CN111458907B - 光学双极移相器 - Google Patents
光学双极移相器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111458907B CN111458907B CN202010069700.1A CN202010069700A CN111458907B CN 111458907 B CN111458907 B CN 111458907B CN 202010069700 A CN202010069700 A CN 202010069700A CN 111458907 B CN111458907 B CN 111458907B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- region
- phase shifter
- regions
- optical
- optical phase
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 149
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims description 35
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 23
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 21
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 21
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 16
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 6
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 2
- 244000302697 Phragmites karka Species 0.000 description 1
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 description 1
- WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N alstonine Natural products C1=CC2=C3C=CC=CC3=NC2=C2N1C[C@H]1[C@H](C)OC=C(C(=O)OC)[C@H]1C2 WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
- G02F1/025—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction in an optical waveguide structure
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
- G02F1/0151—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction modulating the refractive index
- G02F1/0152—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction modulating the refractive index using free carrier effects, e.g. plasma effect
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F2203/00—Function characteristic
- G02F2203/50—Phase-only modulation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
描述一种光学移相器(1)，所述光学移相器包括在衬底中实现的光波导(3)，所述光波导在衬底内具有光传导面，其中，所述光传导面包括第一掺杂的至少一个第一区域(5)和分别第二掺杂的至少两个第二区域(6)，所述第二掺杂与所述第一掺杂不同，其中，所述第一区域(5)布置在所述两个第二区域(6)之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学移相器，其包括在衬底上实现的光波导，该光波导在衬底内具有光传导面(optischen )。
背景技术
光学移相器是集成光子学中的关键部件。尤其在光学通信中，光学移相器是必要的。在此，光学移相器例如用于信息编码的范畴中的光辐射调制，这例如由Graham T.Reed的论文《Recent breakthroughs in carrier depletion based silicon opticalmodulators》纳米光子学，2013中得出。光学移相器还用作可编程集成光子芯片的开关，如在例如Xia Chen的论文《Towards an optical FPGA-Programmable silicon photoniccircuits》，ArXiv，2018中所描述的。也在射束控制应用中设置光学移相器，例如在FiroozAflatouni等人的论文《Nanophotonic projection system》中详细描述。
实现光学移相器的通常方法是，在光波导中实现水平和/或竖直的半导体二极管结。在一些情况下，掺杂剂在光传播方向(辐射传播方向，缩写SAR)上周期性地重复分布(参见Jessie Rosenberg，《A 25Gbps silicon microring modulator based on aninterleaved junction》，2012)。这能够实现使用二极管结的与电压相关的自由电荷区域(耗尽区域)，以便要么从集成光波导的光传导面导出电荷(即用以耗尽光传导面)，要么将电荷注入到该光传导面。由于自由电荷载体的效应(即已知为所谓的硅的间接电光效应；英语也称为“free carrier effect，自由载流子效应”)，电荷密度的调制改变硅的折射率。
如果硅中的电荷密度增加，则由于引起掺杂的杂质原子，通过硅传播或运动的光子更容易湮灭。这也表示为光学吸收损耗。因为通过复数光学折射系数的虚部来描述吸收，所以通过对虚部应用克莱默-克朗尼格分析(Krammer-Kronig-Analyse)，在考虑特定的数学条件的情况下也可以估算实部(即折射率)。在这种情况下，折射率确定光学路径长度，并且最后确定光学相移。
Soref和Bennett's描述硅的折射率的实部和虚部与经掺杂的硅内的电荷载体密度(空穴和电子)的相关性(《Electrooptical effects in Silicon》，IEEE量子电子学杂志，1987)。其通过利用在硅中的光吸收的来自经验的数据得出如下结论：能够在掺杂的硅中实现电光效应。换句话说，其描述复数折射率的实部与虚部的关系作为硅的杂质水平的函数。实部是相移的原由，而虚部是损耗的来源。杂质的数量可以作为所施加的电压的函数而变化，其方式是：耗散来自PN结的耗尽区的电荷(PN结的耗尽)，或将电荷注入到PIN二极管的本征区域。
在此引人注意的是，在给定掺杂杂质的情况下，与所施加的电压无关地发生损耗。反之，相移的变化仅在施加电压时存在。这意味着，位于光子运动路径中且不作为所施加的电压的函数而变化的所有掺杂杂质都是低效率的来源。这种低效率基于损耗的存在，而不产生可调制的相移。
在多篇论文中提出不同的方法，以使上述低效率最小化。借助上述方法中的多种方法已经尝试过，在使用不同的掺杂条件、布局和策略来使光学模式与电压相关的电荷区域之间的重叠最大化。因为这些区域的宽度借助所施加的电压来控制，所以先前的论文中的多个集中到增大掺杂有施主或受主的区域之间的半导体-半导体结的长度。例如这通过沿横向或竖直方向旋转上述结来实现，参见Graham T.Reed的《Recent breakthroughs incarrier depletion based silicon optical modulators》，纳米光子学，2013。
当前令人感兴趣的当前的论文提出竖直的U形掺杂特性(参见W.D.Sacher的《Monolithically Integrated Multilayer Silicon Nitride-on-Silicon WaveguidePlatforms for 3-D Photonic Circuits and Devices》，IEEE会议论文集，2018)。该论文的思想在于，通过使用准确成形的竖直掺杂特性来增加光学模式和自由电荷载体之间的重叠。集成光子芯片领域的商业技术提供商通常不提供这样的方法。替代地，所说的提供商提供具有有限的准确度方法，这使得这无法用于批量生产(参见Kensuke Ogwaga：《Silicon-based phase shifters for high figure of merit in optical modulation》，SPIEOPTO，2016)。
另一种方案是添加垂直于光传播方向(即垂直于SAR)的(PN)结的场。这也被称为交错移相器(英语“interleaved phase-shifter”)，并且实际上会降低光学移相器的电响应速度，因为该结添加电容。此外，由此增加光学模式与自由电荷区的整体重叠。在这方面，结的总数量受掺杂窗口的由技术预给定的最小面积所限制(Zhi-Yong Li的《Siliconwaveguide modulator based on carrier depletion in periodically interleaved PNJunctions》，光学快报，2009)。
所有耗尽方法和电荷载体注入方法基于用于输入电压的两个金属线路，以便耗散(abbauen)或馈送光路中的自由电荷(即增加耗尽)。第一层的金属接通部总是布置在波导的侧面。这导致降低波导中的光学损耗。
所有应用电荷载体注入或耗尽方案的电光学移相器都具有损耗-相移-权衡(Verlust-Phasenverschiebungs-Trade-off)。在现有技术的解决方案中，迄今在沿波导的辐射传播方向交错的布置中仅使用一个横向的PN结或多于一个PN结。因此，先前提及的光波导在沿波导的传播方向交错的布置中具有一个侧面的结，或多于一个结。在此，不受电压控制的掺杂载体形成损耗源。模拟表明，现有技术的解决方案对于上面提到的问题并不是最佳的。
发明内容
根据本发明，光传导面包括第一掺杂的至少一个第一区域，和与第一掺杂不同的第二掺杂的至少两个第二区域，其中，第一掺杂区域布置在两个第二掺杂区域之间。有利地，由此能够实现有效的相变(Phasenwechsel)。有利地，由此提高光学移相器的效率并且同样改善其线性。光学移相器尤其应理解为电光学移相器。“衬底”尤其应理解为半导体材料。衬底尤其包括硅或由硅组成。
“光传导面”尤其应理解为衬底内的可光学传导的面，其具有多个不同的掺杂区域并且因此是可电操控的或可电控制的。
“区域”尤其应理解为衬底的部分区域。
“掺杂”尤其应理解为n掺杂、n+掺杂、p掺杂或p+掺杂。
在本发明的另一种构型中提出，三个区域沿着垂直于辐射传播方向的方向彼此交替地布置。因此三个区域尤其如此交替地布置在光传导面内，使得在垂直于辐射传播方向的方向上形成分别具有相反掺杂的至少两个材料结优选地，以上提及的材料结分别沿平行于辐射传播方向的方向延伸。有利地，由此能够实现有效的相变。
优选地，在根据本发明的构型中提出，三个区域分别至少部分地在光传导面内沿着辐射传播方向延伸。有利地，这由此能够实现有效的相变。如此，通过先前提出的包括双结的解决方案(英语也可以称为“bi-junction approach，双结方法”)提高波导的效率。这尤其意味着，与先前的实施方式相比，由掺杂杂质得到的自由电荷载体(即电荷载体可以在波导内自由运动)的百分比更高。这又有助于设备的更高的线性，并且使得能够在低得多的电压下实现完整的180°相移。
在根据本发明的另一构型中提出，第一区域与第二区域中的至少一个沿着垂直于辐射传播方向的方向重叠，和/或第一区域沿着垂直于辐射传播方向的方向邻接第二区域中的至少一个。因此优选地，第一区域与第二区域中的至少一个沿着垂直于辐射传播方向的方向存在接通或存在接触。有利地，由此提供相对易于实现且仍然有效的光学移相器。
优选地，第一掺杂涉及p掺杂，而第二掺杂涉及n掺杂。在一种替代的、同样优选的构型中，第一掺杂涉及n掺杂，而第二掺杂涉及p掺杂。优选地，三个区域优选形成N-P-N结或P-N-P结。
在本发明的一种优选的构型中提出，在第一区域和第二区域中的至少一个之间布置有至少一个具有本征电荷载体密度的区域。优选地，由此使电场的特性平滑。有利地，由此能够实现有效的相变。
在本发明的一种构型中提出，具有本征电荷载体密度的区域沿着平行于辐射传播方向延伸的方向连续地沿着第一区域和第二区域中的至少一个延伸。在该实施方式的另一优选的扩展方案中提出，另一具有本征电荷载体密度的区域沿着平行于辐射传播方向延伸的方向连续地沿着第一区域和所述第二区域中的至少一个中的另一个延伸。因此，在该实施方式中，这三个区域与以上提及的两个具有本征电荷载体密度的区域一起优选地构造N-I-P-I-N结构或N-I-P-I-N结。在另一替代的实施方式中，这三个区域与以上提及的两个具有本征电荷载体密度的区域一起还构造P-I-N-I-P结构或P-I-N-I-P结。有利地，由此能够实现有效的相变，并且使特性(即电场的变化过程)进一步平滑。
优选地，在本发明的一种构型中提出，多个具有本征电荷载体密度的区域沿着平行于辐射传播方向延伸的方向彼此间隔开地沿着第一区域和第二区域中的至少一个延伸。因此，在多个具有本征电荷载体密度的区域之间优选分别存在间距，即这些区域分别构造具有本征电荷载体密度的岛。有利地，由此能够实现更有效的相变。
在本发明的另一优选构型中提出，光学移相器还包括能够施加电压的至少两个电连接端，所述至少两个电连接端分别与三个区域中的至少一个导电连接。由此，两个结是可电操控或可电控制的。此外，光学移相器优选地包括能够施加电压的三个电连接端，其中，三个电连接端中的每个分别与三个区域中的一个导电连接。在这种构型中，两个结都可以特别容易地电操控或电控制。
优选地，本发明的构型还包括掺杂的光学交叉元件(optischesKreuzungselement)，第一区域通过该光学交叉元件连接到电连接端中的一个。因此，优选应用光学交叉来接通掺杂区域。直接在光子波导上添加金属接通部会显著提高其在信号传输时的光学损耗。因此，根据以上优选的实施方案，通过设置掺杂的光学交叉元件能够实现改善接通。
与通过金属传导的电信号相反，即在合适的材料内可以沿两个方向传导所引导的(光)波。光学交叉是在集成光子电路领域中使用该构思的结构，在该集成光子电路中借助多个连接端输送光学设备(尤其光学移相器)一个或多个光信号。然后，根据设备几何形状或光学设备或光学移相器的结构，将这些信号引导或路由(routen)到光学设备(即光学移相器)的不同输出端。因此，根据一种优选的实施方式，设置掺杂的光学交叉元件，该光学交叉元件与光学移相器的输入端或端口相关联或连接。优选将光学信号馈送到与掺杂的光学交叉元件连接的这些输入端或端口。此外，优选将光学信号馈送到光学移相器的与掺杂的光学交叉元件不连接的一个或多个其他输入端或端口，因此通过其他输入端或端口引导光信号。同样优选掺杂的光学交叉元件与三个区域进行掺杂，因此在光学交叉元件中继续掺杂三个区域、但至少第一区域并且被牵引或引导通过输入端或端口，以便实现与更高掺杂区域的电连接。以这种方式，将电连接端中的一个与高掺杂区域或与掺杂区域中的至少一个连接。
优选地，在本发明的另一构型中提出，三个区域中的至少一个沿着平行于辐射传播方向延伸的方向具有蜿蜒状的走向。有利地，由此增加结的总长度。
此外，优选提供一种LIDAR系统，即具有根据本发明的光学移相器的“光检测和测距”系统。
附图说明
参照附图和以下描述更详细地阐述本发明的实施例。附图示出：
图1示出根据本发明的光学移相器的第一实施例的N-P-N掺杂的示意图；
图2示出根据本发明的光学移相器的第二实施例的N-I-P-I-N掺杂的示意图；
图3示出现有技术的具有NP掺杂的光学移相器和根据本发明实施的光学移相器的分别与电压相关的估算损耗和估算相移的比较；
图4示出光学移相器的第三实施例的不同俯视图的示意图；
图5示出根据本发明的在图2示出的具有N-I-P-I-N掺杂的光学移相器的实施例的俯视图的示意图；
图6示出根据本发明的具有蜿蜒状的N-P-N掺杂的光学移相器的第四实施例的俯视图的示意图；
图7示出根据本发明的光学移相器的第五实施例的俯视图的示意图，该光学移相器具有周期性布置的具有本征的电荷载体密度的区域。
具体实施方式
图1示出根据本发明的光学移相器1的第一实施例的N-P-N掺杂的示意图。更精确地描述，图1示出通过根据本发明的光学移相器1的该第一实施例的N-P-N结构的截面，其中，该截面垂直于辐射传播方向SAR进行。因此，图1的观察的视向平行于SAR地延伸。在该第一实施例中，光学移相器1包括在衬底中实现的光波导3，该光波导在衬底内具有光传导面。在该实施例中，衬底纯示例性地包括硅。但是衬底也可以包括任何其他材料。在该第一实施例中，光传导面纯示例性地具有第一掺杂的第一区域5和分别不同于第一掺杂的第二掺杂的两个第二区域6，其中，第一区域5布置在两个第二区域6之间。
在该第一实施例中第一区域5纯示例性地是p掺杂，而在该第一实施例中第二区域6纯示例性地是n掺杂。当然也可以相反。即，在其他实施例中，第一区域5也可以是n掺杂，而两个第二区域6是p掺杂。如图1中的布置，三个区域5、6沿着SAR延伸。这在图4的右侧以在图1中以截面示出的根据本发明的光学移相器1的第一实施例的俯视图示出，其中，在图4的右侧示出的局部视图或在图4的右侧示出的放大图中能够特别容易看出三个区域5、6及其沿着SAR的取向。三个区域5、6在其相应的接触区域中分别构造有平行于光波导3的SAR延伸的PN结，即总共两个PN结，这两个PN结分别平行于光波导3的SAR延伸。
换句话说，根据本发明的光学移相器1的结构包括光波导3。该光波导3的光引导范围沿横截面方向配备有三个不同掺杂的的掺杂区域，即正交于光的传播方向(在图4的右侧借助箭头标明SAR)。因为沿着光波导3的长度存在掺杂，所以在各两个掺杂区域之间的边界通过电荷载体扩散构造一个结(更确切地说分别构造一个PN结)，该结分别平行于光传播方向(即平行于衬底内的SAR)布置。换句话说，第一区域5与布置在其左侧的第二区域6构造第一PN结，并与布置在其右侧的第二区域6构造第二PN结。掺杂的区域，即三个区域5、6可以彼此重叠或具有共同匹配的(即彼此邻接的)侧区域或侧面——即彼此存在接通——或在它们之间分别具有具有本征电荷载体密度的区域作为间隙，参见图2以及以下相关的描述。
每个掺杂区域，即三个区域5、6中的每个都是电接通的。中间掺杂区域(即第一区域5)要么直接通过其上侧，要么通过其侧与光波导3接通，同样也可以替代地如在图1和图4所示的第一实施例的情况下借助掺杂的光学交叉元件——以下将结合图4更详细地说明——连接到电连接端上。
因此，在此提出的发明的核心在于扩大可控制的自由电荷区域和光学模式性能之间的重叠。这是在光波导3内使用具有三个掺杂区域(即上述三个区域5、6)的结构的直接结果，因为其具有两个PN结，该PN结能够通过两个电压来控制，而不仅仅是——如在现有技术中的解决方案的情况下的那样——通过单个电压来控制。所呈现的结构非常类似于具有两个结的晶体管(即，类似于英语中称为“bi-junction transistor，双结晶体管”的晶体管)，并且因此所呈现的结构具有两个结，在所述两个结中可以借助电压来控制自由电荷。
在图2中示出根据本发明的光学移相器1的第二实施例的N-I-P-I-N掺杂的示意图。以上在图1的上下文中描述的第一实施例内容也适用于以下在图2的上下文中描述的第二实施例。第二实施例与第一实施例的不同之处仅在于，在第二区域6和第一区域5之间，各一个具有本征电荷载体密度的区域7分别沿着平行于辐射传播方向SAR延伸的方向连续地沿着第一区域5和相应的第二区域6延伸。在该第二实施例中，左边的第二区域6不接触第一区域5，而是通过具有本征电荷载体密度的区域7连接到第一区域5。同样，在该第二施例中，右边的第二区域6不接触第一区域5，而是通过具有本征电荷载体密度的另一区域7连接到第一区域5。先前描述的具有本征电荷载体密度的两个区域7也沿着SAR、即平行于三个区域5、6延伸到空间中。
图3分别示出现有技术的具有NP掺杂的光学移相器和根据本发明实施的光学移相器1的与电压相关的估算损耗和估算相移的比较。更精确地描述，在图3中所示的图中示出数值模拟的结果。在该模拟中，纯示例性地作为可能的实现方式，计算光学移相器1的长度为1cm，硅中的光学引导区域的宽为600nm、高为220nm。在图3所示的曲线图的横坐标上绘制电压，而在左纵坐标上绘制了相移φ(π)，而在右纵坐标上绘制以分贝(dB)为单位的损耗。纯示例性地选择上述尺寸。在不损害光学移相器的功能性的情况下，也可以选择任何其他尺寸。
光学移相器的常见的品质因数是VπL数。它对应于这样的电压：在光学移相器的确定的、给定的长度的情况下需要该电压用以实现完整的180°度相移所需的电压。
如果例如VπL＝1V.cm，则这意味着，在以1cm的长度制造的光学移相器的情况下，在施加1V的电压作为输入电势时，光学移相器的输出信号的光相移为180°度。对于现有技术的仅具有PN结的光学移相器，通过曲线11描述与电压相关的相移φ(π)。曲线12描述根据本发明的具有N-P-N结的光学移相器的实施例的上述关系，而曲线13描述对于根据本发明的具有N-I-P-I-N结的光学移相器的实施例的该关系。
从图3中可以看出，具有N-P-N结构的光学移相器实现1V.cm的VπL值(参见图3，曲线13)。相反地，现有技术的仅具有一个PN结构的光学移相器——以相同的掺杂参数并在使用优化的掺杂窗口的情况下模拟地——在模拟中实现1.375V.cm的VπL值(参见图3，曲线11)。
因此，移相器的关键功能性提高40％的效率。附加地，损耗从29.3dB降低到29dB。图3中的曲线14示出现有技术的具有PN结的光学移相器与所施加的电压相关的损耗，图3的曲线15示出具有N-P-N结构的光学移相器与所施加的电压相关的损耗，图3的曲线16示出具有N-I-P-I-N结构的光学移相器与所施加的电压相关的损耗。
在该实施例中，根据本发明的光学移相器具有三个连接端。为了模拟具有N-P-N结构的光学移相器，两个N掺杂区域都接地，而P区域与负电压源连接。因此，光学移相器的电势相应于施加到中间区域的电压。为了尽可能好地模拟真实的物理条件，添加了碰撞电离模型(即击穿模型，英语也称作“breakdown models，击穿模型”)的模拟。出于这个原因，在图3中仅示出在N-P-N实施方式中直至4V的电势的相移和损耗(参见图3中的曲线12)。在这一点上，两个结的耗尽区域中的电场变得足够大。自由电荷载体的动能又变得足够大，以便使其他受束缚的电荷载体从衬底的晶格(Gitter)中释放出来。随后，自由电荷载体的数量突然按指数增加。该击穿状态可以视为给定的光学移相器的所应用的电势的运行范围的上极限。对于这种现象的主要原因是在光学移相器的小区域内产生的电场值很高。然后，相应的静电力为具有高动能的自由电荷载体充电。
原则上能够实现，例如通过延迟冲击电离现象的发生来扩大光学移相器的工作范围，其方式是：如此构型电场，使得电场的空间梯度——相对于光学移相器的截面——变得更加平滑。在这一点上令人感兴趣的是，使用这种梯度平滑或这种方法来延迟在所提出的N-P-N实施方式中的击穿。在所提出的N-P-N实施的情况下，可以通过在掺杂范围之间、即在三个区域5、6之间添加本征区域，即具有本征电荷载体密度的范围或区域7来实现平滑电场特性。这又降低处于平衡状态的自由电荷的总数以及可能开始的损耗。
在图2中示出具有本征区域或范围的掺杂截面——即在具有N-I-P-I-N结构的光学移相器的情况下的掺杂——并且在图3中示出相应的N-I-P-I-N结果(参见对于相移的曲线13和对于在N-I-P-I-N掺杂情况下的损耗的曲线16)。通常在三个区域之间添加本征范围或区域的情况下——尤其由于自由电荷载体的总数减少——预期降低所实现的相移。
在图3中示出这一点，因为仅在2.3V时能够实现完整的π相移(即180°的相移)(参见曲线13)。与现有技术的NP相应物(参见曲线11和14)相比，损耗(参见曲线16)降低了30％。
这对于具有低频率转换和光学相位阵列的应用尤其重要。例如，这种较低的损耗可能导致LIDAR系统的作用范围增加30％。
图4示出光学移相器1的第三实施例的不同俯视图的示意图。图4中示出的光学移相器1具有——如以上已经提及的那样——相同的掺杂，即与图1所示且如上所描述的第一实施例相同的三个区域5、6。已经结合图1充分阐述图4右侧示出的这些区域5、6及其关于SAR的布置。
然而，图4所示的第三实施例还包括掺杂的光学交叉元件9，第一区域5通过该光学交叉元件连接到电连接端8中的一个。在该第三实施例中，光学移相器1的效率不受例如直接布置在光波导上方的金属接通部的影响(kompromittieren)，使得借助根据本发明的光学移相器1大幅降低在信号传输时的光损耗。
因此，该掺杂的光学交叉元件9涉及与掺杂面4能导电连接的掺杂的光学交叉部，其用于将光学移相器1的电连接端8电连接到中间面、即光波导3的第一区域5。掺杂的光学交叉元件9将掺杂的光波导——尤其经由掺杂面4——与电连接端8连接。为此目的，在该第三实施例中，掺杂的光学交叉元件9纯示例性地与三个区域进行掺杂，因此三个区域5、6的掺杂也在掺杂的光学交叉元件9中延伸，并且被牵引或引导通过输入端或端口，以便实现与更高掺杂区域的电连接。以这种方式，将电连接端8与掺杂的光学交叉元件9连接，这又实现电连接端8连接到光学移相器1的三个掺杂区域5、6。
在图4右侧示出三个区域5、6及其在SAR上的取向。
图5示出根据本发明的具有N-I-P-I-N掺杂的光学移相器在图2示出的实施例的俯视图的示意图。在此，具有本征电荷载体密度的区域7分别布置在外部第二区域6和内部第一区域5之间。在该第二实施例中，外部第二区域6纯示例性地是n掺杂，而内部第一区域5纯示例性地是p掺杂。
图6示出根据本发明的具有蜿蜒状的N-P-N掺杂的光学移相器的第四实施例的俯视图的示意图。因此，不仅第一区域5而且第二区域6都蜿蜒状地弯曲地延伸，即沿着波浪线沿着SAR。由此，在该第四实施例中，光学移相器的两个PN结再次强烈延长。
图7示出根据本发明的光学移相器的第五实施例的俯视图的示意图，该光学移相器具有周期性布置的具有本征电荷载体密度的区域7。在该第五实施例中，具有本征电荷载体密度的区域7不是如图5示出的第二实施例那样实现为连续的、即平行于SAR或沿着SAR延伸的带，而是实现为断开的带，即实现为彼此相继地布置的岛。
Claims (9)
1.一种光学移相器(1)，所述光学移相器包括
光波导(3)，所述光波导在衬底中实现，所述光波导在所述衬底内具有光传导面，其中，
所述光传导面包括第一掺杂的至少一个第一区域(5)和分别第二掺杂的至少两个第二区域(6)，所述第二掺杂与所述第一掺杂不同，其中，所述第一区域(5)布置在两个所述第二区域(6)之间，其特征在于，
所述至少两个第二区域(6)中的一个第二区域不接触所述第一区域(5)，而是通过至少一个具有本征电荷载体密度的区域(7)连接到所述第一区域(5)上，所述至少两个第二区域(6)中的另一第二区域不接触所述第一区域(5)，而是通过至少一个具有本征电荷载体密度的另一区域(7)连接到所述第一区域(5)上。
2.根据权利要求1所述的光学移相器(1)，其中，所述至少一个第一区域(5)和所述至少两个第二区域(6)沿着垂直于辐射传播方向的方向彼此交替地布置。
3.根据权利要求2所述的光学移相器(1)，其中，所述至少一个第一区域(5)和所述至少两个第二区域(6)分别至少部分地在所述光传导面内沿着所述辐射传播方向延伸。
4.根据以上权利要求中任一项所述的光学移相器(1)，其中，所述第一区域(5)与所述第二区域(6)中的至少一个沿着垂直于辐射传播方向的方向重叠，和/或，其中，所述第一区域(5)沿着与所述辐射传播方向垂直的方向邻接所述第二区域(6)中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的光学移相器(1)，其中，所述具有本征电荷载体密度的区域(7)沿着平行于辐射传播方向延伸的方向连续地沿着所述第一区域(5)和所述第二区域(6)中的至少一个延伸。
6.根据权利要求1所述的光学移相器(1)，其中，多个具有本征电荷载体密度的区域(7)沿着平行于辐射传播方向延伸的方向彼此间隔开地沿着所述第一区域(5)和所述第二区域(6)中的至少一个延伸。
7.根据以上权利要求中任一项所述的光学移相器(1)，其中，所述光学移相器还包括能够施加电压的至少两个电连接端(8)，所述至少两个电连接端分别与所述至少一个第一区域(5)和所述至少两个第二区域(6)中的至少一个导电地连接。
8.根据权利要求7所述的光学移相器(1)，所述光学移相器还包括掺杂的光学交叉元件(9)，所述第一区域(5)通过所述掺杂的光学交叉元件连接到所述电连接端(8)中的一个。
9.根据以上权利要求中任一项所述的光学移相器(1)，其中，所述至少一个第一区域(5)和所述至少两个第二区域(6)中的至少一个沿着平行于辐射传播方向延伸的方向具有蜿蜒状的走向。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102019200687.6A DE102019200687A1 (de) | 2019-01-21 | 2019-01-21 | Optischer bipolar Phasenschieber |
| DE102019200687.6 | 2019-01-21 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111458907A CN111458907A (zh) | 2020-07-28 |
| CN111458907B true CN111458907B (zh) | 2024-05-24 |
Family
ID=71402675
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010069700.1A Active CN111458907B (zh) | 2019-01-21 | 2020-01-21 | 光学双极移相器 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10983370B2 (zh) |
| CN (1) | CN111458907B (zh) |
| DE (1) | DE102019200687A1 (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6298177B1 (en) * | 1999-03-25 | 2001-10-02 | Bookham Technology Plc | Phase modulator for semiconductor waveguide |
| US7085443B1 (en) * | 2003-08-15 | 2006-08-01 | Luxtera, Inc. | Doping profiles in PN diode optical modulators |
| CN106461986A (zh) * | 2014-04-07 | 2017-02-22 | 株式会社藤仓 | 光波导器件及其制造方法 |
| US9971173B2 (en) * | 2014-05-22 | 2018-05-15 | Stmicroelectronics Sa | Pinned dynamic electro-optical phase shifter |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10120212B2 (en) * | 2013-05-14 | 2018-11-06 | Elenion Technologies, Llc | Optical modulator |
| US11054674B2 (en) * | 2018-10-24 | 2021-07-06 | Rockley Photonics Limited | PN-junction phase modulator in a large silicon waveguide platform |
-
2019
- 2019-01-21 DE DE102019200687.6A patent/DE102019200687A1/de active Pending
-
2020
- 2020-01-17 US US16/745,844 patent/US10983370B2/en active Active
- 2020-01-21 CN CN202010069700.1A patent/CN111458907B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6298177B1 (en) * | 1999-03-25 | 2001-10-02 | Bookham Technology Plc | Phase modulator for semiconductor waveguide |
| US7085443B1 (en) * | 2003-08-15 | 2006-08-01 | Luxtera, Inc. | Doping profiles in PN diode optical modulators |
| CN106461986A (zh) * | 2014-04-07 | 2017-02-22 | 株式会社藤仓 | 光波导器件及其制造方法 |
| US9971173B2 (en) * | 2014-05-22 | 2018-05-15 | Stmicroelectronics Sa | Pinned dynamic electro-optical phase shifter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102019200687A1 (de) | 2020-07-23 |
| US20200233240A1 (en) | 2020-07-23 |
| US10983370B2 (en) | 2021-04-20 |
| CN111458907A (zh) | 2020-07-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9036953B2 (en) | Electro-optical modulator based on carrier depletion or carrier accumulation in semiconductors with advanced electrode configuration | |
| CN103226252B (zh) | 一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构 | |
| US7298949B2 (en) | SOI-based photonic bandgap devices | |
| EP3248056B1 (en) | Optical switch with improved switching efficiency | |
| US6690036B2 (en) | Method and apparatus for steering an optical beam in a semiconductor substrate | |
| US8809906B2 (en) | Semiconductor optical device | |
| JP5577909B2 (ja) | 光半導体装置及びその製造方法 | |
| US9759935B2 (en) | Slow-light silicon optical modulator | |
| US8300990B2 (en) | Slotted optical waveguide with electro-optic material | |
| US9535308B2 (en) | Enhanced optical modulation using slow light | |
| CN111665645B (zh) | 一种电光调制器 | |
| JP2018105975A (ja) | 光変調素子 | |
| US6483954B2 (en) | Method and apparatus for coupling to regions in an optical modulator | |
| US20170168371A1 (en) | Mach-zehnder electrooptic modulator and manufacturing method thereof | |
| CN111458907B (zh) | 光学双极移相器 | |
| US6650802B1 (en) | Method and apparatus for switching an optical beam | |
| US20190219890A1 (en) | Complementary optical phase shifting arrangement | |
| US11275261B2 (en) | Optical modulator | |
| CN105378548B (zh) | 一种掺杂结构及其制作方法、电光调制器 | |
| JP4890021B2 (ja) | 光学素子及び光学素子を有する光変調器等 | |
| US11686991B1 (en) | Silicon optical modulator, method for making the same | |
| CN114089549B (zh) | 一种行波电极调制器及光子集成芯片 | |
| JP2009037013A (ja) | 半導体光変調器 | |
| US10317769B2 (en) | Semiconductor device | |
| CN1333433C (zh) | 抑制相邻通道间耦合串扰的电极布线结构及其制造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |