CN102741720B - 具有采用水平电场的调制器的光学器件 - Google Patents
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Abstract
光学器件包括在基底上的波导。器件还包括在基底上的调制器。调制器包括配置成从波导接收光信号的电吸收介质。调制器还包括用于在电吸收介质中生成电场的场源。电吸收介质是其中响应于电场在电吸收介质中形成而出现弗朗兹-凯尔迪什效应的介质。场源被配置为使得电场基本上平行于基底。
Description
相关申请
本申请是2009年12月15日提交的名为“Optical Device Having Modulator Employing Horizontal Electrical Field”的美国专利申请序列号12/653,547的继续申请，此处并入其全部内容。
技术领域
本发明涉及光学器件并且更具体而言涉及具有光学调制器的器件。
背景技术
光学和/或光电子器件在通信应用中的应用不断增加。这些器件可以包括用于相位和/或强度调制光信号的调制器。当波导具有亚微米尺度的截面时，这些调制器已能够实现足够的速度。然而，许多通信应用采用更大的波导。当这些调制器与更大的波导一起使用时，它们由于需要载流子行进通过波导的更大尺度而通常失去速度。
由于上述原因，存在对于适合与更大的波导一起使用的调制器的需要。
发明内容
光学器件包括在基底上的波导。该器件还包括在基底上的调制器。调制器包括配置成从波导接收光信号的电吸收介质。调制器还包括用于在电吸收介质中生成电场的场源。电吸收介质是这样的介质，其中响应于电场在电吸收介质中形成，在该介质中出现弗朗兹-凯尔迪什(Franz-Keldysh)效应。场源被配置使得电场基本上平行于基底。
该器件的一个实施例包括在基底上的光学波导。波导配置成引导光信号通过光传输介质。调制器也置于基底上。调制器包括从平板区域延伸的脊。平板区域置于脊的相对面上。电吸收介质被设置为接收来自包括在波导中的光传输介质的光信号的至少一部分。电吸收介质被包括在脊中且也被包括在平板区域中。电吸收介质包括掺杂区域，该掺杂区域设置为使得应用跨过掺杂区域的偏置在包括在脊中的电吸收介质中形成电场。
光学器件的另一实施例包括在基底上的光学波导。波导配置成引导光信号通过光传输介质。调制器置于基底上并且包括配置成从波导接收光信号的电吸收介质。电吸收介质具有侧面，所述侧面每个置于顶面和底面之间，底面位于基底和顶面之间。光传输介质和电吸收介质是不同的材料。调制器还包括场源，该场源配置成用作电吸收介质中电场的源。场源每个接触所述侧面其中之一，并且被场源接触的侧面是在电吸收介质的相对面上。
附图说明
图1A至图1J说明具有配置的光学调制器的光学器件。该调制器包括场源，该场源配置成在电吸收介质中生成基本上水平电场。图1A至图1J中说明的器件采用电吸收介质的掺杂区域作为场源。图1A为器件的透视图。
图1B为包括光学调制器的图1A所示光学器件的部分的俯视图。
图1C为图1A所示器件沿着标记为C的线截取的截面图。
图1D为图1A所示光学器件沿着标记为D的线截取的截面图。
图1E为图1A所示光学器件沿着标记为E的线截取的截面图。
图1F为图1A所示光学器件沿着标记为F的线截取的截面图。
图1G为图1A所示光学器件沿着标记为F的线截取的截面图。
图1H为图1A所示光学器件沿着标记为F的线截取的截面图。图1F、图1G和图1H所示实施例为备选实施例。
图1J为图1A所示光学器件沿着标记为J的线截取的截面图。该截面穿过在具有根据图1F的结构的波导上构建的调制器。
图2A为可以构建在具有根据图1H构建的结构的波导上的调制器的实施例的截面图。
图2B为可以构建在具有根据图1G构建的结构的波导上的调制器的实施例的截面图。
图2C为可以构建在具有根据图1F构建的结构的波导上的调制器的实施例的截面图。
图3为图1B的光学器件的俯视图，其中波导包括水平锥体并且排除竖直锥体。
图4说明具有结合到马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪中的调制器的光学器件。
图5A至图14说明形成具有根据图1A至图1F和图1J构建的调制器的光学器件的方法。
具体实施方式
光学器件包括置于基底上的波导。波导的一部分包括电吸收介质。波导配置成使得被引导通过波导的光信号在电吸收介质中被接收。该器件包括与电吸收介质接触的场源。在调制器的操作期间，电场可以被应用到场源以在电吸收介质中形成电场。电吸收介质可以是在其中出现弗朗兹-凯尔迪什效应的介质。结果，应用电场到电吸收介质引起电吸收介质对光的吸收的增加。电场可以被调谐从而调制光信号的吸收的水平。另外，利用弗朗兹-凯尔迪什效应所需要的电场通常不涉及由电场激发载流子。由于电场的形成和调谐不依赖于载流子的移动，调制器可以提供高速调制。比如，在一些情形中，调制器可以提供约40GHz的调制。
附加地，场源可以布置成使得结果电场基本上平行于基底或者基本上水平。比如，场源可以置于电吸收介质的侧面上。由于电场可以基本上平行于基底，使电吸收介质的宽度变窄则增大调制器的速度。结果，波导的宽度可以水平地逐渐变小从而增大调制速度。另外，可以实现调制速度的这种增大而不减小电吸收介质的高度。结果，可以实现增大的速度而不使用经常与光学损耗和制作挑战关联的竖直锥体。由于调制器速度可以通过利用水平锥体而不使用竖直锥体来增大，调制器可以提供对于具有更大尺度的波导可接受的调制速度。
图1A至图1J说明具有包括调制器的波导的光学器件。图1A为器件的透视图。图1B为包括光学调制器的图1A所示光学器件的部分的俯视图。图1C为图1A所示器件沿着标记为C的线截取的截面图。图ID为图1A所示光学器件沿着标记为D的线截取的截面图。图1E为图1A所示光学器件沿着标记为E的线截取的截面图。图1F为图1A所示光学器件沿着标记为F的线截取的截面图。图1G为图1A所示光学器件沿着标记为F的线截取的截面图。图1H为图1A所示光学器件沿着标记为F的线截取的截面图。图1F、图1G和图1H所示实施例为备选实施例。图1J为图1A所示光学器件沿着标记为J的线截取的截面图。
该器件处于已知为平面光学器件的光学器件的分类内。这些器件典型地包括相对于基板或基底固定的一个或更多波导。光信号沿着波导的传播方向一般平行于器件的平面。器件的平面的示例包括基底的顶面、基底的底面、基板的顶面和/或基板的底面。
所说明的器件包括从顶面12延伸到底面14的侧面10（或边缘）。光信号沿着平面光学器件上波导的长度的传播方向通常延伸通过器件的侧面10。器件的顶面12和底面14是非侧面。
器件包括向和/或从光学部件17运送光信号的一个或更多波导16。可以被包括在器件上的光学部件17的示例包括但不限于从由以下组成的群组选择的一个或更多部件：光信号可以通过其进入和/或退出波导的分面、光信号可以从器件的上面或下面通过其进入和/或退出波导的进入/退出端口、用于将多个光信号组合到单个波导上的多路复用器、用于分离多个光信号使得在不同的波导上接收不同的光信号的解复用器、光学耦合器、光学开关、用作光信号的源的激光器、用于放大光信号的强度的放大器、用于衰减光信号的强度的衰减器、用于将信号调制到光信号上的调制器、将光信号转换成电信号的调制器以及提供用于光信号从器件的底面14行进通过器件到器件的顶面12的光学路径的通孔。附加地，器件可以可选地包括电学部件。比如，器件可以包括用于向波导应用电势或电流和/或用于控制光学器件上的其它部件的电学连接。
波导的一部分包括第一结构，在该第一结构中波导16的一部分限定在置于基底20上的光传输介质18中。比如，如图1C所示，波导16的一部分是部分地由从光传输介质的平板区域向上延伸的脊22限定。在某些情况下，平板区域的顶部由部分地延伸到光传输介质18中或者延伸通过光传输介质18的沟槽24的底部限定。合适的光传输介质包括但不限于硅，聚合物、二氧化硅、SiN、GaAs、InP和LiNbO3。一个或更多覆层(未示出)可选地置于光传输介质上。一个或更多覆层可以用作用于波导16和/或用于器件的覆层。当光传输介质18是硅时，合适的覆层包括但不限于硅、聚合物、二氧化硅、SiN、GaAs、InP和LiNbO3。
凹部25(图1B)延伸到平板区域中，使得脊22置于凹部25之间。凹部25可以仅仅部分延伸到光传输介质18中。从图ID可以明显看出，凹部25可以与脊22隔开。结果，波导16的一部分包括第二结构，在该第二结构中，波导16的上部分是部分地由从平板区域向上延伸的脊22限定，并且波导的下部分是部分地由延伸到平板区域中且与脊隔开的凹部25限定。
如图1E所示，凹部25可以接近脊22，使得脊22的面和凹部25的面组合到单个表面26中。结果，波导的一部分包括第三结构，在该第三结构中，波导部分地由表面26限定。
从图1B可以明显看出，波导的一部分包括电吸收介质27。电吸收介质27配置成从具有第三结构的波导的一部分接收光信号以及将接收的光信号引导到具有第三结构的波导的另一部分。
电吸收介质27从凹部25的底部向上延伸。电吸收介质27配置成引导光信号。比如，如在图1F中可以明显看出，波导的一部分包括第四结构，其中在第四结构中，波导部分地由电吸收介质27的顶面和侧面限定。
在图1F中，电吸收介质27置于光传输介质18的种子部分34上。光传输介质18的种子部分34置于基底20上。具体而言，光传输介质18的种子部分34接触绝缘体28。在某些情况下，当光信号从光传输介质行进到电吸收介质27中时，光信号的一部分进入光传输介质18的种子部分34并且光信号的另一部分进入电吸收介质27。在器件制作期间，光传输介质18的种子部分34可以用于生长电吸收介质27。比如，当光传输介质18是硅并且电吸收介质27是锗或锗-硅时，电吸收介质27可以生长在硅上。结果，将光传输介质18用在波导16中以及用作用于电吸收介质27的生长的种子层可以简化器件制作工艺。
图1G为图1F中说明的第四结构的备选。在图1G中，电吸收介质27置于光传输介质18的种子部分34上，光传输介质18的种子部分34基本上不延伸超出电吸收介质27的侧面。附加地，光传输介质18的平板区域不毗邻电吸收介质27的脊存在。因此，波导的一部分包括第四结构，其中在第四结构中，波导部分地由电吸收介质27的顶面和侧面限定。在某些情况下，当光信号从光传输介质行进到电吸收介质27中时，光信号的一部分进入光传输介质18的种子部分34并且光信号的另一部分进入电吸收介质27。如上所述，电吸收介质27可以生长在光传输介质18的种子部分上。
图1H为图1F和图1G中说明的第四结构的备选。在图1H中，电吸收介质27的脊22从电吸收介质27的平板区域向上延伸。因此，波导的一部分包括第四结构，其中在第四结构中，波导部分地由电吸收介质27的顶面和侧面限定。电吸收介质27的平板区域以及电吸收介质27的脊22二者置于光传输介质18的种子部分34上。结果，光传输介质18的种子部分34位于电吸收介质27和基底20之间。在某些情况下，当光信号从光传输介质行进到电吸收介质27中时，光信号的一部分进入光传输介质18的种子部分34并且光信号的另一部分进入电吸收介质27。如上所述，电吸收介质27可以生长在光传输介质18的种子部分上。
从图1B可以明显看出，在电吸收介质27的每个分面和光传输介质18的分面之间存在界面。该界面可具有一角度，该角度相对于光信号在该界面处传播通过波导16的方向是非垂直的。在某些情况下，界面相对于基底20是基本上垂直，而相对于传播方向是非垂直。界面的非垂直减小背反射的效应。相对于传播方向的合适的界面角度包括但不限于在80°和89°之间的角度以及在80°和85°之间的角度。
毗邻光传输介质18的部分的基底20配置成将来自波导16的光信号反射回到波导16中，从而将光信号限制在波导16中。比如，毗邻光传输介质18的部分的基底20可以是具有比光传输介质18低的折射率的光学绝缘体28。折射率的下降可以导致来自光传输介质18的光信号反射回到光传输介质18中。基底20可以包括置于基板29上的光学绝缘体28。从下面可以明显看出，基板29可以配置成传输光信号。比如，基板29可以由与光传输介质18不同或与光传输介质18相同的光传输介质18构建。在一个示例中，器件构建在绝缘体上硅晶片上。绝缘体上硅晶片包括用作光传输介质18的硅层。绝缘体上硅晶片还包括置于硅基板上的二氧化硅层。二氧化硅层可以用作光学绝缘体28并且硅基板可以用作基板29。
光学器件包括调制器30。调制器在光学器件上的位置由图1B中标记为J的线说明。为了简化图1B，调制器构建的细节未示于图1B。然而，从诸如图1J的其它说明而可以明显看出调制器构建。图1J的调制器可以构建在具有根据图1F的第四结构的波导的部分上。调制器配置成应用基本上平行于基底20的电场到电吸收介质27，从而相位和/或强度调制由调制器接收的光信号。
电吸收介质27可以包括连接底面36和顶面37的侧面35。底面置于顶面和基底20之间。在某些情况下，侧面相对于基底20是基本上垂直的。
电吸收介质27的侧面可以包括掺杂区域40。从图1J可以明显看出，每个掺杂区域40可以向上延伸到电吸收介质27的顶面。每个掺杂区域40可以是N型掺杂区域或P型掺杂区域。比如，每个N型掺杂区域可以包括N型掺杂剂并且每个P型掺杂区域可以包括P型掺杂剂。在某些情况下，电吸收介质27包括为N型掺杂区域的掺杂区域40以及为P型掺杂区域的掺杂区域40。电吸收介质27中掺杂区域40之间的分离导致在调制器30中形成PIN(p型区域-绝缘体-n型区域)结。
在电吸收介质27中，用于N型区域的合适掺杂剂包括但不限于磷和/或砷。用于P型区域的合适掺杂剂包括但不限于硼。掺杂区域40被掺杂从而是电学传导的。P型掺杂区域中P型掺杂剂的合适浓度包括但不限于大于1×1015cm-3、1×1017cm-3或1×1019cm-3和/或小于1×1017cm-3、1×1019cm-3或1×1021cm-3的浓度。N型掺杂区域中N型掺杂剂的合适浓度包括但不限于大于1×1015cm-3、1×1017cm-3或1×1019cm-3和/或小于1×1017cm-3、1×1019cm-3或1×1021cm-3的浓度。
光传输介质18还包括掺杂区域42。光传输介质18中的每个掺杂区域42接触电吸收介质27中的掺杂区域40其中之一。光传输介质18中的掺杂区域42和所接触的掺杂区域40是相同类型的掺杂区域。比如，当电吸收介质27中的掺杂区域40是P型区域时，此掺杂区域40接触光传输介质18中的P型掺杂区域。结果，在某些情况下，光传输介质18中的掺杂区域42其中之一为P型掺杂区域，并且光传输介质18中的掺杂区域42其中之一为N型掺杂区域。
在光传输介质18中，N型区域的合适掺杂剂包括但不限于磷和/或砷。P型区域的合适掺杂剂包括但不限于硼。掺杂区域42被掺杂从而是电学传导的。P型掺杂区域中P型掺杂剂的合适浓度包括但不限于大于1×1015cm-3、1×1017cm-3者1×1019cm-3和/或小于1×1017cm-3、1×1019cm-3者1×1021cm-3的浓度。N型掺杂区域中N型掺杂剂的合适浓度包括但不限于大于1×1015cm-3、1×1017cm-3或1×1019cm-3和/或小于1×1017cm-3、1×1019cm-3或1×1021cm-3的浓度。
光传输介质18中的每个掺杂区域42与诸如金属的电学导体44接触。因此，光传输介质18中的每个掺杂区域42提供电学导体44和电吸收介质27中的掺杂区域40其中之一之间的电学连通。结果，电能可以被应用到电学导体44，从而应用电场到电吸收介质27。从图1J中标记为E的箭头可以明显看出，电吸收介质27中的掺杂区域40用作电场的场源。结果，结果电场基本上平行于基底20。
图2A给出可以简化制作工艺的调制器的另一构建。图2A的调制器可以构建在具有根据图1H构建的第四结构的波导的部分上。
电吸收介质27的脊22从电吸收介质27的平板区域向上延伸。掺杂区域40既位于电吸收介质27的平板区域中，也位于电吸收介质27的脊中。比如，电吸收介质27的掺杂区域40置于电吸收介质27的脊22的侧面上。附加地，掺杂区域40从脊22延伸到电吸收介质27的平板区域中。掺杂区域40从电吸收介质27的脊22过渡到电吸收介质27的平板区域中可以是连续且不间断的，如图2A所示。
电学导体44置于电吸收介质27的平板区域上。具体而言，电学导体44每个接触位于电吸收介质27的平板区域中的掺杂区域40的一部分。
相对于诸如图1J中说明的布置，图2A的布置可以具有简化的制作工艺。比如，在图1J中，掺杂区域40形成于光传输介质18中，并且也形成于电吸收介质27中。会要求不同条件以在不同材料中形成这些区域。比如，当光传输介质18是硅并且电吸收介质27是锗时，会期望使用与用于形成光传输介质18中的掺杂区域42不同的温度来形成电吸收介质27中的掺杂区域40。然而，由于图2A的布置要求掺杂区域应仅仅形成于电吸收介质中，图2A的布置制作起来可以更简单。
尽管图2A说明每个掺杂区域仅仅部分地延伸到电吸收介质的平板区域中，一个或更多掺杂区域可以延伸通过电吸收介质的平板区域。因此，一个或更多掺杂区域可以接触光传输介质18。另外，一个或更多掺杂区域可以延伸通过电吸收介质的平板区域并且延伸到光传输介质18中。
不是利用电吸收介质27中的掺杂区域40作为场源，诸如金属的电学导体44可以被用作场源。比如，图2B为采用电学导体44作为场源的调制器的截面图。图2B的调制器可以构建在具有根据图1G构建的第四结构的波导的部分上。电学导体44从基底20延伸到电吸收介质27的顶面。比如，图2B说明从绝缘体28延伸到电吸收介质27的顶面的电学导体44。光传输介质18的种子部分34位于基底20和电吸收介质27之间。
从图2B可以明显看出，电学导体44可以接触基底20。然而，电学导体44可以与基底20隔开，如图2C中说明。图2C的调制器可以构建在具有根据图1F构建的第四结构的波导的部分上。在图2C中，间隔物层46形成于光传输介质18的顶部上并且抵着电吸收介质27的侧面。电学导体44从间隔物层46的顶部延伸到电吸收介质27的顶面。结果，间隔物层46相对于基底20提升电学导体44的底部。电学导体44还被提升高于电吸收介质27和光传输介质18的种子部分34之间的界面。电学导体44的提升减小了结果电场与电吸收介质27和光传输介质18的种子部分34之间的界面之间的相互作用。
在图1A至图2C的调制器的操作期间，电子装置47(图1A)可以被采用从而应用电能到场源以便在电吸收介质中形成电场。比如，电子装置可以形成场源之间的电压差动。可以形成电场而不生成通过电吸收介质27的显著电流。电吸收介质可以是其中响应于应用电场而出现弗朗兹-凯尔迪什效应的介质。弗朗兹-凯尔迪什效应是通过电吸收介质27的光学吸收和光学相位中的变化。比如，弗朗兹-凯尔迪什效应允许价带中的电子通过吸收光子而被激发到导带中，即使光子的能量低于带隙。为了利用弗朗兹-凯尔迪什效应，有源区域可以具有比待调制的光的光子能量略微更大的带隙能量。场的应用经由弗朗兹-凯尔迪什效应降低了吸收边缘并且使得吸收是有可能的。一旦场被应用，空穴和电子载流子波函数交叠，并且因而电子-空穴对的生成变为有可能。结果，电吸收介质27可以吸收由电吸收介质27接收的光信号并且增大电场则增大电吸收介质27吸收的光的数量。因此，电子装置可以调谐电场从而调谐电吸收介质27吸收的光的数量。结果，电子装置可以强度调制电场从而调制光信号。附加地，利用弗朗兹-凯尔迪什效应需要的电场通常不涉及由电场生成自由载流子。
合适的电吸收介质27包括半导体。然而，不同半导体的光吸收特性是不同的。用于与通信应用中采用的调制器一起使用的合适半导体包括Ge1-xSix(锗-硅)，其中x大于或等于零。在某些情况下，x小于0.05或者0.01。改变变量x可以平移调制是最高效之处的波长范围。比如，当x为零时，调制器合适于1610-1640nm的范围。增大x的值可以将波长范围平移到更低值。比如，约为0.005至0.01的x适合于在c频带(1530-1565nm)中的调制。
应变可以可选地置于电吸收介质27上从而平移调制是最高效之处的波长范围。比如，增大的张应变可以将合适的调制波长的范围平移到更长波长。许多种技术可以被采用以将应变布置在电吸收介质27上。比如，在电吸收介质27生长在光传输介质18的种子部分34上期间，可以创建热诱发应变。这种情况下，应变源于电吸收介质27和种子部分34之间的不同晶格结构。附加地或交替地，一层应变诱发材料可以生长或沉积在电吸收介质27的顶部上。应变诱发介质可以被选择使得电吸收介质27和应变诱发介质的晶格结构的差异在应变诱发介质上提供应变。当电吸收介质27是锗或锗-硅时，合适的应变诱发介质包括但不限于诸如SiO2和SiN的电介质以及诸如铝的金属。应变诱发介质可以接触电吸收介质27，但不需要如此。比如，应变诱发介质可以置于基板29的底部上。在这种情况下，应变诱发介质可以被选择使得应变诱发介质和基板29的晶格结构中的差异可以导致器件弯曲并且因此使电吸收介质27受到应变。当基板29是硅时，合适的应变诱发介质包括但不限于诸如SiO2和SiN的电介质以及诸如铝的金属。
设置在电吸收介质27上的应变的组成和水平可以被选择使得电吸收介质27为直接带隙材料而不是间接带隙材料。
调制器还可以被用作相位调制器。比如，电子装置(未示出)可以被采用从而应用电能到场源以便在电吸收介质中形成相位调制电场。相位调制电场可以改变电吸收介质27的折射率。结果，调谐相位调制电场可以调谐光信号行进通过调制器的速度。相位调制电场可以在下述方面不同于如上所述的强度调制电场：相位调制电场通常弱于用于强度调制的电场。另外，可能存在与如上所述的强度调制关联的某种程度的相位调制。
增大被场源接触的脊电吸收介质27的侧面的部分可以增大调制器的效率。因此，从图1A、图2B和图2A可以明显看出，每个场源可以跨越被场源接触的侧面的顶部与被场源接触的侧面的底部之间的距离。在某些情况下，每个场源从被场源接触的侧面的顶部朝向基底20延伸。交替地，每个场源可以从比被场源接触的侧面的顶部与被场源接触的侧面的底部之间的距离的90%高的位置朝向基底20延伸。每个场源可以从比被场源接触的侧面的顶部与被场源接触的侧面的底部之间的距离的80%高的位置朝向基底20延伸。在一个示例中，每个场源从被场源接触的侧面的顶部的1.0μm之内的位置朝向基底20延伸。
具有第四结构的波导的部分的宽度可以影响调制器的性能。波导或波导的一部分的宽度是指在波导的此部分中限定波导的宽度。比如，调制器中电吸收介质27的脊的顶部的宽度可以影响调制速度。变窄的宽度可以提供更快调制速度。调制器中电吸收介质27的脊的顶部的合适宽度包括但不限于大于0.2μm、0.5μm以及0.75μm和/或小于1.25μm、1.5μm以及2μm的宽度。调制器中电吸收介质27的脊的顶部的优选宽度的示例为1μm。
波导的宽度可以包括配置成使得电吸收介质27在调制器中具有期望宽度的水平锥体。比如，图3为光学器件的俯视图，其中波导16包括锥体48。锥体48可以是水平锥体并且不需要包括竖直锥体，不过竖直锥体是可选的。锥体48其中之一置于调制器之前并且可以使波导逐渐变小到调制器中电吸收介质27期望的宽度。另一锥体48置于调制器之后并且可以使波导返回到期望尺度。
水平锥体出现在光传输介质18中而不是出现在电吸收介质27中。水平锥体每个可以位于具有第一结构的波导的一部分和波导的扩展部分之间。光学器件优选地排除锥体和调制器之间的附加部件，不过其它部件是可以存在的。
波导的扩展部分可以要么是多模，要么是单模。附加地，具有第一结构的波导的部分可以是单模或多模。具有第三结构的波导的部分可以是多模或单模。然而，即使当具有第一结构的波导的部分是单模时，由于相对于在具有第一结构的波导的部分中脊的高度，该脊具有增大的高度，所以具有第三结构的波导的部分可以变为竖直多模。大体上，当具有第三结构的波导的部分是单模时，具有第四结构的波导的部分是单模，以及具有第三结构的波导的部分是多模时，具有第四结构的波导的部分是多模。
鉴于上文，具有第二结构的波导的部分可以是为单模的波导的一部分与为至少竖直多模的波导的一部分之间的过渡。在这些情况下，凹部和脊之间的距离可以逐渐变小从而在此过渡期间减小更高阶模式的激发。在其中具有第二结构的波导的部分不提供是单模的波导的一部分与是多模的波导的一部分之间的过渡的情况下，凹部和脊之间的过渡还可以逐渐变小从而降低更高阶模式的激发。
由于因为利用上述结构而形成的电场基本上平行于基底，改变调制器中电吸收介质27的高度基本上不增大调制速度。结果，在大尺度波导和调制器之间不需要竖直锥体。因此，具有第二结构、第三结构和第四结构的波导的部分每个可以排除竖直锥体。
如上所指出，调制器适合于与适合在通信应用中使用的波导尺度一起使用。因此，具有第一结构的波导16的部分(图1C)的合适高度(脊22的顶部与基底之间的距离)包括但不限于大于1μm、2μm和3μm的高度。对于具有第一结构的波导16的部分(图1C)，脊的合适宽度包括但不限于大于0.25μm、0.5μm和0.75μm的距离。
由于具有第二结构、第三结构和第四结构的波导的部分每个可以排除竖直锥体，波导的这些部分的每一个的高度(脊22的顶部与基底之间的距离)可以大约相同。在一些情形中，具有第一结构的波导的部分的高度(脊22的顶部与基底之间的距离)与第二结构、第三结构以及第四结构的高度相同。
凹部延伸到光传输介质的平板区域中的合适深度包括但不限于大于1.5μm、2.5μm以及3μm和/或小于3.5μm、4μm以及4.5μm的深度。在具有第一结构的波导的部分中，脊的合适高度(脊的顶部与光传输介质的平板部分的顶部之间的距离)包括但不限于大于2μ、3μm以及3.5μm和/或小于4μm、4.5μm以及5μm的高度。
如图4示意性说明，上述调制器可以结合到马赫-曾德干涉仪中。马赫-曾德干涉仪包括输入波导60、输出波导62以及分支波导64。第一分离器66和/或组合器将被引导在输入波导上的光信号分割成分支信号，分支信号每个位于分支波导其中之一上。第二分离器和/或组合器68将分支信号组合成输出波导上的输出信号。
第一调制器70配置成调制分支波导其中之一上的分支信号，并且第二调制器72配置成调制另一分支波导上的分支信号。第一调制器和第二调制器可以如上所述配置并且每个可以作为相位调制器来操作。通过控制各分支波导上光信号之间的相位差，输出光信号的强度可以被调制。结果，将调制器作为相位调制器操作可以导致光信号的强度调制。
一个或更多分支波导可以可选地包括诸如用于平衡不同分支波导上的强度的可变光学衰减器74的其它部件。尽管调制器示为置于每个分支波导上，仅仅一个分支波导需要包括调制器从而实现强度调制。
可以利用在集成电路、光电子电路和/或光学器件的制作中采用的制作技术构建光学器件。图5A至图14说明形成具有根据图1A至图1F和图1J构建的调制器的光学器件的方法。利用绝缘体上硅晶片或芯片作为光学器件的起始前体来说明该方法。然而，该方法可以调适到与绝缘体上硅平台不同的平台。
图5A至图5C说明形成于绝缘体上硅晶片或芯片上以提供器件前体的第一掩模50。图5A为器件前体的俯视图。图5B为图5A所示器件前体沿着标记为B的线截取的截面图。图5C为图5A所示器件前体沿着标记为C的线截取的截面图。第一掩模50露出其中将形成电吸收腔体52的器件前体的区域，而器件前体的所说明的部分的其余部分被保护。电吸收腔体52为其中将形成电吸收介质的器件前体的区域。随后执行第一蚀刻从而形成电吸收腔体52。第一蚀刻产生图5A至图5C的器件前体。执行第一蚀刻，使得光传输介质18的种子部分34保留在基底20上。因此，在达到基底20之前，第一蚀刻终止。
合适的第一掩模50包括但不限于诸如二氧化硅掩模的硬掩模。合适的第一蚀刻包括但不限于干法蚀刻。
如图6A至图6C所示，电吸收介质27形成于图5A至图5C的传感器腔体52中。图6A为器件前体的俯视图。图6B为图6A所示器件前体沿着标记为B的线截取的截面图。图6C为图6A所示器件前体沿着标记为C的线截取的截面图。当光传输介质18是硅并且电吸收介质27是锗或锗-硅时，电吸收介质27可以生长在硅的种子部分34上。在形成电吸收介质27之后，第一掩模50可以被移除并且器件前体可以被平坦化。合适的抛光方法包括但不限于化学机械抛光(CMP)工艺。
第二掩模54可以形成于器件前体上从而提供图7A至图7C的器件前体。图7A为器件前体的俯视图。图7B为图7A所示器件前体沿着标记为B的线截取的截面图。图7C为图7A所示器件前体沿着标记为C的线截取的截面图。第二掩模54形成为使得波导的脊将形成之处的区域被保护，而器件前体的所说明的部分的其余部分仍被露出。合适的第二掩模54包括诸如二氧化硅掩模的硬掩模。
在图7A至图7C的器件前体上执行第二蚀刻以提供图8A至图8C的器件前体。图8A为器件前体的俯视图。图8B为图8A所示器件前体沿着标记为B的线截取的截面图。图8C为图8A所示器件前体沿着标记为C的线截取的截面图。由于第二蚀刻同时蚀刻光传输介质18和电吸收介质27，第二蚀刻将光传输介质18和电吸收介质27蚀刻到不同深度。比如，图8B说明电吸收介质27被蚀刻得深于光传输介质18。通过置于脊22的任一面上的电吸收介质27向下至底下的光传输介质18执行第二蚀刻。合适的第二蚀刻包括但不限于干法蚀刻，该干法蚀刻可以蚀刻光传输介质18和电吸收介质27二者。
第三掩模56形成于图8A至图8C的器件前体上，如图9A至图9C的器件前体所示。图9A为器件前体的俯视图。图9B为图9A所示器件前体沿着标记为B的线截取的截面图。图9C为图9A所示器件前体沿着标记为C的线截取的截面图。第三掩模56的部分形成于第二掩模54上方。第三掩模56形成为使得凹部的锥体部分将形成之处的器件前体上的位置保持露出，而器件前体的所说明的部分的其余区域被保护。凹部的锥体部分是与脊22隔开的凹部的部分。
随后执行第三蚀刻从而提供图10A至图10C的器件前体。图10A为器件前体的俯视图。图10B为图10A所示器件前体沿着标记为B的线截取的截面图。图10C为图10A所示器件前体沿着标记为C的线截取的截面图。执行第三蚀刻至大约电吸收介质27在第二蚀刻期间被蚀刻的深度。结果，第三蚀刻形成凹部25的锥体部分。
合适的第三掩模56包括但不限于光致抗蚀剂。合适的第三蚀刻包括但不限于干法蚀刻。
第三掩模56被移除并且掺杂区域40、42形成于光传输介质18中以及电吸收介质27中从而提供图11A和图11B的器件前体。图11A为器件前体的俯视图。图11B为图11A所示器件前体沿着标记为B的线截取的截面图。通过在器件前体上形成掺杂掩模，使得n型掺杂区域的位置被露出并且器件前体的所说明的部分的其余部分被保护，可以生成n型掺杂区域。高角度掺杂剂注入工艺可以被采用以形成n型掺杂区域。可以随后移除掺杂掩模。随后可以采用相同顺序以形成p型掺杂区域。p型掺杂区域可以在n型掺杂区域之前形成，或者n型掺杂区域可以在p型掺杂区域之前形成。
从图11A和图12B的器件前体移除第二掩模54，并且形成第一覆层58于器件前体上从而提供图12的器件前体。图12为通过调制器正被形成之处的区域(诸如图11B的截面图)的器件前体的截面图。第一覆层58形成为使得被电学导体44接触的掺杂区域42的部分保持露出并且器件前体的所说明的部分的其余部分被第一覆层58保护。合适的第一覆层58包括但不限于随后利用光刻图案化的PECVD沉积的二氧化硅。
电学导体44形成于图12的器件前体上，从而提供图13的器件前体。图12为通过调制器正被形成之处的区域(诸如图11B的截面图)的器件前体的截面图。电学导体44可以形成为使得每个电学导体44从掺杂区域42其中之一延伸，延伸到凹部25外，并且延伸到光传输介质18上方。合适的电学导体44包括诸如钛和铝的金属。金属可以通过溅射沉积并且通过光刻图案化。
第二覆层60可以可选地形成于图13的器件前体上从而提供图14的器件前体。图12通过调制器正被形成之处的区域(诸如图11B的截面图)的器件前体的截面图。从图14可以明显看出，第二覆层60可以被图案化使得第二覆层60限定电学导体44的接触焊盘。合适的第二覆层60包括但不限于随后利用光刻图案化的PECVD沉积的SiN。在移除在光刻期间形成的光致抗蚀剂之后，图14的器件前体可以被烧结以形成光学器件。
器件可以结合与接触焊盘电学连通的电子装置使用。电子装置可以应用电能到接触焊盘。用于操作上述调制器的合适电子装置可以包括控制器。合适的控制器包括但不限于通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑器件、离散硬件部件或者设计成执行归功于电子装置的功能的其任意组合。通用处理器可以是微处理器，但是在备选中，控制器可包括任何常规处理器、微控制器或者状态机，或由以上组成。控制器还可以实施为计算器件的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心结合的一个或更多微处理器或者任何其它这种配置。
电子装置可以可选地包括与控制器连通的存储器。电子装置可以将用于执行电子装置的功能的数据存储在存储器中。存储器可以合适于读和/或写操作的任何存储器件或者存储器件组合。
在某些情况下，电子装置包括与控制器通信的计算机可读取介质。计算机可读取介质可具有由控制器执行的一组指令。控制器可以读取和执行包括在计算机可读取介质上的指令。控制器执行指令使得电子装置执行一个或更多所描述的功能。计算机可读取介质可以不同于存储器或者可以与存储器相同。合适的计算机可读取介质包括但不限于诸如CD的光盘、磁性存储盘、压缩磁盘、磁带、RAM和ROM。与在固件和/或软件中执行电子装置的某些功能相对，这些功能可以利用硬件执行。
图4A至图14的方法可以调适为形成如上所述的其它实施例。比如，通过置于脊22的任一面上的电吸收介质27以及通过底下的光传输介质18向下到基底20而执行第二蚀刻，可以生成图1G的结构。交替地，通过在蚀刻通过置于脊22的任一面上的电吸收介质27之前停止第二蚀刻，并且在底下的光传输介质18上留下一层电吸收介质27，可以生成图1H的结构。
鉴于这些教导，本领域普通技术人员将容易想到本发明的其它实施例、组合和修改。因此，本发明仅由下面的权利要求限定，所述权利要求包括结合上述说明书和附图观察时的所有这样的实施例及修改。
Claims (18)
1.一种光学器件，包括：
在基底上的波导，该波导配置成引导光信号通过光传输介质；以及
置于基底上的调制器，
该调制器包括具有侧面的电吸收介质，每个所述侧面在顶面和底面之间延伸，底面位于基底和顶面之间，
该电吸收介质配置成接收来自波导中的光传输介质的光信号的至少一部分，
该光传输介质和电吸收介质为不同的材料，
场源，配置成用作电吸收介质中电场的源，
该电吸收介质为其中响应于电场在电吸收介质中形成而出现弗朗兹-凯尔迪什效应的介质，
每个所述场源为电吸收介质的掺杂区域，以及每个所述场源接触所述侧面之一，并且被场源接触的侧面位于电吸收介质的相对面上。
2.根据权利要求1所述的器件，其中被场源之一接触的每一个所述侧面垂直于基底。
3.根据权利要求1所述的器件，其中光传输介质和电吸收介质在界面处彼此接触，该界面配置成使得光信号行进通过该界面，该界面相对于光信号在该界面处传播通过波导的方向成非直角的角度。
4.根据权利要求3所述的器件，其中该角度是在80°和89°之间。
5.根据权利要求1所述的器件，其中光传输介质的种子部分置于电吸收介质和基底之间，并且
电吸收介质接触光传输介质的种子部分。
6.根据权利要求1所述的器件，其中每个场源为金属。
7.根据权利要求6所述的器件，其中光传输介质的种子部分置于电吸收介质和基底之间，
电吸收介质接触光传输介质的种子部分，以及
每个场源设置为使得在场源中包括的金属的最低部分在光传输介质的种子部分之上。
8.根据权利要求1所述的器件，其中每个场源跨越被场源接触的侧面的顶部和被场源接触的侧面的底部之间的距离。
9.根据权利要求1所述的器件，其中每个场源从被场源接触的侧面的顶部朝向基底延伸。
10.根据权利要求1所述的器件，其中每个场源从超过被场源接触的侧面的顶部和被场源接触的侧面的底部之间的距离的90%的位置朝基底延伸。
11.根据权利要求1所述的器件，其中每个场源从在侧面的顶部的1μm内的位置朝基底延伸。
12.根据权利要求1所述的器件，其中波导包括水平锥体，该水平锥体设置为使得波导从锥体直接行进到调制器。
13.根据权利要求1所述的器件，其中调制器包括脊，该脊从置于该脊的相对面上的平板区域延伸，并且电吸收介质被包括在脊中且也被包括在平板区域中。
14.根据权利要求13所述的器件，其中掺杂区域置于脊的相对面上。
15.根据权利要求13所述的器件，其中包括在每个平板区域中的电吸收介质与包括在脊中的电吸收介质是连续的。
16.根据权利要求13所述的器件，其中一个或更多掺杂区域被包括在所述平板区域之一和所述脊二者之中。
17.根据权利要求13所述的器件，其中一个或更多电触点被置于所述电吸收介质上，该电吸收介质被包括在平板区域之一中。
18.根据权利要求13所述的器件，其中每个电触点被置于所述电吸收介质上，该电吸收介质被包括在平板区域之一中，使得脊置于所述电触点之间。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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