度高，会发生波导间的耦合(coupling)，鉴于该配置重要，因此按相位供给线103(phase-feedingline)进行区分。在图1的相位排列中，为了沿光辐射器104的长度方向确保充分的空间，除了1xM辐射器阵列105外还具有配置光功率分配器101-1和101-2、相位控制器102以及相位供给线103的特征。此时，在1xM辐射器阵列中仅通过横方向相位变化不能实现竖直方向即纬度(latitude)方向的扫描。鉴于此，以前的专利技术(PCT/KR2015/012199)建议了上下独立配置N个1xM辐射器阵列且通过在每个1xM辐射器阵列中按各自不同角度负责纵方向辐射角度从而赋予二维空间的光束扫描功能的结构。这种方式存有必须上下配置N个1xM辐射器阵列的问题。因此，本专利技术建议了一种无需使用纵方向相位调制或可调制光源就能直接调制纵方向辐射角的光辐射器结构。尤其，在1xM型一维相位排列天线或沿纵方向在相位排列中具有独立性的(1xM)xN型相位排列天线的特定波长中，由于不能进行与纵方向辐射角相关的主动控制，因此本专利技术的辐射角可调制的辐射器结构在上述两种类型的相位排列天线中将会非常有用地被使用。
技术实现思路
本专利技术通过使用纵方向辐射角可调制的光辐射器，仅通过一个1xM一维阵列，用以达成在横方向和纵方向全部包括的二维扫描功能。根据本专利技术的一个实施例，一种构成光相位排列天线的光辐射器元件，包括：光波导，包含使用半导体材料的波导内芯和波导覆层；以及光栅，周期性地形成在所述光波导上部或下部，所述光辐射器元件，沿所述光波导和所述光栅的一个方向入射输入光波，并且利用来自所述光栅的散射向自由空间辐射输出光波，且为了调整向所述自由空间辐射的输出光波的辐射角，在所述光辐射器元件周围通过电压施加或电流注入，变化所述光栅的有效折射率。所述光辐射器元件，为了沿所述光栅的纵方向变宽范围，调整所述辐射角。所述光辐射器元件，利用通过所述电压施加或所述电流注入的电光效果，变化所述光栅的有效折射率。所述光辐射器元件，为了利用通过所述电压施加或所述电流注入的电光效果，在所述光栅内或附近形成p-n结结构。所述光辐射器元件，为了利用通过所述电压施加或所述电流注入的电光效果，在所述光栅内或附近形成p-i-n结结构。所述光辐射器元件，利用通过所述电流注入的热光效果，变化所述光栅的有效折射率。所述光辐射器元件，为了利用通过所述电流注入的热光效果，在所述光栅内或附近形成按p型或n型中任意一个的型而掺杂的区域，且通过向所述掺杂的区域注入电流而发生的焦耳热，使所述光栅部分的温度上升。所述光辐射器元件，为了利用通过所述电流注入的热光效果，在所述光栅内或附近形成p-n结，且通过向所述p-n结注入电流而发生的焦耳热，使所述光栅部分的温度上升。所述光辐射器元件，为了利用通过所述电流注入的热光效果，向形成在所述光栅内或附近的p-n结施加逆电压，且通过根据击穿电压以上的电压的击穿电流，使所述光栅部分的温度上升。本专利技术通过使用纵方向辐射角可调制的光辐射器，即使仅通过一个1xM一维阵列，也能达成在横方向和纵方向全部包括的二维扫描功能。附图说明图1是示出构成在以前的专利技术中建议的光相位排列天线的主要元件的示意图。图2是示出本专利技术的光辐射器的基本结构的示意图。图3是作为根据本专利技术的一个实施例的电光效果具有可调制光栅结构的光辐射器的结构，示出由p-n结构成的光辐射器的结构的示图。图4是作为根据本专利技术的一个实施例的电光效果具有可调制光栅结构的光辐射器的结构，示出由p-i-n结构成的光辐射器的结构的示图。图5是作为根据本专利技术的一个实施例的热光效果具有可调制光栅结构的光辐射器的结构，示出由p或n掺杂区域构成的光辐射器的结构的示图。图6是作为根据本专利技术的一个实施例的热光效果具有可调制光栅结构的光辐射器的结构，示出由p-n结构成的光辐射器的结构的示图。【附图标记】100：光源(lightsource)101-1、101-2：1:N光功率分配器(1:Npowerdistributor)102：相位控制器(phase本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光辐射器元件，作为构成光相位排列天线的光辐射器元件，包括：光波导，包含使用半导体材料的波导内芯和波导覆层；以及光栅，周期性地形成在所述光波导上部或下部，所述光辐射器元件，沿所述光波导和所述光栅的一个方向入射输入光波，并且利用来自所述光栅的散射向自由空间辐射输出光波，且为了调整向所述自由空间辐射的输出光波的辐射角，在所述光辐射器元件周围通过电压施加或电流注入，变化所述光栅的有效折射率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.17 KR 10-2015-0160843;2015.11.30 KR 10-2011.一种光辐射器元件，作为构成光相位排列天线的光辐射器元件，包括：光波导，包含使用半导体材料的波导内芯和波导覆层；以及光栅，周期性地形成在所述光波导上部或下部，所述光辐射器元件，沿所述光波导和所述光栅的一个方向入射输入光波，并且利用来自所述光栅的散射向自由空间辐射输出光波，且为了调整向所述自由空间辐射的输出光波的辐射角，在所述光辐射器元件周围通过电压施加或电流注入，变化所述光栅的有效折射率。2.如权利要求1所述的光辐射器元件，其特征在于，所述光辐射器元件，为了沿所述光栅的纵方向变宽范围，调整所述辐射角。3.如权利要求1所述的光辐射器元件，其特征在于，所述光辐射器元件，利用通过所述电压施加或所述电流注入的电光效果，变化所述光栅的有效折射率。4.如权利要求3所述的光辐射器元件，其特征在于，所述光辐射器元件，为了利用通过所述电压施加或所述电流注入的电光效果，在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴孝勋，金钟勋，朴志桓，
申请(专利权)人：韩国高等科学技术学院，
类型：发明
国别省市：韩国,KR