CN103091871A

CN103091871A - 基于铌酸锂长程表面等离子体波波导和多频带微带天线的微波光波转换器

Info

Publication number: CN103091871A
Application number: CN2012105752265A
Authority: CN
Inventors: 陈明; 陆蓉; 朱海燕; 郑光明; 吕淑媛; 梁猛; 王翀; 董军; 惠战强
Original assignee: Xi'an Post & Telecommunication College
Current assignee: Xi'an Post & Telecommunication College; Xian University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: CN103091871B

Abstract

本发明涉及一种基于铌酸锂长程表面等离子体波波导和多频带微带天线的微波光波转换器，由光波输入保偏光纤、光信号输出保偏光纤、电-光耦合枢纽和多频带微带贴片单极天线组成，电-光耦合枢纽包括硅（Si）衬底，在硅（Si）衬底上键合有SiO₂层、铝（Al）层和被被上、下z-切铌酸锂（LiNbO₃）包层限定的金（Au）条带组成的铌酸锂（LiNbO₃）长程表面等离子体（LRSPP）波波导，在铌酸锂（LiNbO₃）长程表面等离子体（LRSPP）波波导顶部表面有T形金（Au）电极。适合GPS/WLAN/WIMAX应用的多个频段，电-光耦合效率高、结构紧凑和便于集成等特点。

Description

基于铌酸锂长程表面等离子体波波导和多频带微带天线的微波光波转换器

技术领域

本发明涉及光载无线（ROF）系统的微波光波转换器，特别是一种基于铌酸锂长程表面等离子体波波导和多频带微带天线的微波光波转换器。

背景技术

光载无线（ROF）系统对于微波光子通信网络的实现是非常重要的。该系统需要利用光调制器实现由微波/毫米波信号至光信号的转换。

使用集成天线和电极的电-光（EO）微波-光波转换器是一个有希望实现无线信号直接调制光的器件^[1]。继Iezekiel，S.^[1]之后，报道了几种使用天线-耦合电极的EO微波光波转换器^[2-3]，2011年，日本大阪大学工程科学学院的YusufNur Wijayantoet al，提出了一种新的微波-光转换器，即由在贴片天线中嵌入窄间隙（被用作光波导）实现。它可以直接接收工作频率为18GHz的无线微波信号并将其直接转换为光信号，具有简单和平面的结构，无需提供外部电源^[4]。进一步，于2012年，Yusuf Nur Wijayanto etal.，又提出了采用平面八木阵天线耦合共振电极的电-光无线毫米波光波信号转换器^[5]。

然而，上述研究存在的一个问题是：（1）频带较窄不适合多频带工作；（2）电-光耦合效率不够高。（3）结构不够紧凑。

以下是发明人检索的相关参考文献：

[1]Iezekiel，S.:‘Microwave photonics:Devices and applications’（JohnWiley&Sons Ltd，Chichester，UK，2009）。

[2]F.T.Sheehy，W.B.Bridges，and J.H.Shaffner，“60GHz and94GHzantenna-coupled LiNbO₃electrooptic modulaors，”IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.5，no.3，pp.307-310（1993）。

[3]H.Murata，N.Suda，Y.Okamura，“Electro-Optic Microwave-LightwaveConverter Using Antenna-Coupled Electrodes and PolarizationreversedStructures”，Proceedings of the Conference on Laser and Electro-Optic2008(CLEO2008），CMP1，San Jose USA（2008）。

[4]H.Murata，N.Suda，R.Miyanaka，and Y.Okamura，“Electro-OpticModulators Utilizing Patch-Antenna-Coupled Electrodes andPolarization-Reversed Structures”，Proceedings ofthe2010Asia-PacificMicrowave Photonics Conference(APMP2010），Hongkong（2010）。

[5]Yusuf Nur Wijayanto，etal.，Electro-Optic Microwave-LightwaveConverter Using Patch Antenna Embedded with a Narrow Gapfor OpticalModulation，Lasers and Electro-Optics（CLEO），2011Conference on，1-6May2011。

[6]Y.N.Wijayanto，H.Murata，and Y.Okamura，Electro-Optic WirelessMillimeter-Wave-Lightwave Signal Converters Using Planar Yagi-Uda ArrayAntennas Coupled to Resonant Electrodes，201217th Opto-Electronics andCommunications Conference（OECC2012）Technical Digest July2012，Busan，Korea。

[7]H.Raether，SurfacePlasmons on SmoothandRough Surfaces and onGratings（Springer，Berlin，1988），Vol.111。

[8]W.L.Barnes，J.Opt.A，Pure Appl.Opt.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 W.Johnstone，J.LightwaveTechnol.10，163（1992）。

[11]M.Levy，R.M.Osgood，Jr.，R.Liu，L.E.Cross，G.S.Cargill III，A.Kumar，and H.Bakhru，Appl.Phys.Lett.73，2293（1998）。

[12]T.A.Ramadan，M.Levy，and R.M.Osgood，Jr.，Appl.Phys.Lett.76，1407（2000）。

[13]P.Rabiei and P.Gunter，Appl.Phys.Lett.85，4603（2004）。

[14]P.Berini，Phys.Rev.B61，10484（2000）。

[15]P.Berini，Phys.Rev.B63，125417（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）。

发明内容

针对所述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种基于铌酸锂长程表面等离子体波波导和多频带微带天线的微波光波转换器。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种基于铌酸锂长程表面等离子体波波导和多频带微带天线的微波光波转换器，由光波输入保偏光纤、光信号输出保偏光纤、电-光耦合枢纽和多频带微带贴片单极天线组成，其中，所述的电-光耦合枢纽包括硅（Si）衬底，在硅（Si）衬底上有SiO₂层、接地铝（Al）电极薄层和被上、下z-切铌酸锂（LiNbO₃）包层限定的金（Au）条带组成的铌酸锂（LiNbO₃）长程表面等离子体（LRSPP）波波导，在铌酸锂（LiNbO₃）长程表面等离子体（LRSPP）波波导顶部表面有T形金（Au）电极。其中，T形金（Au）电极和接地铝（Al）电极构成耦合电极，而T形金（Au）电极与多频带微带贴片单极天线直接连接。

所述的多多频带微带贴片单极天线包括基板，基板的介电常数ε_r为3.55，所述的基板上有多频带微带贴片单极天线的接收器和天线的缺陷接地结构。

本发明的基于铌酸锂长程表面等离子体波波导和多频带微带天线的微波光波转换器，适合GPS/WLAN/WIMAX的多个频段应用（1.5GHz～1.8GHz频段，中心频率1.57HGz；或2.39GHz～2.5GHz频段，中心频率2.4GHz；或3.4GHz～3.7GHz频段，中心频率3.5GHz；或者5GHz～6.1GHz频段，中心频率5.5GHz），具有电-光耦合效率高、结构紧凑和便于集成等特点。

附图说明

图1为本发明的原理图；图1中，Ⅰ、Ⅲ为保偏光纤；Ⅱ为电-光耦合枢纽。

图2为本发明的基于铌酸锂长程表面等离子体波波导和多频带微带天线的微波光波转换器结构示意图（顶示）。

图3表示图2中B的横截面图；

图4是多频带微带贴片单极天线的装配式结构，其中（a）为接收器，（b）为缺陷接地结构；

图5是电-光耦合枢纽的结构图；

图6是电-光耦合枢纽采取反称结构图；

图7是电-光耦合枢纽制备流程图；

图8是两种方法嵌入Au电极流程，其中，图8a基于使用相同的光阻图案在铌酸锂晶体蚀刻的沟槽，和去除多余的金；图8b所示为采用化学抛光法（CMP）。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

需要说明的是，在以下的实施例中，申请人给出的参考文献将被应用。

一、原理

本发明所述的基于铌酸锂长程表面等离子体波波导和多频带微带天线的微波光波转换器，其原理图参见图1，图中，Ⅰ、Ⅲ为保偏光纤；Ⅱ为电-光耦合枢纽，光波从保偏光纤输入，无线射频/微波从电-光耦合枢纽Ⅱ输入，电-光耦合枢纽Ⅱ输出的光信号由保偏光纤Ⅲ输出。

二、结构

参见图2，本实施例给出一种基于铌酸锂（LiNbO₃）长程表面波等离子体（LRSPP）波波导^[6-19]和多频带微带贴片单极天线的微波-光波转换器，由光波输入保偏光纤A、光信号输出保偏光纤C、电-光耦合枢纽B和多频带微带贴片单极天线D组成，其中，电-光耦合枢纽B包括硅（Si）衬底，在硅（Si）衬底上键合有SiO₂层、铝（Al）层和被上、下z-切铌酸锂（LiNbO₃）包层限定的金（Au）条带组成的长程表面等离子体（LRSPP）波波导，在铌酸锂（LiNbO₃）长程表面等离子体（LRSPP）波波导顶部有金（Au）电极。耦合电极由上述的T形金（Au）电极和接地铝（Al）电极构成。通过采用偏振波保持光纤对接耦合至长程表面等离子体（LRSPP）波波导输入端的方式实现光波激励。

三、工作原理及工艺

1．工作原理

表面等离子体波（SPPs）是横向极化磁场表面波，沿介质表面传播，又被介质束缚的高密度自由载流子^[7，8]。铌酸锂（LiNbO₃）具有显著的非线性、电-光和声-光特性。制作匹配结晶包层的方法为：直接键合和减薄，直接键合可在低温下实施；直接键合不涉及粘接材料，要键合的材料不需要晶格匹配。

直接结合需要：（1）小于5nm偏差的平坦度；（2）通过适当的清洁和处理的表面活化性；一个很好的直接键合导致无有宏观缺陷的无缝材料界面。

各种各样的材料均可被直接键合，包括铌酸锂（LiNbO₃）与自身以及与其它材料。进一步，铌酸锂（LiNbO₃）可抛光，以便获得更薄的层^[9，10]；或用晶体离子切削从主晶片剥离出薄层^[11，12]。晶体离子切削也可以与直接键合进行直接接合，在另一衬底上产生铌酸锂（LiNbO₃）薄层^[13]。以这样的方式^[9-13]获取的薄铌酸锂（LiNbO₃）晶体层，保留了其整体性质。

本实施例中，电-光耦合枢纽的结构如图3所示。包括硅（Si）衬底，在硅（Si）衬底上有SiO₂层、接地铝（Al）薄层和被上、下z-切铌酸锂（LiNbO₃）包层限定的金条带所组成的铌酸锂（LiNbO₃）长程表面等离子体（LRSPP）波波导，以及位于顶部铌酸锂（LiNbO₃）包层上表面的T形Au电极。一旦在最上方的Au电极和接地的Al电极薄层之间施与外加电压（由如图4所示的天线产生），由于电光效应，必然导致在LiNbO₃晶体中出现沿金（Au）条带传播的

导光波模的调制。这是因为，沿波导传播的

模的主要横向电场分量取向垂直于金属条带^[14]，即沿包层的z轴，这样，应用外加垂直电场就可以利用铌酸锂（LiNbO₃）晶体的最强电光系数。

模主要与ne（即LiNbO₃的异常折射率）相互作用，ne被外加电场E调制，按照

对于LiNbO₃在λ₀＝1550nm，n_e=2.1377和r₃₃=29.9pm/V。

顶部与底部z-切LiNbO₃包层，两者取向可以相同也可以相反，如图5所示。若采取反向对齐的顶部和底部LiNbO₃包层（如图6所示），所施加的外电场E使一个包层的折射率增加为Δn，而使另一个包层的折射率减少相同量，这样，在波导结构中出现了包括2Δn的折射率不对称。这个反称横切了模^[15]，迫使它辐射到高折射率的包层^[16]，正如热-光结构那样^[17， ^18]，于是导致宽带强度调制。若采取同向对齐的顶部和底部LiNbO₃的包层，则所施加的外电场E使两个包层的折射率同等的增加或减少Δn，于是给予模相位调制。基于光学模拟^[19]，埋入的金条带的厚度t=20nm–22nm；宽度w=0.95μm–2μm；这样使波导有合理的低损耗（几dB/mm）和可处理的模尺寸。最终，所需的铌酸锂包层的厚度为10μm–15μm。本发明采用如图6所示的顶部与底部LiNbO₃包层取向。

利用这种波导结构，未来有可能实现基础电子器件与光电器件在同一Si圆晶上的集成。

2、主要工艺步骤流程

如图7所示，为了使铌酸锂晶体包层成功地进行圆晶键合，金条带（Au）必须嵌入到铌酸锂晶片的表面和被平坦化，以至于得到的表面有足够的光滑（偏差小于约5nm）。在实施一系列工艺流程后，在第一个LiNbO₃圆晶上植入平坦金条带，并最终形成为上部包层。一旦金条带被嵌入，该LiNbO₃晶片被翻转和直接键合至第二个LiNbO₃圆晶片，这样将形成为下部包层。该第二LiNbO₃晶片需要经过研磨和抛光以达到适合下部包层需要的厚度d，然后将铝（Al）沉积到此圆晶片的底表面以形成接地铝（Al）电极，该接地铝（Al）电极再与SiO₂薄层相接。这样形成的LiNbO₃堆栈再直接键合至在si圆晶上的SiO₂薄层上。

然后，第一个LiNbO₃圆晶片经过研磨和抛光至上部包层所需的厚度d。最后，光波导顶部Au电极可通过沉积1μm厚的Au采取光刻工艺实现，顶部Au电极的宽度为10μm。由此最终形成的光波导长l＝4mm；宽W_b=7mm（参见图2）。

LiNbO₃和Si具有不同的热膨胀系数，但全部工艺步骤均在低温下实施。在这个工艺流程的初期，顶部LiNbO₃层至底部LiNbO₃层直接键合步骤在室温下进行，并随后在300℃下实施退火。所有随后的处理步骤均在低于150℃的温度下进行。LiNbO₃/Al/SiO₂堆栈至SiO₂/Si的直接结合也在室温下进行，之后经历一个低温下退火处理。

在顶部和底部LiNbO₃包层之间的直接键合界面处，应是无缝的和没有宏观缺陷的。

2、嵌入金（Au）条带的流程：

图8显示两种方法嵌入Au条带，其中，图8a是基于使用相同的光阻图案在铌酸锂晶体蚀刻的沟槽和去除多余的金。图8b所示为采用化学抛光法（CMP）。因为铌酸锂的化学腐蚀是困难的，以至于离子束研磨用于蚀刻的沟槽，进入其中的Au随后沉积。由于所需要的所有步骤容易实现，故本实施例中采用图8a的方法。Au条带的宽度为2μm、厚20nm。该Au条带被埋入上述长l=4mm、宽W_b=7mm光波导的中线，而顶端Au电极的宽度为10μm。

4、天线参数及制作：

多频带微带贴片单极天线D的装配式结构如图4所示。包括基板，基板上有多频带微带贴片单极天线的接收器（图4a）和天线的缺陷接地结构（图4b）。尺寸为L_g×W的部分表示有缺陷接地的基片区域，而其余部分表示完全没有接地板的基片区域。

天线所用基板的介电常数ε_r为3.55，基板的厚度为0.8毫米，微带贴片单极天线D的整体尺寸为12×24mm²，参数如表1所示。

表1：天线的参数

Claims

1.一种基于铌酸锂长程表面等离子体波波导和多频带微带天线的微波光波转换器，其特征在于，由光波输入保偏光纤、光信号输出保偏光纤、电-光耦合枢纽和多频带微带贴片单极天线三部分组成，其中，所述的电-光耦合枢纽包括硅（Si）衬底，在硅（Si）衬底上有SiO₂层、接地铝（Al）电极薄层和被上、下z-切铌酸锂（LiNbO₃）包层限定的金条带所组成的铌酸锂（LiNbO₃）长程表面等离子体（LRSPP）波波导，在铌酸锂（LiNbO₃）长程表面等离子体（LRSPP）波波导的顶部表面有T形金（Au）电极，T形金（Au）电极与接地的Al电极构成耦合电极，而T形金（Au）电极与多频带微带贴片单极天线直接连接。

2.如权利要求1所述的基于铌酸锂长程表面等离子体波波导和多频带微带天线的微波光波转换器，其特征在于，所述的多频带微带贴片单极天线包括基板，基板的介电常数ε_r为3.55，所述的基板上有多频带微带贴片单极天线的接收器和天线的缺陷接地结构。