[发明专利]用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线及其制备方法

说明书

本发明提供了一种用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线及其制备方法，所述用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线沿z轴方向自下而上包括：衬底层、介质层和波导层，所述波导层包括用于将光能量向上辐射到自由空间的二维纳米孔状光栅结构。采用本发明的技术方案，波导层包括二维纳米孔状光栅结构，即在水平和垂直方向上均有纳米孔，可以用于向上耦合光输出，二维的纳米孔阵列光栅结构相比于条状光栅结构可以有效地降低光栅的衍射强度，从而增长了光栅长度，减小了光栅天线的远场发散角，提高了光学相控阵的分辨率，结构比较简单，容易制造。

技术领域

本发明属于硅光子器件技术领域，尤其涉及一种用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线及其制备方法。

背景技术

光束扫描是可以实现目标搜寻、测距和成像等功能的一种重要技术方法，该技术在激光扫描、LiDAR（光检测和测距）、无线数据传输以及光开关和光互连等领域有着广泛的应用。传统的机械式扫描激光雷达技术很成熟，整体结构由三棱镜、万向节、旋转平面反射镜等器件组成。机械式激光雷达损耗小，扫描范围大，但是在扫描过程中有机械转动，具有扫描速度慢、体积大、稳定性差和价格昂贵等缺点。而光学相控阵不需要通过机械式转动就可以实现光束扫描，相比于传统的机械式激光雷达，其能耗和尺寸可以被大幅度地减小。

相比与工作于光波段，利用激光作为光源的光学相控阵，微波相控阵已经发展得很成熟，并且已经广泛地应用于无线通信系统和微波雷达中。光学相控阵可以依靠微波相控阵的技术和原理发展起来，而且光学相控阵的工作波段比微波波长更长，出射激光波束很窄，具有很好的保密性，并且不容易被侦察，也不会受到传统无线电波的干扰。另外，光学相控阵质量轻，功耗低，尺寸小，灵活性高，可以集成在一片芯片上。

光栅天线作为光学相控阵中最关键的器件，目前仍然有着向上衍射效率不高，远场发散角比较大等问题。向上衍射效率会影响光束的探测距离，主要由光栅的方向性决定，方向性定义为光栅向上的效率除以光栅向上和向下的效率之和。远场发散角决定了光束扫描的分辨率，对光学相控阵的分辨能力起到了决定性的作用。因此，提高光栅天线的向上衍射效率和降低远场发散角是光学相控阵中一个极其重要的技术问题。

目前，高效率或者大口径的光栅天线已被广泛报道。实现高效率的光栅天线主要通过双层结构来打破光栅的垂直对称性，从而提高光栅方向性，增大光栅天线向上衍射效率；或者利用金属反射镜实现光栅天线的单一方向出射，提升向上衍射效率。但是，这样需要多个刻蚀步骤或者额外的金属沉积，使制造难度大大提升。实现大口径的光栅天线主要通过将光栅结构和波导结构在垂直方向上或者水平方向上的分离来实现更弱的光栅强度，但是，在垂直方向上分离光栅结构需要多个刻蚀步骤，在水平方向上分离光栅得到的光栅天线向上衍射效率一般比较低，并且特征尺寸一般比较小。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线及其制备方法，以解决现有技术中光栅天线效率低下和远场发散角过大或结构比较复杂的问题。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线，

沿z轴方向自下而上包括：衬底层、介质层和波导层，所述波导层包括用于将光能量向上辐射到自由空间的二维纳米孔状光栅结构。其中，这里的纳米孔指的是纳米尺寸的任意形状的孔。

进一步的，所述二维纳米孔状光栅结构包括在波导上分别在水平和垂直方向上浅刻蚀亚波长大小的纳米孔。

进一步优选的，所述纳米孔的最大特征尺寸为亚波长大小。纳米孔的大小决定了光栅天线的长度，更大的纳米孔会造成光栅天线长度降低，增大远场发散角，不利于光栅天线的高分辨率探测。

采用此技术方案，其中的二维纳米孔状光栅结构用于向上耦合光输出，可以明显地降低光栅强度，减小光栅天线远场发散角，提高光学相控阵的分辨率。

作为本发明的进一步改进，所述二维纳米孔状光栅结构具有x方向和y方向的周期和占空比。