CN101529306A - 电-光调制器 - Google Patents
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Abstract
一种光学调制器包括一环形谐振器，同时一波导相邻于并光学地耦合到微环谐振器。一p－i－n结围绕该环形谐振器形成。可选的另外的掺杂区可以形成在该波导相对于该环形谐振器的对面，并且该另外的掺杂区在与上述p－i－n结结合时，围绕该环形谐振器形成接近闭合的p－i－n结。该环形谐振器可以是硅微环谐振器。多个不同谐振频率的谐振器可以连同不同的检测器一起耦合到波导，以复用波导上的光。该谐振器的频谱可以由所施加的电压控制。预馈脉冲装置可以被用于增强电过渡，以提高调制器的速度。
Description
政府资助
本发明在政府支持下利用DARPA EPIC授予的第HR0011-05-C-0027号资助款做出。美国政府拥有对本发明的某些权利。
相关申请
本发明依据35U.S.C.§119(e)，要求2006年9月22日提交的美国临时专利申请No.60/846,530、2006年8月24日提交的美国临时专利申请No.60/839,975、2006年8月24日提交的美国临时专利申请No.60/839,919和2007年3月26日提交的美国临时专利申请No.60/908,004的优先权，这些申请在此通过引用的方式纳入本说明书。
背景技术
光在用作传播信息的媒介时，具有许多优点，诸如增加的速度和带宽。沿光纤传输光波在电信行业广为应用。硅上光互连已经成为下一代计算系统的瓶颈。希望具有CMOS兼容的(CMOS-compatible)光互连系统。
附图说明
图1是根据一个示例性实施方案的包括环形谐振器的光学调制器的顶视图的简图表示。
图2是根据一个示例性实施方案的具有N-P-I-N结的光学环形谐振器调制器的一部分的侧视图。
图3是根据一个示例性实施方案的光复用器的方框示意图。
图4是根据一个示例性实施方案的预制(fabricated)光复用器的顶视图。
图5是根据一个示例性实施方案的系统的方框示意图，该系统产生用于电-光调制器的预馈脉冲(prepulsed)驱动信号。
图6是根据一个示例性实施方案的另一可选择的预馈脉冲装置的框图。
具体实施方式
在下面的描述中，参考了构成该描述的一部分的附图，附图中以图示的形式示出了可以实施的具体实施方案。这些实施方案被足够详细地描述，以使得本领域技术人员能够实施本发明，应理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施方案，并可以做出结构的、逻辑的和电气方面的改变。因而，下面对示例性实施方案的描述不应被视为进行限制，本发明的范围由所附权利要求确定。
硅调制器是CMOS兼容光互连系统的关键组件。在图1中的100大体上示出了基于硅微环谐振器的调制器，该调制器包括嵌有PIN结的环形谐振器。该PIN结用于将自由载流子注入和抽出环110，自由载流子又通过色散效应来改变构成环110的硅的折射率。该环可以光学地耦合到输入/输出——即“I/O”——波导113。在一个实施方案中，n+掺杂区115邻近环110的外部被成形为环形。p+掺杂区120形成在环110内。可将触点125、130形成到上述掺杂区，将电压源135施加在这两个触点之间。
在图1中可见，n+掺杂区120仅部分地围绕环110延伸，因为与波导113的光学接触没有为n+掺杂区120的连续留下空间。当p-i-n结仅形成在环形谐振器的一部分上时，用不归零码，调制器的速度可被限制到约400Mbps，因为当载流子扩散进入环的非p-i-n结部分的区域时，这些载流子在反向偏置期间不能被有效地抽出，导致在连续的逻辑“1”之后的下降时间较长。
在一个实施方案中，另外的n+掺杂区140形成在I/O波导113的另一侧，以形成接近闭合的p-i-n结。这个新的几何构造有助于确保可以通过反向偏置该结而有效地抽出被注入上述环的载流子。因而，工作速度可以显著提高。已经在4Gbps下获得了高品质的调制信号。预期，该装置和RF驱动器之间减小的接触电阻和更好的阻抗匹配将导致高于10Gbps的调制。
在一个实施方案中，电荷被注入和抽出环110。可以n型、p型、本征和n型硅形成四个同心环形掺杂区。本征区由环形腔110构成。该装置的特性和与n-p二极管串联的p-i-n二极管一样。打开和关闭的瞬态可以非常短暂，在一个实施方案中为小于30ps的数值，这导致高数据率。
在一个实施方案中，环110具有约10微米的直径，并被嵌入n-p-i-n装置中。使用CMOS兼容技术，该硅环可以被制造在绝缘体上硅(silicon on insulator)晶片上。在一个实施方案中，环110是环形谐振器。处于环110的谐振频率的光多次围绕该环传播，并多次与相同的载流子相互作用。因此，与一些其他谐振器相比，改变该环形谐振器的光传输所需的载流子的总数较少。此外，可以使用更少的功率来驱动载流子进、出活性区。
参考图2描述另一可选择的环形调制器200，图2示出了环形谐振器205的一部分的横截面和顶视图。在一个实施方案中，环形谐振器200被制造在绝缘体上硅(silicon-on-insulator)衬底210上，衬底210具有3mm厚的掩埋氧化物层。耦合到环205的波导215以及该环自身均具有约450nm的宽度和250nm的高度。该环的直径是约10-12μm，该环和I/O波导之间的间距是约200nm。在另外的实施方案中，这些尺寸可以显著不同。在一个实施方案中，可以在I/O波导的每一端上形成一些纳米锥(nano-taper)，以提高波导和入射光纤(incoming optical fiber)之间的耦合效率。
在一个实施方案中，结可以与环205被一体形成。可以说环205被嵌入该结中。该结包含外部环形n掺杂区220、夹在环形n掺杂区220和环205之间的外部环形p掺杂区225以及在环205内部的内部n掺杂区230。阳极触点227可以被形成为电耦合到外部n掺杂区220，阴极触点228可以被形成为电耦合到内部n掺杂区230。
在一个实施方案中，外部n掺杂区220和外部p掺杂区225被波导215中断。然而，如所示出的，它们可以连同被形成为耦合到n掺杂区240的另外的阳极触点，相邻于该波导的另一侧在相邻的掺杂区240和相邻的p掺杂区245处延续。
合并了具有环形谐振器的N-P-I-N装置的调制器200可以克服pin装置的缓慢上升时间动态特性，而不需要脉冲整形。在一些实施方案中，打开和关闭的瞬态极短暂，诸如小于30ps，这导致高数据率。一些使用约10微米的硅环的实施方案可以以大约400亿比特每秒的速度运作。
在一个实施方案中，装置200对2V阶跃电压的瞬态响应可以具有小于50ps的电过渡时间。空穴浓度可以在18ps内达到1016/cm3，因此可以预期来自该装置的比特率超过40gbps。N-P-I-N结构引起超高速过渡，因为上升和下降时间取决于二极管的关闭时间，而二极管的关闭时间可以极短暂。在一个实施方案中，该装置仅在二极管之一从开状态切换到关状态的过渡时段期间才传导，因此造成大约25ps的短暂的电过渡时间。注意，与此相反，正向偏置的P-I-N二极管要花费大约1nm来达到稳定状态。通过借助仔细设计PN结来控制电荷注入量，实现高消光比(extinction ratio)。所注入的电荷量等于二极管消耗的电荷量。对于本设计，所注入的载流子密度是1016/cm3，其对应于0.62×10-4的折射率变化(index change)。由于调制器的谐振特性，此折射率变化在光传输中产生强调制。
在一个实施方案中，调制器可以调制的“1”(逻辑高位)的最大串多于30位。截止限(cutoff)取决于载流子的表面复合衰减(surfacerecombination decay)。据估计，在100cm/s的表面复合速率下，载流子寿命是约1.26ns。因而，在上述复合导致谐振偏移之前，该装置将保持处于开状态约1ns——相当于40比特。因此，N-P-I-N调制器可以被设计为调制2＞30-1的伪随机比特串。
在一个实施方案中，可以使用电子束蚀刻法(electron-beamlithography)，然后使用反应离子等离子体蚀刻来限定上述结构。在另外的实施方案中，可以使用其他方法来形成环形谐振器。
在蚀刻之后，n+区215和p+区220各使用光刻法(photolithography)来限定，并掺杂有合适的掺杂剂，诸如磷和硼，以产生约1019/cm3的浓度。
继而，使用等离子体增强化学汽相沉积(plasma enhancedchemical vapor deposition)将1mm厚的二氧化硅层沉积到晶片上，然后使用退火过程，以激活掺杂剂(对于p+，在1050℃下退火15s；对于n+，在900℃下退火15min)。继而，使用光刻法对孔进行构图，然后将孔向下蚀刻到已掺杂硅区，然后蒸发和举离(liftoff)钛触点。上述各种元件的实际尺寸可以变化，本实施例不意在进行限制。
图3中的300大体上示出了多谐振器(环形、跑道形、盘形等)调制器。这些谐振器调制特定波长(谐振器的谐振波长)的光，并允许所有其他波长的光穿过调制器而不被影响。这些谐振器可以是谐振器100或200。为了简化起见，下面的描述使用谐振器100，但在另外的实施方案中，可以容易地用谐振器200代替。在一个实施方案中，基于多谐振器的调制器305、310、315和320——它们具有不同的谐振波长——被级联在单个波导330上。在一个实施方案中，这些谐振器可以共用在波导对面的单个n+区333。多个数据通道可以被独立地调制到该波导中的来自波分复用(WDM)源335或宽带源的不同波长的光上。在接收器侧，可以使用类似的谐振器340、345、350和355——它们分别具有引出端口(drop port)360、365、370和375，将这些通道解复用，并分别检测这些通道。在一个实施方案中，这些谐振器的品质因数(Q)大约为至少15,000至20,000，使得光子寿命与电过渡时间相比保持合理地小，以避免调制信号的失真。每个谐振器的谐振波长的变化可以主要归因于制造过程中平均波导宽度的不同。在一个实施方案中，平均波导宽度改变1nm，引起谐振波长偏移约0.8nm。如果需要，每个环形谐振器的局部加热可以被用于补偿谐振波长的这种偏移。
在一个实施方案中，通过借助仔细设计PN结来控制电荷注入量，可以实现该装置的由10log10(Phigh/Plow)定义的消光比。所注入的电荷量等于二极管消耗的电荷量。在一个实施方案中，所注入的载流子的密度是约1016/cm3，其对应于约0.62×10-4的折射率变化。由于调制器的谐振特性，该折射率变化在光传输中造成强调制。
在一个实施方案中，调制器可以调制的“1”或逻辑高位的最大串多于30位。截止限可以取决于载流子的表面复合衰减。
基于级联半导体材料的微环调制器，可以是WDM互连系统的主要组件。在一个实施方案中，谐振器由硅构成。在一个实施方案中，每个环形调制器具有约5μm的半径，并可以4Gbit/s被调制。使用约1.3nm或更大的通道间隔使通道间串扰(inter-channel crosstalk)最小化。
来自WDM源335或宽带源的光被送入硅波导330中，硅波导330耦合到多个环形调制器305、310、315和320——它们具有不同的谐振波长。假如输入是WDM源，可以选择每个调制器的谐振波长以匹配WDM源的每个通道的波长。在接收器侧，可以使用类似的环形谐振器340、345、350和355——其具有引出端口，将这些通道解复用，并分别地检测这些通道。假如输入是宽带源，可以选择环形调制器的谐振波长以逐一匹配环形解复用器的谐振波长。
在一个实施方案中，级联调制器被制造在绝缘体上硅(SOI)衬底上。在一个实施方案中，用不归零(NRZ)码，调制器的速度可以被限制到400Mbps。在一个实施方案中，通过添加n+区333，p-i-n结接近闭合。通过反向偏置该结，可以有效地抽出被注入环中的载流子。在一些实施方案中，可以将在直波导和环形谐振器的边缘和掺杂区之间的距离从约1μm减小到约300nm，以进一步提高在同样的反向偏置电压下的抽出速度。四个环形谐振器的半径分别是约4.98μm、5μm、5.02μm和5.04μm。半径差对应于3.6nm的通道间隔。
图4中示出了一预制装置的显微顶视图。该图中示出了四个环形调制器中的两个。环形谐振器光学地耦合到直波导330。金属焊盘(pad)410被示为接触p+和n+掺杂区。
在一个实施方案中，可使用预馈脉冲驱动信号驱动调制器的结。图5中示出了用于产生预馈脉冲驱动信号以增强载流子注入的系统500的框图。预馈脉冲驱动信号通过以下所述形成：将来自信号发生器510的信号传入脉冲形成网络515，并在加法器520将来自脉冲形成网络515的脉冲与原始信号结合。在一个实施方案中，反相放大器525耦合在信号发生器510和脉冲形成网络515之间，以将由信号发生器提供的信号反相。在将直流偏置提供给光学调制器540之前，可以在偏置T电路(bias Tcircuit)530将直流偏置叠加到脉冲。脉冲可以用于使调制器540调制光学输入信号545，以提供已调制光学输出信号550。
在一个实施方案中，驱动信号中“0”至“1”和“1”至“0”的典型过渡被预馈脉冲信号增强。预馈脉冲提高了载流子的注入速率，同时限制了所注入的载流子的总数。因为所注入的载流子的总数有限，所以抽出时间可以缩短。
示例性的NRZ信号振幅包括1.62V和3.00V。在另外的实施方案中，可以使用许多其他振幅。在一个实施方案中，示例性的脉冲持续时间是约50ps。这样的信号可以导致来自调制器的瞬态响应增强。在一些实施方案中，可以使用约12.5gbps的伪随机NRZ脉冲。在一个实施方案中，RF放大器的输出电压可以被设置为：脉冲峰值约5V，稳态电压4V、直流偏置-1V。
相对高的驱动电压(5V)可以被用于补偿预制装置的高接触电阻(约10kΩ)。通过针对触点优化掺杂分布和退火条件，可以大大降低接触电阻。较低的驱动电压可以与这样的降低的接触电阻一起使用。
在一个实施方案中，在信号的每个上升沿都可以观察到一个过冲。虽然这个过冲的一小部分可归因于光学检测器的响应，但此过冲的大部分可能缘于当上升时间比得上谐振器的光子寿命时环形调制器的固有特性。当谐振器处于具有低光传输的未失谐(on-resonance)状态时，光以高光学密度被陷俘在谐振器中。此状态下的光传输低，因为从环形谐振器耦合回来的光破坏性地干扰在输出波导中直接传输的光。当该腔从未失谐状态被迅速调到失谐(off-resonance)状态时，输入光经过该装置传输，几乎没有光被耦合到环形谐振器。同时，因折射率瞬时变化，被陷俘在谐振器内的光波长略有偏移。因而，被陷俘的光不破坏性地干扰非耦合输入波，而是被耦合回到输出波导中并与输入波合拍(beat with)，这导致过冲和阻尼振荡。阻尼振荡的频率与被陷俘的光的波长偏移成比例，阻尼率取决于谐振器的光子寿命。
图6中的600处出了作为集总组件等效物的另一可选择的装置，其可以被用于实现对包含有调制器的芯片产生预馈脉冲效应。装置600由反向连接的两个等效二极管610、620组成。嵌入p-i-n二极管中的环形谐振器630构成上述二极管中的一个。因为该装置由反向串联连接的两个二极管610、620组成，所以净装置(net device)600在稳定状态不传导，而不论所施加的电压的极性如何。然而，在二极管610、620的打开-关闭时间期间，装置600传导。因此，装置600仅在驱动电压的过渡期间传导。在各种不同的实施方案中，使用脉冲整形技术，硅电-光调制器的速度可以最高达40gbps或更高。
在一个实施方案中，调制器可以被用于有数百个载波(carrier)的情况下的波长复用，这将导致硅基系统上的带宽接近1万亿比特每秒。在另外的实施方案中，通过缩短装置的电学响应的上升和下降时间，调制器可以克服类似的基于P-I-N的硅中电-光调制器的局限性。在一个实施方案中，上升和下降时间可以分别是约40ps和60ps。脉冲驱动(pulsed driving)也可以提高调制器的小信号带宽。
依照37C.F.R§1.72(b)，提供了摘要，以允许读者迅速查明所公开的技术内容的性质和要点。提交摘要，条件是该摘要将不用来解释或限制权利要求的范围或含义。
Claims (44)
1.一种光学调制器，包括：
环形谐振器；
波导，其相邻于并光学地耦合到微环谐振器；
p-i-n结，其围绕所述环形谐振器形成；和
另外的掺杂区，其位于所述波导相对于所述环形谐振器的对面。
2.权利要求1的光学调制器，其中所述另外的掺杂区与所述p-i-n结结合，围绕所述环形谐振器形成接近闭合的p-i-n结。
3.权利要求1的光学调制器，其中所述环形谐振器是硅微环谐振器。
4.权利要求1的光学调制器，其中所述p-i-n结包括在所述环形谐振器外部的n+掺杂区和在所述环形谐振器内部的p+掺杂区，并且其中所述另外的掺杂区是n+掺杂的。
5.权利要求1的光学调制器，还包括电触点，该电触点被形成为与所述n+和p+掺杂区以及所述另外的掺杂区电接触。
6.权利要求1的光学调制器，还包括耦合到所述p-i-n结的电驱动器，该电驱动器向所述p-i-n结提供脉冲整形输入。
7.一种光学调制器，其包括：
环形谐振器；
波导，其相邻于并光学地耦合到微环谐振器；
p-i-n结，其围绕所述环形谐振器形成；和
电驱动器，其耦合到所述p-i-n结，向所述p-i-n结提供脉冲整形输入。
8.权利要求7的光学调制器，其中所述脉冲整形输入提高电-光调制速度。
9.权利要求8的光学调制器，其中所述电-光调制速度被提高到最高达12.5gbps。
10.权利要求7的光学调制器，其中所述环形谐振器具有微米尺度的特征尺寸。
11.权利要求7的光学调制器，其中所述环形谐振器是频率选择性的。
12.权利要求11的光学调制器，其中所述调制器可用于同时调制多个载波。
13.权利要求7的光学调制器，其中二极管包括n-p-i-n器件。
14.权利要求7的光学调制器，其使用互补金属氧化物半导体(CMOS)硅制造设备(fabrication facility)形成。
15.权利要求7的光学调制器，其被集成到集成微电子芯片中。
16.权利要求7的光学调制器，其中所注入的电荷被限制到少于50万个电子，从而将功耗降低到适于进行微电子集成的水平。
17.一种光学调制器，其包括：
波导；
多个微环谐振器，其顺次沿所述波导布置并耦合到所述波导；
多个p-i-n结，其围绕所述环形谐振器形成；
另外的掺杂区，其位于所述波导相对于所述环形谐振器的对面；和
多个检测器，其耦合到所述波导。
18.权利要求17的光学调制器，其中所述检测器包括光学地耦合到所述波导的多个环形谐振器。
19.权利要求17的光学调制器，其中所述多个微环谐振器具有不同的谐振频率，并且其中所述多个检测器具有相应的不同的谐振频率，以将不同频率的光信号解复用。
20.权利要求17的光学调制器，其中所述p-i-n结包括在相应的环形谐振器外部的n+掺杂区和在相应的环形谐振器内部的p+掺杂区，并且其中所述另外的掺杂区是n+掺杂的。
21.权利要求17的光学调制器，还包括电触点，该电触点被形成为与p-i-n结的每个n+和p+掺杂区以及所述另外的掺杂区电接触。
22.权利要求17的光学调制器，还包括电驱动器，该电驱动器耦合到所述p-i-n结，向所述p-i-n结提供脉冲整形输入。
23.一种装置，其包括：
波导；
沿所述波导布置并耦合到所述波导的多个半导体光学调制器，其具有不同的谐振频率，其中谐振器具有集成的p-i-n结；以及
耦合到所述波导的多个检测器，其具有相应的不同的谐振频率。
24.权利要求23的装置，其中所述检测器包括光学地耦合到所述波导的多个环形谐振器。
25.权利要求23的装置，其中所述多个光学谐振器包括硅微环谐振器。
26.权利要求25的装置，其中所述微环谐振器具有动态可调节的谐振频率。
27.权利要求23的装置，其中所述多个光学谐振器将多个数据通道调制到所述波导中不同波长的光上。
28.权利要求23的装置，其中每个光学谐振器包括一个另外的掺杂区，该另外的掺杂区位于所述波导相对于所述光学谐振器的对面。
29.权利要求28的装置，其中所述p-i-n结包括在相应的环形谐振器外部的n+掺杂区和在相应的环形谐振器内部的p+掺杂区，并且其中所述另外的掺杂区是n+掺杂的。
30.权利要求28的装置，还包括电触点，该电触点被形成为与所述p-i-n结的每个n+和p+掺杂区以及所述另外的掺杂区电接触。
31.权利要求23的装置，还包括耦合到所述p-i-n结的电驱动器，该电驱动器向所述p-i-n结提供脉冲整形输入。
32.一种光学调制器，其包括：
环形谐振器；
波导，其相邻于并光学地耦合到微环谐振器；和
N-P-I-N结，其与所述环形谐振器集成。
33.权利要求32的光学调制器，还包括位于所述波导相对于所述环形谐振器的对面的另外的p和n掺杂区，以围绕所述环形谐振器形成接近闭合的N-P-I-N结。
34.权利要求32的光学调制器，其中N-P-I-N结包括外部n掺杂区、接着该外部n掺杂区的位于该n掺杂区和所述环形谐振器之间的被夹入中间的p掺杂区以及在所述环形谐振器内部的内部n掺杂区。
35.权利要求34的光学调制器，还包括形成在所述外部n掺杂区上的阳极触点和形成在所述内部n掺杂区上的阴极触点。
36.权利要求32的光学调制器，其中所述环形谐振器是硅微环谐振器。
37.权利要求32的光学调制器，具有与40gbps的比特率一致的电-光调制速度。
38.一种装置，其包括：
波导；
沿所述波导布置并耦合到所述波导的多个半导体光学调制器，其具有不同的谐振频率，其中谐振器具有集成N-P-I-N结；和
耦合到所述波导的多个检测器，其具有相应的不同的谐振频率。
39.权利要求38的装置，其中所述检测器包括光学地耦合到所述波导的多个环形谐振器。
40.权利要求38的装置，其中所述多个光学谐振器包括硅微环谐振器。
41.权利要求40的装置，其中所述微环谐振器具有动态可调节的谐振频率。
42.权利要求40的装置，其中所述多个光学谐振器将多个数据通道调制到所述波导中不同波长的光上。
43.权利要求40的装置，其中每个光学谐振器包括位于所述波导相对于所述光学谐振器的对面的另外的掺杂p区和n区。
44.权利要求43的装置，其中N-P-I-N结包括外部n掺杂区、接着该外部n掺杂区的位于该n掺杂区和所述环形谐振器之间的被夹入中间的p掺杂区以及在所述环形谐振器内部的内部n掺杂区。
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