CN111665645B - 一种电光调制器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电光调制器，包括设于SOI上的掺杂结构，该掺杂结构包括光波导、分别设于光波导两侧的第一P型掺杂区域和第一N型掺杂区域；第一P型掺杂区域和第一N型掺杂区域分别通过多根P型掺杂连接臂和N型掺杂连接臂与光波导连接；各P型掺杂连接臂与各N型掺杂连接臂的末端沿光传播方向交替排列形成周期性排列的耗尽层。本申请由P型和N型掺杂连接臂沿光传播方向交替排列形成周期性的PN结耗尽层，增加了光波导中PN结耗尽层的有效长度，提高了调制效率；连接臂的光栅占空比可大于或等于50％，可有效减小连接臂的电阻，有利于提高调制器带宽；而且，该结构可使光信号工作于TM模式，大大降低了光损耗，同时也提高了调制效率。

Description

一种电光调制器
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种电光调制器。
背景技术
硅基电光调制器是硅基光电子芯片中最重要的有源器件之一，在高速光通信中有着极其重要的作用。其功能是将高速变化的电信号转变为高速变化的光信号。
在单波25G以上应用场景的硅光芯片中，目前最可行、最常用的技术方案是基于等离子色散效应(Plasma dispersion effect)的载流子耗尽型调制器(Carrier DepletionModulator)，其相移区(phase shifter)结构如图1所示，包括形成脊波导10’的P型掺杂11’和N型掺杂12’，以及连接脊波导10’两侧的P型电极和N型电极。该结构的脊波导平板区(slab区)20’需要部分刻蚀(partial etching)，所以该脊波导平板区20’的厚度较难控制，导致器件一致性较差；而且该脊波导平板区20’的厚度较小，电阻较高，限制了调制器的带宽。
发明内容
本申请的目的在于提供一种电光调制器，具有高带宽、低损耗和高调制效率等优点。
为了实现上述目的之一，本申请提供了一种电光调制器，包括设于衬底的顶层硅上的掺杂结构，其特征在于：所述掺杂结构包括光波导，以及分别设于所述光波导两侧的第一P型掺杂区域和第一N型掺杂区域；
所述第一P型掺杂区域与所述光波导之间通过多根P型掺杂连接臂连接；
所述第一N型掺杂区域与所述光波导之间通过多根N型掺杂连接臂连接；
多根所述P型掺杂连接臂的末端与多根所述N型掺杂连接臂的末端沿光传播方向交替排列形成与光传播方向垂直的PN结耗尽层；所述PN结耗尽层沿光传播方向周期性排列形成所述光波导；
所述P型掺杂连接臂的末端为远离所述第一P型掺杂区域的一段；所述N型掺杂连接臂的末端为远离所述第一N型掺杂区域的一段；
所述第一P型掺杂区域的掺杂浓度高于所述P型掺杂连接臂的掺杂浓度；
所述第一N型掺杂区域的掺杂浓度高于所述N型掺杂连接臂的掺杂浓度。
作为实施方式的进一步改进，多根所述P型掺杂连接臂沿光传播方向排列，形成占空比在10％～80％范围内的光栅结构；多根所述N型掺杂连接臂沿光传播方向排列形成占空比在10％～80％范围内的光栅结构；所述占空比为所述P型掺杂连接臂或N型掺杂连接臂的宽度与所述光栅结构的光栅周期的比值。
作为实施方式的进一步改进，所述P型掺杂连接臂的宽度大于或等于所述P型掺杂连接臂的末端的宽度，所述P型掺杂连接臂形成的光栅结构占空比在50％～80％范围内；所述N型掺杂连接臂的宽度大于或等于所述N型掺杂连接臂的末端的宽度，所述N型掺杂连接臂形成的光栅结构占空比在50％～80％范围内。
作为实施方式的进一步改进，所述N型掺杂连接臂的端部还设有连接相邻两根所述P型掺杂连接臂的第二P型掺杂区域；所述P型掺杂连接臂的端部还设有连接相邻两根所述N型掺杂连接臂的第二N型掺杂区域。
作为实施方式的进一步改进，所述第二P型掺杂区域的掺杂浓度等于或低于所述P型掺杂连接臂的掺杂浓度；所述第二N型掺杂区域的掺杂浓度等于或低于所述N型掺杂连接臂的掺杂浓度。
作为实施方式的进一步改进，所述P型掺杂连接臂包括靠近所述第一P型掺杂区域的P型中高掺杂段和远离所述第一P型掺杂区域的P型中掺杂段；所述P型中高掺杂段的掺杂浓度高于所述P型中掺杂段的掺杂浓度；
所述N型掺杂连接臂包括靠近所述第一N型掺杂区域的N型中高掺杂段和远离所述第一N型掺杂区域的N型中掺杂段；所述N型中高掺杂段的掺杂浓度高于所述N型中掺杂段的掺杂浓度。
作为实施方式的进一步改进，所述光波导的厚度≥150nm。
作为实施方式的进一步改进，所述光波导的厚度为220nm，宽度在300-800nm范围；或者，所述光波导的厚度为270nm，宽度在200-800nm范围；或者，所述光波导的厚度为340nm，宽度在100-800nm范围。
作为实施方式的进一步改进，所述P型掺杂连接臂和所述N型掺杂连接臂的厚度与所述光波导的厚度一致，均贯穿所述掺杂结构的上下表面。
作为实施方式的进一步改进，所述电光调制器还包括设于所述掺杂结构上面的包层；所述包层填满各所述P型掺杂连接臂之间的间隙以及各所述N型掺杂连接臂之间的间隙。
作为实施方式的进一步改进，所述电光调制器还包括至少两个电极；所述第一P型掺杂区域和所述第一N型掺杂区域分别电连接所述两个电极。
本申请的有益效果：由P型和N型掺杂连接臂沿光传播方向交替排列形成与光传播方向垂直的周期性排列的PN结耗尽层，增加了光波导中PN结耗尽层的有效长度，提高了调制效率，而且掺杂连接臂的光栅占空比可大于或等于50％，可有效减小掺杂连接臂的电阻，有利于提高调制器带宽；而且，该结构可使光信号工作于TM模式，一定程度上降低了光损耗，同时也提高了调制效率。
附图说明
图1为现有技术的脊波导掺杂结构示意图；
图2为本申请实施例1电光调制器俯视图；
图3为图2所示电光调制器A-A截面图；
图4为本申请实施例1电光调制器的掺杂结构俯视图；
图5为图4所示掺杂结构B-B截面图；
图6为本申请实施例2电光调制器的掺杂结构俯视图；
图7为图6所述掺杂结构C-C截面图；
图8为本申请实施例2的另一种变形结构示意图；
图9为本申请实施例3电光调制器的掺杂结构俯视图；
图10为本申请实施例4电光调制器的掺杂结构俯视图；
图11为常用MZI结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。
在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。
另外，本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。当元件或层被称为在另一部件或层“上”、与另一部件或层“连接”时，其可以直接在该另一部件或层上、连接到该另一部件或层，或者可以存在中间元件或层。
实施例1
如图2和3所示，本申请提供的电光调制器包括设于SOI(Silicon-on-insulator，绝缘体上硅)的顶层硅上的掺杂结构，其中SOI包括硅衬底50、在硅衬底50上的埋氧层60以及埋氧层上的顶硅层。如图4和5所示，上述掺杂结构包括光波导30，以及分别设于光波导30两侧的第一P型掺杂区域11和第一N型掺杂区域21。该第一P型掺杂区域11与光波导30之间通过多根P型掺杂连接臂12连接；第一N型掺杂区域21与光波导30之间通过多根N型掺杂连接臂22连接。该实施例中，上述P型掺杂连接臂12和N型掺杂连接臂22的厚度与光波导30的厚度一致，均贯穿上述掺杂结构的上下表面，可以采用全刻蚀工艺制作。
上述多根P型掺杂连接臂12的末端121与多根N型掺杂连接臂22的末端221沿光传播方向(如图4中箭头指示方向)交替排列形成与光传播方向垂直的PN结耗尽层31；该PN结耗尽层31沿光传播方向周期性排列形成光波导30。上述P型掺杂连接臂12的末端121为远离第一P型掺杂区域11的一段，N型掺杂连接臂22的末端221为远离第一N型掺杂区域21的一段。
上述第一P型掺杂区域11的掺杂浓度高于P型掺杂连接臂12的掺杂浓度；第一N型掺杂区域21的掺杂浓度高于N型掺杂连接臂22的掺杂浓度。在该实施例中，P型掺杂连接臂12、和N型掺杂连接臂22具有相同的掺杂浓度：P掺杂和N掺杂，掺杂浓度在1×1017cm-3～5×1018cm-3范围内。第一P型掺杂区域11和第一N型掺杂区域21具有相同的高掺杂浓度：P++掺杂和N++掺杂，掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1023cm-3范围内。
该实施例中，多根上述P型掺杂连接臂12沿光传播方向排列，形成占空比为50％的光栅结构；多根上述N型掺杂连接臂22沿光传播方向排列形成占空比为50％的光栅结构。这里占空比定义为单根连接臂的宽度d与光栅结构的光栅周期D的比值d/D。采用全刻蚀光栅结构的掺杂连接臂连接光波导和与电极连接的高掺杂区域，即利用掺杂连接臂导电连接作为光波导30的PN结耗尽层31和第一P型掺杂区域11，以及导电连接作为光波导30的PN结耗尽层31和第一N型掺杂区域21。一方面，全刻蚀工艺使得器件一致性更好，解决了现有技术中部分刻蚀的结构厚度难以控制导致器件一致性差的问题。另一方面，掺杂连接臂的光栅占空比还可大于或等于50％，在器件厚度不变的情况下，增加了导电用的掺杂连接臂的横截面积，可有效减小掺杂连接臂的电阻，有利于提高调制器带宽。当然，掺杂连接臂的光栅占空比也可以在10％～50％范围内。
该结构可使光信号工作于TM模式，由于TM模式在波导中传播时的倏逝波主要在光波导上方和下方，与两侧的高掺杂区域的相互作用较小，从而可有效减小光学损耗。另外，传统的脊波导一般使光信号工作在TE模式，由于TE模式与波导的侧壁相互作用强，而波导的侧壁是刻蚀形成的，侧壁粗糙度较高，造成了较大的光损耗。而本申请的掺杂结构中，光信号可以工作于TM模式，TM模式与波导的顶部和底部相互作用较强，而波导的顶部和底部表面粗糙度较小，因此光损耗更低。所以，该实施例的掺杂结构还可有效降低光损耗。如图4所示，该实施例中P型掺杂连接臂12与N型掺杂连接臂22的宽度一致，分别形成占空比50％的侧壁光栅。在光波导30中，沿光传播方向交替排列的P型掺杂连接臂12的末端121与N型掺杂连接臂22的末端221形成与光传播方向垂直的PN结耗尽层31，增加了光波导中PN结耗尽层31的有效长度，提高了调制效率。
如图2和3所示，该电光调制器还可包括设于上述掺杂结构上面的包层70，该包层70填满各P型掺杂连接臂12之间的间隙40以及各N型掺杂连接臂22之间的间隙40。包层70可以采用SiO2或SiN等折射率低于硅的透明绝缘材料。在包层70内还设置有至少两个电极80，上述第一P型掺杂区域11和第一N型掺杂区域21分别电连接这两个电极80。这里，第一P型掺杂区域11和第一N型掺杂区域21分别通过导电过孔90与两个电极80连接。工作时，第一P型掺杂区域11与两个电极80中电势相对较低的电极连接；第一N型掺杂区域21与两个电极80中电势相对较高的电极连接。即工作时，连接第一P型掺杂区域11的电极80外加低电势，连接第一N型掺杂区域21的电极80外加高电势，PN结的耗尽层被拉大，使得光波导30内的光学模式的有效折射率产生变化，从而产生相位变化，实现电光调制。
具体的，先选择SOI晶圆或者晶片，在顶硅层上采用全刻蚀工艺刻蚀形成光波导30、第一P型掺杂区域11和第一N型掺杂区域21，以及连接第一P型掺杂区域11和光波导30、连接第一N型掺杂区域21和光波导30的连接臂。采用离子注入工艺在上述光波导30、第一P型掺杂区域11、第一N型掺杂区域21和连接臂上分别注入不同浓度的P型掺杂离子和不同浓度的N型掺杂离子，形成连接第一P型掺杂区域11和光波导30的P型掺杂连接臂12，连接第一N型掺杂区域21和光波导30的N型掺杂连接臂22，在光波导上，P型掺杂连接臂12和N型掺杂连接臂22沿光传播方向交替排列形成与光传播方向垂直的PN结耗尽层31。然后，热退火修复晶格损伤，并且激活杂质，完成掺杂结构的制作。最后在掺杂结构上沉积一层包层70，包层70上对应第一P型掺杂区域11和第一N型掺杂区域21的位置分别设有电极80，并留有连接电极80和第一P型掺杂区域11、第一N型掺杂区域21的导电过孔90。第一P型掺杂区域11和第一N型掺杂区域21分别通过导电过孔90与其对应的电极80导电连接。上述“全刻蚀”(fulletching)是指刻蚀深度与埋氧层60之上的顶硅层的厚度一致，即刻蚀贯穿顶硅层的上下表面，所以连接臂厚度即为顶硅层的厚度，器件一致性好；相对的，“部分刻蚀”(partialetching)是指刻蚀深度小于顶硅层的厚度，刻蚀深度难以控制，所以其脊波导平板区(slab区)20’的厚度较难控制，导致器件一致性较差。
在其它实施例中，分别与第一P型掺杂区域和第一N型掺杂区域连接的导电过孔上还可分别设置过渡电极。
实施例2
如图6和7所示的实施例2，与实施例1不同的是，该实施例中，紧靠上述N型掺杂连接臂22的末端221的端部还设有连接相邻两根P型掺杂连接臂12的第二P型掺杂区域13；紧靠上述P型掺杂连接臂12的末端121的端部还设有连接相邻两根N型掺杂连接臂22的第二N型掺杂区域23。
该实施例中，第二P型掺杂区域13和P型掺杂连接臂12的末端121的掺杂浓度相同，都采用P掺杂，掺杂浓度在1×1017cm-3～5×1018cm-3范围内。同样的，第二N型掺杂区域23和N型掺杂连接臂22的末端221的掺杂浓度相同，采用N掺杂，掺杂浓度在1×1017cm-3～5×1018cm-3范围内。
该结构进一步增大了PN结区中耗尽层的有效长度，增大了调制效率。
如图8所示，在其它实施例中，该结构的第二P型掺杂区域13的掺杂浓度也可以低于P型掺杂连接臂12的掺杂浓度，采用P-掺杂，掺杂浓度在1×1016cm-3～1×1017cm-3范围内。同样的，第二N型掺杂区域23的掺杂浓度也低于N型掺杂连接臂22的掺杂浓度，采用N-掺杂，掺杂浓度在1×1016cm-3～1×1017cm-3范围内。由于光波导的边缘区域光场分布较弱，适当减小掺杂浓度，可以提升整个调制器的效率-电容比和效率-损耗比。
实施例3
如图9所示的实施例3，与实施例1和2不同的是，该实施例中上述P型掺杂连接臂12分为两段，包括靠近第一P型掺杂区域11的P型中高掺杂段122和远离第一P型掺杂区域11的P型中掺杂段123。上述第一P型掺杂区域11、P型中高掺杂段122和P型中掺杂段123的掺杂浓度依次降低。上述N型掺杂连接臂22也分为两段，包括靠近第一N型掺杂区域21的N型中高掺杂段222和远离第一N型掺杂区域21的N型中掺杂段223。上述第一N型掺杂区域21、N型中高掺杂段222和N型中掺杂段223的掺杂浓度依次降低。上述P型中掺杂段123的末端与N型中掺杂段223的末端沿光传播方向交替排列形成与光传播方向垂直的PN结耗尽层31；该PN结耗尽层31沿光传播方向周期性排列形成光波导30。
该实施例中，上述P型中掺杂段123的掺杂浓度采用P掺杂，掺杂浓度在1×1017cm-3～5×1018cm-3范围内，N型中掺杂段223的掺杂浓度采用N掺杂，掺杂浓度在1×1017cm-3～5×1018cm-3范围内。P型中高掺杂段122和N型中高掺杂段222的掺杂浓度则介于P++掺杂、N++掺杂与P掺杂、N掺杂之间，采用P+掺杂、N+掺杂，掺杂浓度在1×1018cm-3～1×1019cm-3范围内。
该实施例的结构一方面提高了连接臂的部分掺杂浓度，进一步降低了连接臂的电阻，另一方面，在作为光波导的PN结耗尽层两侧的掺杂浓度较低，不会引入额外的光损耗。
实施例4
如图10所示的实施例4，与实施例1不同的是，该实施例中，P型掺杂连接臂12的宽度d大于P型掺杂连接臂12的末端121的宽度d’，P型掺杂连接臂12形成的光栅结构占空比在大于50％。N型掺杂连接臂22的宽度d大于N型掺杂连接臂22的末端221的宽度d’，N型掺杂连接臂22形成的光栅结构占空比在大于50％。该结构进一步增加了导电用的掺杂连接臂的横截面积，可有效减小掺杂连接臂的电阻，有利于提高调制器带宽。另一方面，为了减少额外的光损耗，上述占空比最好控制在80％以内。
上述各实施例中的掺杂结构，光波导的厚度≥150nm，例如采用厚度为220nm的晶圆制作，光波导宽度可设置在300-800nm范围。如果采用厚度为270nm的晶圆制作，则光波导宽度可设置在200-800nm范围。如果采用厚度为340nm的晶圆制作，则光波导的宽度可设置在100-800nm范围。
上述各实施例中，P型掺杂优选硼作为掺杂杂质，N型掺杂优选磷作为掺杂杂质。
本申请的电光调制器适用于如图11所示的MZM(Mach-Zehnder Modulator)马赫曾德干涉型电光调制器，当然也适用于其它结构或其它类型的电光调制器。如图11所示，本申请的电光调制器在该MZM中相当于一个调制臂(相移区)100，两个本申请的电光调制器并排排列构成MZM中的两根调制臂(相移区)100，信号光经MZM的光输入端300输入，经分束器500之后分为两路光，分别由光波导200入射到两根调制臂(相移区)100上，受调制臂(相移区)100的调制，产生相位差，在合束器600处发生干涉，最后从光输出端400输出。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电光调制器，包括设于衬底的顶层硅上的掺杂结构，其特征在于：所述掺杂结构包括光波导，以及分别设于所述光波导两侧的第一P型掺杂区域和第一N型掺杂区域；
所述第一P型掺杂区域与所述光波导之间通过多根P型掺杂连接臂连接；
所述第一N型掺杂区域与所述光波导之间通过多根N型掺杂连接臂连接；
多根所述P型掺杂连接臂的末端与多根所述N型掺杂连接臂的末端沿光传播方向交替排列形成与光传播方向垂直的PN结耗尽层；所述PN结耗尽层沿光传播方向周期性排列形成所述光波导；
所述P型掺杂连接臂的末端为远离所述第一P型掺杂区域的一端；所述N型掺杂连接臂的末端为远离所述第一N型掺杂区域的一端；
所述第一P型掺杂区域的掺杂浓度高于所述P型掺杂连接臂的掺杂浓度；
所述第一N型掺杂区域的掺杂浓度高于所述N型掺杂连接臂的掺杂浓度；
所述电光调制器还包括设于所述掺杂结构上面的包层；所述包层填满各所述P型掺杂连接臂之间的间隙以及各所述N型掺杂连接臂之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于：多根所述P型掺杂连接臂沿光传播方向排列，形成占空比在10％～80％范围内的光栅结构；多根所述N型掺杂连接臂沿光传播方向排列形成占空比在10％～80％范围内的光栅结构；所述占空比为所述P型掺杂连接臂或N型掺杂连接臂的宽度与所述光栅结构的光栅周期的比值。
3.根据权利要求2所述的电光调制器，其特征在于：所述P型掺杂连接臂的宽度大于或等于所述P型掺杂连接臂的末端的宽度，所述P型掺杂连接臂形成的光栅结构占空比在50％～80％范围内；所述N型掺杂连接臂的宽度大于或等于所述N型掺杂连接臂的末端的宽度，所述N型掺杂连接臂形成的光栅结构占空比在50％～80％范围内。
4.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于：所述N型掺杂连接臂的端部还设有连接相邻两根所述P型掺杂连接臂的第二P型掺杂区域；所述P型掺杂连接臂的端部还设有连接相邻两根所述N型掺杂连接臂的第二N型掺杂区域。
5.根据权利要求4所述的电光调制器，其特征在于：所述第二P型掺杂区域的掺杂浓度等于或低于所述P型掺杂连接臂的掺杂浓度；所述第二N型掺杂区域的掺杂浓度等于或低于所述N型掺杂连接臂的掺杂浓度。
6.根据权利要求1-5任一项所述的电光调制器，其特征在于：
所述P型掺杂连接臂包括靠近所述第一P型掺杂区域的P型中高掺杂段和远离所述第一P型掺杂区域的P型中掺杂段；所述P型中高掺杂段的掺杂浓度高于所述P型中掺杂段的掺杂浓度；
所述N型掺杂连接臂包括靠近所述第一N型掺杂区域的N型中高掺杂段和远离所述第一N型掺杂区域的N型中掺杂段；所述N型中高掺杂段的掺杂浓度高于所述N型中掺杂段的掺杂浓度。
7.根据权利要求1-5任一项所述的电光调制器，其特征在于：所述光波导的厚度≥150nm。
8.根据权利要求7所述的电光调制器，其特征在于：所述光波导的厚度为220nm，宽度在300-800nm范围；或者，所述光波导的厚度为270nm，宽度在200-800nm范围；或者，所述光波导的厚度为340nm，宽度在100-800nm范围。
9.根据权利要求7所述的电光调制器，其特征在于：所述P型掺杂连接臂和所述N型掺杂连接臂的厚度与所述光波导的厚度一致，均贯穿所述掺杂结构的上下表面。
10.根据权利要求1-5任一项所述的电光调制器，其特征在于：所述电光调制器还包括至少两个电极；所述第一P型掺杂区域和所述第一N型掺杂区域分别电连接所述两个电极。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10656336B1 (en) 2018-11-08 2020-05-19 Luminous Computing, Inc. Method for phase-based photonic computing
US11016315B2 (en) * 2019-07-11 2021-05-25 Luminous Computing, Inc. Photonic bandgap phase modulator, optical filter bank, photonic computing system, and methods of use
US11378825B2 (en) 2019-09-17 2022-07-05 Lumentum Operations Llc Electrical-optical modulator
CN112433395A (zh) * 2020-12-02 2021-03-02 联合微电子中心有限责任公司 硅光调制器及其制造方法
CN115185111A (zh) * 2021-04-07 2022-10-14 华为技术有限公司 Pn结制备的方法、pn结和调制器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103226252A (zh) * 2013-05-06 2013-07-31 中国科学院半导体研究所 一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构
CN105629379A (zh) * 2016-01-18 2016-06-01 武汉邮电科学研究院 基于插指型mos结构的硅基电光调谐波导结构
CN106154591A (zh) * 2015-03-23 2016-11-23 中兴通讯股份有限公司 一种pn结
CN109031706A (zh) * 2018-08-21 2018-12-18 南通赛勒光电科技有限公司 一种硅基电光调制器的掺杂结构

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7116853B2 (en) * 2003-08-15 2006-10-03 Luxtera, Inc. PN diode optical modulators fabricated in rib waveguides
US7085443B1 (en) * 2003-08-15 2006-08-01 Luxtera, Inc. Doping profiles in PN diode optical modulators
US8889447B2 (en) 2012-06-21 2014-11-18 International Business Machines Corporation Double layer interleaved p-n diode modulator
JP6020096B2 (ja) 2012-11-30 2016-11-02 富士通株式会社 光変調器及び光送信器
WO2015149226A1 (zh) 2014-03-31 2015-10-08 华为技术有限公司 一种掺杂结构及其制作方法、电光调制器
US9575338B2 (en) 2015-03-10 2017-02-21 International Business Machines Corporation Controlled-capacitance full-depletion interdigitated pin modulator
US9891450B2 (en) 2015-09-16 2018-02-13 Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas Integrated electro-optic modulator
CN106547122B (zh) 2017-01-25 2019-03-22 中国科学院半导体研究所 一种反向pn型掺杂结构及制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103226252A (zh) * 2013-05-06 2013-07-31 中国科学院半导体研究所 一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构
CN106154591A (zh) * 2015-03-23 2016-11-23 中兴通讯股份有限公司 一种pn结
CN105629379A (zh) * 2016-01-18 2016-06-01 武汉邮电科学研究院 基于插指型mos结构的硅基电光调谐波导结构
CN109031706A (zh) * 2018-08-21 2018-12-18 南通赛勒光电科技有限公司 一种硅基电光调制器的掺杂结构

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Hui Yu等.Performance tradeoff between lateral and interdigitated doping patterns for high speed carrier-depletion based silicon modulators.《OPTICS EXPRESS》.2012,第20卷(第12期),参见正文第12926-12938页，图1. *
Performance tradeoff between lateral and interdigitated doping patterns for high speed carrier-depletion based silicon modulators;Hui Yu等;《OPTICS EXPRESS》;20120604;第20卷(第12期);参见正文第12926-12938页，图1 *
Recent breakthroughs in carrier depletion based silicon optical modulators;Graham T.Reed等;《Nanophotonics》;20131212;第3卷(第4-5期);参见正文第234页左栏至第235页右栏，图3,4 *

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