CN112379538B - 一种共面带状线行波电极及硅基马赫曾德尔调制器 - Google Patents

一种共面带状线行波电极及硅基马赫曾德尔调制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种共面带状线行波电极及硅基马赫曾德尔调制器，具有共面波导‑共面带状线的宽带过渡结构，所述共面带状线行波电极包括第一接地线、信号线、第二接地线；所述第一地极接入端、所述信号接入端、所述第二地极接入端、所述第一过渡段、所述第二过渡段、所述场耗散过渡段构成共面波导‑共面带状线的过渡结构；所述第一地极接入端、所述信号接入端、所述第二地极接入端构成的共面波导结构；本发明通过共面带状线行波电极结构的利用，使得依靠一组行波电极即可实现单端推挽驱动，减小了电极面积，适用于多个调制器的集成，提高了集成度。

Description

一种共面带状线行波电极及硅基马赫曾德尔调制器
技术领域
本发明涉及光电子集成技术领域，具体涉及一种共面带状线行波电极及硅基马赫曾德尔调制器。
背景技术
随着5G业务、万物互联、高清视频业务等的兴起，互连网数据流量始终保持快速稳健增长趋势。此外，大数据、云计算时代的来临，数据中心的数据流量也呈井喷式增长。通信带宽成为大容量数据通信的主要瓶颈。传统的电互连技术，其信息传输速度和距离受限于铜介质RC时间常数以及电学损耗，存在着带宽受限、传输损耗大、延迟等缺点，难以满足日益增长的数据传输带宽和传输速率的要求。光互连技术具有大带宽、损耗低、延迟小等优点，用光互连替代电互连，是高速信息处理的有效方案。
硅基光电子技术，使用与硅基集成电路技术兼容的技术和方法，可将光子、电子、及光电子器件集成在同一硅衬底上，实现微电子器件和光电子器件的大规模集成。在各种光互连方案中，基于硅基光电子技术的硅基光互连技术，被认为是最有发展前景的一个方案。并且，由于采用与微电子集成电路兼容的工艺制作，可以方便地在电学芯片的内部引入硅基集成光路，实现硅基集成光路与控制电路和驱动电路的紧密集成，进一步降低成本。综上所述，硅基光电子器件具有尺寸小、可集成、与CMOS工艺兼容、功耗低，是实现光互连的理想平台。
大带宽、高速硅基电光调制器是构建光互连中高速信息处理系统的核心器件。目前，对于硅基马赫曾德尔(MZ)调制器，用于加载高速调制信号的行波电极最常用的是基于共面波导传输线结构。该种结构由三条处在同一平面上的金属波导构成，两侧的波导作为接地波导，中心的波导作为信号线传输调制信号。当对MZ调制器使用差分电极实现推挽驱动时，需要对MZ调制器的两臂同时加电调制，即需要2组共面波导和2个GSG探针，当使用多个MZ调制器组成高阶调制时，导致探针数量过多和电极面积过大的问题。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种共面带状线行波电极，具有共面波导-共面带状线的宽带过渡结构，所述共面带状线行波电极包括第一接地线、信号线、第二接地线；
所述第一接地线包括第一地极接入端、第一过渡段、第一行波电极段，所述第一过渡段设置在所述第一地极接入端与所述第一行波电极段之间；所述第一接地线位于第一调制臂外侧上方，末端与第一端接电阻相连；
所述信号线包括信号接入端、第二过渡段、第二行波电极段，所述第二过渡段设置在所述信号接入端与所述第二行波电极段之间的；所述信号线位于第二调制臂外侧上方，末端与第二端接电阻相连；
所述第二接地线包括第二地极接入端、场耗散过渡段；
所述第一地极接入端、所述信号接入端、所述第二地极接入端、所述第一过渡段、所述第二过渡段、所述场耗散过渡段构成共面波导-共面带状线的过渡结构；所述第一地极接入端、所述信号接入端、所述第二地极接入端构成的共面波导结构具有50Ω的特征阻抗。
较佳的，所述第一地极接入端、所述信号接入端、所述第二地极接入端、所述第一过渡段、所述第二过渡段、所述场耗散过渡段均包括第一金属层、第二金属层和第一通孔，所述第一金属层通过所述第一通孔与所述第二金属层相连。
较佳的，所述第一行波电极段、所述第二行波电极段均包括所述第一金属层、所述第二金属层、所述第一通孔、第二通孔，所述第一金属层通过所述第一通孔与所述第二金属层相连，所述第二金属层通过所述第二通孔与所述第一调制臂或所述第二调制臂的p++掺杂区相连。
较佳的，所述第一行波电极段、所述第二行波电极段与对应的所述p++掺杂区等长。
较佳的，所述第一金属层、所述第二金属层的材料为Cu，所述第一通孔的材料为Cu，所述第二通孔的材料为W。
较佳的，所述第一过渡段、所述第二过渡段、所述场耗散过渡段采用锥形结构。
较佳的，一种基于共面带状线行波电极的硅基马赫曾德尔调制器，包括：
光分束器，用于将光信号分成两路，分别进入第一调制臂和第二调制臂；
光合束器，用于将所述第一调制臂和所述第二调制臂中的光信号合成一路；
移相器，用于调节调制器的工作偏置点；
所述共面带状线行波电极。
较佳的，所述光分束器和所述光合束器均采用基于条形波导的多模干涉器结构，所述第一调制臂和所述第二调制臂均采用脊形波导结构，所述条形波导与所述脊形波导之间采用锥形平板过渡区连接。
较佳的，在所述脊形波导内均设置有P++掺杂区、P掺杂区、N掺杂区、N++掺杂区，所述P掺杂区和所述N掺杂区在脊区形成PN结电学结构；所述第一调制臂和所述第二调制臂形成的两PN结反向串联，共用同一所述N++掺杂区，所述第一调制臂和所述第二调制臂形成P++PNN++NPP++的掺杂结构；所述P++区连接所述第一接地线，另一所述P++区连接所述信号线，所述N++区通过直流线导线连接直流偏置电压。
较佳的，位于所述第一调制臂和所述第二调制臂中间上方设置所述直流线导线，所述直流线导线包括所述第二金属层和所述第二通孔，所述第二金属层经所述第二通孔与所述N++掺杂区相连。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，两个调制臂的PN结电容串联，结电容值减半，将有效减小行波电极的微波损耗，增大调制器的工作带宽、调制速度；2，采用共面带状线行波电极结构，G和S电极分别放置在两调制臂外侧，微波驱动信号加载在G和S电极上，通过两调制臂PN结反向串联、两调制臂共用重掺杂区连接直流反向偏置电压，以此实现单端推挽式驱动硅基MZ调制器，共面带状线行波电极结构的利用，使得依靠一组行波电极即可实现单端推挽驱动，减小了电极面积，适用于多个调制器的集成，提高了集成度；3，设计了共面波导-共面带状线的过渡结构，有利于将调制器和驱动电路进行片上集成和封装，有利于器件的实用化；4，提出的一种具有共面波导-共面带状线的过渡结构的共面带状线行波电极，以及具有该电极结构的硅基马赫曾德尔调制器，结构简单，易于实现，成本较低。
附图说明
图1为具有共面带状线行波电极的硅基马赫曾德尔调制器的俯视结构示意图；
图2为共面波导-共面带状线过渡结构的横截面示意图；
图3为具有共面带状线行波电极的硅基马赫曾德尔调制器的横截面示意图。
图中数字表示：
1-第一接地线；2-信号线；3-第二接地线；4-光分束器；5-光合束器；6-第一调制臂；7-第二调制臂；8-端接电阻；9-移相器；11-第一地极接入端；12-第一过渡段；13-第一行波电极段；21-信号接入端；22-第二过渡段；23-第二行波电极段；31-第二地极接入端；32-场耗散过渡段；41-第一金属层；42-第二金属层；43-第一通孔；44-第二通孔。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例一
本发明所述共面带状线行波电极，具有共面波导-共面带状线的宽带过渡结构，如图1所示，所述共面带状线行波电极包括第一接地线1、信号线2、第二接地线3。
所述第一接地线1包括第一地极接入端11、第一过渡段12、第一行波电极段13。所述第一过渡段12设置在所述第一地极接入端11与所述第一行波电极段13之间。
所述第一接地线1位于第一调制臂6外侧上方，其末端与端接电阻8(50Ω)相连；
所述信号线2包括信号接入端21、第二过渡段22、第二行波电极段23。所述第二过渡段22设置在所述信号接入端21与所述第二行波电极段23之间的。
所述信号线2位于第二调制臂7外侧上方，其末端与端接电阻(50Ω)相连，通过所述端接电阻吸收高频信号，防止信号反射干扰调制信号；
所述第二接地线3包括第二地极接入端31、场耗散过渡段32。
如图2所示，所述第一地极接入端11、所述信号接入端21、所述第二地极接入端31、所述第一过渡段12、所述第二过渡段22、所述场耗散过渡段32均包括第一金属层41、第二金属层42和第一通孔43，所述第一金属层41通过所述第一通孔43与所述第二金属层42相连。
如图3所示，所述第一行波电极段13、所述第二行波电极段23均包括第一金属层41、第二金属层42、第一通孔43、第二通孔44，所述第一金属层41通过所述第一通孔43与所述第二金属层42相连，所述第二金属层42通过所述第二通孔44与所述调制臂的p++掺杂区相连；所述第一行波电极段13、所述第二行波电极段23与所述调制臂的p++掺杂区等长。
根据本发明的实施例的可选实施方式，所述第一金属层41、所述第二金属层42的材料可为Cu，所述第一通孔43的材料可为Cu，所述第二通孔44的材料可为W。
所述第一地极接入端11、所述信号接入端21、所述第二地极接入端31、所述第一过渡段12、所述第二过渡段22、所述场耗散过渡段32构成共面波导-共面带状线的过渡结构。所述第一地极接入端11、所述信号接入端21、所述第二地极接入端31构成的共面波导结构的特征阻抗为50Ω，防止微波信号反射。所述第一过渡段12、所述第二过渡段22、所述场耗散过渡段32使用锥形结构实现所述微波接入端和行波电极的低损耗过渡。
实施例二
本发明所述基于共面带状线行波电极的硅基马赫曾德尔调制器，包括：
光分束器4，用于将光信号分成两路，分别进入第一调制臂6和第二调制臂7，
光合束器5，用于将所述第一调制臂6和所述第二调制臂7中的光信号合成一路；
移相器9，用于调节调制器的工作偏置点；
所述共面带状线行波电极。
所述光分束器4，采用基于条形波导的多模干涉器结构，条形波导与调制臂所采用的脊形波导之间采用锥形平板过渡区连接，以减小光模式损耗；
所述光合束器5，采用基于条形波导的多模干涉器结构，条形波导与调制臂所采用的脊形波导之间采用锥形平板过渡区连接。
如图1所示，所述第一调制臂6和所述第二调制臂7均采用脊形波导结构，在所述波导内均设置有P++掺杂区、P掺杂区、N掺杂区、N++掺杂区，其中所述P掺杂区和所述N掺杂区在脊区形成PN结电学结构。
如图3所示，所述第一调制臂6和所述第二调制臂7形成的两PN结反向串联，共用同一所述N++掺杂区，所述第一调制臂6和所述第二调制臂7形成P++PNN++NPP++的掺杂结构。其中所述P++区连接所述第一接地线1，另一所述P++区连接所述信号线2，中间的所述N++区通过直流线导线连接直流偏置电压。
如图3所示，位于所述第一调制臂6和所述第二调制臂7的中间上方设置所述直流线导线，所述直流线导线包括所述第二金属层42和所述第二通孔44，所述第二金属层42经所述第二通孔44与所述N++掺杂区相连，从而有效减弱了与所述第一接地线1、所述信号线2上高频信号的电磁干扰。
所述第一调制臂6和所述第二调制臂7采用的PN结电学结构工作在反向偏置载流子耗尽状态。
如图3所示，VRF为加载到所述信号线2、所述第一接地线1上的微波驱动信号，微波驱动信号VRF分压后，在两个PN结两端的电势差均为VRF/2；VDC为直流反向偏置电压，通过两调制臂的共用N++掺杂区加载到调制器上，并且直流电压和微波驱动信号共用地极。当直流反向偏置电压VDC、微波驱动信号VRF同时加载到调制器时，第一调制臂PN结上的电压为-VRF/2-VDC，第二调制臂PN结上的电压为VRF/2-VDC。因此，调制器形成以VDC为偏置电压，驱动电压在(-VRF/2，VRF/2)范围变化的推挽驱动。直流电压VDC的加载可使两调制臂工作在反向偏置载流子耗尽状态。
相比于双端差分驱动电极，本发明基于共面带状线行波电极的硅基调制器，仅依靠一组行波电极即可实现单端推挽驱动，极大地减小了电极面积，适用于高阶调制格式下多个调制器的集成，提高了集成度。此外，该行波电极结构下，调制器两调制臂的PN结反向串联，结电容减小一半，将减小行波电极的微波损耗，增大调制器的工作带宽、调制速度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种共面带状线行波电极，其特征在于，具有共面波导-共面带状线的宽带过渡结构，所述共面带状线行波电极包括第一接地线、信号线、第二接地线；
所述第一接地线包括第一地极接入端、第一过渡段、第一行波电极段，所述第一过渡段设置在所述第一地极接入端与所述第一行波电极段之间；所述第一接地线位于硅基马赫曾德尔调制器的第一调制臂外侧上方，末端与第一端接电阻相连；
所述信号线包括信号接入端、第二过渡段、第二行波电极段，所述第二过渡段设置在所述信号接入端与所述第二行波电极段之间的；所述信号线位于硅基马赫曾德尔调制器的第二调制臂外侧上方，末端与第二端接电阻相连；
所述第二接地线包括第二地极接入端、场耗散过渡段；
所述第一地极接入端、所述信号接入端、所述第二地极接入端、所述第一过渡段、所述第二过渡段、所述场耗散过渡段构成共面波导-共面带状线的过渡结构；所述第一地极接入端、所述信号接入端、所述第二地极接入端构成的共面波导结构具有50Ω的特征阻抗。
2.如权利要求1所述的共面带状线行波电极，其特征在于，所述第一地极接入端、所述信号接入端、所述第二地极接入端、所述第一过渡段、所述第二过渡段、所述场耗散过渡段均包括第一金属层、第二金属层和第一通孔，所述第一金属层通过所述第一通孔与所述第二金属层相连。
3.如权利要求2所述的共面带状线行波电极，其特征在于，所述第一行波电极段、所述第二行波电极段均包括所述第一金属层、所述第二金属层、所述第一通孔、第二通孔，所述第一金属层通过所述第一通孔与所述第二金属层相连，所述第二金属层通过所述第二通孔与所述第一调制臂或所述第二调制臂的p++掺杂区相连。
4.如权利要求3所述的共面带状线行波电极，其特征在于，所述第一行波电极段、所述第二行波电极段与对应的所述p++掺杂区等长。
5.如权利要求3所述的共面带状线行波电极，其特征在于，所述第一金属层、所述第二金属层的材料为Cu，所述第一通孔的材料为Cu，所述第二通孔的材料为W。
6.如权利要求3所述的共面带状线行波电极，其特征在于，所述第一过渡段、所述第二过渡段、所述场耗散过渡段采用锥形结构。
7.一种硅基马赫曾德尔调制器，其特征在于，包括：
光分束器，用于将光信号分成两路，分别进入第一调制臂和第二调制臂；
光合束器，用于将所述第一调制臂和所述第二调制臂中的光信号合成一路；
移相器，用于调节调制器的工作偏置点；
如权利要求3-6中任一项所述的共面带状线行波电极。
8.如权利要求7所述的硅基马赫曾德尔调制器，其特征在于，所述光分束器和所述光合束器均采用基于条形波导的多模干涉器结构，所述第一调制臂和所述第二调制臂均采用脊形波导结构，所述条形波导与所述脊形波导之间采用锥形平板过渡区连接。
9.如权利要求8所述的硅基马赫曾德尔调制器，其特征在于，在所述脊形波导内均设置有P++掺杂区、P掺杂区、N掺杂区、N++掺杂区，所述P掺杂区和所述N掺杂区在脊区形成PN结电学结构；所述第一调制臂和所述第二调制臂形成的两PN结反向串联，共用同一所述N++掺杂区，所述第一调制臂和所述第二调制臂形成P++PNN++NPP++的掺杂结构；一所述P++区连接所述第一接地线，另一所述P++区连接所述信号线，所述N++区通过直流线导线连接直流偏置电压。
10.如权利要求9所述的硅基马赫曾德尔调制器，其特征在于，位于所述第一调制臂和所述第二调制臂的中间上方设置所述直流线导线，所述直流线导线包括所述第二金属层和所述第二通孔，所述第二金属层经所述第二通孔与所述N++掺杂区相连。
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