光学相控阵列的制作方法

光学相控阵列的制作方法
【专利说明】光学相控阵列
[0001] 相关专利申请案的交叉参考
[0002] 本申请案依据35U.S.C. § 119 (e)要求2013年1月8日申请的标题为 "Large-ScaleNanophotonicPhasedArray" 的美国临时申请案第 61/749, 967 号的优先 权，本申请案的全文以引用的方式由此并入本文中。
[0003] 政府支持
[0004] 本发明依据由美国国防高级研究计划局（DefenseAdvancedResearchProjects Agency)授予的合同第HR0011-12-2-0007号及由能源部（DepartmentofEnergy)授予的 资助第DE-AC04-94AL85000号在政府支持下研发。政府对本发明具有特定权利。
【背景技术】
[0005] 射频电磁相控阵列众所周知且已实现范围从通信至雷达、广播及天文学的应用。 追求用大尺度相控阵列产生任意辐射图案的能力已久。虽然部署大尺度射频相控阵列极为 昂贵及繁琐，但是光学相控阵列具有独特优点，即短得多的光波长有望用于大尺度集成。但 是，短的光波长也对制造提出严格要求。因此，虽然已结合各种平台且最近结合芯片级纳米 光子学研究光学相控阵列，但是迄今为止展现的光学相控阵列是一维阵列或小尺度二维阵 列。

【发明内容】

[0006] 本发明的实施方案包括用于从具有自由空间波长X。的相干光束形成远场辐射图 案的光学相控阵列，及使用光学相控阵列形成远场辐射图案的相应方法。光学相控阵列的 一个实例包括至少一个波导，所述至少一个波导倏逝地耦合至与波导安置在相同平面中的 多个天线元件。在操作中，波导将相干光束引导至天线元件，其发射相干光束的各自部分以 形成远场辐射图案。
[0007] 在一些情况下，光学相控阵列包括列波导，所述列波导倏逝地耦合至一个或更多 个行波导。列波导在第一方向上将相干光束引导至行波导，所述行波导将相关光束的各自 部分引导至天线元件。例如，光学相控阵列可包括：第一行波导，其经由具有第一耦合效率 的第一方向耦合器倏逝地耦合至列波导；以及第二行波导，其经由具有第二耦合效率的第 二方向耦合器倏逝地耦合至列波导。依据实施，第一耦合效率可小于第二耦合效率，例如 以确保耦合至第一行波导中的光功率量大约等于耦合至第二行波导中的光功率量。如果期 望，则波导可经由互补金属氧化物半导体（CMOS)工艺形成。
[0008] 光学相控阵列中的天线元件可按任意适当间距隔开，包括大约等于A。/2的整数 倍的间距或小于或等于大约A。/2的间距。天线元件也可发射大约相等振幅的相干光束的 各自部分。在一些情况下，每个天线元件可包括光栅，所述光栅使相干光束的相应部分的至 少部分衍射以形成远场辐射图案。每个光栅可具有至少大约l〇〇nm的半峰全宽衍射带宽。 且每个光栅可被配置来抑制相干光束的相应各自部分的谐振背反射。
[0009] 在一些情况下，光学相控阵列可包括多条可变光学延迟线，每条可光学延迟线与 相应天线元件光学通信。在操作中，这种可变光学延迟线可用于使相干光束的相应部分的 相位偏移以变化远场辐射图案的振幅分布和/或补偿至少一个波导中的相位误差。每条可 变光学延迟线可由相应加热器启动，诸如形成在掺杂半导体中的电阻式加热器。在操作中， 加热器加热可变光学延迟线的至少一部分以改变由可变光学延迟线在相干光束的相应部 分上赋予的相位偏移。可操作地耦合至加热器的控制器可控制加热器的温度以经由由可变 光学延迟线在相干光束的相应部分上赋予的相位偏移的改变而变化远场辐射图案。
[0010] 在另一个实施方案中，光学相控阵列包括基板、列波导、多个方向耦合器、多个行 波导、多个移相器、多个天线元件及多个可控制加热器。列波导、方向耦合器、行波导、移相 器及天线元件形成在基板中或基板上。在操作中，列波导将具有大约A。的自由空间波长 的相干光束引导至方向親合器，所述方向親合器将来自列波导的相干光束的各自部分倏逝 地耦合至行波导。行波导将这些"行光束"的部分引导且倏逝地耦合至移相器，每个移相器 赋予相应相移至相应行光束的相应部分以产生相应相移光束。每个移相器将其相应相移光 束耦合至多个天线元件中的特定天线元件。天线元件按相对于基板的一定角度发射相移光 束以形成远场辐射图案。且可控制加热器加热移相器以变化相移，其接着变化远场辐射图 案和/或补偿列波导和/或行波导中的相位误差。
[0011] 应了解，上述概念及下文更详细讨论的额外概念（前提是这些概念彼此一致）的 所有组合被设想作为本文中公开的发明主题的部分。尤其，出现在本公开结尾的所要求主 题的所有组合被设想作为本文中公开的发明主题部分。还应了解，也可能出现在以引用的 方式并入的任意公开中的本文中明确采用的术语应以与本文中公开的特定概念最一致的 含义为准。
【附图说明】
[0012] 技术人员将了解附图主要用于说明目的且不旨在限制本文中描述的发明主题的 范围。附图未必按比例；在一些实例中，本文中公开的发明主题的各种方面可在附图中夸大 或放大展示以方便不同特征的理解。在附图中，相同参考符号大致指相同特征（例如，功能 类似和/或结构类似的元件）。
[0013] 图1A图示64X64元件光学相控阵列（插图示出光学相控阵列的单位单元或像 素）。
[0014] 图1B示出适用于图1A的光学相控阵列的功率馈送网络，其具有将等量的光功率 耦合至多个行波导的总线波导。
[0015] 图1C是图1A的64X64纳米光子相控阵列中的总线-行耦合器（上部曲线）及 行-单位耦合器（中间曲线）的耦合器长度（左轴）及耦合效率（右轴）对行/列指数的 曲线图。
[0016] 图1D示出具有方向耦合器、移相器及纳米光子天线元件的图1A的光学相控阵列 的单位单元（像素）。
[0017] 图2A是使用热光相位调谐的8X8元件有源光学相控阵列的示意图。
[0018] 图2B是图2A的有源光学相控阵列中的热光调谐像素的示意图。
[0019] 图3A是使用基于液体的相位调谐的12X12元件有源光学相控阵列的示意图。
[0020] 图3B是图3A的有源光学相控阵列中的液体调谐像素的示意图。
[0021] 图4A是适用于光学相控阵列中的纳米光子天线的三维、近场发射的时域有限差 分（FDTD)模拟的曲线图。
[0022] 图4B是使用近场-远场变换从图4A中绘制的近场发射计算得到的光学纳米天线 的远场辐射图案的极坐标图。
[0023] 图4C是由远场中的图2A中所示的64X64元件光学相控阵列发射的模拟辐射图 案（此处，示出麻省理工学院（MIT)的标志）的极坐标图。
[0024] 图4D是图4C中所示的模拟辐射图案的划圈区域的极坐标图。
[0025] 图5是图示大尺度纳米光子相控阵列的天线合成的方块图。
[0026] 图6A示出由具有AQ/2的像素间距的64X64光学相控阵列发射的模拟远场阵列 因子图案（在这种情况下，"MIT"标志）。
[0027] 图6B示出为了多道光束按不同角度传播例如为了光学自由空间通信而由具有 入。/2的像素间距的64X64光学相控阵列发射的模拟远场阵列因子图案。
[0028] 图6C是跨用于产生图6A中所示的远场阵列因子图案的64X64光学相控阵列的 相位分布的彩色曲线图。
[0029] 图6D是跨用于产生图6B中所示的远场阵列因子图案的64X64光学相控阵列的 相位分布的彩色曲线图。
[0030] 图7A至图7D是具有通过将具有标准差0 = 0(S卩，无相位噪声；图7A)、0 = JT/16(图7B)、〇 =JT/8(图7C)及〇 =JT/4(图7D)的高斯相位噪声em添加至理想 相位#_而模拟的具有不同相位噪声电平的模拟远场阵列因子图案。
[0031] 图8A是制造的64X64元件光学相控阵列的扫描电子显微照片（SEM)。
[0032] 图8B是图8A中所示的制造的64X64元件光学相控阵列中的像素的SEM。
[0033] 图9A是适用于光学相控阵列中的制造的纳米光子天线的SEM。
[0034] 图9B是向上发射（顶部曲线）、向下发射（中上部曲线）、反射（中下部曲线）及 透射（底部曲线）中的图9A的纳米光子天线的模拟发射效率对发射波长的曲线图。
[0035] 图10A是用于观测光学相控阵列的近场及远场的成像系统的图。
[0036] 图10B是使用图10A的成像系统获得的图8A中所示的光学相控阵列的近场图像。
[0037] 图10C是图10B中所示的近场的8X8像素部分的特写图。
[0038] 图10D是来自光学相控阵列中的像素的光学发射的所测量强度分布的直方图。
[0039] 图10E是使用图10A的成像系统获得的图1B中所示的光学相控阵列的远场（傅 里叶平面）图像。
[0040] 图10F是使用图10A的成像系统获得的图8B中所示的光学相控阵列的32X32像 素部分的远场（傅里叶平面）图像。
[0041] 图11A至图11E图示发射视轴光束（图11A)、垂直导向达6°的聚焦光束（图 11B)、水平导向达6°的聚焦光束（图11C)、垂直分为两道光束的单道光束（图11D)及水 平分为四道光束的单道光束（图11E)的图2A的光学相控阵列的相位分布（顶部行）、模拟 远场辐射图案（中间行）及所测量远场辐射图案（底部行）。
【具体实施方式】
[0042] 本技术的实例包括大尺度、二维光学相控阵列（也被称作纳米光子相控阵列 (NPA))，其具有在相对较小占用面积内密集集成在硅芯片上的光学纳米天线。例如，示例性NPA可包括在大约576ymX576ym的面积中配置为64X64元件阵列的4096个天线元件。 本文中公开的稳固NPA设计与最新技术互补金属氧化物半导体技术一起允许大尺度NPA实 施在紧凑及便宜的纳米光子芯片上。
[0043]NPA像它的射频（rf)对应物一样，