一种基于金属缝隙波导的光学相控阵芯片发射端制造技术

本发明专利技术公开一种基于金属等离子缝隙波导阵列的光学相控阵芯片发射端，发射端由介质光波导阵列和金属等离子缝隙波导阵列组成，介质光波导的间距从左至右逐渐减小，整体呈现一个“扇形”结构，金属等离子缝隙波导的间距先减小，而后不变，整体类似一个横置的“漏斗”形状。介质光波导阵列的右端与金属等离子缝隙波导阵列左端以穿插形式组成整体结构，保证光能从介质波导低损耗过渡到金属等离子波导。本发明专利技术的基本原理是利用光在金属中穿透能力弱、光波模场约束强的特点来减少等离子波导间距，增大输出衍射角度范围，从而使激光扫描角度覆盖范围变大。这种设计结构简单、波导间串扰小、输出波束偏转角大，在激光雷达领域中具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于金属缝隙波导的光学相控阵芯片发射端
本专利技术涉及光学相控阵技术、片上激光雷达技术，属于集成光学领域。
技术介绍
激光雷达是一种主动式的集现代光学遥感、成像、测距、追踪等技术的新型雷达，它是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。因为激光的相关性高、单色性好、亮度高等特点，将其运用在雷达上具有分辨率高、测量范围广、抗干扰性能强等优点，所以受到研究者们的广泛关注。随着技术的成熟和制作工艺的完善，激光雷达将成为未来通信、测距等技术发展过程中不可或缺的一部分。除了军用应用，激光雷达还可以用于导航、成像、规避障碍物等无人驾驶和智能操作系统上，因此在民用领域也有非常好的发展潜力。现有激光雷达的发射模块大都采用机械光束导向，此种技术的原理和技术较为成熟，但其由大量的高精度原件构成，成本高昂，同时由于机械结构的限制，很难实现高速精确定位和成像。为此，研究者提出了一种新的技术：光学相控阵技术，其原理是通过控制光学孔径上每个辐射单元光的相位，来改变光束方向从而实现光束扫描。光学相控阵技术属于低惯性非机械性扫描，所以波束指向灵活、扫描速度快、扫描角度大，更易实现小型化、集成化和多功能化。根据波束导向的原理和材料划分，可分为微电子机械系统(MEMS)、磷化铟(InP)、氮化硅(Si3N4)和硅(Si)等，其中，基于微电子机械系统的光学扫描系统具有低成本，小型化和高清晰图像质量等特点，但由于其口径和扫描角度的限制，导致整个系统的扫描角度和速度都比较小；基于磷化铟的相控阵波束导向光回路，相比于微电子机械扫描系统，具有更大的光束偏转角度和更高的偏转速度，此外可以制备有源层，实现激光器与波束导向单片集成；基于氮化硅的相控阵波束导向系统，因其非线性度低和从可见光到中红外波段透明的特点，能够实现超宽工作波段的波束导向系统，并且系统有更高的输出功率。从2004年起，硅基光子学由于其制备成本低、器件尺寸小等优点成为学术界、工业界关注的焦点，基于硅基的光模块已经逐步用于数据中心光互联中。最近，因其良好导波性能和成熟的制备工艺，基于硅的相控阵波束导向系统相比于其他材料能够实现更大的扫描角度和范围，具有非常良好的应用前景。因此，很多研究团队和实验室对光相控阵技术在激光雷达上的应用都展开了深入的研究，并且取得了非常大的进展。早在2010年，比利时根特大学的研究小组就在硅平台上实现了16通道的二维光学相控阵列装置(Vol.18,No.13/OPTICSEXPRESS)，波束偏转最低速度为0.24°/nm，损耗小于3dB，由于采用等间隔的相控阵列，波导之间的串扰比较大；2012年，加州大学的研究小组在基于三五族的混合硅平台上实现了完全集成的8通道二维光栅相控阵列波束调控芯片(Vol.37,No.20/OPTICSLETTERS)，有12°的远场光束偏转范围，4.1μW的主波束的输出功率和7dB的背景抑制；2014年德州大学的DavidKwong等人实现了基于硅平台上的16路二维光相控阵调控装置(Vol.39,No.4/OPTICSLETTERS)，通过采用热光移相器和多晶硅重叠光栅，使得输出光束能够达到20°×15°的扫描范围，同时，旁瓣抑制比为10dB，光束宽度为1.2°×0.5°，有效的提高了输出光束的偏转范围，减小了远场的旁瓣串扰，但由于使用的是热光移相，所以调制速度上相对来所有点慢。由此可见，现在利用基于介质光波导的相控阵技术实现光束导向，由于波导对光波模场约束较弱，导致波导间距较大，无法小于半波波长，因此光束扫描角度较小。为此，本专利技术提出了一种基于金属缝隙波导阵列的光学相控阵芯片发射端解决方案，将介质光波导过渡到金属等离子缝隙波导进行出射，实现小型化、低串扰的激光束发射芯片，提高输出光束偏转角覆盖范围。
技术实现思路
本专利技术基于现有的激光雷达技术和光学相控阵技术，针对传统介质光波导在光束导向技术所存在的问题，提出一种基于金属等离子缝隙波导阵列的光学相控阵芯片发射端解决方案。通过设计介质光波导和金属等离子缝隙波导交错相接的结构来实现对光束的定向发射，增大发射角偏转范围，以获得更大的激光扫描区域。此种方案结构简单、集成度高、光束扫描范围大，在片上激光雷达中具有潜在的应用前景。为达到上述目的，本专利技术的技术解决方案如下：一种基于金属等离子缝隙波导阵列的光学相控阵芯片发射端，介质光波导阵列和金属等离子缝隙波导阵列级联构成整体结构。介质光波导可为条型波导或者脊型波导，左侧与相控阵模块相连；相邻波导之间的间隔和宽度一致，波导初始间距较大，有效的减少相邻波导之间的串扰；从左至右波导间距逐渐减小，整体呈一个“扇形”；同时介质光波导的右端呈锥型，与金属等离子缝隙波导的左端穿插相接，减小损耗。金属等离子缝隙波导左半部分相邻波导之间间隔由大变小，右半部份波导间隔不变，整体类似于一个横置的“漏斗”。这样可将介质光波导中的光低损耗地耦合进入金属等离子缝隙波导中，并通过金属等离子缝隙波导发射光束。由于金属等离子缝隙波导的强光约束能力，可以有效的汇聚能量，从而可以减小出射波导之间的间距，光波在很窄的离子等缝中传播，可以看作点光源，在发射端的末端，输出光波以球面波形式向前传播，这样可以增大激光雷达扫描范围。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)采用介质光波导和金属等离子缝隙波导，结构简单、串扰小、汇聚能量高、光束偏转角大；2)将此种方案中硅波导设计成“扇形”结构，增加了硅波导之间的间隔，减小了波导之间串扰；3)将此种方案中金属等离子缝隙波导设计成横置的“漏斗”结构，可以减小相邻波导间的间距，实现点光源出射，提高输出光的偏转角范围。附图说明图1为本专利技术基于金属等离子缝隙波导的光学相控阵芯片发射端的一个实施例的结构示意图。图2为本专利技术基于条型硅波导阵列和金属等离子缝隙波导阵列组成的光学相控阵芯片发射端的一个实施例的截面示意图。其中，(a)图为硅波导部分截面示意图，(b)图为硅波导和金属等离子缝隙波导交错部分截面示意图，(c)图为金属等离子缝隙波导部分截面示意图。图3为本专利技术基于脊型硅波导阵列和金属等离子缝隙波导阵列组成的光学相控阵芯片发射端解决方案的一个实施例的截面示意图。其中，(a)图为硅波导部分截面示意图，(b)图为硅波导和金属等离子缝隙波导交错部分截面示意图，(c)图为金属等离子缝隙波导部分截面示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。图1为本专利技术基于金属等离子缝隙波导阵列的光学相控阵芯片发射端的一个实施例的结构示意图，介质光波导为硅波导，包括，从左至右分别为：直线型硅波导阵列、扇型硅波导阵列、横置的“漏斗”型金属等离子缝隙波导阵列、直线型金属等离子缝隙波导阵列。我们结合波导形状的不同，对本专利技术的具体实施方案分别作出解释。首先如图2所示，本方案采用条型硅波导和条形金属等离子缝隙波导，图2(a)为图1左侧虚线位置的截面示意图，图2(b)为图1中间虚线位置的截面示意图，图2(c)为图1右侧虚线位置的截面示意图，整体结构包括：从下至上依次为：硅衬底；下包层，制作在硅衬底上，材料为二氧化硅，该下包层材料折射率小于波导层，对波导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学相控阵芯片发射端，其特征在于，采用介质光波导阵列和金属等离子缝隙波导阵列穿插相接，并且金属等离子缝隙波导阵列在芯片末端截断，组成芯片的发射端，光从芯片末端水平出射在远场形成光束。

【技术特征摘要】
1.一种光学相控阵芯片发射端，其特征在于，采用介质光波导阵列和金属等离子缝隙波导阵列穿插相接，并且金属等离子缝隙波导阵列在芯片末端截断，组成芯片的发射端，光从芯片末端水平出射在远场形成光束。2.根据权利要求1所述的一种基于金属等离子缝隙波导阵列的光学相控阵芯片发射端，其特征在于，由介质光波导阵列组成的部分，波导前端与相控阵模块相连接，波导末端形状为锥型，整体结构类似“扇形”，波导间隔由前往后逐渐减小。3.根据权利要求1所述的一种基于金属等离子缝隙波导阵列的光学相控阵芯片发射端，其特征在于，由金属等离子缝隙波导阵列组成的部分，整体结构类似横置的“漏斗”，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆梁军，孙乾坤，周林杰，陈建平，厐拂飞，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31