一种光学天线制造技术

本发明专利技术公开了一种光学天线，包括：波导；第一介质结构，分设于波导的两侧以外，并沿光的传输方向对称周期设置；第二介质结构，分设于波导的上方两侧，并沿光的传输方向对称周期设置；波导

【技术实现步骤摘要】
一种光学天线


[0001]本专利技术涉及光子集成电路工艺
，尤其涉及一种可应用于光学相控阵的高方向性高效率光学天线
。

技术介绍

[0002]片上集成光学相控阵是由一系列光学纳米天线单元构成的阵列，能够通过电控的方式实现快速精确的波束扫描，在光通信
、
探测与测距（
LiDAR
）等方面具有广阔的应用前景
。
[0003]目前，限制光学相控阵探测距离的几个重要因素是片上损耗
、
天线的辐射效率以及阵列的有效辐射口径
。
在基于商业
SOI
晶圆结构设计的光栅天线中，地板的缺失将使得近一半的能量泄露到衬底侧，导致能量的浪费
。
此外，直接对波导上表面或者侧壁进行刻蚀将导致强辐射，严重限制了天线单元的有效辐射长度（辐射口径），导致远场波束的
3dB
波束宽度较大
。
天线单元的衬底侧能量泄露以及受限的辐射长度，均会对光学相控阵所能实现的探测范围产生限制
。
因此，如何设计光学相控阵天线单元以实现高方向性高效率辐射，是当前需要解决的技术问题
。
[0004]现有的一种光学天线，采用了布拉格反射器（
DBR
）作为地板，以实现天线高效率辐射，同时利用设于硅波导上层的氮化硅光栅，对波导中导波弱扰动，以实现长辐射口径
。
然而，该光学天线结构中布拉格反射器结构加工复杂，存在与当前
CMOS
工艺不兼容问题
。
[0005]现有的另一种光学天线，采用了在中心亚波长波导光栅（
SWG
）两侧设置周期分布的介质辐射块形式，介质块通过扰动倏逝场进行辐射，从而大大降低了天线的辐射强度；此外，通过对介质块进行二次浅刻蚀，增加结构上下不对称性，能够将辐射效率提高至
70%
以上
。
该光学天线结构虽能够实现较弱的辐射速率，因此获得天线极窄的远场
3dB
波束宽度（高方向性波束），但其辐射效率提升有限，且带宽较窄
。
[0006]因此，有必要提供一种新型高方向性高效率光学天线，能够在与当前
CMOS
工艺兼容的基础上，进一步提高天线辐射效率，并避免天线辐射口径受限
。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种光学天线
。
[0008]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：本专利技术提供一种光学天线，包括：波导；第一介质结构，分设于所述波导的两侧以外，并沿光的传输方向对称周期设置；第二介质结构，分设于所述波导的上方两侧，并沿光的传输方向对称周期设置；所述波导
、
所述第一介质结构和所述第二介质结构之间以第三介质相隔离，所述第一介质结构的周期尺寸与所述第二介质结构的周期尺寸一致，且所述第一介质结构与所述第二介质结构在光的传输方向上具有一定的相对位移偏量，通过所述第一介质结构和所
述第二介质结构对所述波导周围具有的倏逝场进行扰动，使对应产生的两个辐射光场在所述波导的下方干涉相消，使得辐射能量向上方的自由空间侧辐射
。
[0009]进一步地，所述第一介质结构相对于所述第二介质结构在面向光的传输方向上具有超前的一定位移偏量
。
[0010]进一步地，所述第一介质结构的中心相对于所述第二介质结构的中心在面向光的传输方向上具有超前的一定位移偏量
。
[0011]进一步地，所述波导包括条形波导；和
/
或，所述第一介质结构包括第一介质块，所述第一介质块的形状包括长方形
、
正方形
、
圆形或椭圆形；和
/
或，所述第二介质结构包括第二介质块，所述第二介质块的形状包括长方形
、
正方形
、
圆形或椭圆形
。
[0012]进一步地，所述波导的宽度大于所述第一介质结构的宽度和所述第二介质结构的宽度，所述波导的高度大于所述第一介质结构的高度，所述第二介质结构的高度大于所述波导的高度，所述第一介质结构的面积大于所述第二介质结构的面积；和
/
或，所述第一介质结构侧面与所述波导的相对侧面之间的距离大于所述第二介质结构底面与所述波导顶面之间的距离；和
/
或，所述第一介质结构侧面与所述波导的相对侧面之间的距离小于两个对称设置的所述第二介质结构的相对侧面之间的距离；和
/
或，两个对称设置的所述第二介质结构的相对侧面之间的距离小于所述波导的宽度
。
[0013]进一步地，所述光学天线包裹于由所述第三介质形成的包层中，所述包层设于衬底的表面上
。
[0014]进一步地，所述波导
、
所述第一介质结构和所述第二介质结构材料包括硅
、
氮化硅
、
氮氧化硅
、
铌酸锂
、
磷化铟
、
氧化铝和聚合物中的任意一种；和
/
或，所述第三介质包括二氧化硅，所述波导
、
所述第一介质结构和所述第二介质结构材料的折射率高于所述第三介质的折射率
。
[0015]进一步地，所述光学天线设于
SOI
衬底上，所述
SOI
衬底依次设有衬底硅层
、
埋氧层和顶层硅层，所述波导和所述第一介质结构通过所述顶层硅层形成，所述埋氧层形成所述光学天线的下包层，所述埋氧层的表面上设有隔离包层，所述隔离包层将所述波导和所述第一介质结构覆盖，所述第二介质结构形成于所述隔离包层的表面上，所述隔离包层的表面上设有上包层，所述上包层将所述第二介质结构覆盖，并与所述隔离包层和作为所述下包层的所述埋氧层共同形成包裹所述光学天线的包层
。
[0016]进一步地，通过控制所述第一介质结构侧面与所述波导的相对侧面之间的距离大小，和控制两个对称设置的所述第二介质结构的相对侧面之间的距离大小，以控制所述光学天线的辐射强度；和
/
或，通过控制所述第一介质结构侧面与所述波导的相对侧面之间的距离大小，和控制所述第二介质结构的宽度，以控制所述光学天线的辐射速率
。
[0017]进一步地，所述波导的宽度为
0.5
μ
m
，高度为
0.22
μ
m
；所述第一介质结构的长度为
0.36
μ
m
，宽度为
0.2
μ
m
，高度为
70nm
；所述第二介质结构的长度为
0.3
μ
m
，宽度为
0.2
μ
m
，高度为
330nm
；所述第一介质结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种光学天线，其特征在于，包括：波导；第一介质结构，分设于所述波导的两侧以外，并沿光的传输方向对称周期设置；第二介质结构，分设于所述波导的上方两侧，并沿光的传输方向对称周期设置；所述波导
、
所述第一介质结构和所述第二介质结构之间以第三介质相隔离，所述第一介质结构的周期尺寸与所述第二介质结构的周期尺寸一致，且所述第一介质结构与所述第二介质结构在光的传输方向上具有一定的相对位移偏量，通过所述第一介质结构和所述第二介质结构对所述波导周围具有的倏逝场进行扰动，使对应产生的两个辐射光场在所述波导的下方干涉相消，使得辐射能量向上方的自由空间侧辐射
。2.
根据权利要求1所述的光学天线，其特征在于，所述第一介质结构相对于所述第二介质结构在面向光的传输方向上具有超前的一定位移偏量
。3.
根据权利要求1所述的光学天线，其特征在于，所述第一介质结构的中心相对于所述第二介质结构的中心在面向光的传输方向上具有超前的一定位移偏量
。4.
根据权利要求1所述的光学天线，其特征在于，所述波导包括条形波导；和
/
或，所述第一介质结构包括第一介质块，所述第一介质块的形状包括长方形
、
正方形
、
圆形或椭圆形；和
/
或，所述第二介质结构包括第二介质块，所述第二介质块的形状包括长方形
、
正方形
、
圆形或椭圆形
。5.
根据权利要求1所述的光学天线，其特征在于，所述波导的宽度大于所述第一介质结构的宽度和所述第二介质结构的宽度，所述波导的高度大于所述第一介质结构的高度，所述第二介质结构的高度大于所述波导的高度，所述第一介质结构的面积大于所述第二介质结构的面积；和
/
或，所述第一介质结构侧面与所述波导的相对侧面之间的距离大于所述第二介质结构底面与所述波导顶面之间的距离；和
/
或，所述第一介质结构侧面与所述波导的相对侧面之间的距离小于两个对称设置的所述第二介质结构的相对侧面之间的距离；和
/
或，两个对称设置的所述第二介质结构的相对侧面之间的距离小于所述波导的宽度
。6.
根据权利要求1所述的光学天线，其特征在于，所述光学天线包裹于由所述第三介质形成的包层中，所述包层设于衬底的表面上
。7.
根据权利要求1所述的光学天线，其特征在于，所述波导
、
所述第一介质结构和所述第二介质结构材料包括硅
、
氮化硅
、
氮氧化硅
、
铌酸锂...

【专利技术属性】
技术研发人员：周广柱，王书新，
申请(专利权)人：赛丽科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：