一种可调谐波导光栅面发射器的制作方法

本发明涉及一种可调谐波导光栅面发射器，尤其是涉及一种以石墨烯作为加热器的混合集成可调谐波导光栅面发射器。

背景技术：

激光雷达采用移动的激光束对探测目标进行扫描采样以获取探测目标的位置，速度等特征量。传统的机械式激光雷达靠机械转动对空间进行扫描，这种方式响应速度较慢，而且机械容易老化，重复利用性较差，同时整个装置体积庞大，不方便运输和携带。相比之下，近些年研究火热的相控阵激光雷达可以通过调整多路信号的相对相位来改变激光光束的发射方向，具有响应速度快，尺寸小等优点。

随着光子集成技术的日益发展，光波导相控阵激光雷达已被广泛研究。光波导相控阵激光雷达可以在单片上同时集成光束扫描器件和控制逻辑电路，有利于进一步达到低能耗、小尺寸、高响应速度、低成本等要求。

大部分光波导相控阵激光雷达在横向上通过调控相位差来控制光束的出射方向，这需要设计多根波导，且相邻波导之间相位差固定。模式光经过具有固定相位差的阵列波导后会沿一个方向出射，改变相位差即能改变光束在横向上的出射角度，在波导的出射端刻蚀光栅使得光束以近平面波出射。根据光栅的衍射原理，不同折射率的同尺寸光栅的衍射角不同，同种材料对于不同波长的光波的有效折射率不同。因此，一般的光波导相控阵在纵向上通过调控光源的波长来控制光束的出射方向。想要得到大角度调控范围，所用的激光光源要能提供足够多的波长选择，然而这种多波长的可调谐激光器一般比较昂贵，且设计的光栅对可调谐激光器的依赖性较高，并不利于光波导相控阵激光雷达的使用。

另一方面，利用波导的热光效应来实现调控作用的光子集成器件也是研究的一大热门。传统的集成热光可调控器件通常采用金属加热电极，为了防止金属材料对波导中传输光的影响，通常需要在波导芯层和金属加热电极间加入较厚的低折射率隔离层。由于隔离层的导热系数一般比较低，在电极通电以后，不利于将热量传导给光波导，从而降低热光器件的加热效率，限制热光调控速度。因此，目前亟需一种透明加热器，加热效率高又不会对光波导中传播的光有太大影响的调控光栅结构。

技术实现要素：

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可调谐波导光栅面发射器，将单层石墨烯作为微型加热器直接铺设在光栅上，既能有效加热光栅，增大光波导的折射率，又不会给波导引入太大的损耗，同时方便集成，成本不高，可靠性却高。

本发明采用的具体技术方案是：

本发明的结构主要包括置于上下包层之间的输入光波导、光栅衍射区域和微型石墨烯加热器三部分，光栅衍射区域包括波导光栅结构和填充材料，波导光栅结构连接在输入光波导的输出末端，波导光栅结构顶面开设有多道平行的光栅槽，每道光栅槽沿垂直于波导延伸方向，光栅槽内由填充材料填充满；微型石墨烯加热器包括铺设在光栅衍射区域上的方形石墨烯层、条带石墨烯连接臂、金属电极、外部电源电路；方形石墨烯层铺设在波导光栅结构顶面，光栅衍射区域的两侧侧方均设有金属电极，两侧的金属电极均经各自的条带石墨烯连接臂连接到方形石墨烯层，两侧的金属电极连接到外部电源电路的两端，外部电源电路施加电压通过金属电极、条带石墨烯连接臂和方形石墨烯层形成通路，通过方形石墨烯层作为主要加热区域对波导光栅结构进行加热，从而调控光栅衍射角，通过光栅衍射区域将波导中传输的模式光向波导上方衍射出去。

所述的输入光波导和光栅衍射区域构成了芯层条形光波导，所述的填充材料的材料不同于芯层条形光波导和石墨烯材料，填充材料、波导上下包层材料的折射率均低于芯层条形光波导的折射率。

所述的金属电极位于波导光栅结构两侧且距离波导光栅结构有间隔距离，避免对波导光产生影响。

所述的填充材料只填充在光栅槽里，不需要填充在波导上方或其他区域。

所述的填充材料为低折射率材料，低折射率具体设置为1.45。

所述的输入光波导、光栅衍射区域、微型石墨烯加热器均采用单片集成制作。

所述的下包层采用低折射率材料，低折射率具体设置约1.45。

所述的下包层可以部分去除，主要去除的区域位于光栅衍射区域正下方，去除部分下包层后形成空气隙，折射率为1，这样处理能增大石墨烯的加热效率。

所述的上包层为空气。

所述的输入光波导和光栅衍射区域构成了芯层条形光波导，包括多个芯层条形光波导和仅一个微型石墨烯加热器，多个芯层条形光波导平行布置在下包层上，微型石墨烯加热器铺设在共同的多个芯层条形光波导的光栅衍射区域上，使得多个光栅衍射区域级联。

本发明的光波导处于上下包层材料之间，被刻蚀成条形结构，能允许基模光在内部传输。

涉及到的所有材料，除金属电极外，在光通信c波段都基本具有透明特性，整个结构的材料吸收损耗只占总损耗的极小部分。

本发明在光波导末端刻蚀光栅，再将刻蚀区域用其他材料填平，使得光波导表面平整，之后再铺上单层石墨烯。鉴于石墨烯导热系数高，两端通电压后，能很快加热光栅，因此这种设计工艺比较简单，却能达到不错的加热效果。作为光波导相控阵的出射端时，能快速有效地改变光波导的折射率，即改变出射光栅的衍射角度，以达到光束扫描的效果。

本发明具有的有益效果是：

1.结构简单、设计方便、制作简便，可显著降低器件制作成本。

2.石墨烯的导热系数高，接通电源后，能快速加热光栅。

3.石墨烯只有一个原子层的厚度，对垂直入射光的吸收率仅为～2.3％，添加在光波导上方不会引入太大的损耗。

4.石墨烯材料具有很好的柔韧性和结构强度，可以轻松处理成微纳结构，使用石墨烯透明纳米加热电极可以实现微纳尺寸的热光调控光子集成器件，也可以用于表面不平整的光子集成器件的加热，弥补传统金属加热电极在应用上的限制。

5.将方形石墨烯铺满光栅区域，操作简单。若设计多条光栅并行排列，直接增大单层石墨烯面积即可。

综合来说，本发明通过调节石墨烯两端电压来调控光栅衍射角，结构简单，有望实现小型化、低成本、损耗低、材料性能好、调控速度快的光波导相控阵激光雷达。

附图说明

图1是本发明结构俯视图。

图2是图1的a-a’剖视图。

图3是图1的b-b’剖视图。

图4是图1的c-c’剖视图。

图5是图1的d-d’剖视图。

图6是图1的e-e’剖视图。

图7是去除光栅区域正下方部分下包层后的a-a’剖视图。

图8是填充后的波导光栅阵列俯视图。

图9是本发明作为光波导相控阵出射端的设计结构图。

图中：1、下包层，2、输入光波导，3、波导光栅结构，4、填充层，5、方形石墨烯加热器，6、条带石墨烯连接臂，7、金属电极，8、去除部分下包层后形成的空气隙。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，具体实施的结构主要包括置于上下包层之间的输入光波导2、光栅衍射区域和微型石墨烯加热器三部分，下包层1采用二氧化硅，上包层为空气。

如图2-图6所示，光栅衍射区域包括波导光栅结构3和填充材料4，波导光栅结构3连接在输入光波导2的输出末端，波导光栅结构顶面开设有多道平行的光栅槽，每道光栅槽沿垂直于波导延伸方向，光栅槽两侧贯通于波导光栅结构，光栅槽内均被填充材料4填充满，填充材料只填补光波导刻蚀掉的部分，填充满后填充材料4表面和波导光栅结构顶面平齐；输入光波导2和光栅衍射区域3构成了芯层条形光波导，采用硅材料。

如图1所示，微型石墨烯加热器包括铺设在光栅衍射区域上的方形石墨烯层5、条带石墨烯连接臂6、金属电极7、外部电源电路；方形石墨烯层5铺设在波导光栅结构顶面，方形石墨烯层5与光栅衍射区域大小相当或者相等，石墨烯的面积不超过光栅衍射区域的面积，且覆盖所有光栅槽及其中的填充材料4，光栅衍射区域的两侧侧方均设有金属电极7，两侧的金属电极7均经各自的条带石墨烯6连接到方形石墨烯层5，两侧的金属电极7连接到外部电源电路的两端，外部电源电路施加电压通过金属电极7、条带石墨烯连接臂6和方形石墨烯层5形成通路，通过方形石墨烯层5作为主要加热区域对波导光栅结构进行加热，进而调控光栅衍射角，通过光栅衍射区域将波导中传输的模式光向波导上方衍射出去。

具体实施中，光栅衍射区域包括光栅结构和填充材料，在条形波导上表面通过刻蚀形成光栅槽，再将低折射率的材料填充在槽内，使得光波导表面重新平整。方形石墨烯层为主要加热区域，条带石墨烯连接臂一边与方形石墨烯相连，一边铺在金属电极上。金属电极7位于波导光栅结构两侧且距离波导光栅结构有间隔距离。

石墨烯本身具有一定电阻和导热能力，石墨烯层与金属电极、电源相连能形成闭合的回路。当接通电源时，石墨烯自身发热，并快速将热量传导给下方的光栅层。光栅层的材料具有一定的热光效应，温度升高，材料的折射率随之发生改变。

下面以本发明作为光波导相控阵出射端时的工作过程：

根据光栅衍射的布拉格条件：neff-nc·sinθ＝λ/λ(neff：光波导的有效折射率，nc：上包层折射率，θ：光栅衍射角，λ：入射光波长，λ：光栅周期)，在单层石墨烯透明加热电极的加热下，具有相同结构的光波导的有效折射率neff会发生改变，光栅衍射角θ也就随之发生改变。只要调节加在石墨烯电极两端的电压就能调控石墨烯的加热温度，从而调控光栅的衍射角度，达到光束扫描的效果。

为了增大石墨烯的加热效率，使得相同的折射率改变，可以将光栅衍射区域下方的下包层部分腐蚀掉，形成悬浮的光栅结构，如图7所示。因为只去除光栅衍射区域下方的部分下包层，上面的结构不会坍塌。由于空气的热传导系数低，可以看成热的不良导体，石墨烯加热悬浮的光栅区域，热量不会迅速向下方扩散，因此达到相同的加热效果所需要的功率比图1-图6的更小。

如图8所示，当可调谐波导光栅面发射器用于光波导相控阵激光雷达时，相同尺寸的光栅被刻蚀在每条排列整齐的波导末端。相邻两根波导传播的模式光之间具有固定相位差，当模式光传播到光栅区域时，由于相位差的存在，衍射后的光在横向上会偏离波导上表面的垂直方向。调节每根波导之间的相位差就能调节横向上的扫描角度。如图9所示，平行的波导光栅在填充平整以后，直接铺上一层石墨烯，对整个石墨烯进行加热，光栅的温度也随之升高，每个光栅的温度基本一致，故每个光栅的衍射角也基本一致。调节石墨烯两端电压就能调节纵向上的扫描角度，因此，这种光波导相控阵激光雷达能在一定范围内实现二维激光束扫描。

下面给出可调谐波导光栅面发射器的具体实施例。

实施例1

仅布置单根芯层条形光波导和一个微型石墨烯加热器，如图1所示。

选用基于硅绝缘体(soi)材料的硅纳米线光波导：其芯层是硅材料，厚度为220nm、折射率为3.4744；其下包层材料为二氧化硅，厚度为2μm、折射率为1.4404；上包层材料为空气，折射率近似为1。考虑入射的中心波长为1550nm，采用te偏振模式。

采用光刻等工艺将芯层刻蚀为一定宽度的条形波导，前端刻蚀耦合光栅，将光纤中的光耦合进硅波导，末端也同样刻蚀成光栅结构，但与耦合光栅尺寸有所不同。刻蚀深度为0.065μm，周期为0.95μm，占空比为0.7，整个光栅衍射区域长25μm。常温下，光栅衍射角约65°，衍射角度较一般的耦合光栅大很多。

光栅刻蚀完成后，在光栅槽中填充hsq光刻胶，使得整个硅波导上表面平整。再将石墨烯材料转移到光栅上方，通过图形化处理等工艺形成方形和条带结构。然后在用于腐蚀sio2的窗口中溅射金形成金电极，将条带石墨烯连接臂一端附在金电极上，连接电路，由此获得硅-石墨烯混合可调谐波导光栅面发射器。

给石墨烯两端加上电压，在一定范围内，随着电压的增大，微型石墨烯加热电极的温度不断升高。当石墨烯温度达到740k时，硅光栅的温度约为700k，相当于比室温高近400k。硅的热光系数约+1.84×10^-4k^-1，升高400k即折射率增大0.0736。经过计算得到，光栅温度升高前后，光栅的衍射角偏转近10°，石墨烯的加热效率约0.20°/mw。这样的加热效率比一般的金属加热电极要高，而且石墨烯对光场不会有太大的影响，加热过程中光栅的峰值衍射效率变化不大。

利用试剂腐蚀掉光栅衍射区域下方的二氧化硅下包层，根据腐蚀速率去控制去除的二氧化硅的厚度。将悬浮的波导光栅加热到700k所需要的功率相比未悬浮的低，这种情况下，石墨烯的加热效率将近0.33°/mw，同时波导光栅的衍射效率并没有受到太大的效率。

实施例2

如图8和图9所示，具体实施包括多个芯层条形光波导和仅一个微型石墨烯加热器，多个芯层条形光波导平行布置在下包层上，微型石墨烯加热器铺设在共同的多个芯层条形光波导的光栅衍射区域上，使得多个光栅衍射区域级联构成。这里为了使石墨烯铺设更平整，在输入波导和波导光栅刻蚀完成后，利用hsq光刻胶填充光栅刻蚀区域和相邻波导之间的间隔区域。由于石墨烯面积增大，想要将波导增大到相同温度需要提供更高的功率，加热效率相比实施例1有所下降。每根波导中输入相同的模式光，但相邻波导保持固定相位差(相位差可以通过增长波导或加热波导等来实现)。设计四根宽1μm的波导阵列，相邻波导间距为2μm(防止波导间相互串扰)，固定相位差为π。固定相位差使得横向上能近30°的光束偏转，纵向上由微型石墨烯加热器加热改变光栅衍射角度约10°。因此整个结构可以实现30°×10°的光束角度扫描。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。