專利名稱：一種馬赫-曾德爾硅光調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于光通信系統(tǒng)、光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光電子集成領(lǐng)域的硅光調(diào)制器，屬于集成光學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光調(diào)制器是高速、長距離光通信的關(guān)鍵器件，也是最重要的集成光學(xué)器件之一。它是通過電壓或電場的變化調(diào)制輸出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。它所依據(jù)的基本理論是各種不同形式的電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、載流子色散效應(yīng)等?；阝壦徜嚭虸II-V族半導(dǎo)體等材料的光調(diào)制器是目前最常用的光調(diào)制器，調(diào)制速度達(dá)到IOGbit/秒。然而，上述調(diào)制器為分立元件，不易于與其它光子器件實現(xiàn)單片集成。硅光調(diào)制器與互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制造技術(shù)兼容，同時擁有電子和光子的優(yōu)點。娃材料不同于高速光學(xué)調(diào)制的傳統(tǒng)材料的地方在于，其線性電光系數(shù)為O。盡管娃材料有相當(dāng)?shù)臒峁庀禂?shù)，但是受材料固有的慢響應(yīng)特性所限，熱光調(diào)制器無法實現(xiàn)高速光學(xué)調(diào)制。在硅材料上做高速光學(xué)調(diào)制的最有效手段是通過自由載流子等離子體色散效應(yīng)。但是，相對于III- V族材料的電光效應(yīng)，自由載流子等離子體色散效應(yīng)依然比較弱。因此，需要設(shè)計合適的結(jié)構(gòu)使得等離子體色散效應(yīng)所產(chǎn)生的區(qū)域能夠?qū)鈭銎鸬奖容^大的調(diào)制作用。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對等離子體色散效應(yīng)相比于III - V族材料的電光效應(yīng)依然比較弱的不足，而提出提高等離子體色散效應(yīng)對光場作用區(qū)域的一種馬赫_曾德爾娃光調(diào)制器。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種馬赫-曾德爾硅光調(diào)制器，該硅光調(diào)制器包括光輸入通道，與光輸入通道相連的多模干涉光分路器、多模干涉光耦合器、與多模干涉光稱合器相連的光輸出通道、脊光波導(dǎo)，多模干涉光分路器與多模干涉光率禹合器通過脊光波導(dǎo)相連；
該硅光調(diào)制器還包括分別位于脊光波導(dǎo)兩側(cè)的陽極電極和陰極電極，以及位于脊光波導(dǎo)中的PN結(jié)相移臂。優(yōu)選的，PN結(jié)相移臂為“田”型，即由4個PN結(jié)組成，包括第一 P摻雜區(qū)與第一 N摻雜區(qū)形成的PN結(jié)、第二 P摻雜區(qū)與第二 N摻雜區(qū)形成的PN結(jié)、第一 P摻雜區(qū)與第二 N摻雜區(qū)形成的PN結(jié)、第二 P摻雜區(qū)和第一 N摻雜區(qū)形成的PN結(jié)；
“田”型PN結(jié)相移臂中的4個PN結(jié)被本征硅層分離；第一重P摻雜區(qū)和第二重P摻雜 區(qū)分別引出電極短接作為陰極；第一重N摻雜區(qū)和第二重N摻雜區(qū)分別引出電極短接作為陽極。有益效果I、采用“田”型PN結(jié)型相移臂，提高了等離子體色散效應(yīng)對光場的作用區(qū)域，提升了單位長度相移臂的相移效率，從而減小了 η相移臂長度，進(jìn)而減小了器件的封裝系數(shù)。2、采用“田”型PN結(jié)型相移臂，降低了 PN結(jié)的接入電阻，相應(yīng)的提高了調(diào)制器的截至頻率。3、采用“田”型PN結(jié)型相移臂，當(dāng)外加正、負(fù)電壓時，其都有兩個結(jié)作用，可以減少載流子的耗盡和注入結(jié)區(qū)的時間，進(jìn)而可以提高調(diào)制速度。


圖I是采用“田”型PN結(jié)相移臂的馬赫-曾德爾硅光調(diào)制器實例。圖2是“田”型PN結(jié)相移臂的結(jié)構(gòu)圖；
圖3是常規(guī)PN結(jié)脊光波導(dǎo)中心附近某一位置靜態(tài)和外加反向電壓時的電子濃度分布
圖4是相同位置下，仿真“田”型PN結(jié)脊光波導(dǎo)靜態(tài)和外加反向電壓時的電子濃度分布圖。圖中
1.光輸入通道；
2.光輸出通道；
3.多模干涉光分路器；
4.多模干涉光耦合器；
5.陽極電極；
6.陰極電極；
7.“田”型PN結(jié)相移臂；
8.脊光波導(dǎo)；
9.第一P摻雜娃；
10.第一N摻雜娃；
11.第一重P摻雜娃；
12.第一重N摻雜娃；
13.第二N摻雜硅；
14.第二P摻雜硅；
15.第二重N摻雜硅；
16.第二重P摻雜硅；
17.本征娃；
18.二氧化硅；
19.硅襯底。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的一種新型馬赫-曾德爾硅光調(diào)制器由光輸入通道、多模干涉光分路器、脊光波導(dǎo)、“田”型PN結(jié)相移臂、多模干涉光耦合器、光輸出通道組成。其中“田”型PN結(jié)相移臂是由本征硅層分離的雙層PN結(jié)組成的脊光波導(dǎo)。兩層PN結(jié)成反對稱排列，即上層的P摻雜區(qū)對應(yīng)下層的N摻雜區(qū)，上層的N摻雜區(qū)對應(yīng)下層的P摻雜區(qū)。兩層的重P、N摻雜區(qū)分別引出電極并相應(yīng)的短接，分別作為陰/陽極電解。兩層的P、N區(qū)的摻雜濃度對應(yīng)相同?！疤铩毙蚉N結(jié)的中心處于傳輸光場中心。本發(fā)明公開了一種馬赫-曾德爾硅光調(diào)制器。該結(jié)構(gòu)調(diào)制器采用“田”型PN結(jié)脊光波導(dǎo)作為相移臂。當(dāng)對PN結(jié)外加反向電壓時，所產(chǎn)生的等離子色散效應(yīng)的作用區(qū)域約是一般PN結(jié)型脊光波導(dǎo)的4倍，提高了光波導(dǎo)中的有效折射率變化，進(jìn)而，增大了相移，提升了調(diào)制效率。同時，由于摻雜距離的折半，PN結(jié)的接入電阻相應(yīng)的減小了，提高了截止頻率。
輸入光通過多模干涉光分路器平均分配到脊光波導(dǎo)和具有“田”型PN結(jié)相移臂的脊光波導(dǎo)中。兩束光通過多模干涉光稱合器合并為一束光后輸出。當(dāng)相移臂產(chǎn)生相移為O時，兩束光通過多模干涉光耦合器合并為初始的一束光，即光通過調(diào)制器；當(dāng)相移臂產(chǎn)生相移為 #時，則兩束光在多模干涉光耦合器中相消，結(jié)果使輸出光的強度減少，即光不通過調(diào)制器。參見圖I 一 2，馬赫-曾德爾硅光調(diào)制器包括光輸入通道1，與光輸入通道I相連的多模干涉光分路器3、多模干涉光稱合器4、與多模干涉光稱合器4相連的光輸出通道2、脊光波導(dǎo)8，多模干涉光分路器3與多模干涉光耦合器4通過脊光波導(dǎo)8相連。該硅光調(diào)制器還包括位于脊光波導(dǎo)8兩側(cè)的陽極電極5和陰極電極6，以及位于脊光波導(dǎo)8中的PN結(jié)相移臂7。PN結(jié)相移臂7為“田”型，即由4個PN結(jié)組成，包括第一 P摻雜區(qū)9與第一 N摻雜區(qū)10形成的PN結(jié)、第二 P摻雜區(qū)14與第二 N摻雜區(qū)13形成的PN結(jié)、第一 P摻雜區(qū)9與第二 N摻雜區(qū)13形成的PN結(jié)、第二 P摻雜區(qū)14和第一 N摻雜區(qū)10形成的PN結(jié)；
“田”型PN結(jié)相移臂7中的4個PN結(jié)被本征硅層17分離；第一重P摻雜區(qū)11和第二重P摻雜區(qū)16分別引出電極短接作為陰極6 ;第一重N摻雜區(qū)12和第二重N摻雜區(qū)15分別引出電極短接作為陽極5。光信號從輸入通道I輸入，經(jīng)過多模干涉光分路器3平均分成兩束光輸入到脊光波導(dǎo)8和嵌有“田”型PN結(jié)相移臂7的脊光波導(dǎo)中。當(dāng)陰極電極5、陽極電極6無外加電壓時，兩束光信號經(jīng)過多模干涉光I禹合器4合并為一束光經(jīng)過光輸出通道2輸出。當(dāng)陰極電極5、陽極電極6外加反向電壓時，“田”型PN結(jié)相移臂7使光信號產(chǎn)生π相移，則兩束光在多模干涉光I禹合器4中相消,光輸出通道2無光輸出。圖2是“田”型PN結(jié)相移臂的結(jié)構(gòu)圖。圖3是常規(guī)PN結(jié)脊光波導(dǎo)中心附近某一位置靜態(tài)和外加反向電壓時的電子濃度分布圖。圖4是相同位置下，仿真“田”型PN結(jié)脊光波導(dǎo)靜態(tài)和外加反向電壓時的電子濃度分布圖。可見“田”型PN結(jié)相移臂的引入，提高了等離子體色散效應(yīng)對光場的作用區(qū)域，提升了單位長度相移臂的相移效率，減小了器件的封裝系數(shù)。同時，由于PN結(jié)距離的減短，減少了載流子耗盡和注入結(jié)區(qū)的時間，提高了調(diào)制速度。以上僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種馬赫-曾德爾娃光調(diào)制器，其特征在于該娃光調(diào)制器包括光輸入通道(1)，與光輸入通道(I)相連的多模干涉光分路器(3)、多模干涉光耦合器(4)、與多模干涉光耦合器(4)相連的光輸出通道(2)、脊光波導(dǎo)(8),多模干涉光分路器(3)與多模干涉光稱合器(4)通過脊光波導(dǎo)(8)相連； 該硅光調(diào)制器還包括分別位于脊光波導(dǎo)(8)兩側(cè)的陽極電極(5)和陰極電極(6)，以及位于脊光波導(dǎo)(8)中的PN結(jié)相移臂(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的馬赫-曾德爾硅光調(diào)制器，其特征在于PN結(jié)相移臂(7)為“田”型，即由4個PN結(jié)組成，包括第一 P摻雜區(qū)(9)與第一 N摻雜區(qū)(10)形成的PN結(jié)、第二 P摻雜區(qū)(14)與第二 N摻雜區(qū)(13)形成的PN結(jié)、第一 P摻雜區(qū)(9)與第二 N摻雜區(qū)(13)形成的PN結(jié)、第二 P摻雜區(qū)(14)和第一 N摻雜區(qū)(10)形成的PN結(jié)； “田”型PN結(jié)相移臂(7)中的4個PN結(jié)被本征硅層(17)分離；第一重P摻雜區(qū)(11)和第二重P摻雜區(qū)(16)分別引出電極短接作為陰極(6);第一重N摻雜區(qū)(12)和第二重N摻雜區(qū)(15 )分別引出電極短接作為陽極(5 )。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種馬赫-曾德爾硅光調(diào)制器,其特征在于該硅光調(diào)制器包括光輸入通道(1)，與光輸入通道(1)相連的多模干涉光分路器(3)、多模干涉光耦合器(4)、與多模干涉光耦合器(4)相連的光輸出通道(2)、脊光波導(dǎo)(8)，多模干涉光分路器(3)與多模干涉光耦合器(4)通過脊光波導(dǎo)(8)相連；該硅光調(diào)制器還包括位于脊光波導(dǎo)(8)兩側(cè)的陽極電極(5)和陰極電極(6)，以及位于脊光波導(dǎo)(8)中的PN結(jié)相移臂(7)。本發(fā)明提高了等離子體色散效應(yīng)對光場的作用區(qū)域，提升了單位長度相移臂的相移效率，從而減小了π相移臂長度，進(jìn)而減小了器件的封裝系數(shù)。
文檔編號G02F1/025GK102636887SQ201210005489
公開日2012年8月15日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者肖金標(biāo) 申請人:東南大學(xué)