CN107533248A

CN107533248A - 波导调制器结构

Info

Publication number: CN107533248A
Application number: CN201680025793.XA
Authority: CN
Inventors: 余国民; A.J.齐尔基
Original assignee: Rockley Photonics Ltd
Current assignee: Rockley Photonics Ltd
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2018-01-02
Also published as: GB2552618B; GB201715242D0; US20180046057A1; WO2016139484A1; GB2552618A; US10191350B2

Abstract

一种马赫‑曾德尔波导调制器，包括：包括左SiGe光波导的左臂，以及包括右SiGe光波导的右臂；其中所述左光波导和右光波导中的每个包括结区和多个电极，所述多个电极用于跨所述结提供偏置来使得能够实现对经由色散传播通过所述结区的光的相位的控制。

Description

波导调制器结构

相关申请的交叉引用

本申请要求编号62/128949的美国临时申请和编号62/152696的美国临时申请的优先权和权益，该临时申请的整体内容通过引用结合于本文中。

技术领域

根据本发明的实施例的一个或多个方面涉及波导调制器结构和方法，以及更特别地涉及马赫-曾德尔（Mach Zehnder）波导调制器结构和方法。

背景技术

硅波导平台上的光学调制是公知的，包括基于以下各项的波导调制器：光电、量子限制斯塔克（Stark）、弗朗兹-凯尔迪什（Franz-Keldysh）以及载流子等离子体色散。

波导调制器可以包括硅波导、Ⅲ-Ⅴ族波导、其他半导体波导以及聚合物波导。它们通常是对称结构，但是掺杂区域可能是不对称的（例如，US7,085,443，PN相移调制器，其中硅的掺杂跨波导是不对称的）。

对于具有硅/锗（SiGe）介质的调制器而言，已知的是，利用集总电极的弗朗兹-凯尔迪什（FK）效应被用来在1550 nm下实现小尺寸、高速度、低驱动功耗以及易于制造。当在光谱的C-带和L-带中需要操作时，硅/锗区提供了有利的电吸收效应。

已经提出了若干可能的调制器波导结构，包括US8,346,028，其中有源波导（典型地）由SiGe制成并且SiGe波导在其侧面被掺杂以提供有效的电接触以及在SiGe波导中生成必要的电场。

然而，这样的结构受到下述缺点的影响：光模（optical mode）被迫使紧密接近波导两侧上的掺杂，这引起光损耗。

发明内容

根据本发明的各种实施例，提供了一种马赫-曾德尔波导调制器，其包括：包括左SiGe光波导的左臂和包括右SiGe光波导的右臂；其中左光波导和右光波导中的每个包括结区和多个电极，所述多个电极用于跨所述结提供偏置来使得能够实现对经由色散传播通过所述结区的光的相位的控制。

色散可以被理解为色散效应以及更特别地被理解为增强等离子体色散效应。

根据第一组实施例，提供了一种马赫-曾德尔波导调制器，其包括：包括左SiGe光波导的左臂和包括右SiGe光波导的右臂；其中左光波导和右光波导中的每个包括PIN结区，该PIN结由以下各项形成：与p型掺杂区或n型掺杂区相对应的第一半导体区；与p型掺杂区或n型掺杂区中另一个相对应的第二半导体区；以及中心SiGe波导区；其中左光波导的第一半导体区与右光波导的第一半导体区在左臂与右臂之间的区域中成一体，形成公共掺杂区；以及多个电极，其被配置成跨PIN结中的一个或两者施加正向偏置来使得能够实现对经由色散传播通过相应的一个或多个PIN结区的光相位的控制。

根据第二组实施例，提供了一种马赫-曾德尔波导调制器，其包括：包括左SiGe光波导的左臂和包括右SiGe光波导的右臂；其中左光波导和右光波导中的每个包括PIN结区，PIN结由以下各项形成：与p型掺杂区或n型掺杂区相对应的第一半导体区；与p型掺杂区或n型掺杂区中另一个相对应的第二半导体区；以及中心SiGe波导区；其中由左臂与右臂之间的中心隔离区将左光波导的第一半导体区与右波导的第一半导体区电学隔离，形成公共掺杂区；以及多个电极，其被配置成跨PIN结中的一个或两者施加正向偏置来使得能够实现对经由色散传播通过相应的一个或多个PIN结区的光的相位的控制。

在US8,346,028和US8,093,080中，描述了用于光传感器和调制器的波导结构，其中波导的两个侧壁都被适当掺杂。侧壁掺杂的优点是操作FK效应所必需的电场被紧密包含在波导中，但是缺点是接近光模的掺杂吸收光并且引起大量光损耗。

US8,737,772公开了一种设备，其是具有载流子等离子体色散效应的耗尽相位调制器并且在所述设备中p型掺杂区和n型掺杂区非对称地布置，其中一个掺杂区延伸到波导的顶部并且相反的掺杂区处于底部中。这种结构的目的是通过在脊形波导中形成耗尽区来减少光损耗以及使电学接触部（金属）远离光模。

在现有技术的对称侧壁掺杂结构（包括US8,346,028和US8,093,080的那些结构）中，由跨越施加的电压所产生的电场是本质上平行且均匀的场。在该发明中，我们发现一种新颖的结构，其中跨掺杂区产生的电场是不平行且不均匀的，但是光模实际上不受掺杂非对称的影响。因此，在本发明的结构中，损耗是更少的，这是因为仅在波导的一侧上存在掺杂，但是电场（尽管不均匀）在产生所需要的FK效应方面是有效的。因此，在没有先前设计（诸如US8,346,028）的缺点的情况下实现了高速调制器。

该结构还可以在用锗代替SiGe的情况下被用于光电探测器。与先前的结构（诸如US8,093,080的结构）相比，本发明的结构由于更低的光损耗而具有更高的响应率。

根据第三组实施例，根据权利要求1提供了一种马赫-曾德尔波导调制器，其中左光波导和右光波导中的每个的结包括PN结，所述PN结由以下各项形成：与p型掺杂区或n型掺杂区相对应的第一半导体区；与p型掺杂区或n型掺杂区中的另一个相对应的第二半导体区；以及多个电极，其被配置成跨PN结的一个或两者施加反向偏置来使得能够实现对经由色散传播通过相应的一个或多个PN结的光的相位的控制。

第一组和第二组实施例中的每个可以包括以下光学特征中的一项或任意组合。在这些特征不涉及本征区的情况下，它们也可适用于第三组实施例。

可选地，第一半导体区包括第一横向部分，其在波导的第一侧面上远离波导壁横向延伸；第二半导体区包括第二横向部分，其在波导的第二侧面上远离波导壁横向延伸；以及多个电极，其包括：位于第一横向部分正顶部上的第一电极；以及位于第一横向部分正顶部上的第二电极。

可选地，第一或第二半导体区中的一个包括沿着波导的侧面延伸的竖向掺杂部分。

可选地，竖向掺杂部分仅沿着波导的侧壁的一部分在竖向方向上延伸，使得中心SiGe波导区具有比竖向掺杂区更大的高度。

可选地，竖向掺杂部分沿着波导的整个侧面延伸。

可选地，对于调制器的给定波导臂，波导的不多于一个侧面包括竖向掺杂部分。

可选地，马赫-曾德尔波导调制器包括：位于p型掺杂半导体区与中心波导区之间的介于中间的轻p型掺杂半导体区；其中该介于中间的轻p型掺杂半导体区具有比p型掺杂半导体区更低的掺杂浓度。

可选地，马赫-曾德尔波导调制器包括：位于n型掺杂半导体区与中心波导区之间的介于中间的轻n型掺杂半导体区；其中所述介于中间的轻n型掺杂半导体区具有比n型掺杂半导体区更低的掺杂浓度。

可选地，中心波导由SiGe组成并且掺杂的半导体区由Si组成。

可选地，中心波导区、第一半导体区和第二半导体区都由SiGe组成。

可选地，中心波导区、n型掺杂半导体区、p型掺杂半导体区、轻p型掺杂半导体区以及轻n型掺杂半导体区都由SiGe组成。

可选地，多个电极包括位于公共掺杂区的公共电极。

可选地，多个电极包括多个集总电极。

可选地，马赫-曾德尔波导调制器被配置成在推挽模式（push-pull mode）中操作。

可选地，在本文中所描述的所有实施例中，SiGe波导由本征SiGe（iSiGe）形成。

可选地，有源区（active region）意指该区中的波导具有PIN结或PN结，并且电极可以是集总电极或行波电极。有源区中的波导由SiGe材料制成，该区的外部可以由SiGe或Si材料制成。

对于具有PIN结的马赫-曾德尔调制器，p区可以是用硼掺杂的SiGe材料或Si材料，以及n区可以是用磷或砷掺杂的SiGe或者Si材料。在操作期间，PIN结可以被正向偏置以使得载流子被注入本征区中，导致期望的色散。

本征区不是故意掺杂的，而是可以展现一些本底掺杂。

对于具有PN结的马赫-曾德尔调制器，p区具有用硼掺杂的SiGe材料，以及n区具有用磷或砷掺杂的SiGe材料。

在操作期间，通过向电极施加偏置来对PN结进行反向偏置。这种跨PN结的反向偏置导致载流子耗尽，由此产生期望的色散效应。

在一些实施例中，所述场实际上由波导在一个侧面上的底部处（换言之，在沟槽的底部处）且跨越波导的相对侧面的线所创建。这确保了光模实际上与更小的掺杂区接触并且因此光损耗更少。对于示例性的50μm调制器长度，模拟结果示出了与其中两个侧壁都掺杂（如在US8,346,028中）的情况相比光损耗减少达大约1.0dB。

在一些实施例中，掺杂是在波导的任一侧面上但是不在波导的暴露的侧壁中。由Dawnay等人（US6,584,239）公开了一种结构，其预期（a）材料是Si（而不是SiGe）并且效应是光电而不是FK以及（b）Dawnay公开了对氧化层深度的蚀刻，而在本发明中并没有暴露氧化层。

在锗光电探测器领域中，已经描述了许多结构。然而，这些结构中的许多结构是竖直堆叠结结构，其通常比水平结构制造成本更高并且可能不适合于在SOI平台上与Si波导集成，或者它们是下述结构：在该结构中光从光传输波导消散到接收锗区的结构并且因此较低效的。本发明的光电探测器结构是下述结构：在该结构中硅/锗被制造到波导中并且控制和监视电极是横向的（换言之是水平结构）。Vivien等人（Optics Express Vol 15，No15,（2007）第9843页）报道了一种锗光电探测器，其具有MSM（金属-半导体-金属）结构，在该结构中没有PN结（或PIN结）并且在锗传感材料中没有波导，因此Vivien等人的光电探测器具有高偏置电压和低响应率的缺点。

附图说明

将参考说明书、权利要求和附图来理解和领会本发明的这些及其他特征和优点，在附图中：

图1A示出了供本发明使用的波导光学设备的示例；

图1B示出了供本发明使用的波导光学设备的示例；

图1C示出了供本发明使用的波导光学设备的示例；

图1D示出了供本发明使用的波导光学设备的示例；

图2A示出了适合于形成本发明的调制器的一部分的波导平台的示例；

图2B示出了适合于形成本发明的调制器的一部分的波导平台的示例；

图2C示出了适合于形成本发明的调制器的一部分的波导平台的示例；

图3A示出了供本发明使用的多个电极的示意性示例；

图3B示出了供本发明使用的多个电极的示意性示例；

图3C示出了供本发明使用的多个电极的示意性示例；

图3D示出了供本发明使用的多个电极的示意性示例；

图3E示出了供本发明使用的多个电极的示意性示例；

图4示出了根据本发明的波导调制器的示意性示例；

图5示出了根据本发明的波导调制器的示意性示例；

图6A示出了根据本发明的波导调制器的示意性示例；

图6B示出了根据本发明的波导调制器的示意性示例；

图7A示出了根据本发明的波导调制器的示意性示例；

图7B示出了根据本发明的波导调制器的示意性示例；

图8A示出了根据本发明的波导调制器的示意性示例；

图8B示出了根据本发明的波导调制器的示意性示例；

图8C示出了根据本发明的波导调制器的示意性示例；

图9示出了供本发明使用的波导光学设备的示例；

图10A示出了用于对图9的波导设备进行建模的参数；

图10B示出了用于对图9的波导设备进行建模的参数；

图11A示出了针对图9的波导的所建模的波形；

图11B示出了针对图9的波导的所建模的波形；

图11C示出了针对图9的波导的所建模的波形；

图11D示出了针对图9的波导的所建模的波形；

图12示出了供本发明使用的波导光学设备的示例；

图13A示出了用于对图12的波导设备进行建模的参数；

图13B示出了用于对图12的波导设备进行建模的参数；

图14A示出了针对图12的波导的所建模的波形；

图14B示出了针对图12的波导的所建模的波形；

图14C示出了针对图12的波导的所建模的波形；

图14D示出了针对图12的波导的所建模的波形；

图15示出了供本发明使用的波导光学设备的示例；

图16A示出了用于对图15的波导设备进行建模的参数；

图16B示出了用于对图15的波导设备进行建模的参数；

图17A示出了针对图15的波导的所建模的波形；

图17B示出了针对图15的波导的所建模的波形；

图17C示出了针对图15的波导的所建模的波形；

图17D示出了针对图15的波导的所建模的波形；

图18示出了供本发明使用的波导光学设备的示例；

图19A示出了用于对图18的波导设备进行建模的参数；

图19B示出了用于对图18的波导设备进行建模的参数；

图20A示出了针对图18的波导的所建模的波形；

图20B示出了针对图18的波导的所建模的波形；

图20C示出了针对图18的波导的所建模的波形；

图20D示出了针对图18的波导的所建模的波形；

图21示出了供本发明使用的波导光学设备的示例；

图22A示出了用于对图21的波导设备进行建模的参数；

图22B示出了用于对图21的波导设备进行建模的参数；

图23A示出了针对图21的波导的所建模的波形；

图23B示出了针对图21的波导的所建模的波形；

图23C示出了针对图21的波导的所建模的波形；

图23D示出了针对图21的波导的所建模的波形；

图24示出了供本发明使用的波导光学设备的示例；

图25A示出了用于对图24的波导设备进行建模的参数；

图25B示出了用于对图24的波导设备进行建模的参数；

图26A示出了针对图24的波导的所建模的波形；

图26B示出了针对图24的波导的所建模的波形；

图26C示出了针对图24的波导的所建模的波形；

图26D示出了针对图24的波导的所建模的波形；

图27示出了供本发明使用的波导光学设备的示例；

图28A示出了用于对图27的波导进行模拟的参数；

图28B示出了用于对图27的波导进行模拟的参数；

图29A示出了针对图27的波导的所建模的波形；

图29B示出了针对图27的波导的所建模的波形；

图29C示出了针对图27的波导的所建模的波形；

图29D示出了针对图27的波导的所建模的波形；

图30示出了供本发明使用的波导光学设备的示例；

图31A示出了用于对图30的波导进行模拟的参数；

图31B示出了用于对图30的波导进行模拟的参数；

图32A示出了针对图30的波导的所建模的波形；

图32B示出了针对图30的波导的所建模的波形；

图32C示出了针对图30的波导的所建模的波形；

图32D示出了针对图30的波导的所建模的波形；

图33示出了供本发明使用的波导光学设备的示例；

图34A示出了用于对图33的波导进行建模的参数；

图34B示出了用于对图33的波导进行建模的参数；

图35A示出了用于图33的波导的所建模的波形；

图35B示出了用于图33的波导的所建模的波形；

图35C示出了用于图33的波导的所建模的波形；

图35D示出了用于图33的波导的所建模的波形；

图36示出了供本发明使用的波导光学设备的示例；

图37A示出了用于对图36的波导设备进行建模的参数；

图37B示出了用于对图36的波导设备进行建模的参数；

图38A示出了用于图36的波导的所建模的波形；

图38B示出了用于图36的波导的所建模的波形；

图38C示出了用于图36的波导的所建模的波形；

图38D示出了用于图36的波导的所建模的波形；

图39示出了根据本发明的马赫-曾德尔波导调制器的另一个示例；

图40示出了根据本发明的马赫-曾德尔波导调制器的另一个示例；

图41示出了供本发明使用的PN结波导光学设备的示例；

图42示出了供本发明使用的PN结波导光学设备的另一个示例；

图43示出了包括PN结区的马赫-曾德尔调制器的示例；

图44示出了包括PN结区的替换的马赫-曾德尔调制器的示例；

图45示出了包括PN结区的又一个马赫-曾德尔调制器的示例；

图46示出了根据本发明的供马赫-曾德尔调制器使用的多个电极相对于结的有源区的布置的示例；

图47示出了根据本发明的供马赫-曾德尔调制器使用的多个电极相对于结的有源区的布置的另一个示例；以及

图48示出了根据本发明的供马赫-曾德尔调制器使用的多个电极相对于结的有源区的布置的示例。

具体实施方式

以下结合附图所阐述的详细描述意图作为根据本发明所提供的马赫-曾德尔波导调制器的示例性实施例的描述，并且不意图表示可以解释或利用本发明所依照的仅有形式。该描述结合所说明的实施例阐述了本发明的特征。然而要理解的是，可以通过也意图被涵盖于本发明的精神和范围内的不同实施例来实现相同或等价的功能和结构。如本文中在别处所表示的，同样的元件编号意图指示同样的元件或特征。

在图1A中示出了SOI芯片的一部分。该芯片具有带有二氧化硅绝缘层（102）的硅基底（101）。已经向氧化物上方的硅层中蚀刻了腔体并且本征SiGe（104）已经在区域中生长并且被蚀刻来创建直立波导（如在图1中示出的）。SiGe通常在硅的残余薄（200 +/- 100 nm）层（103）上生长，但是也可能直接在二氧化硅层（102）上生长。通常，这样的有源波导将被邻接地连接到无源Si波导，从而向有源区提供光以及从有源区运送光。为了适当地掺杂，波导以适当步骤对波导进行掩蔽以允许如在105处针对p++以及在106处针对n++所示出的那样来施加掺杂。p++掺杂处于侧壁（110）中以在光波导中的区域105与区域106之间形成PN结。PN结与光模叠覆以在波导中具有强FK效应。例如，在掺杂区105和/或106中创建非均匀掺杂可能例如对于控制电场或者减少光损耗是有利的。例如，可以在区域105和/或106内创建达到4个层级的掺杂。接触电极是110。

p++掺杂处于侧壁中并且n++掺杂处于横向表面中而不是侧壁上是优选的，这是因为本征SiGe（104）通常是轻n型掺杂的（通常在1×10¹⁵到1×10¹⁶cm^-3下）。因此，用于具有p型掺杂侧壁的该类型的设备的pn结将处于光模的区域中，并且将是比在将反向掺杂布置与轻p型掺杂的本征有源半导体一起使用的情况下更高效的调制器。然而，当所谓的本征SiGe是轻p型掺杂的时，反向掺杂布置处于本发明的范围内并且将是高效的。然而，轻p型掺杂区将通常具有比本征区（轻n型掺杂的）更高的掺杂浓度并且n++壁具有比p++掺杂壁更高的光吸收。

本发明的波导可选地在氧化物层上方具有大约3 μm的高度，但是更小的尺寸（例如0.5 μm）也是可能的。

在本发明的另一个实施例中，掺杂的波导壁可以由掺杂硅制成。这具有减少光损耗甚至更多的优点。此外，波导平板的掺杂区也可以由硅制成。在图1B中示出了其中本征SiGe是104的示例。区域107是在波导的壁111中的p型掺杂硅以及区域108是n型掺杂硅。替换地，区域108可以是n型掺杂SiGe。掺杂可以在相反意义上在硅侧壁中具有n型掺杂以及在平板区中具有p型掺杂。此外本征SiGe可以是轻p型掺杂材料而不是通常的轻n型掺杂材料。接触电极是110。制造这样的结构的手段将类似于图7的设备的制造手段。

在图1C和1D中图示了本发明的另外又一些实施例。在图1C中，波导的壁区被示为111和112。如所示出的，区域106是包括掺杂壁区112的n型掺杂活性材料。壁111由硅制成（如作为连接的平板区那样）并且该整个区域107是p型掺杂的。如在早先的实施例中，掺杂可以是在相反意义上并且本征区（通常是非常轻的n型掺杂）可以是p型掺杂的。

在图1D中示出了一种结构，其类似于图1C的结构但是其中掺杂区106并不延伸到波导壁112的顶部。再一次，可以在相反意义上布置掺杂。此外，完全掺杂的壁可以是由本征有源半导体制成的壁并且部分掺杂的壁可以是硅壁。植入到任一竖向区域中的掺杂物不可以延伸到竖向区的最顶端。可能存在竖向区的未掺杂区段，其基本上是未掺杂的。未掺杂区段可以位于竖向区的掺杂区段上方。这样的基本未掺杂的区域可以具有与中心区的任何本征掺杂相同的掺杂。在第一和第二竖向区中的掺杂区段的范围/高度可以是不同的（例如，图1D）。在第一和第二竖向区中的每个中的掺杂区段的高度可以关于中心区不对称。

在如本文中所描述的一些实施例中，波导的一个壁是部分未掺杂的。这意味着掺杂物可以仅从基底延伸到壁上的一定高度。因此可以存在壁的掺杂的竖向区段以及该壁的在该掺杂区段上方的基本上未掺杂的竖向区段。该壁的这种未掺杂区或区段可以没有或基本没有所添加的掺杂物。在壁的材料中可能存在一些本征掺杂物，其因此存在于未掺杂区段中。

根据发明1，竖向区可以是中心区的位于中心区边缘处的区域。在竖向区中掺杂物的存在（其可能仅在一个竖向区中）因此在中心区内限定了竖向区的位置。竖向区、横向区和中心区可以由相同材料组成，其可以是例如SiGe（或对于在当前权利要求的范围之外的示例而言是Ge）或者本领域技术人员已知的任何合适替换物。横向区、竖向区和中心区可以彼此成一体。横向区、竖向区和中心区可以由单个材料平板形成，该单个材料平板然后被蚀刻掉以形成直立中心区。在这种情况下，横向区和竖向区可以在制造过程期间通过掩蔽而被选择性地掺杂。

替换地，竖向区可以是邻接公共区的相异元件。在竖向区是相异元件的情况下，该相异元件可以由与中心区的活性材料不同的材料组成。例如，中心区可以由SiGe（或Ge）组成，并且竖向区和横向区可以由Si组成。

也可能的是例如在波导的第一侧面上的掺杂竖向区和掺杂横向区由掺杂的SiGe（或掺杂的Ge）组成，并且相反侧面上的掺杂横向区和竖向区由掺杂的Si组成。

在有源光波导的操作期间，附着到掺杂横向区的电极可以被用来向竖向掺杂区施加电能。电能施加可以是以第一和第二横向掺杂区之间的偏置的形式。每个竖向掺杂区可以与相邻的掺杂横向区成一体，并且作为结果，施加到横向区的任何电能也被施加到掺杂竖向区。因此，对应的电偏置可以在掺杂竖向区之间生成。这种电能施加在光穿过的活性材料中形成电场。可以在不生成经过活性材料的显著电流的情况下形成活性材料中的这种电场。

活性材料可以是下述材料，在该材料中响应于向掺杂区施加偏置以及所形成的作为结果的电场而出现弗朗兹-凯尔迪什效应。弗朗兹-凯尔迪什效应是在穿过中心有源区的光的光吸收和/或光相位方面的改变。弗朗兹-凯尔迪什效应由在中心有源区的活性材料中电场的存在所引起。例如，弗朗兹-凯尔迪什效应允许通过吸收光子来将价带中的电子激发到导带中，即使被吸收的光子的能量比带隙更小。换言之，活性材料可以具有比要被调制的光的光子能量稍大的带隙能量。在掺杂区之间偏置的施加，以及跨有源中心区形成的作为结果的电场，降低了吸收边沿并且使光子的吸收成为可能。当施加电场时，空穴和电子载流子波函数重叠并且电子-空穴对的生成变得可能。作为结果，中心有源区可以吸收由中心有源区接收到的光信号。增加电场可以增加由中心区吸收的光量。因此，连接到电极的电子设备可以被用来调谐电场，以便调谐由中心区的活性材料所吸收的光量。作为结果，电子设备可以调制电场以便调制传出光信号的幅度。

尽管在本发明权利要求的范围之外，但是本发明的调制器的每个波导臂的有源光学设备还可以通过跨公共中心区施加反向偏置、通过向电极（其经由掺杂横向区电连接到（一个或多个）掺杂竖向区）适当施加电荷而被用作光电探测器。这种反向偏置意味着穿过中心区的至少一些光将被中心公共区吸收。这种吸收可以使电流流过掺杂区之间的中心公共区。对这种电流的测量可以然后指示光信号的接收。所生成的电流的强度可以取决于所接收的光（穿过中心区的光）的功率或者强度。这样，有源光波导可以被配置成作为光电探测器进行操作。

现在将联系图2A-2C描述波导调制器的另一些实施例，典型地具有小于1 μm并且优选地小于0.6 μm的波导脊部宽度。还典型的是，氧化物层上方的波导脊部的高度被布置为使得多于50%的光模功率位于在脊部任意侧面上的SiGe（或Ge或其他适当的半导体材料）的平板区的顶部下方。

在图2A和2B中，附图标记对应于图1中的附图标记。直立肋形波导是具有PIN结的单模波导。波导的中心部分（204）（iSiGe）具有0.5×0.5 μm左右的尺寸。直立高度为0.2微米（大约）。平板波导的两个侧面以n型和p型来掺杂，所以当PIN被反向偏置时，中心iSiGe中存在电场，因此可以在中心部分中引发FK效应来对光进行调制。在图2A的结构中，较轻掺杂区被插入在有源本征SiGe波导与较重掺杂区之间（以减少光损耗）。轻p型掺杂区是207以及轻n型掺杂区是208。较重掺杂区是205（p）和206（n）。与图2A中的结构相比，图2B中的结构将具有更大的光损耗但是具有更小的驱动电压和更高的速度。两种结构都可以被用来制作光电探测器。这些结构的优点是1）小尺寸；2）高速度；3）低驱动电压（因此低功率消耗）。

这样的结构可以在SOI平台上通过如下步骤来创建：在靠近氧化物层的硅中蚀刻腔体，在腔体中生长合适成分的SiGe，使用化学机械抛光（CMP）或者类似方法使晶片表面平面化，以及然后在硅和SiGe材料中蚀刻波导以穿过两个材料形成邻接波导。在SiGe波导的侧面处的SiGe然后被选择性地掺杂以提供电接触区和跨光波导创建电场的区域。

图2C中示出了另一个实施例。此处以横截面示出如上文描述中的小尺寸波导，但是仅在直立脊部的一个侧面上具有掺杂。这与图1的结构具有相似的优点，具有的附加益处是小尺寸，特别是操作速度和更低功耗。另外优选的是直立脊部的侧面是p型掺杂的（与平板区的p型掺杂相邻接），但是相反的布置是相当实用的——其中平板中的n型掺杂的侧面具有波导的n型掺杂的侧面。这通常有助于对掺杂进行分级以使得离光模最近的区域具有更低的掺杂浓度。电接触被示为210。

这些实施例在创建其中调制器的有源波导（SiGe）具有更小尺寸的高速调制器时是特别有利的。在该情况下，小波导SiGe调制器将被集成到通常具有3 μm波导的SOI平台上并且调制器将通过硅中构建的波导锥形物而被连接到3μm波导。

在SOI平台上的波导中构建的马赫-曾德尔（MZ）调制器可以利用图1或图2中的结构（作为其臂中的有源区）来制成。在图3、4、5、6和7中图示了这样的结构。

图4示出了穿过本发明的一个实施例的马赫-曾德尔调制器的波导臂的横截面。波导由在氧化物基底上的硅上的本征SiGe（404）制成。此处波导在SiGe的单个腔体中制成并且p型掺杂的侧壁（405）被示为在内侧上并且DC偏置接触部被放置在中心来为两个有源波导提供公共偏置。n型掺杂区（406）被放置在外侧上并且支撑RF接触部。

公共掺杂区可以被定位在马赫-曾德尔调制器的波导壁之间。该公共区可以包括在每个臂中所包括的每个有源光波导的相似掺杂的横向区。例如，第一臂的光波导的p型掺杂横向区可以与第二臂中的光波导的p型掺杂横向区成一体。在该示例中，存在位于臂之间的p型掺杂公共区。还可以存在每个光波导的与公共p型掺杂区相反的侧面上的n型掺杂横向区。在这样的示例实施例中，第一光波导的掺杂区的布置是第二光波导的掺杂区的镜像。反向布置同样是本发明的实施例。在反向示例中，公共区将是n型掺杂的并且每个波导的外部区将是p型掺杂的。

作为本发明的进一步细化，可以的是，在每个壁中的每个有源光波导的至少部分掺杂的竖向区与位于所述臂之间的公共区成一体。相反地，同样可能的是，每个有源光波导的至少部分掺杂的壁与有源光波导的外侧上的横向区成一体。

图5示出了同样优点的替换布置，其中n型掺杂区被中心定位并且p型掺杂区处于马赫-曾德尔波导结构的外侧上。

关于图4和图5的调制器，根据发明1的教导，侧壁掺杂可以是n型，但是侧壁的p型掺杂也将是优选的。

在图6中示出了以SiGe、Ge或类似材料的直立波导，其中波导具有关于图2描述的类型。这里它们被组合成马赫-曾德尔结构。SiGe波导在SOI芯片上制造。然后根据早先的附图对掺杂区进行编号，以及将清楚的是，可以根据图2A的教导使用中间轻掺杂区。

在图7中示出了基于SOI层的SiGe沟道波导（取决于波导平台，SiGe沟道宽度为0.2-0.5μm，沟道高度为0.5-2.6μm，Si侧包层（side-cladding）的宽度为0.1-0.2μm以及Si侧包层的高度为0.5-2.6μm）。在SOI晶片中创建沟道（或狭槽）并且用SiGe填充该沟道（或狭槽）。在晶片已被平面化之后，波导然后在硅中被蚀刻以创建与具有SiGe中心部分（E）的波导相邻接的硅波导，但是有一些硅留下来形成波导的侧包层壁。然后对波导的任一侧面上的硅层（F和G）施加掺杂，注意不要掺杂SiGe或Ge。SiGe波导与无源硅波导相邻接，该无源硅波导起作用来将光运送到有源区以及将其运送走。横向区的部分（H和J）也被掺杂以使得可以在金属化区域（未示出）处制作方便的电接触。该结构的优点是在具有更低光损耗的情况下对于给定调制深度（与US 8,346,028相比）需要更低电压，这是因为光模主要被限制在SiGe沟道区域中，在掺杂的Si侧包层区域中具有较低幅度。

对于图3、4、5、6和7中示出的马赫-曾德尔调制器的所有横截面结构来说，可以沿着波导的长度构建各种布置。在图3中，图示了这些布置中的一些。图3A图示了在SOI晶片上建立的SiGe区（腔体）中创建的集总电极。入射在设备的输入x处的光被拆分，通常使用多模干涉（MMI）设备来将光在马赫-曾德尔调制器的臂之间划分。其他分光手段对本领域技术人员将是已知的。通过SiGe区来创建每个臂。存在中心DC偏置电极，通常设置于水平掺杂区的表面上并且通过放置在横向水平掺杂区的水平部分上的金属接触部来实现用于电极的RF驱动。

图3B示出了在芯片的SiGe区（腔体）中制造的级联集总电极（电极系列）的示例以使得可以实现高速调制。图3C示出了一个示例，其中存在SiGe的多个区域（腔体），每个都具有适当的电极。这样的结构的优点是它们具有更低功耗，但是缺点是它们驱动和控制起来是更复杂的。

图3D示出了在芯片的SiGe区（腔体）中制造的行波电极的示例以使得可以实现高速调制。图3E示出了一个示例，其中存在多个SiGe区，调制器具有行波电极。行波电极不一定是图3D和3E中示出的仅作为示例的相同结构。在本专利中行波电极的定义是以电阻（通常50欧姆值）端接的任何电极。行波电极的优点是将具有高速、低驱动电压和大消光比，但是行波结构的缺点是它们趋向于是更长的（100μm到5mm），所以比集总电极占据更多空间，并且由于在现有驱动技术的情况下的50欧姆的端接电阻，它们比集总电极消耗更多功率。

通常，本发明的马赫-曾德尔调制器将在绝缘体上硅（SOI）芯片上制造。图3图示了MZ干涉仪，其中输入信号在输入波导处被接收到多模干涉耦合器（MMI），其将输入光等分到MZ干涉仪结构的两个臂中。MZ调制器的中心区是硅/锗腔体。至少是该区域中的光波导由适当化学计量比的硅/锗制成，以覆盖所关注的波长范围。如在图4、5、6和7中所示出的，波导的一个侧面（内侧）是p或n型掺杂的并且其他侧面是相对掺杂的（即相应地是n或p型掺杂）。MZ在中心电极处被DC偏置并且在两侧处接触的电极处向干涉仪的臂施加RF信号。当图4、5、6或7的MZ调制器在推挽模式中操作时，在一个臂中DC电场和RF电场处于相同的方向；但是在另一个臂中DC电场和RF电场处于相反的方向，由于载流子等离子体色散效应，在两个臂中由电场改变所引发的相位改变具有相同的幅度但具有相反方向。因此，在两个臂中的总相位改变被加倍，这减少了一半驱动电压。

关于图8公开了另一些实施例，图8图示了在SOI芯片上被构建具有MMI耦合器的马赫-曾德尔（MZ）干涉仪。图8A是一个可能结构的平面图。正如先前实施例那样，传入光（在x处）可以通过本领域技术人员已知的多种手段来划分和重组。

在本发明中，MZ的臂被彼此隔离——换言之不存在公共偏置。每个臂实际上是在硅芯片中的SiGe腔体（在图8A中以虚线包围）中制造的移相器。如在图8B中示出的，图1的结构的波导处于调制器的驱动区中并且它们由适当化学计量比的SiGe制成，以覆盖所关注的波长。在优选的操作模式中，在标记为910的电极处向调制器的每个臂施加RF调制信号，其中两个RF信号是异相的——实际上为MZ调制器产生推挽驱动。

在该实施例中，可以使用图1（图8B）和图2的任何波导结构以及具有掺杂Si侧壁的SiGe波导（图8C）。此外，关于发明3，可以使用具有单个SiGe腔体的多个集总电极或行波电极以及具有多个SiGe腔体的多个集总电极或行波电极。

将理解的是，本文中描述的每个发明的特征可以按照本身没有被明确要求保护的布置而相互组合。

马赫-曾德尔调制器

这里描述了一种马赫-曾德尔调制器（MZM）。MZM具有分光器、可以基本上平行的两个臂、以及光组合器。每个臂包括在其中引导光的光波导。每个波导臂可以具有一个或多个有源光学扇区（sector）。在一个示例中，MZM的两个臂中的每个将一般具有一个以上的有源光学扇区，但是同样可能的是在MZM的每个臂中具有单个有源光学扇区。

可以在每个波导臂中提供有源光学扇区的序列，沿着通过每个有源扇区构建的波导来引导光。沿着每个臂的有源光学扇区的序列可以被大体上对齐。

MZM中的有源光学扇区中的每个波导可以在每个侧面上具有掺杂壁。有源光学扇区中的每个波导可以具有第一壁，其被掺杂到壁的整个高度。换言之，中心区的第一侧面上的整个壁都可以被掺杂。同时，与第一壁相反的第二壁可以被至少部分地掺杂。该壁的部分掺杂可以等同于掺杂物仅在第二壁的高度上延伸一定部分。在第二壁中同样可以没有掺杂。这种掺杂方案的结果可能是在有源光波导扇区的第一和第二壁中掺杂的分布在截面中是不对称的。例如，第一壁可以被p型掺杂到第一高度，以及第二壁可以被n型掺杂到第二高度，并且第一和第二高度可以不相同。同样地，第一壁可以被n型掺杂到第一高度，以及第二壁可以被p型掺杂到第二高度。第一和第二高度可以不相同。同样地，第一壁可以被p型掺杂到第一高度，以及第二壁可以基本上未被掺杂。同样地，第一壁可以被n型掺杂到第一高度，以及第二壁可以基本上未被掺杂。当第二壁未被掺杂时，可以存在与掺杂的第二壁相邻的横向掺杂区。在该横向掺杂区边缘处的掺杂可以与有源中心区相接触。

在中心区的任意侧面上的相反的壁（或者在壁之一未被掺杂的情况下的横向区）中掺杂的意义将是相反的，对于给定的有源光波导扇区，一个壁将是p型掺杂的并且相反的壁（或者横向区）将是n型掺杂的。从每个掺杂壁的基底延伸向外的可以是掺杂横向区。每个横向区的掺杂将具有与掺杂从其延伸的掺杂壁中的掺杂相同的意义。这样，每个掺杂壁和相邻的掺杂横向区一起可以具有“L”形的横截面。有利地，电连接可以然后形成在横向区上，所述横向区被电连接（经由掺杂）到竖向壁（其可以被部分掺杂）。横向区可以提供在其上形成电连接的方便表面。这样，施加到与横向掺杂区附着的电极的电信号由于共同的掺杂而被传输到相邻的竖向掺杂区。

MZM的波导臂大体上是平行的并且在臂之间将存在内部区域。一对有源光波导扇区，即彼此相邻的第一臂中包括的第一有源光波导扇区和第二臂中包括的第二有源光波导扇区，将都与位于MZM的臂之间的内部区域相邻。内部区域也可以被掺杂。内部区域的掺杂可以与每个相邻有源光波导扇区的相邻横向区中的掺杂相同。可能的是，有源光波导扇区的相邻横向区在内部区域中彼此相遇。内部区域可以实际上加入每个相邻有源光波导扇区的相邻横向区。内部区域中的相邻横向区的材料可以彼此成一体，形成内部掺杂区。施加到内部掺杂区的DC偏置或电信号可以因此被施加到内部掺杂横向区（其可以在内部区域中彼此成一体）。因为内部区域中的掺杂横向区均被连接到内部掺杂竖向区，所以被施加到内部横向区的任何电信号也被施加到与内部区域相邻的竖向掺杂区。这样，向内部区域提供电信号的电连接被类似地施加到每个臂中的相邻有源光波导扇区的掺杂竖向区。

对于要引起穿过其的光的相位变化的有源光波导来说，电场必须在中心区中形成。为了形成该电场，电连接必须被应用到MZM中的每个有源光波导扇区的两个掺杂相反侧面。如上文所描述的，该电连接可以方便应用到与竖向区相邻并且电连接的横向掺杂区。还可以存在应用到相邻的有源光波导对的每个外部掺杂壁的至少一个电连接，以及被提供为向相邻的有源光波导扇区对的内部掺杂壁施加公共偏置的公共电极。为了向每个外部掺杂竖向壁施加电信号，电连接可以被应用到相应的掺杂横向区，其从（一个或多个）掺杂竖向区延伸。这样，对于每个有源光波导扇区而言，通过在公共区与外部掺杂壁之间施加偏置或反向偏置，在中心区内形成电场。与外部掺杂区的电连接可以是RF信号，其提供了针对要被施加的光学相位改变的调制信号。该电场可以然后在穿过中心区的光中生成相位改变。

对于相邻的一对有源光波导扇区（包括在第一臂中的一个波导扇区和包括在第二臂中的另一个有源光学扇区），可以存在两个外部掺杂壁和两个内部掺杂壁（每个有源光波导扇区的任一个侧面各一个内部壁和一个外部壁）。内部掺杂壁可以被连接到内部掺杂横向区来在MZM的臂之间形成公共掺杂区。两个外部壁将具有彼此相同的掺杂意义，例如两个外部掺杂壁都可以是p型掺杂的或者两个外部壁都可以是n型掺杂的。内部壁和公共区将以与外部壁相反的意义来掺杂。例如，在外部壁均是p型掺杂的情况下，内部壁可以均是n型掺杂的。相反地，在外部壁均是n型掺杂的情况下，内部壁可以均是p型掺杂的。如上文所描述的，可能的是，在用于每个有源光波导扇区的壁之一中仅存在部分掺杂。同样地，可能的是，在用于每个有源光波导扇区的壁之一中没有掺杂。这等同于针对每对有源光波导扇区的非对称掺杂横截面轮廓。

在MZM的每个臂包括多个有源光波导扇区的情况下，该多个有源光波导扇区可以被描述为多个相邻的有源光波导扇区对。每对有源光波导扇区可以如上文所描述那样进行配置。在沿着MZM的长度包括一定数量的对的情况下，包括在每个臂中的所有有源光学扇区的中心区将被对齐以允许对光进行容纳。每个有源光波导扇区可以被用于对光赋予不同量值的相位改变。跨越一对有源光波导扇区的掺杂物横截面轮廓可以关于穿过位于有源光波导之间的公共区的轴是对称的。同样地，跨越一对有源光波导扇区的掺杂物的横截面轮廓可以是不对称的。在不对称的情况下，对于每对而言，每个有源光波导扇区中的掺杂物的轮廓可以是相同的。在MZM的臂中施加到光的总相位改变可以是由包括在该臂中的有源光波导施加的相位改变的总和。每个有源光波导扇区可以被用来对光赋予不同量值的相位改变。

在沿着MZM的长度存在多对有源光波导扇区的情况下，所述对的公共区可以沿着MZM的长度彼此对齐。可以向经对齐的中心区施加公共信号。这可以利用沿着公共区的长度延续并且被电连接到每个公共区的公共电极轨道来实现。替换地，可以向公共区提供各个电连接的序列，并且这些电连接可以例如通过使用线连接来彼此电连接。在两个示例中，相同的电信号可以被施加到所有公共区。

还可以沿着MZM的长度来对齐多对有源光波导扇区的外部竖向区和外部横向区。沿着外部横向区的序列（其沿着MZM的每个侧面），可以存在在每个横向区上提供的单独的集总电极。在该情况下，每个波导扇区可以具有公共电连接与MZM的臂与外部集总电极之间的公共区之间的偏置。包含在第一臂内的光的相位改变可以与第二臂中的光的相位改变相反。这样，MZM可以被配置成在“推挽”模式中操作。

替换地，轨道电连接可以被连接到MZM的每个侧面上的多个对齐的外部掺杂区。该轨道可以形成行波电极。MZM的第一侧面上的外部轨道可以与MZM的相对侧面上的外部轨道相端接。

本发明的各种实施例的优点可以通过在图9到图38中呈现的数学模型来进一步理解。

下文关于图39和图40对具有PIN结的马赫-曾德尔调制器的另一些实施例进行描述。该马赫-曾德尔调制器操作为具有正向偏置的推挽式马赫-曾德尔。

图39描绘了马赫-曾德尔波导调制器，其中左波导和右波导由SiGe形成，SiGe部分位于绝缘体上硅（SOI）基底的顶部上。对于左波导和右波导中的每个，结区是PIN结，该PIN区包括以n型掺杂区（N）391的形式的第一掺杂区和以p型掺杂区392a、392b的形式的第二掺杂区。

对于每个波导，N型掺杂区离开波导沿着波导的侧壁竖向延伸、沿着波导的上表面横向延伸并且在脊部的底部处横向延伸。两个波导的N型掺杂区相遇来在马赫-曾德尔调制器的左臂与右臂之间形成共享的N型掺杂区。浓缩的子区N+位于两个波导之间的N型掺杂区内。

用于每个波导的p型掺杂区包括位于SOI层内的第一p型掺杂子区（P）和与p型子区电接触的第二更浓缩的p+型子区（P+），该p+型子区位于SiGe材料内。

多个电极被定位为与n+型和p+型子区接触。因为n+型子区是共享的，所以中心公共电极也在两个波导之间共享。

图40中示出的实施例与图39的实施例的不同之处在于不存在共享掺杂区。在图39中，用于相应臂的波导结可以被视为彼此的镜像。对于图40而言，情况并非如此。而是，两个波导之间的中心区包括由绝缘间隙分离的一个波导的N型掺杂区和另一个波导的p型掺杂区。这导致了额外的n+型区和额外的电极。

下文关于图41-45描述了包括PN结区的马赫-曾德尔调制器的示例。

图41和图42示出了针对光学PN设备的两个不同设计，所述光学PN设备可以用来形成马赫-曾德尔波导调制器的每个波导的PN结区。在图41的实施例中，N型掺杂区和P型掺杂区均沿着波导的一个侧面的整个高度竖向延伸。它们在SiGe波导内的竖向或基本上竖向的边界处相遇。

在图42的实施例中，掺杂部分中只有一个一直延伸到波导的侧壁之一的整个高度，在该情况下为N型掺杂区。在波导的顶部，N型掺杂区沿着波导的上表面横向延伸。

图43和44示出了其中由光学设备（诸如图41的光学设备）形成掺杂结的马赫-曾德尔调制器。在这些实施例的每个中，两个波导臂之间的掺杂区是共享的。

图45还示出了由诸如图41中的设备之类的设备形成的马赫-曾德尔调制器。然而，在该情况下，波导之间的中心区包括一个波导的n型掺杂区和另一个波导的p型掺杂区，两个掺杂区由本征区分离。换言之，该马赫-曾德尔调制器具有带有被分离的两个PIN结的臂。该马赫-曾德尔调制器操作为具有正向偏置的推挽式调制器。

下文关于图46到48描述了供马赫-曾德尔调制器使用的多个电极相对于结的有源区的可能布置。

在图46的实施例中，呈现了连续有源区。单个连续有源区在沿着两个波导的长度并且也处于波导之间的空间内的区域延伸。有源区内的波导的部分具有PIN结（正向偏置）或者PN结（反向偏置）；以及电极可以是集总电极或行波电极。

在图47的实施例中，有源区的条带平放为与电极的条带横切或者基本上横切（基本上垂直）。电极的条带沿着平行于波导的方向延伸。再者，有源区内的波导的部分具有PIN结（正向偏置）或PN结（反向偏置）；以及电极可以是集总电极或行波电极。

图48的实施例与图47的实施例的不同之处在于电极是离散的而不是连续的条带。再者，有源区内的波导的部分具有PIN结（正向偏置）或PN结（反向偏置）；以及电极可以是集总电极或行波电极。

以下编号的段落（段）包含本文中所公开的发明技术特征的宽泛组合的陈述：

A组

1A. 一种有源光波导，其包括：

中心波导区，其由活性材料组成；

在中心区的第一侧面上的第一竖向区，所述第一竖向区是至少部分掺杂的，以及；

在所述中心区的第二侧面上的第二竖向区，所述第二竖向区是至少部分未掺杂的或者本征的，以及；

与所述第一竖向区相邻的第一掺杂横向区，

与所述第二竖向区相邻的第二掺杂横向区；

其中所述第二横向区中的掺杂与第一竖向区中的掺杂具有相反意义。

2A. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

所述第一竖向区由所述活性材料或Si组成。

3A. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

所述第二竖向区由所述活性材料或Si组成。

4A. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

所述第一横向区由所述活性材料或Si组成。

5A. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

所述第二横向区由所述活性材料或Si组成。

6A. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

所述活性材料是Ge或SiGe。

7A. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

所述第二竖向区是完全未掺杂的或本征的。

8A. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

所述第一竖向区是p型掺杂的并且所述第二横向区是n型掺杂的。

9A. 根据段落1A-7A的任意一个所述的有源光波导，其中：

所述第一竖向区与是n型掺杂的，以及所述第二横向区是p型掺杂的。

10A. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

所述第一竖向区中的掺杂浓度跨所述第一竖向区的厚度是非均匀的。

11A. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

所述第二横向区中的掺杂浓度跨所述第二横向区的宽度是非均匀的。

12A. 根据任意在前段落所述的有源光波导，进一步包括：

所述第一横向区上的至少一个电接触，以及；

所述第二横向区上的至少一个电接触。

13A. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

所述第一竖向区中的掺杂的竖向范围超过所述第二竖向区中的掺杂的厚度。

14A. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

所述第一竖向区中的掺杂的竖向范围超过所述第二竖向区中的任意掺杂的高度。

15A. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

所述中心区是本征n型掺杂的。

16A. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

在所述第一竖向区与所述第二横向区之间的中心区内形成pn结。

17A. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

所述波导位于绝缘体上硅（SOI）基底上。

18A. 包括根据任意在前段落所述的有源光波导的光学设备，其中：

所述设备是光学调制器。

19A. 包括根据任意在前段落所述的有源光波导的光学设备，其中在使用中：

在所述第一竖向区与所述第二横向区之间向所述中心区施加电场在所述活性材料中引起弗朗兹-凯尔迪什（FK）效应。

20A. 包括根据任意在前段落所述的有源光波导的光学设备，其中：

所述设备是光电探测器。

21A. 根据段落18A-20A中的任意一个所述的光学设备，其中：

所述设备被连接到至少一个Si波导。

22A. 根据段落18A-20A中的任意一个所述的光学设备，其中：

所述活性材料是SiGe，以及；

所述设备被连接到至少一个Si波导。

B组

1B. 一种有源光波导，包括：

由未掺杂或本征半导体材料制成的中心波导区；

所述中心波导区的第一侧面上的第一掺杂半导体区；

所述中心波导区的第二侧面上的第二掺杂半导体区；

其中所述中心波导区的第一和第二侧面是彼此相反的；

所述第一半导体区中的掺杂与所述第二半导体区中的掺杂具有相反意义，以及；

所述中心波导区具有比所述第一掺杂半导体区和所述第二掺杂半导体区中任一个更高的高度。

2B. 根据段落1B所述的有源光波导，其中：

所述第一半导体区是p型掺杂的，以及；

所述第二半导体区是n型掺杂的。

3B. 根据段落1或段落2所述的有源光波导，其中：

所述第一半导体区、所述第二半导体区以及所述中心波导区一起形成PIN结。

4B.根据任意在前段落所述的有源光波导，进一步包括：

介于中间的轻p型掺杂半导体区，其位于所述p型掺杂半导体区和所述中心波导区之间；

其中所述介于中间的轻p型掺杂半导体区具有比所述p型掺杂半导体区更低的掺杂浓度。

5B. 根据任意在前段落所述的有源光波导，进一步包括：

介于中间的轻n型掺杂半导体区，其位于所述n型掺杂半导体区与所述中心波导区之间；

其中所述介于中间的轻n型掺杂半导体区具有比所述n型掺杂半导体区更低的掺杂浓度。

6B. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

所述中心波导由Ge或SiGe组成。

7B. 根据任意在前段落所述的有源光波导，其中：

所述中心波导由Ge或SiGe组成并且所述掺杂半导体区由Si组成。

8B. 根据段落1B-5B中的任意一个所述的有源光波导，其中：

所述中心波导区、所述第一半导体区以及所述第二半导体区都由Ge或SiGe组成。

9B. 根据段落4B或段落5B中的任意一个所述的有源光波导，其中：

所述中心波导区、所述n型掺杂半导体区、所述p型掺杂半导体区、所述轻p型掺杂半导体区以及所述轻n型掺杂半导体区都由Ge或SiGe组成。

10B. 根据任意在前段落所述的光波导，其中：

所述波导位于绝缘体上硅（SOI）基底上。

11B. 根据任意在前段落所述的光波导，其中：

与所述p型掺杂半导体区相邻的中心波导区的壁是p型掺杂的。

12B. 根据任意在前段落所述的光波导，其中：

与所述n型掺杂的半导体区相邻的中心波导区的壁是n型掺杂的。

13B. 包括根据任意在前段落所述的有源光波导的光学设备，其中：

所述设备是光学调制器。

14B. 包括根据任意在前段落所述的有源光波导的光学设备，其中在使用中：

在所述第一竖向区与所述第二竖向区之间向所述中心区施加电场在所述活性材料中引起弗朗兹-凯尔迪什（FK）效应。

15B. 包括根据任意在前段落所述的有源光波导的光学设备，其中：

所述设备是光电探测器。

16B. 根据段落13B-15B中的任意一个所述的光学设备，其中：

所述设备被连接到至少一个Si波导。

17B. 根据段落13B-15B中的任意一个所述的光学设备，其中：

所述活性材料是Ge或SiGe，以及；

所述设备被连接到至少一个Si波导。

18B. 根据段落11B和12B中的任意一个段所述的光学设备经由至少一个Si波导光斑尺寸转换器连接到比所述中心波导更大尺寸的至少一个Si波导。

19B. 根据任意在前段落的光波导，其中：

所述中心区从所述p型掺杂区和n型掺杂区直立一定距离，所述距离比所述p型掺杂区或所述n型掺杂区的高度更短。

C组：具有（A组的光学设备）的MZ；

1C. 一种具有两个臂的马赫-曾德尔调制器，其包括：

包括左有源光波导的左臂以及包括右有源光波导的右臂；

其中所述左光波导和右光波导中的每个是根据A组的任意段落；

其中所述左光波导的第一横向区与所述右光波导的第一横向区在所述左臂与右臂之间的区域中成一体，形成公共掺杂区。

2C. 根据段落1C所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

连接到所述公共掺杂区的公共电极。

3C. 根据段落1C所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

多个公共集总电极，其沿着所述波导被附着到所述公共掺杂区。

4C. 根据段落3C所述的马赫-曾德尔调制器，其中:

所述多个公共集总电极彼此电连接。

5C. 根据任意在前段落所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

与所述左波导的第二横向区连接的单个左电极，以及；

与所述右波导的第二横向区连接的单个右电极。

6C. 根据段落5C所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述左电极和右电极均是集总电极或行波电极。

7C. 根据段落2C或段落3C所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

沿着所述波导与所述左波导的第二横向区连接的多个左集总电极，以及；

沿着所述波导与所述右波导的第二横向区连接的多个右集总电极；

其中所述左集总电极的数量和所述右集总电极的数量相同。

8C. 根据段落7C所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述多个左集总电极、所述多个右集总电极以及所述多个中心电极被包含在单一的活性材料内。

9C. 根据段落3C所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

其中所述左集总电极的数量、所述右集总电极的数量以及公共电极的数量相同。

10C. 根据段落9C所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述多个左集总电极、所述多个右集总电极以及所述中心电极被包含在单一的活性材料内。

11C. 根据段落7C-9C中的任意一个所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述电极包括多个电极子组，每个电极子组包括：

所述多个右电极中的至少一个；

所述多个左电极中的至少一个，以及；

所述多个中心电极中的至少一个；

每个电极子组位于与每个其他电极子组分离的活性材料腔体中。

12C. 根据任意在前段落所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述调制器被配置成在推挽模式中操作。

13C. 根据任意在前段落所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述调制器的每个臂被配置成操作为相位调制器。

D组：具有（B组的光学设备）的MZ；

1D. 一种马赫-曾德尔调制器，其包括：

左臂和右臂：

所述左臂包括左有源光波导，以及；

所述右臂包括右有源光波导；

其中所述左光波导和右光波导中的每个是根据B组的任意段落，以及；

其中所述左波导的第一掺杂半导体区与所述右波导的第一掺杂半导体区在位于所述左臂与右臂之间的公共掺杂区中成一体。

2D. 根据段落1D所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

附着到所述公共掺杂区的公共电极。

3D. 根据段落1D所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

沿着所述波导附着到所述公共掺杂区的多个公共电极。

4D. 根据段落3D所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述多个公共电极彼此电连接。

5D. 根据段落2D所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

与所述左波导的第二掺杂半导体区连接的单个左电极，以及；

与所述右波导的第二掺杂半导体区连接的单个右电极。

6D. 根据段落5D所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述左电极和右电极均是集总电极或行波电极。

7D. 根据段落2D或段落3D所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

沿着所述波导与所述左波导的第二掺杂半导体区连接的多个左集总电极，以及；

沿着所述波导与所述右波导的第二掺杂半导体区连接的多个右集总电极；

其中左集总电极的数量和右集总电极的数量相同。

8D. 根据段落7D所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述多个左集总电极、所述多个右集总电极以及所述多个中心电极被包含在单个活性材料腔体内。

9D. 根据段落3D所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

10D. 根据段落9D所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述多个左集总电极、所述多个右集总电极以及所述中心电极被包含在单个活性材料腔体内。

11D. 根据段落9D所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述电极包括多个电极子组，每个电极子组包括：

所述多个右集总电极中的至少一个；

所述多个左集总电极中的至少一个，以及；

所述多个中心电极中的至少一个；

12D. 根据任意在前段落所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述调制器被配置成在推挽模式中操作。

13D. 根据任意在前段落所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述调制器的每个臂被配置成操作为相位调制器。

E组：具有掺杂的Si壁的MZ

1E. 一种马赫-曾德尔调制器，其包括左臂和右臂：

所述左臂包括左有源光波导，以及；

所述右臂包括右有源光波导；

每个有源光波导包括：

SiGe中心波导区；

所述中心区的第一侧面上的掺杂Si的第一壁；

所述中心区的第二侧面上的掺杂Si的第二壁，以及；

与所述第一壁相邻的掺杂Si的第一横向区，

所述第一横向区具有与所述第一壁相同的掺杂，以及；

与所述第二壁相邻的掺杂Si的第二横向区；

所述第二横向区具有与所述第二壁相同的掺杂；

其中，所述左光波导的第一横向区与所述右光波导的第一横向区在位于所述调制器的臂之间的公共掺杂区中成一体。

2E. 根据段落1E所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述公共掺杂区和所述第一壁均是n型掺杂的，以及；

所述第二壁是p型掺杂的。

3E. 根据段落1E所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述公共掺杂区以及所述第一壁均是p型掺杂的，以及；

所述第二壁是n型掺杂的。

4E. 根据任意在前段落所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

附着到所述公共掺杂区的公共电极。

5E. 根据段落1E-3E中的任意一个所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

沿着所述波导附着到所述公共掺杂区的多个公共电极。

6E. 根据段落5E所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述多个公共电极彼此电连接。

7E. 根据段落1E-4E中的任意一个所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

与所述左波导的第二横向区连接的单个左电极，以及；

与所述右波导的第二横向区连接的单个右电极。

8E. 根据段落5E所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述左电极和右电极均是集总电极或行波电极。

9E. 根据段落4E所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

其中左集总电极的数量和右集总电极的数量相同。

10E. 根据段落9E所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

11E. 根据段落5E所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

多个左集总电极，其沿着所述波导与所述左波导的第二横向区连接，以及；

多个右集总电极，其沿着所述波导与所述右波导的第二横向区连接；

其中左集总电极的数目、右集总电极的数目以及公共电极的数目是相同的。

12E. 根据段落9E所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

13E. 根据段落11E所述的马赫-曾德尔调制器，其中:

所述电极包括多个电极子组，每个电极子组包括：

所述多个右集总电极中的至少一个；

所述多个左集总电极中的至少一个，以及；

所述多个中心电极中的至少一个；

14E. 根据任意在前段落所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述调制器被配置成在推挽模式中操作。

15E. 根据任意在前段落所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述调制器的每个臂被配置成操作为相位调制器。

F组：具有根据A组的光波导设备的隔离臂的MZ.

1F. 一种具有两个臂的马赫-曾德尔调制器，其包括：

包括左有源光波导的左臂以及包括右有源光波导的右臂；

所述左光波导和右光波导中的每个是根据A组的任意段落；

其中所述左光波导与所述右光波导被中心隔离区电学隔离。

2F. 根据段落1F所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述第一竖向区均是n型掺杂的，以及；

所述第二横向区均是p型掺杂的。

3F. 根据段落1F所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述第一竖向区均是p型掺杂的，以及；

所述第二横向区均是n型掺杂的。

4F. 根据任意在前段落所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

与所述左波导的第一横向区连接的第一单个左电极，以及；

与所述右波导的第一横向区连接的第一单个右电极；

与所述左波导的第二横向区连接的第二单个左电极，以及；

与所述右波导的第二横向区连接的第二单个右电极。

5F. 根据段落4F所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述第一单个左电极、所述第一单个右电极、所述第二单个左电极以及所述第二单个右电极均是集总电极或行波电极。

6F. 根据段落1F-3F中的任意一个所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

沿着所述左波导的第一横向区连接的第一多个左集总电极，以及；

沿着所述右波导的第一横向区连接的第一多个右集总电极；

沿着所述左波导的第二横向区连接的第二多个左集总电极，以及；

沿着所述右波导的第二横向区连接的第二多个右集总电极；

其中第一左集总电极的数量、第一右集总电极的数量、第二左集总电极的数量以及第二右集总电极的数量相同。

7F. 根据段落6F所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

其中所述多个第一左集总电极、所述多个第一右集总电极、所述多个第二左集总电极以及所述多个第二右集总电极位于单个活性材料腔体中。

8F. 根据段落6F所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述电极包括多个电极子组，每个电极子组包括：

所述多个第一右集总电极中的至少一个；

所述多个第一左集总电极中的至少一个；

所述多个第二右集总电极中的至少一个；

所述多个第二左集总电极中至少一个，以及；

9F. 根据任意在前段落所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述调制器的每个臂被配置成操作为相位调制器。

G组：具有根据B组的光学设备的隔离臂的MZ

1G. 一种马赫-曾德尔调制器，其包括：

左臂和右臂：

所述左臂包括左有源光波导，以及；

所述右臂包括右有源光波导；

其中所述左波导与所述右波导被中心隔离区电学隔离。

2G. 根据段落1G所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述第一半导体区均是n型掺杂的，以及；

所述第二半导体区均是p型掺杂的。

3G. 根据段落1G所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述第一半导体区均是p型掺杂的，以及；

所述第二半导体区均是n型掺杂的。

4G. 根据段落1G-3G中的任意一个所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

与所述左波导的第一半导体区连接的第一单个左电极，以及；

与所述右波导的第一半导体区连接的第一单个右电极；

与所述左波导的第二半导体区连接的第二单个左电极，以及；

与所述右波导的第二半导体区连接的第二单个右电极。

5G. 根据段落4G所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

6G. 根据段落1G-3G中的任意一个所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

沿着所述左波导的第一半导体区连接的第一多个左集总电极，以及；

沿着所述右波导的第一半导体区连接的第一多个右集总电极；

沿着所述左波导的第二半导体区连接的第二多个左集总电极，以及；

沿着所述右波导的第二半导体区连接的第二多个右集总电极；

7G. 根据段落6G所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述多个第一左集总电极、所述多个第一右集总电极、所述多个第二左集总电极以及所述多个第二右集总电极被包含在单个活性材料腔体内。

8G. 根据段落6G所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述电极包括多个电极子组，每个电极子组包括：

所述多个第一右集总电极中的至少一个；

所述多个第一左集总电极中的至少一个，以及；

所述多个第二右集总电极中的至少一个；

所述多个第二左集总电极中的至少一个，以及；

9G. 根据任何在前段落的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述调制器的每个臂被配置成操作为相位调制器。

H组：具有隔离臂的MZ，所述臂包括掺杂的Si壁

1H. 一种马赫-曾德尔调制器，其包括左臂和右臂，所述左臂和右臂平行，其中：

两个臂中的每个包括至少一个有源光波导，每个有源光波导包括：

SiGe中心波导区；

中心区的第一侧面上的掺杂Si的第一壁；

所述中心区的第二侧面上的掺杂Si的第二壁，以及；

与所述第一壁相邻的掺杂Si的第一横向区，

所述第一横向区具有与所述第一壁相同的掺杂，以及；

与所述第二壁相邻的掺杂Si的第二横向区；

所述第二横向区具有与所述第二壁相同的掺杂；

其中所述第一壁中的掺杂与所述第二壁中的掺杂具有相反意义，以及；

其中，所述左光波导与所述右光波导被中心隔离区电学隔离。

2H. 根据段落1H所述的马赫-曾德尔调制器，其中:

所述第一壁均是n型掺杂的，以及；

所述第二壁均是p型掺杂的。

3H. 根据段落1H所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述第一壁均是p型掺杂的，以及；

所述第二壁均是n型掺杂的。

4H. 根据段落1H-3H中的任意一个所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

与所述左波导的第一横向区连接的第一单个左电极，以及；

与所述右波导的第一横向区连接的第一单个右电极，

与所述左波导的第二横向区连接的第二单个左电极，以及；

与所述右波导的第二横向区连接的第二单个右电极。

5H. 根据段落4H所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述第一和第二左电极和右电极均是集总电极或行波电极。

6H. 根据段落4H所述的马赫-曾德尔调制器，进一步包括：

沿着所述右波导的第一横向区连接的第一多个右集总电极；

沿着所述右波导的第二横向区连接的第二多个右集总电极；

7H. 根据段落9H所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

8H. 根据段落9H所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述电极包括多个电极子组，每个电极子组包括：

所述多个第一右集总电极中的至少一个；

所述多个第一左集总电极中的至少一个，以及；

所述多个第二右集总电极中的至少一个；

所述多个第二左集总电极中的至少一个，以及；

9H. 根据任意前述段落所述的马赫-曾德尔调制器，其中：

所述调制器的每个臂被配置成操作为相位调制器。

尽管本文已经具体描述和图示了马赫-曾德尔波导调制器的示例性实施例，但是许多修改和变化将对本领域技术人员显而易见。因此，要理解的是，根据本发明的原理所构建的马赫-曾德尔调制器可以除本文所具体描述那样之外来体现。本发明还在所附权利要求及其等价方式中被限定。

Claims

1.一种马赫-曾德尔波导调制器，其包括：

包括左SiGe光波导的左臂，以及包括右SiGe光波导的右臂；

其中所述左光波导和右光波导中的每个包括结区以及多个电极，所述多个电极用于跨所述结提供偏置来使得能够实现对经由色散传播通过所述结的光的相位的控制。

2.根据权利要求1所述的马赫-曾德尔波导调制器，其中所述左光波导和右光波导中的每个的结区包括PIN结区，所述PIN结区由以下各项形成：

与p型掺杂区或n型掺杂区相对应的第一半导体区；

与所述p型掺杂区或n型掺杂区中的另一个相对应的第二半导体区；

以及中心SiGe波导区；

其中所述左光波导的第一半导体区与所述右光波导的第一半导体区在所述左臂与右臂之间的区域中成一体，形成公共掺杂区；以及

多个电极，其被配置成跨所述PIN结中一个或两者施加正向偏置来使得能够实现对经由色散传播通过相应的一个或多个PIN结区的光的相位的控制。

3.根据权利要求1所述的马赫-曾德尔波导调制器，其中所述左光波导和右光波导中的每个的结区包括PIN结区，所述PIN结区由以下各项形成：

与p型掺杂区或n型掺杂区相对应的第一半导体区；

以及中心SiGe波导区；

其中所述左光波导的第一半导体区与所述右光波导的第一半导体区被所述左臂和右臂之间的中心隔离区电学隔离，形成公共掺杂区；以及

多个电极，其被配置成跨所述PIN结中的一个或两者施加正向偏置来使得能够实现对经由散射传播通过相应的一个或多个PIN结区的光的相位的控制。

4.根据权利要求1 所述的马赫-曾德尔波导调制器，其中所述左光波导和右光波导中的每个的结包括PN结，所述PN结由以下各项形成：

与p型掺杂区或n型掺杂区相对应的第一半导体区；

与所述p型掺杂区或n型掺杂区中的另一个相对应的第二半导体区；以及

多个电极，其被配置成跨所述PN结中的一个或两者施加反向偏置来使得能够实现对经由色散传播通过相应的一个或多个PN结区的光的相位的控制。

5.根据前述权利要求中的任意一项所述的马赫-曾德尔波导调制器，其中：

所述第一或第二半导体区中的一个包括沿着所述波导的侧面延伸的竖向掺杂部分。

6.根据权利要求5所述的马赫-曾德尔波导调制器，其中所述竖向掺杂部分仅沿着所述波导的侧壁的一部分在竖向方向上延伸，使得所述中心SiGe 波导区具有比所述竖向掺杂区更大的高度。

7.根据权利要求6所述的马赫-曾德尔波导调制器，其中所述竖向掺杂部分沿着所述波导的整个侧面延伸。

8.根据权利要求5至7中的任意一项所述的马赫-曾德尔波导调制器，其中，针对所述调制器的给定的波导臂，所述波导的不多于一个侧面包括竖向掺杂部分。

9.根据前述权利要求中的任意一项所述的马赫-曾德尔波导调制器，其包括：

位于所述p型掺杂半导体区与所述中心波导区之间的介于中间的轻p型掺杂半导体区；

10.根据前述权利要求中的任意一项所述的马赫-曾德尔波导调制器，包括：

位于所述n型掺杂半导体区与所述中心波导区之间的介于中间的轻n型掺杂半导体区；

11.根据任意前述权利要求所述的马赫-曾德尔波导调制器，其中：

所述中心波导由SiGe组成以及所述掺杂半导体区由Si组成。

12.根据权利要求1至11中的任意一项所述的马赫-曾德尔波导调制器，其中：

所述中心波导区、所述第一半导体区以及所述第二半导体区都由SiGe组成。

13.根据权利要求11或权利要求12中的任意一项所述的马赫-曾德尔波导调制器，其中：

所述中心波导区、所述n型掺杂半导体区、所述p型掺杂半导体区、所述轻p型掺杂半导体区以及所述轻n型掺杂半导体区都由SiGe组成。

14.根据权利要求1所述的马赫-曾德尔波导调制器，其中所述多个电极包括位于所述公共掺杂区的公共电极。

15.根据前述权利要求中的任意一项所述的马赫-曾德尔波导调制器，其中，针对每个波导臂：

所述第一半导体区包括第一横向部分，其在所述波导的第一侧面上远离波导壁横向延伸；

所述第二半导体区包括第二横向部分，其在所述波导的第二侧面上远离波导壁横向延伸；以及

所述多个电极包括：

位于所述第一横向区的正顶部的第一电极；以及

位于所述第一横向区的正顶部的第二电极。

16.根据前述权利要求中的任意一项所述的马赫-曾德尔波导调制器，其中所述多个电极包括多个集总电极。

17.根据前述权利要求中的任意一项所述的马赫-曾德尔波导调制器，其被配置成在推挽模式中操作。