基于多层平台的高效端射式3D光学相控阵制造技术

射束转向设备诸如光学相控阵(OPA)是固态LIDAR和无线通信的应用中的关键部件。传统的单层OPA由于从光栅耦合器结构的向下耦合引起的基板泄漏而导致显著的能量损耗。在本公开中，我们已经研究了基于多层Si3N4/SiO2平台的结构，该结构可以形成3D OPA以高效率地从设备的边缘发射光，将2D会聚的输出耦合射束端射到空气。数值化地演示了高效率和宽水平射束转向，也讨论了垂直串扰、延迟长度、波导层的数量和制造可行性的影响。和制造可行性的影响。和制造可行性的影响。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于多层平台的高效端射式3D光学相控阵
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年3月2日提交的美国临时申请号62/984,004的权益。上述申请的全部公开通过援引并入本文。
[0003]政府支持
[0004]本专利技术是在国家科学基金会授予的ECCS1644731的政府支持下完成的。政府对本专利技术享有一定的权利。


[0005]本公开涉及一种基于多层平台的高效端射式3D光学相控阵。
[0006]
技术介绍
和
技术实现思路

[0007]本部分提供与本公开有关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。本部分提供了本公开的总体概述，而不是其全部范围或所有特征的全面公开。
[0008]随着诸如固态LIDAR(光探测和测距)等新兴应用的出现，基于集成光学相控阵(OPA，optical phased array)的射束转向(beam steering)在过去十年中吸引了许多研究工作。已经在包括热调谐、电光调谐、高灵敏度波长调谐、集成片上光源(integrated on
‑
chip light source)、非周期性旁瓣抑制(side lobe suppression by aperiodic)或切趾阵列放置(apodized array placement)等方面取得了重大进展。
[0009]传统上，片上集成光子研究通常使用单个波导层结构，这也是大多数关于OPA研究的情况。例如，设备结构可能由于各种要求是复杂的，但仅包含单个波导层，因此，由单个层形成的OPA只能具有向上的上向射束。这典型地导致相对较低的发射效率。当OPA被放置在正面和背面均由均匀介质制成的环境中时，光的干涉在环境的正面和背面形成射束。在本专利技术人的先前工作中，表明光的大于50％的部分可以在OPA的正面是空气而背面是玻璃时被发射到基板上。然而，作为集成射束转向设备的主要潜在应用之一，固态LIDAR通常需要超过至少100m的探测范围。尽管光源和探测器所有发展，但是射束转向设备的光发射效率与LIDAR的探测范围直接相关。
[0010]一些工作试图解决相对低的效率挑战。在D
·
Kowng[D
·
科恩]等人的“1
×
12Unequally Spaced Waveguide Array For Actively Tuned Optical Phased Array On A Silicon Nanomembrane[用于硅纳米膜上的主动调谐光学相控阵的1
×
12不等间距波导阵列]”中，利用了从芯片的边缘发射光的结构配置。C
·
Qin[C
·
秦]等人的“1
×
256Multi
‑
Layer,Low
‑
Loss,Si3N
4 Waveguide Optical Phased Arrays With 0.050
°
Instantaneous
‑
Field
‑
Of
‑
View[具有0.050
°
瞬时视野的1
×
256多层、低损耗、Si3N4波导光学相控阵]”中也实现了超会聚的射束。旨在将波导空间限制在半波长的进一步工作已经通过各种方法完成。然而，这些工作也采用了单个波导层的配置。这确实为调谐各波导的相位提供了便利，但是由此配置发射的射束确实是扇形射束，因为单个波导层只能在芯片的边缘上形成1
‑
D OPA。从边缘发射2D会聚的射束(端射)的可能性要求在边缘侧上有2D OPA。之前，对2D端射式OPA的性能进行了数值化讨论，并且提出了一种利用纳米膜转移印刷从SOI晶圆上制造具
有阻挡Si层的多层结构的方法，并且该方法得到了试验验证。此外，应用基于超快激光刻写(ULI，ultrafast laser inscription)的直写方法来实现用于单层波导与3D波导之间转换的结构，因此可以在边缘侧上形成2D OPA。
[0011]在本公开中，基于多层Si3N4/SiO2平台的3D结构配置被设置成实现从边缘发射的2D会聚的射束。此结构的性能已经被证明，并且本公开提出了关于在光输入端和光发射端的能量效率的主要改进。还研究了垂直串扰、延迟长度的工程、和波导层的数量的影响。
[0012]其他应用领域从本文提供的描述将变得显而易见。在本
技术实现思路
中的描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
[0013]本文描述的附图仅用于所选实施方案的说明性目的，而不是所有可能的实现方式，并且不旨在限制本公开的范围。
[0014]图1A为3D OPA形成在设备的前边缘上的结构的前视图。
[0015]图1B为设备的截面结构的侧视图，6个厚度为800nm的Si3N4层和5个厚度为500nm的SiO2层。
[0016]图1C为示出了各波导Si3N4层的图案的结构的俯视图，该图案包含9个宽度为800nm、间距为2μm的波导。
[0017]图2为输入耦合的切趾强度分布的图示，设备的总厚度相当于普通单模光纤(single mode fiber)的MFD。
[0018]图3为设备在1550nm下的远场图案，该设备发射明显的2D会聚的射束。
[0019]图4A为图1A至图1C中的结构的模拟结果，显示了水平远场等值线图(contour map)，明显的主瓣转向24.78
°
/100nm，可以观察到两个旁瓣。
[0020]图4B为图1A至图1C中的结构的模拟结果，显示了竖直远场等值线图，仅存在一个主瓣，没有竖直转向。
[0021]图4C为图1A至图1C中的结构的模拟结果，显示了水平角与竖直角之间的比较。
[0022]图4D为图1A至图1C中的结构的模拟结果，显示了水平FWHM与竖直FWHM之间的比较。
[0023]图4E为图1A至图1C中的结构的模拟结果，显示了发射的总能量的耦合效率。
[0024]图5A为较薄的SiO2结构(8个厚度为650nm的Si3N4层)的模拟结果，显示了水平远场等值线图。
[0025]图5B为较薄的SiO2结构(8个厚度为650nm的Si3N4层)的模拟结果，显示了竖直远场等值线图。
[0026]图5C为较薄的SiO2结构(8个厚度为650nm的Si3N4层)的模拟结果，显示了较薄的SiO2结构与原始结构之间的竖直角的比较。
[0027]图5D为较薄的SiO2结构(8个厚度为650nm的Si3N4层)的模拟结果，显示了竖直FWHM的比较。
[0028]图5E为较薄的SiO2结构(8个厚度为650nm的Si3N4层)的模拟结果，显示了耦合效率的比较。
[0029]图6A为具有不同延迟长度(5400nm和7000nm)的结构的模拟结果，显示了具有
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种射束转向设备，所述射束转向设备包括：具有多个层的结构，所述多个层具有交替的第一材料层和第二材料层，所述第一材料层和所述第二材料层被配置成形成3D OPA以高效率地从所述结构的边缘发射光并且从所述结构的长形端部输出2D会聚的输出耦合射束，所述结构具有Ω形的延迟线。2.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述第一材料层中的各第一材料层具有800nm的厚度，并且所述第二材料层中的各第二材料层具有500nm的厚度、被所述第一材料层夹在中间。3.根据权利要求2所述的射束转向设备，其中，各波导的中心之间的间距约为2μm。4.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述第一材料层中的各第一材料层具有约800nm或更小的厚度。5.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述第二材料层中的各第二材料层具有500nm或更小的厚度、设置在所述第一材料层之间。6.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述结构包含抗反射材料。7.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述结构包括在输入端处的对接耦合。8.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述结构包括热加热器，所述热加热器用于将热梯度施加到所述结构的至少一部分。9.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述结构的所述多个层包括准周期配置。10.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述第一材料是Si3N4，以及所述第二材料是SiO2。11.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述第一材料是Si，以及所述第二材料是SiO2。12.根据权利要求1所述的射束转向设备，其中，所述第一材料是Si...

【专利技术属性】
技术研发人员：易亚沙，吴大川，
申请(专利权)人：密歇根大学董事会，
类型：发明
国别省市：