新型超宽带集成光波导微波副载波电磁波接收器.pdf

本发明提供了一种超宽带集成光波导微波副载波电磁波接收器，它是由光调制、电磁波探测和光放大部分三部分串接组成；光调制部分包括LiNbO3衬底3上的Mach－Zehnder干涉仪式光波导1、共面波导电极2以及光波导和共面波导电极之间的sio2缓冲层4；电磁波探测部分由LiNbO3衬底上的Mach－Zehnder干涉仪式光波导1和反转极化型光波导8组成，光调制部分与电磁波探测部分通过光波导连接，电磁波探测部分通过单模光纤与光放大部分连接。本发明对于微波副载波复用的光纤传输系统和超宽带的多媒体传输系统、无线通信、无线接入有着直接的应用意义和潜在的产业开发价值。

1、  一种超宽带集成光波导微波副载波电磁波接收器，其特征是由光调制、电磁波探测和光放大部分三部分串接组成；光调制部分包括LiNbO₃衬底3上的Mach-Zehnder干涉仪式光波导1、共面波导电极2以及光波导和共面波导电极之间的sio₂缓冲层4；其中，Mach-Zehnder干涉仪式光波导1是由Y分支5、两平行光波导臂6和另一单Y分支7三部分组成；在Mach-Zehnder干涉仪式的两平行光波导臂6上覆盖一层5～10μm的Cr/Au合金，形成共面波导金属电极2；电磁波探测部分由LiNbO₃衬底上的Mach-Zehnder干涉仪式光波导1和反转极化型光波导8组成；光调制部分与电磁波探测部分通过光波导连接，电磁波探测部分通过单模光纤与光放大部分连接。

2、  根据权利要求1所述的一种超宽带集成光波导微波副载波电磁波接收器，其特征是所述的光调制部分和电磁波探测部分可以制作在一块LiNbO₃衬底上。

3、  根据权利要求1所述的一种超宽带集成光波导微波副载波电磁波接收器，其特征是所述的光放大部分可以采用商用的掺铒光纤放大器。

4、  根据权利要求1所述的一种超宽带集成光波导微波副载波电磁波接收器中的光调制部分，其特征是所述的Mach-Zehnder干涉仪式光波导1可以采用脊型结构。

5、  根据权利要求1所述的一种超宽带集成光波导微波副载波电磁波接收器，其特征是所述的光调制部分采用金属材料进行封装；所述的电磁波探测部分用绝缘材料进行封装。

新型超宽带集成光波导微波副载波电磁波接收器
所属技术领域
本发明属于光电子技术领域，它特别涉及集成光学中的光波导电磁波接收器。
背景技术
近年来，随着多媒体业务的发展和无线接入的应用，以及大容量无线通信需要的不断增长，对带宽的要求越来越高。并且，移动通信的飞速发展，对无线接收提出了严格的要求，即具有更低功耗，更高可靠性，更低价格，以及更小的尺寸。(见文献Ning Zhang，Haller，B.Brodersen，R.Systematic architecture explorationfor implementing interference suppression techniques in wireless receivers.SignalProcessing System，Sips 2000，11-13Oct.2000：218～227)现在无线通信领域存在着众多的通信标准，每一种通信标准都对接收机提出特定的性能要求，即：特定的载波频率、不同的信号带宽、灵敏度和选择性要求。所以，客观上要求未来的无线接收机具有更大的灵活性，即具有多种功能以便能接收不同射频(RF)所提供的信息。而传统的电磁波接收器(或称之为接收天线)要实现接收不同频段的电磁波信号，就要使用不同结构参数和相应频段的各类器件(包括天线、谐振回路和有源器件等)，见附图1所示。因此，使用同一的结构来实现多个射频波段的超宽带的天线接收非常有必要。
并且，随着信息技术的高速发展，由于电载体的限制，现有的信息容量和速度已远远不能满足要求。而光载体由于存在速度和频率上的优势，因此，为了提高信息的传输速度和载波密度，信息的载体由电到光是必然的发展趋势。而集成光学是随信息科学技术的发展出现的，也是光学器件本身发展的必然结果。它是研究光学器件和光学系统的理论、技术和应用，其理论基础是导波光学，技术基础是微光学技术。集成光学从基础研究转向应用研究最为突出的是对光波导调制器的研究。光波导调制器具有频带宽，调制电压低，耗电少，能与其它波导器件匹配等优点，在光通信和信息处理系统中有着重要的作用。它主要分为电光调制器、声光调制器和磁光调制器，它们分别由加在电极上的电场、声场和磁场来改变波导介质的介电张量，从而改变波导的振幅、相位或频率实现调制。其中，以铌酸锂(LiNbO₃)晶体为衬底的脊型结构光波导电光调制器正成为人们的研究热点，并且在当今的光通信和信息处理领域，发挥着越来越重要的作用(见文献Ed L，Wooten，et al.A review of lithium niobate modulatorsfor fiber-optic communications systems.IEEE Journal of selected topics in quantumelectronics，2000，6：69～83)。
采用光波导电光调制器结构，可以用作电磁波传感器。一般的电磁波传感器都带有金属电极，金属电极会干扰接收电磁波，并且电极间的电容使得带宽降低，从而导致测量的不准确性。1994年，Sriram S等人提出了无电极Mach-Zehnder型干涉仪式波导电磁场传感器。(见文献David H，Naghski，JosephT.Boyd，Howard E.Jack-son，S.Sriram，Stuart.Kingsley，J.Latess.An IntegratedPhotonicMach-zehnder Interfero meter with No Electrode for Sensing ElectricFields[J].Journal ofLightwave Technology，1994，6(12)：1092-1098.)对于这种结构的传感器，由于无金属电极以及供电装置，因此避免了接收场的干扰，并且使得接收带宽可达6GHz以上。但是，它还存在灵敏度较低和制作工艺较复杂等不足，并且在此文献中，只作为电场传感用。
利用无电极反转极化光波导实现的电场传感，是在传统的带电极的光波导电场传感器的基础上发展起来的。为了利用较大的电光系数r₃₃，一般在z方向加电场E_z，则每一波导折射率的变化满足方程Δn＝-(1/2)n_e³r₃₃E_z。对于带电极的光波导电场传感器，通过加在两波导臂上的大小相等、方向相反的电场E_z，从而得到两波导汇合处的折射率的变化是2Δn，这就是带电极的光波导电场传感器的工作原理。对于无电极的情况，外加电场的方向和大小都相同，为了使得器件正常工作，必须在工艺上获得两波导臂中的r₃₃因子，大小相等，符号相反，(见文献Anyhony J.Servizzi，Joseph T.Boyd，S.Sriram，and Stuart A.Kingsley.Extraordinary-mode refractive-index change produced by the linear electro-opticeffect in LiNbO₃ and reverse-poled LiNbO₃.Applied optics，1995，21(34)：4248-4255)从而使得两波导臂折射率的变化大小相等，方向相反，导致输出光强的变化，这是无电极电场传感器的工作机理。
对于无电极电场传感器反转极化型波导的制作，采用Sriram S等人提出过用钛扩散加质子交换法(见文献：S.Sriram，et al.Electro-optical sensor for detectingelectric fields.U.S.patent，1993，11，No.5267336)，在制作时，可以将一段直波导等分成两段，其中一段为正常型，另一段为反转极化型，在相同方向和大小的外加电场下，观察其光功率的变化，从而确定正常型和反转极化型波导的r₃₃因子是否大小相等，方向相反。
本发明的任务是提供一种超宽带集成光波导微波副载波电磁波接收器，它以较简单的方式实现了宽带、大容量的光纤传输。
本发明的一种超宽带集成光波导微波副载波电磁波接收器，它是由光调制、电磁波探测和光放大部分三部分串接组成，如图2所示；光调制部分包括LiNbO₃衬底3上的Mach-Zehnder干涉仪式光波导1、共面波导电极2以及光波导和共面波导电极之间的sio₂缓冲层4，如图3、图4所示；其中，Mach-Zehnder干涉仪式光波导1是由Y分支5、两平行光波导臂6和另一单Y分支7三部分组成，如图5所示；为了实现单频微波光调制，在Mach-Zehnder干涉仪式的两平行光波导臂6上覆盖一层5～10μm地Cr/Au合金，形成共面波导金属电极2，如图6所示；电磁波探测部分由LiNbO₃衬底上的Mach-Zehnder干涉仪式光波导1和反转极化型光波导8组成，如图7所示，其中，Mach-Zehnder干涉仪式光波导1包括单Y分支5、两平行光波导臂6和另一单Y分支7，如图5所示；光调制部分与电磁波探测部分通过光波导连接，电磁波探测部分通过单模光纤与光放大部分连接。
需要说明的是，上面所述的光调制部分和电磁波探测部分可以制作在一块LiNbO₃衬底上；光放大部分可以采用商用的掺铒光纤放大器；光调制部分是用来实现单频微波副载波信号的调制，如图2所示。
本发明的实质是基于现有的集成光波导电光调制器和无电极电磁场传感器的研究工作，提出了一种全新的集成光波导微波副载波电磁波接收器；将一块LiNbO₃衬底上的两组Mach-Zehnder干涉仪式光波导串接；其中，一组覆盖上电极，实现单频微波光调制，并用金属材料进行封装，实施电磁屏蔽；另一组无电极但要形成反转极化型光波导，与接收电磁波中的电场矢量的相互作用，其输出光强受控于接收电场，这一部分用绝缘材料进行封装；串连的结果导致输出光的双重调制，调制后的光波，又经过光放大器的放大，形成一种新型的超宽带微波副载波调制的电磁波接收器。
本发明具有下述优点：
(1)它抛弃了使用不同频段的传统无线接收机的接收前端(包括天线、谐振回路和有源器件等)所对应的不同参数结构和相应频段的各类器件，在0～6GHz范围内使用同一的结构和器件来实现电磁波超宽带无线接收。
(2)以较简单的方式实现接收信号的宽带光纤传输，且能方便利用现有的射频和微波通信技术和设备。
(3)能使语言、数据和图像等各种业务传输实现无线与有线的互通互连。
(4)本发明对于微波副载波复用的光纤传输系统和超宽带且能实现多媒体传输的下一代无线通信系统，都有直接的实用意义。更不用说，面对无线通信、无线接入有着直接的应用意义和潜在的产业开发价值。
附图及附图说明：
图1是传统电磁波接收器
图2是新型超宽带集成光波导电磁波接收器组成图
图3是脊型结构M-Z型LiNbO₃电光调制器的俯视图
其中，1是Mach-Zehnder干涉仪式光波导，2是共面波导电极，3是LiNbO₃衬底；
图4是脊型结构M-Z型LiNbO₃电光调制器的横截面图
其中，1是Mach-Zehnder干涉仪式光波导，2是共面波导电极，3是LiNbO₃衬底，4是sio₂缓冲层；
图5是Mach-Zehnder干涉仪结构组成图
其中，5是单Y分支，6是两平行光波导臂，7是另一单Y分支；
图6是带有共面波导电极的Mach-Zehnder干涉仪式光波导结构组成图
其中，2是共面波导电极，5是单Y分支，7是另一单Y分支；
图7是无电极电磁波传感器结构俯视图
其中，1是Mach-Zehnder干涉仪式光波导，3是LiNbO₃衬底，8是反转极化型光波导；
图8是在不同的电极厚度Te下，脊型结构电光调制器有效折射率N_eff和脊深Tr的关系曲线
图9是在不同的电极厚度Te下，脊型结构电光调制器特征阻抗Z_c和脊深Tr的关系曲线
具体实施方式：
由于要实现高性能的电光调制，就要求在低驱动电压下，光波和微波相速度匹配的同时，电极的特征阻抗和信号源阻抗相匹配，传输损耗小，我们选择脊型结构、带宽超过100GHz就可以满足其要求，如附图图3和4所示。利用退火质子交换技术，在LiNbO₃衬底上形成光波导，在电光相互作用的长度范围内，波导两边的LiNbO₃部分腐蚀成脊形，衬底上面覆盖SiO₂缓冲层，最后在缓冲层上通过光刻和电镀形成大厚度金属电极。因为LiNbO₃材料的介电常数比较大，在脊形结构中，中间电极周围高介电常数的LiNbO₃被腐蚀掉，用低介电常数的SiO₂和空气代替，这样衬底的实际有效介电常数就会变小，容易达到速度匹配和实现阻抗匹配。由优化设计结果可以看出，当取电极间距G＝15μm，电极厚度Te＝10μm，缓冲层厚度Tb＝1μm和脊深Tr＝4μm时，在这种情况下，可以得到微波有效折射率为N_eff＝2.2，见附图8所示，并且特征阻抗Z_c＝49Ω，见附图9所示。因此，在这种结构尺寸下设计的电光调制部分，可以获得高的调制效率、小的半波电压和大的带宽。
将一块LiNbO₃衬底的两组Mach-Zehnder干涉仪式集成光波导串接。其中，一组覆盖上电极，实施单频微波光调制，并用金属材料进行封装，实施电磁屏蔽；另一组无电极但要形成反转极化型光波导，与接收电磁波中的电场矢量相互作用，其输出光强受控于接收电场，这一部分用绝缘材料进行封装。串连的结果导致输出光的双重调制，调制后的光波，又经过光放大器的放大，形成一种新型超宽带集成光波导微波副载波电磁波接收器。