基于铌酸锂薄膜的宽带低相噪集成光生微波源芯片及系统技术方案

本申请提供一种基于铌酸锂薄膜的宽带低相噪集成光生微波源芯片，包括设置在铌酸锂薄膜上的铌酸锂光波导；铌酸锂光波导包括模斑转换波导、第一直波导、第一弯曲波导、第一Y分支波导、第二Y分支波导；第一Y分支波导与第二Y分支波导之间并联有第四直波导和第五直波导；第四直波导上连接有第一光学微腔波导；第五直波导上连接有第二光学微腔波导；模斑转换波导、第一直波导和第一金属电极共同形成相位调制器；第四直波导、第一光学微腔波导和第二金属电极共同形成高Q微谐振器；第五直波导、第二光学微腔波导和第三金属电极共同形成低Q微谐振器。本申请有利于实现光生微波源的小型化和工程化。程化。程化。

【技术实现步骤摘要】
基于铌酸锂薄膜的宽带低相噪集成光生微波源芯片及系统


[0001]本申请涉及光生微波
，尤其涉及一种基于铌酸锂薄膜的宽带低相噪集成光生微波源芯片及系统。

技术介绍

[0002]光生微波技术是一种在光信号中携带微波毫米波信号，实现在光纤等光传输介质中传输射频信号的光学技术，在光载射频系统中，通过对激光信号的调控，实现射频信号的产生、转换和调制。光生微波技术利用光纤通信中光信号传输损耗低、传输距离远、抗干扰等优点，同时克服传统的通过电学方式产生微波毫米波的频率上限低、信号噪声大等缺点，融合了微波和光纤通信的优势，成为当前光纤通信领域的一个研究热点。
[0003]现有的光生微波源系统中采用较多的分立的元器件，存在结构复杂、体积较大的特点。为此，本申请提出一种基于铌酸锂薄膜的宽带低相噪集成光生微波源芯片及系统。

技术实现思路

[0004]本申请的目的是针对以上问题，提供一种基于铌酸锂薄膜的宽带低相噪集成光生微波源芯片及系统。
[0005]第一方面，本申请提供一种基于铌酸锂薄膜的宽带低相噪集成光生微波源芯片，包括自下而上依次层叠布置的基底晶片、下包层、铌酸锂薄膜以及上包层；所述铌酸锂薄膜上设有铌酸锂光波导；
[0006]所述铌酸锂光波导包括依次设置的模斑转换波导、第一直波导、第一弯曲波导、第二直波导、第二弯曲波导、第三直波导、第一Y分支波导、第二Y分支波导和第六直波导；所述第一Y分支波导具有一个输入端和两个输出端；所述第二Y分支波导具有两个输入端和一个输出端；所述第一Y分支波导的输出端与所述第二Y分支波导的输入端之间并联设有第四直波导和第五直波导；所述第四直波导上连接有第一光学微腔波导；所述第五直波导上连接有第二光学微腔波导；
[0007]所述上包层上设有第一金属电极、第二金属电极和第三金属电极；所述模斑转换波导、所述第一直波导和所述第一金属电极共同形成相位调制器；所述第四直波导、所述第一光学微腔波导和所述第二金属电极共同形成高Q微谐振器；所述第五直波导、所述第二光学微腔波导和所述第三金属电极共同形成低Q微谐振器；所述铌酸锂薄膜上还设有与所述高Q微谐振器输出端及所述低Q微谐振器输出端相连接的探测器。
[0008]根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述第一光学微腔波导为圆环或者圆盘结构，其半径为200～1000μm。
[0009]根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述第二光学微腔波导为圆环或者圆盘结构，其半径为20～100μm。
[0010]根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述第一金属电极采用行波电极结构，用于所述相位调制器的高速相位调谐；所述第二金属电极采用集总电极结构，用于所述高Q
微谐振器的中心频率调谐；所述第三金属电极采用集总电极结构，用于所述低Q微谐振器的中心频率调谐。
[0011]根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述第一弯曲波导为圆弧形，其所对的圆心角度数为90
°
；所述第二弯曲波导为圆弧形，其所对的圆心角度数为90
°
。
[0012]根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述探测器为InGaAs高速探测器，其采用端面耦合或倒装垂直耦合的方法进行异质集成。
[0013]根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述铌酸锂薄膜的厚度为300～1000nm。
[0014]根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述上包层和所述下包层分别为二氧化硅层；所述基底晶片为表面抛光的硅晶片。
[0015]根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述铌酸锂光波导采用干法刻蚀工艺制作于所述铌酸锂薄膜上。
[0016]第二方面，本申请提供一种包括上述基于铌酸锂薄膜的宽带低相噪集成光生微波源芯片的集成光生微波源系统，该集成光生微波源系统还包括：电学放大器、射频耦合器和光源；所述光源发出的光经所述相位调制器后分成两路，其中一路射入所述高Q微谐振器，另一路射入所述低Q微谐振器；所述高Q微谐振器和所述低Q微谐振器射出的光耦合射入所述探测器；所述探测器将光信号转换为射频电信号，射频电信号经所述电学放大器放大后输入至所述射频耦合器；所述射频耦合器的输出端作为所述集成光生微波源系统的输出端，并连接至所述相位调制器的输入端。
[0017]与现有技术相比，本申请的有益效果：本申请将分立的光学元件(相位调制器、高Q微谐振器、低Q微谐振器和探测器)进行芯片级集成，并利用双微谐振器(高Q微谐振器和低Q微谐振器)取代传统高带宽低相噪光生微波源系统中的强度调制器、双光纤和射频滤波器，使得体积显著减小，有利于实现光生微波源的小型化和工程化；且高Q微谐振器的第一光学微腔和低Q微谐振器的第二光学微腔采用铌酸锂薄膜材料，可以实现电调谐的功能；此外，并联的高Q微谐振器和低Q微谐振器结构具有高Q值和大FSR的优势，且基于铌酸锂薄膜材料的电光效应，通过控制应用于高Q微谐振器、低Q微谐振器上的电极电压，可对谐振器的共振频率在整个FSR范围内高效调谐，因此可以实现光生微波源的低相噪和宽带调谐输出。
附图说明
[0018]图1为本申请实施例1提供的基于铌酸锂薄膜的宽带低相噪集成光生微波源芯片的结构示意图；
[0019]图2为本申请实施例1提供的基于铌酸锂薄膜的宽带低相噪集成光生微波源芯片的铌酸锂光波导的截面结构示意图；
[0020]图3为本申请实施例1提供的基于铌酸锂薄膜的宽带低相噪集成光生微波源芯片(第一光学微腔波导和第二光学微腔波导均为圆环结构)的结构示意图；
[0021]图4为本申请实施例2提供的基于铌酸锂薄膜的宽带低相噪集成光生微波源芯片(第一光学微腔波导和第二光学微腔波导均为圆盘结构)的结构示意图；
[0022]图5为本申请实施例3提供的基于铌酸锂薄膜的宽带低相噪集成光生微波源系统的结构示意图；
[0023]图6为本申请实施例1提供的低Q微谐振器的谐振图；
[0024]图7为本申请实施例1提供的高Q微谐振器的谐振图；
[0025]图8为本申请实施例1提供的低Q微谐振器和高Q微谐振器组合的谐振图。
[0026]图中所述文字标注表示为：
[0027]1、基底晶片；2、下包层；3、铌酸锂薄膜；4、铌酸锂光波导；4
‑
1、模斑转换波导；4
‑
2、第一直波导；4
‑
3、第一弯曲波导；4
‑
4、第二直波导；4
‑
5、第二弯曲波导；4
‑
6、第三直波导；4
‑
7、第一Y分支波导；4
‑
8、第二Y分支波导；4
‑
9、第四直波导；4
‑
10、第五直波导；4
‑
11、第一光学微腔波导；4
‑
12、第二光学微腔波导；4
‑
13、第六直波导；5、上包层；6、相位调制器；7、高Q微谐振器；8、低Q微谐振器；9、探测器；10、第一金属电极；11、第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于铌酸锂薄膜的宽带低相噪集成光生微波源芯片，其特征在于，包括自下而上依次层叠布置的基底晶片(1)、下包层(2)、铌酸锂薄膜(3)以及上包层(5)；所述铌酸锂薄膜(3)上设有铌酸锂光波导(4)；所述铌酸锂光波导(4)包括依次设置的模斑转换波导(4
‑
1)、第一直波导(4
‑
2)、第一弯曲波导(4
‑
3)、第二直波导(4
‑
4)、第二弯曲波导(4
‑
5)、第三直波导(4
‑
6)、第一Y分支波导(4
‑
7)、第二Y分支波导(4
‑
8)和第六直波导(4
‑
13)；所述第一Y分支波导(4
‑
7)具有一个输入端和两个输出端；所述第二Y分支波导(4
‑
8)具有两个输入端和一个输出端；所述第一Y分支波导(4
‑
7)的输出端与所述第二Y分支波导(4
‑
8)的输入端之间并联设有第四直波导(4
‑
9)和第五直波导(4
‑
10)；所述第四直波导(4
‑
9)上连接有第一光学微腔波导(4
‑
11)；所述第五直波导(4
‑
10)上连接有第二光学微腔波导(4
‑
12)；所述上包层(5)上设有第一金属电极(10)、第二金属电极(11)和第三金属电极(12)；所述模斑转换波导(4
‑
1)、所述第一直波导(4
‑
2)和所述第一金属电极(10)共同形成相位调制器(6)；所述第四直波导(4
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9)、所述第一光学微腔波导(4
‑
11)和所述第二金属电极(11)共同形成高Q微谐振器(7)；所述第五直波导(4
‑
10)、所述第二光学微腔波导(4
‑
12)和所述第三金属电极(12)共同形成低Q微谐振器(8)；所述铌酸锂薄膜(3)上还设有与所述高Q微谐振器(7)输出端及所述低Q微谐振器(8)输出端相连接的探测器(9)。2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的宽带低相噪集成光生微波源芯片，其特征在于，所述第一光学微腔波导(4
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【专利技术属性】
技术研发人员：张云霄，孙文宝，
申请(专利权)人：天津津航技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：