[發(fā)明專利]基于鈮酸鋰薄膜材料移相控制的光學(xué)相控陣及制備方法

在審

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• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN113671769A
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 路侑錫;金里;劉其鑫;馮俊波;郭進(jìn);蔣平;楊米杰
• 申請（專利權(quán)）人: 聯(lián)合微電子中心有限責(zé)任公司
• 主分類號: G02F1/29
• 分類號: G02F1/29;G02F1/03;G02F1/035
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所(普通合伙) 31219
• 代理人: 羅泳文

本發(fā)明提供一種基于鈮酸鋰薄膜材料移相控制的光學(xué)相控陣及制備方法，光學(xué)相控陣包括：硅基底；氧化硅層，位于硅基底上；硅基光波導(dǎo)層，位于氧化硅層上，硅基光波導(dǎo)層包括耦合分束器及光柵天線，耦合分束器及光柵天線之間具有間隙帶；氧化硅包層，填充于硅基光波導(dǎo)層周圍及間隙帶；鈮酸鋰移相器，包括位于間隙帶上的鈮酸鋰薄膜、位于鈮酸鋰薄膜上且連接耦合分束器及光柵天線的鈮酸鋰光波導(dǎo)、以及位于鈮酸鋰光波導(dǎo)兩側(cè)的鈮酸鋰薄膜上的調(diào)制電極。本發(fā)明采用具有高電光系數(shù)、低損耗的材料如鈮酸鋰來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光學(xué)相控陣中所用的熱調(diào)電阻或者載流子注入的相位調(diào)制方式，可以在光學(xué)相控陣中進(jìn)行低功耗、高速、低波導(dǎo)損耗的光學(xué)相位調(diào)制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于硅光器件設(shè)計及制造領(lǐng)域，特別是涉及一種基于鈮酸鋰薄膜材料移相控制的光學(xué)相控陣及制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

硅光技術(shù)發(fā)展至今，在光源、調(diào)制器、波導(dǎo)、探測器等光電器件上已取得不少突破和成果。硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工藝制作光器件，方便與其他現(xiàn)有的元器件集成。

受制于硅的晶格特性，硅的線性電光效應(yīng)較為微弱，使得硅中的光調(diào)制主要依賴于自由載流子色散效應(yīng)。然而，由于自由載流子色散的本征吸收和非線性特性，會降低光調(diào)制的振幅，并且在使用高級調(diào)制格式時可能導(dǎo)致信號失真。這使得硅光調(diào)制器要么顯示出較低的光電帶寬，要么顯示出較高的工作電壓。

光學(xué)相控陣作為一種可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)空間掃描的器件，在距離傳感、激光掃描成像、自由空間光通信等領(lǐng)域有著廣泛的潛在應(yīng)用，在現(xiàn)有技術(shù)中，單純的基于硅材料的光學(xué)相控陣激光雷達(dá)大多數(shù)采用熱光效應(yīng)或者基于電光效應(yīng)的載流子注入方式來改變光學(xué)相控陣每一個通道光學(xué)相位，從而達(dá)到波束成形的效果。然而，如上所述，由于硅的熱光調(diào)相和載流子注入調(diào)相分別具有移相功耗高、速率低和波導(dǎo)損耗高的缺點(diǎn)，會極大地影響光學(xué)相控陣的性能，進(jìn)而影響測距系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于鈮酸鋰薄膜材料移相控制的光學(xué)相控陣及制備方法，以實(shí)現(xiàn)一種新型的光學(xué)相控陣的調(diào)相方式，降低硅基光學(xué)相控陣系統(tǒng)的功耗，提升硅基光學(xué)相控陣的調(diào)制速率，并且降低系統(tǒng)的波導(dǎo)損耗。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于鈮酸鋰薄膜材料移相控制的光學(xué)相控陣，所述光學(xué)相控陣包括：硅基底；氧化硅層，位于所述硅基底上；硅基光波導(dǎo)層，位于所述氧化硅層上，所述硅基光波導(dǎo)層包括耦合分束器及光柵天線，所述耦合分束器及光柵天線之間具有間隙帶；氧化硅包層，填充于所述硅基光波導(dǎo)層周圍及所述間隙帶；鈮酸鋰移相器，包括位于所述間隙帶上的鈮酸鋰薄膜、位于所述鈮酸鋰薄膜上且連接所述耦合分束器及光柵天線的鈮酸鋰光波導(dǎo)、以及位于所述鈮酸鋰光波導(dǎo)兩側(cè)的鈮酸鋰薄膜上的調(diào)制電極。

可選地，還連接有光環(huán)行器及激光器，所述光環(huán)行器的輸出端連接于所述耦合分束器的輸入端，所述激光器的輸出端連接于所述光環(huán)行器的輸入端。所述激光器所發(fā)射的激光包括頻率線性變化的窄線寬光束。

可選地，所述耦合分束器包括依次串接的多級50:50的分束單元，所述耦合分束器包括一個輸入端以及多個輸出端，且每個所述輸出端所輸出的光強(qiáng)相等。

可選地，所述鈮酸鋰光波導(dǎo)跨接于所述耦合分束器及光柵天線上方，且與所述耦合分束器及光柵天線具有交疊。

可選地，所述硅基光波導(dǎo)層的材料包括硅及氮化硅中的一種。

可選地，所述鈮酸鋰光波導(dǎo)為脊型波導(dǎo)。

可選地，所述調(diào)制電極包括地電極以及控制電極，所述地電極接地，所述控制電極用于輸入控制信號，通過將控制信號經(jīng)由所述控制電極加載到所述鈮酸鋰光波導(dǎo)的兩側(cè)，以改變光波傳輸區(qū)域的折射率，從而改變光波在傳輸過程中的相位。