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]。
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。
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。
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。
RLGC模型和射频特性
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。
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。
特征阻抗(Z0)和传播常数(γ)由RLGC参数推导：
Z0 = √((R + jωL)/(G + jωC))
γ = α + jβ = √((R + jωL)(G + jωC))
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：
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。
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。
T形轨道结构优化
T形轨道设计需要仔细优化以实现最佳性能。主要参数包括：
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。
性能结果
优化后的TFLN调制器实现了以下性能指标：
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。
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。
结论
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(<2 V)，这种方法为集成光子系统提供了新的技术方案。该设计与标准制造工艺的兼容性及混合集成的潜力使其在下一代光通信应用中具有特殊优势。
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。
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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