CN209746121U - 一种集成光学相控阵芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种集成光学相控阵芯片，包括设置于相控波导阵列一侧的平板区，所述相控波导阵列的光束输出至所述平板区；所述平板区包括层叠设置的衬底层、芯层和包层，相对于所述相控波导阵列的另一端设置有角度扩展结构；所述角度扩展结构为可改变入射光线传播路径的光学结构。通过在一维相控芯片输出平板区增加片上透镜或光栅结构，扩大扫描角度范围，提高芯片工作性能，同时结构紧凑，具有高可靠性的优点。相比现有技术采用多个芯片组合扩展角度的方案，降低了系统的复杂度、控制难度、以及系统的成本。使用片外光栅或透镜控制扫描角度的方案，本实用新型利于芯片的小型化，使组装过程更为简单，同时增加了系统的可靠性。

Description

一种集成光学相控阵芯片

技术领域

本实用新型涉及光学相控阵技术领域，具体涉及一种集成光学相控阵芯片。

背景技术

激光雷达通过发射扫描激光束，接收反射回波实现距离或形貌的探测，在无人机，自动驾驶，环境监测等领域有着广泛的应用。激光雷达实现光束扫描的常见方案包括机械旋转，微机电系统及光学相控阵。

光学相控阵技术是指通过调制方式使阵列波导之间产生特定位相差，实现光束角度的旋转，与机械旋转和MEMS光束扫描方案相比，光学相控阵雷达不含转动元件，扫描速度快，扫描范围大，集成度高，可靠性高，成本低等优点。

实现光学相控阵波导相位调制的原理包括液晶、酷钛酸铅镧陶瓷、铌酸锂等材料的电光效应，硅基集成光学芯片的热光效应等。其中，硅基集成光学芯片与半导体CMOS工艺兼容，可实现光源探测器片上集成，结构紧凑，成本低。因此，基于硅基集成光学芯片的相控阵激光雷达具有很大的应用前景。

光束扫描角度范围是激光雷达的重要性能参数之一。对于光学相控阵而言，输出光束的扫描角度范围主要受到输出单元之间间距的影响。输出单元间距越小，扫描角度范围越大。然而，输出光束的其他性能参数，如光束发散角，旁瓣抑制比同样受到输出单元间距的影响，输出单元间距减小，将导致光束发散角增加，相邻波导之间的串扰增加，旁瓣抑制比劣化。因此，对于集成光学相控阵芯片，在提高单个芯片扫描角度范围的同时，为了保证发散角不变，需要使通道数量增加。鉴于此，公开号为CN106575017A的中国专利文献记载了平面波束形成和操纵的光学相控阵列芯片以及使用其的方法。通过设置多个光学相控阵列芯片，实现增加通道数量进而扩展角度。

然而其仍存在以下缺陷：采用大规模密集相控单元，使得芯片结构，调制电路更加复杂；同时为了降低波导之间的串扰，需要采用高对比度波导，对芯片的加工精度要求进一步增加。采用多个芯片组合扩展角度的方案，增加了系统的复杂度，控制难度，以及系统的成本。

实用新型内容

因此，为了克服现有技术中采用大规模密集相控单元来扩展光学相控阵角度会增加电路复杂程度和系统控制难度的问题，从而提供一种集成光学相控阵芯片。

本实用新型的设计方案如下：

一种集成光学相控阵芯片，包括设置于相控波导阵列一侧的平板区，所述相控波导阵列的光束输出至所述平板区；所述平板区包括层叠设置的衬底层、芯层和包层，相对于所述相控波导阵列的另一端设置有角度扩展结构；所述角度扩展结构为可改变入射光线传播路径的光学结构。

优选的，所述角度扩展结构为凹透镜或凸透镜。

优选的，所述角度扩展结构为在所述包层和所述芯层远离所述相控波导阵列的端部成型的曲面结构。

优选的，所述角度扩展结构为反射镜。

优选的，所述角度扩展结构包括所述包层和所述芯层远离所述相控波导阵列的端部刻蚀的斜面和沉积于所述斜面的高反射率金属。

优选的，所述角度扩展结构为光栅结构。

优选的，所述光栅结构为刻蚀于所述芯层上刻蚀的周期性结构。

优选的，所述衬底层为平板结构；所述芯层由透光材质制成的平板结构；所述包层为由透光材质制成的平板结构，设于所述衬底层与所述芯层之间，所述包层的折射率小于所述芯层的折射率。

优选的，所述衬底层和所述芯层为单晶硅，所述包层为二氧化硅。

优选的，所述平板区在所述光束传播方向的长度为0.1-6mm。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

1、本实用新型提供的一种集成光学相控阵芯片，包括设置于相控波导阵列一侧的平板区，所述相控波导阵列的光束输出至所述平板区；所述平板区包括层叠设置的衬底层、芯层和包层，相对于所述相控波导阵列的另一端设置有角度扩展结构；所述角度扩展结构为可改变入射光线传播路径的光学结构。通过在一维相控芯片输出平板区增加片上透镜或光栅结构，扩大扫描角度范围，提高芯片工作性能，同时结构紧凑，具有高可靠性的优点。相比现有技术采用多个芯片组合扩展角度的方案，本实用新型降低了系统的复杂度、控制难度、以及系统的成本。相比现有技术使用片外光栅或透镜控制扫描角度的方案，本实用新型利于芯片的小型化，使组装过程更为简单，同时增加了系统的可靠性。

2、本实用新型提供的一种集成光学相控阵芯片，所述角度扩展结构可以采用不同形式，如凹透镜或凸透镜、反射镜或光栅结构等。

3、本实用新型提供的一种集成光学相控阵芯片，当角度扩展结构为透镜，所述透镜由弯曲的平板区-空气界面实现，光束在界面发生折射。通过设计界面形状改变入射角，可改变光束的角度偏转。由于平板区有效折射率高于空气，因此当曲面为凹面(R<0，圆心与波导阵列位于曲面的两侧)时，可以使折射角度相对于(R≥0)的平面或突面结构而言有所增加，实现角度扩展效果；

4、本实用新型提供的一种集成光学相控阵芯片，当角度扩展结构为反射镜，所述反射镜由平板区末端的包层和所述芯层刻蚀成斜面并沉积高反射率金属实现，光束在金属界面发生反射。通过设计反射镜倾角，改变入射角，可改变光束经反射后的出射角度。当反射镜的倾角由30度改变为60度，对应的扫描角度范围为±30度，更大的扫描角度可通过扩大反射镜倾角范围实现。

5、本实用新型提供的一种集成光学相控阵芯片，当角度扩展结构为光栅，所述光栅由平板区芯层上刻蚀出周期性结构实现，光栅的衍射角度由周期长度决定，通过设计周期长度和占空比参数，可改变光束的衍射角度及衍射强度，使衍射角度在0-180度间改变。

6、本实用新型提供的一种集成光学相控阵芯片，所述衬底层为平板结构；所述芯层由透光材质制成的平板结构；所述包层为由透光材质制成的平板结构，设于所述衬底层与所述芯层之间，所述包层的折射率小于所述芯层的折射率，从而减少光线向包层中的散射，使光线在所述芯层内传播。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的集成光学相控阵角度扩展装置(透镜)结构俯视图；

图2为本实用新型的集成光学相控阵角度扩展装置(透镜)结构侧视图；

图3为本实用新型的集成光学相控阵角度扩展装置(反射镜)结构俯视图；

图4为本实用新型的集成光学相控阵角度扩展装置(反射镜)结构侧视图；

图5为本实用新型的集成光学相控阵角度扩展装置(光栅)结构俯视图；

图6为本实用新型的集成光学相控阵角度扩展装置(光栅)结构侧视图。

附图标记说明：

1-相控波导阵列；2-平板区；3-衬底层；4-芯层；5-包层；6-凹透镜；7-反射镜；8-光栅结构。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实用新型提供的一种集成光学相控阵芯片，包括设置于相控波导阵列1一侧的平板区2，所述相控波导阵列1的光束输出至所述平板区2。所述平板区2包括层叠设置的衬底层3、芯层4和包层5，相对于所述相控波导阵列1的另一端设置有角度扩展结构，所述平板区2在所述光束传播方向的长度为0.1-6mm，改变平板区2的长度，可使得角度扩展结构的尺寸以及空间位置变化率发生改变，根据设计和制备工艺条件，可以对平板区2的长度进行优化。所述衬底层3为平板结构，所述芯层4由透光材质制成的平板结构；所述包层5为由透光材质制成的平板结构，设于所述衬底层3与所述芯层4之间，所述包层5的折射率小于所述芯层4的折射率，从而减少光线向包层5中的散射，使光线在所述芯层4内传播。所述衬底层3和所述芯层4为单晶硅，所述包层5为二氧化硅。

如图1和图2所示，所述角度扩展结构为凹透镜6或凸透镜，可改变入射光线传播路径的光学结构，所述角度扩展结构为在所述包层5和所述芯层4远离所述相控波导阵列1的端部成型的曲面结构。通过设计界面形状改变入射角，可改变光束的角度偏转。采用凸透镜亦可以实现角度偏转的目的。由于平板区2有效折射率高于空气，因此当曲面为凹面R<0，圆心与波导阵列位于曲面的两侧时，可以使折射角度相对于R≥0的平面或突面结构而言有所增加，实现角度扩展效果。

本实施例中，相控阵波导通道数为16路，芯层4厚度220nm，宽度0.5um，间距5um，此时主峰角宽度为1度，pi相移所对应的扫描角度在空气中约为±18度，在平板区2内为±6度；所采用的角度扩展结构为透镜结构，平板区2长度为2mm；平板区2的有效折射率约为2.8,所对应的全反射角入射约为21度；在pi相移情况下，θ0＝6度，通过透镜曲面设计，使θ1＝15度，则θ2＝46度，此时最大偏转角度θ0+θ2-θ1＝37度，与输出端面为平面时相比，扫描角度由18度扩展至37度，增加了一倍。上述芯片性能参数，主峰宽度1度，扫描角度37度，若不采用本实用新型所提出的角度扩展装置来实现，则要求波导间距为2.5um，通道数量为32路，将使芯片的结构复杂程度和调制难度增加一倍。本实用新型针对上述问题提出一种集成光学相控阵芯片片上角度扩展结构，通过在一维相控芯片输出平板区2增加片上透镜或光栅结构8，扩大扫描角度范围，提高芯片工作性能，同时结构紧凑，具有高可靠性的优点。

作为另一种实施方式，如图3和图4所示，所述角度扩展结构为反射镜7。所述角度扩展结构包括所述包层5和所述芯层4远离所述相控波导阵列1的端部刻蚀的斜面和沉积于所述斜面的高反射率金属。光束在金属界面发生反射。通过设计反射镜7倾角，改变入射角，可改变光束经反射后的出射角度。当反射镜7的倾角由30度改变为60度，对应的扫描角度范围为±30度，更大的扫描角度可通过扩大反射镜7倾角范围实现。

作为另一种实施方式，如图5和图6所示，所述角度扩展结构为光栅结构8。所述光栅结构8为刻蚀于所述芯层4上刻蚀的周期性结构。光栅的衍射角度由周期长度决定，通过设计周期长度和占空比参数，可改变光束的衍射角度及衍射强度，使衍射角度在0-180度间改变。

光束扫描角度范围是激光雷达的重要性能参数之一。对于光学相控阵而言，输出光束的扫描角度范围主要受到输出单元之间间距的影响。输出单元间距越小，扫描角度范围越大。然而，输出光束的其他性能参数，如光束发散角，旁瓣抑制比同样受到输出单元间距的影响，输出单元间距减小，将导致光束发散角增加，相邻波导之间的串扰增加，旁瓣抑制比劣化。因此现有技术中，对于集成光学相控阵芯片，在提高单个芯片扫描角度范围的同时，为了保证发散角不变，需要使通道数量增加，采用大规模密集相控单元，使得芯片结构，调制电路更加复杂；同时为了降低波导之间的串扰，需要采用高对比度波导，对芯片的加工精度要求进一步增加。采用多个芯片组合扩展角度的方案，增加了系统的复杂度，控制难度，以及系统的成本。而片外光栅或透镜控制扫描角度的方案不利于芯片的小型化，使组装过程更为复杂，同时降低了系统的可靠性。

需要指出的是，所述衬底层3、所述包层5、所述芯层4的材质不限于本实施例中给出的材质，还可以是其它材质。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种集成光学相控阵芯片，其特征在于：包括设置于相控波导阵列(1)一侧的平板区(2)，所述相控波导阵列(1)的光束输出至所述平板区(2)；所述平板区(2)包括层叠设置的衬底层(3)、芯层(4)和包层(5)，相对于所述相控波导阵列(1)的另一端设置有角度扩展结构；所述角度扩展结构为可改变入射光线传播路径的光学结构。

2.根据权利要求1所述的集成光学相控阵芯片，其特征在于，所述角度扩展结构为凹透镜(6)或凸透镜。

3.根据权利要求2所述的集成光学相控阵芯片，其特征在于，所述角度扩展结构为在所述包层(5)和所述芯层(4)远离所述相控波导阵列(1)的端部成型的曲面结构。

4.根据权利要求1所述的集成光学相控阵芯片，其特征在于，所述角度扩展结构为反射镜(7)。

5.根据权利要求4所述的集成光学相控阵芯片，其特征在于，所述角度扩展结构包括所述包层(5)和所述芯层(4)远离所述相控波导阵列(1)的端部刻蚀的斜面和沉积于所述斜面的高反射率金属。

6.根据权利要求1所述的集成光学相控阵芯片，其特征在于，所述角度扩展结构为光栅结构(8)。

7.根据权利要求6所述的集成光学相控阵芯片，其特征在于，所述光栅结构(8)为刻蚀于所述芯层(4)上刻蚀的周期性结构。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的集成光学相控阵芯片，其特征在于，所述衬底层(3)为平板结构；所述芯层(4)由透光材质制成的平板结构；所述包层(5)为由透光材质制成的平板结构，设于所述衬底层(3)与所述芯层(4)之间，所述包层(5)的折射率小于所述芯层(4)的折射率。

9.根据权利要求8所述的集成光学相控阵芯片，其特征在于，所述衬底层(3)和所述芯层(4)为单晶硅，所述包层(5)为二氧化硅。

10.根据权利要求1中所述的集成光学相控阵芯片，其特征在于，所述平板区(2)在所述光束传播方向的长度为0.1-6mm。