[发明专利]基于悬空波导结构的氮化硅相控阵芯片

说明书

本发明公开了一种基于悬空波导结构的氮化硅相控阵芯片，包括氮化硅波导区域、悬空波导区域两部分；其中氮化硅波导区域二由硅基衬底、二氧化硅缓冲层、二氧化硅包层、基于氮化硅波导的芯层组成；芯层包括光分束单元、第一弯曲波导、热光移相器、模斑变换器；悬空波导区域包括第二弯曲波导和阵列光栅天线。本发明对于视频成像、生物荧光检测、光学相控阵光束偏转及扫描具有较好的应用前景。

技术领域

本发明属于集成光子芯片技术领域，具体涉及一种1550nm波段基于悬空波导结构的氮化硅相控阵芯片。

背景技术

随着硅基光电子集成技术的迅猛发展，硅基光子学技术已被广泛研究，在一个芯片上可以集成成千上万个光电子器件，此技术适用于制作激光雷达的光发射模块，称为光学相控阵。大量以硅材料为衬底制作的红外光光束扫描芯片，广泛应用于激光雷达系统以及光通信系统中，并且展现了低损耗，高精度，高稳定性，抗干扰，小尺寸和快速扫描等特性。硅基光电子技术是利用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺实现光子器件的集成制备，该技术结合了CMOS技术超大规模逻辑、超高精度制造的特性和超高速率、超低损耗的优势，成本相对低廉、集成度高，在制作光束扫描芯片邻域有着重要应用。

利用硅基光电子集成技术制作的光控相控阵芯片，工作在光通信波段(约1550nm)，此工作波段对人眼安全，有利于激光雷达产品进入民生领域。同时由于硅基光电子技术与集成电路技术完全兼容，可在单片上同时集成光束扫描器件和控制集成电路，有利于实现智能化控制和神经网络集成等。

光学相控阵是一种光束指向技术。激光光源经过光分束器后进入光波导阵列，在波导上通过外加控制的方式改变光波的相位，利用波导间的光波相位差来实现光束扫描，其原理类似于多缝干涉。光波导阵列中的每根波导都相当于一个光发射源，每个光发射源都相当于多缝干涉中的狭缝。光在空间中传播并干涉，其结果是光在某一方向上因干涉加强而集中，在其他方向上因干涉相消而减弱，从而改变光束的传播方向，实现扫描。

相控阵的一维扫描主要分为两种方式：一种为利用热光相位调制实现光束扫描，这种方法只需要单色的激光源，扫描角度较大，缺点是片上需要集成电极，复杂度增加；另一种为利用波长实现光束扫描，这种方法需要可调谐的激光源，扫描角度较小。

氮化硅作为一种新型的光子平台材料，具有优良的光电特性，绝缘耐压性能以及机械性能，广泛运用于光电子和微电子集成中。氮化硅光波导具有芯包层折射率差适中、器件尺寸小、集成度高、性能稳定性高等优点，较之于目前的绝缘衬底上硅(SOI)技术，其制作成本低且制备工艺简单，且具有可见到红外的宽透射光谱范围。在可见光相控阵应用方面，视频成像、生物荧光检测等都有涉及。由于氮化硅材料的优良特性，国内外对于氮化硅波导的光器件研究广泛，例如微环谐振腔，光栅耦合器，光束分束器等。氮化硅波导平台也可用于相控阵光束偏转【在先技术：Nicola A.Tyler,et al.,SiN integrated opticalphased arrays for two-dimensional beam steering at a single near-infraredwavelength,Opt.Express 27,5851-5858(2019)】。

但受限于氮化硅芯层与氧化硅包层的折射率差，波导阵元间距小时，相邻波导间易发生耦合串扰，使得远场出射光束质量恶化。故而，目前已报道的氮化硅相控阵光束偏转芯片通常波导阵元间距较大，导致旁瓣离主峰位置较近，限制了光束扫描范围。降低小间距氮化硅波导阵元间的耦合串扰，解决远场光束扫描范围小的瓶颈，一直都是氮化硅相控阵芯片应用所需解决的重大难点问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于悬空波导结构的氮化硅相控阵芯片，可实现1550nm波段光的均匀分束和宽视场大角度光束扫描。为了达到扫描角度大则要求光栅出射天线栅瓣距离远，阵元天线间距小(可实现左右±45°光束偏转)，在本发明中即相邻氮化硅直波导间距小，但是过小的阵元间距会发生串扰，波导之间耦合现象严重，为解决串扰问题并实现大角度光束扫描，本发明所采用的技术方案为：