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)國家重點聯(lián)合實驗室吉林大學(xué)實驗區(qū)，吉林長春130012;

2.吉林省光通信用聚合物波導(dǎo)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(chǎn)業(yè)被譽為21世紀第一主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。隨著發(fā)達國家對光電子產(chǎn)業(yè)的大量投入，近二十年，我國相繼加強了對各光電子產(chǎn)業(yè)鏈的投入。光電子技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用推動了光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時高科技武器系統(tǒng)也對光電子產(chǎn)業(yè)提出了更高的要求。開發(fā)先進的雷達系統(tǒng)是光電子產(chǎn)業(yè)在軍事領(lǐng)域的重要發(fā)展目標，高性能雷達在提升信息化部隊的作戰(zhàn)能力方面至關(guān)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(tǒng)是雷達的重要組成部分。光延遲線是實現(xiàn)抗電磁干擾、無波束偏斜、高性能、便攜化雷達延遲系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是提升雷達性能，保障雷達部隊安全作戰(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，具有時間帶寬大、信號頻率高、線性好、損耗小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但其存在延時不易調(diào)節(jié)，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(jīng)難以滿足高性能雷達系統(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(yīng)用平面光波導(dǎo)延遲線陣列，可使雷達實現(xiàn)高性能、高頻寬和結(jié)構(gòu)緊湊［7-9］。

上個世紀80年代以來，隨著光控相控陣雷達系統(tǒng)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(dǎo)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(wěn)定性等問題制約［10］。無機材料光波導(dǎo)延遲線具有低損耗、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。1997年，S.Yegnanarayanan等制備了3 bit彎曲型延時線，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，陣列間延遲時間差?。?1］。1999 年，ShiZhuo Yin等人利用鈮酸鋰材料，制備了13 bit光延時線，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)，對工藝精度要求高［12］。2002年，Yihong chen等人采用光學(xué)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(chǔ)上制備了延時范圍為0～443.03 ps的6 bit延時模塊，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、陣列延遲時間間隔、封裝等特性是延遲線實用化的關(guān)鍵。本文設(shè)計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(shè)計

延遲時間T與波導(dǎo)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(dǎo)芯層的有效折射率，l為波導(dǎo)總長度，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)具有較長的整體延遲時間，但相鄰?fù)ǖ篱g的延遲時間較短;交叉型延遲線具有結(jié)構(gòu)緊湊，延遲線相鄰?fù)ǖ姥舆t間隔長的特點。對于延遲線，其真正有作用的部分為相鄰?fù)ǖ赖难舆t時間，所以本文設(shè)計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Y分支，分成4條不同長度的通道，最短的通道由直波導(dǎo)進入輸出端，其余通道由不同長度的圓弧波導(dǎo)和直波導(dǎo)連接，其相鄰?fù)ǖ篱g的長度差呈倍數(shù)增加，可以實現(xiàn)滿足實際應(yīng)用的等延遲，這一特點對實現(xiàn)2 bit光波導(dǎo)延遲線具有重要意義。長的延遲時間，可以通過增加波導(dǎo)長度來實現(xiàn)，長度的增加帶來損耗的增加，所以需要對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)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(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(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，當彎曲半徑大于1 500 μm時，損耗低于1 dB，所以設(shè)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(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

采用標準的半導(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(dǎo)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(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)的掃頻特性來測量延遲時間，搭建了精度較高的測試系統(tǒng)。由于條件有限，測試系統(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)測量法［15］測量并計算系統(tǒng)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(shù)，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(tǒng)［16］，1 550 nm波長的信號光輸入到鈮酸鋰調(diào)制器，來自HP37269C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的射頻信號輸入電光調(diào)制器(調(diào)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(jīng)濾波器A濾波整形，傳輸?shù)椒质鳎脝文９饫w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(jīng)過濾波器B整形，送到光探測器實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，電信號再輸入矢量網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)分析儀得出的數(shù)據(jù)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(tǒng)原理圖Fig.8 Diagram of experiment measuring system

本文設(shè)計的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波長光下進行測試，測試系統(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)?？紤]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(jié)果符合設(shè)計要求。

圖9 測試系統(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)延遲線陣列個數(shù)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(xiàn)光波導(dǎo)延遲線的性能優(yōu)化。

圖11 交叉型延遲線個數(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(dǎo)延遲線陣列進行個數(shù)集成，進一步實現(xiàn)了延遲時間倍增，提高了集成器件性能。

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