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引言
? ? ? 微波光子學利用光通過光子鏈路傳輸和處理微波信號。然而，光可以替代地用作直接控制微波信號的微波設備的刺激。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)，但是它們的缺點是占用空間大、開關(guān)所需的光功率高、缺乏可擴展性和復雜的集成要求，限制了它們在實際微波系統(tǒng)中的實現(xiàn)。在這里，我們報告單片光學可重構(gòu)集成微波開關(guān)(莫里姆斯)建立在互補金屬氧化物半導體兼容硅光子芯片上，解決所有嚴格的要求。我們的可擴展微米級開關(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)水平低幾個數(shù)量級。此外，它為集成微波電路的硅光子平臺開辟了一個新的研究方向。這項工作對于未來通信網(wǎng)絡的可重構(gòu)微波和毫米波器件具有重要意義。
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實驗?
? ? ? 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。然后進行剝離工藝以形成圖5c所示的傳輸線。為了制造SiNx波導，通過等離子體增強化學氣相沉積(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，并進行光刻以形成波導。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所示的波導結(jié)構(gòu)。波導由1微米厚的氧化硅包覆，氧化硅是用等離子體化學氣相沉積法沉積的。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。
? ? ? 為了光學控制開關(guān)，使用了連續(xù)808納米光纖耦合半導體激光器。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。微波開/關(guān)響應由一個2端口矢量網(wǎng)絡分析儀在80兆赫至40千兆赫的頻帶上測量。GSG探針連接到由硅光電導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，可擴展性和降低功耗。通過利用集成光子學的靈活性，我們提出的設備使用單個波導來控制芯片上不同位置的多個微波開關(guān)。此外，集成光子學為設計和優(yōu)化從光波導到硅光電導貼片的光耦合效率以實現(xiàn)高開關(guān)性能提供了可能。根據(jù)應用，微波開關(guān)也可以獨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、硅(Si)光電導貼片和鋁(Al)共面波導傳輸線，它們都構(gòu)建在同一個SOI晶片上。信號電極間隙由硅光電導貼片制成，該貼片充當電絕緣體(斷開狀態(tài))，但在光照下充當導體(接通狀態(tài))。MORIMS利用波長為808納米的光輻射工作。
? ? ? 通過測量開關(guān)參數(shù)來表征開關(guān)磁阻電機的開關(guān)性能。實驗細節(jié)在特性部分描述。圖2a,b 顯示了在高達約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。更準確地說，21 GHz頻率對應于探頭和間隙之間的自由光譜范圍。當間隙被照亮時，這一頻率略微偏移的事實證明了介電常數(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，波導中的剩余能量可以用來控制另一個開關(guān)，如下所示。值得一提的是，所提出的器件的切換時間約為幾微秒，這與波束控制和波束成形應用要求相兼容。
? ? ? 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的光電導開關(guān)。由于大多數(shù)文獻都報道了在低頻下的開關(guān)，而在非常高的頻率下很少進行實驗，因此振幅開關(guān)性能在低于和高于10千兆赫的頻率下進行比較。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 不同的微波光電導開關(guān)及其報告的頻率、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可重構(gòu)開關(guān)的可擴展性和集成性，設計并制造了三個存儲器。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饋電。使用分支耦合器將注入的光導向兩條不同的路徑。
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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)中實現(xiàn)，這些系統(tǒng)需要中等的開關(guān)時間常數(shù)。此外，當在同一芯片上結(jié)合其他成熟的光子構(gòu)建模塊時，所提出的集成器件還可以實現(xiàn)更先進的功能。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用于采樣應用中，該應用需要多個開關(guān)的組合，并且它們之間具有非常精確的時間延遲。這項工作對于開發(fā)微波信號處理集成技術(shù)具有真正的附加價值。此外，在我們的例子中，微波信號是光學處理的，但是直接在微波域中，因此放松了將微波信號上變頻到光學載波的約束，這導致轉(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)演示了單片光學可重構(gòu)集成微波開關(guān)的一個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，以形成光學可重構(gòu)微波開關(guān)。單輸入SiNx波導用于將光導向芯片上不同位置的開關(guān)。集成光子學提供了小型化的硅光電導貼片、波導中的高光限制以及光從波導到硅光導微波開關(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。我們通過實驗證明，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)有光電導開關(guān)低約2毫瓦?？蓴U展性是一個挑戰(zhàn)，通過在同一SOI芯片上演示集成的多個可重構(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20千兆赫和40千兆赫的微波信號分別測量了20°和60°的相移。這項工作是將光子學引入微波信號直接處理的重要一步，為未來地面、嵌入式雷達系統(tǒng)和新興5 G無線通信網(wǎng)絡的光學可重構(gòu)微波和毫米波器件鋪平了道路。