光纖耦合聲光調(diào)制器鍵合膜系設(shè)計(jì)與制備

劉保見，陳華志，曹家強(qiáng)，劉 玲

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

光纖耦合聲光調(diào)制器基于體波聲光互作用原理，利用光纖進(jìn)行光路耦合輸入輸出，具有納秒級(jí)的調(diào)制速度，低插入損耗，高通斷消光比，同時(shí)兼顧光脈沖幅度調(diào)制和光頻移的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，近年來在激光調(diào)Q、脈沖選單、水聽傳感、激光測(cè)風(fēng)等技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。

光纖耦合聲光調(diào)制器通常由聲光晶體模塊、匹配電路、光纖耦合系統(tǒng)、高頻連接器及封裝外殼組成。其中聲光晶體是器件的核心，它包含產(chǎn)生聲光互作用的聲光介質(zhì)和激發(fā)聲場(chǎng)的壓電換能器晶片兩部分。壓電換能器通過金屬鍵合膜系鍵合于聲光介質(zhì)通聲面上，鍵合膜系既充當(dāng)換能器接地電極，又需要保證換能器激發(fā)聲場(chǎng)能高效耦合入聲光介質(zhì)，因此，鍵合膜系的設(shè)計(jì)與制備是決定聲光晶體阻抗及頻響特性的關(guān)鍵，是影響器件插入損耗、駐波比及耐受電功率能力的重要因素。

1 鍵合膜系設(shè)計(jì)

光纖耦合聲光調(diào)制器核心的聲光晶體組成如圖1所示，頂電極層位于壓電換能器上表面，是換能器的射頻輸入電極。底電極層位于聲光介質(zhì)與換能器之間,由兩層襯底層和一層鍵合層組成。底電極層既是聲學(xué)增透層，又充當(dāng)換能器接地電極，因此，材料的選擇除了滿足阻抗匹配外，還必須具有良好的導(dǎo)電性。

圖1 聲光晶體的構(gòu)成及工作原理

聲光晶體換能器工作在厚度驅(qū)動(dòng)模式，聲場(chǎng)從換能器到聲光介質(zhì)的耦合效率由換能器損耗(TL)來表征，它取決于各聲學(xué)層材料的聲阻抗(Zn)、相移(γn)和器件的工作頻率(f)，與各聲學(xué)層材料聲速(vn)、密度(ρn)和厚度(ln)有關(guān)(n=1,2,3,4,5，表示從頂電極、壓電換能器到襯底層和鍵合層中的某一層)。

各聲學(xué)層聲阻抗定義為

Zn=Snρnvn

(1)

式中Sn為聲學(xué)層的橫截面積。

各聲學(xué)層相移定義為

(2)

通過等效電路網(wǎng)絡(luò)傳遞矩陣函數(shù)建立鍵合膜系仿真模型，利用瑪森等效電路模擬頂電極層和壓電換能器組成的壓電層聲學(xué)傳遞特性，利用傳輸線網(wǎng)絡(luò)矩陣模擬襯底層和鍵合層聲學(xué)傳遞特性，并將聲光晶體考慮為負(fù)載，鍵合膜系等效電路模型各層傳遞函數(shù)[2]如下：

壓電層傳遞函數(shù)：

(3)

式中：C0為壓電換能器靜態(tài)電容;Ω為超聲波的圓頻率;Z0為壓電層聲阻抗;φ為瑪森等效電路變壓器的變壓比;z1為頂電極層的相對(duì)聲阻抗，參數(shù)s定義為

s=cosγ-1-z1tanγ1sinγ

(4)

襯底層和鍵合層傳遞函數(shù)為

(5)

式中:Zx為襯底層或鍵合層聲阻抗;下角x=1,2,3表示襯底層或鍵合層。

光纖聲光高速調(diào)制器鍵合膜系等效電路網(wǎng)絡(luò)總傳遞矩陣A為

(6)

換能器損耗為

(7)

式中：pm為耦合入聲光介質(zhì)的聲功率；ps為驅(qū)動(dòng)器提供的電功率；Rs為驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)阻;Zm為聲光介質(zhì)聲阻抗;M1～M4為鍵合膜系等效電路網(wǎng)絡(luò)總傳遞矩陣各元素。式(6)表明，聲光器件聲場(chǎng)從換能器到聲光介質(zhì)的耦合效率由頂電極層、壓電換能器、襯底層、鍵合層的材料和厚度共同決定。

在ADS中構(gòu)建包含鍵合膜系在內(nèi)的光纖聲光高速調(diào)制器聲光晶體等效電路，如圖2所示。等效電路采用單端口網(wǎng)絡(luò)，聲光晶體的阻抗匹配采用了2個(gè)電感組成的“L”型匹配網(wǎng)路，信號(hào)源產(chǎn)生的射頻信號(hào)依次經(jīng)過匹配網(wǎng)路、壓電層、襯底上層、鍵合層、襯底下層，最后加載于聲光介質(zhì)上。

圖2 光纖聲光高速調(diào)制器等效電路

2 器件制備工藝

采用上述方法，設(shè)計(jì)并制作了一款工作頻率為200 MHz、10 ns光脈沖上升時(shí)間的光纖耦合聲光調(diào)制器。器件采用TeO2作為聲光介質(zhì)，36°Y-切LiNbO3作為壓電換能器晶片，襯底層采用高純度Cr，焊接層為高純度Au，樣品主要制作步驟如下：

1) 超聲清洗。依次采用丙酮、無水乙醇和去離子水清洗TeO2晶體和LiNbO3晶片，清洗時(shí)間10～15 min。

2) 等離子體處理。采用微波等離子體預(yù)處理系統(tǒng)，氧氣作為工作氣體，工作頻率為2.45 GHz，氣體流量為300～400 cm3/min，電源功率為400～600 W。

3) Cr/Au鍵合層制備。在TeO2晶體和LiNbO3晶片的鍵合面分別制備Cr和Au薄膜， Cr薄膜作為打底層。根據(jù)鍵合膜系仿真設(shè)計(jì)結(jié)果，選用的Cr薄膜厚為200～300 nm，Au薄膜厚為900～1 000 nm。為獲得均勻致密的鍵合層，對(duì)磁控濺射鍍膜工藝進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的參數(shù)如表1所示。

表1 Cr/Au薄膜磁控濺射工藝參數(shù)

圖3為原子力顯微鏡(AFM)測(cè)試Au薄膜的表面形貌圖片，測(cè)試圖形尺寸為20 μm×20 μm。由圖可知，Au薄膜表面均勻平整，起伏很小，AFM測(cè)試數(shù)據(jù)表明Au薄膜表面均方根粗糙度(RMS)為8.51 nm。

圖3 Au薄膜的AFM測(cè)試圖

4) 熱壓鍵合。TeO2和 LiNbO3的鍵合屬于異質(zhì)材料鍵合，材料熱膨脹系數(shù)差異大，因此,鍵合過程需在較低溫度下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用的鍵合溫度為100 ℃，鍵合壓強(qiáng)為30 MPa，保壓時(shí)間為30 min。器件鍵合實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 Au—Au鍵合的光纖耦合聲光調(diào)制器

5) 研磨拋光。樣品鍵合完成后，將LiNbO3晶片研磨拋光到設(shè)計(jì)厚度，最后沉積上電極等完成器件制作。

3 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

圖5為器件在160～240 MHz頻段的TL計(jì)算結(jié)果，器件在200 MHz工作頻點(diǎn)處的TL為0.592 7 dB。圖6～9分別為器件聲光晶體在150～250 MHz頻段的S11、駐波比(VSWR)及史密斯圓圖仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果。聲光晶體在200 MHz中心頻率處的S11幅度和駐波比分別為-41.323 dB和1.017(仿真值)，對(duì)應(yīng)的200 MHz處實(shí)測(cè)值分別為-42.967 dB和1.015，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果接近。由圖6～8可知，在(200±30) MHz時(shí)，S11幅度、駐波比及史密斯圓圖仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果均吻合較好，在更遠(yuǎn)的頻段范圍兩者偏差增大，經(jīng)分析認(rèn)為這主要是由2個(gè)匹配電感間存在的互感導(dǎo)致，可通過在仿真模型中結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)互感參量進(jìn)行擬合的方式，修正遠(yuǎn)端的仿真設(shè)計(jì)誤差，提高模型精度。

圖5 器件換能器損耗計(jì)算結(jié)果

圖6 S11幅度仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果

圖7 VSWR仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果

圖8 史密斯圓圖仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果圖

圖9 利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)聲光晶體的實(shí)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了光纖耦合聲光調(diào)制器鍵合膜系的設(shè)計(jì)及仿真模型的建立，通過仿真模型確定鍵合材料和工藝參數(shù)，并應(yīng)用于200 MHz工作頻率、10 ns光脈沖上升時(shí)間的光纖耦合聲光調(diào)制器研制，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真基本一致。