专利名称：具有集成在柔性基底上的聚合物波导和驱动放大器的宽频带光调制器的制作方法
发明的背景此公开文本涉及一种光电子电路，特别涉及一种小型、自给的马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪(MZI)调制器的微波和光子部件的组合。
对通常大于10GHz的微波频率的光信号进行调制需要激光源的外部调制，以防止激光频率的无意调制(例如啾鸣)。为此，经常采用马赫-泽德干涉仪结构来产生光相位和/或振幅调制器。马赫-泽德干涉仪的一个或两个臂包含多个电极以允许通过电光效应对光信号进行相位调制。这些电极需要驱动放大器提供适当的电场来产生电光效应。该放大器需要足够的带宽和输出能力来驱动由马赫-泽德电极提供的电抗性负载。
早期的电光(EO)调制器需要很大的外部功率放大器以提供几百伏来产生电光效应。近来的器件具有8-12伏的适度的驱动要求，但是仍然需要外部RF功率放大器来工作。聚合物技术的进步已经能使具有很大EO优点特征的材料的发展，它导致很低的Vπ数。
发明简述本发明包括由硅基底上的非线性光学(NLO)聚合物制造的马赫-泽德干涉仪结构，微波放大器分支电路直接固定到所述基底上。NLO聚合物显示出很大的电光系数，使其适合于从电到光的转换。将基于单片微波集成电路的分布的驱动放大器(MMIC)直接连接。在柔性基底上制造MMIC驱动放大器，并使其与马赫-泽德干涉仪组合。组合的光电调制器实现宽频带工作、紧凑的尺寸和对于50GHz器件的低功率工作。
马赫-泽德电光(EO)干涉仪调制器包括在输入端和输出端利用NLO聚合物波导制造的两个Y支路。在中间部分中，有两个平行的波导臂。通过反向极性调制任一个臂或者调制两个臂，从而具有推挽效应。推挽还原采用将高电压施加于聚合物调制器的电极的相同电极，以在嵌入的光波导层中引起局部发色团定向的所需效应。推挽驱动是实际的调制，或者驱动发信号中所用的电压，其中通过激励电极来优化局部电场方向。为了实现非常高速的EO调制器，采用行波电极设计，其中新型封装方法利用光刻终端定义、重叠和嵌入方案使嵌入的放大器器件的Z0与调制源(Z0＝50欧姆)匹配。这通过设计薄的微带线路作为沿图所示的定位的终端路由而产生最佳性能。最后的效果是这种结构大大优化了两个臂中的电磁场，从而使它们在输出Y结点中组合之前具有不同的相位。如果相位差是π的偶数倍，它们相长地相加，输出为“on”，如果相位差是π的奇数倍，它们相消地相加，输出为“off”。当输出是“off”时，功率耗散，辐射到基底中，并且不在Y结点的输出端出现。这种新型结构大大减少了与预期的应用灵敏度相关的相位失真的误差，如降低插入损耗、减少啾鸣声并提供较高的消光比。
附图简述
图1是用于调制光信号的集成光电子电路的示意图；图2是图1的集成光电子电路的RF功率放大器和相位控制电路的示意图；图3是图2的RF功率放大器的电路和相位控制电路的示意图；图4是集成光电子电路的一部分的剖面侧视图，包括在柔性电介质基底上的单片微波集成电路(MMIC)和马赫-泽德干涉仪(MZI)；图5是图4的集成光电子电路的剖面侧视图，包括微波吸收器和热交换器；图6是图4和5的集成光电子电路的剖面侧视图，包括柔性电极间电介质基底，并示出在MMIC和MZI之间调制信号的电互连；图7是图4和5的集成光电子电路的剖面侧视图，包括柔性电极间电介质基底，并示出在MMIC和MZI之间的接地信号返回的电互连；图8是图6和7的集成光电子电路的剖面端视图；图9是图6和7的集成光电子电路的平面图；图10A到10E包括制造用在图4-8的光电子电路中的MMIC管芯的方法的示意图；图11A到11D包括制造图4-8的光电子电路的方法的示意图；图12是图6和7的集成光电子电路的第二实施例的平面视图；以及图13A到13E包括制造图12的光电子电路的方法的示意图。
发明详述参考图1，一般用100表示集成光电子电路。光电子电路100包括如马赫-泽德干涉仪(MZI)104等电光器件，或接收光信号120的电吸收调制器。单片微波集成电路(MMIC)102经由一对电极128、130以及输出传输线路124和接地信号返回传输线路126与基于聚合物的MZI 104耦合。这些传输线路具有微带传输线路的性质。电极130是接地电极，电极128是射频(RF)或信号电极(例如微带传输线路)。MMIC 102接收射频调制信号132，该信号用于调制MZI 104中的光信号120，由此提供作为输出的已调制光信号122。MZI中的合适有机物质的例子包括聚丙烯酸酯；聚甲基丙烯酸烷基酯，例如聚甲基丙烯酸甲酯；聚四氟乙烯(PTFE)；硅酮；以及包括上面至少一种有机物质的混合物，其中烷基具有一个至大约十二个碳原子。
MZI 104包括接收光信号120的输入通道108。分束器114将光信号120分成两个束154、156，并分别沿第一支路110和第二支路112引导这两个束。在图1的实施例中，电极128、130跨过MZI 104的一个支路彼此完全相对地设置。可替换的是，可以分别沿第一支路110和第二支路112设置若干个接地电极130，在第一支路110和第二支路112之间并沿着所述支路设置电极128(图4-8)。
聚合物通常在性质上是中心对称的，因此不会显示出电光效应。但是，可以通过还原高光学非线性发色团/分子使聚合物显示电光效应，所述发色团/分子可结合到聚合物基质中。这样，通过RF调制信号132、152经MMIC 102、传输线路124、126和电极128、130来调制基于聚合物的MZI 104中的光信号154、156。光信号154、156在合束器116中组合，从而在出口通道118处提供作为输出的已调制输出信号122。
在图2中，MMIC 102包括接收RF调制信号132的RF功率放大器202。MMIC 102经传输线路124、126与电极128、130耦合。接收相位偏移信号232的相位偏移电路204在234处与MZI 104相连并提供MZI 104中光信号154、156的静态相位偏移的控制。
在图3中，RF功率放大器202包括功率分配器206，该功率分配器在输入到其第一输入端接收调制信号132。一对放大器208接收功率分配的信号，并具有与功率合成器216匹配的阻抗212、214。功率合成器216经传输线路124向电极128、130提供放大的调制信号152。继续图3，相位偏移电路204包括非反相配置的运算放大器224的电路，接收用于设置MZI 104的相位偏移的DC偏压232。
参考图4，该图示出光电子电路100的实施例的横剖面。MMIC 102置于柔性电介质基底144的第一侧。柔性电介质基底144大约1到2密耳厚，并可包括例如聚酰胺聚合物，如KAPTON。利用管芯安装载体(图10E中的306)将MMIC 102直接安装到柔性电介质基底144上。MZI 104位于柔性电介质基底144上与MMIC 102相反一侧的第二侧，或者可以直接嵌入柔性电介质基底144中。从MZI 104运送接地返回信号150的传输线路126置于柔性电介质基底144上，并连接到与MMIC 102相反的接地电极130上。在MMIC 102和MZI 104的接地电极130之间通过信号传输线路126形成电路连接(经过孔)142。
还原电极140置于柔性电介质基底144上，与MZI 104相反。还原电极140位于柔性电介质基底144上与MMIC 102相同的一侧，并基本上从MMIC 102附近和周围的区域上除去，以防止杂散微波信号与还原电极140耦合。可以除去管芯安装件306和粘合层304，MZI 104和MMIC 102准备进一步的加工。如果完成的模块连接到另一个电路组件，然后可提供与管芯安装件306相同的功能，那么就除去管芯安装件306和粘合层304。否则，需要热交换器。可替换的是，可以保留管芯安装件306和粘合层304，并将其用作热交换器，如热电冷却器，以控制MMIC 102的温度。在图5中，也可以将MMIC 102装入或密封在微波吸收塑料件146中，以减少外部微波信号的干扰效应，所述微波吸收塑料件如掺杂铁氧体的塑料或涂料。
参考图6，第二柔性电介质基底148置于第一柔性电介质基底144上方，用作传输线路124、126的电极间电介质。形成用于DC偏压的互连(图9)和用于无源器件240(图9)的接合垫248(图9)。图4-8中的输入传输线路136和输出传输线路124将RF调制信号132耦合到MMIC102，并且从MMIC 102到MZI 104，所述传输线路制作成具有特定的几何形状，从而达到适当的特性阻抗Z0。图4-7中的尺寸h和t大约为38微米，调整传输线路124、126、128、170的宽度以提供50欧姆的传输线路。宽度比高度(h，t)基于KAPTON的相对介电常数的值3.4。通过数学建模、计算机模拟和经验数据使特性阻抗Z0与MZI 104匹配，由此使传输线路124、126、128、136的准确几何形状与MZI 104匹配(即，阻抗匹配)，以优化传输线路124、126、128、136的布置和光电子电路在MMIC 102的工作频率(1MHz-50GHz)上的性能。经分析的一组性能测量值是微波散射参数S11、S12、S21、S22。传输线路互连直接制作在柔性电介质基底144、148上，以提供准确的阻抗，由此提供与MZI 104阻抗匹配的MMIC 102。
图9是提供图6和7的集成光电子电路的更多细节的平面视图。DC偏压网络234控制MZI 104的静态相位偏移，也直接制作到柔性电介质基底组合144、148上。放大器MMIC 102和MZI 104的无源部件如电阻器、电容器和电感器也直接安装到第二柔性电介质基底148上。向MMIC 102提供功率的偏压T型结构242直接制作到第二柔性电介质基底148上的金属层中。偏压T型结构242包括集成无源电感器和电阻器，它们直接制作金属化在第二柔性电介质基底148上。无源电阻器、电容器和电感的几何形状及其布置也基于制造过程的数学建模、计算机模拟和经验数据。然后可将组装的柔性电介质基底模块144、148封装，或者与多单元模块中的其他器件组合。
图10A-10E表示在MMIC放大器102准备与MZI 104集成时的附加细节。在图10B中，对图10A的裸芯302涂覆粘接剂304。在图10C中，通过粘接剂304将管芯安装件306连接到裸芯302上。在图10D中，将管芯安装到固定装置308并研磨成所需的厚度。在图10E中，准备将管芯组件102安装到柔性电介质基底144上。
图11A到11D示出用于调制光信号的第二光电子电路的横剖面。在图11A中，将微带波导124施加于第一柔性电介质基底144上。MMIC 102安装到第一柔性电介质基底144，并使其与微带波导126电连接。在图11B中，除去粘合层304和管芯安装件306。为了接地和后部连接增加金属化。在图11C中，在第一柔性电介质基底144上叠置(例如在156粘合)第二柔性基底148，该第二柔性基底作为光电子电路100中的信号层。基于聚合物的MZI 104置于空腔180中，并使RF128和接地130与之相连。对于单一的MMIC驱动器件102，利用已调谐的传输线路124、126形成从MMIC到MZI的连接。对于双驱动光电子电路，在推挽式布置中驱动MZI 104的两个臂110、112，增加柔性电介质基底的第三层158(图11D)。优选实施例的所有关键优点都适用。这一方法具有易于制造和减小最终部件的尺寸的优点。并且，这一实施例可以与已经在使用中的其他器件构成技术更加兼容，因此提供更高级的集成。
参考图12，该图示出双器件光电子电路的平面视图。双驱动光电子电路包括一对前置放大器140a、140b，每个前置放大器都接收在传输线路136a、136b上的RF调制信号132a、132b。前置放大器140a、140b放大RF调制信号132a、132b。沿着微带传输线路124a、124b可替换地(按照与时分多路复用类似的方式)将放大的RF调制信号152a、152b引导到行波放大器160a、160b、162a、162b的串联对。行波放大器160a、160b、162a、162b置于RF电极128的相对侧，用于调制基于聚合物MZI 104中的光信号154、156。行波放大器162a、162b呈倒装片结构，例如借助于粘合垫上的导电凸起将面朝下的电子部件直接电连接到柔性电介质基底上。
图13A到13E表示用于调制光信号的第三光电子电路的横剖面。在图13A中，将微带波导124施加于柔性电介质基底144上，基于聚合物的MZI 104(在110、112、106仅仅示出其一个支路)嵌入在柔性电介质基底144中。RF电极128和接地电极130置于MZI支路的相反侧。在图13B中，行波放大器160a固定到管芯安装件168上，并与RF电极和适当的通路连接170相连。在图13C中，除去管芯安装件168和粘接层(未示出)。
在图13D中，图13A-13C的组件与第二柔性电介质基底176粘接接合。第二柔性电介质基底176包括制造于其中的行波放大器162a，从而使行波放大器160a、162a置于MZI的相反侧。在图13D中，也利用封装材料174封装图13A-13C的组件，并使其与用于冷却160a的热交换器168接触。继续参见图13D，将包括行波放大器162a的第二柔性电介质基底174粘结到柔性电介质基底144，由此提供图12的装置。
在图13E中，显示出行波放大器160a、162a的第二实施例的横剖面。将包含MZI 104的柔性电介质基底144与包含行波放大器160a的柔性电介质基底178粘合，并使其与热交换器168连通。柔性电介质基底144中的MZI 104的RF电极128经由凸起安装件172与行波放大器160a电连接。并且在图13E中，柔性电介质基底180与柔性电介质基底144粘接，该柔性电介质基底180上具有行波放大器162a。行波放大器162a置于柔性电介质基底178上，并与MZI 104相连。
除非另外指明，任何第一、第二等，或者前或后、右或左、顶或底、上或下、水平或垂直，或者表示一个物体相对于另一个物体的相对位置、数量或变量的其他短语都是为了描述的方便，而不是将本发明或其部件限制为任何一个位置、空间或暂时的定向。附图中的部件的所有尺寸可以随不背离本发明范围的实施例的可能设计和预期的用途而改变。
尽管已经参考本发明的几个实施例描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变，并用等效物来代替本发明的元件。此外，可以进行许多修改以使特殊的情况或材料适合本发明的教导而不背离本发明的基本范围。因此，本发明不限于如为了实施本发明而考虑的最佳实施方式所公开的特定实施例，而是本发明将包括属于随附的权利要求书的范围的所有实施例。
权利要求
1.一种集成光电子电路(100)，包括第一柔性电介质(144)基底，具有第一表面和相反的第二表面；聚合物电光波导，其置于柔性电介质基底上或嵌入到该柔性电介质基底中，并接收光信号(120)；接地电极(130)，其沿着电光波导设置；信号电极(128)，其沿着电光波导设置，与接地电极(130)相对；第一微芯片，包括第一调制器，接收调制信号，该微芯片置于第一柔性电介质基底(144)上；第一带图案的金属化层，其位于第一柔性电介质基底(144)上，使接地电极(130)与该调制器耦合；第二柔性电介质基底(148)，具有第一表面和相反的第二表面，第二柔性电介质基底(148)沿着第一柔性电介质基底(144)设置；以及第二带图案的金属化层，其置于第二柔性电介质基底(148)上，使信号电极(128)与该调制器耦合。
2.如权利要求1的集成光电子电路(100)，其中第一和第二带图案的金属化层以及信号电极包括微带传输线路。
3.如权利要求1的集成光电子电路(100)，其中第一和第二电介质基底包括聚酰胺聚合物。
4.如权利要求1的集成光电子电路(100)，其中电光波导包括马赫-泽德干涉仪。
5.如权利要求1的集成光电子电路(100)，进一步包括还原电极(140)，用于还原聚合物电光波导。
6.如权利要求1的集成光电子电路(100)，其中调制器包括单片微波集成电路(102)。
7.如权利要求1的集成光电子电路(100)，进一步包括热交换器，其与微芯片热接触用以冷却该调制器。
8.如权利要求1的集成光电于电路(100)，其中电光波导置于第一柔性电介质基底(144)的第一表面上，所述微芯片置于第一柔性电介质基底(144)的第二表面上。
9.如权利要求1的集成光电子电路(100)，其中电光波导位于第一和第二柔性电介质基底(144、148)之间。
10.如权利要求5的集成光电子电路(100)，其中还原电极(140)置于第一电介质基底的第二表面上。
11.如权利要求1的集成光电子电路(100)，其中聚合物电光波导包括聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸烷基酯、聚四氟乙烯、硅酮及其混合物，其中烷基具有一个至大约十二个碳原子。
12.如权利要求11的集成光电子电路(100)，其中聚甲基丙烯酸烷基酯包括聚甲基丙烯酸甲酯。
13.如权利要求1的集成光电子电路(100)，进一步包括第三柔性电介质基底，其沿第二柔性电介质基底(148)设置；第二微芯片，置于第三柔性电介质基底上，并包括与接地电极(130)耦合的第二调制器；其中第一调制器与信号电极耦合。
14.一种制造集成光电子电路(100)的方法，该方法包括将包括调制器的微芯片设置在第一柔性电介质基底(144)上；将聚合物电光波导设置在第一柔性电介质基底(144)之上或该第一柔性电介质基底之内；沿该电光波导设置接地电极(130)；沿该电光波导设置信号电极，使其位置与接地电极(130)相反；将第一带图案的金属化层施加于第一柔性电介质基底(144)上，由此耦合接地电极(130)和该调制器；沿第一柔性电介质基底(144)设置第二柔性电介质基底(148)；在第一和第二柔性电介质基底(144、148)中提供多个通路开口；以及将第二带图案的金属化层施加于第二柔性电介质基底(148)上，人而耦合信号电极和该调制器。
15.如权利要求14的方法，进一步包括提供热交换器，其与微芯片热接触用以冷却该调制器。
16.如权利要求14的方法，进一步包括将微片封装在微波吸收器中。
17.如权利要求14的方法，进一步包括还原聚合物电光波导。
全文摘要
本发明包括微波和光子封装的新型组合，得到一种小型、自给的MZI调制器。NLO聚合物的性质，即大的电光系数降低了集成功率放大器(202)的驱动要求，允许使用小型至中型的功率放大器。微波高密度互连(HDI)封装技术允许中型功率放大器制成小的组件，其能够直接安装到MZI基底上。与基于无机物质的现有器件相比，集成放大器和调制器提供尺寸明显减小、功率较低和高带宽的优点。
文档编号G02F1/01GK1754121SQ200380109876
公开日2006年3月29日 申请日期2003年11月25日 优先权日2002年12月20日
发明者W·P·科恩伦普夫, G·克莱东, S·达斯古普诺, S·达斯古普塔, R·菲尔金斯, G·福曼, J·扬诺蒂, M·C·尼尔森 申请人:通用电气公司