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引言
? ? ? 微波光子學(xué)利用光通過光子鏈路傳輸和處理微波信號(hào)。然而，光可以替代地用作直接控制微波信號(hào)的微波設(shè)備的刺激。這種光控幅度和相移開關(guān)被研究用于可重新配置的微波系統(tǒng)，但是它們的缺點(diǎn)是占用空間大、開關(guān)所需的光功率高、缺乏可擴(kuò)展性和復(fù)雜的集成要求，限制了它們?cè)趯?shí)際微波系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。在這里，我們報(bào)告單片光學(xué)可重構(gòu)集成微波開關(guān)(莫里姆斯)建立在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體兼容硅光子芯片上，解決所有嚴(yán)格的要求。我們的可擴(kuò)展微米級(jí)開關(guān)提供了更高的開關(guān)效率，所需的光功率比現(xiàn)有技術(shù)水平低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，它為集成微波電路的硅光子平臺(tái)開辟了一個(gè)新的研究方向。這項(xiàng)工作對(duì)于未來通信網(wǎng)絡(luò)的可重構(gòu)微波和毫米波器件具有重要意義。
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實(shí)驗(yàn)?
? ? ? 多晶硅薄膜晶體管在SOI晶片上制造，SOI晶片由250納米厚的器件層和3微米厚的掩埋氧化物層組成，如圖5a所示。第一步是形成硅光電導(dǎo)貼片。16微米×12微米矩形氫硅倍半氧烷(HSQ)通過電子束光刻形成圖案。具有SF6和C4F8氣體混合物的反應(yīng)離子蝕刻(RIE)用于硅蝕刻，如5b所示，接下來，通過電子束光刻的另一個(gè)步驟來限定鋁傳輸線，該步驟使用聚甲基丙烯酸甲酯作為抗蝕劑，隨后是800納米鋁電子束沉積。然后進(jìn)行剝離工藝以形成圖5c所示的傳輸線。為了制造SiNx波導(dǎo)，通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)在晶片頂部沉積400納米厚的SiNx層，如圖5d所示。然后旋轉(zhuǎn)電子束抗蝕劑HSQ，并進(jìn)行光刻以形成波導(dǎo)。在顯影之后，使用另一種具有SF6和C4F8的氣體混合物的RIE蝕刻工藝來形成如圖5e所示的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)由1微米厚的氧化硅包覆，氧化硅是用等離子體化學(xué)氣相沉積法沉積的。使用光刻和干法蝕刻二氧化硅層來打開金屬接觸區(qū)域，如圖5f所示。
? ? ? 為了光學(xué)控制開關(guān)，使用了連續(xù)808納米光纖耦合半導(dǎo)體激光器。激光器被耦合到單模光纖中，光纖的一端被劈開并定位成邊緣耦合到SiNx輸入波導(dǎo)。微波開/關(guān)響應(yīng)由一個(gè)2端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在80兆赫至40千兆赫的頻帶上測(cè)量。GSG探針連接到由硅光電導(dǎo)貼片分開的兩端的鋁共面?zhèn)鬏斁€。然后在不同的光功率下記錄s參數(shù)系數(shù)。
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圖5 制造工藝示意圖
結(jié)果和討論
? ? ? 使用絕緣體上硅(SOI)平臺(tái)制造的PICs與CMOS工藝兼容，允許以低成本大規(guī)模生產(chǎn)。它提供了非常理想的特性，如占地面積小，可擴(kuò)展性和降低功耗。通過利用集成光子學(xué)的靈活性，我們提出的設(shè)備使用單個(gè)波導(dǎo)來控制芯片上不同位置的多個(gè)微波開關(guān)。此外，集成光子學(xué)為設(shè)計(jì)和優(yōu)化從光波導(dǎo)到硅光電導(dǎo)貼片的光耦合效率以實(shí)現(xiàn)高開關(guān)性能提供了可能。根據(jù)應(yīng)用，微波開關(guān)也可以獨(dú)立尋址或與各種光子構(gòu)建模塊組合，例如Y分支、定向耦合器、環(huán)形諧振器、馬赫-曾德爾調(diào)制器等?？紤]到這一愿景，我們開發(fā)了兩種不同的MORIMS架構(gòu)，如圖1a,b所示 以滿足不同的需求。兩種架構(gòu)都使用單模氮化硅(SiNx)波導(dǎo)、硅(Si)光電導(dǎo)貼片和鋁(Al)共面波導(dǎo)傳輸線，它們都構(gòu)建在同一個(gè)SOI晶片上。信號(hào)電極間隙由硅光電導(dǎo)貼片制成，該貼片充當(dāng)電絕緣體(斷開狀態(tài))，但在光照下充當(dāng)導(dǎo)體(接通狀態(tài))。MORIMS利用波長(zhǎng)為808納米的光輻射工作。
? ? ? 通過測(cè)量開關(guān)參數(shù)來表征開關(guān)磁阻電機(jī)的開關(guān)性能。實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)在特性部分描述。圖2a,b 顯示了在高達(dá)約40千兆赫的開和關(guān)狀態(tài)下錐形和直通型結(jié)構(gòu)的測(cè)量S21參數(shù)。在圖2a中S21有所下降。這是由于輸電線路的不完善。更準(zhǔn)確地說，21 GHz頻率對(duì)應(yīng)于探頭和間隙之間的自由光譜范圍。當(dāng)間隙被照亮?xí)r，這一頻率略微偏移的事實(shí)證明了介電常數(shù)的變化。為了表征開關(guān)性能，消光比Ron/off n/|S21(開)/S21(關(guān))|被用作品質(zhì)因數(shù)，該品質(zhì)因數(shù)限定了給定微波頻率的幅度開關(guān)效率7。數(shù)字2c,d 顯示5千兆赫、20千兆赫和40千兆赫頻率下輸入光功率的榮/衰?？偟膩碚f，在達(dá)到飽和平穩(wěn)之前，開/關(guān)比從0線性增加到約1.5毫瓦。不出所料，錐形開關(guān)表現(xiàn)出更高的性能，在5千兆赫和20千兆赫時(shí)的開關(guān)效率分別為約25分貝和約23分貝，而在相同頻率下，直通型結(jié)構(gòu)的開關(guān)效率為約14分貝和約12分貝。盡管直通型在相同的入射光功率下效率較低，波導(dǎo)中的剩余能量可以用來控制另一個(gè)開關(guān)，如下所示。值得一提的是，所提出的器件的切換時(shí)間約為幾微秒，這與波束控制和波束成形應(yīng)用要求相兼容。
? ? ? 表1從開關(guān)性能、光功率要求和占地面積方面展示了最先進(jìn)的光電導(dǎo)開關(guān)。由于大多數(shù)文獻(xiàn)都報(bào)道了在低頻下的開關(guān)，而在非常高的頻率下很少進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此振幅開關(guān)性能在低于和高于10千兆赫的頻率下進(jìn)行比較。值得注意的是，磁記憶合金提供了更高的性能，即約29 dB ~25 dB，
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表1 不同的微波光電導(dǎo)開關(guān)及其報(bào)告的頻率、S參數(shù)開/關(guān)比、功耗和器件尺寸
? ? ? 為了證明同一芯片上多個(gè)可重構(gòu)開關(guān)的可擴(kuò)展性和集成性，設(shè)計(jì)并制造了三個(gè)存儲(chǔ)器。串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的多模光纖由一根單輸入光波導(dǎo)饋電。使用分支耦合器將注入的光導(dǎo)向兩條不同的路徑。
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總結(jié)
? ? ? 本文所提出的光可重構(gòu)開關(guān)是一個(gè)概念證明，可以很容易地在波束形成和波束控制微波系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，這些系統(tǒng)需要中等的開關(guān)時(shí)間常數(shù)。此外，當(dāng)在同一芯片上結(jié)合其他成熟的光子構(gòu)建模塊時(shí)，所提出的集成器件還可以實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的功能。所提出的方法可以在未來一代超高頻通信系統(tǒng)中進(jìn)行定制，這些系統(tǒng)將在頻率帶寬、功耗、尺寸和封裝密度以及大規(guī)模生產(chǎn)的低成本方面面臨嚴(yán)格的要求。在該領(lǐng)域，需要利用具有超短載流子壽命的ⅲ-ⅴ族材料的超快光電導(dǎo)開關(guān)，并且已經(jīng)做出了杰出的努力。所提出的方法可以應(yīng)用于采樣應(yīng)用中，該應(yīng)用需要多個(gè)開關(guān)的組合，并且它們之間具有非常精確的時(shí)間延遲。這項(xiàng)工作對(duì)于開發(fā)微波信號(hào)處理集成技術(shù)具有真正的附加價(jià)值。此外，在我們的例子中，微波信號(hào)是光學(xué)處理的，但是直接在微波域中，因此放松了將微波信號(hào)上變頻到光學(xué)載波的約束，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)換損耗和附加噪聲。因此，MORIMS體系結(jié)構(gòu)可以直接在任何微波子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，例如更大系統(tǒng)的可調(diào)微波濾波器。
? ? ? 總之，我們已經(jīng)演示了單片光學(xué)可重構(gòu)集成微波開關(guān)的一個(gè)SOI芯片。我們的方法包括微波電路與集成光子器件的共同集成，以形成光學(xué)可重構(gòu)微波開關(guān)。單輸入SiNx波導(dǎo)用于將光導(dǎo)向芯片上不同位置的開關(guān)。集成光子學(xué)提供了小型化的硅光電導(dǎo)貼片、波導(dǎo)中的高光限制以及光從波導(dǎo)到硅光導(dǎo)微波開關(guān)的高耦合效率。因此，所展示的工程器件在開/關(guān)開關(guān)效率、占地面積和光功率水平要求方面優(yōu)于其經(jīng)典同類產(chǎn)品。我們通過實(shí)驗(yàn)證明，微波高振幅開關(guān)性能在5千兆赫附近超過25分貝，在20千兆赫附近超過23分貝，在40千兆赫附近超過11分貝，光功率要求比現(xiàn)有光電導(dǎo)開關(guān)低約2毫瓦?？蓴U(kuò)展性是一個(gè)挑戰(zhàn)，通過在同一SOI芯片上演示集成的多個(gè)可重構(gòu)開關(guān)，并具有高幅度開關(guān)性能，這一挑戰(zhàn)也得到了提升。此外，對(duì)20千兆赫和40千兆赫的微波信號(hào)分別測(cè)量了20°和60°的相移。這項(xiàng)工作是將光子學(xué)引入微波信號(hào)直接處理的重要一步，為未來地面、嵌入式雷達(dá)系統(tǒng)和新興5 G無線通信網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)可重構(gòu)微波和毫米波器件鋪平了道路。