CN105474078A - 锗硅电吸收调制器 - Google Patents
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Abstract
提供一种电吸收调制器(100)，包括：衬底层(110)，包括硅衬底(112)及设置于所述硅衬底上的氧化层(114)；顶层硅(120)，形成于所述氧化层(114)上，且所述顶层硅(120)上形成一波导层(122)；掺杂层，包括第一掺杂平板(132)及第二掺杂平板(133)，所述第一掺杂平板(132)上形成一第一类型轻掺杂区(134)，所述第二掺杂平板(133)上形成一第二类型轻掺杂区(135)，且所述第一类型轻掺杂区(134)、波导层(122)及第二类型轻掺杂区(135)形成一PIN结；调制层(140)，设置于所述波导层(122)上并与所述PIN结并联；对于一特定波长的入射光束，当所述PIN结上加载反向的调制电信号时，所述调制层(140)对所述光束的光吸收系数随所述调制电信号的变化而变化，所述光束通过调制区域后的光功率也相应变化，从而实现了对光束的电光调制。
Description
锗硅电吸收调制器
技术领域
本发明涉及光互连领域， 尤其涉及一种锗硅电吸收调制器。 背景技术
硅材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上有着绝对的 优势。 然而传统的以金属线和电介质为基础的互连方案由于在延迟、功耗和带 宽等方面的限制，难于满足未来众核片上系统全局的需求。 光互连与电互连相 比具有带宽大、 功耗低、 延迟小等优势， 因而有望全面解决当前电互连所面临 的问题。 近年来， 硅基光互连受到了研究者的广泛关注， 并得到了突飞猛进的 发展。硅基调制器是硅基光互连技术的基础性器件之一，也是近年来重要的研 究课题， 其中， 常见的硅基调制器有基于自由载流子色散效应的调制器和基于 电吸收的调制器。
基于自由载流子色散效应的调制器是指通过在硅调制区施加电压引起硅 的内部载流子分布变化， 由于自由载流子的色散效应， 光在硅中的折射率也会 发生变化， 从而实现对光信号的调制。 目前， 基于自由载流子色散效应的调制 器主要有两种： 一是硅马赫增德尔（Mach-Zehnder lnterferomet, MZI )调制器， 其优点是有较高的调制速率和较大的光学带宽， 缺点是尺寸大， 功耗高， 而且 需要行波等； 二是硅微环调制器， 其优点是尺寸小， 调制速率高， 缺点是对温 度极其敏感， 调制带宽很小， 工艺容差也很小， 实用性偏差。
基于电吸收的调制器是指利用半导体中的电光效应 (Franz-Keldysh 效应） 制作而成的光信号调制器件， 其具有调制带宽大、 功耗低、 实用的光学带宽和 可接受的消光比等优点。但是由于硅的电光效应很弱， 因此需要引入第二种材 料与硅掺杂进行改善。 锗材料在 C波段（ 1550nm ) 内有显著的电光效应， 并 且与传统的互补金属氧化物半导体 ( Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS )工艺完全兼容， 因此利用锗作为第二种材料制作锗或 锗硅电吸收调制器是有前景的选择方案之一。
锗或锗硅调制器具有尺寸小， 功耗低， 调制速率高等优点。 锗或锗硅调制 区和硅基波导的耦合是这类调制器的主要课题。 目前主要有两种耦合方式： 一
是锗或锗硅调制区和硅基波导直接对准耦合。然而，由于硅和锗存在折射率差， 直接对准耦合将会存在端面反射，造成耦合损耗，而且目前的制作方法中 , PIN 结都是制作在锗调制区上， 这样会引起掺杂区对光的吸收， 造成吸收损耗， 另 夕卜， 直接对准耦合的制作工艺复杂， 不易实现； 二是利用倏逝波进行耦合。 这 种耦合结构包括新加坡 ime提出的水平方向 PIN结的结构和中科院半导体所提 出的垂直方向 PIN结的结构， 其中， ime所提出的水平方向 PIN结的结构由于 没有考虑模场稳定所需要的传播长度,造成了比较大的传播损耗且 PIN结制作 到了锗调制区上，造成吸收损耗。而中科院半导体所提出的垂直 PIN结的结构 制作工艺比较复杂， 需要多次生长、 刻蚀和掺杂等工艺， 而且为了使 n++ Si 容易制作， 锗硅调制区较宽， 造成调制区为多模， 影响通信容量和传输距离。 发明内容
有鉴于此， 本发明的目的在于提供一种锗硅电吸收调制器，通过选择性外 延生长所述调制层，并釆用调制层与 PIN结并联的结构设计， 简化了工艺流程 和制作难度， 所述电吸收调制器具有尺寸小、 3dB带宽大、 功耗低、 插入损耗 小等优点。
第一方面， 提供了一种电吸收调制器， 包括：
衬底层， 包括硅衬底及设置于所述硅衬底上的氧化层；
顶层硅， 设置于所述氧化层上， 且所述顶层硅上形成一波导层；
掺杂层， 形成于所述顶层硅上， 所述掺杂层包括第一掺杂平板及第二掺杂 平板， 所述第一掺杂平板上形成一第一类型轻掺杂区， 所述第二掺杂平板上形 成一第二类型轻掺杂区，且所述第一类型轻掺杂区及所述第二类型轻掺杂区位 于所述波导层的两侧并紧贴所述波导层， 所述第一类型轻掺杂区、 波导层及第 二类型轻掺杂区形成一 PIN结；
调制层， 设置于所述波导层上并与所述 PIN结并联；
一特定波长的光束沿所述波导层传播，并进入所述调制层及所述波导层构 成的调制区域后，在所述调制层及所述波导层之间震荡传播， 当所述第一类型 轻掺杂区及第二类型轻掺杂区上加载反向的调制电信号时，所述调制层对所述 光束的光吸收系数随所述调制电信号的变化而变化，所述光束通过所述调制区
域后的光功率也相应变化， 从而实现了对光束的电光调制。
在第一方面的第二种可能的实施方式中，所述波导层及掺杂层上生长形成 一二氧化硅层， 所述二氧化硅层通过刻蚀获得一选择外延区， 所述选择外延区 用于生长所述调制层，选择所述选择外延区在第一方向上的开孔宽度，控制生 长得到的所述调制层的厚度及形状，从而所述调制层的尺寸满足所述光束在所 述波导层及所述调制层中传播时所需的模式匹配要求。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，在第三种可能的实施方式中， 所 述选择外延区沿第二方向上的长度为生长得到的所述调制层的长度，所述光束 在所述调制区域中传播时， 光功率以 e//、的震荡周期在所述调制层和
波导层之间震荡， 所述调制层的长度为所述震荡周期的整数倍， 其中， 为所 述光束的波长， 《 为所述光束在所述调制层内的有效折射率， 《f为所述光 束在所述波导层内的有效折射率。
结合第一方面的第三种可能的实施方式，在第四种可能的实施方式中， 所 述第一方向为所述调制电信号加载的方向，所述第二方向为所述光束传播的方 向， 且所述第一方向垂直所述第二方向。
在第一方面的第五种可能的实施方式， 所述掺杂层还包括：
第一类型重掺杂区， 形成于所述第一掺杂平板上， 其中， 所述第一类型轻 掺杂区位于所述第一类型重掺杂区与所述波导层之间，所述第一类型重掺杂区 的掺杂浓度大于所述第一类型轻掺杂区的掺杂浓度；
第二类型重掺杂区， 形成于所述第二掺杂平板上， 其中， 所述第二类型轻 掺杂区位于所述第二类型重掺杂区与所述波导层之间，所述第二类型重掺杂区 的掺杂浓度大于所述第一类型轻掺杂区的掺杂浓度。
结合第一方面的第五种可能的实施方式，在第六种可能的实施方式中， 所 述第一类型为 N型， 所述第二类型为 P型， 所述在所述第一类型轻掺杂区及 第二类型轻掺杂区上加载反向的调制电信号为，在所述第一类型轻掺杂区电性 接入所述调制电信号的正极，并在所述第二类型轻掺杂区电性接入所述调制电
信号的负极；
或者所述第一类型为 P型， 所述第二类型为 N型， 所述在所述第一类型 轻掺杂区及第二类型轻掺杂区上加载反向的调制电信号为，在所述第一类型轻 掺杂区接入所述调制电信号的负极，并在所述第二类型轻掺杂区接入所述调制 电信号的正极。
结合第一方面的第五种可能的实施方式，在第七种可能的实施方式中， 所 述电吸收调制器还包括：
金属层， 包括第一金属电极层及第二金属电极层， 所述第一金属电极层形 成于所述第一类型重掺杂区上，所述第二金属电极层形成于所述第二类型重掺 杂区上。
结合第一方面的第七种可能的实施方式，在第八种可能的实施方式中， 所 述电吸收调制器还包括：
覆盖层， 形成于所述顶层硅上， 并覆盖所述顶层硅、 掺杂层、 波导层及所 述调制层。
结合第一方面的第八种可能的实施方式，在第九种可能的实施方式中， 所 述覆盖层上开设有第一过孔及第二过孔，所述第一过孔与所述第一金属电极层 连通， 所述第二过孔与所述第二金属电极层连通，从而通过所述第一过孔及第 二过孔在所述第一金属电极及第二金属电极上加载所述调制电信号。
在第一方面的第十种可能的实施方式， 所述波导层为脊形波导， 该波导层 由硅制成。
在第一方面的第十一种可能的实施方式，所述调制层由锗和硅按照预定的 比例混合制成。
在第一方面的第十二种可能的实施方式， 所述电吸收调制器还包括： 调制緩冲层， 设置于所述波导层与所述调制层之间。
在第一方面的第十三种可能的实施方式，所述调制区域内具有由所述 PIN 结引起的内建电场， 当在所述 PIN结上加载反向的调制电信号时，所述调制层 内的内建电场随所述调制电信号的变化而变化， 当所述调制电信号增大时， 所 述内建电场增大， 所述调制层对所述光波的光吸收增大， 当所述调制电信号减 小时， 所述内建电场减小， 所述调制层对所述光波的光吸收减小。
本发明提供的电吸收调制器，通过设计形成一水平的 PIN结，并通过刻蚀 选择外延区， 以生长得到所述调制层， 所述调制层的长度、 厚度由所述选择外 延区决定， 从而所述调制层的长度和宽度满足横向单模、 纵向两个导波模式。 所述调制层与所述 PIN结并联， 当所述 PIN结上反向加载调制电信号时， 所 述调制层内存在由所述调制电信号决定的内建电场， 由于所述 Franz-Keldysh 效应，所述调制层对所述入射光束的光吸收系数根据所述内建电场的变化而变 化， 从而实现了对所述入射光束的电光调制。 本发明提供的电吸收调制器， 具 有工艺流程简单、 制作难度较低、 尺寸小、 3dB带宽大、 功耗低、 插入损耗小 等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 方式， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以 根据这些附图获得其他的附图。
图 1是本发明实施例提供的电吸收调制器的结构示意图。
图 2 ( a )及图 2 ( b )是所述调制层在不同的开孔宽度下的形状示意图。 图 3是图 1所示的电吸收调制器在加载调制电信号后的内建电场分布图。 图 4 ( a )是所述电吸收调制器在 "关" 态下的光强变化图。
图 4 ( b )是所述电吸收调制器在 "开" 态下的光强变化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
请参阅图 1 , 本发明实施例提供一种电吸收调制器 100, 所述电吸收调制 器 100包括衬底层 110、 顶层硅 120、 掺杂层及调制层 140, 所述顶层硅 120 位于所述衬底层 110上， 且所述顶层硅 120上形成一波导层 122, 所述掺杂层
形成于所述顶层硅 120上， 该掺杂层包括第一掺杂平板 132及第二掺杂平板 133 ,所述第一掺杂平板 132及所述第二掺杂平板 133分别位于所述波导层 122 的两侧且紧贴所述波导层 122。 所述调制层 140形成于所述波导层 122上并与 所述波导层 122构成一调制区域。一特定波长的光束沿第二方向 (即图 1所示 的 y方向）在所述波导层 122中传播， 并进入所述调制区域后， 在所述波导层 122及所述调制层 140之间震荡传播， 当所述第一掺杂平板 132及第二掺杂平 板 133上沿第一方向（即图 1所示的 X方向）反向加载调制电信号时， 所述调 制层 140对该特定波长的光束的光吸收系数随所述调制电信号的强度的变化 而变化， 从而实现了对所述光束的光强 （或光功率）调制。
在本发明实施例中， 所述衬底层 110包括硅衬底 112和氧化层 114, 所述 氧化层 114形成于所述硅衬底 112上， 且所述硅衬底 112可由硅制成， 所述氧 化层 114可由二氧化硅制成。 所述顶层硅 120设置于所述氧化层 114之上，从 而所述硅衬底 112、 所述氧化层 114及所述顶层硅 120形成了绝缘衬底上的硅 ( Silicon-On-Insulator , SOI ) 。
在本发明实施例中， 所述波导层 122 及所述掺杂层可通过在所述顶层硅
120上刻蚀以及掺杂获得， 其中， 所述波导层 122可为脊形波导， 且较佳地， 所述波导层 122满足单模条件。所述掺杂层的第一掺杂平板 132及第二掺杂平 板 133分别位于所述波导层 122的两侧并紧贴所述波导层 122, 较佳地， 所述 波导层 122、 第一掺杂平板 132及第二掺杂平板 133的顶部保持平齐并位于同 一水平面上。
在本发明的实施例中，所述第一掺杂平板 132可通过光刻的方法形成一第 一轻离子注入区，所述第二掺杂平板 133可通过光刻的方法形成一第二轻离子 注入区， 其中， 所述第一轻离子注入区及所述第二轻离子注入区位于所述波导 层 122的两侧，且紧贴所述波导层 122,所述第一轻离子注入区注入 N型离子， 如磷， 砷等离子， 以形成第一类型轻掺杂区 134。 所述第二轻离子注入区注入 P型离子， 如硼， 镓等离子， 以形成第二类型轻掺杂区 135 , 此时所述第一类 型为 N型， 而所述第二类型为 P型， 注入的离子浓度可根据实际的需要进行 选择， 如可选择为 4 x 1017/cm3的注入浓度。 所述第一类型轻掺杂区 134、 所 述波导层 122及所述第二类型轻掺杂区 135形成一 PIN结，其中，在所述波导
层 122与所述第一类型轻掺杂区 134的交界面形成第一空间电荷区，所述第一 空间电荷区包含有自由电子， 在所述波导层 122与所述第二类型轻掺杂区 135 的交界面形成第二空间电荷区， 所述第二空间电荷区包含有自由空穴， 所述第 一空间电荷区及所述第二空间电荷区之间形成内建电场，且所述内建电场的电 力线的方向由所述第二类型轻掺杂区 135指向所述第一类型轻掺杂区 134, 并 穿过所述波导层 122。 可以理解的是， 在本发明的其他实施例中， 也可以在所 述第一离子注入区注入 P型离子形成所述第一类型轻掺杂区 134 , 而在所述第 二离子注入区注入 N型离子形成所述第二类型轻掺杂区 135 ,此时所述第一类 型为 P型， 所述第二类型为 N型， 所述内建电场的电力线的方向由所述第一 类型轻掺杂区 134指向所述第二类型轻掺杂区 135 , 且穿过所述波导层 122。
在本发明实施例中，所述掺杂层还可通过光刻的方法在所述第一掺杂平板 132上形成一第一重离子注入区及在所述第二掺杂平板 133上形成一第二重离 子注入区， 其中， 所述第一重离子注入区注入与所述第一类型轻掺杂区 134 同类型的离子 （如同为 N型离子或同为 P型离子） ， 以形成第一类型重掺杂 区 136 , 所述第一类型轻掺杂区 134位于所述第一类型重掺杂区 136及所述波 导层 122之间。所述第二重离子注入区注入与所述第二类型轻掺杂区 135同类 型的离子（如同为 P型离子或同为 N型离子），以形成第二类型重掺杂区 137 , 所述第二类型轻掺杂区 135位于所述第二类型重掺杂区 137及所述波导层 122 之间。所述第一类型重掺杂区 136及所述第二类型重掺杂区 137注入的离子浓 度可根据实际需要进行选择， 如可为 l x l02°/cm3 , 由于离子的扩散效应， 所 述第一类型重掺杂区 136的离子将向所述第一类型轻掺杂区 134扩散，所述第 二类型重掺杂区 137的离子将向所述第二类型轻掺杂区 135扩散，从而在扩散 区域产生两个重叠区， 所述重叠区内的离子浓度介于 4 x 1017/cm3与 l x 102Q/cm3之间， 并沿第一（二）类型重掺杂区指向第一（二）类型轻掺杂区的 方向递减。所述第一类型重掺杂区 136及所述第二类型重掺杂区 137用于加载 调制电信号以使所述第一类型轻掺杂区 134及所述第二类型轻掺杂区 135加载 所述调制电信号。此外， 由于所述第一类型重掺杂区 136及所述第二类型重掺 杂区 137距离所述调制层 140 的距离较远， 因而所述第一类型重掺杂区 136 及所述第二类型重掺杂区 137对入射的光束的吸收损耗可以忽略。
需要说明的是，在本发明实施例中，所述电吸收调制器 100还包括金属层， 所述金属层包括第一金属电极层 138及第二金属电极层 139 , 其中， 所述第一 金属电极层 138形成于所述第一类型重掺杂区 136上， 所述第二金属电极层 139形成于所述第二类型重掺杂区 137上， 所述调制电信号的正负极通过电性 连接所述第一金属层 138及所述第二金属层 139, 以加载到所述第一类型重掺 杂区 136及第二类型重掺杂区 137上， 从而减小了加载时产生的接触电阻。
请一并参阅图 2 ( a )及图 2 ( b ), 在本发明实施例中， 所述调制层 140可 由锗和硅按照一定的比例混合制成， 所述调制层的生长步骤具体为： 首先， 根 据实际的需要选择锗和硅的混合比例， 以获得所需的生长材料。作为一种常用 的实施方式， 所述电吸收调制器 100的工作窗口一般选择在 C波段， 即入射 的光束的波长在 1550nm附近， 因而需要将所述调制层 140的电场致光吸收系 数变化明显波段（即当入射光束的波长位于所述电场致光吸收系数变化明显波 段时， 在调制电信号作用下， 所述调制层 140的光吸收系数的变化较明显）转 移至 1550nm 附近。 其中， 锗的电场致光吸收系数变化明显波段大致为 1620nm-1640nm, 通过在锗中掺入一定比例的硅， 可以使获得的锗硅混合材料 ( 即所述调制层 140 ) 的电场致光吸收系数变化明显波段转移致 1540nm-1560nm 波段， 从而保证对所述入射的光束具有最高的调制效率。 可 以理解的是，在本发明的其他实施例中，也可通过改变锗和硅的混合比例实现 其他波长的入射光束的调制， 在此不再赘述。
在本发明实施例中，所述波导层 122及所述掺杂层上可通过等离子体增强 化学气相沉积法 ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD )生长出 一层二氧化硅层， 并通过光刻的方法在所述二氧化硅层上刻蚀出一选择外延 区。 其中， 较佳地， 所述选择外延区沿 y方向的长度等于所述掺杂层沿 y方向 的长度。 然后， 选择所述选择外延区沿 X方向的开孔宽度 w, 所述调制层 140 在生长时， 由于横向和纵向的生长速度不同， 因而在生长过程中所述调整层 140的侧向将会形成 {311 }晶面， 从而生成出来的调制层 140不呈现为长方体 状。 所述调制层 140的形状由所述开孔宽度 w决定， 图 2 ( a )及图 2 ( b )为 在不同开孔宽度 w下生长获得的调整层 140的形状， 其中 Θ角是所述 {311 }晶 面与 {100}晶面之间的夹角。 当 w > 2hcote ( h为生长厚度）， 所述调制层 140
沿 x-z平面的截面呈梯形。 当 w 2hcot0时， 所述调制层 140沿 x-z平面的截 面呈三角形状且其厚度 h0=w/(2cote) h。 如此， 可通过选择合适的开孔宽度 w, 以控制所述调制层 140的生长厚度， 保证生长出来的所述调制层 140的长 度和厚度满足预定的需求，从而获得最小的输入输出耦合损耗以及最大的调制 效率， 且满足横向单模、 纵向单模两个导波模式。
需要说明的是， 所述电吸收调制器 140还包括调制緩冲层 150, 在所述调 制层 140的生长过程中，从硅过渡到锗硅时， 为了防止因为材料晶格常数不同 而发生位错，需要在生长时逐渐提高锗硅浓度，而在材料浓度逐渐提高过程中， 生长获得的即为调制緩冲层 150, 所述调制緩冲层 150可用于减小后续生长的 调制层 140的位错。
需要说明的是，在本发明实施例中， 所述电吸收调制器 100还包括覆盖层 160 ,所述覆盖层 160可为二氧化硅，其通过淀积的方法覆盖于所述顶层硅 120、 掺杂层、 波导层 122及调制层 140之上， 以保护所述电吸收调制器 100免受外 物的污染或外力损坏等。 所述覆盖层 160上还开设有第一过孔及第二过孔， 所 述第一过孔与所述第一金属电极层 138连通，所述第二过孔与所述第二金属电 极层 139连通， 从而通过所述第一过孔及第二过孔在所述第一金属电极层 138 及第二金属电极层 139上加载所述调制电信号。 需要说明的是， 由于在所述调 制层 140两侧的区域光强较弱， 因而作为优选的方案， 所述第一过孔及所述第 二过孔应开设于所述调制层 140两侧的区域， 以保证较小的金属致光吸收。
以下对本发明实施例提供的电吸收调制器 100 的调制原理及调制过程进 行描述。
请一并参阅图 3 , 在本发明实施例中， 对于所述第一类型为 N型， 而第二 类型为 P型的情况，将所述调制电信号的正极通过所述第一过孔及所述第一金 属电极层 138与所述第一类型重离子掺杂区 136电连接，将所述调制电信号的 负极通过所述第二过孔及所述第二金属电极层 139 与所述第二类型重离子掺 杂区 137 电连接， 从而将所述调制电信号反向加载到所述电吸收调制器 100 上。 此时， 由于加载了反向偏压， 所述第一类型轻离子掺杂区 134中的多数载 流子（即自由电子）将向所述正极方向移动， 所述第二类型轻离子掺杂区 135 中的多数载流子（即自由空穴）将向所述负极方向移动， 从而扩大了所述第一
空间电荷区及所述第二空间电荷区的宽度，由所述第一空间电荷区及所述第二 空间电荷区形成的内建电场也随之增大，所述内建电场的方向由第一类型轻掺 杂区 134指向第二类型轻掺杂区 135 , 并穿过所述波导层 122。 由于所述调制 层 140与所述 PIN结呈并联结构，因而所述调制层 140内也存在所述内建电场。 此时， 所述调制层 140在所述内建电场的作用下将发生 Franz-Keldysh效应， 所述 Franz-Keldysh效应主要表现为： （ 1 )对低于所述调制层 140材料的带隙 的入射光束， 所述调制层 140对该入射光束的光吸收系数将变大； （2 )对于高 于所述调制层 140材料的带隙的入射光，所述调制层 140对该入射光束的光吸 收系数呈现震荡。由于所述调制层 140的电场致光吸收系数变化明显波段已经 转移至 1550nm附近 (即所述调制层 140的带隙接近所述入射光束的光子能量)， 因而当外加所述调制电信号时，可以保证所述调制层 140对所述入射光束具有 较高的调制效率。
在本发明实施例中， 当一特定波长的入射光（如 1550nm左右的波长）沿 所述 y方向入射进所述波导层 122 , 并进入所述波导层 122与所述调制层 140 所构成的调制区域，所述入射光束将在所述波导层 122与所述调制层 140之间 震荡传播，当在所述第一金属层 138及第二金属层 139上反向加载调制电信号 后， 由于 Franz-Keldysh效应 , 所述调制层 140对在其内部传播的光束的光吸 收系数变大， 所述入射光束每进入一次所述调制层 140, 该入射光束被吸收， 从而光功率减小。所述入射光的光功率减小的程度与所述调制电信号的场强相 关， 当所述调制电信号为低电平 V 时， 所述调制层 140对所述入射光的光吸 在所述波导层 122中传播， 此时， 所述电吸收调制器 100处于 "开" 态； 当所 述调制电信号为高电平 V2时， 所述调制层 140对所述入射光的光吸收系数较 大， 大部分的入射光束被所述调制层 140吸收， 此时， 所述电吸收调制器 100 处于 "关" 态。 从而根据输入的调制电信号的高低变化， 所述调制层 140的光 吸收系数将相应变化， 输出的光功率随之变化， 达到电光调制的目的。
需要说明的是，在本发明实施例中， 所述入射光束在所述调制层 140及波 导层 122 所在的调制区域传播时， 存在两个传导模式（即在所述调制层 140
内的传导模式和在所述波导层 122内的传导模式）， 两个传导模式之间由于干 涉，表现为入射光束的光功率在所述调制层 140和底下的波导层 122之间的震 荡， 震荡周期 T等于 eff、, 其中， 为所述光束的波长， 《 为所述光 束在所述调制层 140内的有效折射率， 《f为所述光束在所述波导层 122内的 有效折射率。 为保证较小的 "开" 态下的插入损耗， 所述调制层 140沿所述 y 方向的长度应为所述震荡周期 T的整数倍，从而使得入射光束在离开所述调制 区域后， 恰好路由到所述波导层 122中， 否则， 若入射光束在离开所述调制区 域后， 震荡耦合到所述调制层 140内， 则不论在 "开" 态还是 "关" 态下， 所 述光束都将被散射， 导致非常大的插入损耗， 甚至消光比接近为零， 无法达到 电光调制的效果。 请一并参阅图 4 ( a )及图 4 ( b ), 图 4 ( a )为本发明实施例提供的所述 电吸收调制器 100在关态的光强变化图， 图 4 ( b )为本发明实施例提供的所 述电吸收调制器 100在开态的光强变化图。 如图 4 ( a ) 所示， 当所述光束经 过所述调制区域时， 由于两个传导模式之间的千涉， 所述光束在所述调制层 140和所述调制层 140底部的波导层 122之间震荡。 当加载的调制电信号时较 大或处于所述调制电信号的高电平时， 所述调制层 140的光吸收系数变大，每 震荡经过一次调制层 140时， 所述光束被吸收一部分， 直至穿过所述调制区域 后， 所述入射光束将基本全被吸收， 此时为所述电吸收调制器 100 的 "关" 态。 如图 4 ( b )所示， 当所述电吸收调制器 100未加调制电信号或加载的调 制电信号较小或处于所述调制电信号的低电平时，所述入射光束在所述调制区 域内上下震荡，但所述调制层 140对所述入射光的吸收 4艮小，在所述光束穿过 所述调制区域后，由于所述调制层 140沿 y方向的长度恰好设计为所述震荡周 期 T的整数倍， 所述入射光将完全耦合进入所述波导层 122 , 由于大部分的光 束仍可通过所述调制区域， 此时为所述电吸收调制器 100 的 "开" 态。 模拟 和计算结果表明， 本发明实施例提供的电吸收调制器 100 的消光比 ER约为
8dB, 3dB带宽〉 50GHz, 插入损耗 IL约为 3.2dB, 达到了很好的效果。
综上所述， 本发明实施例提供的电吸收调制器， 通过设计形成一水平的 PIN结， 并通过刻蚀获得所述选择外延区， 以生长得到所述调制层 140, 所述 调制层 140的长度、厚度由所述选择外延区决定，从而所述调制层 140的长度 和宽度满足横向单模、纵向两个导波模式。所述调制层 140与所述 PIN结并联， 当所述 PIN结上反向加载调制电信号时，所述调制层 140内存在由所述调制电 信号决定的内建电场， 由于所述 Franz-Keldysh 效应， 所述调制层 140对所述 入射光束的光吸收系数根据所述内建电场的变化而变化，从而实现了对所述入 射光束的电光调制。 本发明提供的电吸收调制器 100, 具有工艺流程简单、 制 作难度较低、 尺寸小、 3dB带宽大、 功耗低、 插入损耗小等优点。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下， 还可以做出若干改进和润饰， 这 些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (11)
- 权 利 要 求1、 一种电吸收调制器， 其特征在于， 包括：衬底层， 包括硅衬底及设置于所述硅衬底上的氧化层；顶层硅， 所述顶层硅上形成一波导层；掺杂层， 形成于所述顶层硅上， 所述掺杂层包括第一掺杂平板及第二掺杂 平板， 所述第一掺杂平板上形成一第一类型轻掺杂区， 所述第二掺杂平板上形 成一第二类型轻掺杂区，且所述第一类型轻掺杂区及所述第二类型轻掺杂区位 于所述波导层的两侧并紧贴所述波导层， 所述第一类型轻掺杂区、 波导层及第 二类型轻掺杂区形成一 PIN结；调制层， 设置于所述波导层上并与所述 PIN结并联；一特定波长的光束沿所述波导层传播，并进入所述调制层及所述波导层构 成的调制区域后，在所述调制层及所述波导层之间震荡传播， 当所述第一类型 轻掺杂区及第二类型轻掺杂区上加载反向的调制电信号时，所述调制层对所述 光束的光吸收系数随所述调制电信号的变化而变化，所述光束通过所述调制区 域后的光功率也相应变化， 从而实现了对光束的电光调制。
- 2、 根据权利要求 1所述的电吸收调制器， 其特征在于， 所述波导层及掺 杂层上生长形成一二氧化硅层， 所述二氧化硅层通过刻蚀获得一选择外延区， 所述选择外延区用于生长所述调制层，选择所述选择外延区在第一方向上的开 孔宽度，控制生长得到的所述调制层的厚度及形状，从而所述调制层的尺寸满 足所述光束在所述波导层及所述调制层中传播时所需的模式匹配要求。3、 根据权利要求 2所述的电吸收调制器， 其特征在于， 所述选择外延区 沿第二方向上的长度为生长得到的调制层的长度，所述光束在所述调制区域中 传播时， 光功率以 e//、的震荡周期在所述调制层和波导层之间震荡， 所述调制层的长度为所述震荡周期的整数倍，其中， 为所述光束的波长， nf 为所述光束在所述调制层内的有效折射率， 《f为所述光束在所述波导层内的 有效折射率。
- 4、 根据权利要求 3所述的电吸收调制器， 其特征在于， 所述第一方向为 所述调制电信号加载的方向， 所述第二方向为所述光束传播的方向，且所述第 一方向垂直所述第二方向。
- 5、 根据权利要求 1所述的电吸收调制器， 其特征在于， 所述掺杂层还包 括：第一类型重掺杂区， 形成于所述第一掺杂平板上， 其中， 所述第一类型轻 掺杂区位于所述第一类型重掺杂区与所述波导层之间，所述第一类型重掺杂区 的掺杂浓度大于所述第一类型轻掺杂区的掺杂浓度；第二类型重掺杂区， 形成于所述第二掺杂平板上， 其中， 所述第二类型轻 掺杂区位于所述第二类型重掺杂区与所述波导层之间，所述第二类型重掺杂区 的掺杂浓度大于所述第一类型轻掺杂区的掺杂浓度。
- 6、 根据权利要求 5所述的电吸收调制器， 其特征在于， 所述第一类型为 N型， 所述第二类型为 P型， 所述在所述第一类型轻掺杂区及第二类型轻掺杂 区上加载反向的调制电信号为，在所述第一类型轻掺杂区电性接入所述调制电 信号的正极， 并在所述第二类型轻掺杂区电性接入所述调制电信号的负极； 或者所述第一类型为 P型， 所述第二类型为 N型， 所述在所述第一类型 轻掺杂区及第二类型轻掺杂区上加载反向的调制电信号为，在所述第一类型轻 掺杂区接入所述调制电信号的负极，并在所述第二类型轻掺杂区接入所述调制 电信号的正极。
- 7、 根据权利要求 5所述的电吸收调制器， 其特征在于， 所述电吸收调制 器还包括：金属层， 包括第一金属电极层及第二金属电极层， 所述第一金属电极层形 成于所述第一类型重掺杂区上，所述第二金属电极层形成于所述第二类型重掺 杂区上。
- 8、 根据权利要求 7所述的电吸收调制器， 其特征在于， 所述电吸收调制 器还包括：覆盖层， 形成于所述顶层硅上， 并覆盖所述顶层硅、 掺杂层、 波导层及所 述调制层。 9、 根据权利要求 8所述的电吸收调制器， 其特征在于， 所述覆盖层上开 设有第一过孔及第二过孔， 所述第一过孔与所述第一金属电极层连通， 所述第 二过孔与所述第二金属电极层连通，从而通过所述第一过孔及第二过孔在所述 第一金属电极及第二金属电极上加载所述调制电信号。
- 10、 根据权利要求 1所述的电吸收调制器， 其特征在于， 所述波导层为脊 形波导， 该波导层由硅制成。
- 11、 根据权利要求 1所述的电吸收调制器， 其特征在于， 所述调制层由锗 和硅按照预定的比例混合制成。
- 12、 根据权利要求 1所述的电吸收调制器， 其特征在于， 所述电吸收调制 器还包括：调制緩冲层， 设置于所述波导层与所述调制层之间。
- 13、根据权利要求 1所述的电吸收调制器， 其特征在于， 所述调制区域内 具有由所述 PIN结引起的内建电场， 当在所述 PIN结上反向加载调制电信号 时， 所述调制层内的内建电场随所述调制电信号的变化而变化， 当所述调制电 信号增大时， 所述内建电场增大， 所述调制层对所述光束的吸收增大， 当所述 调制电信号减小时， 所述内建电场减小， 所述调制层对所述光束的吸收减小。
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