[发明专利]基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵及制备方法

说明书

本发明提供一种基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵及制备方法，光学相控阵包括：硅基底；氧化硅层，位于硅基底上；硅基光波导层，位于氧化硅层上，硅基光波导层包括耦合分束器及光栅天线，耦合分束器及光栅天线之间具有间隙带；氧化硅包层，填充于硅基光波导层周围及间隙带；铌酸锂移相器，包括位于间隙带上的铌酸锂薄膜、位于铌酸锂薄膜上且连接耦合分束器及光栅天线的铌酸锂光波导、以及位于铌酸锂光波导两侧的铌酸锂薄膜上的调制电极。本发明采用具有高电光系数、低损耗的材料如铌酸锂来代替传统的光学相控阵中所用的热调电阻或者载流子注入的相位调制方式，可以在光学相控阵中进行低功耗、高速、低波导损耗的光学相位调制。

技术领域

本发明属于硅光器件设计及制造领域，特别是涉及一种基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵及制备方法与应用。

背景技术

硅光技术发展至今，在光源、调制器、波导、探测器等光电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工艺制作光器件，方便与其他现有的元器件集成。

受制于硅的晶格特性，硅的线性电光效应较为微弱，使得硅中的光调制主要依赖于自由载流子色散效应。然而，由于自由载流子色散的本征吸收和非线性特性，会降低光调制的振幅，并且在使用高级调制格式时可能导致信号失真。这使得硅光调制器要么显示出较低的光电带宽，要么显示出较高的工作电压。

光学相控阵作为一种可以实现光学空间扫描的器件，在距离传感、激光扫描成像、自由空间光通信等领域有着广泛的潜在应用，在现有技术中，单纯的基于硅材料的光学相控阵激光雷达大多数采用热光效应或者基于电光效应的载流子注入方式来改变光学相控阵每一个通道光学相位，从而达到波束成形的效果。然而，如上所述，由于硅的热光调相和载流子注入调相分别具有移相功耗高、速率低和波导损耗高的缺点，会极大地影响光学相控阵的性能，进而影响测距系统。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵及制备方法，以实现一种新型的光学相控阵的调相方式，降低硅基光学相控阵系统的功耗，提升硅基光学相控阵的调制速率，并且降低系统的波导损耗。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于铌酸锂薄膜材料移相控制的光学相控阵，所述光学相控阵包括：硅基底；氧化硅层，位于所述硅基底上；硅基光波导层，位于所述氧化硅层上，所述硅基光波导层包括耦合分束器及光栅天线，所述耦合分束器及光栅天线之间具有间隙带；氧化硅包层，填充于所述硅基光波导层周围及所述间隙带；铌酸锂移相器，包括位于所述间隙带上的铌酸锂薄膜、位于所述铌酸锂薄膜上且连接所述耦合分束器及光栅天线的铌酸锂光波导、以及位于所述铌酸锂光波导两侧的铌酸锂薄膜上的调制电极。

可选地，还连接有光环行器及激光器，所述光环行器的输出端连接于所述耦合分束器的输入端，所述激光器的输出端连接于所述光环行器的输入端。所述激光器所发射的激光包括频率线性变化的窄线宽光束。

可选地，所述耦合分束器包括依次串接的多级50:50的分束单元，所述耦合分束器包括一个输入端以及多个输出端，且每个所述输出端所输出的光强相等。

可选地，所述铌酸锂光波导跨接于所述耦合分束器及光栅天线上方，且与所述耦合分束器及光栅天线具有交叠。

可选地，所述硅基光波导层的材料包括硅及氮化硅中的一种。

可选地，所述铌酸锂光波导为脊型波导。

可选地，所述调制电极包括地电极以及控制电极，所述地电极接地，所述控制电极用于输入控制信号，通过将控制信号经由所述控制电极加载到所述铌酸锂光波导的两侧，以改变光波传输区域的折射率，从而改变光波在传输过程中的相位。