CN101937135B - 提高mzi电光调制器速度和效率的电极结构 - Google Patents

Abstract

一种提高MZI电光调制器速度和效率的电极结构，包括：一MZI调制器结构，包括第一调制臂和第二调制臂，该第一和第二调制臂为脊形光波导结构，该第一和第二调制臂分为第一平板区和第二平板区及第一内脊区和第二内脊区，在第一和第二内脊区两旁的第一和第二平板区分别有第一、第二、第三和第四掺杂区域，该第一、第二、第三和第四掺杂区域在第一和第二平板区时为PIN电学调制结构；在第一和第二调制臂内侧相邻的第二和第三两个掺杂区域用金属导线连接在一起，形成高频驱动电路的第一极，在另外第一和第四两个掺杂区域用金属导线连接在一起，形成高频驱动电路的第二极；一高频驱动电路，该高频驱动电路的两端分别与高频驱动电路的第一、二极相连。

Description

提高MZI电光调制器速度和效率的电极结构

技术领域

本发明涉及一种可以提高MZI型脊型光波导载流子浓度调控电光调制器响应速度和调制效率的电驱动方式及电极结构。

背景技术

对于高度对称的晶体(如硅)，电光调制一般利用载流子吸收作用，或利用载流子浓度影响材料折射率的等离子色散效应。而马赫-曾德尔干涉仪结构(Mazh-Zehnder Interserometer MZI)指的是：先将输入光波导的光等能量的分成两束进入两个不同的光波导调制臂，在那里利用等离子色散效应调节一束光的相位，使两束光合束进入输出光波导时等相位或产生π相位移差，从而可以实现输出光波导有光和无光的调节。

针对利用等离子色散效应的MZI型电光调制器，为了制作电极的方便，我们常用脊型光波导(这样不仅可以有效地把光场限制在脊区，还可以很容易的在脊型光波导两侧平板区进行掺杂和制作电极)。然后在脊型光波导上构造PIN结构或PN结构，加正向偏压时载流子注入，加反向偏压时载流子去除(也可以不加电压靠载流子复合去除载流子)，从而利用等离子色散效应改变光波导的折射率达到调节光输出的目的。

但传统的MZI型电光调制器结构中，一般通过载流子作用调节一个调制臂上的光相位，这样的调制效率要比同时调节两个调制臂要低一半，所以本发明旨在采用合适的电驱动方式来充分利用两个调制臂。

发明内容

本发明的目的在于调和MZI型脊型光波导载流子浓度调控电光调制器调制速率和调制效率的矛盾，采取特定的电极结构，实现了调制速率和调制效率的同时优化，其优点为：电极结构简单易操作，可以同时实现两个调制臂上的电学调制互补操作且互不干扰，调制时间和调制机理配合得当。

本发明提供一种提高MZI电光调制器速度和效率的电极结构，包括：

一MZI调制器结构，包括第一调制臂和第二调制臂，该第一和第二调制臂为脊形光波导结构，该第一和第二调制臂分为第一平板区和第二平板区及第一内脊区和第二内脊区’，在第一和第二内脊区两旁的第一和第二平板区分别有第一、第二、第三和第四掺杂区域，该第一、第二、第三和第四掺杂区域在第一和第二平板区时为PIN电学调制结构；

在第一和第二调制臂内侧相邻的第二和第三两个掺杂区域用金属导线连接在一起，形成高频驱动电路的第一极，在另外第一和第四两个掺杂区域用金属导线连接在一起，形成高频驱动电路的第二极；

一高频驱动电路，该高频驱动电路的两端分别与高频驱动电路的第一、二极相连。

其中第一、第二、第三和第四掺杂区域的掺杂分别N+区、P+区、N+区、P+区或为P+区、N+区、P+区、N+区。

其中P+区和N+区可以扩展到第一和第二内脊区处，从而使PIN电学调制结构变为PN电学调制结构。

其中为PIN电学调制结构时，使用反向偏压使PIN电学调制结构中的本征区实现第一和第二调制臂上的载流子去除，从而起到提高调制速度的作用；第一和第二调制臂中的一个调制臂处于载流子耗尽状态时，另一个调制臂处于载流子注入状态，两调制臂的状态反差起到提高调制效率的作用。

其中为PN电学调制结构时，第一和第二调制臂中的一个调制臂处于载流子耗尽状态时，另一个调制臂处于载流子注入状态，两调制臂的状态反差起到提高调制效率的作用。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作详细的描述，其中：

图1给出了本发明涉及结构的横截面图。

图2给出了本发明涉及结构的俯视图。

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明涉及一种可以在MZI型脊型光波导载流子浓度调控电光调制器中提高调制效率的同时提高调制速度的电驱动方式及其电极结构，包括：

一MZI调制器结构，包括第一和第二调制臂10、10’，该第一和第二调制臂10、10’为脊形光波导结构，第一和第二调制臂10、10’分为第一和第二平板区11、11’和第一和第二内脊区12、12’，在第一和第二内脊区12、12’两旁的第一和第二平板区11、11’分别有第一、第二、第三和第四掺杂区域111、112、111’、112’，其中第一、第二、第三和第四掺杂区域111、112、111’、112’的掺杂分别为N+区、P+区、N+区、P+区或P+区、N+区、P+区、N+区，该第一、第二、第三和第四掺杂区域111、112、111’、112’在第一和第二平板区11、11’时为PIN电学调制结构，并且P+区和N+区可以扩展到第一和第二内脊区12、12’处，从而使PIN电学调制结构变为PN电学调制结构。其中为PIN电学调制结构时，使用反向偏压使PIN电学调制结构中的本征区实现第一和第二调制臂10、10’上的载流子去除，从而起到提高调制速度的作用，并且第一和第二调制臂10、10’中的一个调制臂处于载流子耗尽状态时，另一个调制臂处于载流子注入状态，两调制臂的状态反差起到提高调制效率的作用。为PN电学调制结构时，第一和第二调制臂10、10’中的一个调制臂处于载流子耗尽状态时，另一个调制臂处于载流子注入状态，从而起到提高调制效率的作用。在第一和第二调制臂10、10’内侧相邻的第二和第三掺杂区域112、111’用金属导线连接在一起，形成高频驱动电路的第一极，另外第一和第四掺杂区域111、112’用金属导线连接在一起，形成高频驱动电路的第二极。还有一高频驱动电路20，该高频驱动电路20的两端分别与高频驱动电路的第一、二极相连。

由上面的描述可知，本设计主要是在传统MZI调制器两个调制臂两旁制作四个掺杂区域，其掺杂类型依次是N+，P+，N+，P+(或P+，N+，P+，N+)，并将两个调制臂内侧相邻的两个掺杂区域(P+，N+)用金属导线连接在一起形成高频驱动电路的一极，将另外两个掺杂区域用金属导线连接在一起形成驱动电路的另一极。其中调制臂即为MZI结构中的脊型光波导，P+区和N+区是脊型光波导上的掺杂区，且可以扩展到内脊处，从而可使PIN结构变为PN结构。

由附图易得，当外侧电极为负电位而内侧电极为正电位时，一侧的脊型光波导调制臂为正向偏置，引起载流子注入脊区(主要的光场限制区)，使波导内的载流子浓度增加，从而波导折射率减小；而另一侧的脊型光波导调制臂为反向偏置，引起脊区载流子耗尽，使波导内的载流子浓度减小，从而折射率增加。这样，两个调制臂上折射率的相反变化，使MZI结构更容易达到π的相位移差，提高了调制效率。

当交变信号使外侧电极从负变正、而内侧电极从正变负时，一侧的的脊型光波导调制臂变成反向偏置，原先注入的载流子在反向电压的作用下会迅速的被扫出脊区(主要的光场限制区)，脊区也迅速耗尽，从而使一侧的光波导调制臂的折射率增大；而另一侧的脊型光波导调制臂变成正向偏置，原来耗尽的脊区会注入大量的载流子，这所带来的大的载流子浓度差同时又使另一侧光波导调制臂的折射率减小。这样，每个调制臂都有一个载流子耗尽和载流子注入的过程，这比单一的载流子注入和载流子耗尽机制有更高的调制效率。

对于PIN载流子注入型电光调制器，由于反向偏置可以使注入载流子被扫出本征区，其调制速度要比传统的在本征区依靠载流子复合消除载流子的机制快很多。并且载流子被扫出形成的耗尽区要比本征区的载流子浓度小，从而又会形成大的载流子浓度差，并且两个调制臂同时被调制，提高了调制效率。

对于PN耗尽型电光调制器，反向偏置时注入载流子迅速被扫出脊区，保持了PN耗尽型电光调制器每个调制臂上调制速度快的内在优点，由于正向偏置还会注入一定的载流子，这会带来更大的浓度差，且两个调制臂同时被调制，又会大大的提高调制效率。

综上所述，提高MZI型脊型光波导载流子浓度调控电光调制器响应速度和调制效率的电极结构有以下优点：

1、每个调制臂上载流子注入和耗尽所带来的载流子浓度的反差给调制效率的提高带来了有利的作用。

2、在两个调制臂上同时施加电信号，且施加结果使调制效率和调制速度同时朝预想的有利方向进步，从而提高了电光调制器的高频特性和调制效率。

3、电极结构简单易行，可以同时实现两个调制臂上电学调制的互补操作且互不干扰，调制时间和调制机理配合得当。

4、对于PIN注入型电光调制器结构，反向偏置克服了以前单靠本征区载流子复合机制调制速度慢的缺点；而对于PN耗尽型电光调制器结构，附加的注入载流子带来了大的载流子浓度差以及两个调制臂的同时调制，克服了其调制效率低的缺点。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式的限制，凡是依据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (4)

1.一种提高MZI电光调制器速度和效率的电极结构，包括：

一MZI调制器结构，包括第一调制臂和第二调制臂，该第一和第二调制臂为脊形光波导结构，该第一和第二调制臂分为第一平板区和第二平板区及第一内脊区和第二内脊区’，在第一和第二内脊区两旁的第一和第二平板区分别有第一、第二、第三和第四掺杂区域，该第一、第二、第三和第四掺杂区域的掺杂分别N+区、P+区、N+区、P+区或为P+区、N+区、P+区、N+区，该第一、第二、第三和第四掺杂区域在第一和第二平板区时为PIN电学调制结构；

在第一和第二调制臂内侧相邻的第二和第三两个掺杂区域用金属导线连接在一起，形成高频驱动电路的第一极，在另外第一和第四两个掺杂区域用金属导线连接在一起，形成高频驱动电路的第二极；

一高频驱动电路，该高频驱动电路的两端分别与高频驱动电路的第一、二极相连。

2.根据权利要求1所述的提高MZI电光调制器速度和效率的电极结构，其中P+区和N+区可以扩展到第一和第二内脊区处，从而使PIN电学调制结构变为PN电学调制结构。

3.根据权利要求2所述的提高MZI电光调制器速度和效率的电极结构，其中为PIN电学调制结构时，使用反向偏压使PIN电学调制结构中的本征区实现第一和第二调制臂上的载流子去除，从而起到提高调制速度的作用；第一和第二调制臂中的一个调制臂处于载流子耗尽状态时，另一个调制臂处于载流子注入状态，两调制臂的状态反差起到提高调制效率的作用。

4.根据权利要求2所述的提高MZI电光调制器速度和效率的电极结构，其中为PN电学调制结构时，第一和第二调制臂中的一个调制臂处于载流子耗尽状态时，另一个调制臂处于载流子注入状态，两调制臂的状态反差起到提高调制效率的作用。

Images