一种高密度光子集成的波导光栅阵列制造技术

一种高密度光子集成的波导光栅阵列。用于发射多路光信号的装置，包括3个或者更多个平行排列的波导光栅；其中的每一个波导光栅的传播常数不同于邻近的其他波导光栅；每个光栅的周期与所在波导的传播常数相关，光信号经过不同波导光栅能以相同的角度出射。由于波导光栅之间的间隔很小，该阵列适用于光学相控阵天线，通过改变所有波导光栅之间的相对相位差实现大角度的横向扫描，这在激光雷达、医学成像、无线通信等领域有着极广的应用前景。

A high density photonic integrated waveguide grating array

A high density photonic integrated waveguide grating array. A device for transmitting multiple optical signals, including three or more parallel waveguide gratings; each waveguide grating has a propagation constant different from other adjacent waveguide gratings; the period of each grating is related to the propagation constant of the waveguide in which the optical signal can be emitted at the same angle through different waveguide gratings. . Because the interval between waveguide gratings is very small, the array is suitable for optical phased array antenna. It can realize large-angle transverse scanning by changing the relative phase difference between all waveguide gratings, which has a wide application prospect in the fields of lidar, medical imaging, wireless communication and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种高密度光子集成的波导光栅阵列
本专利技术涉及一种光电子集成器件及制备，尤其是高密度光子集成的波导光栅阵列。
技术介绍
硅基光子器件由于低成本的优势在大规模光电子集成方面有着巨大的应用前景，它也是实现光学相控阵的重要手段。光学相控阵有着低成本、高速度、高精度的特点，它在激光雷达、医学成像、无线通信等方面有着重要的应用。而为了进一步提高光学相控阵的扫描精度和扫描角度，如何提高相控阵天线的密度是需要解决的重要问题。在大数据与人工智能的时代，自动驾驶技术受到了广泛的关注，用以解决驾驶人驾驶技术不足、疲劳驾驶等情况造成的交通事故的问题。激光雷达是自动驾驶技术的核心部件之一，用来收集车辆周围的环境信息。而传统的激光雷达是通过机械式的扫描实现的，存在着高成本、低速度、低精度等缺点。光学相控阵技术刚好可以解决这一系列问题。光学相控阵技术通过硅基光子集成器件来实现，它与发展成熟的CMOS技术相兼容，可以大规模批量生产，因此它有着低成本的特点。光学相控阵角度的扫描是通过改变相控阵天线的相位来实现的，相较于传统的机械式的扫描，它的速度更快，精度更高。光学相控阵的精度和扫描范围与相控阵天线——波导光栅阵列的规模有关。通常来讲，光学相控阵的扫描范围与发射单元间距，即这里的波导光栅间的间隔有关，间隔越小，扫描范围就越大。因此，实现高密度的波导光栅阵列对于提高光学相控阵的性能有着重要的意义。波导光栅阵列的基本结构是在波导阵列上加入一个光栅结构，光栅结构可以把光从波导向自由空间耦合。当波导间的距离缩小至接近光波长甚至是比光波长更短时，波导之间就会产生强烈的耦合，这样不同通道之间的串扰就不可避免，这就极大的影响了器件的性能。使用波导超晶格就是一种可行的解决办法。通过改变邻近波导的传播常数，使得邻近的若干个波导的传播常数不一致，从而有效的抑制波导间的串扰。这里的邻近波导包含了可能发生串扰的间距相对较近的波导，在直接相邻的波导间距小于两个波长的高密度情况下，串扰可以发在次近邻、第3近邻波导甚至更远的邻近波导之间。将这样一组传播常数不同的波导进行周期性排列，就得到了大规模高密度波导阵列。本申请中的波长如无特别说明一般指真空中的波长。高密度波导对应于波导间距小于两个波长或者空间密度大于每两个波长距离内有1个波导。高密度的波导光栅阵列也是通过类似的原理来降低串扰。对波导间距接近或小于波长的高密度波导阵列，一般的随意改变波导的传播常数的方法很难得到所有波导间串扰都很低。如果要想得到所有波导间串扰都很低，设计中要求波导间的有效耦合矩阵[K]的元素应当满足以下关系。其中Kmm,Knn为对角元。Kmk,Knk为非对角元。上式中的有效耦合矩阵可以由耦合波理论得到，具体原理可参考W.Songetal.“High-densitywaveguidesuperlatticeswithlowcrosstalk,”NatureCommunications6,7027(2015)以及N.Yangetal.,“TheoryofHigh-DensityLow-CrosstalkWaveguideSuperlattices,”PhotonicsResearch4,233-239(2016)。注意本专利技术中的波导是含光栅的波导，而上述文献中的波导不包含光栅。本专利技术中有效耦合矩阵是对这种含光栅的波导阵列求得。由于在不同传播常数的波导上的光栅结构，形成了相控阵天线阵列。光束的出射角度和波导光栅的传播常数和光栅的周期都有关系，为了使得光束的发散角尽可能的小，必须使得每个波导光栅的出射角度一致。由于邻近的波导光栅的传播常数不同，光栅的周期也必须精确设计，来保证最终的光束出射角相同，这是高密度光学相控阵天线阵列的关键问题。这里的波导光栅阵列与传统的阵列波导光栅(arrayedwaveguidegrating)结构、工作方式、工作机理完全不同，不可混淆。这里的波导光栅阵列结构每个波导包含了一个光栅。传统的阵列波导光栅本身不明显地包含光栅，而是通过波导间的相位差等效产生一个光栅。这里的结构把光发射到自由空间，而传统的阵列波导光栅通常把光发射到芯片内的一个平板波导。这里的结构可以实现光束角度的二维调控，可以用于激光雷达等应用，传统的阵列波导光栅实际上只实现了芯片平面内光束角度的一维调控，通常用于波分复用、光谱仪等应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提出用于发射多路光信号的装置，尤其是一种可用于光学相控阵的高密度波导光栅阵列及应用。本专利技术提出的用于光学相控阵的高密度波导光栅阵列结构(装置)把光发射到自由空间，可以实现光束角度的二维调控。本专利技术的技术方案是：一种用于发射多路光信号的装置，即用于光学相控阵的高密度波导光栅阵列，包括3个或者更多个平行排列的波导光栅；其中的每一个波导光栅的传播常数不同于邻近的波导光栅；每个光栅的周期与所在波导的传播常数相关，光信号经过不同波导光栅能以相同的角度出射；其中波导光栅间的距离在两个波长以下；其中波导结构的实现通过条形波导，脊型波导或者是复合结构波导；其中每个波导光栅的光信号出射角度由光栅周期精确控制，拥有不同传播常数的波导光栅选取不同的周期，以达到整个波导光栅阵列以相同的角度发射光信号。进一步的，其中两个邻近波导光栅的传播常数的差异可以通过制成具有不同高度或者宽度的波导获得；或者是两个邻近波导光栅的传播常数的差异可以通过向波导中加入不同材料获得。进一步的，其中波导光栅结构的传播常数：通过在原有波导结构上进行刻蚀局部改变波导的宽度或高度，这种局部改变发生在多个位置，其分布是周期性的或者近乎周期性的；或通过在原有波导结构的周围局部增加相同或者不同材料以产生折射率在空间的局部改变来实现，这种局部改变发生在多个位置，其分布可以是周期性的或者近乎周期性的。进一步的，每个波导光栅可以是近乎周期性的光栅，每个波导光栅中波导常数与光栅周期在波导传播方向发生的缓慢变化应当适当匹配以实现每个波导光栅不同位置发出的光具有相同的角度。它由若干个重复的阵列单元构成，每个阵列单元中又包含若干个不同的波导光栅。波导光栅之间的间距与波长数量级相同，甚至可以小于等于半个波长，这样可以使得波导光栅阵列的密度大大提高。为了降低波导光栅阵列之间的串扰，引入波导超晶格结构，同一个阵列单元之中波导光栅的各个波导模式的传播常数均不相同。本专利技术的应用，一种基于上述光学相控阵的高密度波导光栅阵列的传输、控制或者发射光信号的装置，包括一个将入射光信号分为3路或者3路以上光信号的分路器；对应个数的移相单元，每个移相单元可单独改变每一路光信号的相位；对应个数的波导光栅构成的发射天线，将光信号从波导光栅中发射进入自由空间，其中的每一个波导光栅的传播常数不同于邻近的其他波导光栅。其中的分路器可以通过定向耦合器、Y型分束器、多模干涉结构或者是星型耦合器实现，其中的分路器可包含多个子分路器。其中的移相单元可以通过加热波导或者改变波导材料的载流子浓度或者施加电场或磁场来实现。其中波导光栅发射天线的波导结构可以通过条形波导、脊型波导或者是复合结构波导实现。其中波导光栅发射天线结构的实现可以通过在原有波导结构上进行刻蚀局部改变波导的宽度或高度，这种局部改变发生在多个位置，其分布可以是周期性的或者近乎周期性的。其中波导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一个用于发射多路光信号的装置，其特征是包括3个或者更多个平行排列的波导光栅；其中的每一个波导光栅的传播常数不同于邻近的其他波导光栅；每个光栅的周期与所在波导的传播常数相关，光信号经过不同波导光栅能以相同的角度出射。

【技术特征摘要】
1.一个用于发射多路光信号的装置，其特征是包括3个或者更多个平行排列的波导光栅；其中的每一个波导光栅的传播常数不同于邻近的其他波导光栅；每个光栅的周期与所在波导的传播常数相关，光信号经过不同波导光栅能以相同的角度出射。2.根据权利要求1的装置，其特征是其中波导结构的实现可以通过条形波导，脊型波导或者是复合结构波导。3.根据权利要求1的装置，其特征是其中波导光栅结构的实现可以通过在原有波导结构上进行刻蚀局部改变波导的宽度或高度，这种局部改变发生在多个位置，其位置分布可以是周期性的或者近乎周期性的，其中波导光栅结构的实现也可以通过在原有波导结构的周围局部增加相同或者不同材料以产生折射率在空间的局部改变来实现，这种局部改变发生在多个位置，其位置分布可以是周期性的或者近乎周期性的。4.根据权利要求1的装置，其特征是其中两个邻近波导光栅的传播常数的差异可以通过制成具有不同高度或者宽度的波导获得，或者通过向波导中加入不同材料获得。5.根据权利要求1的装置，其特征是其中每个波导光栅的光信号出射角度由光栅周期精确控制，拥有不同传播常数的波导光栅选取不同的周期，以达到整个波导光栅阵列以相同的角度发射光信号。6.根据权利要求6的装置，其特征是其每个波导光栅可以是近乎周期性的光栅，每个波导光栅中波导常数与光栅周期在波导传播方向发生的缓慢变化应当适当匹配以实现每个波导光栅不同位置发出的光具有相同的角度。7.一个用于传输、控制或者发射光信号的装置，其特征是包括一个将入射光信号分为3路或者3路以上光信号的分路器；对应个数的移相单元，每个单元可单独改变每一路光信号的相位；对应个数的波...

【专利技术属性】
技术研发人员：江伟，邵越，冷乐蒙，
申请(专利权)人：江伟，
类型：发明
国别省市：江苏,32