4通道交叉型二氧化硅光波導延遲線陣列的設計與制備

李 浩，宋玲玲，張立鈞，王煥然，李 亮，王 菲，衣云驥* ，張大明

(1.吉林大學電子科學與工程學院集成光電子學國家重點聯合實驗室吉林大學實驗區，吉林長春130012;

2.吉林省光通信用聚合物波導器件工程實驗室，吉林長春130012;

3.中國電子科技集團公司第四十七研究所，遼寧沈陽110032)

1 引言

光電子產業被譽為21世紀第一主導產業。隨著發達國家對光電子產業的大量投入，近二十年，我國相繼加強了對各光電子產業鏈的投入。光電子技術在軍事領域的應用推動了光電子產業的發展，同時高科技武器系統也對光電子產業提出了更高的要求。開發先進的雷達系統是光電子產業在軍事領域的重要發展目標，高性能雷達在提升信息化部隊的作戰能力方面至關重要，例如:直升機機載雷達［1］、激光成像雷達［2］、艦載雷達等。雷達天線的延時系統是雷達的重要組成部分。光延遲線是實現抗電磁干擾、無波束偏斜、高性能、便攜化雷達延遲系統的關鍵部件，是提升雷達性能，保障雷達部隊安全作戰不可或缺的利器。

光延遲線主要包括光纖延遲線和光波導延遲線。光纖延遲線應用較為廣泛，具有時間帶寬大、信號頻率高、線性好、損耗小、結構簡單等優點，但其存在延時不易調節，集成度差，很難精確控制等缺點［3-6］。隨著對雷達性能要求的提高，尤其是工作頻率和步長精度的提高，光纖延遲線已經難以滿足高性能雷達系統的要求。光波導延遲線由于采用了光刻技術，其延時精度可以達到皮秒量級，能夠滿足雷達工作頻率越來越高的要求。在相控陣雷達中應用平面光波導延遲線陣列，可使雷達實現高性能、高頻寬和結構緊湊［7-9］。

上個世紀80年代以來，隨著光控相控陣雷達系統對延遲線性能的需求，人們分別采用有機材料和無機材料制備光波導延遲線器件。有機材料制備的器件具有工藝簡單、價格低廉、易集成等特點。雖然近年來部分有機材料在損耗方面取得重要進展，但是其實用化仍受損耗和穩定性等問題制約［10］。無機材料光波導延遲線具有低損耗、穩定性好等優勢。1997年，S.Yegnanarayanan等制備了3 bit彎曲型延時線，波導結構為脊型，彎曲半徑最小為5 000 μm，以硅絕緣體(SOI)技術替代二氧化硅波導技術，降低損耗與成本，提高參數性能，易于集成，陣列間延時間隔為12.3 ps，這種器件應用到高頻相控陣天線，與交叉型結構相比，陣列間延遲時間差小［11］。1999 年，ShiZhuo Yin等人利用鈮酸鋰材料，制備了13 bit光延時線，可調諧范圍為2 000 nm，采用啁啾光纖布拉格光柵和光波導的結構，對工藝精度要求高［12］。2002年，Yihong chen等人采用光學真延時(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上制備了延時范圍為0～443.03 ps的6 bit延時模塊，工藝復雜，模塊尺寸大［8］。2012 年，Hansuek Lee 制備了損耗為0.08 dB/m螺旋型結構超長光延遲線，波導為硅柱支撐熱氧化物結構，器件尺寸9.5 cm×9.5 cm［13］。綜上所述，損耗、陣列延遲時間間隔、封裝等特性是延遲線實用化的關鍵。本文設計制備了二氧化硅交叉型光波導延遲線陣列。二氧化硅光波導器件具備低損耗特性，交叉型結構提高了器件集成度和相鄰陣列的延遲時間，陣列輸出可與光纖陣列封裝耦合，該器件具備實用化前景。

2 延遲線設計

延遲時間T與波導長度l成正比。要得到較

式中，T是延遲線的延遲時間，n是波導芯層的有效折射率，l為波導總長度，c為光在真空中的傳播速率。

現有的光波導延遲線結構主要分為彎曲波導延遲線、螺旋型光波導延遲線和交叉型光波導延遲線。螺旋型延遲線結構具有較長的整體延遲時間，但相鄰通道間的延遲時間較短;交叉型延遲線具有結構緊湊，延遲線相鄰通道延遲間隔長的特點。對于延遲線，其真正有作用的部分為相鄰通道的延遲時間，所以本文設計4通道交叉型二氧化硅光波導延遲線，延遲線器件結構圖如圖1所示，輸出端從上到下共4個輸出端口，依次為1，2，3，4。交叉型延遲線結構包括:Y分支波導，交叉波導，圓弧波導。器件輸入端經過3個Y分支，分成4條不同長度的通道，最短的通道由直波導進入輸出端，其余通道由不同長度的圓弧波導和直波導連接，其相鄰通道間的長度差呈倍數增加，可以實現滿足實際應用的等延遲，這一特點對實現2 bit光波導延遲線具有重要意義。長的延遲時間，可以通過增加波導長度來實現，長度的增加帶來損耗的增加，所以需要對結構進行優化。延遲線的延遲時間可以用式(1)進行計算:

圖1 交叉型延遲線器件的結構圖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分支結構和反余弦型彎曲波導，其結構如圖2所示。漸變區域長度為 680 μm，波導寬度從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果為0.465，Y分支的損耗值為0.315。圖3為Y分支光場分布，圖4為Y分支的功率與傳輸距離關系示意圖。由功率的變化可以看出，這種結構附加損耗為0.02 dB。

圖2 Y分支結構設計圖Fig.2 Schematic diagram of Y splitter structure

圖3 Y分支光場分布Fig.3 Optical field distribution of Y splitter

圖4 Y分支的功率與傳輸距離關系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關系，當彎曲半徑大于1 500 μm時，損耗低于1 dB，所以設計彎曲半徑最小值為1 500 μm(在彎曲損耗較低的前提下，可使得器件結構更加緊湊)。圖5為波導彎曲損耗與彎曲半徑的關系曲線，波導的截面尺寸為6.7 μm ×6.7 μm，能夠滿足交叉型延遲線器件的設計要求。

圖5 波導彎曲損耗與彎曲半徑的關系曲線(波導截面尺寸為 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

采用標準的半導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;在芯層波導上生長二氧化硅上包層，此上包層材料與襯底二氧化硅材料完全相同;最后，對器件進行退火處理，以減小器件的損耗。這樣，延遲線陣列制備完成。

圖7為交叉型光波導延遲線陣列實物圖。制備器件的實際尺寸為3 cm×2 cm，完全為二氧化硅結構。波導清晰可見，結構緊湊，且端面經過切割拋光處理，拋光角度為8°。

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

4 延遲線測試與分析

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

用靜態測量法［15］測量并計算系統的絕對延時可用式(2)表示:

式中，tg(f)表示絕對延時，φ(f)表示相位特性函數，Δf表示頻率差，Δφ表示相位差，當頻率差較小時，延遲時間可認為是相位差Δφ和頻率差Δf的比值。

圖8為搭建的測試系統［16］，1 550 nm波長的信號光輸入到鈮酸鋰調制器，來自HP37269C矢量網絡分析儀的射頻信號輸入電光調制器(調制器的工作點為正弦)，將射頻信號加載到光信號中，通過偏振控制器，摻鉺光纖放大器(EDFA)A輸出放大的光信號，經濾波器A濾波整形，傳輸到分束器，利用單模光纖將分束器的光信號耦合進待測器件。通過摻鉺光纖放大器B將收集到的光信號放大，經過濾波器B整形，送到光探測器實現光電轉換，電信號再輸入矢量網絡分析儀進行處理。最后測量得到傳輸信號(S21)的相位［15，17-18］。對矢量網絡分析儀得出的數據進行運算分析，得到待測延遲線器件的延遲時間，分別為0、113、226和339 ps(誤差為3 ps)。

圖8 實驗測試系統原理圖Fig.8 Diagram of experiment measuring system

本文設計的4通道交叉型二氧化硅光波導延遲線陣列，采用可調諧激光器在1 550 nm波長光下進行測試，測試系統照片如圖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試儀器的誤差，得到的結果符合設計要求。

圖9 測試系統照片Fig.9 Photograph of measuring system

圖10 延遲線紅外輸出光斑(輸入信號光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延遲線陣列個數集成版圖。集成之后，可進一步增加陣列通道間的延遲時間，從而實現光波導延遲線的性能優化。

圖11 交叉型延遲線個數集成示意圖Fig.11 Self-integration of cross optical delay lines

5 結論

本文設計了4通道交叉型二氧化硅光波導延遲線陣列，并利用BPM軟件完成了對Y分支，彎曲損耗等參數的模擬，為了降低工藝容差，引入優化錐口Y分支結構和垂直相交波導結構。利用半導體標準工藝制備了4通道交叉型延遲線陣列，得到延遲時間分別為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延遲線陣列進行個數集成，進一步實現了延遲時間倍增，提高了集成器件性能。

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