一种光学相控阵天线及其制造方法技术

本申请提供了一种光学相控阵天线及其制作方法。该光学相控阵天线包括由下至上层叠设置的衬底层、掩埋层和顶部层，以及光栅结构；顶部层形成有波导结构层，光栅结构包括上层光栅和下层光栅，上层光栅和下层光栅分别位于波导结构层的上下侧，上层光栅和下层光栅协同形成谐振结构，光栅结构用于将来自波导结构层的光进行耦合并向上或向下择一性地定向输出。本申请提供的光学相控阵天线，光栅结构能够将来自波导结构层的光进行耦合并向上或向下择一性地定向输出，改变传统的发散式输出，大幅提高了天线的辐射效率高，提高了能量利用率，无需在光栅结构和衬底层间添加DBR反射镜或金属反射镜，工艺难度降低，降低了天线制造成本。降低了天线制造成本。降低了天线制造成本。

【技术实现步骤摘要】
一种光学相控阵天线及其制造方法


[0001]本申请属于天线
，更具体地说，是涉及一种光学相控阵天线及其制造方法。

技术介绍

[0002]现有的光栅型光学天线，因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存在发散严重、辐射效率极低的技术问题，进而导致光学天线的能量利用率极低。而现有的反射式光学相控阵天线，需在天线与衬底之间添加DBR反射镜或金属反射镜，其工艺难度很高，致使天线的制造成本增高。

技术实现思路

[0003]本申请实施例的目的在于提供一种光学相控阵天线及其制造方法，具有可向上或向下择一性定向发射的优势，辐射效率高、能量利用率高且制造成本低。
[0004]为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种光学相控阵天线，其特征在于，包括：由下至上层叠设置的衬底层、掩埋层和顶部层，以及光栅结构；
[0005]所述顶部层形成有波导结构层，所述光栅结构包括上层光栅和下层光栅，所述上层光栅和所述下层光栅分别位于所述波导结构层的上下侧，所述上层光栅和所述下层光栅协同形成谐振结构，所述光栅结构用于将来自所述波导结构层的光进行耦合并向上或向下择一性地定向输出。
[0006]一实施例中，所述上层光栅和所述下层光栅的光栅周期相同，所述上层光栅和所述下层光栅设置成能够使来自所述波导结构层的光在所述上层光栅和所述下层光栅之间完成相干进使向上和向下两个方向中的其中一方向的光相干而相涨、另一方向的光相干而相消进而获得向上或向下择一性地定向输出。
[0007]一实施例中，所述上层光栅向上发射的光和所述下层光栅向上发射的光的相位差为φup，所述上层光栅向下发射的光和所述下层光栅向下发射的光的相位差为φdown；其中，
[0008]φup＝φv
–
φl；
[0009]φdown＝φv+φl；
[0010]其中，
[0011]φv为垂直方向相位差分量；
[0012]φl为水平方向相位差分量。
[0013]一实施例中，所述上层光栅和所述下层光栅将来自所述波导结构层的光进行耦合并向上定向输出时：
[0014]φup＝φv
–
φl＝m*2π；
[0015]φdown＝φv+φl＝(m+1)*π；
[0016]其中，m为正整数。
[0017]一实施例中，所述上层光栅和所述下层光栅将来自所述波导结构层的光进行耦合并向下定向输出时：
[0018]φup＝φv
–
φl＝(m+1)*π；
[0019]φdown＝φv+φl＝m*2π；
[0020]其中，m为正整数。
[0021]一实施例中，所述上层光栅与所述波导结构层的垂直距离同于所述下层光栅与所述波导结构层的垂直距离；和/或，
[0022]所述上层光栅的厚度同于所述下层光栅的厚度，所述上层光栅的占空比同于所述下层光栅的占空比。
[0023]一实施例中，所述上层光栅和所述下层光栅距离所述波导结构层的垂直距离范围均为0
‑
500nm；
[0024]所述上层光栅和所述下层光栅的厚度范围均为0
‑
500nm；
[0025]所述上层光栅和所述下层光栅的光栅周期范围均为500
‑
1200nm；
[0026]所述上层光栅和所述下层光栅的占空比范围均为0.2
‑
0.8；
[0027]所述波导结构层的厚度范围为200
‑
600nm。
[0028]一实施例中，所述上层光栅与所述下层光栅的平面旋转角度为零；
[0029]所述上层光栅与所述下层光栅的平面偏移距离为120nm。
[0030]一实施例中，所述光学相控阵天线还包括层叠于所述顶部层上方的保护层；
[0031]所述上层光栅的上表面与所述保护层的上表面之间的垂直距离范围为1
‑
10μm；所述下层光栅的下表面与所述衬底层的下表面之间的距离范围为1
‑
20μm。
[0032]一实施例中，所述上层光栅和所述下层光栅的结构为以下任一种：
[0033]‑
整体光栅式结构；
[0034]‑
阵列波导光栅式结构；
[0035]或，所述上层光栅和所述下层光栅的结构为以下任一种：
[0036]‑
浅刻蚀光栅结构；
[0037]‑
全刻蚀光栅结构；
[0038]或，所述上层光栅和所述下层光栅的结构为以下任一种：
[0039]‑
表面刻蚀光栅结构；
[0040]‑
侧面刻蚀光栅结构；
[0041]‑
边刻蚀光栅结构；
[0042]或，所述上层光栅和所述下层光栅的结构为以下任一种：
[0043]‑
一维光栅结构；
[0044]‑
二维光栅结构。
[0045]一实施例中，所述衬底层的制成材料和所述掩埋层的制成材料相同或不同；其中，
[0046]所述衬底层的制成材料包括以下任意一种：Si、InP、AlN；
[0047]所述掩埋层的制成材料包括以下任意一种：Si、InP、AlN。
[0048]一实施例中，所述波导结构层、所述上层光栅和所述下层光栅的制成材料至少部分相同或全不相同；其中，
[0049]所述波导结构层的制成材料包括以下任意一种：Si、InP、SiNx、AlN；
[0050]所述上层光栅的制成材料包括以下任意一种：Si、InP、SiNx、AlN；
[0051]所述下层光栅的制成材料包括以下任意一种：Si、InP、SiNx、AlN。
[0052]本申请提供的光学相控阵天线的有益效果在于：
[0053]与现有技术相比，本申请于波导结构层的上下两侧分别设置上层光栅和下层光栅，上层光栅、波导结构层和下层光栅协同形成谐振结构，上层光栅和下层光栅能够将来自波导结构层的光进行耦合并向上或向下择一性地定向输出，改变传统的发散式输出，进而大幅提高了天线的辐射效率高，提高了能量利用率，且无需在光栅结构和衬底层之间添加DBR反射镜或金属反射镜，其工艺难度明显降低，进而降低了天线制造成本。
[0054]本申请的另一目的还在于提供一种如上所述的光学相控阵天线的制造方法，所述方法包括如下步骤：
[0055]步骤S1：在预制完成的掩埋层上形成下光栅层，得到下层光栅；
[0056]步骤S2：得到所述下层光栅后，在所述下层光栅上外延生长第一间隔层，并通过化学机械抛光工艺对所述第一间隔层的上表面进行抛光处理；
[0057]步骤S3：在所述第一间隔层上外延生长顶部层，并通过光刻工艺在所述顶部层上形成波导结构层；
[0058]步骤S4：在所述波导结构层上外延生长第二间隔层，并通过化学机械抛光工艺对所述第二间隔层的上表面进行抛光处理；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学相控阵天线，其特征在于，包括：由下至上层叠设置的衬底层(10)、掩埋层(20)和顶部层，以及光栅结构(50)；所述顶部层形成有波导结构层(30)，所述光栅结构(50)包括上层光栅(501)和下层光栅(502)，所述上层光栅(501)和所述下层光栅(502)分别位于所述波导结构层(30)的上下侧，所述上层光栅(501)和所述下层光栅(502)协同形成谐振结构，所述光栅结构(50)用于将来自所述波导结构层(30)的光进行耦合并向上或向下择一性地定向输出。2.根据权利要求1所述的光学相控阵天线，其特征在于，所述上层光栅(501)和所述下层光栅(502)的光栅周期相同，所述上层光栅(501)和所述下层光栅(502)设置成能够使来自所述波导结构层(30)的光在所述上层光栅(501)和所述下层光栅(502)之间完成相干进使向上和向下两个方向中的其中一方向的光相干而相涨、另一方向的光相干而相消进而获得向上或向下择一性地定向输出。3.根据权利要求2所述的光学相控阵天线，其特征在于，所述上层光栅(501)向上发射的光和所述下层光栅(502)向上发射的光的相位差为φup，所述上层光栅(501)向下发射的光和所述下层光栅(502)向下发射的光的相位差为φdown；其中，φup＝φv
–
φl；φdown＝φv+φl；其中，φv为垂直方向相位差分量；φl为水平方向相位差分量。4.根据权利要求3所述的光学相控阵天线，其特征在于，所述上层光栅(501)和所述下层光栅(502)将来自所述波导结构层(30)的光进行耦合并向上定向输出时：φup＝φv
–
φl＝m*2π；φdown＝φv+φl＝(m+1)*π；其中，m为正整数。5.根据权利要求3所述的光学相控阵天线，其特征在于，所述上层光栅(501)和所述下层光栅(502)将来自所述波导结构层(30)的光进行耦合并向下定向输出时：φup＝φv
–
φl＝(m+1)*π；φdown＝φv+φl＝m*2π；其中，m为正整数。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的光学相控阵天线，其特征在于，所述上层光栅(501)与所述波导结构层(30)的垂直距离同于所述下层光栅(502)与所述波导结构层(30)的垂直距离；和/或，所述上层光栅(501)的厚度同于所述下层光栅(502)的厚度，所述上层光栅(501)的占空比同于所述下层光栅(502)的占空比。7.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的光学相控阵天线，其特征在于，所述上层光栅(501)和所述下层光栅(502)距离所述波导结构层(30)的垂直距离范围
均为0
‑
500nm；所述上层光栅(501)和所述下层光栅(502)的厚度范围均为0
‑
500nm；所述上层光栅(501)和所述下层光栅(502)的光栅周期范围均为500
‑
1200nm；所述上层光栅(501)和所述下层光栅(502)的占空比范围均为0.2
‑
0.8；所述波导结构层的厚度范围为200
‑
600nm。8.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的光学相控阵天线，其特征在于，所述上层光栅(501)与所述下层光栅(502)的平面旋转角度为零；所述上层光栅(501)与所述下层光栅(502)的平面偏移距离为120nm。9.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的光学相控阵天线，其特征在于，所述光学相控阵天线还包括层叠于所述顶部层上方的保护层(40)；所述上层光栅(501)的上表面与所述保护层(40)的上表面之间的垂直距离范围为1
‑
10μm；所述下层光栅...

【专利技术属性】
技术研发人员：马鹏飞，徐洋，王鹏飞，罗光振，马建斌，杨正霞，王瑞廷，周旭亮，潘教青，张冶金，
申请(专利权)人：北京万集科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：