專利名稱：基于鈮酸鋰長(zhǎng)程表面等離子體波波導(dǎo)和微帶天線的微波光波轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光載無(wú)線(ROF)系統(tǒng)的微波光波轉(zhuǎn)換器，特別是一種基于鈮酸鋰長(zhǎng)程表面等離子體波波導(dǎo)和微帶天線的微波光波轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
光載無(wú)線(ROF)系統(tǒng)對(duì)于微波光子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)是非常重要的。該系統(tǒng)需要利用光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)由微波/毫米波信號(hào)至光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。使用集成天線和耦合電極的電-光(EO)微波-光波轉(zhuǎn)換器是一個(gè)很有希望實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)直接調(diào)制光的器件[1]。繼Iezekiel，S.[1]之后，有文獻(xiàn)報(bào)道了幾種使用天線-耦合電極的EO微波-光波轉(zhuǎn)換器[2_3]。2011年，日本大阪大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院的Yusuf NurWijayantoet al，提出了一種新的微波-光轉(zhuǎn)換器，即由在貼片天線中嵌入窄間隙(用作光波導(dǎo))實(shí)現(xiàn)。它可以直接接收工作頻率為18GHz的無(wú)線微波信號(hào)并將其直接轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，具有簡(jiǎn)單和平面的結(jié)構(gòu)，無(wú)需提供外部電源M。進(jìn)一步，于2012年，Yusuf Nurffijayantoet al.，又提出了采用平面八木陣天線耦合共振電極的電-光無(wú)線毫米波光波信號(hào)轉(zhuǎn)換器
O然而，上述研究存在的問(wèn)題是:(1)頻帶較窄；(2)電-光耦合效率不夠高。以下是發(fā)明人檢索的相關(guān)參考文獻(xiàn):[I]Iezekiel, S.:1Microwave photonics: Devices and applications’(JohnWiley&Sons Ltd, Chichester, UK，2009)。[ 2 ] F.T.Sheehy，W.B.Bridges，and J.H.Shaffner，“60GHz and94GHzantenna-coupled LiNb03 electrooptic modulaors，，，IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.5, n0.3, pp.307-310 (1993)。[3]H.Murata，N.Suda，Y.0kamura，“Electro_0pticMicrowave-LightwaveConverter Using Antenna-Coupled Electrodes andPolarizationreversedStructures，，，Proceedings of the Conference on Laser andElectro-Optic 2008 (CLE02008)，CMPl，San Jose USA (2008)。[4]H.Murata, N.Suda，R.Miyanaka，and Y.0kamura，“Electro-OpticModulatorsUtilizing Patch-Antenna-Coupled Electrodes andPoIarization-ReversedStructures，，，Proceedings of the 2010 Asia-PacificMicrowave Photonics Conference(APMP2010)，Hongkong (2010)。[5] Yusuf Nur Wijayanto, et a 1.，Electro-OpticMicrowave-LightwaveConverter Using Patch Antenna Embedded with a Narrow Gapfor OpticalModulation， Lasers and Electro-Optics (CLE0),201IConference on，l-6May2011o[6] Y.N.Wi jayanto, H.Murata, and Y.0kamura, Electro-Optic WirelessMillimeter-ffave-Lightwave Signal Converters Using Planar Yag1-Uda ArrayAntennasCoupled to Resonant Electrodes,2012 17th Opto-Electronics andCommunicationsConference (OECC 2012)Technical Digest July 2012, Busan, Korea。[7]H.Raether, Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces andonGratings (Springer,Berlin,1988), Vol.111。[8]ff.L.Barnes, J.0pt.A, Pure Appl.0pt.8, S87 (2006)。[9]Y.Tomita, M.Sugimoto, and K.Eda, Appl.Phys.Lett.66,1484 (1995)。[10]S.McMeekin,R.M.De La Rue,and ff.Johnstone,J.LightwaveTechnol.10,163(1992)。[11]M.Levy, R.M.0sgood, Jr., R.Liu, L.E.Cross, G.S.Cargill III, A.Kumar, andH.Bakhru, Appl.Phys.Lett.73, 2293 (1998)。[12]T.A.Ramadan, M.Levy, and R.M.0sgood, Jr., Appl.Phys.Lett.76, 1407(2000)。[13]P.Rabiei and P.Gunter, Appl.Phys.Lett.85,4603 (2004)。[14]P.Berini, Phys.Rev.B 61,10484 (2000)。[15]P.Berini, Phys.Rev.B 63,125417 (2001)。[16]P.Berini, G.Mattiussi, N.Lahoud, and R.Charbonneau, Appl.Phys.Lett.90,061108 (2007)。[17]G.Gagnon, N.Lahoud,G.Mattiussi, and P.Berini,J.LightwaveTechnol.24,4391 (2006)。[18]S.Park and S.H.Song, Electron.Lett.42,402 (2006)。[19] 30P.Berini, G.Mattiussi, N.Lahoud, and R.Charbonneau, Proc.SPIE, 6475,6475oU 2007)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)所述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于鈮酸鋰(LiNbO3)長(zhǎng)程表面等離子體(LRSPP)波波導(dǎo)(包括耦合電極)和微帶天線的微波光波轉(zhuǎn)換器，具有頻帶寬(可達(dá)40GHz)、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和便于集成等特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案:—種基于鈮酸鋰長(zhǎng)程表面等離子體波波導(dǎo)和微帶天線的微波-光波轉(zhuǎn)換器，其特征在于，由光波輸入保偏光纖、光信號(hào)輸出保偏光纖、電-光I禹合樞紐和寬頻帶微帶貼片單極天線組成，可在X 0 = 1550nm工作波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)頻率最高可達(dá)40GHz的無(wú)線射頻/微波信號(hào)的微波-光波轉(zhuǎn)換；所述的電-光耦合樞紐包括硅(Si)襯底，在硅(Si)襯底上鍵合有SiO2層、Al薄層和被上、下Z-切鈮酸鋰(LiNbO3)包層限定的金條帶組成的長(zhǎng)程表面等離子體(LRSPP)波波導(dǎo)，在鈮酸鋰(LiNbO3)長(zhǎng)程表面等離子體(LRSPP)波波導(dǎo)的頂部有T形Au電極，其中，Al薄層接地，T形Au電極和Al薄層構(gòu)成稱合電極,T形Au電極與寬頻帶微帶貼片天線直接連接。所述的寬頻帶微帶貼片單極天線的結(jié)構(gòu)包括基板(基板的介電常數(shù)L = 3.38)，基板上光刻有金(Au)圓盤貼片和與之相連接的兩條金(Au)微帶線。本發(fā)明的基于鈮酸鋰長(zhǎng)程表面等離子體波波導(dǎo)和微帶天線的微波-光波轉(zhuǎn)換器，具有頻帶寬(40GHz)、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和便于集成等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的原理圖；圖1中，1、111為保偏光纖；II為電-光稱合樞紐。圖2為本發(fā)明的基于鈮酸鋰長(zhǎng)程表面波等離子體波波導(dǎo)和微帶天線的微波-光波轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖(頂示)。圖3a為Si襯底上LiNbO3基LRSPP波波導(dǎo)(即電-光耦合樞紐，如圖2中B所示)的橫截面圖，圖3b表示圖2中c-c剖面的視圖；圖4是電-光耦合樞紐的一般結(jié)構(gòu)圖；圖5是電-光耦合樞紐采取反稱結(jié)構(gòu)圖；圖6是電-光耦合樞紐制備流程圖；圖7是兩種方法嵌入Au電極流程，其中，圖7a基于使用相同的光阻圖案在鈮酸鋰晶體蝕刻的溝槽，和去除多余的金；圖7b所示為采取化學(xué)拋光法(CMP)。圖8是本發(fā)明的基于鈮酸鋰長(zhǎng)程表面等離子體波波導(dǎo)和微帶天線的微波-光波轉(zhuǎn)換器中微帶天線的反射損耗-頻率特性圖。以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式需要說(shuō)明的是，在以下的實(shí)施例中，申請(qǐng)人給出的參考文獻(xiàn)將被應(yīng)用。參見(jiàn)圖2，本實(shí)施例給出一種基于鈮酸鋰(LiNbO3)長(zhǎng)程表面等離子體(LRSPP)波波導(dǎo)[6_19]和微帶天線的微波-光波轉(zhuǎn)換器，由光波輸入保偏光纖A、光信號(hào)輸出保偏光纖C、電-光耦合樞紐B和寬頻帶微帶圓盤貼片單極天線D組成，電-光耦合樞紐B包括硅(Si)襯底，在硅(Si)襯底上鍵合有SiO2層、Al薄層和被上、下Z-切鈮酸鋰(LiNbO3)包層限定的金條帶組成的長(zhǎng)程表面等離子體(LRSPP)波波導(dǎo)，在鈮酸鋰(LiNbO3)長(zhǎng)程表面等離子體(LRSPP)波波導(dǎo)頂部有T形Au電極。耦合電極由上述的T形Au電極和接地的Al薄層構(gòu)成。通過(guò)采用偏振波保持光纖對(duì)接耦合至長(zhǎng)程表面等離子體(LRSPP)波波導(dǎo)輸入端的方式實(shí)現(xiàn)光波激勵(lì)。一、原理本發(fā)明所述的基于鈮酸鋰長(zhǎng)程表面等離子體波波導(dǎo)和微帶天線的微波-光波轉(zhuǎn)換器，其原理圖參見(jiàn)圖1，圖中，1、111為保偏光纖；II為電-光耦合樞紐，光波從保偏光纖輸入，無(wú)線射頻/微波從電-光稱合樞紐II輸入，電-光稱合樞紐II輸出的光信號(hào)經(jīng)保偏光纖III輸出。圖3a表示圖2中B所示的Si襯底上LiNbO3長(zhǎng)程表面等離子體(LRSPP)波波導(dǎo)(即電-光稱合樞紐)的橫截面圖。圖3b表不圖2中c-c剖面的視圖。二、工作原理及工藝1.工作原理表面等離子體波(SPPs)是橫向極化磁場(chǎng)表面波,沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑?又具有被介質(zhì)束縛的高密度自由載流子[7’8]。鈮酸鋰(LiNbO3)具有顯著的非線性、電-光和聲-光特性。制作匹配結(jié)晶包層的方法為直接鍵合和減薄，直接鍵合可在低溫下實(shí)施；直接鍵合不涉及粘接材料，要鍵合的材料不需要晶格匹配。直接鍵合需要:(1)小于5nm偏差的平坦度；(2)通過(guò)適當(dāng)?shù)那鍧嵑吞幚淼谋砻婊罨裕灰粋€(gè)很好的直接鍵合導(dǎo)致無(wú)有宏觀缺陷的無(wú)縫材料界面。各種各樣的材料均可被直接鍵合，包括鈮酸鋰(LiNbO3)與自身以及與其它材料。進(jìn)一步，鈮酸鋰(LiNbO3)可拋光，以便獲得更薄的層[9a°];或用晶體離子切削從主晶片剝離出薄層[11’12]。晶體離子切削也可以與直接鍵合進(jìn)行直接接合，在另一襯底上產(chǎn)生鈮酸鋰(LiNbO3)薄層[13]。以這樣的方式[9_13]獲取的薄鈮酸鋰(LiNbO3)晶體層，保留了其整體性質(zhì)。本實(shí)施例中，電-光耦合樞紐的結(jié)構(gòu)如圖4所示。包括硅(Si)襯底，在硅(Si)襯底上鍵合有SiO2層、接地鋁(Al)薄層和被上、下Z-切鈮酸鋰(LiNbO3)包層限定的金條帶組成的長(zhǎng)程表面等離子體(LRSPP)波波導(dǎo)，以及位于頂部鈮酸鋰(LiNbO3)包層上的T形Au電極。一旦外加電壓施與最上方的Au電極和Al接地電極之間，由于電光效應(yīng),導(dǎo)致在LiNbO3
晶體中出現(xiàn)沿金條帶傳播的μ:導(dǎo)光波模的調(diào)制。這是因?yàn)椋夭▽?dǎo)傳播的&^模的主要橫向
電場(chǎng)分量取向垂直于金屬條帶[14]，即沿包層的z軸，通過(guò)應(yīng)用外加的垂直電場(chǎng)E (如圖4所
示)，就能夠利用鈮酸鋰(LiNbO3)晶體的最強(qiáng)電光系數(shù)。怒f模主要與\ (即LiNbO3的異常
折射率)相互作用，ne被外加電場(chǎng)E調(diào)制，按Jf H =%平厶/ ,,仏？ = (>^￡:/2,對(duì)于LiNbO3 在入 0 = 1550nm, ne=2.1377 和 r33=29.9pm/ v.
頂部與底部z-切LiNbO3包層，兩者取向可以相同也可以相反，如圖4所示。若采取反向?qū)R的頂部和底部LiNbO3包層(如圖5所示)，所施加的外電場(chǎng)E使一個(gè)包層的折射率增加為△!!，而使另一個(gè)包層的折射率減少相同量，這樣，在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了包括
2Δη的折射率不對(duì)稱。這個(gè)反稱橫切了^5^模[15]，迫使它輻射到高折射率的包層[16]，正如熱-光結(jié)構(gòu)那樣[17’18]，于是導(dǎo)致寬帶強(qiáng)度調(diào)制。若采取同向?qū)R的頂部和底部LiNbO3的包層，則所施加的外電場(chǎng)E使兩個(gè)包層的折射率同等的增加或減少Δη，于是給予Sg模相位調(diào)制。基于光學(xué)模擬[19]，埋入的金條帶的厚度t=20nm - 22nm ;寬度w=0.95 μ m - 2 μ m ;這樣使波導(dǎo)有合理的低損耗(幾dB/mm)和可處理的模尺寸。最終，所需的鈮酸鋰包層的厚度為10 μ m - 15 μ m0利用這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，未來(lái)有可能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)電子器件與光電器件在同一 Si圓晶上的集成。2、主要工藝步驟流程如圖6所示，為了使鈮酸鋰晶體包層成功地進(jìn)行圓晶鍵合，金條帶(Au)必須嵌入到鈮酸鋰晶片的表面和被平坦化，以至于得到的表面有足夠的光滑(偏差小于約5nm)。在實(shí)施一系列工藝流程后，在第一個(gè)LiNbO3圓晶上植入平坦金條帶，并最終形成為上部包層。一旦金條帶被嵌入，該LiNbO3晶片被翻轉(zhuǎn)和直接鍵合至第二個(gè)LiNbO3圓晶片，這樣將形成為下部包層。該第二 LiNbO3晶片需要經(jīng)過(guò)研磨和拋光以達(dá)到適合下部包層需要的厚度d，然后將鋁(Al)沉積到此圓晶片的底表面以形成接地鋁(Al)電極，該接地鋁(Al)電極再與SiO2薄層相接。這樣形成 的LiNbO3堆棧再直接鍵合至在si圓晶上的SiO2薄層上。
然后，第一個(gè)LiNbO3圓晶片經(jīng)過(guò)研磨和拋光至上部包層所需的厚度d。最后，光波導(dǎo)頂部Au電極可通過(guò)沉積I μ m厚的Au采取光刻工藝實(shí)現(xiàn)，頂部Au電極的寬度為10 μ m。由此最終形成的光波導(dǎo)長(zhǎng)1=4_ ;寬Wb=7_ (參見(jiàn)圖2)。1^他03和Si具有不同的熱膨脹系數(shù)，但全部工藝步驟均在低溫下實(shí)施。在這個(gè)工藝流程的初期，頂部1^他03層至底部1^他03層直接鍵合步驟在室溫下進(jìn)行，并隨后在300°C下實(shí)施退火。所有隨后的處理步驟均在低于150°C的溫度下進(jìn)行。LiNb03/Al/Si02堆棧至Si02/Si的直接結(jié)合也在室溫下進(jìn)行，之后經(jīng)歷一個(gè)低溫下退火處理。在頂部和底部LiNbO3包層之間的直接鍵合界面處，應(yīng)是無(wú)縫的和沒(méi)有宏觀缺陷的。3、嵌入金條帶的流程:圖7顯示兩種方法嵌入Au條帶，其中，圖7a是基于使用相同的光阻圖案在鈮酸鋰晶體蝕刻的溝槽和去除多余的金。圖7b所示為采用化學(xué)拋光法(CMP)。因?yàn)殁壦徜嚨幕瘜W(xué)腐蝕是困難的，以至于離子束研磨用于蝕刻的溝槽，進(jìn)入其中的Au隨后沉積。由于所需要的所有步驟容易實(shí)現(xiàn)，故本實(shí)施例中采用圖7a的方法。Au條帶的寬度為2μπι、厚20nm。該Au條帶被埋入上述長(zhǎng)l=4mm、寬Wb=7mm光波導(dǎo)的中線,而頂端Au電極的寬度為10 μ m。4、天線參數(shù)及制作:寬頻帶微帶圓盤貼片單極天線的結(jié)構(gòu)`如圖2中D所示，包括基板，基板上有利用光刻工藝實(shí)現(xiàn)的金(Au)圓盤貼片(Au)以及與之相連接的兩條金(Au)微帶線。具體參數(shù)如下:基板的寬度W:30mm基板的長(zhǎng)度L:35mm饋線的寬度Wf:1.8_饋線的長(zhǎng)度Lf:5mm第一段微帶線的寬度W1:1.4mm第一段微帶線的長(zhǎng)度L1:5mm第二段微帶線的寬度W2:1mm第二段微帶線的長(zhǎng)度L2:3mm金(Au)圓盤貼片的半徑R:7.5mm介電常數(shù)L:3.38基板的厚度Hsub:0.83mm寬頻帶微帶圓盤貼片單極天線采用光刻工藝制作。基于鈮酸鋰長(zhǎng)程表面波等離子體波波導(dǎo)和微帶天線的微波-光波轉(zhuǎn)換器，其接收天線(即寬頻帶微帶圓盤貼片單極天線)的反射損耗-頻率特性如圖8所示。
權(quán)利要求
1.一種基于鈮酸鋰長(zhǎng)程表面等離子體波波導(dǎo)和微帶天線的微波光波轉(zhuǎn)換器，其特征在于，由光波輸入保偏光纖、光信號(hào)輸出保偏光纖、電-光I禹合樞紐和寬頻帶微帶貼片單極天線組成，可在λ ^ = 1550nm工作波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)頻率最高可達(dá)40GHz的無(wú)線射頻/微波信號(hào)的微波-光波轉(zhuǎn)換； 所述的電-光耦合樞紐包括硅(Si )襯底，在硅(Si )襯底上鍵合有SiO2層、鋁(Al)薄層和被上、下Z-切鈮酸鋰(LiNbO3)包層限定的金條帶組成的長(zhǎng)程表面等離子體(LRSPP)波波導(dǎo)，在鈮酸鋰(LiNbO3)長(zhǎng)程表面等離子體(LRSPP)波波導(dǎo)的頂部有T形金(Au)電極，其中，Al電極接地，T形Au電極和Al電極構(gòu)成稱合電極,而T形Au電極與寬頻帶微帶貼片單極天線直接連接。
2.按權(quán)利要求1所述的基于鈮酸鋰長(zhǎng)程表面波等離子體波波導(dǎo)和微帶天線的微波光波轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述的寬頻帶微帶貼片單極天線的結(jié)構(gòu)包括基板，基板的介電常數(shù)ε r為3.38，基板 上光刻有金(Au)圓盤貼片和與之相連接兩條金(Au)微帶線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于鈮酸鋰長(zhǎng)程表面等離子體波波導(dǎo)和微帶天線的微波光波轉(zhuǎn)換器，由光波輸入保偏光纖、光信號(hào)輸出保偏光纖、電-光耦合樞紐和寬頻帶微帶貼片單極天線組成，電-光耦合樞紐包括硅(Si)襯底，在硅(Si)襯底上鍵合有SiO2層、鋁(Al)薄層和被上、下z-切鈮酸鋰(LiNbO3)包層限定的金條帶組成的長(zhǎng)程表面等離子體(LRSPP)波波導(dǎo)，在鈮酸鋰(LiNbO3)長(zhǎng)程表面等離子體(LRSPP)波波導(dǎo)的頂部有T形Au電極，其中，Al薄層接地，T形Au電極和Al薄層構(gòu)成耦合電極，T形Au電極與寬頻帶微帶貼片單極天線直接連接?？稍讦?＝1550nm工作波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)頻率最高可達(dá)40GHz的無(wú)線射頻／微波信號(hào)的光波轉(zhuǎn)換，具有頻帶寬(40GHz)、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和便于集成等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01Q1/22GK103091872SQ201210575458
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者陳明, 陸蓉, 朱海燕, 鄭光明, 呂淑媛, 梁猛, 王翀, 董軍, 惠戰(zhàn)強(qiáng) 申請(qǐng)人:西安郵電學(xué)院