4通道交叉型二氧化硅光波導(dǎo)延遲線陣列的設(shè)計(jì)與制備

李 浩，宋玲玲，張立鈞，王煥然，李 亮，王 菲，衣云驥* ，張大明

(1.吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)，吉林長(zhǎng)春130012;

2.吉林省光通信用聚合物波導(dǎo)器件工程實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130012;

3.中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，遼寧沈陽110032)

1 引言

光電子產(chǎn)業(yè)被譽(yù)為21世紀(jì)第一主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。隨著發(fā)達(dá)國家對(duì)光電子產(chǎn)業(yè)的大量投入，近二十年，我國相繼加強(qiáng)了對(duì)各光電子產(chǎn)業(yè)鏈的投入。光電子技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用推動(dòng)了光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)高科技武器系統(tǒng)也對(duì)光電子產(chǎn)業(yè)提出了更高的要求。開發(fā)先進(jìn)的雷達(dá)系統(tǒng)是光電子產(chǎn)業(yè)在軍事領(lǐng)域的重要發(fā)展目標(biāo)，高性能雷達(dá)在提升信息化部隊(duì)的作戰(zhàn)能力方面至關(guān)重要，例如:直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)［1］、激光成像雷達(dá)［2］、艦載雷達(dá)等。雷達(dá)天線的延時(shí)系統(tǒng)是雷達(dá)的重要組成部分。光延遲線是實(shí)現(xiàn)抗電磁干擾、無波束偏斜、高性能、便攜化雷達(dá)延遲系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是提升雷達(dá)性能，保障雷達(dá)部隊(duì)安全作戰(zhàn)不可或缺的利器。

光延遲線主要包括光纖延遲線和光波導(dǎo)延遲線。光纖延遲線應(yīng)用較為廣泛，具有時(shí)間帶寬大、信號(hào)頻率高、線性好、損耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但其存在延時(shí)不易調(diào)節(jié)，集成度差，很難精確控制等缺點(diǎn)［3-6］。隨著對(duì)雷達(dá)性能要求的提高，尤其是工作頻率和步長(zhǎng)精度的提高，光纖延遲線已經(jīng)難以滿足高性能雷達(dá)系統(tǒng)的要求。光波導(dǎo)延遲線由于采用了光刻技術(shù)，其延時(shí)精度可以達(dá)到皮秒量級(jí)，能夠滿足雷達(dá)工作頻率越來越高的要求。在相控陣?yán)走_(dá)中應(yīng)用平面光波導(dǎo)延遲線陣列，可使雷達(dá)實(shí)現(xiàn)高性能、高頻寬和結(jié)構(gòu)緊湊［7-9］。

上個(gè)世紀(jì)80年代以來，隨著光控相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)對(duì)延遲線性能的需求，人們分別采用有機(jī)材料和無機(jī)材料制備光波導(dǎo)延遲線器件。有機(jī)材料制備的器件具有工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易集成等特點(diǎn)。雖然近年來部分有機(jī)材料在損耗方面取得重要進(jìn)展，但是其實(shí)用化仍受損耗和穩(wěn)定性等問題制約［10］。無機(jī)材料光波導(dǎo)延遲線具有低損耗、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。1997年，S.Yegnanarayanan等制備了3 bit彎曲型延時(shí)線，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為脊型，彎曲半徑最小為5 000 μm，以硅絕緣體(SOI)技術(shù)替代二氧化硅波導(dǎo)技術(shù)，降低損耗與成本，提高參數(shù)性能，易于集成，陣列間延時(shí)間隔為12.3 ps，這種器件應(yīng)用到高頻相控陣天線，與交叉型結(jié)構(gòu)相比，陣列間延遲時(shí)間差?。?1］。1999 年，ShiZhuo Yin等人利用鈮酸鋰材料，制備了13 bit光延時(shí)線，可調(diào)諧范圍為2 000 nm，采用啁啾光纖布拉格光柵和光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，對(duì)工藝精度要求高［12］。2002年，Yihong chen等人采用光學(xué)真延時(shí)(TTD)模塊來控制K波段相控陣天線(PAAS)，在全息光柵耦合器基礎(chǔ)上制備了延時(shí)范圍為0～443.03 ps的6 bit延時(shí)模塊，工藝復(fù)雜，模塊尺寸大［8］。2012 年，Hansuek Lee 制備了損耗為0.08 dB/m螺旋型結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)光延遲線，波導(dǎo)為硅柱支撐熱氧化物結(jié)構(gòu)，器件尺寸9.5 cm×9.5 cm［13］。綜上所述，損耗、陣列延遲時(shí)間間隔、封裝等特性是延遲線實(shí)用化的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)制備了二氧化硅交叉型光波導(dǎo)延遲線陣列。二氧化硅光波導(dǎo)器件具備低損耗特性，交叉型結(jié)構(gòu)提高了器件集成度和相鄰陣列的延遲時(shí)間，陣列輸出可與光纖陣列封裝耦合，該器件具備實(shí)用化前景。

2 延遲線設(shè)計(jì)

延遲時(shí)間T與波導(dǎo)長(zhǎng)度l成正比。要得到較

式中，T是延遲線的延遲時(shí)間，n是波導(dǎo)芯層的有效折射率，l為波導(dǎo)總長(zhǎng)度，c為光在真空中的傳播速率。

現(xiàn)有的光波導(dǎo)延遲線結(jié)構(gòu)主要分為彎曲波導(dǎo)延遲線、螺旋型光波導(dǎo)延遲線和交叉型光波導(dǎo)延遲線。螺旋型延遲線結(jié)構(gòu)具有較長(zhǎng)的整體延遲時(shí)間，但相鄰?fù)ǖ篱g的延遲時(shí)間較短;交叉型延遲線具有結(jié)構(gòu)緊湊，延遲線相鄰?fù)ǖ姥舆t間隔長(zhǎng)的特點(diǎn)。對(duì)于延遲線，其真正有作用的部分為相鄰?fù)ǖ赖难舆t時(shí)間，所以本文設(shè)計(jì)4通道交叉型二氧化硅光波導(dǎo)延遲線，延遲線器件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，輸出端從上到下共4個(gè)輸出端口，依次為1，2，3，4。交叉型延遲線結(jié)構(gòu)包括:Y分支波導(dǎo)，交叉波導(dǎo)，圓弧波導(dǎo)。器件輸入端經(jīng)過3個(gè)Y分支，分成4條不同長(zhǎng)度的通道，最短的通道由直波導(dǎo)進(jìn)入輸出端，其余通道由不同長(zhǎng)度的圓弧波導(dǎo)和直波導(dǎo)連接，其相鄰?fù)ǖ篱g的長(zhǎng)度差呈倍數(shù)增加，可以實(shí)現(xiàn)滿足實(shí)際應(yīng)用的等延遲，這一特點(diǎn)對(duì)實(shí)現(xiàn)2 bit光波導(dǎo)延遲線具有重要意義。長(zhǎng)的延遲時(shí)間，可以通過增加波導(dǎo)長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)，長(zhǎng)度的增加帶來損耗的增加，所以需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。延遲線的延遲時(shí)間可以用式(1)進(jìn)行計(jì)算:

圖1 交叉型延遲線器件的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of cross optical waveguide delay line

為了減小工藝難度，降低損耗，采用漸變Y分支結(jié)構(gòu)和反余弦型彎曲波導(dǎo)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。漸變區(qū)域長(zhǎng)度為 680 μm，波導(dǎo)寬度從6.7 μm過渡到 14.9 μm。兩條 Y 分支間距為1 μm，采用反余弦型連接，橫向距離為2 320 μm，縱向距離為123 μm。單分支臂歸一化輸出功率模擬結(jié)果為0.465，Y分支的損耗值為0.315。圖3為Y分支光場(chǎng)分布，圖4為Y分支的功率與傳輸距離關(guān)系示意圖。由功率的變化可以看出，這種結(jié)構(gòu)附加損耗為0.02 dB。

圖2 Y分支結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Schematic diagram of Y splitter structure

圖3 Y分支光場(chǎng)分布Fig.3 Optical field distribution of Y splitter

圖4 Y分支的功率與傳輸距離關(guān)系Fig.4 Relationship between input power and transmission distance of Y splitter

為了減小器件的彎曲損耗，利用BPM軟件模擬彎曲半徑和彎曲損耗之間的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)彎曲半徑大于1 500 μm時(shí)，損耗低于1 dB，所以設(shè)計(jì)彎曲半徑最小值為1 500 μm(在彎曲損耗較低的前提下，可使得器件結(jié)構(gòu)更加緊湊)。圖5為波導(dǎo)彎曲損耗與彎曲半徑的關(guān)系曲線，波導(dǎo)的截面尺寸為6.7 μm ×6.7 μm，能夠滿足交叉型延遲線器件的設(shè)計(jì)要求。

圖5 波導(dǎo)彎曲損耗與彎曲半徑的關(guān)系曲線(波導(dǎo)截面尺寸為 6.7 μm ×6.7 μm)Fig.5 Relationship between bending loss and the bending radius(the cross section of waveguide is 6.7 μm × 6.7 μm)

3 延遲線制備

采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝制備流程制備延遲線，如圖6所示。

圖6 工藝流程Fig.6 Technological process

選擇二氧化硅作襯底。首先，在二氧化硅上生長(zhǎng)摻雜的二氧化硅作為芯層材料，然后涂膠，蓋掩模板，光刻，顯影，刻蝕［14］，去膠，制備完成摻雜的二氧化硅芯層波導(dǎo);在芯層波導(dǎo)上生長(zhǎng)二氧化硅上包層，此上包層材料與襯底二氧化硅材料完全相同;最后，對(duì)器件進(jìn)行退火處理，以減小器件的損耗。這樣，延遲線陣列制備完成。

圖7為交叉型光波導(dǎo)延遲線陣列實(shí)物圖。制備器件的實(shí)際尺寸為3 cm×2 cm，完全為二氧化硅結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)清晰可見，結(jié)構(gòu)緊湊，且端面經(jīng)過切割拋光處理，拋光角度為8°。

圖7 交叉型光波導(dǎo)延遲線陣列Fig.7 Cross optical waveguide delay line array

4 延遲線測(cè)試與分析

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector network analyzer)的掃頻特性來測(cè)量延遲時(shí)間，搭建了精度較高的測(cè)試系統(tǒng)。由于條件有限，測(cè)試系統(tǒng)難免存在誤差，只有通過分析不確定因素，盡量使誤差降到最低。

用靜態(tài)測(cè)量法［15］測(cè)量并計(jì)算系統(tǒng)的絕對(duì)延時(shí)可用式(2)表示:

式中，tg(f)表示絕對(duì)延時(shí)，φ(f)表示相位特性函數(shù)，Δf表示頻率差，Δφ表示相位差，當(dāng)頻率差較小時(shí)，延遲時(shí)間可認(rèn)為是相位差Δφ和頻率差Δf的比值。

圖8為搭建的測(cè)試系統(tǒng)［16］，1 550 nm波長(zhǎng)的信號(hào)光輸入到鈮酸鋰調(diào)制器，來自HP37269C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的射頻信號(hào)輸入電光調(diào)制器(調(diào)制器的工作點(diǎn)為正弦)，將射頻信號(hào)加載到光信號(hào)中，通過偏振控制器，摻鉺光纖放大器(EDFA)A輸出放大的光信號(hào)，經(jīng)濾波器A濾波整形，傳輸?shù)椒质?，利用單模光纖將分束器的光信號(hào)耦合進(jìn)待測(cè)器件。通過摻鉺光纖放大器B將收集到的光信號(hào)放大，經(jīng)過濾波器B整形，送到光探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，電信號(hào)再輸入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行處理。最后測(cè)量得到傳輸信號(hào)(S21)的相位［15，17-18］。對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析，得到待測(cè)延遲線器件的延遲時(shí)間，分別為0、113、226和339 ps(誤差為3 ps)。

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)原理圖Fig.8 Diagram of experiment measuring system

本文設(shè)計(jì)的4通道交叉型二氧化硅光波導(dǎo)延遲線陣列，采用可調(diào)諧激光器在1 550 nm波長(zhǎng)光下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)照片如圖9所示，圖10為紅外 CCD收集到的輸出光斑，其插入損耗分 別為7、8、9和20dB(從左到右，依次為1端口，2端口，3端口，4端口)。考慮制備工藝的誤差帶來的損耗、端面耦合損耗以及測(cè)試儀器的誤差，得到的結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 測(cè)試系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.9 Photograph of measuring system

圖10 延遲線紅外輸出光斑(輸入信號(hào)光1 550 nm，0.25 mW)Fig.10 Optical output patterns of delay line device with the input power 0.25 mW@1550 nm

圖11為4通道交叉型二氧化硅光波導(dǎo)延遲線陣列個(gè)數(shù)集成版圖。集成之后，可進(jìn)一步增加陣列通道間的延遲時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)延遲線的性能優(yōu)化。

圖11 交叉型延遲線個(gè)數(shù)集成示意圖Fig.11 Self-integration of cross optical delay lines

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了4通道交叉型二氧化硅光波導(dǎo)延遲線陣列，并利用BPM軟件完成了對(duì)Y分支，彎曲損耗等參數(shù)的模擬，為了降低工藝容差，引入優(yōu)化錐口Y分支結(jié)構(gòu)和垂直相交波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。利用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)工藝制備了4通道交叉型延遲線陣列，得到延遲時(shí)間分別為0、113、226和339 ps;插入損耗分別為7、8、9和20 dB。最后，將4通道交叉型二氧化硅光波導(dǎo)延遲線陣列進(jìn)行個(gè)數(shù)集成，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了延遲時(shí)間倍增，提高了集成器件性能。

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