GSG轨道型射频电极、硅基行波电极光调制器及制备方法与流程

本发明涉及高速电光芯片领域，具体是涉及一种GSG轨道型射频电极、硅基行波电极光调制器及制备方法。

背景技术：

在高速芯片和高速印刷电路板的信号传输线中，目前大量的采用了共面波导型平面电极结构。大多数情况下根据应用场合的需要，在不同的应用场合中采用不同的平面电极结构，例如：GSG(Ground-Signal-Ground，地-信号-地)型共面波导、GS(Ground-Signal，地-信号)型共面波导，参见图1、图2所示。然而，在有些情况下，需要对电极加载的负载具有较大的电容，实现有效的调配电极的阻抗和信号传播速度。这样就涉及到了如何提高射频电极的参数可调节范围的问题。

目前，在高速芯片设计领域，大量采用了GSG和GS型电极结构。在传统的无负载传输线或者低电容负载传输线中，采用GSG型电极结构或者GS型电极结构，即可以实现有效的传输信号匹配，参见图1、图2所示。然而，在近些年来蓬勃发展的硅光技术中，负载的电容大幅高于传统的传输线负载器件。因此，需要寻找一种在负载电容较大的情况下，有效调节传输线参数，实现信号高效匹配的电极结构。

目前，研发人员经过改进后，提出了基于GS型射频电极的GS轨道型射频电极，参见图3所示，这一电极有效提高了设计自由度，可以在较大电容的情况下，实现有效地调节射频信号，进而实现电光匹配。然而，上述改进结构还存在一定的弊端，例如：需要对电极做过渡变换，在很大电容情况下，调节能力有限等。因此，还需要发展一种具有更大调节自由度的电极，在负载大电容的情况下，进行大自由度的调节和匹配信号。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种GSG轨道型射频电极、硅基行波电极光调制器及制备方法，能够提高电极的参数设计自由度，实现有效的信号参数匹配。

本发明提供一种GSG轨道型射频电极，包括GSG型平面电极，所述GSG型平面电极的单侧或双侧周期性地添加用于延迟电场的轨道电极，轨道电极连接到GSG型平面电极的地电极上。

在上述技术方案的基础上，所述轨道电极与GSG型平面电极由相同的工艺和材料加工而成。

在上述技术方案的基础上，添加轨道电极的周期小于最小工作波长的十分之一。

在上述技术方案的基础上，所述添加轨道电极的周期为50微米。

在上述技术方案的基础上，所述轨道电极的横截面呈T型结构。

在上述技术方案的基础上，所述轨道电极与GSG型平面电极处在同一个平面层，或者处在多层平面电极体系的不同平面层。

在上述技术方案的基础上，所述轨道电极与GSG型平面电极处在多层平面电极体系的不同平面层时，轨道电极通过电极层间的通孔与GSG型平面电极连接导通。

本发明还提供一种基于上述GSG轨道型射频电极的硅基行波电极光调制器，包括GSG轨道型射频电极和传统的硅基行波电极光调制器，GSG轨道型射频电极通过电极层间的通孔与硅基行波电极光调制器的有源区连接导通。

本发明还提供上述GSG轨道型射频电极的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、通过电磁场仿真分析软件，计算出阻抗为45～55欧姆匹配情况下的GSG型平面电极的几何尺寸；

S2、在GSG型平面电极上添加负载，重新通过电磁场仿真分析软件计算出添加了负载的阻抗；

S3、如果负载的阻抗在20～50欧姆之间，则确定单侧添加轨道电极；如果负载的阻抗在50～100欧姆之间，则确定双侧添加轨道电极；

S4、在确定的电极结构基础上，通过电磁场仿真分析软件，优化和设计轨道电极的结构参数，获得一个周期的单元结构设计；

S5、将优化的单元结构在长度方向上周期排列，得到完整的GSG轨道型射频电极。

在上述技术方案的基础上，步骤S4中，确定双侧添加轨道电极时，双侧所添加的轨道电极的大小和形状相同或者不同，根据负载电容的大小进行分别优化和设计。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明通过在传统的GSG型平面电极上添加轨道电极，可以在很大程度上提高电极的参数设计自由度，使得其可调节范围在现有电极的基础上大幅度提高，实现对电极阻抗和折射率的有效调节。

(2)本发明中的GSG轨道型射频电极在具有较大电容的负载情况下，能够实现有效的信号参数匹配。

(3)本发明添加的轨道电极不会增加电极体系的制造成本和复杂度，能够完全兼容已有多层平面电极加工工艺，不会带来加工工艺上的难度。

(4)本发明中的GSG轨道型射频电极能够完全兼容目前的传统GSG电极结构，不需要过渡和转换结构，具有优良的通用性。

附图说明

图1为传统GS型平面电极的结构示意图；

图2为传统GSG型平面电极的结构示意图；

图3为已有的GS轨道型平面电极的结构示意图；

图4为本发明实施例中在上部分地(G)电极上添加了轨道的GSG轨道型平面电极的一个周期部分的结构示意图；

图5为本发明实施例中在下部分地(G)电极上添加了轨道的GSG轨道型平面电极的一个周期部分的结构示意图；

图6为本发明实施例中在上下两部分地(G)电极上均添加了轨道的GSG轨道型平面电极的一个周期部分的结构示意图；

图7为本发明实施例中在上部分地(G)电极上添加了轨道的GSG轨道型平面电极的多个周期构成的完整电极的结构示意图；

图8为本发明实施例中基于GSG轨道型射频电极的硅基行波电极光调制器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图4所示，本发明实施例提供一种GSG轨道型射频电极，包括GSG型平面电极，GSG型平面电极的单侧或双侧周期性地添加用于延迟电场的轨道电极，轨道电极连接到GSG型平面电极的地(G)电极上，轨道电极与GSG型平面电极由相同的工艺和材料加工而成。

参见图4、图5所示，可以只在GSG型平面电极的单侧添加轨道电极，左侧或者右侧，也可以在GSG型平面电极的双侧添加轨道电极，参见图6所示，双侧添加轨道电极，可以提供更大的电极参数设计自由度。

GSG轨道型射频电极为一个周期性的结构。参见图7所示，轨道电极需要周期性添加，且添加的周期需要小于最小工作波长的十分之一。对于一般的射频电路，添加轨道电极的周期选取50微米的长度即可。

传统GSG型平面电极与平常芯片或电路上使用的GSG型平面电极结构完全相同，没有设计和机构上的区别。

参见图4、图5、图6、图7所示，轨道电极的横截面可以呈T型结构，这一T型结构直接连接到GSG型平面电极的地(G)电极上。在实际工程使用中，这一T型轨道结构可以单独添加在两侧地(G)电极的任意一侧上，也可以同时在两侧地(G)电极上同时添加。

当只在地(G)电极的任意一侧添加轨道电极时，这一GSG轨道型射频电极对负载电容的适应范围相比于目前文献中最新报道的GS轨道型射频电极要大很多。在目前报道的GS轨道型射频电极无法实现匹配的大电容负载情况下，这一GSG轨道型射频电极可以完美的实现射频信号的有效匹配。

当在两侧地(G)电极上同时添加轨道电极时，这一GSG轨道型射频电极对负载电容的适应范围又大于前述的只在地(G)电极的任意一侧添加轨道电极的情况。

因此，可以根据不同的负载电容情况，使用不同的GSG轨道型射频电极。在负载电容较大时，采用只在地(G)电极的任意一侧添加轨道的GSG轨道型射频电极；而在负载电容非常大的时候，采用在地(G)电极两侧均添加轨道的GSG轨道型射频电极。

在实际工程使用中，轨道电极可以做适当的形状变换，只要可以提供电场延迟作用即可。

在具有多层平面电极体系的结构中，可以通过不同层间的通孔将轨道电极引入不同层的电极平面层。在实际使用的过程中，轨道电极与GSG型平面电极可以处在同一个平面层，也可以处在多层平面电极体系的不同平面层。轨道电极和GSG型平面电极处在多层平面电极体系的不同平面层时，轨道电极通过电极层间的通孔与GSG型平面电极连接导通，可以实现同样的功能。

轨道电极需要根据具体的负载情况进行尺寸的优化和设计。以T型轨道电极为例，添加的T型轨道电极的具体尺寸需要根据实际负载的情况来进行电磁仿真和优化，可以优化的参数包括T型轨道电极的每一个部分的长度和宽度共四个变量。通过上述四个参数变量的优化可以获得非常大的优化设计空间，同时挂载T型轨道电极的GSG型平面电极的参数也可以加入一起进行优化设计，对尺寸优化的目标是实现射频信号的有效匹配。

本发明实施例中的GSG轨道型射频电极与现有的GSG平面电极电路体系完全兼容，可以与传统的GSG平面电极直接相互连接和过渡，连接时中间不需要任何的过渡和转换部分，相比于GS型轨道电极具有结构简单、性能优越等诸多优点。

参见图8所示，本发明实施例还提供一种基于GSG轨道型射频电极的硅基行波电极光调制器，包括GSG轨道型射频电极和传统的硅基行波电极光调制器，GSG轨道型射频电极通过电极层间的通孔与硅基行波电极光调制器的有源区连接导通。

本发明实施例还提供上述GSG轨道型射频电极的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、通过电磁场仿真分析软件，计算出阻抗为45～55欧姆匹配情况下的GSG型平面电极的几何尺寸，优选50欧姆，参见图2所示。具体计算过程是现有的标准方案，此处不再赘述。

S2、在步骤S1获得的GSG型平面电极上添加负载，重新通过电磁场仿真分析软件计算出添加了负载的阻抗。

S3、在通过步骤S2获得加载负载的阻抗后，计算负载的阻抗与50欧姆的差距，如果差距较小，负载的阻抗低于50欧姆，此时，负载的阻抗一般在20-50欧姆之间，说明负载的电容数值较小，则确定单侧添加轨道电极；如果所计算出的负载的阻抗与50欧姆的差距较大，负载的阻抗高于50欧姆，此时，负载的阻抗一般在50-100欧姆之间，说明其复杂电容较大，则确定双侧添加轨道电极。

S4、在前面步骤的基础上，确定采用单侧添加轨道电极的GSG轨道型射频电极，参见图4、图5所示，或者使用双侧添加轨道电极的GSG轨道型射频电极，参见图6所示。

此时需要在确定的电极结构基础上，通过电磁场仿真分析软件，优化和设计T型轨道的结构参数，主要是T型轨道每一部分的长度和宽度。优化过程中添加轨道电极的周期一般要求小于最小工作波长的十分之一，对于常用的电路系统取50微米即可。通过上述优化过程即可获得需要的电极匹配参数。

对于使用单侧添加轨道电极的GSG轨道型射频电极的情况，轨道电极可以添加在GSG地电极的任意一侧，参见图4和图5所示。对于使用双侧添加轨道电极的GSG轨道型射频电极的情况，其结构参见图6所示，同时根据实际情况的需要，双侧所添加的轨道电极的大小和形状可以相同也可以不同，只需要根据负载电容的大小来进行分别优化和设计。这样就完成了GSG轨道型射频电极一个周期的单元结构设计。

S5、在完成上述优化设计步骤后，将所优化的单元结构在长度方向上周期排列，即可得到完整的GSG轨道型射频电极，参见图7所示，即为一段完整的单侧添加轨道电极的GSG轨道型射频电极的结构示意图。

将优化设计好的GSG轨道型射频电极加工到传统的硅基行波电极光调制器上，如铌酸锂和磷化铟调制器，替代传统的GSG型平面电极，GSG轨道型射频电极通过电极层间的通孔和下层的硅基行波电极光调制器的有源区相互连接，即可实现基于GSG轨道型射频电极的硅基行波电极光调制器。图8为完整的基于GSG轨道型射频电极的硅基行波电极光调制器的结构示意图。

上述GSG轨道型射频电极和基于GSG轨道型射频电极的硅基行波电极光调制器仅为本发明的一个实施例，本方案不仅可以应用于实施例中硅基行波电极光调制器芯片的电极，对于其他的平面和多层平面电极体系，例如印刷电路板等同样适用，在此不再赘述。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。