（微电子学与固体电子学专业论文）光纤陀螺用gaas集成光学芯片的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 光纤陀螺用多功能集成光学芯片是集成光学干涉型光纤陀螺( i - f o g ) 系统 的核心器件之一。由于高精度的光纤陀螺主要应用于高端武器的导航，具有战略 意义，因此不可能从国外直接买到，故依靠自己的力量研制出高性能的光纤陀螺 具有很重要的意义! g a a s 材料制成的集成光学器件具有良好的抗辐射、光传播 和温度特性，并且可以与激光器、光电探测器等有源器件实现单片集成。因此， 基于g a a s 材料的集成光学芯片在光纤陀螺系统中，尤其是在恶劣环境下优势明 显，故有很高的研究价值。 本论文中所设计的多功能集成光学芯片采用深腐蚀波导结构以降低半波电 压v 耳，主要由带s 弯曲的l 2m m i 功分器、两个相位调制器、两个t e t m 模 式偏振器三部分组成。由于金属覆盖型脊波导对t e 模和t m 模的光具有不同的 传输损耗，因此，当我们采用上下电极的相位调制器，则调制器的上电极同时可 以作为t e 刑模式偏振器使用，故无需设计额外的偏振器，从而可以减小整个 器件的尺寸。 本论文对芯片的各个组成部分进行了仿真模拟和优化设计，从优化的结果来 看，当电极长度为7 5 m m 时，功分器及s 弯曲引入的损耗 - - j 上的指导。感谢赵勇博士对我学业的 指导和生活的帮助。感谢王皖君博士、陈伟伟博士、贾文建硕士、王翔硕士和赵 佳特硕士对我生活的帮助。感谢蒋峰硕士对我实验的指导。感谢余辉博士、戚伟 博士、周海峰博士、王帆博士、祁彪博士、郑伟伟博士对我的帮助。感谢邱晨博 士、陈瑞宜博士、魏玉欣博士、涂国辉博士、白刃硕士、王欢硕士、向微硕士、 姜国敏硕士、江舒杭硕士、李国熠硕士和谷金辉硕士。 感谢评审此文的所有专家、教授给予的指正。 最后感谢我的家人一直以来对我的默默支持，无论我遇到什么样的挫折与困 难，家人都一如既往的给我认可和鼓励。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 光纤陀螺原理 1 1 1 引言 第1 章绪论 光纤陀螺( f o g ) 是一种新型的角速度传感器，可用于自动导航、姿态控制、 制导、定位等，因此被广泛应用于军事、航海、航空、航天及民用等众多领域。 1 9 7 6 年，美国u t a h 大学的v a l i 和s h o r t h i l l e l 】成功制作了第一个光纤陀螺。与机 电陀螺或激光陀螺相比，f o g 有如下优点【2 1 ：1 ) 零部件少、无运动部件、具有 较强的耐冲击和抗加速运动能力；2 ) 光纤线圈增长了激光束的检测光路，故与激 光陀螺相比，检测灵敏度和分辨率大大提高，而且有效地克服了激光陀螺的闭锁 问题；3 ) 相干光束的传播时间极短，因而原理上可以实现瞬间启动；4 ) 无机械 传动部件，不存在磨损问题，因而寿命较长；5 ) 具有较宽的动态范围；6 ) 易于 采用集成光学技术，信号稳定可靠，且可直接用数字输出，便于计算机处理； 7 ) 可与环形激光陀螺一起使用，从而构成各种惯导系统的传感器，尤其是捷联 惯导系统的传感器；8 ) 功耗低、体积小、质量小、易于微型化。由于光纤陀螺 有如此多诱人的优点，因此近三十年来，国内外对光纤陀螺进行了广泛而深入的 研究和实验3 。2 1 ，在此基础上，中、低精度的光纤陀螺产品已经商品化，而高精 度的光纤陀螺也在研制中【1 3 l 。目前最高精度的光纤陀螺已达0 0 0 0 2 3 。h t l 4 1 ，已 进入惯性级导航所需要的精度范围：0 0 0 1 5 0 h 0 0 0 0 0 1 5 0 h 。从发展趋势来 看【1 5 1 ：光纤陀螺一是向更高精度、更高可靠性的方向发展，为航空、航天和航 海提供高精度的惯性元件；二是向体积小、集成度高，价格便宜、结构牢固的超 小型化方向发展，为战术级应用提供坚固、低廉的惯性传感器；三是朝多轴化方 向发展。 光纤陀螺按- i - 作原理可分为【1 5 1 ：干涉型光纤陀螺、谐振型光纤陀螺和布里渊 型光纤陀螺。其中，干涉型光纤陀螺发展最早、最为成熟、应用最广泛，其惯性 级产品的研制与开发正日趋成熟。然而，由于一些随机性、非互易性等因素的影 响，大大限制了其性能的提高。谐振型光纤陀螺与环形激光陀螺相似，利用环 l 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 形谐振腔来增强s a g n a c 效应。谐振型光纤陀螺与干涉型光纤陀螺相比，结构简 化、可靠性高、温度分布漂移小、动态范围大。但是，谐振型光纤陀螺对光源要 求比较苛刻，这一点影响了它的发展。布里渊型光纤陀螺是利用布里渊光纤环形 激光器的频率变化原理而制成，具有结构简单、光器件少、成本低、线性度好、 动态范围大等优点，适于高精度检测，其缺点是存在锁定现象。干涉型光纤陀螺 又主要分为集成光学型和全光纤型两种类型。在本论文中，我们所研制的g a a s 多功能集成光学芯片是用于集成光学干涉型光纤陀螺系统的。( 注：下文中，如 果未加特殊说明，则光纤陀螺系统均指干涉型光纤陀螺系统) 。 1 1 2 干涉型光纤陀螺基本原理 干涉型光纤陀螺的基本构成如图1 1 所示：主要由光纤环和半透镜组成。物 理基础为s a g n a c 效应，基本原理为：输入光经分合束器分成两束，在光纤环中 分别沿顺、逆时钟方向传播，最后又在分合束器处汇合，产生干涉。当光纤环 绕着垂直于环面的轴转动时，顺时针和逆时针方向传播的光会有相位差，且该相 位差随转动角速度变化而变化，从而引起输出干涉图样的变化。相位差嗽与角 速度q 之间的关系为： ，：_ 2 7 r l d q 九c 其中，d 为光纤环直径，l 为光纤长度，九为光波波长，c 为光纤中光的传播 速度。因此，q 的大小可通过检测啦得到。其中，至芝旦为光纤陀螺的标度因子。 采用低损耗的单模光纤，l 可达数千千米【1 5 1 ，这样可大大提高光纤陀螺的灵敏度， 但是光纤长度的增加也会伴随着损耗的增加，且保持系统的互易性也会更困难。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 1干涉型光纤陀螺的基本结构 1 1 3 改善光纤陀螺灵敏度的方法 干涉型光纤陀螺的输出光强可表示为： ，：i o ( i + c o s ，) ：厶( 1 + c o s ( 挲q ) ) ( 1 - 2 ) a , c 故输出光强j 为光纤环转动角速度q 的余弦函数，这会引入两个严重的问题： ( 1 ) 输出光强不能反映光纤环的转动方向，光纤环无论是顺时针还是逆时 针转动，只要角速度q 的大小相同，则输出光强相同； ( 2 ) 小信号灵敏度低，系统的灵敏度d i d q 在f 2 = o 处为零，因此要检测微 小的转动很困难，而在实际应用中s a g n a c 相移一般都很小。 解决这两个问题的方法很多1 6 】，这里 e l i 介绍相位偏置法和相位调制法： 一、相位偏置法 当我们在两束反向传输的光之间人为的引入r d 2r a d 的相位偏置时，输出光 强变为： ，：厶( 1 一s i n ，) ：厶( 1 一s i n ( 2 7 - r l d q ) ) ( 1 3 ) a , c 此时，光纤环的转动方向可以被反映出来，并且在f 2 = o 时，系统的灵敏度最大。 这种方法原理和实现都很简单，但是，对于惯性级导航所需要的高精度陀螺，必 须检测出1 0 。6r a d 的微小相位变化，这与胞r a d 的相位偏置差距太大，而且要 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 获得高稳定的尥r a d 相位偏置相当困难，故这种方法在实际应用中用的很少。 二、 相位调制法 当我们在光纤环的一端引入一个相位调制器，则沿顺、逆时针方向传输的两 束光在不同时间通过同一个相位调制器时，会产生相位差调制： = ( f ) 一( f f )( 1 - 4 ) 其中( t ) 为调制函数，t 为光在光纤环中的传播时间，则光纤陀螺的输出光强 为： i = l o ( 1 + c o s ( 西，+ ) ) ( 1 5 ) 假设为正弦调制，即( f ) = 。s i n c o t ，则由式( 1 - 4 ) 和( 1 - 5 ) 可得： ，= i o ( 1 + c o s ( 叩c o s c o ( t 一) + ，) ) ( 1 - 6 ) 式中叩= 2 0 。s i n 竿。 当光纤陀螺静止时，其输出只有调制频率的偶次谐波，但是，光纤陀螺转动 时，将产生奇次谐波。应用锁定放大器检测一次谐波，可得光纤陀螺的输出为： i m = 2 【o j l ( r ) s i n 固s( 1 7 ) 其中，k 为电增益系数。通常1 1 的值选为1 8 4r a d ，则以( 7 7 ) 取得最大值0 5 3 ，此 时，不仅陀螺输出光强与s i n 。成正比例关系而且正比例系数最大，有利于提高 光纤陀螺的灵敏度。式( 1 7 ) 反映了开环光纤陀螺的工作机理。然而，这种系 统存在以下问题： ( 1 ) 检波信号依赖于光源的强度； ( 2 ) 输出与相移呈正弦关系，线性度有问题，而且动态范围不大； 因此，这种信号检测方案还有待改进。常用的改进方法为闭环光纤陀螺，即 用一个可产生任意相移的器件( 如相位调制器) 来补偿由于光纤环旋转所引起的 相移。该相移受s a g n a c 相移的反馈控制，其大小与s a g n a c 相移相等，而方向相 反。则光纤陀螺一直工作在灵敏度最高的零相位点上，其输出信号可以从补偿信 号中得出。改进后的光纤陀螺系统输出与光源的强度无关，与电路系统的增益无 关，灵敏度更高，动态范围更大。闭环光纤陀螺系统通常选取方波、正弦波作为 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 相位调制信号产生r d 2 偏置，使光纤陀螺工作在最灵敏处；选用锯齿波、阶梯波 信号做反馈补偿相移，以实现闭环检测，这就要求相位调制器有较宽的带宽。 1 1 4 光纤陀螺互易结构 在图1 - 1 中，顺时针方向的光经过两次透射，最后被输出，而逆时针方向的 光经过了两次反射，最后被输出。由于两束方向相反的光经历了不同的光路，即 便光纤陀螺静止不动，两束光之间也会有相位差。而且，环境的温度变化或者系 统的震动，都会改变此相位差，对于高精度要求的光纤陀螺，这些微小的相位变 化引起的误差是不可接受的。故必须排除由于s a g n a c 效应以外任何因素引起的 相位差，这就要求光纤陀螺系统必须是互易的。对于光纤陀螺而言，要实现互易， 必须满足以下三个条件： 1 、 顺、逆时针传播的两束光必须经过相同的光路； 2 、 顺、逆时针传播的两束光必须是单模； 3 、 顺、逆时针传播的两束光必须是同一偏振态。 图1 2 为典型的互易的全光纤型开环光纤陀螺系统1 9 】。用耦合器使顺、逆时针的 光通过完全相同的光路，用单模光纤来保证整个系统的光为单模的，模式偏振器 使得系统工作在单偏振状态，从而消除了光纤双折射变化对光纤陀螺的影响【1 7 1 8 】 图1 2互易的全光纤型开环光纤陀螺系统 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 2 集成光学型光纤陀螺用集成光学芯片概述 。 相位调制器通常可分为压电陶瓷( p z t ) 调制器和集成光学调制器。压电陶 瓷调制器制作简单，可用于光纤陀螺。但这种调制器带宽窄、半波电压大，故只 适用于开环光纤陀螺和一些低精度的闭环光纤陀螺。对于精度要求较高的光纤陀 螺，尤其是需要大动态范围的闭环光纤陀螺，必须用集成光学相位调制器。选用 集成光学相位调制器的光纤陀螺系统即为集成光学型光纤陀螺系统。集成光学相 位调制器的带宽很宽，可以用于闭环、开环、方波和锯齿波调制器等多种信号处 理方案。 目前在集成光学型光纤陀螺中被广泛使用的一种多功能集成光学芯片，其基 本组成如图1 3 所示【1 9 】。该芯片是集成光学型光纤陀螺系统的核心器件之一。它 包括一个对称的y - 分支功分器、两个相位调制器、一个t e t m 模式偏振器。其 中，一个相位调制器用于实现相位偏置，另一个相位调制器用于提供反馈相移以 形成闭环光纤陀螺；两个相位调制器也可以实现推挽( p u s h p u l l ) 的工作方式， 这可以消除调制器的二阶非线性引起的标度因子误差。t e t m 模式偏振器用来 吸收t m 模，使系统工作在单偏振模式下。通常该芯片包含以下几个主要的技术 指标：相位调制器半波电压v 。；t e t m 模式消光比；插入损耗；输出分光比；芯 片后向反射大小；相位调制器的寄生强度调制大小；如果是封装好的带尾纤的芯 片，还有一个指标是光纤脊波导耦合处所引起的t e 模，t m 模之间的串扰比。 图1 3光纤陀螺用多功能集成光学芯片的基本结构 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 现在国内外商业化的光纤陀螺用集成芯片多是基于l i n b 0 3 材料的集成光学 器件1 9 2 0 1 ，l i n b 0 3 材料具有优良的光传输特性和线性电光效应，可以制成性能 较好的集成光学器件；而且价格便宜、微细加工技术相对简单，故基于l i n b 0 3 材料的器件性价比较高。但l i n b 0 3 材料在应用中也存在以下几个问题： 1 、材料的温度系数较大。当光通过l i n b 0 3 材料时，由于环境温度的变化， 会影响器件的光学传输特性，从而产生温漂效应。因此，为了保证器件在宽温度 范围内的工作稳定性，必须采取温度补偿措施，但这会使得外围控制电路比较复 杂。 2 1 - 2 5 2 、材料的抗辐射能力较差，限制了其在某些辐射较强的环境下的应用； 3 、材料具有较强的压电特性，限制了器件在某些应用场合的使用； 4 、不能用于制作光源、探测器和光放大器等有源器件，限制了其在光电子 单片集成方面的应用。 1 3 本论文工作 光纤陀螺用多功能集成光学芯片是集成光学干涉型光纤陀螺( i - f o g ) 系统 的核心器件之一。由于国内对该芯片需求的迫切性以及国外对我国的禁运，因此 依靠国内自身的力量研制出高性能的光纤陀螺用集成光学芯片具有很重要的意 义。 与l i n b 0 3 材料相比，g a a s 材料的温度系数小、抗辐射能力强、压电效应小。 基于g a a s 材料的集成光学芯片有望实现与激光器、探测器、半导体光放大器 ( s o a ) 等其它有源器件的单片集成。因此在某些环境条件恶劣、或者集成度要 求较高的场合，如航天、军事等领域，g a a s 材料具有明显的优势。 除了在材料方面的优势，工艺水平的进步使研究实用化成为可能： ( 1 ) 分子束外延( m b e ) 和金属有机化合物气相淀积( m o c v d ) 技术生长的 g a a s g a a i a s 异质结材料制成的光波导器件的光传输损耗可以做得很小，这提供 了在g a a s 材料上实现集成度更高、性能更好的光纤陀螺用集成光学芯片的可能 性； ( 2 ) 端面镀膜工艺的进步，使得光纤与波导的耦合损耗可以很小； 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 3 ) 封装技术的发展，使得做一个完整的封装好的集成光学芯片成为可能。 因此本论文采用g a a s 材料进行光纤陀螺多功能集成光学芯片的研制。 作者所设计的光纤陀螺用g a a s 集成光学芯片的基本结构如图1 - 5 所示：带s 弯 曲且输入和输出都采用锥形波导的l x 2m m i 功分器、两个相位调制器、t e t m 模式偏振器。相位调制器采用上下电极结构，因此金属上电极直接覆盖于波导上。 由于金属覆盖的光波导对不同的偏振模式( t e 和t m 模) 的光具有不同的传输 损耗2 6 1 ，利用这一特性，相位调制器的金属电极同时也可以作为芯片所需的 t e t m 模式偏振器使用【2 7 ，2 8 1 。 图1 5 本论文研制的光纤陀螺用g a a s 集成光学芯片 作者所在的实验室早就开始了光纤陀螺用g a a s 集成光学芯片的研制【1 9 】，本 论文的主要工作是对光纤陀螺用g a a s 集成光学芯片进行优化设计和制作，主要 包括以下几个方面： l 、采用深腐蚀波导结构，从而对光进行强限制，不仅可以提高电光调制效 率、降低半波电压v 兀，而且可以减小s 弯曲的长度，有效减小器件的总尺寸； 2 、采用l 2m m i 做功分器，不仅可以减小分支损耗，而且降低了工艺的 制作难度，考虑到降低m m i 的反射光对光纤陀螺系统的影响，我们将m m i 的 输入波导和输出波导设计成锥形波导； 3 、精确测量了外延片各外延层的厚度，提高了设计的准确性，从而提高了 制作出来的器件的性能； 本论文共分五章： 第一章、介绍了课题的研究背景，介绍了光纤陀螺的发展历程、研究现状及发展 趋势； 第二章、芯片的分析及设计，详细介绍了芯片各组成部分的设计及优化过程，包 括波导结构的选择，功分器的设计，相位调制器的设计，t e t m 模式偏振器的 设计； 第三章、芯片的制作，详细介绍了整个芯片制作过程所必须的各个工艺环节，分 析了不同的工艺流程对芯片制作的影响； 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 第四章、芯片的测试、分析及改进，对制作出来的芯片进行定性及定量的测试， 对测试结果进行了详尽的分析，在此基础上，改进了对芯片的设计、制作，并对 改进后的芯片进行了详细的测试和分析； 第五章、总结与展望，回顾了芯片设计及制作的一些经验和教训，对芯片的进一 步改进做出了一些展望。 浙江大学硕士学位论文 第2 章芯片的分析及设计 第2 章芯片的分析及设计 本论文所设计的芯片，主要由相位调制器、t e t m 模式偏振器、1x2 功分 器三部分组成。本章对每一部分均进行了详尽的分析和设计。 2 1 相位调制器的分析与设计 2 1 1 电光调制原理 电光调制是指用电信号去控制光波的某个参数( 如振幅、频率、相位等) ， 使得该参数的变化与所加电信号有某种确定的关系。若受调制参数为光波的相 位，则这种调制方式为电光相位调制。本文研究的是基于g a a s 材料的电光相位 调制器。 电光调制的物理基础是光学材料在外加电场作用下出现的光学各向异性，即 电光效应【2 9 】。电光效应指晶体在外加电场作用下，晶体折射率随外加电场的变 化而发生变化的一种效应。晶体折射率的变化可以表示为： r = n o + 以+ 6 e 2 + ( 2 - 1 ) 式中，n o 为无外加电场时晶体的折射率，e 为外加电场强度，a 为一次电光系数， b 为二次电光系数。 一次电光系数对应的效应称为线性电光效应，或称为p o c k e l s 效应，此时晶 体的折射率变化与外加电场强度成线性关系。与一次电光系数相比，二次及更高 次的电光系数很小，因此在外加电场强度不是很强的情况下，二次及更高次的电 光效应通常可以忽略。 光在晶体中的传播特性可用折射率椭球法【3 0 1 进行分析。对于线性电光效应， 在外加电场的作用下，如图2 1 所示，晶体折射率发生变化使原坐标系统与晶体 光轴不再一致。 l o 浙江大学硕士学位论文第2 章芯片的分析及设计 z 0 0 l l l o 乒一蕊 哭乡 。 x ( a ) y y ( 0 l ”) ( 1 1 0 ： 气 、扮 1 1 0， = = = = = ， v 、 ，牺 k 、 邋1 减。 l ，i j j、 ( b ) ， 图2 1晶体光轴随外加电场的变化图( a ) 未加电场时的晶体折射率椭球 ( b ) 加上电场后晶体光轴发生变化 此时折射率椭球方程为： ( 吉) 。x 2 + ( 吉) ：y 2 + ( 吉) ，z 2 + 2 ( 吉) 。：砂+ 2( 乳一( 鼽州 当外加电场为e 时( 其沿x 、y 、z 坐标的分量分别为e ) 【、e y 、e z ) ，可得： ( 辨 3 i = l ，2 ，6 ；j = l ，2 ，3 ( 分别对应坐椒，y ，z ) j = l 其中r i j 为电光系数。该式可用下面的矩阵表示： 其中： ( 专) 。 ( 砉) ： ( 专) ， ( 吉) 。 ( 吉) ， ( 乳 目 1 l ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 亿仫亿乞龟_吃吩吩 浙江大学硕士学位论文 第2 章芯片的分析及设计 ( 崭( 乳 ( 鼾( 乳 ( 冉( 鼽 ( 专) 。= ( 专) ：，= ( 吉) 北 ( 专) ，= ( 专) 。，= ( 吉) 。 ( 吉) 。= ( 吉) 。：= ( 吉) ：。 g a a s 晶体的线性电光系数矩阵为： ，；， = 0o0 000 000 r 4 l 00 0 r 4 l 0 00 r 4 l ( 2 5 ) ( 2 6 ) 该矩阵只有一个独立的线性电光系数，即r 4 。，该系数的大小与波长有关；当波 长为1 3 b m 时，r 4 l = ( 1 5 4 o 0 8 ) 1 0 1 0 c m v 3 。因此外加电场下g a a s 的折射 率椭球方程为： 兰菇+ 2 _ 。( 巨弘+ q 滋+ e 砂) 一 ( 2 - 7 ) 式中n 。为未加电场时g a a s 材料的折射率。 2 1 2 电光相位调制 电光相位调制通常有两种实现方式：横向调制和纵向调制。当采用纵向调制 即外加电场平行于光传播方向，若要得到丌相移，需要几千伏的电压【3 0 1 。因此， 我们采用横向调制，即外加电场垂直于光的传播方向。对于g a a s 晶体，我们通 常将器件制作在( 0 0 1 ) 晶面上，假设此时折射率椭球主轴为( x ， y ， z ) ， 其 中x ， y ， z 轴分别指i q ， 和 晶向。当沿 晶向施加电压 浙江大学硕士学位论文第2 章芯片的分析及设计 并假定外加电场强度为e ，折射率椭球主轴将发生变化，形成新的折射率椭球主 轴( x f ， y ， z ) ，并且新的折射率椭球的z 轴仍然沿 晶向，但x 轴和y 轴 则分别指向 和 晶向，其对应的折射率分别为： ，= 一i l 3 _ l e ( 2 8 a ) 勺，= + 去瑶，：l 。e ( 2 - 8 b ) 因此，当光沿x 轴或y 轴方向入射时，对于t e 模，其折射率分别增加或减少了 i 1 3 ，：l 。e ；对于t m 模，因为沿z 轴方向，可以看到其折射率并不发生变化。故 对于制作在( 0 0 1 ) 晶面并进行横向调制的g a a s 电光调制器，只对t e 模有调制作 用，对t m 模不会产生调制效应。 假定电极长度为，外加电压为v ，g a a s 晶体厚度为d ，t e 模式的光波沿 方向传输。则外加电压引起光波的相位变化为： = 三刍磊_ - 矿f ( 2 - 9 ) 其中f 是电光场模重叠因子，它可以由下式求出【3 2 1 ： r = 歹d 巨i 瓦1 2 幽 ( 2 1 0 ) 式中，e 。为外加电场的分布函数，e o 为归一化的光波电场分布函数，积分区域 限于电光作用区域。由式( 2 9 ) 可得相位变化与，d 成正比，故可以通过增加，d 来降低半波电压v 兀，这里半波电压v 。定义为相位变化冗时所加的电压差。由式 ( 2 - 9 ) 可得： 匕= 力d ( 稼_ ，r r ) ( 2 - 1 1 ) 2 1 3g a a s 波导电光相位调制器设计 光纤陀螺系统中的集成光学芯片，相对于高速光通信系统而言其相位调制器 的带宽要求要小得多，通常为5 0 0 m h z - i g h z 。考虑到设计及制作的方便，我们 采用集总型电极。在波导相位调制器的设计过程中需要综合考虑如下问题： 1 、设计的波导必须满足单模条件； 2 、半波电压v 。必须与外围电路兼容，通常为3 5 v ； 3 、工艺容差尽可能大，以降低器件的制作难度。 1 3 浙江大学硕士学位论文第2 章芯片的分析及设计 2 1 3 1 外延材料的设计 外延材料对器件性能的影响，李瑾已经进行了详尽的分析，分析结果表明： 】在单异质结材料结构下，t e 模的传输损耗过大( 包括金属电极吸收损耗和有金 属无金属覆盖区域模式藕合损耗) ；而且保证脊波导为单模传输所需的最大脊 波导高度过小( l d b ) 。 09 8 4 o 溯咚 叠o ，撇 0 铭1 o 钧移 5 2 55 2 6 敏75 2 85 2 0s 5 3 15 3 25 3 35 3 4 诌5 耋， 图2 1 3m m i 的归一化输出功率p o m 与m m i 长度l 的关系 2 4 结论 本章对芯片设计的核心部分，包含功分器、相位调制器和模式偏振器做了详 细的分析和优化设计，分析结果表明： 浙江大学硕士学位论文第2 章芯片的分析及设计 l 、采用双异质结材料可以有效降低金属电极对t e 模的吸收，而且可以降低 工艺的制作难度； 2 、深腐蚀波导可以对光进行强烈限制，相对于浅腐蚀脊波导，可以有效提 高电光重叠因子，从而降低半波电压v 。； 3 、从图2 5 可以看出，t e 光的传输损耗和偏振器的性能对h 3 不敏感，这说 明我们设计的结构有大的工艺容差； 4 、由于波导结构的特殊性，采用y 分支做功分器会有较大的损耗和反射， 故选用m m i 作为功分器； 5 、为了同光纤对接，7 将两调制臂的间距定为2 5 0 1 m a ，采用s 弯曲连接m m i 输出和调制臂，由于波导对光的强烈限制，s 弯曲的长度比较短； 我们最终设计的器件参数为：上限制层厚度h 2 = o 4 5 p r o ，腐蚀深度 1 7 5 9 m ，m m i 长度为5 3 2 9 m ，m m i 宽度为2 0 9 m ，锥形波导长度为5 0 0 9 m ，锥 形波导较宽一端为6 5 9 m ，s 弯曲长度为2 5 m m ，调制臂间距2 5 0 9 m ，电极长度 5 m m 。分析表明，器件在此参数下，功分器及s 弯曲引入的损耗 或 晶向， - s 光波沿着 或 晶向传播时，其电致折射率的变化是不同的，沿 晶向折射率变大， 而沿( 1 1 0 ) 晶向折射率变小，原理上选两个方向都可以实现相位调制器然而， 由于我们采用涅涪腐蚀制作脊波导，沿这两个晶向所制作的青波导其端面形状是 不同的，圉3 - 3 很明显的证实了这一点，沿 晶向表现为倒梯形，而沿 晶向表现为正梯形由于倒梯形脊波导横向腐蚀很严重，甚至造成整个脊波导的 脱落，所以我们制作波导时必须沿 晶向。 围3 - 3 沿g a a s 不同晶向湿法腐蚀后的端面图 晶向的脊波导 定向的方法是采用h 2 s 0 4h 2 0 2 - h 2 0 = i 2 s a ) 晶向的脊波导，( b 88 选择性腐蚀液i 旧，室温下腐 3 $ h 制作 蚀外延片背面2 3 分钟，可得图3 4 所示的腐蚀坑，图中箭头方向为g a a s 的 品向另一种方法是直接解理一小片外延片进行光刻腐蚀，再解理开后看 端面的形状 宦 咯 o 图3 _ 4 选择性腐蚀后g a a s 片表面( a ) 示意图( b ) 实物图 3 2 清洗 对外廷片的清洗是及其重要的，一颗灰尘就足以毁掉一根波导。清洗的目的 是击除外延片表面曲油离子以及附着在表面的一些小颗粒我们的清洗过程如 下： 用甲苯棉球沿同一方向轻轻擦拭片子表面一甲苯煮沸( 一次) 一丙酮煮沸( 两 次) 一乙醇煮沸( 两次) 一去离子水冲洗几次一放入超声波中清洗( 2 3 分钟) 浙江大学硕士学位论文第3 章芯片的制作 一去离子水冲洗( 1 5 2 0 次) 一沿同一方向吹干 用甲苯棉球擦拭这一步很关键，实验中发现，如果在擦拭时没有将污染物擦 拭干净，在后续工艺中也清洗不掉1 4 5 1 可以一边擦拭一边进行观察，对较脏部 分进行多次擦拭直到擦拭干净。由于甲苯的去污能力最强，所以要先用甲苯去除 片子表面的污渍，然后用丙酮去溶解残留在基片上的甲苯，再用乙醇去溶解残留 的丙酮。由于乙醇易溶于水，故最后一步用去离子水进行冲洗。片子表面可能有 些小的颗粒粘的很牢固，这时可以用超声波进行清洗，然后再用去离子水冲洗。 吹干后片子应放入烘箱里烘l o 分钟左右( 1 2 0 度) ，以去除表面残留的水分。 光刻版在使用前也应进行清洗，常规清洗使用丙酮浸泡5 1 0 分钟即可，主 要去除光刻版上残留的光刻胶，再用乙醇去出丙酮，然后用去离子水反复冲洗， 最后吹干。光刻版一般使用铬膜来制作，因此如果光刻版较脏，可直接用浓硫酸 浸泡5 1 0 分钟，再用去离子水反复) 中洗，最后吹干。如果发现光刻版上有些小 的颗粒洗不掉，还可用超声波清洗几分