一种用于相控激光扫描的芯片式光学天线及其制作方法技术

本发明专利技术公开了用于激光相控扫描的芯片式光学天线及其制作方法，所述光学天线包括衬底和弯曲光波导，所述弯曲光波导包括位于衬底上的水平波导段和连接于水平波导段末端的弯曲波导段。所述方法包括：提供一衬底并在所述衬底上制作平面光波导；所述平面光波导包括相连的第一部分和第二部分；对所述第二部分进行湿法腐蚀和离子注入，使所述第二部分朝向背离所述衬底的一侧弯曲，形成弯曲波导段；同时所述第一部分形成水平波导段，所述水平波导段和弯曲波导段共同构成弯曲光波导。本发明专利技术的用于激光相控扫描的芯片式光学天线，具有光输出效率高，相干合成后远场旁瓣杂散光少。本发明专利技术的制作方法与CMOS工艺兼容，有利于批量化生产。

A chip type optical antenna for phase controlled laser scanning and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
一种用于相控激光扫描的芯片式光学天线及其制作方法
本专利技术涉及激光雷达和激光通信
，具体涉及一种用于相控激光扫描的芯片式光学天线及其制作方法。
技术介绍
激光雷达系统和激光通信系统中光发射单元的空间扫描通常由两种方法来实现，一种是通过机械扫描来实现，另外一种是通过相控天线阵列来实现。相比于机械运动扫描，相控天线阵列具有可靠性高，易于集成等优点近年来被广泛地研究。如图1所示，相控天线阵列一般由相控单元和天线单元构成，相控单元可以通过光学延迟线、热光效应或电光效应控制到达天线单元的光的相位，天线单元用来将到达天线的具有固定相位关系的光发射出去。由天线阵列发射出去的具有固定相位关系的多束光相互干涉，形成稳定的合束。通过相控单元阵列，调控由天线单元阵列出射的多束相干光之间的相位关系，就可以实现出射合束光的空间扫描。现有的芯片式光学天线阵列主要由维纳光学天线单元和波导光栅结构等两种结构排布来实现。维纳光学天线阵列(如图2所示)沿用了微波天线的理论来实现光从波导向空间的输出，它具有芯片化、易于集成等优点，然而其较低的出射效率和较多的杂散光都是亟待解决的问题。波导光栅结构排布的芯片式光学天线阵列(如图3所示)利用光栅提供的动量匹配来实现光从波导向空间的输出，它也具有芯片化、易于集成等优点；然而它只具有一维方向上的扫描，二维空间上的扫描需要借助于调谐式激光来实现；较低的出射效率和沿波导方向上输出强度的非均匀性都制约着波导光栅结构的芯片式光学天线阵列的应用。因此，无论是平面天线，还是耦合光栅，不但光出射效率都比较低，而且出射光都有较多的杂散光，使得相干合束后产生旁瓣光。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种用于相控激光扫描的芯片式光学天线及其制作方法，以提供一种光输出效率高、旁瓣杂散光少的芯片式光学天线，并提供一种工艺兼容度高、可批量化生产所述芯片式光学天线的方法。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用了如下的技术方案：在一个总体方面，本专利技术提供一种用于激光相控扫描的芯片式光学天线的制作方法，所述制作方法包括：提供一衬底；在所述衬底上制作平面光波导；其中，所述平面光波导包括相连的第一部分和第二部分；对所述第二部分进行湿法腐蚀和离子注入，使所述第二部分朝向背离所述衬底的一侧弯曲，形成弯曲波导段；同时所述第一部分形成水平波导段，所述水平波导段和弯曲波导段共同构成弯曲光波导。优选地，所述方法具体包括：利用湿法腐蚀工艺对所述第二部分处理，制作悬臂梁；在所述悬臂梁的预设位置处利用离子注入工艺注入离子，产生张应力，所述悬臂梁在所述张应力作用下向背离所述衬底的一侧弯曲，形成弯曲波导段；同时所述第一部分形成水平波导段。优选地，所述方法具体包括：在所述第二部分的预设位置处利用离子注入工艺注入离子，产生张应力；利用湿法腐蚀工艺对所述第二部分处理，所述第二部分在湿法腐蚀过程中由于张应力释放向背离所述衬底的一侧弯曲，形成弯曲波导段；同时所述第一部分形成水平波导段。优选地，在所述衬底上制作平面光波导具体包括：在所述衬底上涂覆光刻胶，对所述光刻胶曝光以形成平面光波导的图案；利用光刻胶形成的所述图案作为掩模，刻蚀所述衬底形成所述平面光波导。优选地，制作于所述衬底上的所述平面光波导设有多个，多个所述平面光波导间隔设置，使得形成的多个弯曲波导段呈二维排布。优选地，所述制作方法还包括：在所述弯曲波导段表面沉积低折射率薄膜。优选地，所述制作方法还包括：在所述弯曲波导段的末端，制作用于对出射光束进行整形的透镜。优选地，所述水平波导段与所述弯曲波导段之间的夹角为45°～135°。优选地，所述弯曲波导段的长度为2μm～50μm。在另一个总体方面，本专利技术还提供一种用于激光相控扫描的芯片式光学天线，包括衬底及设于所述衬底上的弯曲光波导，其中，所述弯曲光波导包括位于所述衬底上的水平波导段和连接于所述水平波导段末端的弯曲波导段，所述弯曲波导段朝向背离所述衬底的一侧延伸并与所述水平波导段呈一定夹角。本专利技术的用于激光相控扫描的芯片式光学天线，经过移相阵列的光，沿着波导传输到弯曲硅波导天线单元末端后直接出射出来。它既不像维纳光学天线，需借助于结构散射而出射；也不像波导光栅天线阵列，需借助于光栅提供的动量匹配而出射；因而具有光输出效率高，相干合成后远场旁瓣杂散光少。且本专利技术的制作方法与CMOS工艺兼容，有利于批量化生产。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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为现有技术中相控天线阵列的结构示意图；图2是现有技术中维纳光学天线阵列的结构示意图；图3是现有技术中波导光栅结构排布的芯片式光学天线阵列的结构示意图。图4为本专利技术实施例1的用于激光相控扫描的芯片式光学天线的结构示意图。图5为图4的正俯视示意图。图6～图11本专利技术实施例2的用于激光相控扫描的芯片式光学天线的制作方法的流程图。其中，图6为衬底上制作有平面光波导的俯视示意图。图7为图6的侧视示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护范围。实施例1图4为本专利技术示例性的用于激光相控扫描的芯片式光学天线的结构示意图。图5为图4的正俯视示意图。参照图4和图5，专利技术示例性的提供一种用于激光相控扫描的芯片式光学天线100，所述芯片式光学天线100包括衬底1及设于所述衬底1上的弯曲光波导21，其中，所述弯曲光波导21包括位于所述衬底上的水平波导段211及连接于所述水平波导段211末端的弯曲波导段212，所述弯曲波导段212朝向背离所述衬底1的一侧延伸并与所述水平波导段211呈一定夹角。优选地，所述水平波导段211与所述弯曲波导段212之间的夹角为45°～135°。较佳的，所述夹角为90°，即所述弯曲波导段212垂直与所述水平波导段211的末端连接，即所述弯曲波导段212垂直所述衬底1。其中，所述衬底1为可制作波导的衬底，如SOI衬底。优选的，所述衬底1上设有多个弯曲光波导21，其中，每个所述弯曲光波导21均包括水平波导段211和弯曲波导段212，多个弯曲光波导21间隔设置，使得多个弯曲光波导21末端的多个弯曲波导段212呈二维排布(俯视看)，即多个弯曲波导段212不同时位于同一条直线上，从而形成二维排布的光学天线单元。优选的，使得多个弯曲光波导21末端的多个弯曲波导段212呈二维本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于激光相控扫描的芯片式光学天线的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：/n提供一衬底；/n在所述衬底上制作平面光波导；其中，所述平面光波导包括相连的第一部分和第二部分；/n对所述第二部分进行湿法腐蚀和离子注入，使所述第二部分朝向背离所述衬底的一侧弯曲，形成弯曲波导段；同时所述第一部分形成水平波导段，所述水平波导段和弯曲波导段共同构成弯曲光波导。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于激光相控扫描的芯片式光学天线的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上制作平面光波导；其中，所述平面光波导包括相连的第一部分和第二部分；
对所述第二部分进行湿法腐蚀和离子注入，使所述第二部分朝向背离所述衬底的一侧弯曲，形成弯曲波导段；同时所述第一部分形成水平波导段，所述水平波导段和弯曲波导段共同构成弯曲光波导。


2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述方法具体包括：
利用湿法腐蚀工艺对所述第二部分处理，制作悬臂梁；
在所述悬臂梁的预设位置处利用离子注入工艺注入离子，产生张应力，所述悬臂梁在所述张应力作用下向背离所述衬底的一侧弯曲，形成弯曲波导段；同时所述第一部分形成水平波导段。


3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述方法具体包括：
在所述第二部分的预设位置处利用离子注入工艺注入离子，产生张应力；
利用湿法腐蚀工艺对所述第二部分处理，所述第二部分在湿法腐蚀过程中由于张应力释放向背离所述衬底的一侧弯曲，形成弯曲波导段；同时所述第一部分形成水平波导段。


4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述衬底上制作平面光波导具体包括：

【专利技术属性】
技术研发人员：孙天玉，张宝顺，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32