CN114624903A - 改善硅光学调制器中调制效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及改善硅光学调制器中调制效率的方法。一种用于形成具有改善的调制效率的硅光学调制器的方法。该方法包括：在SOI衬底中提供硅层；以及形成在硅层中具有肋结构的波导，该肋结构分别与一侧上的第一板形区域和相对侧上的第二板形区域接合，其中相应的板形厚度小于肋结构。该方法还包括在第一板形区域和第二板形区域的每一个中形成多重蚀刻区段，对于远离肋结构的部分，蚀刻深度减小。此外，该方法包括在具有中等P/N掺杂水平的肋结构中形成PN结。此外，该方法包括对第一/第二板形区域中的多重蚀刻区段分别掺杂P－型/N－型杂质，对于更远离肋结构的部分，掺杂增加。

Description

改善硅光学调制器中调制效率的方法
技术领域
本发明涉及光通信技术。更具体地，本发明提供一种硅光学调制器以及用于形成具有改善的调制效率的硅光学调制器的方法。
背景技术
在过去的几十年中，通信网络的使用激增。在因特网的早期，流行的应用限于电子邮件，公告板，以及大多数基于信息和文本的网页冲浪，并且所传送的数据量通常相对较小。当今，因特网、社交网络、移动应用和云计算需要大量带宽来传输大量数据，例如照片、视频、音乐和其它多媒体文件。大多数流量来自消费者使用。例如，像Facebook的社交网络每天处理超过500TB的数据。由于对不仅在用户和数据中心之间而且在数据中心内具有高速链路的数据和数据传输的这种高需求，需要改善现有的数据通信系统以解决这些需求。
光互连已经显示出优于电链路的改善。通过单模光纤的40－Gbit/s或100－Gbit/s信号传输上的高数据速率是下一代光纤通信网络的目标，其中许多应用涉及高速硅光子器件。电光学调制器是光链路的主要部件之一。由于密集的集成可能性和CMOS制造兼容性，硅光子器件是实现快速和小型化光互连解决方案的最佳选择。为了实现光通信链路的高容量，需要对基于硅光子学的光学调制器的设计进行优化，以改善调制效率，最小化光损耗和加宽带宽。
发明内容
本发明涉及光通信技术。更具体地，本发明提供了用于形成具有优化掺杂方案的肋形波导结构的硅光学调制器和用于改善调制性能的多重蚀刻板的方法。具有多重蚀刻板的硅光学调制器具有改善的调制效率和调制器带宽，可应用于各种高速光通信链路，尽管其它应用也是可能的。
在一个实施例中，本发明提供了一种用于形成具有改善的调制效率的硅光学调制器的方法。该方法包括在SOI衬底中提供硅层的步骤。该方法还包括形成在硅层中具有肋结构的波导的步骤，该肋结构分别在一侧上与第一板形区域并且在相对侧上与第二板形区域连接，该第一板形区域和第二板形区域具有小于肋结构的厚度的相应板形厚度。另外，该方法包括在第一板形区域和第二板形区域的每个板形区域中形成多重蚀刻区段的步骤，多重蚀刻区段对于远离肋结构的区段具有减小蚀刻深度。此外，该方法包括在具有中等P/N掺杂水平的肋结构中形成PN结的步骤。此外，该方法包括以下步骤：对于远离肋结构的区段，分别以增加的掺杂水平用P型/N型杂质掺杂第一/第二板形区域中的多重蚀刻区段。
可选地，形成多重蚀刻区段的步骤包括图案化第一板形区域和第二板形区域中的每个板形区域，以限定多个区段的不同区段长度，所述多个区段从与肋结构相邻的第一区段到距肋结构相应较远距离的最后区段，并且以从第一区段到最后区段依次减小的蚀刻深度蚀刻多个区段。
可选地，形成多重蚀刻区段的步骤还包括形成紧邻肋结构的具有最薄厚度的第一区段，以增强光学模式限制效果。
可选地，形成多重蚀刻区段的步骤还包括以增加的厚度形成第二区段直到最后区段，以补偿第一板形区域或第二板形区域中的串联电阻。
可选地，在具有中等P/N掺杂水平的肋结构中形成PN结的步骤包括在肋结构的减小区段中形成与N型区对接的P型区。同时形成与P型区接合的处于高于中等P掺杂水平的中间P+1掺杂水平的肋结构的第一边缘部分、以及与N型区接合的处于高于中等N掺杂水平的中间N+1掺杂水平的肋结构的第二边缘部分。
可选地，形成PN结的步骤包括当减小区段的宽度减小到零时，形成具有在第一边缘部分和第二边缘部分之间的直接对接的P+/N+结。
可选地，在第一/第二板形区域中掺杂多重蚀刻区段的步骤包括：从具有最低中间P+/N+掺杂水平的第一区段，具有较高中间P+/N+掺杂水平的第二区段，到具有最高中间P+/N+掺杂水平的最后区段，以逐渐增加的剂量注入P/N型离子杂质。截面长度、厚度、与肋结构的距离以及各自的掺杂水平被优化以最小化通过第一板形区域、肋结构和第二板形区域的串联电阻和光损耗。
在另一方面，本公开提供了一种用于形成具有改善的调制效率的硅光学调制器的方法。该方法包括在SOI衬底中提供硅层的步骤。该方法还包括形成在硅层中具有肋结构的波导的步骤，该肋结构分别与一侧上的第一板形区域接合并且与相对侧上的第二板形区域接合。另外，该方法包括将第一板形区域掺杂到中间P+掺杂水平以及将第二板形区域掺杂到中间N+掺杂水平的步骤。此外，该方法包括以下步骤：将P+掺杂水平从第一板形区域扩展到肋结构的第一边缘部分，并且将N+掺杂水平从第二板形区域扩展到肋结构的第二边缘部分，以在第一边缘部分和第二边缘部分之间留下肋结构的减小区段。此外，该方法包括在肋结构的减小区段中形成PN结的步骤，该PN结具有在中等P部分和中等N部分之间的接触面。
可选地，形成波导的步骤包括分别形成标称板厚度小于肋结构的第一板区域和第二板区域，以用于将通过波导的光波的光模基本上限制在肋结构内。
可选地，将第一板形区域掺杂到中间P+掺杂水平的步骤包括形成与第一板形区域接合的重P++掺杂水平的第一端部区域，并且将第二板形区域掺杂到中间N+掺杂水平的步骤包括形成与第二板形区域接合的重N++掺杂水平的第二端部区域。
可选地，中间P+或N+掺杂水平被设定为高于约1×1017cm－3的中等P或N掺杂水平并且低于约1×1020cm－3的重P++或N++掺杂水平。
可选地，将P+掺杂水平扩展到肋结构的第一边缘部分和将N+掺杂水平扩展到肋结构的第二边缘部分的步骤包括：当减小区段的宽度减小到零时，在P+掺杂水平的第一边缘部分和N+掺杂水平的第二边缘部分之间直接形成接触面。
在又一方面，本发明提供一种硅光学调制器。该硅光学调制器包括硅波导，该硅波导在横截面中具有肋结构，该肋结构分别在一侧上连接到第一板形区域并且在相对侧上连接到第二板形区域，该第一板形区域和第二板形区域分别具有小于该肋结构的厚度的标称板厚度。硅光学调制器还包括第一板形区域中的中间高P+掺杂水平加上肋状结构的第一边缘部分，其对应于第二板形区域中的中间高N+掺杂水平加上肋状结构的第二边缘部分。另外，硅光学调制器包括在肋结构的减小区段中形成的PN结，该PN结具有中等P掺杂水平的P型部分，该P型部分与中等N掺杂水平的N型部分对接。此外，在肋结构中，P型部分与第一边缘部分接合，N型部分与第二边缘部分接合；第一板形区域以重P++掺杂水平的第一端部区域结束，第二板形区域以重N++掺杂水平的第二端部区域结束。
可选地，PN结的宽度范围从肋结构的总宽度减小到零。
可选地，第一板形区域包括多重蚀刻区段，具有从紧邻肋结构的第一边缘部分的具有最大蚀刻深度或最薄厚度的第一区段到与第一端部区域接合的不具有蚀刻深度或具有标称板形厚度的最后区段依次减小的蚀刻深度。
可选地，第二板形区域包括多重蚀刻区段，具有从紧邻肋结构的第二边缘部分的具有最大蚀刻深度或最薄厚度的第一区段到与第二端部区域接合的不具有蚀刻深度或具有标称板形厚度的最后区段依次减小的蚀刻深度。
可选地，第一板形区域中的多重蚀刻区段包括多个掺杂水平，多个掺杂水平从等于或大于中间P+掺杂水平的第一区段中的第一掺杂水平到小于重P++掺杂水平的最后区段中的最后掺杂水平顺序增加。
可选地，第二板形区域中的多重蚀刻区段包括多个掺杂水平，多个掺杂水平从等于或大于中间N+掺杂水平的第一区段中的第一掺杂水平到小于重N++掺杂水平的最后区段中的最后掺杂水平顺序增加。
本发明在已知的硅光子学技术的背景下实现了这些优点和其它优点。然而，通过参考说明书的后面部分和附图可以实现对本发明的性质和优点的进一步理解。
附图说明
下面的图仅仅是示例，不应不适当地限制本文权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化，修改和替换。还应当理解，本文所述的实施例和实施方案仅用于说明性目的，并且根据其的各种修改或改变将被建议给本领域技术人员，并且将被包括在该方法的精神和权限以及所附权利要求的范围内。
图1是现有技术中的硅光学调制器的示意性截面图。
图2是图1中的硅光学调制器的等效电路的示意图。
图3是根据本公开的一些实施例的硅光学调制器的示意性截面图。
图4是根据本公开的一些实施例的图3中的硅光学调制器的等效电路的示意图。
图5是根据本公开的一些实施例的硅光学调制器的示意性截面图。
图6是根据本公开的一些实施例的图5中的硅光学调制器的等效电路的示意图。
图7是根据本公开的一些实施例的硅光学调制器的示意性截面图。
图8是根据本公开的一些实施例的图7中的硅光学调制器的等效电路的示意图。
图9是根据本公开的备选实施例的硅光学调制器的示意性截面图。
图10是根据本公开的实施例的图9中的硅光学调制器的等效电路的示意图。
图11是根据本公开的实施例的用于改善硅光学调制器的调制效率的方法的流程图。
图12是根据本公开的另一实施例的用于改善硅光学调制器的调制效率的方法的流程图。
具体实施方式
本发明涉及光通信技术。更具体地，本发明提供了用于形成具有优化掺杂方案的肋形波导结构的硅光学调制器和用于改善调制性能的多重蚀刻板的方法。具有多重蚀刻板的硅光学调制器具有改善的调制效率和调制器带宽，可应用于各种高速光通信链路，尽管其它应用也是可能的。
呈现以下描述以使所属领域的技术人员能够制作和使用本发明并将其并入特定应用的上下文中。各种修改以及在不同应用中的各种用途对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且本文所定义的一般原理可以应用于广义的实施例。因此，本发明并不打算限于所呈现的实施例，而是应符合与本文所揭示的原理和新颖特征一致的最广范围。
在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的更彻底的理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在不必限于这些具体细节的情况下实施。在其它实例中，以框图形式而不是详细地示出了公知的结构和设备，以避免模糊本发明。
读者的注意力指向与本说明书同时提交的并且与本说明书一起对公众检查开放的所有论文和文献，并且所有这些论文和文献的内容通过引用并入本文。本说明书(包括任何所附权利要求，摘要和附图)中公开的所有特征可以由用于相同，等效或类似目的的替代特征代替，除非另有明确说明。因此，除非另有明确说明，所公开的每个特征仅是一般系列的等同或类似特征的一个示例。
此外，权利要求中没有明确指出执行特定功能的“装置”或执行特定功能的“步骤”的任何要素都不应被解释为35U.S.C.§112第6段中规定的“装置”或“步骤”条款。特别地，在权利要求书中使用的“步骤”或“动作”不打算援引35U.S.C.§112第6段的规定。
请注意，如果使用，标志左，右，前，后，顶，底，肋，板，边缘和区段仅用于方便的目的，并不意味着暗示任何特定的固定方向。相反，它们用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。
定义光学调制器性能的主要关键因素是调制效率、光损耗和带宽。这些参数将确定电光发射器的功耗。对于基于硅的光学调制器，可以使用等离子体色散(自由载流子)效应来进行工作，因为在硅中，虽然折射率对电场的三阶非线性相关性(克尔效应)很弱，但是会发生电折射。在自由载流子效应中，改变施加到电光学调制器的电压改变载流子密度并且改变吸收和折射率。波导内折射率的变化可以转换成入射光的相位和强度调制。常见的光学调制器配置是干涉仪，例如马赫－曾德尔调制器或基于谐振的设备，如通常用于光学通信链路中的环形调制器。
图1是现有技术中的硅光学调制器的示意性截面图。如图所示，硅光学调制器被提供为硅波导。硅波导可以形成在绝缘体上硅(SOI)衬底的硅层中。硅波导或基于硅波导的光学调制器可以具有有限的长度(在该截面图中未示出)，以限定与干涉仪或环形调制器的分支相关联的相位。在截面图中，硅光学调制器具有肋结构0，在肋结构的任一侧上具有第一板形区域10和第二板形区域20。第一板形区域10终止于第一端部区域19，第二板形区域20终止于第二板形区域29。特别地，硅波导包括PN结，其通过将大约一半肋结构掺杂P型杂质以形成P型部分1、并且将另一半肋结构掺杂N型杂质以形成N型部分2而在肋结构0中形成。可选地，P型部分1可以包括第一板形区域10的小区段11'，而N型部分2可以包括第二板形区域20的小区段21'。第一板形区域10的其余部分掺杂有中间P+水平，而第二板形区域20的其余部分掺杂有中间N+水平。此外，第一端区19重掺杂有P型杂质以形成P++区，第二端区29重掺杂有N型杂质以形成N++区。可选地，P++区和N++区分别用于形成PN结的P和N电极，以用于其调制操作。第一/第二板形区域中的中间P+/N+水平高于PN结的中等P/N水平。
PN结为注入到硅波导中的带电载流子提供了一种机制，以根据由电信号变化(由驱动器提供的0或1)引起的变化电场来改变折射率。如图2所示，沿硅波导的横截面，带电载带受到可由电路等效表示的电场。至少部分地，该电路由第一电阻器Rj_p+，第二电阻器Rj_p，电容器Cj，第三电阻器Rj_n和第四电阻器Rj_n+的串联连接给出。如图所示，第一电阻器R1_P+表示重掺杂P++区19的串联电阻。第二电阻器R1_p表示第一板形区域10的中间掺杂(P+)部分11和包括第一板形区域10的小区段11'的中等掺杂P型部分1两者的串联电阻。电容器Cj表示PN结。第三电阻器R1_n表示包括第二板形区域的小区段21'和第二板形区域20的中间掺杂(N+)主要部分21的中度掺杂N型部分2的串联电阻。这里，第一板形区域10的主要部分11仅仅是在PN结与用P++区域19形成的P型电极之间的中间P+水平掺杂的单个区段，而第二板形区域20的主要部分21是在PN结的N型部分2与用N++区域29形成的N型电极之间的中间N+水平掺杂的单个区段。硅波导的第一/第二板形区域内的中间掺杂P+/N+水平有助于减小串联电阻并且改善调制带宽。然而，在板形区域中具有中间掺杂水平的单个区段的硅光学调制器有待改善。
因此，本公开尤其提供了一种基于肋结构和多重蚀刻板区域中的硅波导的光学调制器，以及用于改善调制效率的方法，其基本上消除了由于相关技术的限制和缺点引起的一个或多个问题。
在一个方面，本公开提供了一种硅光学调制器，其通过优化肋形波导的掺杂来改善调制性能，而可能不为高速通信网络增加对容易获得的铸造掺杂条件的改变。图3是根据本公开的一些实施例的硅光学调制器的示意性截面图。该图仅仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化，替换和修改。参考图3，硅光学调制器基于在绝缘体上硅衬底的硅层中形成的硅波导。在截面图中，硅波导包括中心处的肋结构0，以在水平方向上与一侧上的第一板形区域10接合并且与在另一侧上的第二板形区域20接合。第一板形区域10以重掺杂P++水平的第一端部区域19结束，第二板形区域20以重掺杂N++水平的第二端部区域29结束。在该实施例中，第一板形区域10被掺杂到中间P+水平，该中间P+水平扩展到肋状结构0的第一边缘部分1'，并且第二板形区域20被掺杂到中间N+水平，该中间N+水平扩展到肋状结构0的第二边缘部分2'。可选地，肋结构0的第一边缘部分1'和第二边缘部分2'实际上可以在肋结构中接合在一起。与在P型部分1或N型部分2中PN结处于中等掺杂水平的图1中的现有技术硅光学调制器不同，PN结两端的掺杂水平现在可以处于较高的中间P+或N+掺杂水平。
可选地，图1的常规硅光学调制器中的PN结掺杂水平可为约1×1017cm－3。同时，图3的硅光学调制器中的PN结掺杂水平可以增加到1×1018cm－3到1×1019cm－3。为了确保硅和金属之间良好的欧姆接触，对于两种掺杂剂类型，第一/第二端部区域19/29的掺杂浓度为～1.0×1020cm－3。图4示出了根据本公开的一些实施例的图3中的硅光学调制器的等效电路的示意图。组合的第一板/肋区给出单个电阻器Rj_p+，组合的第二板/肋区给出电阻器Rj_n+。较高的掺杂水平表明硅光学调制器的等效串联电阻较低。因此，这里图4中的单个Rj_p+小于图2中的Rj_p++Rj_p。更高的掺杂水平可以在PN结接触面中引入更大的载流子浓度变化，这有助于更有效的折射率调制，即更高的调制效率，因为增加的载流子浓度可以引起具有小电压变化的大相移。
在硅光学调制器的实施例中，第一板形区域10中的较高中间P+掺杂水平被配置为部分地扩展到肋结构0的第一边缘部分1'，并且第二板形区域20中的较高中间N+掺杂水平被配置为从相对侧部分地扩展到肋结构0的第二边缘部分2'，同时在第一边缘部分1'的边界(P+)和第二边缘部分2'的边界(N+)之间留下宽度为w的间隙，该间隙靠近肋结构0的中心区域。图5示出了根据本发明的硅光学调制器的示意性截面图。如图所示，具有中等P掺杂水平的P型部分1和具有中等N掺杂水平的N型部分2之间的PN结保持在第一边缘部分1'的边界和第二边缘部分2'的边界之间的间隙中。处于P+掺杂水平的第一边缘部分1'与P型部分1相接，处于N+掺杂水平的第二边缘部分2'与N型部分2相接。图6示出了根据本公开的实施例的图5的硅光学调制器的等效电路。在等效电路中，第一边缘部分1'加上P+掺杂水平中的整个第一板形区域形成由电阻器Rj_p+表示的P+区域12，而变窄的P型部分1由电阻器Rj_p表示。另外，在等效电路中，第二边缘部分2'加上N+掺杂水平中的整个第二板形区域形成由电阻器Rj_n+表示的N+区域22，而变窄的N型部分2由电阻器Rj_n表示。部分1'(P+)和部分2'(N+)之间的间隙w以及从肋状波导中心的偏移可以以这样的方式选择以优化调制效率，同时对带宽和光损耗没有太大影响。可选地，间隙w可以减小到零，这使得图5的实施例收敛到图3的实施例。本发明提出的调制效率改善方法使我们能够减小诸如马赫－曾德尔(MZ)调制器的光学调制器的尺寸。更短的调制器的可能性不仅节省了芯片的实际状态，而且提供了对调制器带宽的补偿，并且可以改善带宽并且减少总的调制器损耗。
在替代实施例中，本发明提供一种硅光学调制器，其在肋结构的每一侧处在第一板形区域和第二板形区域两者中包含多重蚀刻区段。图7是根据本公开的一些实施例的具有多重蚀刻区段的这种硅光学调制器的示意性截面图。如图所示，肋结构0形成有PN结，其中P型部分1以适中的P/N掺杂水平与N型部分2对接。P型部分1与也以中等P掺杂水平掺杂的第一板形区域10的小区段13接合。N型部分2与也以中等N掺杂水平掺杂的第二板形区域20的小区段23接合。与常规硅调制器不同，部分13或部分23被向下蚀刻，其厚度与第一板形区域10或第二板形区域20的标称厚度相比减小。此外，在第一板形区域10的剩余部分中，一个或多个部分可以形成为具有减小的蚀刻深度或增加的厚度的构造，以用于更远离肋结构的部分。例如，紧邻第一区段13形成厚度略大于第一区段13的第二区段14。此外，紧邻第二区段14形成厚度略大于第二区段14的第三区段15。可选地，如图7所示的第三区段15，或者一般地，第一板形区域10中的最后区段不被蚀刻，使得其具有与第一板形区域10相同的标称厚度。
可选地，第一板形区域10中的多重蚀刻区段(例如，14，15)可以仅以中间P+掺杂水平的一个水平用P型杂质掺杂。可选地，对于远离肋结构的部分，多重蚀刻区段可以分别以增加的掺杂浓度掺杂有P型杂质。例如，比处于P掺杂水平的第一区段13更远的第二区段14以P+1掺杂水平掺杂，而比第二区段14更远的第三区段15以P+2掺杂水平掺杂。这里，从第一板形区域10的第一区段13开始到最后区段的掺杂水平按以下关系顺序设置：p<P+1<P+2<…<P++。P++是第一端部区域19的掺杂水平，其被重掺杂以形成硅光学调制器的第一电极的电接触。通过随着进一步远离肋结构而逐渐增加板形区域中的掺杂水平，光损耗增加是不显著的。因为光强度随着远离主要限制光模式的肋区域而变得更低，所以光模式将不受自由载流子吸收的影响。
在肋结构的另一侧上，在第二板形区域20的剩余部分中形成多重蚀刻区段，对于远离肋结构的区段，蚀刻深度减小或厚度增加。例如，紧邻第一区段23形成厚度略大于第一区段23的第二区段24。此外，紧邻第二区段24形成厚度略大于第二区段24厚度的第三区段25。可选地，如图7所示的第三区段25，或者一般地，第二板形区域20中的最后区段，没有被蚀刻，使得其具有与第一板形区域20相同的标称厚度。
可选地，第二板形区域20中的多重蚀刻区段(例如，24，25)可以仅以中间N+掺杂水平的一个水平用N型杂质掺杂。可选地，对于远离肋结构的区段，多重蚀刻区段可以分别以增加的掺杂浓度掺杂有N型杂质。例如，比以N掺杂水平的第一区段23更远的第二区段24以N+1掺杂水平掺杂，而比第二区段24更远的第三区段25以N+2掺杂水平掺杂。这里，从第一板形区域20的第一区段23开始到最后区段的掺杂水平按以下关系顺序设置：N<N+1<N+2<…<N++。N++是第二端部区域29的掺杂水平，其被重掺杂以形成硅光学调制器的第二电极的电接触。通过随着进一步远离肋结构而逐渐增加板形区域中的掺杂水平，光损耗增加是不显著的。因为光强度随着远离主要限制光模式的肋区域而变得更低，所以光模式将不受自由载流子吸收的影响。
在该实施例中，利用在板形区域中形成的多重蚀刻区段，可以通过更靠近波导的肋结构的更薄的板形部分来增加光模的电场限制。增加限制导致降低的光损耗和改善的调制效率。如图8所示，图7的硅光学调制器的等效电路给出了一系列电阻器和电容器，以表示板形区域或肋结构和PN结接触面的不同部分。例如，电阻器R1_p表示肋结构0的第一边缘部分1'加上第一板形区域10的第一区段13的串联电阻。Rj_p+1表示第一板形区域10的第二区段14的串联电阻。Rj_p+2表示第一板形区域10的第三区段15的串联电阻。电容器Cj表示PN结。电阻器Rj_n表示肋结构0的第二边缘部分2'加上第一板形区域10的第一区段13的串联电阻。Rj_p+1表示第一板形区域10的第二区段14的串联电阻。Rj_p+2表示第一板形区域10的第三区段15的串联电阻。对于板形区域中的多重蚀刻区段，较小的蚀刻深度导致较大的厚度或减小的串联电阻。如图8所示，在本发明提出的第一/第二板形区域的不同部分处具有多重蚀刻深度提供了随着远离肋结构的距离而增加的区段厚度，以补偿串联电阻并且优化带宽。可选地，板形区域中的多重蚀刻区段可以具有两个或更多个具有不同蚀刻深度和长度的部分，并且可以在肋结构的任一侧上对称或不对称。每个蚀刻部分的蚀刻深度和长度，其到肋结构的距离，以及其掺杂水平都应该考虑在内，以获得以最小串联电阻优化而不增加光损耗的硅光学调制器。
图9是根据本公开的备选实施例的硅光学调制器的示意性截面图。在该实施例中，硅光学调制器包括靠近中心的肋结构0和板形区域10或20，该板形区域10或20具有接合在肋结构0的任一侧上的多重蚀刻部分。具有P/N掺杂水平的与N型部分2对接的P型部分1的PN结以肋结构0的减小的宽度w形成。当一侧的第一边缘部分1'在第一板形区域10中以相同的P+1掺杂水平与第一蚀刻部分13'接合时，肋结构0的第一边缘部分1'被掺杂成P+1>P掺杂水平；而肋结构0的另一侧的第二边缘部分2'在第二板形区域20中以相同的N+1掺杂水平与第一蚀刻部分23'接合时，肋结构0的另一侧的第二边缘部分2'被掺杂成N+1>N掺杂水平。此外，对于第一/第二板形区域的剩余部分，对于距第一/第二边缘部分1'/2'更远的部分，形成具有减小的蚀刻深度或增加的厚度的一个或多重蚀刻区段。例如，类似于图7中所示的实施例，第一板形区域10的第二区段14'紧邻第一区段13'形成，第二区段14'具有比第一区段13'更小的蚀刻深度或稍高的厚度。可选地，第二区段14'以P+2(>P+1)掺杂水平掺杂。紧邻第二区段14'形成第三区段15'，第三区段15'具有比第二区段14'更小的蚀刻深度或稍高的厚度。可选地，第三区段15'是第一板形区域10中的最后区段，其具有与第一板形区域10相同的标称厚度，并且以P++掺杂水平与第一端部区域19接合。可选地，第三区段15'以P+3(>P+2)掺杂水平掺杂，给出P++>P+3>P+2>P+1>P。
在肋结构的另一侧，第二板形区域20的第二区段24'紧邻第一区段23'形成，第二区段24'具有比第一区段23'更小的蚀刻深度或稍高的厚度。可选地，第二区段24'以N+2(>N+1)的掺杂水平掺杂。紧邻第二区段24'形成第三区段25'，第三区段25'具有比第二区段24'更小的蚀刻深度或稍高的厚度。可选地，第三区段25'是第二板形区域20中的最后区段，其具有与第二板形区域20相同的标称厚度，并以N++掺杂水平与第二端部区域29接合。可选地，第三区段25'以N+3掺杂水平掺杂，给出N++>N+3>N+2>N+1>N。
图10是根据本公开的实施例的图9中的硅光学调制器的等效电路的示意图。这里，每个电阻器代表波导的一部分、肋结构的一部分或第一/第二板形区域的一部分。例如，电阻器Rj_p表示P型部分1。电阻器R1_P+1表示肋结构0的部分1'加上第一板形区域10的第一区段13'。其它电阻器分别用于表示如图9所示的相应部分。可选地，肋结构的P和N侧加上第一/第二板形区域中的多重蚀刻部分在与肋结构的距离、区段长度，蚀刻深度(或厚度)和掺杂水平方面可以是对称的或不对称的。与具有单个中间掺杂部分的常规平板调制器相比，多重蚀刻/掺杂的板形调制器具有以下优点：由于其串联电阻减小而改善了调制器带宽，以及由于减小的板形厚度增强了光限制而改善了调制效率。通过优化所有这些参数，包括每个板部分的长度和蚀刻深度，其到肋结构边缘的距离以及其掺杂水平，可以改善调制器性能。
可选地，根据本公开的一些实施例的硅光学调制器可以在各种电光学调制器配置中实现，例如马赫－曾德尔(MZ)调制器和环形调制器，其被配置为改变波导内的折射率以调制通过波导的光的相位和强度。
在替代方面中，本发明提供一种用于形成具有改善的调制效率的硅光学调制器的方法。图11示出了根据本公开的实施例的方法的流程图。该图仅仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化，替换和修改。参考图11，该方法包括在绝缘体上硅(SOI)衬底中提供硅层的步骤。SOI衬底广泛用于制造包括调制器、组合器、波长锁定器、波长调谐器等的硅光子器件。MZ调制器和环形调制器都可以基于SOI衬底上的硅层来制造。
参照图11，该方法还包括形成在硅层中具有肋结构的波导的步骤，该肋结构的横截面与一侧上的第一板形区域和相对侧上的第二板形区域接合。可选地，肋结构具有平坦顶部，该平坦顶部的横截面长度以接合第一板形区域的第一边缘和接合第二板形区域的第二边缘结束。可选地，在标称厚度小于肋结构的两个板形区域之间具有有限长度的肋结构为通过其传播的光波提供光学限制效果，使得板形区域中的光功率随着其远离第一/第二边缘而越来越小。可选地，第一板形区域和第二板形区域在板形厚度或长度上相对于肋结构可以是对称或不对称的形式。
参考图11，该方法还包括将第一板形区域掺杂到中间高P+掺杂水平和将第二板形区域掺杂到中间高N+掺杂水平的步骤。掺杂工艺包括图案化和掩模以限定第一板形区域或第二板形区域，以及执行离子注入以将P型或N型离子杂质以引起相应的中间P+或N+掺杂水平的受控剂量注入到相应的第一板形区域和第二板形区域中。可选地，中间P+或N+掺杂水平被设置为比通常用于在硅光学调制器中形成PN结的1×1017cm－3处的中等掺杂水平高1或2个数量级。可选地，第一板形区域的端部与掺杂有高P++掺杂水平的P型杂质的第一端部区域接合，第二板形区域的端部与掺杂有高N++掺杂水平的N型杂质的第二端部区域接合。通常，P++或N++掺杂水平设置为约1×1020cm－3。可选地，第一端部区域被配置为形成用于硅光学调制器的具有欧姆接触的P侧接触电极，并且第二端部区域被配置为形成用于硅光学调制器的具有欧姆接触的N侧接触电极。
再次参考图11，该方法还包括将P+掺杂水平从第一板形区域扩展到肋结构的第一边缘部分，并将N+掺杂水平从第二板形区域扩展到肋结构的第二边缘部分的步骤。在可替换的方式中，该步骤包括图案化和掩模，以将肋结构的第一边缘部分限定为与第一板形区域接合的部分，并且将肋结构的第二边缘部分限定为与第二板形区域接合的部分。然后，该步骤还包括将肋结构的第一边缘部分掺杂到相同的中间P+掺杂水平，并且将肋结构的第二边缘部分掺杂到相同的中间N+掺杂水平。可选地，处于P+掺杂水平的第一边缘部分与处于N+掺杂水平的第二边缘部分被具有间隙宽度的肋结构的减小区段分开。可选地，形成图案和掩模以限定肋结构的第一边缘部分的步骤可以是与形成图案和掩模以限定第一板形区域的相同步骤。可选地，形成图案和掩模以限定肋结构的第二边缘部分的步骤可以是与形成图案和掩模以限定第二板形区域的相同步骤。
再次参考图11，该方法还包括在第一边缘部分和第二边缘部分之间的肋结构的减小区段中以低于中间P+/N+水平的中等P/N掺杂水平形成PN结的步骤。通过图案化离子注入工艺形成PN结，所述图案化离子注入工艺允许以P+掺杂水平精确地限定紧邻第一边缘部分的肋结构中的减小区段的P型部分，并且以N+掺杂水平限定紧邻第二边缘部分的肋结构中的减小区段的N型部分。P型部分与N型部分对接。P型部分和N型部分的宽度之和等于肋结构中减小区段的间隙宽度。可选地，P型部分或N型部分的掺杂水平为1×1017cm－3的中等水平。可选地，P型部分和N型部分的长度，掺杂水平和偏移距离可以是或可以是相对于PN结平面对称或不对称的形式。可选地，在P+掺杂水平中的肋结构的第一边缘部分和N+掺杂水平中的肋结构的第二边缘部分之间的间隙宽度可以与相对于肋结构对称或不对称形式的P+/N+掺杂水平一起优化。与在肋结构内仅具有较低的中等掺杂的P或N型区域域的常规调制器相比，在波导的肋结构内添加中间P+和N+可显著地改善调制效率。可选地，可将间隙宽度减小到零以形成与P+掺杂区直接对接N+掺杂区的PN结。P+掺杂区包括部分肋结构加上第一板形区域，N+掺杂区包括剩余部分肋结构加上第二板形区域。P+区域和N+区域之间的间隙宽度，以及从波导的P－N接触面平面的偏移距离可以以这样的方式选择，以优化调制效率，同时对带宽和光损耗没有太大影响。可选地，可以减小从第一板形区域到第二板形区域的总长度以改善调制效率，从而形成尺寸更紧凑的硅调制器以补偿调制器带宽。
在另一实施例中，本发明提供一种用于形成具有改善的调制效率的硅光学调制器的方法。图12示出了根据本公开的实施例的方法的流程图。该图仅仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化，替换和修改。参考图12，该方法包括在绝缘体上硅(SOI)衬底中提供硅层的步骤。SOI衬底广泛用于制造包括调制器、组合器、波长锁定器、波长调谐器等的硅光子器件。MZ调制器和环形调制器都可以基于SOI衬底上的硅层来制造。
参照图12，该方法还包括形成在硅层中具有肋结构的波导的步骤，该肋结构的横截面与一侧上的第一板形区域接合并且与相对侧上的第二板形区域接合。可选地，肋结构具有平坦顶部，该平坦顶部的横截面长度以接合第一板形区域的第一边缘和接合第二板形区域的第二边缘结束。可选地，在两个板形区域之间具有有限板形长度的肋结构，每个板形区域具有小于肋结构的标称厚度，该肋结构为通过其传播的光波提供光学限制效果，使得板形区域中的光功率随着其远离第一/第二边缘而越来越小。可选地，第一板形区域和第二板形区域在其标称板厚度或板长度上相对于肋结构可以是对称或不对称的形式。
参照图12，该方法还包括在第一板形区域和第二板形区域的每个板形区域中形成多重蚀刻(多重蚀刻)区段的步骤。可选地，该步骤被配置为对每个板形区域中的每个预定义区段执行图案化蚀刻工艺，每个预定义区段具有在肋结构的相应边缘的相应距离处的相应区段长度。在特定实施例中，每一区段处的蚀刻工艺的特征在于蚀刻深度，且形成多重蚀刻区段的步骤包括针对具有进一步远离肋结构的对应边缘的距离的区段形成具有减小的蚀刻深度或增加的区段厚度的相应区段。例如，离肋结构的相应第一边缘的距离为零的板形区域中的第一区段具有最大的蚀刻深度。与第一区段相邻的第二区段离第一边缘有更远的距离，其特征在于比第一区段更小的蚀刻深度或更大的厚度。第三区段也具有比第二区段更大的厚度，依此类推。板的最后区段的截面厚度等于标称板厚度。在该实施例中，多重蚀刻部分使得板形区域更薄，特别是靠近肋结构的具有最大蚀刻深度的第一区段，可以显著增强对通过肋结构中的波导的光波的光模的电场限制效应。这种限制效应可以显著改善硅光学调制器的调制效率。换句话说，当调制器被施加相同的偏置电压时，它可以对其中的光信号驱动大得多的相位变化。另外，增加远离波导边缘的板厚在补偿串联电阻方面提供了益处，这有助于形成具有优化带宽的调制器。
再次参考图12，该方法还包括在具有中等P/N掺杂水平的肋结构中形成PN结的步骤。该步骤在肋结构中形成与N型端口对接的P型部分。该步骤只是为肋形波导中的自由载流子效应或等离子体色散效应设置基础。当施加在PN结两端的电压改变时，载流子密度也改变，这改变了光吸收和折射率。折射率的变化直接转换成光信号的相位和强度调制。可选地，PN结的宽度(P型部分+N型部分的尺寸)被设置为小于肋结构的肋宽度。
参照图12，该方法还包括在第一/第二板形区域中部分，分别以增加的掺杂水平用P型/N型杂质掺杂第一/第二板形区域中的多重蚀刻区段。对于第一板形区域中的多重蚀刻区段，该步骤包括图案化的注入工艺，以随着P型离子杂质P型部分的第一边缘更远或更接近肋结构的P型部分的距离处，以增加的P型离子杂质剂量顺序地注入到相应的部分中。在一个实例中，第一板形区域中的第一区段、第二区段、…、最后区段可各自掺杂有增加的P<P+1、<…、<P+2掺杂度。第一区段是肋结构的P型部分的一部分。在另一实例中，第一板形区域中的第一区段、第二区段、…、最后区段可各自掺杂有增加的P+1<P+2、<…、<P+3掺杂度。P+1>P掺杂水平的第一区段不是肋结构的P型部分的一部分，而是与肋结构的P型部分接合。对于第二板形区域中的多重蚀刻区段，该步骤包括以增加的N型离子杂质剂量顺序地将N型离子杂质注入到相对应的部分中，该N型离子杂质的注入距离远离或靠近肋结构的N型部分的第二边缘。在一个实例中，第二板形区域中的第一区段、第二区段、…、最后区段可各自掺杂有增加的N<N+1、<…、<N+2掺杂度。第一区段是肋结构的N型部分的一部分。在另一实例中，第二板形区域中的第一区段、第二区段、…、最后区段可各自掺杂有增加的N+1<N+2、<…、<N+3掺杂度。N+1>N掺杂水平的第一区段不是肋结构的一部分，而是与肋结构的N型部分接合。在该实施例中，在具有不同截面厚度的不同板截面中添加不同的掺杂条件以进一步优化串联电阻。由于更好的光学限制主要限制了肋形波导中的光学模式，增加板部分的厚度不会增加明显的过量光学损耗。
对于第一板形区域和第二板形区域中的每个板形区域，根据特定的优化配置来限定具有不同长度和距肋结构不同距离的多个区段，以实现改善的调制器性能。可选地，在第一板形区域中的蚀刻深度、截面长度、距肋结构的第一边缘以及相应区段的掺杂水平可以不以与第二板形区域中的蚀刻深度、区段长度、距肋结构的第二边缘的距离以及相应区段的掺杂水平对称的方式形成。例如，基于第一优化配置，第一板形区域中的部分的蚀刻深度随着该部分的距离进一步远离肋结构而减小。基于第二优化配置，第二板形区域中的部分的蚀刻深度随着该部分的距离进一步远离肋结构而减小。可选地，执行第一图案化注入工艺在第一板形区域中制造多重蚀刻区段，在第一优化配置中，精确剂量从第一区段到最后区段增加。基于第一优化配置，第一板形区域中的每个区段以不同的掺杂水平被掺杂成P型。可选地，执行第二图案化注入工艺以在第二板形区域中制造多重蚀刻区段，在第二优化配置中精确剂量从第一区段到最后区段增加。基于第二经优化配置以不同掺杂水平将第二板条形区中的每一区段掺杂成N型。
可选地，该方法还包括步骤：形成具有与第一区域的最后区段结合的重掺杂P++杂质的第一端部区域，以及形成具有与第二区域的最后区段结合的重掺杂N++杂质的第二端部区域。可选地，该方法还包括以重P++掺杂水平形成与第一端部区域欧姆接触的第一电极和以重N++掺杂水平形成与第二端部区域欧姆接触的第二电极的步骤。
虽然以上是对特定实施例的完整描述，但可使用各种修改，替代构造和等效物。因此，上述描述和说明不应当被认为是对由所附权利要求限定的本发明的范围的限制。

Claims (13)

1.一种光学调制器，包括：
衬底；
具有第一P型掺杂水平的第一P型区域以及具有第一N型掺杂水平的第一N型区域，所述第一P型区域和所述第一N型区域形成设置在所述衬底中的PN结，所述第一P型区域和所述第一N型区域中的每个区域包括具有第一横截面尺寸的第一部分；
两个或更多个附加P型区域，设置在所述衬底中，所述两个或更多个附加P型区域中的一个附加P型区域邻接所述第一P型区域的所述第一部分，所述两个或更多个附加P型区域具有与所述第一P型区域的所述第一P型掺杂水平不同的相应P型掺杂水平，并且具有与所述第一P型区域的所述第一部分的所述第一横截面尺寸不同的相应横截面尺寸；以及
两个或更多个附加N型区域，设置在所述衬底中，所述两个或更多个附加N型区域中的一个附加N型区域邻接所述第一N型区域的所述第一部分，所述两个或更多个附加N型区域具有与所述第一N型区域的所述第一N型掺杂水平不同的相应N型掺杂水平，并且具有与所述第一N型区域的所述第一部分的所述第一横截面尺寸不同的相应横截面尺寸。
2.根据权利要求1所述的光学调制器，其中：
所述两个或更多个附加P型区域的所述相应P型掺杂水平大于所述第一P型区域的所述第一P型掺杂水平；
所述两个或更多个附加P型区域的相应横截面尺寸大于所述第一P型区域的第一部分的第一横截面尺寸；
所述两个或更多个附加N型区域的所述相应N型掺杂水平大于所述第一N型区域的所述第一N型掺杂水平；以及
所述两个或更多个附加N型区域的相应横截面尺寸大于所述第一N型区域的第一部分的第一横截面尺寸。
3.根据权利要求2所述的光学调制器，进一步包括：
第二P型区域，设置在所述衬底中，其中所述两个或更多个附加P型区域位于所述第二P型区域与所述第一P型区域的第一部分之间，所述第二P型区域具有第二P型掺杂水平，所述第二P型掺杂水平大于所述两个或更多个附加P型区域的所述相应P型掺杂水平；以及
第二N型区域，设置在所述衬底中，其中所述两个或更多个附加N型区域位于所述第二N型区域与所述第一N型区域的第一部分之间，所述第二N型区域具有第二N型掺杂水平，所述第二N型掺杂水平大于所述两个或更多个附加N型区域的所述相应N型掺杂水平。
4.根据权利要求3所述的光学调制器，其中所述两个或更多个附加P型区域的所述相应P型掺杂水平和相应横截面尺寸从所述第一P型区域的第一部分到所述第二P型区域增加，并且其中所述两个或更多个附加N型区域的所述相应N型掺杂水平和相应横截面尺寸从所述第一N型区域的第一部分到所述第二N型区域增加。
5.根据权利要求3所述的光学调制器，其中所述两个或更多个附加P型区域的相应电阻从所述第一P型区域到所述第二P型区域减小，并且其中所述两个或更多个附加N型区域的相应电阻从所述第一N型区域到所述第二N型区域减小。
6.根据权利要求3所述的光学调制器，其中邻接所述第二P型区域的所述两个或更多个附加P型区域中的一个附加P型区域的横截面尺寸等于所述第二P型区域的横截面尺寸，并且其中邻接所述第二N型区域的所述两个或更多个附加N型区域中的一个附加N型区域的横截面尺寸等于所述第二N型区域的横截面尺寸。
7.根据权利要求3所述的光学调制器，其中所述两个或更多个附加P型区域的相应长度从所述第一P型区域到所述第二P型区域减小，并且其中所述两个或更多个附加N型区域的相应长度从所述第一N型区域到所述第二N型区域减小。
8.根据权利要求1所述的光学调制器，其中所述两个或更多个附加P型区域中的每个附加P型区域具有与所述两个或更多个附加N型区域中的对应附加N型区域不同的长度。
9.根据权利要求1所述的光学调制器，其中所述两个或更多个附加P型区域中的每个附加P型区域具有与所述两个或更多个附加N型区域中的对应附加N型区域相同的长度。
10.根据权利要求3所述的光学调制器，其中所述PN结在所述第二P型区域和所述第二N型区域之间居中。
11.根据权利要求3所述的光学调制器，其中所述PN结更靠近所述第二P型区域和所述第二N型区域中的一个区域。
12.根据权利要求1所述的光学调制器，其中所述第一P型区域和所述第一N型区域中的每个区域是L形的，并且包括垂直于第一部分延伸的第二部分，并且其中第二部分具有比第一部分更大的高度。
13.根据权利要求12所述的光学调制器，其中所述第一P型区域的第二部分还包括具有小于所述第一P型掺杂水平的P型掺杂水平的附加P型区域，并且其中所述第一N型区域的所述第二部分还包括具有小于所述第一N型掺杂水平的N型掺杂水平的附加N型区域。
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