阅读说明：本技术 光栅耦合器及其制作方法、光学相控阵装置 (Grating coupler, manufacturing method thereof and optical phased array device ) 是由 侯昌韬 马丁昽 于 2019-01-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种光栅耦合器及其制作方法、光学相控阵装置。该光栅耦合器包括硅基底；硅氧化物层,形成于所述硅基底上；及光栅层,形成于所述硅氧化物层上；其中,所述光栅层包括同层设置的光波导、耦合光栅及反射光栅,所述光波导、反射光栅分别设置于所述光栅层的两端,所述耦合光栅设置于所述光波导和所述反射光栅之间；所述耦合光栅区用于接收所述激光并将所述激光引导至所述光波导,所述反射光栅用于将未被所述耦合光栅引导至所述光波导的激光反射回所述耦合光栅。本申请的光栅耦合器可与CMOS工艺兼容,同时还拥有相对较高的稳定性和相对较小的体积。(The invention relates to a grating coupler, a manufacturing method thereof and an optical phased array device. The grating coupler comprises a silicon substrate; a silicon oxide layer formed on the silicon substrate; and a grating layer formed on the silicon oxide layer; the grating layer comprises an optical waveguide, a coupling grating and a reflection grating which are arranged on the same layer, the optical waveguide and the reflection grating are respectively arranged at two ends of the grating layer, and the coupling grating is arranged between the optical waveguide and the reflection grating; the coupling grating region is used for receiving the laser light and guiding the laser light to the optical waveguide, and the reflection grating is used for reflecting the laser light which is not guided to the optical waveguide by the coupling grating back to the coupling grating. The grating coupler of the application can be compatible with a CMOS process, and meanwhile has relatively high stability and relatively small volume.)

光栅耦合器及其制作方法、光学相控阵装置

技术领域

本发明涉及激光探测领域，特别是涉及一种光栅耦合器及其制作方法、光学相控阵装置。

背景技术

激光雷达作为智能驾驶领域的一个重要传感装置，其扫描角度以及扫描稳定性等方面还需要得到提高。传统的激光雷达采用光学相控阵(OPA)来代替机械式的扫描以提高扫描的稳定性。在使用OPA进行发射时，需要把激光器光源发出的激光耦合进入到用来扫描发射的OPA芯片之中。而OPA芯片通常采用的工艺是CMOS(互补金属氧化物半导体)集成工艺，所使用的材料是硅以及硅的氧化物，而半导体激光器以及其他各类激光器都不能使用硅作为基底材料，并且激光器辐射的激光并不能直接进入OPA芯片中，需要通过耦合器将激光器发射出来的激光引入到OPA芯片中。传统的方法是使用透镜等光学设备来将激光耦合至OPA芯片中，但是透镜存在体积大难以集成，不适合芯片端的耦合的问题。而使用锥形光纤以及模场适配器的方式进行耦合又会带来系统稳定性的下降以及工艺复杂性的提升。

发明内容

基于此，有必要针对现有耦合器与CMOS工艺不兼容、体积大及稳定性差等问题，提供一种光栅耦合器及其制作方法、光学相控阵装置。

本申请提供一种光栅耦合器，用于对激光进行耦合，所述光栅耦合器包括：

硅基底；

硅氧化物层，形成于所述硅基底上；及

光栅层，形成于所述硅氧化物层上；其中，所述光栅层包括同层设置的光波导、耦合光栅及反射光栅，所述光波导、反射光栅分别设置于所述光栅层的两端，所述耦合光栅设置于所述光波导和所述反射光栅之间；所述耦合光栅用于接收所述激光并将所述激光引导至所述光波导，所述反射光栅用于将未被所述耦合光栅引导至所述光波导的激光反射回所述耦合光栅。

在其中一个实施例中，所述光栅耦合器还包括折射率匹配层，所述折射率匹配层形成于所述光栅层上，所述折射率匹配层用于减少所述激光在所述光栅层上的反射。

在其中一个实施例中，所述耦合光栅为全刻蚀光栅、浅刻蚀光栅、均匀光栅和二元闪耀光栅中的任意一种。

在其中一个实施例中，所述反射光栅为布拉格反射光栅。

在其中一个实施例中，所述耦合光栅的光栅周期为400纳米-1000纳米。

在其中一个实施例中，所述反射光栅的光栅周期为50纳米-600纳米。

在其中一个实施例中，所述耦合光栅与所述反射光栅之间的间隔为50纳米-500纳米。

在其中一个实施例中，所述光栅层的厚度为170纳米-270纳米。

还提供一种光栅耦合器的制作方法，用于制造前述所述的光栅耦合器，所述方法包括：

提供一硅基底，并在所述硅基底上沉积形成硅氧化物层；

在所述硅氧化物层上形成光栅膜层，对所述光栅膜层进行刻蚀以形成光栅层；其中，所述光栅层包括光波导、耦合光栅及反射光栅，所述光波导、反射光栅分别形成于所述光栅层的两端，所述耦合光栅形成于所述波导和所述反射光栅之间；所述耦合光栅用于接收激光并将所述激光引导至所述光波导，所述反射光栅用于将未被所述耦合光栅引导至所述光波导的激光反射回所述耦合光栅。

还提供一种光学相控阵装置，包括：

激光源，用于辐射预设波长的激光；

光学相控模块，用于对所述激光的相位进行调制；及

用于将所述激光耦合至所述光学相控模块的光耦合器；

所述光耦合器为前述所述的光栅耦合器。

上述光栅耦合器，通过以硅作为基底，然后在基底上形成一层硅氧化物层，使得本申请的光栅耦合器可以与OPA芯片的CMOS工艺保持一致，也就是可以与CMOS工艺兼容；同时，本申请通过将波导、反射光栅分别设置于光栅层的两端，耦合光栅设置于波导和反射光栅之间，也即是反射光栅设置于耦合光栅的相对后方，可使得耦合进入光波导的激光能够从一个方向出射，防止激光从后方泄漏，提高激光的耦合效率，进而提高光栅耦合器的性能；由于可以和CMOS工艺兼容，形成的光栅耦合器拥有比透镜更小的体积，促进激光雷达的小型化和集成化。

附图说明

图1为一实施例中的光栅耦合器的结构示意图；

图2为一实施例中的光栅耦合器的立体图；

图3为另一实施例中的光栅耦合器的结构示意图；

图4为一实施例中的光栅耦合器的制作方法流程示意图；

图5为一实施例中的光学相控阵装置的组成示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

请参阅图1，为一实施例中的光栅耦合器的结构示意图。该光栅耦合器用于将激光耦合至光波导阵列，该光栅耦合器可以包括硅基底10，硅氧化物层20，及光栅层(图1未标示)。其中，硅氧化物层20，形成于硅基底10上；光栅层，形成于硅氧化物层20上；其中，光栅层包括同层设置的光波导310、耦合光栅320及反射光栅330，光波导310、反射光栅330分别设置于光栅层的两端，耦合光栅320设置于光波导310和反射光栅330之间；耦合光栅320用于接收激光并将激光引导至光波导310，反射光栅330用于将未被耦合光栅320引导至光波导310的激光反射回耦合光栅320。本申请的器件采用硅基材料实现，与CMOS工艺兼容，成本更低。

上述光栅耦合器，通过以硅作为基底，然后在基底上形成一层硅氧化物层，使得本申请的光栅耦合器可以与OPA芯片的CMOS工艺保持一致，也就是可以与CMOS工艺兼容；同时，本申请通过将波导、反射光栅分别设置于光栅层的两端，耦合光栅设置于波导和反射光栅之间，也即是反射光栅设置于耦合光栅的相对后方，可使得耦合进入光波导的激光能够从一个方向出射，防止激光从后方泄漏，提高激光的耦合效率，进而提高光栅耦合器的性能；由于可以和CMOS工艺兼容，形成的光栅耦合器拥有比透镜更小的体积，促进激光雷达的小型化和集成化。

在一实施例中，硅基底10可以为由硅材料制成的绝缘体，硅基底10的厚度可根据本领域技术人员的实际操作需要和产品的性能进行选择和调整，在此不作进一步地限定。硅氧化物层20可以为二氧化硅材料，可以理解，硅氧化物层20也可以为其他适用的化合物半导体材料，硅氧化物层20的厚度可根据本领域技术人员的实际操作需要和产品的性能进行选择和调整，在此不作进一步地限定。硅氧化物层20的形成工艺可以包括射频磁控溅射、热蒸发、真空电子束蒸发以及等离子增强化学气相沉积工艺。可以理解，硅氧化物层20的形成工艺可以根据实际应用情况以及产品性能进行选择和调整，在此不作进一步的限定。

光栅层(图1未标示)形成于硅氧化物层20上，光栅层的形成工艺可以包括射频磁控溅射、热蒸发、真空电子束蒸发以及等离子增强化学气相沉积工艺。可以理解，光栅层的形成工艺可以根据实际应用情况以及产品性能进行选择和调整，在此不作进一步的限定。光栅层的材料可以为硅，可以理解，光栅层还可以选择其他可以适用的材料，在此不做限定。光栅层的厚度可以为170纳米-270纳米，可选地，光栅层的厚度为170纳米-220纳米；可选地，光栅层的厚度为220纳米-270纳米。在硅基光波导的传输中，一般会存在不同模式的光，即横电波TEm和横磁波TMm，这两种模式与硅基光波导的截止厚度的关系可以通过公式计算得到，具体为：

其中，n_s为硅氧化物层的折射率，n_w为光栅层的折射率，n_c为形成于光栅层上方的介质层的折射率，在本具体实施例中，由于光栅层上方没有形成介质层，故n_c可以表示为空气的折射率，m为整数，λ为入射光的波长，L为光栅层的截止厚度，截止厚度也就是光栅层的厚度。对于TE模和TM模分别有：

在TE模中，C₁表示TE0模，在TM模中，C₁表示TM0模，这样，可以确定在不同波长入射光情况下，光栅层传播的到底是TE0模还是TM0模。通过公式a和b可以获取光栅层的厚度，在本申请中，光栅层的厚度主要由传输模式和入射光的入射角度决定，可选地，光栅层的厚度选择为220纳米，入射光的波长选择为1550纳米。

进一步地，请继续参阅图1，光栅层包括同层设置的光波导310，耦合光栅区320及反射光栅区330，其中，光波导310与反射光栅330分别设置于光栅层的两端，耦合光栅320设置于光波导310和反射光栅330之间，换句话说，反射光栅330设置于耦合光栅区320的相对后方，耦合光栅320可以为全刻蚀光栅、浅刻蚀光栅、均匀光栅和二元闪耀光栅中的任意一种，在本申请中，耦合光栅320优选为全刻蚀光栅。反射光栅330用于将未被耦合光栅320引导至光波导310的激光反射回耦合光栅320，反射光栅330可以为布拉格反射光栅，可以理解，本申请中的反射光栅330和耦合光栅320在结构上可以相同或类似，同时在功能上也具有一定的相似性，其表现为均用作改变光信号的传播方向。请同时参阅图1和图5，当一束入射光以垂直光栅耦合器的方向入射至耦合光栅320，经过耦合光栅320的转换，绝大部分光线经由光波导310射出进入下一器件，少部分光线射入反射光栅330，经由反射光栅330反射，然后重新回到耦合光栅320中，并且光的传播方向与进入光波导310的光的传播方向相同，使得更多的光线被吸收利用，从而提高器件的转换效率和响应度。

在一实施例中，请参阅图2，为一实施例中的光栅耦合器的立体示意图。如图2所示，耦合光栅320中每一个光栅结构322的几何形状可以是片状、条状或者脊形，在本申请中，优选耦合光栅320中光栅结构322的形状为条状结构来进行模式的转换。反射光栅330中每一个光栅条332的几何形状也可以是片状、条状或者脊形，在本申请中，优选反射光栅330中每一个光栅结构332与耦合光栅320中每一个光栅结构322具有相同的形状，即，条状结构。进一步地，图2中T表示耦合光栅320的光栅周期，Tr表示反射光栅330的光栅周期。在耦合光栅区320与反射光栅区330之间还设置有一个透射光栅，透射光栅具有一定的宽度Δ，宽度Δ也即是耦合光栅320与反射光栅330之间的间隔，宽度Δ的大小由光栅层的反射系数决定，在本申请中，耦合光栅320与反射光栅330之间的间隔Δ为50纳米-500纳米。进一步地，为了提高器件的耦合效率，在本申请中，还可以通过改变光栅周期T和Tr来实现，其中，光栅周期T和Tr均可以通过以下公式进行计算：

T×(n_C·sinθ-N_effr)＝mλ(c)

其中，T表示光栅周期，θ为入射角，λ为入射光波长，m为整数，N_effr为r阶导模的有效折射率，也就是光栅层的有效折射率。在本申请中，由于入射光的波长选择为1550纳米，同时在耦合光栅320，入射光以垂直光栅层的角度入射，所以入射角θ为0°，在反射光栅330，光线以垂直入射光的角度入射，所以这里入射角θ为90°，由于m、N_effr为常数，所以进一步可知，反射光栅330和耦合光栅320具有不同的光栅周期。在本申请中，应当理解，耦合光栅320和反射光栅330具有相同刻蚀深度，换句话说，由于耦合光栅320采用全刻蚀，也就是说将光栅层完全刻透，用数据来加以说明就是，光栅层的厚度为220纳米，那么耦合光栅320的刻蚀深度也为220纳米，相应地，反射光栅330的刻蚀深度也为220纳米。在此情况下，耦合光栅320的光栅周期可以为400纳米-1000纳米，可选地，耦合光栅320的光栅周期可以为400纳米-750纳米；可选地，耦合光栅320的光栅周期可以为750纳米-1000纳米；反射光栅330的光栅周期可以为50纳米-600纳米，可选地，反射光栅330的光栅周期可以为50纳米-350纳米；可选地，反射光栅330的光栅周期可以为350纳米-600纳米，应当理解，对于反射光栅330的光栅周期的选择应当保证其在50纳米-600纳米的范围内具有全反射能力。为了进一步地提高光栅的耦合效率，使激光与耦合光栅320之间的光信号传输更加稳定可靠，本申请还设置了耦合光栅320的占空比以及反射光栅330的占空比，其中，占空比定义为每个光栅周期内被刻蚀区域与光栅周期的比值。在本申请中，耦合光栅320的占空比f设置为0.8，即f1＝0.8，反射光栅330的占空比f2＝0.5。由上述公式可以知道，通过控制光栅周期、占空比和刻蚀深度等参数可有效控制光栅的耦合效率和光谱宽度等参数，使得激光在耦合光栅320中的传输更加稳定可靠。

在一实施例中，请参阅图3，为另一实施例中的光栅耦合器的结构示意图。在本申请中，光栅耦合器除了包括前述所述的结构之外，还包括设置于光栅层(图3未标示)上的折射率匹配层40，折射率匹配层40主要用于减小激光在光栅层上的反射。如前述实施例中a公式的描述，n_c为形成于光栅层上方的介质层的折射率，在本具体实施例中，由于光栅层上方设有折射率匹配层，故n_c可以表示为折射率匹配层的折射率。通过设置折射率匹配层还可以钝化和保护光栅层的表面，从而提高器件的综合性能指标。

在一实施例中，请参阅图4，为一实施例中的光栅耦合器的制作方法流程示意图。该制作方法用于制造前述所述的光栅耦合器，可以包括步骤S10-S20。

步骤S10，提供一硅基底，并在所述硅基底上沉积形成硅氧化物层。

具体地，可通过射频磁控溅射、热蒸发、真空电子束蒸发以及等离子增强化学气相沉积工艺在硅基底上沉积形成一层预设厚度的硅氧化物层。

步骤S20，在所述硅氧化物层上形成光栅膜层，对所述光栅膜层进行刻蚀以形成光栅层；其中，所述光栅层包括光波导、耦合光栅及反射光栅，所述光波导、反射光栅分别形成于所述光栅层的两端，所述耦合光栅形成于所述光波导和所述反射光栅之间；所述耦合光栅用于接收激光并将所述激光引导至所述光波导，所述反射光栅用于将未被所述耦合光栅引导至所述光波导的激光反射回所述耦合光栅。

具体地，可通过射频磁控溅射、热蒸发、真空电子束蒸发以及等离子增强化学气相沉积工艺在硅氧化物层上方形成一层220纳米的光栅膜层(图未标示)，然后可以通过例如干法刻蚀工艺对光栅膜层进行刻蚀以形成光栅层，其中，光栅层包括光波导、耦合光栅及反射光栅，光波导、反射光栅分别形成于光栅层的两端，耦合光栅形成于光波导和反射光栅之间；耦合光栅用于接收激光并将激光引导至光波导，反射光栅用于将未被耦合光栅引导至光波导的激光反射回耦合光栅。在本申请中，耦合光栅的刻蚀深度和反射光栅的刻蚀深度相同，均为220纳米。耦合光栅与反射光栅的光栅结构具有相同的宽度和不同的刻蚀宽度以保证耦合光栅和反射光栅具有不同的光栅周期。

上述光栅耦合器的制作方法，由于用于制造前述所述的光栅耦合器，而前述所述的光栅耦合器，通过以硅作为基底，然后在硅基底上形成一层硅氧化物层，使得本申请的光栅耦合器可以与OPA芯片的CMOS工艺保持一致，也就是可以与CMOS工艺兼容，简化制作工序；同时，本申请通过将光波导、反射光栅分别设置于光栅层的两端，耦合光栅设置于光波导和反射光栅之间，也即是反射光栅设置于耦合光栅的相对后方，可使得耦合进入光波导的激光能够从一个方向出射，反射光栅能够防止激光从后方泄漏，增加激光的耦合效率，进而提高光栅耦合器的稳定性；由于可以和CMOS工艺兼容，所以形成的光栅耦合器拥有比透镜更小的体积。

请参阅图5，为一实施例中的光学相控阵装置的结构示意图。如图5所示，该光学相控阵装置可以包括激光源1，光学相控模块3及光耦合器2。其中，激光源1用于辐射预设波长的激光；在本申请中，激光源1主要用于辐射1550纳米波长的激光；光学相控模块3用于对激光的相位进行调制，同时在调制后以预设角度将调制后的激光发射出去；光耦合器2用于将激光耦合至光学相控模块3，光耦合器可以为前述所述的光栅耦合器。该光栅耦合器可以硅基底、硅氧化物层和光栅层，其中，光栅层可以包括同层设置的光波导310、耦合光栅320及反射光栅330，光波导310、反射光栅330分别设置于光栅层的两端，耦合光栅320设置于光波导310和反射光栅330之间；耦合光栅320用于接收激光并将激光引导至光波导310，反射光栅330用于将未被耦合光栅320引导至光波导310的激光反射回耦合光栅320。

上述光学相控阵装置，由于采用前述所述的光栅耦合器作为光耦合器，而前述所述的光栅耦合器，通过以硅作为基底，然后在硅基底上形成一层硅氧化物层，可以使得本申请的光栅耦合器可以与OPA芯片的CMOS工艺保持一致，也就是可以与CMOS工艺兼容；同时，本申请通过将光波导、反射光栅分别设置于光栅层的两端，耦合光栅设置于光波导和反射光栅之间，也即是反射光栅设置于耦合光栅区的相对后方，可使得耦合进入光波导的激光能够从一个方向出射，增加激光的耦合效率，进而提高光栅耦合器的稳定性；由于可以和CMOS工艺兼容，所以形成的光栅耦合器拥有比透镜更小的体积。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。