CN104516127B - 集成器件及其行波电极阻抗匹配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成器件及其行波电极阻抗匹配方法，该方法包括以下步骤：将集成器件的行波电极在其长度方向上按周期划分为多段，每段中的信号线和地线之间分别串联一个电感；其中，电感的大小根据硅基电光调制器的实际阻抗值与实现硅基电光调制器阻抗匹配的数值的差值大小确定。本发明，实现了对集成器件的行波电极单位长度电感的提高，进而提高了整体的特征阻抗实现集成器件的行波电极的阻抗匹配，减少了电信号的反射，增加了带宽。
Description
技术领域
本发明涉及集成器件，具体涉及集成器件及其行波电极阻抗匹配方法。
背景技术
随着社会的不断进步和发展，人类对信息的需求量越来越大，现代社会信息数据量呈现指数式的爆发增长，光通信网络技术的迅猛发展为这一难题的解决提供了可靠有效的方案。光调制器是这一领域的核心器件之一，能对不同波长光信号进行实时选择处理，传统基于铌酸锂材料的电光高速调制器往往外形尺寸较大，在5-10厘米的量级，同时功耗也较大，这些缺点明显不利于通信系统的小型化和低功耗化，因此研究高调制带宽、高消光比、低功耗、易集成及低成本的光调制器具有重要现实意义。
目前的电光调制器主要分为：利用直接电光效应的LiNbO3调制器、GaAs调制器、聚合物调制器、利用多量子阱电吸收原理的InP调制器以及利用等离子色散效应的硅基电光调制器等。其中：LiNbO3调制器具有较高的电光系数、较低的偏置电压，且技术成熟，目前商用LiNbO3调制器在光纤通信系统中已达到40Gb/s的传输速率。但其调制长度长，体积大，与传统微电子工艺兼容性差，不易实现高密度、低成本集成的缺点限制了其在短距离光互连通信中的应用。Ⅲ-Ⅴ族(GaAs、InP等)电光调制器，虽然体积小，易于和其它光电器件如Ⅲ-Ⅴ族激光器、探测器集成，但调制效率低，调制带宽小。聚合物调制器电光系数和调制速度近年来得到不断提高，较低的稳定性、较高的光损耗以及复杂的工艺条件仍制约其商用化的应用。而硅基光调制器的优点在于其低廉的制造成本以及高性能的光电子集成特性，与CMOS工艺的兼容性。硅基电光调制器一般通过等离子体色散电光效应来改变光波导的折射率而实现电光信号的调制，这一结构需要通过一个PN结来改变其中自由载流子的分布。由于PN结的引入会带来调制器整体的大电容特性，对于硅基电光调制器其电极的设计需要特别关注阻抗匹配，如果阻抗不匹配会导致信号产生很大的反射从而降低整个硅基电光调制器的带宽。
硅基电光调制器中用来传输电信号的传输线特征阻抗和单位长度上电感与电容比值的开方数值成正比，因此为了减小硅基电光调制器本身与信号源之间的反射信号需要使得硅基电光调制器的阻抗为50欧姆，从而实现阻抗匹配。由于硅基电光调制器本身的调制机理和结构决定了其单位长度的电容值较大，所以其特征阻抗一般都比较低，远达不到阻抗匹配条件所要求的50欧姆，由于阻抗不匹配会导致电信号的反射较大，进而影响硅基电光调制器的效率和带宽，所以对于硅基电光调制器的大电容特性，需要对硅基电光调制器的行波电极进行特殊的设计来实现阻抗匹配，增加带宽。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决现有的集成器件由于具有大电容特性导致阻抗不匹配，电信号的反射较大，进而影响集成器件带宽的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种集成器件的行波电极阻抗匹配方法，包括以下步骤：
将集成器件的行波电极在其长度方向上按周期划分为多段，每段中的信号线和地线之间分别串联一个电感；
其中，电感的大小根据硅基电光调制器的实际阻抗值与实现硅基电光调制器阻抗匹配的数值的差值大小确定。
在上述方法中，每段中的信号线和地线之间串联的电感结构相同或不同。
在上述方法中，所述集成器件为硅基电光调制器。
本发明还提供了一种集成器件，包括行波电极，所述行波电极包括信号线和地线，所述行波电极在其长度方向上按周期划分为多段，每段中的信号线和地线之间分别串联一个电感。
在上述集成器件中，所述电感呈条形片状。
在上述集成器件中，所述电感包括上下布置的两个U片，两个U片的开口端的相邻部通过第一条形片连接，且其中一个U形片的开口端的另一侧连接有第二条形片。
在上述集成器件中，所述电感整体呈片状，由一根条形金属片依次弯折形成多层相互嵌套式结构，且相邻金属片之间设有间隙。
在上述集成器件中，所述电感整体呈矩形片状。
在上述集成器件中，所述电感由相对间隔设置的上层结构和下层结构组成，所述上层结构整体呈片状，由一根条形金属片依次弯折形成多层相互嵌套式结构，且相邻金属片之间设有间隙，所述下层结构与所述上层结构相同。
在上述集成器件中，所述集成器件为硅基电光调制器。
本发明，通过将集成器件的行波电极在其长度方向上按周期划分为多段，每段中的信号线和地线之间分别串联一个电感，其中，电感的大小根据硅基电光调制器的实际阻抗值与实现硅基电光调制器阻抗匹配的数值的差值大小确定，实现了对集成器件的行波电极单位长度电感的提高，进而提高了整体的特征阻抗实现集成器件的行波电极的阻抗匹配，减少了电信号的反射，增加了带宽。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种集成器件及其行波电极阻抗匹配方法流程图；
图2为本发明实施例提供的未添加电感结构的传统硅基电光调制器的行波电极结构示意图；
图3为本发明实施例提供的要周期性的添加在硅基电光调制器行波电极上的大电感结构示意图；
图4为本发明实施例提供的对硅基电光调制器的行波电极进行周期划分的示意图；
图5为本发明实施例提供的分段添加了大电感结构的行波电极示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细的说明。
本发明实施例提供了一种集成器件的行波电极阻抗匹配方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤101、根据硅基电光调制器实际阻抗值与实现硅基电光调制器阻抗匹配的数值的差值大小来确定需要增加的电感结构的电感大小。
图2为未添加电感结构的硅基电光调制器的行波电极结构示意图，如图2所示，为两种目前用在硅基电光调制器中的传统行波电极结构，图2左侧为GSG型的电极，其两侧是地线，中间是信号线；图2右侧为GS型的电极，两侧分别为信号线和地线。由于硅基电光调制器的有源区结构具有较大的电容，所以其特征阻抗较低，一般远低于阻抗匹配要求的50欧姆，这样在阻抗不匹配的情况下硅基电光调制器就会有较大的反射系数，信号产生很大的反射，进而影响硅基电光调制器的效率和带宽。
为了减小信号的反射，需要对行波电极进行一定的改进来实现阻抗匹配，由公式(Z表示其特征阻抗，K表示一个固定的比例系数，L表示单位长度的电感值，C表示单位长度的电容值)可以看出要提高阻抗需要将行波电极的电感提高，这样就需要在硅基电光调制器的行波电极上增加大电感结构来提高硅基电光调制器单位长度的电感。
图3为要周期性的添加在硅基电光调制器行波电极上的大电感结构示意图，如图3所示，其中电感a呈条形片状，其电感相对较小，电感b包括上下布置的两个U片，两个U片的开口端的相邻部通过第一条形片连接，且其中一个U形片的开口端的另一侧连接有第二条形片，其电感大于a的电感，电感c整体呈矩形片状，由一根条形金属片依次弯折形成多层相互嵌套式结构，且相邻金属片之间设有间隙，其电感大于b的电感,a、b、c三种电感结构都属于自感结构。电感d由相对间隔设置的上层结构和下层结构组成，上层结构整体呈片状，由一根条形金属片依次弯折形成多层相互嵌套式结构，且相邻金属片之间设有间隙，下层结构与上层结构相同，上下两层之间形成互感，其电感大于前面三种结构，添加在硅基电光调制器行波电极上的电感只要具有大电感的结构即可，不限于上述的几种形式。
根据硅基电光调制器的特征阻抗的不同，由公式可知，特征阻抗越小则要选取电感越大的大电感结构，大电感结构的几何尺寸可以根据实际的硅基电光调制器的结构和仿真结果具体确定。
步骤102、将硅基电光调制器的行波电极在其长度方向上按周期划分为多段。
图4为对硅基电光调制器的行波电极进行周期划分的示意图，由于行波电极的特征阻抗数值是由单位长度的电感大小决定的，所以要提高特征阻抗需要均匀的提高行波电极上的单位长度的电感数值。根据等效介质理论，只要不均匀结构的特征尺寸远远小于传播的电磁波波长时就可以按照均匀介质来处理，其电感的改变可以等效为一种均匀的单位长度电感的改变，这样就实现了行波电极单位长度电感的改变，实际使用中的硅基电光调制器工作的带宽一般小于50GHz，其最小波长一般为2-3毫米量级，根据等效介质理论一般选取划分的周期为最小波长的十分之一即可，即200-300微米，但不仅仅限于这一数值，也可为其它值，图4所示的即为将硅基电光调制器的行波电极按照这一长度进行周期划分以实现单位长度电感的均匀提高，图中所示的黑色分割线条是周期分割的示意分割线，实际中不存在这一线状结构。
步骤103、在划分得到的每段中的信号线和地线上之间分别串联一个电感。
图5为分段添加了大电感结构的行波电极示意图，如图5所示，在每个周期段上加入小的具有大电感结构的小结构使得单位长度上的电感大幅度的提高从而实现阻抗匹配，对于不同的电感增加值可以将图3中不同的电感结构附加到分段的行波电极上，每段中的信号线和地线之间串联的电感结构相同或不同。本实施方式以GS型电极为例，对于GSG型电极可以以相同的过程实施，本方案还可应用于其它阻抗偏低的有源集成器件的电极，不局限于本方案中的硅基电光调制器。
本发明，通过根据硅基电光调制器的实际阻抗值与实现硅基电光调制器阻抗匹配的数值的差值大小来确定需要增加的电感结构的电感大小，将硅基电光调制器的行波电极在其长度方向上按周期划分为多段，然后在划分得到的每段中的信号线和地线之间分别串联一个电感，实现了对传统硅基电光调制器的行波电极单位长度电感的提高，进而提高了整体的特征阻抗实现硅基电光调制器的阻抗匹配，减少了电信号的反射，增加了带宽。
本发明实施例还提供了一种集成器件，包括行波电极，所述行波电极包括信号线和地线，所述行波电极在其长度方向上按周期划分为多段，每段中的信号线和地线之间分别串联一个电感。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.集成器件的行波电极阻抗匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据等效介质理论，将集成器件的行波电极在其长度方向上按周期划分为多段，每段中的信号线和地线之间分别串联一个电感，电感结构相同或不同；
其中，电感的大小根据硅基电光调制器的实际阻抗值与实现硅基电光调制器阻抗匹配的数值的差值大小确定；所述电感由相对间隔设置的上层结构和下层结构组成，所述上层结构整体呈片状，由一根条形金属片依次弯折形成多层相互嵌套式结构，且相邻金属片之间设有间隙，所述下层结构与所述上层结构相同。
2.如权利要求1所述的集成器件的行波电极阻抗匹配方法，其特征在于，所述集成器件为硅基电光调制器。
3.集成器件，包括行波电极，所述行波电极包括信号线和地线，其特征在于，所述行波电极根据等效介质理论在其长度方向上按周期划分为多段，每段中的信号线和地线之间分别串联一个电感，电感结构相同或不同；
所述电感由相对间隔设置的上层结构和下层结构组成，所述上层结构整体呈片状，由一根条形金属片依次弯折形成多层相互嵌套式结构，且相邻金属片之间设有间隙，所述下层结构与所述上层结构相同。
4.如权利要求3所述的集成器件，其特征在于，所述集成器件为硅基电光调制器。
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