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

逍遙設(shè)計自動化

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(jī)、射頻光子鏈路和光信息處理系統(tǒng)的關(guān)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(shù)平臺中，薄膜鈮酸鋰(TFLN)因其較大的線性電光效應(yīng)、低光損耗和優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性而備受關(guān)注[1]。


器件結(jié)構(gòu)和工作原理
  i: t9 K* q! m' ETFLN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。
# }3 Y+ @, v4 f7 G" C3 F
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(biāo)示了器件結(jié)構(gòu)的主要組成部分。

4 P+ H% u% k# D% G該器件采用了帶有T形軌道的共面波導(dǎo)(CPW)電極設(shè)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
2 F4 L  [" U4 n, T2 P( T5 b. n8 D可以使用RLGC（電阻、電感、電導(dǎo)、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。

6 g9 @5 o  o2 b; g: m5 g7 C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# d4 W8 u3 D6 N7 z# G特征阻抗(Z0)和傳播常數(shù)(γ)由RLGC參數(shù)推導(dǎo)：
Z0 = √((R + jωL)/(G + jωC))
γ = α + jβ = √((R + jωL)(G + jωC))
4 g5 k  Y0 A' I4 ?0 X+ L3 G# [
金屬厚度的影響
金屬電極的厚度對調(diào)制器性能起著關(guān)鍵作用。增加金屬厚度具有以下優(yōu)勢：

圖3展示了矩形CPW厚度與RLGC參數(shù)之間的關(guān)系，說明金屬厚度的增加如何影響關(guān)鍵電氣特性。
* I4 l- }8 P, _) P1 s6 ^. U

& E+ `9 H9 s+ Y8 q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(dǎo)和電容。
( |2 r6 T7 ~; H0 m3 P; Z2 v+ V
7 [! o5 e! @" m' {  q% Y* Y: L( `T形軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化
! x) |% H" C" n% OT形軌道設(shè)計需要仔細(xì)優(yōu)化以實現(xiàn)最佳性能。主要參數(shù)包括：
3 X1 T3 \% n+ D! y+ I5 @! e
9 e$ U( j; X8 t& P+ D5 B& `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。

性能結(jié)果
6 ]. `/ @5 ]: c! Q. M優(yōu)化后的TFLN調(diào)制器實現(xiàn)了以下性能指標(biāo)：

# W7 A$ R, w9 t/ T1 r0 L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。
9 Z4 ~9 W* ]: Q

1 w6 X) Y; |: C: Z- A( o' J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。
7 v% D' f$ n* I- r/ T
實際考慮因素
7 V$ ]  @9 N6 y4 E- J已經(jīng)通過成熟的電鍍技術(shù)實現(xiàn)了厚金屬電極的制造。該工藝可以實現(xiàn)高達(dá)30微米的金屬厚度，同時保持關(guān)鍵尺寸的精確控制。該設(shè)計與LNOI和SOI平臺兼容，適用于各種集成場景。
* F& u4 @2 h. S3 Z
& ~9 U& }, R% s! w結(jié)論
' N4 r( i2 c2 L3 I/ \厚電容加載慢波電極設(shè)計代表了TFLN調(diào)制器技術(shù)的重要進(jìn)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(quán)衡，實現(xiàn)了超過60 GHz/V的性能指標(biāo)（帶寬/Vπ）。這一性能水平比傳統(tǒng)設(shè)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。
! w/ W6 w! [: i( C" Q, a( W3 R4 n" [0 J
參考文獻(xiàn)
! Q9 b) m$ e: o" t# k" C[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.

END
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