CN115616824A - 一种超高带宽硅基调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电子集成领域，尤其涉及一种超高带宽硅基调制器。所述硅基调制器包括调制臂，所述调制臂从下至上依次连接的硅衬底、二氧化硅埋氧层、脊形波导层、二氧化硅覆盖层和电极，还包括穿过所述二氧化硅覆盖层的过孔，所述过孔的一端连接所述电极，另一端连接所述脊形波导层；所述脊形波导层由平板层和位于所述平板层中间上方的脊组成，所述脊的宽度沿所述脊形波导层的纵向方向呈现周期性变化。所述硅基调制器的高频电极为GSGSG结构，用来传输高速信号。本发明的硅基调制器由于引入了慢光波导，其产生的慢光效应降低了光信号在其中传播的群速度，从而增强了光与调制区的相互作用，提高调制器的调制能力。
Description
技术领域
本发明涉及光电子集成领域，尤其涉及一种超高带宽硅基调制器。
背景技术
随着现代信息社会中的数据业务量快速增长，以硅基光电子学为代表的光电集成技术成为未来的发展趋势。硅基光电子技术采用传统微电子领域的硅材料作为功能材料，具有成本低、尺寸小、CMOS工艺兼容、稳定性好、高集成度等优点，被视为降低光通信和光互连成本和功耗的理想解决方案。作为芯片级数据传输的重要组成部分，硅基电光调制器是硅基光电子学中的核心器件，其用于完成电信号到光信号的转换，成为学术界及产业界研究的热点。
硅基电光调制器的主要物理原理是等离子色散效应，即硅的折射率会随着自由载流子浓度的改变而变化。虽然其可与CMOS工艺兼容，但受限于等离子色散效应，其电光带宽通常较低，限制了传输速率的进一步提高，从而限制了其在超高速场景中的应用。同时，硅基调制器在设计上分为硅基马赫曾德尔调制器和硅基微环调制器两种，传统的硅基马赫曾德尔调制器虽然具有较好的稳定性，但受限于载流子色散效应有限的调制作用，其需要较长的调制臂来实现调制功能，长度一般在毫米量级，较大的尺寸限制了其在高密度光电集成中的应用；而基于谐振腔结构的硅基微环调制器虽然在尺寸上具有优势，但其光学带宽很窄，工作波长范围有限，限制了其在实际中的应用，同时对温度非常敏感，在工作中需要引入温度控制模块并由此产生更多能耗。
因此，为满足下一代大规模超高速与超高密度光电集成的需要，在CMOS兼容的工艺下克服以上局限性，研发一种具有超高电光带宽，且同时具有超小尺寸与大光学带宽，并能进行大规模晶圆级生产的硅基调制器，成为硅基光电子学中的重要研究课题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种超高带宽硅基调制器，该硅基调制器与CMOS工艺兼容，尺寸超小，具有超高的电光带宽与光学带宽，可在整个通带范围内支持单路超高速率传输。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种超高带宽硅基调制器，包括调制臂，所述调制臂包括从下至上依次连接的硅衬底、二氧化硅埋氧层、脊形波导层、二氧化硅覆盖层和电极，还包括穿过所述二氧化硅覆盖层的过孔，所述过孔的一端连接所述电极，另一端连接所述脊形波导层；
所述脊形波导层由平板层和位于所述平板层中间上方的脊组成，所述脊的宽度沿所述脊形波导层的纵向方向呈现周期性变化。
根据本发明提供的超高带宽硅基调制器，所述脊具有布拉格光栅结构。
根据本发明提供的超高带宽硅基调制器，沿所述脊形波导层的纵向方向，所述脊的宽度在第一宽度和第二宽度之间呈现周期性变化，所述第一宽度为300nm，所述第二宽度为1μm。
根据本发明提供的超高带宽硅基调制器，所述周期性变化的周期为300nm。
根据本发明提供的超高带宽硅基调制器，所述脊形波导层的总高度为220nm，所述平板层的高度为70nm，所述脊的高度为150nm。
根据本发明提供的超高带宽硅基调制器，所述脊形波导层沿横向包括P++掺杂区、P+掺杂区、P掺杂区、N掺杂区、N+掺杂区和N++掺杂区；其中，P掺杂区和N掺杂区为轻掺杂区，用来形成PN结，对称设置在所述脊形波导层的中间；P++掺杂区和N++掺杂区为重掺杂区，用来形成欧姆接触，对称设置在所述脊形波导层的两端；P+掺杂区连接P掺杂区和P++掺杂区，N+掺杂区连接N掺杂区和N++掺杂区。
根据本发明提供的超高带宽硅基调制器，所述硅基调制器基于百微米数量级的长度，具有110GHz的电光带宽和8nm的光学带宽，并在不使用DSP(数字信号处理)的情况下实现超过110Gbps OOK(On-Off Keying)信号传输且在整个通带内均可正常工作。
根据本发明提供的超高带宽硅基调制器，所述硅基调制器具体包括：
分束器，用于将待调制光分成两束光；
第一调制臂，用于对其中一束光进行调制；
第二调制臂，用于对另一束光进行调制；
合束器，用于将调制后的两束光进行合并；
其中，所述第一调制臂和所述第二调制臂为上述方案中所述调制臂的结构。
进一步地，所述硅基调制器使用的高频电极为GSGSG结构，用来传输高速射频信号。
本发明提供了一种超高带宽硅基调制器。本发明的硅基调制器由于引入了慢光波导，其产生的慢光效应降低了光信号在其中传播的群速度，从而增强了光与调制区的相互作用，提高调制器的调制能力。经实验测试，该调制器可以基于仅百微米数量级的调制长度，实现110GHz的超高电光带宽及8nm的光学带宽，并在不使用DSP的情况下实现超过110Gbps OOK信号传输且在整个通带内均可正常工作。本发明提出的超高带宽硅基调制器解决了传统硅基调制器在高速通信中带宽受限的问题，适用于超高带宽与超小尺寸的硅基调制器集成方案。
附图说明
图1为传统硅基调制器中调制臂的横截面示意图；
图2为传统硅基调制器中调制臂的脊形波导层的俯视图；
图3为本发明超高带宽硅基调制器中调制臂的横截面示意图；
图4为本发明超高带宽硅基调制器中调制臂的脊形波导层的俯视图；
图5为本发明的硅基调制器的整体架构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
图1为传统硅基调制器中调制臂的横截面示意图，图2为传统硅基调制器中调制臂的脊形波导层的俯视图，可以看出，传统硅基调制器的脊宽度在不同位置处保持恒定不变，其不存在周期性结构。
本发明实施例提供一种超高带宽硅基调制器，包括调制臂，所述调制臂的横截面示意图如图3所示，包括从下至上依次连接的硅衬底、二氧化硅埋氧层、脊形波导层、二氧化硅覆盖层和电极，还包括穿过所述二氧化硅覆盖层的过孔，所述过孔的一端连接所述电极，另一端连接所述脊形波导层；所述脊形波导层由平板部和位于所述平板层中间上方的脊组成，所述脊的宽度沿所述脊形波导层的纵向方向呈现周期性变化。
具体地，本发明实施例中所述脊具有布拉格光栅结构。质言之，沿所述脊形波导层的纵向方向，所述脊的宽度在第一宽度和第二宽度之间呈现周期性变化。当为第一宽度时，横截面如图3中的(a)所示，当为第二宽度时，横截面如图3中的(b)所示。
本发明实施例的调制器采用耗尽型结构，脊形波导采用反向偏置的PN结结构，通过改变加载到PN结的电压，来改变PN结的载流子浓度，从而对波导进行调控，实现电信号到光信号的转换，同时对调制器PN结进行了优化，在脊形波导层通过合理设计引入布拉格光栅结构，形成硅基慢光波导，从而降低光信号的群速度，增强其与调制区的相互作用，以此提高硅基调制器的调制效率，缩小调制器尺寸，并同时实现超高电光带宽与光学带宽，由此支持在整个通带范围内实现单路超高速率传输。
在本发明的一些实施例中，所述第一宽度为300nm，所述第二宽度为1μm。
在本发明的一些实施例中，所述周期性变化的周期为300nm。
在本发明的一些实施例中，所述脊形波导层的总高度为220nm，所述平板层的高度为70nm，所述脊的高度为150nm。
图4为本发明实施例的硅基调制器中调制臂的脊形波导层的俯视图。布拉格光栅以谐振腔的形式组成，在相移区两侧各有一定数目的光栅，由此构成一个谐振腔，每段调制臂中共有若干谐振腔级联组成慢光波导部分。该慢光结构会显著增大光的群折射率，降低群速度，增强光信号与调制区的相互作用，从而提高单位长度的调制能力，缩短相移臂长度，同时经过优化设计，实现了超高的电光带宽与光学带宽。
在本发明的一些实施例中，相移区两侧光栅数目各为20个，由此构成一个谐振腔，每段调制臂共有10个谐振腔级联组成慢光波导。
基于上述实施例，所述脊形波导层沿横向包括P++掺杂区、P+掺杂区、P掺杂区、N掺杂区、N+掺杂区和N++掺杂区；其中，P掺杂区和N掺杂区为轻掺杂区，用来形成PN结，对称设置在所述脊形波导层的中间；P++掺杂区和N++掺杂区为重掺杂区，用来形成欧姆接触，对称设置在所述脊形波导层的两端；P+掺杂区连接P掺杂区和P++掺杂区，N+掺杂区连接N掺杂区和N++掺杂区。
需要说明的是，图4中有两个图例表示P Si(P掺杂区)，这两个图例代表的P掺杂区的掺杂浓度是一致的，图中用不同图例是为了便于看出脊结构的俯视效果，同理，两个表示N Si(N掺杂区)的图例所代表的区域掺杂浓度是一致的，用不同图例是为了便于看出脊结构的俯视效果。同样地，图2中也采用了同一掺杂浓度不同图例表示的设计。
本发明提供的超高带宽硅基调制器，其架构示意图如图5所示，具体包括：
分束器，用于将待调制光分成两束光；
第一调制臂，用于对其中一束光进行调制；
第二调制臂，用于对另一束光进行调制；
合束器，用于将调制后的两束光进行合并；
其中，所述第一调制臂和所述第二调制臂为上述实施例中提及的调制臂的结构。
上述调制装置以马赫曾德尔干涉仪结构为基础，光信号经过1×2分束器均分为两束并分别被调制臂调制，然后两束调制光在1×2合束器处发生干涉，输出光强随着加载到调制臂的电压幅值的改变而改变。调制器采用双驱动结构，共两个调制臂，长度仅为百微米数量级。高频电极使用GSGSG结构，采用差分信号驱动，使两臂的相位差改变量增大，从而增强调制效果。
通过对该调制器进行性能测试，其解决了传统硅基调制器在高速通信中带宽受限的问题，具有110GHz的电光带宽及8nm的光学带宽，并在不使用DSP的情况下成功实现超过110Gbps OOK信号传输，眼图效果良好且在整个通带内均可正常工作，为超高速超高密度硅基光电集成提供了关键解决方案。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种超高带宽硅基调制器，其特征在于，包括调制臂，所述调制臂包括从下至上依次连接的硅衬底、二氧化硅埋氧层、脊形波导层、二氧化硅覆盖层和电极，还包括穿过所述二氧化硅覆盖层的过孔，所述过孔的一端连接所述电极，另一端连接所述脊形波导层；
所述脊形波导层由平板层和位于所述平板层中间上方的脊组成，所述脊的宽度沿所述脊形波导层的纵向方向呈现周期性变化。
2.根据权利要求1所述的超高带宽硅基调制器，其特征在于，所述脊具有布拉格光栅结构。
3.根据权利要求2所述的超高带宽硅基调制器，其特征在于，沿所述脊形波导层的纵向方向，所述脊的宽度在第一宽度和第二宽度之间呈现周期性变化，所述第一宽度为300nm，所述第二宽度为1μm。
4.根据权利要求3所述的超高带宽硅基调制器，其特征在于，所述周期性变化的周期为300nm。
5.根据权利要求3所述的超高带宽硅基调制器，其特征在于，所述脊形波导层的总高度为220nm，所述平板层的高度为70nm，所述脊的高度为150nm。
6.根据权利要求1所述的超高带宽硅基调制器，其特征在于，所述脊形波导层沿横向包括P++掺杂区、P+掺杂区、P掺杂区、N掺杂区、N+掺杂区和N++掺杂区；其中，P掺杂区和N掺杂区为轻掺杂区，用来形成PN结，对称设置在所述脊形波导层的中间；P++掺杂区和N++掺杂区为重掺杂区，用来形成欧姆接触，对称设置在所述脊形波导层的两端；P+掺杂区连接P掺杂区和P++掺杂区，N+掺杂区连接N掺杂区和N++掺杂区。
7.根据权利要求1-6任一项所述的超高带宽硅基调制器，其特征在于，所述硅基调制器基于百微米数量级的长度，具有110GHz的电光带宽和8nm的光学带宽，并在不使用DSP的情况下实现超过110Gbps OOK信号传输且在整个通带内均可正常工作。
8.根据权利要求1-6任一项所述的超高带宽硅基调制器，其特征在于，所述硅基调制器具体包括：
分束器，用于将待调制光分成两束光；
第一调制臂，用于对其中一束光进行调制；
第二调制臂，用于对另一束光进行调制；
合束器，用于将调制后的两束光进行合并；
其中，所述第一调制臂和所述第二调制臂具有权利要求1-6任一项中所述调制臂的结构。
9.根据权利要求8所述的超高带宽硅基调制器，其特征在于，所述硅基调制器使用的高频电极为GSGSG结构，用来传输高速射频信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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