[發明專利]基于SOI光波導單片集成的微波光子移相器及制備方法

無效

• 申請號: 200810051199.5
• 申請日: 2008-09-23
• 公開（公告）號: CN101364656A
• 公開（公告）日: 2009-02-11
• 發明（設計）人: 董瑋;陳維友;張歆東;劉彩霞;阮圣平;周敬然;郭文濱;瞿鵬飛
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H01P1/18
• 分類號: H01P1/18;H01P11/00;G02B6/12;G02B6/28
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司
• 代理人: 張景林;劉喜生

技術領域

本發明屬于微波光子器件領域，涉及一種基于SOI光波導的單片集成的微 波光子移相器及其制備方法。

背景技術

20世紀70年代初開始使用的相控陣天線(PAA)技術目前在雷達和通信等領 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 多目標的能力有了大幅度的提高。然而，全電控系統尺寸大、損耗高、瞬時帶寬 窄、抗電磁干擾能力較差。隨著微波光子技術的發展，以光纖代替傳統的金屬波 導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絡及信 號收集網絡中有廣泛的應用。可控的微波光子移相器是光控相控陣中的關鍵器 件，它控制天線的掃描方向。移相器應該滿足以下要求:移相的數值精確、性能 穩定、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。基于混頻技術的移相器以電光系數 較高的聚合物作為波導材料，在追求高電光系數的同時，不可避免的引入較高的 傳播損耗，因此電光系數大、性能穩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鍵。現有的矢量和技術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，使整個器件的結構復雜，不能 滿足當前光電子器件向集成化和小型化方向發展的需求。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。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于SOI(Silicon?on?Insulator)光波導的單片集 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材料的光波導具有波導特性好、制作工藝與IC工藝兼 容的優點，同時隨著SOI光波導材料制作工藝的成熟，低損耗大截面尺寸SOI 脊形波導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、偏振相關損耗小、工藝簡單等優點。

本發明所述的基于SOI光波導的單片集成的微波光子移相器結構如圖1所 示，它由三個Y分支組成的級聯波導分路器、四根波導延時線組成的固定延時 單元、位于波導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 波導合路器構成。級聯波導分路器、波導延時線組成的固定延時單元和級聯波導 合路器都是由制作在SOI襯底上的脊型光波導構成，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。本發明所述的移 相器中，所有的Y分支均采用余弦結構，分支角度小于1.5度，可以減小由Y 分支引起的損耗。

在級聯波導分路器部分，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延時線相連接，四根波導延時線均為 拱形，每個拱形均由兩個相同長度的直線波導與一個半圓環波導兩端相切連接而 成。四個波導延時線長度選擇的依據是對所選定工作頻率的微波信號分別實現0 度、90度、180度和270度的固定相移。首先根據器件對損耗的要求確定最小 延時線的長度，然后可以通過計算相 鄰兩個延時線長度差。

四根波導延時線的另一端接級聯波導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延時線的中間，它們是在波導延 時線上垂直于波導截面刻蝕至二氧化硅埋層制作的液晶微槽、液晶微槽兩側的氧 化銦錫(ITO)透明導電電極和微槽內填充的聚合物分散液晶材料(PDLC)材 料組成，如圖3所示。

本發明所述的器件的特點：