光学相控阵芯片以及激光雷达的制作方法

测量装置的制造及其应用技术1.本技术涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种光学相控阵芯片以及激光雷达。背景技术：2.光学相控阵芯片是全固态激光雷达系统的重要组成部分，具有完全固态化、高可靠性、体积小、方便控制等优点。一般来说，光学相控阵芯片上设有耦合器、移相器和发射天线等器件，且各器件之间通过波导连通。目前，光学相控阵芯片所用波导材料一般采用绝缘体上硅(silicon-on-insulator，简称soi)材料、氮化硅材料、三五族材料等中的其中一种材料。3.技术问题4.本技术实施例的目的之一在于：提供一种光学相控阵芯片以及激光雷达。5.技术解决方案6.本技术实施例采用的技术方案是：7.第一方面，提供了一种光学相控阵芯片，包括依次设置的衬底层、埋氧层、第一波导层、氧化层、第二波导层以及上包层；其中，所述第二波导层的热光系数低于所述第一波导层的热光系数；8.所述第二波导层上形成有耦合器、分光器和发射天线组件；所述第一波导层上形成有移相器组件；所述第一波导层和所述第二波导层之间形成有两个层间转换器组件；其中，所述耦合器通过所述第二波导层与所述分光器信号连通，所述分光器通过其中一个所述层间转换器组件与所述移相器组件信号连通，所述移相器组件通过另一个所述层间转换器组件与所述发射天线组件信号连通。9.在一个实施例中，所述第二波导层分为间隔设置的第一部分和第二部分，所述耦合器和所述分光器形成于所述第一部分上，所述发射天线组件形成于所述第二部分上。10.在一个实施例中，所述第一波导层位于所述第一部分和所述第二部分之间，且所述第一波导层的其中一端通过其中一个所述层间转换器组件与所述第一部分的相应端部信号连通，所述第一波导层的另一端通过另一个所述层间转换器组件与所述第二部分的相应端部信号连通。11.在一个实施例中，所述第一波导层的两端分别与所述第二波导层中两个部分的相应端部层叠设置。12.在一个实施例中，所述分光器具有多个信号输出端；13.所述移相器组件包括与所述分光器的多个信号输出端一一对应连通的多个移相器；14.所述发射天线组件包括与多个所述移相器一一对应连通的多个发射天线。15.在一个实施例中，所述第一部分的信号输出端具有与所述分光器的多个信号输出端一一对应的多个第一波导段；16.所述第二部分包括依次排列的多个第二波导段，多个所述第二波导段与多个所述第一波导段一一对应设置；每个所述第二波导段上设有一个所述发射天线；17.所述第一波导层包括依次排列的多个第三波导段，多个所述第三波导段与多个所述第一波导段一一对应设置；每个所述第三波导段上设有一个所述移相器；18.其中一个所述层间转换器组件包括一一对应设置于多个所述第三波导段和多个所述第一波导段之间的多个第一层间转换器；19.另一个所述层间转换器组件包括一一对应设置于多个所述第三波导段和多个所述第一波导段之间的多个第二层间转换器。20.在一个实施例中，当所述第二波导层与所述第一波导层之间的垂直间距大于50nm小于400nm时，位于同一层间转换器内的两个波导层内的光信号能够通过倏逝波耦合实现层间转换。21.在一个实施例中，所述第一波导段和所述第三波导段位于所述第一层间转换器内的部分，以及所述第二波导段和所述第三波导段位于所述第二层间转换器内的部分均为锥形；所述第一层间转换器和所述第二层间转换器均为锥形波导模式转换器。22.在一个实施例中，当所述第二波导层与所述第一波导层之间的垂直间距大于1μm小于4μm时，所述第一波导段和所述第三波导段位于所述第一层间转换器内的部分，以及所述第二波导段和所述第三波导段位于所述第二层间转换器内的部分上均形成有光栅结构；位于同一层间转换器内的两个相对设置的波导段内的光信号能够通过所述光栅结构实现层间转换。23.在一个实施例中，所述光栅结构呈扇形设置。24.在一个实施例中，所述光栅结构的光线出射角度或光线接收角度为0-90°。25.在一个实施例中，所述光栅结构的光线出射角度或光线接收角度为0-60°。26.在一个实施例中，所述第一波导层为硅波导层，所述第二波导层为氮化硅波导层。27.第二方面，提供了一种激光雷达，包括激光雷达发射系统、接收系统以及信号处理系统，所述激光雷达发射系统包括激光器和上述光学相控阵芯片。28.第三方面，提供一种自动驾驶设备，包括上述激光雷达和车体，所述激光雷达安装于所述车体上。29.有益效果30.本技术实施例提供的光学相控阵芯片的有益效果在于：本技术实施例提供的光学相控阵芯片采用了两个材质不同的波导制作了两个波导层，并将光学相控阵芯片中的各器件分设于两个波导层上。31.本技术实施例提供的激光雷达的有益效果在于：本技术实施例提供的激光雷达包括激光器和上述光学相控阵芯片。附图说明32.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或示范性技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。33.图1是本技术实施例提供的光学相控阵芯片中各器件之间连接关系框线结构示意图；34.图2是本技术实施例提供的光学相控阵芯片的结构示意图；35.图3是本技术实施例所采用的第二波导层的第一部分以及位于第一部分上的器件的俯视结构示意图；图中，未示出第一层间转换器；36.图4是本技术实施例所采用的第二波导层的第二部分以及位于第二部分上的器件的俯视结构示意图；图中，未示出第二层间转换器；37.图5是本技术实施例所采用的第一波导层以及位于第一波导层上的器件的俯视结构示意图；图中，未示出第一层间转换器和第二层间转换器；38.图6是当第二波导层和第一波导层距离较近时，光在其中一个第二层间转换器内的传播路径示意图；39.图7是图6中两个波导段的俯视结构示意图；40.图8是当第二波导层和第一波导层距离较远时，光在其中一个第二层间转换器内的传播路径示意图；41.图9是图8中两个波导段的俯视结构示意图。42.本发明的实施方式43.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本技术。44.需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。45.为了说明本技术所提供的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。46.请参照图1及图2，本技术的一些实施例提供了一种光学相控阵芯片，包括依次设置的衬底层100、埋氧层200、第一波导层300、氧化层400、第二波导层500以及上包层600。具体的，埋氧层200、第一波导层300、氧化层400、第二波导层500以及上包层600通过外延生长技术逐层制得。需要说明的是，第二波导层500和第一波导层300的长度根据需要设定，一般小于衬底层100的长度，在超出第一波导层300覆盖范围的区域，氧化层400与埋氧层200相连；在超出第二波导层500覆盖范围的区域中，上包层600与氧化层400相连。47.第二波导层500的热光系数低于第一波导层300的热光系数。第二波导层500上形成有耦合器700、分光器710和发射天线组件720；第一波导层300上形成有移相器组件730；第一波导层300和第二波导层500之间形成有两个层间转换器组件800；其中，耦合器700通过第二波导层500与分光器710信号连通，分光器710通过其中一个层间转换器组件800与移相器组件730信号连通，移相器组件730通过另一个层间转换器组件800与发射天线组件720信号连通。48.这里所说的发射天线组件720可以为单个发射天线721，也可为多个发射天线721的组合体，这里不做唯一限定；同理，移相器组件730可以为单个移相器731，也可为多个移相器731的组合体，这里不做唯一限定。具体的，耦合器700、发射天线组件720、移相器组件730以及层间转换器组件800可在相应波导层成型后经过cmos工艺制得。使用时，先将激光器910的输出端通过波导与耦合器700的输入端连通，之后激光器910向耦合器700发出光源信号，耦合器700将该光源信号耦合至光学相控阵芯片内部，通过层层间转换器组件800传递至移相器组件730内，移相器组件730对其进行相位改变，之后传递至发射天线组件720，由发射天线组件720将上述光源信号发射至自由空间内。49.在实现本技术过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：50.由于调频连续波(frequency modulated continuous wave，fmcw)技术缺乏低成本的调频光源，目前激光雷达主要采用利用飞行时间(time of flight，简称tof)技术的脉冲激光雷达。上述波导材料中绝缘体上硅波导不适合传输特别大功率的光信号，这样限制了飞行时间技术在光学相控阵芯片中的应用；氮化硅波导虽然能够容纳较大的光功率，比较适合于脉冲激光雷达中光学相控阵芯片的制作，但采用氮化硅波导制作的光学相控阵芯片的功耗较大。51.经研究，在光学相控阵芯片所用波导材料中，有些材料对光的限制能力较强，可以实现高集成度的光学相控阵芯片制备，但是采用这些材料制备光学相控阵芯片时工艺要求一般较高，特别是发射天线组件720部分，小梳齿形状的弱耦合大孔径天线较难实现；而有些材料对光的限制能力较弱，但能够容纳较大的光功率，相较上述对光的限制能力较强的材料在相同工艺条件下可以制作耦合系数更小孔径更大的发射天线组件720。52.另外，发明人在研制过程中发现，对光的限制能力较弱的材料一般热光系数较低，所以用这些材料加工制得的移相器组件730的加热效率较低，会导致较大的功耗。对光的限制能力较强的材料一般热光系数较高，有利于降低移相器组件730的功耗，而且能够利用离子注入工艺可以实现高速移相器组件730，能够极大地提高光学相控阵芯片的工作速率。53.基于上述理论，本技术提供的光学相控阵芯片，采用了两个材质不同的波导制作了两个波导层，之后避开各波导层的缺点，充分利用其优异特性，将光学相控阵芯片中的各器件制备于更加适于的波导层上，从而降低了器件制作的工艺要求，使得在同一光学相控阵芯片中既可以制备出工艺容差较高的分光器710，也可以制备出高效率、低功耗的移相器组件730，还可以制备出弱耦合的大孔径发射天线组件720，并且支持大功率tof工作模式。同时，上述各器件都可以通过cmos工艺在硅基中加工制得，因此能够有效减小光学相控阵芯片的尺寸，提高集成度。54.更为具体的，第二波导层500对光的限制能力弱于第一波导层300对光的限制能力，即第一波导层300实现的功能器件的尺寸要大于第二波导层500实现的相同功能的器件，也即第一波导层300要求的工艺限制比第二波导层500要求的工艺限制要弱。55.在一个可选的实施例中，第一波导层300为硅波导层，第二波导层500为氮化硅波导层。其中，硅波导层对光的限制能力很强，且热光系数较高，有利于降低移相器组件730的功耗，而且能够利用离子注入工艺可以实现高速移相器组件730，能够极大地提高光学相控阵的工作速率。氮化硅波导层对光的限制略弱于硅波导层，使用该波导制作的天线在相同工艺条件下相较硅波导层可以制作耦合系数更小孔径更大的天线。且氮化硅波导材料能够容纳较大的光功率，比较适合于脉冲激光雷达中光学相控阵芯片的制作。另外，这两种材料在光学相控阵中均有所应用，制备技术较为成熟，采用这两种材料制备本技术提供的光学相控阵芯片可实施性强。56.在上述实施例中耦合器700、分光器710和发射天线组件720可以在氮化硅波导层上面实现，移相器组件730可以在硅波导层上面实现，层间转换器组件800中同时具有硅波导层和氮化硅波导层。而且由于目前业界可以获得质量良好的商用soi晶圆，因此氮化硅波导层一般在硅波导层上方。氮化硅波导层可以容纳很大的光功率，因此不会影响耦合器700、分光器710和发射天线组件720的功能。而经过分光器710分光后，每个通道的光功率都显著下降，因此不会影响移相器组件730和层间转换器组件800的功能。当然，在其他实施例中，第一波导层300和第二波导层500也可采用其他材料，只要能实现上述功能即可。57.请参照图2至图5，在一个实施例中，第二波导层500分为间隔设置的第一部分510和第二部分520，耦合器700和分光器710形成于第一部分510上，发射天线组件720形成于第二部分上。这样既可减少第二波导层500所需材料，又可避免分光器710发出的信号不经移相器组件730直接进入发射天线组件720，进而保证了光学相控阵芯片工作性能的稳定性。58.上述第一波导层300位于第一部分510和第二部分520之间，且第一波导层300的其中一端通过其中一个层间转换器组件800与第一部分510的相应端部信号连通，第一波导层300的另一端通过另一个层间转换器组件800与第二部分520的相应端部信号连通。具体的，移相器组件730设置于第一波导层300的中部，输入端通过其中一个层间转换器组件800与分光器710的输出端信号连通，输出端通过另一个层间转换器组件800与发射天线组件720的输入端连通。整个光学相控阵芯片结构紧凑，符合其制造要求。59.第一波导层300的两端分别与第二波导层500的两个部分的相应端部层叠设置。这样使得层间转换器组件800体积最小，整个光学相控阵芯片结构紧凑，符合其制造要求。60.分光器710具有多个信号输出端。移相器组件730包括与分光器的多个信号输出端一一对应连通的多个移相器731。发射天线组件720包括与多个移相器一一对应连通的多个发射天线721。具体的，多个移相器731、多个发射天线721可分别呈阵列排布，以实现其规则排布，实现光学相控阵芯片小型化设计要求。61.请参照图2至图5，在一个实施例中，第一部分510的信号输出端具有与分光器710的多个信号输出端一一对应的多个第一波导段511。第二部分520包括依次排列的多个第二波导段521，多个第二波导段521与多个第一波导段511一一对应设置。每个第二波导段521上设有一个发射天线721。第一波导层300包括依次排列的多个第三波导段310，多个第三波导段310与多个第一波导段511一一对应设置。每个第三波导段310上设有一个移相器731。62.其中一个层间转换器组件800包括一一对应设置于多个第三波导段310和多个第一波导段511之间的多个第一层间转换器810。另一个层间转换器组件800包括一一对应设置于多个第三波导段310和多个第一波导段511之间的多个第二层间转换器820。63.即本技术提供的光学相控阵芯片中设有多个第一层间转换器810、多个第二层间转换器820、多个移相器731、多个发射天线721，其中第一层间转换器810、第二层间转换器820、移相器731和发射天线721的数量一致。且每种器件一一对应地安装于相应波导段上，这样使得光信号经分光器710分束后可沿单一路径传输至各发射天线721内，再由发射天线721发射至自由空间内。本实施例中各器件的功能如下：耦合器700用于将激光器910中的光耦合到光学相控阵芯片内部，输出端与分光器710的输入端相连接。分光器710用于将光信号平均分配到第一层间转换器810的各个输入端口。第一层间转换器810用于实现光信号从第一波导层300到第二波导层500的转换；移相器731用于改变光信号的相位，使各个通道中的光信号的相邻相位差保持固定，输出信号将进入层间转换器的输入端。第二层间转换器820用于将光信号从第二波导层500转换到第一波导层300，输出信号将进入发射天线721的输入端。发射天线721用于将各个通道中的光信号发射到自由空间。64.采用本实施例提供的光学相控阵芯片可借助波导层中的各波导段实现相应器件之间的信号传输，无需额外添加信号传输结构，使得光学相控阵芯片整体结构紧凑，便于其小型化的制备。65.基于现有的芯片制备工艺，第二波导层500和第一波导层300之间的垂直间距一般存在两种情况：一种情况是，两个波导层距离较近，此时两者间的垂直间距处于大于50nm小于400nm的范围内；另一种情况是，两个波导层距离较远，此时两者间的垂直间距处于大于1μm小于4μm的范围内。针对这两种情况，第一层间转换器810和第二层间转换器820的结构也会发生相应改变。66.具体的，请参照图6及图7，当第二波导层500与第一波导层300之间的垂直间距大于50nm小于400nm时，此时第一波导层300和第二波导层500间距较近，一般来说两层之间会有一层比较薄的氧化层400，使得位于同一层间转换器内的两个波导层内的光信号能够通过倏逝波耦合实现层间转换。本实施例中第一层间转换器810和第二层间转换器820均可采用能够实现倏逝波耦合的任一款层间转换器，且位于同一波导段上的第一层间转换器810和第二层间转换器820可采用相同型号或不同型号，这里不做唯一限定。67.请参照图6及图7，在一个可选的实施例中，第一波导段511和第三波导段310位于第一层间转换器810内的部分，以及第二波导段521和第三波导段310位于第二层间转换器820内的部分均为锥形。第一层间转换器810和第二层间转换器820均为锥形波导模式转换器。具体的，位于同一个第三波导段310上的两个锥形模式转换器的光路方向相反，位于输入端的锥形模式转换器的光路方向为由第二波导层500转换至第一波导层300，位于输出端的锥形模式转换器的光路方向为由第一波导层300转换至第二波导层500。68.光在第一波导层300中的模式有效折射率随着宽度降低而降低，而在第二波导层500中的模式有效折射率随着宽度增加而增加，因此只要合理设计两个锥形波导模式转换器两侧的宽度，就可以在某一个位置处，使第一波导层300中的模式有效折射率等于第二波导层500的模式有效折射率，那么只要锥形波导模式转换器的长度足够长，就可以使光从第一波导层300缓慢转换到第二波导层500中。整个转换过程稳定，且技术成熟。69.请参照图8及图9，当第二波导层500与第一波导层300之间的垂直间距大于1μm小于4μm时，此时第一波导层300和第二波导层500间距较远，一般来说两层之间会有一层比较厚的氧化层400。这样在各层间转换器中，第一波导层300中的光不会和第二波导层500中的光发生倏逝波耦合，这里采用两层光栅来实现。具体表现在，第一波导段511和第三波导段310位于第一层间转换器810内的部分，以及第二波导段521和第三波导段310位于第二层间转换器820内的部分上均形成有光栅结构900。位于同一层间转换器内的两个相对设置的波导段内的光信号能够通过光栅结构900实现层间转换。70.具体的，上述光栅结构900可以利用刻蚀工艺在相应波导段上制得。光栅结构900的设置破坏了原有的波导结构，使光可以沿某一个方向发射或者接收。制备时，可通过改变其光栅周期和占空比改变该光栅结构900向上或向下发射的角度θ。同理，通过改变光栅结构900的光栅周期和占空比可以改变该光栅结构900从下方或从上方接收的角度θ。上述角度θ可在制备光栅结构900前经过仿真软件计算得出，这样可以确保制得的光栅结构900符合要求，进而使得光信号可以经过相对设置的两个光栅结构900实现两个波导段之间的层间转换。这样经耦合器700进入第二波导层500内的光，可经分光器710后经第一波导段511上的光栅结构900发射至第三波导段310上的光栅结构900，并被其接收后，再经第三波导段310进入其上的另一光栅结构900，并通过该光栅结构900发射至第二波导段521上的光栅结构900，并被其接收后，经第二波导段521传输至发射天线721，最终经发射天线721发射至自由空间内。71.上述光栅结构900呈扇形设置，以实现较大范围的信号接收和发射，保证光信号由其中一个波导段转换至另一个波导段时不会发生信号损失，或将信号损失降低到最小状态。72.在上述光信号传输过程中，光栅结构900的光线出射角度或光线接收角度为0-90°。具体角度，可根据第一波导层300、第二波导层500和相应层间转换器的材质及制备工艺决定，这里不做唯一限定。73.在一些实施例中，光栅结构900的光线出射角度或光线接收角度为0-60°。采用这一角度范围，可选材的范围更宽泛一些。74.请参照图1，在本技术的另一个实施例中，提供了一种激光雷达，包括激光雷达发射系统、接收系统以及信号处理系统，激光雷达发射系统包括激光器910和上述任一实施例提供的光学相控阵芯片。具体的，激光器910采用芯片外置的激光器910模块。激光器910用于产生光学相控阵芯片的光源信号，输出端与耦合器700的输入端相连接。75.本技术实施例提供的激光雷达包括上述各实施例提供的光学相控阵芯片。该光学相控阵芯片与上述各实施例中的光学相控阵芯片具有相同的结构特征，且所起作用相同，此处不赘述。76.以上仅为本技术的可选实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。









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