FR3006459A1

FR3006459A1 - Dephaseur electro-optique dynamique a coefficient positif

Info

Publication number: FR3006459A1
Application number: FR1354977A
Authority: FR
Inventors: Jean-Robert Manouvrier
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2014-12-05
Also published as: US9507181B2; US20140355925A1; US20160313578A1; US9405137B2

Abstract

L'invention est relative à un déphaseur électro-optique en matériau semi-conducteur, comprenant une région d'action optique (PWELL, NWELL) configurée pour être disposée dans un guide d'onde optique (12) ; et une structure de transistor bipolaire (Q) configurée pour que, en fonctionnement, le courant de collecteur (Ic) du transistor traverse la région d'action optique perpendiculairement à l'axe du guide d'onde.

Description

DEPHASEUR ELECTRO-OPTIQUE DYNAMIQUE A COEFFICIENT POSITIF Domaine technique de l'invention L'invention est relative aux modulateurs optiques réalisés à partir de matériaux semi5 conducteurs, notamment aux déphaseurs électro-optiques utilisables dans de tels modulateurs. État de la technique La figure 1 représente schématiquement un modulateur optique selon le principe de l'interféromètre de Mach-Zehnder, couramment appelé modulateur MZI. Le modulateur 10 comprend un guide d'onde optique recevant une puissance Pin, qui se subdivise en deux branches 12a et 12b en un point S. Les deux branches se rejoignent de nouveau en un point J. Chaque branche véhicule la moitié de la puissance optique d'origine. Chacune des branches comprend un déphaseur électro-optique statique SPS (SPSa et SPSb) et un déphaseur électro-optique dynamique DPS (DPSa et DPSb). Les 15 déphaseurs statiques SPS servent à définir un écart de phase initial (po entre les ondes optiques des deux branches. Ils sont commandés par des signaux de polarisation respectifs IBa et IBb. Les déphaseurs dynamiques DPS servent à réaliser une modulation différentielle autour des conditions initiales définies par les déphaseurs SPS. Ils sont commandés par des signaux de modulation respectifs M et M/ qui varient en 20 opposition de phase. Au point J du modulateur on somme les ondes arrivant par les deux branches. L'onde résultante a une puissance de P1ccos2(39/2), en négligeant les pertes optiques, où 3.(p est l'écart de phase instantané des ondes des deux branches. La figure 2 représente une vue en perspective des branches de guide d'onde 12a et 12b 25 intégrant les déphaseurs SPS et DPS, illustrés en grisé. Comme cela est représenté, les guides d'ondes sont formés dans des îlots transparents, en matériau semi-conducteur intrinsèque, ayant une section en « T » inversé, dont la partie centrale véhicule le faisceau optique. Les déphaseurs sont configurés pour se substituer à des segments de guide d'onde ; ils ont la même section en « T» inversé. Les bords des déphaseurs 30 portent des contacts électriques servant à la commande des déphaseurs - ils remontent généralement au-dessus du plan des guides d'ondes, comme cela est représenté, pour atteindre les niveaux de métal.

La figure 3A représente schématiquement une vue en coupe d'un déphaseur DPS dit HSPM (de l'anglais « High-Speed Phase Modulator », ou modulateur de phase rapide). Le plan de coupe est perpendiculaire à l'axe du guide d'onde optique. Un cercle en pointillés, au niveau de la zone centrale plus épaisse, représente la zone traversée par le faisceau optique, zone qu'on dénomme ci-après « région d'action optique ». Le déphaseur comprend une structure en matériau semi-conducteur, généralement du silicium, formant une jonction P-N 14 dans un plan parallèle à l'axe du guide d'onde, et excentré par rapport à celui-ci. La jonction 14 a été représentée, à titre d'exemple, au niveau de la face latérale droite du guide d'onde.

A gauche de la jonction 14 s'étend une zone dopée P dont la section est conforme à la section du guide d'onde, à savoir surélevée au centre et plus basse au bord. La zone P se termine à gauche par une zone surélevée dopée P+, portant un contact d'anode A. A droite de la jonction 14 s'étend une zone dopée N, conforme à la section du guide d'onde. La zone N se termine à droite par une zone surélevée dopée N+, portant un 15 contact de cathode C. La structure du déphaseur peut être réalisée sur un substrat isolant, par exemple de l'oxyde enterré BOX. Pour commander le déphaseur de la figure 3A, on applique une tension entre les contacts d'anode A et de cathode C qui polarise la jonction 14 en inverse (le `+' sur la 20 cathode et le `-' sur l'anode). Cette configuration provoque un déplacement des électrons e de la zone N vers la cathode et des trous h de la zone P vers l'anode, et la création d'une zone de déplétion D au voisinage de la jonction 14. On modifie ainsi, en fonction de l'amplitude de la tension de polarisation, la concentration de porteurs dans la région d'action optique, ce qui a pour conséquence une modification corrélative de 25 l'indice de réfraction de cette zone. Plus spécifiquement, ce type de déphaseur a un coefficient négatif en ce qu'une augmentation de la tension de polarisation provoque une diminution du déphasage. La figure 3B représente schématiquement une vue en coupe d'un déphaseur SPS dit à jonction P-I-N. Les zones centrales dopées P et N de la structure de la figure 3A ont été 30 remplacées par une zone unique en semi-conducteur intrinsèque I, en pratique une zone ayant un niveau de dopage P minimal. Pour commander ce déphaseur, on applique un courant entre les contacts d'anode A et de cathode C qui polarise la jonction en direct (le `-' sur la cathode et le `+' sur l'anode). Un courant s'établit entre l'anode et la cathode qui provoque l'injection de porteurs dans la zone intrinsèque I (des trous h de la zone P+ vers la zone I et des électrons e de la zone N+ vers la zone I). On modifie ainsi, en fonction du courant, la concentration de porteurs, donc l'indice de réfraction, dans la région d'action optique. Plus spécifiquement, ce type de déphaseur a un coefficient positif en ce qu'une augmentation du courant de polarisation provoque une augmentation du déphasage. Les déphaseurs PIN ont une réponse lente par rapport aux déphaseurs HSPM, mais ils offrent une plage de réglage plus étendue ; c'est pourquoi ils sont utilisés pour fixer les conditions de repos du modulateur.

Résumé de l'invention Dans certaines applications, on pourrait souhaiter un déphaseur dynamique à coefficient positif Les déphaseurs de type P-I-N ont un coefficient positif, mais ils sont souvent trop lents pour être utilisés comme déphaseurs dynamiques. On tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un déphaseur électro-optique en matériau semi-conducteur, comprenant une région d'action optique configurée pour être disposée dans un guide d'onde optique ; et une structure de transistor bipolaire configurée pour que, en fonctionnement, le courant de collecteur du transistor traverse la région d'action optique perpendiculairement à l'axe du guide d'onde. Selon un mode de réalisation, le déphaseur comprend une première jonction P-N parallèle à l'axe du guide d'onde, formée dans la région d'action optique entre une première zone dopée selon un premier type de conductivité et une deuxième zone dopée selon un deuxième type de conductivité ; une deuxième jonction P-N parallèle à la première jonction, formée entre la deuxième zone et une troisième zone dopée selon le premier type de conductivité ; et des bornes de collecteur, de base, et d'émetteur du transistor en contact respectivement avec les première à troisième zones. Selon un mode de réalisation, les première et deuxième jonctions sont agencées pour que le flux du courant base-émetteur du transistor ne pénètre pas dans la région d'action optique. Selon un mode de réalisation, le niveau de dopage de la région d'action optique est à 30 une valeur minimale, et le niveau de dopage va en croissant de la région d'action optique vers chacune des bornes de collecteur, d'émetteur, et de base.

Selon un mode de réalisation, les première et deuxième zones s'étendent sur toute la longueur du déphaseur, selon l'axe du guide d'onde, et la troisième zone s'étend sur une partie de la longueur du déphaseur. Selon un mode de réalisation, la troisième zone s'étend sur une partie centrale de la longueur du déphaseur, et le déphaseur comprend deux îlots disposés en contact avec la deuxième zone de part et d'autre de la troisième zone, les deux îlots ayant un niveau de dopage maximal du deuxième type de conductivité et étant connectés pour former en commun la borne de base. Selon un mode de réalisation, le déphaseur comprend, en contact avec la première zone, 10 plusieurs îlots espacés dans le sens de la longueur du déphaseur, ayant un niveau de dopage maximal du premier type de conductivité, et étant connectés pour former en commun la borne de collecteur. Un déphaseur du type susmentionné peut être commandé en appliquant au transistor bipolaire un courant de polarisation base-émetteur non-nul fixe ; et en modulant la 15 tension de collecteur du transistor. Description sommaire des dessins Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - la figure 1, précédemment décrite, représente schématiquement un modulateur 20 optique selon le principe de l'interféromètre de Mach-Zehnder (MZI) ; - la figure 2, précédemment décrite, représente une vue en perspective de deux branches du modulateur de la figure 1 ; - les figures 3A et 3B sont des vues en coupe schématique de deux types de déphaseur utilisés dans le modulateur de la figure 1; et 25 - les figures 4A et 4B sont des vues schématiques en coupe et de dessus d'un mode de réalisation de déphaseur dynamique à coefficient positif Description d'un mode de réalisation préféré de l'invention Comme on l'a précédemment évoqué, un déphaseur dynamique du type de la figure 3A a un coefficient négatif Au repos, avec une tension de polarisation nulle, la région 30 d'action optique présente un nombre résiduel de charges défini par le dopage de cette région. L'application d'une tension de polarisation, inverse, provoque une évacuation des charges hors de la région d'action optique. Il en résulte une diminution de l'indice de réfraction et donc une diminution du retard de phase introduit par la région d'action optique.

Ainsi, dans un déphaseur de ce type, la concentration de charges résiduelle de la région d'action optique définit la dynamique du déphaseur. L'augmentation du dopage de cette région entraîne une augmentation de la dynamique, mais aussi une augmentation des pertes optiques au repos. Dans certaines applications on pourrait souhaiter de faibles pertes optiques au repos tout en offrant une dynamique élevée. Pour contribuer à cela, il conviendrait que le déphaseur dynamique ait une région d'action optique présentant un dopage nul ou minimal, et donc que les charges soient amenées dans la région d'action optique par le signal de commande du déphaseur. En d'autres termes, le déphaseur dynamique a un coefficient positif, comme un déphaseur de type P-I-N.

La figure 4A est une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation de déphaseur à réponse rapide et à coefficient positif Le déphaseur est réalisé à partir d'une structure de transistor bipolaire latéral Q, ici de type NPN. Le transistor est configure pour que son courant de collecteur traverse la région d'action optique perpendiculairement à l'axe du guide d'onde 12. Ainsi, c'est le courant de collecteur qui amène les charges dans la région d'action optique. Les charges sont amenées par un effet bipolaire, qui évite l'effet d'injection de charges à l'origine de la lenteur des déphaseurs de type P-I-N. La section du déphaseur est similaire à celle des figures 3A et 3B, pour permettre son insertion dans le prolongement d'un guide d'onde en « T » inversé. Plus spécifiquement, le déphaseur comprend une première jonction P-N 16 parallèle à l'axe du guide d'onde 12. La jonction 16 est représentée excentrée à gauche de l'axe et comprise dans la partie centrale plus épaisse, correspondant à la région d'action optique. La jonction 16 est formée entre une zone 18 dopée N s'étendant à droite vers un contact de collecteur C et une zone 20 dopée P s'étendant à gauche. Une deuxième jonction P-N 22, parallèle à la jonction 16, est formée hors de la région d'action optique entre la zone 20, à droite, et une zone 24 dopée N, à gauche, portant un contact d'émetteur E. La zone 20 dopée P est reliée à un contact de base B, non représenté dans cette vue. Ainsi, les zones 18, 20 et 24 forment un transistor NPN latéral Q, symbolisé sous la structure. En produisant un courant de collecteur dans ce transistor, ce courant s'écoule du contact C vers le contact d'émetteur E en traversant la région d'action optique. Le nombre de charges dans la région d'action optique, et donc le retard de phase, augmentent avec le courant de collecteur. De préférence, pour limiter les pertes optiques, le niveau de dopage de la région 5 d'action optique est minimal. Ainsi, comme cela est représenté, les zones 18 et 20 présentent un niveau de dopage de caisson au contact de la jonction 16, respectivement NwELL et PWELL. Néanmoins, pour offrir un bon compromis entre les performances optiques et les performances électriques, le niveau de dopage va en croissant de la région d'action optique, au centre de la structure, vers les contacts, situés aux bords de 10 la structure. Ainsi l'extrémité droite de la zone 18 et la zone 24 ont un niveau de dopage maximal N+. Les parties adjacentes à ces extrémités pourront avoir un niveau de dopage intermédiaire, noté Pm pour la zone 20 et NM pour la zone 18, de manière à approcher un gradient de dopage. Si la technologie le permet, la jonction 16 peut être une jonction P-I-N. Dans ce cas, les 15 parties dopées NWELL et PWELL sont remplacées par une zone unique en semi-conducteur intrinsèque. La figure 4B est une vue de dessus du déphaseur de la figure 4A, montrant un exemple d'agencement des contacts électriques et les flux de courant. La zone 24 servant au contact d'émetteur E s'étend partiellement, sur une partie centrale de la longueur du 20 déphaseur selon l'axe du guide d'onde 12. Deux îlots P+ ayant un niveau de dopage P maximal sont disposées en contact avec la zone 20 de part et d'autre de la zone 24, aux extrémités opposées du déphaseur. Les espaces entre les îlots P+ et la zone 24 peuvent être comblés d'isolant, comme cela est représenté, ou bien par des extensions de la zone 20. Dans ce dernier cas, la jonction 22 serait formée sur trois faces de la zone 24, une 25 face en regard de la jonction 16 et une face en regard de chacun des îlots P+. Les deux îlots P+ sont connectés à une borne de base commune B. Selon une alternative, la zone 24 peut être divisée en deux parties disposées à la place des zones P+, et les zones P+ peuvent être regroupées au centre. De préférence, comme cela est représenté, le contact de collecteur C est distribué sur 30 plusieurs îlots N+, de dopage N maximal, répartis sur la longueur du déphaseur. Les espaces entre les îlots sont comblés d'isolant. Cette configuration permet de réduire les inductances et capacités parasites des conducteurs servant de contact de collecteur.

Pour utiliser cette structure, l'émetteur E est relié à un potentiel bas, comme la masse 0 ou un potentiel négatif -Vdd, et un courant lb est injecté dans la base B. Ce courant s'établit sous la forme d'un flux circulant des îlots P+ vers la zone 24 en empruntant la zone 20. Si le collecteur C est relié à un potentiel suffisamment élevé, par exemple la tension d'alimentation Vdd, un flux de courant de collecteur /c s'établit par effet bipolaire, partant des îlots N+ de la zone 18 pour rejoindre le flux de courant de base lb. L'intensité du courant de collecteur /c peut être modulée en modulant le courant de base lb. La vitesse de modulation est alors soumise à un effet d'injection de charges au niveau de la jonction 22. La jonction 22 ne s'étendant que sur une partie de la longueur du déphaseur, et le courant de base lb pouvant rester relativement faible (en fonction du gain obtenu pour le transistor), la vitesse de modulation peut être supérieure à celle obtenue avec un déphaseur de type P-I-N. De préférence, pour atteindre une vitesse de modulation encore plus élevée, on préfère injecter un courant de base lb fixe, rendant le transistor conducteur de façon permanente, et moduler la tension de collecteur, par exemple entre 0 et Vdd. Le courant de collecteur /c ne provoquant pas d'effet d'injection de charges, celui-ci peut être modulé à une vitesse encore plus élevée que le courant de base lb. Le courant de base est de préférence réglé, si cela est possible compte tenu des caractéristiques du transistor obtenu, pour placer le transistor dans son mode de saturation.

Si le courant de base lb est fixe, il est préférable que son flux dans la zone 20 n'atteigne pas la région d'action optique, où il provoquerait une concentration de charges constante tendant à introduire des pertes optiques. Le flux du courant de base est canalisé par la zone 20, majoritairement dans la partie la plus dopée Pm du côté de la jonction 22. Le trajet de ce flux peut donc être ajusté en définissant la position latérale de la jonction 16 et les largeurs relatives des parties dopées Pm et PwELL. De nombreuses variantes et modifications des modes de réalisation décrits apparaîtront à l'homme du métier. Par exemple, les types de conductivité des différentes zones peuvent être intervertis, formant une structure de transistor PNP au lieu de NPN. La jonction P-N 16 peut être remplacée par une jonction P-I-N en mettant du semi- conducteur intrinsèque à la place des parties dopées PwELL et NwELL.

Claims

REVENDICATIONS1. Déphaseur électro-optique en matériau semi-conducteur, comprenant : - une région d'action optique (PWELL, NWELL) configurée pour être disposée dans un guide d'onde optique (12) ; caractérisé en ce qu'il comprend : - une structure de transistor bipolaire (Q) configurée pour que, en fonctionnement, le courant de collecteur (/c) du transistor traverse la région d'action optique perpendiculairement à l'axe du guide d'onde.
2. Déphaseur selon la revendication 1, comprenant : - une première jonction P-N (16) parallèle à l'axe du guide d'onde (12), formée dans la région d'action optique entre une première zone (18) dopée selon un premier type de conductivité (N) et une deuxième zone (20) dopée selon un deuxième type de conductivité (P) ; - une deuxième jonction P-N (22) parallèle à la première jonction, formée entre la deuxième zone (20) et une troisième zone (24) dopée selon le premier type de conductivité (N) ; et - des bornes de collecteur (C), de base (B), et d'émetteur (E) du transistor en contact respectivement avec les première à troisième zones.
3. Déphaseur selon la revendication 2, dans lequel les première et deuxième jonctions (16, 22) sont agencées pour que le flux du courant base-émetteur du transistor ne pénètre pas dans la région d'action optique.
4. Déphaseur selon la revendication 2, dans lequel le niveau de dopage de la région d'action optique (PWELL, NWELL) est à une valeur minimale, et le niveau de dopage va en croissant de la région d'action optique vers chacune des bornes de collecteur, d'émetteur, et de base (C, E, B).
5. Déphaseur selon la revendication 2, dans lequel les première et deuxième zones (18, 20) s'étendent sur toute la longueur du déphaseur, selon l'axe du guide d'onde (12), et la troisième zone (24) s'étend sur une partie de la longueur du déphaseur.
6. Déphaseur selon la revendication 5, dans lequel la troisième zone (24) s'étend sur une partie centrale de la longueur du déphaseur, et le déphaseur comprend deux îlots (P+) disposés en contact avec la deuxième zone (20) de part et d'autre de la troisième zone (24), les deux îlots ayant un niveau de dopage maximal du deuxième type de conductivité et étant connectés pour former en commun la borne de base (B).
7. Déphaseur selon la revendication 5, comprenant, en contact avec la première zone (18), plusieurs îlots (N+) espacés dans le sens de la longueur du déphaseur, ayant un niveau de dopage maximal du premier type de conductivité, et étant connectés pour former en commun la borne de collecteur (C).
8. Procédé de commande d'un déphaseur selon la revendication 1, comprenant les étapes suivantes : - appliquer au transistor bipolaire un courant de polarisation base-émetteur (lb) non-nul fixe ; et - moduler la tension de collecteur du transistor.