專利名稱：具有集成在柔性基底上的聚合物波導(dǎo)和驅(qū)動(dòng)放大器的寬頻帶光調(diào)制器的制作方法
發(fā)明的背景此公開文本涉及一種光電子電路，特別涉及一種小型、自給的馬赫-澤德(Mach-Zehnder)干涉儀(MZI)調(diào)制器的微波和光子部件的組合。
對通常大于10GHz的微波頻率的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制需要激光源的外部調(diào)制，以防止激光頻率的無意調(diào)制(例如啾鳴)。為此，經(jīng)常采用馬赫-澤德干涉儀結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生光相位和/或振幅調(diào)制器。馬赫-澤德干涉儀的一個(gè)或兩個(gè)臂包含多個(gè)電極以允許通過電光效應(yīng)對光信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制。這些電極需要驅(qū)動(dòng)放大器提供適當(dāng)?shù)碾妶鰜懋a(chǎn)生電光效應(yīng)。該放大器需要足夠的帶寬和輸出能力來驅(qū)動(dòng)由馬赫-澤德電極提供的電抗性負(fù)載。
早期的電光(EO)調(diào)制器需要很大的外部功率放大器以提供幾百伏來產(chǎn)生電光效應(yīng)。近來的器件具有8-12伏的適度的驅(qū)動(dòng)要求，但是仍然需要外部RF功率放大器來工作。聚合物技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)能使具有很大EO優(yōu)點(diǎn)特征的材料的發(fā)展，它導(dǎo)致很低的Vπ數(shù)。
發(fā)明簡述本發(fā)明包括由硅基底上的非線性光學(xué)(NLO)聚合物制造的馬赫-澤德干涉儀結(jié)構(gòu)，微波放大器分支電路直接固定到所述基底上。NLO聚合物顯示出很大的電光系數(shù)，使其適合于從電到光的轉(zhuǎn)換。將基于單片微波集成電路的分布的驅(qū)動(dòng)放大器(MMIC)直接連接。在柔性基底上制造MMIC驅(qū)動(dòng)放大器，并使其與馬赫-澤德干涉儀組合。組合的光電調(diào)制器實(shí)現(xiàn)寬頻帶工作、緊湊的尺寸和對于50GHz器件的低功率工作。
馬赫-澤德電光(EO)干涉儀調(diào)制器包括在輸入端和輸出端利用NLO聚合物波導(dǎo)制造的兩個(gè)Y支路。在中間部分中，有兩個(gè)平行的波導(dǎo)臂。通過反向極性調(diào)制任一個(gè)臂或者調(diào)制兩個(gè)臂，從而具有推挽效應(yīng)。推挽還原采用將高電壓施加于聚合物調(diào)制器的電極的相同電極，以在嵌入的光波導(dǎo)層中引起局部發(fā)色團(tuán)定向的所需效應(yīng)。推挽驅(qū)動(dòng)是實(shí)際的調(diào)制，或者驅(qū)動(dòng)發(fā)信號(hào)中所用的電壓，其中通過激勵(lì)電極來優(yōu)化局部電場方向。為了實(shí)現(xiàn)非常高速的EO調(diào)制器，采用行波電極設(shè)計(jì)，其中新型封裝方法利用光刻終端定義、重疊和嵌入方案使嵌入的放大器器件的Z0與調(diào)制源(Z0＝50歐姆)匹配。這通過設(shè)計(jì)薄的微帶線路作為沿圖所示的定位的終端路由而產(chǎn)生最佳性能。最后的效果是這種結(jié)構(gòu)大大優(yōu)化了兩個(gè)臂中的電磁場，從而使它們在輸出Y結(jié)點(diǎn)中組合之前具有不同的相位。如果相位差是π的偶數(shù)倍，它們相長地相加，輸出為“on”，如果相位差是π的奇數(shù)倍，它們相消地相加，輸出為“off”。當(dāng)輸出是“off”時(shí)，功率耗散，輻射到基底中，并且不在Y結(jié)點(diǎn)的輸出端出現(xiàn)。這種新型結(jié)構(gòu)大大減少了與預(yù)期的應(yīng)用靈敏度相關(guān)的相位失真的誤差，如降低插入損耗、減少啾鳴聲并提供較高的消光比。
附圖簡述

圖1是用于調(diào)制光信號(hào)的集成光電子電路的示意圖；圖2是圖1的集成光電子電路的RF功率放大器和相位控制電路的示意圖；圖3是圖2的RF功率放大器的電路和相位控制電路的示意圖；圖4是集成光電子電路的一部分的剖面?zhèn)纫晥D，包括在柔性電介質(zhì)基底上的單片微波集成電路(MMIC)和馬赫-澤德干涉儀(MZI)；圖5是圖4的集成光電子電路的剖面?zhèn)纫晥D，包括微波吸收器和熱交換器；圖6是圖4和5的集成光電子電路的剖面?zhèn)纫晥D，包括柔性電極間電介質(zhì)基底，并示出在MMIC和MZI之間調(diào)制信號(hào)的電互連；圖7是圖4和5的集成光電子電路的剖面?zhèn)纫晥D，包括柔性電極間電介質(zhì)基底，并示出在MMIC和MZI之間的接地信號(hào)返回的電互連；圖8是圖6和7的集成光電子電路的剖面端視圖；圖9是圖6和7的集成光電子電路的平面圖；圖10A到10E包括制造用在圖4-8的光電子電路中的MMIC管芯的方法的示意圖；圖11A到11D包括制造圖4-8的光電子電路的方法的示意圖；圖12是圖6和7的集成光電子電路的第二實(shí)施例的平面視圖；以及圖13A到13E包括制造圖12的光電子電路的方法的示意圖。
發(fā)明詳述參考圖1，一般用100表示集成光電子電路。光電子電路100包括如馬赫-澤德干涉儀(MZI)104等電光器件，或接收光信號(hào)120的電吸收調(diào)制器。單片微波集成電路(MMIC)102經(jīng)由一對電極128、130以及輸出傳輸線路124和接地信號(hào)返回傳輸線路126與基于聚合物的MZI 104耦合。這些傳輸線路具有微帶傳輸線路的性質(zhì)。電極130是接地電極，電極128是射頻(RF)或信號(hào)電極(例如微帶傳輸線路)。MMIC 102接收射頻調(diào)制信號(hào)132，該信號(hào)用于調(diào)制MZI 104中的光信號(hào)120，由此提供作為輸出的已調(diào)制光信號(hào)122。MZI中的合適有機(jī)物質(zhì)的例子包括聚丙烯酸酯；聚甲基丙烯酸烷基酯，例如聚甲基丙烯酸甲酯；聚四氟乙烯(PTFE)；硅酮；以及包括上面至少一種有機(jī)物質(zhì)的混合物，其中烷基具有一個(gè)至大約十二個(gè)碳原子。
MZI 104包括接收光信號(hào)120的輸入通道108。分束器114將光信號(hào)120分成兩個(gè)束154、156，并分別沿第一支路110和第二支路112引導(dǎo)這兩個(gè)束。在圖1的實(shí)施例中，電極128、130跨過MZI 104的一個(gè)支路彼此完全相對地設(shè)置?？商鎿Q的是，可以分別沿第一支路110和第二支路112設(shè)置若干個(gè)接地電極130，在第一支路110和第二支路112之間并沿著所述支路設(shè)置電極128(圖4-8)。
聚合物通常在性質(zhì)上是中心對稱的，因此不會(huì)顯示出電光效應(yīng)。但是，可以通過還原高光學(xué)非線性發(fā)色團(tuán)/分子使聚合物顯示電光效應(yīng)，所述發(fā)色團(tuán)/分子可結(jié)合到聚合物基質(zhì)中。這樣，通過RF調(diào)制信號(hào)132、152經(jīng)MMIC 102、傳輸線路124、126和電極128、130來調(diào)制基于聚合物的MZI 104中的光信號(hào)154、156。光信號(hào)154、156在合束器116中組合，從而在出口通道118處提供作為輸出的已調(diào)制輸出信號(hào)122。
在圖2中，MMIC 102包括接收RF調(diào)制信號(hào)132的RF功率放大器202。MMIC 102經(jīng)傳輸線路124、126與電極128、130耦合。接收相位偏移信號(hào)232的相位偏移電路204在234處與MZI 104相連并提供MZI 104中光信號(hào)154、156的靜態(tài)相位偏移的控制。
在圖3中，RF功率放大器202包括功率分配器206，該功率分配器在輸入到其第一輸入端接收調(diào)制信號(hào)132。一對放大器208接收功率分配的信號(hào)，并具有與功率合成器216匹配的阻抗212、214。功率合成器216經(jīng)傳輸線路124向電極128、130提供放大的調(diào)制信號(hào)152。繼續(xù)圖3，相位偏移電路204包括非反相配置的運(yùn)算放大器224的電路，接收用于設(shè)置MZI 104的相位偏移的DC偏壓232。
參考圖4，該圖示出光電子電路100的實(shí)施例的橫剖面。MMIC 102置于柔性電介質(zhì)基底144的第一側(cè)。柔性電介質(zhì)基底144大約1到2密耳厚，并可包括例如聚酰胺聚合物，如KAPTON。利用管芯安裝載體(圖10E中的306)將MMIC 102直接安裝到柔性電介質(zhì)基底144上。MZI 104位于柔性電介質(zhì)基底144上與MMIC 102相反一側(cè)的第二側(cè)，或者可以直接嵌入柔性電介質(zhì)基底144中。從MZI 104運(yùn)送接地返回信號(hào)150的傳輸線路126置于柔性電介質(zhì)基底144上，并連接到與MMIC 102相反的接地電極130上。在MMIC 102和MZI 104的接地電極130之間通過信號(hào)傳輸線路126形成電路連接(經(jīng)過孔)142。
還原電極140置于柔性電介質(zhì)基底144上，與MZI 104相反。還原電極140位于柔性電介質(zhì)基底144上與MMIC 102相同的一側(cè)，并基本上從MMIC 102附近和周圍的區(qū)域上除去，以防止雜散微波信號(hào)與還原電極140耦合?？梢猿ス苄景惭b件306和粘合層304，MZI 104和MMIC 102準(zhǔn)備進(jìn)一步的加工。如果完成的模塊連接到另一個(gè)電路組件，然后可提供與管芯安裝件306相同的功能，那么就除去管芯安裝件306和粘合層304。否則，需要熱交換器?？商鎿Q的是，可以保留管芯安裝件306和粘合層304，并將其用作熱交換器，如熱電冷卻器，以控制MMIC 102的溫度。在圖5中，也可以將MMIC 102裝入或密封在微波吸收塑料件146中，以減少外部微波信號(hào)的干擾效應(yīng)，所述微波吸收塑料件如摻雜鐵氧體的塑料或涂料。
參考圖6，第二柔性電介質(zhì)基底148置于第一柔性電介質(zhì)基底144上方，用作傳輸線路124、126的電極間電介質(zhì)。形成用于DC偏壓的互連(圖9)和用于無源器件240(圖9)的接合墊248(圖9)。圖4-8中的輸入傳輸線路136和輸出傳輸線路124將RF調(diào)制信號(hào)132耦合到MMIC102，并且從MMIC 102到MZI 104，所述傳輸線路制作成具有特定的幾何形狀，從而達(dá)到適當(dāng)?shù)奶匦宰杩筞0。圖4-7中的尺寸h和t大約為38微米，調(diào)整傳輸線路124、126、128、170的寬度以提供50歐姆的傳輸線路。寬度比高度(h，t)基于KAPTON的相對介電常數(shù)的值3.4。通過數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)模擬和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)使特性阻抗Z0與MZI 104匹配，由此使傳輸線路124、126、128、136的準(zhǔn)確幾何形狀與MZI 104匹配(即，阻抗匹配)，以優(yōu)化傳輸線路124、126、128、136的布置和光電子電路在MMIC 102的工作頻率(1MHz-50GHz)上的性能。經(jīng)分析的一組性能測量值是微波散射參數(shù)S11、S12、S21、S22。傳輸線路互連直接制作在柔性電介質(zhì)基底144、148上，以提供準(zhǔn)確的阻抗，由此提供與MZI 104阻抗匹配的MMIC 102。
圖9是提供圖6和7的集成光電子電路的更多細(xì)節(jié)的平面視圖。DC偏壓網(wǎng)絡(luò)234控制MZI 104的靜態(tài)相位偏移，也直接制作到柔性電介質(zhì)基底組合144、148上。放大器MMIC 102和MZI 104的無源部件如電阻器、電容器和電感器也直接安裝到第二柔性電介質(zhì)基底148上。向MMIC 102提供功率的偏壓T型結(jié)構(gòu)242直接制作到第二柔性電介質(zhì)基底148上的金屬層中。偏壓T型結(jié)構(gòu)242包括集成無源電感器和電阻器，它們直接制作金屬化在第二柔性電介質(zhì)基底148上。無源電阻器、電容器和電感的幾何形狀及其布置也基于制造過程的數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)模擬和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。然后可將組裝的柔性電介質(zhì)基底模塊144、148封裝，或者與多單元模塊中的其他器件組合。
圖10A-10E表示在MMIC放大器102準(zhǔn)備與MZI 104集成時(shí)的附加細(xì)節(jié)。在圖10B中，對圖10A的裸芯302涂覆粘接劑304。在圖10C中，通過粘接劑304將管芯安裝件306連接到裸芯302上。在圖10D中，將管芯安裝到固定裝置308并研磨成所需的厚度。在圖10E中，準(zhǔn)備將管芯組件102安裝到柔性電介質(zhì)基底144上。
圖11A到11D示出用于調(diào)制光信號(hào)的第二光電子電路的橫剖面。在圖11A中，將微帶波導(dǎo)124施加于第一柔性電介質(zhì)基底144上。MMIC 102安裝到第一柔性電介質(zhì)基底144，并使其與微帶波導(dǎo)126電連接。在圖11B中，除去粘合層304和管芯安裝件306。為了接地和后部連接增加金屬化。在圖11C中，在第一柔性電介質(zhì)基底144上疊置(例如在156粘合)第二柔性基底148，該第二柔性基底作為光電子電路100中的信號(hào)層?；诰酆衔锏腗ZI 104置于空腔180中，并使RF128和接地130與之相連。對于單一的MMIC驅(qū)動(dòng)器件102，利用已調(diào)諧的傳輸線路124、126形成從MMIC到MZI的連接。對于雙驅(qū)動(dòng)光電子電路，在推挽式布置中驅(qū)動(dòng)MZI 104的兩個(gè)臂110、112，增加柔性電介質(zhì)基底的第三層158(圖11D)。優(yōu)選實(shí)施例的所有關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)都適用。這一方法具有易于制造和減小最終部件的尺寸的優(yōu)點(diǎn)。并且，這一實(shí)施例可以與已經(jīng)在使用中的其他器件構(gòu)成技術(shù)更加兼容，因此提供更高級(jí)的集成。
參考圖12，該圖示出雙器件光電子電路的平面視圖。雙驅(qū)動(dòng)光電子電路包括一對前置放大器140a、140b，每個(gè)前置放大器都接收在傳輸線路136a、136b上的RF調(diào)制信號(hào)132a、132b。前置放大器140a、140b放大RF調(diào)制信號(hào)132a、132b。沿著微帶傳輸線路124a、124b可替換地(按照與時(shí)分多路復(fù)用類似的方式)將放大的RF調(diào)制信號(hào)152a、152b引導(dǎo)到行波放大器160a、160b、162a、162b的串聯(lián)對。行波放大器160a、160b、162a、162b置于RF電極128的相對側(cè)，用于調(diào)制基于聚合物MZI 104中的光信號(hào)154、156。行波放大器162a、162b呈倒裝片結(jié)構(gòu)，例如借助于粘合墊上的導(dǎo)電凸起將面朝下的電子部件直接電連接到柔性電介質(zhì)基底上。
圖13A到13E表示用于調(diào)制光信號(hào)的第三光電子電路的橫剖面。在圖13A中，將微帶波導(dǎo)124施加于柔性電介質(zhì)基底144上，基于聚合物的MZI 104(在110、112、106僅僅示出其一個(gè)支路)嵌入在柔性電介質(zhì)基底144中。RF電極128和接地電極130置于MZI支路的相反側(cè)。在圖13B中，行波放大器160a固定到管芯安裝件168上，并與RF電極和適當(dāng)?shù)耐愤B接170相連。在圖13C中，除去管芯安裝件168和粘接層(未示出)。
在圖13D中，圖13A-13C的組件與第二柔性電介質(zhì)基底176粘接接合。第二柔性電介質(zhì)基底176包括制造于其中的行波放大器162a，從而使行波放大器160a、162a置于MZI的相反側(cè)。在圖13D中，也利用封裝材料174封裝圖13A-13C的組件，并使其與用于冷卻160a的熱交換器168接觸。繼續(xù)參見圖13D，將包括行波放大器162a的第二柔性電介質(zhì)基底174粘結(jié)到柔性電介質(zhì)基底144，由此提供圖12的裝置。
在圖13E中，顯示出行波放大器160a、162a的第二實(shí)施例的橫剖面。將包含MZI 104的柔性電介質(zhì)基底144與包含行波放大器160a的柔性電介質(zhì)基底178粘合，并使其與熱交換器168連通。柔性電介質(zhì)基底144中的MZI 104的RF電極128經(jīng)由凸起安裝件172與行波放大器160a電連接。并且在圖13E中，柔性電介質(zhì)基底180與柔性電介質(zhì)基底144粘接，該柔性電介質(zhì)基底180上具有行波放大器162a。行波放大器162a置于柔性電介質(zhì)基底178上，并與MZI 104相連。
除非另外指明，任何第一、第二等，或者前或后、右或左、頂或底、上或下、水平或垂直，或者表示一個(gè)物體相對于另一個(gè)物體的相對位置、數(shù)量或變量的其他短語都是為了描述的方便，而不是將本發(fā)明或其部件限制為任何一個(gè)位置、空間或暫時(shí)的定向。附圖中的部件的所有尺寸可以隨不背離本發(fā)明范圍的實(shí)施例的可能設(shè)計(jì)和預(yù)期的用途而改變。
盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，可以進(jìn)行各種改變，并用等效物來代替本發(fā)明的元件。此外，可以進(jìn)行許多修改以使特殊的情況或材料適合本發(fā)明的教導(dǎo)而不背離本發(fā)明的基本范圍。因此，本發(fā)明不限于如為了實(shí)施本發(fā)明而考慮的最佳實(shí)施方式所公開的特定實(shí)施例，而是本發(fā)明將包括屬于隨附的權(quán)利要求書的范圍的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種集成光電子電路(100)，包括第一柔性電介質(zhì)(144)基底，具有第一表面和相反的第二表面；聚合物電光波導(dǎo)，其置于柔性電介質(zhì)基底上或嵌入到該柔性電介質(zhì)基底中，并接收光信號(hào)(120)；接地電極(130)，其沿著電光波導(dǎo)設(shè)置；信號(hào)電極(128)，其沿著電光波導(dǎo)設(shè)置，與接地電極(130)相對；第一微芯片，包括第一調(diào)制器，接收調(diào)制信號(hào)，該微芯片置于第一柔性電介質(zhì)基底(144)上；第一帶圖案的金屬化層，其位于第一柔性電介質(zhì)基底(144)上，使接地電極(130)與該調(diào)制器耦合；第二柔性電介質(zhì)基底(148)，具有第一表面和相反的第二表面，第二柔性電介質(zhì)基底(148)沿著第一柔性電介質(zhì)基底(144)設(shè)置；以及第二帶圖案的金屬化層，其置于第二柔性電介質(zhì)基底(148)上，使信號(hào)電極(128)與該調(diào)制器耦合。
2.如權(quán)利要求1的集成光電子電路(100)，其中第一和第二帶圖案的金屬化層以及信號(hào)電極包括微帶傳輸線路。
3.如權(quán)利要求1的集成光電子電路(100)，其中第一和第二電介質(zhì)基底包括聚酰胺聚合物。
4.如權(quán)利要求1的集成光電子電路(100)，其中電光波導(dǎo)包括馬赫-澤德干涉儀。
5.如權(quán)利要求1的集成光電子電路(100)，進(jìn)一步包括還原電極(140)，用于還原聚合物電光波導(dǎo)。
6.如權(quán)利要求1的集成光電子電路(100)，其中調(diào)制器包括單片微波集成電路(102)。
7.如權(quán)利要求1的集成光電子電路(100)，進(jìn)一步包括熱交換器，其與微芯片熱接觸用以冷卻該調(diào)制器。
8.如權(quán)利要求1的集成光電于電路(100)，其中電光波導(dǎo)置于第一柔性電介質(zhì)基底(144)的第一表面上，所述微芯片置于第一柔性電介質(zhì)基底(144)的第二表面上。
9.如權(quán)利要求1的集成光電子電路(100)，其中電光波導(dǎo)位于第一和第二柔性電介質(zhì)基底(144、148)之間。
10.如權(quán)利要求5的集成光電子電路(100)，其中還原電極(140)置于第一電介質(zhì)基底的第二表面上。
11.如權(quán)利要求1的集成光電子電路(100)，其中聚合物電光波導(dǎo)包括聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸烷基酯、聚四氟乙烯、硅酮及其混合物，其中烷基具有一個(gè)至大約十二個(gè)碳原子。
12.如權(quán)利要求11的集成光電子電路(100)，其中聚甲基丙烯酸烷基酯包括聚甲基丙烯酸甲酯。
13.如權(quán)利要求1的集成光電子電路(100)，進(jìn)一步包括第三柔性電介質(zhì)基底，其沿第二柔性電介質(zhì)基底(148)設(shè)置；第二微芯片，置于第三柔性電介質(zhì)基底上，并包括與接地電極(130)耦合的第二調(diào)制器；其中第一調(diào)制器與信號(hào)電極耦合。
14.一種制造集成光電子電路(100)的方法，該方法包括將包括調(diào)制器的微芯片設(shè)置在第一柔性電介質(zhì)基底(144)上；將聚合物電光波導(dǎo)設(shè)置在第一柔性電介質(zhì)基底(144)之上或該第一柔性電介質(zhì)基底之內(nèi)；沿該電光波導(dǎo)設(shè)置接地電極(130)；沿該電光波導(dǎo)設(shè)置信號(hào)電極，使其位置與接地電極(130)相反；將第一帶圖案的金屬化層施加于第一柔性電介質(zhì)基底(144)上，由此耦合接地電極(130)和該調(diào)制器；沿第一柔性電介質(zhì)基底(144)設(shè)置第二柔性電介質(zhì)基底(148)；在第一和第二柔性電介質(zhì)基底(144、148)中提供多個(gè)通路開口；以及將第二帶圖案的金屬化層施加于第二柔性電介質(zhì)基底(148)上，人而耦合信號(hào)電極和該調(diào)制器。
15.如權(quán)利要求14的方法，進(jìn)一步包括提供熱交換器，其與微芯片熱接觸用以冷卻該調(diào)制器。
16.如權(quán)利要求14的方法，進(jìn)一步包括將微片封裝在微波吸收器中。
17.如權(quán)利要求14的方法，進(jìn)一步包括還原聚合物電光波導(dǎo)。
全文摘要
本發(fā)明包括微波和光子封裝的新型組合，得到一種小型、自給的MZI調(diào)制器。NLO聚合物的性質(zhì)，即大的電光系數(shù)降低了集成功率放大器(202)的驅(qū)動(dòng)要求，允許使用小型至中型的功率放大器。微波高密度互連(HDI)封裝技術(shù)允許中型功率放大器制成小的組件，其能夠直接安裝到MZI基底上。與基于無機(jī)物質(zhì)的現(xiàn)有器件相比，集成放大器和調(diào)制器提供尺寸明顯減小、功率較低和高帶寬的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02F1/01GK1754121SQ200380109876
公開日2006年3月29日 申請日期2003年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者W·P·科恩倫普夫, G·克萊東, S·達(dá)斯古普諾, S·達(dá)斯古普塔, R·菲爾金斯, G·福曼, J·揚(yáng)諾蒂, M·C·尼爾森 申請人:通用電氣公司