采用厚電容加載慢波電極的高性能硅基薄膜鈮酸鋰調(diào)制器

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引言
電光調(diào)制器在現(xiàn)代光通信中扮演著核心角色，是數(shù)據(jù)中心、高性能計算機、射頻光子鏈路和光信息處理系統(tǒng)的關鍵器件。隨著數(shù)據(jù)速率和載波頻率需求的不斷提高，需要能夠在與CMOS兼容的低電壓下工作并具有高帶寬(>100 GHz)的電光調(diào)制器。在眾多技術平臺中，薄膜鈮酸鋰(TFLN)因其較大的線性電光效應、低光損耗和優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性而備受關注[1]。
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1 C- p9 ^, j, V) x器件結構和工作原理
6 x* e1 |7 k# h3 {! r/ `TFLN調(diào)制器的基本結構由鍵合在硅襯底上的薄膜鈮酸鋰組成，中間有熱氧化層作為緩沖層。調(diào)制器采用具有電容加載慢波結構的厚行波電極以實現(xiàn)高性能。
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8 d9 R$ ?" B# d2 X6 I圖1展示了采用厚行波電極的LNOI調(diào)制器的俯視圖和橫截面圖，標示了器件結構的主要組成部分。
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該器件采用了帶有T形軌道的共面波導(CPW)電極設計，用于優(yōu)化射頻特性。TFLN層厚度精確選擇為400納米，以平衡調(diào)制效率和邊緣耦合器性能。3微米厚的熱氧化層作為TFLN和硅襯底之間的緩沖層，有利于與其他平臺的混合集成。

RLGC模型和射頻特性
可以使用RLGC（電阻、電感、電導、電容）傳輸線模型分析調(diào)制器的電性能。該模型有助于理解不同結構參數(shù)如何影響器件的高頻行為。
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圖2描述了傳輸線等效電路，展示了矩形CPW和T形軌道組件的RLGC參數(shù)。
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  N6 z( u! H/ N' k- \& K; b2 l特征阻抗(Z0)和傳播常數(shù)(γ)由RLGC參數(shù)推導：
3 k9 s5 Y$ G5 V7 hZ0 = √((R + jωL)/(G + jωC))
γ = α + jβ = √((R + jωL)(G + jωC))
( k2 V. V3 q. x
  W( r  w1 M) z8 g* ?8 f7 V金屬厚度的影響
5 A$ N$ C% s/ Y1 n' s金屬電極的厚度對調(diào)制器性能起著關鍵作用。增加金屬厚度具有以下優(yōu)勢：
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圖3展示了矩形CPW厚度與RLGC參數(shù)之間的關系，說明金屬厚度的增加如何影響關鍵電氣特性。

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: }! h  s( V; S- f0 f圖4顯示了在速度匹配和阻抗匹配條件下，不同矩形CPW厚度的電阻、電感、電導和電容。

) R6 N* k( p0 f( BT形軌道結構優(yōu)化
+ Q+ v4 G$ H1 a) }" X9 oT形軌道設計需要仔細優(yōu)化以實現(xiàn)最佳性能。主要參數(shù)包括：
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圖5展示了具有不同T形軌道結構(lts、hts和wts)的CPW的電阻、電感和電容變化。

性能結果
; x- R4 f5 r: f- \優(yōu)化后的TFLN調(diào)制器實現(xiàn)了以下性能指標：
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7 H" `1 Q+ f0 \: P. c圖6顯示了具有不同CPW電極厚度的LNOI調(diào)制器的射頻指數(shù)、阻抗、射頻損耗和S21EO測量結果。


圖7展示了在4.7微米氧化層和銅電極條件下，10微米厚CPW在硅襯底上的射頻指數(shù)和阻抗，以及S21EO和S11EE測量結果。

1 [; E, \& J9 h實際考慮因素
已經(jīng)通過成熟的電鍍技術實現(xiàn)了厚金屬電極的制造。該工藝可以實現(xiàn)高達30微米的金屬厚度，同時保持關鍵尺寸的精確控制。該設計與LNOI和SOI平臺兼容，適用于各種集成場景。
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) M6 ~9 G- W; }# D7 ^! G結論
厚電容加載慢波電極設計代表了TFLN調(diào)制器技術的重要進展。通過在硅襯底上同時實現(xiàn)高帶寬(>120 GHz)和低工作電壓(

$ i" }& w3 }9 G. i7 d) r8 K3 i厚金屬電極和優(yōu)化的T形軌道結構的組合有效解決了帶寬和工作電壓之間的傳統(tǒng)權衡，實現(xiàn)了超過60 GHz/V的性能指標（帶寬/Vπ）。這一性能水平比傳統(tǒng)設計有顯著提升，使TFLN調(diào)制器在未來高速光通信系統(tǒng)中具有競爭優(yōu)勢。

# c+ G4 _! C# g: e: y參考文獻
[1] Z. Yu et al., "120 GHz Sub-2 V Thin-Film Lithium Niobate Modulators on Silicon Substrate Using Thick Capacitively Loaded Slow Wave Electrodes," IEEE Photonics Journal, vol. 16, no. 6, pp. 7202305, Dec. 2024.
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