CN104483543A - 一种微波频率测量芯片及其应用方法、制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波频率测量芯片及其应用方法、制备方法。微波频率测量芯片包括光栅耦合器、相位调制器、基于微环谐振腔的滤波器、总线波导。光信号通过耦合光栅耦合进入芯片，光载波信号在总线波导中进行传输，首先通过相位调制器，待测未知微波信号通过强度调制器对光载波信号进行调制，调制后的信号通过总线波导进入微环谐振腔，分别在滤波器的上、下话路端输出两路光功率，通过计算的已测光功率的比值，即可确定未知的微波信号。本发明的优点是采用硅基光子集成芯片来实现对未知微波信号的检测、具有芯片体积小、重量轻、集成度高、成本低，并且对电磁干扰免疫的优点。本发明同时还公开了此芯片的应用方法、制作方法。

Description

一种微波频率测量芯片及其应用方法、制作方法

技术领域

本发明涉及平面光波导集成领域，尤其涉及的是一种基于硅基光电子技术的微波频率测量芯片及其应用方法、制作方法。

背景技术

在电子信息战中,快速确定拦截到的射频信号的频率具有着很重要的意义，可用于雷达信号和通信信号的截取和窃听、电子对抗和反对抗等。随着毫米波技术和光电技术的发展，使现代电子信息战的装备的工作频率不断向更宽的频段发展，电子信息战的内容也从第一次世界大战时的通信对抗发展到二次大战的雷达对抗、导航对抗等射频对抗，以及今天的红外、激光、水声对抗等。从发展趋势上来看，未来电子战装备的工作范围将会向更宽的电磁频谱扩展，但是提高电子系统的带宽会变的越来越困难，系统体积和重量的增加会严重影响器件在实际中的应用，传统的电子频率测量机制的性能由于电子瓶颈的限制将不能满足未来战争的需要。

近年来，基于光子学手段的微波频率测量引起了人们的关注，和传统的电子学微波频率测量技术相比，基于光子技术进行微波频率测量具有处理带宽大、损耗小，体积小，重量轻，和抗电磁干扰能力强等一系列优点。基于光子技术微波频率测量手段在增强国防实力和发展新一代智能无线通信技术等领域具有极其重要和广阔的应用前景。目前已经报道的光子手段进行微波频率测量的方案主要包括以下三种方案：其一是构建未知未知频率和时间的函数，微波信号对光载波进行调制，通过测量两个边带在经过一段色散介质后产生的时延差的大小来确定未知频率，但是这种手段受到仪器的限制且测量误差较大；其二是构建未知微波频率和空间的函数，小信号调制下，将光边带与光载波在频域上的间隔转换成空间上的分布，从而检测出待测信号的微波频率，一般采用啁啾布拉格光栅，自由空间衍射光栅，棱镜的组合等。其三，是构建未知微波频率和光功率强度的函数，通过光学梳状滤波器或者光纤光栅对光边带进行滤波，将微波频率信息转换成光强度的变化，这也是目前的主要研究方向之一，这种方案的优点在于低速的光电探测器即可满足需要，但是也存在测频范围受限等一些问题。目前的报道中，以上三种方案多是基于分立的光学元器件，价格昂贵而且测试系统笨重且稳定性较差。因此采用集成光子芯片技术进行制作，是当前研究的热点之一，目前集成光学的平台较多，包括玻璃、氮化硅、化合物半导体，目前报道的主要是基于氮化硅或者化合物半导体平台的设备，这些平台各具优缺点，其中采用硅基光子技术的集成光子芯片，具有成本低，集成度高，便于和电子芯片集成等一系列的优点，具有很好的发展潜力和应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于微波频率测量的芯片及其应用方法、制作方法，是利用微环谐振腔的上下的光功率比值变化来实现对微波频率的测量，利用微波信号对载波信号的调制后引起的频率偏移，通过对这种光功率变化的比值的测量来判断微波频率。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种微波频率测量芯片，其包括光栅耦合器、相位调制器、基于微环谐振腔的滤波器以及用于将该光栅耦合器、该相位调制器、该滤波器之间达成信号传输的总线波导，该滤波器具有位于该微环谐振腔相对两侧的上话路输出端和下话路输出端；

其中，该光栅耦合器用于接收光信号输出光载波信号；该光载波信号在该总线波导中进行传输，首先通过该相位调制器，待测未知微波信号通过该相位调制器对该光载波信号进行调制；调制后的信号通过该总线波导进入该滤波器的微环谐振腔中，该滤波器使该调制后的信号中满足谐振条件的光波在该微环谐振腔中发生谐振以获得滤波谱线并在该上话路输出端输出第一路光功率，该滤波器还使该调制后的信号中未满足谐振条件的光波在该下话路输出端输出第二路光功率。

作为上述方案的进一步改进，该相位调制器采用行波电极。优选地，该相位调制器为PN结的电气结构。再优选地，该总线波导在该相位调制器内的光波导模式区重叠于该PN结的结区。

作为上述方案的进一步改进，该微波频率测量芯片还设置有至少一个热隔离槽，该热隔离槽用于使该微环谐振腔隔离于该相位调制器在调制时伴随的热效应。优选地，该热隔离槽沿该微环谐振腔的外围设置。

作为上述方案的进一步改进，该微波频率测量芯片还包括衬底层、设置在该衬底层上的芯层、设置在该芯层上的覆盖层；该光栅耦合器、该相位调制器、该滤波器、该总线波导集成在该芯层上，并由该覆盖层覆盖。

本发明还提供上述任意微波频率测量芯片的应用方法，通过计算该第一路光功率与该第二路光功率的比值即可确定待测未知微波信号的微波频率。

作为上述方案的进一步改进，该相位调制器输出的该调制后的信号为两个一阶双边带信号E(t)满足： $E\left(t\right)=1\sqrt{P_0}{J}_1\left(\mathrm{\β}\right)\exp \left(1\mathrm{wt}\right)\×[\exp (-1\mathrm{\Ωt})+\exp \left(1\mathrm{\Ωt}\right)];$ 其中，w：光波角频率；P₀：微波信号角频率；J₁：激光器的光功率；β：调制深度；一阶贝塞尔函数；Ω：待测未知微波信号的微波频率引起的偏移；t：时间；假定该光载波信号的光载波频率固定在w₀，则该第一路光功率与该第二路光功率的比值R₁，满足其中，该待测未知微波信号的微波频率引起的偏移为Ω＝w-w₀，P_A、P_B分别为该第一路光功率与该第二路光功率；F为谐振腔的自由光谱区的宽度。

本发明还提供上述任意微波频率测量芯片的制作方法，其包括以下步骤：

准备好设置有芯层的衬底层；在该芯层表面旋涂一层光刻胶并曝光；转移该微波频率测量芯片的无源器件的图形到该光刻胶上；对该图形刻蚀完成该微波频率测量芯片的无源部分的制作，获得光栅耦合器、总线波导、滤波器；在该芯层表面氧化一层二氧化硅薄膜，然后进行开窗，开窗后进行N型杂质原子掺杂；退火后重新氧化一层保护膜，然后开窗，进行P型杂质掺杂，实现半导体反型，形成PN结；形成PN结后，即可进行欧姆接触的制作，再次开窗，对轻掺区的边缘进行重掺杂以形成电学连接；退火后再次氧化一层薄膜，开窗后再次进行N型重掺杂，形成N型电气连接；重新氧化一层氧化层；对氧化层开孔，填充，制作行波电极，完成欧姆接触即相位调制器的制作。

本发明具有的有益的效果是：本发明所涉及的微波频率测量芯片，可用于对未知微波频率进行检测，芯片上集成了调制器，滤波器，热隔离槽等，实现了单片有源和无源器件的集成，在一颗芯片上可以实现微波信号的加载和检出，在体积、稳定性、功耗等多个方面具有显著优势。

附图说明

图1为本发明较佳实施方式提供的微波频率测量芯片的模块结构示意图。

图2为图1中微波频率测量芯片的三维立体示意图。

图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f、图3g、图3h、图3i、图3j为本发明较佳实施方式提供的微波频率测量芯片的制备流程图；其中，图3a为SOI芯片截面示意图；图3b为光刻示意图；图3c、图3d为干法刻蚀剖面示意图；图3e为P型注入示意图；图3f为P型重掺示意图；图3g为N型重掺示意图；图3h为制作氧化层示意图；图3i为开孔示意图；图3j为制作完工后的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明的微波频率测量芯片基于硅基光电子技术，包括光栅耦合器5、相位调制器8、基于微环谐振腔7的滤波器、总线波导9。总线波导9用于将该光栅耦合器5、该相位调制器8、该滤波器之间达成信号传输。

光栅耦合器5用于接收光信号输出光载波信号。该光载波信号在总线波导9中进行传输，首先通过相位调制器8。待测未知微波信号通过相位调制器8对该光载波信号进行调制。调制后的信号通过总线波导9进入该滤波器的微环谐振腔7中。

该滤波器具有位于微环谐振腔7相对两侧的上话路输出端10和下话路输出端11。该滤波器采用了微环谐振腔，可以使满足谐振条件的光波在微环谐振腔7中发生谐振，从而获得滤波谱线。该滤波器使该调制后的信号中满足谐振条件的光波在微环谐振腔7中发生谐振以获得滤波谱线并在上话路输出端10输出第一路光功率，该滤波器还使该调制后的信号中未满足谐振条件的光波在该下话路输出端11输出第二路光功率。

请一并结合图2，该微波频率测量芯片包括衬底层1、设置在该衬底层1上的芯层2、设置在该芯层2上的覆盖层4。光栅耦合器5、相位调制器8、滤波器、总线波导9集成在芯层2上，并由覆盖层4覆盖。该微波频率测量芯片可将相位调制器8周围的顶层硅被刻蚀，然后在刻蚀的部位填充一层二氧化硅，来降低温度对微环谐振腔7的影响。总线波导9以波导芯层3的形式集成在芯层2上。

该微波频率测量芯片在应用时，其应用方法：通过计算该第一路光功率与该第二路光功率的比值即可确定待测未知微波信号的微波频率。

微波频率测量芯片的核心是该滤波器。该滤波器一个正交的光学微环滤波器，为了构建能够对微波频率进行测试的，首先一个光载波被未知的微波信号调制，然后经过相位调制器8后耦合进光学微环滤波器，通过在小信号模型下，相位调制器8的输出为两个一阶双边带信号，公式可以表示为：

$E\left(t\right)=1\sqrt{P_0}{J}_1\left(\mathrm{\β}\right)\exp \left(1\mathrm{wt}\right)\×[\exp (-1\mathrm{\Ωt})+\exp \left(1\mathrm{\Ωt}\right)]$

其中，光波角频率w；微波信号角频率P₀；激光器的光功率J₁；一阶贝塞尔函数，β＝调制深度；微波信号的电压幅值Vm；调制器的半波电压V；Ω：待测未知微波信号的微波频率引起的偏移；t：时间；。

假定光载波频率固定在w₀，则微波频率的引起的偏移为w-w₀＝Δw，P_A，P_B分别为上下路端接受到光功率。则

贝塞尔函数等项可以被消掉，那么可以推得，不同的待测频率分别对应的不同功率比值R₁。通过对功率比值R₁的测量即可推算出未知频率Ω。

相位调制器8可采用行波电极6，可以实现电信号和光信号同步的在器件中同步传播，获得最佳的调制效果。优选地，相位调制器8为PN结的电气结构，可以实现对光载波的高速调制，形成高速相位调制器。总线波导9在相位调制器8内的光波导模式区可重叠于该PN结的结区，PN结的结区与光波导模式区的重叠可以高效的实现载流子变化对光波的调制作用。

该微波频率测量芯片还可设置有至少一个热隔离槽12，热隔离槽12用于使该微环谐振腔隔7离于该相位调制器8在调制时伴随的热效应，热隔离槽12优选沿该微环谐振腔7的外围设置。在本实施方式中，采用四个热隔离槽12包围微环谐振腔隔7。本发明采用了热隔离槽，可有效隔绝高速调制时，调制器伴随的热效应对谐振腔的干扰，可以有效提高芯片工作的稳定性。

该微波频率测量芯片的制作方法包括以下步骤：准备好设置有芯层的衬底层；在该芯层表面旋涂一层光刻胶并曝光；转移该微波频率测量芯片的无源器件的图形到该光刻胶上；对该图形刻蚀完成该微波频率测量芯片的无源部分的制作，获得光栅耦合器、总线波导、滤波器；在该芯层表面氧化一层二氧化硅薄膜，然后进行开窗，开窗后进行N型杂质原子掺杂；退火后重新氧化一层保护膜，然后开窗，进行P型杂质掺杂，实现半导体反型，形成PN结；形成PN结后，即可进行欧姆接触的制作，再次开窗，对轻掺区的边缘进行重掺杂以形成电学连接；退火后再次氧化一层薄膜，开窗后再次进行N型重掺杂，形成N型电气连接；重新氧化一层氧化层；对氧化层开孔，填充，制作行波电极，完成欧姆接触即相位调制器的制作。

在本实施方式中，本发明可以与成熟的微电子工艺兼容，加工步骤包括以下几个步骤，主要包括无源器件制作和有源部分制作两个环节，其中以SOI芯片为例，但具体实施绝不仅限于此例。

图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f、图3g、图3h、图3i、图3j为本发明较佳实施方式提供的微波频率测量芯片的制备流程图；其中，图3a为SOI芯片截面示意图；图3b为光刻示意图；图3c、图3d为干法刻蚀剖面示意图；图3e为P型注入示意图；图3f为P型重掺示意图；图3g为N型重掺示意图；图3h为制作氧化层示意图；图3i为开孔示意图；图3j为制作完工后的示意图。

准备好下限制层2μm芯层220nm的硅片，限制层也就是衬底层作为基层。首先对硅片表面进行清洗，然后在表面旋涂一层光刻胶，然后转移使用光刻板进行曝光，首先转移无源器件的图形到芯片上，如图(b)所示，转移图形采用干法刻蚀，即可完成器件无源部分的制作，获得耦合光栅5、无源波导、微环谐振腔7，如图(c)所示；在芯片表面氧化一层二氧化硅薄膜，然后对芯片进行开窗，开窗后进行N型杂质原子掺杂，如图(d)所示，退火后重新氧化一层保护膜，然后开窗，进行P型杂质掺杂，实现半导体反型，形成PN结，如图(e)所示，形成PN结后，即可进行欧姆接触的制作，再次开窗，对轻掺区的边缘进行重掺杂以形成电学连接，如图(f)所示，退火后再次氧化一层薄膜，开窗后再次进行N型重掺杂，形成N型电气连接，如图(g)所示，重新氧化一层氧化层，同时对顶层硅进行刻蚀，形成热隔离槽，然后重新氧化一层氧化层，如图(h)所示，对氧化层开孔，填充，制作行波电极6，完成欧姆接触的制作。

本发明的基于平面光波导技术的硅基光子频率测量的技术方案，在一颗芯片可以实现对微波频率的检测，具有集成度高，结构紧凑，架构简单，功能多样，且其制作方法简单，在SOI基片上利用传统的半导体工艺即可完成，制作过程与微电子产业的CMOS工艺兼容。上述介绍的本发明的工作机理，芯片的工作包括两个部分，调制器和微环谐振腔，分别对应频率信息的电光转换和未知信号的处理，基于频率和光功率比值的映射来进行位置频率的传感。

综上所述，本发明具有的有益的效果是：本发明所涉及的微波频率测量芯片，可用于对未知微波频率进行检测，芯片上集成了调制器，滤波器，热隔离槽等，实现了单片有源和无源器件的集成，在一颗芯片上可以实现微波信号的加载和检出，在体积、稳定性、功耗等多个方面具有显著优势。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微波频率测量芯片，其特征在于：其包括光栅耦合器、相位调制器、基于微环谐振腔的滤波器以及用于将该光栅耦合器、该相位调制器、该滤波器之间达成信号传输的总线波导，该滤波器具有位于该微环谐振腔相对两侧的上话路输出端和下话路输出端；

其中，该光栅耦合器用于接收光信号输出光载波信号；该光载波信号在该总线波导中进行传输，首先通过该相位调制器，待测未知微波信号通过该相位调制器对该光载波信号进行调制；调制后的信号通过该总线波导进入该滤波器的微环谐振腔中，该滤波器使该调制后的信号中满足谐振条件的光波在该微环谐振腔中发生谐振以获得滤波谱线并在该上话路输出端输出第一路光功率，该滤波器还使该调制后的信号中未满足谐振条件的光波在该下话路输出端输出第二路光功率。

2.如权利要求1所述的微波频率测量芯片，其特征在于：该相位调制器采用行波电极。

3.如权利要求2所述的微波频率测量芯片，其特征在于：该相位调制器为PN结的电气结构。

4.如权利要求3所述的微波频率测量芯片，其特征在于：该总线波导在该相位调制器内的光波导模式区重叠于该PN结的结区。

5.如权利要求1所述的微波频率测量芯片，其特征在于：该微波频率测量芯片还设置有至少一个热隔离槽，该热隔离槽用于使该微环谐振腔隔离于该相位调制器在调制时伴随的热效应。

6.如权利要求5所述的微波频率测量芯片，其特征在于：该热隔离槽沿该微环谐振腔的外围设置。

7.如权利要求1所述的微波频率测量芯片，其特征在于：该微波频率测量芯片还包括衬底层、设置在该衬底层上的芯层、设置在该芯层上的覆盖层；该光栅耦合器、该相位调制器、该滤波器、该总线波导集成在该芯层上，并由该覆盖层覆盖。

8.一种如权利要求1至7中任意一项所述的微波频率测量芯片的应用方法，其特征在于：通过计算该第一路光功率与该第二路光功率的比值即可确定待测未知微波信号的微波频率。

9.如权利要求8所述的微波频率测量芯片的应用方法，其特征在于：该相位调制器输出的该调制后的信号为两个一阶双边带信号E(t)满足：

$E\left(t\right)=1\sqrt{P_0}{J}_1\left(\mathrm{\β}\right)\exp \left(\mathrm{jwt}\right)\×[\exp (-\mathrm{j\Ωt})+\exp \left(\mathrm{j\Ωt}\right)];$

其中，w：光波角频率；

P₀：微波信号角频率；

J₁：激光器的光功率；

β：调制深度：一阶贝塞尔函数；

Ω：待测未知微波信号的微波频率引起的偏移；

t：时间；

假定该光载波信号的光载波频率固定在w₀，则该第一路光功率与该第二路光功率的比值R₁，满足其中，该待测未知微波信号的微波频率引起的偏移为Ω＝w-w₀，P_A、P_B分别为该第一路光功率与该第二路光功率；F为谐振腔的自由光谱区的宽度。

10.一种如权利要求1至7中任意一项所述的微波频率测量芯片的制作方法，其特征在于：其包括以下步骤：

准备好设置有芯层的衬底层；

在该芯层表面旋涂一层光刻胶并曝光；

转移该微波频率测量芯片的无源器件的图形到该光刻胶上；

对该图形刻蚀完成该微波频率测量芯片的无源部分的制作，获得光栅耦合器、总线波导、滤波器；

在该芯层表面氧化一层二氧化硅薄膜，然后进行开窗，开窗后进行N型杂质原子掺杂；退火后重新氧化一层保护膜，然后开窗，进行P型杂质掺杂，实现半导体反型，形成PN结；形成PN结后，即可进行欧姆接触的制作，再次开窗，对轻掺区的边缘进行重掺杂以形成电学连接；退火后再次氧化一层薄膜，开窗后再次进行N型重掺杂，形成N型电气连接；重新氧化一层氧化层；对氧化层开孔，填充，制作行波电极，完成欧姆接触即相位调制器的制作。