[发明专利]周期性交错波导结构、以及电光调制结构和MZI结构

说明书

本发明提供了一种周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制结构和MZI结构，周期性交错波导结构呈脊型，沿波导延伸方向在脊型波导中心形成有条状插指形n型Si掺杂区，在插指间形成有p型SiGe掺杂区，n型Si掺杂区和p型SiGe掺杂区周期性交错排列，n型Si掺杂区在其插指的一侧连接且与脊型波导中心底部连接，n型Si掺杂区的插指底部与在脊型波导中心底部连接的n型Si掺杂区的上表面之间设置有空隙，在该空隙设置有p型SiGe掺杂区而使在插指间形成的p型SiGe掺杂区相连。由此，SiGe材料载流子有效质量减小，自由载流子等离子色散效应增强，而使SiGe材料的折射率变化增大，从而优化了调制效率、调制速度、调制功耗，获得了尺寸降低而调制性能提升的效果。

技术领域

本发明属于硅基光电子器件领域，具体涉及一种周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制结构和马赫曾德尔干涉(Mach-Zehnder Interference：MZI)结构，特别是一种能够提升材料基于等离子色散效应的折射率变化从而增加调制效率、提高器件工作速度、降低器件功耗的周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制结构和MZI结构。

背景技术

信息时代飞速发展，光通信技术中作为通信系统发射端重要构成的器件当属光调制器。通常，用于实现光信号的传输、产生、处理和探测等功能的光子组件，主要有光波导、激光器、调制器和探测二器等，它们是片间及片上光互连系统中的关键组成部分。而且，为了提升这些关键组成部分的性能，硅基光电子器件得以快速推进，从而开启了发展新阶段。其中，硅基电光调制器在高速率、低功耗、小尺寸等关键性能上逐步提升而受到广泛关注。

一般而言，硅基调制器至少可按电学调制结构和光学调制结构划分。一方面，电学调制结构主要有载流子注入结构、载流子耗尽结构和MOS电容结构等，其中，作为载流子注入结构的正向偏置pin结构的硅基电光调制器通过向作为波导的本征区注入自由载流子而实现波导材料的折射率改变，虽然其调制效率高，但是由于少子的复合时间较长故调制速度低至MHz量级；作为载流子耗尽结构的反向偏置pn结结构的硅基电光调制器，其利用多子的漂移运动，通过改变耗尽区的宽度实现载流子浓度的变化，进而改变材料的折射率，又因载流子的浓度变化由载流子的漂移运动引起故其调制速度会很高，可以达到几十GHz，然而由载流子耗尽作用引起的折射率变化很小，光场和电场的交叠区域很小，调制效率不会高。另一方面，光学调制结构主要包括马赫曾德尔干涉(MZI)结构和微环谐振(MRR)结构等，其中，MZI结构通过相位调制实现强度调制，其移相臂对在移相臂波导中传输的光的相位进行调制，而要达成π相位的调制则需要较大尺寸的器件结构；MRR结构将波导制成半径为微米量级的微型圆环从而在微型圆环即微环中传输的光波会产生谐振，而基于MRR结构的器件对工艺和外界环境温度较为敏感，光学带宽小。可见，这些电学调制结构、光学调制结构分别都各有优点和不足，而为了得到期望的器件性能就需要进行结构权衡折中，通过将电学调制结构、光学调制结构结合起来形成电光调制器。

目前，在传统硅基电光调制器中，有器件的工作速度和效率均较高的两梳指等高插合型反向偏置pn结波导的电光调制器，但由于硅材料因其等离子色散效应较弱(在载流子浓度变化为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的情况下折射率的变化为1×10^-4～3×10^-3)的自身劣势，例如在传统硅基MZI型电光调制器中要达成π相位的调制还需要对移相臂(也称调制臂)较高的调制电压，从而难以进一步提升调制器件的性能。也就是，硅材料中自由载流子等离子色散效应等可用于光调制物理效应有限，这就需要考虑硅化物、锗、有机聚合物等材料，还必须与微电子集成技术中的设计原理和工艺方法相兼容。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制结构和MZI结构，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案