CN102608775B - 具有行波电极结构的光电子器件及行波电极结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有行波电极结构的光电子器件，所述行波电极包括在光波导结构之上的行波电极和偏离光波导结构之上的行波电极两部分，从而使得器件的特征阻抗与标准阻抗之差小于预设值。本发明还公开了一种行波电极结构。利用本发明，使得器件特征阻抗与系统标准阻抗在较大的频率范围内相匹配，从而保证器件具有较好的高速性能。

Description

具有行波电极结构的光电子器件及行波电极结构

技术领域

本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种具有行波电极结构的光电子器件及行波电极结构。

背景技术

高速光电子器件是高速光通信系统的核心，光电子器件的频率响应特性直接决定了系统的信号传输速度。通过对光电子器件的驱动电极结构进行优化设计可以有效地增强光电子器件的频率响应。

在半导体电吸收光调制器等光电子器件设计中最常见的电极结构是集总型电极，其结构可以如图1所示。在集总型电极结构中，光波导结构包括图1中的p，i，n层，信号电极如图1中顶部薄片所示，地电极接地，其如图1中两侧的薄片所示，光传输如图1中的箭头所示。微波信号施加在所述信号电极的中部，具体为光传输方向上信号电极的中部（如图1中的微波信号的信号源所示），因此微波信号在光波导两端位置的反射很大。集总型电极结构的等效电路模型为串联型的RC电路，可以如图2所示，其中电容C为器件p-i-n结构的结电容，R为p层和n层半导体材料总的串联电阻。

使用集总型电极结构的器件，其与频率响应对应的工作带宽受到RC时间常数的限制。为了得到更大的工作带宽，只有减小器件的尺寸。所以，为了达到系统对半导体电吸收光电子器件工作带宽的要求，应用集总型电极结构的光电子器件通常具有比较小的等效长度，也就是较小的器件尺寸，但这同时也带来了器件的驱动电压增加等问题。

为了突破集总型电极结构对器件性能的限制，具体包括上述提到的工作带宽受RC常数限制和较小的等效长度带来的驱动电压增加的问题，现有技术中提出了一种具有行波电极结构的光电子器件，其结构可以如图3所示。信号激励源（excitation）加在图3中的顶部薄片电极的一端，该信号激励源中包括直流偏置电压和微波信号的叠加，亦即其中包括微波信号传输。地电极如图3中两侧的薄片所示，光传输如图3中的箭头所示。图4示出了该具有行波电极结构的光电子器件的工作原理图。如图3和图4中所示，在行波电极结构中，信号激励源发出的微波信号被施加在信号电极的输入端，信号电极的输入端与光波导的输入端位置相同，微波信号在传输线电极中传播，其传输方向与光信号在光波导中的传播方向相同。在光波导的输出端，微波传输线电极与匹配负载Z_L（即图3中的匹配负载Termination）相连。在微波信号传输方向上的每一小段长度内，器件的并联电容被串联电感所补偿，从而共同作用形成一段具有一定特征阻抗的微波传输线。图5示出了采用行波电极结构的光电子器件的等效电路，每一小段长度内所述并联电容和串联电感可以等效为图5中的串联阻抗Z_S和并联导纳Y_P共同组成的一个双口网络，而器件整体的等效电路为所述一系列双口网络串联而成。在微波信号传输方向上的每一小段长度内，器件的并联电容被串联电感所补偿，从而共同作用形成一段具有一定特征阻抗的微波传输线，进一步降低驱动电压。

在对现有技术的研究和实践过程中，发明人发现现有技术中存在以下问题：

本领域技术人员知道，现行的微波系统中标准器件特征阻抗是50Ω。已有的大量研究结果显示了使用行波电极结构的半导体光电子器件的特征阻抗通常比较小，其典型值处于15Ω到25Ω之间，这与微波系统中标准的50Ω阻抗相差较大，器件与微波信号源之间就会存在严重的微波反射，因此器件特征阻抗与系统标准阻抗之间的不匹配导致器件高速性能较差。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种具有行波电极结构的光电子器件及行波电极结构，以克服现有技术中器件特征阻抗与系统标准阻抗之间的不匹配导致的器件高速性能差的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种具有行波电极结构的光电子器件及行波电极结构如下面描述：

一种包含行波电极结构的光电子器件，所述行波电极由光波导结构之上的行波电极和偏离光波导结构之上的行波电极组成，所述光波导结构之上的行波电极包括1个分段；所述光波导结构之上的1个行波电极分段连接一段所述偏离光波导结构之上的行波电极；通过调整所述光波导结构之上的一个行波电极分段和/或所述偏离光波导结构之上的至少一个行波电极分段的长度，使得所述光电子器件的特征阻抗与标准阻抗之差小于预设值。

一种行波电极结构，所述行波电极由在光波导结构之上的行波电极和偏离光波导结构之上的行波电极组成，所述光波导结构之上的行波电极包括1个分段；所述光波导结构之上的1个行波电极分段连接一段所述偏离光波导结构之上的行波电极；通过调整所述光波导结构之上的一个行波电极分段和/或所述偏离光波导结构之上的至少一个行波电极分段的长度，使得所述行波电极的等效特征阻抗与标准阻抗之差小于预设值。

由以上本发明实施例提供的技术方案可见，本发明偏离光波导结构之上的行波电极，即无源部分，具有较大的阻抗；具有较小阻抗的所述光波导之上的行波电极，即有源调制部分，与无源调制部分构成的等效特征阻抗在较大频率范围内可以达到或接近微波系统中的标准阻抗。这样，就使得器件特征阻抗与系统标准阻抗在较大的频率范围内相匹配，从而保证器件具有较好的高速性能。

附图说明

图1为现有技术中集总型电极的结构图；

图2为现有技术中集总型电极的等效电路图；

图3为现有技术中一种具有行波电极结构的光电子器件的结构图；

图4为现有技术中一种具有行波电极结构的光电子器件的工作原理图；

图5为现有技术中一种具有行波电极结构的光电子器件的等效电路图；

图6为本发明一具有行波电极结构的光电子器件实施例的结构图；

图7为本发明一具有行波电极结构的光电子器件实施例的俯视图；

图8为本发明另一具有行波电极结构的光电子器件实施例的俯视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

本发明实施例具有行波电极结构的光电子器件包括一段行波电极，所述行波电极即微波传输线。信号激励源加在所述一段行波电极的一端。所述信号激励源中包括直流偏置电压和微波信号的叠加。

在所述行波电极的另一端，也就是微波传输线电极的另一端，与匹配负载Z_L相连。与现有技术类似，因为微波传输线电极的阻抗与其后相连的匹配负载的阻抗很接近，所以在Termination这一端反射变的很小，这使得调制效率得以提高，因此驱动电压可以降低。

所述一段行波电极包括在光波导结构之上的行波电极和偏离光波导结构之上的行波电极两个部分。其中，设置在光波导结构之上的微波传输线，起到对光波导中光波的调制作用，这里称之为有源调制部分（Modulator sections）传输线。对应的，设置在光波导结构之外的微波传输线，即偏离光波导结构之上的微波传输线，这部分传输线电极中微波信号不对光波导中的光波产生调制作用，这里称之为无源部分（Passive sections）传输线。

该器件的等效电路与图5中类似，由一系列串联阻抗Z_S和并联导纳Y_P组成的双口网络串联而成。在有源调制部分传输线的微波信号传输方向上的每一小段长度内，器件的并联电容被串联电感所补偿，从而共同作用形成一段具有一定特征阻抗（设为Z_CM）的微波传输线。由于器件的并联电容被串联电感所补偿，因此器件的工作带宽可以不受器件RC时间常数的限制，这样就可以使器件保持高带宽的频率响应特性，同时器件的长度可以适当地增加，从而进一步提高调制效率，也就可以进一步降低驱动电压。同时，由于器件的并联电容被串联电感所补偿，因此器件的工作带宽可以不受器件RC时间常数的限制，这样就可以使器件保持高带宽的频率响应特性，同时器件的长度可以适当地增加，从而进一步提高调制效率，也就可以进一步降低驱动电压。也就是说，有源调制部分的传输线与现有技术中光信号在光波导中的传播方向相同的部分起类似作用。通常电介质材料会用作光电子器件的平坦化材料，无源部分传输线可以在电介质材料的表面，并与电介质材料的表面平行。在无源部分传输线的微波信号传输方向上的每一小段长度内，微波传输线的特征阻抗为Z_CB，通常来说，无源部分传输线的信号电极与地电极之间为厚度较大的电介质材料，所以无源部分传输线的特征阻抗Z_CB较大。

通过调整所述在光波导结构之上的行波电极分段的长度和/或所述偏离光波导结构之上的行波电极分段的长度，即调整有源调制部分和/或无源部分的长度，可以使所述光电子器件的特征阻抗与微波系统中标准近似相等或相等。如现有的微波系统中的阻抗标准为50Ω，则通过调整有源调制部分和/或无源部分的长度，可以使所述光电子器件的特征阻抗接近或达到50Ω。这是因为无源部分传输线的信号电极与地电极之间为厚度较大的电介质材料，所以无源部分传输线的特征阻抗Z_CB通常大于50Ω。前面提到，现有技术中有源调制部分在一个很窄的频带上可以达到是50Ω，但是无法在大的频率范围内保证都是50Ω，其典型值处于15Ω到25Ω之间，而无源部分具有较大的阻抗的情况下，有源调制部分和无源调制部分组合起来可以达到或接近微波系统中的标准阻抗。这样，就使得器件特征阻抗与系统标准阻抗在较大的频率范围内相匹配，从而保证器件具有较好的高速性能。

具体的，可以存在一预设值，如有源调制部分和无缘调制部分组合在一起形成的器件特征阻抗在较大频率范围内与微波系统中的标准阻抗小于预设值的情况下，则可以满足器件特征阻抗与系统标准阻抗在较大的频率范围内相匹配。具体的，可以通过调整光波导结构之上的行波电极（即有源调制部分传输线）长度和/或偏离光波导结构之上的行波电极（即无源部分传输线）长度使特征阻抗与标准阻抗之差小于预设值。例如标准阻抗为50Ω，而有源调制部分的阻抗为15Ω到25Ω之间的情况，可以将预设值设为5Ω，则通过调整有源调制部分传输线的长度和/或无源部分传输线的长度可以将器件的特征阻抗调整为50±5Ω的范围之内。器件的特征阻抗在在较大的频率范围内都处于这一范围之内时，器件既保持了其良好的频率响应特性，同时器件与信号源之间的微波反射也始终很低，从而保证器件具有较好的高速性能。进一步地，可以通过调整有源调制部分传输线至少一个分段的长度和/或无源部分传输线的至少一个分段的长度，从而调整器件的特征阻抗与标准阻抗小于预设值。

所述在光波导结构之上的行波电极，即有源调制部分可以包括至少1个分段。当包括2个或2个以上的分段时，各分段长度可以相同或不同。所述偏离光波导结构之上的行波电极，即无源部分可以包括至少1个分段。当包括2个或2个以上的分段时，各分段长度可以相同或不同。特别的，对于无源部分，当包括2个或2个以上的分段时，各分段的形状没有限制，可以是对称的，也可以是非对称的。

图6示出了本发明具有行波电极结构的光电子器件一个实施例的结构示意图。该图为侧视图，如图所示，行波电极结构包括以下分段：X1，X2和Y1，Y2，Y3。其中，X1，X2分段为有源调制部分，Y1，Y2和Y3分段为无源部分。通过调整X1，X2，Y1，Y2，Y3中任一分段或若干分段组合的长度，可以使器件特征阻抗与系统标准阻抗相匹配。并且，X1与X2分段的长度可以相同，也可以不同；Y1，Y2和Y3分段的长度可以相同，也可以不同。Y1，Y2和Y3分段可以对称的，也可以是非对称的，如图中，Y1与Y3显然是非对称的，而Y2是对称的。

如系统标准阻抗为50Ω，X1与X2分段的特征阻抗较小，在25Ω以下，Y1，Y2和Y3分段的特征阻抗比较大，可以接近或达到75Ω。这样，有源调制部分与无源部分连接在一起共同构成行波电极，则光电子器件的微波特征阻抗在较大的频率范围内保持在50Ω左右，从而实现高速光电子器件与微波信号源之间的阻抗匹配。

图7示出了图6实施例的俯视图。如图，Y1，X1，Y2，X2和Y3依次连接，作为一段行波电极。信号激励源从Y1上输入，从Y3输出。光传输的方向如图中所示，在光波导上传输，X1与X2在光波导之上。特别的，X1与X2的长度可以相等或不等，Y1，Y2和Y3的长度可以相等或不相等且形状不唯一；而且，通过仿真和实验的手段可以证明，在有源调制部分与无源部分各段长度各不相等的情况下，器件的高速性能更佳。

以上例举了有源调制部分和无源部分分别包括2个分段和三个分段的情况，当然，也可以是有源调制部分和无源部分各包括1个或多个分段。

上述图6和图7所示的实施例中，信号激励源加在偏离光波导结构之上的行波电极上，此外，也可以加在所述光波导之上的行波电极上，如图8中的示意图所示。

可以通过性能仿真的方式得知光电子器件的特征阻抗与标准阻抗之差是否小于预设值，并据此调整在光波导结构之上的行波电极和偏离光波导结构之上的行波电极的长度，具体的，可以通过调整有源调制部分至少一个分段的长度和/或无源部分的至少一个分段的长度调整器件的特征阻抗与标准阻抗小于预设值。

由以上实施例可见，行波电极的无源部分传输线具有较大的阻抗，由具有较小阻抗的有源调制部分和无源调制部分共同组成的行波电极结构其特征阻抗可以在较大频率范围内达到或接近微波系统中的标准阻抗。这样，就使得器件特征阻抗与系统标准阻抗在较大的频率范围内相匹配，从而保证器件具有较好的高速性能。

以下介绍本发明行波电极结构的实施例，包括在光波导结构之上的行波电极和偏离光波导结构之上的行波电极两部分，这两部分行波电极的等效特征阻抗与标准阻抗之差小于预设值。

仍可以如图6、7、8中所示，在光波导结构之上的行波电极可以包括至少1个分段。所述偏离光波导结构之上的行波电极可以包括至少1个分段。所述光波导结构之上的行波电极包括2个或2个以上的分段时，各分段长度可以相同或不同。所述偏离光波导结构之上的行波电极包括2个或2个以上的分段时，各分段长度可以相同或不同。所述偏离光波导结构之上的行波电极包括的分段可以为对称或非对称形状。其具体原理与前面所述类似，在此不再赘述。

目前所述标准阻抗为50Ω。

虽然通过实施例描绘了本发明实施例，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (8)

1.一种包含行波电极结构的光电子器件，其特征在于，所述行波电极由光波导结构之上的行波电极和偏离光波导结构之上的行波电极组成，所述光波导结构之上的行波电极包括1个分段；所述光波导结构之上的1个行波电极分段连接一段所述偏离光波导结构之上的行波电极；通过调整所述光波导结构之上的一个行波电极分段的长度和/或所述偏离光波导结构之上的至少一个行波电极分段的长度，使得所述光电子器件的特征阻抗与标准阻抗之差小于预设值。

2.如权利要求1所述的光电子器件，其特征在于，所述偏离光波导结构之上的行波电极分段的数量为2个以上时，各分段长度相同或不同。

3.如权利要求1所述的光电子器件，其特征在于，所述偏离光波导结构之上的行波电极包括的分段为对称或非对称形状。

4.如权利要求1所述的光电子器件，其特征在于，还包括信号激励源，所述信号激励源加在偏离光波导结构之上的行波电极上，或加在所述光波导之上的行波电极上。

5.如权利要求1所述的光电子器件，其特征在于，所述标准阻抗为50Ω。

6.一种行波电极结构，其特征在于，所述行波电极由在光波导结构之上的行波电极和偏离光波导结构之上的行波电极组成，所述光波导结构之上的行波电极包括1个分段；所述光波导结构之上的1个行波电极分段连接一段所述偏离光波导结构之上的行波电极；通过调整所述光波导结构之上的至少一个行波电极分段的长度和/或所述偏离光波导结构之上的至少一个行波电极分段的长度，使得所述行波电极的等效特征阻抗与标准阻抗之差小于预设值。

7.如权利要求6所述的行波电极结构，其特征在于，所述偏离光波导结构之上的行波电极分段的数量为2个以上时，各分段长度相同或不同。

8.如权利要求8所述的行波电极结构，其特征在于，所述偏离光波导结构之上的行波电极包括的分段为对称或非对称形状。