Исследование электродинамических параметров копланарной линии СВЧ интегрально- оптического модулятора в зависимости от параметров буферного слоя диоксида кремния Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВО-2019- Радиофотоника

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОПЛАНАРНОЙ ЛИНИИ СВЧ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОГО МОДУЛЯТОРА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПАРАМЕТРОВ БУФЕРНОГО СЛОЯ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ

1* 1 12 2 Журавлев А.А. , Мушинский С.С. , Вобликов Е.Д. , Малкин А.И. , Князев Н.С.

1ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания», г. Пермь 2ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург

* E-mail: aaz@ppk.perm.ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16034

Основой конструкции СВЧ-тракта интегрально-оптического модулятора является копланарная линия, сформированная на поверхности электрооптического кристалла, в частности ниобата лития. С целью снижения оптических потерь в местах пересечения копланарной линии и оптического волновода и увеличения рабочего диапазона частот модулятора между металлом копланарной линии и поверхностью пластины ниобата лития создается диэлектрический буферный слой. Этот слой должен обладать малой, по сравнению с пластиной, диэлектрической проницаемостью и малым тангенсом диэлектрических потерь. Параметры буферного слоя оказывают большое влияние на финальные характеристики модулятора, а, следовательно, требуют детального изучения.

В работе представлены результаты исследования эффективного показателя преломления копланарных линий, сформированных на подложках с различной технологией постобработки буферного слоя. Также приведены результаты исследования параметра пропускания (S21) для тех же образцов в частотной области от 1,0 до 43,5 ГГц.

Для исследования были подготовлены 4 пластины, параметры которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры исследованных образцов

Наименование параметра Пластина 1 Пластина 2 Пластина 3 Пластина 4

Материал подложки ниобат лития конгруэнтный, Х-срез ниобат лития конгруэнтный, Х-срез ниобат лития конгруэнтный, Х-срез ниобат лития конгруэнтный, Х-срез

Толщина подложки 1 мм 1 мм 1 мм 1 мм

Буферный слой нет SiO2 без отжига SiO2 отжиг 354 °С SiO2 отжиг 600 °С

Толщина буферного слоя 1 мкм 1 мкм 1 мкм 1 мкм

Толщина электродов 22 мкм 22 мкм 22 мкм 22 мкм

Топологии копланарной линии на всех пластинах были идентичны.

В связи с технологическими особенностями, для выполнения измерения пластины были разделены на кристаллы шириной 3,5 мм каждый. Исследование проводилось на зондовой станции с помощью трехконтактных зондов с рабочей частотой до 50 ГГц. В качестве измерительного оборудования использовался векторный анализатор цепей И&Б 2ЫД43. Перед измерением была выполнена калибровка измерительной цепи с использованием калибровочной пластины. Выполнены измерения параметра Б21 в формате магнитуды и в формате фазы. Таким образом, получены пропускания СВЧ-излучения в частотном диапазоне от 1,0 до 43,5 ГГц. Для оценки фазовая характеристика была преобразована в эффективный показатель преломления для СВЧ-волны.

В результате исследования получены зависимости, представленные на Рис. 1 и Рис. 2.

76 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

ВКВО-2019 Радиофотоника

Л'эфф 2,6

2,4

2,0 0.0Е+00

Л'

\—

1 \

У, \ 1' л \ /\ Л/1

1

- - ---- — - - W — — ---- к -- — -у

-Пластина 1

-----Пластина 2

- ■ - I [ижч и нч 3 --Пластина 4

1,01-1 10

2,0Е+10

f, ГГц

З.ОЕ+Ю

4.0Е+10

Рис. 1 Зависимость эффективного показателя преломления для СВЧ волны от параметров буферного

слоя диоксида кремния

0,00Е+00

1.00Е+10

Я ГГц 2.00Е+10

З.ООЕ+Ю

4.00Е+10

-20

Ж21,дБ

Л

~-- -- Г „1, rv—

1 ] и Ъ; * \ r V " - v I'LIJ Si

V' V'4 V Vil V II lit ; \ Г ъ > У ¥

ii ¡i 1 Sj ij

jj if II

1 <■ It «

1

-Пластина 1 -Пластина 2 II I II н I 3

-11 ;.;;;;; 4

Рис. 2Зависимость параметра пропускания СВЧ-волны от параметров буферного слоя диоксида

кремния

Для обеспечения наилучших частотных характеристик модулятора необходимо, чтобы эффективный показатель преломления для СВЧ волны на активном участке копланарной линии соответствовал эффективному показателю преломления для оптического излучения, проходящего по каналам. В протонно-обменных канальных волноводах этот показатель равен 2,22. В связи с этим можно заключить, что наилучшие свойства буферного слоя с точки зрения согласования показателей преломления достигаются при отжиге слоя диоксида кремния при температуре 600 С. Что касается потерь СВЧ-энергии, то опять же наилучшие показатели продемонстрированы на пластине с отжигом 600 °С. Выбросы на кривых обусловлены резонансами внутри подложки кристаллов.

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»

www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 77