鈮酸鋰高速調制器之製作與封裝

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白富成(Fu-Cheng Pai) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學研究所碩士在職專班

論文名稱

鈮酸鋰高速調制器之製作與封裝

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摘要(中)

本文採用Z切鈮酸鋰晶體鈦擴散製程，以馬氏干涉儀架構製作強度調制器，透過良好的拋光研磨以光纖直接耦合的封裝方式，經由實際製作與光耦合方式的改良來達到插入損耗、光反射損耗、驅動電壓、消光比及響應頻寬等規格的實用化，我們在電極封裝時加入感應天線將調制器製作成電磁場感測元件，以實際的運用來驗證鈮酸鋰光調制器優異的特性。

關鍵字(中)

★ 電磁場感測器
★ 調制器
★ 鈮酸鋰

關鍵字(英)

★ Electromagnetic Field Sensor
★ Lithium Niobate
★ Modulator

論文目次

目錄
第一章緒論……………………………………………………………1
第二章鈮酸鋰光波導理論……………………………………………3
2.1鈮酸鋰晶體之光電效應………………………………………3
2.2鈮酸鋰光波導的鈦擴散………………………………………6
2.2.1擴散理論………………………………………………6
2.2.2通道式薄膜擴散………………………………………8
2.2.3鈦在鈮酸鋰中的擴散係數……………………………9
2.3行波式電極結構…………………………………..………..….9
第三章鈦擴散光波導馬氏調制器製作………………………….…...12
3.1光波導製作……………………………………………………12
3.2緩衝層………………………………………………….……..14
3.3厚電極製作……………………………………………….…..16
第四章馬氏調制器封裝技術…………………………………….…...19
4.1晶片切割研磨…………………………………………….…..19
4.2,光纖接頭製作……………………………………………..…20
4.3偏波保持光纖……………………………..………………….22
4.4,光纖耦合效率…………………………………………..……24
第五章馬氏調制器量測…………………………………….……..….27
5.1插入損耗………………………………….…………….…..…27
5.2 光反射損耗(Optical return loss)量測…..….…….….…28
5.3 半波電壓(Half-Wave voltage:Vπ)量測……………..…...29
5.4 切換消光比(ON-OFF extinction ratio)量測…….….…..30
5.5 高頻響應量測…………………….……………………….....30
第六章運用於電磁場感測試驗結果……………….………………...32
6.1 電磁場感測器工作系統…………………………………..…32
6.2 測試系統………………………………………………….….32
6.3 天線因子(Antenna Factor, AF)測試結果….…….…..…..33
6.4 線性度測試………………………………………..…………34
第七章結論……………………………………………………...…….35
圖目
圖1.1 Z切面鈮酸鋰晶體鈦擴散製程製作強度調制器之結構圖…...39
圖2.1 外加電場引起折射率橢球變化關係圖………………………..40
圖2.2 金屬擴散結構圖………………………..………………………41
圖2.3 擴散溫度與擴散係數關係圖…………………………..………42
圖2.4 高速切換的電極設計型式………………………………….....43
(a)集總式電極
(b)行波式電極結構
圖2.5 電極結構的三種型式………………………………..…….…...44
(a) 對稱雙電極
(b) 不對稱雙電極
(c)三電極式
圖2.6.特性阻抗與G/W關係圖………………………………………..45
圖3.1 馬氏調制器製作流程圖………………………………………..46
圖3.2 鈮酸鋰晶圓之晶體方向………..………………………………32
圖3.3 光波導製程曝光顯影程度之判斷圖樣………………………..48
圖3.4 擴散溫度曲線圖………………………………………...……...49
圖3.5 電極製程曝光顯影之判斷圖樣，其中十字形圖樣則用來對準電極和波導間之相對位置及角度……………………..….…...50
圖3.6 電鍍系統架構圖………………………………………………..51
圖3.7 (a) 底層金未反應完全之情況，(b)底層金完全蝕刻之情形………………………………………………………….…….52
圖4.1 光纖研磨系統..…………………………………………..……53
圖4.2 晶片端面研磨結果………………………………………..……54
圖4.3 輸入光偏振態不純或偏角所造成消光比之變化情形………..55
圖4.4 光纖與光波導間加入一檢光片可提高消光比.………………56
圖4.5 輸入端加入光纖極化控制器以改變輸入光極化態…………..57
圖4.6 輸入端使用偏波保持光纖(PM fiber)及線偏振光源………...58
圖4.7 偏波保持光纖接頭組裝系統…………………………….…….59
圖4.8 光纖端面研磨結果…………………………………….……….60
圖4.9 (a)~(c)形狀複折射(form birefringence)光纖結構，(d)~(g)應力複折射(stress birefringence)光纖結構……………...61
圖4.10直線偏波保持光纖結合長度………………………………….62
圖4.11偏波保持光纖之串音或稱消光比η(extinction ratio)….63
圖4.12 光模形狀參數的圖示……………………………….……..….64
圖4.13光纖端面以8度角處理使反射光無法返回光纖…….…..…..65
圖5.1(a) 光纖與波導耦合系統側視圖…………..…………….….…66
圖5.1(b) 光纖與波導耦合系統上視圖………………………..……..67
圖5.2 以氦氖雷射作初歩對光…………………………..……….…..68
圖5.3 光波導紅光輸出影像，經透鏡成像於屏幕.……………….....69
圖5.4 將電極探針加至晶片上之正負電極………..………….….…..70
圖5.5 光反射損耗量測系統圖…………………....…………..…....…71
圖5.6 Vπ曲線世意圖………………………..……..……………..….72
圖5.7 Vπ特性量測系統圖…………………………..………...……..73
圖5.8 Vπ特性量測結果………………………………………….…..74
圖5.9 切換消光比(ON-OFF)量測系統圖…………………………..…75
圖5.10 頻率響應量測系統…………………………………..……….76
圖5.11 頻率響應量測圖…………………………..…………..……...77
圖6.1 鈮酸鋰電磁感測器封裝外觀…………………………..…..…..78
圖6.2 電光型電磁場感測器之工作系統…………………………..…79
圖6.3 電光型電磁場感測器之測試系統(TEM cell)………………..80
圖6.4 電光型電磁場感測器之測試系統(電波暗室)…….…….……81
圖6.5 環形天線之天線因子(Antenna Factor)……………………..82
圖6.6 線性度測試圖………………………………………………..…83
圖7.1 半波電壓與感測靈敏度之關係…………………..…………...84
表目
表2.1 鈮酸鋰中的擴散系數………………………….…….…………85
表4.1研磨參數表…………………………………….…..…….……...86

參考文獻

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指導教授

李清庭(Ching-Ting Lee)

審核日期

2003-7-10

推文