一种基于交错偏移的夹层高效发射光栅天线及其制作方法

1.本发明属于光电技术领域技术领域，具体涉及一种基于交错偏移的夹层高效发射光栅天线及其制作方法。


背景技术：

2.随着自动驾驶、无人机、智能机器人、自由空间光通信和光学相干成像等技术的发展，在激光雷达领域里，尤其是基于硅基波导技术的光学相控阵(opticalphasearray,opa)以其低成本和优良的coms工艺兼容性能得到广泛研究。2015年报道出了第一个使用硅基光学相控阵的全集成二维波控芯片，接着在2019年报道出基于512光通道的硅基opa芯片，并在室内50米范围内进行演示。然而，硅基opa芯片仍存在一些缺点。首先是对工作波长的限制，硅基opa芯片主要工作在通信波段，与850nm-1100nm波长范围相比，激光器难以实现大功率输出，需要外接光放大器(soa)，增加系统的复杂性和成本；工作在1550nm波段的光电探测器主要以ingaas探测器和ge探测器为主，与硅基探测器相比，光通信能力更好，倍增系数低。其次是硅本身的光学特性存在的局限性，硅比氮化硅具有更强的非线性效应，光传输方面受到限制，进而限制了opa芯片应用在距离探测和光通信传输的能力。
3.光学相控阵的光束扫描性能与光栅天线的好坏密切相关，光栅由于其内部或表面上存在周期性排列的齿、槽、线或阵列结构，可以对入射光产生衍射，是一种重要光学元件。在光学相控阵中，光栅辐射到自由空间的衍射效率(方向性)影响着光束的探测距离，光栅远场发散角影响着波束扫描的分辨率问题。传统的光栅，由于衬底材料的自身特性会对经过光栅辐射向下的光进行吸收，光传输损耗严重，制作光栅长度受到限制，同时向上的衍射效率较低。因此，如何提高夹层光栅辐射自由空间的衍射效率和降低远场的发散角是光学相控阵重要技术难关，此外如何根据现有的刻蚀技术进行制作亦是半导体工艺发展的重要技术问题。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提出了一种基于交错偏移的夹层高效发射光栅天线及其制作方法。采用本发明的技术方案，相比于单层光栅具有更高的透射率和更小的远场发散角，从而能有效增强光栅的辐射距离，提高波束扫描时的分辨率，并且其制作方法具有重复性高、简单等优势。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种基于交错偏移的夹层高效发射光栅天线，自下而上包括：衬底、掩埋层、介质层，所述介质层内具有双光栅结构和波导层，所述双光栅结构包括顶层光栅阵列和底层光栅阵列，底层光栅阵列和顶层光栅阵列平行放置，彼此之间具有一定偏移量，底层光栅阵列采用纳米光栅结构，所述波导层位于底层光栅阵列和顶层光栅阵列之间。
7.进一步的，所述偏移量为0.13～0.16μm。
8.进一步的，所述底层光栅阵列采用以下结构中的一种：锥形底层光栅阵列、凹面弧
形底层光栅阵列、右倾底层光栅阵列。
9.进一步的，所述锥形光栅包括上部的长方形部分和底部锥形部分，长方形部分高度与锥形部分高度之比为9:11，所述凹面弧形底层光栅顶部圆弧面的角度为32～38
°
，所述右倾光栅结构顶面倾斜角度为30
°
～32
°
。
10.进一步的，所述波导层包括前端矩形波导、锥头线性波导和位于双层光栅之间的矩形波导。
11.进一步的，所述波导层波导刻蚀高度为0.8μm，所述矩形波导宽度为0.38μm；所述锥形线性波导长度为2μm，输入端宽度为0.38μm，输出端宽度为2μm；所述双光栅结构中光栅周期为0.65～0.7μm，占空比为0.66，光栅宽度为2μm，光栅与波导间距为50nm；底层光栅阵列刻蚀深度为0.6μm；顶层光栅阵列刻蚀深度为0.46μm。
12.本发明还提供了基于交错偏移的夹层高效发射光栅天线的制作方法，包括如下步骤：
13.步骤s1：在衬底上形成介质层，所述介质层的折射率介于所述波导层的折射率与空气折射率之间；
14.步骤s2：在所述介质层表面刻蚀形成具有双光栅结构的波导层，在其波导垂直上下处刻蚀光栅结构，顶层光栅刻蚀时与底层光栅有一定的横向偏移量；
15.步骤s3：去除波导表面的光刻胶并进行清洗，完成器件。
16.作为本发明的进一步改进，所述步骤s2中波导层由化学气相沉积工艺在介质层上形成氮化硅薄膜，结合标准光刻工艺刻蚀。
17.作为本发明的进一步改进，所述底层光栅经过涂覆光刻胶、曝光、显影和离子刻蚀的方式来完成，所述底层光栅结合离子刻蚀的光束斜入射方式和垂直入射方式来实现；所述顶层光栅采用与底层光栅一样的刻蚀方式。
18.作为本发明的进一步改进，所述底层光栅包括锥形结构、凹面弧形结构和右倾结构中的一种，当采用锥形结构时，从矩形光栅半腰处方向入射，斜入射角度为43
°
～46
°
，刻蚀长度为0.33μm，垂直入射刻蚀长度为0.6μm；当采用凹面弧形结构时，从矩形光栅左右两侧斜入射和顶端垂直入射完成，斜入射角度为15
°
，刻蚀长度为0.2μm，垂直刻蚀深度为0.25μm；当采用右倾结构时，从左上方斜入射，入射角度为30
°
～32
°
，刻蚀长度为0.4μm，垂直刻蚀长度为0.41μm；所述顶层光栅采用的离子刻蚀方式为垂直入射，刻蚀长度均为0.46μm。
19.本发明的有益效果为：
20.1.本发明结构中波导层包括矩形波导和锥头线性波导，能够减小光栅天线阵列所带来的串扰问题；波导层垂直上下的夹层光栅结构，底层光栅与顶层光栅错位偏移周期性排列能够有效降低光栅的向下衍射强度，新型的底层光栅结构能够使光反射更聚集，提高顶层光栅的向上衍射效率，增强光辐射至自由空间的方向性，从而提高远场光束的分辨率，突破传统光栅长度的上限，解决了常规光栅天线效率低下和长度短的问题。
21.2.本发明设计的衬底介质层的厚度参数、调整波导的宽度、厚度、高度，以及优化光栅周期、占空比、刻蚀深度等参数之间相互配合，可以提高光栅辐射向上的衍射能量，增强方向性，增强探测距离，同时使远场光束发散角较小。
22.3.本发明提供的夹层高效发射光栅天线制作方法通过采用soi衬底形成多层能量不同的光刻胶，对于底层光栅多次曝光、离子刻蚀，从而形成在衬底上一系列的纳米图形结
构。本发明采用简单工艺即可完成高方向性的夹层光栅天线制造，生产效率高且成本较低。
附图说明
23.图1为本发明提供的基于交错偏移的夹层高效发射光栅天线的三维结构示意图。
24.图2为三种不同底层光栅实施方式截面结构示意图，其中(a)为底层锥形光栅结构示意图，(b)为底层凹面弧形光栅结构示意图，(c)为底层右倾光栅结构示意图。
25.图3为波导层中锥头线性波导电场传输示意图。
26.图4为有无底层光栅结构的发射光栅天线方向性与工作波长的关系比较图。
27.图5为三种不同结构的底层发射光栅与常规双层光栅天线(矩形)方向性与工作波长的关系比较图。
28.图6为本发明提供的基于交错偏移的夹层高效发射光栅天线在工作波长为1550nm下的可视化远场图(a)和光栅出射角theta角(b)phi角(c)范围图。
29.图7为本发明提供的基于交错偏移的夹层高效发射光栅天线长度与光功率的关系图。
30.图8为本发明提供的基于交错偏移的夹层高效发射光栅天线在工作波段(1450nm～1600nm)下的波束扫描范围示意图。
31.图9为本发明提供的基于交错偏移的夹层高效发射光栅天线的远场测试数据，(a)为远场光束测试数据，(b)为光束实测扫描范围数据。
32.图10为制备本发明提供的基于交错偏移的夹层高效发射光栅天线的等离子刻蚀工艺流程示意图。
33.附图标记说明：
34.1-衬底层，2-掩埋层，3-介质层，4-线性锥头波导，5-顶层光栅阵列，6-锥形底层光栅阵列，7-波导层输入端，8-凹面弧形底层光栅阵列，9-右倾底层光栅阵列。
具体实施方式
35.以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
36.请参阅图1至图9。需说明的是，本实施案例中所提供的图示仅以示意的方式说明本发明的基本构想，图中组件并非按照实际案例的组件数目和尺寸绘制，只是实施例的示意。
37.如图1所示，本实施例提供的一种基于交错偏移的夹层高效发射光栅天线自下而上包括：衬底层1、掩埋层2、介质层3，还包括位于介质层3内的双光栅结构和波导层7。其中双光栅结构包括顶层光栅阵列5和底层光栅阵列，底层光栅采用纳米光栅结构，用于将波导传输中的光信号辐射向上，提高顶层光栅的发射效率。底层光栅和顶层光栅具有一定偏移量水平放置，偏移量为0.13～0.16μm。
38.波导层7包括前端的矩形波导、靠近光栅端的锥头线性波导4和位于双光栅结构中
顶层光栅阵列和底层光栅阵列之间的矩形波导部分，波导刻蚀高度为0.8μm，矩形波导宽度为0.38μm；锥形线性波导长度为2μm，输入端宽度为0.38μm，输出端宽度为2μm。波导层7由介质层3所保护，其中介质层3折射率小于波导层7的折射率。
39.衬底为soi衬底，包括硅单晶底层和硅单晶顶层，衬底和掩埋层2的总厚度为2μm；介质层材料为二氧化硅，厚度为4μm；双光栅结构材料为氮化硅；波导材料为氮化硅。本领域技术人员可依据具体需求改动介质层、衬底、双光栅和波导的材料。
40.如图2所示，为本发明一种基于交错偏移的夹层高效发射光栅天线的三种可行实施例。三种实施例的底层光栅三维结构分别为锥形底层光栅阵列6(图2(a))、凹面弧形底层光栅阵列7(图2(b))或右倾底层光栅阵列8(图2(c))。以下针对这三种底层光栅阵列中的单元结构进行一一说明：锥形底层光栅阵列中，锥形光栅整体形状上大下小，图中，锥形光栅包括上部的长方形部分和底部锥形部分。长方形部分高度为0.27μm锥形部分高度为0.33μm，下层光栅的长方形高度与锥形高度之比为9:11，矩形部分与锥形部分满足此比例的光栅天线能获得最佳的方向性，比例过大过低都将降低衍射性能。凹面弧形底层光栅阵列中，凹面弧形光栅结构顶部具有下凹的圆弧面，其凹面正对波导光信号衍射传输的方向。圆弧面的角度需控制在32～38
°
范围内，凹面刻蚀深度为0.25μm。此参数范围内的凹面可以对波导光信号干涉的部分进行有效反射。当圆弧角度过大，其凹面曲率更大，容易造成光束聚集反射，聚集能量过大导致光栅天线顶层光栅出射时漏光；当圆弧角度过小时，凹面特征接近平面，光到达面上时漫反射明显。右倾底层光栅阵列中，右倾光栅结构顶部具有向右下方倾斜的斜面，倾斜角度为30
°
～32
°
，在此范围内才能获得最大衍射方向性。
41.双光栅结构中光栅周期为0.65～0.7μm，占空比为0.66，光栅宽度为2μm，光栅与波导间距为50nm；底层光栅5刻蚀深度为0.6μm；顶层光栅6刻蚀深度为0.46μm，此设计参数能最大化提高光栅天线向上的辐射效率，可以明显提升波束探测的探测距离。
42.根据上述实例，本发明通过光器件制作平台，采用连续光谱作为光源，对制作光栅辐射端实时监测，分析参数对透射特性的影响，制作出具有高辐射效率的光栅天线，并分析该光栅天线的工作性能。
43.如图3～图5所示，图3为波导层锥头线性波导的电场传输示意图，光信号在波导内传输模式良好，这能有效降低相控阵因周期结构带来串扰问题。光栅天线是相控阵光束的发射装置，光栅天线的性能好坏直接决定光束的发射质量，研究光栅天线的衍射性能可以通过方向性(directionality)这一参数体现，方向性计算公式如下：
[0044][0045]
将光栅置于一个三维表征盒内，其中ttop为顶部探测器所检测的光栅衍射能量，tbottom为底部探测器检测的光栅衍射能量，tright为入射光处探测器检测的散射能量。图4为有无底层光栅结构的发射光栅天线方向性与工作波长的关系图，在图4中底层为锥形的夹层光栅优势相比于传统无底层光栅更加明显，在1450nm～1600nm的工作波段范围内，传统的光栅方向性很差，介于30％～50％之间，而具有错位偏移的夹层光栅的方向性全部超过60％，其中在1.55μm波长下，该夹层光栅(底层为锥形)的方向性效率最高，达到87.5％，这对光束探测来说是十分重要的指标。图5则给出了不同结构的底层光栅方向性与工作波长的关系，图中可知，凹面弧形底层光栅由于凹面正对波导光信号衍射传输的方向，在
1450nm～1500nm波段和1560nm～1600nm波段的方向性都低于锥形底层光栅结构的方向性，其中凹面弧形底层光栅在工作波长为1.54μm时，方向性为92.5％；右倾底层光栅结构，倾角斜面与波导光信号衍射传输方向相反，在1450nm～1470nm波段内，其方向性低于50％，但剩余波段内方向性都基本在80％以上。综合来看在1450nm～1600nm波段范围内，底层为锥形的夹层光栅天线是最好的选择，这种结构具有更宽的波长范围调谐。而在特定波段内，底层为凹面弧形的夹层光栅天线和底层为右倾的夹层光栅天线具有更高的方向性。底层光栅结构的选择具体根据应用来定。
[0046]
如图6～9所示，在实施例1的结构上展示了该光栅天线的远场表现能力。根据等效介质理论，首先通过下式计算光栅的有效折射率，其中l为夹层光栅的偏移量，p为光栅周期，n1、n2和n3为1550nm波长下本征模式求解的光栅局部有效折射率。
[0047][0048]
计算出光栅的有效折射率后，发射角其中nc是介质层(sio2)的有效折射率,λ是光的自由空间波长。对于波束在相位φ的控制偏转，由公式(sio2)的有效折射率,λ是光的自由空间波长。对于波束在相位φ的控制偏转，由公式
△
φ是波导之间的均匀相位差，d是相邻两波导之间的间隙，wwg是波导的宽度。图6为自由空间波长为1550nn时的归一化远场图，以及光栅出射角情况。根据图示可知，光栅天线远场发散角为3.85
°
，如若想要进一步减小光栅天线发散角，需增加光栅天线长度，但光栅天线并不是越长越好，由图7光栅天线长度与归一化光功率关系图可知，光功率大小随光栅天线长度递减，为保证50％以上的光功率，光栅天线最长能做到2mm，远场发散角能达到0.52
°
；图8为λ＝1450nm和λ＝1600nm，
△
φ＝0的远场情况，由图可知1450nm～1600nm波段内该光栅天线的横向视场角扫描角度为21.48
°
，图9为本发明光栅天线结构远场的测试数据，光栅衍射远场的半峰全宽为0.53cm；波导之间均匀相位差为π时，纵向视场角扫描角度范围为80
°
。
[0049]
本发明实施例还提供一种基于交错偏移的夹层高效发射光栅天线的制作方法，本实施例制作得到的错位偏移的夹层高效发射光栅天线的结构图可以参考图1、图2和图9，该制备方法包括以下步骤：
[0050]
步骤s1：提供位于底部的衬底层，在衬底上形成介质层，所述介质层的折射率介于所述波导层的折射率与空气折射率之间；
[0051]
步骤s2：在所述介质层表面刻蚀形成具有双光栅结构的波导层，在其波导垂直上下处刻蚀光栅结构；其中波导层由化学气相沉积工艺在介质层上形成氮化硅薄膜，结合标准的光刻工艺所刻蚀。
[0052]
本步骤中双光栅结构位于波导层垂直上下两层，底层光栅是经过涂覆光刻胶、曝光、显影和离子刻蚀的方式来完成，双光栅结构中底层光栅的锥形结构、凹面弧形结构和右倾结构是需要结合离子刻蚀的光束斜入射方式和垂直入射方式来实现；顶层光栅采用与底层光栅一样的刻蚀方式，刻蚀时需与底层光栅有一定的横向偏移量，离子注入的方式采用垂直入射。
[0053]
底层光栅的凹面弧形结构、右倾结构和锥形结构采用的离子刻蚀方式为斜入射与
垂直入射混合刻蚀，如图10所示，其中右倾光栅结构需要从左上方斜入射，入射角度为30
°
～32
°
，刻蚀长度为0.4μm，垂直刻蚀长度为0.41μm；所属凹面弧形结构需从矩形光栅左右两侧斜入射和顶端垂直入射完成，斜入射角度为15
°
，刻蚀长度为0.2μm，垂直刻蚀深度为0.25μm；所述锥形结构需要从矩形光栅半腰处方向入射，斜入射角度为43
°
～46
°
，刻蚀长度为0.33μm，垂直入射刻蚀长度为0.6μm。顶层光栅采用的离子刻蚀方式为垂直入射，刻蚀长度均为0.46μm。入射角度的控制通过严格控制好保护气体的比例来实现。本发明采用sf6和c4f8这两种保护气体，调整交替通入两种气体的流量比即可控制底层光栅的形状刻蚀效果。当sf6与c4f8的比值小于1时，即sf6的流量远远小于c4f8气体的流量，可以实现底层光栅为锥形的结构；当比值等于1时，两边气流量相同，入射角度改变垂直入射方式，可实现凹面弧形结构；比值大于1时，右倾光栅结构。
[0054]
步骤s3：去除波导表面的光刻胶并进行清洗，完成器件。
[0055]
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。