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，具有納秒級的調制速度，低插入損耗，高通斷消光比，同時兼顧光脈沖幅度調制和光頻移的技術優(yōu)勢，近年來在激光調Q、脈沖選單、水聽傳感、激光測風等技術領域中得到廣泛應用[1]。

光纖耦合聲光調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通聲面上，鍵合膜系既充當換能器接地電極，又需要保證換能器激發(fā)聲場能高效耦合入聲光介質，因此，鍵合膜系的設計與制備是決定聲光晶體阻抗及頻響特性的關鍵，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 鍵合膜系設計

光纖耦合聲光調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。底電極層既是聲學增透層，又充當換能器接地電極，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電性。

圖1 聲光晶體的構成及工作原理

聲光晶體換能器工作在厚度驅動模式，聲場從換能器到聲光介質的耦合效率由換能器損耗(TL)來表征，它取決于各聲學層材料的聲阻抗(Zn)、相移(γn)和器件的工作頻率(f)，與各聲學層材料聲速(vn)、密度(ρn)和厚度(ln)有關(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)。

各聲學層聲阻抗定義為

Zn=Snρnvn

(1)

式中Sn為聲學層的橫截面積。

各聲學層相移定義為

(2)

通過等效電路網(wǎng)絡傳遞矩陣函數(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傳遞特性，利用傳輸線網(wǎng)絡矩陣模擬襯底層和鍵合層聲學傳遞特性，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。

光纖聲光高速調制器鍵合膜系等效電路網(wǎng)絡總傳遞矩陣A為

(6)

換能器損耗為

(7)

式中：pm為耦合入聲光介質的聲功率；ps為驅動器提供的電功率；Rs為驅動電源內阻;Zm為聲光介質聲阻抗;M1～M4為鍵合膜系等效電路網(wǎng)絡總傳遞矩陣各元素。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中構建包含鍵合膜系在內的光纖聲光高速調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，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上。

圖2 光纖聲光高速調制器等效電路

2 器件制備工藝

采用上述方法，設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制器。器件采用TeO2作為聲光介質，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)鍵合膜系仿真設計結果，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制器

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

3 仿真與實測結果分析

圖5為器件在160～240 MHz頻段的TL計算結果，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)，對應的200 MHz處實測值分別為-42.967 dB和1.015，仿真與實測結果接近。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致，可通過在仿真模型中結合實測結果對互感參量進行擬合的方式，修正遠端的仿真設計誤差，提高模型精度。

圖5 器件換能器損耗計算結果

圖6 S11幅度仿真及實測結果

圖7 VSWR仿真及實測結果

圖8 史密斯圓圖仿真及實測結果圖

圖9 利用矢量網(wǎng)絡分析儀對聲光晶體的實測結果

4 結束語

本文介紹了光纖耦合聲光調制器鍵合膜系的設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制器研制，實測結果與仿真基本一致。