[发明专利]一种具有单向辐射特性的硅基纳米天线

说明书

本发明公开了一种具有单向辐射特性的硅基纳米天线，属于光学相控阵，激光雷达技术领域，具体涉及一种具有单向辐射特性的硅基纳米天线阵，特别涉及高效率，高定向性硅基纳米天线阵，适用于激光成像，激光雷达和光通信系统中。利用金属薄膜上的小孔从硅介质波导耦合能量，利用纳米贴片天线的强谐振特性引入非对称性，从而实现硅基片上天线的单向辐射，抑制了向基板一侧的泄露，提高了天线的效率。

技术领域

本发明属于光学相控阵，激光雷达技术领域，具体涉及一种具有单向辐射特性的硅基纳米 天线阵，特别涉及高效率，高定向性硅基纳米天线阵，适用于激光成像，激光雷达和光通信系 统中。

背景技术

作为激光成像，检测和测距的关键技术，光学相控阵在自动驾驶，遥感测绘以及军事领域 都有着重大应用。传统的光学相控阵采用机械方式实现波束扫描，由于机械方式本身固有的低 速等缺陷，已不能满足现代高性能光雷达系统的要求。近年来，由于微纳米加工工艺的进步和 集成光学技术的发展，基于光波导阵列的片上光学相控阵技术开始涌现，开辟了光学相控阵的 新方向。相比于传统的光学相控阵，片上光学相控阵可以在指甲盖大小的面积上实现电控光束 扫描，克服了液晶光学相控阵响应速度慢的缺点，且可以通过成熟的化学沉积技术进行大规模 生产，因而在扫描速度、集成度和多功能化等方面具有先天的巨大优势。

在众多半导体集成光学平台中，基于SOI(silicon on insulator，绝缘衬底上的硅)的硅基 片上相控阵有着与CMOS(complementary metal-oxide semiconductor，金属氧化物半导体)工 艺兼容、可大规模集成、器件尺寸小和功耗低等特点，有利于实现高速高效的电控扫描，因而 被视为未来高性能光雷达系统的潜在解决方案并成为研究热点。对硅基片上相控阵的研究可以 追溯到2007年，加州大学圣迭戈分校的Gabriel教授成功研制了当时最复杂的硅基相控阵芯片， 器件尺寸仅为3.2mm x 2.6mm。2011年，J.K.Doylend等人利用SOI栅天线的频率扫描特性 首次实现了二维光束扫描。同样基于SOI栅天线，J.Sun等人首次报道了64 x 64的大规模片 上相控阵，相关研究自然杂志选为当年的亮点研究。

在硅基片上相控阵的设计中，天线的设计决定了能否有效地耦合出光波导的光，因而对整 个设计至关重要。但是，目前，硅基片上天线都遭遇到了能量朝基板一侧泄露，效率低下的问 题。这是由于SOI本身的结构特性(即：硅基板-二氧化硅绝缘层-硅器件层，叠层结构)所决 定的，因为光总是倾向于在高介电常数的媒质中传播，而下层的硅基板以及二氧化硅绝缘层的 介电常数均高于自由空间，导致位于硅器件层的天线的辐射有很大一部分会朝基板侧泄露，而 非辐射到自由空间中，这使得至少有一半的能量浪费。同时，由于SOI工艺的限制，无法直 接在器件层的下方添加金属反射板以实现单向辐射。如何在不破坏SOI结构特性的情况下， 实现硅基片上天线的单向辐射(即不朝基板侧泄露)，是提高硅基片上天线效率的关键问题，也 是一个难题。本发明正是针对这一关键问题而提出。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述问题，提供一种使用缝隙耦合的纳米贴片阵列以实现具有单 向辐射特性的硅基片上天线。

本发明技术方案为一种具有单向辐射特性的硅基纳米天线，该天线包括：硅基板层、二氧 化硅基板层、条状硅波导、二氧化硅覆层、金属薄膜、二氧化硅薄层、纳米贴片阵列；所述二 氧化硅基板层位于硅基板层上表面，所述条状硅波导位于二氧化硅基板层的上表面的中线位置 上，所述二氧化硅覆层同时覆盖于二氧化硅基板层和条状硅波导上，所述金属薄膜位于二氧化 硅覆层上方，所述二氧化硅薄层位于金属薄膜上；所述金属薄膜上开设有纳米小孔阵列，所述 二氧化硅薄层上表面设置有纳米贴片阵列，所述一个纳米小孔对应一个纳米贴片，且纳米贴片 位于对应的纳米小孔的正上方。

进一步的，条状硅波导的宽度和高度分别为460nm与240nm；所述金属薄膜为银薄膜， 厚度为80nm；银薄膜上的纳米小孔为方形孔，长度和宽度分别为400nm和100nm；二氧化硅薄层的厚度为100nm；纳米贴片为圆形贴片，半径为180nm。