CN114200696A - 一种新型马赫曾德尔电光调制器 - Google Patents

一种新型马赫曾德尔电光调制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型马赫曾德尔电光调制器，包括第一和第二耦合器、第一波导臂、第二波导臂、第三波导臂、第四波导臂、第一和第二氮化硅波导；第一氮化硅波导和第二氮化硅波导均包括依次连接的第一弯曲部、直部和第二弯曲部；第一耦合器分别与第一波导臂的一端和第二波导臂的一端连接；第一氮化硅波导通过第一弯曲部和第一波导臂的另一端连接、通过第二弯曲部和第三波导臂的一端连接；第二氮化硅波导通过第一弯曲部和第二波导臂的另一端连接、通过第二弯曲部和第四波导臂的一端连接；第三波导臂的另一端和第二耦合器连接；第四波导臂的另一端通过相位改变器与第二耦合器连接；本发明能够降低调制器的有源区电容，并提高调制器的高频性能。

Description

一种新型马赫曾德尔电光调制器
技术领域
本发明涉及集成光电子器件领域，特别是涉及一种新型马赫曾德尔电光调制器。
背景技术
硅基电光调制器目前常见的是基于载流子色散效应来实现调制功能，其根据光学结构主要可以分为马赫曾德尔干涉型调制器(Mach-Zehnder Interference，MZI)和微环谐振腔型(Micro Ring Resonant，MRR)调制器。MZI型调制器工作原理是当一束光耦合到入射波导中时，通过光分束器将入射光分成两部分，分别进入上下两个调制臂中传输一段距离后，通过光合束器输出，上下两个臂的光场进行叠加。当改变其中一个臂的折射率或者长度时，两臂之间的相位差随之发生变化，经两臂之间相干叠加，输出光场发生变化；而MRR型调制器工作原理为，通过不同的电学结构改变波导的折射率从而可以实现光谱的变化。MRR型调制器虽然具有调制速率高以及尺寸小的优势，但该类型的调制器需要在能量效率和光学带宽之间进行折衷选择，且受工艺误差和环境因素影响较大。而MZI就具有良好的工艺容差与稳定性，因此市场主流的是MZI型电光调制器。但该类型调制器尺寸较大，因此降低MZI型调制器尺寸，提高调制效率以及器件高频性能是该类调制器发展的核心。
已有方案的马赫曾德尔调制器只是单纯的缩短了整个调制器的长度，对其高频性能并没有改善，同时该方案还会增加行波电极微波损耗对器件性能产生负面影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型马赫曾德尔电光调制器，能够降低调制器的有源区电容，并提高调制器的高频性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种新型马赫曾德尔电光调制器，包括第一耦合器、第二耦合器、设置在第一PN结上的第一波导臂、设置在第二PN结上的第二波导臂、设置在第三PN结上的第三波导臂、设置在第四PN结上的第四波导臂、第一氮化硅波导和第二氮化硅波导；所述第一PN结的P区和第二PN结的P区相连；
所述第一氮化硅波导和第二氮化硅波导均包括依次连接的第一弯曲部、直部和第二弯曲部；
所述第一耦合器分别与第一波导臂的一端和第二波导臂的一端连接；
所述第一氮化硅波导通过自身的第一弯曲部和第一波导臂的另一端连接、通过自身的第二弯曲部和第三波导臂的一端连接；
所述第二氮化硅波导通过自身的第一弯曲部和第二波导臂的另一端连接、通过自身的第二弯曲部和第四波导臂的一端连接；
所述第三波导臂的另一端和第二耦合器连接；所述第四波导臂的另一端通过相位改变器与第二耦合器连接。
所述第二PN结和第三PN结连接处设置有直流电极、且直流电极位于第一波导臂和第二波导臂之间；所述第三PN结的N区设置有信号电极，所述第四PN结的N区设置有地电极。
所述第一PN结的N区通过第一个门形金属和第三PN结的P区连接，所述第一氮化硅波导的直部位于第一个门形金属中。
所述第二PN结的N区通过第二个门形金属和第四PN结的P区连接，所述第二氮化硅波导的直部位于第二个门形金属中。
所述第一波导臂、第二波导臂、第三波导臂和第四波导臂互相平行。
所述第一波导臂、第二波导臂、第三波导臂和第四波导臂均为硅波导。
所述相位改变器为加热器，所述加热器由氮化钛制成。
所述直流电极、信号电极和有地电极均由铝制成。
所述第一耦合器和第二耦合器均为多模干涉耦合器。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明的新型马赫曾德尔电光调制器在缩短器件长度同时变相缩短了所需的行波电极长度，同时能降低调制器的有源区电容，进一步提高器件的高频性能；本发明的工艺制作基于CMOS工艺，加工难度低，易于推广。
附图说明
图1是本发明实施方式的新型马赫曾德尔电光调制器俯视图；
图2是本发明实施方式的新型马赫曾德尔电光调制器立体结构示意图；
图3是本发明实施方式的新型马赫曾德尔电光调制器横截面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种新型马赫曾德尔电光调制器，请参阅图1和图2，包括第一耦合器5、第二耦合器6、设置在第一PN结上的第一波导臂1、设置在第二PN结上的第二波导臂2、设置在第三PN结上的第三波导臂3、设置在第四PN结上的第四波导臂4、第一氮化硅波导和第二氮化硅波导；所述第一PN结的P区和第二PN结的P区相连；所述第一氮化硅波导和第二氮化硅波导均包括依次连接的第一弯曲部7、直部8和第二弯曲部9；第一氮化硅波导和第二氮化硅波导呈S形；所述第二PN结和第三PN结连接处设置有直流电极11、且直流电极11位于第一波导臂1和第二波导臂2之间；所述第三PN结的N区设置有信号电极12，所述第四PN结的N区设置有地电极13；所述第一耦合器5分别与第一波导臂1的一端和第二波导臂2的一端连接；所述第一氮化硅波导通过自身的第一弯曲部7和第一波导臂1的另一端连接、通过自身的第二弯曲部9和第三波导臂3的一端连接；所述第二氮化硅波导通过自身的第一弯曲部7和第二波导臂2的另一端连接、通过自身的第二弯曲部9和第四波导臂4的一端连接；所述第三波导臂3的另一端和第二耦合器6连接；所述第四波导臂4的另一端通过相位改变器14与第二耦合器6连接，本实施方式的相位改变器14为加热器，该加热器由TiN(氮化钛)制成。
进一步地，所述第一PN结的N区通过第一个门形金属10和第三PN结的P区连接，所述第一氮化硅波导的直部8位于第一个门形金属10中。
进一步地，所述第二PN结的N区通过第二个门形金属10和第四PN结的P区连接，所述第二氮化硅波导的直部8位于第二个门形金属10中。
进一步地，所述第一PN结、第二PN结、第三PN结和第四PN结的P区均由P型重掺杂区硅18和P型掺杂区硅17组成，N区均由N型重掺杂区硅15和N型掺杂区硅16组成。
进一步地，所述第一波导臂1、第二波导臂2、第三波导臂3和第四波导臂4互相平行；所述第一波导臂1、第二波导臂2、第三波导臂3和第四波导臂4均为硅波导。
进一步地，所述直流电极11、信号电极12、有地电极13和门形金属10均由铝制成。
进一步地，所述第一耦合器5和第二耦合器6均为多模干涉耦合器(Multimodeinterference coupler，MMI)。
以下对本实施方式的马赫曾德尔电光调制器原理进行详细描述：
本实施方式的马赫曾德尔电光调制器嵌于二氧化硅(SiO2)中，该新型马赫曾德尔电光调制器由无源区域以及有源区域组成，光通过第一耦合器5分为两束光经过调制区域，而下路光(即第四波导臂4与第二耦合器6连接通路)通过相位改变器14进行加热与上路光(即第三波导臂3与第二耦合器6连接通路)之间产生一定相位差，最终两者再次通过第二耦合器6合为一束光。由图1可以看到两路光第一次通过有源区受到调制后，耦合进氮化硅S型波导(即第一氮化硅波导和第二氮化硅波导)改变光传播方向，由于氮化硅材料为绝缘材料，因此光在氮化硅中并不会受到调制，只是单纯进行传输。最终光再次耦合进硅波导(即第三波导臂3、第四波导臂4)中，再一次进入有源区受到调制。根据图1中光路传输方向可以看到光在受到调制时其传播方向是始终保持直线形式，因此本实施方式相比于迈克尔逊型调制器不会出现光路与加载信号传输方向相反的情况，由于保持相位匹配条件。
图3展示了该新型马赫曾德尔电光调制器的横截面示意图，由于器件采用GS推挽加载信号的方式，因此在直流(DC)电极11同一侧的PN结需要方向相同，本器件利用两个门型金属10实现这一要求。由横截面图可以看到硅波导掺杂形成的第一PN结、第二PN结、第三PN结、第四PN结在高频信号间处于串联的形式，因此整个PN结结构的电容将极大的减小，这有利于整个器件高频性能的改善。
由此可见，本发明的新型马赫曾德尔电光调制器在缩短器件长度同时变相缩短了所需的行波电极长度，同时能降低调制器的有源区电容，进一步提高器件的高频性能。

Claims (9)

1.一种新型马赫曾德尔电光调制器，其特征在于，包括第一耦合器(5)、第二耦合器(6)、设置在第一PN结上的第一波导臂(1)、设置在第二PN结上的第二波导臂(2)、设置在第三PN结上的第三波导臂(3)、设置在第四PN结上的第四波导臂(4)、第一氮化硅波导和第二氮化硅波导；所述第一PN结的P区和第二PN结的P区相连；
所述第一氮化硅波导和第二氮化硅波导均包括依次连接的第一弯曲部(7)、直部(8)和第二弯曲部(9)；
所述第一耦合器(5)分别与第一波导臂(1)的一端和第二波导臂(2)的一端连接；所述第一氮化硅波导通过自身的第一弯曲部(7)和第一波导臂(1)的另一端连接、通过自身的第二弯曲部(9)和第三波导臂(3)的一端连接；
所述第二氮化硅波导通过自身的第一弯曲部(7)和第二波导臂(2)的另一端连接、通过自身的第二弯曲部(9)和第四波导臂(4)的一端连接；
所述第三波导臂(3)的另一端和第二耦合器(6)连接；所述第四波导臂(4)的另一端通过相位改变器(14)与第二耦合器(6)连接。
2.根据权利要求1所述的新型马赫曾德尔电光调制器，其特征在于，所述第二PN结和第三PN结连接处设置有直流电极(11)、且直流电极(11)位于第一波导臂(1)和第二波导臂(2)之间；所述第三PN结的N区设置有信号电极(12)，所述第四PN结的N区设置有地电极(13)。
3.根据权利要求1所述的新型马赫曾德尔电光调制器，其特征在于，所述第一PN结的N区通过第一个门形金属(10)和第三PN结的P区连接，所述第一氮化硅波导的直部(8)位于第一个门形金属(10)中。
4.根据权利要求1所述的新型马赫曾德尔电光调制器，其特征在于，所述第二PN结的N区通过第二个门形金属(10)和第四PN结的P区连接，所述第二氮化硅波导的直部(8)位于第二个门形金属(10)中。
5.根据权利要求1所述的新型马赫曾德尔电光调制器，其特征在于，所述第一波导臂(1)、第二波导臂(2)、第三波导臂(3)和第四波导臂(4)互相平行。
6.根据权利要求1所述的新型马赫曾德尔电光调制器，其特征在于，所述第一波导臂(1)、第二波导臂(2)、第三波导臂(3)和第四波导臂(4)均为硅波导。
7.根据权利要求1所述的新型马赫曾德尔电光调制器，其特征在于，所述相位改变器(14)为加热器，所述加热器由氮化钛制成。
8.根据权利要求1所述的新型马赫曾德尔电光调制器，其特征在于，所述直流电极(11)、信号电极(12)和有地电极(13)均由铝制成。
9.根据权利要求1所述的新型马赫曾德尔电光调制器，其特征在于，所述第一耦合器(5)和第二耦合器(6)均为多模干涉耦合器。
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