CN110554521A - 具有rcbc电极结构的单片电光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了单片电光(E‑O)调制器的各种实施例。单片电光调制器包括有源区域，该有源区域包括多个p‑n结二极管，以及延伸通过有源区域的调制电极和偏压电极。单片电光调制器还包括电阻器‑电容器‑偏压电容器(RCBC)电极结构，其被配置为接收电调制信号，直流(DC)偏压电压和电源电压。具体地，RCBC电极结构包括耦合到调制电极的电阻器和两个电容器，每个电容器耦合到偏压电极的相应端。有利地，RCBC电极结构使得p‑n结二极管能够独立于电调制信号的DC电平而被偏压。

Description

具有RCBC电极结构的单片电光调制器
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2018年8月31日提交的美国专利申请No.62/765,565的优先权。上述申请通过引用整体并入。
技术领域
本申请涉及光调制器的技术领域。更具体地，本申请涉及具有电阻器-电容器-偏压-电容器(RCBC)电极结构的单片电光调制器。
背景技术
单片电光(E-O)调制器，例如在衬底上制造的小型化Mach-Zehnder调制器(MZM)，是各种现代数字通信系统中的关键部件。衬底通常是半导体衬底，例如硅(Si)或绝缘体上硅(SOI)衬底，其上使用类似于制造半导体集成电路(IC)中所用的制造技术制造单片电光调制器。单片电光调制器可以包括各种小型化光学组件，例如波导、光学耦合器、光学分离器和/或移相器。单片电光调制器还可以包括各种小型化电子部件，例如电阻器、电容器、二极管和/或电极。光学组件和电子组件都在同一衬底上制造。本公开的单片电光调制器在下文中可互换地称为“电光调制器”，“光子调制器”或简称为“调制器”。
光信号可以进入调制器的一个或多个波导，并且当光信号传播通过调制器时，调制器可以改变光信号的强度、相位或两者。具体地，其中感应的强度和/或相位的变化量取决于施加到调制器的电调制电压。作为调制器的控制信号，调制电压可以包括时变射频(RF)分量和静态直流(DC)分量。调制电压可以由电驱动器电路提供，该电驱动器电路制造在单独的衬底上，而不是在承载调制器的同一衬底上。承载调制器的衬底可以称为“调制器裸片(modulator die)”，而承载电驱动器的衬底可以称为“驱动器裸片(driver die)”。可以采用一个或多个电连接将驱动器裸片电耦合到调制器裸片，使得电驱动器可以“驱动”调制器。也就是说，由电驱动器电路产生的调制电压被适当地施加到调制器以控制调制器的行为。特别地，调制器可以包括电极结构，通过该电极结构适当地接收调制电压并将其施加到调制器。除了接收调制电压之外，调制器的电极结构还可以从直流电源接收偏压电压，该直流电源间接地设置调制电压的直流分量。承载电驱动器的驱动器裸片和承载调制器的由电驱动器驱动的调制器裸片的组合可以称为调制系统。
图15示出了调制系统1500，其中采用了用于将调制电压施加到调制器的传统方式。如图15所示，调制系统1500包括位于驱动器裸片1519上的电驱动器电路1510和位于调制器裸片1529上的调制器1520。驱动器裸片1519和调制器裸片1529通过电连接1541彼此直接耦合。因此，由电驱动器电路1510产生的调制电压被施加到调制器1520。具体地，由电驱动器电路1510产生的调制电压施加在电驱动器电路1510的输出节点1512处，调制电压接着通过电连接1541耦合到调制器1520的调制电极1521，调制电极1521与调制器1520的有源区域1524相互作用。即，通过由电连接1541实现的直接电耦合，电驱动器电路1510被配置为用调制电压驱动调制器1520的调制电极1521，从而控制调制器1520以根据调制电压产生所需的光调制。
调制器1520还包括电耦合在调制电极1521和电源1530之间的负载电阻器1526。电源1530被配置为在额定电压值VSP下用作电流源。具体地，电源1530被配置为提供通过调制器1520流到电驱动器电路1510的电流ISP。具体地，电流ISP被配置为从电源1530经由负载电阻器1526和调制电极1521，流到电驱动电路1510的输出节点1512。
假设调制电极1521上的电压降可忽略不计，电驱动器电路1510的输出节点1512的节点电压(在图15中表示为VOUT)与调制器1520的调制电极1521的节点电压相同。即，调制器1520的有源区域1524由电驱动器电路1510的输出节点1512以VOUT的电压直接偏压。然而，对于期望的VOUT值，电驱动器电路1510和调制器1520之间可能存在冲突。也就是说，虽然可能存在对于电驱动器电路1510的操作而言最佳的VOUT的值，但是调制器1520可能希望VOUT基于其自身的性能要求而处于不同的值。因此，可能不存在对电驱动器电路1510和调制器1520两者都最佳的VOUT值。即使在考虑中包括调制电极1521上的有限电压降，对于调制系统1500，仍存在这种两难困境。这是因为电驱动器电路1510的输出节点1512的节点电压和调制器1520的有源区域1524的偏压电压仍然相关，因此不能分别优化。
发明内容
以下发明内容仅是说明性的，并不旨在以任何方式进行限制。也就是说，提供以下发明内容以介绍本文描述的新颖和非显而易见的技术的概念、要点、益处和优点。在下面的详细描述中进一步描述仅是选择性的而非全部实施方式。因此，以下发明内容并非旨在标识所要求保护的主题的必要特征，也不旨在用于确定所要求保护的主题的范围。
在一个方面，提供了单片电光(E-O)调制器。单片电光调制器包括配置为容纳光波的有源区域。光波可以沿主传播方向传播通过有源区域。有源区域可以包括沿主传播方向设置的多个p-n结二极管。多个p-n结二极管中的每一个p-n结二极管可以具有p型条和n型条。p型条和n型条沿主传播方向彼此相邻设置，在两其间形成p-n结。调制电极电耦合到多个p-n结二极管中的每一个p-n结二极管的n型条，而偏压电极耦合到多个p-n结二极管中的每一个p-n结二极管的p型条。
单片电光调制器还可包括调制电极和偏压电极。调制电极和偏压电极均可以沿主传播方向延伸通过有源区域。
另外，单片电光调制器还可以包括射频(RF)输入接口、直流(DC)偏压接口和电源接口。射频输入接口被配置为接收电调制信号，而直流偏压接口被配置为接收直流偏压电压。电源接口被配置为接收电源电压。
在单片电光调制器中还包括一些无源电子器件。具体地，单片电光调制器包括一个电阻器和两个电容器。单片电光调制器的各种组件还以下列方式连接：(1)射频输入接口电耦合到调制电极的第一端；(2)直流偏压接口电耦合到偏压电极；(3)电阻器电耦合在调制电极的第二端和电源接口之间；(4)两个电容器中的第一电容器电耦合在偏压电极的第一端和电接地之间；(5)两个电容器中的第二电容器电耦合在偏压电极的第二端和电源接口之间。
在一些实施例中，单片电光调制器还可以包括产生直流偏压电压的电压产生电路。在一些实施例中，电压产生电路能够在一定值的范围上调节直流偏压电压。
在一些实施例中，单片电光调制器可以制造在绝缘体上硅衬底上。绝缘体上硅衬底可以包括体硅衬底(bulk silicon substrate)、掩埋氧化物层和顶部硅层。
在一些实施例中，多个p-n结二极管共同形成脊形波导，光波被配置成在脊形波导内行进。
在一些实施例中，偏压电极可以包括两个导电条。两个导电条彼此平行设置，同时与主传播方向对齐。两个导电条均设置在调制电极的相应侧上。而且，共面波导电极由调制电极和偏压电极的两个导电条形成。可以由电驱动器电路产生的电调制信号可以在共面波导电极中传导。
在一些实施例中，电光调制器可以由一对差分调制信号驱动。调制电极可以包括两个导电条，每个导电条承载一对差分调制信号中的一个。此外，偏压电极可以具有三个导电条。对于其物理安放或布置，偏压电极的三个导电条和调制电极的两个导电条彼此平行设置并且与主传播方向对齐。具体地，调制电极的两个导电条在偏压电极的三个导电条之间相互交叉设置，以形成共面波导电极，并且共面波导电极可用于承载这对差分调制信号。多个p-n结二极管可以布置成相对于共面波导电极对称。
附图说明
附图用以提供对本公开的进一步理解，并且附图并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。附图可能不一定按比例绘制，以便更好地呈现所示主题的某些特征。附图标记的最左边的数字表示首次出现附图标记的图号。在不同图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。
图1是根据本公开第一实施例的具有电光调制器的调制系统的示意图。
图2示出了根据本公开的实施例的电光调制器的有源区域的立体示意图。
图3示出了根据本公开的第一实施例的电光调制器的有源区域的剖视图。
图4示出了根据本公开的实施例的用于制造电光调制器的绝缘体上硅(SOI)衬底的剖视图。
图5示出了根据本公开第一实施例的电光调制器有源区调制部分的剖视图。
图6示出了根据本公开第一实施例的电光调制器有源区非调制部分的剖视图。
图7示出了根据本公开实施例的在绝缘体上硅(SOI)衬底上制造的小型化电阻器的实施例。
图8示出了根据本公开实施例的在绝缘体上硅(SOI)衬底上制造的小型化电容器的实施例。
图9示出了根据本公开第二实施例的电光调制器的有源区域的剖视图。
图10示出了具有根据本公开第三实施例的电光调制器的调制系统的示意图。
图11示出了根据本公开第三实施例的电光调制器的有源区域的剖视图。
图12A和图12B均示出了根据本公开第四实施例的具有电光调制器的调制系统的示意图。
图13示出了根据本公开第四实施例的电光调制器的有源区域的剖视图。
图14示出了两个示意图，每个示意图示出了根据本公开第四实施例的用于电光调制器的多个p-n结二极管的相应布置。
图15示出了以传统方式驱动电光调制器的电驱动器电路的示意图。
具体实施方式
在以下详细描述中，通过示例阐述了许多具体细节，以便提供对相关教导的透彻理解。基于本文描述的教导的任何变化、变型和/或扩展都在本公开的保护范围内。在一些实例中，可以在没有细节的情况下以相对较高的级别描述与本文公开的一个或多个示例实现有关的公知方法、过程、组件和/或电路，以避免不必要地模糊本公开的教导的各方面。
如上所述，在通过将来自驱动器电路的调制电压直接耦合到调制器的调制电极来驱动电光调制器的传统配置中存在两难困境。该配置使得调制器的有源区域中PN结二极管的反向偏压被驱动器电路中的直流偏压限制住，导致驱动器电路和调制器中的任一个或两者的性能无法同时达到最佳状态。
本公开提出了一种电光调制器，其具有称为电阻器-电容器-偏压-电容器(RCBC)电极结构的新颖电极结构。由于RCBC电极结构，调制器的有源区域可以一定电压偏压，该电压与驱动器电路的输出节点处的调制电压的直流分量不同。因此，驱动器电路的工作状态和调制器的工作状态可以解耦并单独优化。使用以下示例实施例呈现RCBC电极结构和具有RCBC电极结构的各种调制器配置。
第一实施例
图1示出了与具有RCBC电极结构的电光调制器相关的示意图。具体地，图1示出调制系统100，其包括电驱动器电路110，电光调制器120和电源130。调制器120的RCBC电极包括电阻器126、第一电容器127、偏压电极122和第二电容器128。
如图1所示，调制器120包括有源区域124，有源区域124被配置为当光波沿主传播方向传播或以其他方式穿过有源区域124时容纳光波。有源区域124可以包括一个或多个光波导以容纳光波。即，一个或多个光波导提供光路，光波在该光路中穿过有源区域124。当光波传播通过有源区域124时，电光调制器120被配置为基于电驱动电路110产生的电调制信号改变光波的强度和/或相位。
调制器120包括调制电极121以接收来自电驱动器电路110的电调制信号。调制电压可包括时变射频分量和静态直流分量。电调制信号由电驱动器电路110产生并呈现在电驱动器电路110的输出节点112处。调制器120包括射频(RF)输入接口141，其被配置为接收电调制信号。射频输入接口141电耦合到调制电极121。在一些实施例中，射频输入接口141可以是调制电极121的延伸，并且电调制信号可以从电驱动电路110的输出节点112直接耦合到调制电极121。在物理上，调制电极121可以沿主传播方向延伸通过有源区域124。
调制器120还包括直流偏压接口142，其被配置为接收直流偏压电压，在图1中表示为VBIAS。直流偏压接口142电耦合到偏压电极122。在一些实施例中，直流偏压接口142可以是偏压电极122的延伸，并且直流偏压电压可以从电压源直接耦合到偏压电极122。物理上，偏压电极122可以沿主传播方向延伸通过有源区域124。在一些实施例中，调制器120可以包括电压源，例如，产生直流偏压电压VBIAS的电压产生电路150。在一些实施例中，电压产生电路150被配置为提供可变直流偏压电压。也就是说，电压产生电路150可以能够根据调制器120的性能要求来在一定范围调整直流偏压电压VBIAS的值。
调制器120还包括电源接口143，其被配置为接收电源电压，在图1中表示为VSP，也是直流电压。电源电压130可以由电源130产生。电源130被配置为在额定电压值VSP下用作电流源。具体地，电源130被配置为提供通过调制器120流到电驱动器电路110的电流值ISP。具体地，电流ISP被配置为经由负载电阻器126和调制电极121从电源130流动到电驱动电路110的输出节点112。通常，对于现代数字通信系统，电源电压VSP具有4-6伏的范围内的值。
电阻器126(在图1中用R表示)在调制电极121和电源接口143之间电耦合，并且可以称为调制电极121的“负载电阻”。具体地，负载电阻126和射频输入接口141分别耦合到调制电极121的两个相对端。也就是说，射频输入接口141耦合到调制电极121的第一端，而负载电阻器126耦合到调制电极121的第二端。当电调制信号传播到调制电极121的远端(即，负载电阻器耦合到的端部)时，负载电阻器可用于吸收电调制信号的残余射频功率。可以确定电阻器126的实际值，使得最小化或减少远端处的微波反射。对于在现代数字通信系统中使用的电光调制器，电阻器126的实际值可以在30-50欧姆的范围内。
电容器127和128(在图1中分别表示为C1和C2)分别电耦合到偏压电极122的两个相对端。具体地，电容器127电耦合在偏压电极122的第一端和调制器120的电接地123之间，而电容器128电耦合在偏压电极122的第二端和电源接口143之间。电容器127和128均可以被称为偏压电极122的“隔离电容器”。通过电容器127和128，偏压电极122在很大程度上与周围环境中的电噪声或干扰隔离，因此是在直流偏压电压VBIAS下正确偏压。调制系统100的各种电压，包括电源电压VSP、直流偏压电压VBIAS和由驱动器电路110产生的电调制信号，都与电接地123相关联。
由有源区域124的一个或多个光波导形成的光路允许光波沿主传播方向传播通过有源区域124。光路是单向的。也就是说，光波从有源区域124的一端进入，大致沿着主传播方向在一个或多个光波导内行进，并从有源区域124的另一端射出。在一些实施例中，光路可以基本笔直。在一些其他实施例中，光路可以是缠绕的，或者可以包含弯曲部分。在一些实施例中，一个或多个光波导中的每一个可以具有沿着光路具有恒定尺寸的横截面(即，垂直于主传播方向)。在一些实施例中，横截面的尺寸可以沿光路变化。调制电极121和/或偏压电极122可以沿着一个或多个光波导设置。
图2示出了有源区域124的立体图200，以及穿过有源区域124的光波，其中有源区域124基本上是平板。箭头281表示当光波在平板的前表面201处进入有源区域124时的光波，而箭头282表示当光波在平板的后表面202处离开有源区域124时的光波。如图2所示，光波沿主传播方向211传播通过有源区域124。使用图2的笛卡尔坐标，主传播方向211基本上与y方向对齐。如图2立体图200中所示，有源区域124沿主传播方向211具有长度L。
调制电极121和偏压电极122都可以沿着主传播方向211延伸通过有源区域124。如上所述，调制电极121和偏压电极122均具有第一端和第二端。参见立体图200，调制电极121和偏压电极122均可以具有在前表面201处的第一端和在后表面202处的第二端，并且可以沿着主传输方向211通过有源区域124从第一端延伸到第二端，长度为L。在一些实施例中，射频输入接口141可以电耦合到调制电极121的第一端，而负载电阻器126可以电耦合到调制电极121的第二端。在一些实施例中，第一隔离电容器127可以电耦合在偏压电极122的第一端和电接地123之间，而第二隔离电容器128可以电耦合在偏压电极122的第二端和电源接口143之间。在一些实施例中，直流偏压接口142还可以电耦合到偏压电极122的第一端。
如图1所示，调制器120的有源区域124包括多个p-n结二极管125。多个p-n结二极管125可以沿主传播方向211顺序设置。因此，如箭头281所示的光波可以沿着主传播方向211行进，穿过多个p-n结二极管125的第一p-n结二极管，并且随后通过其第二p-n结二极管，并且随后通过其第三p-n结二极管，等等，之后离开有源区域124(如箭头282所示)。通常，多个p-n结二极管125可以包括顺序设置的多达一百个p-n结二极管。然而，在一些实施例中，多个p-n结二极管125可以仅包括一个p-n结二极管。
多个p-n结二极管125中的每一个p-n结二极管被调制电极121和偏压电极122之间的电压差电偏压。由于流过调制电极121的直流电流ISP通过电阻器126上的电压降。即，调制电极121具有低于VSP的直流电压电平。因此，调制电极121具有(VSP-ISP*R)的直流电压。假定偏压电极122偏压在直流偏压电压VBIAS，则在多个p-n结二极管125中的每一个p-n结二极管上存在绝对值(VSP-ISP*R-VBIAS)的电压差。如上所述，如果电压发生电路150是可变电压源，则VBIAS的实际值是可调节的。因此，通过调节由电压产生电路150产生的VBIAS的实际值，可以调节多个p-n结二极管125上的偏压。
图3示出了有源区域124沿主传播方向211的剖视图300。具体地，剖视图300示出了平行于图2的x-y平面的横截面。示出了多个p-n结二极管125中的一些p-n结二极管，以及调制电极121的一部分和偏压电极122的一部分。如剖视图300所示，多个p-n结二极管125是沿主传播方向211设置，即，y方向。调制电极121和偏压电极122均沿主传播方向211设置。另外，多个p-n结二极管125中的每一个p-n结二极管包括沿着主传播方向对齐的p型条310和n型条320。具体地，p型条310和n型条320彼此相邻设置，p-n结330形成在p型条310和n型条320之间。尽管未在图3中明确示出，调制电极121电耦合到多个p-n结二极管125中的每一个的n型条320，而偏压电极122电耦合到多个p-n结中的每一个的p型条310。因此，多个p-n结二极管125中的每一个p-n结二极管的p-n结330基本上被调制电极121和偏压电极122之间的电压差偏压，即(VSP-ISP*R-VBIAS)。通常，多个p-n结二极管125被偏压，使得多个p-n结二极管125中的每一个p-n结二极管的p-n结330被反向偏压，这意味着p型条310的直流电压电平低于n型条320的直流电压电平。即，电压差(VSP-ISP*R-VBIAS)具有正值。
可以在绝缘体上硅(SOI)衬底(例如图4的SOI衬底400)上制造电光调制器120。具体而言，图4示出了在其上制造诸如调制器120的电光调制器之前的SOI衬底400的剖视图480。图4还示出了在其上制造诸如调制器120的电光调制器之后的SOI衬底400的剖视图482。所示的剖视图480和482平行于图2的x-z平面。通常，SOI衬底400包括三个不同的材料层，其中掩埋氧化物(BOX)层402夹在体硅衬底401和顶部硅层404之间。即，顶部硅层404和体硅衬底401分别设置在BOX层402的两个相对侧上。BOX层402具有两个相对的表面：上表面424和下表面421。顶部硅层404在上表面424处与BOX层402相交，而体硅衬底401在下表面421处与BOX层402相交。如上所述，顶部硅层404通常在z方向上的厚度明显小于体硅衬底401的厚度。此外，在顶部硅层404中制造调制器120的有源区域124，特别是多个p-n结二极管125。而且，如剖视图482所示，在制造调制器120之后，厚氧化物/钝化物层在SOI衬底上沉积以保护调制器120。
图5示出了剖视图500，其是剖视图482的更详细的版本。剖视图500示出了在SOI衬底400上沿着图3的线A-A制造的调制器120的剖视图，图3的线A-A与多个p-n结二极管125中的一个p-n结二极管相交。具体地，在剖视图500中示出构成调制器120的各种掺杂区、硅化物和金属化，包括N掺杂硅区域501、P掺杂硅区域502、N+掺杂硅区域503、P+掺杂硅区域504、N++掺杂硅区域505、P++掺杂硅区域506、金属-一(metal-one)层507和金属-二(metal-two)层508。另外，示出了提供层间电连接的钨通孔(tungsten plug)509。如剖视图500所示，钨通孔509用于将金属-一层507电耦合到金属-二层508。此外，钨通孔509还用于将金属-一层电耦合到N++掺杂硅区域505，P++掺杂硅区域506中的每一个。金属-二层508用于形成调制电极121和偏压电极122。
N掺杂硅区域501、P掺杂硅区域502、N+掺杂硅区域503、P+掺杂硅区域504、N++掺杂硅区域505和P++掺杂硅区域506中的每一个可以表示沿着主传播方向211延伸的短条或纵向部分的横截面。p型条310是由P掺杂硅区域502表示的部分、P+掺杂硅区域504表示的部分、由P++掺杂硅区域506表示的部分共同地形成的。类似地，n型条320是由N掺杂硅区域501表示的部分、N+掺杂硅区域503表示的部分和由N+掺杂硅区域505表示的部分共同地形成的。p-n结330在由P掺杂硅区域502表示的部分和由N掺杂硅区域501表示的部分之间形成。
如图5所示，N掺杂硅区域501和P掺杂硅区域502彼此并排设置。N+掺杂硅区域503与N掺杂硅区域501并排相邻设置，与P掺杂硅区域502相对。类似地，P+掺杂硅区域504与P掺杂硅区域502并排相邻设置，与N掺杂硅区域501相对。另外，N++掺杂硅区域505可以与N+掺杂硅区域503并排相邻设置，与N掺杂硅区域501相对。类似地，P++掺杂硅区域506与P+掺杂硅区域504并排设置，与P掺杂硅区域502相对。掺杂区域501-506位于BOX层402的同一侧，因为它们形成在顶部硅层404中，顶部硅层404与BOX层402相邻。
可以通过在顶部硅层404的特定区域中提供特定水平的N型或P型掺杂剂来形成掺杂区域501-506中的每一个。此外，图5中的每个层或掺杂区域可以在z方向上具有优选的厚度范围。在一些实施例中，N掺杂硅区域501和P掺杂硅区域502均可以具有100-500纳米(nm)的厚度，以及1e17-1e18每立方厘米的掺杂浓度(cm-3)。在一些实施例中，N+掺杂硅区域503和P+掺杂硅区域504均可以具有70-320nm的厚度，以及1e18-5e18cm-3范围内的掺杂浓度。在一些实施例中，N++掺杂硅区域505和P++掺杂硅区域506均可以具有150-400nm的厚度，以及1e19-1e22cm-3范围内的掺杂浓度。金属-一层507和金属-二层508均可以由导电金属、合金或其他材料制成，例如铝-铜(Al-Cu)合金。在一些实施例中，金属-一层507的厚度可以在0.3-0.8微米(μm)的范围内，而金属-二层508的厚度可以在1.5-3μm的范围内。在一些实施例中，BOX层202可具有2-4μm的厚度。
图6示出了沿着图3的线B-B的调制器120的剖视图600。由于线B-B不与多个p-n结二极管125中的任何一个相交，所以剖视图600中的顶部硅层404不掺杂任何浓度的任何P型或N型掺杂剂。然而，未掺杂的顶部硅层404形成为区域620，区域620的横截面轮廓与由剖视图500的N掺杂硅区域501、P掺杂硅区域502、N+掺杂硅区域503，P+掺杂硅区域504、N++掺杂硅区域505和P++掺杂硅区域506的串联组成的聚集区域的横截面轮廓相同。沿主传播方向211(即在y方向上)，剖视图600的未掺杂区域620与剖视图500的掺杂硅区域(即，包括区域501-506)物理连续地形成，以提供用于在调制器120中引导光波的光学波导。具体地，如图5和图6所示的光波导是脊形波导，脊形波导的脊包括N掺杂硅区域501和P掺杂硅区域502。在一些实施例中，脊形波导的高度(即，N掺杂硅区域501或者P掺杂硅区域502在z方向上的尺寸)在100-500nm的范围内，而脊的宽度(即，N掺杂硅区域501和P掺杂硅区域502在x方向组合在一起的尺寸)在300-700nm的范围内。
图7示出了微型电阻器的剖视图700，其可以是调制器120的电阻器126的实施例。微型电阻器可以包括形成在SOI衬底400的顶部硅层404中的掺杂硅区域703。掺杂硅区域703以适当的掺杂浓度掺杂有N型或P型掺杂剂，以提供所需的电阻率。微型电阻器还可以包括两个高掺杂硅区域705，其形成微型电阻器的两个欧姆接触。通过欧姆接触和包括钨通孔509、金属-一层507和金属-二层508的金属化的组合，小型化电阻器可以电耦合到调制器120的其他部分，例如调制电极121的第二端，和电源接口143。
图8示出了微型电容器的剖视图800，其可以是电容器127或调制器120的电容器128的实施例。微型电容器可以包括金属-绝缘体-金属(MIM)区域803。在一些实施例中，MIM区域803可以通过设置在金属-一层507和金属-二层508之间的介电层来实现，如剖视图800所示。两个金属-二金属片807和808可以电耦合到MIM区域803，并且用作微型电容器的两个端子。在一些实施例中，MIM区域803可以在金属-一层507，或金属-二层508中的两个带有图案的金属片之间实现。两个带有图案的金属片可以以计算出的介于两者之间的间距彼此靠近放置，以在两个带有图案的金属片之间产生所需的电容。通过两个带有图案的金属片或两个金属-二金属片807和808，小型化电容器可以电耦合到调制器120的其他部分，例如偏压电极122的第一端或第二端，电接地123，和/或电源接口143。
第二实施例
图9显示了有源区域124的第二实施例。具体地，图9示出了有源区域124沿主传播方向211的剖视图900。与剖视图300相同，剖视图900显示了平行于图2的x-y平面的截面。示出了多个p-n结二极管125中的一些p-n结二极管，以及调制电极121的一部分和偏压电极122的一部分。与剖视图300相比，剖视图900的主要差异是偏压电极122不仅包括一个导电条，而是包括两个导电条922A和922B。也就是说，图1的偏压电极122由图9的两个条922A和922B体现。两个条922A和922B基本匹配，即在长度和材料成分上彼此基本相同。此外，条922A和922B均设置在调制电极121的相应侧上。因此，条922A和922B两者以及调制电极121沿着主传播方向211设置。条922A和922B均可以从前表面201延伸到后表面202延伸有源区域124的整个长度L。
在一些实施例中，条922A和922B设置在距调制电极121相等的距离处。即，条922A和922B可以相对于调制电极121的中心线955对称。两个条922A和922B以及调制电极121基本上形成共面波导(CPW)电极，用于承载或以其他方式沿着有源区域124的整个长度L传导由电驱动器电路110产生的电调制信号。
对于图9中揭示的有源区域124的第二实施例，在调制电极121和偏压电极122之间形成两个通道，其中可以分布多个p-n结二极管125。如图9所示，第一通道960A在条922A和调制电极121之间形成，而第二通道960B在条922B和调制电极121之间形成。通道960A和960B两者均用于容纳多个p-n结二极管125中的一些p-n结二极管。例如，多个p-n结二极管125中的一半可以沿着主传播方向(即，图9中的y方向)分布在每个通道960A和960B中。此外，如图9所示，可替代地，随着调制电极在y方向(即，主传播方向行进)，多个p-n结二极管125可以设置在通道960A和960B之间。在一些实施例中，多个p-n结二极管125可以仅分布在两个通道960A和960B中的一个通道中。
对于图9揭示的有源区域124的第二实施例，电连接与图1中呈现的连接保持不变。即，直流偏压电压VBIAS通过直流偏压接口142电耦合到导电条922A和922B两者。电容器127可以具有耦合在电接地123和条922A的第一端之间的一半电容。同时，电容器127可以具有耦合在电接地123和条922B的第一端之间的另外一半电容。条922A的第一端和条922B的第一端都位于有源区域124的同一端，即位于前表面201处。类似地，电容器128可以具有耦合在电源接口143和条922A的第二端的一半电容。此外，电容器129可以具有耦合在电源接口143和条922B的第二端之间的一半电容。条922A的第二端和条922B的第二端都位于有源区域124的同一端，即位于后表面202处。
第三实施例
在一些实施例中，电光调制器可以由电驱动器电路产生的一对差分信号驱动。图10示出了采用这种电驱动电路的调制系统1000的示意图。调制系统1000包括电驱动器电路1010、电光调制器1020和电源130。而不是像调制系统100的电驱动器电路110那样生成单端调制信号，调制系统1000的电驱动器电路1010产生一对差分调制信号，其呈现在电驱动器电路1010的一对输出节点1012和1012B处。此外，调制器1020的RCBC电极包括一对电阻器1026、第一电容器127、偏压电极122和第二电容器128。
类似于由电驱动器电路110产生的信号端调制信号，在输出节点1012和1012B处呈现的每对差分调制信号还包括直流分量和射频分量。该对差分调制信号是差分的，即在节点1012处呈现的调制信号的射频分量和在节点1012B处呈现的调制信号的射频分量具有相同的幅度，但是相位大致彼此相差180度，即使它们共享相同的直流组件。该对差分调制信号分别在图10中表示为DATA和DATAB。
基本上，电光调制器1020可以被视为与调制系统100的电光调制器120相同，除了调制电极121现在由被一对差分调制信号DATA和DATAB驱动的两个导电条1021和1021B实现。两个条1021和1021B基本匹配，，即在所有物理尺寸和材料成分上彼此基本相同。一对电阻器1026均耦合在电源接口143与条1021和1021B中的相应一个之间。由于两个条1021和1021B基本上匹配，所以两个条1021和1021B均可以传导电流Isp的一半电流I。也就是说，直流电流I将从电源130流过一对电阻器1026中的一个电阻器和条1021，然后进入电驱动器电路1010的输出节点1012。同时，另一个直流电流I将从电源130流过一对电阻器1026中的另一个电阻器和条1021B，然后进入电驱动器电路1010的输出节点1012B。物理上，条1021和1021B均可以从前表面201到后表面202延伸通过有源区域124。
另外，调制器1020具有射频输入接口1041，其与调制器120的射频输入接口141略有不同。具体地，射频输入接口1041包括配置成接收该对差分电调制信号的一对电导体，该对差分电调制信号由电驱动器电路1010产生并呈现在输出节点1012和1012B处。类似于射频输入接口141，射频输入接口1041电耦合到调制电极121。具体地，射频输入接口1041的一对电导体中的每一个电导体电耦合到调制器1020的调制电极121的条1021和1021B中的相应一个。在一些实施例中，射频输入接口1041可以是调制电极121的延伸，并且该对差分调制信号可以直接从电驱动器电路1010的输出节点1012和1012B耦合到调制电极121的条1021和1021B中的每一个。
图11揭示了有源区域124的第三实施例，特别是用于实现调制器1020的有源区域124。图11示出了有源区域124沿主传播方向211的剖视图1100。与剖视图300相同，剖视图1100显示了平行于图2的x-y平面的横截面。示出了多个p-n结二极管125中的一些p-n结二极管，以及调制电极121的一部分和偏压电极122的一部分。与剖视图300相比，剖视图1100的主要差异是调制电极121不仅包括一个导电条，而是包括两个导电条，即条1021和1021B。也就是说，图1的调制电极121由图11的两个条1021和1021B所体现。与偏压电极122的两个条922A和922B类似，图11所示的两个条1021和1021B基本匹配。此外，条1021和1021B中的每一个设置在偏压电极122的相应侧上。因此，条1021和1021B以及偏压电极122都沿着主传播方向211设置。条1021和1021B中的每一个可以从前表面201到后表面202在有效区域124的整个长度L延伸。
在一些实施例中，条1021和1021B设置在距偏压电极122相等的距离处。偏压电极122与每个条1021和1021B之间的相等距离对于保持调制电极121a在调制系统1000的差分方案中对电驱动器电路1010的负载平衡是至关重要的。此外，多个p-n结二极管125可以以多个p-n结二极管相对于偏压电极122的中心线1155对称的方式分布在有源区域124中。
第四实施例
图12A示出了调制系统1200的示意图。调制系统1200包括电驱动器电路1010、电光调制器1220和电源130。可以将调制系统1200视为基于调制系统1000的变化，其中，调制系统1000和1200之间的主要差异在于后者使用CPW电极用于由电驱动器电路1010产生的一对差分调制信号DATA和DATAB中的每一个。具体地，调制器1220的偏压电极122包括三个导电条：1222A，1222B和1222C，它们是相匹配的，即，在物理尺寸和材料成分上彼此基本相同。
条1222A，1222B和1222C经由直流偏压接口142电耦合到直流偏压电压VBIAS。偏压电极122的条1222A和1222B以及调制电极121的条1021形成CPW电极，用于传导由电驱动器电路1010产生的一对差分调制信号中的一个，即，由图12A中的DATA表示的信号。同样，偏压电极122的条1222B和1222C与调制电极121的条1021B一起形成CPW电极，用于传导由电驱动器电路1010产生的一对差分调制信号中的另一个，即，由图12A中的DATAB表示的信号。
物理上，条1222A，1222B和1222C彼此平行设置并且延伸通过调制器1220的有源区域124。与调制电极121的条1021和1021B相同，偏压电极122的条1222A，1222B和1222C也沿着主传播方向211设置。具体地，三个条1222A，1222B和1222C均在前表面201处具有第一端并且在后表面202处具有第二端。三个条1222A，1222B和1222C均通过调制器1220的有源区域124从相应的第一端延伸到相应的第二端。在一些实施例中，条1222A，1222B和1222C的三个第一端可以通过直流偏压接口142彼此电耦合，而条1222A，1222B和1222C的三个第二端也可以通过导体1244彼此电耦合。
图12B示出了调制系统1201的示意图，其示出了图12A的调制系统1200的紧密变化。具体地，调制系统1201使隔离电容器127和128均以分布式配置部署到偏压电极122的三个条(即，条1222A，1222B和1222C)。如图12B所示，调制系统1201的隔离电容器127包括三个电容器，即电容器1227A，1227B和1227C，它们分别连接在电接地123和条1222A，1222B和1222C的第一端之间。同样，调制系统1201的隔离电容器128还包括三个电容器，即电容器1228A，1228B和1228C，它们分别耦合在电源接口143和条1222A，1222B和1222C的第二端之间。与图12A的调制系统1200相比，图12B的调制系统1201可以是更有利的，因为除了条1222B之外，条1222A和1222C还更好地与周围环境中的电噪声隔离。隔离电容器127和128分布到条1222A，1222B和1222C中的每一个导致在条1222A，1222B和1222C上呈现的一个稳固的VBIAS的直流偏压网络，多个p-n结二极管125可以通过该直流偏压网络均匀地偏压。
图13揭示了有源区域124的第四实施例，特别是用于实现调制器1220的有源区域124。具体地，图13示出了有源区域124沿主传播方向211的剖视图1300。与剖视图300相同，剖视图1300显示了平行于图2的x-y平面的截面。示出了多个pn结二极管125中的一些，以及调制电极121的一部分和偏压电极122的一部分。与剖视图300相比，剖视图1300的主要差异是调制电极121不仅包括一个导电条，而是包括两个导电条，即条1021和1021B。另外，与剖视图300相比，剖视图1300的另一个主要差异在于偏压电极122不仅包括一个导电条而是包括三个导电条，即条1222A，1222B和1222C。具体地，条1021,1021B，1222A，1222B和1222C都沿着主传播方向211设置。
此外，调制电极121的两个条(即，条1021,1021B)在偏压电极122的三个条(即，条1222A，1222B和1222C)之间相互交叉地设置。如剖视图1300中所示，条1222A和1222B中的每一个设置在条1021的相应侧上。而且，条1222B和1222C中的每一个设置在条1021B的相应侧上。另外，条1021和1021B中的每一个设置在条1222B的相应侧上。在一些实施例中，条1021,1021B，1222A，1222B和1222C的任何一对相邻条之间的间隔保持不变。
类似于图9中所示的CPW电极，该CPW电极由调制电极121和偏压电极122的两个条922A和922B组成，图13中的条1021,1021B，1222A，1222B和1222C也形成CPW电极，其被平衡以传导该对差分调制信号DATA和DATAB。在一些其他实施例中，可以采用其他类型的平衡电极，例如共面条形电极。
如剖视图1300中所示，多个p-n结二极管125相对于条1222B的中心线1355对称地设置。在一些实施例中，可以采用多个p-n结二极管125的其他布置。在一些实施例中，多个p-n结二极管125相对于CPW电极对称布置。
图14示出了两个示意图1410和1420，每个示出了多个p-n结二极管125的相应布置。每个示意图1410和1420还示出了由条1021,1021B，1222A，1222B和1222C组成的CPW电极。具体地，两个示意图1410和1420中的每一个中的多个p-n结二极管125的布置相对于CPW电极对称，因此可以用于实现图12A或图12B的调制器1220的有源区域124。
补充说明
本文描述的主题有时示出包含在不同的其他组件内或与不同的其他组件连接的不同组件。应当理解，这样描绘的体系结构仅仅是示例，并且实际上可以实施许多其他体系结构，其实现相同的功能。在概念意义上，实现相同功能的任何组件布置有效地“关联”，使得实现期望的功能。因此，这里组合以实现特定功能的任何两个组件可以被视为彼此“关联”，使得实现期望的功能，而不管架构或中间组件。同样地，如此关联的任何两个组件也可以被视为彼此“可操作地连接”或“可操作地耦合”以实现期望的功能，并且能够如此关联的任何两个组件也可以被视为“可操作地耦合”，彼此实现所需的功能。可操作耦合的具体示例包括但不限于物理上可配对和/或物理上相互作用的组件和/或可无线交互和/或无线相互作用的组件和/或逻辑上相互作用和/或逻辑上可相互作用的组件。
此外，关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以适当地根据上下文和/或申请从复数转换为单数和/或从单数转换为复数。为清楚起见，这里可以明确地阐述各种单数/复数排列。
此外，本领域技术人员将理解，通常，本文使用的术语，尤其是所附权利要求书，例如所附权利要求的主体，通常旨在作为“开放”术语，例如，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”，术语“包含”应解释为“包含但不限于”等。本领域技术人员将进一步理解，如果意图引入特定数量的权利要求叙述，则在权利要求中将明确地叙述这样的意图，并且在没有这样的叙述的情况下，不存在这样的意图。例如，为了帮助理解，以下所附权利要求可以包含介绍性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引入权利要求叙述。然而，这些短语的使用不应被解释为暗示由不定冠词“一”或“一个”引用权利要求叙述将包含这种引入的权利要求叙述的任何特定权利要求限制于仅包含一个此叙述的实施，即使当相同的权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”，和诸如“一个”或“一个”的不定冠词，“一”和/或“一个”应该被解释为“至少一个”或“一个或多个”；同样适用于使用用于引入权利要求叙述的定冠词。另外，即使明确地引用了特定数量的权利要求叙述，本领域技术人员将认识到，这种叙述应该被解释为至少表示所引用的数字，例如，“两个叙述”的简单叙述，而没有其他修饰语，表示至少两个叙述，或两个或更多叙述。此外，在使用类似于“A，B和C等中的至少一个”的常规类比的那些情况下，通常这样的结构意图在本领域技术人员将理解该常规意义上，例如，“具有A，B和C中的至少一个的系统”可以包括但不限于单独具有A，单独具有B，单独具有C，具有A和B，具有A和C，具有B和C的系统，和/或具有A,B,C等。在使用类似于“A，B或C等中的至少一个”的常规类比的那些情况下，通常这样的结构意图在本领域技术人员将理解该常规意义上，例如，“具有A，B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于单独具有A，单独具有B，单独具有C，具有A和B，具有A和C，具有B和C，和/或具有A，B和C等等的系统。本领域技术人员将进一步理解实际上任何析取词和/或短语，无论在说明书、权利要求书或附图中，呈现两个或更多个替代术语，应理解为构想为包括术语中之一，术语两者其一或术语两者的可能性。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
从前述内容可以理解，本文已经出于说明的目的描述了本公开的各种实施方式，并且在不脱离本公开的范围和精神的情况下可以进行各种修改。因此，本文公开的各种实施方式不旨在是限制性的，真正的范围和精神由所附权利要求书表示。

Claims (20)

1.一种单片电光(E-O)调制器，包括：
有源区域，其被配置为容纳沿主传播方向传播通过所述有源区域的光波，所述有源区域包括沿所述主传播方向设置的多个p-n结二极管，所述多个p-n结二极管中的每一个p-n结二极管包括沿所述主传播方向彼此相邻设置的p型条和n型条；
调制电极，其具有第一端和第二端，所述调制电极沿所述主传播方向通过所述有源区域从所述调制电极的第一端延伸到所述调制电极的第二端；
偏压电极，其具有第一端和第二端，所述偏压电极沿所述主传播方向通过所述有源区域从所述偏压电极的第一端延伸到所述偏压电极的第二端；
射频(RF)输入接口，其被配置为接收电调制信号；
直流(DC)偏压接口，其被配置为接收直流偏压电压；
电源接口，其被配置为接收电源电压；
电阻器；
第一电容器；和
第二电容器，
其中：
在所述多个p-n结二极管中的每一个p-n结二极管的p型条和n型条之间形成p-n结，
所述调制电极电耦合到所述多个p-n结二极管中的每一个p-n结二极管的n型条，
所述偏压电极电耦合到所述多个p-n结二极管中的每一个p-n结二极管的p型条，
所述射频输入接口电耦合到所述调制电极的第一端，
所述直流偏压接口电耦合到所述偏压电极，
所述电阻器电耦合在所述调制电极的第二端和所述电源接口之间，
所述第一电容器电耦合在所述偏压电极的第一端和电接地之间，并且
所述第二电容器电耦合在所述偏压电极的第二端和所述电源接口之间。
2.根据权利要求1所述的单片电光调制器，还包括：电压产生电路，用于产生直流偏压电压。
3.根据权利要求2所述的单片电光调制器，其中所述直流偏压电压能够经由所述电压产生电路而变化。
4.根据权利要求1所述的单片电光调制器，其中电源电压在4-6伏的范围内。
5.根据权利要求1所述的单片电光调制器，其中所述多个p-n结二极管被反向偏压。
6.根据权利要求1所述的单片电光调制器，其中所述多个p-n结二极管包括数量为1-100个的p-n结二极管。
7.根据权利要求1所述的单片电光调制器，其中所述电阻器的电阻在60-100欧姆的范围内。
8.根据权利要求1所述的单片电光调制器，其中所述单片电光调制器制造在绝缘体上硅(SOI)衬底上，所述SOI衬底包括体硅衬底，设置在所述体硅衬底上的掩埋氧化物(BOX)层和设置在所述BOX层顶部的顶部硅层。
9.根据权利要求8所述的单片电光调制器，其中所述电阻器包括在所述顶部硅层中形成的掺杂硅区域。
10.根据权利要求8所述的单片电光调制器，其中所述第一电容器和所述第二电容器均包括设置在所述SOI衬底上的金属-绝缘体-金属(MIM)区域。
11.根据权利要求8所述的单片电光调制器，其中所述多个p-n结二极管共同形成容纳所述光波的脊形波导，并且其中所述脊形波导形成在所述顶部硅层中。
12.根据权利要求11所述的单片电光调制器，其中所述脊形波导的高度在100-500nm的范围内，并且所述脊形波导的宽度在300-700nm的范围内。
13.根据权利要求11所述的单片电光调制器，其中：
p型条和n型条形成在所述顶部硅层中，
p型条包括P掺杂区域、与所述P掺杂区域相邻设置的P+掺杂区域以及与所述P+掺杂区域相邻设置的P++掺杂区域，
n型条包括N掺杂区域、与所述N掺杂区域相邻设置的N+掺杂区域以及与所述N+掺杂区域相邻设置的N++掺杂区域，并且
在所述P掺杂区域和所述N掺杂区域之间形成p-n结。
14.根据权利要求13所述的单片电光调制器，其中所述P掺杂区和所述N掺杂区的掺杂浓度均在1e17-1e18/立方厘米的范围内。
15.根据权利要求13所述的单片电光调制器，其中所述P+掺杂区和所述N+掺杂区的掺杂浓度均在1e18-5e18/立方厘米的范围内。
16.根据权利要求13所述的单片电光调制器，其中所述P++掺杂区和所述N++掺杂区的掺杂浓度均在1e19-1e22/立方厘米的范围内。
17.根据权利要求1所述的单片电光调制器，其中：
所述偏压电极包括两个导电条，所述两个导电条沿所述主传播方向平行设置，
所述两个导电条中的每一个导电条设置在所述调制电极的相应侧上，并且
所述调制电极和所述偏压电极的两个导电条形成共面波导(CPW)电极，用于传导所述电调制信号。
18.根据权利要求1所述的单片电光调制器，其中：
所述调制电极包括两个导电条，所述两个导电条沿所述主传播方向平行设置，
所述偏压电极包括三个导电条，所述三个导电条沿所述主传播方向平行设置，
所述调制电极的两个导电条在所述偏压电极的三个导电条之间交叉设置，
所述电调制信号包括一对差分信号，
所述调制电极的两个导电条中的每一个导电条均电耦合到所述一对差分信号的相应的一个差分信号，并且
所述调制电极的两个导电条和所述偏压电极的三个导电条形成共面波导(CPW)电极，用于传导所述一对差分信号。
19.根据权利要求18所述的单片电光调制器，其中：
电阻器包括两个电阻元件，和
所述两个电阻元件均电耦合在所述电源接口和所述调制电极的两个导电条中的相应一个导电条之间。
20.根据权利要求18所述的单片电光调制器，其中所述多个p-n结二极管相对于所述CPW电极对称设置。
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