[发明专利]光学双极移相器

说明书

描述一种光学移相器(1)，所述光学移相器包括在衬底中实现的光波导(3)，所述光波导在衬底内具有光传导面，其中，所述光传导面包括第一掺杂的至少一个第一区域(5)和分别第二掺杂的至少两个第二区域(6)，所述第二掺杂与所述第一掺杂不同，其中，所述第一区域(5)布置在所述两个第二区域(6)之间。

技术领域

本发明涉及一种光学移相器，其包括在衬底上实现的光波导，该光波导在衬底内具有光传导面(optischen )。

背景技术

光学移相器是集成光子学中的关键部件。尤其在光学通信中，光学移相器是必要的。在此，光学移相器例如用于信息编码的范畴中的光辐射调制，这例如由Graham T.Reed的论文《Recent breakthroughs in carrier depletion based silicon opticalmodulators》纳米光子学，2013中得出。光学移相器还用作可编程集成光子芯片的开关，如在例如Xia Chen的论文《Towards an optical FPGA-Programmable silicon photoniccircuits》，ArXiv，2018中所描述的。也在射束控制应用中设置光学移相器，例如在FiroozAflatouni等人的论文《Nanophotonic projection system》中详细描述。

实现光学移相器的通常方法是，在光波导中实现水平和/或竖直的半导体二极管结。在一些情况下，掺杂剂在光传播方向(辐射传播方向，缩写SAR)上周期性地重复分布(参见Jessie Rosenberg，《A 25Gbps silicon microring modulator based on aninterleaved junction》，2012)。这能够实现使用二极管结的与电压相关的自由电荷区域(耗尽区域)，以便要么从集成光波导的光传导面导出电荷(即用以耗尽光传导面)，要么将电荷注入到该光传导面。由于自由电荷载体的效应(即已知为所谓的硅的间接电光效应；英语也称为“free carrier effect，自由载流子效应”)，电荷密度的调制改变硅的折射率。

如果硅中的电荷密度增加，则由于引起掺杂的杂质原子，通过硅传播或运动的光子更容易湮灭。这也表示为光学吸收损耗。因为通过复数光学折射系数的虚部来描述吸收，所以通过对虚部应用克莱默-克朗尼格分析(Krammer-Kronig-Analyse)，在考虑特定的数学条件的情况下也可以估算实部(即折射率)。在这种情况下，折射率确定光学路径长度，并且最后确定光学相移。

Soref和Bennett's描述硅的折射率的实部和虚部与经掺杂的硅内的电荷载体密度(空穴和电子)的相关性(《Electrooptical effects in Silicon》，IEEE量子电子学杂志，1987)。其通过利用在硅中的光吸收的来自经验的数据得出如下结论：能够在掺杂的硅中实现电光效应。换句话说，其描述复数折射率的实部与虚部的关系作为硅的杂质水平的函数。实部是相移的原由，而虚部是损耗的来源。杂质的数量可以作为所施加的电压的函数而变化，其方式是：耗散来自PN结的耗尽区的电荷(PN结的耗尽)，或将电荷注入到PIN二极管的本征区域。

在此引人注意的是，在给定掺杂杂质的情况下，与所施加的电压无关地发生损耗。反之，相移的变化仅在施加电压时存在。这意味着，位于光子运动路径中且不作为所施加的电压的函数而变化的所有掺杂杂质都是低效率的来源。这种低效率基于损耗的存在，而不产生可调制的相移。

在多篇论文中提出不同的方法，以使上述低效率最小化。借助上述方法中的多种方法已经尝试过，在使用不同的掺杂条件、布局和策略来使光学模式与电压相关的电荷区域之间的重叠最大化。因为这些区域的宽度借助所施加的电压来控制，所以先前的论文中的多个集中到增大掺杂有施主或受主的区域之间的半导体-半导体结的长度。例如这通过沿横向或竖直方向旋转上述结来实现，参见Graham T.Reed的《Recent breakthroughs incarrier depletion based silicon optical modulators》，纳米光子学，2013。