CN102636887B - 一种马赫-曾德尔硅光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种马赫-曾德尔硅光调制器，其特征在于：该硅光调制器包括光输入通道（1），与光输入通道（1）相连的多模干涉光分路器（3）、多模干涉光耦合器（4）、与多模干涉光耦合器（4）相连的光输出通道（2）、脊光波导（8），多模干涉光分路器（3）与多模干涉光耦合器（4）通过脊光波导（8）相连；该硅光调制器还包括位于脊光波导（8）两侧的阳极电极（5）和阴极电极（6），以及位于脊光波导（8）中的PN结相移臂（7）。本发明提高了等离子体色散效应对光场的作用区域，提升了单位长度相移臂的相移效率，从而减小了π相移臂长度，进而减小了器件的封装系数。

Description

一种马赫-曾德尔硅光调制器

技术领域

本发明涉及一种用于光通信系统、光网络技术及光电子集成领域的硅光调制器，属于集成光学领域。

背景技术

光调制器是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。它是通过电压或电场的变化调制输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。它所依据的基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、载流子色散效应等。

基于铌酸锂和III-V族半导体等材料的光调制器是目前最常用的光调制器，调制速度达到10Gbit/秒。然而，上述调制器为分立元件，不易于与其它光子器件实现单片集成。

硅光调制器与互补金属氧化物半导体（CMOS）制造技术兼容，同时拥有电子和光子的优点。硅材料不同于高速光学调制的传统材料的地方在于，其线性电光系数为0。尽管硅材料有相当的热光系数，但是受材料固有的慢响应特性所限，热光调制器无法实现高速光学调制。在硅材料上做高速光学调制的最有效手段是通过自由载流子等离子体色散效应。但是，相对于Ⅲ-Ⅴ族材料的电光效应，自由载流子等离子体色散效应依然比较弱。因此，需要设计合适的结构使得等离子体色散效应所产生的区域能够对光场起到比较大的调制作用。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是针对等离子体色散效应相比于Ⅲ-Ⅴ族材料的电光效应依然比较弱的不足，而提出提高等离子体色散效应对光场作用区域的一种马赫-曾德尔硅光调制器。

技术方案： 为解决上述技术问题，本发明提供了一种马赫-曾德尔硅光调制器,该硅光调制器包括光输入通道，与光输入通道相连的多模干涉光分路器、多模干涉光耦合器、与多模干涉光耦合器相连的光输出通道、脊光波导，多模干涉光分路器与多模干涉光耦合器通过脊光波导相连；

该硅光调制器还包括分别位于脊光波导两侧的阳极电极和阴极电极，以及位于脊光波导中的PN结相移臂。

优选的，PN结相移臂为“田”型，即由4个PN结组成，包括第一P掺杂区与第一N掺杂区形成的PN结、第二P掺杂区与第二N掺杂区形成的PN结、第一P掺杂区与第二N掺杂区形成的PN结、第二P掺杂区和第一N掺杂区形成的PN结；

“田”型PN结相移臂中的4个PN结被本征硅层分离；第一重P掺杂区和第二重P掺杂区分别引出电极短接作为阴极；第一重N掺杂区和第二重N掺杂区分别引出电极短接作为阳极。

有益效果：

1、采用“田”型PN结型相移臂，提高了等离子体色散效应对光场的作用区域，提升了单位长度相移臂的相移效率，从而减小了π相移臂长度，进而减小了器件的封装系数。

2、采用“田”型PN结型相移臂，降低了PN结的接入电阻，相应的提高了调制器的截至频率。

3、采用“田”型PN结型相移臂，当外加正、负电压时，其都有两个结作用，可以减少载流子的耗尽和注入结区的时间，进而可以提高调制速度。

附图说明

图1是采用“田”型PN结相移臂的马赫-曾德尔硅光调制器实例。

图2是“田”型PN结相移臂的结构图；

图3是常规PN结脊光波导中心附近某一位置静态和外加反向电压时的电子浓度分布图；

图4是相同位置下，仿真“田”型PN结脊光波导静态和外加反向电压时的电子浓度分布图。

图中

1. 光输入通道；

2. 光输出通道；

3. 多模干涉光分路器；

4. 多模干涉光耦合器；

5. 阳极电极；

6. 阴极电极；

7. “田”型PN结相移臂；

8. 脊光波导；

9. 第一P掺杂硅；

10. 第一N掺杂硅；

11. 第一重P掺杂硅；

12. 第一重N掺杂硅；

13. 第二N掺杂硅；

14. 第二 P掺杂硅；

15. 第二重N掺杂硅；

16. 第二重P掺杂硅；

17. 本征硅；

18. 二氧化硅；

19. 硅衬底。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一种新型马赫-曾德尔硅光调制器由光输入通道、多模干涉光分路器、脊光波导、“田”型PN结相移臂、多模干涉光耦合器、光输出通道组成。其中“田”型PN结相移臂是由本征硅层分离的双层PN结组成的脊光波导。两层PN结成反对称排列，即上层的P掺杂区对应下层的N掺杂区，上层的N掺杂区对应下层的P掺杂区。两层的重P、N掺杂区分别引出电极并相应的短接，分别作为阴/阳极电解。两层的P、N区的掺杂浓度对应相同。“田”型PN结的中心处于传输光场中心。

本发明公开了一种马赫-曾德尔硅光调制器。该结构调制器采用“田”型PN结脊光波导作为相移臂。当对PN结外加反向电压时，所产生的等离子色散效应的作用区域约是一般PN结型脊光波导的4倍，提高了光波导中的有效折射率变化，进而，增大了相移，提升了调制效率。同时，由于掺杂距离的折半，PN结的接入电阻相应的减小了，提高了截止频率。

输入光通过多模干涉光分路器平均分配到脊光波导和具有“田”型PN结相移臂的脊光波导中。两束光通过多模干涉光耦合器合并为一束光后输出。当相移臂产生相移为0时，两束光通过多模干涉光耦合器合并为初始的一束光，即光通过调制器；当相移臂产生相移为                                               时，则两束光在多模干涉光耦合器中相消，结果使输出光的强度减少，即光不通过调制器。

参见图1－2，马赫-曾德尔硅光调制器包括光输入通道1，与光输入通道1相连的多模干涉光分路器3、多模干涉光耦合器4、与多模干涉光耦合器4相连的光输出通道2、脊光波导8，多模干涉光分路器3与多模干涉光耦合器4通过脊光波导8相连。

该硅光调制器还包括位于脊光波导8两侧的阳极电极5和阴极电极6，以及位于脊光波导8中的PN结相移臂7。

PN结相移臂7为“田”型，即由4个PN结组成，包括第一P掺杂区9与第一N掺杂区10形成的PN结、第二P掺杂区14与第二N掺杂区13形成的PN结、第一P掺杂区9与第二N掺杂区13形成的PN结、第二P掺杂区14和第一N掺杂区10形成的PN结；

“田”型PN结相移臂7中的4个PN结被本征硅层17分离；第一重P掺杂区11和第二重P掺杂区16分别引出电极短接作为阴极6；第一重N掺杂区12和第二重N掺杂区15分别引出电极短接作为阳极5。

光信号从输入通道1输入，经过多模干涉光分路器3平均分成两束光输入到脊光波导8和嵌有“田”型PN结相移臂7的脊光波导中。当阴极电极5、阳极电极6无外加电压时，两束光信号经过多模干涉光耦合器4合并为一束光经过光输出通道2输出。当阴极电极5、阳极电极6外加反向电压时，“田”型PN结相移臂7使光信号产生π相移，则两束光在多模干涉光耦合器4中相消，光输出通道2无光输出。

图2是“田”型PN结相移臂的结构图。图3是常规PN结脊光波导中心附近某一位置静态和外加反向电压时的电子浓度分布图。图4是相同位置下，仿真“田”型PN结脊光波导静态和外加反向电压时的电子浓度分布图。可见 “田”型PN结相移臂的引入，提高了等离子体色散效应对光场的作用区域，提升了单位长度相移臂的相移效率，减小了器件的封装系数。同时，由于PN结距离的减短，减少了载流子耗尽和注入结区的时间，提高了调制速度。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种马赫-曾德尔硅光调制器,该硅光调制器包括光输入通道(1)，与光输入通道(1)相连的多模干涉光分路器(3)、多模干涉光耦合器(4)、与多模干涉光耦合器(4)相连的光输出通道(2)、脊光波导(8)，多模干涉光分路器(3)与多模干涉光耦合器(4)通过脊光波导(8)相连；该硅光调制器还包括分别位于脊光波导(8)两侧的阳极电极(5)和阴极电极(6)，以及位于脊光波导(8)中的PN结相移臂(7)；其特征在于：

PN结相移臂(7)为“田”型，即由4个PN结组成，包括第一P掺杂区(9)与第一N掺杂区(10)形成的PN结、第二P掺杂区(14)与第二N掺杂区(13)形成的PN结、第一P掺杂区(9)与第二N掺杂区(13)形成的PN结、第二P掺杂区(14)和第一N掺杂区(10)形成的PN结；

“田”型PN结相移臂(7)中的4个PN结被本征硅层(17)分离；第一重P掺杂区(11)和第二重P掺杂区(16)分别引出电极短接作为阴极(6)；第一重N掺杂区(12)和第二重N掺杂区(15)分别引出电极短接作为阳极(5)。