CN110989211A - 带有梳状传输线的单片电光调制器 - Google Patents

带有梳状传输线的单片电光调制器 Download PDF

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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，其可以被制造在绝缘体上硅衬底上。单片电光调制器包括允许光信号在其中传播的光波导。单片电光调制器还包括梳状传输线，用于传导对光信号进行调制的电调制信号。梳状传输线包括与光波导平行延伸的电导体。导体中的至少一个包括将导体形成为具有像梳子一样的多个齿的形状的凹部或狭槽。可以设计梳状传输线以实现沿光波导的光信号的传播速度与沿梳状传输线的电调制信号的群速度之间的紧密匹配，有助于实现单片电光调制器的高工作速度。

Description

带有梳状传输线的单片电光调制器
相关专利申请的交叉引用
本公开要求于2018年12月6日提交的美国专利申请号62/917,396的优先权。上述申请的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及光调制器的技术领域。更具体地，本公开涉及具有梳状传输线结构的单片电光调制器。
背景技术
诸如在衬底上制造的小型化的马赫曾德尔调制器(MZM)之类的单片电光(E-O)调制器是各种现代数字通信系统中的关键组件。衬底通常是半导体衬底，例如硅(Si)或绝缘体上硅(SOI)衬底，在其上使用与制造半导体集成电路(IC)相似的制造技术来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的光学部件，例如波导、光耦合器、分光器和/或移相器。单片电光调制器还可以包括各种小型化的电子组件，例如电阻器、电容器、二极管和/或电极。光学部件和电气部件都被制造在同一衬底上。以下将本公开的单片电光调制器可互换地称为“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，在其中引起的强度和/或相位的变化量取决于施加到调制器的电调制电压或信号。电调制信号通常通过与波导平行延伸的传输线施加到调制器。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。
电光带宽是电光调制器的关键性能指标，与电光调制器的最高工作速度直接相关。更高的运行速度使得采用电光调制器的系统(例如，通信系统)能够在单位时间内传输更多数据，因此高电光带宽是提高调制器性能的一个重要方面。调制器的电光带宽受光信号沿光波导(称为“光学路径”)的传播速度与电调制信号沿传输线(称为“电气路径”)的传播速度不一致的影响。光学路径和电气路径之间传播速度的紧密匹配有助于增加电光调制器的带宽。另一方面，光学路径和电气路径之间的速度失配不利地影响了电光调制器的工作速度。
发明内容
以下发明内容仅是说明性的，而无意于以任何方式进行限制。即，提供以下概述以介绍本文描述的新颖和非显而易见的技术的概念、重点、益处和优点。在下面的详细描述中将进一步描述选择而非全部实现。因此，以下概述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。
一方面，提供了单片电光(E-O)调制器。单片电光调制器包括沿着主传播方向行进的光波导以及与该光波导平行地行进的传输线。光波导被配置为容纳沿着主传播方向传播的光信号，而传输线被配置为传导对光信号进行调制的电调制信号。
具体地，单片电光调制器由沿着主传播方向串联的调制器部分制成。每个调制器部分包括均沿着主传播方向延伸的波导部分，第一导体部分和第二导体部分。第一和第二导体部分设置在波导部分的两个相对侧。多个调制器部分的波导部分共同形成电光调制器的光波导。在一些实施例中，电光调制器的传输线具有共面带(CPS)电极结构，其由第一导体和第二导体形成，两者均与光波导平行地延伸。当多个调制器部分串联时，第一导体由多个调制器部分的第一导体部分形成。同样地，当多个调制器部分串联时，第二导体由多个调制器部分的第二导体部分形成。
在一些实施例中，电光调制器的传输线具有共面波导(CPW)电极结构，其由与第一导体和第二导体平行延伸的另外的第三导体形成。类似于第一导体和第二导体，第三导体由多个级联的导体部分形成。具体地，在传输线采用CPW电极结构的情况下，每个调制器部分还包括第三导体部分。第三导体部分和第二导体部分相对于第一导体部分对称。当调制器部分串联连接时，多个调制器部分的第三导体部分共同形成第三导体。
电光调制器的每个调制器部分包括沿着主传播方向延伸的一个或多个脊。此外，每个调制器部分可以分为有源段和无源段。有源段具有一个或多个p-n结二极管，并且每个p-n结二极管具有位于调制器部分的各个脊内的p-n结。每个p-n结二极管由沿着主传播方向彼此相邻布置的p型条和n型条形成。在p型条和n型条之间形成p-n结。
对于电光调制器的每个调制器部分，第一导体部分和第二导体部分中的一个或两个都具有形成在其中的至少一个凹部。凹部从相应导体部分的边缘朝向相应导体部分的中心区域延伸。边缘是相应导体部分的与主传播方向平行的边缘。边缘可以是更靠近光波导的边缘，或者是远离光波导的边缘。凹部可被视为在边缘处具有开口。即，凹部从开口开始并且朝着中心区域延伸到狭槽中。在示例实施例中，狭槽在基本垂直于主传播方向的方向上延伸。狭缝例如可以具有大致垂直于主传播方向延伸的之字形或螺旋形。
在凹部的开口位于更靠近光波导的边缘的情况下，该开口与波导部分连接。在一些实施例中，开口可以面对波导部分的有源段，其中存在一个或多个p-n结二极管。替代地，开口可以与不存在p-n结二极管的波导部分的无源段对准。
在一些实施例中，每个调制器部分的第一导体部分和第二导体部分都具有一个或多个凹部。另外，第一导体部分的凹部和第二导体部分的凹部相对于波导部分对称。
在每个调制器部分还包括第三导体部分的情况下，第二导体部分和第三导体部分可以相对于第一导体部分(包括它们可能具有的凹部)对称。
在电光调制器的一些实施例中，每个波导部分仅具有一个脊，并且每个有源段仅具有一个p-n结二极管。p-n结二极管基本上被电调制信号反向偏压。
在电光调制器的一些实施例中，每个波导部分具有两个脊，并且每个有源段具有两个p-n结二极管。两个p-n结二极管以相反的极性串联连接。即，两个p-n结二极管的p型条电耦合在一起，或者两个p-n结二极管的n型条电耦合在一起。
附图说明
附图提供对本公开的进一步理解，并且附图被并入本说明书中并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。附图不一定按比例绘制，以便更好地呈现所示出的主题的某些特征。附图标记的最左边的数字标识该附图标记首次出现的图。在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。
图1是根据本公开的实施例的由电调制信号驱动的单片电光(E-O)调制器的示意图。
图2示出了根据本公开实施例的单片电光调制器的立体图。
图3示出了根据本公开的实施例的采用共平面带(CPS)传输线的单片电光调制器的俯视图。
图4示出了根据本公开实施例的单片电光调制器的几个串联的调制器部分的立体图。
图5示出了根据本公开实施例的调制器部分的各个部分的定义。
图6示出了根据本公开的各种实施例的调制器部分。
图7示出了根据本公开的实施例的采用共面波导(CPW)传输线的单片电光调制器的俯视图。
图8示出了根据本公开实施例的制造在绝缘体上硅(SOI)衬底上的电光调制器的剖视图。
图9示出了图8的电光调制器的剖视图。
图10示出了图9的电光调制器的另一剖视图。
图11示出了电光调制器的示例波导部分。
图12示出了图11的波导部分的剖视图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，通过示例的方式阐述了许多具体细节，以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，派生和/或扩展都在本公开的保护范围内。在一些情况下，与本文公开的一个或多个示例实现有关的公知的方法，过程，组件和/或电路可以在没有详细描述的情况下以相对上位的方式进行描述，以避免不必要地混淆本公开的教导的各个方面。。
如上所述，单片电光(E-O)调制器的光学路径和电气路径之间的传播速度的匹配对于电光调制器的电光带宽性能很重要。具体地，如果光信号沿光波导传播的速度与电调制信号沿传输线传播的速度很好地匹配，则有利于提高单片电光调制器的电光带宽。另一方面，如果在光学路径和电气路径之间出现明显的速度失配，则特别在当单片电光调制器具有更长的传播长度时，对单片电光调制器的电光带宽产生不利影响。通常在硅(Si)或绝缘体上硅(SOI)衬底上整体制造适合于商业光通信应用的电光调制器。由于硅的材料特性，这种单片电光调制器的光波导通常具有在3.8–3.9范围内的群折射率。调制器的调制区域无论是共面带(CPS)传输线还是共面波导(CPW)传输线，电传输线的微波折射率通常都低于3.8。因此，与沿光波导向下传播的光信号相比，电调制信号倾向于沿着电传输线以更高的速度传播，从而导致明显的速度失配，从而损害了电光调制器的带宽。结果，电光调制器的带宽受到损害。
本文描述的单片电光调制器的各种实施例能够减慢电调制信号的传播速度，从而使光学路径和电气路径之间的速度失配最小化。具体地，本公开提倡具有慢波传输线以使电调制信号的传播速度接近光信号的传播速度。
图1示出了示例性电光调制器100的示意图，该电光调制器100由电压源150驱动并且由负载160端接。电光调制器100包括沿主传播方向111的长度为L的光波导110。光波导110配置为容纳沿着主传播方向111从光波导110的第一端115传播到光波导110的第二端116的光信号。在图1中，箭头181代表光信号进入光波导110时的光信号，而箭头182代表光信号离开光波导110时的光信号。光波导110可以具有一个或多个光臂，光信号在光臂中传播。在一些实施例中，电光调制器100可以包括用于将光波耦合到光波导110的一个或多个光臂的光耦合器。
电光调制器100另外包括传输线120。在各种实施例中，传输线120可以包括两个或更多个电导体。两个或更多个电导体中的每一个沿着主传播方向111与光波导110平行地延伸。如图1所示，传输线120包括两个电导体121和122，每个电导体的长度与光波导110的长度相同。在一些示例实施例中，电导体121和122可以形成CPS传输线。如下面进一步详细公开的，传输线120是慢波传输线。
电压源150产生电调制信号，用于调制在光波导110中传播的光信号。也就是说，通过电光调制器100，电调制信号可以改变光信号的强度和/或相位。通过将传输线120的第一端连接到电压源150，将调制信号耦合到传输线120，而传输线120的第一端与光波导110的第一端115相邻。具体地，电压源150具有两个端子，它们分别电连接到电导体121的第一端和电导体122的第一端。传输线120在传输线120的第二端电连接到负载160，而传输线120的第二端与光波导110的第二端116相邻。负载160还具有两个端子，分别电连接到电导体121的第二端和电导体122的第二端。调制信号在传输线120上从传输线120的第一端运行到传输线120的第二端，然后被负载160吸收。
光波导110包括多个p-n结二极管112。p-n结二极管112集成在光波导110中，并沿主传播方向111依次分布。p-n结二极管112平行地连接在电导体121和122之间，从而当调制信号在传输线120上从电压源150运行到负载160时，传输线120上的调制信号使p-n结二极管112偏压。调制信号例如可以具有时变射频(RF)分量和静态直流(DC)分量的正弦波形。取决于调制信号的特定波形，可以在沿光波导110的各个时间和/或各个位置处通过电调制信号对p-n结二极管112进行正向偏压、零偏压或反向偏压。即，在任何给定时间，每个p-n结二极管112可以通过调制信号被不同地偏压。而且，p-n结二极管112中的任何特定一个可以在不同时间被调制信号不同地偏压。
当电光调制器100单片地制造在诸如Si或SOI衬底的半导体衬底上时，它可以具有平板的形式，例如图2的平板200。具体地，图2示出了整体构造为平板200的电光调制器100的立体图。图2还示出了沿着主传播方向111通过电光调制器100的光波。在图1中，图2的箭头181和182分别表示进入和离开电光调制器100的光波。具体地，箭头181表示当光在平板200的前表面201处进入电光调制器100时的光波，而箭头182表示当光在平板200的后表面202处离开电光调制器100时的光波。使用图2的笛卡尔坐标，主传播方向111与y方向大致对准。
图3示出了平板200的示例性俯视图，其体现了电光调制器100。采用图2的笛卡尔坐标，图3的俯视图示出了从z轴的正侧朝向z轴的负侧观察的平板200。如图3所示，光波导110沿着主传播方向111从平板200的第一表面201延伸到平板200的第二表面202。在图3中还示出了电导体121和122，每个电导体布置在光波导110的相应侧上并且沿着主传播方向111延伸。图3还示出了多个p-n结二极管112，例如p-n结二极管371、374、375、376、377和378。p-n结二极管371、374、375、376、377和378沿着主传播方向111设置作为光波导110的一部分。此外，多个p-n结二极管112中的每一个都包括p型条(例如p-n结二极管375的p型条310)和n型条(例如，p-n结二极管375的n型条320)。p型条310和n型条320沿着主传播方向111对准。此外，p型条310和n型条320彼此相邻布置，并在p型条310和n型条320之间形成有p-n结330。虽然在图3未明确示出，电导体121电耦合至多个p-n结二极管112中的每个的n型条320，而电导体122电耦合至多个p-n结二极管112中的每个的p型条310。多个p-n结二极管112中的每一个都被传输线120所携带的电调制信号(即，电导体121和电导体122之间的电压差)偏压。
光波导110具有沿主传播方向111延伸的称为“脊”的一个或多个物理特征。每个“脊”是光波导110的升高部分。如图3的示例性实施例所示，光波导110具有脊350，其在z方向上物理地突出。即，在脊350内的光波导110的部分比在脊350外的光波导110的部分更厚(即，在z方向上更高)。如图3所示，每个p-n结二极管371、374、375、376、377和378具有位于脊350内的相应的p-n结330。
电光调制器100可以看作是沿着主传播方向111串联连接的多个部分。参照图3，可以将电光调制器100在概念上划分为一个接一个串联的多个部分，例如部分381、385、386、387和388。每个部分被称为电光调制器100的“调制器部分”。图4示出了串联连接的一些调制器部分的立体图。具体而言，图4示出了串联在一起的调制器部分385、386和387，其中调制器部分386连接在调制器部分385和387之间。电光调制器100可以在概念上被划分为使得调制器部分385、386和387连接的连接处没有任何不连续性。这可以通过策略性地划分电光调制器100以使得每个调制器部分的两个端面具有相同的尺寸来实现。
图4的立体图还提供了脊350的形状的更好图示。脊350被示出为具有较厚的厚度并且在z方向上突出。在图4中示出的是通管(vias)415、416和417，它们是在z方向上布置的电导体，以将电导体121电耦合到嵌入在光波导110中的n型条320(图4中未示出)。同样地，多个通管用于将电导体122电耦合至嵌入在光波导110中的p型条310(图4中未示出)。
就像图3的示例性实施例一样，尽管可以将多个调制器部分沿着主传播方向111串联起来，但是如下面进一步公开的，单片电光调制器100的各种其他实施例也可以以相同的方式来观察。即，单片电光调制器100的各种实施例中的每一个都可以被看作是调制器部分的多个实例的串联。此外，如图5所示，调制器部分可以由几个组成部件或部分来定义。具体地说，图5示出了可以用于整体体现电光调制器100的通用调制器部分500的俯视图。通用调制器部分500包括三个部分：波导部分510、第一导体部分520和第二导体部分530。这三个部分中的每一个均沿单片电光调制器100的主传播方向111从通用调制器部分500的前端表面571延伸到通用调制器部分500的后端表面572。第一导体部分520和第二导体部分530设置在波导部分510的两个相对侧上。第一导体部分520具有与波导部分510相邻的内边缘521以及远离波导部分的外边缘522。同样，第二导体部分530具有与波导部分510相邻的内边缘531，和远离波导管的外边缘532。边缘521、522、531和532中的每一个与主传播方向111基本对准。
当级联以形成单片电光调制器100的实施例时，通用调制器部分500的实例的后端表面572与通用调制器部分500的下一个实例的前端表面571接触，两个实例的外边缘522对齐，并且两个实例的外边缘532也对齐。通用调制器部分500的多个实例的波导部分510共同形成光波导110。通用调制器部分500的多个实例的第一导体部分520共同形成第一导体121。类似地，通用调制器部分500的多个实例的第二导体部分530共同形成第二导体122。
波导部分510具有一个或多个脊(在通用调制器部分500中未示出)，并且一个或多个脊中的每个沿着主传播方向111从前端表面571延伸到后端表面572。此外，波导部分510进一步分为两部分：有源段540和无源段550。波导部分510的一个或多个脊中的每一个都穿过有源段540和无源段550。有源段540具有一个或多个p-n结二极管，而无源段550不具有p-n结二极管。每个p-n结二极管具有p-n结，该p-n结位于一个或多个脊中的相应一个内，并沿主传播方向111延伸。
通用调制器部分500的各个部分的定义可以应用于图3的每个调制器部分。例如，图5示出了调制器部分385，在其上标注了各个部件(即，波导部分510、第一导体部分520、第二导体部分530，有源段540和无源段550)。图示501具体表示调制器部分385的波导部分510的有源段540和无源段550。如图示501所示，脊350穿过有源段540和无源段550。有源段540包括p-n结二极管375，并且p-n结二极管375的p-n结330位于脊350内。参照图3的整体电光调制器的俯视图，在光波导110内传播的光信号交替地传播通过光波导110的有源段540和无源段550。
如本文中其他地方所提及的，传输线120是慢波传输线，其有助于减少电光调制器100的光学路径和电气路径之间的速度失配。具有在下面进一步详细描述的第一和第二电导体121和122的各种形状或图案，传输线120能够将电调制信号的传播速度减慢到一定程度，使得电调制信号以与光信号基本相同的速度传播。第一电导体121和第二电导体122中的一个或两个包括凹部或狭槽，其将导体形成为具有多个齿的形状，如同梳子。例如，参照图3和图4，每个电导体121和122具有多个凹部或狭槽，例如狭槽361和362，这些凹部或狭槽使电导体121和122成为梳状。狭槽的形状和排列位置被设计成增加传输线120的有效电感，从而减慢在其上传播的电调制信号的群速度。
在图5中的调制器部分385的带注释的图示中还示出了狭槽361和362。如图5所示，调制器部分385的第一导体部分520包括狭槽361，调制器部分385的第二导体部分530包括狭槽362。狭槽361是第一导体部分520中从内边缘521朝向第一导体部分520的中心区域的凹部。类似地，狭槽362是第二导体部分530从内边缘531朝着第二导体部分530的中心区域延伸的凹部。狭槽361和362在基本垂直于主传播方向111的方向上延伸。此外，狭槽361和362连接到调制器部分385的波导部分510的无源段550。具体地说，狭槽361在内边缘521处具有开口561，开口561与波导部分510在开口561与无源段550对准的位置处连接。类似地，狭槽362在内边缘531处具有开口562，并且开口562在与无源段550对准的位置处与波导部分510连接。
图6示出了通用调制器部分500的若干示例实施例，即，实施例601，602、603、604、605和606。示例实施例601、602、603、604、605和606可以用于体现电光调制器100的一个、一些或所有调制器部分，例如调制器部分381、385、386、387和388中的任何调制器部分。
实施例601具有分别设置在波导部分611的两侧上的第一导体部分621和第二导体部分631。第一导体部分621和第二导体部分631中的每个都包括一个以上的凹部。例如，第一导体部分621包括凹部6211、6212、6213和6214。凹部6211、6212和6214中的每一个是从第一导体部分621的内边缘521向第一导体部分621的中心区域延伸的狭槽，而凹部6213是从第一导体部分621的外边缘522朝向第一导体部分621的中心区域延伸的狭槽。狭槽6211、6212、6213和6214沿大体上垂直于主传播方向111延伸。尽管狭槽6213在第一导体部分621的外边缘522处具有开口，但是狭槽6211、6212和6214中的每一个在连接到波导部分611的第一导体部分621的内边缘521处均具有开口。狭槽6211和6212的开口与波导部分611的有源段540对准，而狭槽6214的开口与波导部分611的无源段550对准。第二导体部分631还包括四个凹部。第一导体部分621和第二导体部分631(包括各自的凹部)可以相对于波导部分611对称。
实施例602具有分别设置在波导部分612的两侧上的第一导体部分622和第二导体部分632。第一导体部分622包括具有锯齿形的卷绕狭槽6221。第二导体部分632包括也具有锯齿形的卷绕狭槽6321。每个狭槽6221和6321在与波导部分612连接的内边缘521或531处具有开口。此外，每个狭槽6221和6321在基本垂直于主传播方向111的方向上延伸。与诸如狭槽6213或6214的直狭槽相比，诸如狭槽6221或6321的卷绕狭槽能够导致传输线更高的有效电感。
卷绕狭槽可以采用除之字形以外的形状以增加传输线的有效电感，诸如螺旋形。实施例603具有分别设置在波导部分613的两侧上的第一导体部分623和第二导体部分633。第一导体部分623包括具有螺旋形的卷绕狭槽6231。同样，第二导体部分633包括也具有螺旋形的卷绕狭槽6331。狭槽6231和6331中的每个在与波导部分613连接的内边缘521或531处具有开口。此外，狭槽6231和6331中的每个在基本垂直于主传播方向111的方向上延伸。与诸如槽6213和6214的直狭槽相比，螺旋狭槽6231和6331能够导致传输线的更高的有效电感。
在一些实施例中，第一导体部分520和第二导体部分530可以不都包括一个或多个凹部。即，第一导体部分520或第二导体部分530中的一个(而非两者)可以具有一个或多个凹部。例如，实施例604具有分别设置在波导部分614的两侧上的第一导体部分624和第二导体部分634。第一导体部分624包括凹部6241和6242，而第二导体部分634仅是矩形导体，没有任何凹部。作为另一示例，实施例605具有分别设置在波导部分615的两侧上的第一导体部分625和第二导体部分635。第二导体部分635包括凹部6351，而第一导体部分625仅是矩形导体，没有任何凹部。
在一些实施例中，调制器部分可以包括第三导体部分。例如，调制器部分606包括第三导体部分646。实施例606具有分别设置在波导部分616的两侧上的第一导体部分626和第二导体部分636，并且类似于第一导体部分626和第二导体部分636，第三导体部分646也沿着主传播方向111从调制器部分606的前端表面571延伸到调制器部分606的后端表面572。第三导体部分646在x-y平面上与第二导体部分636间隔开间隙656。与波导部分616不同，间隙656既不包括p-n结也不包括脊。
当串联调制器扇区606的一些实例以形成电光调制器100的单片实施例时，调制器扇区606的若干实例的第三导体部分646共同形成沿着主传播方向111延伸的连续的第三电导体。电光调制器100的实施例还具有由串联在一起的第一导体部分626形成的第一电导体121，以及由串联在一起的第二导体部分636形成的第二电导体122。第一电导体121、第二电导体122和第三电导体共同形成用于传导电调制信号的共面波导(CPW)传输线。在一些实施例中，空间656沿着x轴线具有与波导部分616相同的尺寸。在一些实施例中，第二导体部分636和第三导体部分646相对于第一导体部分616对称。
图7示出了由串联在一起的调制器部分606的多个实例形成的单片电光调制器100的实施例700。单片电光调制器700包括多个调制器部分，例如调制器部分781、785、786、787和788，每个都由调制器部分606实现。多个调制器部分的第一导体部分626共同形成连续的第一电导体721；多个调制器部分中的第二导体部分636共同形成连续的第二电导体722；多个调制器部分中的第三导体部分646也共同形成连续的第三电导体723。在实施例700中，传输线120是由第一电导体721、第二电导体722和第三电导体723形成的CPW传输线。
电光调制器100可以被制造在绝缘体上硅(SOI)衬底上，诸如图8的SOI衬底800。具体地说，图8示出了在其上制造诸如调制器100的电光调制器之前SOI衬底800的剖视图880。图8还示出了在其上制造诸如调制器100的电光调制器之后的SOI衬底800的剖视图882。如图所示的剖视图880和882平行于图2的x-z平面。典型地，SOI衬底800包括三个不同的材料层，其中埋氧化(BOX)层802夹在体硅衬底801和顶部硅层804之间。即，顶部硅层804和体硅衬底801分别设置在BOX层802的两个相对侧上。BOX层802具有两个相对的表面：上表面824和下表面821。顶部硅层804在上表面824处与BOX层802相交，而体硅衬底801在下表面821处与BOX层802相交。如上所述，顶部硅层804通常在z方向上的厚度显著地小于体硅衬底801的厚度。此外,在顶部硅层804中制造调制器100的光波导110，特别是多个p-n结二极管112。如剖视图882所示，在制造调制器120之后，厚氧化/钝化层803沉积在SOI衬底上方以保护调制器100。
图9示出了剖视图900，其是剖视图882的更详细的版本。剖视图900示出了沿图3的与p-n结二极管371相交的线A-A在SOI衬底800上制造的调制器100的剖面。剖视图900所揭示的横截面与平板200的x-y平面平行。具体而言，在剖视图900中示出构成调制器100的各种掺杂剂区域、硅化物和金属化层，包括N掺杂的硅区域901、P掺杂的硅区域902、N+掺杂的硅区域903、P+掺杂的硅区域904、N++掺杂的硅区域905、P++掺杂的硅区域906、金属1层907和金属2层908。此外，示出了提供层间电连接的钨塞管(Tungsten plugs)909。通管415、416和417可以由钨塞管909实现。如剖视图900所示，钨塞管909用于将金属1层907电耦合至金属2层908。另外，钨塞管909还用于将金属1层907电耦合到N++掺杂的硅区域905和P++掺杂的硅区域906中的每一个。金属2层908用于形成电导体121和122。
N掺杂硅区域901、P掺杂硅区域902、N+掺杂硅区域903、P+掺杂硅区域904、N++掺杂硅区域905和P++掺杂硅区域906中的每一个都可以表示沿着主传播方向111延伸的条的横截面或纵向截面。p型条310由P掺杂硅区域902表示的部分、P+掺杂硅区域904表示的部分和由P++掺杂硅区域906表示的部分共同形成。类似地，n型条320由N掺杂硅区901表示的部分、N+掺杂硅区903表示的部分和N++掺杂硅区905表示的部分共同形成。在P掺杂硅区域902所表示的部分与N掺杂硅区域901所表示的部分之间形成p-n结330。
如图9所示，N掺杂的硅区域901和P掺杂的硅区域902彼此并排相邻设置。N+掺杂硅区域903与N掺杂硅区域901并排相邻设置，与P掺杂硅区域902相对。类似地，P+掺杂硅区域904与P掺杂硅区域902并排相邻设置，与N掺杂的硅区域901相对。另外，N++掺杂的硅区域905与N+掺杂的硅区域903并排相邻设置，并与N掺杂的硅区域901相对。类似地，P++掺杂的硅区域906与P+掺杂硅区904并排相邻设置，与P掺杂硅区域902相对。掺杂区域901-906形成在顶部硅层804中，并且位于BOX层802的同一侧。
每个掺杂区域901-906可以通过在顶部硅层804的特定区域中提供特定水平的N型或P型掺杂剂来形成。此外，图9所示的每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901和P掺杂硅区域902中的每一个的厚度可以在100-500纳米(nm)范围内，以及掺杂浓度在每立方厘米(cm-3)1e17-1e18范围内。在一些实施例中，N+掺杂硅区域903和P+掺杂硅区域904中的每一个的厚度可以在70-320nm范围内，以及掺杂浓度在1e18-5e18cm-3范围内。在一些实施例中，每个N++掺杂的硅区域905和P++掺杂的硅区域906的厚度可以在150-400nm范围内，以及掺杂浓度在1e19-1e22cm-3范围内。金属1层907和金属2层908中的每一个可以由导电金属、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1层907的厚度可以在0.3-0.8微米(um)的范围内，而金属2层908的厚度可以在1.5-3um的范围内。在一些实施例中，BOX层802的厚度可以在2-4μm的范围内。N掺杂硅区域901和P掺杂硅区域902共同形成光波导110的脊350。
图10示出了沿着图3的线B-B的调制器100的剖视图1000。如图3所示，其穿过调制器部分381的无源段。剖视图1000所揭示的横截面与平板200的x-y平面平行。由于线B-B不与多个p-n结二极管112中的任何p-n结二极管相交，在剖视图1000中的顶部硅层804未掺杂有任何浓度的任何P型或N型掺杂剂。然而，未掺杂的顶部硅层804形成为区域1020，该区域1020的横截面轮廓与由剖视图900的N掺杂硅区域901、P掺杂硅区域902、N+掺杂硅区域903、P+掺杂硅区域904、N++掺杂硅区域905和P++掺杂硅区域906串联组成的聚集区域的横截面轮廓相同。沿着主传播方向111(即y方向)，剖视图600的未掺杂区域1000与剖视图900的掺杂硅区域(即，包括区域901-906)连续形成以提供光波导。在一些实施例中，脊350的高度(即，N掺杂的硅区域901和P掺杂的硅区域902在z方向上的尺寸)在100-500nm的范围内，而脊350(即，在x方向上结合的N掺杂硅区域501和P掺杂硅区域502的尺寸)在300nm至700nm的范围内。
在一些实施例中，光波导110可包括平行布置的两个或更多个脊，其中每个脊沿着主传播方向111从平板200的第一表面201延伸到平板200的第二表面202。在光波导110包括两个或更多个脊的情况下，调制器部分500的波导部分510包括两个或更多个串联连接的p-n结二极管，其中，两个或更多个p-n结二极管中的每一个具有位于两个或多个脊中的相应一个内的p-n结，p-n结二极管的p-n结沿主传播方向111延伸。图11示出了波导部分510的示例性实施例1110和1120。实施例1110和1120中的每一个包括两个p-n结二极管，它们以相反的极性串联连接。
具体地，波导部分1110具有两个脊1111和1112，它们均沿着主传播方向111延伸。波导部分1110的有源段540具有两个p-n结二极管1113和1114，每个p-n结二极管具有彼此相邻设置的p型条310和n型条320，在p型条310和n型条320之间形成有p-n结330。p-n结二极管1113的p-n结330位于脊1111内，而p-n结二极管1114的p-n结330位于脊1112内。此外，p-n结二极管1113和1114彼此相邻地设置，它们具有相反的极性，从而使两个p-n结二极管1113和1114的两个n型条320连接在一起。波导部分1110可用于体现图3、图5、图6或图7的任何波导部分，其中p-n结二极管1113的p型条310与其第一导体部分电耦合，并且其中p-n结二极管1114的p型条310与其第二导体部分电耦合。例如，在调制器部分500的波导部分510由波导部分1110体现的情况下，p-n结二极管1113的p型条310与调制器部分500的第一导体部分520电耦合。并且，p-n结二极管1114的p型条310与调制器部分500的第二导体部分530电耦合。作为另一示例，在调制器部分606的波导部分616由波导部分1110体现的情况下，p-n结二极管1113的p型条310与调制器部分606的第一导体部分626电耦合，并且p-n结二极管1114的p型条310与调制器部分606的第二导体部分636电耦合。
波导部分1120类似于波导部分1110，不同之处在于其中是两个p型条310而不是两个n型条320连接在一起。即，波导部分1120也具有两个脊，即脊1121和1122。两个脊1121和1122也都沿着主传播方向111延伸。波导部分1120的有源段540还具有两个p-n结二极管，即，p-n结二极管1123和1124。p-n结二极管1123和1124中的每一个还具有彼此相邻布置的p型条310和n型条320，在它们之间形成有p-n结330。p-n结二极管1123的p-n结330位于脊1121内，而p-n结二极管1124的p-n结330位于脊1122内。p-n结二极管1123和1124彼此相邻且极性相反设置，因此，两个p-n结二极管1113和1114的两个p型条310被连接在一起。波导部分1120也可以用于体现图1、图3、图5、图6或图7中的任何波导部分，其中p-n结二极管1123的n型条320与其第一导体部分电耦合，并且其中p-n结二极管1124的n型条320与其第二导体部分电耦合。例如，在调制器部分500的波导部分510由波导部分1120体现的情况下，p-n结二极管1123的n型条320与调制器部分500的第一导体部分520电耦合。并且，p-n结二极管1124的n型条320与调制器部分500的第二导体部分530电耦合。作为另一示例，在调制器部分606的波导部分616由波导部分1120体现的情况下，p-n结二极管1123的n型条320与调制器部分606的第一导体部分626电耦合，并且p-n结二极管1124的n型条320与调制器部分606的第二导体部分606电耦合。
图12示出了沿着图11的线C-C，D-D，E-E和F-F的波导部分1110和1120的一些剖视图。每个剖视图1210、1220、1230和1240都揭示了波导部分1110或1120的横截面，该横截面与平板200的x-y平面平行。具体而言，剖视图1210揭示了沿图11的线C-C的横截面，示出了与波导部分1110的有源段540相交。剖视图1220揭示了沿着图11的线D-D的横截面，示出了与波导部分1110的无源段550相交。剖视图1230揭示了沿着图11的线E-E的横截面，示出了与波导部分1120的有源段540相交。剖视图1240揭示了沿图11的线F-F的横截面，其与波导段1120的无源段550相交。如剖视图1210和1220所示，顶部硅层804形成为在波导部分1110的有源段540和无源段550中具有相同的轮廓。类似地，如横截面1230和1240所示，顶部硅层804被形成为在波导部分1120的有源段540和无源段550两者中具有相同的轮廓。但是，对于波导部分1110和波导部分1120，无源段550中的顶部硅层804是未掺杂的。
波导部分1110的两个p-n结二极管1113和1114以相反的极性串联连接，使得两个p-n结二极管1113和1114被电光调制器100的电调制信号以串联推拉(SPP)的方式偏压。即，在任何时间，并且不管电调制信号的实际电压电平如何，两个p-n结二极管1113和1114中的一个基本上都被电调制信号反向偏压，而两个p-n结二极管1113和1114中的另一个基本上被电调制信号正向偏压。同样，波导部分1120也能够制造SPP电光调制器，因为两个p-n结二极管1123和1124也以相反极性串联连接。
本文所述的各种实施例提供了使电光调制器，特别是在SOI衬底上制造的单片电光调制器能够高速运行的技术优势。具体地，沿着传输线的电导体具有多个凹部或狭槽的慢波传输线有效地减慢了由慢波传输线携带的电调制信号的群速度，从而减少电光调制器的光学路径和电气路径之间的速度失配。降低速度失配有助于实现电光调制器的更高工作带宽，电光调制器是当代高速光通信系统中的关键组件。
补充说明
本文描述的主题有时示出了包含在不同的其他组件中或与不同的其他组件连接的不同组件。应当理解，这样描绘的架构仅仅是示例，并且实际上可以实施实现相同功能的许多其他架构。从概念上讲，有效实现“关联”组件以实现相同功能的任何方式，从而实现所需功能。因此，本文中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”，从而实现期望的功能，而与架构或中间组件无关。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彼此“可操作地可耦合”以实现所需的功能。可操作地可耦合的具体示例包括但不限于物理上可配合和/或物理上相互作用的组件和/或无线上可相互作用和/或无线相互作用的组件和/或逻辑上可相互作用的和/或逻辑上可相互作用的组件。
此外，关于本文中基本上使用任何复数和/或单数术语，本领域技术人员可以根据情况和或/应用适当地将复数转换为单数和/或将单数转换为复数。为了清楚起见，本文可以明确地阐述各种单数/复数置换。
此外，本领域技术人员将理解，通常，本文中，尤其是在所附权利要求中使用的术语，例如，所附权利要求的主体部分，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”，本领域技术人员将进一步理解，如果旨在引入特定数量的权利要求引述，则将在权利要求中明确地陈述这种意图，并且在没有这种陈述的情况下，不存在这种意图。例如，为了帮助理解，下面的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的引述。但是，此类短语的使用不应解释为暗示由不定冠词“一”或“一个”引入的权利要求引述将任何包含此类引入的权利要求引述的特定权利要求限制为仅包含一个此类引述，即使当同一权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词，例如“一”或“一个”，例如，“一”和/或“一个”应解释为“至少一个”或“一个或多个”；对于用于引入权利要求引述的定冠词的使用也是如此。另外，即使明确叙述了具体数量的引入的权利要求引述，本领域技术人员将认识到，这样的引述应被解释为至少意味着所引述的数目，例如，“两个引述”的直接引述，而没有其他修饰语，是指至少两次引述，或两次或更多次引述。此外，在那些使用类似于“A，B和C等中的至少一个”的约定的情况下，通常这样的构造旨在以本领域技术人员会理解该约定的意义，例如，“具有A，B和C中至少一个的系统”将包括但不限于单独具有A，单独具有B，仅具有C，具有A和B，具有A和C以及具有B和C，和/或具有A,B和C的系统。在使用类似于“A，B或C等中的至少一个”的约定的那些情况下，通常，这种构造在某种意义上是指本领域技术人员将理解该约定，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，仅具有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。本领域技术人员将进一步理解，实际上任何析构词和/或短语不论是在说明书，权利要求书还是附图中，呈现两个或多个替代术语都应理解为考虑了包括术语之一，术语中任何一个或两个术语的可能性。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。
尽管已经用特定于结构特征和/或方法论条款的语言描述了主题，但是应该理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述特定特征或条款。相反，上述特定特征和条款被公开为实施权利要求的示例形式。

Claims (20)

1.一种单片电光调制器，其被配置为容纳沿主传播方向传播的光信号，所述电光调制器包括沿所述主传播方向串联连接的多个调制器部分，所述多个调制器部分中的每个包括：
波导部分，其具有沿所述主传播方向延伸的一个或多个脊，该波导段包括有源段和无源段，所述有源段包括一个或多个p-n结二极管，每个p-n结二极管具有位于所述一个或多个脊中的相应的一个脊内的p-n结，所述p-n结沿所述主传播方向延伸；
第一导体部分，其沿着所述主传播方向延伸并设置在所述波导部分的第一侧上；和
第二导体部分，其沿着所述主传播方向延伸并设置在所述波导部分的与所述第一侧相对的第二侧上；
其中：
所述第一导体部分和第二导体部分中的一个或两者具有一个或多个凹部，每个凹部从相应导体部分的边缘向相应导体部分的中心区域延伸，该边缘基本平行于所述主传播方向；
所述多个调制器部分的所述波导部分共同形成沿所述主传播方向行进的连续波导，用于容纳所述光信号；
所述多个调制器部分的所述第一导体部分共同形成沿所述主传播方向行进的连续的第一导体；
所述多个调制器部分的所述第二导体部分共同形成沿所述主传播方向延伸的连续的第二导体；并且
所述第一导体和第二导体形成传输线，所述传输线被配置为传导使所述一个或多个p-n结二极管偏压的电调制信号。
2.根据权利要求1所述的单片电光调制器，其中，所述一个或多个凹部中的每个凹部包括在基本垂直于所述主传播方向的方向上延伸的狭槽。
3.根据权利要求2所述的单片电光调制器，其中，所述狭槽包括Z字形。
4.根据权利要求2所述的单片电光调制器，其中，所述狭槽包括螺旋形。
5.根据权利要求1所述的单片电光调制器，其中，所述一个或多个凹部中的每个凹部在所述边缘处具有开口，所述开口与所述波导部分连接。
6.根据权利要求5所述的单片电光调制器，其中，所述开口与所述无源段对准。
7.根据权利要求1所述的单片电光调制器，其中，所述第一导体部分和所述第二导体部分均具有所述一个或多个凹部。
8.根据权利要求7所述的单片电光调制器，其中，所述第一导体部分的所述一个或多个凹部和所述第二导体部分的所述一个或多个凹部相对于所述波导部分对称。
9.根据权利要求1所述的单片电光调制器，其中：
所述波导部分具有一个脊；
所述有源段具有一个p-n结二极管，所述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，所述p-n结形成在所述p型条和所述n型条之间；
所述n型条与所述第一导体部分电耦合；
所述p型条与所述第二导体部分电耦合；并且
所述p-n结二极管基本上被所述电调制信号反向偏压。
10.根据权利要求9所述的单片电光调制器，其中：
所述多个调制器部分中的每一个还包括沿着所述主传播方向延伸的第三导体部分，所述第二导体部分和所述第三导体部分相对于所述第一导体部分对称；
所述多个调制器部分中的所述第三导体部分共同形成沿所述主传播方向延伸的连续的第三导体；并且
所述第一导体、所述第二导体和所述第三导体形成用于传导所述电调制信号的共面波导(CPW)传输线。
11.根据权利要求1所述的单片电光调制器，其中：
所述波导部分具有两个脊；
所述有源段具有两个p-n结二极管，包括第一p-n结二极管和第二p-n结二极管，所述第一p-n结二极管和所述第二p-n结二极管中的每个包括沿所述主传播方向彼此相邻设置的p型条和n型条。各个p-n结二极管的p-n结形成在所述p型条和所述n型条之间；
所述第一p-n结二极管的n型条与所述第二p-n结二极管的n型条连接；
所述第一p-n结二极管的p型条与所述第一导体部分电耦合；并且
所述第二p-n结二极管的p型条与所述第二导体部分电耦合。
12.根据权利要求11所述的单片电光调制器，其中：
所述多个调制器部分中的每一个还包括沿着所述主传播方向延伸的第三导体部分，所述第二导体部分和所述第三导体部分相对于所述第一导体部分对称；
所述多个调制器部分中的所述第三导体部分共同形成沿所述主传播方向行进的连续的第三导体；并且
所述第一导体、所述第二导体和所述第三导体形成用于传导所述电调制信号的共面波导(CPW)传输线。
13.根据权利要求1所述的单片电光调制器，其中：
所述波导部分具有两个脊；
所述有源段具有两个p-n结二极管，包括第一p-n结二极管和第二p-n结二极管，所述第一p-n结二极管和所述第二p-n结二极管中的每个包括沿所述主传播方向彼此相邻设置的p型条和n型条，各个p-n结二极管的p-n结形成在所述p型条和所述n型条之间；
所述第一p-n结二极管的p型条与所述第二p-n结二极管的p型条连接；
所述第一p-n结二极管的n型条与所述第一导体部分电耦合；并且
所述第二p-n结二极管的n型条与所述第二导体部分电耦合。
14.根据权利要求13所述的单片电光调制器，其中：
所述多个调制器部分中的每一个还包括沿着所述主传播方向延伸的第三导体部分，所述第二导体部分和所述第三导体部分相对于所述第一导体部分对称；
所述多个调制器部分中的所述第三导体部分共同形成沿所述主传播方向行进的连续的第三导体；并且
所述第一导体、所述第二导体和所述第三导体形成用于传导所述电调制信号的共面波导(CPW)传输线。
15.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在绝缘体上硅(SOI)衬底上制造，所述SOI衬底包括体硅衬底，设置在所述体硅衬底上的埋氧化(BOX)层，和设置在BOX层顶部的顶部硅层。
16.根据权利要求15所述的单片电光调制器，其中，所述一个或多个脊中的每一个形成在所述顶部硅层中，所述脊的高度在100-500nm的范围内并且所述脊的宽度在300-700nm的范围内。
17.根据权利要求15所述的单片电光调制器，其中：
在所述顶部硅层中形成一个或多个p-n结二极管；
所述一个或多个p-n结二极管中的每个包括沿所述主传播方向彼此相邻布置的p型条和n型条；
所述p型条包括：P掺杂区、设置成与所述P掺杂区相邻的P+掺杂区、设置成与所述P+掺杂区相邻的P++掺杂区；
所述n型条包括：N掺杂区、设置成与所述N掺杂区相邻的N+掺杂区、设置成与所述N+掺杂区相邻的N++掺杂区；和
在所述P掺杂区和所述N掺杂区之间形成所述p-n结。
18.根据权利要求17所述的单片电光调制器，其中，所述P掺杂区和所述N掺杂区中的每一个的掺杂浓度在每立方厘米1e17-1e18的范围内。
19.根据权利要求17所述的单片电光调制器，其中，所述P+掺杂区和所述N+掺杂区中的每一个的掺杂浓度在每立方厘米1e18-5e18的范围内。
20.根据权利要求17所述的单片电光调制器，其中，所述P++掺杂区域和所述N++掺杂区域中的每一个的掺杂浓度在每立方厘米1e19-1e22的范围内。
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