光纤耦合声光调制器键合膜系设计与制备

刘保见，陈华志，曹家强，刘 玲

(中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

光纤耦合声光调制器基于体波声光互作用原理，利用光纤进行光路耦合输入输出，具有纳秒级的调制速度，低插入损耗，高通断消光比，同时兼顾光脉冲幅度调制和光频移的技术优势，近年来在激光调Q、脉冲选单、水听传感、激光测风等技术领域中得到广泛应用[1]。

光纤耦合声光调制器通常由声光晶体模块、匹配电路、光纤耦合系统、高频连接器及封装外壳组成。其中声光晶体是器件的核心，它包含产生声光互作用的声光介质和激发声场的压电换能器晶片两部分。压电换能器通过金属键合膜系键合于声光介质通声面上，键合膜系既充当换能器接地电极，又需要保证换能器激发声场能高效耦合入声光介质，因此，键合膜系的设计与制备是决定声光晶体阻抗及频响特性的关键，是影响器件插入损耗、驻波比及耐受电功率能力的重要因素。

1 键合膜系设计

光纤耦合声光调制器核心的声光晶体组成如图1所示，顶电极层位于压电换能器上表面，是换能器的射频输入电极。底电极层位于声光介质与换能器之间,由两层衬底层和一层键合层组成。底电极层既是声学增透层，又充当换能器接地电极，因此，材料的选择除了满足阻抗匹配外，还必须具有良好的导电性。

图1 声光晶体的构成及工作原理

声光晶体换能器工作在厚度驱动模式，声场从换能器到声光介质的耦合效率由换能器损耗(TL)来表征，它取决于各声学层材料的声阻抗(Zn)、相移(γn)和器件的工作频率(f)，与各声学层材料声速(vn)、密度(ρn)和厚度(ln)有关(n=1,2,3,4,5，表示从顶电极、压电换能器到衬底层和键合层中的某一层)。

各声学层声阻抗定义为

Zn=Snρnvn

(1)

式中Sn为声学层的横截面积。

各声学层相移定义为

(2)

通过等效电路网络传递矩阵函数建立键合膜系仿真模型，利用玛森等效电路模拟顶电极层和压电换能器组成的压电层声学传递特性，利用传输线网络矩阵模拟衬底层和键合层声学传递特性，并将声光晶体考虑为负载，键合膜系等效电路模型各层传递函数[2]如下：

压电层传递函数：

(3)

式中：C0为压电换能器静态电容;Ω为超声波的圆频率;Z0为压电层声阻抗;φ为玛森等效电路变压器的变压比;z1为顶电极层的相对声阻抗，参数s定义为

s=cosγ-1-z1tanγ1sinγ

(4)

衬底层和键合层传递函数为

(5)

式中:Zx为衬底层或键合层声阻抗;下角x=1,2,3表示衬底层或键合层。

光纤声光高速调制器键合膜系等效电路网络总传递矩阵A为

(6)

换能器损耗为

(7)

式中：pm为耦合入声光介质的声功率；ps为驱动器提供的电功率；Rs为驱动电源内阻;Zm为声光介质声阻抗;M1～M4为键合膜系等效电路网络总传递矩阵各元素。式(6)表明，声光器件声场从换能器到声光介质的耦合效率由顶电极层、压电换能器、衬底层、键合层的材料和厚度共同决定。

在ADS中构建包含键合膜系在内的光纤声光高速调制器声光晶体等效电路，如图2所示。等效电路采用单端口网络，声光晶体的阻抗匹配采用了2个电感组成的“L”型匹配网路，信号源产生的射频信号依次经过匹配网路、压电层、衬底上层、键合层、衬底下层，最后加载于声光介质上。

图2 光纤声光高速调制器等效电路

2 器件制备工艺

采用上述方法，设计并制作了一款工作频率为200 MHz、10 ns光脉冲上升时间的光纤耦合声光调制器。器件采用TeO2作为声光介质，36°Y-切LiNbO3作为压电换能器晶片，衬底层采用高纯度Cr，焊接层为高纯度Au，样品主要制作步骤如下：

1) 超声清洗。依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗TeO2晶体和LiNbO3晶片，清洗时间10～15 min。

2) 等离子体处理。采用微波等离子体预处理系统，氧气作为工作气体，工作频率为2.45 GHz，气体流量为300～400 cm3/min，电源功率为400～600 W。

3) Cr/Au键合层制备。在TeO2晶体和LiNbO3晶片的键合面分别制备Cr和Au薄膜， Cr薄膜作为打底层。根据键合膜系仿真设计结果，选用的Cr薄膜厚为200～300 nm，Au薄膜厚为900～1 000 nm。为获得均匀致密的键合层，对磁控溅射镀膜工艺进行了优化，优化后的参数如表1所示。

表1 Cr/Au薄膜磁控溅射工艺参数

图3为原子力显微镜(AFM)测试Au薄膜的表面形貌图片，测试图形尺寸为20 μm×20 μm。由图可知，Au薄膜表面均匀平整，起伏很小，AFM测试数据表明Au薄膜表面均方根粗糙度(RMS)为8.51 nm。

图3 Au薄膜的AFM测试图

4) 热压键合。TeO2和 LiNbO3的键合属于异质材料键合，材料热膨胀系数差异大，因此,键合过程需在较低温度下进行。实验采用的键合温度为100 ℃，键合压强为30 MPa，保压时间为30 min。器件键合实物图如图4所示。

图4 Au—Au键合的光纤耦合声光调制器

5) 研磨抛光。样品键合完成后，将LiNbO3晶片研磨抛光到设计厚度，最后沉积上电极等完成器件制作。

3 仿真与实测结果分析

图5为器件在160～240 MHz频段的TL计算结果，器件在200 MHz工作频点处的TL为0.592 7 dB。图6～9分别为器件声光晶体在150～250 MHz频段的S11、驻波比(VSWR)及史密斯圆图仿真和实测结果。声光晶体在200 MHz中心频率处的S11幅度和驻波比分别为-41.323 dB和1.017(仿真值)，对应的200 MHz处实测值分别为-42.967 dB和1.015，仿真与实测结果接近。由图6～8可知，在(200±30) MHz时，S11幅度、驻波比及史密斯圆图仿真与实测结果均吻合较好，在更远的频段范围两者偏差增大，经分析认为这主要是由2个匹配电感间存在的互感导致，可通过在仿真模型中结合实测结果对互感参量进行拟合的方式，修正远端的仿真设计误差，提高模型精度。

图5 器件换能器损耗计算结果

图6 S11幅度仿真及实测结果

图7 VSWR仿真及实测结果

图8 史密斯圆图仿真及实测结果图

图9 利用矢量网络分析仪对声光晶体的实测结果

4 结束语

本文介绍了光纤耦合声光调制器键合膜系的设计及仿真模型的建立，通过仿真模型确定键合材料和工艺参数，并应用于200 MHz工作频率、10 ns光脉冲上升时间的光纤耦合声光调制器研制，实测结果与仿真基本一致。