CN102967951A

CN102967951A - 一种电光调制系统和由其构成的电光开关或光衰减器

Info

Publication number: CN102967951A
Application number: CN2012103276599A
Authority: CN
Inventors: 李冰
Original assignee: SHANGHAI GUITONG SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: SHANGHAI GUITONG SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2013-03-13
Also published as: CN202870424U

Abstract

本发明公开了一种电光调制系统和由其构成的电光开关或光衰减器，所述电光调制系统包括电光PIN二极管波导和一对模式变换器，所述电光PIN二极管波导由脊波导构成，其平板区的两侧分别为高浓度掺杂的P型掺杂区和N型掺杂区。所述脊波导的平板区高度小于所述脊波导脊高度的一半。所述脊波导的脊宽与所述脊波导的总高度相近，波导传导的主模的主要能量限制在芯区。所述电光开关或光衰减器，从输入到输出依次包括一个输入Y分支耦合器、一对输入模式变换器、一段由两支并行的电光PIN二极管波导构成的有源波导区、一对输出模式变换器、和一个输出Y分支耦合器。本发明结构能提高载流子注入效率，降低器件总功耗，且具有高消光比。

Description

一种电光调制系统和由其构成的电光开关或光衰减器

技术领域

本发明涉及一种集成光电器件，尤其是一种电光调制系统和由其构成的电光开关或光衰减器。

背景技术

在基于电荷注入的PIN二极管中，对自由载流子浓度在PIN二极管本征区的浓度进行调制，会引起半导体材料折射率及吸收系数(折射率虚部)的变化。

目前已经有许多基于上述结构的硅基电光调制器和电光开关的文献和专利。这一技术的最大问题就是电荷注入效率太低。特别是当PIN二极管由正向电压驱动时，P型掺杂区的多子空穴和N型掺杂区的多子电子对本征区的注入受到P型掺杂区和N型掺杂区掺杂浓度的限制，这成为载流子注入的限制条件。如果想要向本征区注入更多的载流子，必须提高P型掺杂区和N型掺杂区的掺杂浓度，而这会增加光损耗。

而另一方面，基于这一技术的器件的功耗基本上与注入波导芯层(大致上即PIN二极管的本征区)的载流子(或者说电荷)总数成正比。同时，波导芯层的尺寸(约几微米)需要满足器件与光纤有良好的耦合效率的要求，并波导具有较小的偏振相关性。SOI波导的高折射率对比特性使得芯区尺寸大的单模波导横向限制较弱。当用脊波导来实现这样的结构时，波导脊不能太高。而这会引起两个问题：

1)由于波导横向限制很弱，为了减小光耗损，PIN结构的P型掺杂区和N型掺杂区必须足够远离芯区，这会增加本征区的长度。同时，为了维持一定的载流子浓度，所需要的总电荷就会增加，从而增加功耗。

2)脊高比较低，平板区就相对较厚，意味着载流子能够更容易地通过平板区与P型掺杂区的空穴复合，载流子在本征区的寿命较短，所以维持本征区一定载流子浓度所需要的电流较大，增加了功耗。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电光调制系统和由其构成的电光开关或光衰减器，解决现有技术中载流子注入效率不高的问题，降低器件总功耗，且具有高消光比。

本发明通过下述技术方案予以实现：

一种电光调制系统，包括电光PIN二极管波导和一对模式变换器，所述电光PIN二极管波导由在脊波导实施掺杂工艺构成，所述脊波导包括波导脊和平板区，其平板区的两侧分别为P型掺杂区和N型掺杂区，所述P型掺杂区为受主离子掺杂，所述N型掺杂区为施主离子掺杂，所述一对模式变换器包括输入模式变换器和输出模式变换器，其中，

所述脊波导由半导体材料构成，其波导芯区为芯区；所述平板区的高度可以小于所述波导脊高度的一半，使所述脊波导拥有强折射率对比，可以为多模波导，在一些实施例中，所述电光PIN二极管波导的脊波导的平板区的高度尽量小，可以小至保证所述平板区不被刻穿的工艺允许值；所述P型掺杂区和N型掺杂区紧靠所述脊波导的波导芯区，为高浓度掺杂，但仅限制于所述平板区而不进入所述波导芯区，当所述PIN二极管由正向电流驱动时，所述两个掺杂区作为载流子的注入源；所述波导脊的宽度与所述脊波导的总高度相近，波导传导的主模的绝大部分能量分布完全限制在其波导芯区；所述模式变换器的输入模式变换器连接所述电光PIN二极管波导的输入端，将输入单模波导的基模全部转换为所述电光PIN二极管波导的基模；所述模式变换器的输出模式变换器连接所述电光PIN二极管波导的输出端，将所述电光PIN二极管波导的基模全部转换为输出单模波导的基模。所述电管PIN二极管波导上方有外加电极，所述P型掺杂区和N型掺杂区各包括一个位于所述外加电极下方掺杂浓度高的重掺杂区。

一种由上述电光调制系统构成的电光开关或光衰减器，从输入到输出依次包括一个作为输入光分路器的输入Y分支耦合器，一对所述电光调制系统和一个作为输出光合束器的输出Y分支耦合器；所述一对电光调制系统包括第一电光调制系统和第二电光调制系统；所述输入Y分支耦合器由单模波导构成，包括输入单支波导，第一输出分支波导和第二输出分支波导，所述第一输出分支波导连接所述第一电光调制系统的输入模式变换器，所述第二输出分支波导连接所述第二电光调制系统的输入模式变换器；所述输出Y分支耦合器由单模波导构成，包括第一输入分支波导，第二输入分支波导和输出单支波导，所述第一输入分支波导连接所述第一电光调制系统的输出模式变换器，所述第二输入分支波导连接所述第二电光调制系统的输出模式变换器；所述一对电光调制系统中的输入模式变换器将所述输入Y分支耦合器的基模全部转换为所述一对电光调制系统中的电光PIN二极管波导的基模，所述一对电光调制系统中的输出模式变换器将所述电光PIN二极管波导的基模转化成所述输出Y分支耦合器的基模；所述一对电光调制系统中的电光PIN二极管波导可以分别由一对外加电极驱动。

上述电光开关或光衰减器，其中，构成所述输入、输出Y分支耦合器的单模波导包含一段对高次弱导模有高损耗的弯曲波导部分。所述第一电光调制系统中的电光PIN二极管波导有载流子注入，所述第二电光调制系统没有或者有较少载流子注入；所述输入Y分支耦合器的第一输出分支波导输出的光功率高于其第二输出分支波导输出的光功率，且该光功率差异等于所述第一电光调制系统中的电光PIN二极管波导产生的额外光损耗。所述输入Y分支耦合器的第一输出分支波导的起点在光传播方向上位于其第二输出分支波导的起点前方。所述输入Y分支耦合器的第一输出分支波导与其输入单支波导之间的垂直于光传播方向上的间隔，小于其第二输出分支波导与其输入单支波导之间的垂直于光传播方向上的间隔。

本发明技术方案具有以下有益效果：

1、提高载流子注入效率、降低功耗

本发明结构中的波导脊区高度远高于现有结构的波导脊区高度，注入的载流子会在整个脊区积聚，并只能通过厚度较薄的平板区离开脊区。由于少子在硅材料中寿命很长，所以当N型掺杂区注入的电子进入脊区后，通过平板区提供的狭窄通道进入P型掺杂区、并与P型掺杂区的多子空穴复合的比例很小，增加了载流子在本征区的寿命。此外，由于本发明结构的平板区厚度较小，所以维持本征区一定载流子浓度所需要的电流较小。同时，平板区厚度较小，且波导的脊高比较高，增加了横向限制，脊波导的主模主要被限制在波导脊区，在波导平板区的横向扩展很小，因此不会由于P、N型掺杂区的高掺杂浓度而引起很大的光吸引损耗。掺杂区与脊区的间距也可以缩小。因此，这一结构能够有效地提高本征区的载流子注入效率、降低器件的总体功耗。

2、高消光比

在本发明结构中，通过调整输入Y分支耦合器的输入单支波导和两支输出分支波导的相对位置来实现不均匀分光，使得输入Y分支耦合器与有源波导区加电的一支电光PIN二极管波导相连的那一支输入分支波导中光功率略高于另外一支，用于补偿这支电光PIN二极管波导由于载流子注入引起的额外光损耗。这样可以使得两支电光PIN二极管波导中的光束进入输出Y分支耦合器的两支输出分支波导时的光功率相同。当有源波导区两支电光PIN二极管波导中的光信号之间有180度相位差时，两束输出光正好相互抵消，输出Y分支耦合器的输出端光功率为零。

附图说明

图1是由本发明公开的电光调制系统构成的电光开关或光衰减器的示意图。

图2(a)是图1中A-A截面示意图，同时也是本发明公开电光调制系统的电光PIN二极管波导的截面示意图。

图2(b)是图1中B-B截面示意图，同时也是本发明中输入模式变换器的截面示意图。

图3是本发明公开的输入Y分支耦合器的结构示意图。

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：

为了解决现有电光PIN二极管存在的问题，本发明提供了一种包括高注入效率的电光PIN二极管波导和一对模式变换器的电光调制系统，和由这种电光调制系统构成的、单模工作的电光开关或光衰减器。

图1给出了由本发明公开的电光调制系统构成的电光开关或光衰减器的示意图。所述电光开关或光衰减器是一种半导体材料的波导器件。波导的主要导光层是半导体材料，例如硅。如图1所示，所述电光开关或光衰减由输入到输出依次包括一个输入Y分支耦合器，一对电光调制系统和一个输出Y分支耦合器，即输入Y分支耦合器9，一对输入模式变换器7，一段有源波导区6，一对输出模式变换器8，输出Y分支耦合器10。输入Y分支耦合器9和输出Y分支耦合器10由单模波导构成，且两者的分支波导均包含一段对高次弱导模有高损耗的弯曲波导部分。有源波导区6由两支并行电光PIN二极管波导构成，这两支并行电光PIN二极管波导可以视为有源波导区6的两条臂。两个输入模式变换器7分别连接有源波导区6的两条臂的一端，有源波导区6的两条臂的另一端分别连接一个输出模式变换器8。这里，有源波导区6的上臂与分别连接其输入端和输出端的一对模式变换器构成了第一电光调制系统，有源波导区6的下臂与分别连接其输入端和输出端的一对模式变换器构成了第二电光调制系统。

输入Y分支耦合器9，包括输入单支波导，第一输出分支波导和第二输出分支波导。输入Y分支耦合器9的第一输出分支波导连接第一电光调制系统中(包括有源波导区6的上臂的电光调制系统)的输入模式变换器的一端，其第二输出分支波导接第二电光调制系统中(包括有源波导区6的下臂的电光调制系统)的输入模式变换器。输出Y分支耦合器10包括第一输入分支波导，第二输入分支波导和输出单支波导。输出Y分支耦合器10的第一输入分支波导连接第一电光调制系统中(包括有源波导区6的上臂的电光调制系统)的输出模式变换器，其第二输入分支波导接第二电光调制系统中(包括有源波导区6的下臂的电光调制系统)的输出模式变换器。

输入Y分支耦合器9是把入射光一分为二的输入光分路器，一对输入模式变换器7将输入Y分支耦合器9的单模波导的基模全部转换成用于有源波导区6的两支电光PIN二极管波导的基模，一对输出模式变换器8再把有源波导区6的两支电光PIN二极管波导的基模全部转换为输出Y分支耦合器10的单模波导的基模，输出Y分支耦合器10作为输出光合束器把两支输出光重新合并成一支。如图1所示，输入Y分支耦合器9和输出Y分支耦合器10的分支波导还连接有一段对高次弱导模有高损耗的弯曲波导部分。

图2(a)是图1中A-A截面示意图，同时也是本发明公开电光调制系统的电光PIN二极管波导的截面示意图。如图2(a)所示，本发明公开的电光PIN二极管波导是一个基于脊波导的PIN二极管，该脊波导包括波导脊和平板区，其平板区的两侧分别为P型掺杂区和N型掺杂区，所述P型掺杂区为受主离子掺杂。此处脊波导和前述参考文献中的脊波导的最大区别在于，相对于同样波导总高度、脊宽的单模SOI波导，它的脊高度更高。在这种结构的脊波导中，平板区的高度h1应尽量小，小至保证平板区不被刻穿的工艺允许值。因此，平板区的高度h1远小于脊波导的总高度(h1+h2)，在一些实施例中，h1小于等于h2/2。电光PIN二极管波导的波导芯区为本征区，即波导脊1及其下方的硅材料区(脊波导内未掺杂的部分)。P型掺杂区2由平板区的左侧经掺杂P型半导体构成，N型掺杂区4由平板区的右侧经掺杂N型半导体构成，反之亦然。根据器件工作性能的要求，在P、N型掺杂区2、4边界和脊区的边缘之间有一个间隔a1。同时，为了减小偏振相关性，波导脊1的脊宽w3应该与脊波导总高度(h1+h2)相近。P型掺杂区2上方有一个外加电极3，N型掺杂区4上方有一个外加电极5，可以通过对外加电极3和5下方的区域进行重掺杂来确保欧姆接触。

在本发明公开的电光调制系统中，由于电光PIN二极管波导的平板区的高度h1(即P、N型掺杂区的高度)远小于脊波导的总高度h1+h2，即电流注入时存储自由载流子(电子和空穴)的本征区的高度；所以维持本征区一定的载流子浓度所需要的电流远小于现有技术中的电光PIN二极管的相应工作电流。同时，由于脊高h2比较高，脊波导的主模的绝大部分能量分布完全限制在波导芯区，即波导脊1中，所以P型掺杂区2和N型掺杂区4的高掺杂浓度，不会引起很大的波导光吸收损耗，同时间隔a1可以很小(直至由此引起的光损耗不可忽略)。由于P型掺杂区2和N型掺杂区4的掺杂浓度是本征区可以维持的最高载流子浓度，P型掺杂区2和N型掺杂区4的掺杂可以看成是载流子注入源。当本征区的载流子浓度与掺杂浓度(即P型掺杂区2和N型掺杂区4多数载流子的浓度)相同时，PIN二极管会进入电极注入模式，此时载流子(电子)需要填充位于外加电极3、5之间的整个硅材料区域，从而使得器件的总功耗急剧上升。

本发明结构中的波导脊区高度远高于现有结构的波导脊区高度，能够有效地提高其电荷存储量，提高载流子注入效率。这是因为，注入载流子会在整个脊区积聚，但只能通过P、N型掺杂区所在的平板区提供的狭窄的通道离开脊区。尤其是当N型掺杂区注入的电子进入脊区后，唯一可能离开脊区的方式是通过前述平板区提供的狭窄通道进入P型掺杂区、并与P型掺杂区的多子空穴复合。同时，由于少子的寿命在硅材料中很长(通常为微秒级)，本征区的载流子复合占载流子总数的比例很小。本发明公开的电光PIN二极管波导是多模波导，在实际应用中，一般在其之前采用一个模式变换器，将波导传导的单模基模转化为多模基模，确保高次模不被激发，同时在其之后再采用一个模式变换器，将波导传导的多模基模转换为单模基模。

图2(b)的B-B截面给出了输入模式变换器7的结构。如图2(b)所示，模式变换器7、8是在波导脊11上再生成波导脊12的结构。波导脊11与图2(a)中的波导脊1是同一波导脊。从输入端到输出端，波导脊12的宽度逐渐变窄。当波导脊12的宽度w2变到足够窄，大部分光能量会被限制在波导脊12下面的波导中，即波导传导模式转化成电光PIN二极管波导的多模波导的基模。相反，在输出模式变换器8结构中，从输入端到输出端，波导脊12的宽度变化趋势相反，当波导脊12的宽度W1变到足够宽，大部分光能量会进入波导脊12中，波导传导模式逐渐转化成输出Y分支耦合器10的单模波导的基模。

图1和图2所示的结构通常适用于高折射率对比的材料体系中，例如SOI波导。在图2(b)的截面B-B中，14是波导的包覆层材料，在SOI波导结构里通常是氧化硅；15是芯区材料，在SOI波导结构里通常是硅；13是脊两侧的平板波导区；16是作为下包覆层的埋层氧化硅。

为了产生高消光比(器件在截止工作状态下输出光功率接近零)，假设输出Y分支耦合器10(输出光合束器)是均匀合束的，那么经过有源波导区6的两条臂输出的两束光在进入输入Y分支耦合器10(输出光合束器)之前的光功率必须相同。但是，当注入载流子在电光PIN二极管波导构成的有源波导区6产生相位变化时，它会产生额外的光吸收损耗。为了使光输出在输出Y分支耦合器10(输出光合束器)处相互抵消而衰减，有源波导区6的两臂产生的相位变化必须是不同的，但这会使两臂的额外光吸收损耗不同。

本发明提供了输入Y分支耦合器的另一个实施例，以解决这一问题。图3是输入Y分支耦合器的一个实施例的结构示意图，请注意，这里输入Y分支耦合器的弯曲波导部分并没有表示出来。如图3所示，输入Y分支耦合器9包括输入单支波导90和两支输出分支波导91、92。输出分支波导92相对输出分支波导91稍微向后放置来实现非均匀的分光。由于输出分支波导92开始耦合的时间晚于输出分支波导91，输出分支波导91中的光功率会略高于输出分支波导92中的光功率。输入Y分支耦合器9的输入分支波导91通过输入模式变换器与有源波导区6的一支电光PIN二极管波导(上臂)相连，输入分支波导92通过输入模式变换器与有源波导区6的另一支电光PIN二极管波导(下臂)相连。相应地，有源波导区6的上臂用电信号驱动把大量载流子注入到该电光PIN二级管波导的本征区，而有源波导区6的另外一条臂(下臂)则无载流子或较少载流子注入。有源波导区6的上臂产生的额外光损耗，线性相关于由于载流子注入产生的相位变化，例如180度相位变化。通过调整输出分支波导91，92的前后位置，使得一开始进入有源波导区6的上、下臂的光功率差异值等于前述有源波导区6的上臂的额外光损耗，这样在有源波导区6结束端两条臂中的光束在进入输出Y分支耦合器之前的光功率就可以相同。在其他实施例中，还可以调整输入单支波导90和两支输出分支波导91、92之间的相对位置实现上述目的，例如，输出分支波导91与输入单支波导90之间的垂直于光传播方向上的间隔，小于输出分支波导92与输入单支波导90之间的垂直于光传播方向上的间隔，或者将输出分支波导91做得大于输出分支波导92，从而使得一开始进入源波导区6的上、下臂的光功率存在差异，且该差异值等于有源波导区6的上臂由于外加电信号引起的额外光损耗。另外，即使下臂不加电驱动，也可以通过掺杂和加电极使它与上臂在无源情况下完全相同。也可以通过去掉下臂的掺杂和电极以降低器件的总无源光损耗。

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

1.一种电光调制系统，包括电光PIN二极管波导和一对模式变换器，所述电光PIN二极管波导由在脊波导实施掺杂工艺构成，所述脊波导包括波导脊和平板区，其平板区的两侧分别为P型掺杂区和N型掺杂区，所述P型掺杂区为受主离子掺杂，所述N型掺杂区为施主离子掺杂，所述一对模式变换器包括输入模式变换器和输出模式变换器，其特征在于，

所述脊波导由半导体材料构成，其波导芯区为本征区；

所述平板区的高度可以小于所述波导脊高度的一半，使所述脊波导拥有强折射率对比，可以为多模波导；

所述P型掺杂区和N型掺杂区紧靠所述脊波导的波导芯区，为高浓度掺杂，但仅限制于所述平板区而不进入所述波导芯区，当所述PIN二极管由正向电流驱动时，所述两个掺杂区作为载流子的注入源；

所述波导脊的宽度与所述脊波导的总高度相近，波导传导的主模的绝大部分能量分布完全限制在其波导芯区；

所述模式变换器的输入模式变换器连接所述电光PIN二极管波导的输入端，将输入单模波导的基模全部转换为所述电光PIN二极管波导的基模；所述模式变换器的输出模式变换器连接所述电光PIN二极管波导的输出端，将所述电光PIN二极管波导的基模全部转换为输出单模波导的基模。

2.如权利要求1所述的电光调制系统，其特征在于，所述电光PIN二极管波导的脊波导的平板区的高度尽量小，可以小至保证所述平板区不被刻穿的工艺允许值。

3.如权利要求1所述的电光调制系统，其特征在于，

所述电管PIN二极管波导上方有外加电极，所述P型掺杂区和N型掺杂区各包括一个位于所述外加电极下方掺杂浓度高的重掺杂区。

4.一种由权利要求1或2或3所述的电光调制系统构成的电光开关或光衰减器，其特征在于，

所述电光光开关或光衰减器从输入到输出依次包括一个作为输入光分路器的输入Y分支耦合器，一对所述电光调制系统和一个作为输出光合束器的输出Y分支耦合器；

所述一对电光调制系统包括第一电光调制系统和第二电光调制系统；

所述输入Y分支耦合器由单模波导构成，包括输入单支波导，第一输出分支波导和第二输出分支波导，所述第一输出分支波导连接所述第一电光调制系统的输入模式变换器，所述第二输出分支波导连接所述第二电光调制系统的输入模式变换器；

所述输出Y分支耦合器由单模波导构成，包括第一输入分支波导，第二输入分支波导和输出单支波导，所述第一输入分支波导连接所述第一电光调制系统的输出模式变换器，所述第二输入分支波导连接所述第二电光调制系统的输出模式变换器；

所述一对电光调制系统中的输入模式变换器将所述输入Y分支耦合器的基模全部转换为所述一对电光调制系统中的电光PIN二极管波导的基模，所述一对电光调制系统中的输出模式变换器将所述电光PIN二极管波导的基模转化成所述输出Y分支耦合器的基模；

所述一对电光调制系统中的电光PIN二极管波导可以分别由一对外加电极驱动。

5.根据权利要求4所述的电光开关或光衰减器，其特征在于：构成所述输入、输出Y分支耦合器的单模波导包含一段对高次弱导模有高损耗的弯曲波导部分。

6.根据权利要求5所述的电光开关或光衰减器，其特征在于：

所述第一电光调制系统中的电光PIN二极管波导有载流子注入，所述第二电光调制系统没有或者有较少载流子注入；

所述输入Y分支耦合器的第一输出分支波导输出的光功率高于其第二输出分支波导输出的光功率，且该光功率差异等于所述第一电光调制系统中的电光PIN二极管波导产生的额外光损耗。

7.根据权利要求6所述的电光开关或光衰减器，其特征在于：所述输入Y分支耦合器的第一输出分支波导的起点在光传播方向上位于其第二输出分支波导的起点前方。

8.根据权利要求6所述的电光开关或光衰减器，其特征在于：

所述输入Y分支耦合器的第一输出分支波导与其输入单支波导之间的垂直于光传播方向上的间隔，小于其第二输出分支波导与其输入单支波导之间的垂直于光传播方向上的间隔。