CN117518675A - 一种基于法布里-珀罗谐振腔的硅电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于法布里‑珀罗腔的谐振型硅电光调制器。调制器包括布拉格光栅及模式复用器，输入波导，输出波导，中间有源区波导与电极。两侧的布拉格光栅采用非对称多模条波导光栅结构并引入渐变光栅结构，通过双层锥形波导实现两侧条波导与中间有源区脊波导的转换，有源区采用耗尽型PN掺杂结构并引入交叉掺杂结构，两侧掺杂区域通过通孔与集总电极相连。本发明通过实现对由两个布拉格光栅构成的法布里‑珀罗腔的谐振波长的调谐，从而完成高速电光的调制，具有低损耗，尺寸紧凑，波长稳定，工艺不敏感的优势，可以应用在高速光通信等领域。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于法布里-珀罗谐振腔的硅电光调制器。
背景技术
光纤通信具有低损耗，大带宽，成本低，不受电磁干扰等优点。随着5G建设，数据中心，光无源网(PON)等众多通信应用场合的飞速发展，光纤通信在现代信息社会正发挥着越来越大的作用。目前光纤通信承载了全球90％以上的通信容量。未来的光纤通信将向着高集成化，低成本方向发展。随着集成光子学的发展，硅光子学是最有希望实现光子集成的技术，其具有与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺相兼容与高集成度等优点，而愈发得到业界的重视。在硅光子中最为核心的器件之一就是调制器，传统光通信采用的调制器为铌酸锂调制器与三五族电吸收调制器，这些调制器具有大带宽，低损耗等优势，但是集成度较低，成本高昂且无法与CMOS工艺相兼容，限制了其在大规模集成光路中的应用。
在硅光子中广泛使用的硅调制器具有尺寸较小，CMOS工艺兼容，调制效率高等优势。硅调制器基于的是硅材料的等离子色散效应，即硅波导中的载流子浓度的变化可以对硅材料的折射率实部与虚部进行调制。通过在硅波导中引入特殊的掺杂结构，通过调控外界电压让掺杂半导体中的载流子浓度发生改变，再基于硅的载流子色散效应实现硅波导有效折射率的改变，实现最终的电光移项的功能。目前主流的硅调制器采用的结构包括马赫曾德尔干涉仪结构与微环谐振腔结构。这两种主流方案目前都存在一定的优缺点，对于赫曾德尔干涉仪结构，其性能稳定，但是尺寸相对较大，功耗与驱动电压较大，插入损耗较大，限制了其在大规模集成芯片中的应用。对于微环谐振腔结构，其尺寸紧凑，带宽较大，调制效率较高，但是其对工艺较为敏感，良率较低，工作波长会随温度变化，需要额外复杂的反馈控制电路。所以同时兼具赫曾德尔干涉仪结构的温度工艺不敏感优点与微环结构的紧凑小尺寸优点的新型硅调制器值得被研究，保证器件在较小尺寸与驱动电压的前提下，具有大带宽，低插入损耗，高消光比，高调制效率与温度工艺不敏感性。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了基于非对称多模布拉格光栅结构的新型法布里-珀罗(F-P)腔谐振型硅电光调制器，相比于传统赫曾德尔干涉仪型结构其尺寸与功耗更小，且相比于微环谐振腔型调制器，其具有更低的温度与工艺敏感性，同时采用非对称多模布拉格光栅有效消除了调制反射光对输入信号的干扰。
本发明采用的技术方案是：
所述调制器包括法布里-珀罗腔结构、基底、第一电极和第二电极，法布里-珀罗腔结构和两个电极均设置在基底的上表面，第一电极和第二电极对称分布在法布里-珀罗腔结构的两侧；
所述法布里-珀罗腔结构包括第一输入波导、第一输出波导、输入模式解复用器、输出模式解复用器、输入多模布拉格光栅、输出多模布拉格光栅、输入双层绝热锥形波导、输出双层绝热锥形波导和有源区脊波导；
所述第一输入波导连接输入模式解复用器的解复用侧的一端，输入模式解复用器的汇总端经双层绝热锥形波导连接输入多模布拉格光栅，输入多模布拉格光栅和输出多模布拉格光栅之间通过有源区脊波导相连，输出多模布拉格光栅经输出双层绝热锥形波导连接输出模式解复用器的解复用侧的一端，输出模式解复用器的汇总端连接第一输出波导，所述第一电极和第二电极对称分布在有源区脊波导的两侧。
所述输入模式解复用器和输出模式解复用器采用非对称绝热耦合结构，所述输入模式解复用器和输出模式解复用器均包括第二输入波导、下载波导、主波导、耦合波导和第二输出波导；
主波导和所述耦合波导均为渐变波导且渐变方向相反，即宽度的渐变变化方向相反，输入模式解复用器的第二输入波导一端连接主波导的大端，另一端用于连接到输入双层绝热锥形波导；输入模式解复用器的第二输出波导的一端连接到主波导的小端，另一端连接到第一输入波导；输出模式解复用器的第二输入波导一端连接主波导的大端，另一端用于连接到输出双层绝热锥形波导，输出模式解复用器的第二输出波导的一端连接到主波导的小端，另一端连接到第一输出波导；
主波导与耦合波导之间存在恒定的耦合间隔Wg2；主波导的输入端宽度为为Wa2，其宽度较大保证了TE1模式的存在且其宽度逐渐变窄构为Wa1以构成绝热锥形波导结构，耦合波导输入端宽度为Wb1且其宽度逐渐变宽为Wb2以构成绝热锥形波导结构，主波导输入和输出端弯曲处的间隔相等；
所述耦合波导平行地位于主波导侧旁并间隔贴近布置，
所述耦合波导的大端和下载波导的一端连接，下载波导另一端用于实现反射调制信号输出，所述耦合波导的小端连接一段弯曲波导；
非对称绝热解复用结构基于超模的模式演化原理实现，可以实现将主波导中TE1模式耦合进入耦合波导中并将光转换为TE0模式，模式耦合解复用区域长度需要较长以保证模式绝热，下载波导采用S弯曲结构将主波导与耦合波导分离，采用绝热结构的模式解复用器具有大工艺容差与大光学带宽的优点，可以降低对工艺精度的要求。
所述输入模式解复用器的主波导的宽度沿光信号传播方向逐渐变大；所述输出模式解复用器的主波导的宽度沿光信号传播方向逐渐变小；所述耦合波导和主波导相靠近的一侧边缘均平行于光信号传播方向布置。
所述输入多模布拉格光栅和输出多模布拉格光栅均包括第三输入波导、输入渐变调制光栅、反对称多模布拉格光栅、输出渐变调制光栅和第三输出波导；多模布拉格光栅采用的是150nm刻蚀的脊波导波导，通过对波导的宽度方向进行周期性调制形成布拉格光栅结构；
所述输入多模布拉格光栅的第三输入波导的一端连接输入双层绝热锥形波导，另一端连接输入渐变调制光栅，输入渐变调制光栅连接反对称多模布拉格光栅，反对称多模布拉格光栅连接输出渐变调制光栅，输出渐变调制光栅连接第三输出波导的一端，第三输出波导的另一端连接有源区脊波导；输出多模布拉格光栅的第三输入波导的一端连接有源区脊波导，另一端连接输入渐变调制光栅，输入渐变调制光栅连接反对称多模布拉格光栅，反对称多模布拉格光栅连接输出渐变调制光栅，输出渐变调制光栅连接第三输出波导的一端，第三输出波导的另一端连接输出双层绝热锥形波导；
多模布拉格光栅的波导宽度为W，单侧光栅齿深δ，光栅周期记为Λ，中间反对称多模布拉格光栅周期数记为N，两侧渐变调制光栅的周期数记为Ntp。通过选择合适的光栅周期，光栅齿深与光栅周期数，可以获得特定布拉格反射波长与反射光学带宽及峰值反射率；
所述输入渐变调制光栅、反对称多模布拉格光栅和输出渐变调制光栅的光栅齿均为矩形；所述输入渐变调制光栅的光栅齿的深度从连接第三输入波导的一端到连接反对称多模布拉格光栅的一端由零线性渐变到反对称多模布拉格光栅的深度，所述输出渐变调制光栅的光栅齿的深度从连接反对称多模布拉格光栅的一端到连接输出渐变调制光栅一端由反对称多模布拉格光栅的深度线性渐变到零；通过设计优化渐变调制光栅，减少了波导模式和光栅模式的模式失配，进而减小了因模式失配所造成的损耗，减低了器件损耗。
输入输出多模布拉格光栅均采用矩形齿以降低光刻的光学临近效应对反射带宽的影响，反对称多模布拉格光栅是指多模布拉格光栅波导两侧的调制光栅齿存在半个周期的错位，此时输入的TE0模式光将转换为TE1模式光，光栅波导采用宽波导以保证TE1模式能够存在，此时根据相位匹配条件n1+n0＝2λ/Λ，此时入射的TE0模式光经过多模布拉格光栅反射将转变为TE1模式，反射的TE1模式将通过模式解复用器耦合进入耦合波导，消除反射光对入射光的串扰。
所述输入双层绝热锥形波导和输出双层绝热锥形波导将多模布拉格光栅与有源区的脊波导转换为输入输出模式复用器的条波导并减少传输损耗；输入双层绝热锥形波导的中心波导两侧存在一个从第二输入波导到第三输入波导由零逐渐线性变大的刻蚀脊；输出双层绝热锥形波导的中心波导两侧存在一个从第三输出波导到第二输入波导逐渐线性变小为零的刻蚀脊。条波导与脊波导由于波导结构的不同，会导致二者的模式有效折射率存在一定的不同，直接将条波导与脊波导进行连接将产生一定的损耗，在多模布拉格光栅脊波导与模式复用器条波导之间引入一个双层绝热锥形波导，通过两侧浅刻蚀脊逐渐线性变化让条波导的有效折射率逐渐缓慢绝热演化为脊波导的有效折射率，可以减少条波导与脊波导之间由于有效折射率差异导致的模式失配，进而降低器件的总体损耗。
所述的硅调制器基于载流子的等离子色散效应，其基本原理是通过外加电压改变硅波导中的载流子浓度，而载流子浓度的变化可以导致折射率与吸收系数发生改变，进而改变硅波导中的有效折射率，最终实现相位调制。对于1550nm工作波段，硅波导的折射率变化量△A及损耗变化量△α由如下公式得到，
ΔA＝-5.4×10-22ΔN1.011-1.53×10-18ΔP0.838
Δα＝8.88×10-21ΔN1.167+5.84×10-20ΔP1.109
其中，ΔN表示电子浓度，△P表示空穴浓度。
所述有源区脊波导包括脊波导、P轻掺杂区域、N轻掺杂区域、P中等浓度掺杂区域、N中等浓度掺杂区域、P重掺杂区域、N重掺杂区域和硅化区域；
所述有源区脊波导主要用于对波导的折射率进行电光调制，其基于掺杂硅材料的等离子色散效应，通过载流子浓度变化改变硅材料折射率，进而改变波导有效折射率并实现相位调制；
所述的脊波导具有中心、脊和平台的三种部位，其中两侧均具有平台，中心和两侧的平台之间均通过一个脊连接，脊的高度均低于中心和平台的高度；
所述P轻掺杂区域和N轻掺杂区域位于脊波导的中心处，形成电学PN结结构，所述P中等浓度掺杂区域与N中等浓度掺杂区域位于脊波导的脊处，所述P中等浓度掺杂区域靠近P轻掺杂区域，所述N中等浓度掺杂区域靠近N轻掺杂区域，且距离中心波导有一定距离，P重掺杂区域与N重掺杂区域分别位于脊波导两侧的平台上，P重掺杂区域靠近P中等浓度掺杂区域，N重掺杂区域靠近N中等浓度掺杂区域，所述P重掺杂区域与N重掺杂区域的上表面形成硅化。
所述硅电光调制器采用载流子耗尽型，其基本结构为反偏PN结，具体为采用改进型的水平交叉掺杂，保证在中心硅波导处同时存在横向PN结与纵向PN结。
所述第一电极和第二电极的结构由下至上均分别为第一层通孔、第一层金属、第二层通孔、第二层金属与第一焊盘；
所述第一电极和第二电极的第一层通孔均分别垂直连接于所述脊波导两侧的平台，所述第一层通孔为阵列结构且与第一层金属的底面垂直连接，所述第一层金属的顶面与采用阵列结构的第二层通孔的底面连接，所述第二层通孔的顶面与第二层金属的底面连接，所述第二层金属的顶面与第一焊盘连接并进行钝化与开窗处理。
所述调制器还包括加热电阻；所述加热电阻布置在所述有源区脊波导的正上方。
所述调制器还包括两个加热电极，加热电极主要用于波长调谐与对准，所述两个加热电极沿垂直于光信号传播方向分为第一加热电极和第二加热电极；所述第一加热电极和第二加热电极布置在加热电阻的两侧，所述第一加热电极和第二加热电极的结构由下至上均分别为第三层通孔、第三层金属、第四层通孔、第四层金属和第二焊盘；
所述第一加热电极和第二加热电极的第三层通孔分别垂直连接于加热电阻，所述第三层金属的底面连接第三层通孔的顶面，所述第三层金属的顶面连接第四层通孔的底面，所述第四层通孔的顶面连接第四层金属的底面，所述第四层金属的顶面连接第二焊盘，焊盘上方的沉积二氧化硅包覆层进行开窗钝化形成加热电极。
本发明采用基于非对称多模布拉格光栅结构的法布里-珀罗(F-P)腔的谐振腔结构，通过对谐振腔长进行调制，实现对谐振波长的有效调节来完成光的调制；采用改进型的PN交叉掺杂方案，有效的权衡了TE0与TE1模式的调制效率，可以实现更高效的谐振波长调制；器件两侧的布拉格光栅(d，i)与中间有源区脊波导(g)采用了超过常见标准450nm宽度的1μm的宽波导设计，通过展宽波导来降低波导宽度变化对光学模式有效折射率的影响，有效降低了由于加工误差导致的波导宽度变化对谐振波长的影响，保证了波长一致性。
本发明的有益效果为：
1、本发明与现有成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺相兼容，采用水平PN结结构的工艺简单，通过对谐振腔长进行调制，实现对谐振波长的有效调节来完成光的调制；具有调制效率高，温度工艺不敏感，器件尺寸紧凑，功耗较低，高消光比，低插入损耗等优点。
2、本发明采用改进型的PN交叉掺杂方案，有效的权衡了TE0与TE1模式的调制效率，可以实现更高效的谐振波长调制。
3、本发明采用的布拉格光栅采用非对称结构，并通过引入反射高阶模TE1，在布拉格光栅末端加入模式解复用器可以将反射TE1模式光解复用到旁侧的耦合波导中，从而有效消除了反射光对输入光信号的串扰，有效克服了反射式调制器的不足。
4、本发明采用了宽波导设计，通过展宽波导来降低波导宽度变化对光学模式有效折射率的影响，有效降低了由于加工误差导致的波导宽度变化对谐振波长的影响，保证了波长一致性。
附图说明
图1是基于法布里-珀罗(F-P)腔的谐振型硅电光调制器的整体结构示意图；
图2是模式解复用器的示意图；
图3是非对称多模布拉格光栅的示意图；
图4是谐振型硅电光调制器有源区的截面示意图；
图5是调制器有源区中间脊波导处的周期交叉PN轻掺杂的示意图；
图6是谐振型硅电光调制器加热区的示意图。
图1中：a为第一输入波导，b为输入模式解复用器，c为输入双层绝热锥形波导，d为输入多模布拉格光栅，e1为第一电极，e2为第二电极，f1为第一加热电极，f2为第二加热电极，g为有源区脊波导，h为加热电阻，i为输出多模布拉格光栅，j为输出双层绝热锥形波导，k为输出模式解复用器，l为第一输出波导。
图2中：201为第二输入波导，202为主波导，203为耦合波导，204为第二输出波导，205为下载波导。
图3中：301为第三输入波导，302为输入渐变调制光栅，303为反对称多模布拉格光栅，304为输出渐变调制光栅，305为第三输出波导。
图4中：401为第一焊盘，402为第二层金属，403为第二层通孔，404为第一层金属，405为硅化区域，406为第一层通孔，407为P重掺杂区域，408为P中等浓度掺杂区域，409为P轻掺杂区域，410为N轻掺杂区域，411为N中等浓度掺杂区域，412为N重掺杂区域。
图6中：601为脊波导，603为第三层通孔，604为第三层金属，605为第四层通孔，606为第四层金属，607为第二焊盘。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，调制器包括法布里-珀罗腔结构、基底、第一电极e1和第二电极e2，法布里-珀罗腔结构、第一电极e1和第二电极e2均设置在基底的上表面，第一电极e1和第二电极e2对称分布在法布里-珀罗腔结构的两侧；
第一输入波导a连接输入模式解复用器b的解复用侧的一端，输入模式解复用器b的汇总端经双层绝热锥形波导c连接输入多模布拉格光栅d，输入多模布拉格光栅d和输出多模布拉格光栅i之间通过有源区脊波导g相连，输出多模布拉格光栅i经输出双层绝热锥形波导j连接输出模式解复用器k的解复用侧的一端，输出模式解复用器k的汇总端连接第一输出波导l，第一电极e1和第二电极e2对称分布在有源区脊波导g的两侧。
如图2所示，主波导202和耦合波导203均为渐变波导且渐变方向相反，即宽度的渐变变化方向相反，输入模式解复用器b的第二输入波导201一端连接主波导202的大端，另一端用于连接到输入双层绝热锥形波导c；输入模式解复用器b的第二输出波导204的一端连接到主波导202的小端，另一端连接到第一输入波导a；输出模式解复用器k的第二输入波导201一端连接主波导202的大端，另一端用于连接到输出双层绝热锥形波导j，输出模式解复用器k的第二输出波导204的一端连接到主波导202的小端，另一端连接到第一输出波导l，耦合波导203平行地位于主波导202侧旁并间隔贴近布置，耦合波导203的大端和下载波导205的一端连接，下载波导205另一端用于实现反射调制信号输出，耦合波导203的小端连接一段弯曲波导；
如图3所示，输入多模布拉格光栅d的第三输入波导301的一端连接输入双层绝热锥形波导c，另一端连接输入渐变调制光栅302，输入渐变调制光栅302连接反对称多模布拉格光栅303，反对称多模布拉格光栅303连接输出渐变调制光栅304，输出渐变调制光栅304连接第三输出波导305的一端，第三输出波导305的另一端连接有源区脊波导g；输出多模布拉格光栅i的第三输入波导301的一端连接有源区脊波导g，另一端连接输入渐变调制光栅302，输入渐变调制光栅302连接反对称多模布拉格光栅303，反对称多模布拉格光栅303连接输出渐变调制光栅304，输出渐变调制光栅304连接第三输出波导305的一端，第三输出波导305的另一端连接输出双层绝热锥形波导j；
如图4所示，有源区脊波导g包括脊波导601，P轻掺杂区域409和N轻掺杂区域410位于脊波导601的中心处，形成电学PN结结构，P中等浓度掺杂区域408与N中等浓度掺杂区域411位于脊波导601的脊处，P中等浓度掺杂区域408靠近P轻掺杂区域409，N中等浓度掺杂区域411靠近N轻掺杂区域410，且距离中心波导有一定距离，P重掺杂407区域与N重掺杂区域412分别位于脊波导601两侧的平台上，P重掺杂区域407靠近P中等浓度掺杂区域408，N重掺杂区域412靠近N中等浓度掺杂区域411，P重掺杂区域407与N重掺杂412区域的上表面形成硅化区域405。
第一电极e1和第二电极e2结构由下至上均分别为第一层通孔406、第一层金属404、第二层通孔403、第二层金属402与第一焊盘401；
第一电极e1和第二电极e2的第一层通孔406均分别垂直连接于脊波导两侧的平台顶面，第一层通孔406为阵列结构且与第一层金属404的底面垂直连接，第一层金属404的顶面与采用阵列结构的第二层通孔403的底面连接，第二层通孔403的顶面与第二层金属402的底面连接，第二层金属402的顶面与第一焊盘401连接。
如图5所示，中心硅波导采用改进型的水平交叉掺杂，通过优化设计交叉PN掺杂结构，在中心硅波导处同时存在横向PN结与纵向PN结，其中横向PN结主要用于对TE0模式进行调制，纵向PN结主要用于对TE1模式进行调制。交叉掺杂的结构参数包括交叉掺杂周期C，中心脊波导宽度Wa，中间横向PN结宽度Wb，脊波导中除中间横向PN掺杂外的剩余掺杂宽度左右相等；通过设计优化中间横向PN结宽度Wb可以保证同时对TE0模式与TE1模式有较大的有效折射率改变。对于交叉掺杂周期，较大周期的PN结寄生电容减小而提高带宽，但其调制效率较低，而较小周期的PN结寄生电容增大而减小带宽，但其调制效率较高，交叉掺杂周期需要兼顾调制效率与带宽；交叉掺杂周期数为Nd。水平掺杂结构相比于更高调制效率的垂直掺杂结构可以大大简化器件的掺杂工艺，实现工艺兼容。
如图4所示，脊波导601两侧分别为P中等浓度掺杂区域408与N中等浓度掺杂区域411以减小器件的寄生电阻提高带宽，且均距离中心硅波导一定距离以降低器件的损耗。脊波导两侧的未刻蚀硅平台分别为P重掺杂407区域与N重掺杂区域412以与电极通孔形成欧姆接触，并在两侧平台进行硅化降低接触器件的电阻。上述的中等浓度掺杂区域与重掺杂区域均沿着光波导方向均匀分布且存在一定的掺杂交叠区域以降低离子注入工艺的套刻误差。
如图6所示，加热电阻h布置在有源区脊波导g的正上方，第一加热电极f1和第二加热电极f2布置在加热电阻h的两侧，第一加热电极f1和第二加热电极f2的第三层通孔603分别垂直连接于加热电阻h，第三层金属604的底面连接第三层通孔603的顶面，第三层金属604的顶面连接第四层通孔605的底面，第四层通孔605的顶面连接第四层金属606的底面，第四层金属606的顶面连接第二焊盘607，第二焊盘607上方的沉积二氧化硅包覆层进行开窗钝化形成加热电极；加热电阻h产生焦耳热并通过二氧化硅包层传热至脊波导601，硅材料的折射率随温度变化，通过改变硅波导的温度可以改变硅波导的折射率，最终改变光模式的有效折射率从而实现波长调谐。
本发明的实施例如下：
本发明基于220nm厚的绝缘层上硅(SOI)晶圆制造，底部硅衬底厚度725um，底部绝缘层二氧化硅厚度2um，硅波导上方包覆层为二氧化硅。硅的折射率为3.47，二氧化硅折射率为1.44。P掺杂为硼元素掺杂，N掺杂为磷元素掺杂。其PN结采用水平结构，仅需要使用标准的离子注入工艺即可实现，其他各项工艺也均与标准CMOS工艺兼容，可以实现大批量低成本生产，工作波长为1550nm附近，输入光模式为TE0模式。
对于模式复用器，模式解复用工作区耦合间隔Wg2＝200nm，主波导202输入端宽度为Wa2＝550nm，主波导202输出端宽度为Wa1＝450nm，耦合波导203输入端宽度为Wb1＝180nm，耦合波导203输出端宽度为Wb2＝380nm。模式耦合解复用区域长度L12＝50μm。
对于布拉格光栅，布拉格光栅波导宽度W＝1000nm，单侧光栅齿深δ＝180nm，光栅周期Λ＝300nm，光栅齿占空比为0.5，中间反对称多模布拉格光栅周期数N＝30，两侧渐变调制光栅周期数Ntp＝20。引入的非对称布拉格光栅结构通过引入高阶TE1模式，并结合上述的模式复用器，可以实现反射调制光信号与输入光信号的分离，解决了传统FP结构调制器需要外接光环形器的不足，并消除了反射光信号与输入光信号之间的串扰。采用的1000nm宽波导设计降低了波导波导宽度加工误差对有效折射率的影响，减小了由于加工误差导致的谐振波长漂移，提升了器件的波长稳定性，并进一步降低了器件的热调波长对准功耗需求。
对于有源区脊波导g，采用的交叉掺杂周期C＝0.6μm，中间横向PN结宽度Wb＝0.6μm，交叉掺杂周期数Nd＝50，两侧中等掺杂区域距离脊波导601边缘距离Wd＝0.3μm。硅化区域405的浓度为5×1015/cm3，P轻掺杂区域409的平均浓度2.1×1017/cm3，N轻掺杂区域410的平均浓度3×1017/cm3，P中等浓度掺杂区域408的平均浓度4.9×1018/cm3，N中等浓度掺杂区域411的平均浓度5.2×1018/cm3，P重掺杂区域407的平均浓度7×1019/cm3，N重掺杂区域412的平均浓度1×1020/cm3。725um厚硅衬底电阻率16Ω.cm。采用的改进型交叉掺杂结构，在维持TE0模式高调制效率的同时，大幅提升了TE1模式的调制效率，有效权衡了TE0模式与TE1模式的调制效率，满足了大波长范围的电光调谐，实现了器件的高消光比与低摆幅驱动电压需求。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于法布里-珀罗腔的谐振型硅电光调制器，其特征在于：
所述调制器包括法布里-珀罗腔结构、基底、第一电极(e1)和第二电极(e2)，法布里-珀罗腔结构、第一电极(e1)和第二电极(e2)均设置在基底的上表面，第一电极(e1)和第二电极(e2)对称分布在法布里-珀罗腔结构的两侧；
所述法布里-珀罗腔结构包括第一输入波导(a)、第一输出波导(l)、输入模式解复用器(b)、输出模式解复用器(k)、输入多模布拉格光栅(d)、输出多模布拉格光栅(i)、输入双层绝热锥形波导(c)、输出双层绝热锥形波导(j)和有源区脊波导(g)；
所述第一输入波导(a)连接输入模式解复用器(b)的解复用侧的一端，输入模式解复用器(b)的汇总端经双层绝热锥形波导(c)连接输入多模布拉格光栅(d)，输入多模布拉格光栅(d)和输出多模布拉格光栅(i)之间通过有源区脊波导(g)相连，输出多模布拉格光栅(i)经输出双层绝热锥形波导(j)连接输出模式解复用器(k)的解复用侧的一端，输出模式解复用器(k)的汇总端连接第一输出波导(l)，所述第一电极(e1)和第二电极(e2)对称分布在有源区脊波导(g)的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于法布里-珀罗腔的谐振型硅电光调制器，其特征在于：
所述输入模式解复用器(b)和输出模式解复用器(k)均采用非对称绝热耦合结构，所述输入模式解复用器(b)和输出模式解复用器(k)均包括第二输入波导(201)、下载波导(205)、主波导(202)、耦合波导(203)和第二输出波导(204)；
主波导(202)和所述耦合波导(203)均为渐变波导且渐变方向相反，所述第二输入波导(201)一端连接主波导(202)的大端，另一端连接到输入双层绝热锥形波导(c)/输出双层绝热锥形波导(j)；第二输出波导(204)的一端连接到主波导(202)的小端，另一端连接到第一输入波导(a)/第一输出波导(l)；
所述耦合波导(203)平行地位于主波导(202)侧旁并间隔贴近布置；
所述耦合波导(203)的大端和下载波导(205)的一端连接，下载波导(205)另一端用于实现反射调制信号输出，所述耦合波导(203)的小端连接一段弯曲波导。
3.根据权利要求1所述的一种基于法布里-珀罗腔的谐振型硅电光调制器，其特征在于：
所述输入多模布拉格光栅(d)和输出多模布拉格光栅(i)均包括第三输入波导(301)、输入渐变调制光栅(302)、反对称多模布拉格光栅(303)、输出渐变调制光栅(304)和第三输出波导(305)；
所述第三输入波导(301)的一端连接输入双层绝热锥形波导(c)/有源区脊波导(g)，另一端连接输入渐变调制光栅(302)，输入渐变调制光栅(302)连接反对称多模布拉格光栅(303)，反对称多模布拉格光栅(303)连接输出渐变调制光栅(304)，输出渐变调制光栅(304)连接第三输出波导(305)的一端，第三输出波导(305)的另一端连接有源区脊波导(g)/输出双层绝热锥形波导(j)。
4.根据权利要求3所述的一种基于法布里-珀罗腔的谐振型硅电光调制器，其特征在于：
所述输入渐变调制光栅(302)、反对称多模布拉格光栅(303)和输出渐变调制光栅(304)的光栅齿均为矩形；所述输入渐变调制光栅(302)的光栅齿的深度从连接第三输入波导(301)的一端到连接反对称多模布拉格光栅(303)的一端由零线性渐变到反对称多模布拉格光栅(303)的深度，所述输出渐变调制光栅(304)的光栅齿的深度从连接反对称多模布拉格光栅(303)的一端到连接输出渐变调制光栅(304)一端由反对称多模布拉格光栅(303)的深度线性渐变到零。
5.根据权利要求1所述的一种基于法布里-珀罗腔的谐振型硅电光调制器，其特征在于：
所述输入双层绝热锥形波导(c)和输出双层绝热锥形波导(j)均包括一个宽度恒定的中心波导，输入双层绝热锥形波导(c)的中心波导两侧存在一个从第二输入波导(201)到第三输入波导(301)由零逐渐线性变大的刻蚀脊；输出双层绝热锥形波导(j)的中心波导两侧存在一个从第三输出波导(305)到第二输入波导(201)逐渐线性变小为零的刻蚀脊。
6.根据权利要求1所述的一种基于法布里-珀罗腔的谐振型硅电光调制器，其特征在于：
所述有源区脊波导(g)包括脊波导(601)、P轻掺杂区域(409)、N轻掺杂区域(410)、P中等浓度掺杂区域(408)、N中等浓度掺杂区域(411)、P重掺杂区域(407)、N重掺杂区域(412)和硅化区域(405)；
所述的脊波导(601)具有中心、脊和平台的三种部位，其中两侧均具有平台，中心和两侧的平台之间均通过一个脊连接，脊的高度均低于中心和平台的高度；
所述P轻掺杂区域(409)和N轻掺杂区域(410)位于脊波导(601)的中心处，形成电学PN结结构，所述P中等浓度掺杂区域(408)与N中等浓度掺杂区域(411)位于脊波导的脊处，所述P中等浓度掺杂区域(408)靠近P轻掺杂区域(409)，所述N中等浓度掺杂区域(411)靠近N轻掺杂区域(410)，P重掺杂(407)区域与N重掺杂区域(412)分别位于脊波导两侧的平台上，P重掺杂区域(407)靠近P中等浓度掺杂区域(408)，N重掺杂区域(412)靠近N中等浓度掺杂区域(411)，所述P重掺杂区域(407)与N重掺杂(412)区域的上表面形成硅化区域(405)。
7.根据权利要求1所述的一种基于法布里-珀罗腔的谐振型硅电光调制器，其特征在于：
所述第一电极(e1)和第二电极(e2)结构由下至上均分别为第一层通孔(406)、第一层金属(404)、第二层通孔(403)、第二层金属(402)与第一焊盘(401)；
所述第一电极(e1)和第二电极(e2)的第一层通孔(406)均分别垂直连接于所述脊波导两侧的平台顶面，所述第一层通孔(406)为阵列结构且与第一层金属(404)的底面垂直连接，所述第一层金属(404)的顶面与采用阵列结构的第二层通孔(403)的底面连接，所述第二层通孔(403)的顶面与第二层金属(402)的底面连接，所述第二层金属(402)的顶面与第一焊盘(401)连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于法布里-珀罗腔的谐振型硅电光调制器，其特征在于：
所述调制器还包括加热电阻(h)；所述加热电阻(h)布置在所述有源区脊波导(g)的正上方。
9.根据权利要求8所述的一种基于法布里-珀罗腔的谐振型硅电光调制器，其特征在于：
所述调制器还包括两个加热电极，所述两个加热电极沿垂直于光信号传播方向分为第一加热电极(f1)和第二加热电极(f2)；所述第一加热电极(f1)和第二加热电极(f2)布置在加热电阻(h)的两侧，所述第一加热电极(f1)和第二加热电极(f2)的结构由下至上均分别为第三层通孔(603)、第三层金属(604)、第四层通孔(605)、第四层金属(606)和第二焊盘(607)；
所述第一加热电极(f1)和第二加热电极(f2)的第三层通孔(603)均分别垂直连接于加热电阻(h)，所述第三层金属(604)的底面连接第三层通孔(603)的顶面，所述第三层金属(604)的顶面连接第四层通孔(605)的底面，所述第四层通孔(605)的顶面连接第四层金属(606)的底面，所述第四层金属(606)的顶面连接第二焊盘(607)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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