一种采用月牙型截面辐射块阵列的光栅天线制造技术

本发明专利技术公开了一种采用月牙型截面辐射块阵列的光栅天线，属于半导体激光技术领域，解决了现有技术中远场光束散射角宽、向上辐射效率低、需增加阵列密度才具有小光束发散角，大视场，毫米级性能的问题，包括由下往上设置的硅基底、介质埋氧层、器件层以及上包层，器件层包括条形波导，条形波导两侧对称设有月牙型截面辐射块阵列。本发明专利技术通过设置月牙型截面辐射块阵列，使光栅天线两侧具有较少的横向电场分布和较低的损耗，有助于提高传统天线设计的长度，得到更窄散射角的远场光束，有效抑制光栅的侧向和底部辐射，使向上辐射效率得到提高，实现了在不增加阵列密度的条件下，具有轻微波束发散角，大视场，高辐射效率的毫米级性能。高辐射效率的毫米级性能。高辐射效率的毫米级性能。

【技术实现步骤摘要】
一种采用月牙型截面辐射块阵列的光栅天线


[0001]本专利技术属于半导体激光
，具体地说，尤其涉及一种采用月牙型截面辐射块阵列的光栅天线。

技术介绍

[0002]全固态激光雷达OPA可以大幅减小系统体积、重量、功耗和成本，是激光雷达发展的必然趋势，基于硅基光电子技术的光学相控阵促进了集成化固态激光雷达的发展，硅基光电子技术具备的高集成度、与CMOS工艺兼容、光电单片集成等特性可以为大规模、低成本量化生产硅基激光雷达芯片提供广阔的前景。但是，由于互补金属氧化物半导体CMOS工艺的兼容性以及硅和二氧化硅包层材料之间的高折射率对比度，导致光束发散角和视场扫描之间需要进行权衡，Si和SiO2之间的高折射率对比度使得在不增加阵列密度的情况下，不可能实现具有轻微波束发散角，大视场和高辐射效率的毫米级硅基光栅天线。
[0003]波导光栅天线的长度决定了光束发散角的大小，因此，在这方面已经进行了许多尝试，例如浅蚀刻光栅、波纹侧壁光栅、双层光栅和低折射率对比光栅。其中，波纹侧壁光栅光学相控阵，侧壁波纹引起的横向输出能力直接影响天线阵列之间的串扰问题，从而恶化远场，底部传出的光学损耗也在逐渐增加。虽然双层（多层）光栅设计允许小光束发散角，大视场和毫米级性能，但它们的工艺制造难度随着层数的增加而增加。
[0004]综上所述，如何在不增加阵列密度的条件下同时实现具有小光束发散角，大视场和毫米级性能的优良光栅天线是目前需要解决的难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术存在的不足，提供了一种远场光束散射角更窄、向上辐射效率更高、不增加阵列密度条件下具有小光束发散角，大视场，毫米级性能的采用月牙型截面辐射块阵列的光栅天线。
[0006]为了实现上述技术目的，本专利技术采用月牙型截面辐射块阵列的光栅天线采用的技术方案为：一种采用月牙型截面辐射块阵列的光栅天线，包括由下往上设置的硅基底、介质埋氧层、器件层以及上包层，所述器件层包括设置于中部的条形波导，所述条形波导两侧对称设有月牙型截面辐射块阵列，所述月牙型截面辐射块阵列包括多个等间距平行设置的月牙型截面辐射块，所述月牙型截面辐射块阵列用于抑制光栅天线的侧向辐射以及底部辐射，提升向上辐射效率。
[0007]优选的，所述月牙型截面辐射块的弧面曲率为Y=AX2，A为弧面曲率因子，范围为0.1～0.7。
[0008]优选的，所述月牙型截面辐射块阵列周期P为760～840nm。
[0009]优选的，所述月牙型截面辐射块阵列的占空比DC为0.4～0.6。
[0010]优选的，所述条形波导的宽度W1为320～390nm。
[0011]优选的，所述月牙型截面辐射块的宽度W2为270～330nm。
[0012]优选的，所述条形波导与月牙型截面辐射块阵列的距离d为170～230nm。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术通过在条形波导两侧设置月牙型截面辐射块阵列，使光栅天线两侧具有较少的横向电场分布和较低的损耗，有助于提高传统天线设计的长度，从而得到更窄散射角的远场光束；2、本专利技术利用月牙型截面辐射块阵列，有效抑制光栅的侧向辐射和底部辐射，使向上辐射效率和光栅强度得到提高；3、本专利技术能够使光栅天线的特征尺寸大于100nm，从而与当前的硅光子代工厂相兼容，实现了在不增加阵列密度的条件下，具有轻微波束发散角，大视场，高辐射效率的毫米级性能。
附图说明
[0014]图1是本专利技术的俯视图；图2是本专利技术的横截面结构示意图；图3是本专利技术的横截面模式分布图；图4是本专利技术实施例一中光在光栅中的各向发射与条形波导宽度的关系比较图；图5是本专利技术实施例一中月牙型截面辐射块的弧面曲率因子对光栅天线向上辐射效率的关系比较图；图6是本专利技术实施例一光栅天线的远场示意图；图7是本专利技术实施例一光栅天线波长和横向发散角的关系比较图；图8是本专利技术实施例一光栅天线中波长为1.55um时纵向散射角的示意图。
[0015]图中：1.硅基底；2.介质埋氧层；3.上包层；4.条形波导；5.月牙型截面辐射块。
实施方式
[0016]下面结合附图和具体实施方式，对专利技术进一步说明：如图1
‑
2所示，一种采用月牙型截面辐射块阵列的光栅天线，包括由下往上设置的硅基底1、介质埋氧层2、器件层以及上包层3，所述硅基底1包括单晶硅衬底，深度为220nm，所述介质埋氧层2包括SiO2掩埋层，深度为2um，所述上包层3深度为2um，所述器件层包括设置于中部的条形波导4，所述条形波导4厚度为300nm，所述条形波导4两侧对称设有月牙型截面辐射块阵列，所述月牙型截面辐射块阵列包括多个等间距平行设置的月牙型截面辐射块5，所述月牙型截面辐射块阵列用于抑制光栅天线的侧向辐射以及底部辐射，提升向上辐射效率。其中，所述月牙型截面辐射块的弧面曲率为Y=AX2，A为弧面曲率因子，范围为0.1～0.7，所述月牙型截面辐射块阵列周期P为760～840nm，所述月牙型截面辐射块阵列的占空比DC为0.4～0.6，所述条形波导的宽度W1为320～390nm，所述月牙型截面辐射块的宽度W2为270～330nm，所述条形波导与月牙型截面辐射块阵列的距离d为170～230nm。
[0017]本专利技术中条形波导4在接收到输入光时，将输入光耦合至月牙型截面辐射块阵列，月牙型截面的这个亚波长段在波导衰落场内经历周期性的连续束缚状态效应，提高了抑制天线横向和底部流出的能力，减少了远场劣化和损耗，并改善了天线设计长度，能够在不增
加阵列密度的条件下，具有小光束发散角、大视场和毫米级性能。
实施例
[0018]取典型入射波长1550nm，将条形波导宽度W1设为0.37um，月牙型截面辐射块阵列宽度W2为0.28um，阵列周期P为0.8um，阵列占空比DC为0.5，条形波导与月牙型截面辐射块阵列间距d为0.2um，为提高仿真效率和节省仿真资源，天线长度设置为50um进行仿真，得到以下结果：如图3所示，该光栅天线两侧具有较少的横向电场分布（TE）和较低的损耗，波导的模式被很好地限制在了条形波导中，而这有助于增加天线设计的长度；如图4所示，该光栅天线在垂直与横向两个方向上产生光，通过抑制横向和底部发射强度而增加向上强度，无需增加额外的反射层和复杂的制造步骤，利用周期性连续体在衰变场中的周期性束缚态（BIC）效应抑制了横向流出，其中，向上辐射效率（RE）：
[0019]其中，UP指上，Bottom指下，Side指两边；当条形波导宽度为0.37um时，光栅天线向上辐射效率最高，可达91%；如图5所示，该光栅天线的弧面曲率为Y=AX2，A为弧面曲率因子，当A=0.5时，光栅天线的向上效率最高，达到93.8%；如图6所示，该光栅天线的远场光束光斑数量仅有一个，且能量分布均匀，此说明采用月牙型截面辐射块阵列能更好地抑制光栅天线的侧向辐射以及底部辐射，使能量更好地集中在一个点；如图7所示，从左到右依次为1500～1600nm的远场发射角示意图，可看出在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用月牙型截面辐射块阵列的光栅天线，包括由下往上设置的硅基底、介质埋氧层、器件层以及上包层，其特征在于：所述器件层包括设置于中部的条形波导，所述条形波导两侧对称设有月牙型截面辐射块阵列，所述月牙型截面辐射块阵列包括多个等间距平行设置的月牙型截面辐射块，所述月牙型截面辐射块阵列用于抑制光栅天线的侧向辐射以及底部辐射，提升向上辐射效率。2.根据权利要求1所述采用月牙型截面辐射块阵列的光栅天线，其特征在于：所述月牙型截面辐射块的弧面曲率为Y=AX2，A为弧面曲率因子，范围为0.1～0.7。3.根据权利要求1所述采用月牙型截面辐射块阵列的光栅天线，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：单肖楠，季张杰，程立文，叶淑娟，
申请(专利权)人：扬州扬芯激光技术有限公司，
类型：发明
国别省市：