专利名称：基于soi光波导单片集成的微波光子移相器及制备方法
技术领域：
本发明属于微波光子器件领域，涉及一种基于SOI光波导的单片集成的微波光子移相器及其制备方法。
背景技术：
20世纪70年代初开始使用的相控阵天线(PAA)技术目前在雷达和通信等领域显得越来越重要。以电扫描代替机械扫描使天线的扫描速度、灵活性以及处理多目标的能力有了大幅度的提高。然而，全电控系统尺寸大、损耗高、瞬时带宽窄、抗电磁干扰能力较差。随着微波光子技术的发展，以光纤代替传统的金属波导和同轴电缆来传送微波信号，不仅可以减小体积、减轻重量、降低成本、提高抗干扰能力，而且还具有损耗低、频带宽等特点，在相控阵的信号分配网络及信号收集网络中有广泛的应用。可控的微波光子移相器是光控相控阵中的关键器件，它控制天线的扫描方向。移相器应该满足以下要求:移相的数值精确、性能稳定、足够的频带和功率容量、便于快速控制、激励功率和插入损耗小、体积小、重量轻等。
就目前的研究来看，微波光子移相器主要有两种形式基于外差混频的微波光子移相器和基于矢量和的微波光子移相器。基于混频技术的移相器以电光系数较高的聚合物作为波导材料，在追求高电光系数的同时，不可避免的引入较高的传播损耗，因此电光系数大、性能稳定和插入损耗小的聚合物材料的研制仍是此类微波光子移相器的关键。现有的矢量和技术的微波光子移相器利用分路器、固定延时单元、衰减单元和合路器等分立元件组成，使整个器件的结构复杂，不能满足当前光电子器件向集成化和小型化方向发展的需求。另外矢量和移相器采用光纤作为延时线，由于光纤切割的长度误差影响移相器的精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于SOI(Silicon on Insulator)光波导的单片集成的微波光子移相器及其制作方法。
将光分路器、固定延时单元、液晶可变光衰减器和合路器制作在同一个SOI衬底上，实现真正的单片集成，可以解决器件间的连接问题，减小器件尺寸，提高可靠性。利用光刻工艺可以保证固定延时单元中延时线的精确长度，提高移相器的相移精度。基于SOI材料的光波导具有波导特性好、制作工艺与IC工艺兼容的优点，同时随着SOI光波导材料制作工艺的成熟，低损耗大截面尺寸SOI脊形波导的成功研制还可以提高与光纤的耦合效率。聚合物分散液晶(PDLC)材料具有光衰减范围大、偏振相关损耗小、工艺简单等优点。
本发明所述的基于SOI光波导的单片集成的微波光子移相器结构如图1所示，它由三个Y分支组成的级联波导分路器、四根波导延时线组成的固定延时单元、位于波导延时线上的四个可变液晶光衰减单元和三个Y分支组成的级联波导合路器构成。级联波导分路器、波导延时线组成的固定延时单元和级联波导合路器都是由制作在SOI衬底上的脊型光波导构成，它们的各层材料相同，由上到下依次为顶层硅、埋层二氧化硅、硅衬底，如图2所示。本发明所述的移相器中，所有的Y分支均采用余弦结构，分支角度小于1.5度，可以减小由Y分支引起的损耗。
在级联波导分路器部分，第一级Y分支把输入的一路光信号分成两路，它的两路输出分别通过一段余弦波导与第二级两个Y分支的输入相连，第二级的两个Y分支分别把输入分成两路，从而这两级Y分支组成的三个Y分支实现了信号的一分四处理。
第二级Y分支的四个输出与四根波导延时线相连接，四根波导延时线均为拱形，每个拱形均由两个相同长度的直线波导与一个半圆环波导两端相切连接而成。四个波导延时线长度选择的依据是对所选定工作频率的微波信号分别实现0度、90度、180度和270度的固定相移。首先根据器件对损耗的要求确定最小延时线的长度，
计算相邻两个延时线长度差。
四根波导延时线的另一端接级联波导合路器的第一级两个Y分支的四个输入端，这两个Y分支将四路信号合成两路，这两路的输出分别通过一段余弦波导接至第二级的一个Y分支的输入端，被合成一路信号。器件中所有六个Y分支的形状和尺寸相同。
四个液晶可变光衰减单元分别位于四根波导延时线的中间，它们是在波导延时线上垂直于波导截面刻蚀至二氧化硅埋层制作的液晶微槽、液晶微槽两侧的氧化铟锡(ITO)透明导电电极和微槽内填充的聚合物分散液晶材料(PDLC)材料组成，如图3所示。
本发明所述的器件的特点 1、在SOI衬底上制作分路器、固定延时单元、可变光衰减单元的液晶微槽和合路器，利用同一基片上制作的器件可以实现0～360度的连续相移调节，器件具有集成度高、结构紧凑、尺寸小的特点。
2、由四个波导延时线长度的不同实现对微波信号的0度、90度、180度和270度的固定延时，可以保证固定延时的准确性。
3、在SOI波导延时线上制作液晶微槽，在液晶微槽的两端制作透明ITO导电电极用以给微槽内的液晶施加工作电压，从而实现对光信号的连续可控衰减。
本发明所述的微波光子移相器的测试系统如图4所示，激光器发出的光被微波(microwave，MW)信号调制后输入移相器，光电探测器检测移相器输出的信号，经光电转换后送入网络分析仪，可分析出相位的变化情况。器件的工作原理如下当只有I路和II路工作时，在合路之前，I路中的信号可表示为A1 sin(ωt)，II路中的信号可表示为A2 sin(ωt+90°)＝A2 cos(ωt)，其中ω为微波信号的频率，A1和A2分别为经过LCVOA1和LCVOA2调整后信号的振幅。则I和II两路信号合成后为
，其中，和
如果A1保持不变，改变A2，当A2从0变化到A1时，则相位的变化为0°～45°，如果A2保持不变，改变A1，当A1从A2变化到0时，则相位的变化为45°～90°。因此利用I和II两路信号可以实现微波信号0°～90°的相移。同理，通过II和III路组合可以实现90°～180°相移，通过III和IV路组合可以实现180°～270°相移，I和IV路组合可以实现270°～360°相移，因此，该器件可以对微波信号实现0°～360°范围内的连续相移，在同一时刻只需要有两个可变液晶光衰减器工作，从而降低器件的功耗。图4中131、132、133、134(即LCVOA1～LCVOA4)为四根波导延时线上的四个可变液晶光衰减单元，通过调整其控制电压可以实现对各支路光信号的连续可变衰减。
本发明所述基于SOI光波导的单片集成微波光子移相器采用光刻、感应耦合等离子体(ICP)刻蚀制作光波导分路器、固定延时单元、液晶微槽和合路器，通过溅射的方法在液晶微槽的两端溅射透明ITO导电电极，在液晶微槽中注入调配好的PDLC材料，并固化。用光刻和ICP刻蚀工艺同时制作分路器、固定延时单元和合路器，制作工艺简单、可以精准地控制波导延时线长度，从而保证相移角度的准确。
本发明所述的基于SOI光波导的单片集成微波光子移相器的制备步骤如下 A选取SOI材料，顶层硅的厚度在5～10微米，可以制作出较大截面的光波导，减少波导和光纤之间的耦合损耗。埋层二氧化硅的厚度大于1微米，可以减小光向衬底的泄露损耗。在SOI衬底的顶层硅一侧，通过光刻、ICP刻蚀顶层硅制作出分路器、固定延时单元和合路器； B在SOI衬底的顶层硅的一侧继续光刻和ICP刻蚀，在波导延时线的中间垂直于波导延时线的方向刻蚀出液晶微槽，刻蚀至SOI衬底的二氧化硅层； C通过溅射的方法在波导表面、液晶微槽的两个侧面和底面制作透明氧化铟锡(ITO)导电薄膜作为电极材料； D光刻、腐蚀波导表面和液晶微槽底面的ITO导电薄膜，仅保留液晶微槽两个侧面及微槽附近的波导表面的ITO导电薄膜，将四个液晶微槽相互间的ITO电极分开，并使每一个液晶微槽形成氧化铟锡电极对； E将调配好的PDLC材料注入到制作好透明ITO电极的液晶微槽中，再进行紫外固化； F用划片机划片，将制作有器件的部分从整个SOI晶片上分离出来，并对波导的端面进行抛光处理，以提高波导与光纤之间的耦合效率。
G引出电极，用以给液晶微槽内的PDLC施加工作电压，通过调整输入电压的大小，改变PDLC对光的衰减情况，从而实现对I～IV光通路(分别对应四根波导延时线)光通量的连续可变衰减，实现各支路的光信号的改变，最终完成微波信号的移相。
采用上述方法，根据需要移相的微波信号的频率的不同，设计固定延时线的长度，可以对2GHz～20GHz的微波信号实现0360°的连续相移。
图1本发明所述的基于SOI光波导的集成微波光子移相器的示意图； 图2本发明所述的微波光子移相器的波导截面结构示意图； 图3本发明所述的液晶微槽及透明ITO电极对结构示意图； 图4本发明所述的微波光子移相器的测试系统示意图； 如图1所示，为制作成的基于SOI光波导的微波光子移相器15的示意图，其各部件的名称分别为级联波导分路器11，波导延时线12，液晶光衰减单元13，级联合路器14。
如图2所示，为在SOI25上制作的微波光子移相器的截面结构，从上向下各层依次为顶层硅21、埋层二氧化硅22、硅衬底23、脊型光波导24。
如图3所示，在波导延时线12的中间，制作的液晶微槽31及ITO透明电极对32。
如图4所示，为微波光子移相器的测试系统示意图，由网络分析仪41提供微波信号42，调制器43将微波信号42调制到激光器44发出的光载波上以后输入微波光子移相器15，经过微波光子移相器15处理的信号由光电探测器46检测，经光电转换后送入网络分析仪41，从网络分析仪中可以观察出相位的变化情况，45为光纤，131、132、133、134为四根波导延时线12上的四个液晶衰减单元。
具体实施例方式 实施例1 选定微波信号的频率为5GHz，四根波导延时线均为拱形，每个拱形均由两个相同长度的直线波导与一个半圆环波导两端相切连接而成。对于频率为5GHz的微波信号，根据调制后的光在SOI光波导芯层中的传播特点，若需要对微波信号实现90度(即λMW/4，λMW为微波的波长)、180度(即λMW/2)、270度(即3λMW/4)的固定延时，则两相邻拱形延时线长度差应为λMW/4。取最小拱形延时线的半圆半径为16000微米，与其相切连接的两条直线波导的长度均为0微米，设定相邻拱形延时线的半径差为50微米，以此为基准就能计算出其它三个拱形延时线的半圆环半径和直线波导的长度依次为16050微米、2062微米；16100微米、4124微米；16150微米、6186微米。
级联的分路器和合路器分别采用三个余弦型Y分支结构级联而成，六个Y分支的形状和尺寸相同，其两侧端口的长度约为3000微米，分支间距为50微米，分支角小于1度。其中一级Y分支和二级Y分支之间均由长度为3000微米的余弦波导进行连接。当器件的结构尺寸设计完成后，可以采用下面的方法制作器件。
A制作光波导分路器、波导延时线和波导合路器 选取SOI材料，参数如表1。
表1SOI晶片材料的参数
1)在SOI衬底的顶层硅一侧光刻，将波导分路器、延时线和合路器的图形通过光刻从上面结构参数的掩模版上转移到SOI衬底上，光刻工艺包括涂胶、前烘、曝光、坚膜、显影。光刻胶用北京化学试剂研究所的BP212光刻胶，粘度为(37±2)×10-3Pa·s，在实验中光刻胶的厚度为1～2微米左右。
2)以光刻胶作为掩模层，通过ICP刻蚀顶层硅制作出分路器、波导延时线和合路器，刻蚀的工艺参数如表2所示，刻蚀深度为1.25微米，波导的宽度为5微米，内脊高5微米，外脊高3.75微米。
表2ICP(感应耦合等离子体)刻蚀工艺参数
B制作液晶微槽在SOI衬底的顶层硅的一侧继续光刻和ICP刻蚀，工艺参数如表2，在波导延时线的中间位置垂直于波导延时线的方向刻蚀出液晶微槽，液晶微槽的宽度为30微米，刻蚀至SOI衬底的二氧化硅埋层，即液晶微槽的深度为顶层硅的厚度5微米； C通过溅射的方法制作透明导电薄膜ITO作为电极材料，ITO会覆盖在波导的表面、液晶微槽的两侧和底面。ITO电极的厚度为75纳米，ITO薄膜在光通信波长1550纳米处的光透过率超过85％，溅射参数如表3； 表3ITO电极的溅射参数 D光刻、用光刻胶做掩模，用盐酸腐蚀波导表面和液晶微槽底面的ITO，保留液晶微槽侧面以及微槽附近的波导表面的ITO，并将四个液晶微槽的ITO电极分开，使每一个液晶微槽的电极独立成对。
E用划片机划片，将制作有器件的部分从整个SOI晶片上分离出来，并对波导的端面进行抛光处理，以提高波导与光纤之间的耦合效率。
F将调配好的聚合物分散液晶材料(参见中国专利聚合物分散液晶光衰减器阵列及制作方法，ZL200610016523.0)注入到制作好透明ITO电极的液晶微槽中，在室温条件下，紫外光强为0.4mW/cm2、固化时间12分钟，液晶薄膜材料的衰减范围为0.98～17.8dB，电压范围为2～21V。
G从ITO电极上引出铝电极，用以将外部驱动电压输入到器件中，给液晶微槽内的PDLC施加工作电压，通过调整输入电压的大小，从而实现对I～IV支路中的光通量的连续可变衰减，实现各支路的光信号的改变，最终整个器件可以实现对微波信号的移相。
对于5GHz的微波信号，器件的整体尺寸为4.5cm×3.5cm，器件的驱动电压范围为2～21V，可以实现0～360度的连续相移，器件的损耗小于15dB。可见，本发明使整个器件结构紧凑，满足当前光电子器件向集成化和小型化方向发展的需求。
权利要求
1、基于SOI光波导单片集成的微波光子移相器(15)，其特征在于
A由三个Y分支组成的级联波导分路器(11)、四根波导延时线组成的固定延时单元(12)、在波导延时线上的四个可变液晶光衰减单元(13)和三个Y分支组成的级联波导合路器(14)构成；
B级联波导分路器、固定延时单元和级联波导合路器是由制作在SOI衬底上的脊型光波导(24)构成，由上到下依次为顶层硅(21)、埋层二氧化硅(22)、硅衬底(23)。
2、如权利要求1所述的基于SOI光波导单片集成的微波光子移相器，其特征在于Y分支的级联波导分路器(11)、合路器(14)采用余弦结构，分支角度小于1.5度。
3、如权利要求2所述的基于SOI光波导单片集成的微波光子移相器，其特征在于Y分支的级联波导分路器(11)的第一级Y分支把输入的一路光信号分成两路，它的两路输出分别通过一段余弦波导与第二级两个Y分支的输入相连，第二级的两个Y分支再分别把输入分成两路，从而实现信号的一分四处理。
4、如权利要求3所述的基于SOI光波导单片集成的微波光子移相器，其特征在于第二级的两个Y分支的四个输出与四根波导延时线相连接，四根波导延时线均为拱形，每个拱形均由两个相同长度的直线波导与一个半圆环波导两端相切连接而成，四个波导延时线长度选择使得对所选定工作频率的微波信号分别实现0度、90度、180度和270度的固定相移。
5、如权利要求3所述的基于SOI光波导单片集成的微波光子移相器，其特征在于四根波导延时线的另一端接级联波导合路器(14)第一级的两个Y分支的四个输入端，将四路信号合成两路，再分别通过一段余弦波导接至第二级的一个Y分支的输入端，合成一路信号，在微波光子移相器(15)中，所有六个Y分支的形状和尺寸相同。
6、如权利要求2～5任一项所述的基于SOI光波导单片集成的微波光子移相器，其特征在于四个液晶可变光衰减单元(13)分别位于四根波导延时线(12)的中间，由在波导延时线上垂直于波导截面刻蚀至二氧化硅埋层制作的液晶微槽(31)、液晶微槽两侧的透明氧化铟锡电极对(32)和填充在液晶槽内的聚合物分散液晶材料组成。
7、权利要求1所述的基于SOI光波导单片集成的微波光子移相器的制备方法，其步骤如下
A选取SOI材料，在SOI衬底的顶层硅(21)一侧，通过光刻、感应耦合等离子体刻蚀顶层硅制作出分路器、固定延时单元和合路器；
B在SOI衬底的顶层硅(21)的一侧继续光刻和感应耦合等离子体刻蚀，在波导延时线(12)的中间垂直于波导延时线的方向刻蚀出液晶微槽(31)，刻蚀至SOI衬底的二氧化硅层(22)；
C通过溅射的方法在波导表面、液晶微槽的两个侧面和底面制作透明氧化铟锡导电薄膜作为电极材料；
D光刻、腐蚀波导表面和液晶微槽底面的氧化铟锡导电薄膜，仅保留液晶微槽两个侧面及微槽附近波导表面的氧化铟锡导电薄膜，将四个液晶微槽相互间的氧化铟锡电极分开，并使每一个液晶微槽形成氧化铟锡电极对；
E将调配好的聚合物液晶材料注入到液晶微槽中，进行紫外固化；
F用划片机划片，将制作有器件的部分从整个SOI晶片上分离出来，并对波导的端面进行抛光处理；
G引出电极，用以给液晶微槽内的聚合物液晶材料施加工作电压，通过调整输入电压的大小，实现对光通路光通量的连续可变衰减，实现各支路光信号的改变，最终完成微波信号的移相。
全文摘要
本发明属于微波光子器件领域，涉及一种基于SOI光波导的单片集成的微波光子移相器及其制备方法。微波光子移相器由三个Y分支组成的级联波导分路器、四根波导延时线组成的固定延时单元、在波导延时线上的四个可变液晶光衰减单元和三个Y分支组成的级联波导合路器构成；级联波导分路器、固定延时单元和级联波导合路器是由制作在SOI衬底上的脊型光波导构成，由上到下依次为顶层硅、埋层二氧化硅、硅衬底。根据需要移相的微波信号的频率的不同，通过设计固定延时线的长度，可以对2GHz～20GHz的微波信号实现0～360°的连续相移。本技术所述器件具有集成度高、结构紧凑、尺寸小等特点。
文档编号G02B6/12GK101364656SQ200810051199
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月23日 优先权日2008年9月23日
发明者玮 董, 陈维友, 张歆东, 刘彩霞, 阮圣平, 周敬然, 郭文滨, 瞿鹏飞 申请人:吉林大学