RESEARCH ARTICLE

Broad band on-chip Ti-based RF terminator for high-speed photonic platforms    

Vahid Talebi, Mujtaba Zahidy, Tom Keinicke Johansen, Yunhong Ding

2026, 19 (2): 15.https://doi.org/10.2738/foe.2026.0015

In this paper, we demonstrate a compact broadband on-chip radio-frequency (RF) termination based on pure titanium thin-film resistors integrated into coplanar waveguide (CPW) structures. The terminated transmission lines exhibit good impedance matching, with simulated reflection coefficients below −20 dB over 100 GHz bandwidth and experimentally measured reflections below −10 dB up to 65 GHz. Additional measurements evaluate the stability and power-handling behavior of the Ti resistors. The results show that thin-film titanium can operate as an effective on-chip RF termination in integrated CPW structures, maintaining stable RF performance over repeated measurements. Such terminations are relevant for high-speed photonic platforms where compact integration and reduced packaging complexity are desirable, including dense modulator architectures.

一、研究背景

在高速射频（RF）与微波系统中，阻抗匹配是保证信号完整性的关键。电光调制器中的行波电极（TWE）需在末端接入匹配负载以抑制反射，传统方案依赖外部50 Ω终端，通过RF探针或键合线连接。随着密集波分复用（DWDM）系统中调制器通道数急剧增加，外部终端方案因键合线电感引入的反射、谐振频移和带宽退化而难以为继。片上RF终端成为必然选择，NiCr和TiN是现有主流材料，但纯钛（Ti）虽在集成光子学中广泛用于DC加热器，却鲜有作为宽带RF终端材料的系统表征。本文探索纯钛薄膜在单一金属工艺中同时实现RF终端与DC加热功能的可行性。

二、主要内容

丹麦技术大学（DTU）Vahid Talebi等人将纯钛薄膜电阻（厚度100 nm，宽度3–10 µm，长度14 µm）集成于高阻硅衬底上的共面波导（CPW）传输线末端。采用电子束蒸发沉积Ti薄膜并经剥离工艺图案化。通过全波电磁仿真（HFSS）预测反射系数S11在100 GHz带宽内低于−20 dB；实验以矢量网络分析仪（VNA）在0.5–65 GHz范围内测得S11低于−15 dB。同时进行了4个月自然老化测试、DC I–V功率耐受实验以及>1小时的RF–DC联合应力测试。

三、创新点

1. 首次系统表征纯钛薄膜作为宽带片上RF终端的射频性能

现有片上RF终端多采用NiCr或TiN，纯Ti仅被作为DC电阻元件使用。本研究首次对纯Ti薄膜进行完整的散射参数（S参数）表征。实验测得3 µm宽Ti电阻在0.5–65 GHz范围内S11低于−15 dB，与仿真预测的最优匹配宽度为5 µm略有偏差，可归因于电子束蒸发过程中氧化减少导致实际电阻率低于设计值。仿真进一步表明该终端在100 GHz以上仍可维持良好匹配。

2. 验证终端在不同传输线长度下的可扩展性与鲁棒性

制备了传输线长度从300 µm至10 mm的系列CPW结构，均采用3 µm宽Ti终端。所有器件在0.5–65 GHz内反射系数低于−10 dB，性能与外部50 Ω负载相当。长传输线中出现的周期性反射峰谷符合分布参数传输线理论中的驻波行为，验证了终端在全频段内的有效匹配。

3. 全面评估Ti终端的长期稳定性与功率处理能力

4个月实验室环境下自然存放后，DC电阻与宽带RF响应均无超出测量不确定度的变化，表明自然氧化层（<10 nm TiO₂）未对终端性能产生可测影响。DC功率耐受测试中，Ti电阻在25–70 mW范围内失效，较宽电阻因电流密度降低和热扩散改善而具有更高功率容限。在约20 mW DC偏置叠加小信号RF激励（最高110 GHz）的联合应力下连续运行>1小时，S11无显著漂移。该功率水平已涵盖典型调制器驱动条件（如3 Vpp对应约22 mW）。

四、总结与展望

本工作证明纯钛薄膜电阻可在集成CPW结构中作为有效片上RF终端工作，实测S11在65 GHz带宽内低于−10 dB，传输线传播损耗约5.5 dB/cm（65 GHz），并在长期老化和联合电应力下保持稳定的RF性能。该方案的核心价值在于：纯Ti可同时用作RF终端和DC热光调谐加热器，以单一金属光刻与剥离工艺实现两种功能的共集成，简化了光子集成平台的制造流程。在DWDM调制器阵列等应用中，片上终端消除了负载端键合线电感，有助于抑制反射积累、提升电光带宽并降低封装复杂度。

 （以上文字包含AI生成内容，仅供参考，请以原文为准。）

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