TWI813859B - 具有改善之光電流均勻性之電吸收調變器 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示經結構化及/或操作以沿著作用區改善光電流密度之均勻性之整合式電吸收調變器(EAM)。在各種實施例中，此改善在該EAM之後部處產生增加之光學吸收，例如，如藉由在該後部處加熱一區、增加朝向該後部跨越該EAM施加之一偏壓電壓或者改變朝向該後部之一本質層之一材料組合物而達成。在另一實施例中，該改善係藉由使用一波導之一漸縮區分段與該EAM之間的重疊沿著該EAM之一長度將光連續地自該波導耦合至EAM作用區中而達成。

Description

具有改善之光電流均勻性之電吸收調變器
本發明係關於電吸收調變器(EAM)之效能改善。
電信應用中之光學信號之強度調變通常係用電吸收調變器(EAM)來達成。EAM係半導體裝置，其光學吸收特性可藉由施加一電場，從而允許將一傳入高速電壓信號轉換成一高速光學信號而改變。在與一雷射二極體整合以提供光學輸入之情形下，一EAM可在一光子積體電路(PIC)內形成一光學資料傳輸器。在操作期間，EAM經受自加熱，此可引起效能降級。
本發明係關於具有藉由較好光電流均勻性達成之經改善效能特性之整合式EAM。
整合式EAM通常被結構化為垂直二極體台面，包含：一光導引本質半導體層，其夾在p型摻雜層與n型摻雜層之間、安置在將光耦合至該本質層中及將光耦合出該本質層之一波導之上，且在台面之頂部上及在台面之側處具有用於垂直於光傳播之方向跨越本質層施加一電壓之電觸點；跨越其施加電壓之區形成EAM之其中發生調變之作用區。矽光子EAM通常係用接合至一絕緣體上矽(SOI)基板之III-V材料來實施，但EAM亦廣泛實施於不涉及至一SOI基板之附接之其他材料平台中。在諸多實施方案中，本質層包含一量子井結構以利用量子拘限斯塔克(Stark)效應來達成高消光比率。
在 一光學信號之電吸收調變開始時，在自加熱之前，EAM中之吸收速率沿著作用區之長度通常係恆定的，此意味著在作用區之前部(光進入的地方)與後部(光退出的地方)之間的每微米吸收光學功率之一大約恆定分率。然而，隨著光沿著裝置傳播且被吸收(藉由產生光電流)，光學功率朝向後部減小，所產生光電流之電流密度亦減小，其係一給定位置處光學功率之一恆定分率。由於EAM主要在前部處自加熱(歸因於在彼位置處之較高光電流密度)，因此前部處之吸收速率增加(歸因於較高溫度)，從而使光電流密度之不均勻性加劇。在諸多情形中，導致在EAM之作用區之前部端係非常高的且在作用區之後部端處係非常低的一電流密度。此不均勻電流密度消極地影響EAM之效能，此乃因其增加與具有最高光電流之區中之EAM之串聯電阻相關聯之電壓降，使得跨越作用區中之本質層保持一較低電壓擺動。該較低電壓擺動進而減小電光改變之程度，且因此EAM之光學調變振幅(亦即，經調變光學信號中之最大功率位準與最小功率位準之間的差)以及消光比率(亦即，經調變光學信號中之最大功率位準與最小功率位準之比率)；在某些例項中，作用區之前部處之光電流密度變得如此高以至於導致一可忽略消光比率，從而有效地減小作用區之長度。在高光學功率(例如，對於約1 m2 或更小之一有效模面積大於10 mW)及相關聯高光電流密度下，EAM效能可進一步受作用區之前部處之載流子飽和度影響，此可減小裝置之電頻寬。高電流密度亦可導致過度自加熱(例如，超過50℃之一溫度升高)，從而導致組件損壞或減小之組件操作壽命。期望緩解此等各種效應以達成經改善之光學調變振幅、消光比率、頻寬及光學功率處置。
本文中各種實施例中所揭示係沿著(亦即，在EAM內之光傳播之方向上) EAM之作用區之長度達成一更均勻電流密度，從而導致經增加光學調變振幅及消光比率、較大頻寬(達成較高信號速度)以及較好功率 處置(減小熱散逸及裝置故障之風險)之EAM結構以及相關聯校準及操作方法。某些實施例涉及自作用區之前部朝向背部增加EAM之光學吸收係數以使光電流密度均等。在一項實施例中，沿著作用區之吸收係數之此變化係藉由用一整合式加熱器將熱施加至作用區之後部(此提升彼區中之吸收係數)而達成。在另一實施例中，EAM配備有沿著作用區之長度在不同位置處提供兩個或多於兩個單獨控制之直流(DC)偏壓電壓之金屬觸點，且經施加DC偏壓電壓朝向作用區之後部增加以增加吸收。在一第三實施例中，本質層之材料性質(例如，元素組合物或量子井尺寸)係沿著作用區之長度變化，其中最高吸收材料位於後部端處。在另一方法中，替代吸收係數，例如，藉由使作用區之前部與將光耦合至EAM二極體中之(矽)波導之一向下漸縮區重疊而沿著裝置之長度使光至EAM二極體中之耦合變化。在下文中，將參考附圖詳細地闡述各種實施例。
圖1A係一實例EAM 100之示意性俯視圖，該實例EAM 100包含安置於一脊波導104之上的一伸長二極體結構102 (在此圖中藉由二極體結構之底部層之輪廓而圖解說明)，脊波導104將光耦合至二極體結構102中及將光耦合出二極體結構102。EAM 100進一步包含頂部電觸點106及側面電觸點108，該等觸點沿著二極體結構102之長度之範圍界定EAM之作用區110，在作用區110中發生經由一經施加電信號之光調變。由箭頭112、114 分別針對EAM 100之光學輸入及經調變光學輸出指示之光傳播穿過波導104及二極體結構102之方向界定作用區110之前部端116及後部端118。
圖1B及圖1C提供實例EAM 100之兩個示意性剖視圖，一個係穿過作用區110 (圖1B)截取，且另一個係穿過毗鄰(例如，在前或在後的)作用區110之一區截取。如所展示，在此實施例中，波導104係形成於一絕緣體上半導體基板122 (諸如，例如包含一矽處置、埋入式氧化物層及矽裝置層120之一絕緣體上矽(SOI)基板之裝置層120中之一肋波導。例如，替代矽，裝置層120可係一金剛石或鍺層。可視情況藉由一薄介電質(例如，氧化物)層(未展示)與波導分離之二極體結構102包含一經摻雜底部層或「條帶」124且經摻雜底部條帶124之頂部上形成有一分層台面126 (扁平頂部桌狀結構)，其比底部條帶124窄得多且在光傳播之方向上伸長以在波導104之上形成一脊。台面126包含一本質層128及一經摻雜頂部層130。儘管在寬度上展示為相等，但另一選擇係本質層128及經摻雜頂部層130在寬度上不同，具有一稍微較寬或較窄之本質層128。二極體結構102可由化合物半導體(亦即，由兩種或多於兩種元素製成之半導體材料)製成，因此與波導104一起形成一異質波導結構。適合化合物半導體包含，例如III-V材料(諸如，例如磷化銦(InP)或砷化鎵(GaAs))或II-VI材料(諸如，例如硒化鎘(CdSe)或氧化鋅(ZnO))。本質層128可由與底部層124及頂部層130不同之一半導體化合物製成；舉例而言，二極體結構102可包含經摻雜InP層之間的一本質InAlGaAs層。此外，本質層128可係一體半導體層，或另一選擇係可由量子井、量子點或量子分段(quantum dash)組成。可用標準半導體製作技術製作EAM 100，諸如藉由微影圖案化及蝕刻基板122以形成波導104，後面接著接合化合物半導體材料之一堆疊，且微影圖案化及蝕刻化合物半導體以形成二極體結構102。
在功能上，二極體結構102係一p-i-n二極體(具有p型摻雜層、本質層及n型摻雜層)。二極體結構102之底部層124通常係n型摻雜且頂部層130係p型摻雜(如下文針對特殊性而假設)，但底部層124與頂部層130作為n型層與p型層之角色亦可反轉。在操作中，EAM二極體被加反向偏壓，使得連接至n型層(陰極)之端子具有比連接至p型層(陽極)之端子大的一電壓。在如圖1B中所展示之作用區110中，一p型(接地或負電壓)電端子132直接或經由安置於頂部層130上之一選用p型接觸層134，為電頂部觸點106提供二極體結構102之p型頂部層130，且一n型(正或接地電壓)電端子136同樣地直接 (如所展示)或視情況經由一薄接觸層(未展示)，在台面126之任一側或兩側上建立具有底部條帶124之一或多個側面電觸點108。電端子132、136用以跨越二極體施加用於調變之一直流(DC)偏壓電壓及/或一交流(AC)、射頻(RF)信號電壓。在結構上，電端子132、136可係實施為垂直通道之導電導通體，該等垂直通道形成於封圍二極體結構102之一頂部包覆層中、填充有一適合金屬(例如，金(Au)、鉑(Pt)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎢(W)、氮化鈦(TiN)或鋅(Zn))或其他導電材料。
在 EAM 100之操作中，光係自(矽)波導104耦合至作用區110之前部116處或緊接作用區110之前部116之前的一區中之二極體結構102 (其用作一化合物半導體波導)之本質層128中，且自二極體結構102耦合回至作用區110之後部118處或緊接作用區110之後部118之後的波導104中。此耦合係藉由使波導104在作用區110外部之一較大寬度(圖1C中所展示)與作用區100內部之一較小寬度(圖1B中所展示)之間漸縮而達成。如圖1B及圖1C中概念地圖解說明，在作用區110中，光學模138主要係攜載於本質層128中，然而，在作用區外部(二極體結構不被電端子132、136接觸之處)，光學模138主要攜載於波導104中。
圖1D係圖1A至圖1C之EAM之一簡化概念電路圖。本文中，二極體結構102係由連接在正端子136與接地(提供負端子) 132之間的具有接面電容CJ 之一理想二極體140與具有串聯電阻RS 之一歐姆電阻器142表示。一驅動器電路144施加DC偏壓電壓VDC 及AC調變信號電壓VAC 。圖1E係一另一概念電路圖，其藉由用各自包含一理想二極體及串聯電阻器之三個平行分段146、148、150表示二極體結構102來計及沿著作用區110之長度之二極體結構102之實體範圍。對於三個分段146、148、150一起的一總接面電容CJ 及串聯電阻RS ，三分之一的接面電容CJ 及三倍的串聯電阻RS 係與分段146、148、150中之每一者相關聯。
圖2係一不均勻光電流密度200之一圖表，如通常係與EAM (諸如圖1A至圖1E中所展示之EAM 100)相關聯。光電流密度200係依據沿著一150 μm長作用區之位置標繪，其中0 μm係該區之前部且150 μm係該區之背部。出於比較，亦標繪對應於不均勻電流密度200之平均值之一均勻光電流密度202。如可見，作用區之一前部部分(例如，對應於圖1E中之分段146)之不均勻光電流密度200係高的。因此，前部部分經歷一穿過串聯電阻之高電壓降且因此經歷EAM二極體接面上方之一經減小電壓擺動。此經減小電壓擺動進而導致此區中之一經減小光學傳輸改變及因此一經減小消光比率以及光學調變振幅。在作用區之一背部部分中，光電流密度係低的，從而導致穿過串聯電阻之一低電壓降且對EAM二極體接面上方之電壓擺動無損傷。因此，背部部分中之消光比率係良好並且調變振幅係高的。然而，背部中之光學功率之分率小於前部中，且因此背部中之高光學調變振幅不完全補償前部中之光學調變振幅之降級。對於一固定輸入光學功率，EAM可在所產生光電流(對應於所吸收光學功率)沿著作用區之長度係均勻時提供一較高消光比率及光學調變振幅。
除降低EAM效能之外，不均勻光電流密度亦可導致作用區之前部部分之過度加熱，例如，在可經歷熱散逸之一單個熱點中，此係EAM之一眾所周知的故障模式。過熱之風險限制可耦合至裝置中之最大光學功率。不均勻光電流密度之另一損害係其對頻寬之效應。一般而言，歸因於一較低微波阻抗，EAM頻寬在光電流增加時改善(亦即，增加，從而促進較快信號調變)。隨著光電流之此增加繼續，直至載流子積聚在量子井中發生；一旦光生載流子無法足夠快地被掃除，則頻寬降級(導致較慢信號調變)。因此，具有最高電流密度之作用區之部分具有最高頻寬直至其自電荷積聚飽和，但亦歸因於上文所論述之串聯電阻電壓降而具有最小電壓擺動。具有較低電流密度之部分具有一較低頻寬及一較大電壓擺動。一均勻光電流密度沿著作用區形成一恆定頻寬，此可提供比高頻寬及低頻寬之區段總體上較好的裝置頻寬。
因此，為改善在光學調變振幅及頻寬方面的EAM效能，且為對抗過熱之風險，在各種實施例中，EAM經組態以達成一更均勻光電流密度。
圖3A係包含根據一第一實施例在二極體結構102之後部端(例如，緊接作用區110之後部118之後)處之一加熱器302之一實例EAM 300之示意性俯視圖(EAM 300在其他方面類似於圖1之EAM 100)。加熱器302藉由利用本質層128之光學吸收係數隨著增加溫度之增加而改善光電流均勻性。將加熱器302放置在二極體結構102背部導致溫度作用區110之一後部部分中比在一前部部分中高，從而導致後部部分中之一較高吸收速率，此抵消光學功率自作用區110之前部116至作用區110之後部118之降低且因此使產生載流子之速率(對應於光電流密度)保持更均勻。以此方式，在背部處之一加熱器302可改善光學調變振幅及功率處置(亦參見以下所闡述之圖9B)。
雖然使一EAM包含一加熱器並不罕見，但慣常地，此一加熱器用以穩定EAM溫度(亦即，補償周圍溫度改變以維持一恆定EAM回應，而不管此等改變如何)且通常係緊挨作用區之中心區段橫向放置。對於溫度穩定，在裝置之背部處之加熱器放置將係無效率的。另一方面，在其用於使光電流密度均等之即刻應用中，將加熱器302放置於背部處對達成朝向作用區之後部118之所期望熱梯度係重要的，具有一伴隨改善之光學吸收量變曲線。
圖3B至圖3C及圖3D分別提供加熱器302之區(例如，在二極體結構102之背部處之一區，在作用區110之後)中之EAM 300之示意性剖視圖及一更詳細俯視圖；圖3B至圖3D共同圖解說明一實例加熱器組態及相關聯電連接。如圖3D中所展示，加熱器302可包含至二極體台面126之兩側之繞組加熱器絲304，每一者跨越平行於基板安置於二極體結構102之底部條帶124及周圍裝置層120之上之一矩形區延續。加熱器絲304可由諸如，例如鎢、鉑、氮化鈦、鎳鉻合金等之一金屬或金屬合金製成。一個(例如，正的)極性(圖3B中所展示)之一加熱器端子306在更遠離作用區110一端上接觸加熱器絲304；且另一個(例如，負的)極性(圖3D中所展示)之一加熱器端子308在更靠近於作用區110之另一個端處接觸之加熱器絲304。出於參考，亦指示接觸二極體結構102之頂部層130及底部層124之電端子132、136之位置。儘管兩個加熱器絲304之使用對於有效地且對稱地(圍繞波導104)加熱作用區係有益的，但原理上加熱器302亦可實施為僅一個加熱器絲304。
圖3E係圖3A至圖3D之EAM之一概念電路圖。如所展示，具有加熱器302之EAM 300可由兩個單獨電路表示：一個電路對應於EAM二極體結構102 (如在圖1E中，此處由各自包含一理想二極體及串聯電阻器之三個平行分段表示)及相關聯驅動器電路144。不連接至二極體電路中之另一個電路對應於加熱器302，由放置成實體接近於二極體之作用區110之後部端118之一歐姆電阻器310及其電源供應器312表示。
圖4A係根據一第二實施例之具有多個偏壓電壓之一實例EAM 400之一示意性俯視圖。在此EAM 400中，二極體結構102之頂部層及底部層上之金屬觸點沿著作用區110之長度斷裂成形成(三個)單獨電接觸區402之多個分段(例如，如所圖解說明之三個分段)。電接觸區402係由電隔離區404分離。在接觸區402中之每一者內，如圖4B中以一示意性剖視圖所展示，負電端子432及正電端子436分別(直接地或間接地，例如，經由頂部接觸層134)接觸二極體結構102之頂部層130及底部層124以跨越二極體結構102施加一偏壓電壓。對於一給定長度之一作用區110，端子432、436 (在沿著作用區110之長度之方向上)短於習用EAM 100之端子132、136，但在其他方面，其等可係類似的。在電隔離區402中之每一者中，如圖4C中以一示意性剖視圖所展示，根本不存在與二極體結構102之頂部層130及底部層124建立接觸之電端子。如圖4A中所展示，除使用多個DC偏壓電壓之外，EAM 400亦可在後部處包含一加熱器302。
圖4D係圖4A至圖4C之EAM 400之一概念電路圖。EAM二極體結構102同樣由各自包含一理想二極體及串聯電阻器之三個分段表示。然而，現在將對應於三個電接觸區402之分段連接至其自身各別端子450、452、454，使得可將三個單獨DC偏壓電壓VDC1 、VDC2 、VDC3 施加至各別接觸區中之二極體結構。偏壓電壓越高，二極體結構中之吸收係數越大。因此，為使沿著作用區之光電流密度均等，驅動器電路456將最高偏壓電壓(亦即，在EAM二極體上方之最大反向偏壓電壓)施加至接觸作用區之背部之端子450並且將最低偏壓電壓(亦即，在EAM二極體上方之最小反向偏壓電壓)施加至接觸作用區之前部之端子454。高速AC信號電壓對於所有接觸區可係相同的，如圖4D中所展示。另一選擇係，可使用一分散式多端子驅動器將不同信號位準施加至不同接觸區。
圖5A至圖5D圖解說明根據一第三實施例之具有一本質層502之一實例EAM 500，本質層502之材料組合物沿著作用區之長度改變。圖5A、圖5B、圖5C分別係穿過作用區之前部處之一區、作用區之中部中之一區及作用區之後部處之一區截取之示意性剖視圖。如可見，包含分層二極體結構504之EAM 500之結構沿著作用區之長度可係恆定的，除構成在整個剖面之間變化之本質層502 (如由不同陰影所繪示)之材料。圖5D係EAM 500之一概念電路圖，同樣將二極體結構表示為三個平行分段504、506、508，且指示每一分段對應於二極體結構102中之一不同層堆疊(其中圖5A展示前部分段504之堆疊，圖5B展示中間分段506之堆疊及圖5C展示後部分段508之堆疊)。選擇沿著作用區之不同堆疊區中之材料使得光學吸收在作用區之背部處係最高的。
本質層材料之變化性可藉由改變層502之元素組合物而達成。舉例而言，本質層502中之一量子井結構可具有以由化學式Gax In1−x Asy P1−y 指定之比例包含鎵(Ga)、銦(In)、砷(As)及磷(P)之一元素組合物，其中量子井吸收且因此光學吸收係數隨x及y改變。因此，吸收係數之一梯度可藉由沿著作用區之長度改變x及y而形成，且光電流不均勻性可藉由將最高吸收材料定位於後部處而被補償。除使元素組合物變化之外，亦可藉由使堆疊中之量子井數目或量子井厚度變化來修改通常被結構化為與障壁子層交替之量子井之一堆疊之一本質量子井層之吸收特性。舉例而言，EAM III-V材料可在EAM之起點處含有7個7 nm厚量子井且在EAM之末端處含有10 nm厚量子井；其中障壁與單獨拘限異質結構層厚度或組合物經調整以最小化此等區之間的模折射率改變以防止光反射。取決於材料設計，EAM量子井厚度例如可在自4 nm至20 nm之範圍內變化。類似地，對於體四元、量子段及量子點層厚度及/或元素組合物可沿著作用區之長度而改變以影響光學吸收之一變化。對於體材料，此係藉由移位Gax In1−x Asy P1−y 組合物使得EAM材料帶隙朝向EAM之背部更靠近操作波長移動(例如，在EAM之起點處自低於操作波長90 nm之一帶隙波長開始且在末端處移動至低於操作波長之80 nm)而完成。對於量子段及量子點，光學吸收之變化可藉由增加段與點層之厚度或密度及修改周圍層之組合物或減小周圍層厚度以將模折射率保持大致恆定來達成。
具有其材料性質沿著一個維度變化之一本質層之一個二極體結構504可藉由將一單個epi片(亦即，一片磊晶生長層，例如，自具有變化之化合物半導體(例如，III-V)材料組合物之一化合物半導體晶圓單粒化或劈分)接合至基板122 (後面接著圖案化epi片以形成台面)而製成。epi片之材料變化係藉由在單粒化成epi片之前在材料生長期間使材料性質跨越一晶圓變化而達成。
圖6係圖解說明根據第三實施例之製造具有變化之材料組合物之EAM二極體 500之步驟之一系列晶圓俯視圖。製造中之第一步驟係使具有類型1之一作用區之一III-V (或其他半導體化合物)晶圓600 (磊晶地)生長。晶圓600係使用光阻劑及微影術(可視情況添加在光阻劑之前的一介電質沈積及在微影術之後的蝕刻)來圖案化且經蝕刻以在晶圓之表面中形成通道602，從而移除類型1材料。然後移除光阻劑，將介電質沈積於晶圓上方，重複施加光阻劑且重複微影術以在類型1區域上方重新界定相等或稍微大的通道604。注意，此步驟可在於前述步驟期間使用一介電質遮罩之情形下與彼步驟結合；該決定通常基於在再生長之前的晶圓清潔要求。在通道之經曝露區中再生長(磊晶地)類型2之作用區且移除介電質遮罩，從而產生包含兩個類型之作用區之一晶圓606。然後針對類型3重複毗鄰於類型2材料之類型1材料之圖案化及蝕刻及介電質之施加以及一作用區之再生長，此在三種材料之間達成跨越晶圓608之一週期性變化。成品晶圓可視情況經歷化學機械拋光(CMP)以移除任何高度變化(尤其在材料類型之間的界面處)，高度變化可干擾接合。在表面上之高度變化在待接合之每一區內小於1 nm均方根之情形下，經完成晶圓可係平坦的。如610處所展示，現在可將晶圓單粒化成III-V epi片612，所有epi片特徵在於其材料沿著一個方向之一逐步變化。然後將此等epi片612接合至一經圖案化SOI晶圓614，該經圖案化SOI晶圓614可進一步經處理以在經接合epi片中之每一者中形成一EAM二極體結構。可將所得SOI晶圓616切割成多個EAM裝置。雖然圖6圖解說明如何形成具有三種不同材料區之EAM，但熟習此項技術者將明瞭該程序可擴展至任何數目個不同材料區。在實務上，沿著EAM僅具有幾個(例如，兩個或三個或四個)不同本質層區之EAM通常足以達成根據本發明之光電流均勻性，且更精細等級可因此導致不必要成本。
所有前述方法皆藉由各種手段達成光學吸收朝向EAM之後部之一增加，從而抵消在彼方向上光學功率之減少。在下文中，闡述其中在EAM之一部分上方將光自矽波導連續地耦合至二極體之本質層中之一替代概念。
圖7A係根據一第四實施例之一實例EAM 700之一示意性俯視圖，實例EAM 700使其作用區110與將光耦合至EAM二極體中之(矽)波導702之一漸縮區段重疊。通常地，一EAM (諸如EAM 100、300、400、500)之(矽)波導在與二極體台面(化合物半導體波導)重疊但在其中發生調變之作用區110之前的一區段中向下漸縮(亦即，在寬度上減小)。因此，在作用區110之前部端116處，光學模通常主要攜載於化合物半導體波導之本質層中，其中若(矽)波導中殘餘有任何光則其僅為最小 。在圖7A中所繪示之EAM 700中，相比之下，波導之向下漸縮區段704顯著地與作用區110重疊(例如，達作用區之長度之至少10%)。因此，如圖7B之剖面中所展示，在波導702到達作用區110之起點116時，其仍然攜載一光學模706及至少10%之總光學功率。隨著波導在光傳播之方向上進一步減小寬度，此光學模706逐漸耦合至二極體結構102之本質層128中，從而補充導引於本質層128中且沿途吸收之光學模708之光學功率以形成光電流。在此組態之情況下，作用區110之前部處之光電流密度減小(與其中所有光已被耦合至作用區110之前部處之本質區128中之一組態相比)，有益於增加朝向後部靠近之位置處之光電流密度，此往往會使沿著裝置之長度之光電流密度均等。可針對最佳可達成之光電流均勻性，最佳化波導702之向下漸縮區段704與作用區110之間的重疊之長度以及波導702之寬度沿著彼長度減小之速率。舉例而言，在一項實施例中，如所圖解說明，波導702經設計使得在作用區110之中部710處或附近，所有光已被耦合至本質層128中且(矽)波導702之向下漸縮可在此處結束。因此，在作用區110之後部部分，光學模708完全在本質層128中，如圖7C之剖視圖中所展示。
已 闡述針對一更均勻光電流密度設計之EAM裝置(例如，裝置300、400、500、700)之各種結構性實施例，現在將參考圖8中所展示之流程圖闡述校準及操作此等裝置之方法800。該校準通常以將EAM之DC偏壓設定至0 V及接通雷射以操作功率而開始(802)。然後，例如可使用在EAM之前及之後的光學分接頭來量測EAM之插入損耗(其係1減去到達輸出之光學輸入功率之分率)，且可調整DC偏壓電壓直至達到目標插入損耗(804)。然後，隨後程序用以以經設定固定光學損耗下(其中在不接通RF電壓擺動之情況下，可透過前置及後置EAM分接頭容易地量測該固定光學損耗)將裝置設定至最大光學調變振幅。另一選擇係，在接通RF電壓擺動之情況下，以下程序可用以以一設定眼交叉值將裝置設定至最大光學調變振幅。可調整DC偏壓電壓直至達到50%或一目標眼交叉(806)，其中眼交叉係定義為，，且Poptical at crossing 係其中一示波器上之上升0至1交叉下降1至0位準之光圖案之一眼圖式上之光學功率。可在一台式示波器工具(諸如一數位通信分析器(DCA))上或透過嵌入至一後置EAM分接頭中之一眼監視電路來量測該眼交叉。對於數位通信，40%至60%之間的一眼交叉通常提供一固定RF擺動電壓及光學功率之最高位元錯誤率。固定插入損耗方法需要較少量測時間且與眼交叉大致相關；因此其可提供更快調變器校準，但其對於一特定眼交叉值較不準確。
取決於達成光電流密度之較大均勻性所採用之方法，然後可執行不同校準序列以判定EAM之操作設定點。對於在後部處具有一加熱器之一EAM 300 (分支808)，加熱器功率以小的增量增加且偏壓電壓伴隨著減小以維持固定目標插入損耗(810)。然後將一RF電壓擺動(亦即，AC信號電壓)施加至EAM 300且量測輸出光學信號之光學調變振幅(812)。跨越全加熱器功率範圍重複此程序(810，812)(814)。最後，將加熱器功率及對應DC偏壓電壓設定至其最大化光學調變振幅之值，且在彼設定點處操作EAM 300 (816)。類似地，對於具有分段電端子以沿著裝置之長度施加多個偏壓電壓之一EAM 400 (分支820)，作用區之後部端處之DC偏壓電壓在作用區之前部處之DC偏壓電壓減小時以小步階增加以維持設定光插入損耗(822)。然後跨越EAM 400施加一RF電壓擺動且量測輸出光學信號之光學調變振幅(824)。跨越全DC電壓掃掠範圍(其可係例如1V)重複此程序(822，824)(826)。然後，將DC偏壓電壓設定至達成充當用於操作EAM 400之設定點之最大光學調變振幅之值的組合(828)。對於基於其固定設計特徵(沿著作用區之材料變化，或與作用區之矽波導重疊)達成均勻光電流密度之EAM 500、700 (分支830)，將不再執行進一步校準，且簡單地操作EAM 500、700 (832)。
上文關於圖3A至圖8趨闡述之各種實施例皆傾向於增加向沿著EAM之光電流均勻性，如與如圖1A至圖1D中所圖解說明之一習用EAM相比，且藉此改善EAM之效能及操作壽命。例如，根據各種實施例之光電流均勻性可表徵為沿著作用區之一最小光電流線性密度，該最小光電流線性密度不小於最大光電流密度之60%，較佳地不小於80%或甚至不小於90%。圖9A及圖9B圖解說明一EAM 300在後部處具有整合式加熱器之改善、其以20 mW光學輸入功率及2 V之一驅動擺動電壓操作。EAM 300之熱阻抗測試為約2000 ℃/W。
圖9A提供沿著具有一150 μm長作用區之一實例習用EAM 100之溫度900與正規化光電流密度902之一圖表以供比較。如可見，溫度900在EAM之前部處最高，為約25℃且朝向後部減小至10℃。光電流密度902同樣地沿著裝置減小，在後部端處降落至其在作用區之前部處之值的約40%。
圖9B係沿著在後部端處具有一加熱器之一實例EAM 300之溫度904與正規化光電流密度906之一圖表。此處，溫度量變曲線係反向的，亦即，溫度904在光傳播之方向上自作用區之前部處之約16℃增加至背部處之約26℃。在此情形中，光電流密度906係跨越裝置相對均勻的，在後部處具有係前部處之光電流密度之約80%的一值。類似改善可預期用於具有多個DC偏壓電壓、適當變化之材料性質及/或與作用區之波導漸縮重疊之EAM。達成光電流均勻性之多種不同方法亦可結合使用以彼此擴大其對沿著裝置之光電流密度之效應。
已闡述達成一更均勻光電流密度之EAM之不同實施例，提供以下編號實例作為說明性實施例：
1. 一種整合式電吸收調變器，其包括：一分層二極體結構，其形成於一基板之一裝置層之上，該二極體結構包括一底部二極體層、一本質二極體層及一頂部二極體層；一波導，其形成於該裝置層中該分層二極體結構下面以將光耦合於該本質二極體層中及將光耦合出該本質二極體層；電端子，其接觸一作用區中之該頂部二極體層及該底部二極體層；一驅動器電路，其連接在該等電端子之間且經組態以跨越該分層二極體結構施加一直流偏壓電壓及一交流信號電壓；及一加熱器，其安置於該電吸收調變器之一後部端處以加熱該作用區之一後部部分。
2. 如實例1之整合式電吸收調變器，其中針對與該整合式電吸收調變器相關聯之一光學調變振幅最佳化一加熱器功率設定。
3. 如實例1或實例2之整合式電吸收調變器，其中該加熱器包括橫向配置於該二極體結構之兩側上之繞組加熱器絲。
4。如實例1至3中任一者之整合式電吸收調變器，其中該波導係一矽波導且該分層二極體結構由III-V半導體材料製成。
5. 如實例1至4中任一者之整合式電吸收調變器，其中：該等電端子包括多對電端子，該多對電端子在該作用區內多個接觸區中接觸該頂部二極體層及該底部二極體層，該多個接觸區藉由隔離區分離；且該驅動器電路連接在該多對電端子之間且經組態以在各別接觸區中跨越該分層二極體結構施加多個各別直流偏壓電壓。
6. 如實例1至5中任一者之整合式電吸收調變器，其中該本質層之一材料組合物在該作用區之一前部端與該作用區之一後部端之間變化，從而導致在該後部端處比在該前部端處大的一光學吸收係數。
7. 如實例1至6中任一者之整合式電吸收調變器，其中該波導包括與該作用區重疊之一向下漸縮區段。
8. 一種整合式電吸收調變器，其包括：一分層二極體結構，其形成於一基板之一裝置層之上，該二極體結構包括一底部二極體層、一本質二極體層及一頂部二極體層；一波導，其形成於該裝置層中該分層二極體結構下面以將光耦合於該本質二極體層中及將光耦合出該本質二極體層；多對電端子，其在該作用區內多個接觸區中接觸該頂部二極體層及該底部二極體層，該多個接觸區藉由隔離區分離；及一驅動器電路，其連接在該多對電端子之間且經組態以在各別接觸區中跨越該分層二極體結構施加多個各別直流偏壓電壓。
9. 如實例8之整合式電吸收調變器，其中該驅動器電路經組態使得施加至該作用區之一背部處之一接觸區之一直流偏壓電壓大於施加至該作用區之一前部處之一接觸區之一直流偏壓電壓。
10. 如實例9之整合式電吸收調變器，其中針對與該整合式電吸收調變器相關聯之一光學調變振幅最佳化多個直流偏壓電壓。
11. 如實例8至10中任一者之整合式電吸收調變器，其中該驅動器電路進一步經組態以跨越該分層二極體結構施加一交流信號電壓。
12. 如實例8至10中任一者之整合式電吸收調變器，其中該驅動器電路進一步經組態以在多個接觸區中跨越該分層二極體結構施加多個交流信號電壓。
13. 一種整合式電吸收調變器，其包括：一分層二極體結構，其形成於一基板之一裝置層之上，該二極體結構包括一底部二極體層、一本質二極體層及一頂部二極體層；一波導，其形成於該裝置層中該分層二極體結構下面以將光耦合於該本質二極體層中及將光耦合出該本質二極體層；電端子，其接觸一作用區中之該頂部二極體層及該底部二極體層；一驅動器電路，其連接在該等電端子之間且經組態以跨越該分層二極體結構施加一直流偏壓電壓及一交流信號電壓，其中該本質層之一材料組合物在該作用區之一前部端與該作用區之一後部端之間變化，從而導致在該後部端處比在該前部端處大的一光學吸收係數。
14. 如實例13之整合式電吸收調變器，其中該本質層包括沿著該作用區之一長度之多個區，沿著該作用區之該長度之該多個區中之每一者具有一相關聯均勻材料組合物，該多個區在其各別材料組合物上彼此不同。
15. 如實例13或實例14之整合式電吸收調變器，其中該本質層包括一量子井結構，該量子井結構在該前部端與該後部端之間在元素組合物或厚度中之至少一者上變化。
16. 一種整合式電吸收調變器，其包括：一分層二極體結構，其形成於一基板之一裝置層之上，該二極體結構包括一底部二極體層、一本質二極體層及一頂部二極體層；一波導，其形成於該裝置層中該分層二極體結構下面以將光耦合於該本質二極體層中及將光耦合出該本質二極體層；電端子，其接觸一作用區中之該頂部二極體層及該底部二極體層；一驅動器電路，其連接在該等電端子之間且經組態以跨越該分層二極體結構施加一直流偏壓電壓及一交流信號電壓，其中該波導包括與該作用區重疊之一向下漸縮區段。
17. 如實例16之整合式電吸收調變器，其中該波導之該向下漸縮區段與該作用區重疊達該作用區之該長度之至少10%。
18. 一種校準一整合式電吸收調變器之方法，該方法包括：量測該電吸收調變器之一插入損耗及調整一直流偏壓電壓直至達到一目標插入損耗；跨越一調諧範圍調諧該電吸收調變器之一組可調整操作參數同時維持該目標插入損耗，且針對該組可調整操作參數之多個值量測一光學調變振幅以判定與一最大光學調變振幅相關聯之一組操作參數值；及將該等可調整操作參數設定為該組經判定之操作參數值。
19. 如實例18之方法，其進一步包括操作該電吸收調變器以調變一光學信號。
20. 如實例18或實例19之方法，其中該調諧包括使放置在該電吸收調變器之一作用區之一後部端處之一加熱器之一加熱器功率遞增且使跨越該作用區施加之一DC偏壓電壓遞減以維持該目標插入損耗。
21. 如實例18至20中任一者之方法，其中該調諧包括使施加至一作用區之一後部端處之一區之一直流偏壓電壓遞增同時使施加至該作用區之一前部端處之一區之一直流偏壓電壓遞減以維持該目標插入損耗。
22. 如實例18至21中任一者之方法，其中該組可調整操作參數之一改變導致該電吸收調變器之一作用區之一光學吸收係數之一改變。
儘管已參考特定實例實施例闡述發明標的物，將明瞭在不背離發明標的物之更廣泛範疇之情況下可對此等實施例進行各種修改及改變。因此，將說明書及圖式視為具有一說明性意義而非一限制性意義。
100:實例電吸收調變器/電吸收調變器 102:伸長二極體結構/二極體結構 104:脊波導/波導 106:頂部電觸點/電頂部觸點 108:側面電觸點 110:作用區 112:箭頭 114:箭頭 116:前部端/前部/起點 118:後部端/後部 120:矽裝置層/裝置層/周圍裝置層 122:絕緣體上半導體基板/基板 124:經摻雜底部層或「條帶」/經摻雜底部條帶/底部條帶/底部層 126:分層台面/台面/二極體台面 128:本質層/稍微較寬或較窄本質層/本質區 130:經摻雜頂部層/頂部層/p型頂部層 132:p型(接地或負電壓)電端子/電端子/接地(提供負端子)/ 端子 134:選用p型接觸層/頂部接觸層 136:n型(正或接地電壓)電端子/電端子/正端子/端子 138:光學模 140:理想二極體 142:歐姆電阻器 144:驅動器電路/相關聯驅動器電路 146:平行分段/分段 148:平行分段/分段 150:平行分段/分段 200:不均勻光電流密度/光電流密度/不均勻電流密度 202:均勻光電流密度 300:實例電吸收調變器/電吸收調變器/裝置 302:加熱器 304:繞組加熱器絲/加熱器絲 306:加熱器端子 308:加熱器端子 310:歐姆電阻器 312:電源供應器 400:實例電吸收調變器/電吸收調變器/裝置 402:單獨電接觸區/電接觸區/接觸區 404:電隔離區 432:負電端子/端子 436:正電端子/端子 450:端子 452:端子 454:端子 456:驅動器電路 500:實例電吸收調變器/電吸收調變器/電吸收調變器二極體/裝置 502:本質層/層 504:分層二極體結構/平行分段/前部分段/二極體結構 506:平行分段/中間分段 508:平行分段/後部分段 600:III-V (或其他半導體化合物)晶圓/晶圓 602:通道 604:通道 606:晶圓 608:晶圓 612:III-V epi片/epi片 614:經圖案化絕緣體上矽晶圓 616:絕緣體上矽晶圓 700:實例電吸收調變器/電吸收調變器/裝置 702:(矽)波導/波導 704:向下漸縮區段 706:光學模 708:光學模 710:中部 800:方法 808:分支 810:程序 812:程序 820:分支 822:程序 824:程序 830:分支 900:溫度 902:正規化光電流密度/光電流密度 904:溫度 906:正規化光電流密度/光電流密度 CJ :接面電容/總接面電容 RS :串聯電阻 VAC :交流調變信號電壓 VDC :直流偏壓電壓 VDC1 :單獨直流偏壓電壓 VDC2 :單獨直流偏壓電壓 VDC3 :單獨直流偏壓電壓
圖1A係一實例EAM之一示意性俯視圖；
圖1B係穿過圖1A之EAM之作用區之一示意性剖視圖；
圖1C係穿過圖1A之EAM之毗鄰作用區之一區之一示意性剖視圖；
圖1D係圖1A至圖1C之EAM之一簡化概念電路圖；
圖1E係圖1A至圖1C之EAM之一概念電路圖，其藉由三個平行分段表示EAM二極體；
圖2係與如圖1A至圖1E中所展示之一實例EAM相關聯之一不均勻光電流密度之一圖表；
圖3A係根據一第一實施例在後部端處包含一加熱器之一實例EAM之示意性俯視圖；
圖3B及圖3C係根據一項實施例沿著加熱器在兩個位置處穿過加熱器之區的圖3A之EAM之示意性剖視圖，其圖解說明至加熱器之電連接；
圖3D係根據一項實施例之加熱器之區中的圖3A之EAM之一更詳細俯視圖，其圖解說明一加熱器組態；
圖3E係圖3A至圖3D之EAM之一概念電路圖；
圖4A係根據一第二實施例之具有多個偏壓電壓之一實例EAM之一示意性俯視圖；
圖4B係穿過一電接觸區之圖4A之EAM一示意性剖視圖；
圖4C係穿過一電隔離區之圖4A之EAM之一示意性剖視圖；
圖4D係圖4A至圖4C之EAM之一概念電路圖；
圖5A係根據一第三實施例在一實例EAM之作用區之前部處之一示意性剖視圖，具有變化之材料組合物；
圖5B係在圖5A之實例EAM之作用區之中部中之一示意性剖視圖；
圖5C係在圖5A之實例EAM之作用區之後部處之一示意性剖視圖；
圖5D係圖5A至圖5C之EAM之一概念電路圖；
圖6係圖解說明製造根據第三實施例之具有變化之材料組合物之EAM二極體之步驟的一系列晶圓俯視圖；
圖7A係根據一第四實施例之一實例EAM一示意性俯視圖，該實例EAM使其作用區與將光耦合至EAM二極體中之波導之一漸縮區重疊；
圖7B係在作用區之前部處的圖7A之EAM之一示意性剖視圖；
圖7C係在作用區之後部處的圖7A之EAM之一示意性剖視圖；
圖8係根據各種實施例之校準一EAM之操作設定點之方法之一流程圖；
圖9A係沿著一實例習用EAM之溫度與正規化光電流密度之一圖表；及
圖9B係根據第一實施例之如圖3A至圖3D中所展示沿著在後部端處具有一加熱器之一實例EAM之溫度與正規化光電流密度之一圖表。
100:實例電吸收調變器/電吸收調變器
102:伸長二極體結構/二極體結構
104:脊波導/波導
106:頂部電觸點/電頂部觸點
108:側面電觸點
110:作用區
112:箭頭
114:箭頭
116:前部端/前部/起點
118:後部端/後部

Claims (19)

  1. 一種整合式電吸收(electro-absorption)調變器，其包括：一分層二極體結構，其形成於一基板之一裝置層之上，該分層二極體結構包括一底部二極體層、一本質二極體層及一頂部二極體層；電端子，其沿著具有一前部端(front end)及一後部端(rear end)之一作用區接觸該頂部二極體層及該底部二極體層；一波導，其形成於該裝置層中該分層二極體結構下面(underneath)以將光耦合至在該前部端處或該前部端之前之該本質二極體層中，該光自該本質二極體層耦合回(coupled back)在該後部端處或接著該後部端之後之該波導中；一驅動器電路，其連接在該等電端子之間且經組態以跨越該分層二極體結構施加一直流偏壓電壓及一交流信號電壓；及一加熱器，其僅安置於該電吸收調變器之一後部端處以加熱該作用區之一後部(rear)部分。
  2. 如請求項1之整合式電吸收調變器，其中針對與該整合式電吸收調變器相關聯之一光學調變振幅最佳化一加熱器功率設定。
  3. 如請求項1之整合式電吸收調變器，其中該加熱器包括橫向配置於該分層二極體結構之兩側上之繞組加熱器絲。
  4. 如請求項1之整合式電吸收調變器，其中該波導係一矽波導且該分層 二極體結構由III-V半導體材料製成。
  5. 如請求項1之整合式電吸收調變器，其中該等電端子包括多對電端子，該多對電端子在該作用區內多個接觸區中接觸該頂部二極體層及該底部二極體層，該多個接觸區藉由隔離區分離；且其中該驅動器電路連接在該多對電端子之間且經組態以在各別接觸區中跨越該分層二極體結構施加多個各別直流偏壓電壓。
  6. 如請求項1之整合式電吸收調變器，其中該本質二極體層之一材料組合物在該作用區之一前部端與該作用區之一後部端之間變化，從而導致在該後部端處比在該前部端處大的一光學吸收係數。
  7. 如請求項1之整合式電吸收調變器，其中該波導包括與該作用區重疊之一向下漸縮區段。
  8. 一種整合式電吸收調變器，其包括：一分層二極體結構，其形成於一基板之一裝置層之上，該分層二極體結構包括一底部二極體層、一本質二極體層及一頂部二極體層；一波導，其形成於該裝置層中該分層二極體結構下面以將光耦合於該本質二極體層中及將光耦合出該本質二極體層；多對電端子，其在一作用區內多個接觸區中接觸該頂部二極體層及該底部二極體層，該多個接觸區藉由隔離區分離；及 一驅動器電路，其連接在該多對電端子之間且經組態以在各別接觸區中跨越該分層二極體結構施加多個各別直流偏壓電壓，其中該驅動器電路進一步經組態以跨越該分層(layered)二極體結構施加一交流信號電壓。
  9. 如請求項8之整合式電吸收調變器，其中該驅動器電路經組態使得施加至該作用區之一背部處之一接觸區之一直流偏壓電壓大於施加至該作用區之一前部處之一接觸區之一直流偏壓電壓。
  10. 如請求項9之整合式電吸收調變器，其中針對與該整合式電吸收調變器相關聯之一光學調變振幅最佳化該多個直流偏壓電壓。
  11. 如請求項8之整合式電吸收調變器，其中該驅動器電路進一步經組態以在該多個接觸區中跨越該分層二極體結構施加多個交流信號電壓。
  12. 一種整合式電吸收調變器，其包括：一分層二極體結構，其形成於一基板之一裝置層之上，該分層二極體結構包括一底部二極體層、一本質二極體層及一頂部二極體層；一波導，其形成於該裝置層中該分層二極體結構下面以將光耦合於該本質二極體層中及將光耦合出該本質二極體層；電端子，其接觸一作用區中之該頂部二極體層及該底部二極體層；及一驅動器電路，其連接在該等電端子之間且經組態以跨越該分層二極體結構施加一直流偏壓電壓及一交流信號電壓， 其中該本質層之一材料組合物在該作用區之一前部端與該作用區之一後部端之間變化，從而導致在該後部端處比在該前部端處大的一光學吸收係數。
  13. 如請求項12之整合式電吸收調變器，其中該本質二極體層包括沿著該作用區之一長度之多個區，沿著該作用區之該長度之該多個區中之每一者具有一相關聯均勻材料組合物，該多個區在其各別材料組合物上彼此不同。
  14. 如請求項12之整合式電吸收調變器，其中該本質二極體層包括一量子井結構，該量子井結構在該前部端與該後部端之間在元素組合物或厚度中之至少一者上變化。
  15. 一種整合式電吸收調變器，其包括：一分層二極體結構，其形成於一基板之一裝置層之上，該分層二極體結構包括一底部二極體層、一本質二極體層及一頂部二極體層；一波導，其形成於該裝置層中該分層二極體結構下面以將光耦合於該本質二極體層中及將光耦合出該本質二極體層；電端子，其接觸一作用區中之該頂部二極體層及該底部二極體層；一驅動器電路，其連接在該等電端子之間且經組態以跨越該分層二極體結構施加一直流偏壓電壓及一交流信號電壓，其中該波導包括與該作用區重疊之一向下漸縮區段。
  16. 如請求項15之整合式電吸收調變器，其中該波導之該向下漸縮區段與該作用區重疊達該作用區之該長度之至少10%。
  17. 一種校準一整合式電吸收調變器之方法，該方法包括：量測該電吸收調變器之一插入損耗及調整一直流偏壓電壓直至達到一目標插入損耗；跨越一調諧範圍調諧該電吸收調變器之一組可調整操作參數同時維持該目標插入損耗，且針對該組可調整操作參數之多個值量測一光學調變振幅以判定與一最大光學調變振幅相關聯之一組操作參數值；及將該等可調整操作參數設定為該組經判定之操作參數值，其中該調諧包括以下至少一者：(i)使放置在該電吸收調變器之一作用區之一後部端處之一加熱器之一加熱器功率遞增(incrementing)及使跨越該作用區施加之一直流偏壓電壓遞減(decrementing)以維持該目標插入損耗，或(ii)使施加至在一作用區之一後部端處之一區之一直流偏壓電壓遞增，同時使施加至在該作用區之一前部端處之一區之一直流偏壓電壓遞減，以維持該目標插入損耗。
  18. 如請求項17之方法，其進一步包括操作該電吸收調變器以調變一光學信號。
  19. 如請求項17之方法，其中該組可調整操作參數之一改變導致該電吸收調變器之一作用區之一光學吸收係數之一改變。
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