CN109416495B

CN109416495B - Rf波导阵列的接地结构

Info

Publication number: CN109416495B
Application number: CN201780040267.5A
Authority: CN
Inventors: F·迪奥图; M·维拉
Original assignee: Langmeitong Technology Uk Ltd
Current assignee: Langmeitong Technology Uk Ltd
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: EP3479170B1; JP7242302B2; WO2018002656A1; CN109416495A; JP2019525226A; US20190196295A1; EP3479170A1; US10678114B2; GB201611576D0

Abstract

一种射频RF波导阵列。该阵列包括基板和电RF传输线阵列。基板包括多个光波导，每个波导沿第一方向延展。电RF传输线阵列位于基板的表面上并包括多个信号电极和至少两个接地电极。相对远离所述信号电极的所述接地电极的部分在横向于所述基板的所述方向上具有减小的高度，以减少生产它们所需的材料量。

Description

RF波导阵列的接地结构

技术领域

本发明涉及用于RF光学设备的部件。特别地，本发明涉及一种波导阵列，例如用于双并联调制器。

背景技术

双并联I/Q(同相/正交)调制器通常具有图1中示意性示出的结构。信号进入分路器101，分路器101将信号分至四个Mach-Zehnder调制器110的每个通道，每个通道包括两个波导111和电RF(射频)传输线112。调制器应用所需的调制，并且信号由组合器102重新组合

Mach-Zehnder调制器具有沿A的横截面，如图2所示。Mach-Zehnder调制器的波导部分包括基板201，其包含波导202。RF传输线阵列203放置在基板的一个面上。每条RF传输线包括信号电极204。每个信号电极204在任一侧上具有接地电极205。调制器可以被布置为x切割(210)，其中波导位于信号电极和接地电极之间的间隙下方(对称地围绕信号电极)，或者z切割(220)，其中信号电极下方具有一个波导，并且接地电极下方具有一个波导。通常，阵列中的所有调制器都是相同的类型，但是z和x切割调制器都在图2中示出以用于说明。中间接地电极(即两个信号电极之间的接地电极)在相邻的RF传输线之间被共享。

发明内容

本发明的第一方面概括地提出，在每对信号电极之间存在多个接地电极。已经发现，这种布置改善了由RF传输线内的每个信号电极产生的场线的限制。连续的地线由通道分开。

特别地，第一方面提出了一种射频RF波导阵列。该阵列包括基板和电RF传输线阵列。基板包括多个光波导，每个波导沿第一方向延展。电RF传输线阵列位于基板的面上并包括多个RF传输线。每条传输线包括信号电极和位于信号电极两侧的至少两个接地电极。每个电极沿第一方向延伸。每个信号电极定位成向两个相应的波导提供信号，即每条RF传输线位于两个相应的波导附近。接地电极包括位于每对信号电极之间的至少两个中间接地电极。不同RF传输线的中间接地电极通过通道彼此分开。

下面讨论地线的各种布置。

本发明的第二方面提出，接地电极在相对远离信号电极的区域中具有减小的厚度(即，在横向于基板表面的方向上的高度)。这减少了产生接地电极所需的材料(通常是金)的量，RF传输线的质量可接受地(或甚至没有)降低。通常具有基本上均匀的化学组成的每个接地电极可以在单个工艺步骤中形成，该工艺步骤产生厚度减小的区域和更靠近信号电极的更大厚度的区域。

特别地，第二方面提出了一种射频RF波导阵列。该阵列包括基板和电RF传输线阵列。基板包括多个光波导，每个波导沿第一方向延展。电RF传输线阵列位于基板的面上，并包括多个信号电极和多个接地电极。每个电极沿第一方向延伸。定位每个信号电极以向两个相应的波导提供信号。接地电极包括位于每对信号电极之间的至少一个中间接地电极。中间接地电极在一个或多个第一区域中具有第一高度，在至少一个第二区域中具有第二高度，其中高度在垂直于基板表面的方向上测量。对于每个中间电极，每个第一区域比第二区域更靠近相应的信号电极。第二高度小于第一高度的75％。

根据本发明的另一方面，提供了一种双并联同相/正交I/Q调制器，包括根据第一或第二方面的RF波导阵列。

附图说明

图1是双并联I/Q(同相/正交)调制器的示意图；

图2是沿图1中线A的波导阵列的剖面图；

图3示出了图1所示类型RF传输线阵列中的信号电极的电场分布；

图4是示例性波导阵列的横截面；

图5是比较图2和4所示波导阵列的性能的曲线图；

图6是比较示例性波导阵列的性能的曲线图；

图7示出了示例性波导阵列中信号电极的电场分布；

图8示出了另一示例性波导阵列的平面图和截面图；

图9A是示出示例性波导阵列的性能的曲线图；

图9B示出了示例性波导阵列的电场分布；

图10示出了用于示例性波导阵列的接地电极的示例性布置；

图11是又一示例性波导阵列的剖面图；

图12是又一示例性波导阵列的剖面图；

图13是又一示例性波导阵列的剖面图；

图14是又一示例性波导阵列的剖面图；和

图15是又一示例性波导阵列的平面图和截面图。

具体实施方式

这里使用的“长度”是指RF传输线中RF信号的行进方向(即图2中的“页外”)上的距离。

这里使用的“高度”是指垂直于RF传输线所连接的基板表面的方向(即图2中的垂直方向)上的距离。

除非另有说明，否则“宽度”用于表示垂直于高度和长度的方向(即图2中的水平方向)上的距离。

图3示出了图2中所示的RF传输线阵列的电场线分布(为清楚起见，省略了基板和波导)。信号电极从左到右标记为311，312，313，314，接地电极从左到右标记为321、322、323、324及325。321和325是边缘接地电极，322、323和324是中间接地电极。从场线300可以看出，来自信号电极312的信号延伸通过接地电极322和323，并延伸到最近的其他信号电极311和313。宽电场分布引起高频损耗(甚至在单条传输线的情况下)并且场扩展到相邻的线导致不希望的“串扰”，即由另一条线引起的对线的干扰。

通常，接地电极的宽度大于100微米。在单条传输线的情况下，已经发现使用较窄的接地电极实际上改善了传输线的高频性能。这是出乎意料的，因为它使传输线的结构进一步远离共面波导的“理想”情况(其中接地电极具有无限宽度)。理论上，改善是由于更严格的电场限制。

如图2所示的RF传输线阵列的当前结构不能使用这种窄的接地电极-如果接地电极的宽度小于100微米，则信号电极之间的距离变得很小，以至于串扰很大。相反，我们建议将每个中间接地电极分成至少两个，如图4所示。在图4中，每个信号电极411、412、413及414与两个接地电极421、422、423、......428相邻。例如，信号电极412与接地电极423和424相邻。中间接地电极422、423、424、425、426及427由通道431、432及433分开。每个接地电极的宽度最好小于150微米，优选小于或等于100微米。这种分离不仅提供更窄的接地电极，改善了高频性能，而且在RF传输线之间提供了一些分离，这减少了串扰。

图5显示了这些改善，图5是其中一条线上传输(S₂₁)曲线的偏离理想情况的偏差图，下面的曲线表示现有技术的传输线阵列，上面的曲线表示图4的传输线阵列。在较高频率，传输参数S₂₁更接近理想情况。

随着接地电极变窄，S₂₁曲线的改善继续，图6显示了具有标准接地电极的RF传输线与理想S₂₁曲线的偏差(底部曲线)，具有标准接地电极宽度的1/3的接地电极的RF传输线与理想S₂₁曲线的偏差(中间曲线)及具有标准接地电极宽度的1/5的接地电极的RF传输线与理想S₂₁曲线的偏差(顶部曲线)。

窄接地结构的另一个优点是它改善了传输线和波导之间的电光效率。如图7所示，因为来自信号电极712、722的电场711、721更聚焦，所以更多的场穿过波导713(以z切割示出)和723(以x切割示出)。当接地电极的宽度类似于波导的宽度时，这种益处最大化，例如，小于波导宽度的两倍。这种益处在z切割配置中是最大的。在z切割配置中，仅使波导上方的接地电极变窄为电光效率提供任何益处。

当接地电极非常窄时，S₂₁曲线中存在明显的不平滑，这可能是由于窄电极意味着任何不对称导致更大的变化。通过使用如图8所示的结构，可以在保持电光效率增益的同时减轻这种影响。在z切割情况下不在波导上方的信号电极、波导和接地电极810不变。在z切割情况下位于波导上方的接地电极800，或者x切割情况下的两个接地电极各自具有多个槽801。槽沿接地电极的长度延展，并将电极分成波导上方的区域和不在波导上方的区域。可以使波导上方的区域变窄以提供改善的电光效率，并且不在波导上方的区域和不具有槽的接地电极的区域用于平滑S₂₁曲线。尽管每个接地电极仅示出两个槽，但每个接地电极可以有任何数量的槽，优选地全部共线并沿相同方向延伸。

可以基于多个约束来选择槽的长度。如果槽太短，则它们对调制器的性能没有影响。如果槽太长，则它们在线中形成空腔，这可能导致S₂₁曲线上的凹口。可能的长度值大于50微米，且小于350微米。在长度值超过350微米时，共振将在S₂₁曲线中变得明显，但是对于某些应用，这些在较高长度下可能是可接受的。例如，槽可以具有80微米的长度，并且槽之间的距离可以是40微米，从而产生120微米的“单元”，其沿着线重复。可以周期性地布置槽(即，所有槽具有相同的长度，并且槽彼此成对地隔开一定的固定距离)或非周期性地布置。周期性地布置槽可能导致线路中的共振，但是这些可以通过其他方式来补偿。

图9A和B示出了根据图4的传输线的低频特性。虽然图5上的曲线图示出了接地电极与探针台连接(即彼此电隔离)的情况，但图9A是示出接地电极在传输线的起点或终点处或之外的某点处电连接的情况的曲线图(例如，连接到公共地，这通常是封装产品中的情况，因为封装充当接地)。从图中可以看出，在低频范围存在大量失真。这在没有分离的接地电极的传输线阵列中或在具有窄接地电极的单个传输线中看不到，并且在这种情况下其发现是令人惊讶的。

由于图9B中所示的场分布，这种效应似乎发生。在低频时，出现在相邻传输线的中间接地电极之间具有显著电场的模式。这导致线之间的耦合以及S₂₁曲线上的不稳定性。在高频下，没有这种效果。因此，对于需要在传输线中以低RF频率工作的调制器(或传输线阵列的其他应用)，该模式是不希望的。

从广义上讲，我们提出了两种消除不希望模式的方法。在第一种方法中，传输线阵列被配置为与图4的架构相比导致模式的损耗增加，模式的损耗越高，模式显著的频率越低，因此波导可以被配置为将模式“推”到波导的工作频率以下。在第二种方法中，相邻的中间接地电极以这样的方式连接，即它们在低频下充当单个共用电极，并且在高频下充当分离的电极。

第一种方法的一个例子是缩小中间电极之间的通道。通道越窄，低频模式的损耗越高。当通道宽度小于20微米时，这种效果变得显著，并且随着通道变窄，曲线更平滑。然而，由于制造误差导致中间接地电极接触，非常窄的通道会产生负面影响。利用现有技术，预计对于小于5微米宽的通道会发生这种情况，但是未来制造方面的改进可能允许更窄的通道。接地电极之间的优选间隔是10微米。

第一种方法的另一个例子是沿着中间接地电极的长度改变它们的宽度。这迫使通道中的电场分布发生变化，这导致不希望模式变得损耗非常大。这可以通过独立地改变每个中间接地电极的宽度(即通过改变通道的宽度，但确保中间接地电极保持分离)来实现。或者，这可以通过以协调的方式改变每个中间接地电极的宽度，使得相邻的中间接地电极彼此交错来完成。通道宽度可以保持恒定，或者垂直于电极的长度测量，或者垂直于通道的壁。每个接地电极的最小宽度优选大于或等于10微米但小于80微米。

示例性结构如图10所示。在所示的每个结构中，宽度变化是在接地电极长度上的“波状”形式，即宽度以周期性或调制周期性方式在最小和最大宽度之间重复变化。应当理解，宽度的其他变化，波状和非波状都是可能的。显示出最大益处的结构是，在通道形成“方波”1001的情况下，即每个接地电极沿着其长度根据方波而变化，使得两个方波可以交错而接地电极不接触。然而，预期“方波”图案可能难以制造，因此作为替代方案，通道的形状(以及中间接地电极的宽度的变化)可以形成三角波1002、正弦波1003或其他变化的构造，该构造是沿着电极的距离的函数。在宽度随周期函数变化的情况下，该函数的波长可以在电极的长度上改变(即调制)，因为使用具有恒定波长的周期函数可能导致谐振并在波导内形成空腔。对于正弦波1004示出了这种情况的示例。通过提供具有低波长(例如，小于600微米，更优选小于500微米，例如，450微米，更优选小于250微米，例如200微米)的周期函数，也可以避免波导中的空腔。

在使用宽度变化的情况下，宽度可以在小于波导宽度的两倍的宽度和更大的宽度之间变化，以便提供上面参照图7提到的窄波导的一些优点。

如图11所示，第一种方法的又一个例子是将材料1101、1102及1103引入到通道中，所述材料在不需要的模式出现问题的频率下引起高RF损耗，例如，具有高吸收和/或具有高损耗角正切(例如大于0.1)的材料，例如磁性负载材料。由于只有不需要的模式明显地传播到通道中，这将有利地导致不需要的模式的损耗。材料可以完全填充通道1101，或者它可以仅沿着其高度1102、宽度1103和/或长度部分地填充通道。需要损耗的频率是这样的情况：a)不需要的模式是显著的(例如小于10GHz，或小于5GHz)和b)波导在那些频率下的性能是重要的(例如大于0.5GHz，超过1GHz，否则根据应用的性能要求而定)。

图12中所示的第二种方法可以通过将相邻的中间接地电极与低通滤波器1201(示意性地示出)或者与低通滤波器等效地起作用的一些其他结构连接来实现。例如，相邻的中间接地电极可以通过薄的(例如小于1微米)金属层1202(例如直接形成在基板上)连接，这将使中间接地电极在低频有效地连接，并且在高频有效地断开。这意味着仅在分离的接地电极上发生的不需要的模式不能在低频下发生。由于分离的接地电极的优点仅在高频(例如，高于25GHz)下显著，因此在低频下连接接地电极几乎没有缺点。

可以对RF传输线阵列进行的进一步改进是减少所需的金量的量。在现有技术的RF传输线中，接地电极具有与信号电极相同的高度。然而，传输线的行为主要由最靠近信号电极的接地电极的区域控制。这样，可以使用如图13所示的接地电极结构来减少所需的金量的量。每个接地电极1300具有靠近相应信号电极且与信号电极具有相同高度的第一区域1301，和远离信号电极且具有降低的高度的第二区域1302。以这种方式，可以显著减少形成接地电极所需的金量的量。降低的高度可以是信号电极高度的75％或更小，例如小于信号电极高度的50％、25％、10％或5％，或小于10微米、5微米、2微米或1微米。接地电极可具有U形轮廓。

可以组合上述任何改进，例如：

-可以使用窄通道和不同宽度的接地电极来进一步抑制低频下的不需要的模式。

-图8中所示的中间接地电极中的“槽”可以与不同宽度的接地电极组合。这可以通过在接地电极的最小宽度内，或者在最小和最大宽度之间的接地电极区域内提供槽来完成。

-减小高度的接地电极可以在具有分离的中间接地电极的结构中实现。

最后一点在图14中示出。中间接地电极1400可以设置有与信号电极具有相同高度的第一区域1301，以及具有降低的高度的第二区域1302，其中第一区域离信号电极更远。作为示例，每个中间接地电极可以具有L形轮廓。在这些实施例中降低接地电极的高度还有助于降低通道中短路的风险，其中与通道相邻的接地电极的高度类似于或小于通道的宽度，通道更容易制造，没有短路。

降低的高度可以小于信号电极高度的75％，更优选小于50％，更优选小于10％，更优选小于3％。以微米计，降低的高度可以小于或等于5微米，更优选小于或等于3微米，更优选小于或等于1.5微米。

当接地电极的宽度沿其长度变化时，这提供了进一步的优点，这种变化在接地电极的高度降低部分中比在与整个信号电极高度相同的接地电极中制造更简单。因此，提出宽度的变化完全发生在第二区域内，或者等效地，第一区域完全在接地电极的最小宽度内。图15中示出了一个例子，其中中间接地电极1501、1502各自第一区域1503中具有与信号电极相等的高度，并且在第二区域1504中具有降低的高度。每个中间接地电极1501、1502的宽度变化在第二区域1504内发生变化。

应当注意，根据上述示例的波导阵列的任何设计都将是各种因素的折衷，并且所需的性能将取决于应用。因此，被描述为有利的特征并不意味着需要该特征，在许多应用中，将存在足够的公差，即S₂₁曲线中的一些串扰或非平滑性是可接受的，因此可以使用不太优选的示例。

尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本发明，但是应该理解，这些实施例仅是说明性的，并且权利要求不限于那些实施例。鉴于本公开内容，本领域技术人员将能够进行修改和替换，这些修改和替换被认为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或说明的每个特征可以结合在本发明中，无论是单独的还是与本文公开或说明的任何其他特征的任何适当组合。

Claims

1.一种射频RF波导阵列，所述阵列包括：

基板，所述基板包括多个光波导，每个波导沿第一方向延展；

电RF传输线阵列，所述电RF传输阵列位于所述基板的表面上并包括：

多个信号电极；和

多个接地电极；

每个所述信号电极和每个所述接地电极沿所述第一方向延伸；

其中：

每个信号电极被定位以向两个相应的波导提供信号；

所述接地电极包括被定位在每对信号电极之间的一个中间接地电极；

所述中间接地电极在一个或多个第一区域具有第一高度以及在至少一个第二区域具有第二高度，其中所述高度是在垂直于所述基板的所述表面的方向上被测量的，所述中间接地电极具有垂直于所述第一方向的U形的横截面；

所述中间接地电极在垂直于所述第一方向、且平行于所述基板的所述表面的第二方向上具有不均匀的宽度；

对于所述中间接地电极而言，与所述第二区域相比，每个第一区域更靠近相应的信号电极；以及

所述第二高度小于所述第一高度的75％。

2.根据权利要求1所述的RF波导阵列，其中所述第二高度小于或等于5微米。

3.根据权利要求1所述的RF波导阵列，其中所述第二高度小于所述第一高度的10％。

4.根据权利要求1所述的RF波导阵列，其中所述第二高度小于所述第一高度的3％。

5.根据权利要求1所述的RF波导阵列，其中所述第一高度至少等于所述信号电极的高度。

6.一种射频RF波导阵列，所述阵列包括：

多个信号电极；和

多个接地电极；

其中：

每个信号电极被定位以向两个相应的波导提供信号；

所述接地电极包括被定位在每对信号电极之间的两个或更多中间接地电极，并且所述两个或更多中间接地电极通过通道彼此分开；

所述中间接地电极在一个或多个第一区域具有第一高度以及在至少一个延伸至所述通道中的一者的第二区域具有第二高度，其中所述高度是在垂直于所述基板的所述表面的方向上被测量的，每个中间接地电极具有垂直于所述第一方向的L形的横截面；

对于每个所述中间接地电极而言，与所述第二区域相比，每个第一区域更靠近相应的信号电极；以及

所述第二高度小于所述第一高度的75％。

7.根据权利要求6所述的RF波导阵列，其中所述中间接地电极的所述宽度变化以使相邻的中间接地电极具有交错的轮廓。

8.根据权利要求6所述的RF波导阵列，其中每个中间接地电极的所述宽度沿着其长度以波状形式变化。

9.根据权利要求6所述的RF波导阵列，其中每个接地电极的厚度沿其长度按波变化，所述波是以下之一：

方波；

正弦波；和

三角波。

10.根据权利要求9所述的RF波导阵列，其中所述波的波长沿所述第一方向变化。

11.根据权利要求6所述的RF波导阵列，其中每个第一区域具有小于或等于所述相应中间接地电极的最小宽度的宽度。

12.根据权利要求6所述的RF波导阵列，其中每个通道的宽度在5到20微米之间。

13.根据权利要求6所述的RF波导阵列，其中所述第二高度小于或等于所述通道的最小宽度。

14.根据权利要求6所述的RF波导阵列，其中所述第二高度小于或等于5微米。

15.根据权利要求6所述的RF波导阵列，其中所述第二高度小于所述第一高度的10％。

16.根据权利要求6所述的RF波导阵列，其中所述第二高度小于所述第一高度的3％。

17.根据权利要求6所述的RF波导阵列，其中所述第一高度至少等于所述信号电极的高度。

18.一种双并联同相/正交I/Q调制器，包括根据权利要求6所述的RF波导阵列，其中与每一信号电极相关联的所述波导被配置以形成Mach-Zehnder调制器。

19.一种双并联同相/正交I/Q调制器，包括根据权利要求1所述的RF波导阵列，其中与每一信号电极相关联的所述波导被配置以形成Mach-Zehnder调制器。