CN102169243A - 亚微米波导型Ge量子阱电光调制器 - Google Patents

Abstract

一种亚微米波导型Ge量子阱电光调制器，包括：一SOI衬底，该SOI衬底包括一硅衬底，一制作在硅衬底上的二氧化硅层和制作在二氧化硅层上的硅波导层，该硅波导层的宽度小于二氧化硅层的宽度；一缓冲层，该缓冲层制作在SOI衬底上面的硅波导层的中间部位，该缓冲层的长度小于硅波导层的长度；一虚衬底，该虚衬底制作在缓冲层上；一有源区，该有源区制作在虚衬底的上面；一盖层，该盖层制作在有源区的上面，所述的缓冲层、虚衬底、有源区和盖层构成调制区，该调制区和SOI衬底上的硅波导层的宽度均为亚微米量级。

Description

亚微米波导型Ge量子阱电光调制器

技术领域

本发明属于光电子技术领域，发明一种电光调制器，尤其是一种亚微米波导型Ge量子阱电光调制器。

背景技术

波导型电光调制器是实现光学信号编码输出的重要元件。为了能与传统的Si基CMOS技术兼容，波导型Si基电光调制器对于实现光电集成具有非常重要的意义。传统的波导型Si基电光调制器均是基于Si中的等离子体色散效应的电折射率型调制器。然而，等离子体色散效应是一种比较弱的调制效应，为了增加调制效率，并将相位调制转换为强度调制，需特殊的光学结构。常见的光学结构有，MZI干涉仪和微环谐振腔结构。MZI结构具有较大的调制深度和光学带宽，以及良好的温度补偿，但是其器件尺寸较大，因此消耗的功率也大；微环结构有利于实现小尺寸，低功耗的高速电光调制，但是其共振特性大大减小了器件的光学带宽，并且使其对温度变化十分敏感。

为了弥补传统的电折射率型调制器的不足，人们逐渐开始关注Si基电吸收型调制器的研究。吸收型调制器不再需要特殊的光学结构就可以直接实现光信号的强度调制，因此易于实现小尺寸，低功耗，并保持一定的光学带宽。基于量子限制Stark效应的Ge量子阱调制器便是近年来颇受关注的一种Si基电吸收型调制器。通过量子限制Stark效应，Ge量子阱中的吸收系数随电信号发生变化，从而使光信号的强度随之变化，达到对光信号进行强度调制的目的。然而，目前的Ge量子阱调制器均为垂直入射型结构，迄今为止，仍然没有波导型Ge量子阱调制器被报道。因此，Ge量子阱调制器的波导型结构是该器件研究的一个重要方向。

发明内容

本发明的目的是给出一种亚微米波导型Ge量子阱电光调制器，它的优点是可方便地将Si基波导和Ge量子阱调制器耦合在一起，同时保持较低的耦合损耗。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种亚微米波导型Ge量子阱电光调制器，包括：

一SOI衬底，该SOI衬底包括一硅衬底，一制作在硅衬底上的二氧化硅层和制作在二氧化硅层上的硅波导层，该硅波导层的宽度小于二氧化硅层的宽度；

一缓冲层，该缓冲层制作在SOI衬底上面的硅波导层的中间部位，该缓冲层的长度小于硅波导层的长度；

一虚衬底，该虚衬底制作在缓冲层上；

一有源区，该有源区制作在虚衬底的上面；

一盖层，该盖层制作在有源区的上面，所述的缓冲层、虚衬底、有源区和盖层构成调制区，该调制区和SOI衬底上的硅波导层的宽度均为亚微米量级。

其中缓冲层的材料为Ge。

其中虚衬底的材料为Si_1-yGe_y。

其中盖层的材料为Si_1-yGe_y。

其中有源区为多周期量子阱结构，每一周期量子阱包括：

一Ge量子阱和制作在其上的Si_1-yGe_y垒层。

其中多周期量子阱结构的有源区的周期数为10-20个。

其中调制区的长度L需满足：L＝(n+1/2)T，n＝1，2，3…，T为光信号振荡周期。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.本发明所提供的亚微米波导型Ge量子阱电光调制器，其调制区与SOI波导的消逝场耦合方式具有较小的耦合损耗：当光场耦合进入调制区时，调制区各层和Si波导层之间显著的折射率差使得光场可以较充分地达到有源区；当光场离开调制区时，振荡的光场能量又大部分回到了Si波导层中。

2.本发明所涉及的亚微米波导型Ge量子阱电光调制器，调制区宽度与SOI波导上的Si波导层宽度一致，为亚微米量级，从而降低了调制区的横向尺寸，使得调制区的结电容减小，从而使调制器的功率消耗大大减小，同时频率特性得到改善。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1为本发明的结构立体示意图；

图2为本发明调制区中的量子限制Stark效应示意图；

图3为本发明SOI衬底上的硅波导层中光功率在水平传输方向的变化图；

图4为本发明亚微米波导型Ge量子阱电光调制器的调制效果图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种亚微米波导型Ge量子阱电光调制器，包括：

一SOI衬底10，该SOI衬底包括一硅衬底，一制作在硅衬底上的二氧化硅层和制作在二氧化硅层上的硅波导层，该硅波导层的宽度小于二氧化硅层的宽度；

一缓冲层11，该缓冲层11制作在SOI衬底10上面的硅波导层的中间部位，该缓冲层11的长度小于硅波导层的长度，该缓冲层11的材料为Ge；该缓冲层11的作用是帮助释放外延生长过程中的应力和缺陷；

一虚衬底12，该虚衬底12制作在缓冲层11上，该虚衬底12的材料为N型掺杂的Si_1-yGe_y；

一有源区13，该有源区13制作在虚衬底12的上面，该有源区13为多周期量子阱结构，每一周期量子阱包括：一Ge量子阱131和制作在其上的Si_1-xGe_x垒层132。该Ge量子阱131和Si_1-xGe_x垒层132两层中的平均Ge组分应该与虚衬底12中的Ge组分y相等，从而构成应力补偿结构，这样有利于多周期结构的外延生长。该多周期量子阱结构的有源区13的周期数为10-20个(本实施例的周期数为10)；在有源区13两端加上一定的反向偏压(电场达到10⁴-10⁵V/cm)，将发生量子限制Stark效应。

如图2所示，在材料的吸收谱上，量子限制Stark效应有两个表现：(1)吸收峰位置随电压增加而向长波方向移动；(2)吸收峰强度随电压增加而下降。对于一个选定的波长λ₀，外加电压为低电平V₁时，吸收系数较小，记为“开”状态，此时的电压和吸收系数用V_on，α_on表示；外加电压为高电平V₂时，吸收系数增大，记为“关”状态，此时的电压和吸收系数用M_off，α_off表示(本示例中选取的高，低电平分别为3V和0V)。根据输入电平的高低变化，材料的吸收系数将相应改变，故输出光功率跟随电信号而变化，即达到光电调制的目的。

一盖层14，该盖层14制作在有源区13的上面，其材料为P型掺杂的Si1-yGey。所述的缓冲层11、虚衬底12、有源区13和盖层14构成调制区，该调制区的宽度W和SOI衬底10上的硅波导层的宽度均为亚微米量级。该调制区与SOI衬底10上的硅波导层通过消逝场耦合方式耦合在一起：当光信号到达调制区与硅波导层的接触界面时，由于调制区中各层的折射率均显著大于硅波导层中折射率，光场将以消逝场模式向上垂直耦合进入调制区中，并在硅波导层和调制区共同构成的多层结构中上下耦合振荡(振荡周期为T)，同时继续向前传播。因此，在SOI衬底10上的Si波导层内，光功率呈现出沿水平方向的周期性振荡变化。如图3中所示，光功率到达波峰，表明此处的光场集中在Si波导层中，波谷则表示光场已经离开Si波导层，进入到调制区中。为了减小耦合损耗，调制区的长度L需满足：L＝(n+1/2)T，n＝1，2，3…，T为信号振荡周期。

调制区长度L满足以上条件时，耦合损耗达到极小值，有助于获得较好的调制效果。亚微米波导型Ge量子阱调制器的调制效果如图4所示，“开”状态下，光信号通过调制区时，一部分被吸收，输出光信号较强；“关”状态下，大部分光信号被调制区吸收，输出光信号相对“开”状态时明显减弱。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种亚微米波导型Ge量子阱电光调制器，包括：

一SOI衬底，该SOI衬底包括一硅衬底，一制作在硅衬底上的二氧化硅层和制作在二氧化硅层上的硅波导层，该硅波导层的宽度小于二氧化硅层的宽度；

一缓冲层，该缓冲层制作在SOI衬底上面的硅波导层的中间部位，该缓冲层的长度小于硅波导层的长度；

一虚衬底，该虚衬底制作在缓冲层上；

一有源区，该有源区制作在虚衬底的上面；

一盖层，该盖层制作在有源区的上面，所述的缓冲层、虚衬底、有源区和盖层构成调制区，该调制区和SOI衬底上的硅波导层的宽度均为亚微米量级。

2.根据权利1要求所述的亚微米波导型Ge量子阱电光调制器，其中缓冲层的材料为Ge。

3.根据权利1要求所述的亚微米波导型Ge量子阱电光调制器，其中虚衬底的材料为Si_1-yGe_y。

4.根据权利1要求所述的亚微米波导型Ge量子阱电光调制器，其中盖层的材料为Si_1-yGe_y。

5.根据权利1要求所述的亚微米波导型Ge量子阱电光调制器，其中有源区为多周期量子阱结构，每一周期量子阱包括：

一Ge量子阱和制作在其上的Si_1-yGe_y垒层。

6.根据权利5要求所述的亚微米波导型Ge量子阱电光调制器，其中多周期量子阱结构的有源区的周期数为10-20个。

7.根据权利要求1所述的亚微米波导型Ge量子阱电光调制器，其中调制区的长度L需满足：L＝(n+1/2)T，n＝1，2，3…，T为光信号振荡周期。

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