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引言
微波光子学利用光通过光子链路传输和处理微波信号。然而，光可以替代地用作直接控制微波信号的微波设备的刺激。这种光控幅度和相移开关被研究用于可重新配置的微波系统，但是它们的缺点是占用空间大、开关所需的光功率高、缺乏可扩展性和复杂的集成要求，限制了它们在实际微波系统中的实现。在这里，我们报告单片光学可重构集成微波开关(莫里姆斯)建立在互补金属氧化物半导体兼容硅光子芯片上，解决所有严格的要求。我们的可扩展微米级开关提供了更高的开关效率，所需的光功率比现有技术水平低几个数量级。此外，它为集成微波电路的硅光子平台开辟了一个新的研究方向。这项工作对于未来通信网络的可重构微波和毫米波器件具有重要意义。
实验
多晶硅薄膜晶体管在SOI晶片上制造，SOI晶片由250纳米厚的器件层和3微米厚的掩埋氧化物层组成，如图5a所示。第一步是形成硅光电导贴片。16微米×12微米矩形氢硅倍半氧烷(HSQ)通过电子束光刻形成图案。具有SF6和C4F8气体混合物的反应离子蚀刻(RIE)用于硅蚀刻，如5b所示，接下来，通过电子束光刻的另一个步骤来限定铝传输线，该步骤使用聚甲基丙烯酸甲酯作为抗蚀剂，随后是800纳米铝电子束沉积。然后进行剥离工艺以形成图5c所示的传输线。为了制造SiNx波导，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在晶片顶部沉积400纳米厚的SiNx层，如图5d所示。然后旋转电子束抗蚀剂HSQ，并进行光刻以形成波导。在显影之后，使用另一种具有SF6和C4F8的气体混合物的RIE蚀刻工艺来形成如图5e所示的波导结构。波导由1微米厚的氧化硅包覆，氧化硅是用等离子体化学气相沉积法沉积的。使用光刻和干法蚀刻二氧化硅层来打开金属接触区域，如图5f所示。
为了光学控制开关，使用了连续808纳米光纤耦合半导体激光器。激光器被耦合到单模光纤中，光纤的一端被劈开并定位成边缘耦合到SiNx输入波导。微波开/关响应由一个2端口矢量网络分析仪在80兆赫至40千兆赫的频带上测量。GSG探针连接到由硅光电导贴片分开的两端的铝共面传输线。然后在不同的光功率下记录s参数系数。
图5 制造工艺示意图
结果和讨论
使用绝缘体上硅(SOI)平台制造的PICs与CMOS工艺兼容，允许以低成本大规模生产。它提供了非常理想的特性，如占地面积小，可扩展性和降低功耗。通过利用集成光子学的灵活性，我们提出的设备使用单个波导来控制芯片上不同位置的多个微波开关。此外，集成光子学为设计和优化从光波导到硅光电导贴片的光耦合效率以实现高开关性能提供了可能。根据应用，微波开关也可以独立寻址或与各种光子构建模块组合，例如Y分支、定向耦合器、环形谐振器、马赫-曾德尔调制器等。考虑到这一愿景，我们开发了两种不同的MORIMS架构，如图1a,b所示 以满足不同的需求。两种架构都使用单模氮化硅(SiNx)波导、硅(Si)光电导贴片和铝(Al)共面波导传输线，它们都构建在同一个SOI晶片上。信号电极间隙由硅光电导贴片制成，该贴片充当电绝缘体(断开状态)，但在光照下充当导体(接通状态)。MORIMS利用波长为808纳米的光辐射工作。
通过测量开关参数来表征开关磁阻电机的开关性能。实验细节在特性部分描述。图2a,b 显示了在高达约40千兆赫的开和关状态下锥形和直通型结构的测量S21参数。在图2a中S21有所下降。这是由于输电线路的不完善。更准确地说，21 GHz频率对应于探头和间隙之间的自由光谱范围。当间隙被照亮时，这一频率略微偏移的事实证明了介电常数的变化。为了表征开关性能，消光比Ron/off n/|S21(开)/S21(关)|被用作品质因数，该品质因数限定了给定微波频率的幅度开关效率7。数字2c,d 显示5千兆赫、20千兆赫和40千兆赫频率下输入光功率的荣/衰。总的来说，在达到饱和平稳之前，开/关比从0线性增加到约1.5毫瓦。不出所料，锥形开关表现出更高的性能，在5千兆赫和20千兆赫时的开关效率分别为约25分贝和约23分贝，而在相同频率下，直通型结构的开关效率为约14分贝和约12分贝。尽管直通型在相同的入射光功率下效率较低，波导中的剩余能量可以用来控制另一个开关，如下所示。值得一提的是，所提出的器件的切换时间约为几微秒，这与波束控制和波束成形应用要求相兼容。
表1从开关性能、光功率要求和占地面积方面展示了最先进的光电导开关。由于大多数文献都报道了在低频下的开关，而在非常高的频率下很少进行实验，因此振幅开关性能在低于和高于10千兆赫的频率下进行比较。值得注意的是，磁记忆合金提供了更高的性能，即约29 dB ~25 dB，
表1 不同的微波光电导开关及其报告的频率、S参数开/关比、功耗和器件尺寸
为了证明同一芯片上多个可重构开关的可扩展性和集成性，设计并制造了三个存储器。串联和并联结构的多模光纤由一根单输入光波导馈电。使用分支耦合器将注入的光导向两条不同的路径。
总结
本文所提出的光可重构开关是一个概念证明，可以很容易地在波束形成和波束控制微波系统中实现，这些系统需要中等的开关时间常数。此外，当在同一芯片上结合其他成熟的光子构建模块时，所提出的集成器件还可以实现更先进的功能。所提出的方法可以在未来一代超高频通信系统中进行定制，这些系统将在频率带宽、功耗、尺寸和封装密度以及大规模生产的低成本方面面临严格的要求。在该领域，需要利用具有超短载流子寿命的ⅲ-ⅴ族材料的超快光电导开关，并且已经做出了杰出的努力。所提出的方法可以应用于采样应用中，该应用需要多个开关的组合，并且它们之间具有非常精确的时间延迟。这项工作对于开发微波信号处理集成技术具有真正的附加价值。此外，在我们的例子中，微波信号是光学处理的，但是直接在微波域中，因此放松了将微波信号上变频到光学载波的约束，这导致转换损耗和附加噪声。因此，MORIMS体系结构可以直接在任何微波子系统中实现，例如更大系统的可调微波滤波器。
总之，我们已经演示了单片光学可重构集成微波开关的一个SOI芯片。我们的方法包括微波电路与集成光子器件的共同集成，以形成光学可重构微波开关。单输入SiNx波导用于将光导向芯片上不同位置的开关。集成光子学提供了小型化的硅光电导贴片、波导中的高光限制以及光从波导到硅光导微波开关的高耦合效率。因此，所展示的工程器件在开/关开关效率、占地面积和光功率水平要求方面优于其经典同类产品。我们通过实验证明，微波高振幅开关性能在5千兆赫附近超过25分贝，在20千兆赫附近超过23分贝，在40千兆赫附近超过11分贝，光功率要求比现有光电导开关低约2毫瓦。可扩展性是一个挑战，通过在同一SOI芯片上演示集成的多个可重构开关，并具有高幅度开关性能，这一挑战也得到了提升。此外，对20千兆赫和40千兆赫的微波信号分别测量了20°和60°的相移。这项工作是将光子学引入微波信号直接处理的重要一步，为未来地面、嵌入式雷达系统和新兴5 G无线通信网络的光学可重构微波和毫米波器件铺平了道路。