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
0 {# ?' T4 L8 Y+ j" A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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器件結(jié)構(gòu)和工作原理
+ {# X3 n7 S, S8 ^# N6 Y' f6 w  DTFLN調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的厚行波電極以實現(xiàn)高性能。

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(jié)構(gòu)的主要組成部分。

- @  }* U: g, |# y- g2 K8 Q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。
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$ }8 a! }. J! V" KRLGC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(jié)構(gòu)參數(shù)如何影響器件的高頻行為。

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)。

. d: l' U3 e. u9 \' |0 f& w- n特征阻抗(Z0)和傳播常數(shù)(γ)由RLGC參數(shù)推導：
( v  R% @5 S! {4 mZ0 = √((R + jωL)/(G + jωC))
γ = α + jβ = √((R + jωL)(G + jωC))

9 ^. Q& ~  y4 T7 N金屬厚度的影響
' A+ R5 `- {7 Z( @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。


# w6 e3 _, r" i) H# _  Q. G! \$ h6 w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。
+ E* ^. F9 y8 a/ g& G0 \8 \1 E
$ o+ H* [3 ^3 f% a6 D1 ~0 AT形軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化
. N3 d. m7 E% N) G1 PT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：
5 i$ l. H  U! q4 M4 `
圖5展示了具有不同T形軌道結(jié)構(gòu)(lts、hts和wts)的CPW的電阻、電感和電容變化。
! ]2 z0 i4 P' ^/ K; V& V
3 X. c8 C  s( |$ C6 x性能結(jié)果
) O, E# S/ ^: \" {優(yōu)化后的TFLN調(diào)制器實現(xiàn)了以下性能指標：

2 M6 l! K3 R8 P0 {# G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(jié)果。
& A0 m# m, c5 K: @+ V0 k# B+ Z

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(jié)果。
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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。

結(jié)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(

厚金屬電極和優(yōu)化的T形軌道結(jié)構(gòu)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。
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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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