DE102004007251A1 - Electro-optical modulator for use in waveguide applications has a waveguide that forms an electrical capacitor with two oppositely doped semiconductor areas separated by a non-conducting capacitor insulation layer - Google Patents

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Abstract

Electro-optical modulator has at least a waveguide (300) that forms an electrical capacitor and has at least two wave-guiding semiconductor areas (310, 320) that are separated by a non-conducting capacitor insulation layer (340).

Description

Die Erfindung geht von einem elektrooptischen Modulator aus.The The invention is based on an electro-optical modulator.

Ein vorbekannter elektrooptischer Modulator ist beispielsweise in der Druckschrift „Low Power-Consumption Short-Length and High-Modulation-Depth Silicon Electrooptic Modulator" (Carlos Angulo Barrios, Vilson Rosa de Almeida, Michal Lipson; Journal of Lightwave Technology, Vol 21, No. 4, April 2003) beschrieben. Der vorbekannte Modulator weist einen Wellenleiter auf der Basis von Silicon-On-Insulator (SOI)-Material auf. Der Wellenleiter bildet eine Rippenstruktur. Benachbart zu der Rippenstruktur des Wellenleiters sind eine p-dotierte und eine n-dotierte Zone angeordnet. Durch Anlegen einer „Flussspannung" werden mit den beiden dotierten Zonen Ladungsträger in den Wellenleiterbereich bzw. in die Rippenstruktur injiziert, wodurch die Brechzahl im Wellenleiter abgesenkt wird. In dieser Weise lässt sich das optische Verhalten des Wellenleiters verändern und das im Wellenleiter propagierende Licht modulieren. Die erreichbare Modulationsfrequenz des vorbekannten Modulators wird durch die Lebensdauer der injizierten Minoritätsladungsträger begrenzt.One Previously known electro-optical modulator is for example in the Reference "Low Power Consumption Short-Length and High-Modulation-Depth Silicon Electrooptic Modulator "(Carlos Angulo Barrios, Vilson Rosa de Almeida, Michal Lipson; Journal of Lightwave Technology, Vol 21, no. 4, April 2003). Of the Previously known modulator has a waveguide based on Silicon On Insulator (SOI) material on. The waveguide forms a rib structure. Adjacent to the rib structure of the waveguide are arranged a p-doped and an n-doped zone. By Applying a "forward voltage" will be with the two doped zones charge carriers injected into the waveguide region or into the rib structure, whereby the refractive index is lowered in the waveguide. In this Way can be change the optical behavior of the waveguide and that in the waveguide modulate propagating light. The achievable modulation frequency of Previously known modulator is injected through the life of the Minority carrier limited.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrooptischen Modulator anzugeben, mit dem sich besonders hohe Grenzfrequenzen erreichen lassen.Of the Invention is based on the object, an electro-optical modulator be specified, with the reach particularly high cut-off frequencies to let.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrooptischen Modulator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulators sind in Unteransprüchen angegeben.These The object is achieved by a Electrooptical modulator with the characterizing features of Patent claim 1 solved. advantageous Embodiments of the electro-optical modulator according to the invention are in dependent claims specified.

Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein Wellenleiter des elektrooptischen Modulators einen elektrischen Kondensator bildet. Hierfür weist der Wellenleiter zumindest zwei wellenführende Halbleiterbereiche auf, die durch eine nichtleitende Schicht voneinander elektrisch getrennt sind. Die nichtleitende Schicht bildet eine Kondensatorisolationsschicht des elektrischen Kondensators.After that is inventively provided that at least one waveguide of the electro-optical modulator forms electrical capacitor. For this purpose, the waveguide at least two wave leading Semiconductor areas formed by a non-conductive layer from each other are electrically isolated. The non-conductive layer forms a Capacitor insulation layer of the electric capacitor.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulators ist darin zu sehen, dass sich mit diesem sehr hohe Grenzfrequenzen bei der Modulation des sich im Wellenleiter ausbreitenden Lichts erreichen lassen. Dies wird konkret durch die im Wellenleiter vorhandene elektrische Kondensatorstruktur erreicht, mit der sich elektrische Ladungen im Wellenleiter sehr schnell aufbauen und abbauen lassen. Da die Brechzahl und der Absorptionskoeffizient in Halbleitermaterialien aufgrund des Plasmaeffektes von der jeweiligen Ladungsträgerdichte abhängen, führt eine Änderung der Ladungsträgerdichte zu einer Modulation des Lichts im Wellenleiter; dabei ist die Modulation der Phase in der Regel dominant. Die Grenzfrequenz des erfindungsgemäßen Modulators ist im wesentlichen durch das von dem Kondensator gebildete RC-Glied begrenzt. Das RC-Glied ergibt sich durch den Ohmschen Widerstand der beiden Halbleiterbereiche des Wellenleiters sowie durch den Kapazitätswert, der durch die Kondensatorisolationsschicht bestimmt wird. Eine 3dB-Grenzfrequenz über 30 Gigahertz lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Modulator ohne weiteres erreichen.One significant advantage of the electro-optical modulator according to the invention can be seen in the fact that with this very high cutoff frequencies in the modulation of the propagating light in the waveguide achieve. This is specifically due to the existing in the waveguide achieved electrical capacitor structure, with which electrical charges build up in the waveguide very quickly and degrade. Because the Refractive index and the absorption coefficient in semiconductor materials due to the plasma effect of the respective charge carrier density depend, leads a change the carrier density to a modulation of the light in the waveguide; Here is the modulation the phase is usually dominant. The cutoff frequency of the modulator according to the invention is essentially by the RC element formed by the capacitor limited. The RC element results from the ohmic resistance the two semiconductor regions of the waveguide and by the Capacitance value, which is determined by the capacitor insulation layer. A 3dB cutoff frequency over 30 gigahertz let yourself with the modulator according to the invention easily reach.

Im Unterschied zu dem eingangs erwähnten, vorbekannten Modulator, bei dem die Modulationsfrequenz durch die Lebensdauer der in die pin-Diodenstruktur injizierten Ladungsträger begrenzt wird, ist bei dem erfindungsgemäßen Modulator die Grenzfrequenz von der Lebensdauer der Ladungsträger in den beiden Halbleiterbereichen unabhängig.in the Difference to the aforementioned, previously known Modulator, where the modulation frequency through the lifetime limited the injected into the pin diode structure charge carriers is is in the inventive modulator the cutoff frequency of the lifetime of the charge carriers in the independent of both semiconductor regions.

Als Halbleitermaterial für die wellenführenden Halbleiterbereiche sind beispielsweise Silizium, SiGe-Legierungen, III-V-Halbleitermaterial oder II-VI-Halbleitermaterial geeignet.When Semiconductor material for the wave-leading Semiconductor regions are, for example, silicon, SiGe alloys, III-V semiconductor material or II-VI semiconductor material suitable.

Bevorzugt liegen die beiden Halbleiterbereiche des Wellenleiters auf einer gemeinsamen Trägerschicht auf. Die Trägerschicht kann beispielsweise elektrisch isolierend sein und/oder zur Wellenführung (z. B. vertikale Wellenführung) dienen. Die Trägerschicht kann beispielsweise durch ein Substrat gebildet sein.Prefers the two semiconductor regions of the waveguide lie on one common carrier layer on. The carrier layer may for example be electrically insulating and / or waveguide (z. B. vertical waveguide) serve. The carrier layer may be formed for example by a substrate.

Die Trägerschicht und die Kondensatorisolationsschicht stehen bevorzugt unter einem vorgegebenen Winkel zueinander. Beispielsweise kann die Kondensatorisolationsschicht senkrecht zur Trägerschicht angeordnet sein. Alternativ kann die Kondensatorisolationsschicht auch parallel zur Trägerschicht liegen.The backing and the capacitor insulation layer are preferably one predetermined angle to each other. For example, the capacitor insulation layer perpendicular to the carrier layer be arranged. Alternatively, the capacitor insulation layer also parallel to the carrier layer.

Die Kondensatorisolationsschicht weist vorzugsweise im Querschnitt eine „mäanderförmige" Struktur auf; eine „mäanderförmige" Struktur erhöht den Wirkungsgrad des Modulators erheblich, da die Überlappung des optischen Feldes des Lichts im Wellenleiter mit den Ladungen in den sich ausbildenden Ladungsschichten des Kondensators deutlich vergrößert wird.The The capacitor insulation layer preferably has a "meandering" structure in cross section, and a "meandering" structure increases the efficiency of the modulator considerably, because the overlap of the optical field of light in a waveguide with charges in forming Charge layers of the capacitor is significantly increased.

Besonders kostengünstig ist Silizium-Halbleitermaterial, so dass es als vorteilhaft angesehen wird, wenn die beiden Halbleiterbereiche des Wellenleiters aus Silizium bestehen. Bei der Herstellung des elektrooptischen Modulators kann dann auf die bekannte Silizium-Halbleitertechnologie zurückgegriffen werden, so dass äußerst kostengünstige Modulatoren herstellbar sind.Especially economical is silicon semiconductor material, so it is considered advantageous when the two semiconductor regions of the waveguide made of silicon consist. In the manufacture of the electro-optical modulator can then resorted to the well-known silicon semiconductor technology be, so that extremely cost-effective modulators can be produced.

Um zu erreichen, dass die Kondensatorladungen zu der Kondensatorisolationsschicht schnell zugeführt (bzw. von dieser abgeführt) werden können, werden die beiden Halbleiterbereiche unterschiedlich dotiert. Dies bedeutet, dass eine der beiden Halbleiterbereiche p-dotiert und der andere der beiden Halbleiterbereiche n-dotiert wird. Das Ansteuern des Kondensators erfolgt dann derart, dass an den p-dotierten Halbleiterbereich ein größeres Spannungspotential als an den n-dotierten Halbleiterbereich angelegt wird. Beispielsweise liegt der n-dotierte Halbleiterbereich auf Masse, und der p-dotierte Halbleiterbereich wird durch Beaufschlagen mit einer positiven Spannung angesteuert. Durch diese Art der Ansteuerung des Kondensators wird erreicht, dass die Kondensatorladungen auf beiden Seiten der Kondensatorisolationsschicht durch Majoritätsträger des jeweiligen Halbleiterbereichs gebildet werden.Around to achieve that the capacitor charges to the capacitor insulation layer fed quickly (or removed from this) can be the two semiconductor regions are doped differently. This means that one of the two semiconductor regions p-doped and the other of the two semiconductor regions is n-doped. The driving of the capacitor is then such that to the p-doped semiconductor region a greater voltage potential as applied to the n-doped semiconductor region. For example the n-doped semiconductor region is grounded, and the p-doped semiconductor region is controlled by applying a positive voltage. This type of activation of the capacitor is achieved that the capacitor charges on both sides of the capacitor insulation layer by majority carriers of the respective Semiconductor region are formed.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Wellenleiter des elektrooptischen Modulators um einen einmodigen Wellenleiter, um eine optimale „Modulationstiefe" beim Modulieren des im Wellenleiter propagierenden Lichts zu erreichen.Preferably it is the waveguide of the electro-optical modulator to a single-mode waveguide to an optimal "modulation depth" when modulating to reach the light propagating in the waveguide.

Vorzugsweise ist die Kondensatorisolationsschicht derart im Wellenleiter angeordnet, dass die elektrischen Kondensatorladungen, die in den zur Kondensatorisolationsschicht benachbarten Halbleiterzonen bzw. Halbleiterschichten der beiden Halbleiterbereiche „angesammelt" werden, im Bereich maximaler optischer Feldintensität des optischen Wellenleiters liegen. Zu optimieren ist also das Maß der Überlappung zwischen den Ladungsträgern des Kondensators und dem optischen Feld im Wellenleiter, damit ein optimaler Modulationswirkungsgrad erreicht wird.Preferably the capacitor insulation layer is arranged in the waveguide in this way, that the electrical capacitor charges that in the capacitor insulation layer adjacent semiconductor zones or semiconductor layers of the two Semiconductor areas are "accumulated" in the area maximum optical field intensity of the optical waveguide. To optimize is therefore the degree of overlap between the carriers of the capacitor and the optical field in the waveguide, with it optimum modulation efficiency is achieved.

Besonders einfach und kostengünstig lassen sich beispielsweise Rippenwellenleiter herstellen, so dass es als vorteilhaft angesehen wird, wenn der Wellenleiter ein Rippenwellenleiter ist. Zur vertikalen Wellenführung wird beispielsweise eine Schicht mit einer niedrigeren Brechzahl als der Brechzahl im Rippenwellenleiter verwendet. Die Schicht für die vertikale Wellenführung kann im Übrigen auch eine Doppelfunktion haben und die oben bereits erwähnte elektrisch isolierende Trägerschicht bilden.Especially easy and inexpensive For example, rib waveguides can be produced so that it is considered advantageous if the waveguide is a ridge waveguide is. For vertical wave guidance For example, a layer with a lower refractive index than the refractive index used in the rib waveguide. The layer for the vertical wave guide can by the way also have a dual function and the above already mentioned electrically insulating carrier layer form.

Falls es sich bei dem wellenführenden Material des Rippenwellenleiters um Silizium handelt, so kann die Schicht zur vertikalen Wellenführung beispielsweise aus porösem Silizium bestehen. Alternativ kann die Schicht durch eine Oxidschicht (z. B. Buried Oxide: vergrabene Oxidschicht) gebildet sein; in diesem Falle handelt es sich bei dem Rippenwellenleiter um einen sogenannten SOI (SOI: Silicon-On-Insulator)-Rippenwellenleiter.If it is the wave leading Material of the rib waveguide is silicon, so can the Layer for vertical wave guidance for example, porous Consist of silicon. Alternatively, the layer may be covered by an oxide layer (eg Buried Oxide: buried oxide layer) may be formed; in this Trap is in the rib waveguide to a so-called SOI (Silicon On Insulator) rib waveguide.

Um aus einer Phasenmodulation des im Wellenleiter geführten Lichts eine Amplitudenmodulation zu erhalten, stehen die üblichen optischen Anordnungen zur Verfügung:
Beispielsweise kann der elektrooptische Modulator eine MZI(MZI: Mach-Zehnder-Interferometer)-Wellenleiterstruktur aufweisen, wenn aus einer Phasenmodulation eine Amplitudenmodulation erzeugt werden soll.
In order to obtain an amplitude modulation from a phase modulation of the light guided in the waveguide, the usual optical arrangements are available:
For example, the electro-optic modulator may have an MZI (MZI: Mach-Zehnder interferometer) waveguide structure if amplitude modulation is to be generated from a phase modulation.

Alternativ oder zusätzlich kann der Modulator auf resonanten Strukturen basieren, die beidseitig verspiegelt bzw. teilverspiegelt sind, und/oder in Längsrichtung des Wellenleiters eine Gitterstruktur, insbesondere eine Bragg-Gitterstruktur, aufweisen. Dadurch wird sowohl die effektive optische Wechselwirkungslänge erhöht, ohne dabei die elektrische Kapazität zu erhöhen, und das Bauelement wird wellenlängenselektiv.alternative or additionally For example, the modulator can be based on resonant structures that are mirrored on both sides or partially mirrored, and / or in the longitudinal direction of the waveguide a lattice structure, in particular a Bragg lattice structure. This will both increases the effective optical interaction length without sacrificing the electrical capacity to increase, and the device becomes wavelength selective.

Zur Erläuterung der Erfindung zeigen:to explanation of the invention show:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulator, 1 a first embodiment of an electro-optical modulator according to the invention,

2 die Wellenleiterstruktur des elektrooptischen Modulators im Querschnitt im Detail, 2 the waveguide structure of the electro-optical modulator in cross-section in detail,

3 die Brechzahlverteilung im Wellenleiter gemäß 2, 3 the refractive index distribution in the waveguide according to 2 .

4 die laterale Intensitätsverteilung des Lichts im Wellenleiterquerschnitt gemäß 2, 4 the lateral intensity distribution of the light in the waveguide cross-section according to 2 .

5 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulator mit einer Bragg-Gitterstruktur, 5 A second embodiment of an electrooptical modulator according to the invention with a Bragg grating structure,

6 das optische Verhalten des Modulators gemäß 5 in Abhängigkeit von der Wellenlänge des durch den Modulator propagierenden Lichts und 6 the optical behavior of the modulator according to 5 depending on the wavelength of the light propagating through the modulator and

7 bis 14 weitere Ausführungsbeispiele für einen erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulator. 7 to 14 Further embodiments of an electro-optical modulator according to the invention.

In der 1 ist ein MZI-Modulator 10 dargestellt. Der MZI-Modulator 10 weist einen Eingangswellenleiter 20 auf, in den eine optische Welle mit der Lichtintensität Pein eingestrahlt wird. An den Eingangswellenleiter 20 schließt sich eine erste Y-Verzweigung 30 an, an die ausgangsseitig zwei Wellenleiter 40 und 50 – nachfolgend Wellenleiterarme genannt – angeschlossen sind.In the 1 is an MZI modulator 10 shown. The MZI modulator 10 has an input waveguide 20 , is irradiated into the optical wave with the light intensity P a on. To the input waveguide 20 closes a first Y branch 30 on, on the output side, two waveguides 40 and 50 - hereinafter called waveguide arms - are connected.

Die beiden Wellenleiterarme 40 und 50 münden in eine zweite Y-Verzweigung 60, an der sich ein Aungangswellenleiter 70 anschließt. Am Ende des Ausgangswellenleiters 70 tritt die durch den MZI-Modulator 10 modulierte Lichtwelle mit der Intensität Paus aus.The two waveguide arms 40 and 50 terminate in a second Y branch 60 , where an Aungangswellenleiter 70 followed. At the end of the output waveguide 70 passes through the MZI modulator 10 modulated light wave with the intensity P off out.

Den beiden Wellenleiterarmen 40 und 50 sind jeweils zwei Elektrodenpaare zugeordnet. Konkret liegen neben dem Wellenleiterarm 40 die beiden Elektroden 100 und 110. Benachbart zu dem Wellenleiterarm 50 befinden sich die Elektroden 120 und 130.The two waveguide arms 40 and 50 in each case two pairs of electrodes are assigned. Concretely lying next to the waveguide arm 40 the two electrodes 100 and 110 , Adjacent to the waveguide arm 50 are the electrodes 120 and 130 ,

Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden 100 und 110 bzw. 120 und 130 lässt sich die Brechzahl in den beiden Wellenleiterarmen 40 und 50 modulieren, so dass zwangsläufig auch das Lichtsignal im Ausgangswellenleiter 70 moduliert wird.By applying a voltage to the electrodes 100 and 110 respectively. 120 and 130 can the refractive index in the two waveguide arms 40 and 50 modulate, so that inevitably the light signal in the output waveguide 70 is modulated.

Die Wellenleiterstruktur der beiden Wellenleiterarme 40 und 50 ist in der 2 beispielhaft anhand des in der 1 rechten Wellenleiterarms 50 dargestellt. Man erkennt in der 2 die beiden Elektroden 120 und 130, die parallel zu dem Wellenleiterarm 50 angeordnet sind. Der Wellenleiterarm 50 wird durch einen SOI-Rippenwellenleiter 300 gebildet.The waveguide structure of the two waveguide arms 40 and 50 is in the 2 by way of example in the 1 right waveguide arm 50 shown. One recognizes in the 2 the two electrodes 120 and 130 parallel to the waveguide arm 50 are arranged. The waveguide arm 50 is through an SOI rib waveguide 300 educated.

Der Rippenwellenleiter 300 umfasst zwei Halbleiterbereiche 310 und 320. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 ist der Halbleiterbereich 310 n-dotiert und der Halbleiterbereich 320 p-dotiert.The rib waveguide 300 includes two semiconductor regions 310 and 320 , In the embodiment according to the 2 is the semiconductor area 310 n-doped and the semiconductor region 320 p-doped.

Die beiden Halbleiterbereiche 310 und 320 liegen auf einer gemeinsamen elektrisch isolierenden Trägerschicht 330 auf, die z. B. durch eine vergrabene SiO2-Schicht des SOI-Rippenwellenleiters 300 gebildet ist. Die Trägerschicht 330 dient bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 sowohl zur elektrischen Isolation der beiden Halbleiterbereiche 310 und 320 als auch zur optischen Wellenführung in vertikaler Richtung.The two semiconductor areas 310 and 320 lie on a common electrically insulating carrier layer 330 on, the z. B. by a buried SiO 2 layer of the SOI rib waveguide 300 is formed. The carrier layer 330 serves in the embodiment according to the 2 both for the electrical isolation of the two semiconductor regions 310 and 320 as well as the optical waveguide in the vertical direction.

Zur lateralen Wellenführung weist der SOI-Rippenwellenleiter 300 in horizontaler Richtung eine Rippe auf, die beispielsweise durch Ätzen hergestellt ist.For lateral waveguide has the SOI rib waveguide 300 in the horizontal direction a rib, which is made for example by etching.

In der 2 erkennt man, dass die beiden Halbleiterbereiche 310 und 320 durch eine nichtleitende Schicht 340 getrennt sind, die eine Kondensatorisolationsschicht bildet. Die Kondensatorisolationsschicht 340 trennt die beiden Halbleiterbereiche 310 und 320 elektrisch vollständig.In the 2 you can see that the two semiconductor areas 310 and 320 through a non-conductive layer 340 are separated, which forms a capacitor insulating layer. The capacitor insulation layer 340 separates the two semiconductor regions 310 and 320 electrically complete.

Die Dicke der Kondensatorisolationsschicht 340 ist in der 2 mit dem Bezugszeichen d gekennzeichnet. Die Dicke d beträgt beispielsweise d = 10nm.The thickness of the capacitor insulation layer 340 is in the 2 denoted by the reference d. The thickness d is, for example, d = 10 nm.

Die Dicke der Kondensatorisolationsschicht 340 wird vorzugsweise derart klein gewählt, dass zwischen den beiden Halbleiterbereichen 310 und 320 eine optische Kopplung erhalten bleibt. Wird nämlich die Dicke der Kondensatorisolationsschicht 340 zu dick gewählt, würden die beiden Halbleiterbereiche 310 und 320 getrennte optische Wellenleiter bilden; nur bei einer ausreichend dünnen Kondensatorisolationsschicht im Nanometerbereich (< 500nm, vorzugsweise < 50 nm) ist sichergestellt, dass die beiden Halbleiterbereiche 310 und 320 ausschließlich eine elektrische, jedoch keine optische Trennung herbeiführen.The thickness of the capacitor insulation layer 340 is preferably chosen so small that between the two semiconductor regions 310 and 320 an optical coupling is maintained. Namely, the thickness of the capacitor insulation layer 340 chosen too thick, the two semiconductor areas 310 and 320 form separate optical waveguides; only with a sufficiently thin capacitor insulation layer in the nanometer range (<500 nm, preferably <50 nm) it is ensured that the two semiconductor regions 310 and 320 cause only an electrical, but no optical separation.

Die Länge des SOI-Rippenwellenleiters 300 beträgt beispielsweise L = 750 μm. Die Rippenbreite des SOI-Rippenwellenleiters 300 ist in der 2 mit dem Bezugszeichen w bezeichnet. Die Breite beträgt beispielsweise w = 200nm. Die Gesamthöhe H des SOI-Rippenwellenleiters 300 beträgt beispielsweise H = 200nm.The length of the SOI rib waveguide 300 For example, L = 750 microns. The rib width of the SOI rib waveguide 300 is in the 2 denoted by the reference w. The width is for example w = 200nm. The overall height H of the SOI rib waveguide 300 is for example H = 200nm.

In der 2 sind darüber hinaus zwei Schichten 400 und 410 gekennzeichnet; bei der Schicht 400 handelt es sich um eine negative, also durch Elektronen gebildete Ladungsschicht, die bei Anlegen einer positiven Spannung U im n-dotierten Halbleiterbereich 310 an der Grenzschicht zur Kondensatorisolationsschicht 340 ausgebildet wird.In the 2 are also two layers 400 and 410 characterized; at the shift 400 it is a negative, that is formed by electrons charge layer when applying a positive voltage U in the n-doped semiconductor region 310 at the interface to the capacitor isolation layer 340 is trained.

Der elektrisch negativen Ladungsschicht 400 gegenüber liegt eine elektrisch positiv geladene Ladungsschicht 410, die durch „Löcher" gebildet ist. Die beiden Ladungsschichten 400 und 410 werden also durch Majoritätsträger der beiden Halbleiterbereiche 310 und 320 gebildet. Die Dicke der Ladungsschichten 400 und 410 ist in der 2 mit den Bezugszeichen dP und dn gekennzeichnet.The electrically negative charge layer 400 opposite is an electrically positively charged charge layer 410 formed by "holes." The two charge layers 400 and 410 So are by majority carrier of the two semiconductor regions 310 and 320 educated. The thickness of the charge layers 400 and 410 is in the 2 denoted by the reference signs d P and d n .

Durch Ein- und Ausschalten der an den beiden Elektroden 120 und 130 anliegenden positiven Spannung U lassen sich somit die Ladungsschichten 400 und 410 aufbauen bzw. abbauen.By switching on and off the at the two electrodes 120 and 130 applied positive voltage U can thus be the charge layers 400 and 410 build up or dismantle.

Wie sich beispielsweise der Druckschrift „Electrooptical Effects in Silicon" (Richard A. Soref, Brian R. Bennett; IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-23, No. 1, January 1987) entnehmen lässt, wird die Brechzahl in Silizium bei Vorhandensein zusätzlicher Ladungsträger abgesenkt. Durch Anlegen der in der 2 eingezeichneten positiven Spannung U wird somit aufgrund der hervorgerufenen Kondensatorladungen die Brechzahl herabgesetzt, wodurch es zu einer Phasenmodulation des Lichts sowohl in der Ladungsschicht 400 als auch in der Ladungsschicht 410 kommt.As can be seen, for example, in the publication "Electrooptical Effects in Silicon" (Richard A. Soref, Brian R. Bennett, IEEE Journal of Quantum Electronics, Volume QE-23, No. 1, January 1987), the refractive index in silicon is added Presence of additional charge carriers lowered 2 drawn positive voltage U is thus reduced due to the induced capacitor charges, the refractive index, thereby causing a phase modulation of the light in both the charge layer 400 as well as in the charge layer 410 comes.

Zusammengefasst lassen sich also durch die Spannung U die Ladungsträgerdichte in den Ladungsschichten 400 und 410 und damit die effektive Brechzahl im SOI-Wellenleiter 300 modulieren.In summary, therefore, the voltage U causes the carrier density to be in the charge layers 400 and 410 and hence the effective refractive index in the SOI waveguide 300 modulate.

Die Kapazität C des durch die beiden Halbleiterbereiche 310 und 320 sowie die Kondensatorisolationsschicht 340 gebildeten Kondensators berechnet sich wie folgt: C=ε0·εSiO2·H·L/d = 5,1810–13F The capacity C of the two half conductor areas 310 and 320 and the capacitor insulation layer 340 formed capacitor is calculated as follows: C = ε 0 · ε SiO2 · H · L / d = 5.1810 -13 F

Dabei bezeichnet ε0 die Dielektrizitätskonstante im Vakuum und εSiO2 die relative Dielektrizitätskonstante von SiO2SiO2 3,9). Alternativ kann für die Kondensatorisolationsschicht 340 anstelle von SiO2 auch ein anderes Dielektrikum verwendet werden, vorzugsweise eines mit hoher Dielektrizitätszahl („high-k-dielectrica").Here, ε 0 denotes the dielectric constant in vacuum ε and SiO2, the relative dielectric constant of SiO 2SiO2 3.9). Alternatively, for the capacitor insulation layer 340 instead of SiO 2 , another dielectric may also be used, preferably one with a high dielectric constant ("high-k-dielectric").

Der elektrische „Zuleitungswiderstand" R zu dem durch die beiden Halbleiterbereiche 310 und 320 sowie die Kondensatorisolationsschicht 340 gebildeten Kondensators errechnet sich wie folgt: R = 2·ρ·a/(L·h) = 3,44 Ω << 10 Ω,wobei ρSi die elektrische Leitfähigkeit von Silizium bezeichnet. Die elektrische Leitfähigkeit von Silizium beträgt bei einer Dotierung vom 1·1018 cm–3 im Falle einer p-Dotierung psi = 0,013 Ωcm. Als Steghöhe h des Rippenwelleneiters wurde h = H/2 eingesetzt. Für den Widerstand R ist im wesentlichen der Abstand a zwischen den Elektroden 120 bzw. 130 und der Kondensatorisolationsschicht 340 maßgeblich; dieser Abstand a beträgt beispielsweise a = 1 μm.The electrical "lead resistance" R to that through the two semiconductor regions 310 and 320 and the capacitor insulation layer 340 formed capacitor is calculated as follows: R = 2 × ρ × a / (L × h) = 3.44 Ω << 10 Ω, where ρ Si denotes the electrical conductivity of silicon. The electrical conductivity of silicon is at a doping of 1 · 10 18 cm -3 in the case of a p-doping psi = 0.013 Ωcm. As web height h of the rib waveguide, h = H / 2 was used. For the resistance R is substantially the distance a between the electrodes 120 respectively. 130 and the capacitor insulation layer 340 relevant; this distance a is, for example, a = 1 μm.

Wie sich der letztgenannten Formel entnehmen lässt, ist der elektrische Widerstand R des durch den Kondensator gebildeten RC-Gliedes deutlich kleiner als 10 Ω.As The last-mentioned formula is the electrical resistance R of the RC element formed by the capacitor significantly smaller as 10 Ω.

Im Ergebnis erhält man somit eine 3dB-Grenzfrequenz von circa: f3dB = 1/(2π·R·C) = 31 GHz, für R = 10 Ω The result is thus a 3dB cutoff frequency of about: f 3dB = 1 / (2π * R * C) = 31 GHz, for R = 10 Ω

Die in den beiden Ladungsschichten 400 und 410 enthaltene flächenbezogene Trägerdichte N2D lässt sich wie folgt berechnen: N2D = ρF/e = Q/(e·A) = C·U/(e·H·L) = 4,31·1012 1/cm2 wobei e die Elementarladung und ρF die flächenbezogene Ladung in den Ladungsschichten 400 und 410 bezeichnet. Zugrunde gelegt wird eine Spannung U = 2 Volt.The in the two charge layers 400 and 410 Area-based carrier density N 2D can be calculated as follows: N 2D = ρ F / e = Q / (e * A) = C * U / (e * H * L) = 4.31 * 10 12 1 cm 2 where e is the elementary charge and ρ F is the area-related charge in the charge layers 400 and 410 designated. It is based on a voltage U = 2 volts.

Die volumenbezogene Ladungsträgerdichte N3D in den beiden Ladungsschichten 400 und 410 berechnet sich dann gemäß: N3D = N2D/dP = 4,31·1018 1/cm3. wobei dn und dP jeweils mit ca. 10 nm angenommen wurden.The volume-related carrier density N 3D in the two charge layers 400 and 410 then calculated according to: N 3D = N 2D / d P = 4.31 x 10 18 1 cm 3 , where d n and d P were each assumed to be about 10 nm.

In der 3 ist die horizontale Brechzahlverteilung im SOI-Rippenwellenleiter 300 gemäß 2 dargestellt. Man sieht den Brechzahlverlauf in einem Schnitt parallel zur Trägerschicht 330; der Schnitt verläuft im oberen Rippenbereich des Rippenwellenleiters 300.In the 3 is the horizontal refractive index distribution in the SOI rib waveguide 300 according to 2 shown. The refractive index profile can be seen in a section parallel to the carrier layer 330 ; the cut runs in the upper rib area of the rib waveguide 300 ,

Man erkennt, dass die beiden Halbleiterbereiche 310 und 320 eine Brechzahl von ca. 3,5 aufweisen, wohingegen die Kondensatorisolationsschicht 340 eine Brechzahl von ca. 1,45 aufweist. Die Brechzahl der Kondensatorisolationsschicht 340 entspricht somit im Wesentlichen der Brechzahl des Isolationsmaterials, das den Rippenbereich des SOI-Rippenwellenleiters 300 umgibt. Dieses Isolationsmaterial ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in den 1 und 2 nicht dargestellt. Das Isolationsmaterial kann beispielsweise aus Siliziumdioxid, Kunststoff oder anderen Dielektrika bestehen.It can be seen that the two semiconductor regions 310 and 320 have a refractive index of about 3.5, whereas the capacitor insulation layer 340 has a refractive index of about 1.45. The refractive index of the capacitor insulation layer 340 thus substantially corresponds to the refractive index of the insulating material, which is the rib area of the SOI rib waveguide 300 surrounds. This insulation material is in the interests of clarity 1 and 2 not shown. The insulating material may for example consist of silicon dioxide, plastic or other dielectrics.

In der 4 ist die Intensitätsverteilung der in dem SOI-Rippenwellenleiter 300 propagierenden Lichtwelle im Schnitt dargestellt. Der Schnitt gemäß der 3 entspricht dem Schnitt gemäß der 2.In the 4 is the intensity distribution of the in the SOI ridge waveguide 300 propagating light wave shown in section. The section according to the 3 corresponds to the section according to the 2 ,

Man erkennt, dass in den Randbereichen 1 und 7 quasi kaum Licht geführt wird. Die Hauptanteile des Lichts werden in den Halbleiterbereichen 310 und 320 geführt, die den Bereichen 2, 3, 5 und 6 entsprechen.One recognizes that in the border areas 1 and 7 virtually no light is led. The main parts of the light become in the semiconductor areas 310 and 320 led the areas 2 . 3 . 5 and 6 correspond.

Trotz der niedrigen Brechzahl in der Kondensatorisolationsschicht 340 wird ein nicht unerheblicher Lichtanteil in dieser Schicht geführt. Der Lichtanteil Γ4 beträgt ca. 4,9%. Die Intensitätsanteile Γ1 bis Γ7 der einzelnen Bereiche gemäß 3 weisen folgende Zahlenwerte auf
Γ1 = 8.1% (äußeres Dielektrikum)
Γ2 = 34.4% (Halbleiterbereich 310)
Γ3 = 5.0% (Ladungsschicht 400)
Γ4 = 4.9% (Kondensatorisolationsschicht 340)
Γ5 = 5.0% (Ladungsschicht 410)
Γ6 = 34.4% (Halbleiterbereich 310)
Γ7 = 8.1% (äußeres Dielektrikum).
Despite the low refractive index in the capacitor insulation layer 340 a significant proportion of light in this layer is performed. The light fraction Γ 4 is about 4.9%. The intensity components Γ 1 to Γ 7 of the individual areas according to 3 have the following numerical values
Γ 1 = 8.1% (outer dielectric)
= 2 = 34.4% (semiconductor area 310 )
Γ 3 = 5.0% (charge layer 400 )
= 4 = 4.9% (capacitor insulation layer 340 )
Γ 5 = 5.0% (charge layer 410 )
Γ 6 = 34.4% (semiconductor area 310 )
Γ 7 = 8.1% (outer dielectric).

Der Lichtanteil, der in den beiden Ladungsschichten 400 und 410 geführt wird – dies sind in der 4 die Bereiche 3 und 5 -, beträgt somit: Γ = (Γ35) = 10%. The proportion of light in the two charge layers 400 and 410 is led - these are in the 4 the areas 3 and 5 -, is thus: Γ = (Γ 3 + Γ 5 ) = 10%.

Bei einer Spannung U = 2 V ergibt sich somit eine Änderung Δn der effektiven Brechzahl im SOI-Rippenwellenleiter 300 gemäß: Δn = Γ ΔnMat ΔnMat bezeichnet die Änderung der Brechzahl aufgrund der Ladungsträger in den beiden Ladungsschichten 400 und 410. ΔnMat berechet sich gemäß: ΔnMat = δn/δN·N3D = 10–21 cm–3·4,31·1018 cm–3 = 4,31·10–3 wobei δn/δN die Brechzahländerung in Silizium aufgrund der Ladungsträgerdichteänderung angibt (vgl. die bereits erwähnte Druckschrift „Electrooptical Effects in Silicon").At a voltage U = 2 V, there is thus a change Δn in the effective refractive index in the SOI rib waveguide 300 according to: Δn = ΓΔn Mat Δn Mat denotes the change in the refractive index due to the charge carriers in the two charge layers 400 and 410 , Δn Mat calculates according to: .DELTA.n Mat = δn / δN · N 3D = 10 -21 cm -3 · 4.31 · 10 18 cm -3 = 4.31 x 10 -3 where δn / δN indicates the refractive index change in silicon due to the charge carrier density change (cf the already mentioned document "Electrooptical Effects in Silicon").

Für Δn erhält man damit: Δn = Γ ΔnMat = 10 %·4,31·10–3 = 4,31·10–4 For Δn we get: Δn = ΓΔn Mat = 10% x 4.31 x 10 -3 = 4.31 x 10 -4

Mit dieser Brechzahländerung (z. B. bei differentieller Ansteuerung mit ± 2 V und einer DC-Bias-Spannung bzw. Offset-Spannung von +2 V) ergibt sich eine Phasenverschiebung ΔΦ zwischen den beiden Wellenleiterarmen 40 und 50 von ΔΦ = 2·Δn·(2·π·L/λ) = 3, 12 ≈ π,was am Ausgang des Modulators 10 zu destruktiver Interferenz (Auslöschung) führt.With this refractive index change (eg with differential control with ± 2 V and a DC bias voltage or offset voltage of +2 V), a phase shift ΔΦ results between the two waveguide arms 40 and 50 from ΔΦ = 2 · Δn · (2 · π · L / λ) = 3, 12 ≈ π, what at the output of the modulator 10 leads to destructive interference (extinction).

Erreichbar ist eine 3dB-Grenzfrequenz von 31 GHz, ohne dass es eines „Travelling Wave Concepts" bedarf.Reachable is a 3dB cutoff frequency of 31 GHz, without it being a "traveling Wave Concepts "needs.

In der 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen elektrooptischen Modulator dargestellt. Dieser Modulator trägt das Bezugszeichen 600 und weist eine resonante Struktur auf .In the 5 is shown a further embodiment of an electro-optical modulator. This modulator carries the reference numeral 600 and has a resonant structure.

Wie sich in der 5 erkennen lässt, weist ein Wellenleiter 610 des Modulators 600 in seiner Längsrichtung eine Gitterstruktur 615 auf. Diese Gitterstruktur 615 ist dadurch gebildet, dass die Rippenhöhe des SOI-Rippenwellenleiters 610 in Längsrichtung stufenförmig variiert wird. Ansonsten entspricht der Wellenleiter 610 von seinem Aufbau her dem im Zusammenhang mit der 2 erläuterten SOI-Rippenwellenleiter 300; dies bedeutet, dass auch der Wellenleiter 610 eine integrierte Kondensatorstruktur mit einer Kondensatorisolationsschicht umfasst.As reflected in the 5 reveals a waveguide points 610 of the modulator 600 in its longitudinal direction a lattice structure 615 on. This grid structure 615 is formed by the rib height of the SOI rib waveguide 610 is varied stepwise in the longitudinal direction. Otherwise, the waveguide corresponds 610 from its construction in connection with the 2 explained SOI rib waveguide 300 ; This also means that the waveguide 610 comprises an integrated capacitor structure with a capacitor insulation layer.

Aufgrund der Gitterstruktur 615 weist der Modulator 600 ein wellenlängenabhängiges Verhalten auf: Wird nun an die neben dem Rippenwellenleiter 610 befindlichen Elektroden 620 und 630 eine Spannung angelegt, so lässt sich das Reflektionsverhalten und damit auch das Transmissionsverhalten des elektrooptischen Modulators 600 variieren. Dies zeigt die 6:
In der 6 erkennt man das Reflektionsverhalten R des elektrooptischen Modulators 600 in Abhängigkeit von der optischen Wellenlänge λ des den SOI-Rippenwellenleiter 610 passierenden Lichtes. Durch Anlegen einer Spannung U an die beiden Elektroden 620 und 630 lässt sich das Reflektionsverhalten bzw. die Kennlinie verschieben.
Due to the lattice structure 615 indicates the modulator 600 a wavelength dependent behavior on: Will now be next to the rib waveguide 610 located electrodes 620 and 630 applied a voltage, so can the reflection behavior and thus the transmission behavior of the electro-optical modulator 600 vary. This shows the 6 :
In the 6 one recognizes the reflection behavior R of the electro-optical modulator 600 depending on the optical wavelength λ of the SOI ridge waveguide 610 passing light. By applying a voltage U to the two electrodes 620 and 630 can the reflection behavior or the characteristic curve be shifted.

Wie sich der 6 entnehmen lässt, kann bei einer Wellenlänge von ca. 1301,75 nm durch Anlegen einer Spannung von 2 V der Reflektionswert von R = 0 auf ca. R = 0,9 erhöht werden. Der Modulator 600 kann somit als Ein-Aus-Schalter eingesetzt werden.How is the 6 can be increased at a wavelength of about 1301.75 nm by applying a voltage of 2 V, the reflection value of R = 0 to about R = 0.9 can be increased. The modulator 600 can thus be used as an on-off switch.

Durch die resonate Ausführung des Modulators 600 kann bei gleicher Wechselwirkungslänge die geometrische Länge auf 300 μm reduziert werden (vgl. Modulatorlänge des Modulators 10 gemäß den 1 bis 4: L = 750 μm). Dadurch erhöht sich die 3 dB-Grenzfrequenz auf 78 Ghz.Due to the resonated design of the modulator 600 If the interaction length is the same, the geometric length can be reduced to 300 μm (see Modulator length of the modulator 10 according to the 1 to 4 : L = 750 μm). This increases the 3 dB cutoff frequency to 78 Ghz.

In den 7 bis 13 sind weitere Ausführungsbeispiele für einen Modulator dargestellt. In den 7 bis 13 werden für identische oder vergleichbare Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.In the 7 to 13 further embodiments of a modulator are shown. In the 7 to 13 the same reference numerals are used for identical or comparable elements.

Die 7 zeigt einen Modulator 700, der wie der Modulator 10 auf einem SOI-Rippenwellenleiter 705 basiert. Im Unterschied zum Modulator 10 verläuft die Kondensatorisolationsschicht 710 jedoch parallel zur vergrabenen Oxidschicht 715 des SOI-Materials, so das ein oberer wellenführender Halbleiterbereich 720 und ein unterer wellenführender Halbleiterbereich 725 gebildet werden.The 7 shows a modulator 700 that's like the modulator 10 on a SOI ribbed fiber 705 based. Unlike the modulator 10 the capacitor insulation layer runs 710 however, parallel to the buried oxide layer 715 of the SOI material, so that an upper waveguiding semiconductor region 720 and a lower waveguiding semiconductor region 725 be formed.

Elektroden 730 und 735 zur Kontaktierung befinden sich dementsprechend auf der Rippe 740 bzw. im Stegbereich 745 des Wellenleiters 705.electrodes 730 and 735 for contacting are accordingly on the rib 740 or in the bridge area 745 of the waveguide 705 ,

Der obere Halbleiterbereich 720 ist beispielsweise durch Poly-Silizium gebildet, das auf der Kondensatorisolationsschicht 710 (z. B. Oxidschicht) abgeschieden ist. Der untere Halbleiterbereich 725 ist beispielsweise durch die Si-Deckschicht des SOI-Materials gebildet.The upper semiconductor region 720 is formed by poly-silicon, for example, on the capacitor insulation layer 710 (eg, oxide layer) is deposited. The lower semiconductor region 725 is formed for example by the Si cover layer of the SOI material.

Die Elektrode 730 kann unter Umständen zu einer unerwünscht hohen Dämpfung der im Wellenleiter 705 geführten Lichtwellen führen, beispielsweise dann, wenn eine Metallelektrode verwendet wird. Um die Dämpfung zu reduzieren, kann zwischen dem oberen Halbleiterbereich 720 (z.B. Poly-Silizium) und der Elektrode 730 eine Zwischenschicht 750 (z.B. aus porösem Silizium) angeordnet werden (vgl. 8), die eine geringere Brechzahl als der obere Halbleiterbereich 720 aufweist. Die Zwischenschicht 750 bewirkt, dass die optische Lichtwelle von der Elektrode 730 getrennt wird, so dass die Dämpfung durch die Elektrode 730 reduziert wird.The electrode 730 may result in undesirably high attenuation in the waveguide 705 guided light waves, for example, when a metal electrode is used. In order to reduce the attenuation, may be between the upper semiconductor region 720 (eg poly-silicon) and the electrode 730 an intermediate layer 750 (For example, made of porous silicon) are arranged (see. 8th ), which has a lower refractive index than the upper semiconductor region 720 having. The intermediate layer 750 causes the optical light wave from the electrode 730 is disconnected, so that the attenuation through the electrode 730 is reduced.

Die optische Dämpfung aufgrund der Elektrode 730 kann auch auf andere Weise reduziert werden: Beispielsweise kann die Geometrie des oberen Halbleiterbereichs 720 derart ausgestaltet werden, dass die im Wellenleiter 705 geführte Welle die Elektrode 730 kaum „sieht". Ein Beispiel für eine solche Geometrie zeigt die 9. Bei diesem Beispiel weist der obere Halbleiterbereich 720 eine rinnenartige Struktur auf, und die Elektrode 730 ist zweiteilig.The optical attenuation due to the electrode 730 can also be reduced in other ways: for example, the geometry of the upper semiconductor region 720 be configured such that in the waveguide 705 guided wave the electrode 730 hardly "sees." An example of such Geometry shows the 9 , In this example, the upper semiconductor region 720 a groove-like structure on, and the electrode 730 is in two parts.

Alternativ kann der obere Halbleiterbereich 720 auch eine Vielzahl an parallelen Halbleiter-Stegen 760 aufweisen, die durch Trennstege 765 getrennt sind. Die Trennstege 765 weisen eine kleinere Brechzahl als die Brechzahl des oberen Halbleiterbereichs 720 auf. Die Trennstege 765 können beispielsweise aus Kunststoff (z. B. BCB) bestehen. Eine entsprechende Struktur zeigt die 10. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 sind die Elektroden 730 voneinander getrennt; alternativ können die Elektroden 730 auch eine einzige Gesamtelektrode bilden, die sich über die gesamte Oberseite der Rippe erstreckt (vergleiche 10A).Alternatively, the upper semiconductor region 720 also a variety of parallel semiconductor lands 760 have, by dividing webs 765 are separated. The dividers 765 have a smaller refractive index than the refractive index of the upper semiconductor region 720 on. The dividers 765 For example, they may be made of plastic (eg, BCB). A corresponding structure shows the 10 , In the embodiment according to 10 are the electrodes 730 separated from each other; Alternatively, the electrodes 730 also form a single overall electrode that extends over the entire top of the rib (see 10A ).

Die Kondensatorisolationsschicht 710 kann im Querschnitt auch eine „mäanderförmige" Struktur aufweisen. Eine „mäanderförmige" Struktur erhöht den Wirkungsgrad des Modulators erheblich, da die Überlappung des optischen Feldes des Lichts im Wellenleiter mit den Ladungen in den Ladungsschichten 770 und 780 deutlich vergrößert wird (vgl. 11).The capacitor insulation layer 710 may also have a "meandering" structure in cross-section A "meandering" structure significantly increases the efficiency of the modulator since the overlap of the optical field of the light in the waveguide with the charges in the charge layers 770 and 780 is significantly increased (see. 11 ).

Die 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer im Querschnitt mäanderförmigen Kondensatorisolationsschicht 710 und einem oberen Halbleiterbereich 720 mit einer Vielzahl an parallelen Halbleiter-Stegen 760 und Trennstegen 765. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel gilt das oben zu der 10 Ausgeführte entsprechend: dies bedeutet, dass die Elektroden 730 auch miteinander verbunden sein können und sich über die Trennstege 765 erstrecken können. Dies zeigt die 12A.The 12 shows an embodiment with a meandering cross-section capacitor insulation layer 710 and an upper semiconductor region 720 with a large number of parallel semiconductor bridges 760 and dividers 765 , Also in this embodiment, the above applies to the 10 Executed accordingly: this means that the electrodes 730 can also be connected to each other and over the dividers 765 can extend. This shows the 12A ,

In der 13 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Modulator gezeigt, bei dem die Kondensatorisolationsschicht 710 schräg verläuft, so dass dementsprechend auch die Ladungsschichten 770 und 780 schräg durch den Wellenleiter verlaufen. Der obere Halbleiterbereich 720 besteht – wie bereits oben erwähnt – beispielsweise aus Poly-Silizium, das auf der Kondensatorisolationsschicht 710 abgeschieden ist.In the 13 an embodiment for a modulator is shown in which the capacitor insulation layer 710 obliquely so that, accordingly, the charge layers 770 and 780 run obliquely through the waveguide. The upper semiconductor region 720 For example, as already mentioned above, it consists of poly-silicon, which is on the capacitor insulation layer 710 is deposited.

In der 14 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Modulator gezeigt, bei der der Wellenleiter 705 einen quasi rautenförmigen Querschnitt aufweist. Die gezeigte Struktur lässt sich durch Ätzen eines Silizium-Wafers unter Verwendung üblicher Ätzverfahren herstellen. Die in der 14 gezeigte vergrabene Oxidschicht 715 ist zur Wellenführung nicht erforderlich und könnte auch weggelassen werden.In the 14 an embodiment for a modulator is shown in which the waveguide 705 has a quasi diamond-shaped cross-section. The illustrated structure can be made by etching a silicon wafer using conventional etching techniques. The in the 14 shown buried oxide layer 715 is not necessary for waveguiding and could also be omitted.

Um die mechanische Stabilität des Wellenleiters 705 zu erhöhen, kann eine Deckschicht 800 aufgebracht werden; dies ist in der 14 durch eine gestrichelte Linie 805 angedeutet. Die Deckschicht 800 muss eine kleinere Brechzahl als der obere Halbleiterbereich 720 aufweisen.To the mechanical stability of the waveguide 705 can increase, a top coat 800 be applied; this is in the 14 by a dashed line 805 indicated. The cover layer 800 must have a smaller refractive index than the upper semiconductor region 720 exhibit.

1010
MZI-ModulatorMZI modulator
2020
EingangswellenleiterInput waveguide
3030
Erste Y-VerzweigungFirst Y-branch
4040
Wellenleiterarmwaveguide arm
5050
Wellenleiterarmwaveguide arm
6060
Zweite Y-VerzweigungSecond Y-branch
7070
AusgangswellenleiterOutput waveguides
100,110,100,110,
120,130120.130
Elektrodenelectrodes
300300
SOI-RippenwellenleiterSOI ridge waveguide
310310
N-dotierter HalbleiterbereichN-doped Semiconductor region
320320
P-dotierter HalbleiterbereichP-doped Semiconductor region
330330
SiO2-TrägerschichtSiO 2 carrier layer
340340
KondensatorisolationsschichtCapacitor insulating layer
400400
Ladungsschichtstratified
410410
Ladungsschichtstratified
600600
Modulatormodulator
610610
Wellenleiterwaveguides
615615
Gitterstrukturlattice structure
620,630620.630
Elektrodenelectrodes
700700
Modulatormodulator
705705
Wellenleiterwaveguides
710710
KondensatorisolationsschichtCapacitor insulating layer
715715
vergrabene Oxidschicht des SOI-Materialsburied Oxide layer of the SOI material
720720
oberer wellenführender Halbleiterbereichupper wave leading Semiconductor region
725725
unterer wellenführender Halbleiterbereichlower wave leading Semiconductor region
730730
Elektrodeelectrode
735735
Elektrodeelectrode
740740
Ripperib
745745
Stegbereichweb region
750750
Zwischenschichtinterlayer
760760
Halbleiter-StegeSemiconductor webs
765765
Trennstegedividers
770770
Ladungsschichtstratified
780780
Ladungsschichtstratified
800800
Deckschichttopcoat
805805
Linieline

Claims (15)

Elektrooptischer Modulator (10, 600, 700), dadurch gekennzeichnet , dass zumindest ein Wellenleiter (40, 50, 300, 610) des Modulators einen elektrischen Kondensator bildet und hierfür zumindest zwei wellenführende Halbleiterbereiche (310, 320) umfasst, die durch eine nichtleitende, eine Kondensatorisolationsschicht (340) bildende Schicht voneinander elektrisch getrennt sind.Electro-optical modulator ( 10 . 600 . 700 ), characterized in that at least one waveguide ( 40 . 50 . 300 . 610 ) of the modulator forms an electrical capacitor and for this purpose at least two wave-guiding semiconductor regions ( 310 . 320 ), which is protected by a non-conductive, a capacitor insulation layer ( 340 ) forming layer are electrically isolated from each other. Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbleiterbereiche (310, 320) auf einer gemeinsamen, insbesondere elektrisch isolierenden Trägerschicht (330) aufliegen.Electro-optical modulator according to claim 1, characterized in that the two semiconductors areas ( 310 . 320 ) on a common, in particular electrically insulating carrier layer ( 330 ) rest. Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (330) sowie die Kondensatorisolationsschicht (340) in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sind.Electro-optical modulator according to claim 2, characterized in that the carrier layer ( 330 ) as well as the capacitor insulation layer ( 340 ) are arranged at a predetermined angle to each other. Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorisolationsschicht (340) senkrecht zur Trägerschicht (330) angeordnet ist.Electro-optical modulator according to claim 3, characterized in that the capacitor insulation layer ( 340 ) perpendicular to the carrier layer ( 330 ) is arranged. Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorisolationsschicht parallel zur Trägerschicht angeordnet ist.Electro-optical modulator according to claim 3, characterized characterized in that the capacitor insulation layer is parallel to backing is arranged. Elektrooptischer Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorisolationsschicht (710) im Querschnitt eine mäanderförmige Struktur aufweist.Electro-optical modulator according to one of the preceding claims, characterized in that the capacitor insulation layer ( 710 ) has a meandering structure in cross-section. Elektrooptischer Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Halbleiterbereiche (320) p-dotiert und der andere der beiden Halbleiterbereiche (310) n-dotiert ist.Electro-optical modulator according to one of the preceding claims, characterized in that one of the two semiconductor regions ( 320 ) p-doped and the other of the two semiconductor regions ( 310 ) is n-doped. Elektrooptischer Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbleiterbereiche (310) und (320) aus Silizium bestehen.Electro-optical modulator according to one of the preceding claims, characterized in that the two semiconductor regions ( 310 ) and ( 320 ) consist of silicon. Elektrooptischer Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Wellenleiter (50) einmodig ist.Electro-optical modulator according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide ( 50 ) is single-mode. Elektrooptischer Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorisolationsschicht (340) derart angeordnet ist, dass die in den benachbarten Halbleiterbereichen (310, 320) hervorgerufenen elektrischen Ladungen (400, 410) im Bereich maximaler optischer Feldintensität des optischen Wellenleiters (300) liegen.Electro-optical modulator according to one of the preceding claims, characterized in that the capacitor insulation layer ( 340 ) is arranged such that in the adjacent semiconductor regions ( 310 . 320 ) caused electrical charges ( 400 . 410 ) in the region of maximum optical field intensity of the optical waveguide ( 300 ) lie. Elektooptischer Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (300) ein Rippenwellenleiter ist.Electo-optical modulator according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide ( 300 ) is a rib waveguide. Elektooptischer Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (330) eine niedrigere Brechzahl als die beiden wellenführenden Halbleiterbereiche (310, 320) aufweist.Electo-optical modulator according to one of the preceding claims 2 to 11, characterized in that the carrier layer ( 330 ) a lower refractive index than the two waveguiding semiconductor regions ( 310 . 320 ) having. Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rippenwellenleiter aus SOI-Material besteht.Electro-optical modulator according to claim 12, characterized characterized in that the rib waveguide consists of SOI material. Elektrooptischer Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator eine MZI-Wellenleiterstruktur aufweist.Electro-optical modulator according to one of the preceding Claims, characterized in that the modulator comprises an MZI waveguide structure. Elektrooptischer Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (600, 700) in Längsrichtung des Wellenleiters (610) eine Gitterstruktur (615, 710), insbesondere eine Bragg-Gitterstruktur, aufweist.Electro-optical modulator according to one of the preceding claims, characterized in that the modulator ( 600 . 700 ) in the longitudinal direction of the waveguide ( 610 ) a lattice structure ( 615 . 710 ), in particular a Bragg grating structure.
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