CN115185111A - Pn结制备的方法、pn结和调制器 - Google Patents

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Abstract

本申请揭示了PN结、PN结制备方法和调制器。一种PN结包括平板波导层和设置在平板波导层上的沿特定方向间隔排列的多个波导。平板波导层包括在特定方向上交替排列的P型掺杂区域和N型掺杂区域，且两个区域的交界处形成沿特定方向呈收尾相接的S型的载流子耗尽区。间隔排列的多个波导的每一个包括P型掺杂区域和N型掺杂区域，两个区域的交界处形成一个载流子耗尽区。间隔排列的多个波导的P型掺杂区域、N型掺杂区域和载流子耗尽区在平板波导区域表面的投影和平板波导层对应区域在平板波导区域表面的投影基本重合。该PN结的调制效率较高、光学损耗较低。可选地，该PN结可以采用倾斜角度离子注入掺杂实现，能够降低其制备成本。

Description

PN结制备的方法、PN结和调制器
技术领域
本申请涉及光器件领域，尤其涉及PN结制备的方法、PN结和调制器。
背景技术
光调制器是光通信系统中的重要器件，用于将电信号转化为光信号。典型的光调制器有马赫增德调制器、微环调制器等。PN结是光调制器的关键组成部分，通过在光波导上制备P型掺杂区域和N型掺杂区域形成，在P型掺杂区域和N型掺杂区域的交界处会形成载流子耗尽区。当施加的反向电压的数值变化时，由于等离子体色散效应，PN结的载流子耗尽区内会发生材料光折射率的变化，使得波导内光相位变化，从而起到调制作用。
调制器的性能与PN结的性能息息相关。例如，PN结的载流子耗尽区与通过PN结的光的光模场的交叠大小影响着调制器的调制效率。又如，PN结的结构设计会影响调制器的光学损耗程度。
当前，设计调制效率高、光学损耗小的PN结和调制器是一个重要的研究课题。
发明内容
本申请提供PN结制备的方法、PN结和调制器，以实现调制效率高、光学损耗小的PN结和调制器。
第一方面，本申请实施例提供了一种PN结的制备方法。该方法包括三个步骤。第一步骤，以一组第一掩膜为阻挡，沿第一方向刻蚀光波导，以在光波导的表面形成光栅波导结构。一组第一掩膜为间隔排列的多个掩膜，光栅波导结构包括多个间隔排列的波导块且所述光栅波导结构的厚度小于所述光波导的厚度。第二步骤，继续以该组第一掩膜为阻挡，以第一注入方向向光波导内注入P型离子，第一注入方向与第一方向的夹角在(10,80)度之间，第一注入方向与多个掩膜的排列方向的夹角在(0，90)或(90,180)度之间，第一注入方向与第二方向的夹角在(0，90)或(90,180)度之间，第二方向与多个掩膜的排列方向和第一方向均垂直。第三步骤，继续以该组第一掩膜为阻挡，以第二注入方向向光波导内注入N型离子,以在P型离子所在的区域和N型离子所在的区域的交界处形成PN结的载流子耗尽区，第二注入方向与第一方向的夹角在(10,80)度之间，第二注入方向与多个掩膜的排列方向的夹角在(90,180)或(0，90)度之间，第二注入方向与所述第二方向的夹角在(90,180)或(0，90)度之间。
需要说明的是，第一注入方向与多个掩膜的排列方向的夹角和第二注入方向与多个掩膜的排列方向的夹角，一个为锐角，一个为钝角。第一注入方向与第二方向的夹角和第二注入方向与第二方向的夹角亦是如此。
应理解，本申请对上述第二和第三步骤的顺序不做限定。通过倾斜角度注入离子和单次掩膜方式来制作PN结，工艺简单，PN结的良品率较高。此外，采用光栅状波导结构的PN结的调制效率较高且光学损耗较低。
可选地，在以第一注入方向向所述光波导内注入P型离子之前，设置另一掩膜到N型离子所在的区域上。可选地，在以第二注入方向向光波导内注入N型离子之前，设置第三掩膜到P型离子所在的区域上。这些可选的实现方式可以防止离子掺杂入非目标波导区域，可以进一步提高PN结制作的良品率。
可选地，第二注入方向与第一注入方向沿所述第一方向的轴对称方向的夹角小于10度。这么做可以提高载流子耗尽区占据波导的体积，从而进一步提高制作出来的PN结的调制效率。
在具体的实现中，注入角度的选择取决于多个间隔排列的波导的高度、宽度和间隔等。例如，第一注入方向与第一方向的夹角可以为45度，第二注入方向与第一方向的夹角可以为45度。
第二方面，本申请实施例提供了一种PN结。该PN结包括平板波导层和设置在平板波导层上的光栅状波导层。光栅状波导层包括多个沿第一方向间隔排列的波导块。平板波导层包括第一P型掺杂区域和第一N型掺杂区域；第一P型掺杂区域包括多个第一突出区域，第一N型掺杂区域包括多个第二突出区域；所述第一突出区域和所述第二突出区域沿所述第一方向交替排列。第一P型掺杂区域和第一N型掺杂区域的交界处形成第一载流子耗尽区，第一载流子耗尽区沿所述第一方向呈首尾相接的S型。每个波导块包括第二P型掺杂区域和第二N型掺杂区域。每一对第二P型掺杂区域和第二N型掺杂区域的交界处形成一个第二载流子耗尽区。每个第二P型掺杂区域在平板波导层的上表面上的投影与第一P型掺杂区域在平板波导层的上表面上的投影重合。每个第二N型掺杂区域在平板波导层的上表面上的投影与第一N型掺杂区域在平板波导层的上表面上的投影重合。多个第二载流子耗尽区在平板波导层上表面上的投影与第一载流子耗尽区在平板波导层上表面上的投影重合。应理解，本申请描述的投影A和投影B重合指的是投影A基本落入投影B内。
可选地，多个波导块中相邻的两个波导的间隔和所述波导块的任意一个沿所述第一方向的宽度之和小于500纳米。这么做可以提升PN结适用的波长范围。
可选地，波导块沿所述第一方向的宽度小于250纳米。这么做可以降低PN结中无效区域的占比，从而较好地降低PN结的光学损耗。
具体地，第一波导区域和/或第二波导区域的材料包括硅或III-V族材料。
在一种具体的实现中，多个第二载流子耗尽区的每一个呈S型。这么做可以保证较大的载流子耗尽区和光模场的重合度，提升PN结的调制效率。
在一种具体的实现中，第一载流子耗尽区和多个第二载流子耗尽区是通过倾斜角度离子注入掺杂实现的。采用该方法可以降低制作的复杂度，降低成本。
应理解，第一方向可以为直线或为环形。即，多个波导块呈直线间隔地排列或者呈环形间隔地排列。
第三方面，本申请实施例提供了马赫曾德调制器。该调制器包括多个波导、如第二方面或其任一种具体或其可选的实现方式所示的两个PN结、两个耦合器和电极。其中，两个PN结的每一个的两端分别通过多个波导和两个耦合器分别连接；两个耦合器的一个包括调制器的输入端，两个耦合器的另一个包括调制器的输出端；电极用于给两个PN结调制器施加电压，以改变输入两个PN结的光的相位。
在一种具体的实现中，电极的数量为两个，分别用接入负向驱动信号和正向驱动信号。在另一种实现中，电极的数量为五个，分别用接地、接入负向驱动信号、接地、接入正向驱动信号和接地。
第四方面，本申请实施例揭示了微环调制器。该微环调制器包括如第二方面或其任一种具体或者可选的实现方式所示的PN结和两个直波导。其中，PN结的所述多个波导块为环形间隔排列。两个直波导分别位于所述PN结的两侧且所述两个直波导互相基本平行。
综上，本申请提供的PN结或者PN结制备方法实现了间隔排列的波导设置于平板波导块上的结构，具备较低的光学损耗。此外，PN结提供类似S型的载流子耗尽区，提供了较好的调制效率。
附图说明
结合附图并参考以下详细说明，本申请各实现方式的特征、优点及其他方面将变得更加明显。在此以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实现方式，在附图中：
图1为一种PN结的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种PN结制备方法的示意图；
图3为图2所示的离子注入方向的示意图；
图4为本申请实施例提供的一种可能的PN结的俯视图；
图5为图4所示PN结的剖视图；
图6为本申请提供的一种可能的PN结的仿真性能示意图；
图7为本申请实施例提供的另一种PN结制备方法的示意图；
图8为本申请实施例提供的另一种可能的PN结的示意图；
图9为图8所示的PN结的俯视图；
图10为图9所示的PN结的第一剖视图；
图11为图9所示的PN结的第二剖视图；
图12为本申请实施例提供的又一种PN结的示意图；
图13为本申请实施例提供的一种调制器的结构示意图；
图14为本申请实施例提供的另一种调制器的结构示意图；
图15为本申请实施例提供的再一种可能的PN结的俯视图；
图16为图15所示PN结的剖视图。
具体实施方式
本申请实施例描述的设备形态以及业务场景是为了更加清楚地说明本发明实施例的技术方案，并不构成对本发明实施例提供的技术方案的限制。本领域普通技术人员可知，随着设备形态的演变和新业务场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题同样适用。
本申请提出的技术方案可以适用于利用光信号来进行数据通信的场景。例如，路由器网络、电信以太网网络、光接入网络或数据中心网络等。具体地，本申请提出的技术方案可以用于上述任一网络对应的发送侧设备。
需要说明的是，本申请的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的序数词在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以本申请未描述的顺序实施。“和/或”用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。除非特殊说明，制备方法实施例中提供的相同或者相似技术描述也可以应用于装置实施例中。反之亦然。
应理解，本申请附图中的掩膜的数量、光栅波导包含的波导块的数量仅是示例。实际设计可以根据具体的需求来设计，对此本申请不做限定。
除非特殊说明，一个实施例中针对一些技术特征的具体描述也可以应用于解释其他实施例提及对应的技术特征。例如，波导的材料举例。又如，针对载流子耗尽区的功能、名称或不同区域内的载流子耗尽区的关系等。此外，为了更加明显地体现不同实施例中的组件的关系，本申请采用相同或相似的附图编号来表示不同实施例中功能相同或相似的组件。应理解，本申请中的两种离子类型可以互相替换。具体地，掺杂P型离子的区域可以替换为掺杂N型离子；对应地，掺杂N型离子的区域可以替换为掺杂P型离子。
光调制器是光通信系统中的重要器件，用于将电信号转化为光信号。PN结是光调制器的重要组成部分。图1为一种PN结的结构示意图。如图1所示，PN结100包括P型掺杂区域102、N型注入区域101和载流子耗尽区103。其中，P型掺杂区域102包括平板波导区域102-1和脊波导区域102-2。类似地，N型掺杂区域101包括平板波导区域101-1和脊波导区域101-2。应理解，平板波导区域102-1和平板波导区域101-1也可以称为PN结100的平板波导区域，脊波导区域102-2和波导区域101-2也可以称为PN结的脊波导区域。
图1给出了光沿波导传播方向的示意(附图标记204)和光模场的示意图(附图标记205)。应理解，光模场指的是在波导中稳定传输的光的电场分布。当光沿方向204在PN结100中传输时，光会因为施加给PN结100的电压数值不同而导致其相位发生改变，从而实现对光的调制。调制效率和光学损耗是PN结的两个重要的性能参数。PN结的调制效率跟载流子耗尽区和光模场的重叠大小相关。一般地，载流子耗尽区和光模场的重叠程度高，那么PN结调制相位的范围就越大，从而调制效率越高。针对如图1所示的PN结100，沿光的传播方向204，载流子耗尽区103和光模场205的重合较小(等于载流子耗尽区的横截面大小)。因此，图1所示的PN结的调制效率较低。光学损耗指得是光在PN结中传输功率降低的程度。如图1所示，光传播过程中除了经过起调制作用的载流子耗尽区103，还会经过部分的P型掺杂区域和N型掺杂区域，其功率会下降，即光学损耗较大。
为此，本申请提供了一种新的PN结制备方法、PN结和调制器。通过间隔排列的光栅波导，本申请提供的PN结制备方法和PN结能够有效提升了PN结的调制效率并降低光学损耗。对应地，采用本申请揭示的PN结的调制器在调制效率和损耗上有较大地改善。
图2为本申请实施例提供的一种PN结制备方法的示意图。如图2所示，PN结制备方法300包括三个步骤(301、303和305)。应理解，步骤303和305的顺序可以互换。
步骤301，以一组掩膜500为阻挡，沿第一方向刻蚀光波导，以在所述光波导的表面形成光栅波导结构；
具体地，第一方向为图2所示的z轴箭头所示方向。一组掩膜500为间隔排列的多个掩膜。具体地，这多个掩膜沿图2所示的y轴箭头所示方向间隔着排列。对应地，当完成了对光波导沿第一方向的刻蚀后形成了平板波导层401和因为掩膜阻挡未被刻蚀的光栅波导结构402。类似掩膜的排列，光栅波导结构402包括多个间隔排列的波导块。波导块的间隔由一组掩膜500的间隔决定。如图2所示，光栅波导结构402的厚度小于光波导400的厚度。应理解，经过步骤301之后，光波导400包括平板波导层401和多个间隔排列的波导块(即光栅波导结构)402。后续为简化描述，简称经过步骤301的光波导400为刻蚀后的光波导400。波导材料包括但不限于硅、砷化镓或磷化铟等III-V族材料。
需要说明的是，光栅波导也可以称为光栅状波导，在本申请中指的是沿预定的方向、间隔排列的一组波导块。
步骤303，继续以一组掩膜500为阻挡，以第一注入方向601向刻蚀后的光波导400内注入P型离子，第一注入方向601与第一方向(例如图2所示的z轴方向)的夹角在(0,90)度之间，第一注入方向601与多个波导块排列方向的夹角在(0，90)或(90,180)度之间，第一注入方向601与第二方向的夹角在(0，90)或(90,180)度之间，第二方向为与第一方向和多个波导块的排列方向均垂直的方向；
示例地，如图2所示，第二方向、多个波导块的排列方向和第一方向分别由x、y和z三轴表示。在本实施例中，x、y和z轴两两垂直，方向分别为水平方向向右、光传播方向和刻蚀方向(即第一方向)。应理解，这个方向示意仅是为了说明第一注入方向601与经刻蚀后的光波导400的相对位置关系，并不对PN结制备的方法或者通过该制备方法的PN结构成限定。例如，光传播方向可以是沿y轴的反方向。
图3为图2所示的离子注入方向的示意图。如图3所示，注入方向601和三个轴分别形成了一个夹角。需要说明的是，本申请中提到的夹角指的是两个带方向的直线(矢量)之间所形成的角度。具体地，注入方向601于z轴形成夹角601-1，与y轴形成夹角601-3，与x轴形成夹角601-2。在该实施例中，第一注入方向601需要满足如下条件，以实现倾斜角度的P型离子注入：夹角601-1在(0,90)度之间，夹角601-3和601-2均满足(0,90)或(90,180)度之间。应理解，在图3中，夹角601-3在(90,180)度之间，夹角601-2在(0,90)度之间的示例。本申请对具体制备时使用的角度不做限定，满足前述的倾斜角度注入的条件即可。
一般地，夹角601-1在(10,80)度之间，以在所有制备步骤完成后，形成与光场重叠区域较大的载流子耗尽区。例如，夹角601-1为45度，以形成调制效率较高的PN结。应理解，第一注入方向角度的选择取决于波导块的间距、高度、宽度和/或掩膜厚度等。
步骤305，继续以一组掩膜500为阻挡，以第二注入方向602向刻蚀后的光波导400内注入N型离子,以在所述P型离子所在的区域和所述N型离子所在的区域的交界处形成PN结的载流子耗尽区，第二注入方向602与第一方向(如图2所示的z方向)的夹角在(0,90)度之间，第二注入方向602与所述多个波导块的排列方向的夹角在(90,180)或(0，90)度之间，第一注入方向602与所述第二方向(如图2所示的x方向)的夹角在(90,180)或(0，90)度之间。
以图3为例来说明第二注入方向602以及它和第一注入方向601的关系。如图3所示，注入方向602和三个轴分别形成了一个夹角。具体地，注入方向602于z轴形成夹角602-1，与y轴形成夹角602-3，与x轴形成夹角602-2。在该实施例中，第一注入方向602需要满足如下条件，以实现倾斜角度的N型离子注入：夹角602-1在(0,90)度之间，夹角602-3和602-2均满足(90,180)或(0,90)度之间。应理解，在图3中，夹角602-3在(0，90)之间，夹角602-2在(90,180)度之间的示例。本申请对具体制备时使用的角度不做限定，满足前述的倾斜角度注入的条件即可。
需要说明的是，第二注入方向602和第一注入方向601与x轴的夹角在本示例中分别是(90，180)度之间和(0，90)度之间。在其他示例中，他们的关系可能掉换过来，即可能是分别是(0，90)度之间和(90，180)度之间。也就是说这两个夹角遵循一个是锐角，另外一个是钝角的关系。第二注入方向602和第一注入方向601与y轴的夹角也有类似的关系，在此不再赘述。
一般地，类似夹角601-1，夹角602-1在(10,80)度之间，以在所有制备步骤完成后，形成与光场的重叠区域较大的载流子耗尽区。例如，夹角602-1为45度，以形成调制效率较高的PN结。还需要说明的是，为了形成较好性能的载流子耗尽区，第二注入方向602和第一注入方向601呈现一定的关系，即：第二注入方向602与第一注入方向601沿第一方向的轴对称方向的夹角小于10度。这么做的好处是，可以形成与光场重合程度较高的PN结载流子耗尽区，从而获得较好的调制效率。如图3所示，方向603为第一注入方向601沿z方向的轴对称方向。第二注入方向602与第一注入方向601沿第一方向的轴对称方向的夹角小于10度，可以理解为第二注入方向602和方向603的夹角603-1小于10度。例如，5度；又例如，第二注入方向602和第一注入方向601为轴对称关系。
还需要说明的是，载流子耗尽区也可以称为有效调制区、载流子耗尽区、PN结势垒区或PN结阻挡层等。本申请对此不做限定。
经过上述三个制备步骤后，可以获得调制效率较好、光学损耗较低的PN结。下面结合更多附图的示例来描述经图2所示制备步骤的PN结。图4为本申请实施例提供的一种可能的PN结的俯视图。具体地，PN结700包括平板波导层401、光栅波导结构402和载流子耗尽区(图中未显示)。光栅波导结构402的多个波导的间隔排列，降低了光在经过PN结时所带来的光学损耗，提升了PN结的对应的性能。平板波导层401包括P型掺杂区域401-1和N型掺杂区域401-2。类似地，光栅波导结构402包括的多个波导的每一个也包括P型掺杂区域和N型掺杂区域，在图4中的附图标记分别为402-1和402-2。应理解，P型掺杂区域也可以称为P区、P离子掺杂区、P型离子区域或P型离子所在的区域等，本申请对此名称不做限定。类似地，N型掺杂区域也可以称为N区，N离子掺杂区、N型离子区域或N型离子所在的区域等。需要说明的是，在平板波导层中，P区和N区分别都具备多个突出区域且沿光栅波导结构402包括的多个波导的排布方向交替排列。在光栅波导结构402内，P区和N区的分布与平板层的P区和N区分布类似。需要说明的是，载流子耗尽区(图4中未示出)位于P区和N区的交界处。如图4的示例的俯视图所示，载流子耗尽区在平板波导层呈类似首位相接的S型分布；在光栅波导结构402的每一个波导中呈类似S型分布。需要说明的是，载流子耗尽区在平板波导层中在平行于x轴和y轴的任一平面上的截面形状跟图4所示的俯视图类似。类似地，光栅波导结构中的载流子耗尽区在平行于x轴和y轴的平面上的截面形状跟图4所示的俯视图类似。应理解，图4仅是示意图，其他类似S型形状的变形也在本申请范围内。此外，本申请的图8-9还给出其他可能的示例，参见相关附图和描述，在此不予赘述。
图5为图4所示PN结的剖视示意图。为说明PN结的性能，图5示出了光场分布的示意图(205)。具体地，图5为沿图4所示的A-A’位置对PN结700的剖视示意图。如图5所示，PN结700包括平板波导层401(401-1和401-2)、光栅波导结构402(402-1和402-2)和载流子耗尽区403。针对平板波导层401和光栅波导结构402的描述参见图2-4，在此不再赘述。图6为本申请提供的一种可能的PN结的仿真性能示意图。图6为PN结的局部仿真示意图，包括了部分的平板波导层401和光栅波导层402的多个波导的一个波导，以及该波导的载流子耗尽区403。如图6所示，载流子耗尽区403占据了超过该波导的50％，也就是说该波导的有效区域(调制区域)较大。另外，沿光场方向看，无效区域(也就是非载流子耗尽区)较小。
结合图4的载流子耗尽区俯视图、图5的剖视图和图6的仿真性能图可以看出，图4所示的载流子耗尽区在图5所示的界面的投影和光场的重合面积较大，可以较好地提升PN结的调制效率。
应理解，调制效率不仅取决于载流子耗尽区与光场在图5所示的横截面的重合程度，也取决于二者在光的传播方向的重合程度。结合图4和图5可以看出，采用图2所示的PN结制备方法制作的PN结在光的传播方向上跟光模场也有较好的重合度。此外，该PN结的无效区域较小，光学损耗也较低。
综上，采用图2所示的PN结制备方法可以制作出光学损耗较低、调制效率较好的PN结。此外，相比于通过多次的不同掩膜的方式来分别进行光波导刻蚀和离子掺杂相比，图2所示的实施例仅使用一次掩膜同时完成光波导刻蚀和掺杂，工艺简单，实现难度较低，有利于降低PN结的制备成本。进行多次掩膜会引入一定的对准误差，导致P区和N区的位置发生偏移，影响了PN结的调制效率。通过仿真发现，PN结的调制效率可能降低40％以上，这大大影响了PN结的加工良品率(即制作出来的PN结满足预期性能的比例，亦称为良率)。图2所示的PN结制备方式仅使用一次掩膜，避免引入对准误差，从而有效地提升了良率，可以降低PN结的制备成本。
图7为本申请实施例提供的另一种PN结制备方法的示意图。如图7所示，制备方法800包括五个步骤，即步骤301、802、303、804和305。步骤301、303和305与图2中的三个步骤基本相同，具体参见图2的相关描述，在此不再赘述。步骤802是在进行对刻蚀后的光波导400进行P型离子掺杂前，放置掩膜901到如图5所示的掺杂N型离子区域401-2的上方。类似地，步骤805是在进行对刻蚀后的光波导400进行N型离子掺杂前，放置掩膜902到如图5所示的掺杂P型离子区域401-1的上方。放置这两个掩膜(901和902)的好处是，可以减低在离子掺杂过程中，离子掺杂入非对应掺杂区域。例如，掩膜901可以防止P型离子掺杂进入N型掺杂区域401-2中。对应地，掩膜902可以防止N型离子掺杂进入P型掺杂区域401-1中。这么做可以进一步地提高PN结的良率，进一步降低制作成本。
图7所示的PN结制备方法带来的有益效果同图2所示的PN结制备方法同，即制作出的PN结的调制效率和光学损耗性能也有较好的改善，具体在此不再赘述。此外，图7所示的制备方法可以进一步提高PN结的良率。
图8为本申请实施例提供的另一种可能的PN结结构图。如图8所示，PN结900包括平板波导层的P型掺杂区901、平板波导层的N型掺杂区902、光栅波导层的P型掺杂区903、光栅波导层的N型掺杂区904以及载流子耗尽区(图中未示出)。具体地，PN结900为两层结构，通过现有制备工艺、或者如图2或图7所示的PN结制备方式，实现如图8所示的结构。光栅波导层包括多个沿光传播方向排列的多个波导。P型掺杂区和N型掺杂区的交界处为载流子耗尽区。下面结合附图9-11，对载流子耗尽区进一步的描述。
图9为图8所示的PN结的俯视图。如图9所示，光栅波导层的P型掺杂区域903在平板波导层表面的投影跟平板波导层的P型掺杂区域901在平板波导层表面的投影重合。需要说明的是，在本申请中，重合指的是两个在同一个平面上的投影区中较小的区域基本落在了较大的区域里。重合也可以称为基本重合。应理解，两个P型掺杂区域(903和901)的关系也可以描述为：光栅波导层的P型掺杂区域903在平板波导层表面的投影落在平板波导层的P型掺杂区域901在平板波导层表面的投影内。类似地，两个N型掺杂区域(904和902)也有类似的关系。具体地，光栅波导层的N型掺杂区域904平板波导层表面的投影跟平板波导层的N型掺杂区域902平板波导层表面的投影重合。类似地，在光栅波导层形成的载流子耗尽区在平板波导层上表面的投影和在平板波导层形成的载流子耗尽区在平板波导层上表面的投影重合。
需要说明的是，因为制作工艺的限制，同类型的掺杂区域不一定是完全重合，在边缘部分可能存在少量的不重合区域。类似地，上下层的载流子耗尽区也不一定完全重合，可能因为掺杂工艺或者其他制作误差原因，存在不完全重合的部分。应理解，这种存在少量不重合区域或者不完全重复部分的情况也属于本申请描述的重合关系。
如图9所示，d’为相邻的两个波导的距离的一个示例。在这个示例中，d’为波导沿光传播方向上的宽度d和两个相邻波导的间隙大小之和，也称为周期。一般地，周期d’需要小于通过该光栅波导的波长。通常地，光栅波导层中两个相邻的波导的距离小于或等于1.6微米(micrometer，μm)，例如d’小于1.6μm。在一种可能的实现中，光栅波导层中两个相邻的波导的距离小于500纳米(nanometer，nm)，例如d’小于500nm。这么设计可以覆盖较为宽泛的波长范围，扩大了PN结适用的场景。通常地，光栅波导层中一个波导沿光传播方向的宽度小于或等于800nm，即d小于或等于800nm。在一种可能的实现中，d为d’的一半，例如：d’为500nm，d为250nm。这么设计能够均衡载流子耗散区和相邻的两个波导之间的间隙的比例，以在保证调制效率的同时最大程度地降低光学损耗。应理解，相邻的两个波导的距离可以通过其他方式来进行测量，例如通过两个波导的中轴线的距离来测量或者其他方式。对此，本申请不做限定。
如图9所示，P型掺杂区域901和N型掺杂区域902均具有突出区域，且这些突出区域沿光传播方向交替排列。两个掺杂区域交界处为载流子耗尽区(图中未示出)。类似图4，图9所示的交界处也可以呈S型分布。取决于光栅波导区域上的波导块沿光传播方向上的宽度，交界处也可以成一字型分布或者类似于一字的分布。相较于后者，S型分布形态的载流子耗尽区域光场有更大的重合度，调制效率可能相对也更高一些。但是相较于现有技术，两种分布形态的载流子耗尽区均在调制效率上有较好的改善。应理解，图9给出来的仅是交界区域的示意图，该交界区域的形态也可以替换为如图4所示的形态。
图10为图9所示的PN结的第一剖视图。图11为图9所示的PN结的第二剖视图。具体地，图10和图11分别为沿B-B’位置和沿C-C’位置的剖视图。针对已在图8-9出现的部分，即901-904，在此不再赘述。P型掺杂区域1001包括平板波导层的P型掺杂区域901和光栅波导层的P型掺杂区域903。N型掺杂区域1002包括平板波导层的N型掺杂区域902和光栅波导层的P型掺杂区域904。应理解，P型掺杂区域1001和N型掺杂区域1002是在一块波导上进行离子掺杂形成的，本申请中附图的划分仅是为了描述出各个区域的不同特征。
图10和图11示出了两个不同剖视位置上的载流子耗尽区的示意图。其中，图10示出的载流子耗尽区1003更靠近N型掺杂区域，图11示出的载流子耗尽区1004的截面面积最大。结合图9-11可以看出，载流子耗尽区在沿光传播方向和光模场的重合度都比较高。因此，图9所示的PN结的调制效率比较高。此外，间隔排列的光栅波导结构设计让PN结的光学损耗较低。
应理解，图8所示的光栅波导结构是沿某一直线方向排列。在具体实现中，光栅波导结构还可以为环形间隔排列。具体地，参见图15-16的相关描述，在此不予赘述。
图12为本申请实施例提供的又一种PN结构的示意图。如图12所示，PN结1100包括如图4所示的PN结700、P+掺杂区域1101和N+掺杂区域1102。其中，P+掺杂区域的离子浓度高于PN结700中的P型掺杂区域的离子浓度且与PN结700中的P型掺杂区域邻接，用于进行电极连接。类似地，N+掺杂区域的离子浓度高于PN结700中的N型掺杂区域的离子浓度且与PN结700中的N型掺杂区域邻接，用于进行电极连接。应理解，本实施例中的PN结700可以替换为前述其他实施例中的PN结，例如图8所示的PN结。本实施例PN结的有益效果同前述实施例类似，在此不再赘述。
图13为本申请实施例提供的一种调制器的结构示意图。如图13所示，调制器1200为马赫增德调制器，包括两个耦合器1201-A和1201-B、两个PN结(1100-A和1100-B)、多个电极(图中未示出)和多段波导(图中未标记)。具体地，耦合器1201-A的一端为调制器的输入端，耦合器1201-A的另外两端分别和PN结1100-A以及PN结1100-B通过波导耦合。PN结1100-A以及PN结1100-B通过波导与耦合器1201-B耦合，耦合器1201-B提供调制器的输出端。其中，两个PN结为图12所示的PN结1100。通过电极给两个PN结施加反向偏压，能够对经由耦合器1201-A分束进入两个PN结的光进行调制，以获得两个光信号。然后，这两个光信号通过耦合器1201-B合束后输出。
在一种可能的实现中，多个电极的数量为两个，分别用于接入负向驱动信号和正向驱动信号。例如，两个电极可以位于两个PN结的两侧。在另一种实现中，多个电极的数量为五个，分别用于接地、接入负向驱动信号、接地、接入正向驱动信号和接地。例如，五个电极中的四个可以分布于两个PN结的两侧，另外一个电极位于两个电极之间。需要说明的是，本实施例描述的电极和PN结的相对位置仅是示例，在具体的实现中可以按照其他方式放置电极。
图14为本申请实施例提供的另一种调制器的结构示意图。如图14所示，调制器1300为微环调制器，包括环状波导型PN结1400和两个波导(1301和1302)。具体地，两个波导1301和1302分别设置于环状波导型PN结1400的两侧，且两个波导平行。两个波导形成调制器的四个端口，其工作原理为本领域技术人员公知常识，在此不予赘述。应理解，本申请的基本平行关系包括严格的平行关系或者稍微有点误差但不影响调制器性能的平行关系。这种误差可能是因为制作工艺或者其他原因引入的。
下面结合附图15-16，对环状波导型PN结1400进行进一步的描述。图15为本申请实施例提供的再一种可能的PN结的俯视图。图16为图15所示PN结结构的剖视图。具体地，图16为沿D-D’方向针对图15所示的PN结的剖视图。
如图15所示，环状波导型PN结1400的俯视示意图跟图4或图8所示的PN结俯视示意图类似，分为两层(平板波导层和多个波导块间隔排列的光栅状波导层)，且载流子耗尽区呈类似S型分布或类似一字型分布(图中为示出)。与前述两个PN结实施例不同的是，图15所示的环状波导型PN结1400的上层间隔排列的波导呈环形排列。本申请的环状可以是圆环型、椭圆形或者跑道形等。本申请对此不做限定。需要说明的是，环状波导型PN结1400的P型掺杂区域和N型掺杂区域也类似。如图16所示，环状波导型PN结1400包括P型掺杂区1401、N型掺杂区域1402和载流子耗尽区(1403-A和1403-B)。具体地，P型掺杂区1401分为两层，在图16所示的剖视图中，下层包括1401-1和1401-3，上层包括1401-2和1401-4。类似地，N型掺杂区1402分为两层，在剖视图中，下层包括1402-1，上层包括1402-2。图15-16所示的环状波导型PN结可以通过传统的垂直离子掺杂工艺实现，其光学损耗和调制效率性能优于如图1所示的PN结。
应理解，图15所示的平板波导层为圆形。在实际实现中，平板波导层还可以为其他结构，例如方形或者椭圆形等。对此，本申请不做限定。
示例性地，环状波导型PN结1400用于连接两个电极的区域(P+掺杂区域和N+掺杂区域)可以分别设置在1402-1上(即平板波导层之上，环形波导之内)和1401上(即平板波导层之上，环形波导之外)。本申请对于电极具体设计不做限定。
需要说明的是，上述两种类型的调制器可以作为光开光或光滤波器使用，对比本申请不做限定。
最后应说明的是：以上所述仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种PN结的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
以一组第一掩膜为阻挡，沿第一方向刻蚀光波导，以在所述光波导的表面形成光栅波导结构，所述一组第一掩膜为间隔排列的多个掩膜，所述光栅波导结构包括多个间隔排列的波导块且所述光栅波导结构的厚度小于所述光波导的厚度；
以所述一组第一掩膜为阻挡，以第一注入方向向所述光波导内注入P型离子,所述第一注入方向与所述第一方向的夹角在(10,80)度之间，所述第一注入方向与所述多个掩膜的排列方向的夹角在(0，90)或(90,180)度之间，所述第一注入方向与第二方向的夹角在(0，90)或(90,180)度之间，所述第二方向与所述多个掩膜的排列方向和所述第一方向均垂直；
以所述一组第一掩膜为阻挡，以第二注入方向向所述光波导内注入N型离子,以在所述P型离子所在的区域和所述N型离子所在的区域的交界处形成所述PN结的载流子耗尽区，所述第二注入方向与所述第一方向的夹角在(10,80)度之间，其中：当所述第一注入方向与所述多个掩膜的排列方向的夹角在(0，90)度之间时，所述第二注入方向与所述多个掩膜的排列方向的夹角在(90,180)度之间，或者，当所述第一注入方向与所述多个掩膜的排列方向的夹角在(90，180)度之间时，所述第二注入方向与所述多个掩膜的排列方向的夹角在(0,90)度之间；当所述第一注入方向与所述第二方向的夹角在(0，90)度之间时，所述第二注入方向与所述第二方向的夹角在(90,180)度之间，或者，当所述第一注入方向与所述第二方向的夹角在(90，180)度之间时，所述第二注入方向与所述第二方向的夹角在(0,90)度之间。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
在以所述第一注入方向向所述光波导内注入P型离子之前，设置第二掩膜到所述N型离子所在的区域上。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
在以所述第二注入方向向所述光波导内注入N型离子之前，设置第三掩膜到所述P型离子所在的区域上。
4.如权利要求1-3任一所述的制备方法，其特征在于，所述第二注入方向与所述第一注入方向沿所述第一方向的轴对称方向的夹角小于10度。
5.如权利要求1-4任一所述的制备方法，其特征在于，所述第一注入方向与所述第一方向的夹角为45度，所述第二注入方向与所述第一方向的夹角为45度。
6.一种PN结，其特征在于，所述PN结包括第一波导区域和第二波导区域，其中：
所述第一波导区域设置在所述第二波导区域上，所述第一波导区域包括多个沿第一方向间隔排列的第三波导；
所述第二波导区域包括第一P型掺杂区域和第一N型掺杂区域，所述第一P型掺杂区域包括多个第一突出区域，所述第一N型掺杂区域包括多个第二突出区域，所述第一突出区域和所述第二突出区域沿所述第一方向交替排列，所述第一P型掺杂区域和所述第一N型掺杂区域的交界处形成第一载流子耗尽区，所述第一载流子耗尽区沿所述第一方向呈首尾相接的S型；
所述多个第三波导的每一个包括第二P型掺杂区域和第二N型掺杂区域，所述多个第三波导的每一个波导的所述第二P型掺杂区域和所述第二N型掺杂区域的交界处形成一个第二载流子耗尽区；
所述多个第二P型掺杂区域在所述第二波导区域的上表面上的投影与所述第一P型掺杂区域在所述第二波导区域的上表面上的投影重合，所述多个第二N型掺杂区域在所述第二波导区域的上表面上的投影与所述第一N型掺杂区域在所述第二波导区域的上表面上的投影重合，所述多个第二载流子耗尽区在所述第二波导区域的上表面上的投影与所述第一载流子耗尽区在所述第二波导区域上表面上的投影重合。
7.如权利要求6所述的PN结，其特征在于，所述多个第三波导的相邻的两个波导的间隔和所述多个第三波导的任意一个沿所述第一方向的宽度之和小于500纳米。
8.如权利要求6或7所述的PN结，其特征在于，所述多个第三波导的任意一个沿所述第一方向的宽度小于250纳米。
9.如权利要求6-8任一所述的PN结，其特征在于，所述第一波导区域和/或所述第二波导区域的材料包括硅或III-V族材料。
10.如权利要求6-9任一所述的PN结，其特征在于，所述多个第二载流子耗尽区的每一个呈S型。
11.如权利要求6-10任一所述的PN结，其特征在于，所述第一载流子耗尽区和所述多个第二载流子耗尽区是通过倾斜角度离子注入掺杂实现的。
12.如权利要求6-10任一所述的PN结，其特征在于，所述第一方向为直线或环形。
13.马赫曾德调制器，其特征在于，所述调制器包括多个波导、如权利要求6-11任一所述的两个PN结、两个耦合器和电极，其中：
所述两个PN结的每一个的两端分别通过所述多个波导和所述两个耦合器分别连接；
所述两个耦合器的一个包括所述调制器的输入端，所述两个耦合器的另一个包括所述调制器的输出端；
所述电极用于给所述两个PN结调制器施加电压，以改变输入所述两个PN结的光的相位。
14.如权13所述的调制器，其特征在于，所述电极的数量为两个，所述两个电极分别用接入负向驱动信号和正向驱动信号。
15.如权13所述的调制器，其特征在于，所述电极的数量为五个，所述五个电极分别用接地、接入负向驱动信号、接地、接入正向驱动信号和接地。
16.微环调制器，其特征在于，所述微环调制器包括如权利要求6-10任一所述的PN结和两个直波导，所述PN结的所述多个第三波导为环形间隔排列，所述两个直波导分别位于所述PN结的两侧且所述两个直波导互相平行。
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