【doc】 分段电极LiNbO3光波导宽带微波电场接收器

【doc】 分段电极LiNbO3光波导宽带微波电场接收器 分段电极LiNbO3光波导宽带微波电场接收 器 第2l卷第5期 2005年l0月 微波 JOURNALOFMICROWAVES V01.2lNo.5 Oc【.2005 文章编号:1005-6122(2005)05-0054-04 分段电极LiNbO3光波导宽带微波电场接收器 陈福深张阜文 (电子科技大学宽带光纤传输与通信网技术教育部重点实验室,成都610054) 摘要:采用x切LiNbO基片,并研制了分段电极Mach—Zehnder(M?Z)干涉仪光波导宽带微波电场接收 器.其中,电极分段数为l0段,器件尺寸为60x6×0.5mm.研究结果明,当接收光功率信噪比为5dB时,器件 可检测到的最小电场强度小于60mV/m,并且接收带宽达到10MHz一3.6GHz. 关键词:宽带微波,集成光学,LiNbO光波导,分段电极,电场接收器(传 感器) AnIntegratedOpticalWaveguideE-fieldReceiver atWide-bandMicrowavewithSegmentalElectrodes CHENFu?shen,ZHANGFu-wen (KeyLabofBroadbandOpticalFiberTransmissionandCommunicationNetworks,UESTofChina,Chengdu610054) Abstract:AointegratedopticalwaveguideE--fieldreceiveratwide--bandmi crowavewithsegmentalelectrodesusinga Zehnder(M—Z)intefferometerhasb proton—exchangedLiNbO3Mach— eendesignedandfabricated.Thedeviceconsistsoften sectionsofelectrodeanditsstructuresizeis60×6×0.5mm.Theexperimentalr esultsshowthattheminimumdetectablee? lectricfieldis60mV/mwiththebandwidthof10MHz, 3.6GHzinthereceivingconditionforopticalpower,whichhasa signal?noiseratioof5dB. Keywords:Wide—bandmicrowave,Integratedoptics,LiNbO3opticalwaveguide,Segmentalelectrodes,E—fieldre— ceiver(sensor) 引言 传统的电场传感器使用高阻抗传输线,容易干 扰被测电场,导致测量不准确.使用光学技术实现 电压和电流测量,不存在电磁场的干扰问,因而引 起了国内外学者的广泛关注.早期的研究是在块状 LiNbO光学晶体上,基于Pockels效应实现的.由 于块状晶体体积大,所需组件复杂,不仅不利于集成 化,器件的灵敏度和带宽也都不是很令人满意.而 基于Mach—Zehnder(M—Z)干涉仪式结构的集成光波 导电场传感器,与块状晶体电场传感器相比,不但减 小了体积和简化了设计,并且提高了器件带宽和灵 敏度….为了提高灵敏度,光波导电场传感器一般 采用一个短的接收偶极子天线直接驱动电光调制器 来实现.但是,长电极产生的电容与短偶极子天线 形成的小电容是不匹配的,使得调制效率降低,进而 影响器件的带宽和灵敏度.因此,本文采用了一种 电极与天线相结合的分段结构,如图1所示. 其优点在于能够大幅度降低电极的电容,实现与天 线电容相匹配的目的. 图1分段电极电场传感器结构示意图 本文研制的电场传感器,是采用x切LiNbO 基片在实验室条件下制作的分段电极M.z干涉仪 光波导电场传感器.现在,国外研制的M—z型光波 收稿日期:2004?12?29;定稿日期:2005-03?31 基金项目:国家自然科学基金资助项目(项目批准号:60077030) 第21卷第5期陈福深等:分段电极LiNbO,光波导宽带微波电场接收 器55 导电场传感器,绝大多数都是使用高温下Ti扩散技 术制作J,而本文是采用质子交换技术实现的.这 是由于质子(氢离子)交换形成的光波导具有保偏 特性(只工作在TE模),加上与输入端保偏光纤的 匹配连接,保证了M.z调制器工作在电光调制的最 佳状态. 1电场传感器的设计 1.1光波导设计 采用Mach—Zehnder干涉仪结构的光波导设计 如图2所示.图中除标注的尺寸外,还有光波长A = 1.55m,Z=4.5mm,W=7m,h:10m.之所以 设计光波导宽度W=7I.zm,是因为在半导体激光器 的输出光波长A=1.55I.zm条件下,必须保证形成该 波长下的单模导波.另外,为了获得较小损耗的光 波导,两分支光波导的弯曲部分应满足余弦曲线方 程 Z f’ff7 1r I?’r’一l 1w,}h十’n)f,L+……’ —————————’’.— ‘‘y 图2Mach.Zehnder干涉式光波导 = 【…s()](1) 1.2分段电极设计 根据图1所示的分段电极结构,可得到电场传 感器分段电极与天线组合的等效电路,如图3所示. 由于电极的分段,会使得电极电压产生增益.因此, 每一分段电极电压与未分段电极电压之比 n商~Cm/N+V’m 图3短偶极子天线与调制器电极组合结构等效电路 可以表示为 Cd+C ?(c+Cm)(2) 式中,C和C分别为天线和调制器的电容,?为电 极所分段数.可见,当N=~/c/c时,可以获得一 个最大的电压增益值.当电偶极子天线长度Z—A/ i00,输入电阻非常小时,可认为天线的阻抗为纯容 性的.由Z~-40mm,得C---0.25pF.取不同的电光 调制器的电容c,可得到电极电压增益与分段数之 间的关系,见图4.由结果显示,不同的C对应不 同的电极电压增益值,当C=25pF,N=10时,可得 到接近15dB的电压信号增益.同时,由于电极的 分段,导致调制器电极的有效电容C变为 图4电极电压增益与段数之间关系 C= Cm 由此可见,有效电容变为原电容C的1/100, 并且由于电容的降低使得传感器的频率响应大大提 高.另外,由图5可以看出,由于电极的分段,导致 每段电极的有效长度降低了501.zm.取电极的长度 L一32Inm,则每段电极的调制效率相对降低了 0.16%.当电极分段数N=10时,总的调制效率降 低了1.6%.所以,相对于电极分段引起电压增益 提高来说,由分段引起的调制效率降低是可以忽略 的. 图5器件的具体尺寸 2电场传感器的制作与测试 由于LiNbO,晶体的电光张量系数.,远大于 ,所以我们采用x切y方向传输的LiNbO.作为 制作器件的基片. 56微波2005年lO月 2.1光波导与电极的制作 光波导采用质子交换技术制作.在进行质子交 换前,首先要进行SiO掩膜层的制作.将清洗干净 的晶片用溶液浸泡后,在其上蒸一层SiO,厚度约 为120nm,光刻腐蚀后得到了宽度约为7m的波 导.然后用浸泡液冲洗大约15分钟,并用超声处理 10分钟后,放人装有苯甲酸的石英管道内进行交 换.当苯甲酸溶液温度恒定在200c【=,并且温度误 差控制在?0.5c【=时开始计时,同时每隔一段时间搅 拌一次,总的交换时间约4小时.交换完成后,用去 离子水反复冲洗,取出晶片. SiO缓冲层的制作采用等离子淀积设备.要 求真空度优于133×10,Pa,均匀性为?0.5nm.在 工艺上首先保证LiNbO晶片的清洁度良好,这样 SiO层才可以很好地附着在LiNbO,晶片上,同时 要控制好缓冲层的致密度和均匀度,保证SiO层无 气泡和针孔.最后得到的siO,缓冲层厚度约为0.51xm. 将基片清洗后,放人电子束蒸发台内蒸cr和 Au,Cr的厚度控制在0.05i~m左右,Au的厚度控制 在0.081~m左右,然后使用电极掩,光刻出电极 图形,再腐蚀掉多余的金属.由于我们对电极的厚 度没有特别的要求,因此没有进行电极的电镀. 2.2波导与光纤的耦合 波导与光纤的牢固耦合是器件实用化的关键. 为了使光纤和波导耦合良好,一方面是要保证光纤 和波导间的模匹配,因此在控制好质子交换的时间 和温度及研磨和抛光质量的同时,调节好匹配液的 浓度,使得波导截面与光纤截面尽量一致;另一方面 是保证光纤与波导问对准与连接的正确性,如果失 准,即发生偏心状态,必然会导致横向和垂直方向耦 合效率的下降.因此,通过提高耦合设备的精度,正 确选用耦合结构,精心操作,用特定的胶把光纤同硅 片固化在一起,可以实现光纤与波导的高质量耦合. 本器件中,我们采用正装耦合方式实现波导与 光纤的耦合.由于倒装耦合方式是把光纤装在硅片 的槽中,倒扣在LiNbO,晶片上,易造成光纤的横向 位移,而正装耦合是把光纤直接与LiNbO波导对 接,光纤下面用开了槽的LiNbO晶片支撑,克服了 倒装耦合的横向位移,同时也消除了LiNbO晶片和 硅片由于热膨胀差异造成的位移,而且,正装耦合是 六维对准,精度较高. 耦合完成后,我们得到了一个未封装的尺寸为 60mm×6mm×0.5mm分段电极的电场传感器,实 物见图6所示.其中,电极的段数为10段. 图6分段电极光波导电场传感器实物图 2.3测试结果 如图7所示为器件高频性能的测试装置图.其 中,光源的波长A=1.55m,器件插人损耗4.5dB, 半波电压小于7V.测试结果表明,当信噪比为5dB 时,得到器件可检测到的最小电场小于60mV/m. 由于受到光电PIN二极管高频响应的限制,使得我 们最终得到器件的最高频率响应为3.6GHz,测试结 果见图8. 光源 盖 - 23 蜂 - 器习一微波暗室 ?单匝咂 图7器件高频性能的测试装置 图8器件的高频响应测试曲线 3结论 本文详细分析和阐述了x切LiNbO集成光波 导分段电极电场接收器的设计和研制技术.由于采 用电极与天线相结合的分段结构,可以显着降低电 极的电容,达到与天线电容相匹配的目的.本文中 器件尺寸为60mm×6mm×0.5mm,电极分段数为 10段.实验测试结果表明,当保证接收光功率信噪 枷舶渤舶 第21卷第5期陈福深等:分段电极LiNbO光波导宽带微波电场接收器57 比为5dB时,器件可检测到的最小电场强度为 60mV/m,并且带宽达到10MHz,3.6GHz.若在此 基础上,进一步改进设计和制作工艺,如增加电极分 段数,减小分布电容,或者采用宽带偶极子天线结构[4] 电极,带宽有望达到0,10GHz. [1] [2] [3] 参考文献 NobuoKuwabara,KimihiroTajima,RyuichiKobayashi, JujioAmemiya.DevelopmentandAnalysisofElectric FieldSensorUsingLiNbO3OpticalModulator.IEEE Trans.ElectromagneticCompatibility,1992,4(34): 391,395 MeierTh,KostrzcewaK,SchtippertB,PetermannK.E— lectro—opticalE—fieldwithOptimizedElectrodeStructure. ElectronicsLetters,1992,No14(28):1327,1329 ThomasMeier,CarstenKostrzewa,PetermannK, , 篮簋鲨鲨蒜盘懿0娑趣鲨是: (上接第53页) 4结论 [5] SchfippertB.IntegratedOpticalE—FieldProbeswith SegmentedModulatorElectrodes.IEEEJ.Lightwave Techno1.,1994,8(12):1497,1503 MiyakawaT,TokanoY,eta1.DevelopmentofaPracti— calOpticalElectricFieldSensorinGHzRange.Proc. EMCZurich99,1999:551,554 KimihiroTajima,RyuichiKobayashieta1.Development ofOpticalIsotropicE—FieldSensorOperatingMorethan 10GHzUsingMach—ZehnderInterferometers.IEICE trans.Electron.2002,4(E85一C):961—968 陈福深电子科技大学教授,博士生导师.主要从事宽带 微波集成光波导调制器,传感器等的研究. E—mail:fschen@uestc.edu.cn 张阜文电子科技大学在读博士研究生.研究方向:微波 电场传感器等. 本文通过理论分析和仿真及实验证实了加载开 路短截线的微带线结构具有EBG特性,在此基础上 研制了宽带低通滤波器,并获得了较好的滤波效果. 由于其阻带中心频率主要由短截线决定,周期长度 在一定范围内可以任意选择,不受1/2波长的限制, 因而增加了设计的灵活性.此外,该结构在特定阻 带中心出现的通带尖峰可用于设计窄带带通滤波器 或是作为高Q谐振腔,因此具有广泛的应用前景. [2] [3] [4] 参考文献 FalconeF,LopetegiT,SorollaM.1Dand2Dphotonic bandgapmicorstripstructures.MicrowaveandOptical TechnolgyLetter,1999,22(6):411,412 SievenPiperDan,ZhangLijun.RomuloFJimenezBroas. High—impedanceelectromagneticsufaceswithaforbidden frequencyband.IEEETrans.MTI”,1999,47(11):2059 , 2074 RadisicV,CoceioliR.Novel2-DPhotonicbandgapstruc— tureformicrostrip1ines.IEEEMicrowaveandGuided WaveLetters,1998,8(2):69,71 SievenpiperDF,YablonovitchE.3Dmetallo—dielectric Photoniccrystalswithstrongcapacitivecouplingbetween metallicislands.PhysRevLett.1998,80(13):2829, 2832 [5] [6] [7] [8] [9] ;堂:当娄韪堂连猷簋是堂 BozzettiM,OrazioAD,SarioM.De,etc.Taperedpho— tonicbandgapmicrostriplowpassfilters:designandreali— zation.1EEProc.一Microw.AntennasPropage.,2003, 150(6):459—462 RumseyI,eta1.Photonicbandgapstructureusedasfil— tersinmicrostripcircuits.IEEEMicrowaveandGuidde WaveLetters,1998(1O):336—338 KimT,SeoC.Anovelphotonicbandgapstructurefor low—passfilterofwidestopband.IEEEMicrowaveand GuidedWaveLettem,2000,10(1):13,15 刘海文,孙晓玮,程知群,等.一种新颖的PBG宽阻带 低通滤波器.电子,2004.38(05):791,794 欧阳征标,朱骏,李景镇.两端有慢变结构的光子晶体 的能带特性研究.光子,2002.22(05):612,615 杨瑾屏1979年出生,2003年获南京理工大学硕士学位, 现为该校博士研究生.主要研究方向为EBG,LHM,Chaos 等技术. 赵建中1955年出生,副教授,南京理工大学电光学院硕 士生导师.主要成果曾获省部级奖励多项,发表近20 篇.主要研究兴趣为射频电路技术和毫米波探测技术. 吴文1968年出生,1997年获东南大学电磁场与微波技 术专业博士学位,现为南京理工大学制导技术研究所副所 长,教授,国防科工委”511人才工程”学术技术带头人.主 要成果:曾获省部级奖4项,已在各种学术期刊,学术会议发 表论文30余篇.主要研究方向为毫米波天线及电路毫米 波探测与制导技术等.