[发明专利]波导光栅器件、光波导相控阵、光学扫描及光通信装置

说明书

本申请公开了一种波导光栅器件，其包括基底以及形成在基底上的多个电介质层，所述多个电介质层包括波导芯层，波导芯层中形成有光栅，其中所述基底在位于所述光栅正下方的位置上被完全刻蚀掉，以露出所述电介质层，使得所述波导光栅器件在所述光栅的上下两侧形成辐射通道。本申请还公开具有波导光栅器件的光波导相控阵和光学扫描装置。根据本发明实施例，利用了光栅基底侧的辐射，形成了上下双向辐射的波导光栅，提高了能量利用效率，并抑制了噪声。

技术领域

本发明涉及光辐射控制技术，具体而言，涉及一种波导光栅器件以及具有其的光波导相控阵、光学扫描装置和光通信装置。

背景技术

光学相控阵(optical phased array)是一种光束指向控制技术，通常分为液晶相控阵、微机电系统(MEMS)相控阵和光波导相控阵。其中光波导相控阵尺寸小，质量轻，灵活性好，功耗低；但是，光学相控阵的远场成像通常呈现高斯分布，大角度扫描时的成像精度差。

光波导相控阵根据辐射单元及原理的不同可以分为末端辐射(end fire)光学相控阵和波导光栅天线(waveguide-grating antenna)光学相控阵。末端辐射光学相控阵的辐射单元由波导结构构成，通过改变相邻波导之间的相位差实现一维动态扫描。光波导相控阵的辐射单元采用波导光栅天线结构时，可以在一个维度上改变入射波长，另一个维度上改变相位差，实现二维扫描成像。

波导光栅天线用作辐射单元时，很难避免基底侧的辐射，能量利用率低。为此，人们提出在波导光栅结构中在基底侧增加金属反射层或者布拉格反射镜以减少基底侧辐射，提高能量利用率。然而，这样的技术仍然存在不足之处。例如，增加金属反射层的方法与CMOS工艺不兼容。而且，上述措施均不能完全消除基底侧的辐射。此外，基底侧辐射在结构中经历多次反射，产生栅瓣，抑制信噪比，降低成像精度。

对于光学相控阵，除了基底侧辐射之外，扫描范围是制约相控阵性能的重要参数。

为了得到比较高的扫描成像分辨率，波导光栅天线的加工过程中通常需要进行精确控制下的浅刻蚀，其工艺复杂，加工成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种波导光栅器件以及具有该波导光栅器件的光波导相控阵、光学扫描装置和自由空间光通信装置，其至少部分克服了现有技术中的不足。

根据本发明的一个方面，提供了一种波导光栅器件，其包括基底以及形成在基底上的多个电介质层，所述多个电介质层包括波导芯层，所述波导芯层中形成有光栅，其中所述基底在位于所述光栅正下方的位置上被完全刻蚀掉，以露出所述电介质层，使得所述波导光栅器件在所述光栅的上下两侧形成辐射通道。

优选地，所述多个电介质层相对于所述波导芯层在层数、厚度和折射率上基本上对称。

在一些有利实施例中，所述多个电介质层还包括覆盖在所述波导芯层一侧上的调制层和覆盖在所述波导芯层另一侧上的覆盖层。优选地，所述调制层与所述覆盖层对于所述波导光栅器件的工作波长具有基本上相同的折射率，并具有相同量级的厚度。

在一些有利实施例中，所述调制层可以为由LiNbO₃形成的电光相位调制层，并且所述覆盖层可以为Si₃N₄层。

在一些有利实施例中，所述多个电介质层还包括分别位于所述波导芯层上下两侧的上复合增透膜和下复合增透膜，所述上复合增透膜和下复合增透膜各自由相对于所述波导芯层位于外侧的1/2波长膜和位于内侧的1/4波长膜构成。