CN114675369A

CN114675369A - 波导光栅器件、光波导相控阵、光学扫描及光通信装置

Info

Publication number: CN114675369A
Application number: CN202011572753.1A
Authority: CN
Inventors: 张�林; 郭勇君
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-12-24
Filing date: 2020-12-24
Publication date: 2022-06-28

Abstract

本申请公开了一种波导光栅器件，其包括基底以及形成在基底上的多个电介质层，所述多个电介质层包括波导芯层，波导芯层中形成有光栅，其中所述基底在位于所述光栅正下方的位置上被完全刻蚀掉，以露出所述电介质层，使得所述波导光栅器件在所述光栅的上下两侧形成辐射通道。本申请还公开具有波导光栅器件的光波导相控阵和光学扫描装置。根据本发明实施例，利用了光栅基底侧的辐射，形成了上下双向辐射的波导光栅，提高了能量利用效率，并抑制了噪声。

Description

波导光栅器件、光波导相控阵、光学扫描及光通信装置

技术领域

本发明涉及光辐射控制技术，具体而言，涉及一种波导光栅器件以及具有其的光波导相控阵、光学扫描装置和光通信装置。

背景技术

光学相控阵(optical phased array)是一种光束指向控制技术，通常分为液晶相控阵、微机电系统(MEMS)相控阵和光波导相控阵。其中光波导相控阵尺寸小，质量轻，灵活性好，功耗低；但是，光学相控阵的远场成像通常呈现高斯分布，大角度扫描时的成像精度差。

光波导相控阵根据辐射单元及原理的不同可以分为末端辐射(end fire)光学相控阵和波导光栅天线(waveguide-grating antenna)光学相控阵。末端辐射光学相控阵的辐射单元由波导结构构成，通过改变相邻波导之间的相位差实现一维动态扫描。光波导相控阵的辐射单元采用波导光栅天线结构时，可以在一个维度上改变入射波长，另一个维度上改变相位差，实现二维扫描成像。

波导光栅天线用作辐射单元时，很难避免基底侧的辐射，能量利用率低。为此，人们提出在波导光栅结构中在基底侧增加金属反射层或者布拉格反射镜以减少基底侧辐射，提高能量利用率。然而，这样的技术仍然存在不足之处。例如，增加金属反射层的方法与CMOS工艺不兼容。而且，上述措施均不能完全消除基底侧的辐射。此外，基底侧辐射在结构中经历多次反射，产生栅瓣，抑制信噪比，降低成像精度。

对于光学相控阵，除了基底侧辐射之外，扫描范围是制约相控阵性能的重要参数。

为了得到比较高的扫描成像分辨率，波导光栅天线的加工过程中通常需要进行精确控制下的浅刻蚀，其工艺复杂，加工成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种波导光栅器件以及具有该波导光栅器件的光波导相控阵、光学扫描装置和自由空间光通信装置，其至少部分克服了现有技术中的不足。

根据本发明的一个方面，提供了一种波导光栅器件，其包括基底以及形成在基底上的多个电介质层，所述多个电介质层包括波导芯层，所述波导芯层中形成有光栅，其中所述基底在位于所述光栅正下方的位置上被完全刻蚀掉，以露出所述电介质层，使得所述波导光栅器件在所述光栅的上下两侧形成辐射通道。

优选地，所述多个电介质层相对于所述波导芯层在层数、厚度和折射率上基本上对称。

在一些有利实施例中，所述多个电介质层还包括覆盖在所述波导芯层一侧上的调制层和覆盖在所述波导芯层另一侧上的覆盖层。优选地，所述调制层与所述覆盖层对于所述波导光栅器件的工作波长具有基本上相同的折射率，并具有相同量级的厚度。

在一些有利实施例中，所述调制层可以为由LiNbO₃形成的电光相位调制层，并且所述覆盖层可以为Si₃N₄层。

在一些有利实施例中，所述多个电介质层还包括分别位于所述波导芯层上下两侧的上复合增透膜和下复合增透膜，所述上复合增透膜和下复合增透膜各自由相对于所述波导芯层位于外侧的1/2波长膜和位于内侧的1/4波长膜构成。

在一些有利实施例中，所述多个电介质层依次包括：形成为1/2波长膜的Si₃N₄层、形成为1/4波长膜的SiO₂层、形成为电光调制层的LiNbO₃层、形成为波导芯层的Si层、形成为覆盖层的Si₃N₄层、形成为1/4波长膜的SiO₂层以及形成为1/2波长膜的Si₃N₄层。

优选地，所述光栅通过所述上下侧的辐射通道产生基本上对称的双向辐射。

在一些有利实施例中，所述波导芯层还形成有波导分束装置，所述波导分束装置对称地连接至所述光栅的两端。

在一些有利实施例中，所述波导芯层还形成有反射镜，所述反射镜位于所述光栅的两端，用于在所述波导分束装置与所述光栅之间进行光传输。优选地，所述反射镜为布拉格反射镜。

在一些有利实施例中，所述布拉格反射镜具有两个或更多不同方向的反射面。优选地，所述布拉格反射镜具有两个彼此相反的反射面。

在一些有利实施例中，所述波导芯层构造为使得所述光栅在其延伸方向上具有对称结构。

所述光栅可以包括多个刻槽，优选地，所述多个刻槽的深度与所述波导芯层的厚度相同。

在一些有利实施例中，所述波导芯层形成有多个所述光栅，并且所述多个光栅排列成一维或二维阵列。

根据本发明的另一方面，还提供一种光波导相控阵，包括激光光源、移相控制装置以及波导光栅器件。所述波导光栅器件包括基底以及形成在基底上的多个电介质层，所述多个电介质层包括波导芯层，所述波导芯层中形成有至少两个光栅，其中所述基底在位于所述光栅正下方的位置上被完全刻蚀掉，以露出所述电介质层，使得所述波导光栅器件在所述光栅的上下两侧形成辐射通道。所述激光光源发出的激光被传输到所述波导光栅器件的所述光栅中，从而通过所述上下两侧的辐射通道形成双向辐射。所述移相控制装置连接至所述波导光栅器件以对所述光栅形成的双向辐射进行相位调制。

在一些有利实施例中，所述多个电介质层还包括覆盖在所述波导芯层一侧上的调制层和覆盖在所述波导芯层另一侧上的覆盖层，所述调制层与所述覆盖层对于所述波导光栅器件的工作波长具有基本上相同的折射率，并具有相同量级的厚度；并且所述波导光栅器件包括正负电极，用于接收来自所述移相控制装置的信号向所述调制层施加电压以实现电光相位调制。

在一些有利实施例中，所述调制层为由LiNbO₃形成的电光相位调制层，并且所述覆盖层为Si₃N₄层。

优选地，所述波导芯层还形成有波导分束装置，所述波导分束装置对称地连接至所述光栅的两端，用于从所述光栅的两端引入所述激光光源发出的光，以形成在所述光栅的延伸方向上彼此相向的、对称的输入光。

在一些有利实施例中，所述波导芯层还形成有布拉格反射镜，所述布拉格反射镜位于所述光栅的两端，用于在所述波导分束装置与所述光栅之间进行光传输。

在一些有利实施例中，所述波导光栅器件还包括形成于其上的第一激光功率分配装置，用于将来自所述激光光源的光分别传输到所述波导分束装置。

在一些有利实施例中，所述第一激光功率分配装置包括至少两个激光功率分配装置，并且布置在所述光栅的、垂直于所述光栅的延伸方向的两侧或一侧上。

在一些有利实施例中，所述光波导相控阵还包括n级第二激光功率分配装置，其中n≥1，所述第二激光功率分配装置连接在所述激光光源和所述波导光栅器件之间，用于将来自所述激光光源的光进行分束之后传输到所述波导光栅器件中。

优选地，所述波导芯层构造为使得所述光栅在其延伸方向上具有对称结构。

根据本发明的又一个方面，还提供一种光学扫描装置，其包括光发射装置和光接收装置，其中，所述光发射装置包括如上所述的光波导相控阵。

优选地，所述光发射装置至少包括两个所述光波导相控阵，并且所述两个光波导相控阵相互成90°夹角布置，形成360°全视场扫描成像。

所述光学扫描装置为激光雷达装置或扫描成像装置，例如生物传感装置。

根据本发明的又一个方面，还提供一种自由空间光通信装置，其包括光发射/接收装置，所述光发射/接收装置包括如上所述的光波导相控阵。

根据本发明的又一个方面，还提供一种波导光栅器件，其包括基底以及形成在基底上的不止一个电介质层，所述不止一个电介质层包括波导芯层，所述波导芯层中形成有光栅，所述光栅在其延伸方向上具有对称结构并且在其延伸方向的两端上具有光接收结构。

优选地，所述波导芯层还形成有波导分束装置，所述波导分束装置对称地连接至所述光栅的两端，用于从所述光栅的两端引入在所述光栅的延伸方向上彼此相向的、对称的输入光。

优选地，所述基底在位于所述光栅正下方的位置上被完全刻蚀掉，以露出所述电介质层，使得所述波导光栅器件在所述光栅的上下两侧形成辐射通道。

根据本发明的又一个方面，还提供一种光波导相控阵，其包括激光光源、移相控制装置以及波导光栅器件。所述波导光栅器件包括基底以及形成在基底上的不止一个电介质层，所述不止一个电介质层包括波导芯层，所述波导芯层中形成有光栅，所述光栅在其延伸方向上具有对称结构并且在其延伸方向的两端上具有光接收结构。所述激光光源发出的激光从所述波导光栅器件的所述光栅的两端被耦合到所述光栅中，并且所述波导光栅器件的不止一个电介质层还包括调制层，所述移相控制装置连接至所述波导光栅器件以对所述光栅形成的辐射进行相位调制。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本发明实施例一的波导光栅器件的层状结构示意性透视图；

图2为图1所示波导光栅器件沿平行于光栅延伸方向截取的纵截面示意图；

图3为图1所示波导光栅器件的沿垂直于光栅延伸方向截取的横截面示意图；

图4为根据本发明实施例一的一变型例的波导光栅器件的层状结构示意性透视图；

图5为图4所示波导光栅器件的沿平行于光栅延伸方向截取的纵截面示意图；

图6为波导光栅器件的光栅的向上辐射的远场辐射图；

图7为波导光栅器件的光栅的向下辐射的远场辐射图；

图8为波导光栅器件的光栅的远场辐射在俯仰角方向上的光强分布图；

图9为波导光栅器件的光栅的远场辐射在方位角方向上的光强分布图；

图10为根据本发明实施例二的波导光栅器件的示意性透视图；

图11为根据本发明实施例三的波导光栅器件的示意性透视图；

图12为根据本发明实施例三的一变型例的波导光栅器件的示意性透视图；

图13为根据本发明实施例三的另一变型例的波导光栅器件的示意性透视图；

图14为根据本发明实施例四的波导光栅器件的示意性透视图；

图15为根据本发明实施例四的一变型例的波导光栅器件的示意性透视图；

图16为根据本发明实施例四的另一变型例的波导光栅器件的示意性透视图；

图17为根据本发明实施例的光波导相控阵的示意性框图；

图18为根据本发明实施例的光学扫描装置的一种优选实现方式的示意图，其中两个光波导相控阵相互成90°夹角布置；

图19示意性地示出具有单个光波导相控阵的光学扫描装置的扫描范围；

图20示意性地示出具有图18所示布置的两个光波导相控阵的光学扫描装置的扫描范围；

图21为根据本发明实施例五的波导光栅器件的示意性透视图；

图22为根据本发明实施例六的波导光栅器件的示意性透视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

以下将介绍波导光栅器件以及基于其的光波导相控阵。由于光栅既可以作为发射结构又可以作为接收结构，而接收与发射互为逆过程，接收结构的原理与发射结构一样，所以以下将以光栅作为发射结构为例进行说明，接收结构不再赘述。

首先，参照图1-3介绍根据本发明实施例一的波导光栅器件100。

图1为根据本发明实施例一的波导光栅器件100的层状结构示意性透视图。如图1所示，波导光栅器件100包括基底110以及形成在基底上的多个电介质层120，其中多个电介质层120包括波导芯层121。波导芯层121中形成有至少一个光栅G。根据本发明实施例，波导光栅器件100中，基底110在位于光栅G正下方的位置110a上被完全刻蚀掉，以露出电介质层120，使得波导光栅器件100在光栅G的上下两侧都形成辐射通道P₁、P₂(见图2和图3)。

基底一般对波导芯层中的光栅的向下辐射会形成较强的反射以及/或者吸收，所以传统上光栅仅用于与基底相反侧的单向辐射，而基底侧的辐射是不希望发生的。现有技术中甚至还提出了进一步抑制和消除基底侧辐射的技术，以提高能量利用率。与此不同，本发明的发明人提出通过完全刻蚀掉光栅下方的基底来构建更为有效的光栅下侧的辐射通道，主动利用光栅的基底侧辐射，而不是抑制该基底侧辐射。换句话说，根据本发明实施例，提供了一种双向辐射的波导光栅结构/器件，扩大扫描范围，充分利用辐射能量，抑制噪声。双向辐射的波导光栅用于光波导相控阵技术，则可以减少1/2的光栅/相控阵数量。

根据本发明的有利实施例，波导光栅器件100中的光栅优选地具有关于波导芯层上下基本上对称的结构，从而实现对称的上下双方向辐射，保证两侧远场辐射的对称性和均匀性，提高成像性能。此外，应该理解，根据本发明实施例完全刻蚀掉光栅正下方的基底也有利于保证双向辐射的对称性。

图2示出沿波导光栅器件100中的光栅G的延伸方向(图中所示x方向)截取的纵截面示意图(平行于x-y平面)，图3示出垂直于该延伸方向截取的横截面示意图(平行于y-z平面)，并且示出了示意性的层结构。如图所示，在一些有利的示例中，波导光栅器件100的多个电介质层120可以具有相对于波导芯层121上下基本上对称的结构。这里，基本上对称的结构可以指的是层数、厚度以及折射率等方面的对称结构，但是本发明不限于此。

例如，在图2和图3所示示例中，多个电介质层120除了波导芯层121之外，还包括位于波导芯层121下侧的调制层122和覆盖在波导芯层121上侧的覆盖层123。应该理解的是，调制层122和覆盖层123相对于波导芯层121的位置是可以对调的，本发明在这方面不受限制。本申请上下文中所使用的关于相对位置的描述，包括“上”、“下”、“前”、“后”等等都仅仅是示例性的，而非限制性的。

优选地，调制层122与覆盖层123对于波导光栅器件100的工作波长具有基本上相同的折射率，并具有相同量级的厚度。以工作波长为以1550nm为中心波长的辐射为例，优选地，调制层122可以为铌酸锂调制层，覆盖层123可以为氮化硅覆盖层。氮化硅和铌酸锂在上述工作波长上的折射率(在1550nm处Si₃N₄的折射率为1.996，LiNbO₃的折射率为2.211)近似相等。这两种材料的折射率与波导芯层121常用材料Si在1550nm处的折射率3.478相比，差异较大；因此，相比之下，可近似认为波导芯层121两侧的电介质层122、123折射率相同。在厚度方面情况类似，尽管调制层122与覆盖层123的厚度根据优化计算很有可能不同，但是优选具有相同量级的厚度。

多个电介质层120还可以包括其它层。如图2和图3所示，多个电介质层120例如还包括分别位于波导芯层121上下两侧的上复合增透膜124和下复合增透膜125。上复合增透膜124和下复合增透膜125各自由相对于波导芯层121位于外侧的1/2波长膜和位于内侧的1/4波长膜构成。仅作为示例，1/2波长膜可以为Si₃N₄层124a、125a、1/4波长膜的SiO₂层124b、125b。上复合增透膜124和下复合增透膜125优选不仅层数、材料(折射率)上相同而且厚度上也基本上相同。

在一些优选示例中，1/4波长膜和1/2波长膜复合而成的增强膜124、125是在正入射增透膜的基础上对参数进行优化后得到的。优化的目的是为了在大角度范围内得到均匀的远场辐射，并提高透射率。该复合增透膜提高了入射角小于全反射角的光的透过率，有利于抑制成像中的栅瓣。

此外，光栅G包括形成在波导芯层121中的多个刻槽；根据本发明实施例，由于光栅的上下侧辐射均要被利用，所以优选这些刻槽的深度具有与波导芯层121的厚度相同。这样，光栅G的刻槽可以通过无需精确控制深度的刻蚀工艺来实现。而传统的波导光栅为了实现大数值孔径，通常需要通过纳米级别的精确浅刻蚀来形成。相比之下，根据本发明有利实施例的、无需精确控制光栅刻槽深度的波导光栅器件的制造工艺简单，成本低。例如，根据本发明有利实施例的光栅结构可以与波导芯层同步加工，只需要一次电子束光刻即可实现，易于制备；采用成熟的CMOS工艺进行制备，加工成本低；还可以与相位调制结构集成制造，可用于例如低成本全视场全固态光学相控阵芯片。

结合参照图1和图2，根据本发明实施例一的波导光栅器件100中，由于光栅G沿波导芯层121的平面在垂直于光栅的延伸方向的方向(z方向)上通常是对称的，所以光栅G形成的辐射在方位角方向(绕x轴旋转的方向)上是对称的。另一方面，在波导光栅器件100中，光栅G形成为仅从光栅的一端接收光源S₁，这样造成光栅G在其延伸方向上是不对称的，所形成的辐射在俯仰方向上具有一定的倾斜角度。根据本发明实施例一的变型例的波导光栅器件100A通过采用在延伸方向上具有对称结构的光栅而克服了上述问题。接下来，将参照图4至图9介绍波导光栅器件100A。

图4为波导光栅器件100A的层状结构示意性透视图，图5为波导光栅器件100A的沿平行于光栅延伸方向截取的纵截面示意图。如图所示，波导光栅器件100A中，波导芯层121构造为使得光栅G在其延伸方向(x方向)上具有对称结构，尤其是光栅G在其两端均具有光接收结构121a、121b。在图4和图5所示示例中，光接收结构121a、121b由从光栅两端延伸出的波导即可构成。当然，应该理解，本发明并不限于光接收结构的具体构造，只要能够将光辐射S₁、S₂从光栅的两端引入光栅或者从光栅的两端接收光辐射即可。

除了光栅在延伸方向上的结构对称性不同之外，波导光栅器件100A与波导光栅器件100具有基本上相同的结构，在此不再赘述。

根据本变型例的波导光栅器件100A以及具有其的波导相控阵，能够提供在俯仰角方向上相对于垂直位置(中央零度俯仰角位置)对称的辐射，有利于简化光栅/相控阵的移相控制，便于多个光栅/相控阵的组合使用，此外还有利于提高扫描成像的精度。

为了便于理解，以下将给出波导光栅器件100A的一个示例性的数值例。

在该数值例中，波导光栅器件100A包括用于相位调制的LiNbO₃调制层122，Si波导芯层121位于LiNbO₃调制层122之上，波导芯层121上侧为Si₃N₄覆盖层123。Si₃N₄覆盖层123与LiNbO₃调制层122的外侧均为1/2波长膜-1/4波长增透膜构成的Si₃N₄-SiO₂复合增透膜124、125结构。为了减少Si基底中的反射，将波导-光栅天线结构正下方的Si基底完全刻蚀掉。由于波导芯层两侧结构不完全对等，波导芯层两侧对应位置处采用近似等厚度的复合增透膜结构改善远场辐射均匀性，提高成像质量，提高能量利用率，抑制边缘噪音，减少成像盲点。上述各层(不包括基底)对应尺寸如表1所示。

表1：波导光栅器件层结构参数

在该数值例中，光栅G包括四个刻槽并在光栅的延伸方向上具有对称结构。因此，参见图5，刻槽相对于对称中心具有两种不同的刻槽位置p₁、p₂(即距离对称中心的距离)，刻槽宽度也可以有两种不同的宽度w1、w2。按照表2所示的刻槽参数在波导芯层中心处的相应位置刻蚀0.22μm(即完全刻蚀波导芯层)后得到波导-光栅天线结构。

表2：光栅的刻槽参数

刻槽位置	数值(μm)	刻槽宽度	数值(μm)	参数	数值(μm)
						p<sub>1</sub>	1.265	w<sub>1</sub>	0.464	h<sub>e</sub>	0.220
p<sub>2</sub>	0.332	w<sub>2</sub>	0.077	w	5.000

入射光分别从光栅两端的波导进入光栅，向上下两侧辐射。入射光的波长在以1550nm为中心波长的100nm带宽内。

图6和图7分别为根据该数据例的波导光栅器件的光栅的向上辐射和向下辐射的远场辐射图。从图6和图7中可以看到，光栅的向上向下远场辐射具有均匀、对称的特点。

图8为根据该数据例的波导光栅器件的光栅的远场辐射在俯仰角方向上的光强分布图(z＝0截面)。由图8可知，俯仰角方向上，向上远场辐射的半高宽(full width athalf-maximum)是91.1°，向下远场辐射的半高宽是97.0°，从而向上向下远场辐射总共可以覆盖大约180°的角度范围。此外，从图8中可以看出该波导光栅器件的远场辐射在±45°的范围内比较均匀，整个视场内没有出现栅瓣。

图9为波导光栅器件的光栅的远场辐射在方位角方向上的光强分布图(y＝0截面)。由图9可知，方位角方向上，向上远场辐射的半高宽是21.4°，向下远场辐射的半高宽是22.0°。

下面将介绍根据本发明实施例二的波导光栅器件200，图10为波导光栅器件200的一个示例的透视图。

为了清楚起见，图10中没有示出覆盖在波导芯层上的结构，图11至图15中也类似地处理。此外，在对应于不同实施例的示图中，对应的结构用相似的附图标记来标示，例如基底在各实施例的图中分别用110、210、310、410、510来标示；多个电介质层在各实施例的图中分别用120、220、320、420、520来标示，其它结构的情况类似，在此不再一一介绍。

根据本发明实施例二的波导光栅器件200与根据本发明实施例一的变型例的波导光栅器件100A具有基本上相同的结构，不同之处在于：在波导光栅器件200中，波导芯层121形成有波导分束装置230，该波导分束装置对称地连接至光栅G的两端。如图10所示，有利地，波导分束装置230可以是一分二的波导分束器。作为替代或补充，波导分束装置230也可以采用星型耦合器(star coupler)、主线波导耦合器(bus-waveguide coupler)等合适的其它分束装置。

如图10所示，波导光栅器件200中，波导芯层121还可以形成有位于光栅G两端的反射镜240，用于在波导分束装置230与光栅G之间进行光传输。在根据本发明的优选实施例中，反射镜240可以采用布拉格反射镜。

在光栅的两端利用反射镜来传输光，使得根据本发明实施例的、采用双向对称光源的光栅器件能够具有紧凑的构造，从而适应例如光波导相控阵等应用场合下的小型化、高集成度的要求。尤其是采用布拉格反射镜，布拉格反射镜具有尺寸小、宽波段、效率高的优点，更加有助于整个器件的小型化和效率提升。

此外，从图10中还可以看到，根据本发明实施例的波导光栅器件中不限于形成单个光栅G，而是可以形成两个以上光栅。而且，如图10所示，根据本发明实施例的波导光栅器件中，还可以包括形成于其上的第一激光功率分配装置250，用于将来进入第一激光功率分配装置250的激光S₀进行功率分配，以分别传输给两个以上波导分束装置230。图10中示出第一激光功率分配装置250可以形成在波导芯层221中；然而，本发明在此方面不受限制，第一激光功率分配装置250也可以形成在波导芯层221以外的层中。第一激光功率分配装置250与波导分束装置230形成级联的分束结构，以将作为相干光的激光以双向对称的方式提供给两个以上的光栅G。

根据本发明实施例，波导光栅器件中的有多个光栅可以排列成一维或二维阵列。光栅阵列的形成有利于器件的集成化和小型化，从而有利于器件的应用。多个光栅形成一维或二维阵列的根据本发明实施例的波导光栅器件中，光栅不限于上述介绍的在其延伸方向上具有对称结构的光栅。特别是，根据本发明实施例的波导光栅器件中光栅通过上下侧的辐射通道产生双向辐射，基于这样的光栅得到的光栅阵列已经能够提供技术优势。不过，为了展示本发明的更多技术特点和优势，以下将以结合双向对称光源的、具有对称结构的光栅为例来对形成有光栅阵列的根据本发明实施例的波导光栅器件进行介绍。

首先，结合图11-13介绍根据本发明实施例三及其变型例的、形成有一维光栅阵列的波导光栅器件。

图11为根据本发明实施例三的波导光栅器件300的示意性透视图，图12和图13分别示出了图11所示波导光栅器件的两个变型例。如图所示，在波导光栅器件300、300A、300B中，多个光栅G(图中示例性地示出4个光栅)沿着光栅的延伸方向排列成一维阵列。

尽管图中示出了波导分束装置330、反射镜340和激光功率分配装置350，但是应该理解，根据本发明实施例三及其变型例的波导光栅器件并不限于具备上述结构，图11-13所示为有利的可选实施方式。

在图11所示波导光栅器件300中，设置了不止一个激光功率分配装置350(第一激光功率分配装置)，它们布置在光栅G的垂直于光栅延伸方向的同一侧上，并分别于用于不同光栅G的波导分束装置330级联。

在图12所示波导光栅器件300A中，与波导光栅器件300不同，不止一个激光功率分配装置350布置在光栅G的、垂直于光栅延伸方向的两侧上。

在图13所示波导光栅器件300B中，与波导光栅器件300、300A不同，激光功率分配装置350形成为本身具有不止一个层级的分配结构，从而将同一光源S0的光分配给多个不同的光栅。而且，在图13所示示例中，激光功率分配装置350从光栅G的、垂直于光栅延伸方向的两侧与波导分束装置330连接。

图13所示变型例的波导光栅器件300B可以与同时为多个光栅G提供相干光的激光光源直接连接，从而无需其它连接在激光光源和波导光栅器件之间的激光功率分配装置。

此外，在图13中还示出了电极360，用于向例如铌酸锂调制层施加电压，以实现对光栅的电光相位调制。有利地，电极360设置在波导分束装置330的光入口处，这样通过分别设置在对应于不同光栅G的不同波导分束装置330的光入口处的电极360，可以实现对各个光栅的分立的相位调制。在其它一些情况下，也可以根据具体的应用场合，将电极360设置在期望对之实现相同相位调制的多个光栅G的共用的光传输通道上，例如激光功率分配装置350的某个分支结构上。

应该理解的是，尽管其它附图中没有示出，但是根据本发明实施例的波导光栅器件上均可以设置这样的用于电光相位调制的电极。

接下来，结合图14-16介绍根据本发明实施例四及其变型例的、形成有二维光栅阵列的波导光栅器件。

图14为根据本发明实施例四的波导光栅器件的示意性透视图，图15和图16分别示出了实施例四的两个变型例。如图所示，在波导光栅器件400、400A、400B中，多个光栅G(图中示例性地示出4个光栅)排列成二维阵列。

在图14所示波导光栅器件400中，多个光栅G(图中示出8个)按照在光栅延伸方向上彼此对齐的方式排布。

在图15所示波导光栅器件400A中，多个光栅G排布成在光栅延伸方向上彼此错位，并且在光栅延伸方向上具有第一间距d1，在垂直于光栅延伸方向的方向上具有第二间距d2，其中第一间距d1和第二间距d2均为正值。

在图16所示波导光栅器件400B中，多个光栅G排布成在光栅延伸方向上彼此错位，并且多个光栅G及其周围结构在垂直于光栅延伸方向的方向上也以互补方式排布，形成紧密的结构。具体而言，对称结构的光栅G与形成在其两端的反射镜440以及用于其的波导分束装置430形成近似三角形结构；在图16所示示例中，这样对应于每一个光栅G的近似三角形结构以互补的方式排布。图16所示的波导光栅器件可以具有紧凑的结构，有利于减小垂直于光栅延伸方向的尺寸。

以上结合附图介绍了形成有一维或二维光栅阵列的波导光栅器件。应该理解的是，根据本发明实施例，波导光栅器件的一维或二维光栅阵列可以具有周期性或非周期性的排布。根据有利实施例，非周期性排布时，可以利用施加的相位调制用电压(例如通过图13所示电极施加的)来补偿辐射极固有的相位差。通过非周期性排布，可以帮助抑制光栅衍射，提高能量利用效率，降低噪声。

根据本发明实施例，还提供一种光波导相控阵，其具有根据本发明实施例的波导光栅器件。

图17为根据本发明实施例的光波导相控阵的示意性结构框图。如图17所示，光波导相控阵1包括激光光源10、波导光栅器件20以及移相控制装置30，其中波导光栅器件20为根据本发明实施例的波导光栅器件，并且其中波导芯层中形成有至少两个光栅。激光光源10发出的激光被传输到波导光栅器件20的光栅21(波导-光栅天线)中，从而通过光栅上下两侧的辐射通道形成双向辐射。移相控制装置30连接至波导光栅器件20以对光栅22形成的双向辐射进行相位调制。优选地，光栅22通过上下侧的辐射通道产生基本上对称的双向辐射。

在有利实施例中，波导光栅器件20包括正负电极(未示出)，用于接收来自移相控制装置30的信号向波导光栅器件中的调制层施加电压，以实现电光相位调制。

在有利实施例中，波导光栅器件20还包括形成于其上的激光功率分配装置22(第一激光功率分配装置)，用于将来自激光光源10的光分配用于不同的光栅21。优选地，波导光栅器件20的波导芯层上可以形成有波导分束装置(见图10中的波导分束装置230)，其对称地连接至光栅21的两端，用于从光栅的两端引入激光光源10发出的光，以形成在光栅21的延伸方向上彼此相向的、对称的输入光。在这种情况下，激光功率分配装置22可以将来自激光光源10的光进行分束，并分别传输到对应于不同光栅21的波导分束装置中。

返回参照图12、图14-16，在有利的实施例中，第一激光功率分配装置22可以包括至少两个激光功率分配装置，并且布置在光栅21的、垂直于光栅延伸方向的两侧上。

尽管图17中未示出，但是根据本发明实施例的光波导相控阵还可以包括与波导光栅器件20分立的激光功率分配装置(第二激光功率分配装置)，其连接在激光光源10和波导光栅器件20之间，用于将来自激光光源10的光进行分束之后传输给波导光栅器件20。第二激光功率分配装置例如可以是基于光纤的激光分束装置。而且，可以根据阵列排布的需要在激光光源与波导光栅器件之间添加n(n≥1)级激光功率分配装置。

应该理解，根据本发明实施例的光波导相控阵因其具有根据本发明实施例的波导光栅器件而自然地具有该波导光栅器件的其它特征和技术优势，在此不再赘述。

根据本发明实施例，还提供一种光学扫描装置，其具有根据本发明实施例的光波导相控阵。

接下来，结合图18-20介绍根据本发明实施例的光学扫描装置的一种优选实现方式。在本优选实现方式中，光学扫描装置OS包括根据本发明实施例的两个光波导相控阵1A、1B。在图18的图示中，为图示的清楚和简洁起见，仅以光波导相控阵中的波导光栅结构来代表光波导相控阵1A、1B。在本优选实现方式中，如图18所示，两个光波导相控阵1A、1B相互成90°夹角布置。这样，根据本发明实施例，光波导相控阵1A中波导光栅器件的光栅通过上下两侧的辐射通道P₁、P₂形成双向辐射；光波导相控阵1B中波导光栅器件的光栅通过上下两侧的辐射通道P’₁、P’₂形成双向辐射。

根据本发明实施例的波导光栅器件中的光栅的向上(向下)的辐射能够在大角度上具有很好的均匀性。例如，返回参照上述数值例，光栅G的向上/向下辐射可以在不小于90°的范围内实现近似等强度扫描。由夫琅和费衍射原理可以知道，光栅阵列的扫描/成像范围由作为单元结构的单个光栅的成像包络决定。因此，根据本发明实施例的单个相控阵在向上、向下两个方向上可以实现≥180°的扫描成像，如图19所示。而具有两个呈90°布置的相控阵1A、1B的光学扫描装置OS则可以实现360°全视场扫描成像，如图20所示。

根据本发明实施例，通过成90°交叉布置两个能够提供上下双向辐射的相控阵，相比常用的单向辐射光波导相控阵，不仅能够实现大视场成像，还可以减少1/2的相控阵数量。

根据本发明实施例的光学扫描装置OS可以为激光雷达装置或扫描成像装置，例如可以为生物传感装置。

根据本发明实施例，还提供一种自由空间光通信装置，其包括光发射/接收装置，该光发射/接收装置包括如上所述的光波导相控阵。

图21为根据本发明实施例五的波导光栅器件500的示意性透视图。如图12所示，波导光栅器件500包括基底510以及形成在基底510上的不止一个电介质层520，其中所述不止一个电介质层520包括波导芯层521。波导芯层521中形成有光栅G，光栅G在其延伸方向(图中所示x轴方向)上具有对称结构并且在其延伸方向的两端上具有光接收结构521a、521b。波导光栅器件500具有与图4所示根据本发明实施例一的变型例的波导光栅器件100A具有相似的对称光栅结构，不同之处在于，在波导光栅器件500中光栅G正下方的基底510可以不被刻蚀掉。可以理解，根据本发明实施例五的波导光栅器件500并不意图提供上下双向辐射。相应地，不止一个电介质层520中的层结构相对于波导芯层521可以具有或者不具有基本上对称的结构，包括层数、厚度和折射率等。

优选地，波导光栅器件500中，波导芯层521还可以形成有波导分束装置(未示出)，波导分束装置对称地连接至光栅G的两端，用于从光栅两端引入在光栅延伸方向上彼此相向的、对称的输入光。波导分束装置可以是一分二的波导分束器。作为替代或补充，波导分束装置也可以采用星型耦合器(star coupler)、主线波导耦合器(bus-waveguidecoupler)等合适的其它分束装置。

图22为根据本发明实施例六的波导光栅器件600的示意性透视图。如图22所示，波导光栅器件600具有光栅阵列，其中不止一个光栅G沿光栅延伸方向彼此相邻地布置。根据本发明实施例六，在光栅延伸方向上彼此相邻的光栅G之间形成有至少一个复合型布拉格反射镜601。复合型布拉格反射镜601可以具有两个或更多不同方向的反射面(图22所示为彼此相反的两个反射面)，其可以具有如图22所示的由背靠背的两个“c”形拼合的形状，也可以例如具有大致S形的形状；本发明在这方面不受限制。采用复合型布拉格反射镜有利于实现更加紧凑的结构，从而有利于器件的小型化。如图22所示，波导光栅器件600还可以包括普通布拉格反射镜602，例如设置在光栅阵列的边缘的位置上。

应该理解的，复合型布拉格反射镜可以被结合应用于上述根据本发明其它实施例的波导光栅器件和光波导相控阵中。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims

1.一种波导光栅器件，包括基底以及形成在基底上的多个电介质层，所述多个电介质层包括波导芯层，所述波导芯层中形成有光栅，其中所述基底在位于所述光栅正下方的位置上被完全刻蚀掉，以露出所述电介质层，使得所述波导光栅器件在所述光栅的上下两侧形成辐射通道。

2.如权利要求1所述的波导光栅器件，其中，所述多个电介质层相对于所述波导芯层在层数、厚度和折射率上基本上对称。

3.如权利要求1所述的波导光栅器件，其中，所述多个电介质层还包括覆盖在所述波导芯层一侧上的调制层和覆盖在所述波导芯层另一侧上的覆盖层。

4.如权利要求2所述的波导光栅器件，其中，所述调制层与所述覆盖层对于所述波导光栅器件的工作波长具有基本上相同的折射率，并具有相同量级的厚度。

5.如权利要求3所述的波导光栅器件，其中，所述调制层为由LiNbO₃形成的电光相位调制层，并且所述覆盖层为Si₃N₄层。

6.如权利要求1-5中任一项所述的波导光栅器件，其中，所述多个电介质层还包括分别位于所述波导芯层上下两侧的上复合增透膜和下复合增透膜，所述上复合增透膜和下复合增透膜各自由相对于所述波导芯层位于外侧的1/2波长膜和位于内侧的1/4波长膜构成。

7.如权利要求1所述的波导光栅器件，其中，所述多个电介质层依次包括：形成为1/2波长膜的Si₃N₄层、形成为1/4波长膜的SiO₂层、形成为电光调制层的LiNbO₃层、形成为波导芯层的Si层、形成为覆盖层的Si₃N₄层、形成为1/4波长膜的SiO₂层以及形成为1/2波长膜的Si₃N₄层。

8.如权利要求1-7中任一项所述的波导光栅器件，其中，所述光栅通过所述上下侧的辐射通道产生基本上对称的双向辐射。

9.如权利要求1所述的波导光栅器件，其中，所述波导芯层还形成有波导分束装置，所述波导分束装置对称地连接至所述光栅的两端。

10.如权利要求9所述的波导光栅器件，其中，所述波导芯层还形成有反射镜，所述反射镜位于所述光栅的两端，用于在所述波导分束装置与所述光栅之间进行光传输。

11.如权利要求10所述的波导光栅器件，其中，所述反射镜为布拉格反射镜。

12.如权利要求11所述的波导光栅器件，其中，所述布拉格反射镜具有两个或更多不同方向的反射面。

13.如权利要求12所述的波导光栅器件，其中，所述布拉格反射镜具有两个彼此相反的反射面。

14.如权利要求1及9-13中任一项所述的波导光栅器件，其中，所述波导芯层构造为使得所述光栅在其延伸方向上具有对称结构。

15.如权利要求1及9-13中任一项所述的波导光栅器件，其中，所述光栅包括多个刻槽，所述多个刻槽的深度与所述波导芯层的厚度相同。

16.如权利要求1及9-13中任一项所述的波导光栅器件，其中，所述波导芯层形成有多个所述光栅，并且所述多个光栅排列成一维或二维阵列。

17.一种光波导相控阵，包括激光光源、移相控制装置以及波导光栅器件，其中：

所述波导光栅器件包括基底以及形成在基底上的多个电介质层，所述多个电介质层包括波导芯层，所述波导芯层中形成有至少两个光栅，其中所述基底在位于所述光栅正下方的位置上被完全刻蚀掉，以露出所述电介质层，使得所述波导光栅器件在所述光栅的上下两侧形成辐射通道；

所述激光光源发出的激光被传输到所述波导光栅器件的所述光栅中，从而通过所述上下两侧的辐射通道形成双向辐射；并且

所述移相控制装置连接至所述波导光栅器件以对所述光栅形成的双向辐射进行相位调制。

18.如权利要求17所述的光波导相控阵，其中，所述光栅通过所述上下侧的辐射通道产生基本上对称的双向辐射。

19.如权利要求18所述的光波导相控阵，其中，所述多个电介质层还包括覆盖在所述波导芯层一侧上的调制层和覆盖在所述波导芯层另一侧上的覆盖层，所述调制层与所述覆盖层对于所述波导光栅器件的工作波长具有基本上相同的折射率，并具有相同量级的厚度；并且

所述波导光栅器件包括正负电极，用于接收来自所述移相控制装置的信号向所述调制层施加电压以实现电光相位调制。

20.如权利要求19所述的光波导相控阵，其中，所述调制层为由LiNbO₃形成的电光相位调制层，并且所述覆盖层为Si₃N₄层。

21.如权利要求17-20中任一项所述的光波导相控阵，其中，所述多个电介质层还包括分别位于所述波导芯层上下两侧的上复合增透膜和下复合增透膜，所述上复合增透膜和下复合增透膜各自由相对于所述波导芯层位于外侧的1/2波长膜和位于内侧的1/4波长膜构成。

22.如权利要求17或18所述的光波导相控阵，其中，所述多个电介质层依次包括：形成为1/2波长膜的Si₃N₄层、形成为1/4波长膜的SiO₂层、形成为电光调制层的LiNbO₃层、形成为波导芯层的Si层、形成为覆盖层的Si₃N₄层、形成为1/4波长膜的SiO₂层以及形成为1/2波长膜的Si₃N₄层。

23.如权利要求17所述的光波导相控阵，其中，所述波导芯层还形成有波导分束装置，所述波导分束装置对称地连接至所述光栅的两端，用于从所述光栅的两端引入所述激光光源发出的光，以形成在所述光栅的延伸方向上彼此相向的、对称的输入光。

24.如权利要求23所述的光波导相控阵，其中，所述波导芯层还形成有布拉格反射镜，所述布拉格反射镜位于所述光栅的两端，用于在所述波导分束装置与所述光栅之间进行光传输。

25.如权利要求24所述的光波导相控阵，其中，所述布拉格反射镜具有两个或更多不同方向的反射面。

26.如权利要求25所述的光波导相控阵，其中，所述布拉格反射镜具有两个彼此相反的反射面。

27.如权利要求23所述的光波导相控阵，其中，所述波导光栅器件还包括形成于其上的第一激光功率分配装置，用于将来自所述激光光源的光分别传输到所述波导分束装置。

28.如权利要求27所述的光波导相控阵，其中，所述第一激光功率分配装置包括至少两个激光功率分配装置，并且布置在所述光栅的、垂直于所述光栅的延伸方向的两侧或一侧上。

29.如权利要求17、23-28中任一项所述的光波导相控阵，其中，所述光波导相控阵还包括n级第二激光功率分配装置，其中n≥1，所述第二激光功率分配装置连接在所述激光光源和所述波导光栅器件之间，用于将来自所述激光光源的光进行分束之后传输到所述波导光栅器件中。

30.如权利要求17、23-28中任一项所述的光波导相控阵，其中，所述波导芯层构造为使得所述光栅在其延伸方向上具有对称结构。

31.如权利要求17、23-28中任一项所述的光波导相控阵，其中，所述光栅包括多个刻槽，所述多个刻槽的深度与所述波导芯层的厚度相同。

32.如权利要求17、23-28中任一项所述的光波导相控阵，其中，所述波导芯层形成有多个所述光栅，并且所述多个光栅排列成一维或二维阵列。

33.一种光学扫描装置，包括光发射装置和光接收装置，其中，所述光发射装置包括如权利要求17-32中任一项所述的光波导相控阵。

34.如权利要求33所述的光学扫描装置，其中，所述光发射装置至少包括两个所述光波导相控阵，并且所述两个光波导相控阵相互成90°夹角布置。

35.如权利要求33或34所述的光学扫描装置，其中，所述光学扫描装置为激光雷达装置。

36.如权利要求33或34所述的光学扫描装置，其中，所述光学扫描装置为扫描成像装置。

37.如权利要求36所述的光学扫描装置，其中，所述光学扫描装置为生物传感装置。

38.一种自由空间光通信装置，包括光发/接收射装置，所述光发射/接收装置包括如权利要求17-32中任一项所述的光波导相控阵。

39.一种波导光栅器件，包括基底以及形成在基底上的不止一个电介质层，所述不止一个电介质层包括波导芯层，所述波导芯层中形成有光栅，所述光栅在其延伸方向上具有对称结构并且在其延伸方向的两端上具有光接收结构。

40.如权利要求39所述的波导光栅器件，其中，所述波导芯层还形成有波导分束装置，所述波导分束装置对称地连接至所述光栅的两端，用于从所述光栅的两端引入在所述光栅的延伸方向上彼此相向的、对称的输入光。

41.如权利要求39所述的波导光栅器件，其中，所述基底在位于所述光栅正下方的位置上被完全刻蚀掉，以露出所述电介质层，使得所述波导光栅器件在所述光栅的上下两侧形成辐射通道。

42.一种光波导相控阵，包括激光光源、移相控制装置以及如权利要求39-41中任一项所述的波导光栅器件，其中所述激光光源发出的激光从所述波导光栅器件的所述光栅的两端被耦合到所述光栅中，并且所述波导光栅器件的不止一个电介质层还包括调制层，所述移相控制装置连接至所述波导光栅器件以对所述光栅形成的辐射进行相位调制。