极化聚合物高速电光开关CPw行波电极的基础的研究.pdfVIP

第六届全国塑料光纤、聚合物光子学会议论文集 中国·东莞2010年10月28日一11月1日 极化聚合物高速电光开关CPW行波电极的基础研究· 孟杰，靳琳，曹子谏，张大明。 (集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，长春130012) 摘要：本论文针对极化聚合物电光开关CPW(CoplanarWaveguide)行波电极进行了研究，详细 分析了共面波导行波电极的各性能参数与其金属材料和各尺寸之间的关系，最终设计了以Al和Cu 作为电极金属材料的CPW行波电极。结果表明，以Al作为电极材料，在中心电极宽度为301am， 极间距为81am，电破厚5雎m的条件下，可以实现较好的阻抗匹配和相速匹配，以及较小的损耗系数。 关键词：电光开关；CPW；行波电极 l引言 光开关是一种可对光传输线路或集成光路信号进行相互转换或逻辑操作的器件，它具有一个或 半导体材料、Si、Si02以及极化聚合物材料【2】等。其中极化聚合物电光开关凭借其材料电光系数高、 响应速度快(响应速度在ps或fs量级【3】)、抗电磁干扰能力强等优势在全光网络的研究领域十分活 跃。 波导型电光开关主要由波导和行波电极两部分组成，其基本结构主要有M．z干涉型和定向耦合 型。本文主要讨论M．Z型电光开关的电极特性。相速匹配型行波电极主要有共面波导(CPW)行波 电极和微带(MSL)电极两种结构【4】。微带电极半波电压低，但是实现反向极化比较困难；CPW行 波电极半波电压相对较高但可以同向极化，且比微带电极的过渡区更容易设计【5】，设计方法相对成 熟，所以本文选择CPW行波电极作为研究对象。 2CPW行波电极的意义和理论计算模型 设计行波电极通常是为了实现两方面的目的：一方面使得微波信号场与光载波之间满足相速匹 配，最大限度地提高器件的调制带宽，即使微波有效折射率等于光波有效折射率；另一方面就是使 得器件具有小的驱动功率以及能够高效率的利用微波功率，这意味着器件必须具有与信号源阻抗 (50Q)相匹配的特征阻抗和小的电极导体损耗16J。 为了实现相速匹配和阻抗匹配，我们采用部分电容法计算电光开关的分布电容。部分电容法的 1)联合资 助。 ”Tel：0431 Email：zhangdm@jlu．edu． 135 第六届全国塑料光纤、聚合物光子学会议论文集 中国·东莞2010年10月28日一11月1日 基本思想是把多层衬底分成一个一个单层介质，各部分介质的相对介电常数用各自的等效介电常数 代替，总的电容等于各部分电容之和。在准静态分析方法中，传输特性主要根据两个电容值来计算： 单位长度分布电容C和空气代替介质基片的共面波导自由空间单位长度分布电容C0161。特性阻抗zo、 微波有效折射率N。fr可用共面波导行波电极的分布电容表示： 特征阻抗 z。=—c CCL西o 微波有效折射率 Neff瓜珂=雁 聚合物电光开关的介质有很多层，包括衬底、芯层、上下包层等，本文采用ADS软件进行计算 分析。 3CPW行波电极结构参数的分析 电极系统的性能参数主要有特性阻抗z0、微波有效折射率N心损耗系数蛳等。决定CPW行 波电极性能的主要结构参数包括电极金属材料的电导率、中心电极宽度W、电极间距G、电极厚度 T、互作用区长度L等。 3．1电极金属材料的选择 用于制备电极的常见的金属材料有Ag、Au、A1等，本文还提出了Cu作为电极金属的想法，并 对其进行了仿真计算和参数设计。在设计中我们采用如下参数进行计算：W=209m，G=Spm，L=I．5cm， T=O．45pm。模拟计算结果显示，电导率不影响电极系统的特征阻抗和微波有效折射率，如表l所示： 电极系统的损耗系数则随着电导率的增大而减小，如图1所示。 表1四种金属材料的电导率对Zo和Nefr的影响 金属材料 Ag Cu Au