GSG軌道型射頻電極、矽基行波電極光調製器及製備方法與流程

2023-07-26 12:14:51

本發明涉及高速電光晶片領域，具體是涉及一種GSG軌道型射頻電極、矽基行波電極光調製器及製備方法。

背景技術：

在高速晶片和高速印刷電路板的信號傳輸線中，目前大量的採用了共面波導型平面電極結構。大多數情況下根據應用場合的需要，在不同的應用場合中採用不同的平面電極結構，例如：GSG(Ground-Signal-Ground，地-信號-地)型共面波導、GS(Ground-Signal，地-信號)型共面波導，參見圖1、圖2所示。然而，在有些情況下，需要對電極加載的負載具有較大的電容，實現有效的調配電極的阻抗和信號傳播速度。這樣就涉及到了如何提高射頻電極的參數可調節範圍的問題。

目前，在高速晶片設計領域，大量採用了GSG和GS型電極結構。在傳統的無負載傳輸線或者低電容負載傳輸線中，採用GSG型電極結構或者GS型電極結構，即可以實現有效的傳輸信號匹配，參見圖1、圖2所示。然而，在近些年來蓬勃發展的矽光技術中，負載的電容大幅高於傳統的傳輸線負載器件。因此，需要尋找一種在負載電容較大的情況下，有效調節傳輸線參數，實現信號高效匹配的電極結構。

目前，研發人員經過改進後，提出了基於GS型射頻電極的GS軌道型射頻電極，參見圖3所示，這一電極有效提高了設計自由度，可以在較大電容的情況下，實現有效地調節射頻信號，進而實現電光匹配。然而，上述改進結構還存在一定的弊端，例如：需要對電極做過渡變換，在很大電容情況下，調節能力有限等。因此，還需要發展一種具有更大調節自由度的電極，在負載大電容的情況下，進行大自由度的調節和匹配信號。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服上述背景技術的不足，提供一種GSG軌道型射頻電極、矽基行波電極光調製器及製備方法，能夠提高電極的參數設計自由度，實現有效的信號參數匹配。

本發明提供一種GSG軌道型射頻電極，包括GSG型平面電極，所述GSG型平面電極的單側或雙側周期性地添加用於延遲電場的軌道電極，軌道電極連接到GSG型平面電極的地電極上。

在上述技術方案的基礎上，所述軌道電極與GSG型平面電極由相同的工藝和材料加工而成。

在上述技術方案的基礎上，添加軌道電極的周期小於最小工作波長的十分之一。

在上述技術方案的基礎上，所述添加軌道電極的周期為50微米。

在上述技術方案的基礎上，所述軌道電極的橫截面呈T型結構。

在上述技術方案的基礎上，所述軌道電極與GSG型平面電極處在同一個平面層，或者處在多層平面電極體系的不同平面層。

在上述技術方案的基礎上，所述軌道電極與GSG型平面電極處在多層平面電極體系的不同平面層時，軌道電極通過電極層間的通孔與GSG型平面電極連接導通。

本發明還提供一種基於上述GSG軌道型射頻電極的矽基行波電極光調製器，包括GSG軌道型射頻電極和傳統的矽基行波電極光調製器，GSG軌道型射頻電極通過電極層間的通孔與矽基行波電極光調製器的有源區連接導通。

本發明還提供上述GSG軌道型射頻電極的製備方法，該方法包括以下步驟：

S1、通過電磁場仿真分析軟體，計算出阻抗為45～55歐姆匹配情況下的GSG型平面電極的幾何尺寸；

S2、在GSG型平面電極上添加負載，重新通過電磁場仿真分析軟體計算出添加了負載的阻抗；

S3、如果負載的阻抗在20～50歐姆之間，則確定單側添加軌道電極；如果負載的阻抗在50～100歐姆之間，則確定雙側添加軌道電極；

S4、在確定的電極結構基礎上，通過電磁場仿真分析軟體，優化和設計軌道電極的結構參數，獲得一個周期的單元結構設計；

S5、將優化的單元結構在長度方向上周期排列，得到完整的GSG軌道型射頻電極。

在上述技術方案的基礎上，步驟S4中，確定雙側添加軌道電極時，雙側所添加的軌道電極的大小和形狀相同或者不同，根據負載電容的大小進行分別優化和設計。

與現有技術相比，本發明的優點如下：

(1)本發明通過在傳統的GSG型平面電極上添加軌道電極，可以在很大程度上提高電極的參數設計自由度，使得其可調節範圍在現有電極的基礎上大幅度提高，實現對電極阻抗和折射率的有效調節。

(2)本發明中的GSG軌道型射頻電極在具有較大電容的負載情況下，能夠實現有效的信號參數匹配。

(3)本發明添加的軌道電極不會增加電極體系的製造成本和複雜度，能夠完全兼容已有多層平面電極加工工藝，不會帶來加工工藝上的難度。

(4)本發明中的GSG軌道型射頻電極能夠完全兼容目前的傳統GSG電極結構，不需要過渡和轉換結構，具有優良的通用性。

附圖說明

圖1為傳統GS型平面電極的結構示意圖；

圖2為傳統GSG型平面電極的結構示意圖；

圖3為已有的GS軌道型平面電極的結構示意圖；

圖4為本發明實施例中在上部分地(G)電極上添加了軌道的GSG軌道型平面電極的一個周期部分的結構示意圖；

圖5為本發明實施例中在下部分地(G)電極上添加了軌道的GSG軌道型平面電極的一個周期部分的結構示意圖；

圖6為本發明實施例中在上下兩部分地(G)電極上均添加了軌道的GSG軌道型平面電極的一個周期部分的結構示意圖；

圖7為本發明實施例中在上部分地(G)電極上添加了軌道的GSG軌道型平面電極的多個周期構成的完整電極的結構示意圖；

圖8為本發明實施例中基於GSG軌道型射頻電極的矽基行波電極光調製器的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步的詳細描述。

參見圖4所示，本發明實施例提供一種GSG軌道型射頻電極，包括GSG型平面電極，GSG型平面電極的單側或雙側周期性地添加用於延遲電場的軌道電極，軌道電極連接到GSG型平面電極的地(G)電極上，軌道電極與GSG型平面電極由相同的工藝和材料加工而成。

參見圖4、圖5所示，可以只在GSG型平面電極的單側添加軌道電極，左側或者右側，也可以在GSG型平面電極的雙側添加軌道電極，參見圖6所示，雙側添加軌道電極，可以提供更大的電極參數設計自由度。

GSG軌道型射頻電極為一個周期性的結構。參見圖7所示，軌道電極需要周期性添加，且添加的周期需要小於最小工作波長的十分之一。對於一般的射頻電路，添加軌道電極的周期選取50微米的長度即可。

傳統GSG型平面電極與平常晶片或電路上使用的GSG型平面電極結構完全相同，沒有設計和機構上的區別。

參見圖4、圖5、圖6、圖7所示，軌道電極的橫截面可以呈T型結構，這一T型結構直接連接到GSG型平面電極的地(G)電極上。在實際工程使用中，這一T型軌道結構可以單獨添加在兩側地(G)電極的任意一側上，也可以同時在兩側地(G)電極上同時添加。

當只在地(G)電極的任意一側添加軌道電極時，這一GSG軌道型射頻電極對負載電容的適應範圍相比於目前文獻中最新報導的GS軌道型射頻電極要大很多。在目前報導的GS軌道型射頻電極無法實現匹配的大電容負載情況下，這一GSG軌道型射頻電極可以完美的實現射頻信號的有效匹配。

當在兩側地(G)電極上同時添加軌道電極時，這一GSG軌道型射頻電極對負載電容的適應範圍又大於前述的只在地(G)電極的任意一側添加軌道電極的情況。

因此，可以根據不同的負載電容情況，使用不同的GSG軌道型射頻電極。在負載電容較大時，採用只在地(G)電極的任意一側添加軌道的GSG軌道型射頻電極；而在負載電容非常大的時候，採用在地(G)電極兩側均添加軌道的GSG軌道型射頻電極。

在實際工程使用中，軌道電極可以做適當的形狀變換，只要可以提供電場延遲作用即可。

在具有多層平面電極體系的結構中，可以通過不同層間的通孔將軌道電極引入不同層的電極平面層。在實際使用的過程中，軌道電極與GSG型平面電極可以處在同一個平面層，也可以處在多層平面電極體系的不同平面層。軌道電極和GSG型平面電極處在多層平面電極體系的不同平面層時，軌道電極通過電極層間的通孔與GSG型平面電極連接導通，可以實現同樣的功能。

軌道電極需要根據具體的負載情況進行尺寸的優化和設計。以T型軌道電極為例，添加的T型軌道電極的具體尺寸需要根據實際負載的情況來進行電磁仿真和優化，可以優化的參數包括T型軌道電極的每一個部分的長度和寬度共四個變量。通過上述四個參數變量的優化可以獲得非常大的優化設計空間，同時掛載T型軌道電極的GSG型平面電極的參數也可以加入一起進行優化設計，對尺寸優化的目標是實現射頻信號的有效匹配。

本發明實施例中的GSG軌道型射頻電極與現有的GSG平面電極電路體系完全兼容，可以與傳統的GSG平面電極直接相互連接和過渡，連接時中間不需要任何的過渡和轉換部分，相比於GS型軌道電極具有結構簡單、性能優越等諸多優點。

參見圖8所示，本發明實施例還提供一種基於GSG軌道型射頻電極的矽基行波電極光調製器，包括GSG軌道型射頻電極和傳統的矽基行波電極光調製器，GSG軌道型射頻電極通過電極層間的通孔與矽基行波電極光調製器的有源區連接導通。

本發明實施例還提供上述GSG軌道型射頻電極的製備方法，該方法包括以下步驟：

S1、通過電磁場仿真分析軟體，計算出阻抗為45～55歐姆匹配情況下的GSG型平面電極的幾何尺寸，優選50歐姆，參見圖2所示。具體計算過程是現有的標準方案，此處不再贅述。

S2、在步驟S1獲得的GSG型平面電極上添加負載，重新通過電磁場仿真分析軟體計算出添加了負載的阻抗。

S3、在通過步驟S2獲得加載負載的阻抗後，計算負載的阻抗與50歐姆的差距，如果差距較小，負載的阻抗低於50歐姆，此時，負載的阻抗一般在20-50歐姆之間，說明負載的電容數值較小，則確定單側添加軌道電極；如果所計算出的負載的阻抗與50歐姆的差距較大，負載的阻抗高於50歐姆，此時，負載的阻抗一般在50-100歐姆之間，說明其複雜電容較大，則確定雙側添加軌道電極。

S4、在前面步驟的基礎上，確定採用單側添加軌道電極的GSG軌道型射頻電極，參見圖4、圖5所示，或者使用雙側添加軌道電極的GSG軌道型射頻電極，參見圖6所示。

此時需要在確定的電極結構基礎上，通過電磁場仿真分析軟體，優化和設計T型軌道的結構參數，主要是T型軌道每一部分的長度和寬度。優化過程中添加軌道電極的周期一般要求小於最小工作波長的十分之一，對於常用的電路系統取50微米即可。通過上述優化過程即可獲得需要的電極匹配參數。

對於使用單側添加軌道電極的GSG軌道型射頻電極的情況，軌道電極可以添加在GSG地電極的任意一側，參見圖4和圖5所示。對於使用雙側添加軌道電極的GSG軌道型射頻電極的情況，其結構參見圖6所示，同時根據實際情況的需要，雙側所添加的軌道電極的大小和形狀可以相同也可以不同，只需要根據負載電容的大小來進行分別優化和設計。這樣就完成了GSG軌道型射頻電極一個周期的單元結構設計。

S5、在完成上述優化設計步驟後，將所優化的單元結構在長度方向上周期排列，即可得到完整的GSG軌道型射頻電極，參見圖7所示，即為一段完整的單側添加軌道電極的GSG軌道型射頻電極的結構示意圖。

將優化設計好的GSG軌道型射頻電極加工到傳統的矽基行波電極光調製器上，如鈮酸鋰和磷化銦調製器，替代傳統的GSG型平面電極，GSG軌道型射頻電極通過電極層間的通孔和下層的矽基行波電極光調製器的有源區相互連接，即可實現基於GSG軌道型射頻電極的矽基行波電極光調製器。圖8為完整的基於GSG軌道型射頻電極的矽基行波電極光調製器的結構示意圖。

上述GSG軌道型射頻電極和基於GSG軌道型射頻電極的矽基行波電極光調製器僅為本發明的一個實施例，本方案不僅可以應用於實施例中矽基行波電極光調製器晶片的電極，對於其他的平面和多層平面電極體系，例如印刷電路板等同樣適用，在此不再贅述。

本領域的技術人員可以對本發明實施例進行各種修改和變型，倘若這些修改和變型在本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則這些修改和變型也在本發明的保護範圍之內。

說明書中未詳細描述的內容為本領域技術人員公知的現有技術。