一种光学天线的制作方法

1.本技术涉及通信领域，尤其涉及一种光学天线。


背景技术：

2.光学天线也称光频段电磁天线，一般是指是工作在激光频段的天线。光学天线可以应用于自由空间光通信、激光雷达、光学传感成像等领域中，实现接收自由空间中的光信号，或者，将光通信设备(如激光通信设备)中的光信号发射到自由空间中。其中，光信号的本质为电磁波。
3.目前，光学天线的结构主要包括：衬底、介质膜、以及天线阵列。介质膜设置于衬底上，天线阵列设置于介质膜上。天线阵列包括硅基波导和多个光栅单元。硅基波导可以把光通信设备中的光信号耦合到光栅单元上，通过光栅单元发射到自由空间中。
4.但是，目前的光学天线在发射电磁波(也即光信号)时，无法精准控制电磁波的发射方向。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种光学天线，可以精准控制电磁波的发射方向。
6.本技术实施例提供一种光学天线，包括：衬底，介质膜，天线阵列；介质膜设置于衬底上；天线阵列设置于介质膜上；天线阵列包括m行、n列；m和n为大于0的整数；天线阵列的每一行包括第一电极、第一石墨烯波导、n个天线、以及与n个天线一一对应的n个第二石墨烯波导；第一电极设置于n个天线的一端；第一石墨烯波导设置于n个天线的一侧；第一电极与第一石墨烯波导连接；每个第二石墨烯波导与第二石墨烯波导对应的天线连接，且每个第二石墨烯波导与第一石墨烯波导耦合。
7.该光学天线在使用过程中，当通过电源向第一电极施加电压时，与第一电极相连接的第一石墨烯波导也会接收到电压。通过改变施加在第一电极上的电压的大小，可以改变与第一电极相连接的第一石墨烯波导的电导率，从而改变第一石墨烯波导的介质折射率。通过改变第一石墨烯波导的介质折射率，可以对第一石墨烯波导中传递的光信号的相位进行调整。通过对第一石墨烯波导中传递的光信号的相位进行调整，可以实现调整由第一石墨烯波导耦合至第二石墨烯波导中的光信号的相位。通过第二石墨烯波导中的光信号的相位，可以实现对光栅单元发射的光信号的方向进行调整。
8.需要说明的是，本技术实施例中，当通过电源向第一电极施加电压时，如果单独改变某一行中的第一电极上施加的电压的大小，则可以对这一行中的光栅单元发射的光信号的方向进行独立调整。如果同时改变每一行中的第一电极上施加的电压的大小，则可以对每一行中的光栅单元发射的光信号的方向进行同时调整。
9.本技术实施例提供的该光学天线中，可以通过改变施加在天线阵列的任意一行或多行中的第一电极上的电压的大小，实现对天线阵列的任意一行或多行中的光栅单元发射的光信号的方向进行调整。从而，可以实现精准控制该光学天线发射到自由空间中的电磁
波(即光信号)的方向。
10.另外，由于石墨烯的响应速度较高，所以，通过改变施加在第一电极上的电压的大小，对该光学天线发射到自由空间中的电磁波的方向进行调整时，该光学天线发射到自由空间中的电磁波的方向可以根据第一电极上电压的变化迅速作出改变。
11.一种可能的设计中，第二石墨烯波导可以包括：横向石墨烯段、弧形石墨烯段、以及竖向石墨烯段；横向石墨烯段通过弧形石墨烯段与竖向石墨烯段连接；横向石墨烯段与天线阵列的每一行平行，横向石墨烯段与第一石墨烯波导耦合；竖向石墨烯段与天线阵列的每一列平行，竖向石墨烯段与第二石墨烯波导对应的光栅单元连接。
12.可选地，横向石墨烯段可以为上下表面均为直角梯形、侧面均为矩形的立体结构；直角梯形的两条底边中长的一条底边靠近第一石墨烯波导。
13.可选地，弧形石墨烯段可以为四分之一圆柱体；四分之一圆柱体的半径可以与直角梯形中底角为直角的腰的大小相同。
14.可选地，竖向石墨烯段可以包括：长方体和二分之一圆柱体；长方体与弧形石墨烯段连接；二分之一圆柱体与长方体连接；长方体的长与二分之一圆柱体的直径大小相同；长方体的宽与二分之一圆柱体的半径大小相同；二分之一圆柱体的直径与四分之一圆柱体的半径大小相同。
15.可选地，光栅单元可以包括垫层、以及垫层上凸起成型的光栅；垫层与光栅单元对应的第二石墨烯波导连接。
16.另一种可能的设计中，垫层的底部可以设计为阶梯状，阶梯状开口(可以称为第一开口)的平面面积可以等于圆柱形光栅的横截面的面积。阶梯状开口的平面面积是指阶梯状开口内平行于垫层的平面的面积。当阶梯状开口的平面面积等于圆柱形光栅的横截面的面积时，竖向石墨烯段中的二分之一圆柱体的横截面的面积为阶梯状开口的平面面积的一半，竖向石墨烯段的厚度可以与阶梯状开口的高度相同。阶梯状开口的高度是阶梯状开口垂直于垫层方向上的高度。也即，第一开口的形状与第二石墨烯波导的结构相关。
17.该光学天线中，垫层为竖向石墨烯段的厚度预留对应的厚度空间(即上述阶梯状开口)，可以保证光栅单元与介质膜在同一个平面紧密贴合，防止光栅单元的边缘与介质膜呈一定角度以较大的压强接触，从而减少光栅单元和介质膜的寿命损耗。
18.另一种可能的设计中，垫层上凸起成型的光栅可以包括：圆柱形光栅、第一弧形光栅、以及第二弧形光栅。
19.电磁波可以通过圆柱形光栅激发，第一环形光栅和第二环形光栅反射和加强，发射到自由空间。
20.可选地，圆柱形光栅和第一弧形光栅之间的间隔，与第一弧形光栅和第二弧形光栅之间的间隔大小可以相同。
21.可选地，圆柱形光栅的凸起高度为第一高度；第一弧形光栅的凸起高度为第二高度；第二弧形光栅的凸起高度为第三高度；第一高度可以小于或等于第二高度，第二高度可以小于或等于第三高度。
22.另一种可能的设计中，第一弧形光栅对应的圆心角与第二弧形光栅对应的圆心角均为第一圆心角；第一圆心角的角度范围可以在60度至120度之间。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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。
24.图1为本技术实施例提供的光学天线的结构示意图；
25.图2为本技术实施例提供的第二石墨烯波导1340的俯视图；
26.图3为本技术实施例提供的光栅单元1330的结构示意图；
27.图4为本技术实施例提供的光栅单元的尺寸标注示意图。
具体实施方式
28.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
29.需要说明的是，本技术实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本技术实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
30.为了便于清楚描述本技术实施例的技术方案，在本技术的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不是在对数量和执行次序进行限定。
31.如背景技术所述，目前的光学天线是利用硅基波导将光信号耦合到光栅单元上，通过光栅单元将光信号发射到自由空间中。但目前的光学天线无法精准控制电磁波(也即光信号)的发射方向。
32.基于此，本技术提供一种光学天线，通过该光学天线向自由空间中发射电磁波时，可以精准控制电磁波的发射方向。
33.以下通过具体实施例对本技术提供的光学天线进行详细描述。
34.图1为本技术实施例提供的光学天线的结构示意图。
35.如图1所示，该光学天线可以包括：衬底1100、介质膜1200、以及天线阵列。介质膜1200设置于衬底1100上，天线阵列设置于介质膜1200上。
36.其中，天线阵列包括m行、n列，m和n均为大于0的整数。天线阵列的行数m与列数n的大小可以相同，也可以不同。例如，天线阵列可以包括8行、8列；或者，6行、8列等。本技术实施例在此对m和n的大小均不作限制。
37.天线阵列的每一行(图1中示例性给出了其中一行的标号)包括：第一电极1310、第一石墨烯波导1320、n个光栅单元1330、以及与n个光栅单元1330一一对应的n个第二石墨烯波导1340。第一电极1310设置于n个光栅单元1330的一端。第一石墨烯波导1320设置于n个光栅单元1330的一侧，第一石墨烯波导1320与第一电极1310连接。每个第二石墨烯波导1340与第二石墨烯波导1340对应的光栅单元1330连接，且每个第二石墨烯波导1340与第一
石墨烯波导1320耦合。其中，第二石墨烯波导1340与第一石墨烯波导1320耦合可以使得光信号的能量在第二石墨烯波导1340与第一石墨烯波导1320之间发生转移。
38.该光学天线中，衬底1100可以作为光学天线的基体，承载整个光学天线。介质膜1200用于绝缘隔离衬底1100和天线阵列。第一石墨烯波导1320可以接收来自光源(如光通信设备的光源)的光信号，并将接收到的光信号耦合至第二石墨烯波导1340中。第二石墨烯波导1340可以将来自第一石墨烯波导1320的光信号耦合至光栅单元1330中，也即，光信号的能量可以从第二石墨烯波导1340转移至光栅单元1330中。光栅单元1330可以将来自第二石墨烯波导1340的光信号发射到自由空间中。
39.具体地，当第一石墨烯波导1320将光信号耦合至第二石墨烯波导1340中时，第二石墨烯波导1340与光栅单元1330之间可以产生强表面等离子效应，第二石墨烯波导1340中的光信号可以激发光栅单元1330的等离子震荡，光栅单元1330可以向自由空间发射光信号。
40.该光学天线在使用过程中，当通过电源向第一电极1310施加电压时，与第一电极1310相连接的第一石墨烯波导1320也会接收到电压。通过改变施加在第一电极1310上的电压的大小，可以改变与第一电极1310相连接的第一石墨烯波导1320的电导率，从而改变第一石墨烯波导1320的介质折射率。通过改变第一石墨烯波导1320的介质折射率，可以对第一石墨烯波导1320中传递的光信号的相位进行调整。通过对第一石墨烯波导1320中传递的光信号的相位进行调整，可以实现调整由第一石墨烯波导1320耦合至第二石墨烯波导1340中的光信号的相位。通过第二石墨烯波导1340中的光信号的相位，可以实现对光栅单元1330发射的光信号的方向进行调整。
41.需要说明的是，本技术实施例中，当通过电源向第一电极1310施加电压时，如果单独改变某一行中的第一电极1310上施加的电压的大小，则可以对这一行中的光栅单元1330发射的光信号的方向进行独立调整。如果同时改变每一行中的第一电极1310上施加的电压的大小，则可以对每一行中的光栅单元1330发射的光信号的方向进行同时调整。
42.由上所述，本技术实施例提供的该光学天线中，可以通过改变施加在天线阵列的任意一行或多行中的第一电极1310上的电压的大小，实现对天线阵列的任意一行或多行中的光栅单元1330发射的光信号的方向进行调整。从而，可以实现精准控制该光学天线发射到自由空间中的电磁波(即光信号)的方向。
43.另外，由于石墨烯的响应速度较高，所以，通过改变施加在第一电极1310上的电压的大小，对该光学天线发射到自由空间中的电磁波的方向进行调整时，该光学天线发射到自由空间中的电磁波的方向可以根据第一电极1310上电压的变化迅速作出改变。
44.可选地，本技术实施例中，第一石墨烯波导1320设置于n个光栅单元1330的一侧，可以是指：第一石墨烯波导1320设置于n个光栅单元1330的上方，或者，第一石墨烯波导1320设置于n个光栅单元1330的下方。图1中示例性给出了第一石墨烯波导1320设置于n个光栅单元1330的下方的实现方式，本技术对第一石墨烯波导1320和n个光栅单元1330之间的相对关系不作限制。
45.可选地，本技术实施例提供的该光学天线中，衬底1100的材料可以是硅、锗、硒、砷化镓、磷化镓、氮化铝、砷化铟、以及三氧化二钒等材料中的任意一种。或者，衬底1100的材料也可以是前述两种或两种以上的材料组合而成。介质膜1200的材料可以是二氧化硅、氧
化铝、二氧化钛、三氧化二铁、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、以及氮化硅等材料中的任意一种或多种材料组合的绝缘材料。第一电极1310的材料可以是纯金、表面镀金、纯铂、以及表面镀铂等导电材料。光栅单元1330的材料可以为纯金或者纯银等金属材料，或者其他半导体材料、以及无机非金属材料等。
46.图2为本技术实施例提供的第二石墨烯波导1340的俯视图。
47.如图1和图2所示，第二石墨烯波导1340可以包括横向石墨烯段1341、弧形石墨烯段1342、以及竖向石墨烯段1343。横向石墨烯段1341通过弧形石墨烯段1342与竖向石墨烯段1343连接。横向石墨烯段1341与天线阵列的每一行平行，横向石墨烯段1341与第一石墨烯波导1320耦合。竖向石墨烯段1343与天线阵列的每一列平行，竖向石墨烯段1343与第二石墨烯波导1340对应的光栅单元1330连接。
48.该光学天线中，横向石墨烯段1341用于耦合第一石墨烯波导1320中的光信号。弧形石墨烯段1342用于改变来自横向石墨烯段1341中光信号的传播方向。竖向石墨烯段1343将来自弧形石墨烯段1342的光信号耦合至光栅单元1330。光栅单元1330可以将来自竖向石墨烯段1343的光信号发射到自由空间中。
49.请继续参考图1和图2所示，横向石墨烯段1341可以为上下表面均为直角梯形、侧面均为矩形的立体结构。直角梯形的两条底边中长的一条边靠近第一石墨烯波导1320。
50.弧形石墨烯段1342为四分之一圆柱体。四分之一圆柱体的半径与直角梯形中底角为直角的腰大小相同。
51.竖向石墨烯段1343包括长方体和二分之一圆柱体，长方体和弧形石墨烯段1342连接，二分之一圆柱体与长方体连接。长方体的长与二分之一圆柱体的直径大小相同，长方体的宽与二分之一圆柱体的半径大小相同，二分之一圆柱体的直径与四分之一圆柱体的半径大小相同。
52.可选地，上述横向石墨烯段1341、弧形石墨烯段1342、以及竖向石墨烯段1343可以一体成型。上述将第二石墨烯波导1340分为横向石墨烯段1341、弧形石墨烯段1342、以及竖向石墨烯段1343三个部分仅为了描述第二石墨烯波导1340的形状，本技术实施例对于第二石墨烯波导1340为分部结合或者一体成型不予限定。
53.图3为本技术实施例提供的光栅单元1330的结构示意图。
54.如图1和图3所示，光栅单元1330可以包括垫层1331、以及垫层1331上凸起成型的光栅。垫层1331与光栅单元1330对应的第二石墨烯波导1340连接。垫层1331上凸起成型的光栅可以包括圆柱形光栅1332、第一弧形光栅1333、以及第二弧形光栅1334。
55.一些实施例中，圆柱形光栅1332和第一弧形光栅1333之间的间隔，与第一弧形光栅1333和第二弧形光栅1334之间的间隔大小可以相同。
56.可选地，本技术实施例提供的光学天线中，第二石墨烯波导1340的形状可以与垫层1331的形状相互适配。
57.例如，如图3所示，一种可能的设计中，垫层1331的底部可以设计为阶梯状，阶梯状开口(可以称为第一开口)的平面面积可以等于圆柱形光栅1332的横截面的面积。阶梯状开口的平面面积是指阶梯状开口内平行于垫层1331的平面的面积。当阶梯状开口的平面面积等于圆柱形光栅1332的横截面的面积时，竖向石墨烯段1343中的二分之一圆柱体的横截面的面积为阶梯状开口的平面面积的一半，竖向石墨烯段1343的厚度可以与阶梯状开口的高
度相同。阶梯状开口的高度是阶梯状开口垂直于垫层1331方向上的高度。也即，第一开口的形状与第二石墨烯波导的结构相关。
58.该光学天线中，垫层1331为竖向石墨烯段1343的厚度预留对应的厚度空间(即上述阶梯状开口)，可以保证光栅单元1330与介质膜1200在同一个平面紧密贴合，防止光栅单元1330的边缘与介质膜1200呈一定角度以较大的压强接触，从而减少光栅单元1330和介质膜1200的寿命损耗。
59.可选地，本技术实施例提供的光学天线中，衬底1100可以为长42微米、宽42微米、以及厚430纳米的长方体；介质膜1200可以为长42微米、宽42微米、以及厚100纳米的长方体；第一电极1310可以为边长300纳米的正方体。
60.在一种可能的设计中，本技术实施例提供的光学天线中，第一石墨烯波导1320的厚度可以在0.334纳米至0.7纳米之间。
61.可选地，第一石墨烯波导1320可以包括一层或两层石墨烯，一层石墨烯的厚度可以是0.334纳米、0.335纳米、以及0.35纳米等，在此不作限制。
62.类似地，第二石墨烯波导1340的厚度也可以在0.334纳米至0.7纳米之间。第二石墨烯波导1340也可以包括一层或两层石墨烯，一层石墨烯的厚度可以是0.334纳米、0.335纳米、以及0.35纳米等。
63.该光学天线中，第一石墨烯波导1320可以为长42微米，宽100纳米，高0.334纳米至0.7纳米的长方体(第一石墨烯波导1320的高即为厚度)。第一石墨烯波导1320可以贯穿于整个光学天线。第一石墨烯波导1320和第二石墨烯波导1340的间隔可以为50纳米。
64.本技术实施例提供的光学天线中，第二石墨烯波导1340中的横向石墨烯段1341为上下表面均为直角梯形、侧面均为矩形的立体结构。其中，直角梯形可以为上底边长200纳米、下底边长400纳米、以及底角为直角的腰长100纳米的直角梯形。横向石墨烯段1341可以为上下表面均为上述直角梯形，厚度为0.334纳米至0.7纳米的立体结构。从不同的侧面看上述立体结构，均为以直角梯形的四条边中对应的一条边为长，以厚度0.334纳米至0.7纳米为宽的矩形。直角梯形的长度为200纳米的上底边和长度为400纳米的下底边与天线阵列130的每一行平行。
65.第二石墨烯波导1340中的竖向石墨烯段1343的长方体可以为长100纳米、宽50纳米、以及厚度为0.334纳米至0.7纳米的长方体。二分之一圆柱体可以为底面直径为100纳米，厚度为0.334纳米至0.7纳米的二分之一圆柱体。长方体的长度为50纳米的宽与天线阵列130的每一列平行。长方体中长为100纳米以及宽为0.334纳米至0.7纳米的矩形表面与二分之一圆柱体中长为100纳米以及宽为0.334纳米至0.7纳米的矩形表面相连接。
66.第二石墨烯波导1340中的弧形石墨烯段1342可以为底面半径为100纳米，厚度为0.334纳米至0.7纳米的四分之一圆柱体。
67.本技术实施例提供的光学天线中，第一弧形光栅1333对应的圆心角和第二弧形光栅1334对应的圆心角均为第一圆心角；第一圆心角的角度范围可以在60度至120度之间。圆柱形光栅1332的凸起高度为第一高度。第二弧形光栅1334凸起的高度为第二高度。第二弧形光栅1334凸起的高度为第三高度。第一高度小于或等于第二高度，第二高度小于或等于第三高度。
68.图4为本技术实施例提供的光栅单元1330的尺寸标注示意图。
69.可选地，如图4所示，为了便于描述，假设第二弧形光栅1334的凸起高度为a(即第三高度为a)，垫层1331的厚度为b，第一弧形光栅1333的凸起高度为c(即第二高度为c)，圆柱体光栅1332的凸起高度为d(即第一高度为d)，圆柱体光栅1332的直径为e，圆柱体光栅1332和第一弧形光栅1333的间隔为f，第一弧形光栅1333的厚度为g，第一弧形光栅1333和第二弧形光栅1334的间隔为h，第二弧形光栅1334的厚度为i。
70.在一种可能的设计中，b的大小可以为50纳米，a、c、d的大小可以在50纳米至110纳米之间，a、c、d的大小可以均相同，也可以均不同，还可以部分相同。例如，a、b、c、d的大小可以分别为50纳米。e的大小可以在100纳米至175纳米之间；f和h的大小可以分别在100纳米至175纳米之间；f和h可以相同，也可以不同。g和i的大小也可以分别在100纳米至175纳米之间；g和i可以相同，也可以不同。
71.在另外一种可能的设计中，b的大小可以为50纳米，a、c、d的大小还可以呈从大到小的等差数列。例如，a为90纳米，c为70纳米，d为50纳米；或者，a为110纳米，c为80纳米，d为50纳米；又或者，a为100纳米，c为75纳米，d为50纳米等。在此对a、c、d的大小呈等差数列时的公差的大小不作限制。
72.一些实施例中，e、f、g、h、以及i可以相同。
73.示例性地，e为100纳米，f为100纳米，g为100纳米，h为100纳米，i为100纳米；或者，e为140纳米，f为140纳米，g为140纳米，h为140纳米，i为140纳米，；或者，e为175纳米，f为175纳米，g为175纳米，h为175纳米，i为175纳米等。
74.可以理解的是，垫层1331的尺寸可以随着上述a、b、c、d、e、f、g、h、以及i的不同设计而设计成不同大小。
75.本技术实施例提供的光学天线中的光栅单元1330可以工作在波长为1550纳米的c波段中，满足整个光栅单元1330的尺寸在波长的一半范围之内的天线设计准则。在不同场景下，光栅单元1330的尺寸可以不同，以最大化提升光栅单元1330辐射出的功率，提高用户的使用体验。
76.一种可能的设计中，当e、f、g、h、以及i都为100纳米时，对于天线阵列中的任意一行而言，任意相邻的两个光栅单元之间的距离可以为5微米。例如，假设某一行中相邻的两个光栅单元为光栅单元1和光栅单元2，则光栅单元1的圆柱形光栅的圆心与光栅单元2的圆柱形光栅的圆心之间的距离可以为5微米。对于天线阵列中的每个光栅单元而言，该光栅单元与上一行天线阵列中的第一石墨烯波导之间的距离可以为4.25微米。此时，该光学天线中的每个光栅单元可以以圆柱形光栅的圆心为中心、5微米为边长形成一个正方形的天线单元。也即，该光学天线可以包括m*n个天线单元。其中，*表示乘积。
77.示例性地，当m和n分别为8时，该光学天线可以包括64个正方形天线单元，64个正方形天线单元可以形成平面面积为1600平方微米的天线单元阵列。天线单元阵列的每一侧可以预留出1微米的宽度，整个光学天线的平面面积可以为1764平方微米。
78.可以理解的是，上述以圆柱形光栅的圆心为中心，以5微米为边长圈定的一个正方形区域，仅为了描述整个光学天线的平面面积，并不意味着第一石墨烯波导1320被上述正方形所分割，本技术实施例对于第一石墨烯波导1320为分部结合或者一体成型不予限定。
79.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何在本技术揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本申
请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。