CN110494800A - 光学调制器 - Google Patents

Abstract

一种操作光学调制器的方法。所述光学调制器具有：肋形波导，所述肋形波导包括为PIN或PN结的结，所述结具有击穿电压。所述方法包括：向所述结施加反向偏压，以便在所述结的所述击穿电压附近操作所述光学调制器；通过增大所述反向偏压超过所述击穿电压，以雪崩倍增和/或带间隧穿模式操作所述调制器。

Description

光学调制器

技术领域

本发明涉及以反向偏压操作的光学调制器。

背景技术

光学技术，例如光学互连，看起来适合于替换数据网络和芯片内/芯片间数据链路中的电互连。此种光学互连中的关键装置是光学调制器。此种光学调制器的一个示例是硅马赫-曾德尔(Silicon Mach-Zehnder)相位调制器，其在载流子注入或载流子耗尽条件下操作。

在载流子注入条件下，调制器移相器由正向偏压的PIN结形成。结果，大量的自由载流子被注入到I区(也称为本征区)，这导致由于自由载流子等离子体色散效应而导致此区的折射率的变化。因此，穿过此种区的光遇到相位变化，这可以用于调制马赫-曾德尔调制器的输出。

然而，此种正向偏压调制器具有慢调制速度。

在替代配置中，在载流子耗尽条件下使用调制器。在此种示例中，调制器移相器由处于反向偏压的PN结制成。因此，耗尽区中的电场具有高适应性，因此可以容易地从耗尽区移除电荷载流子。结果，调制器表现出非常高的调制速度(不利于调制程度)。

因此，需要一种具有高调制效率和短装置长度以及高调制速度的硅马赫-曾德尔相位调制器。

发明内容

因此，在第一方面，本发明提供了一种操作光学调制器的方法，

光学调制器具有：

肋形波导，所述肋形波导包括为PIN或PN结的结，所述结具有击穿电压；

所述方法包括：

向所述结施加反向偏压，以便在所述结的所述击穿电压附近操作所述光学调制器；

通过增大所述反向偏压超过所述击穿电压，以雪崩倍增和/或带间隧穿模式操作所述调制器。

通过以此种方式操作光学调制器，调制器可以利用雪崩倍增或带间隧穿来将大量电荷载流子提供到结的耗尽区中，从而产生高调制效率。此外，由于在击穿点处或之后的反向偏压提供大的电场，电荷载流子可以快速扫出耗尽区，并且因此调制速度可以很高。

在第二方面，本发明提供一种光学调制器，所述调制包括：

肋形波导，所述肋形波导包括：

P+掺杂区；

N+掺杂区；以及

本征区，所述本征区设置在所述P+掺杂区与所述N+掺杂区之间；

其中所述本征区的厚度在50nm与150nm之间，使得由所述P+掺杂区、所述N+掺杂区和所述本征区形成的PIN结具有小于12V的击穿电压，并且能以雪崩倍增模式操作。

在第三方面，本发明提供一种光学调制器，所述调制器包括：

肋形波导，所述肋形波导包括：

P+掺杂区；以及

N+掺杂区；

其中所述P+掺杂区和所述N+掺杂区含有浓度在1×10¹⁷与5×10¹⁸cm^-3之间的掺杂剂，使得由所述P+掺杂区和所述N+掺杂区形成的PN结具有小于12V的击穿电压，并且能以带间隧穿模式操作。

在第四方面，本发明提供一种光学调制器，所述调制器包括：

肋形波导，所述肋形波导包括：

P+掺杂区；以及

N+掺杂区；

其中所述P+掺杂区和所述N+掺杂区形成击穿电压小于12V的结，并且所述结能以雪崩倍增或带间隧穿模式操作。

在第五方面，本发明提供了一种基于马赫-曾德尔干涉仪的调制器，所述调制器包括两个臂，其中一个臂含有如参考第二至第四方面中的任一者所述光学调制器。

现在将阐述本发明的任选特征。这些可单独应用或与本发明的任何方面任意组合应用。

结的击穿电压可以小于12V。结的击穿电压可以小于或等于6V，并且可以在2V与6V之间。

操作第一方面的调制器的方法可以使用如第二至第四方面中任一方面所述的调制器。

肋形波导可以包括直立肋，所述直立肋的厚度在150nm和250nm之间。

肋形波导可以包括直立肋，所述直立肋的宽度在400nm与500nm之间。

P+掺杂区和N+掺杂区可以含有浓度在0.1×10¹⁸cm^-3和5×10¹⁸cm^-3之间的掺杂剂。

本征区可以包括浓度在0.1×10¹⁶cm^-3与1×10¹⁶cm^-3之间的掺杂剂。

光学调制器还可以包括还包括与所述P+掺杂区相邻的P++掺杂区和与所述N+掺杂区相邻的N++掺杂区。所述P++掺杂区和所述N++掺杂区包括浓度大于1×10¹⁹cm^-3的掺杂剂。

所述N+掺杂区可以沿着所述肋状波导的直立肋的最上表面设置，并且其中所述调制器包括与所述N+掺杂区接触的导电薄膜。在此种示例中，所述调制器还可以包括与所述P+掺杂区相邻的P++掺杂区，并且所述P++掺杂区可以包括浓度大于1×10¹⁹cm^-3的掺杂剂。所述导电薄膜可以由以下任一者形成：掺杂单晶硅膜；氧化铟锡(ITO)膜；或氧化锌(ZnO)膜。

附图说明

现在将参考附图以示例的方式描述本发明的实施方案，其中：

图1示出了PIN或PN结的操作方案；

图2A至2C示出了在光学调制器中使用的PIN结的变体几何形状；

图3A至3C示出了在光学调制器中使用的PN结的变化几何形状；以及

图4示出了在光学调制器中使用的PN结的电流、电压和相移的曲线图。

具体实施方式

图1是针对PIN或PN结的电压对电流(也称为I-V特性)的曲线图100。结遵循曲线101，其对应于二极管的标准I-V特性。所述结在曲线上的点102处以载流子注入模式操作，在所述点处，所述结处于正向偏压。在载流子注入模式中，少数载流子(例如电洞或电子)从任一侧注入结中。少数载流子扩散到结的中心区域，并且与多数载流子重新组合。

相比之下，结在曲线上的点103处(即，当其被反向偏压时)以载流子耗尽模式操作。在此模式下，大多数电荷载流子被推离结(通过反向偏压)，从而留下带电离子。

最后，当施加足够的反向偏压时，结通过击穿电压104，之后电流迅速增大(通常以指数级增大)。电流增大的机制取决于结的结构。在PN结中，可能在击穿电压之后发生带间隧穿(即，导带与价带之间的接近或完全对准)，并且大量电荷载流子可以通过隧穿进入耗尽区。在PIN结中，可能经由雪崩倍增生成大量电荷载流子(即，电荷载流子被加速到足够的能量，使得它们可以经由与束缚电子的碰撞而产生移动或自由的电子-电洞对)。雪崩倍增效应可以具有约0.1ps的响应时间。PIN结也可以利用带间隧道。

图2A以截面图示出了基于PIN结的光学调制器200。光学调制器使用雪崩效应(以及可能的带间隧穿效应)以便以增大的调制速度操作。光学调制器广泛地包括：衬底201(可以是硅衬底)；位于衬底层上方的内埋氧化物层202(BOX)；以及在内埋氧化物层上方的PIN结203。PIN结形成在肋形波导中，所述肋形波导包括平板240和直立肋230。

PIN结203由P++掺杂区204和相邻的P+掺杂区205形成。P+区与本征区208(即非有意掺杂的区)相邻，并且在另一侧上是N+掺杂区206。N+区域连接到N++掺杂区207。电极(未示出)连接到P++区域204和N++区域207。在此示例中，本征区208以直线路径从BOX层202远离BOX层延伸。因此，本征区208将直立肋230分成两个大小相等的部分。因此，PIN结可以被描述为具有与BOX层平行并且穿过本征区的中心的主轴。

另一种几何形状如图2B所示。相同的特征由相同的附图标记指示。在图2B所示的光学调制器210中，本征层218在转向90°并且与其平行延伸之前从BOX层线性地延伸一部分。因此，此光学调制器的PIN结可以通过横向于box层的轴描述，例如与其成45°(与图2A相反，其中主轴平行于BOX层)。由此，直立肋230含有比P+掺杂区215更大比例的N+掺杂区216。与光学调制器200的N+掺杂区206相比，N+掺杂区216具有'Z'形状，并且与光学调制器200的P+掺杂区205相反，P+掺杂区216不是'L'形。与光学调制器200相比，此种几何形状的结果是更大的本征区218。

图2C中示出了另一变型几何形状。相同的特征由相同的附图标记指示。与先前的几何形状相比，图2C中的PIN结223可以通过垂直于衬底延伸的轴来描述。光学调制器220中的P+掺杂层225沿着平板240的宽度延伸，其中P++掺杂层204位于其一端。接下来，在波导的直立肋230内，本征层228设置在P+掺杂层225的顶部上。最后，N+掺杂层226设置在本征层228的顶部上方，因此形成PIN结223。在此示例中，代替N++掺杂区，导电薄膜221沿其最上表面附接到N+区域。导电膜可以是透明的，并且可以由掺杂的单晶Si或透明导电低折射率材料(例如ITO或ZnO)形成。

图3A示出了利用隧道效应的PN结光学调制器300(例如，其可以用作齐纳二极管)。随着光学调制器接近击穿点，将导致通过导带与价带之间的量子隧穿将更多数量的自由载流子注入耗尽区，这可以导致更高的调制效率。图3A中所示的光学调制器300包括衬底301(其可以由硅形成)，在其上面是内埋氧化物层302(BOX)，在内埋氧化物层上方具有PN结位置。

PN结广泛地包括与P+掺杂区305相邻的P++掺杂区304。P+掺杂区与N+掺杂区306直接相邻，并且N+掺杂区与N++掺杂区407相邻。P++掺杂区和N++掺杂区连接到相应的电极(未示出)。

与图2B和2C中所示的变体光学调制器一样，图3A中所示的光学调制器也可具有变体几何形状。举例来说，如图3B所示，光学调制器310的N+掺杂区316可以采用'Z'形状，并且因此延伸穿过P+掺杂区314的顶部。因此，波导的直立肋330含有比例比P+区域大的N+区域(而在光学调制器300中，比例相等)。换句话说，PN结的主轴可以横向于衬底延伸。

类似地，图3C示出了光学调制器320，其是PN结的主轴可被描述为垂直于衬底的示例。在此示例中，P+掺杂区324横跨板的宽度延伸，其中P++区域304设置在其一端。不存在N++掺杂区，而是沿着N+掺杂区的最外表面，即直立肋330的顶部，设置导电薄膜321。导电薄膜可以由掺杂的单晶硅膜或其它透明导电低折射率材料(例如ITO或ZnO)形成。

通常，P++掺杂区的掺杂剂浓度>1×10¹⁹cm^-3，N++掺杂区也是如此。P+和N+掺杂区通常具有0.1-5×10¹⁸cm^-3的掺杂剂浓度。本征区应具有不大于0.1-1×10¹⁶cm^-3的掺杂剂浓度，并且应具有50至150nm的宽度。

在上文论述的所有示例中，波导的直立肋230可以具有在400至500nm之间的宽度(W)(平行于BOX层测量)。板坯的厚度(t)约为100nm，直立肋的厚度(T)为220nm。

图4所示为用作马赫-曾德尔调制器(以反向偏压模式操作)中的移相器的PN结的电流\电压和相移的曲线图。击穿电压约为10.4V，如针对小于其的电压的电流急剧下降所示。应注意，虽然所指示的电压是负的，但其为相关电压的绝对值。因此，在此示例中，-10V与0V之间的电压凭借其绝对大小而被认为是‘小于’-10.4V。应特别注意的是相移线的电压小于击穿电压的行为。应注意，由于电流的增大，相移在击穿后以更快的速率增大。这可以产生更高的调制效率。

所述装置还可以按交错或交叉结设计配置，即具有交替的p-n结段。

虽然已经结合上述示例性实施方案描述了本发明，但当给出本公开时，许多等同的修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，以上阐述的本发明的示例性实施方案被认为是说明性的而非限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的实施方案进行各种改变。

上述所有参考文献均特此以引入的方式并入。

特征列表

100 I-V特性

101 装置曲线

102 载流子注入区

103 载流子耗尽区

104 击穿电压

200、210、220 光学调制器

300、310、320 光学调制器

201、301 衬底

202、202 BOX层

203、213、223 PIN结

204、304 P++掺杂区

205、215、225 P+掺杂区

304、314、324 P+掺杂区

206、216、226 N+掺杂区

306、316、326 N+掺杂区

207、307 N++掺杂区

208、218、228 本征区

221、321 导电薄膜

230、330 直立肋

240、340 平板

Claims (30)

1.一种操作光学调制器的方法，

所述光学调制器具有：

肋形波导，所述肋形波导包括为PIN或PN结的结，所述结具有击穿电压；

所述方法包括：

向所述结施加反向偏压，以便在所述结的所述击穿电压附近操作所述光学调制器；

通过增大所述反向偏压超过所述击穿电压，以雪崩倍增和/或带间隧穿模式操作所述调制器。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述结的所述击穿电压小于12V。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述结的所述击穿电压小于或等于6V。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述结的所述击穿电压在2V与6V之间。

5.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述调制器如权利要求7-30中任一项所述。

6.一种光学调制器，所述调制包括：

肋形波导，所述肋形波导包括：

P+掺杂区；

N+掺杂区；以及

本征区，所述本征区设置在所述P+掺杂区与所述N+掺杂区之间；

其中所述本征区的厚度在50nm与150nm之间，使得由所述P+掺杂区、所述N+掺杂区和所述本征区形成的PIN结具有小于12V的击穿电压，并且能以雪崩倍增模式操作。

7.如权利要求7所述的光学调制器，其中所述击穿电压小于或等于6V。

8.如权利要求7所述的光学调制器，其中所述击穿电压在2V与6V之间。

9.如权利要求7至9中任一项所述的光学调制器，其中所述肋形波导包括直立肋，所述直立肋的厚度在150nm和250nm之间。

10.如权利要求7至10中任一项所述的光学调制器，其中所述肋形波导包括直立肋，所述直立肋的宽度在400nm与500nm之间。

11.如权利要求7至11中任一项所述的光学调制器，其中所述P+掺杂区和所述N+掺杂区含有浓度在0.5×10¹⁸cm^-3和5×10¹⁸cm^-3之间的掺杂剂。

12.如权利要求7至12中任一项所述的光学调制器，其中所述本征区包括浓度在0.1×10¹⁶cm^-3与1×10¹⁶cm^-3之间的掺杂剂。

13.如权利要求7至13中任一项所述的光学调制器，所述光学调制器还包括与所述P+掺杂区相邻的P++掺杂区和与所述N+掺杂区相邻的N++掺杂区。

14.如权利要求14所述的光学调制器，其中所述P++掺杂区和所述N++掺杂区包括浓度大于1×10¹⁹cm^-3的掺杂剂。

15.如权利要求7至13中任一项所述的光学调制器，其中所述N+掺杂区沿着所述肋状波导的直立肋的最上表面设置，并且其中所述调制器还包括与所述N+掺杂区接触的导电薄膜。

16.如权利要求16所述的光学调制器，其中所述调制器还包括与所述P+掺杂区相邻的P++掺杂区，所述P++掺杂区包括浓度大于1×10¹⁹cm^-3的掺杂剂。

17.如权利要求16或17所述的光学调制器，其中所述导电薄膜由以下任一者形成：

掺杂单晶硅膜；

氧化铟锡(ITO)膜；或

氧化锌(ZnO)膜。

18.一种光学调制器，所述调制器包括：

肋形波导，所述肋形波导包括：

P+掺杂区；以及

N+掺杂区；

其中所述P+掺杂区和所述N+掺杂区含有浓度在1×10¹⁷与5×10¹⁸cm^-3之间的掺杂剂，使得由所述P+掺杂区和所述N+掺杂区形成的PN结具有小于12V的击穿电压，并且能以带间隧穿模式操作。

19.如权利要求19所述的光学调制器，其中所述击穿电压小于或等于6V。

20.如权利要求19所述的光学调制器，其中所述击穿电压在2V与6V之间。

21.如权利要求19至21中任一项所述的光学调制器，其中所述肋形波导包括直立肋，所述直立肋的厚度在150nm与250nm之间。

22.如权利要求19至22中任一项所述的光学调制器，其中所述肋形波导包括直立肋，所述直立肋的宽度在400nm与500nm之间。

23.如权利要求19至23中任一项所述的光学调制器，其中所述P+掺杂区和所述N+掺杂区含有浓度在0.5×10¹⁸cm^-3与5×10¹⁸cm^-3之间的掺杂剂。

24.如权利要求19至24中任一项所述的光学调制器，其中所述本征区包括浓度在0.1×10¹⁶与1×10¹⁶cm^-3之间的掺杂剂。

25.如权利要求19至25中任一项所述的光学调制器，所述光学调制器还包括与所述P+掺杂区相邻的P++掺杂区和与所述N+掺杂区相邻的N++掺杂区。

26.如权利要求26所述的光学调制器，其中所述P++掺杂区和N++掺杂区包括浓度大于1×10¹⁹cm^-3的掺杂剂。

27.如权利要求19至25中任一项所述的光学调制器，其中所述N+掺杂区沿着所述肋状波导的直立肋的最上表面设置，并且其中所述调制器还包括与所述N+掺杂区接触的导电薄膜。

28.如权利要求28所述的光学调制器，其中所述调制器还包括与所述P+掺杂区相邻的P++掺杂区，所述P++掺杂区包括浓度大于1×10¹⁹cm^-3的掺杂剂。

29.一种光学调制器，所述调制器包括：

肋形波导，所述肋形波导包括：

P+掺杂区；以及

N+掺杂区；

其中所述P+掺杂区和所述N+掺杂区形成击穿电压小于12V的结，并且所述结能以雪崩倍增或带间隧穿模式操作。

30.一种基于马赫-曾德尔干涉仪的调制器，所述调制器包括两个臂，其中一个臂含有如权利要求7至30中任一项所述的光学调制器。