CN114124225B - 基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片及*** - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片及***，包括自下而上依次层叠布置的基底晶片、下包层、铌酸锂薄膜以及上包层；铌酸锂薄膜上设有铌酸锂光波导；铌酸锂光波导包括依次连接的模斑转换波导、第一直波导、第一弯曲波导、第二直波导、第二弯曲波导、第三直波导和光学微腔波导；上包层上与第一直波导相对应的位置设有第一金属电极；第一金属电极、模斑转换波导以及第一直波导共同形成相位调制器；上包层上与光学微腔波导相对应的位置设有第二金属电极；第二金属电极、第三直波导以及光学微腔波导共同形成高Q微谐振器；铌酸锂薄膜上还设有与高Q微谐振器输出端相连接的探测器。本申请有利于实现光生微波源的小型化和工程化。
Description
技术领域
本申请涉及光生微波技术领域，尤其涉及一种基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片及***。
背景技术
光生微波技术是一种在光信号中携带微波毫米波信号，实现在光纤等光传输介质中传输射频信号的光学技术，在光载射频***中，通过对激光信号的调控，实现射频信号的产生、转换和调制。光生微波技术利用光纤通信中光信号传输损耗低、传输距离远、抗干扰等优点，同时克服传统的通过电学方式产生微波毫米波的频率上限低、信号噪声大等缺点，融合了微波和光纤通信的优势，成为当前光纤通信领域的一个研究热点。
现有的光生微波源***中采用较多的分立的元器件，存在结构复杂、体积较大的特点。为此，本申请提出一种基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片及***。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供一种基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片及***。
第一方面，本申请提供一种基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片，包括自下而上依次层叠布置的基底晶片、下包层、铌酸锂薄膜以及上包层；所述铌酸锂薄膜上设有铌酸锂光波导；所述铌酸锂光波导包括依次连接的模斑转换波导、第一直波导、第一弯曲波导、第二直波导、第二弯曲波导、第三直波导和光学微腔波导；所述上包层上与所述第一直波导相对应的位置设有第一金属电极；所述第一金属电极、所述模斑转换波导以及所述第一直波导共同形成相位调制器；所述上包层上与所述光学微腔波导相对应的位置设有第二金属电极；所述第二金属电极、所述第三直波导以及所述光学微腔波导共同形成高Q微谐振器；所述铌酸锂薄膜上还设有与所述高Q微谐振器输出端相连接的探测器。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述第一弯曲波导为圆弧形，其所对的圆心角度数为90°；所述第二弯曲波导为圆弧形，其所对的圆心角度数为90°。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述第一金属电极采用行波电极结构，用于所述相位调制器的高速相位调谐。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述第二金属电极采用集总电极结构，用于所述高Q微谐振器的中心频率调谐。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述光学微腔波导为微环或者微盘结构。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述探测器为InGaAs高速探测器，其采用端面耦合或倒装垂直耦合的方法进行异质集成。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述第二金属电极设置在所述第三直波导和/或所述光学微腔波导上。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述铌酸锂薄膜的厚度为300～1000nm。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述上包层和所述下包层分别为二氧化硅层。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述基底晶片为表面抛光的硅晶片。
第二方面，本申请提供一种包括上述基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片的可调谐集成光生微波源***，该可调谐集成光生微波源***还包括：电学放大器、射频耦合器和光源；所述光源发出的光经所述相位调制器、所述高Q微谐振器后射入所述探测器，所述探测器将光信号转换为射频电信号，射频电信号经所述电学放大器放大后输入至所述射频耦合器；所述射频耦合器的输出端作为所述可调谐集成光生微波源***的输出端，并连接至所述相位调制器的输入端。
与现有技术相比，本申请的有益效果：本申请将分立的光学元件(相位调制器、高Q微谐振器和探测器)进行芯片级集成，并利用高Q微谐振器取代传统光生微波源***中长光纤和射频滤波器，使得体积显著减小，有利于实现光生微波源的小型化和工程化；且高Q微谐振器的光学微腔采用铌酸锂薄膜材料，可实现电调谐的功能。
附图说明
图1为本申请实施例1提供的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片的结构示意图；
图2为本申请实施例1提供的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片的铌酸锂光波导的截面示意图；
图3为本申请实施例1提供的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片(光学微腔波导为微环结构)的结构示意图；
图4为本申请实施例2提供的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片(光学微腔波导为微盘结构)的结构示意图；
图5为本申请实施例3提供的可调谐集成光生微波源***的结构示意图。
图中所述文字标注表示为：
1、基底晶片；2、下包层；3、铌酸锂薄膜；4、铌酸锂光波导；4-1、模斑转换波导；4-2、第一直波导；4-3、第一弯曲波导；4-4、第二直波导；4-5、第二弯曲波导；4-6、第三直波导；4-7、光学微腔波导；5、上包层；6、相位调制器；7、高Q微谐振器；8、探测器；9、第一金属电极；10、第二金属电极；11、电学放大器；12、射频耦合器；13、光源。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
实施例1
请参考图1至图3，本实施例提供一种基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片，包括自下而上依次层叠布置的基底晶片1、下包层2、铌酸锂薄膜3以及上包层5；其中所述基底晶片1为表面抛光的硅晶片，所述上包层5和所述下包层2分别为二氧化硅层；所述铌酸锂薄膜3的厚度为300～1000nm。
所述铌酸锂薄膜3上设有铌酸锂光波导4，即所述铌酸锂光波导4制作于所述铌酸锂薄膜3中，采用干法蚀刻工艺制作；如图3所示，所述铌酸锂光波导4包括依次连接的模斑转换波导4-1、第一直波导4-2、第一弯曲波导4-3、第二直波导4-4、第二弯曲波导4-5、第三直波导4-6和光学微腔波导4-7；所述上包层5上与所述第一直波导4-2相对应的位置设有第一金属电极9，即所述第一金属电极9位于所述上包层5的上表面；所述第一金属电极9、所述模斑转换波导4-1以及所述第一直波导4-2共同形成相位调制器6；所述上包层5上与所述光学微腔波导4-7相对应的位置设有第二金属电极10，即所述第二金属电极10位于所述上包层5的上表面；所述第二金属电极10、所述第三直波导4-6以及所述光学微腔波导4-7共同形成高Q微谐振器7；在本实施例中，所述光学微腔波导4-7采用微环结构；所述铌酸锂薄膜3上还设有与所述高Q微谐振器7输出端相连接的探测器8。
进一步地，所述第一弯曲波导4-3为圆弧形，其所对的圆心角度数为90°；所述第二弯曲波导4-5为圆弧形，其所对的圆心角度数为90°。
进一步地，所述第一金属电极9采用行波电极结构，用于所述相位调制器6的高速相位调谐；所述第二金属电极10采用集总电极结构，用于所述高Q微谐振器7的中心频率调谐。
进一步地，所述探测器8为InGaAs高速探测器，其采用端面耦合或倒装垂直耦合的方法进行异质集成。所述的倒装垂直耦合方法是利用折射率匹配粘结胶将探测器倒装在铌酸锂薄膜波导之上，由于探测器光敏区折射率比铌酸锂薄膜波导层折射率大，可以通过倏逝波耦合方式，将铌酸锂薄膜波导中的光耦合进入探测器光敏层。
可选择地，所述第二金属电极10设置在所述第三直波导4-6和/或所述光学微腔波导4-7上。
在使用时，光束依次经过所述相位调制器6、所述高Q微谐振器7和所述探测器8，具体地，光束依次经过所述模斑转换波导4-1、所述第一直波导4-2、所述第一弯曲波导4-3、所述第二直波导4-4、所述第二弯曲波导4-5和所述第三直波导4-6进入微环结构的所述光学微腔波导4-7内，再经所述光学微腔波导4-7的输出端射入至所述探测器8。
本实施例提供的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片，将分立的光学元件进行芯片级集成，并利用高Q微谐振器取代传统光生微波源***中长光纤和射频滤波器，使得体积显著减小，有利于实现光生微波源的小型化和工程化；且高Q微谐振器的光学微腔采用铌酸锂薄膜材料，可实现电调谐的功能；对于电调谐功能的实现，具体地，因为铌酸锂薄膜具有电光效应，通过在光学微腔波导上设置第二金属电极，并且第二金属电极采用集总电极结构，可用于对高Q微谐振器的中心频率进行调谐，具体是通过调节加载在第二金属电极上的电压使得铌酸锂薄膜的折射率发生变化，进而实现谐振波长变化，从而实现电调谐功能。
实施例2
本实施例提供一种基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片，其与实施例1的不同之处在于：在实施例中，所述光学微腔波导4-7采用的是微环结构，而在本实施例中，所述光学微腔波导4-7采用的是微盘结构，如图4所示。
实施例3
请参考图5，本实施例提供一种基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源***，该***包括如实施例1所述的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片，还包括电学放大器11、射频耦合器12和光源13；其中，所述光源13靠近所述相位调制器6设置，具体地靠近所述相位调制器6的所述模斑转换波导4-1设置；所述电学放大器11为GaAs低噪声射频放大器，其噪声系数小于等于2；所述射频耦合器12为GaAs射频耦合器，其耦合系数在15～20dB之间。
本申请实施例提供的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源***在使用时，所述光源13发出的光首先由所述模斑转换波导4-1进入所述铌酸锂薄膜芯片中的所述相位调制器6，然后经过所述第一直波导4-2、所述第一弯曲波导4-3、所述第二直波导4-4、所述第二弯曲波导4-5和所述第三直波导4-6进入所述高Q微谐振器7的所述光学微腔波导4-7中，从所述高Q微谐振器7输出的光信号被所述探测器8转换为射频电信号，射频电信号经所述电学放大器11进行放大后射入所述射频耦合器12；经所述射频耦合器12后分成两路，其中一路输入到所述相位调制器6中，形成一个环路，当满足环路增益大于1时，则发生振荡，最终经所述射频耦合器12的另一路振荡输出稳定的微波信号。
本发明提供的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源***，采用相位调制器串联集成高Q微谐振器、并与InGaAs型探测器进行芯片级混合集成，利用高Q微谐振器的光子滤波和延时功能，取代传统光生微波源***中的强度调制器、长光纤和电学射频滤波器，实现基于相位调制器向强度调制的转换，并经过电学放大器和射频耦合器，反馈回相位调制器，形成振荡环路，构成了集成光生微波源。如果振荡环路的增益高于损耗，会产生稳定的微波共振信号输出，共振频率由高Q微谐振器的共振频率决定。通过控制应用于高Q微谐振器7上的第二金属电极10的电压，高Q微谐振器共振频率可调谐，从而导致光生微波源产生的微波信号可调谐。
本发明提供的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源***采用铌酸锂薄膜光子集成及异构集成技术，将相位调制器、高Q微谐振器、探测器进行单芯片集成，克服了传统光生微波源中分立器件组成，提高了***集成度和小型化，解决了现有技术中长光纤光生微波源可靠性差的问题，提升光生微波源的小型化和工程化水平，适应微波光子雷达***发展需求。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片，其特征在于，包括自下而上依次层叠布置的基底晶片(1)、下包层(2)、铌酸锂薄膜(3)以及上包层(5)；所述铌酸锂薄膜(3)上设有铌酸锂光波导(4)；所述铌酸锂光波导(4)包括依次连接的模斑转换波导(4-1)、第一直波导(4-2)、第一弯曲波导(4-3)、第二直波导(4-4)、第二弯曲波导(4-5)、第三直波导(4-6)和光学微腔波导(4-7)；所述上包层(5)上与所述第一直波导(4-2)相对应的位置设有第一金属电极(9)；所述第一金属电极(9)、所述模斑转换波导(4-1)以及所述第一直波导(4-2)共同形成相位调制器(6)；所述上包层(5)上与所述光学微腔波导(4-7)相对应的位置设有第二金属电极(10)；所述第二金属电极(10)、所述第三直波导(4-6)以及所述光学微腔波导(4-7)共同形成高Q微谐振器(7)；所述铌酸锂薄膜(3)上还设有与所述高Q微谐振器(7)输出端相连接的探测器(8)；所述第二金属电极(10)采用集总电极结构，用于所述高Q微谐振器(7)的中心频率调谐。
2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片，其特征在于，所述第一弯曲波导(4-3)为圆弧形，其所对的圆心角度数为90°；所述第二弯曲波导(4-5)为圆弧形，其所对的圆心角度数为90°。
3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片，其特征在于，所述第一金属电极(9)采用行波电极结构，用于所述相位调制器(6)的高速相位调谐。
4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片，其特征在于，所述光学微腔波导(4-7)为微环或者微盘结构。
5.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片，其特征在于，所述探测器(8)为InGaAs高速探测器，其采用端面耦合或倒装垂直耦合的方法进行异质集成。
6.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片，其特征在于，所述第二金属电极(10)设置在所述第三直波导(4-6)和/或所述光学微腔波导(4-7)上。
7.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片，其特征在于，所述铌酸锂薄膜(3)的厚度为300～1000nm。
8.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片，其特征在于，所述上包层(5)和所述下包层(2)分别为二氧化硅层；所述基底晶片(1)为表面抛光的硅晶片。
9.一种包含如权利要求1-8任一项所述基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片的可调谐集成光生微波源***，其特征在于，还包括：电学放大器(11)、射频耦合器(12)和光源(13)；所述光源(13)发出的光经所述相位调制器(6)、所述高Q微谐振器(7)后射入所述探测器(8)，所述探测器(8)将光信号转换为射频电信号，射频电信号经所述电学放大器(11)放大后输入至所述射频耦合器(12)；所述射频耦合器(12)的输出端作为所述可调谐集成光生微波源***的输出端，并连接至所述相位调制器(6)的输入端。
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| 郑伟等.《光电振荡器最新研究进展》.《光通信技术》,2021,全文. * |
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