一種高速鈮酸鋰相位調(diào)制器的設(shè)計(jì)

一種高速鈮酸鋰相位調(diào)制器的設(shè)計(jì)

lais是一種廣泛應(yīng)用于相干光通信、catv、高速相控制雷達(dá)、光纖螺釘和電流測(cè)量等傳感器領(lǐng)域的光譜儀。國(guó)內(nèi)外對(duì)林波3設(shè)備進(jìn)行了大量研究，主要集中在通信領(lǐng)域的高速?gòu)?qiáng)度調(diào)制器上，但關(guān)于相位調(diào)制器的報(bào)道相對(duì)較少。鈮酸鋰Mach-Zehnder(M-Z)型強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制速率從早期的2.5Gbit/s發(fā)展到后來(lái)的10.0,40.0Gbit/s.調(diào)制方式也不斷變化,從早期的強(qiáng)度調(diào)制到近期的相位調(diào)制,或在一個(gè)芯片上集成多個(gè)相位調(diào)制器單元,實(shí)現(xiàn)頻移鍵控(FSK)、四相差分相移鍵控(DQPSK)等多種復(fù)雜調(diào)制格式.隨著調(diào)制速率不斷提升,對(duì)器件的帶寬要求越來(lái)越高,傳統(tǒng)方案均采用厚電極、寬間距的電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微波與光波的折射率匹配、特征阻抗匹配及低微波損耗.如直接采用強(qiáng)度調(diào)制器的方案移植到相位調(diào)制器,其結(jié)果會(huì)造成半波電壓的升高或器件長(zhǎng)度的增加.國(guó)外幾家主流的鈮酸鋰調(diào)制器生產(chǎn)廠家(JDSU,Avanex)現(xiàn)有的10.0～12.5GHz的高速鈮酸鋰相位調(diào)制器,半波電壓一般為3.5～6.0V,器件長(zhǎng)度為75～120mm.作者針對(duì)相位調(diào)制器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用一種新的設(shè)計(jì)思路,在光波與微波有效折射率匹配的條件下,設(shè)計(jì)制作了一種窄火線(xiàn)電極和窄電極間距的高速相位調(diào)制器,實(shí)現(xiàn)了超低半波電壓,并同時(shí)滿(mǎn)足小尺寸及寬帶寬的要求.1高頻相位調(diào)制器圖1為L(zhǎng)iNbO3光波導(dǎo)相位調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖.采用選擇性質(zhì)子交換或鈦內(nèi)擴(kuò)散工藝制作LiNbO3條波導(dǎo),在波導(dǎo)上或波導(dǎo)兩側(cè)制作共面金屬電極,波導(dǎo)與電極之間制作一層SiO2緩沖層以減小金屬電極對(duì)光的吸收,并可調(diào)節(jié)電極的微波有效折射率.在外加電場(chǎng)作用下,通過(guò)LiNbO3晶體的電光效應(yīng)產(chǎn)生折射率變化,實(shí)現(xiàn)光相位調(diào)制.實(shí)用化的高頻相位調(diào)制器希望具有低的光損耗、低的半波電壓、寬帶寬、低電反射(特征阻抗匹配)、短的芯片長(zhǎng)度.相位調(diào)制器的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,利用成熟的工藝可制作低損耗波導(dǎo),因此高頻相位調(diào)制器的設(shè)計(jì)制作重點(diǎn)在于其電極部分.1.1linbo3光催化反應(yīng)v當(dāng)相移Δ?=π時(shí)所需的調(diào)制電壓定義為相位調(diào)制器的半波電壓Vπ,可表示為Vπ=gλn3γ33Γl.(1)Vπ=gλn3γ33Γl.(1)式中:g為電極間距;λ為工作波長(zhǎng);n為L(zhǎng)iNbO3折射率;γ33為L(zhǎng)iNbO3電光系數(shù)分量;Γ為電光重疊系數(shù);l為電極長(zhǎng)度.工作波長(zhǎng)確定后,半波電壓與電極間距成正比,與電極的長(zhǎng)度成反比.1.2高頻鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器為了獲得寬帶寬,通常的方案是采用行波電極設(shè)計(jì),將調(diào)制器的電極設(shè)計(jì)成微波傳輸線(xiàn)結(jié)構(gòu),一端接微波信號(hào)源,另一端接匹配終端,利用調(diào)制電場(chǎng)和光波導(dǎo)的相速匹配來(lái)滿(mǎn)足高速寬帶工作.為利用最大的電光系數(shù)γ33,電極分別設(shè)計(jì)在波導(dǎo)上(z切LiNbO3襯底)或波導(dǎo)兩側(cè)(x切LiNbO3襯底)制作共面金屬電極.常采用的結(jié)構(gòu)有非對(duì)稱(chēng)微帶線(xiàn)(ASL)和共面波導(dǎo)(CPW)結(jié)構(gòu)兩種,分別如圖1所示,這兩種結(jié)構(gòu)均可分別用于x切或z切相位調(diào)制器.CPW結(jié)構(gòu)因其傳輸損耗小、與同軸連接器連接方便等優(yōu)點(diǎn),常用的高頻鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器電極幾乎均采用CPW結(jié)構(gòu).鈮酸鋰z切相位調(diào)制器中,CPW結(jié)構(gòu)的電極火線(xiàn)放置于波導(dǎo)正上方,兩邊均有地線(xiàn),其電光作用效率幾乎為ASL結(jié)構(gòu)的2倍,所以對(duì)于z切相位調(diào)制器,CPW結(jié)構(gòu)更具有優(yōu)勢(shì).CPW結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制器的頻響函數(shù)為H(f)=[1?2e?αlcos(2u)+e?2αl]12[(αl)2+(2u)2]12.(2)Η(f)=[1-2e-αlcos(2u)+e-2αl]12[(αl)2+(2u)2]12.(2)式中:u=πfl(Nm?N0)/c?(3)u=πfl(Νm-Ν0)/c?(3)c為光速,Nm為微波有效折射率,N0為光波有效折射率,Nm=C/C0?????√?(4)Νm=C/C0?(4)C為傳輸線(xiàn)的分布電容,C0為電極周?chē)橘|(zhì)是空氣時(shí)的分布電容,它們由電極結(jié)構(gòu)、電極厚度、電極火線(xiàn)寬度、電極間距、緩沖層厚度共同決定;α=α0f√/(20lge)?(5)α=α0f/(20lge)?(5)α0為微波衰減系數(shù),f為調(diào)制頻率.由式(2)可知,為得到寬的帶寬,需要減小電極微波有效折射率與光波折射率之差(減小速率失配)和縮短電極長(zhǎng)度,還需減小電極的傳輸損耗.在鈮酸鋰高速?gòu)?qiáng)度調(diào)制器的設(shè)計(jì)中,通常采用增加緩沖層厚度和電極厚度來(lái)減小微波有效折射率與光波折射率之差,但增加緩沖層厚度將導(dǎo)致電場(chǎng)與光場(chǎng)的重疊系數(shù)減小,最終導(dǎo)致半波電壓增加.如要補(bǔ)償半波電壓,就要加長(zhǎng)電極作用長(zhǎng)度,但增加長(zhǎng)度又將減小帶寬,且芯片長(zhǎng)度也要加長(zhǎng),所以半波電壓與帶寬是一對(duì)矛盾.傳統(tǒng)方案采用厚緩沖層、長(zhǎng)電極方案,結(jié)果導(dǎo)致半波電壓增加,器件體積變大.1.3.1.1特性阻抗為減小器件的電反射,需要設(shè)計(jì)調(diào)制器特性阻抗與信號(hào)源的特征阻抗(通常為50Ω)匹配.CPW電極特征阻抗Z0為Z0=LIC??√=1cCC0√?(6)Ζ0=LΙC=1cCC0?(6)式中LI為傳輸線(xiàn)的分布電感.鈮酸鋰相位調(diào)制器可以通過(guò)加大電極間距、減小火線(xiàn)寬度、增加緩沖層厚度實(shí)現(xiàn)50Ω的完美匹配,但結(jié)果會(huì)極大地增加驅(qū)動(dòng)電壓而不實(shí)用.雖然也有采用其他一些復(fù)雜方法實(shí)現(xiàn)近50Ω的特性阻抗設(shè)計(jì),包括脊形波導(dǎo)、晶片背面開(kāi)槽、T型電極等方案,但其實(shí)現(xiàn)的工藝難度極大,很難實(shí)用化,所以在商用器件中幾乎均采用傳統(tǒng)的平面工藝.實(shí)際器件需綜合考慮半波電壓、帶寬、工藝水平、可靠性等多方面因素.實(shí)際應(yīng)用中,國(guó)外主流的鈮酸鋰調(diào)制器生產(chǎn)廠家通常將電反射指標(biāo)小于-10dB作為其產(chǎn)品合格指標(biāo),該指標(biāo)理論上對(duì)應(yīng)的器件特征阻抗為26Ω.考慮到實(shí)際可接受的驅(qū)動(dòng)電壓、工藝誤差及封裝中的缺陷等因素,主流的鈮酸鋰調(diào)制器特征阻抗設(shè)計(jì)指標(biāo)為30～38Ω.2電極結(jié)構(gòu)組合對(duì)sio緩沖層過(guò)濾法的影響對(duì)比M-Z調(diào)整器和相位調(diào)制器,M-Z強(qiáng)度調(diào)制器有兩個(gè)平行波導(dǎo)的干涉臂,如兩臂靠得太近,相互間會(huì)產(chǎn)生耦合而影響開(kāi)關(guān)消光比等性能,通常其波導(dǎo)間距大于15μm,所以限制了電極的最小間距.但是對(duì)于相位調(diào)制器,波導(dǎo)為單條,在電極作用區(qū)不存在與其他波導(dǎo)間的耦合問(wèn)題,即電極間距可以比M-Z型更窄.針對(duì)這種特點(diǎn),在考慮微波和光波折射率匹配條件下,設(shè)計(jì)考慮減小電極間距來(lái)設(shè)計(jì)相位調(diào)制器,由式(1)可知,減小電極間距,可以降低半波電壓,或在保持半波電壓不變的情況下,可以縮短電極長(zhǎng)度,從而也可提高帶寬.另外需考慮特征阻抗問(wèn)題,如保持火線(xiàn)電極寬度不變的情況下,減小電極間距可降低特征阻抗;如保持電極間距不變,減小火線(xiàn)寬度可以增大特征阻抗.對(duì)于本方案中計(jì)劃減小電極間距,必須同步減小火線(xiàn)電極的寬度,以滿(mǎn)足其特征阻抗的匹配.另外,CPW結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制器中,為提高電場(chǎng)與光場(chǎng)的重疊積分,設(shè)計(jì)除火線(xiàn)下保留SiO2緩沖層外,考慮去掉其余大部分的SiO2緩沖層,如圖2所示.通常的1550nm鈮酸鋰波導(dǎo)條寬設(shè)計(jì)為6～7μm,如果火線(xiàn)電極寬度太窄,會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)與光場(chǎng)的重疊系數(shù)Γ降低而引起半波電壓升高,所以本設(shè)計(jì)選定火線(xiàn)電極的寬度為6μm.由式(4)(6)可知,求解電極的微波折射率和特征阻抗只需分別計(jì)算出傳輸線(xiàn)的分布電容C和C0即可,電極的分布電容C與電極火線(xiàn)寬度w、電極間距g、電極厚度h、電極側(cè)壁傾角θ、緩沖層厚度d以及介電常數(shù)有關(guān),如圖3所示.在火線(xiàn)與地線(xiàn)之間施加電壓V,火線(xiàn)電極和地線(xiàn)電極表面會(huì)產(chǎn)生等量但符號(hào)相反的電荷.實(shí)際計(jì)算時(shí)只需對(duì)火線(xiàn)表面的電荷進(jìn)行積分求和,即可由式C=Q/V計(jì)算出其分布電容.用有限元法可以比較方便地計(jì)算出電極的分布電容C和C0.在實(shí)際的電極制作工藝中,電極傾角θ很難做到垂直,實(shí)際工藝可以做到85°～87°,本文中設(shè)計(jì)按θ=87°考慮.仿真計(jì)算中改變介電系數(shù)和電極結(jié)構(gòu)參數(shù),即電極間距g,電極厚度h,SiO2緩沖層厚度,分別求出C和C0,代入式(4)(6)可分別得到多種結(jié)構(gòu)組合下的微波折射率和特征阻抗.通過(guò)優(yōu)選,選擇其中一種結(jié)構(gòu):w=6μm,h=14μm,g=11μm,d=0.65μm,θ=87°,該結(jié)構(gòu)的特征阻抗為35.5Ω,微波有效折射率與光波有效折射率匹配,即Nm=No=2.15.由式(2)可知,帶寬與Nm-No,f,l,α0均相關(guān),當(dāng)微波有效折射率與光波有效折射率匹配時(shí)(Nm=No),式(2)可以簡(jiǎn)化為H(f)=[1?exp(?αl)]/(αl).(7)Η(f)=[1-exp(-αl)]/(αl).(7)在電極長(zhǎng)度確定的情況下,其帶寬僅受電極的微波損耗限制.電極的損耗包括導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗,其中以導(dǎo)體損耗為主,在頻率不是很高的情況下,輻射損耗和介質(zhì)損耗可忽略.文獻(xiàn)中提出采用電感增量法來(lái)計(jì)算CPW電極的導(dǎo)體損耗系數(shù)的方法,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明具有一定的精度,其損耗系數(shù)計(jì)算式為α=12μ0Z∑mRm?LI?nm?(8)α=12μ0Ζ∑mRm?LΙ?nm?(8)式中:μ0為真空磁導(dǎo)率;Z為微波特征阻抗;Rm=(πμ0ρf)1/2為第m個(gè)電壁的表面電阻,ρ為電阻率,f為微波頻率;LI為分布電感;nm為第m個(gè)電壁的法線(xiàn)方向折射率.選取足夠小的步長(zhǎng)(≤趨膚深度/2),數(shù)值計(jì)算得到微波損耗系數(shù)α.在電極長(zhǎng)度l=30mm時(shí),利用式(7)(8)得到器件的電光響應(yīng)曲線(xiàn)如圖4所示,由此得到器件的3dB帶寬為25GHz.另外用有限元法計(jì)算其電光重疊積分Γ,取工作波長(zhǎng)為1550nm,l為30mm,由式(1)得其半波電壓值約為3.0V.3m-z干涉儀結(jié)構(gòu)按上述設(shè)計(jì)制作了鈦擴(kuò)散鈮酸鋰相位調(diào)制器.為便于測(cè)量其電光響應(yīng)和其他參數(shù),將2個(gè)平行的相位調(diào)制器輸入輸出分別用y分支波導(dǎo)連接起來(lái),構(gòu)成M-Z干涉儀結(jié)構(gòu).對(duì)M-Z1個(gè)干涉臂加載直流電壓,調(diào)節(jié)電壓值,使M-Z干涉儀的光輸出由最大變到最小,所對(duì)應(yīng)的電壓差為相位調(diào)制器半波電壓.另外,用光波元件分析儀可以直接測(cè)試器件的電光響應(yīng)和電反射,工作波長(zhǎng)為1550nm時(shí),器件電反射和電光響應(yīng)測(cè)試曲線(xiàn)分別如圖5(a),5(b)所示.器件主要參數(shù)指標(biāo)的典型值:器件插入損耗≤3.0dB,半波電壓Vπ=2.8V,電反射≤-10dB;相位調(diào)制器帶寬≥17GHz.4電極表面粗糙度在分析鈮酸鋰相位調(diào)制器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,采用窄電極火線(xiàn)寬度、窄電極間距實(shí)現(xiàn)了具有更短的芯片長(zhǎng)度和低半波電壓的相位調(diào)制器.