CN108387788B - 制备集成共路干涉电场传感器的最优光学偏置点筛选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备集成共路干涉电场传感器的最优光学偏置点筛选方法，属于光学电场传感器技术领域。该方法先根据静态偏置点随光波波长及光波导预扩散宽度的分布曲线，在制造集成共路干涉电场传感器所需的晶片单元上，设置N条具有不同预扩散宽度的平行光波导，并在常用光源波段中选取M条具有不同波长的光波；然后将设置的N条光波导的预扩散宽度值和选取的M条光波的波长值两两相乘进行组合，筛选出最接近90°的光学偏置点作为最优光学偏置点，并确定该最优光学偏置点所在的光波导；最后根据筛选出的所述晶片单元上具有最优光学偏置点的光波导，制造集成共路干涉电场传感器。本发明能够降低光波导设计和测试的复杂度，提高晶片的利用率。
Description
技术领域
本发明属于光学电场传感器技术领域，尤其涉及一种制备集成共路干涉电场传感器的最优光学偏置点筛选方法。
背景技术
集成共路干涉电场传感器包括设有光波导的晶片单元(对于集成光学电场传感器，光波导需要满足：较低的传输损耗；仅支持基模传输；波导端面光洁度能够保证与光纤的有效耦合。从1974年首次制作出Ti(Ti，代表金属元素钛)扩散光波导开始，钛扩散法(即Ti扩散法)被公认为是在衬底材料上加工高质量光波导的最为有效的方法。Ti扩散光波导制作完成后，在晶圆上套刻金属电极。沿所设计的切割金线将晶片单元从3英寸晶圆上切割下来，为降低光纤/波导耦合时的插入损耗需进行晶片端面的研磨抛光。为降低晶片端面引起的反射损耗，需将晶片磨斜为11°)、与光波导相耦合的光纤，以及相应的封装结构，晶片单元的光学特性将直接影响传感器的电气特性。光在传输中由光波导双折射产生的附加相位差称为光学偏置点，集成共路干涉电场传感器的光学偏置点由光波导的光学特性决定。理想情况下，集成共路干涉电场传感器的光学偏置点需控制在90°，也即集成共路干涉电场传感器的固有光学偏置点应尽量接近90°。这就要求传感器晶片单元的光学偏置点与理想值的偏差需控制在一定范围内，否则，传感器的输出波形将产生畸变，导致传感器的失效。
但在光学电场传感器领域中，常用的M-z干涉传感器和共路干涉传感器，其光学偏置点难以控制。对于M-z干涉式传感器，若要得到理想的光学偏置点，则光波导两臂的光程差需要为微米量级，现有的光波导制作工艺无法达到此精度。对于共路干涉传感器，由于扩散工艺的稳定性，和晶元的均一性难以保证，实际制作中光波导的静态偏置点呈随机分布，导致该类型传感器的成品率较低，限制了传感器的应用。
发明内容
本发明为解决目前集成共路干涉电场传感器的光学偏置点难以控制的问题，提供了一种制备集成共路干涉电场传感器的最优光学偏置点筛选方法。本发明能够降低光波导设计和测试的复杂度，提高晶片的利用率。
为了实现本发明的目的，采用如下技术方案：
一种制备集成共路干涉电场传感器的最优光学偏置点筛选方法，包括以下步骤：
S101：根据静态偏置点随光波波长及光波导预扩散宽度的分布曲线，在制造集成共路干涉电场传感器所需的晶片单元上，设置N条具有不同预扩散宽度且相互独立的平行光波导，并在常用光源波段中选取M条具有不同波长的光波；其中，N条光波导预扩散宽度的差值满足使N条光波导的静态偏置点在静态偏置点随光波波长及光波导预扩散宽度的分布曲线上相差不超过20°，并满足在M种不同波长下，N条光波导均处于单模通光状态；
S102：将所述晶片单元上设置的N条光波导的预扩散宽度值和选取的M条光波的波长值两两相乘进行组合，得到共计M×N种组合，从该M×N种组合中筛选出最接近90°的光学偏置点作为最优光学偏置点，并确定该最优光学偏置点所在的光波导；
S103：根据筛选出的所述晶片单元上具有最优光学偏置点的光波导，制造集成共路干涉电场传感器。
本发明的特点及有益效果：
与一般技术相比，本发明制备集成共路干涉电场传感器的最优光学偏置点筛选方法提出了采用波导预扩散宽度变化与波长变化相结合的光学偏置点组合筛选方法，将光学偏置点的实际结果与设计值之间的偏差控制在很小范围内(如均小于5％)。通过对晶片单元的测试结果表明，从每块晶片单元中筛选出了具有良好光学偏置点的光波导，验证了本发明光学偏置点筛选方法的有效性。另外，本发明提出的光学偏置点筛选方法能够降低光波导设计和测试的复杂度，提高晶片的利用率。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为本实施例光学偏置点随波长及波导宽度的变化示意图；
图3为实施例的光波波长为1310纳米时光学偏置点的变化规律示意图；
图4为实施例的光波波长为1550纳米时光学偏置点的变化规律示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。
请参阅图1，为本发明制备集成共路干涉电场传感器的最优光学偏置点筛选方法的流程示意图。
本发明制备集成共路干涉电场传感器的最优光学偏置点筛选方法，包括以下步骤：
S101：根据静态偏置点随光波波长及光波导预扩散宽度的分布曲线，在制造集成共路干涉电场传感器所需的晶片单元上，设置N条具有不同预扩散宽度且相互独立(即不重叠) 的平行光波导，并在常用光源波段中选取M条具有不同波长的光波；其中，N条光波导预扩散宽度的差值满足使N条光波导的静态偏置点在静态偏置点随光波波长及光波导预扩散宽度的分布曲线上相差不超过20°，并满足在M种不同波长下，N条光波导均处于单模通光状态；
S102：将晶片单元上设置的N条光波导的预扩散宽度值和选取的M条光波的波长值两两相乘进行组合，得到共计M×N种组合，从该M×N种组合中筛选出由光波导双折射产生的附加相位差最接近90°的光学偏置点作为最优光学偏置点，并确定该最优光学偏置点所在的光波导；
S103：根据筛选出的所述晶片单元上具有最优光学偏置点的光波导(对于晶片单元上的其他光波导不作任何处理)，制造集成共路干涉电场传感器。
实施例1：
S101：通过常规的有限元仿真(此外还可采用光束分析法仿真)计算和实际波导静态偏置点测量的实验验证，得到静态偏置点随光波波长及光波导预扩散宽度的分布曲线，如图2所示；以此为依据，在制造集成共路干涉电场传感器所需的x切z传(即x方向切割， z方向传播)铌酸锂(LiNbO3)晶片单元上，通过常规的钛扩散法制设置N＝4条具有不同预扩散宽度且相互独立的平行光波导(每条光波导设置有配套的电极，与现有技术相同，此处不作详细说明)；并在常用光源波段中选取M＝2条具有不同波长的光波；其中，N条光波导的间隔满足使N条光波导的静态偏置点在静态偏置点随光波波长及光波导预扩散宽度的分布曲线上相差不超过20°；并满足在M种不同波长下，N条光波导均处于单模通光状态。考虑到实际工艺中的夹具长度，本实施例将晶片单元的长度固定为20毫米，可使工业制造更加易于实现；本实施例各光波导的预扩散宽度分别为10.5微米、11微米、 11.5微米和12微米，即4条光波导的预扩散宽度的差值按照0.5微米依次递增；所选择的光波的波长分别为1310纳米和1550纳米。
S102：将晶片单元上设置的4条光波导的预扩散宽度值和选取的2条光波的波长值两两相乘进行组合，共计8种组合，从该8种组合中筛选出由光波导双折射产生的附加相位差最接近90°的光学偏置点作为最优光学偏置点，并确定该最优光学偏置点所在的光波导；
S103：根据筛选出的所述晶片单元上具有最优光学偏置点的光波导，制造集成共路干涉电场传感器。
本实施例中，请参阅图2，为光学偏置点随光波波长及光波导预扩散宽度的变化示意图。其中，晶片单元的长度为20毫米(也即光波导长度)。图2中，代表光学偏置点，degree为纵坐标，代表光学偏置点的度数，横坐标为光波导预扩散宽度，单位为um(微米)，λ代表波长，单位为nm(纳米)。通过图2可知，通过改变波导宽度及光波波长可以调节光学偏置点，这是集成共路干涉电场传感器的光学偏置点控制的基础。
随着波导宽度的增加，光波由截止态转变为单模传输，再转变为多模传输。当波长为 1310纳米时，支持单模传输的波导宽度为6微米-22微米；当波长增大至1550纳米时，支持单模传输的波导宽度为15微米-42微米。
实际工艺中，Ti条的预扩散宽度为10微米左右时波导具有良好的损耗特性和基模传输特性。如下确定光学偏置点的组合控制方案，在每块晶片单元上设计四条光波导，Ti金属预扩散宽度分别为10.5微米、11微米、11.5微米和12微米。分别采用1310nm和1550 nm两种波长，因此对于每一块晶片单元，共有8种光学偏置点的组合，从中筛选出具有最优光学偏置点的光波导。考虑实际工艺中的夹具长度，本实施例将晶片单元的长度固定为20mm。
在另外一个实施例中，为使集成共路干涉电场传感器具有合适的光学偏置点，还可在一块晶片上设计15条光波导，预扩散宽度从3微米变化至10微米，从中筛选出具有最优光学偏置点的波导。
本发明实施例1的有效性验证：
为进行晶片单元的光学测试，搭建集成光学测试平台，主要包括机械调节装置、光路及电路三部分；其中：机械调节装置包括用于承载晶片单元的光学平台，用于为晶片单元加压的探针及其调节架，以及用于光纤/波导耦合的高精度光纤调节架和监测系统。利用探针对天线/电极直接施加电压，可以测试器件的电气性能；监测系统总的放大倍数为4-200倍。从光波导出射的光波可通过光纤传输至检偏器和光接收机；另一方面，为研究出射光波的模式，可组建由分立器件组成的光路。
光波导的预扩散宽度设计为10.5微米、11微米、11.5微米和12微米，采用测试装置对光波模式进行测试。调整光路中透镜、棱镜、光接收机以及红外相机的相对位置，使光束聚焦于光接收机与红外相机的感光元件上。
采用波长为1310nm的光源，对于所设计的四种预扩散宽度的光波导，通光性良好且光斑的形状均为圆形，表明光波导仅支持基模传输。
光波导的光学偏置点受波导预扩散宽度及光波波长的影响。对光波导两侧的电极施加电压，可得相应的传递函数，即可反推出该波导所对应的光学偏置点。
对位于同一片3英寸晶圆上的四块晶片单元进行测试，其中，四块晶片单元分别为XZ-1至XZ-4。每块晶片单元均分别含有四条光波导，Ti金属预扩散宽度分别为10.5微米、11微米、11.5微米和12微米。
请参阅图3，光波波长为1310纳米时光学偏置点的变化规律示意图。
由图3可知，随着预扩散宽度的增加，光学偏置点呈递增趋势；拟合结果表明，预扩散宽度每增加1微米，光学偏置点增加约45°；在此波长下，预扩散宽度为12微米的波导具有接近90°的光学偏置点，且最大偏差为15°。
请参阅图4，光波波长为1550纳米时光学偏置点的变化规律示意图。
由图4可知，该结果与1310纳米波长下的情况略有差别：预扩散宽度每增加1微米，光学偏置点增加约35°；在此波长下，预扩散宽度为11微米的波导具有接近90°的光学偏置点，且最大偏差为25°。
由测试结果可知，Ti金属预扩散宽度和光波波长均会显著影响光学偏置点，将预扩散宽度与波长作为控制变量，可使每块晶片单元均可筛选出具有良好光学偏置点的光波导。
表1四块晶片单元所具有的最优光学偏置点
四块晶片单元所具有的最优光学偏置点如表1所示，偏离理想值(90°)的范围均小于 5°，说明可以采用将控制波导预扩散宽度与改变波长相结合的方法，实现集成共路干涉电场传感器光学偏置点的控制。
在上述实施例中，采用将波导预扩散宽度变化及波长变化相结合的光学偏置点组合控制方法，每块晶片单元设计四条Ti金属预扩散宽度的波导，结合两种波长，从八种组合中筛选出最优偏置点。实测结果表明晶片单元所具有的最佳偏置点与理想值的偏差小于5°，验证了本发明的有效性。
根据本发明筛选出的所述晶片单元上具有最优光学偏置点的光波导，制造集成共路干涉电场传感器，光学偏置点具有良好的可控性，并且降低了光波导设计、测试的复杂度，提高了晶片的利用率且减小了晶片尺寸。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种制备集成共路干涉电场传感器的最优光学偏置点筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：根据静态偏置点随光波波长及光波导预扩散宽度的分布曲线，在制造集成共路干涉电场传感器所需的晶片单元上，设置N条具有不同预扩散宽度且相互独立的平行光波导，并在常用光源波段中选取M条具有不同波长的光波；其中，N条光波导预扩散宽度的差值满足使N条光波导的静态偏置点在静态偏置点随光波波长及光波导预扩散宽度的分布曲线上相差不超过20°，并满足在M种不同波长下，N条光波导均处于单模通光状态；
S102：将所述晶片单元上设置的N条光波导的预扩散宽度值和选取的M条光波的波长值两两相乘进行组合，得到共计M×N种组合，从该M×N种组合中筛选出由光波导双折射产生的附加相位差最接近90°的光学偏置点作为最优光学偏置点，并确定该最优光学偏置点所在的光波导；
S103：根据筛选出的所述晶片单元上具有最优光学偏置点的光波导，制造集成共路干涉电场传感器。
2.根据权利要求1所述的制备集成共路干涉电场传感器的最优光学偏置点筛选方法，其特征在于，所述步骤S101中，N＝4，各光波导的预扩散宽度分别为10.5微米、11微米、11.5微米和12微米。
3.根据权利要求1所述的制备集成共路干涉电场传感器的最优光学偏置点筛选方法，其特征在于，所述步骤S101中，所述晶片单元为铌酸锂晶片单元，通过钛扩散法间隔设置N条具有不同预扩散宽度的平行光波导。
4.根据权利要求3所述的制备集成共路干涉电场传感器的最优光学偏置点筛选方法，其特征在于，所述铌酸锂晶片单元的长度为20毫米。
5.根据权利要求1所述的制备集成共路干涉电场传感器的最优光学偏置点筛选方法，其特征在于，所述步骤S101中，M＝2；各光波的波长分别为1310纳米和1550纳米。
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