CN102566090B - 一种光波导开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高消光比的光波导开关。本发明公开的光波导开关采用了非对称的基于半导体的波导MZI结构，在一个实施例中，MZI的两条臂上采用了不同的波导电容器结构：一条臂采用的波导电容器中，被存储的载流子迁移率低，主要实现振幅调制；另一条臂采用的波导电容器中，被存储的载流子迁移率高，主要实现相位调制。采用本发明公开的光波导开关结构，可以实现几乎无限大的消光比。

Description

一种光波导开关

技术领域

本发明涉及一种光波导开关，尤其是一种采用MZI结构的光波导开关。

背景技术

采用马赫-泽恩德干涉仪(MZI)结构构成光波导开关或调制器是一种常见的技术。在美国专利7817881中，引入了波导电容器的概念，在这种波导电容器的波导芯区中能够储存自由载流子，用来调制波导材料的折射率。

在硅光子学中，自由载流子色散效应被应用于调制硅的折射率，因而可以采用MZI结构来构成开关或是振幅调制器。然而，在自由载流子色散效应中，所注入的自由载流子不仅能影响折射率的实部，而且还能影响折射率的虚部，即它在调制相位的同时会引起光的衰减。由于MZI的两条臂所输出的光束发生干涉时的光功率不同，MZI构成的光开关不能达到一个非常高的消光比。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于半导体材料的具有高消光比的光波导开关。本发明通过下述技术方案予以实现：

一种光波导开关，包括一个基于半导体的波导MZI结构，其中，所述MZI结构包括第一波导臂，第二波导臂，两个输入端口和两个输出端口；所述MZI结构的第一波导臂包括一个相位调制部分，所述相位部分包括一段波导电容器；所述MZI结构的第二波导臂包括一个由一段不同结构的波导电容器构成的振幅调制部分；所述振幅调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的载流子迁移率低于所述相位调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的载流子迁移率。

如上所述的一种光波导开关，其中，所述振幅调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的背景离子浓度高于所述相位调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的背景离子浓度，因此前者的载流子迁移率低于后者的载流子迁移率。

如上所述的一种光波导开关，其中，仅在第一波导臂上有所述相位调制部分，仅在第二波导臂上有所述振幅调制部分，所述有相位调制部分的第一波导臂被称为相位调制臂，所述有振幅调制部分的第二波导臂被称为振幅调制臂。

如上所述的一种光波导开关，其中，所述相位调制部分的波导电容器是一种PIN结型波导电容器，所述振幅调制部分的波导电容器是一种PN结型波导电容器。

如上所述的一种光波导开关，其中，所述波导电容器是一种脊加载型波导电容器，所述脊加载型波导电容器包括一层加载在一个SOI脊波导上方的半导体薄膜，和一层位于所述半导体薄膜和所述脊波导之间的绝缘薄膜层。

另一种光波导开关，包括一个基于半导体的波导MZI结构，其中，所述MZI结构包括第一波导臂，第二波导臂，两个输入端口和两个输出端口；所述MZI结构的第一波导臂和第二波导臂均包括一个相位调制部分和一个振幅调制部分；所述相位调制部分包括一段波导电容器；所述振幅调制部分包括一段不同结构的波导电容器；所述振幅调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的载流子迁移率低于所述相位调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的载流子迁移率。

如上所述的一种光波导开关，其中，所述振幅调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的背景离子浓度高于所述相位调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的背景离子浓度，因此前者的载流子迁移率低于后者的载流子迁移率。

如上所述的一种光波导开关，其中，所述相位调制部分的波导电容器是一种PIN结型波导电容器，所述振幅调制部分的波导电容器是一种PN结型波导电容器。

如上所述的一种光波导开关，其中，所述波导电容器是一种脊加载型波导电容器，所述脊加载型波导电容器包括一层加载在一个SOI脊波导上方的半导体薄膜，和一层位于所述半导体薄膜和所述脊波导之间的绝缘薄膜层。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种光波导开关能够实现极高的消光比，从而提高器件效率。本发明公开的光波导开关中采用了不对称的MZI结构，所述MZI的两条臂上采用了不同的波导电容器结构：一条臂采用的波导电容器中，被存储的载流子迁移率低，主要实现振幅调制；另一条臂采用的波导电容器中，被存储的载流子迁移率高，主要实现相位调制。在本发明公开的光波导开关基础上，根据自由载流子效应设计算法和迭代过程，不断修正对MZI的两条波导臂的离子注入，最终使两条波导臂输出光功率无限接近而实现极高的消光比。

附图说明

图1是本发明公开的一种光波导开关的一个实施例的结构示意图。

图2是图1中光波导开关1-1截面的示意图。

图3是本发明公开的光波导开关中采用脊加载波导电容器的结构示意图。

图4是本发明公开的光波导开关中每条臂上都有相位调制部分和振幅调制部分的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进行详细地说明：

本发明公开了一种具有高消光比的采用非对称的基于半导体的波导MZI结构的光波导开关，其中MZI结构的两条臂采用不同的波导电容器结构：一条臂采用的波导电容器中，背景离子浓度高，主要实现振幅调制；另一条臂采用的波导电容器中，背景离子浓度低，主要实现相位调制。光波导上的PN结和PIN结属于能够实现前述功能的波导电容器的两个特例。PN结的背景离子浓度较高，而PIN结的背景离子浓度较低。这里的“较高”或“较低”是相对的，也就是说，其中一个背景离子浓度高于另一个背景离子浓度，那么另一个背景离子浓度就称为“较低”。

图1是本发明公开的一种光波导开关的一个实施例的结构示意图。如图1所示的实施例中，从输入端到输出端，光波导开关40包括两个输入端口51，52，一对输入硅波导17，18，耦合波导17，18的3dB输入耦合器3，两条波导臂19，20，一对输出硅波导24，25，耦合波导24，25的3dB输出耦合器4，和两个输出端口53，54。波导臂19包括一个突变PN结190。波导臂20包括一个PIN结200。振幅调制电极22位于波导臂19的突变PN结190处的P型掺杂区191上方，并且相位调制电极23位于波导臂20的PIN结200处的P型掺杂区201上方。接地电极21位于突变PN结190和PIN结200的N型掺杂区192，202的上方。

突变PN结190和PIN结200之间的区别在于背景离子注入浓度不同。根据自由载流子色散理论，

$\mathrm{\Δ\α}=\frac{e^3{\mathrm{\λ}}^2}{4{\mathrm{\π}}^2{c}^3{\mathrm{\ϵ}}_{0}n}(\frac{\mathrm{\Δ}{N}_e}{{\mathrm{\μ}}_e{\left(m_e^{*}\right)}^2}+\frac{\mathrm{\Δ}{N}_h}{{\mathrm{\μ}}_h{\left(m_h^{*}\right)}^2})---\left(1\right)$

$\mathrm{\Δn}=\frac{-e^2{\mathrm{\λ}}^2}{8{\mathrm{\π}}^2{c}^2{\mathrm{\ϵ}}_{0}n}(\frac{\mathrm{\Δ}{N}_e}{m_e^{*}}+\frac{\mathrm{\Δ}{N}_h}{m_h^{*}})---\left(2\right)$

其中，Δα表示折射率调制的虚部(对应衰减)，Δn表示折射率调制的实部(对应相位移)。请注意，该折射率调制的虚部与载流子的迁移率μ是相关的，而折射率调制的实部(产生相位移)与迁移率μ是无关的。而硅材料中自由载流子的迁移率可由表达式(3)得出，

$\mathrm{\μ}={\mathrm{\μ}}_{\min }+\frac{{\mathrm{\μ}}_{\max }-{\mathrm{\μ}}_{\min }}{1+{\left(\frac{N_s}{N_r}\right)}^{\mathrm{\η}}}---\left(3\right)$

正如表达式(3)所示，迁移率μ随着背景离子注入N_s变化。在突变PN结中，载流子注入的区域是P型掺杂区或N型掺杂区，相比之下，在PIN结中，载流子注入的是本征区(即没有任何背景离子浓度)。因此，与PN结相比，PIN结可以得到更大的Δn值和更小的Δα值，其中，当背景注入浓度非常大的时候，在PIN结中Δα(振幅调制)对折射率的影响会比Δn(相位调制)大得多。

特别是，可通过交替地注入相反类型的掺杂物(P或者N)，使它们彼此重叠，从而在保持净注入浓度不变的同时增加背景离子注入浓度。所以，按照这种方法设计和制作的PN结和PIN结，其中，PN结能高效地使光衰减，而MZI的另一条带PIN结的臂(波导臂20)能够有效地进行相位调制，而引发的寄生衰减却很小。

得到如图1所示的非对称MZI结构后，我们就可以设计一个算法来实现光开关工作期间几乎无限大的消光比。假设3dB输入和输出耦合器3，4是完全平衡的(在实际应用中，不平衡的3dB耦合器也可以通过改进的算法进行补偿，从而达到平衡)，同时MZI的两条臂19，20的静态损耗和光学长度也是完全一致的，那么图1所示器件的输出结果可以由以下推导得出，

$\left\{\begin{array}{c}B1=\frac{1}{\sqrt{2}}A\\ B2=-j\frac{1}{\sqrt{2}}A\end{array}\right.---\left(4\right)$

表达式(4)是3dB输入耦合器3的输出结果，其中B1和B2分别对应波导臂19和波导臂20。并且，

$\left\{\begin{array}{c}C1=B1\·\exp [-\mathrm{\Δ\α}(N_{\mathrm{epn}},N_{\mathrm{hpn}},N_s)\·L_{\mathrm{pn}}]\·\exp [-j\·\mathrm{\Δ\β}(N_{\mathrm{epn}},N_{\mathrm{hpn}})\·L_{\mathrm{pn}}]\\ C2=B2\·\exp [-\mathrm{\Δ\α}(N_{\mathrm{epin}},N_{\mathrm{hpin}},0)\·L_{\mathrm{pin}}]\·\exp [-j\·\mathrm{\Δ\β}(N_{\mathrm{epin}},N_{\mathrm{hpin}})\·L_{\mathrm{pin}}]\end{array}\right.---\left(5\right)$

表达式(5)是MZI两条波导臂末端(光经过PN结和PIN结后)的光场，C1代表PN结波导臂19的光场，C2代表PIN结波导臂20的光场。然后，图1所示器件在3dB输出耦合器4的输出端口53，54处的输出结果，可以由下述表达式(6)得出，

$\left\{\begin{array}{c}D1=\frac{1}{\sqrt{2}}C1-j\frac{1}{\sqrt{2}}C2\\ D2=-j\frac{1}{\sqrt{2}}C1+\frac{1}{\sqrt{2}}C2\end{array}\right.---\left(6\right)$

D1和D2分别是输出端口53和54的输出结果。在表达式(5)中，-Δα(N_epn，N_hpn，N_s)·L_pn是波导臂19所引起的衰减，其中，L_pn是PN结的长度，Δα是由(1)式所得出的衰减常数，括号里N_epn，N_hpn和N_s分别是电子浓度，空穴浓度和背景离子浓度。-j·Δβ(N_epin，N_hpin)·L_pin是波导臂20引起的相位调制，其中Δβ是表达式(2)表示的折射率调制所引起的相位传播常数调制，N_epin和N_hpin是注入载流子浓度，L_pin是PIN结200的长度。

当没有载流子注入到任一波导臂中时，则图1中的器件处于交叉状态(CROSS)，此时输出端口53，54的输出结果如表达式(7)所示，

$\left\{\begin{array}{c}D1=0\\ D2=A\end{array}\right.---\left(7\right)$

此处，我们不考虑3dB耦合器和MZI波导臂的静态损耗。为使器件进入直通状态(BAR)，可以向波导臂20中注入载流子使其产生π相移。如果PN结190中没有载流子注入，那么根据-Δα(N_epin，N_hpin，0)·L_pin，表达式(5)中的C1和C2的光功率将会不平衡。例如，如果向PIN结200中引入5×10¹⁷cm^-3的载流子浓度调制，那么消光比会小于30dB。

PN结190的补偿注入可以通过以下迭代过程得出：1)向PN结波导臂19引入一个衰减，使其等于-Δα(N_epin，N_hpin，0)·L_pin引起的衰减(波导臂20的衰减)；2)然后稍微地增加PIN结200的离子注入，以平衡PN结波导臂19的相位项-j·Δβ(N_epn，N_hpn)·L_pn；3)然后再修正PN结190的注入，使衰减再一次平衡；4)重复1-3)步，直到两条臂所要求的载流子注入无限接近。当PN结190区域的背景离子浓度是2×10¹⁸cm^-3时，如果不用考虑其他不理想因素，那么，仅需要额外的23.5％的载流子注入到PIN结200中，从而改善BAR状态下光开关的消光比，使其值接近无限大。

图2是图1中光波导开关1-1截面的示意图。如图2所示，PN结190是一个由脊波导构成的波导电容器。PN结190包括P型掺杂区191和N型掺杂区192。同样地，PIN结200也是一个由脊波导构成的波导电容器。PIN结200包括N型掺杂区202，本征区203和P型掺杂区201。它们的电容本身就是PN和PIN的结电容。PN结190的背景离子浓度高于PIN结200的背景离子浓度。

本发明公开的采用非对称MZI结构的光波导开关的技术方案有多种实施例变化。图3是本发明公开的光波导开关中采用脊加载波导电容器的结构示意图。

波导电容器是用来描述一种光波导的专业术语，在这种光波导内部有一个存储电荷(半导体中电子或空穴)的电容器。如美国专利7817881所述，这是所有采用自由载流子色散效应的电光器件的一个基本构建模块。实际上，前面所述的光波导上的PN结和PIN结也是波导电容器的两种类型，其中电容就是PN和PIN的结电容本身。

如图3所示，在此实施例中，光波导开关40包括了一个采用波导电容器的非对称MZI结构。与图1中的结构相比，另一种波导电容器取代了突变PN结和PIN结。图3中，波导电容器26，27是脊加载型波导电容结构，此结构是通过在普通的脊波导(假设是SOI硅波导)上方加载一层半导体薄膜形成，即脊波导261上加载半导体薄膜260，脊波导271上加载半导体薄膜270。其中，脊波导261包括硅平板262和硅脊263，脊波导271包括硅平板272和硅脊273。如果加载的半导体是多晶硅，并且夹在硅脊263和半导体薄膜260之间，以及硅脊273和半导体薄膜270之间的绝缘薄膜层(图中没有描述)是栅氧化层，那么这种波导电容器所采用的电容实际上就是普通CMOS工艺下的MOS电容。在波导臂19(振幅调制臂)上，加载的半导体薄膜260和硅脊263的背景离子浓度都是重掺杂。请注意，这种重掺杂可以通过交替地进行P型掺杂或N型掺杂来实现，同时掺杂区必须有低净注入浓度以避免在没有加载电压的情况下产生大量的自由载流子衰减。在波导臂20(相位调制臂)上，加载的半导体薄膜270和硅脊273都是轻掺杂，以确保非常小的背景离子浓度。

同时，两条臂的净掺杂浓度都需要足够大以确保材料的导电性，以便波导电容26、27能短时间内及时地充放电。加载的半导体材料及其下方的硅材料的净掺杂浓度分布可以不均匀，例如，中心区域(对应于硅脊)的净掺杂浓度可以小于侧部区域(硅脊的两侧)的净掺杂浓度，这样可以同时满足导电性高且波导光衰减低的要求。

本发明公开的一种光波导开关也可以有其他不同类型的实施例。图4是本发明公开的光波导开关中每条臂上都有相位调制部分和振幅调制部分的结构示意图。

在图4所示实施例中，MZI的两条臂的物理结构实际上是一样的。MZI的每条臂上都有相位调制部分和振幅调制部分。波导臂19包括相位调制部分15和振幅调制部分16，波导臂20包括相位调制部分28和振幅调制部分29。相位调制部分15的结构和图3中的波导电容器27的结构相同，而振幅调制部分16与图3中的波导电容器26的结构相同。请注意，在图4的波导臂20上，相位调制部分28与相位调制部分15的结构相同，振幅调制部分29与振幅调制部分16的结构相同。

尽管如此，图4中的器件工作方式是非对称的：两条波导臂19，20(也称为北臂和南臂)的相位调制部分15和28的工作方式不同，即当波导臂19的相位调制部分15有载流子注入时，波导臂20的相位调制部分28会有载流子提取，反之亦然。可以通过振幅调制部分16和29来补偿相位调制部分15和28工作所造成的寄生衰减。上述工作和补偿的详细算法和迭代过程，可以参见本发明前文所述。

以上实施方式对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施方式中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光波导开关，其特征在于， 

所述光波导开关包括一个基于半导体的波导MZI结构，其中，所述MZI结构包括第一波导臂，第二波导臂，两个输入端口和两个输出端口； 

所述MZI结构的第一波导臂包括一个相位调制部分，所述相位调制部分包括一段波导电容器； 

所述MZI结构的第二波导臂包括一个振幅调制部分，所述振幅调制部分包括一段波导电容器，所述第二波导臂的波导电容器的结构不同于第一波导臂的波导电容器的结构； 

所述振幅调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的载流子迁移率低于所述相位调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的载流子迁移率。 

2.根据权利要求1所述的一种光波导开关，其特征在于，所述振幅调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的背景离子浓度高于所述相位调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的背景离子浓度。 

3.权利要求1所述的一种光波导开关，其特征在于， 

仅在第一波导臂上有所述相位调制部分； 

仅在第二波导臂上有所述振幅调制部分； 

所述有相位调制部分的第一波导臂被称为相位调制臂； 

所述有振幅调制部分的第二波导臂被称为振幅调制臂。 

4.根据权利要求1或3所述的一种光波导开关，其特征在于，所述相位调制部分的波导电容器是一种PIN结型波导电容器，所述振幅调制部分的波导电容器是一种PN结型波导电容器。 

5.根据权利要求1或3所述的一种光波导开关，其特征在于，所述波导电容器是一种脊加载型波导电容器，所述脊加载型波导电容器包括一层加载在一个SOI脊波导上方的半导体薄膜，和一层位于所述半导体薄膜和所述脊波导之间的绝缘薄膜层。 

6.一种光波导开关，其特征在于， 

所述光波导开关包括一个基于半导体的波导MZI结构，其中，所述MZI结构包括第一波导臂，第二波导臂，两个输入端口和两个输出端口； 

所述MZI结构的第一波导臂和第二波导臂均包括一个相位调制部分和一个振幅调制部分； 

所述相位调制部分包括一段波导电容器； 

所述振幅调制部分包括一段波导电容器，所述相位调制部分的波导电容器的结构不同于振幅调制部分的波导电容器的结构； 

所述振幅调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的载流子迁移率低于所述相位调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的载流子迁移率。 

7.根据权利要求6所述的一种光波导开关，其特征在于，所述振幅调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的背景离子浓度高于所述相位调制部分中的波导电容器的存储电荷区域的背景离子浓度。 

8.根据权利要求6所述的一种光波导开关，其特征在于，所述相位调制部分的波导电容器是一种PIN结型波导电容器，所述振幅调制部分的波导电容器是一种PN结型波导电容器。 

9.根据权利要求6所述的一种光波导开关，其特征在于，所述波导电容器是一种脊加载型波导电容器，所述脊加载型波导电容器包括一层加载在一个SOI脊波导上方的半导体薄膜，和一层位于所述半导体薄膜和所述脊波导之间的绝缘薄膜层。