【doc】 分段电极LiNbO3光波导宽带微波电场接收器
分段电极LiNbO3光波导宽带微波电场接收
器
第2l卷第5期
2005年l0月
微波
JOURNALOFMICROWAVES
V01.2lNo.5
Oc【.2005
文章编号:1005-6122(2005)05-0054-04
分段电极LiNbO3光波导宽带微波电场接收器
陈福深张阜文
(电子科技大学宽带光纤传输与通信网技术教育部重点实验室,成都610054)
摘要:采用x切LiNbO基片,
并研制了分段电极Mach—Zehnder(M?Z)干涉仪光波导宽带微波电场接收
器.其中,电极分段数为l0段,器件尺寸为60x6×0.5mm.研究结果表明,当接收光功率信噪比为5dB时,器件
可检测到的最小电场强度小于60mV/m,并且接收带宽达到10MHz一3.6GHz.
关键词:宽带微波,集成光学,LiNbO光波导,分段电极,电场接收器(传
感器)
AnIntegratedOpticalWaveguideE-fieldReceiver
atWide-bandMicrowavewithSegmentalElectrodes
CHENFu?shen,ZHANGFu-wen
(KeyLabofBroadbandOpticalFiberTransmissionandCommunicationNetworks,UESTofChina,Chengdu610054)
Abstract:AointegratedopticalwaveguideE--fieldreceiveratwide--bandmi
crowavewithsegmentalelectrodesusinga
Zehnder(M—Z)intefferometerhasb proton—exchangedLiNbO3Mach—
eendesignedandfabricated.Thedeviceconsistsoften
sectionsofelectrodeanditsstructuresizeis60×6×0.5mm.Theexperimentalr
esultsshowthattheminimumdetectablee?
lectricfieldis60mV/mwiththebandwidthof10MHz,
3.6GHzinthereceivingconditionforopticalpower,whichhasa
signal?noiseratioof5dB.
Keywords:Wide—bandmicrowave,Integratedoptics,LiNbO3opticalwaveguide,Segmentalelectrodes,E—fieldre—
ceiver(sensor)
引言
传统的电场传感器使用高阻抗传输线,容易干
扰被测电场,导致测量不准确.使用光学技术实现
电压和电流测量,不存在电磁场的干扰问
,因而引
起了国内外学者的广泛关注.早期的研究是在块状
LiNbO光学晶体上,基于Pockels效应实现的.由
于块状晶体体积大,所需组件复杂,不仅不利于集成
化,器件的灵敏度和带宽也都不是很令人满意.而
基于Mach—Zehnder(M—Z)干涉仪式结构的集成光波
导电场传感器,与块状晶体电场传感器相比,不但减
小了体积和简化了设计,并且提高了器件带宽和灵
敏度….为了提高灵敏度,光波导电场传感器一般
采用一个短的接收偶极子天线直接驱动电光调制器
来实现.但是,长电极产生的电容与短偶极子天线
形成的小电容是不匹配的,使得调制效率降低,进而
影响器件的带宽和灵敏度.因此,本文采用了一种
电极与天线相结合的分段结构,如图1所示.
其优点在于能够大幅度降低电极的电容,实现与天
线电容相匹配的目的.
图1分段电极电场传感器结构示意图
本文研制的电场传感器,是采用x切LiNbO
基片在实验室条件下制作的分段电极M.z干涉仪
光波导电场传感器.现在,国外研制的M—z型光波
收稿日期:2004?12?29;定稿日期:2005-03?31
基金项目:国家自然科学基金资助项目(项目批准号:60077030)
第21卷第5期陈福深等:分段电极LiNbO,光波导宽带微波电场接收
器55
导电场传感器,绝大多数都是使用高温下Ti扩散技
术制作J,而本文是采用质子交换技术实现的.这
是由于质子(氢离子)交换形成的光波导具有保偏
特性(只工作在TE模),加上与输入端保偏光纤的
匹配连接,保证了M.z调制器工作在电光调制的最
佳状态.
1电场传感器的设计
1.1光波导设计
采用Mach—Zehnder干涉仪结构的光波导设计
如图2所示.图中除标注的尺寸外,还有光波长A
=
1.55m,Z=4.5mm,W=7m,h:10m.之所以
设计光波导宽度W=7I.zm,是因为在半导体激光器
的输出光波长A=1.55I.zm条件下,必须保证形成该
波长下的单模导波.另外,为了获得较小损耗的光
波导,两分支光波导的弯曲部分应满足余弦曲线方
程
Z
f’ff7
1r
I?’r’一l
1w,}h十’n)f,L+……’
—————————’’.—
‘‘y
图2Mach.Zehnder干涉式光波导
=
【…s()](1)
1.2分段电极设计
根据图1所示的分段电极结构,可得到电场传
感器分段电极与天线组合的等效电路,如图3所示.
由于电极的分段,会使得电极电压产生增益.因此,
每一分段电极电压与未分段电极电压之比
n商~Cm/N+V’m
图3短偶极子天线与调制器电极组合结构等效电路
可以表示为
Cd+C
?(c+Cm)(2)
式中,C和C分别为天线和调制器的电容,?为电
极所分段数.可见,当N=~/c/c时,可以获得一
个最大的电压增益值.当电偶极子天线长度Z—A/
i00,输入电阻非常小时,可认为天线的阻抗为纯容
性的.由Z~-40mm,得C---0.25pF.取不同的电光
调制器的电容c,可得到电极电压增益与分段数之
间的关系,见图4.由结果显示,不同的C对应不
同的电极电压增益值,当C=25pF,N=10时,可得
到接近15dB的电压信号增益.同时,由于电极的
分段,导致调制器电极的有效电容C变为
图4电极电压增益与段数之间关系
C=
Cm
由此可见,有效电容变为原电容C的1/100,
并且由于电容的降低使得传感器的频率响应大大提
高.另外,由图5可以看出,由于电极的分段,导致
每段电极的有效长度降低了501.zm.取电极的长度
L一32Inm,则每段电极的调制效率相对降低了
0.16%.当电极分段数N=10时,总的调制效率降
低了1.6%.所以,相对于电极分段引起电压增益
提高来说,由分段引起的调制效率降低是可以忽略
的.
图5器件的具体尺寸
2电场传感器的制作与测试
由于LiNbO,晶体的电光张量系数.,远大于
,所以我们采用x切y方向传输的LiNbO.作为
制作器件的基片.
56微波2005年lO月
2.1光波导与电极的制作
光波导采用质子交换技术制作.在进行质子交
换前,首先要进行SiO掩膜层的制作.将清洗干净
的晶片用溶液浸泡后,在其上蒸一层SiO,厚度约
为120nm,光刻腐蚀后得到了宽度约为7m的波
导.然后用浸泡液冲洗大约15分钟,并用超声处理
10分钟后,放人装有苯甲酸的石英管道内进行交
换.当苯甲酸溶液温度恒定在200c【=,并且温度误
差控制在?0.5c【=时开始计时,同时每隔一段时间搅
拌一次,总的交换时间约4小时.交换完成后,用去
离子水反复冲洗,取出晶片.
SiO缓冲层的制作采用等离子淀积设备.要
求真空度优于133×10,Pa,均匀性为?0.5nm.在
上首先保证LiNbO晶片的清洁度良好,这样
SiO层才可以很好地附着在LiNbO,晶片上,同时
要控制好缓冲层的致密度和均匀度,保证SiO层无
气泡和针孔.最后得到的siO,缓冲层厚度约为0.51xm.
将基片清洗后,放人电子束蒸发台内蒸cr和
Au,Cr的厚度控制在0.05i~m左右,Au的厚度控制
在0.081~m左右,然后使用电极掩模板,光刻出电极
图形,再腐蚀掉多余的金属.由于我们对电极的厚
度没有特别的要求,因此没有进行电极的电镀.
2.2波导与光纤的耦合
波导与光纤的牢固耦合是器件实用化的关键.
为了使光纤和波导耦合良好,一方面是要保证光纤
和波导间的模匹配,因此在控制好质子交换的时间
和温度及研磨和抛光质量的同时,调节好匹配液的
浓度,使得波导截面与光纤截面尽量一致;另一方面
是保证光纤与波导问对准与连接的正确性,如果失
准,即发生偏心状态,必然会导致横向和垂直方向耦
合效率的下降.因此,通过提高耦合设备的精度,正
确选用耦合结构,精心操作,用特定的胶把光纤同硅
片固化在一起,可以实现光纤与波导的高质量耦合.
本器件中,我们采用正装耦合方式实现波导与
光纤的耦合.由于倒装耦合方式是把光纤装在硅片
的槽中,倒扣在LiNbO,晶片上,易造成光纤的横向
位移,而正装耦合是把光纤直接与LiNbO波导对
接,光纤下面用开了槽的LiNbO晶片支撑,克服了
倒装耦合的横向位移,同时也消除了LiNbO晶片和
硅片由于热膨胀差异造成的位移,而且,正装耦合是
六维对准,精度较高.
耦合完成后,我们得到了一个未封装的尺寸为
60mm×6mm×0.5mm分段电极的电场传感器,实
物见图6所示.其中,电极的段数为10段.
图6分段电极光波导电场传感器实物图
2.3测试结果
如图7所示为器件高频性能的测试装置图.其
中,光源的波长A=1.55m,器件插人损耗4.5dB,
半波电压小于7V.测试结果表明,当信噪比为5dB
时,得到器件可检测到的最小电场小于60mV/m.
由于受到光电PIN二极管高频响应的限制,使得我
们最终得到器件的最高频率响应为3.6GHz,测试结
果见图8.
光源
盖
-
23
蜂
-
器习一微波暗室
?单匝咂
图7器件高频性能的测试装置
图8器件的高频响应测试曲线
3结论
本文详细
和阐述了x切LiNbO集成光波
导分段电极电场接收器的设计和研制技术.由于采
用电极与天线相结合的分段结构,可以显着降低电
极的电容,达到与天线电容相匹配的目的.本文中
器件尺寸为60mm×6mm×0.5mm,电极分段数为
10段.实验测试结果表明,当保证接收光功率信噪
枷舶渤舶
第21卷第5期陈福深等:分段电极LiNbO光波导宽带微波电场接收器57
比为5dB时,器件可检测到的最小电场强度为
60mV/m,并且带宽达到10MHz,3.6GHz.若在此
基础上,进一步改进设计和制作工艺,如增加电极分
段数,减小分布电容,或者采用宽带偶极子天线结构[4]
电极,带宽有望达到0,10GHz.
[1]
[2]
[3]
参考文献
NobuoKuwabara,KimihiroTajima,RyuichiKobayashi,
JujioAmemiya.DevelopmentandAnalysisofElectric
FieldSensorUsingLiNbO3OpticalModulator.IEEE
Trans.ElectromagneticCompatibility,1992,4(34):
391,395
MeierTh,KostrzcewaK,SchtippertB,PetermannK.E—
lectro—opticalE—fieldwithOptimizedElectrodeStructure.
ElectronicsLetters,1992,No14(28):1327,1329
ThomasMeier,CarstenKostrzewa,PetermannK,
,
篮簋鲨鲨蒜盘懿0娑趣鲨是:
(上接第53页)
4结论
[5]
SchfippertB.IntegratedOpticalE—FieldProbeswith
SegmentedModulatorElectrodes.IEEEJ.Lightwave
Techno1.,1994,8(12):1497,1503
MiyakawaT,TokanoY,eta1.DevelopmentofaPracti—
calOpticalElectricFieldSensorinGHzRange.Proc.
EMCZurich99,1999:551,554
KimihiroTajima,RyuichiKobayashieta1.Development
ofOpticalIsotropicE—FieldSensorOperatingMorethan
10GHzUsingMach—ZehnderInterferometers.IEICE
trans.Electron.2002,4(E85一C):961—968
陈福深电子科技大学教授,博士生导师.主要从事宽带
微波集成光波导调制器,传感器等的研究.
E—mail:fschen@uestc.edu.cn
张阜文电子科技大学在读博士研究生.研究方向:微波
电场传感器等.
本文通过理论分析和仿真及实验证实了加载开
路短截线的微带线结构具有EBG特性,在此基础上
研制了宽带低通滤波器,并获得了较好的滤波效果.
由于其阻带中心频率主要由短截线决定,周期长度
在一定范围内可以任意选择,不受1/2波长的限制,
因而增加了设计的灵活性.此外,该结构在特定阻
带中心出现的通带尖峰可用于设计窄带带通滤波器
或是作为高Q谐振腔,因此具有广泛的应用前景.
[2]
[3]
[4]
参考文献
FalconeF,LopetegiT,SorollaM.1Dand2Dphotonic
bandgapmicorstripstructures.MicrowaveandOptical
TechnolgyLetter,1999,22(6):411,412
SievenPiperDan,ZhangLijun.RomuloFJimenezBroas.
High—impedanceelectromagneticsufaceswithaforbidden
frequencyband.IEEETrans.MTI”,1999,47(11):2059
,
2074
RadisicV,CoceioliR.Novel2-DPhotonicbandgapstruc—
tureformicrostrip1ines.IEEEMicrowaveandGuided
WaveLetters,1998,8(2):69,71
SievenpiperDF,YablonovitchE.3Dmetallo—dielectric
Photoniccrystalswithstrongcapacitivecouplingbetween
metallicislands.PhysRevLett.1998,80(13):2829,
2832
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
;堂:当娄韪堂连猷簋是堂
BozzettiM,OrazioAD,SarioM.De,etc.Taperedpho—
tonicbandgapmicrostriplowpassfilters:designandreali—
zation.1EEProc.一Microw.AntennasPropage.,2003,
150(6):459—462
RumseyI,eta1.Photonicbandgapstructureusedasfil—
tersinmicrostripcircuits.IEEEMicrowaveandGuidde
WaveLetters,1998(1O):336—338
KimT,SeoC.Anovelphotonicbandgapstructurefor
low—passfilterofwidestopband.IEEEMicrowaveand
GuidedWaveLettem,2000,10(1):13,15
刘海文,孙晓玮,程知群,等.一种新颖的PBG宽阻带
低通滤波器.电子,2004.38(05):791,794
欧阳征标,朱骏,李景镇.两端有慢变结构的光子晶体
的能带特性研究.光子,2002.22(05):612,615
杨瑾屏1979年出生,2003年获南京理工大学硕士学位,
现为该校博士研究生.主要研究方向为EBG,LHM,Chaos
等技术.
赵建中1955年出生,副教授,南京理工大学电光学院硕
士生导师.主要成果曾获省部级奖励多项,发表论文近20
篇.主要研究兴趣为射频电路技术和毫米波探测技术.
吴文1968年出生,1997年获东南大学电磁场与微波技
术专业博士学位,现为南京理工大学制导技术研究所副所
长,教授,国防科工委”511人才
”学术技术带头人.主
要成果:曾获省部级奖4项,已在各种学术期刊,学术会议发
表论文30余篇.主要研究方向为毫米波天线及电路毫米
波探测与制导技术等.