采用厚电容加载慢波电极的高性能硅基薄膜铌酸锂调制器

逍遥设计自动化

引言
电光调制器在现代光通信中扮演着核心角色，是数据中心、高性能计算机、射频光子链路和光信息处理系统的关键器件。随着数据速率和载波频率需求的不断提高，需要能够在与CMOS兼容的低电压下工作并具有高带宽(>100 GHz)的电光调制器。在众多技术平台中，薄膜铌酸锂(TFLN)因其较大的线性电光效应、低光损耗和优异的温度稳定性而备受关注[1]。
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: h) q" a* o# q5 n, K器件结构和工作原理
TFLN调制器的基本结构由键合在硅衬底上的薄膜铌酸锂组成，中间有热氧化层作为缓冲层。调制器采用具有电容加载慢波结构的厚行波电极以实现高性能。
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& K; d1 x& o: ^% {图1展示了采用厚行波电极的LNOI调制器的俯视图和横截面图，标示了器件结构的主要组成部分。

/ T4 J. ]7 |2 K# w9 O: @该器件采用了带有T形轨道的共面波导(CPW)电极设计，用于优化射频特性。TFLN层厚度精确选择为400纳米，以平衡调制效率和边缘耦合器性能。3微米厚的热氧化层作为TFLN和硅衬底之间的缓冲层，有利于与其他平台的混合集成。
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RLGC模型和射频特性
1 P0 Y" O- d* w" n; `可以使用RLGC（电阻、电感、电导、电容）传输线模型分析调制器的电性能。该模型有助于理解不同结构参数如何影响器件的高频行为。

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/ L2 c% p% |7 t5 `( n9 C, q5 M# w图2描述了传输线等效电路，展示了矩形CPW和T形轨道组件的RLGC参数。
/ a% a+ L: `6 B- p" c  b0 }
: q$ q1 o* M( ^0 T: }8 X) x特征阻抗(Z0)和传播常数(γ)由RLGC参数推导：
Z0 = √((R + jωL)/(G + jωC))
& q$ U3 E4 {( t8 Qγ = α + jβ = √((R + jωL)(G + jωC))
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# O# L/ E' Q* Z7 x' Z; D金属厚度的影响
金属电极的厚度对调制器性能起着关键作用。增加金属厚度具有以下优势：

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. F) O7 q6 L" H; a* z图3展示了矩形CPW厚度与RLGC参数之间的关系，说明金属厚度的增加如何影响关键电气特性。

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图4显示了在速度匹配和阻抗匹配条件下，不同矩形CPW厚度的电阻、电感、电导和电容。

; S, w4 r" z6 V; k/ H; iT形轨道结构优化
  `9 y! @6 N" t; MT形轨道设计需要仔细优化以实现最佳性能。主要参数包括：
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) S) R0 Q( d# F- {图5展示了具有不同T形轨道结构(lts、hts和wts)的CPW的电阻、电感和电容变化。
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性能结果
6 O3 ~+ `8 W+ s2 c& h+ o& D优化后的TFLN调制器实现了以下性能指标：
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图6显示了具有不同CPW电极厚度的LNOI调制器的射频指数、阻抗、射频损耗和S21EO测量结果。
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8 {/ V+ r* M* i; M* k% s图7展示了在4.7微米氧化层和铜电极条件下，10微米厚CPW在硅衬底上的射频指数和阻抗，以及S21EO和S11EE测量结果。

实际考虑因素
已经通过成熟的电镀技术实现了厚金属电极的制造。该工艺可以实现高达30微米的金属厚度，同时保持关键尺寸的精确控制。该设计与LNOI和SOI平台兼容，适用于各种集成场景。
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结论
  z0 b8 Q3 Y( p$ k9 G/ f' R7 ]厚电容加载慢波电极设计代表了TFLN调制器技术的重要进展。通过在硅衬底上同时实现高带宽(>120 GHz)和低工作电压(
$ Q5 C+ m7 `5 R- B3 ]
3 ~  Y$ Y' I, [/ \厚金属电极和优化的T形轨道结构的组合有效解决了带宽和工作电压之间的传统权衡，实现了超过60 GHz/V的性能指标（带宽/Vπ）。这一性能水平比传统设计有显著提升，使TFLN调制器在未来高速光通信系统中具有竞争优势。

  @+ T% A9 y9 f. ~0 }参考文献
[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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