CN111367131B - 一种硅基调制器和调制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种硅基调制器和调制装置，包括：波导，所述波导包括：正掺杂区域、负掺杂区域、重正掺杂区域、重负掺杂区域、阴极和阳极；其中，正掺杂区域通过重正掺杂区域连接阴极，负掺杂区域通过重负掺杂区域连接阳极，正掺杂区域和负掺杂区域形成正‑负结设置在波导的中间，重正掺杂区域和重负掺杂区域设置在波导的两端，正掺杂区域和负掺杂区域之间的分界面的横截面为折线，所述折线包括n条线段，n大于或等于3。本发明实施例正掺杂区域和负掺杂区域之间的分界线为Z字型，使得正掺杂区域和负掺杂区域构成的正‑负结的耗尽区与光场的交叠区域面积更大，提高了调制效率，并且不需要对正‑负结的耗尽区进行重掺杂，减小了光学损耗。

Description

一种硅基调制器和调制装置
技术领域
本发明实施例涉及但不限于光通讯领域，尤指一种硅基调制器和调制装置。
背景技术
随着计算机和通信技术的发展，现代社会对信息的需求量呈指数增长。光通讯技术作为以铜材料为基础构建的通信链路系统的有力竞争者发展迅猛。
光通讯系统中的一个关键的器件是高速调制器，这种器件通常是利用外加电场改变材料的物理特性，进而使得器件的输出呈现出随外加电场变化的特性，实现数据信号在光载波上的加载。一种典型的调制器是利用铌酸锂材料的线性电光效应实现对光载波的调制；磷化铟和砷化镓等材料也被广泛用于制作高速调制器。
硅光集成芯片由于其自身的低成本、尺寸紧凑等优势而在光通讯领域应用前景巨大。硅基高速调制器也逐渐获得了飞速的发展。目前，基于载流子色散效应的硅基调制器是最具应用前景的一种硅基高速调制器，这种方法通过外加的电场改变载流子的浓度分布，实现对材料折射率的改变，进而改变通过的光的相位。实现外加电场对光载波的调制。
目前的硅基载流子色散高速调制器存在的问题主要是调制效率不高，对于调制区长度受限的调制器，需要较高的驱动电压才能实现理想的调制深度，这就带来了功耗问题。虽然通过提高掺杂浓度可以一定程度上提高调制效率，但会使得因载流子吸收而带来的光学损耗急剧增大。除此之外，也可以通过设计“L型”PN结(即PN结耗尽区形状类似英文字母“L”)来提高调制效率，虽然PN结耗尽区与光场的交叠区域得到了一定的增加，但是调制效率仍旧比较低，为了实现较高的调制效率，仍需比较重的掺杂，也就必然带来较高的光学损耗。
发明内容
本发明实施例提供了一种硅基调制器和调制装置，能够在提高调制效率的同时减小光学损耗。
本发明实施例提供了一种硅基调制器，包括：
波导，所述波导包括：
正掺杂区域、负掺杂区域、重正掺杂区域、重负掺杂区域、阴极和阳极；
其中，正掺杂区域通过重正掺杂区域连接阴极，负掺杂区域通过重负掺杂区域连接阳极，正掺杂区域和负掺杂区域设置在波导的中间，重正掺杂区域和重负掺杂区域设置在波导的两端，正掺杂区域和负掺杂区域之间的分界面的横截面为折线，所述折线包括n条线段，n大于或等于3。
本发明实施例提供了一种调制装置，包括：
分光器，用于将待调制光分成两束光；
第一调制器，用于对其中一束光进行调制；
第二调制器，用于对另一束光进行调制；
耦合器，用于将调制后的两束光进行合并；
其中，第一调制器和第二调制器为上述任一种硅基调制器。
本发明实施例包括：波导，所述波导包括：正掺杂区域、负掺杂区域、重正掺杂区域、重负掺杂区域、阴极和阳极；其中，正掺杂区域通过重正掺杂区域连接阴极，负掺杂区域通过重负掺杂区域连接阳极，正掺杂区域和负掺杂区域形成正-负结设置在波导的中间，重正掺杂区域和重负掺杂区域设置在波导的两端，正掺杂区域和负掺杂区域之间的分界面的横截面为折线，所述折线包括n条线段，n大于或等于3。本发明实施例正掺杂区域和负掺杂区域之间的分界面的横截面为折线，所述折线包括n条线段，n大于或等于3，使得正掺杂区域和负掺杂区域构成的正-负结的耗尽区与光场的交叠区域面积更大，提高了调制效率，并且不需要对正-负结的耗尽区进行重掺杂，减小了光学损耗。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明实施例的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明实施例技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例的实施例一起用于解释本发明实施例的技术方案，并不构成对本发明实施例技术方案的限制。
图1为本发明一个实施例提出的硅基调制器的剖面示意图；
图2为本发明实施例的硅基调制器的PN结载流子分布仿真示意图；
图3为本发明实施例的硅基调制器的调制效率随偏置电压的变化示意图；
图4为本发明实施例的硅基调制器的光学损耗随偏置电压的变化示意图；
图5为本发明另一个实施例提出的调制装置的结构组成示意图；
图中，100为波导，110为脊型波导，120为平板波导，130为光场分布区，140为本发明实施例正掺杂区域和负掺杂区域的分界面，150为传统PN结的分界面，111为正掺杂区域(P区)，112为负掺杂区域(N区)，113为重正掺杂区域(P++区)113，114为重负掺杂区域(N++区)，115为阴极，116为阳极，51为分光器，52为第一调制器，53为第二调制器，54为耦合器。
具体实施方式
下文中将结合附图对本发明实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
参见图1，本发明一个实施例提出了一种硅基调制器，包括：
波导100，所述波导100包括：
正掺杂区域(P区)111、负掺杂区域(N区)112、重正掺杂区域(P++区)113、重负掺杂区域(N++区)114、阴极115和阳极116；
其中，正掺杂区域(P区)111通过重正掺杂区域(P++区)113连接阴极115，负掺杂区域(N区)112通过重负掺杂区域(N++区)114连接阳极116，正掺杂区域(P区)111和负掺杂区域(N区)112形成正-负结(PN结)设置在波导100的中间，重正掺杂区域(P++区)113和重负掺杂区域(N++区)114设置在波导100的两端，正掺杂区域(P区)111和负掺杂区域(N区)112之间的分界面140的横截面为折线，所述折线包括n条线段，n大于或等于3。
本发明实施例正掺杂区域和负掺杂区域之间的分界面的横截面为折线，所述折线包括n条线段，n大于或等于3，使得正掺杂区域和负掺杂区域构成的正-负结(PN结)的耗尽区与光场的交叠区域面积更大，提高了调制效率，并且不需要对正-负结的耗尽区进行重掺杂，减小了光学损耗。
其中，所述波导100包括脊型波导110和平板波导120，所述脊型波导110设置在所述平板波导120的上方；
所述正掺杂区域(P区)111设置在所述脊型波导110的一端和所述平板波导120的中间的一端，所述负掺杂区域(N区)112设置在所述脊型波导110的另一端和所述平板波导120的中间的另一端；
所述重正掺杂区域(P++区)113设置在所述平板波导120的一端，所述重负掺杂区域(N++区)114设置在所述平板波导120的另一端。
其中，
所述折线包括第一线段、第二线段和第三线段，所述第二线段连接所述第一线段和所述第三线段；即折线为一个类似Z字型的线段；
所述正掺杂区域(P区)111由以下条件形成：在第一掺杂窗口以第一倾斜角度、第一旋转角度和第一注入能量注入第一剂量的受主杂质；在第二掺杂窗口以第二倾斜角度、第二旋转角度和第二注入能量注入第二剂量的受主杂质；
所述负掺杂区域(N区)112由以下条件形成：在第三掺杂窗口以第三倾斜角度、第三旋转角度和第三注入能量注入第三剂量的受主杂质；在第四掺杂窗口以第四倾斜角度、第四旋转角度和第四注入能量注入第四剂量的施主杂质。
其中，
所述第一掺杂窗口为所述波导100中位于第一线段的延长线所在的平面左边的区域；
所述第二掺杂窗口为所述波导100中由所述第一线段的延长线所在的平面、所述第二线段所在的平面、所述第三线段所在的平面和所述波导的上表面包围的区域；
所述第三掺杂窗口为所述波导100中由与所述第二线段平行且经过所述第三线段的中点的直线所在的平面、所述第二线段的延长线所在的平面和所述波导的上表面包围的区域；
所述第四掺杂窗口为波导100中位于所述第二线段的延长线所在的平面和所述第一线段所在的平面右边的区域。
其中，包括以下至少之一：
所述第一倾斜角、所述第二倾斜角、所述第三倾斜角和所述第四倾斜角为大于15度，且小于或等于45度的角度范围内的任意一个角度；
所述第一注入能量为大于或等于60千电子伏(keV)，且小于或等于120keV的能量范围内的任意一个能量；
所述第二注入能量为大于或等于30keV，且小于或等于60keV的能量范围内的任意一个能量；
所述第三注入能量为大于或等于20keV，且小于或等于60keV的能量范围内的任意一个能量；
所述第四注入能量为大于或等于80keV，且小于或等于120keV的能量范围内的任意一个能量；
所述第一旋转角度和所述第二旋转角度为0度；
所述第三旋转角度和所述第四旋转角度为45度；
所述第一剂量、所述第二剂量、所述第三剂量和所述第四剂量为1e13cm-2。
当然，第一剂量、所述第二剂量、所述第三剂量和所述第四剂量也可以取其他值，不同的取值对应PN结的不同调制效率、光学损耗等。
例如，图2为本发明实施例的硅基调制器的PN结载流子分布的仿真示意图(沿波导传播方向截面图)。其中，PN结的具体参数如下：
脊型波导110的宽度为500nm，高度为220nm，平板波导120的厚度为90nm。
图1中的L2和L3将波导等分成3份，而L1则将波导上表面和L2之间的区域等分成2份，A、B、C、D是四个控制点，用以精确控制Z型掺杂的分布，这些控制点的引入可以实现更多的自由度，以平衡调制器的调制效率、光学损耗和调制带宽等指标；以图1的中心为x＝0，脊型波导的上表面为y＝0，A、B、C、D四个控制点的坐标分别是(-185,0)nm，(-37,0)nm，(37,0)nm，(111,0)nm。
p区的掺杂分为两步，倾斜角度均为45度，旋转角度为0度，注入能量分别为100keV和60keV，注入剂量均为1e13cm-2，两步掺杂的窗口分别位于A控制点以左区域(即第一掺杂窗口)和B控制点以左区域(即第二掺杂窗口)；
n区的掺杂分为两步，倾斜角度均为45度，旋转角度均为180度，注入能量分别为40keV和100keV，注入剂量均为1e13cm-2，两步掺杂的窗口分别位于C控制点(即第三掺杂窗口)和D控制点以右区域(即第四掺杂窗口)。最终的净掺杂浓度如图2中分布所示。
需要说明的是，上述所有工艺条件均为最优参数，但通过改变注入时的倾斜角度或注入能量也可以实现其他调制效率和光学损耗的Z型PN结。例如，倾斜角度在(15度，45度]范围内，p区掺杂的两步注入能量分别为[60keV,120keV]，[30keV,60keV]；n区掺杂的两步注入能量分别为[20keV,60keV],[80keV,120keV]，均可以实现Z型PN结。
图3为本发明实施例的硅基调制器的调制效率随偏置电压的变化示意图。如图3所示，随着偏置电压的增大(偏置电压数值减小)，调制效率逐渐降低(VpiL数值逐渐变大)。在-3V偏置电压下，调制效率约1.24V·cm。
图4为本发明实施例的硅基调制器的光学损耗随偏置电压的变化示意图。如图4所示，随着偏置电压的增大(偏置电压数值减小)，光学损耗逐渐降低。在-3V偏置电压下，光学损耗约1.66dB/mm。
定义调制器的调制效率和光学损耗的性能因数FOM＝调制效率·光学损耗，则该Z型PN结调制器的性能因数FOM＝20.6V·dB。相比于传统的竖直型PN结(性能因数FOM约27.3V·dB)有较大提升。
参见图5，本发明另一个实施例提出了一种调制装置，包括：
分光器51，用于将待调制光分成两束光；
第一调制器52，用于对其中一束光进行调制；
第二调制器53，用于对另一束光进行调制；
耦合器54，用于将调制后的两束光进行合并；
其中，第一调制器52和第二调制器53为上述任一种硅基调制器。
上述调制装置的工作原理如下：待调制光由3dB分光器51分成两束光，分别进入第一调制器52和第二调制器53，在第一调制器52和第二调制器53加载的差分电信号通过改变第一调制器52和第二调制器53的波导的材料折射率，实现对两束光信号的相位调制，相位调制后的两束光通过3dB耦合器54后将相位调制转变成强度调制，实现电信号对输出光的强度调制。
需要说明的，上述调制装置(如马赫曾德干涉调制器)也可仅对其中一个调制器(第一调制器52或第二调制器53)进行待调制电信号的加载，另一个调制器作为光强度平衡作用而进行相同的PN结掺杂。
另外需要指出的一点是，Z型PN结不仅仅适用于马赫曾德干涉型调制器，同时适用于其他依赖于改变光信号相位而最终实现光场相位、强度等的调制装置。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
虽然本发明实施例所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明实施例而采用的实施方式，并非用以限定本发明实施例。任何本发明实施例所属领域内的技术人员，在不脱离本发明实施例所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明实施例的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种硅基调制器，包括：
波导，所述波导包括：
正掺杂区域、负掺杂区域、重正掺杂区域、重负掺杂区域、阴极和阳极；
其中，所述正掺杂区域通过所述重正掺杂区域连接所述阴极，所述负掺杂区域通过所述重负掺杂区域连接所述阳极，所述正掺杂区域和所述负掺杂区域形成正-负结设置在波导的中间，所述重正掺杂区域和所述重负掺杂区域设置在波导的两端，所述正掺杂区域和所述负掺杂区域之间的分界面的横截面为折线，所述折线包括n条线段，n大于或等于3；
所述折线包括第一线段、第二线段和第三线段，所述第二线段连接所述第一线段和所述第三线段；
所述正掺杂区域由以下条件形成：在第一掺杂窗口以第一倾斜角度、第一旋转角度和第一注入能量注入第一剂量的受主杂质；在第二掺杂窗口以第二倾斜角度、第二旋转角度和第二注入能量注入第二剂量的受主杂质；
所述负掺杂区域由以下条件形成：在第三掺杂窗口以第三倾斜角度、第三旋转角度和第三注入能量注入第三剂量的受主杂质；在第四掺杂窗口以第四倾斜角度、第四旋转角度和第四注入能量注入第四剂量的施主杂质；
其中，所述第一掺杂窗口为所述波导中位于第一线段的延长线所在的平面左边的区域；
所述第二掺杂窗口为所述波导中由所述第一线段的延长线所在的平面、所述第二线段所在的平面、所述第三线段所在的平面和所述波导的上表面包围的区域；
所述第三掺杂窗口为所述波导中由与所述第二线段平行且经过所述第三线段的中点的直线所在的平面、所述第二线段的延长线所在的平面、所述第三线段所在的平面和所述波导的上表面包围的区域；
所述第四掺杂窗口为所述波导中位于所述第二线段的延长线所在的平面和所述第一线段所在的平面右边的区域。
2.根据权利要求1所述的硅基调制器，其特征在于，其中，所述波导包括脊型波导和平板波导，所述脊型波导设置在所述平板波导的上方；
所述正掺杂区域设置在所述脊型波导的一端和所述平板波导的中间的一端，所述负掺杂区域设置在所述脊型波导的另一端和所述平板波导的中间的另一端；
所述重正掺杂区域设置在所述平板波导的一端，所述重负掺杂区域设置在所述平板波导的另一端。
3.根据权利要求1所述的硅基调制器，其特征在于，包括以下至少之一：所述第一倾斜角、所述第二倾斜角、所述第三倾斜角和所述第四倾斜角为大于15度，且小于或等于45度的角度范围内的任意一个角度；
所述第一注入能量为大于或等于60千电子伏keV，且小于或等于120keV的能量范围内的任意一个能量；
所述第二注入能量为大于或等于30keV，且小于或等于60keV的能量范围内的任意一个能量；
所述第三注入能量为大于或等于20keV，且小于或等于60keV的能量范围内的任意一个能量；
所述第四注入能量为大于或等于80keV，且小于或等于120keV的能量范围内的任意一个能量；
所述第一旋转角度和所述第二旋转角度为0度；
所述第三旋转角度和所述第四旋转角度为45度；
所述第一剂量、所述第二剂量、所述第三剂量和所述第四剂量为1e13cm-2。
4.一种调制装置，包括：
分光器，用于将待调制光分成两束光；
第一调制器，用于对其中一束光进行调制；
第二调制器，用于对另一束光进行调制；
耦合器，用于将调制后的两束光进行合并；
其中，所述第一调制器和所述第二调制器为权利要求1～3任一项所述的硅基调制器。
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