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        光纖耦合聲光調(diào)制器鍵合膜系設(shè)計與制備

        2020-09-03 14:09:50劉保見陳華志曹家強
        壓電與聲光 2020年4期
        關(guān)鍵詞:聲光調(diào)制器等效電路

        劉保見,陳華志,曹家強,劉 玲

        (中國電子科技集團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,利用光纖進行光路耦合輸入輸出,具有納秒級的調(diào)制速度,低插入損耗,高通斷消光比,同時兼顧光脈沖幅度調(diào)制和光頻移的技術(shù)優(yōu)勢,近年來在激光調(diào)Q、脈沖選單、水聽傳感、激光測風(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)聲場能高效耦合入聲光介質(zhì),因此,鍵合膜系的設(shè)計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

        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)動模式,聲場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)動器提供的電功率;Rs為驅(qū)動電源內(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個電感組成的“L”型匹配網(wǎng)路,信號源產(chǎn)生的射頻信號依次經(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)計并制作了一款工作頻率為200 MHz、10 ns光脈沖上升時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,對磁控濺射鍍膜工藝進行了優(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)測試Au薄膜的表面形貌圖片,測試圖形尺寸為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行。實驗采用的鍵合溫度為100 ℃,鍵合壓強為30 MPa,保壓時間為30 min。器件鍵合實物圖如圖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)計厚度,最后沉積上電極等完成器件制作。

        3 仿真與實測結(jié)果分析

        圖5為器件在160~240 MHz頻段的TL計算結(jié)果,器件在200 MHz工作頻點處的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測結(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),對應(yīng)的200 MHz處實測值分別為-42.967 dB和1.015,仿真與實測結(jié)果接近。由圖6~8可知,在(200±30) MHz時,S11幅度、駐波比及史密斯圓圖仿真與實測結(jié)果均吻合較好,在更遠的頻段范圍兩者偏差增大,經(jīng)分析認為這主要是由2個匹配電感間存在的互感導(dǎo)致,可通過在仿真模型中結(jié)合實測結(jié)果對互感參量進行擬合的方式,修正遠端的仿真設(shè)計誤差,提高模型精度。

        圖5 器件換能器損耗計算結(jié)果

        圖6 S11幅度仿真及實測結(jié)果

        圖7 VSWR仿真及實測結(jié)果

        圖8 史密斯圓圖仿真及實測結(jié)果圖

        圖9 利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對聲光晶體的實測結(jié)果

        4 結(jié)束語

        本文介紹了光纖耦合聲光調(diào)制器鍵合膜系的設(shè)計及仿真模型的建立,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光脈沖上升時間的光纖耦合聲光調(diào)制器研制,實測結(jié)果與仿真基本一致。

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