[发明专利]一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构

说明书

技术领域

本发明涉及光互连、高速光调制、光开关等技术领域，特别是一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构。

背景技术

电光调制器是光互连系统中实现电光信号转换的关键器件。随着光互连向电路板间、芯片间甚至芯片内部逐渐渗透，电光调制器也从分立器件逐渐走向集成化。硅基电光调制器具有集成度高，成本低，与传统的CMOS工艺兼容等特点，近年来受到越来越多的关注。

由于硅是中心反演对称晶体，没有线性电光效应，而高阶电光效应又非常微弱，只能通过其他效应来实现光调制。硅的热光系数很大，通过外加热电极改变硅基波导的温度可以改变波导的折射率，能够实现电光信号的转换。但是受限于热扩散的速率，该方式的调制速度较慢，响应时间仅能达到亚微秒量级。因此硅基电光调制器往往利用硅材料中自由载流子的等离子色散效应。这一效应表示为：材料的折射率随材料中的载流子浓度的增大而减小，材料对光场的吸收系数随着载流子浓度的增大而增大。利用这一效应，通过外加电压信号改变硅波导中的载流子浓度，可以改变光在波导中的传输特性，再通过一定的光学结构，如马赫曾德干涉仪(MZI)或者微环谐振腔(MRR)等，便能达到电光调制的目的。

基于绝缘体上的硅(SOI)平台的脊型光波导具有很强的光场限制能力，可以将波导的尺寸降到微米量级以下，同时，它也非常适合于硅材料中的N型和P型杂质掺杂，因此硅基电光调制器往往采用脊型光波导。根据掺杂方式，可以分为P-I-N型和P-N型。P-I-N型结构是基于载流子的注入效应，在波导平板区作P型和N型掺杂，中间脊型区作为I区，在外加正偏电压的作用下，载流子(电子和空穴)从波导两侧的平板区注入到脊型区，从而引起波导有效折射率的变化。基于正偏PIN结的结构其载流子的改变区与光波导中的光场模式有很大的重叠积分，具有较高的调制效率，但是受限于较缓慢的载流子注入过程，调制速率仅仅能达到几GHz。反向电压偏置的P-N型结构是基于载流子的耗尽效应，在波导的平板区和脊型区都做杂质掺杂，脊型区内形成PN结。随着PN结反偏电压的升高，载流子耗尽区越来越大，从而导致波导有效折射率的变化。基于反偏PN结的结构载流子的耗尽速度很快，因此调制速率通常较高，可以达到几十GHz，能应用于高速数据传输。

传统的PN结往往是简单的横向或者纵向平面掺杂结构，然而由于在较高掺杂浓度下载流子耗尽区域的变化很小，其与波导内光场模式的重叠积分也很小，所以调制效率较低。对于MRR型调制器来说，低调制效率意味着在同样的调制信号电压下，很难得到高消光比。对于MZI型调制器来说，低调制效率意味着在同样的信号电压下，若要实现高消光比，只能采用较长的调制臂，而较长的调制臂不仅不利于器件的高密度集成，也会带来电压信号沿着调制臂长度方向的衰减。因此，提高基于反偏PN结电光调制器性能的关键是提高调制区的调制效率。采用提高掺杂浓度的方法可以在一定程度上提高调制效率，然而根据等离子色散效应，高掺杂浓度将会致使载流子吸收损耗的增加，高的吸收损耗对器件同样有非常不利的影响，会对光源和探测器提出更高的要求。为了提高调制效率，目前较流行采用PN结交错排列的插指型电极结构，但是该结构需要高精度套刻工艺，难度较大。因此找到一种在低吸收损耗情况下仍能有高调制效率、而且制备工艺简单易行的电光调制结构至关重要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构，以提高耗尽型硅基电光调制器调制效率。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构，该掺杂结构包括一硅基电光调制器调制区波导，该波导为脊型光波导结构，在该波导内分别有第一掺杂区域、第二掺杂区域、第三掺杂区域和第四掺杂区域，其中在该第二掺杂区域与第三掺杂区域的交界处形成类似U形的PN结电学调制结构，第一掺杂区域和第四掺杂区域分别接金属导线并与高频驱动电路相连接。

上述方案中，该波导采用的材料为硅或SOI材料，具有载流子色散效应。

上述方案中，第一、第二、第三、第四掺杂区域分别为P++、P+、N+、N++区。

上述方案中，第一、第二、第三、第四掺杂区域也可分别为N++、N+、P+、P++区。

上述方案中，其光学结构可以采用微环谐振腔或者马赫曾德干涉仪，电光调制器工作在载流子耗尽状态。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：