專利名稱：基于soi光波導(dǎo)單片集成的微波光子移相器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波光子器件領(lǐng)域，涉及一種基于SOI光波導(dǎo)的單片集成的微波光子移相器及其制備方法。

背景技術(shù)：
20世紀(jì)70年代初開始使用的相控陣天線(PAA)技術(shù)目前在雷達(dá)和通信等領(lǐng)域顯得越來越重要。以電掃描代替機械掃描使天線的掃描速度、靈活性以及處理多目標(biāo)的能力有了大幅度的提高。然而，全電控系統(tǒng)尺寸大、損耗高、瞬時帶寬窄、抗電磁干擾能力較差。隨著微波光子技術(shù)的發(fā)展，以光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬波導(dǎo)和同軸電纜來傳送微波信號，不僅可以減小體積、減輕重量、降低成本、提高抗干擾能力，而且還具有損耗低、頻帶寬等特點，在相控陣的信號分配網(wǎng)絡(luò)及信號收集網(wǎng)絡(luò)中有廣泛的應(yīng)用。可控的微波光子移相器是光控相控陣中的關(guān)鍵器件，它控制天線的掃描方向。移相器應(yīng)該滿足以下要求:移相的數(shù)值精確、性能穩(wěn)定、足夠的頻帶和功率容量、便于快速控制、激勵功率和插入損耗小、體積小、重量輕等。
就目前的研究來看，微波光子移相器主要有兩種形式基于外差混頻的微波光子移相器和基于矢量和的微波光子移相器?；诨祛l技術(shù)的移相器以電光系數(shù)較高的聚合物作為波導(dǎo)材料，在追求高電光系數(shù)的同時，不可避免的引入較高的傳播損耗，因此電光系數(shù)大、性能穩(wěn)定和插入損耗小的聚合物材料的研制仍是此類微波光子移相器的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的矢量和技術(shù)的微波光子移相器利用分路器、固定延時單元、衰減單元和合路器等分立元件組成，使整個器件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能滿足當(dāng)前光電子器件向集成化和小型化方向發(fā)展的需求。另外矢量和移相器采用光纖作為延時線，由于光纖切割的長度誤差影響移相器的精度。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于SOI(Silicon on Insulator)光波導(dǎo)的單片集成的微波光子移相器及其制作方法。
將光分路器、固定延時單元、液晶可變光衰減器和合路器制作在同一個SOI襯底上，實現(xiàn)真正的單片集成，可以解決器件間的連接問題，減小器件尺寸，提高可靠性。利用光刻工藝可以保證固定延時單元中延時線的精確長度，提高移相器的相移精度。基于SOI材料的光波導(dǎo)具有波導(dǎo)特性好、制作工藝與IC工藝兼容的優(yōu)點，同時隨著SOI光波導(dǎo)材料制作工藝的成熟，低損耗大截面尺寸SOI脊形波導(dǎo)的成功研制還可以提高與光纖的耦合效率。聚合物分散液晶(PDLC)材料具有光衰減范圍大、偏振相關(guān)損耗小、工藝簡單等優(yōu)點。
本發(fā)明所述的基于SOI光波導(dǎo)的單片集成的微波光子移相器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由三個Y分支組成的級聯(lián)波導(dǎo)分路器、四根波導(dǎo)延時線組成的固定延時單元、位于波導(dǎo)延時線上的四個可變液晶光衰減單元和三個Y分支組成的級聯(lián)波導(dǎo)合路器構(gòu)成。級聯(lián)波導(dǎo)分路器、波導(dǎo)延時線組成的固定延時單元和級聯(lián)波導(dǎo)合路器都是由制作在SOI襯底上的脊型光波導(dǎo)構(gòu)成，它們的各層材料相同，由上到下依次為頂層硅、埋層二氧化硅、硅襯底，如圖2所示。本發(fā)明所述的移相器中，所有的Y分支均采用余弦結(jié)構(gòu)，分支角度小于1.5度，可以減小由Y分支引起的損耗。
在級聯(lián)波導(dǎo)分路器部分，第一級Y分支把輸入的一路光信號分成兩路，它的兩路輸出分別通過一段余弦波導(dǎo)與第二級兩個Y分支的輸入相連，第二級的兩個Y分支分別把輸入分成兩路，從而這兩級Y分支組成的三個Y分支實現(xiàn)了信號的一分四處理。
第二級Y分支的四個輸出與四根波導(dǎo)延時線相連接，四根波導(dǎo)延時線均為拱形，每個拱形均由兩個相同長度的直線波導(dǎo)與一個半圓環(huán)波導(dǎo)兩端相切連接而成。四個波導(dǎo)延時線長度選擇的依據(jù)是對所選定工作頻率的微波信號分別實現(xiàn)0度、90度、180度和270度的固定相移。首先根據(jù)器件對損耗的要求確定最小延時線的長度，

計算相鄰兩個延時線長度差。
四根波導(dǎo)延時線的另一端接級聯(lián)波導(dǎo)合路器的第一級兩個Y分支的四個輸入端，這兩個Y分支將四路信號合成兩路，這兩路的輸出分別通過一段余弦波導(dǎo)接至第二級的一個Y分支的輸入端，被合成一路信號。器件中所有六個Y分支的形狀和尺寸相同。
四個液晶可變光衰減單元分別位于四根波導(dǎo)延時線的中間，它們是在波導(dǎo)延時線上垂直于波導(dǎo)截面刻蝕至二氧化硅埋層制作的液晶微槽、液晶微槽兩側(cè)的氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電電極和微槽內(nèi)填充的聚合物分散液晶材料(PDLC)材料組成，如圖3所示。
本發(fā)明所述的器件的特點 1、在SOI襯底上制作分路器、固定延時單元、可變光衰減單元的液晶微槽和合路器，利用同一基片上制作的器件可以實現(xiàn)0～360度的連續(xù)相移調(diào)節(jié)，器件具有集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小的特點。
2、由四個波導(dǎo)延時線長度的不同實現(xiàn)對微波信號的0度、90度、180度和270度的固定延時，可以保證固定延時的準(zhǔn)確性。
3、在SOI波導(dǎo)延時線上制作液晶微槽，在液晶微槽的兩端制作透明ITO導(dǎo)電電極用以給微槽內(nèi)的液晶施加工作電壓，從而實現(xiàn)對光信號的連續(xù)可控衰減。
本發(fā)明所述的微波光子移相器的測試系統(tǒng)如圖4所示，激光器發(fā)出的光被微波(microwave，MW)信號調(diào)制后輸入移相器，光電探測器檢測移相器輸出的信號，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后送入網(wǎng)絡(luò)分析儀，可分析出相位的變化情況。器件的工作原理如下當(dāng)只有I路和II路工作時，在合路之前，I路中的信號可表示為A1 sin(ωt)，II路中的信號可表示為A2 sin(ωt+90°)＝A2 cos(ωt)，其中ω為微波信號的頻率，A1和A2分別為經(jīng)過LCVOA1和LCVOA2調(diào)整后信號的振幅。則I和II兩路信號合成后為

，其中，和

如果A1保持不變，改變A2，當(dāng)A2從0變化到A1時，則相位的變化為0°～45°，如果A2保持不變，改變A1，當(dāng)A1從A2變化到0時，則相位的變化為45°～90°。因此利用I和II兩路信號可以實現(xiàn)微波信號0°～90°的相移。同理，通過II和III路組合可以實現(xiàn)90°～180°相移，通過III和IV路組合可以實現(xiàn)180°～270°相移，I和IV路組合可以實現(xiàn)270°～360°相移，因此，該器件可以對微波信號實現(xiàn)0°～360°范圍內(nèi)的連續(xù)相移，在同一時刻只需要有兩個可變液晶光衰減器工作，從而降低器件的功耗。圖4中131、132、133、134(即LCVOA1～LCVOA4)為四根波導(dǎo)延時線上的四個可變液晶光衰減單元，通過調(diào)整其控制電壓可以實現(xiàn)對各支路光信號的連續(xù)可變衰減。
本發(fā)明所述基于SOI光波導(dǎo)的單片集成微波光子移相器采用光刻、感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕制作光波導(dǎo)分路器、固定延時單元、液晶微槽和合路器，通過濺射的方法在液晶微槽的兩端濺射透明ITO導(dǎo)電電極，在液晶微槽中注入調(diào)配好的PDLC材料，并固化。用光刻和ICP刻蝕工藝同時制作分路器、固定延時單元和合路器，制作工藝簡單、可以精準(zhǔn)地控制波導(dǎo)延時線長度，從而保證相移角度的準(zhǔn)確。
本發(fā)明所述的基于SOI光波導(dǎo)的單片集成微波光子移相器的制備步驟如下 A選取SOI材料，頂層硅的厚度在5～10微米，可以制作出較大截面的光波導(dǎo)，減少波導(dǎo)和光纖之間的耦合損耗。埋層二氧化硅的厚度大于1微米，可以減小光向襯底的泄露損耗。在SOI襯底的頂層硅一側(cè)，通過光刻、ICP刻蝕頂層硅制作出分路器、固定延時單元和合路器； B在SOI襯底的頂層硅的一側(cè)繼續(xù)光刻和ICP刻蝕，在波導(dǎo)延時線的中間垂直于波導(dǎo)延時線的方向刻蝕出液晶微槽，刻蝕至SOI襯底的二氧化硅層； C通過濺射的方法在波導(dǎo)表面、液晶微槽的兩個側(cè)面和底面制作透明氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電薄膜作為電極材料； D光刻、腐蝕波導(dǎo)表面和液晶微槽底面的ITO導(dǎo)電薄膜，僅保留液晶微槽兩個側(cè)面及微槽附近的波導(dǎo)表面的ITO導(dǎo)電薄膜，將四個液晶微槽相互間的ITO電極分開，并使每一個液晶微槽形成氧化銦錫電極對； E將調(diào)配好的PDLC材料注入到制作好透明ITO電極的液晶微槽中，再進行紫外固化； F用劃片機劃片，將制作有器件的部分從整個SOI晶片上分離出來，并對波導(dǎo)的端面進行拋光處理，以提高波導(dǎo)與光纖之間的耦合效率。
G引出電極，用以給液晶微槽內(nèi)的PDLC施加工作電壓，通過調(diào)整輸入電壓的大小，改變PDLC對光的衰減情況，從而實現(xiàn)對I～I(xiàn)V光通路(分別對應(yīng)四根波導(dǎo)延時線)光通量的連續(xù)可變衰減，實現(xiàn)各支路的光信號的改變，最終完成微波信號的移相。
采用上述方法，根據(jù)需要移相的微波信號的頻率的不同，設(shè)計固定延時線的長度，可以對2GHz～20GHz的微波信號實現(xiàn)0360°的連續(xù)相移。



圖1本發(fā)明所述的基于SOI光波導(dǎo)的集成微波光子移相器的示意圖； 圖2本發(fā)明所述的微波光子移相器的波導(dǎo)截面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3本發(fā)明所述的液晶微槽及透明ITO電極對結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4本發(fā)明所述的微波光子移相器的測試系統(tǒng)示意圖； 如圖1所示，為制作成的基于SOI光波導(dǎo)的微波光子移相器15的示意圖，其各部件的名稱分別為級聯(lián)波導(dǎo)分路器11，波導(dǎo)延時線12，液晶光衰減單元13，級聯(lián)合路器14。
如圖2所示，為在SOI25上制作的微波光子移相器的截面結(jié)構(gòu)，從上向下各層依次為頂層硅21、埋層二氧化硅22、硅襯底23、脊型光波導(dǎo)24。
如圖3所示，在波導(dǎo)延時線12的中間，制作的液晶微槽31及ITO透明電極對32。
如圖4所示，為微波光子移相器的測試系統(tǒng)示意圖，由網(wǎng)絡(luò)分析儀41提供微波信號42，調(diào)制器43將微波信號42調(diào)制到激光器44發(fā)出的光載波上以后輸入微波光子移相器15，經(jīng)過微波光子移相器15處理的信號由光電探測器46檢測，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后送入網(wǎng)絡(luò)分析儀41，從網(wǎng)絡(luò)分析儀中可以觀察出相位的變化情況，45為光纖，131、132、133、134為四根波導(dǎo)延時線12上的四個液晶衰減單元。

具體實施例方式 實施例1 選定微波信號的頻率為5GHz，四根波導(dǎo)延時線均為拱形，每個拱形均由兩個相同長度的直線波導(dǎo)與一個半圓環(huán)波導(dǎo)兩端相切連接而成。對于頻率為5GHz的微波信號，根據(jù)調(diào)制后的光在SOI光波導(dǎo)芯層中的傳播特點，若需要對微波信號實現(xiàn)90度(即λMW/4，λMW為微波的波長)、180度(即λMW/2)、270度(即3λMW/4)的固定延時，則兩相鄰拱形延時線長度差應(yīng)為λMW/4。取最小拱形延時線的半圓半徑為16000微米，與其相切連接的兩條直線波導(dǎo)的長度均為0微米，設(shè)定相鄰拱形延時線的半徑差為50微米，以此為基準(zhǔn)就能計算出其它三個拱形延時線的半圓環(huán)半徑和直線波導(dǎo)的長度依次為16050微米、2062微米；16100微米、4124微米；16150微米、6186微米。
級聯(lián)的分路器和合路器分別采用三個余弦型Y分支結(jié)構(gòu)級聯(lián)而成，六個Y分支的形狀和尺寸相同，其兩側(cè)端口的長度約為3000微米，分支間距為50微米，分支角小于1度。其中一級Y分支和二級Y分支之間均由長度為3000微米的余弦波導(dǎo)進行連接。當(dāng)器件的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計完成后，可以采用下面的方法制作器件。
A制作光波導(dǎo)分路器、波導(dǎo)延時線和波導(dǎo)合路器 選取SOI材料，參數(shù)如表1。
表1SOI晶片材料的參數(shù)
1)在SOI襯底的頂層硅一側(cè)光刻，將波導(dǎo)分路器、延時線和合路器的圖形通過光刻從上面結(jié)構(gòu)參數(shù)的掩模版上轉(zhuǎn)移到SOI襯底上，光刻工藝包括涂膠、前烘、曝光、堅膜、顯影。光刻膠用北京化學(xué)試劑研究所的BP212光刻膠，粘度為(37±2)×10-3Pa·s，在實驗中光刻膠的厚度為1～2微米左右。
2)以光刻膠作為掩模層，通過ICP刻蝕頂層硅制作出分路器、波導(dǎo)延時線和合路器，刻蝕的工藝參數(shù)如表2所示，刻蝕深度為1.25微米，波導(dǎo)的寬度為5微米，內(nèi)脊高5微米，外脊高3.75微米。
表2ICP(感應(yīng)耦合等離子體)刻蝕工藝參數(shù)
B制作液晶微槽在SOI襯底的頂層硅的一側(cè)繼續(xù)光刻和ICP刻蝕，工藝參數(shù)如表2，在波導(dǎo)延時線的中間位置垂直于波導(dǎo)延時線的方向刻蝕出液晶微槽，液晶微槽的寬度為30微米，刻蝕至SOI襯底的二氧化硅埋層，即液晶微槽的深度為頂層硅的厚度5微米； C通過濺射的方法制作透明導(dǎo)電薄膜ITO作為電極材料，ITO會覆蓋在波導(dǎo)的表面、液晶微槽的兩側(cè)和底面。ITO電極的厚度為75納米，ITO薄膜在光通信波長1550納米處的光透過率超過85％，濺射參數(shù)如表3； 表3ITO電極的濺射參數(shù) D光刻、用光刻膠做掩模，用鹽酸腐蝕波導(dǎo)表面和液晶微槽底面的ITO，保留液晶微槽側(cè)面以及微槽附近的波導(dǎo)表面的ITO，并將四個液晶微槽的ITO電極分開，使每一個液晶微槽的電極獨立成對。
E用劃片機劃片，將制作有器件的部分從整個SOI晶片上分離出來，并對波導(dǎo)的端面進行拋光處理，以提高波導(dǎo)與光纖之間的耦合效率。
F將調(diào)配好的聚合物分散液晶材料(參見中國專利聚合物分散液晶光衰減器陣列及制作方法，ZL200610016523.0)注入到制作好透明ITO電極的液晶微槽中，在室溫條件下，紫外光強為0.4mW/cm2、固化時間12分鐘，液晶薄膜材料的衰減范圍為0.98～17.8dB，電壓范圍為2～21V。
G從ITO電極上引出鋁電極，用以將外部驅(qū)動電壓輸入到器件中，給液晶微槽內(nèi)的PDLC施加工作電壓，通過調(diào)整輸入電壓的大小，從而實現(xiàn)對I～I(xiàn)V支路中的光通量的連續(xù)可變衰減，實現(xiàn)各支路的光信號的改變，最終整個器件可以實現(xiàn)對微波信號的移相。
對于5GHz的微波信號，器件的整體尺寸為4.5cm×3.5cm，器件的驅(qū)動電壓范圍為2～21V，可以實現(xiàn)0～360度的連續(xù)相移，器件的損耗小于15dB?？梢?，本發(fā)明使整個器件結(jié)構(gòu)緊湊，滿足當(dāng)前光電子器件向集成化和小型化方向發(fā)展的需求。
權(quán)利要求
1、基于SOI光波導(dǎo)單片集成的微波光子移相器(15)，其特征在于
A由三個Y分支組成的級聯(lián)波導(dǎo)分路器(11)、四根波導(dǎo)延時線組成的固定延時單元(12)、在波導(dǎo)延時線上的四個可變液晶光衰減單元(13)和三個Y分支組成的級聯(lián)波導(dǎo)合路器(14)構(gòu)成；
B級聯(lián)波導(dǎo)分路器、固定延時單元和級聯(lián)波導(dǎo)合路器是由制作在SOI襯底上的脊型光波導(dǎo)(24)構(gòu)成，由上到下依次為頂層硅(21)、埋層二氧化硅(22)、硅襯底(23)。
2、如權(quán)利要求1所述的基于SOI光波導(dǎo)單片集成的微波光子移相器，其特征在于Y分支的級聯(lián)波導(dǎo)分路器(11)、合路器(14)采用余弦結(jié)構(gòu)，分支角度小于1.5度。
3、如權(quán)利要求2所述的基于SOI光波導(dǎo)單片集成的微波光子移相器，其特征在于Y分支的級聯(lián)波導(dǎo)分路器(11)的第一級Y分支把輸入的一路光信號分成兩路，它的兩路輸出分別通過一段余弦波導(dǎo)與第二級兩個Y分支的輸入相連，第二級的兩個Y分支再分別把輸入分成兩路，從而實現(xiàn)信號的一分四處理。
4、如權(quán)利要求3所述的基于SOI光波導(dǎo)單片集成的微波光子移相器，其特征在于第二級的兩個Y分支的四個輸出與四根波導(dǎo)延時線相連接，四根波導(dǎo)延時線均為拱形，每個拱形均由兩個相同長度的直線波導(dǎo)與一個半圓環(huán)波導(dǎo)兩端相切連接而成，四個波導(dǎo)延時線長度選擇使得對所選定工作頻率的微波信號分別實現(xiàn)0度、90度、180度和270度的固定相移。
5、如權(quán)利要求3所述的基于SOI光波導(dǎo)單片集成的微波光子移相器，其特征在于四根波導(dǎo)延時線的另一端接級聯(lián)波導(dǎo)合路器(14)第一級的兩個Y分支的四個輸入端，將四路信號合成兩路，再分別通過一段余弦波導(dǎo)接至第二級的一個Y分支的輸入端，合成一路信號，在微波光子移相器(15)中，所有六個Y分支的形狀和尺寸相同。
6、如權(quán)利要求2～5任一項所述的基于SOI光波導(dǎo)單片集成的微波光子移相器，其特征在于四個液晶可變光衰減單元(13)分別位于四根波導(dǎo)延時線(12)的中間，由在波導(dǎo)延時線上垂直于波導(dǎo)截面刻蝕至二氧化硅埋層制作的液晶微槽(31)、液晶微槽兩側(cè)的透明氧化銦錫電極對(32)和填充在液晶槽內(nèi)的聚合物分散液晶材料組成。
7、權(quán)利要求1所述的基于SOI光波導(dǎo)單片集成的微波光子移相器的制備方法，其步驟如下
A選取SOI材料，在SOI襯底的頂層硅(21)一側(cè)，通過光刻、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕頂層硅制作出分路器、固定延時單元和合路器；
B在SOI襯底的頂層硅(21)的一側(cè)繼續(xù)光刻和感應(yīng)耦合等離子體刻蝕，在波導(dǎo)延時線(12)的中間垂直于波導(dǎo)延時線的方向刻蝕出液晶微槽(31)，刻蝕至SOI襯底的二氧化硅層(22)；
C通過濺射的方法在波導(dǎo)表面、液晶微槽的兩個側(cè)面和底面制作透明氧化銦錫導(dǎo)電薄膜作為電極材料；
D光刻、腐蝕波導(dǎo)表面和液晶微槽底面的氧化銦錫導(dǎo)電薄膜，僅保留液晶微槽兩個側(cè)面及微槽附近波導(dǎo)表面的氧化銦錫導(dǎo)電薄膜，將四個液晶微槽相互間的氧化銦錫電極分開，并使每一個液晶微槽形成氧化銦錫電極對；
E將調(diào)配好的聚合物液晶材料注入到液晶微槽中，進行紫外固化；
F用劃片機劃片，將制作有器件的部分從整個SOI晶片上分離出來，并對波導(dǎo)的端面進行拋光處理；
G引出電極，用以給液晶微槽內(nèi)的聚合物液晶材料施加工作電壓，通過調(diào)整輸入電壓的大小，實現(xiàn)對光通路光通量的連續(xù)可變衰減，實現(xiàn)各支路光信號的改變，最終完成微波信號的移相。
全文摘要
本發(fā)明屬于微波光子器件領(lǐng)域，涉及一種基于SOI光波導(dǎo)的單片集成的微波光子移相器及其制備方法。微波光子移相器由三個Y分支組成的級聯(lián)波導(dǎo)分路器、四根波導(dǎo)延時線組成的固定延時單元、在波導(dǎo)延時線上的四個可變液晶光衰減單元和三個Y分支組成的級聯(lián)波導(dǎo)合路器構(gòu)成；級聯(lián)波導(dǎo)分路器、固定延時單元和級聯(lián)波導(dǎo)合路器是由制作在SOI襯底上的脊型光波導(dǎo)構(gòu)成，由上到下依次為頂層硅、埋層二氧化硅、硅襯底。根據(jù)需要移相的微波信號的頻率的不同，通過設(shè)計固定延時線的長度，可以對2GHz～20GHz的微波信號實現(xiàn)0～360°的連續(xù)相移。本技術(shù)所述器件具有集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小等特點。
文檔編號G02B6/12GK101364656SQ200810051199
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月23日
發(fā)明者瑋 董, 陳維友, 張歆東, 劉彩霞, 阮圣平, 周敬然, 郭文濱, 瞿鵬飛 申請人:吉林大學(xué)