DE102019200687A1

DE102019200687A1 - Optischer bipolar Phasenschieber

Info

Publication number: DE102019200687A1
Application number: DE102019200687.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Niklas Caspers; Mohamed Ashour
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2020-07-23
Also published as: CN111458907B; CN111458907A; US20200233240A1; US10983370B2

Abstract

Es wird ein optischer Phasenschieber (1) beschrieben, welcher einen in einem Substrat realisierten optischen Wellenleiter (3) umfasst, der innerhalb des Substrats eine optische Leitungsfläche aufweist, wobei die optische Leitungsfläche mindestens eine erste Region (5) einer ersten Dotierung und mindestens zwei zweite Regionen (6) jeweils einer zweiten, von der ersten Dotierung verschiedenen Dotierung umfasst. Die erste Region (5) ist zwischen den zwei zweiten Regionen (6) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Phasenschieber, umfassend einen in einem Substrat realisierten optischen Wellenleiter, welcher innerhalb des Substrats eine optische Leitungsfläche aufweist.
Stand der Technik
Ein optischer Phasenschieber ist eine Schlüsselkomponente in der integrierten Photonik. Insbesondere in der optischen Kommunikation sind optische Phasenschieber unerlässlich. Hier werden sie beispielsweise für die Modulation der optischen Strahlung im Rahmen der Informationskodierung verwandt, was sich beispielsweise aus dem Artikel „Recent breakthroughs in carrier depletion based silicon optical modulators“, Nanophotonics, 2013" von Graham T. Reed ergibt. Auch werden optische Phasenschieber als Schalter für programmierbare integrierte photonische Chips verwandt, wie es beispielsweise von Xia Chen im Artikel „Towards an optical FPGA - Programmable silicon photonic circuits“, ArXiv, 2018 beschrieben wurde. Auch werden optische Phasenschieber in Strahlsteuerungsanwendungen vorgesehen, was beispielsweise von Firooz Aflatouni et. AI im Artikel „Nanophotonic projection system“ näher beschrieben wurde.
Eine übliche Methode zur Realisierung von optischen Phasenschiebern besteht darin, einen horizontalen und/oder vertikalen Halbleiter-Diodenübergang in einem optischen Wellenleiter zu schaffen. In einigen Fällen werden die Dotanden sich periodisch über die optische Ausbreitungsrichtung (Strahlungsausbreitungsrichtung; SAR) wiederholend verteilt (vgl. Jessie Rosenberg, „A 25 Gbps silicon microring modulator based on an interleaved junction“, 2012). Dies ermöglicht die Verwendung des spannungsabhängigen freien Ladungsbereichs (Verarmungsbereich) des Diodenübergangs, um Ladungen entweder aus der optischen Leitungsfläche eines integrierten optischen Wellenleiters abzuleiten (also um die optische Leitungsfläche zu verarmen) oder um Ladungen in diese optische Leitungsfläche zu injizieren. Die Modulation der Ladungsdichte verändert den Brechungsindex des Siliziums aufgrund des Effektes der freien Ladungsträger (auch bekannt als der sogenannte indirekte elektrooptische Effekt von Silizium; englisch auch als „free carrier effect“ bezeichnet).
Wenn die Ladungsdichte im Silizium zunimmt, sind die Photonen, die sich durch das Silizium ausbreiten beziehungsweise bewegen, anfälliger für eine Annihilation durch die eine Dotierung herbeiführenden Fremdatome. Dies wird auch als optischer Absorptionsverlust bezeichnet. Da die Absorption durch den Imaginärteil des komplexen optischen Brechungsindexes abgebildet wird, kann durch Anwendung der Krammer-Kronig-Analyse auf die Imaginärkomponente auch der Realteil - also der Brechungsindex - unter Berücksichtigung spezifischer mathematischer Bedingungen abgeschätzt werden. In diesem Fall bestimmt der Brechungsindex die optische Weglänge und schließlich die optische Phasenverschiebung.
Soref und Bennett's beschreiben die Abhängigkeit des Real- und Imaginärteils des Brechungsindexes von Silizium von der Ladungsträgerdichte (Löcher und Elektronen) innerhalb des dotierten Siliziums („Electrooptical effects in Silicon“, IEEE Journal of Quantum Electronics, 1987). Sie kamen unter Verwendung empirischer Daten zur optischen Absorption in Silizium zu dem Schluss, dass es möglich ist, elektrooptische Effekte in dotiertem Silizium zu erzielen. Mit anderen Worten ausgedrückt beschrieben sie das Verhältnis von Real- und Imaginärteil des komplexen Brechungsindex als eine Funktion des Verunreinigungsniveaus in Silizium. Der Realteil ist für die Phasenverschiebung verantwortlich, während der Imaginärteil die Quelle der Verluste ist. Die Anzahl der Verunreinigungen kann als Funktion der angelegten Spannung verändert werden, indem entweder Ladungen aus der Verarmungszone des PN-Übergangs abgebaut werden (Verarmung des PN-Übergangs) oder indem Ladungen in den intrinsischen Bereich einer PIN-Diode injiziert werden.
Dabei fällt auf, dass Verluste bei gegebenen dotierten Verunreinigungen ungeachtet einer angelegten Spannung auftreten. Eine Änderung der Phasenverschiebung ist dagegen nur dann gegeben, wenn eine Spannung anliegt. Dies bedeutet, dass alle dotierten Verunreinigungen, welche im Bewegungspfad von Photonen liegen und sich nicht als Funktion der angelegten Spannung ändern, eine Quelle für Ineffizienzen darstellen. Diese Ineffizienz beruht auf dem Vorhandensein von Verlusten, während keine modulierbare Phasenverschiebung erzeugt wird.
In mehreren Arbeiten wurden verschiedene Verfahren vorgestellt, um diese zuvor beschriebene Ineffizienz zu minimieren. Mit vielen der vorgenannten Verfahren wurde der Versuch unternommen, die Überlappung zwischen dem optischen Modus und dem spannungsabhängigen Ladungsbereich unter Verwendung verschiedener Dotierungsbedingungen, Layouts und Strategien zu maximieren. Da mittels der anliegenden Spannung die Breite dieses Bereichs kontrolliert wird, haben sich viele der früheren Arbeiten auf die Vergrößerung der Länge des Halbleiter-Halbleiter Übergangs zwischen den mit Donatoren beziehungsweise mit Akzeptoren dotierten Bereichen konzentriert. Beispielsweise wurde dies durch eine Verdrehung des vorgenannten Übergangs in lateraler beziehungsweise vertikaler Richtung realisiert, vgl. Graham T. Reed: „Recent breakthroughs in carrier depletion based silicon optical modulators“, Nanophotonics, 2013.
Eine interessante aktuelle Arbeit präsentiert ein vertikales U-förmiges Dotierungsprofil (vgl. W.D. Sacher: „Monolithically Integrated Multilayer Silicon Nitride-on-Silicon Waveguide Platforms for 3-D Photonic Circuits and Devices“, Proceedings of the IEEE, 2018). Die Idee dieser Arbeit besteht darin, die Überlappung zwischen dem optischen Modus und den freien Ladungsträgern unter Verwendung eines genau geformten vertikalen Dotierungsprofils zu vergrößern. Kommerzielle Technologieanbieter auf dem Gebiet der integrierten photonischen Chips bieten solche Verfahren üblicherweise nicht an. Anstelle dessen bieten besagte Anbieter Verfahren mit einer begrenzten Genauigkeit an, was diese für eine Verwendung in der Massenproduktion unbrauchbar macht (vgl. Kensuke Ogwaga: „Silicon-based phase shifters for high figure of merit in optical modulation“, SPIE OPTO, 2016).
Ein anderer Ansatz besteht darin, ein Feld von (PN-)Übergängen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes, also senkrecht zur SAR, hinzuzufügen. Dies wird auch als verschachtelter Phasenschieber („interleaved phase-shifter“) bezeichnet und verringert in der Praxis die elektrische Ansprechgeschwindigkeit des optischen Phasenschiebers, da die Übergänge Kapazitäten hinzufügen. Ferner erhöht sich dadurch auch die Gesamtüberlappung des optischen Modus mit der Zone der freien Ladungen. In dieser Hinsicht ist die Gesamtanzahl der Übergänge durch die von der Technologie vorgegebene Mindestfläche des Dotierungsfensters begrenzt (Zhi-Yong Li: „Silicon waveguide modulator based on carrier depletion in periodically interleaved PN Junctions“, Optics express, 2009).
Alle Verarmungs- und Ladungsträgerinjektionsverfahren beruhen auf zwei Metallleitungen für die Eingangsspannung, um freie Ladungen in dem optischen Pfad abzubauen (also die Verarmung zu vergrößern) oder einzuspeisen. Die Metallkontakte der ersten Schicht sind stets an den Seiten des Wellenleiters angeordnet. Dies führt zu einer Verringerung des optischen Verlusts im Wellenleiter.
Alle elektrooptischen Phasenschieber, die einen Ladungsträgerinjektions- oder Verarmungsansatz anwenden, weisen einen Verlust-Phasenverschiebungs-Trade-off auf. In Lösungen des Standes der Technik kommt bislang lediglich ein lateraler PN-Übergang oder mehr als ein PN-Übergang in einer entlang der Strahlungsausbreitungsrichtung des Wellenleiters verschachtelten Anordnung zum Einsatz. Die zuvor erwähnten optischen Wellenleiter weisen also entweder einen seitlichen Übergang oder mehr als einen Übergang in einer verschachtelten Anordnung entlang der Ausbreitungsrichtung des Wellenleiters auf. Dotierte Träger, die nicht durch eine Spannung gesteuert werden, bilden dabei eine Verlustquelle. Simulationen zeigen, dass die derzeitigen Lösungen des Standes der Technik für das vorgenannte Problem noch nicht optimal sind.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß umfasst die optische Leitungsfläche mindestens eine erste Region einer ersten Dotierung und mindestens zwei zweite Regionen jeweils einer zweiten, von der ersten Dotierung verschiedenen Dotierung, wobei die erste Region zwischen den zwei zweiten Regionen angeordnet ist. Vorteilhafterweise wird dadurch ein effizienter Phasenwechsel ermöglicht. Vorteilhafterweise wird dadurch der Wirkungsgrad des optischen Phasenschiebers erhöht und die Linearität desselben verbessert.
Unter einem optischen Phasenschieber soll insbesondere ein elektrooptischer Phasenschieber verstanden werden. Unter einem Substrat soll insbesondere ein Halbleiter-Material verstanden werden. Insbesondere umfasst oder besteht das Substrat aus Silizium.
Unter einer optischen Leitungsfläche soll insbesondere eine optisch leitfähige Fläche innerhalb des Substrates verstanden werden, welche mehrere verschieden dotierte Bereiche aufweist und mithin elektrisch ansteuerbar beziehungsweise kontrollierbar ist.
Unter einer Region soll insbesondere ein Teilbereich des Substrats verstanden werden.
Unter einer Dotierung soll insbesondere eine n-Dotierung, eine n+-Dotierung, eine p-Dotierung oder eine p+-Dotierung verstanden werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die drei Regionen entlang einer zur Strahlungsausbreitungsrichtung senkrechten Richtung zueinander alternierend angeordnet sind. Die drei Regionen sind also insbesondere derart sich abwechselnd innerhalb der optischen Leitungsfläche angeordnet, dass sich also in einer Richtung senkrecht zur Strahlungsausbreitungsrichtung mindestens zwei Materialübergänge mit jeweils entgegengesetzter Dotierung ausbilden. Bevorzugt erstrecken sich die zuvor genannten Materialübergänge jeweils auch entlang einer Richtung, die zur Strahlungsausbreitungsrichtung parallel verläuft. Vorteilhafterweise wird dadurch ein effizienter Phasenwechsel ermöglicht.
Bevorzugt wird in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung vorgeschlagen, dass sich die drei Regionen jeweils zumindest teilweise innerhalb der optischen Leitungsfläche entlang der Strahlungsausbreitungsrichtung erstrecken. Vorteilhafterweise wird dadurch ein effizienter Phasenwechsel ermöglicht. Durch die zuvor vorgestellte, einen Doppel-Übergang umfassende Lösung (welche englisch auch als „bi-junction approach“ bezeichnet werden kann) wird also die Effizienz des Wellenleiters gesteigert. Dies bedeutet insbesondere, dass der prozentuale Anteil an aus dotierten Verunreinigungen resultierenden freien Ladungsträgern, welche also innerhalb des Wellenleiters frei beweglich sind, verglichen mit früheren Implementationen höher ist. Dies wiederum trägt zu einer höheren Linearität der Vorrichtung bei und macht die Erreichung eines vollständigen 180°-Phasenverschiebens bei viel geringeren Spannungen möglich.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass sich die erste Region mit mindestens einer der zweiten Regionen entlang einer zur Strahlungsausbreitungsrichtung senkrechten Richtung überlappt und/oder die erste Region entlang einer zur Strahlungsausbreitungsrichtung senkrechten Richtung an mindestens eine der zweiten Regionen angrenzt. Bevorzugt steht also die erste Region entlang einer zur Strahlungsausbreitungsrichtung senkrechten Richtung mit mindestens einer der zweiten Regionen in Kontakt beziehungsweise in Berührung. Vorteilhafterweise wird dadurch ein relativ einfach realisierbarer und gleichwohl effizienter optischer Phasenschieber zur Verfügung gestellt.
Bevorzugt handelt es sich bei der ersten Dotierung um eine p-Dotierung und bei der zweiten Dotierung um eine n-Dotierung. In einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der ersten Dotierung um eine n-Dotierung und bei der zweiten Dotierung um eine p-Dotierung. Bevorzugt bilden die drei Regionen also einen N-P-N-Übergang oder einen P-N-P-Übergang.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zwischen der ersten Region und mindestens einer der zweiten Regionen mindestens ein Gebiet mit intrinsischer Ladungsträgerdichte angeordnet ist. Vorzugsweise wird dadurch das Profil des elektrischen Feldes geglättet. Vorteilhafterweise wird dadurch ein effizienter Phasenwechsel ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass sich das Gebiet mit intrinsischer Ladungsträgerdichte entlang einer parallel zur Strahlungsausbreitungsrichtung verlaufenden Richtung kontinuierlich entlang der ersten Region und der mindestens einen der zweiten Regionen erstreckt. In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass sich ein weiteres Gebiet mit intrinsischer Ladungsträgerdichte entlang einer parallel zur Strahlungsausbreitungsrichtung verlaufenden Richtung kontinuierlich entlang der ersten Region und der anderen der mindestens einen der zweiten Regionen erstreckt. In dieser Ausführungsform bilden die drei Regionen mit den zuvor genannten zwei Gebieten mit intrinsischer Ladungsträgerdichte also bevorzugt eine N-I-P-I-N-Struktur beziehungsweise einen N-I-P-I-N-Übergang aus. In einer anderen alternativen Ausführungsform bilden die drei Regionen mit den zuvor genannten zwei Gebieten mit intrinsischer Ladungsträgerdichte ferner bevorzugt eine P-I-N-I-P-Struktur beziehungsweise einen P-I-N-I-P-Übergang aus. Vorteilhafterweise wird dadurch ein effizienter Phasenwechsel ermöglicht und das Profil, also der Verlauf des elektrischen Feldes noch weiter geglättet.
Bevorzugt wird in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass sich mehrere Gebiete mit intrinsischer Ladungsträgerdichte entlang einer parallel zur Strahlungsausbreitungsrichtung verlaufenden Richtung beabstandet zueinander entlang der ersten Region und der mindestens einen der zweiten Regionen erstrecken. Bevorzugt liegen also zwischen den mehreren Gebieten mit intrinsischer Ladungsträgerdichte jeweils Abstände, bilden diese also jeweils Inseln mit intrinsischer Ladungsträgerdichte aus. Vorteilhafterweise wird dadurch ein noch effizienterer Phasenwechsel ermöglicht.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der optische Phasenschieber ferner mindestens zwei mit einer Spannung beaufschlagbare elektrische Anschlüsse umfasst, welche elektrisch leitfähig mit jeweils mindestens einer der drei Regionen verbunden sind. Dadurch werden die beiden Übergänge elektrisch steuerbar beziehungsweise kontrollierbar. Ferner bevorzugt umfasst der optische Phasenschieber drei mit einer Spannung beaufschlagbare elektrische Anschlüsse, wobei jeder der drei elektrischen Anschlüsse elektrisch leitfähig mit jeweils einer der drei Regionen verbunden ist. In einer derartigen Ausführung sind die beiden Übergänge besonders gut elektrisch steuerbar beziehungsweise kontrollierbar.
Ferner bevorzugt umfasst die Ausgestaltung der Erfindung ein dotiertes optisches Kreuzungselement, über welches die erste Region an einen der elektrischen Anschlüsse angebunden ist. Es kommt also bevorzugt eine optische Kreuzung zur Anwendung, um den Dotierungsbereich zu kontaktieren. Ein Hinzufügen eines Metallkontakts direkt über einem photonischen Wellenleiter würde die optischen Verluste desselben bei der Signalübertragung erheblich erhöhen. Nach der obigen bevorzugten Ausführung ist also eine verbesserte Kontaktierung durch das Vorsehen eines dotierten optischen Kreuzungselementes möglich.
Im Gegensatz zu durch Metall geleitete elektrische Signale können geführte (Licht-)Wellen nämlich innerhalb eines geeigneten Materials in zwei Richtungen geleitet werden. Optische Kreuzungen sind Strukturen, die diese Idee auf dem Gebiet der integrierten photonischen Schaltungen einsetzen, in welchem ein oder mehrere optische Signale einer optischen Vorrichtung, insbesondere des optischen Phasenschiebers, mit mehreren Anschlüssen zugeführt werden. Abhängig von der Vorrichtungsgeometrie beziehungsweise von dem Aufbau der optischen Vorrichtung, beziehungsweise des optischen Phasenschiebers, werden diese Signale dann an verschiedene Ausgänge der optischen Vorrichtung, also des optischen Phasenschiebers geführt beziehungsweise geroutet. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird also ein dotiertes optisches Kreuzungselement vorgesehen, welches mit einem Eingang oder Port des optischen Phasenschiebers verknüpft beziehungsweise verbunden ist. Bevorzugt wird das optische Signal in denjenigen Eingang oder Port eingespeist, mit welchem auch das dotierte optische Kreuzungselement verbunden ist. Ferner bevorzugt wird das optische Signal in einen oder mehrere andere Eingänge beziehungsweise Ports des optischen Phasenschiebers eingespeist, mit welchem das dotierte optische Kreuzungselement nicht verbunden ist, wird das optische Signal also durch die anderen Eingänge beziehungsweise Ports geführt. Bevorzugt ist auch das dotierte optische Kreuzungselement mit den drei Regionen dotiert, wird also die Dotierung der drei Regionen, zumindest aber der ersten Region, auch im optischen Kreuzungselement fortgesetzt und durch die Eingänge beziehungsweise Ports gezogen beziehungsweise geführt, um eine elektrische Anbindung zu den höher dotierten Bereichen zu erreichen. Auf diese Weise wird einer der elektrischen Anschlüsse mit dem hoch dotierten Bereich beziehungsweise mit mindestens einer der dotierten Regionen verbunden.
Vorzugsweise wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass mindestens eine der drei Regionen entlang einer parallel zur Strahlungsausbreitungsrichtung verlaufenden Richtung einen serpentinenförmigen Verlauf aufweist. Vorteilhafterweise wird dadurch die Gesamtlänge der Übergänge erhöht.
Ferner bevorzugt wird ein LIDAR-System, also ein „light detection and ranging“-System mit einem erfindungsgemäßen optischen Phasenschieber zur Verfügung gestellt.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der N-P-N-Dotierung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers,
2 eine schematische Darstellung der N-I-P-I-N-Dotierung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers,
3 einen Vergleich der geschätzten Verluste sowie der geschätzten Phasenverschiebung jeweils in Abhängigkeit von der Spannung für einen optischen Phasenschieber mit NP-Dotierung des Standes der Technik und für erfindungsgemäß ausgeführte optische Phasenschieber,
4 eine schematische Darstellung von verschiedenen Draufsichten auf ein drittes Ausführungsbeispiel eines optischen Phasenschiebers,
5 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers mit N-I-P-I-N-Dotierung,
6 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers mit serpentinartiger N-P-N-Dotierung, und
7 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers mit periodisch angeordneten Gebieten mit intrinsischer Ladungsträgerdichte.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung der N-P-N-Dotierung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers 1. Genauer beschrieben zeigt 1 einen Querschnitt durch die N-P-N-Struktur dieses ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers 1, wobei der Querschnitt senkrecht zur Strahlungsausbreitungsrichtung, SAR, vorgenommen wurde. Die Blickrichtung eines Betrachtes der 1 verläuft also parallel zur SAR. In diesem ersten Ausführungsbeispiel umfasst der optische Phasenschieber 1 einen in einem Substrat realisierten optischen Wellenleiter 3, welcher innerhalb des Substrats eine optische Leitungsfläche aufweist. Das Substrat umfasst in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft Silizium. Es kann aber auch ein beliebiges anderes Material umfassen. In diesem ersten Ausführungsbeispiel weist die optische Leitungsfläche rein beispielhaft eine erste Region 5 einer ersten Dotierung und zwei zweite Regionen 6 jeweils einer zweiten, von der ersten Dotierung verschiedenen Dotierung auf, wobei die erste Region 5 zwischen den zwei zweiten Regionen 6 angeordnet ist.
Die erste Region 5 ist in diesem ersten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft p-dotiert, die zwei zweiten Regionen 6 sind in diesem ersten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft n-dotiert. Es kann aber natürlich auch umgekehrt sein. Die erste Region 5 kann also in anderen Ausführungsbeispielen auch n-dotiert sein, während die zwei zweiten Regionen 6 p-dotiert sind. Die drei Regionen 5, 6 erstrecken sich wie in 1 angeordnet entlang der SAR. Rechts in 4 ist dies in einer Draufsicht auf das in 1 im Querschnitt dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers 1 gezeigt, wobei in dem rechts in 4 dargestellten Ausschnitt beziehungsweise in der rechts in 4 dargestellten Vergrößerung die drei Regionen 5, 6 und deren Ausrichtung entlang der SAR besonders gut erkennbar sind. Die drei Regionen 5, 6 bilden in ihren jeweiligen Berührungsbereichen jeweils einen zu der SAR des optischen Wellenleiters 3 parallel verlaufenden PN-Übergang aus, also insgesamt zwei PN-Übergänge, die sich jeweils parallel zur SAR des optischen Wellenleiters 3 erstrecken.
Mit anderen Worten ausgedrückt umfasst die Struktur des erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers 1 einen optischen Wellenleiter 3. Der optische Führungsbereich dieses optischen Wellenleiters 3 ist mit drei unterschiedlich dotierten Dotierungsgebieten entlang der Querschnittsrichtung ausgestattet, das heißt orthogonal zur Ausbreitungsrichtung des Lichts (die SAR ist rechts in 4 mittels eines Pfeils indiziert). Da die Dotierung entlang der Länge des optischen Wellenleiters 3 vorhanden ist, bilden die Grenze zwischen jeweils zwei Dotierungsgebieten durch Ladungsträgerdiffusion einen Übergang - genauer jeweils einen PN-Übergang - aus, der jeweils parallel zur optischen Ausbreitungsrichtung, also parallel zur SAR innerhalb des Substrats angeordnet ist. Mit anderen Worten ausgedrückt bildet die erste Region 5 einen ersten PN-Übergang mit der links von ihr angeordneten zweiten Region 6 aus und einen zweiten PN-Übergang mit der rechts von ihr angeordneten zweiten Region 6. Die dotierten Bereiche, also die drei Regionen 5, 6, können einander überlappen oder zusammenpassende, also aneinander angrenzende Seitenbereiche beziehungsweise Seitenflächen haben - das heißt miteinander in Kontakt stehen - oder aber jeweils ein Gebiet mit intrinsischer Ladungsträgerdichte als Lücke dazwischen haben; vgl. 2 und die zugehörige Beschreibung weiter unten.
Jedes Dotierungsgebiet, also jede der drei Regionen 5, 6, ist elektrisch kontaktiert. Der mittlere dotierte Bereich, also die erste Region 5, wird entweder direkt über dessen Oberseite oder über dessen Seiten mit dem optischen Wellenleiter 3 kontaktiert, er kann aber auch alternativ, wie im Falle des in den 1 und 4 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels, mittels eines dotierten optischen Kreuzungselementes, also mittels einer dotierten optischen Kreuzung - was weiter unten im Zusammenhang mit der 4 näher erläutert wird - an einen elektrischen Anschluss angebunden sein.
Der Kern der hier präsentierten Erfindung besteht also in der Vergrößerung der Überlappung zwischen dem Bereich steuerbarer freier Ladungen und der optischen Modusleistung. Dies ist eine direkte Folge der Verwendung einer Struktur mit drei Dotierungsbereichen, also der oben genannten drei Regionen 5, 6, innerhalb des optischen Wellenleiters 3, da sie zwei PN-Übergänge aufweist, welche durch zwei Spannung steuerbar sind und nicht nur - wie bei den Lösungen des Standes der Technik - durch eine einzelne Spannung. Die vorgestellte Struktur hat eine große Ähnlichkeit zu einem Transistor mit zwei Übergängen (also zu einem im Englischen auch als „bi-junction transistor“ bezeichneten Transistor) und somit zwei Übergänge, in welchen die freien Ladungen mittels elektrischer Spannungen gesteuert werden können.
In 2 ist eine schematische Darstellung der N-I-P-I-N-Dotierung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers 1 gezeigt. Das oben im Kontext zur 1 zum ersten Ausführungsbeispiel Beschriebene hat auch Geltung für das nachfolgend im Kontext mit der 2 beschriebene zweite Ausführungsbeispiel. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich darin, dass sich jeweils zwischen einer zweiten Region 6 und der ersten Region 5 jeweils ein Gebiet mit intrinsischer Ladungsträgerdichte 7 entlang einer parallel zur Strahlungsausbreitungsrichtung SAR verlaufenden Richtung kontinuierlich entlang der ersten Region 5 und den jeweils zweiten Regionen 6 erstreckt. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel berührt die linke zweite Region 6 also nicht die erste Region 5, sondern ist über ein Gebiet mit intrinsischer Ladungsträgerdichte 7 an die erste Region 5 angebunden. Auch die rechte zweite Region 6 berührt in diesem zweiten Ausführungsbeispiel nicht die erste Region 5, sondern ist über ein weiteres Gebiet mit intrinsischer Ladungsträgerdichte 7 an die erste Region 5 angebunden. Auch die zuvor beschriebenen zwei Gebiete mit intrinsischer Ladungsträgerdichte 7 erstrecken sich entlang der SAR, also parallel zu den drei Regionen 5, 6 in den Raum hinein.
In 3 ist ein Vergleich der geschätzten Verluste sowie der geschätzten Phasenverschiebung jeweils in Abhängigkeit von der Spannung für einen optischen Phasenschieber mit NP-Dotierung des Standes der Technik und für erfindungsgemäß ausgeführte optische Phasenschieber 1 gezeigt. Genauer beschrieben zeigt das in 3 dargestellte Diagramm das Ergebnis einer numerischen Simulation. In dieser Simulation wurden rein beispielhaft optische Phasenschieber 1 mit einer Länge von 1 cm, einem optischen Führungsbereich in Silizium mit einer Breite von 600 nm und einer Höhe von 220 nm als mögliche Realisierung berechnet. Auf der Abszisse des in 3 gezeigten Diagramms ist die Spannung abgetragen, während auf der linken Ordinate die Phasenverschiebung ϕ(π) und auf der rechten Ordinate der Verlust in Dezibel (dB) abgetragen ist. Die vorgenannten Abmessungen sind rein beispielhaft gewählt. Es können auch beliebige andere Abmessungen gewählt werden, ohne dass die Funktionalität eines optischen Phasenschiebers darunter leidet.
Eine übliche Gütezahl für optische Phasenschieber ist die V_πL-Zahl. Sie entspricht derjenigen Spannung, die bei einer bestimmten, gegebenen Länge des optischen Phasenschiebers erforderlich ist, um eine vollständige 180°-Grad Phasenverschiebung zu erreichen.
Wenn beispielsweise V_πL = 1 V.cm ist, dann bedeutet dies bei einem optischen Phasenschieber, der in einer Länge von 1 cm gefertigt ist, dass die optische Phasenverschiebung des Ausgangssignals des optischen Phasenschiebers 180°-Grad beträgt, wenn eine Spannung von 1 V als Eingangspotential angelegt wird. Die Phasenverschiebung ϕ(π) in Abhängigkeit von der Spannung ist für einen optischen Phasenschieber mit nur einem PN-Übergang des Standes der Technik durch die Kurve 11 beschrieben. Die Kurve 12 beschreibt den vorgenannten Zusammenhang für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers mit einem N-P-N-Übergang, während Kurve 13 diesen Zusammenhang für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers mit einem N-I-P-I-N-Übergang abbildet.
Wie in 3 erkennbar ist, erreichen die optischen Phasenschieber mit der N-P-N-Struktur einen V_πL-Wert von 1 V.cm (vgl. 3, Kurve 13). Hingegen erreicht ein optischer Phasenschieber mit nur einem PN-Übergang des Standes der Technik - simuliert mit den gleichen Dotierungsparametern und unter Verwendung optimierter Dotierungsfenster - in den Simulationen einen V_πL-Wert von 1,375 V.cm (vgl. 3, Kurve 11).
Somit ist der Phasenschieber in seiner Schlüsselfunktionalität um 40 % effektiver. Zusätzlich ist der Verlust von 29,3 dB auf 29 dB reduziert. Die Kurve 14 in 3 zeigt den Verlust des optischen Phasenschiebers des Standes der Technik mit einem PN-Übergang in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung, Kurve 15 der 3 zeigt den Verlust des optischen Phasenschiebers mit der N-P-N-Struktur in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung und Kurve 16 der 3 zeigt den Verlust des optischen Phasenschiebers mit der N-I-P-I-N-Struktur in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung.
Der erfindungsgemäße optische Phasenschieber weist in diesem Ausführungsbeispiel drei Anschlüsse auf. Für die Simulation der optischen Phasenschieber mit N-P-N-Struktur sind die beiden N-dotierten Gebiete geerdet, während das P-Gebiet mit einer negativen Spannungsquelle verbunden ist. Das Potential des optischen Phasenschiebers entspricht also derjenigen Spannung, welche an den mittleren Bereich angelegt wird. Um reale physikalische Bedingungen so gut wie möglich zu simulieren, werden der Simulation Aufpralllonisationsmodelle hinzugefügt (also Durchbruchsmodelle, die englisch auch als „breakdown models“ bezeichnet werden). Aus diesem Grund werden die Phasenverschiebung sowie Verluste in 3 bei der N-P-N-Implementierung nur für Potentiale bis 4 V gezeigt (vgl. Kurve 12 in 3). An diesem Punkt wird das elektrische Feld in den Verarmungsbereichen der beiden Übergänge ausreichend groß. Die kinetische Energie der freien Ladungsträger wird wiederum groß genug, um andere gebundene Ladungsträger aus dem Gitter des Substrats zu befreien. Daraufhin erhöht sich die Anzahl der freien Ladungsträger plötzlich exponentiell. Dieser Durchbruchszustand wird als obere Grenze des Betriebsbereichs des angewendeten Potenzials eines gegebenen optischen Phasenschiebers angesehen. Der Hauptgrund für dieses Phänomen ist der hohe Wert des entstehenden elektrischen Feldes innerhalb kleiner Bereiche des optischen Phasenschiebers. Die entsprechende elektrostatische Kraft lädt dann die freien Ladungsträger mit einer hohen kinetischen Energie auf.
Es ist grundsätzlich möglich, den Arbeitsbereich des optischen Phasenschiebers zu erweitern, zum Beispiel durch eine Verzögerung des Auftretens des Phänomens der Stoßionisation, indem das elektrische Feld derart gestaltet wird, dass der räumliche Gradient des elektrischen Feldes - relativ zum Querschnitt des optischen Phasenschiebers - glatter ausfällt. An dieser Stelle ist es interessant, eine solche Glättung des Gradienten beziehungsweise ein solches Verfahren zur Verzögerung des Durchbruchs bei der vorgeschlagenen N-P-N-Implementation zur Anwendung zu bringen. Im Falle der vorgeschlagenen N-P-N-Implementation kann die Glättung des elektrischen Feldprofils durch die Hinzufügung von intrinsischen Gebieten, also von Bereichen beziehungsweise Gebieten mit intrinsischer Ladungsträgerdichte 7 zwischen den dotierten Bereichen, also zwischen den drei Regionen 5, 6, erfolgen. Dies verringert wiederum die Gesamtzahl an freien Ladungen im Gleichgewicht sowie eventuell beginnende Verluste.
Der Dotierungsquerschnitt mit intrinsischen Gebieten beziehungsweise Bereichen - also die Dotierung im Falle eines optischen Phasenschiebers mit N-I-P-I-N-Struktur - ist in 2 gezeigt und die entsprechenden N-I-P-I-N-Ergebnisse sind in 3 dargestellt (vgl. Kurve 13 für die Phasenverschiebung und Kurve 16 für die Verluste bei einer N-I-P-I-N-Dotierung). Normalerweise würde man im Falle der Hinzufügung von intrinsischen Gebieten beziehungsweise Bereichen zwischen den drei Regionen - insbesondere aufgrund der geringeren Gesamtzahl der freien Ladungsträger - einen Rückgang der bewirkten Phasenverschiebung erwarten.
Dies ist in 3 verdeutlicht, da eine volle π-Phasenverschiebung (also eine Phasenverschiebung um 180°) nur bei 2,3 V möglich ist (vgl. Kurve 13). Der Verlust (vgl. Kurve 16) ist gegenüber dem NP-Pendant (vgl. Kurven 11 und 14) des Stands der Technik um 30 % verringert.
Dies ist insbesondere wichtig für Anwendungen mit niedriger Frequenzumschaltung und optischen Phasen-Arrays. Dieser geringere Verlust kann in einem LIDAR-System beispielsweise zu einer um 30 % größeren Reichweite führen.
4 zeigt eine schematische Darstellung von verschiedenen Draufsichten auf ein drittes Ausführungsbeispiel eines optischen Phasenschiebers 1. Der in 4 gezeigte optische Phasenschieber 1 weist - wie weiter oben bereits erwähnt wurde - dieselbe Dotierung, also die selben drei Regionen 5, 6 wie das erste, in 1 gezeigte und weiter oben beschriebene erste Ausführungsbeispiel auf. Diese rechts in 4 gezeigten Regionen 5, 6 und deren Anordnung im Hinblick auf die SAR wurden bereits hinreichend im Zusammenhang mit der 1 erläutert.
Allerdings umfasst das dritte, in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel ferner ein dotiertes optisches Kreuzungselement 9, über welches die erste Region 5 an einen der elektrischen Anschlüsse 8 angebunden ist. In diesem dritten Ausführungsbeispiel wird die Effizienz des optischen Phasenschiebers 1 also nicht etwa durch eine Metallkontaktierung, die zum Beispiel direkt über dem optischen Wellenleiter angeordnet ist, kompromittiert, sodass die optischen Verluste bei der Signalübertragung mittels des erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers 1 erheblich verringert sind.
Bei diesem dotierten optischen Kreuzungselement 9 handelt es sich also um eine dotierte optische Kreuzung, die mit einer dotierten Fläche 4 elektrisch leitfähig verbunden ist, die dazu dient, einen elektrischen Anschluss 8 des optischen Phasenschiebers 1 elektrisch an die mittlere Fläche, also an die erste Region 5 des optischen Wellenleiters 3 anzubinden. Das dotierte optische Kreuzungselement 9 verbindet den dotierten optischen Wellenleiter 3, insbesondere über die dotierte Fläche 4, mit dem elektrischen Anschluss 8.
Zu diesem Zweck ist das dotierte optische Kreuzungselement 9 in diesem dritten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft mit den drei Regionen dotiert, wird also die Dotierung der drei Regionen 5, 6 auch im dotierte optischen Kreuzungselement 9 fortgesetzt und durch die Eingänge beziehungsweise Ports gezogen beziehungsweise geführt, um eine elektrische Anbindung zu den höher dotierten Bereichen zu erreichen. Auf diese Weise wird der elektrisch Anschluss 8 mit dem dotierten optischen Kreuzungselement 9 verbunden, was wiederum die Anbindung des elektrischen Anschlusses 8 an die drei dotierten Regionen 5, 6 des optischen Phasenschiebers 1 bewerkstelligt.
Rechts in 4 sind die drei Regionen 5, 6 und ihre Ausrichtung an der SAR dargestellt.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers mit N-I-P-I-N-Dotierung. Dabei sind die Gebiete mit intrinsischer Ladungsträgerdichte 7 jeweils zwischen den äußeren zweiten Regionen 6 und der inneren ersten Region 5 angeordnet. Die äußeren zweiten Regionen 6 sind in diesem zweiten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft n-dotiert, während die innere erste Region 5 rein beispielhaft p-dotiert ist.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers mit serpentinartiger N-P-N-Dotierung. Sowohl die erste Region 5 als auch die zweiten Regionen 6 schlängeln sich also serpentinenartig, das heißt entlang von Schlangenlinien, entlang der SAR. Dadurch sind die zwei PN-Übergänge des optischen Phasenschiebers in diesem vierten Ausführungsbeispiel abermals stark verlängert.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Phasenschiebers mit periodisch angeordneten Gebieten mit intrinsischer Ladungsträgerdichte 7. Bei diesem fünften Ausführungsbeispiel sind die Gebiete mit intrinsischer Ladungsträgerdichte 7 nicht wie bei dem in 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel als kontinuierliche, also als ununterbrochene und parallel zur SAR beziehungsweise entlang der SAR verlaufende Streifen realisiert, sondern als unterbrochene Streifen, also als Inseln, die aufeinanderfolgend entlang der SAR angeordnet sind.

Claims

Optischer Phasenschieber (1), umfassend einen in einem Substrat realisierten optischen Wellenleiter (3), welcher innerhalb des Substrats eine optische Leitungsfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Leitungsfläche mindestens eine erste Region (5) einer ersten Dotierung und mindestens zwei zweite Regionen (6) jeweils einer zweiten, von der ersten Dotierung verschiedenen Dotierung umfasst, wobei die erste Region (5) zwischen den zwei zweiten Regionen (6) angeordnet ist.
Optischer Phasenschieber (1) nach Anspruch 1, wobei die drei Regionen (5, 6) entlang einer zur Strahlungsausbreitungsrichtung (SAR) senkrechten Richtung zueinander alternierend angeordnet sind.
Optischer Phasenschieber (1) nach Anspruch 2, wobei sich die drei Regionen (5, 6) jeweils zumindest teilweise innerhalb der optischen Leitungsfläche entlang der Strahlungsausbreitungsrichtung (SAR) erstrecken.
Optischer Phasenschieber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die erste Region (5) mit mindestens einer der zweiten Regionen (6) entlang einer zur Strahlungsausbreitungsrichtung (SAR) senkrechten Richtung überlappt und/oder wobei die erste Region (5) entlang einer zur Strahlungsausbreitungsrichtung (SAR) senkrechten Richtung an mindestens eine der zweiten Regionen (6) angrenzt.
Optischer Phasenschieber (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwischen der ersten Region (5) und mindestens einer der zweiten Regionen (6) mindestens ein Gebiet mit intrinsischer Ladungsträgerdichte (7) angeordnet ist.
Optischer Phasenschieber (1) nach Anspruch 5, wobei sich das Gebiet mit intrinsischer Ladungsträgerdichte (7) entlang einer parallel zur Strahlungsausbreitungsrichtung (SAR) verlaufenden Richtung kontinuierlich entlang der ersten Region (5) und der mindestens einen der zweiten Regionen (6) erstreckt.
Optischer Phasenschieber (1) nach Anspruch 5, wobei sich mehrere Gebiete mit intrinsischer Ladungsträgerdichte (7) entlang einer parallel zur Strahlungsausbreitungsrichtung (SAR) verlaufenden Richtung beabstandet zueinander entlang der ersten Region (5) und der mindestens einen der zweiten Regionen (6) erstrecken.
Optischer Phasenschieber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens zwei mit einer Spannung beaufschlagbare elektrische Anschlüsse (8), welche elektrisch leitfähig mit jeweils mindestens einer der drei Regionen (5, 6) verbunden sind.
Optischer Phasenschieber (1) nach Anspruch 8, ferner umfassend ein dotiertes optisches Kreuzungselement (9), über welches die erste Region (5) an einen der elektrischen Anschlüsse (8) angebunden ist.
Optischer Phasenschieber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der drei Regionen (5, 6) entlang einer parallel zur Strahlungsausbreitungsrichtung (SAR) verlaufenden Richtung einen serpentinenförmigen Verlauf aufweist.