光学天线及相控阵激光雷达制造技术

本实用新型专利技术提供了一种光学天线及相控阵激光雷达，该光学天线，包括：SOI衬底，波导结构层，间隔层，环形光栅结构层及保护层；在SOI衬底的顶部硅层形成波导结构层，在波导结构层的上方依次设置有间隔层，环形光栅结构层及保护层；波导结构层包括：辐射型条形波导阵列，模斑转换结构和圆形平板耦合区；辐射型条形波导阵列和圆形平板耦合区之间通过模斑转换结构连接；环形光栅结构层的折射率与间隔层及保护层的折射率的差值均大于预设阈值且所述环形光栅结构层的折射率高于所述间隔层及所述保护层的折射率。光波能够成功向上发射并抑制向下发射，从而获得高的辐射效率，并且辐射型条形波导阵列可分为多组，各组不同方向的光分时工作可实现二维扫描。

【技术实现步骤摘要】
光学天线及相控阵激光雷达
本技术实施例涉及雷达
，尤其涉及一种光学天线及相控阵激光雷达。
技术介绍
相控阵激光雷达的概念早已被提出，各种不同的设计方案也在不断开展。其基本模块也均已成熟，如光源模块、分束模块、调相模块等，但是在光学天线模块中，如何将各波导调相后的光高效地导出光子集成回路仍是个巨大的挑战。这是由于波导的折射率比空气大很多，把光从波导耦合到自由空间中十分困难，以至于光学天线的辐射效率极低，严重影响其利用率。目前，国际上面向相控阵激光雷达的光学天线主要分为金属偶极子型光学天线和非金属光学天线，其中，非金属光学天线以光栅型光学天线为主。随着集成光学的发展，光栅型光学天线由于其工艺简单、与CMOS工艺兼容等优点，成为光子集成的最有效的耦合方法。但是现有的阵列光栅型光学天线，并未对光栅进行特别地设计，而采用常规的光栅，致使各波导上从光栅向外耦合的光发散严重，向上辐射效率极低，进而导致光学天线的能量利用率极低。并且现有的阵列光栅型光学天线，对于单波长输入的情况只能实现一维的扫描，需要采用调整波长的形式实现另一个维度的扫描，其严重影响了相控阵激光雷达的实际应用。
技术实现思路
本技术实施例提供一种光学天线及相控阵激光雷达，解决了现有技术中的光栅型光学天线采用常规的光栅，致使各波导上从光栅向外耦合的光发散严重，向上辐射效率极低，进而导致光学天线的能量利用率极低的技术问题，也解决了现有的阵列光栅型光学天线对于单波长输入的情况只能实现一维的扫描，需要采用调整波长的形式实现另一个维度的扫描，其严重影响了相控阵激光雷达的实际应用的技术问题。第一方面，本技术实施例提供一种光学天线，包括：SOI衬底，波导结构层，间隔层，环形光栅结构层及保护层；在所述SOI衬底的顶部硅层形成所述波导结构层，在所述波导结构层的上方依次设置有间隔层，环形光栅结构层及保护层；所述波导结构层包括：辐射型条形波导阵列，模斑转换结构和圆形平板耦合区，所述辐射型条形波导阵列和所述圆形平板耦合区之间通过所述模斑转换结构连接；其中，所述环形光栅结构层的折射率与所述间隔层及所述保护层的折射率的差值均大于预设阈值且所述环形光栅结构层的折射率高于所述间隔层及所述保护层的折射率。进一步地，如上所述的光学天线，所述辐射型条形波导阵列中每组波导的第一路波导和最后一路波导间的夹角为第一预设角度，所述辐射型条形波导阵列中的第一路波导和最后一路波导间的夹角大于或等于180°和第一预设角度之和；其中，所述每组波导由相邻的n路波导构成，所述第一路波导至第n路波导构成第一组波导，第二路波导至第n+1路波导构成第二组波导，依此类推，第m-n+1路波导至第m路波导构成最后一组波导，m为所述辐射型条形波导阵列中的波导的总路数，n为每组波导的路数，n为大于或等于2的整数。进一步地，如上所述的光学天线，所述辐射型条形波导阵列中相邻的两路波导的夹角为第二预设角度，所述第二预设角度小于10°。进一步地，如上所述的光学天线，所述模斑转换结构为梯形结构或斜边为曲线的类梯形结构，所述模斑转换结构的长底边一侧靠近所述圆形平板耦合区。进一步地，如上所述的光学天线，所述环形光栅结构层完全位于所述圆形平板耦合区的上方。进一步地，如上所述的光学天线，所述环形光栅结构层中的光栅周期与所述圆形平板耦合区的有效折射率和工作波长相匹配，所述环形光栅结构层中光栅厚度和占空比满足以主瓣向上发射光的条件。第二方面，本技术实施例提供一种相控阵激光雷达，包括：光开关器件，调相器及光栅式光学天线或如上述任一项所述的光学天线；其中，所述光栅式光学天线包括：辐射型条形波导阵列；所述光学天线中的辐射型条形波导阵列中每一路波导前均设置有调相器和光开关器件；所述光开关器件与对应的调相器光路连接，所述调相器与对应的波导光路连接；每组波导及与所述每组波导对应的n个光开关器件及对应的n个调相器形成每组光路器件。进一步地，如上所述的相控阵激光雷达，所述光学天线中的辐射型条形波导阵列的刻蚀深度与所述光学天线连接的前端器件的厚度一致。本技术实施例提供一种光学天线及相控阵激光雷达，该光学天线，包括：SOI衬底，波导结构层，间隔层，环形光栅结构层及保护层；在SOI衬底的顶部硅层形成波导结构层，在波导结构层的上方依次设置有间隔层，环形光栅结构层及保护层；波导结构层包括：辐射型条形波导阵列，模斑转换结构和圆形平板耦合区；辐射型条形波导阵列和圆形平板耦合区之间通过模斑转换结构连接；其中，环形光栅结构层的折射率与间隔层及保护层的折射率的差值均大于预设阈值。由于间隔层和保护层具有低折射率，而环形光栅结构层具有高折射率，并且环形光栅结构层的折射率与间隔层及保护层的折射率的差值均大于预设阈值，所以该环形光栅结构层具有高折射率对比度，使光波在波导结构层发生衍射时，能够消除SOI衬底方向的衍射，光波能够成功向上发射并抑制向下发射，从而获得高的辐射效率，进而大大提高光学天线的利用率，并且由于波导结构层中辐射型条形波导阵列和圆形平板耦合区之间通过模斑转换结构连接，辐射型条形波导阵列可分为多组，穿过每组条形波导的特定方向的光耦合到环形光栅层中并向上发射，该组光可实现一维扫描，各组不同方向的光分时工作可实现二维扫描，进而提高相控阵激光雷达的实际应用性。附图说明为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本技术实施例一提供的光学天线的剖面结构示意图；图2为本技术实施例二提供的光学天线的剖面结构示意图；图3为本技术实施例二提供的光学天线中在SOI衬底顶部硅层刻蚀形成波导结构层后的俯视结构示意图；图4为本技术实施例二提供的光学天线在波导结构层的上方沉积间隔层后的俯视结构示意图；图5为本技术实施例二提供的光学天线在间隔层的上方沉积光栅材料并刻蚀出光栅后的俯视结构示意图；图6为本技术实施例四提供的相控阵激光雷达控制光学天线的二维扫描方法的流程图；图7为本技术实施例五提供的相控阵激光雷达控制光学天线的二维扫描方法的流程图。11-底部硅层12-埋氧化层13-顶部硅层2-波导结构层21-辐射型条形波导阵列22-模斑转换结构23-圆形平板耦合区3-间隔层4-环形光栅结构层5-保护层具体实施方式为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。光学天线被用于接收或发射光波，可以被应用到很多光学系统中。例如相控阵激光雷达。由于光波波段的差别会很大，所以不可能一种光学天线就能够所有光波的使用，即使可以使用相同的方案，其中的各个参数也会需要根据光学天线处理的光波波段的不同而产生相应的变化，为了表达方便，在本技术的各实施例中，都以光波波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学天线，其特征在于，包括：SOI衬底，波导结构层，间隔层，环形光栅结构层及保护层；在所述SOI衬底的顶部硅层形成所述波导结构层，在所述波导结构层的上方依次设置有间隔层，环形光栅结构层及保护层；所述波导结构层包括：辐射型条形波导阵列，模斑转换结构和圆形平板耦合区，所述辐射型条形波导阵列和所述圆形平板耦合区之间通过所述模斑转换结构连接；其中，所述环形光栅结构层的折射率与所述间隔层及所述保护层的折射率的差值均大于预设阈值且所述环形光栅结构层的折射率高于所述间隔层及所述保护层的折射率。

【技术特征摘要】
1.一种光学天线，其特征在于，包括：SOI衬底，波导结构层，间隔层，环形光栅结构层及保护层；在所述SOI衬底的顶部硅层形成所述波导结构层，在所述波导结构层的上方依次设置有间隔层，环形光栅结构层及保护层；所述波导结构层包括：辐射型条形波导阵列，模斑转换结构和圆形平板耦合区，所述辐射型条形波导阵列和所述圆形平板耦合区之间通过所述模斑转换结构连接；其中，所述环形光栅结构层的折射率与所述间隔层及所述保护层的折射率的差值均大于预设阈值且所述环形光栅结构层的折射率高于所述间隔层及所述保护层的折射率。2.根据权利要求1所述的光学天线，其特征在于，所述辐射型条形波导阵列中每组波导的第一路波导和最后一路波导间的夹角为第一预设角度，所述辐射型条形波导阵列中的第一路波导和最后一路波导间的夹角大于或等于180°和第一预设角度之和；其中，所述每组波导由相邻的n路波导构成，所述第一路波导至第n路波导构成第一组波导，第二路波导至第n+1路波导构成第二组波导，依此类推，第m-n+1路波导至第m路波导构成最后一组波导，m为所述辐射型条形波导阵列中的波导的总路数，n为每组波导的路数，n为大于或等于2的整数。3.根据权利要求2所述的光学天线，其特征在于，所述辐射型条形波...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏飞，徐洋，李召松，张冶金，于红艳，潘教青，王庆飞，田林岩，
申请(专利权)人：北京万集科技股份有限公司，
类型：新型
国别省市：北京,11