[发明专利]硅基相控阵激光雷达光学天线、制备方法以及激光雷达

说明书

本申请实施例提供一种相控阵激光雷达光学天线的结构，所述光学天线包括：SOI衬底，所述SOI衬底至少包括衬底硅层、埋氧化层、顶部硅层、第一SiO2保护层以及反射层，在采用成熟工艺制备完天线基本结构后，通过堆叠生长，形成第一SiO2保护层以及反射层，该反射层会将反射的光波再次反射回自由空间中，提高了整个光学天线的辐射效率。本申请的相控阵激光雷达光学天线制备工艺简单，其成品率相对于在在埋氧化层与顶部硅层增加反射层的技术方案显著提高。且本申请的方案辐射效率更高。

技术领域

本申请实施例涉及雷达技术领域，尤其涉及一种硅基相控阵激光雷达光学天线、制备方法以及激光雷达。

背景技术

相控阵激光雷达的概念早已被提出，各种不同的设计方案也在不断开展，其基本模块也均已成熟，如光源、分束、调相等，但是其如何将各波导调相后的光高效地导出光子集成回路仍是个巨大的挑战。这是由于波导的折射率比空气大很多，当光从波导耦合到自由空间中十分困难，以至于光学天线的发射效率极低，严重影响其利用率。另外，从各波导耦合到自由空间中的光干涉后形成的栅瓣会严重影响天线的性能，其扫描范围也会因此而大打折扣。

目前，国际上面向相控阵激光雷达的光学天线主要分为以下两种，一、金属偶极子型光学天线；二、非金属光学天线，以光栅型光学天线为主。金属偶极子型光学天线的工作原理是光激发金属表面等离子共振，形成近场光学增强。但是该结构的天线在实际应用上有很多限制条件，因为该近场光学增强效应对金属的尺寸、光的波长及极化方式十分敏感，且向外辐射能力有限，其应用基本上局限于近场，除此之外，金属纳米颗粒型光学天线的衬底一般与标准CMOS工艺衬底相差较大，不利于大规模集成。

随着集成光学的发展，耦合光栅型光学天线由于其工艺简单、与 CMOS工艺兼容等优点，成为光子集成最有效的耦合方法。但已报道的该类型光学天线，其性能也存在很多问题，例如，各波导上从光栅向外耦合的光发散严重，辐射效率极低，并且干涉后栅瓣能量较大，没有得到很好的抑制，这对于激光雷达的扫描功能是极其不利的。

针对上述问题，现有技术中存在专利名称为一种基于反射层的硅基光学天线及制备方法，公开号为CN109541744 A，的专利申请，该专利提出在衬底硅层与所述埋氧化层相接位置形成金属反射层，该天线被光栅反射的光波到达所述金属反射层时，会被再次反射回去，从而使光波能够进入到自由空间中，与之前折射进入自由空间的光波进一步耦合，被光栅反射的光波到达所述金属反射层时，会被再次反射回去，从而使光波能够进入到自由空间中，与之前折射进入自由空间的光波进一步耦合。虽然该方案已经在一定程度上题述了光波的耦合效率，但是其制备时成品率相对较低。

发明内容

本申请实施例提供一种硅基相控阵激光雷达光学天线、制备方法及激光雷达，在题述耦合效率的同时，提升天线的成品率。

一种硅基相控阵激光雷达光学天线，所述光学天线包括：

SOI衬底，所述SOI衬底至少包括衬底硅层、埋氧化层、顶部硅层、第一SiO2保护层以及反射层，其中，

所述埋氧化层位于所述衬底硅层和所述顶部硅层中间，所述顶部硅层通过刻蚀形成波导阵列，并刻有光栅；

所述第一SiO2保护层位于所述光栅所在区域的上方，所述第一SiO2保护层上表面镀有反射层；

当光波传输至所述光栅所在区域时，会在光栅形成折射和反射，其中折射的光波会射出光栅，并在自由空间中形成耦合；所述被光栅反射的光波到达所述反射层时，会被再次反射回去，从而使光波能够进入到自由空间中，与之前折射进入自由空间的光波进一步耦合。

在其中一个实施例中，所述还包括第二SiO2保护层，所述第二SiO2保护层位于所述反射层上方。

在其中一个实施例中，所述反射层为金属反射层。

在其中一个实施例中，所述第一SiO2保护层以及反射层的边长大于等于光栅所在区域的边长。