CN117917598A - 具有一系列p-n结的硅光学移相器 - Google Patents

具有一系列p-n结的硅光学移相器 Download PDF

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Abstract

一种装置包括硅(Si)光学移相器。在一个实施例中，光学移相器包括具有硅光学芯的平面光学波导、以及沿着硅光学芯的一段的相对侧定位的一对偏置电极。硅光学芯的该段包括一系列p‑n结。该系列在以下方向上延伸：该方向横向于包括硅光学芯的该段的平面光学波导的段中的光传播方向。p‑n结中的至少两个p‑n结被配置为通过跨偏置电极施加电压而被反向偏置。

Description

具有一系列p-n结的硅光学移相器
技术领域
各种示例实施例涉及光通信领域。
背景技术
在硅(Si)光子学中，Si光学移相器被广泛用于不同种类的光学器件，诸如Si光学调制器。不幸的是，一些硅光学移相器存在电容问题，尤其是在较高频率下。
发明内容
各种实施例提供了具有多个横向p-n结(p-n junctions)的Si光学移相器。通常，当p-n结在反向电压下被偏置时，p-n结以载流子耗尽模式操作，其中载流子漂移出Si光学波导和漂移到Si光学波导中。等离子体/载流子色散效应(例如，载流子耗尽)在沿着Si光学波导行进的光中生成光学相移。具有串联的多个横向p-n结的Si光学移相器减小了Si光学波导的总电容。一个技术优点是，本文中描述的Si光学移相器可以用于高速或超高速操作的更高频率应用中，同时维持与现有技术的Si光学相移器类似的调制效率和/或光学损耗。
在一个实施例中，一种装置包括光学移相器，该光学移相器包括具有硅光学芯(silicon optical core)的平面光学波导、以及沿着硅光学芯的一段的相对侧定位的一对偏置电极。硅光学芯的该段包括一系列p-n结，该系列在以下方向上延伸：该方向横向于包括硅光学芯的该段的平面光学波导的段中的光传播方向。p-n结中的至少两个p-n结被配置为通过跨偏置电极施加电压而被反向偏置。
在一个实施例中，p-n结中的至少另一p-n结位于p-n结中的两个p-n结之间，并且被配置为通过跨偏置电极施加电压而被正向偏置。
在一个实施例中，该装置还包括用于操作光学移相器的至少一个射频行波电极。
在一个实施例中，该装置还包括具有一对平行光学波导臂的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光学调制器，并且光学移相器沿着光学波导臂中的一个光学波导臂。
在一个实施例中，该装置还包括被配置为操作马赫-曾德尔光学调制器的光学移相器的至少一个射频行波电极。
在一个实施例中，该装置还包括光学调制器，该光学调制器包括光学环形谐振器，并且光学移相器沿着光学环形谐振器的光学波导段。
在一个实施例中，p-n结中的至少两个p-n结位于硅光学芯的该段中硅光学芯的横向中心的相对侧上。
在一个实施例中，平面光学波导具有肋状波导(rib waveguide)的几何形状。
在一个实施例中，平面光学波导包括肋，肋在硅光学芯的表面上并且沿着光传播方向定向。
在一个实施例中，肋包括氮化硅。
在一个实施例中，肋的一段面对包括该一系列p-n结的硅光学芯的该段。
在一个实施例中，一种装置包括具有一对平行光学波导臂的马赫-曾德尔光学调制器，其中光学移相器沿着光学波导臂中的一个光学波导臂。光学移相器包括具有硅光学芯的平面光学波导、以及沿着硅光学芯的一段的相对侧定位的一对偏置电极。硅光学芯的该段包括一系列p-n结，该系列在以下方向上延伸：该方向横向于包括硅光学芯的该段的平面光学波导的段中的光传播方向。p-n结中的至少两个p-n结被配置为通过跨偏置电极施加电压而被反向偏置。
在一个实施例中，公开了一种制造平面光学波导的方法。该方法包括获取包括形成在下部光学包层(lower optical cladding layer)上的晶体硅层的硅衬底，蚀刻晶体硅层以形成平面光学波导的硅光学芯，以及对硅光学芯进行掺杂以形成在横向于平面光学波导的一段中的光传播方向的方向上延伸的一系列p-n结。该方法还包括在硅光学芯上形成平面光学波导的上部光学包层，以及沿着硅光学芯的一段的相对侧形成一对偏置电极。
上述实施例中的一个或多个可以根据需要进行组合。
以上概述提供了对本说明书的一些方面的基本理解。本概述不是对本规范的全面概述。其既不旨在确定说明书的关键或基本元素，也不旨在界定说明书的特定实施例的任何范围或权利要求的任何范围。其唯一目的是以简化的形式呈现说明书的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的前奏。
附图说明
现在仅通过示例的方式并且参考附图来描述一些实施例。在所有附图上，相同的附图标记表示相同的元素或相同类型的元素。
图1是说明性实施例中的硅(Si)光学移相器的透视图；
图2至图4是说明性实施例中的Si光学移相器的截面图；
图5至图7是说明性实施例中的Si光学移相器的截面图；
图8至图9是说明性实施例中的Si光学波导的示意图；
图10是示出说明性实施例中的制造Si光学移相器的方法的流程图；
图11至图14示出了说明性实施例中的图10中的方法的制造步骤的结果；
图15至图17是说明性实施例中的Si光学移相器的截面图；
图18至图20是说明性实施例中的Si光学移相器的截面图；
图21是示出说明性实施例中的制造Si光学移相器的方法的流程图；
图22至图25示出了说明性实施例中的图21中的方法的制造步骤的结果；
图26示出了说明性实施例中的实现一个或多个Si光学移相器的光学器件；
图27示出了说明性实施例中的实现一个或多个Si马赫-曾德尔调制器(MZM)的光学器件；以及
图28示出了说明性实施例中的实现一个或多个光学环形谐振器的光学器件。
具体实施方式
附图和以下描述说明了具体的示例性实施例。因此将理解，本领域技术人员将能够设计各种布置，这些布置虽然在本文中没有明确描述或示出，但是体现了实施例的原理并且被包括在权利要求的范围内。本发明的概念不限于下面描述的具体实施例或示例，而是由权利要求及其等价物来定义。
本文中，硅光学波导是具有硅光学芯的平面光学波导。硅光学芯的一部分(多个部分)可以被掺杂，例如，以在其中形成(多个)p-n和/或p-i-n结。
图1是说明性实施例中的硅(Si)光学移相器100的透视图。Si光学移相器100是被配置为通过有效折射率(n)的改变来控制光的相位的光学器件。Si光学移相器100包括形成在Si衬底104上的Si光学波导102。例如，Si光学移相器100可以形成在绝缘体上硅(SOI)晶片上，该SOI晶片具有在晶体Si层与Si衬底104之间的绝缘层，诸如氧化硅。硅光学波导102的各种层(例如，硅光学芯)可以由SOI晶片的Si层和/或随后沉积或形成的硅形成。如下面将更详细地描述的，Si光学移相器100包括嵌入在Si光学波导102的段130中的多个横向p-n结。Si光学移相器100采用载流子耗尽作为用于电调制Si光学波导102中的横向p-n结的自由载流子密度的机制。载流子密度变化是Si光学波导102中折射率变化的原因，并且传播通过Si光学波导102(即，沿着光或光学传播方向132)的光信号的相位基于载流子密度变化来调制。例如，发射到Si光学波导102中的光信号122被相位调制以产生相位调制的输出信号124。
图2至图4是说明性实施例中的Si光学移相器100的截面图。图2至图4中的视图穿过如图1所示的横向切割平面A-A(例如，沿着x轴)，该横向切割平面通常垂直于穿过Si光学波导102的光传播方向132(例如，沿着y轴)。Si光学移相器100的Si光学波导102在沿着z轴的竖直方向上包括下部光学包层206、Si光学芯208和上部光学包层210。下部光学包层206可以包括二氧化硅(例如，SiO2)层(诸如硅埋氧化物(BOX))或者用作Si光学芯208的下部光学包层的另一种类型的电介质。Si光学芯208可以是与下部光学包层206接触的多晶或非晶Si覆盖层，并且具有比下部光学包层206高的折射率。上部光学包层210可以包括二氧化硅层或与Si光学芯208接触的另一光学包层，该另一光学包层具有比Si光学芯206低的折射率。可以根据需要而并入Si光学移相器100的附加元件。此外，图2至图4不是按比例绘制的。
在图2中，Si光学移相器100包括Si光学芯208中的一系列216横向p-n结212，其中该系列216垂直于Si光学波导102中的光传播方向132延伸，例如，p-n结214可以近似地形成垂直于光传播方向132的堆叠。p-n结212是p型硅材料与n型硅材料之间的界面。
在一个实施例中，三个p-n结212(即，第一横向p-n结212-1、第二横向p-n结212-2和第三横向p-n结212-3)位于跨Si光学芯208的宽度的系列216中。在电学上，p-n结212-1、212-2和212-3跨直流电压偏置网络被串联连接。横向p-n结212是通过对Si光学芯208的晶体Si材料进行掺杂而产生的。掺杂产生第一p型区220和第一n型区222，并且产生第二p型区224和第二n型区226。掺杂产生具有相同取向的两个横向p-n结212-1和212-3、以及相对取向的另一p-n结212-2。当整个系列216跨合适的DC偏置电压源被连接时，横向p-n结212-1和212-3在操作期间被反向偏置，并且p-n结212-2在操作期间被正向偏置。因此，当被反向偏置时，p-n结212-1和212-3有助于调制，而p-n结212-2不会有助于调制。尽管如图2所示，该系列216横向p-n结包括具有相同p-n取向的两个横向p-n结212，但是在其他实施例中，系列216可以具有更多具有相同p-n取向的横向p-n结。
在一个实施例中，Si光学波导102的几何形状包括肋状光学波导230。作为肋状光学波导230的Si光学芯208的尺寸包括肋宽度232、总光学芯厚度234和肋高度236。例如，肋宽度232可以等于或小于约500纳米(nm)，总光学芯厚度234可以等于或小于约220nm，并且肋高度236可以在约80-120nm的范围内，然而本文中考虑其他尺寸。横向p-n结212跨Si光学芯208中的肋宽度232串联设置或布置。
对于横向p-n结212，p型区包含过量的空穴，而n型区包含过量的电子。在横向p-n结212处或附近，响应于反向偏置，电子可以扩散穿过以与空穴结合，从而产生实质上的“耗尽区”。图3示意性地示出了图2中的Si光学移相器100的电操作，其中第一耗尽区310形成在横向p-n结212-1处，并且第二耗尽区311形成在横向p-n结212-3处。第一耗尽区310和第二耗尽区311偏离Si光学芯208的横向中心318(即，沿着x轴)。载流子密度变化是Si光学波导102中的折射率变化的原因。因此，传播通过Si光学波导102的光信号的相位可以通过改变反向偏置的横向p-n结212处的载流子密度来调制。
在图4中，载流子密度由横向p-n结212处的耗尽区310-311的宽度440表示。在操作期间，宽度440可以通过跨该系列216横向p-n结212施加来自电压源450的变化的反向偏置电压来调节。从图4中可以清楚地看出，这种偏置还导致第二p-n结212-2被正向偏置。Si光学移相器100还包括偏置电极416-417，该偏置电极416-417被配置为跨Si光学芯208中的整个系列216的p-n结212来与静态(DC)电压源450电耦合。电极416-417沿着Si光学芯208的段430的相对侧定位。电极416经由Si板420的重p型掺杂(p++)部分电耦合到第一p型区220。电极417经由Si板421的重n型掺杂(n++)部分电耦合到第二n型区226。
图5至图7是说明性实施例中的Si光学移相器100的截面图。图5至图7中的视图穿过如图1所示的横向切割平面A-A(例如，沿着x轴)。如上所述，Si光学移相器100的Si光学波导102沿着z轴在竖直方向上包括下部光学包层206、Si光学芯208和上部光学包层210。可以根据需要而并入Si光学移相器100的附加元件。此外，图5至图7不是按比例绘制的。
在图5中，Si光学移相器100包括嵌入在Si光学波导102中的多个横向p-n结212。在一个实施例中，五个横向p-n结212(即，第一横向p-n结212-1、第二横向p-n结212-2、第三横向p-n结212-3、第四横向p-n结212-4和第五横向p-n结212-5)位于跨Si光学芯208的宽度的系列216中。横向p-n结212是通过对Si光学芯208的晶体Si材料进行掺杂而产生的。掺杂产生第一p型区520和第一n型区522，产生第二p型区524和第二n型区526，并且产生第三p型区528和第三n型区530。掺杂产生具有相同取向的三个横向p-n结212-1、212-3和212-5、以及相对取向的另外两个p-n结212-2和212-4。当整个系列216跨合适的DC偏置电压源被连接时，横向p-n结212-1、212-3和212-5在操作期间被反向偏置，并且p-n结212-2和212-4在操作期间被正向偏置。因此，当被反向偏置时，p-n结212-1、212-3和212-5有助于调制，而p-n结212-2和212-4不会有助于调制。尽管如图5所示，该系列216横向p-n结212包括Si光学芯208中具有相同p-n取向的三个横向p-n结212，但是在其他实施例中，系列216可以具有更多具有相同p-n取向的横向p-n结212。
图6示意性地示出了图5中的Si光学移相器100的电操作，其中第一耗尽区610形成在横向p-n结212-1处，第二耗尽区611形成在横向p-n结212-3处，并且第三耗尽区612形成在横向p-n结212-5处。第一耗尽区610和第三耗尽区612偏离Si光学芯208的横向中心318(即，沿着x轴)，而第二耗尽区611通常与横向中心318对准。
在图7中，载流子密度由横向p-n结212处的耗尽区610-612的宽度440表示。在操作期间，宽度440可以通过跨该系列216横向p-n结212施加来自电压源450的变化的反向偏置电压来调节。从图7中可以清楚地看出，这种偏置还导致p-n结212-2和212-4被正向偏置。Si光学移相器100还包括偏置电极416-417，该偏置电极416-417被配置为跨Si光学芯208中的整个系列216的p-n结212来与电压源450电耦合。电极416-417沿着Si光学芯208的段430的相对侧定位。电极416经由Si板720的重p型掺杂(p++)部分电耦合到第一p型区520。电极417经由Si板721的重n型掺杂(n++)部分电耦合到第三n型区530。
如上所述的Si光学移相器100的配置的一个技术优点是，在维持光学相位调制效率的同时，在Si光学波导102中实现较低电容。图8至图9是说明性实施例中的Si光学波导102的示意图。图8是功能性地示出图4所示的Si光学波导102的电特性的示意图。在操作期间，电阻器802表示跨Si光学芯208的电阻。在每个反向偏置的p-n结212的p型区与n型区之间存在电容。因此，电容器804表示反向偏置的p-n结212-1的电容，并且电容器805表示反向偏置的p-n结212-3的电容(也参见图4)。串联的N个电容器的总电容是个体电容之和的倒数。例如，如果两个等值电容器串联，则总电容为其值的一半。因此，当反向偏置的p-n结212-1和p-n结212-3的电容大约相等时，Si光学波导102的总电容大约是反向偏置的p-n结212中的单独一个的电容的一半。如图4所示，在操作中被反向偏置的两个横向p-n结212偏离Si光学芯208的横向中心318，其中光强度通常可以是最大的，并且调制效率可以稍微低于具有与横向中心318对准的单个p-n结的设计。然而，与具有单个p-n结的设计相比，跨Si光学芯208的较小电容可以提供优势，尤其是在较高频率下。
图9是功能性地示出图7所示的Si光学波导102的电特性的示意图。同样，在操作期间，电阻器902表示跨Si光学芯208的电阻。电容器904表示反向偏置的p-n结212-1的电容，电容器905表示反向偏置的p-n结212-3的电容，并且电容器906表示反向偏置的p-n结212-5的电容(也参见图7)。如图7所示，反向偏置的p-n结212-3与Si光学芯208的横向中心318近似对准，其中光强度通常可以是最大的，并且反向偏置的p-n结212-1和212-5偏离横向中心318。因此，调制效率可以类似于具有与横向中心318对准的单个p-n结的设计，但是与具有单个p-n结的设计相比，较小电容提供优势，尤其是在较高频率下。
图10是示出说明性实施例中的制造Si光学移相器的方法1000的流程图。本文中描述的流程图的步骤并非包括所有步骤，并且可以包括未示出的其他步骤，并且这些步骤可以按替代顺序执行。图11至图14示出了说明性实施例中的制造步骤的结果。
方法1000包括获取或获得Si衬底104的步骤(步骤1002)。在图11中，Si衬底104包括形成在下部光学包层206上的晶体Si层1108。例如，可以获取具有大约220nm的晶体Si层(或器件层)的SOI晶片1140。在图10中，方法1000还包括蚀刻晶体Si层1108以形成Si光学波导102的Si光学芯208(步骤1004)。在图12中，例如，抗蚀剂1212可以被图案化在晶体Si层1108的顶表面1118上(参见图11)，并且蚀刻工艺(etching process)(例如，反应性离子蚀刻工艺)被执行以从晶体Si层1108向下去除材料至蚀刻深度1236。蚀刻工艺形成Si光学波导102的Si光学芯208。在本实施例中，Si光学波导102具有带有板1222和肋1224的肋状波导的几何形状。
在图10中，方法1000还包括对Si光学芯208进行掺杂以在Si光学波导102中形成多个横向p-n结212(步骤1006)。在图13中，在抗蚀剂1212被去除的情况下，可以执行离子注入工艺1306或类似工艺，以在Si光学芯208中产生形成一系列横向p-n结212的p型区和n型区。尽管图13中示出了三个横向p-n结212，但是可以形成多于三个横向p-n结212(参见图5)。在图10中，方法1000还包括在Si光学芯208上形成Si光学波导102的上部光学包层210(步骤1008)。在图14中，上部光学包层210可以通过沉积折射率低于Si光学芯208的Si材料(诸如二氧化硅)来形成。在图10中，方法1000还包括沿着Si光学芯208的段430的相对侧形成一对偏置电极416-417(步骤1010)，如图4所示。
方法1000可以在Si衬底104的多个区域中执行，以制造多个Si光学移相器。
图15至图17是说明性实施例中的Si光学移相器100的截面图。图15至图17中的视图穿过如图1所示的横向切割平面A-A(例如，沿着x轴)。Si光学移相器100的Si光学波导102沿着z轴在竖直方向上包括下部光学包层1506、由Si层1508和导光肋1509形成的Si或混合材料光学芯1514、以及上部光学包层1510。下部光学包层1506可以包括二氧化硅(例如，SiO2)层(诸如硅埋氧化物(BOX))或者用作光学芯1514的下部光学包层的另一种类型的电介质。Si或混合光学芯1514具有与具有较高折射率的下部光学包层1506接触的Si覆盖层1508。导光肋1509可以是用于产生Si光学芯1514的Si层，或者可以是例如折射率低于硅的用于产生混合光学芯1514的氮化硅层(SiN)。在混合情况下，导光肋1509具有比Si层1508低的折射率和比上部光学包层1510高的折射率。上部光学包层1510可以包括二氧化硅层或具有较低折射率的与Si层1508接触的另一电介质。可以根据需要而并入Si光学移相器100的附加元件。此外，图15至图17不是按比例绘制的。
在图15中，Si光学移相器100包括光学芯1514中的一系列1516横向p-n结212，其中该系列1516垂直于Si光学波导102中的光传播方向132延伸，例如，p-n结214可以近似地形成垂直于光传播方向132的堆叠。在一个实施例中，三个横向p-n结212(即，第一横向p-n结212-1、第二横向p-n结212-2和第三横向p-n结212-3)位于跨Si层1508的宽度的系列1516中。横向p-n结212是通过对Si层1508的晶体Si材料进行掺杂而产生的。掺杂产生第一p型区220和第一n型区222，并且产生第二p型区224和第二n型区226。掺杂产生具有相同取向的两个横向p-n结212-1和212-3、以及相对取向的另一p-n结212-2。当整个系列1516跨合适的DC偏置电压源被连接时，横向p-n结212-1和212-3在操作期间被反向偏置，并且p-n结212-2在操作期间被正向偏置。因此，当被反向偏置时，p-n结212-1和212-3有助于调制，而p-n结212-2不会有助于调制。尽管如图15所示，该系列1516横向p-n结包括Si层1508中具有相同p-n取向的两个横向p-n结212，但是在其他实施例中，系列1516可以具有更多具有相同p-n取向的横向p-n结。
在一个实施例中，Si光学波导102的几何形状包括带负载波导(strip-loadedwaveguide)1530。作为带负载波导1530的Si光学波导102的尺寸包括导光肋1509的宽度1532和Si层1508的高度1534。例如，宽度1532可以等于或小于约500nm，并且高度1534可以等于或小于约110nm，然而本文中考虑其他尺寸。横向p-n结212可以在系列1516中布置在光学芯1514的面对光导肋1509的部分中。
对于横向p-n结212，p型区包括过量的空穴，而n型区包含过量的电子。在横向p-n结212处或附近，响应于反向偏置，电子可以扩散穿过以与空穴结合，从而产生实质上的“耗尽区”。图16示意性地示出了图15中的Si光学移相器100的电操作，其中第一耗尽区310形成在横向p-n结212-1处，并且第二耗尽区311形成在横向p-n结212-3处。第一耗尽区310和第二耗尽区311偏离光学芯1514的横向中心318(即，沿着x轴)。载流子密度变化是Si光学波导102中的折射率变化的原因。因此，传播通过Si光学波导102的光信号的相位可以通过改变反向偏置的横向p-n结212处的载流子密度来调制。
在图17中，载流子密度由横向p-n结212处的耗尽区310-311的宽度440表示。在操作期间，宽度440可以通过跨该系列1516横向p-n结212施加来自电压源450的变化的反向偏置电压来调节。从图17中可以清楚地看出，这种偏置还导致p-n结212-2被正向偏置。Si光学移相器100还包括偏置电极416-417，该偏置电极416-417被配置为跨光学芯1514中的整个系列1516p-n结212来与电压源450电耦合。电极416-417沿着光学芯1514的段430的相对侧定位。电极416经由Si板1720的重p型掺杂(p++)部分电耦合到第一p型区220。电极417经由Si板1721的重n型掺杂(n++)部分电耦合到第二n型区226。
图18至图20是说明性实施例中的Si光学移相器100的截面图。图18至图20中的视图穿过如图1所示的横向切割平面A-A(例如，沿着x轴)。如上所述，Si光学移相器100的Si光学波导102沿着z轴在竖直方向上包括下部光学包层1506、由Si层1508和导光肋1509形成的Si或混合材料光学芯1514、以及上部光学包层1510。可以根据需要而并入Si光学移相器100的附加元件。此外，图18至图20不是按比例绘制的。
在图18中，Si光学移相器100包括光学芯1514中的一系列1516横向p-n结212。在一个实施例中，五个横向p-n结212(即，第一横向p-n结212-1、第二横向p-n结212-2、第三横向p-n结212-3、第四横向p-n结212-4和第五横向p-n结212-5)位于跨Si层1508的宽度的系列1516中。横向p-n结212是通过对Si层1508的晶体Si材料进行掺杂而产生的。掺杂产生第一p型区520和第一n型区522，产生第二p型区524和第二n型区526，并且产生第三p型区528和第三n型区530。掺杂产生具有相同取向的三个横向p-n结212-1、212-3和212-5、以及相对取向的另外两个p-n结212-2和212-4。当整个系列1516跨合适的DC偏置电压源被连接时，横向p-n结212-1、212-3和212-5在操作期间被反向偏置，并且p-n结212-2和212-4在操作期间被正向偏置。因此，当被反向偏置时，p-n结212-1、212-3和212-5有助于调制，而p-n结212-2和212-4不会有助于调制。尽管如图18所示，该系列1516横向p-n结212包括Si层1508中具有相同p-n取向的三个横向p-n结212，但是在其他实施例中，系列1516可以具有更多具有相同p-n取向的横向p-n结212。
图19示意性地示出了图18中的Si光学移相器100的电操作，其中第一耗尽区610形成在横向p-n结212-1处，第二耗尽区611形成在横向p-n结212-3处，并且第三耗尽区612形成在横向p-n结212-5处。第一耗尽区610和第三耗尽区612偏离光学芯1514的横向中心318(即，沿着x轴)，而第二耗尽区611通常与横向中心318对准。
在图20中，载流子密度由横向p-n结212处的耗尽区610-612的宽度440表示。在操作期间，宽度440可以通过跨该系列1516横向p-n结212施加来自电压源450的变化的反向偏置电压来调节。从图20中可以清楚地看出，这种偏置还导致p-n结212-2和212-4被正向偏置。Si光学移相器100还包括偏置电极416-417，该偏置电极416-417被配置为跨光学芯1514中的p-n结212的整个系列1516来与电压源450电耦合。电极416-417沿着Si光学芯208的段430的相对侧定位。电极416经由Si板2020的重p型掺杂(p++)部分电耦合到第一p型区520。电极417经由Si板2021的重n型掺杂(n++)部分电耦合到第三n型区530。
图21是示出说明性实施例中的制造Si光学移相器的方法2100的流程图。图22至图25示出了说明性实施例中的制造步骤的结果。
方法2100包括获取或获得Si衬底104的步骤(步骤2102)。在图22中，Si衬底104包括形成在下部光学包层1506上的晶体Si层1508。例如，可以获取具有大约220nm的晶体Si层(或器件层)的SOI晶片1140。在图21中，在导光肋1509下方的晶体Si层1508的一部分(参见图15)表示Si光学波导102的光学芯1514。因此，方法2100还包括对晶体Si层1508(即，光学芯1514)进行掺杂以形成多个横向p-n结212(步骤2104)。在图23中，可以执行离子注入工艺1306或类似工艺以在晶体Si层1508中产生形成一系列横向p-n结的p型区和n型区。尽管图23中示出了三个横向p-n结，但是可以形成多于三个横向p-n结(参见图18)。
在图21中，方法2100还包括在Si层1508上形成导光肋1509(步骤2106)。图24示出了形成在Si层1508上的导光肋1509。例如，导光肋1509可以通过沉积折射率比Si层1508低但折射率比上部光学包层1510高的Si层(诸如氮化硅(SiN))来形成。在该实施例中，Si光学波导102具有带负载波导的几何形状，该带负载波导具有包括光学芯1514的板2422和导光肋1509。在图21中，方法2100还包括在Si层1508和导光肋1509上形成Si光学波导102的上部光学包层1510(步骤2108)。在图25中，上部光学包层1510可以通过沉积折射率低于Si层1508和导光肋1509的Si材料(诸如二氧化硅)来形成。在图21中，方法2100还包括沿着光学芯1514的段430的相对侧形成一对偏置电极416-417(步骤2110)，如图20所示。
方法2100可以在Si衬底104的多个区域中执行，以制造多个Si光学移相器。
如以上公开的一个或多个Si光学移相器100可以用在各种光学器件中。图26示出了说明性实施例中的实现一个或多个Si光学移相器100的光学器件2600。通常，光学器件2600是被配置为处理光或光波的装置。例如，光学器件2600-1可以包括用于实现一个或多个Si光学移相器100的相干光学模块2612(例如，相干光学传输器或相干光学收发器)。例如，光学器件2600-2可以包括光学调制器2613，光学调制器2613实现用于(多个)光学载波的数据调制的一个或多个Si光学移相器100。光学调制器2613是一种操纵光特性的光学器件，诸如射频行波操作的马赫-曾德尔调制器(MZM)、环形谐振器MZM、光学环形谐振器等。
如图26所示，Si光学移相器100可以包括用于操作Si光学移相器100的一个或多个射频(RF)行波电极2630。
光学器件2600中的一个或多个、或其他光学器件可以包括或实现Si MZM。图27示出了说明性实施例中的实现一个或多个Si MZM 2701的光学器件2700。尽管图27中示出了两个Si MZM 2701，但是其他实施例中可以实现更多或更少的Si MZM 2701。
Si MZM 2701包括分光器2702、一对光学调制波导臂2704-2705和光组合器2708。来自激光器(未示出)的输入功率(PIN)被发射到输入端口2710中，并且在分光器2702处被拆分以由光学调制波导臂2704和光学调制波导臂2705共享(例如，功率拆分可以使得来自输入端口2711的大约等量的光被引导到光学调制臂2704和2705中的每个)。光学调制波导臂2704-2705中的一者或两者具有一个或多个沿着其延伸的段，该段实现如上所述的Si光学移相器100。经由偏置电极(例如，参见图4)跨Si光学移相器100施加负偏置电压，并且可以经由一个或多个RF行波电极2630跨Si光学相移器100施加RF调制信号，以改变该段的光学折射率并且改变由传播通过其的光累积的相移。光学组合器2708组合来自两个光学调制波导臂2704-2705的光。在光学组合器2708中，来自光学调制波导臂2704-2705的光根据来自不同光学调制波导臂2704-2705的光之间的累积相位差相长或相消干涉，例如，以在输出端口2716处提供输出光(POUT)的幅度调制。在具有例如两个这样的MZM光学调制器的嵌套对的实施例中，输出光学组合器2708可以输出具有分离的同相和正交相位调制的光。
光学器件2600中的一个或多个、或其他光学器件可以包括或实现光学环形谐振器或环形谐振器MZM。图28示出了说明性实施例中的实现一个或多个光学环形谐振器2801的光学器件2800。Si光学移相器100可以沿着光学环形谐振器2801的光学波导段2810实现。
尽管本文中描述了特定实施例，但是本公开的范围不限于这些特定实施例。本公开的范围由以下权利要求及其任何等价物来限定。

Claims (15)

1.一种用于通信的装置，包括：
光学移相器，包括：
平面光学波导，具有硅光学芯；以及
一对偏置电极，沿着所述硅光学芯的一段的相对侧定位；
其中所述硅光学芯的所述段包括一系列p-n结，所述系列在以下方向上延伸：所述方向横向于包括所述硅光学芯的所述段的所述平面光学波导的段中的光传播方向；
其中所述p-n结中的至少两个p-n结被配置为通过跨所述偏置电极施加电压而被反向偏置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述p-n结中的至少另一p-n结位于所述p-n结中的所述两个p-n结之间，并且被配置为通过跨所述偏置电极施加所述电压而被正向偏置。
3.根据权利要求1或2所述的装置，还包括用于操作所述光学移相器的至少一个射频行波电极。
4.根据权利要求1或2所述的装置，还包括具有一对平行光学波导臂的马赫-曾德尔光学调制器；
其中所述光学移相器沿着所述光学波导臂中的一个光学波导臂。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括光学调制器，所述光学调制器包括光学环形谐振器；
其中所述光学移相器沿着所述光学环形谐振器的光学波导段。
6.根据权利要求1、2和5中任一项所述的装置，其中所述p-n结中的所述至少两个p-n结位于所述硅光学芯的所述段中所述硅光学芯的横向中心的相对侧上。
7.根据权利要求1、2和5中任一项所述的装置，其中：
所述平面光学波导具有肋状波导的几何形状。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述平面光学波导包括肋，所述肋在所述硅光学芯的表面上，并且沿着所述光传播方向定向。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述肋包括氮化硅。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其中所述肋的一段面对包括所述一系列p-n结的所述硅光学芯的所述段。
11.根据权利要求8或9所述的装置，其中所述p-n结中的至少另一p-n结位于所述p-n结中的所述两个p-n结之间，并且被配置为通过跨所述偏置电极施加所述电压而被正向偏置。
12.根据权利要求8或9所述的装置，还包括用于操作所述光学移相器的至少一个射频行波电极。
13.根据权利要求8所述的装置，还包括具有一对平行光学波导臂的马赫-曾德尔光学调制器；
其中所述光学移相器沿着所述光学波导臂中的一个光学波导臂。
14.根据权利要求13所述的装置，还包括用于操作所述光学移相器的至少一个射频行波电极。
15.根据权利要求8所述的装置，还包括光学调制器，所述光学调制器包括光学环形谐振器；
其中所述光学移相器沿着所述光学环形谐振器的光学波导段。
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