亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        鈮酸鋰薄膜調(diào)制器的協(xié)同仿真與優(yōu)化設(shè)計

        2021-06-15 06:02:36楊登才陳雨康王云新向美華陳智宇劉萍萍

        楊登才,陳雨康,王云新,向美華,陳智宇,劉萍萍,蘭 天

        (1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部激光工程研究院,北京 100124; 2.北京工業(yè)大學(xué)理學(xué)部物理與光電學(xué)院,北京 100124;3.中國電子科技集團第29研究所電子信息控制重點實驗室,成都 610036)

        鈮酸鋰(lithium niobate, LN)材料具有電光系數(shù)大、光譜響應(yīng)范圍寬和加工工藝技術(shù)成熟的優(yōu)點[1-2],在光纖通信、光纖陀螺等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]. 傳統(tǒng)的鈮酸鋰強度調(diào)制器采用質(zhì)子交換或者鈦擴散的方法制備光波導(dǎo)[1-5],由于摻雜部分的鈮酸鋰與無摻雜的鈮酸鋰襯底折射率差很小,約為0.007,導(dǎo)致光模場直徑為9 μm左右. 為了避免兩波導(dǎo)發(fā)生模式耦合,通常要求調(diào)制電極之間具有較大的間距,這就間接降低了電光作用強度. 在1.55 μm的工作波長下,傳統(tǒng)鈮酸鋰強度調(diào)制器的半波電壓與電極長度乘積一般在10 V·cm以上[4-5].

        近年來,由于鈮酸鋰薄膜工藝的突破,絕緣體上鈮酸鋰(lithium niobate on insulator,LNOI)結(jié)構(gòu)調(diào)制器逐漸成為研究熱點. LNOI基片的襯底材料為硅或者鈮酸鋰,襯底上生長了一定厚度的二氧化硅,二氧化硅層表面鍵合著一層薄薄的鈮酸鋰單晶薄膜[6]. LNOI結(jié)構(gòu)波導(dǎo)主要是通過刻蝕或腐蝕工藝加工鈮酸鋰薄膜形成脊形波導(dǎo). 脊型波導(dǎo)與二氧化硅包層的折射率差為0.7左右,更大的折射率差能獲得尺寸更小的導(dǎo)模,光模場直徑約為1 μm[7],這樣能極大地減小電極間距,增大電光作用效率. 目前,國內(nèi)外報道的基于鈮酸鋰薄膜的電光調(diào)制器,半波電壓長度乘積達到了2.2 V·cm[8-10],1 cm電極長度下電光調(diào)制帶寬達到了70 GHz以上[11],這些性能參數(shù)均大大優(yōu)于傳統(tǒng)鈮酸鋰調(diào)制器. 同時,新的襯底結(jié)構(gòu)要求相匹配的電極結(jié)構(gòu),才能獲得更低半波電壓并提高調(diào)制帶寬. 然而目前尚未見專門針對LNOI結(jié)構(gòu)的調(diào)制電極進行優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)報道[8,10-15]. 本文基于有限元方法,對基于鈮酸鋰薄膜強度調(diào)制器的電極結(jié)構(gòu)進行了深入分析和優(yōu)化設(shè)計. 該研究對LNOI結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制器的電極設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義.

        1 電極結(jié)構(gòu)分析

        馬赫增德爾(Mach-Zehnder,MZ)強度調(diào)制器利用電極施加電壓信號來改變調(diào)制臂光波相位,兩臂干涉后實現(xiàn)輸出光強的調(diào)制功能. 輸出光強最大和最小時對應(yīng)的電壓差即為半波電壓[16],可表示為

        (1)

        式中:λ為光波長;g為電極間距;ne為e光折射率;γ33為晶體z軸電光系數(shù);l為電極長度;Γ為電光重疊積分因子[10],可以表示為

        (2)

        式中:V為外加電壓;E(x,y)為微波場分布;Eo(x,y)為光模場分布.

        頻率響應(yīng)函數(shù)H(f)的表達式[17]為

        (3)

        式中:ε為相速失配因子,ε=2πf(neff-no)/c,neff為介質(zhì)中微波的有效折射率,統(tǒng)一簡稱為微波折射率,neff=cβ/ω,β為相位常數(shù),ω為角頻率,c為真空中的光速,no為鈮酸鋰介質(zhì)中光的有效折射率;α為微波衰減系數(shù),包括導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗,Np/m.

        與集總電極相比,行波電極結(jié)構(gòu)具有調(diào)制帶寬大的特點,所以本文以行波電極結(jié)構(gòu)為對象進行分析.為了避免微波反射,需要進行阻抗匹配,即行波電極特性阻抗要接近50 Ω負載阻抗.行波電極的特性阻抗Z0[18]為

        (4)

        式中R、L、G、C分別為行波電極的等效電阻、電感、電導(dǎo)和電容.

        綜上所述,在給定電極長度和電極間距的條件下,調(diào)制器的半波電壓Vπ主要由電光重疊積分Γ決定;調(diào)制帶寬Δf主要由介質(zhì)中的微波折射率neff和衰減系數(shù)α決定.回波損耗主要由特性阻抗Z0決定.要得到上述調(diào)制器特征參數(shù),需要對強度調(diào)制器的調(diào)制臂建模進行截面分析和頻率掃描分析.

        2 模型建立

        2.1 整體模型

        為了實現(xiàn)寬帶寬調(diào)制,調(diào)制器的電極通常采用共面波導(dǎo)(coplanar waveguide,CPW)行波電極結(jié)構(gòu),其建?;趥鬏斁€結(jié)構(gòu).圖1(a)顯示的是鈮酸鋰MZ調(diào)制器內(nèi)部的電極俯視圖,可以看到,電極主要分為調(diào)制區(qū)和過渡連接區(qū),其中調(diào)制區(qū)決定了器件的半波電壓和帶寬.調(diào)制器的截面模型如圖1(b)所示.圖中黃色部分代表電極,電極材料為金,中間為信號電極(S),兩邊為地電極(G),紅色部分為二氧化硅,青色部分為鈮酸鋰薄膜刻蝕后的脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu),橘黃色部分為硅襯底.截面參數(shù)主要有:信號電極寬度w、電極厚度t、電極間距g、上包層厚度tu和下包層厚度td.

        圖1 CPW行波電極結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of CPW traveling wave electrode

        2.2 協(xié)同仿真流程

        利用COMSOL集團的COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件和ANSYS公司的HFSS高頻電磁場仿真軟件進行協(xié)同仿真設(shè)計,仿真流程如下.

        1) 從電極截面出發(fā),建好截面模型后,利用COMSOL軟件提取CPW行波電極的R、L、G、C分布參數(shù),計算得到微波有效折射率、特性阻抗和微波衰減系數(shù);同時進行模式分析得到波導(dǎo)內(nèi)的光模場分布,進而求得電光重疊積分.

        2) 對電極的厚度t、電極寬度w、多電極間距g、上包層厚度tu和下包層厚度td進行參數(shù)化掃描,優(yōu)化得到一組綜合性能指標最優(yōu)的電極參數(shù).

        3) 利用優(yōu)化得到的電極參數(shù)在HFSS中建立三維傳輸線模型,設(shè)置波導(dǎo)端口激勵和網(wǎng)格后,進行頻率掃描,可以計算得到電極的S參數(shù).

        該協(xié)同仿真模型中,截面二維模型利用COMSOL軟件計算,復(fù)雜的三維模型利用HFSS軟件計算,發(fā)揮了各個軟件的優(yōu)勢,具有求解速度快、節(jié)省計算機資源的優(yōu)點.

        3 電極優(yōu)化設(shè)計

        3.1 模型驗證

        在上述建?;A(chǔ)上,完成電極設(shè)計,通過實驗驗證仿真方法的有效性.首先根據(jù)文獻[10]中的電極參數(shù)進行仿真,并將仿真結(jié)果(simulation result,SR)和實驗結(jié)果(experimental results,ER)進行了比較,電場和光模場分布如圖2所示,其中左側(cè)顏色欄表示光模場強度,右側(cè)顏色欄表示電場強度。實驗脊波導(dǎo)參數(shù)為:脊頂部寬度1.0 μm,脊厚0.3 μm,脊下薄膜層厚度0.3 μm,傾角75°.可以得到,單模光斑較好地束縛在脊波導(dǎo)里,且波導(dǎo)內(nèi)的電場作用分布較強.仿真和實驗數(shù)據(jù)對比如表1所示,半波電壓與電極長度乘積的實驗結(jié)果略大于仿真結(jié)果,在誤差允許范圍內(nèi);特性阻抗和微波有效折射率的仿真結(jié)果和實驗結(jié)果非常接近,驗證了上述方法建模的有效性.

        圖2 電場和光模場分布Fig.2 Distribution of electric field and optical mode field

        表1 實驗結(jié)果與仿真結(jié)果比較

        利用該模型進行優(yōu)化設(shè)計.根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)和實際工藝條件[8,10,19-20],本文仿真條件設(shè)置如下:光波長為1.55 μm,微波信號頻率設(shè)為20 GHz,電極寬度的掃描范圍為5~30 μm,步長為2 μm,初始電極寬度為13 μm;電極厚度的掃描范圍設(shè)為0.6~5.0 μm,步長為0.4 μm,初始電極厚度為1 μm;電極間距的掃描范圍設(shè)為3~10 μm,步長為1 μm,初始電極間距為5 μm;下包層的掃描范圍設(shè)為1~2 μm,步長為0.2 μm,初始下包層厚度為1.6 μm;上包層的掃描范圍設(shè)為0~2 μm,步長為0.2 μm,初始上包層厚度為0.3 μm.

        3.2 電光重疊積分

        根據(jù)式(1)可得,電光重疊積分越大,半波電壓越小.分析不同電極間距下,電光重疊積分的變化情況.將式(1)做如下變換

        (5)

        式中Γ/g為重疊積分與電極間距之比.

        由式(5)可以得到,半波電壓隨Γ/g的增大而減小.設(shè)置電極寬度、電極厚度、下包層厚度和上包層厚度參數(shù)為初始值,對電極間距進行掃描,得到Γ/g隨電極間距的變化,仿真結(jié)果如圖3(a)所示.可以看出,電極間距越小,Γ/g越大,表明電極間距減小,模場處的電場強度增強,而電極寬度的變化不會引起電極間電場的變化.

        此外,電極厚度和上、下包層厚度對電極間電場分布均有一定的影響.不同下包層厚度下,電光重疊積分隨電極厚度的變化如圖3(b)所示.仿真時設(shè)置電極寬度、電極間距和上包層厚度為初始值,不同下包層厚度下對電極厚度進行掃描.當下包層厚度為定值時,隨著電極厚度的增大,電光重疊積分快速增大,電極厚度從0.6 μm增加到3.0 μm時,重疊積分增幅為8.6%,當電極厚度大于3.0 μm之后,曲線趨于平緩,變化小于0.1%,即模場處快速增大的電場此后基本趨于穩(wěn)定,電極厚度最優(yōu)取值不低于3.0 μm,以得到較大的重疊積分;當給定電極厚度,下包層厚度從1.0 μm增加到2.0 μm的過程中,電光重疊積分逐漸增大,增幅約為3.4%.

        圖3 電極參數(shù)對電光重疊積分的影響Fig.3 Influence of electrode parameters on electro-optic overlap integration

        設(shè)置電極寬度、電極間距、電極厚度和td參數(shù)為初始值,對tu進行掃描,分析電光重疊積分隨上包層厚度的變化關(guān)系時,得到的變化曲線如圖3(c)所示。沒有覆蓋上包層(tu=0)時,電光重疊積分處于最小值1.13;當覆蓋上包層,并逐漸增加tu,但不超過電極厚度1.0 μm時,電極間分布的電場得到了一定的束縛,局部電場增大,電光重疊積分迅速提高了3.5%.當tu大于電極厚度1.0 μm時,電極間的電場束縛不再增強甚至開始減弱,所以電光重疊積分略有減小的趨勢.因此,tu應(yīng)不超過電極厚度.

        3.3 微波折射率

        首先,對電極寬度和電極間距進行掃描,得到不同電極間距下,微波折射率隨電極寬度的變化如圖4(a)所示.隨著電極寬度的增加,微波折射率逐漸增大,當電極間距為7 μm時,電極寬度從10 μm增加到30 μm的過程中,微波折射率增幅最大為2.2%,另外電極間距從3 μm增加到6 μm的過程中,微波折射率逐漸減小,不同電極寬度下的減少幅度在3.0%~4.6%變化,電極間距大于6 μm之后微波折射率趨于不變.因此縮小電極寬度和增大電極間距,有利于降低微波折射率,而且增大電極間距的效果更為顯著.

        圖4 電極參數(shù)對微波折射率的影響Fig.4 Influence of electrode parameters on microwave refractive index

        此外,上下包層厚度和電極厚度的改變也會影響有效介電常數(shù)進而影響微波折射率.電極厚度和下包層厚度對微波折射率的影響如圖4(b)所示,在仿真掃描范圍內(nèi)電極和下包層越厚,微波折射率越低,在電極厚度從0.6 μm增加到5.0 μm時,微波折射率降低了9.4%左右,下包層厚度從1.0 μm增加到2.0 μm時,微波折射率降低了5.4%左右.上包層厚度對微波折射率的影響如圖4(c)所示.微波折射率隨著上包層厚度的增加而增加,厚度從0增加到2.0 μm時,微波折射率增加了6.8%.因此,增加電極厚度和下包層厚度,減小上包層厚度,有助于降低微波折射率.

        3.4 微波衰減系數(shù)

        影響帶寬的另一因素是電極的微波衰減系數(shù),衰減系數(shù)越小,帶寬越大.衰減系數(shù)由導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗共同決定.導(dǎo)體損耗源于導(dǎo)線阻抗對電流的消耗,由于射頻信號的趨膚效應(yīng),導(dǎo)致電流損耗變大;介質(zhì)損耗源于介質(zhì)的極化,交流電場使介質(zhì)中電偶極子極化方向不斷變化,消耗能量.

        首先分析電極寬度和電極間距對衰減系數(shù)的影響.不同電極間距下,衰減系數(shù)隨電極寬度的變化如圖5(a)所示.電極寬度增大時,電極截面變大,阻抗減小,導(dǎo)體損耗也將減小,而介質(zhì)損耗近似不變,所以衰減系數(shù)減小,當電極間距增大時,局部電場減弱,介質(zhì)極化變?nèi)?,介質(zhì)損耗將減小,而導(dǎo)體損耗近似不變,所以衰減系數(shù)也減小,這與圖中曲線的變化趨勢十分契合.因此增大電極寬度和電極間距有助于減小微波衰減.

        其次分析電極厚度的變化與電極寬度的變化類似,隨著電極的加厚,電極截面變大,導(dǎo)體損耗減小,而介質(zhì)損耗不變,所以衰減系數(shù)將減小,如圖5(b)所示.從圖中還注意到電極厚度大于3倍趨膚深度(1.65 μm)時,劇烈下降的衰減系數(shù)開始趨于平緩;另外下包層厚度增大時,介質(zhì)損耗稍有降低,衰減系數(shù)略有減小.所以增大電極厚度和下包層厚度有利于降低微波衰減.

        圖5 電極參數(shù)對衰減系數(shù)的影響Fig.5 Influence of electrode parameters on attenuation coefficient

        最后分析衰減系數(shù)隨上包層厚度的變化,如圖5(c)所示.隨著上包層厚度的增加,電極間電場強度變大,介電損耗將增大,所以衰減系數(shù)也有所增加.因此上包層越薄,衰減系數(shù)越小,仿真掃描范圍內(nèi)變化幅度小于6.5%.

        3.5 特性阻抗

        行波電極的特性阻抗與負載阻抗不匹配,即阻抗失配,會引起回波損耗.阻抗失配越小,即特性阻抗越接近負載阻抗,回波損耗越小.

        首先分析不同電極間距下,特性阻抗隨電極寬度的變化.根據(jù)前面的分析,電極寬度越寬,電極截面越大,所以特性阻抗將減小.電極間距越大,高頻電信號與地電極的距離變大,所以特性阻抗將變大,仿真結(jié)果如圖6(a)所示.

        其次分析不同下包層厚度下特性阻抗隨電極厚度的變化,如圖6(b)所示.隨著電極厚度的增加,電極截面變大,特性阻抗迅速減小.下包層厚度增大,阻抗略有增加.因此減小電極寬度,增大電極間距,減小電極厚度以及增大下包層厚度,有助于增大特性阻抗.

        圖6 電極參數(shù)對特性阻抗的影響Fig.6 Influence of electrode parameters on characteristic impedance

        最后分析上包層厚度對特性阻抗的影響,如圖6(c)所示.隨著上包層的增厚,特性阻抗逐漸減小.因此減小上包層的厚度有利于增大特性阻抗,從2.0 μm厚度減小到0 μm,特性阻抗增大了6.2%.

        3.6 優(yōu)化分析

        電極寬度、電極間距、電極厚度和上下包層厚度對各電極性能參數(shù)的影響十分復(fù)雜,無法同時達到最優(yōu)值,所以它們的取值應(yīng)該綜合考慮.這里采用軟件內(nèi)置的多變量約束優(yōu)化算法,把電極寬度、電極間距和電極厚度作為自變量,半波電壓、微波有效折射率、微波衰減系數(shù)和特性阻抗作為因變量,暫時不覆蓋上包層,首先設(shè)置下包層厚度為2.0 μm,在一定范圍內(nèi)隨機改變自變量的值使得半波電壓、微波衰減系數(shù)趨近最小值,微波有效折射率和特性阻抗分別趨近光模式有效折射率1.876和匹配阻抗50 Ω,經(jīng)過數(shù)次迭代,得到了一組優(yōu)化解,電極寬度、電極間距和電極厚度分別為6.0、6.0、6.0 μm,此時計算得到20 GHz下微波折射率為1.842,特性阻抗為46.6 Ω,半波電壓為2.61 V,當覆蓋厚度為0.4 μm的上包層時,模型分析得到光模式有效折射率為1.895,微波有效折射率為1.864,特性阻抗為46 Ω,相速匹配和阻抗匹配均良好,半波電壓為2.45 V,降低了0.16 V.由于下包層的增厚對各表征參數(shù)均有利,因此接下來將下包層厚度設(shè)置為4.6 μm,重復(fù)優(yōu)化求解步驟,得到新的一組優(yōu)化解,電極寬度、電極厚度、電極間距參數(shù)分別為13.3、2.2、5.3 μm,在20 GHz下微波折射率為1.950,特性阻抗為49.2 Ω,半波電壓降為2.35 V,當覆蓋厚度為0.4 μm的上包層時,微波有效折射率為1.975,特性阻抗為48.8 Ω,半波電壓為2.17 V,這表明在下包層厚度增加后,器件阻抗得到了更好的匹配,半波電壓也得到了進一步降低.

        LNOI結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器的調(diào)制波導(dǎo)可以采用干法或濕法刻蝕工藝,在LNOI襯底上刻蝕出脊型波導(dǎo),目前哈佛大學(xué)、山東大學(xué)、中山大學(xué)等多個研究機構(gòu)已經(jīng)進行了深入的研究和探索[7,10-11],并成功實現(xiàn)了鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)的刻蝕.然后,通過蒸鍍一定厚度的金電極實現(xiàn)調(diào)制電極的制備.蒸鍍電極之前,在鈮酸鋰表面濺射一層幾納米的金屬鉻膜,用于增加金電極的黏附性,而這層鉻膜對電極性能的影響很小,因此,分析時常忽略不計.最后,濺射一層二氧化硅作為脊波導(dǎo)的上包層,降低脊波導(dǎo)表面粗糙度帶來的損耗.

        接下來對4.6 μm下包層厚度下選定的參數(shù)建立片上行波電極模型,進行頻率掃描分析.

        4 高頻特性分析

        利用優(yōu)化得到的電極參數(shù)在HFSS軟件中建立三維CPW傳輸線模型,電極長度設(shè)為1 cm,對其進行頻率掃描,掃描范圍為0.1~75.0 GHz,步長0.1 GHz.

        掃描得到電光S21(EO-S21)和電極回波損耗S11(E-S11)的頻率響應(yīng)曲線如圖7所示.可以看出,3 dB調(diào)制帶寬大于70 GHz,高頻條件下的回波損耗整體低于-20 dB.

        圖7 行波電極的頻率響應(yīng)曲線Fig.7 Frequency response curve of traveling-wave electrode

        5 結(jié)論

        1) 仿真分析表明,脊上覆蓋的上包層能夠有效增大電光重疊積分,上包層越厚,電光重疊積分越大,當tu超過電極厚度時,重疊積分變化趨緩.然而,上包層的加厚會降低阻抗,增大微波折射率和微波損耗,不利于阻抗匹配和相速匹配,但是能夠降低半波電壓.因此,需要權(quán)衡考慮脊上覆蓋的上包層的參數(shù)設(shè)計,兼顧半波電壓、帶寬等性能.

        2) 隨著td的增加,電光重疊積分和特性阻抗均增大,微波折射率和微波損耗均減小,既有利于降低半波電壓和電極回波損耗,又能增大帶寬,所以應(yīng)在工藝允許范圍內(nèi)盡可能增加td.

        3) 優(yōu)化得到了一組電極參數(shù),當電極長度為1 cm時,器件半波電壓為2.17 V,3 dB帶寬大于70 GHz,回波損耗在高頻條件下整體低于-20 dB,達到了較好的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果.由于目前還沒有針對這種新結(jié)構(gòu)的電極分析的報道,因此本文的研究對基于LNOI結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器的電極設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義.

        国产va免费精品高清在线| 亚洲在线精品一区二区三区| 亚洲av无码专区国产乱码4se| 成人免费av色资源日日| 挺进邻居丰满少妇的身体| 亚洲粉嫩高潮的18p| 亚欧乱色束缚一区二区三区| 人妻少妇中文字幕久久hd高清| 免费在线视频亚洲色图| 亚洲av无码专区在线观看下载| 国内揄拍国内精品少妇国语| 亚洲人成网站在线播放小说| 国产精品熟女少妇不卡| 亚洲av永久无码精品网站在线观看| 久久香蕉国产线看观看网| 亚洲激情人体艺术视频| 久久午夜一区二区三区| 一本久道高清视频在线观看 | 国产一区二区三区不卡视频| 中文字幕人妻无码视频| 人妻无码人妻有码中文字幕| 黄片在线观看大全免费视频| 久久精品亚洲成在人线av乱码| 成人aaa片一区国产精品| 国产91精选在线观看麻豆| 一二区视频免费在线观看| 亚洲精品国产一二三区| 久久99精品国产麻豆| 久久熟女五十路| 国产美腿丝袜一区二区| 最好看的亚洲中文字幕| 久久久久久国产精品免费免费男同| 91白浆在线视频| 一区二区久久精品66国产精品| 国产高清在线精品一区二区三区| 久久久久久欧美精品se一二三四 | 亚洲最大av网站在线观看| 欧美日韩中文国产一区发布| 久久精品国产屋| 在线精品国产亚洲av麻豆| 国产成人精品一区二区三区视频 |