CN111220963A - 多层材料相控阵激光雷达发射芯片、制作方法及激光雷达 - Google Patents

多层材料相控阵激光雷达发射芯片、制作方法及激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种多层材料相控阵激光雷达发射芯片、制作方法及激光雷达，该多层材料相控阵激光雷达发射芯片，包括：第一材料结构层、SOI硅波导结构层和耦合连接结构，第一材料结构层包括：输入耦合器和分束器；输入耦合器与分束器进行光路连接；分束器通过耦合连接结构与SOI硅波导结构层进行光路连接；输入耦合器，用于将输入光耦合到芯片上；分束器，用于对耦合到芯片上的光波进行分束；耦合连接结构，用于将分束后每束光波耦合到SOI硅波导结构层对应的硅波导中；其中，第一材料结构层中的第一材料的非线性系数低于硅的非线性系数，且第一材料为与CMOS工艺相兼容的材料。使得发射芯片里的光功率大幅提高。

Description

多层材料相控阵激光雷达发射芯片、制作方法及激光雷达
技术领域
本发明实施例涉及雷达技术领域，尤其涉及一种多层材料相控阵激光雷达发射芯片、制作方法及激光雷达。
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。目前的相控阵激光雷达芯片均采用SOI材料作为衬底，并利用硅的良好性能制作各种片上结构，从而实现激光雷达的基本功能。
但硅也有其自身的问题，由于硅是一种强非线性的材料，尤其是其具有很强的双光子吸收效应和自由载流子吸收效应，并且其低阶非线性系数也很大，这使得大功率的光很难在硅波导里进行低损耗的传输，导致极大限制了输入到相控阵激光雷达发射芯片的光功率，从而严重影响激光雷达的探测性能，为后端信号探测部分带来了很大压力。
发明内容
本发明实施例提供一种多层材料相控阵激光雷达发射芯片、制作方法及激光雷达，解决了现有技术中的相控阵激光雷达芯片的功率极限问题，使得输入到相控阵激光雷达发射芯片里的光功率大幅提高，从而极大的改善激光雷达的探测性能，且为后端信号探测部分减小了很大压力。
第一方面，本发明实施例提供一种多层材料相控阵激光雷达发射芯片，包括：第一材料结构层、SOI硅波导结构层和耦合连接结构，所述第一材料结构层包括：输入耦合器和分束器；
所述输入耦合器与所述分束器进行光路连接；所述分束器通过耦合连接结构与所述SOI硅波导结构层进行光路连接；
所述输入耦合器，用于将输入光耦合到所述芯片上；
所述分束器，用于对耦合到所述芯片上的光波进行分束；
所述耦合连接结构，用于将分束后每束光波耦合到所述SOI硅波导结构层对应的硅波导中；
其中，所述第一材料结构层中的第一材料的非线性系数低于硅的非线性系数，且所述第一材料为与CMOS工艺相兼容的材料。
进一步地，如上所述的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，所述SOI硅波导结构层包括：相位调制器和光学天线；
所述相位调制器与所述光学天线通过硅波导进行连接；
所述相位调制器，用于改变耦合到所述SOI硅波导结构层的各硅波导的光波的相位；
所述光学天线，用于对所述各硅波导中的改变相位的光波发射至空间中。
进一步地，如上所述的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，所述第一材料结构层位于所述SOI硅波导结构层的上方，所述第一材料结构层与所述SOI硅波导结构层之间采用第二材料层隔开；
其中，所述第二材料层的折射率低于所述第一材料结构层和所述SOI硅波导结构层的折射率。
进一步地，如上所述的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，所述耦合连接结构包括：第一材料耦合波导和硅耦合波导；
所述第一材料耦合波导连接在所述分束器的第一材料波导的后端，所述硅耦合波导连接在所述SOI硅波导结构层的硅波导的前端；
所述第一材料耦合波导和所述硅耦合波导分别为楔形结构，所述第一材料耦合波导和所述硅耦合波导的尖端相对，且所述第一材料耦合波导和所述硅耦合波导的投影区域相互交叠。
进一步地，如上所述的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，所述第一材料耦合波导和硅耦合波导的尖端宽度为100～300nm；
第一材料耦合波导的后端宽度与所述分束器的第一材料波导的宽度相同，硅耦合波导的后端宽度与所述SOI硅波导结构层的硅波导的宽度相同；
相互交叠的区域长度为10～100um。
进一步地，如上所述的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，所述第一材料结构层还包括：第一材料主干波导；
所述输入耦合器通过所述第一材料主干波导与所述分束器进行光路连接；
第二方面，本发明实施例提供一种相控阵激光雷达，包括如上述第一方面任一项所述的多层材料相控阵激光雷达发射芯片。
第三方面，本发明实施例提供一种制作如上述第一方面任一项所述的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的方法，包括：
在SOI衬底的顶层硅上方的第一区域形成SOI硅波导结构层；
在SOI衬底的顶层硅上方的第二区域形成第一材料结构层，以使第一材料结构层的后端与所述SOI硅波导结构层的前端之间形成耦合连接结构；
其中，所述第一材料结构层包括：输入耦合器和分束器；所述第一材料结构层中的第一材料的非线性系数低于硅的非线性系数，且所述第一材料为与CMOS工艺相兼容的材料。
进一步地，如上所述的方法，所述在SOI衬底的顶层硅上方的第一区域形成SOI硅波导结构层，具体为：
采用电子束曝光或者步近式光刻工艺将第一波导图形转移到SOI衬底的顶层硅上并结合ICP刻蚀工艺在第一区域刻出所述SOI硅波导结构层。
进一步地，如上所述的方法，所述在SOI衬底的顶层硅上方的第一区域形成SOI硅波导结构层之后，还包括：
在所述SOI硅波导结构层的相位调制区域进行离子注入，形成PN结或PIN结，以制作相位调制器；
采用电子束曝光或者步近式光刻工艺将光栅图形转移到SOI衬底的顶层硅上并结合ICP刻蚀工艺刻出光栅层，以制作光学天线；
采用PECVD工艺在所述芯片上生长第二材料层，所述第二材料层的折射率低于所述第一材料结构层和所述SOI硅波导结构层的折射率。
进一步地，如上所述的方法，所述在SOI衬底的顶层硅上方的第二区域形成第一材料结构层，具体包括：
采用PECVD工艺在所述第二材料层上方第二区域生长第一材料层；
采用电子束曝光或者步近式光刻工艺将第二波导图形转移到所述第一材料层上并结合ICP刻蚀工艺在所述第二区域制作第一材料结构层。
进一步地，如上所述的方法，所述在SOI衬底的顶层硅上方的第二区域形成第一材料结构层之后，还包括：
采用PECVD工艺在所述芯片上生长光隔离层；
采用ICP刻蚀工艺刻出热电极和电极相应位置的通孔通往所述SOI硅波导结构层；
采用磁控溅射或者热蒸发工艺长加热金属材料和电极金属材料并通过光刻工艺刻出热电极、金属引线和电极；
采用PECVD工艺在所述芯片上生长保护层；
采用ICP刻蚀工艺刻出电极窗口和光栅窗口。
本发明实施例提供一种多层材料相控阵激光雷达发射芯片、制作方法及激光雷达，该多层材料相控阵激光雷达发射芯片，包括：第一材料结构层、SOI硅波导结构层和耦合连接结构，第一材料结构层包括：输入耦合器和分束器；输入耦合器与分束器进行光路连接；分束器通过耦合连接结构与SOI硅波导结构层进行光路连接；输入耦合器，用于将输入光耦合到芯片上；分束器，用于对耦合到芯片上的光波进行分束；耦合连接结构，用于将分束后每束光波耦合到SOI硅波导结构层对应的硅波导中；其中，第一材料结构层中的第一材料的非线性系数低于硅的非线性系数，且第一材料为与CMOS工艺相兼容的材料，由于第一材料结构层的第一材料的非线性系数低于硅的非线性系数，所以第一材料结构层中的输入耦合器能够将大功率光波耦合到芯片上，在通过分束器将光波分为若干份，降低每根第一材料波导中的光功率，使每个第一材料波导中的光功率能够满足在硅波导中正常传输，进而使得输入到多层材料相控阵激光雷达发射芯片里的光功率大幅提高，从而极大的改善激光雷达的探测性能，且为后端信号探测部分减小了很大压力。
应当理解，上述发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的结构示意图；
图3为本发明实施例三提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片中耦合连接结构的结构示意图；
图4为本发明实施例六提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法的流程图；
图5为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法的流程图；
图6为本发明实施例七中的SOI衬底的结构示意图；
图7为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法执行步骤501后的结构示意图；
图8为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法执行步骤503后的结构示意图；
图9为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法执行步骤504后的结构示意图；
图10为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法执行步骤505后的结构示意图；
图11为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法执行步骤507后的结构示意图；
图12为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法执行步骤509后的结构示意图；
图13为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法执行步骤511后的结构示意图。
附图标记
1-衬底硅层 2-埋氧化层 21-顶部硅层 3-SOI硅波导结构层 30-第一区域 31-相位调制器 32-光学天线 4-第一材料结构层 40-第二区域 41-输入耦合器 42-分束器 5-耦合连接结构 51-第一材料耦合波导 52-硅耦合波导 6-第二材料层 7-光栅层 8-光隔离层 9-电极 10-热电极 11-金属引线 12-保护层 13-电极窗口 14-光栅窗口
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。
本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明实施例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
图1为本发明实施例一提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片包括：第一材料结构层4、SOI硅波导结构层3和耦合连接结构5，第一材料结构层4包括：输入耦合器41和分束器42。
其中，输入耦合器41与分束器42进行光路连接；分束器42通过耦合连接结构5与SOI硅波导结构层3进行光路连接。
具体地，输入耦合器41，用于将输入光耦合到芯片上。分束器42，用于对耦合到芯片上的光波进行分束。耦合连接结构5，用于将分束后每束光波耦合到SOI硅波导结构层3对应的硅波导中。
其中，第一材料结构层4中的第一材料的非线性系数低于硅的非线性系数，且第一材料为与CMOS工艺相兼容的材料。
其中，非线性系数为低阶非线性系数。低阶非线性系数还可以为第一阶非线性系数，第二阶非线性系数，第三阶非线性系数等。
具体地，本实施例中，多层材料相控阵激光雷达发射芯片集成在一片满足CMOS工艺的SOI衬底上。该SOI衬底由下至上包括：衬底硅层1，埋氧化层2和顶部硅层21。本实施例中对SOI衬底的每一层的材料和厚度不作限制。如可根据不同的需求进行每一层材料和厚度的定制，也可以采用常规标准CMOS工艺的SOI衬底产品，如衬底硅层1材料为硅，厚度为500～600um，埋氧化层2的材料为二氧化硅，厚度为2um，顶部硅层21的材料为硅，厚度为220nm或340nm。
为了表述方便，在下面的实施例中，都以上述标准CMOS工艺的SOI衬底来集成本发明实施例的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，其中顶部硅层21的厚度为220nm。
本实施例中，由于硅具有很大的低阶非线性系数，并且硅材料具有很强的双光子吸收效应和自由载流子吸收效应，所以通常硅波导中允许传输的光功率很小，通常约100mw。这使得常规的纯硅基相控阵激光发射芯片无法实现大功率激光的片上处理和发射，严重影响了激光雷达的探测效果。
为了解决以上问题，本实施例中采用一种比硅的非线性系数低的第一材料结构层4，在第一材料结构层4中包括多种形态的第一材料波导，构成输入耦合器41和分束器42。该第一材料结构层4中的第一材料与CMOS工艺相兼容。第一材料可以为氮化硅、氮氧化硅等类硅材料。其中，第一材料结构层4中的输入耦合器41，用于将光波耦合到芯片上，其能够将大功率输入光耦合进第一材料结构层4中，由于第一材料结构层4具有比较低的折射率，使得第一材料的输入耦合器41比现有技术中的硅输入耦合器41的尺寸大，所以可以大大降低输入耦合器41的光斑尺寸和光纤光斑尺寸的失配，可以有效的提高耦合效率。第一材料的输入耦合器41可以实现比现有技术中的硅输入耦合器41更高的耦合效率。并且第一材料不易遭受双光子吸收效应和载流子吸收效应的影响，其1阶非线性系数比硅要小接近20倍，这使得第一材料结构层4的波导中可以传输比硅波导高很多功率的光波。
本实施例中，分束器42用于对耦合到芯片上的光波进行分束，所以耦合进输入耦合器41的光波经过分束器42后被分为若干份光波，使得经分束器42分束后每根第一材料波导中的光功率下降很多。当光波被分为足够多份后，每一份的光功率能够满足在硅波导中正常传输后通过耦合连接结构5将每束光波耦合到SOI硅波导结构层3对应的硅波导中。
本实施例提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，包括：第一材料结构层4、SOI硅波导结构层3和耦合连接结构5，第一材料结构层4包括：输入耦合器41和分束器42；输入耦合器41与分束器42进行光路连接；分束器42通过耦合连接结构5与SOI硅波导结构层3进行光路连接；输入耦合器41，用于将输入光耦合到芯片上；分束器42，用于对耦合到芯片上的光波进行分束；耦合连接结构5，用于将分束后每束光波耦合到SOI硅波导结构层3对应的硅波导中；其中，第一材料结构层4中的第一材料的非线性系数低于硅的非线性系数，且第一材料为与CMOS工艺相兼容的材料，由于第一材料结构层4的第一材料的非线性系数低于硅的非线性系数，所以第一材料结构层4中的输入耦合器41能够将大功率光波耦合到芯片上，在通过分束器42将光波分为若干份，降低每根第一材料波导中的光功率，使每个第一材料波导中的光功率能够满足在硅波导中正常传输，进而使得输入到多层材料相控阵激光雷达发射芯片里的光功率大幅提高，从而极大的改善激光雷达的探测性能，且为后端信号探测部分减小了很大压力。
进一步地，如图1所示，本实施例提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片中，SOI硅波导结构层3包括：相位调制器31和光学天线32。
其中，相位调制器31与光学天线32通过硅波导进行连接。
具体地，相位调制器31，用于改变耦合到SOI硅波导结构层3的各硅波导的光波的相位。光学天线32，用于对各硅波导中的改变相位的光波发射至空间中。
本实施例中，相位调制器31与光学天线32通过硅波导进行光路连接。相位调制器31，通过与各硅波导形成电极，通过加电流或电压偏制，调控硅波导的折射率，进而改变各波导中的光波的相位。各硅波导中的光波通过相位调制器31调好相位后通过硅波导传输到光学天线32中发射至空间中。
本实施例提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，通过SOI硅波导结构层3包括：相位调制器31和光学天线32，相位调制器31与光学天线32通过硅波导进行连接；相位调制器31，用于改变耦合到SOI硅波导结构层3的各硅波导的光波的相位；光学天线32，用于对各硅波导中的改变相位的光波发射至空间中，能够将输入到多层材料相控阵激光雷达发射芯片里的大功率的输入光发射至空间中，从而极大的改善激光雷达的探测性能，且为后端信号探测部分减小了很大压力。
实施例二
图2为本发明实施例二提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的结构示意图，如图2所示，本实施例提供的控阵激光雷达发射芯片是在本发明实施例一提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的基础上，还包括：第二材料层6。
进一步地，本实施例中，第一材料结构层4位于SOI硅波导结构层3的上方，第一材料结构层4与SOI硅波导结构层3之间采用第二材料层6隔开。
其中，第二材料层6的折射率低于第一材料结构层4和SOI硅波导结构层3的折射率。
具体地，本实施例中，第一材料结构层4和SOI硅波导结构层3之间采用比第一材料结构层4和SOI硅波导结构层3的折射率都低的第二材料层6隔开。该第二材料层6与CMOS工艺兼容。如该第二材料层6可以为二氧化硅层。本实施例中，第二材料层6的厚度与该相控阵激光发射芯片的工作波长相对应。厚度约为四分之一工作波长与第二材料折射率之商。若相控阵激光发射芯片的工作波长为1.5～1.6um，则第二材料层6厚度设置为50～500nm。
实施例三
图3为本发明实施例三提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片中耦合连接结构5的结构示意图，其为图2沿A方向的俯视图，如图3所示，本实施例中，第一材料耦合波导51连接在分束器42的第一材料波导的后端，硅耦合波导52连接在SOI硅波导结构层3的硅波导的前端。
具体地，第一材料耦合波导51和硅耦合波导52分别为楔形结构，第一材料耦合波导51和硅耦合波导52的尖端相对，且第一材料耦合波导51和硅耦合波导52的投影区域相互交叠。
实际应用中，该耦合连接结构5是相互交叠的楔形结构，第一材料耦合波导51和硅耦合波导52之间具有第二材料层6，两个楔形结构的尖端相对。第一材料耦合波导51和硅耦合波导52通过楔形结构来减少对波导中光波的限制，从而通过消逝波耦合原理，将光波从第一材料耦合波导51耦合到硅耦合波导52中。
其中，第一材料耦合波导51和硅耦合波导52的尖端宽度可通过制作工艺和加工精度决定。优选地，本实施例中，第一材料耦合波导51和硅耦合波导52的尖端宽度为100～300nm。
优选地，本实施例中，第一材料耦合波导51的后端宽度与分束器42的第一材料波导的宽度相同，硅耦合波导52的后端宽度与SOI硅波导结构层3的硅波导的宽度相同。即第一材料耦合波导51和硅耦合波导52的后端宽度为与其连接的波导的宽度相同。
可选地，本实施例中，分束器42的第一材料波导的宽度为800nm～1um，则第一材料耦合波导51的后端宽度为800nm～1um。SOI硅波导结构层3的硅波导宽度为400nm～500nm，则硅耦合波导52的后端宽度为400nm～500nm。
优选地，本实施例中，相互交叠的区域长度为10～100um。即第一材料耦合波导51和硅耦合波导52的投影区域中相互交叠的区域长度为10～100um。
本实施例提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，耦合连接结构5包括：第一材料耦合波导51和硅耦合波导52；第一材料耦合波导51连接在分束器42的第一材料波导的后端，硅耦合波导52连接在SOI硅波导结构层3的硅波导的前端；第一材料耦合波导51和硅耦合波导52分别为楔形结构，第一材料耦合波导51和硅耦合波导52的尖端相对，且第一材料耦合波导51和硅耦合波导52的投影区域相互交叠。并且将第一材料耦合波导51和硅耦合波导52的尖端宽度，后端宽度和相互交叠的区域长度设置成对应的预设范围，能够有效将光波从第一材料波导耦合到硅波导中，能够实现0-100％的光耦合效率。
实施例四
本实施例在本发明实施例三提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的基础上，对第一材料结构层及SOI硅波导结构层的进一步细化。则本实施例提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片还包括以下方案。
进一步地，本实施例中，第一材料结构层还包括：第一材料主干波导。
其中，输入耦合器41通过第一材料主干波导与分束器42进行光路连接。
优选地，多层材料相控阵激光雷达发射芯片中的各波导为TE模的单模波导。
具体地，本实施例中，第一材料结构层中的波导、SOI硅波导结构层中的波导、及耦合连接结构中的波导均为TE模的单模波导。
进一步地，本实施例中，输入耦合器41为端面耦合器或光栅耦合器。分束器42为级联的多模干涉耦合器、星型耦合器或者定向耦合器。
具体地，本实施例中，可选择端面耦合器或光栅耦合器将光波耦合到芯片后，光波通过TE模的单模波导传输到多模干涉耦合器、星型耦合器或者定向耦合器任一种分束器42对应的第一材料波导中，当光波被分为足够多份后，每一份光功率满足在硅波导中正常传输后，可通过耦合连接结构5将光波从第一材料波导耦合进入SOI硅波导结构层3的硅波导中。
进一步地，本实施例中，相位调制器31为电光相位调制器或热光相位调制器。
具体地，本实施例中相位调制器31中采用电光型相位调制器或者热光型相位调制器。电光型相位调制结构为在SOI硅波导结构层3中硅波导两侧的硅平板上做离子注入，与硅波导形成PIN结或者PN结，当有电流通过时，可以调控硅的折射率，从而改变各硅波导中的光波的相位。热光型相位调制器可选用顶部加热型或者两侧加热型，即把加热电极做在硅波导的顶部或者两侧，通过加电流或者电压偏制，加热电极产生的热传递到硅波导中，由于硅是一种热光系数很高的材料，所以很容易改变波导中折射率，而改变各波导中的光波的相位。需要注意的是，为了避免加热电极离波导太近，会吸收波导中的光，从而造成较大的损耗，加热电极需要离波导一定距离，一般大于2um。本实施例中对加热电极和金属引线的材料不做限定，但一般加热电极的电阻率要比金属引线大接近一个量级。
本实施例提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，输入耦合器41为端面耦合器或光栅耦合器。分束器42为级联的多模干涉耦合器、星型耦合器或者定向耦合器，相位调制器31为电光相位调制器或热光相位调制器，能够使多层材料相控阵激光雷达发射芯片根据器件的不同有多种类型，满足多种需求。
进一步地，本实施例中，光学天线32为阵列光栅型光学天线。
具体地，本实施例中，各硅波导中的光波通过相位调制器31调好相位后由硅波导传输到光学天线32发射至空间中。本实施例中光学天线32为在硅阵列波导上刻二级衍射光栅，即阵列光栅型光学天线32。其中光栅的具体参数，如光栅周期、占空比、刻蚀深度等，都与工作波长相关。在硅波导上进行光栅刻蚀时，需要先根据刻蚀深度计算光栅周期。为了获得小的沿硅波导方向的远场发散角，及高的纵向雷达扫描分辨率，设计光学天线32的二级衍射光栅刻蚀深度较浅，为20～100nm。由于光波波段为1.5～1.6μm，硅波导阵列对于此波段的有效折射率约为2.38，根据二级衍射光栅公式得到二级衍射光栅周期为600～680nm，即在硅波导上均匀地在每个光栅周期的距离上进行光栅刻蚀。而光栅的宽度则由占空比来决定，也就是光栅宽度与光栅周期的比值。通过计算可知，在光波波段1.5～1.6μm，二级衍射光栅占空比为0.4～0.6时，向外辐射效率最高。
由于光学天线32的波导间距决定着最终相控阵激光发射芯片的最大扫描角，所以本实施例中，光学天线32的硅波导间距为500nm～2.5um。光学天线32对硅波导分布形式不做限定，可以为均匀分布，也可以为高斯分布、正弦分布等其他分布形式。
进一步地，本实施例中，多层材料相控阵激光雷达发射芯片还包括：保护层。
具体地，保护层覆盖在整个多层材料相控阵激光雷达发射芯片上，该保护层12为低折射率保护层。该低折射率保护层12的材料可选为二氧化硅，厚度可为2～5um。
进一步地，本实施例中，在设置多层材料相控阵激光雷达发射芯片的电极后，在电极和光学天线的光栅上方开窗口，以进行加电和光的输入与输出。光学天线32的光栅上方的窗口可开到距离光栅约2um处。
实施例五
本发明实施例五提供一种相控阵激光雷达，该相控阵激光雷达包括本发明实施例一至实施例四中任一个实施例的多层材料相控阵激光雷达发射芯片。
本实施例中的相控阵激光雷达中多层材料相控阵激光雷达发射芯片的结构和功能与本发明实施例一至实施例四中任一个实施例的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的结构和功能相同，在此不再一一赘述。
本实施例中，光源可以是芯片外的激光器耦合封装至多层材料相控阵激光雷达发射芯片上，也可以是键合在芯片上的激光器，相控阵激光雷达的探测器可以为芯片外的探测器，也可以为集成在芯片上的探测器，本实施例对此均不作限定。
实施例六
图4为本发明实施例六提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法的流程图，如图4所示，本实施例提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法包括以下步骤。
步骤401，在SOI衬底的顶层硅上方的第一区域形成SOI硅波导结构层3。
具体地，本实施例中，可采用电子束曝光或者步近式光刻工艺将SOI硅波导结构层3上的波导图形转移到SOI衬底的顶层硅上并结合ICP刻蚀工艺在第一区域刻出SOI硅波导结构层3，也可采用其他工艺在SOI衬底的顶层硅上方的第一区域形成SOI硅波导结构层3，本实施例中对此不作限定。
其中，第一区域为可以为位于SOI衬底的顶层硅上的后端。
步骤402，在SOI衬底的顶层硅上方的第二区域形成第一材料结构层4，以使第一材料结构层4的后端与所述SOI硅波导结构层3的前端之间形成耦合连接结构5。
具体地，本实施例中，可采用电子束曝光或者步近式光刻工艺将第一材料结构层4的波导图形转移到第一材料结构层4上并结合ICP刻蚀工艺在第二区域刻出第一材料结构层4。也可采用其他工艺在SOI衬底的顶层硅上方的第二区域形成第一材料结构层4，本实施例中不作限定。
其中，第二区域为可以为位于SOI衬底的顶层硅上的前端。且第一区域与第二区域的投影区域相互交叠，以形成耦合连接结构5。
可以理解的是，第一区域也可以位于SOI衬底的顶层硅上的前端，相应地，第二区域可以位于SOI衬底的顶层硅上的后端，且第一区域与第二区域的投影区域相互交叠，以形成耦合连接结构5。
本实施例中，第一材料结构层4包括：输入耦合器41和分束器42。第一材料结构层4中的前端波导图形形成输入耦合器41，后端波导图形形成分束器42。输入耦合器41，用于将光波耦合到芯片上。分束器42，用于对耦合到芯片上的光波进行分束。
其中，第一材料结构层4中的第一材料的非线性系数低于硅的非线性系数，且第一材料为与CMOS工艺相兼容的材料。
本实施例中，在形成SOI硅波导结构层3和第一材料结构层4后，SOI硅波导结构层3和第一材料结构层4不再同一水平面上，SOI硅波导结构层3可在第一材料结构层4的下方，SOI硅波导结构层3也可在第一材料结构层4的上方，以使第一材料结构层4得分束器42后端与SOI硅波导结构层3的前端之间形成耦合连接结构5。
其中，耦合连接结构包括：第一材料耦合波导和硅耦合波导。第一材料耦合波导连接在分束器的第一材料波导的后端，硅耦合波导连接在SOI硅波导结构层3的硅波导的前端。第一材料耦合波导和硅耦合波导分别为楔形结构，第一材料耦合波导和硅耦合波导的尖端相对，且第一材料耦合波导和硅耦合波导的投影区域相互交叠。
本实施例提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法，能够制作本发明实施例一中的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，多层材料相控阵激光雷达发射芯片的结构和功能与实施例一相同，在此不再一一赘述。
实施例七
图5为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法的流程图，如图5所示，本实施例提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法在实施例一提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法的基础上，对步骤401-步骤402的进一步细化，并且还包括了其他步骤，则本实施例提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法包括以下步骤。
步骤501，在SOI衬底的顶层硅上方的第一区域形成SOI硅波导结构层3。
进一步地，本实施例中，图6为本发明实施例七中的SOI衬底的结构示意图，图7为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法执行步骤501后的结构示意图，如图7所示，采用电子束曝光或者步近式光刻工艺将第一波导图形转移到SOI衬底的顶层硅上并结合ICP刻蚀工艺在第一区域30刻出SOI硅波导结构层3。
其中，第一区域30为位于SOI衬底的顶层硅上方的后端区域。
步骤502，在SOI硅波导结构层3的相位调制区域进行离子注入，形成PN结或PIN结，以制作相位调制器31。
其中，第一区域30包括相位调制区域，相位调制区域位于第一区域30的前端。
步骤503，采用电子束曝光或者步近式光刻工艺将光栅图形转移到SOI衬底的顶层硅上并结合ICP刻蚀工艺刻出光栅层7，以制作光学天线32。
图8为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法执行步骤503后的结构示意图，如图8所示，光栅层7位于第一区域30的后端。
其中，第一波导图形构成了在SOI硅波导结构层3的波导图形。在SOI硅波导结构层3的前端为与耦合连接结构5连接的硅波导，硅波导经过弯曲硅波导在相位调制区域增大硅波导间隔，从而实现热隔离或电隔离，最后再经过弯曲硅波导到达光学天线32区域波导，波导间隔减小至500nm～2.5um。
步骤504，采用PECVD工艺在芯片上生长第二材料层6，第二材料层6的折射率低于第一材料结构层4和SOI硅波导结构层3的折射率。
图9为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法执行步骤504后的结构示意图，如图9所示，第一材料结构层4与SOI硅波导结构层3之间采用第二材料层6隔开，该第二材料层6与CMOS工艺兼容。如该第二材料层6可以为二氧化硅层。
步骤505，采用PECVD工艺在第二材料层6上方第二区域生长第一材料层。
图10为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法执行步骤505后的结构示意图，如图10所示，第二区域40为位于第二材料层6上方的后端区域。
步骤506，采用电子束曝光或者步近式光刻工艺将第二波导图形转移到第一材料层上并结合ICP刻蚀工艺在第二区域制作第一材料结构层4。
其中，第二波导图形构成了在第一材料结构层中的波导图形。
进一步地，本实施例中，在第一材料结构层4位于SOI硅波导结构层3的上方。
步骤507，采用PECVD工艺在芯片上生长光隔离层8。
图11为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法执行步骤507后的结构示意图，如图11所示，光隔离层8覆盖整个芯片上。
其中，光隔离层8的材料可以为二氧化硅材料。
步骤508，采用ICP刻蚀工艺刻出热电极和电极相应位置的通孔通往SOI硅波导结构层3。
步骤509，采用磁控溅射或者热蒸发工艺长加热金属材料和电极金属材料并通过光刻工艺刻出热电极10、金属引线11和电极9。
图12为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法执行步骤509后的结构示意图，如图12所示，本实施例中，热电极10和金属引线11的材料不作限定，热电极10的电阻率可以比金属引线11的电阻率大一个量级。
步骤510，采用PECVD工艺在芯片上生长保护层12。
其中，保护层12的材料可以为二氧化硅。
步骤511，采用ICP刻蚀工艺刻出电极窗口13和光栅窗口14。
图13为本发明实施例七提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法执行步骤511后的结构示意图，如图13所示，保护层12覆盖在整个芯片上，电极窗口13位于电极上方，光栅窗口14位于光栅上方。
本实施例提供的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的制作方法，可以制作本发明实施例四中的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，其中，本实施例中的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的结构和功能与实施例四中的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的结构和功能相同，在此不再一一赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种多层材料相控阵激光雷达发射芯片，其特征在于，包括：第一材料结构层、SOI硅波导结构层和耦合连接结构，所述第一材料结构层包括：输入耦合器和分束器；
所述输入耦合器与所述分束器进行光路连接；所述分束器通过耦合连接结构与所述SOI硅波导结构层进行光路连接；
所述输入耦合器，用于将输入光耦合到所述芯片上；
所述分束器，用于对耦合到所述芯片上的光波进行分束；
所述耦合连接结构，用于将分束后每束光波耦合到所述SOI硅波导结构层对应的硅波导中；
其中，所述第一材料结构层中的第一材料的非线性系数低于硅的非线性系数，且所述第一材料为与CMOS工艺相兼容的材料。
2.根据权利要求1所述的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，其特征在于，所述SOI硅波导结构层包括：相位调制器和光学天线；
所述相位调制器与所述光学天线通过硅波导进行连接；
所述相位调制器，用于改变耦合到所述SOI硅波导结构层的各硅波导的光波的相位；
所述光学天线，用于对所述各硅波导中的改变相位的光波发射至空间中。
3.根据权利要求1所述的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，其特征在于，所述第一材料结构层位于所述SOI硅波导结构层的上方，所述第一材料结构层与所述SOI硅波导结构层之间采用第二材料层隔开；
其中，所述第二材料层的折射率低于所述第一材料结构层和所述SOI硅波导结构层的折射率。
4.根据权利要求1所述的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，其特征在于，所述耦合连接结构包括：第一材料耦合波导和硅耦合波导；
所述第一材料耦合波导连接在所述分束器的第一材料波导的后端，所述硅耦合波导连接在所述SOI硅波导结构层的硅波导的前端；
所述第一材料耦合波导和所述硅耦合波导分别为楔形结构，所述第一材料耦合波导和所述硅耦合波导的尖端相对，且所述第一材料耦合波导和所述硅耦合波导的投影区域相互交叠。
5.根据权利要求4所述的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，其特征在于，所述第一材料耦合波导和硅耦合波导的尖端宽度为100～300nm；
第一材料耦合波导的后端宽度与所述分束器的第一材料波导的宽度相同，硅耦合波导的后端宽度与所述SOI硅波导结构层的硅波导的宽度相同；
相互交叠的区域长度为10～100um。
6.根据权利要求1所述的多层材料相控阵激光雷达发射芯片，其特征在于，所述第一材料结构层还包括：第一材料主干波导；
所述输入耦合器通过所述第一材料主干波导与所述分束器进行光路连接。
7.一种相控阵激光雷达，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的多层材料相控阵激光雷达发射芯片。
8.一种制作如权利要求1-6任一项所述的多层材料相控阵激光雷达发射芯片的方法，其特征在于，包括：
在SOI衬底的顶层硅上方的第一区域形成SOI硅波导结构层；
在SOI衬底的顶层硅上方的第二区域形成第一材料结构层，以使第一材料结构层的后端与所述SOI硅波导结构层的前端之间形成耦合连接结构；
其中，所述第一材料结构层包括：输入耦合器和分束器；所述第一材料结构层中的第一材料的非线性系数低于硅的非线性系数，且所述第一材料为与CMOS工艺相兼容的材料。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在SOI衬底的顶层硅上方的第一区域形成SOI硅波导结构层，具体为：
采用电子束曝光或者步近式光刻工艺将第一波导图形转移到SOI衬底的顶层硅上并结合ICP刻蚀工艺在第一区域刻出所述SOI硅波导结构层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述在SOI衬底的顶层硅上方的第一区域形成SOI硅波导结构层之后，还包括：
在所述SOI硅波导结构层的相位调制区域进行离子注入，形成PN结或PIN结，以制作相位调制器；
采用电子束曝光或者步近式光刻工艺将光栅图形转移到SOI衬底的顶层硅上并结合ICP刻蚀工艺刻出光栅层，以制作光学天线；
采用PECVD工艺在所述芯片上生长第二材料层，所述第二材料层的折射率低于所述第一材料结构层和所述SOI硅波导结构层的折射率。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述在SOI衬底的顶层硅上方的第二区域形成第一材料结构层，具体包括：
采用PECVD工艺在所述第二材料层上方第二区域生长第一材料层；
采用电子束曝光或者步近式光刻工艺将第二波导图形转移到所述第一材料层上并结合ICP刻蚀工艺在所述第二区域制作第一材料结构层。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在SOI衬底的顶层硅上方的第二区域形成第一材料结构层之后，还包括：
采用PECVD工艺在所述芯片上生长光隔离层；
采用ICP刻蚀工艺刻出热电极和电极相应位置的通孔通往所述SOI硅波导结构层；
采用磁控溅射或者热蒸发工艺长加热金属材料和电极金属材料并通过光刻工艺刻出热电极、金属引线和电极；
采用PECVD工艺在所述芯片上生长保护层；
采用ICP刻蚀工艺刻出电极窗口和光栅窗口。
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