高速半导体光调制器的制作方法

专利名称：高速半导体光调制器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及通信系统，更具体地，涉及一种光波导调制器 和一种操作光波导的方法。
背景技术：
当前基于硅(基于Si)的COMS兼容电光调制器一般地具有被限 制在至多几千兆(GHz)的响应带宽(即，3dB带宽)。传统器件还具 有不均匀的响应，其中，将器件激活所需的时间与将器件去激活所需 的时间非常不同。这些器件传统上依赖于注入光波导中以产生高效光 折射率变化的载流子。这需要向器件施加偏压，其中产生DC功耗。
因为载流子必须穿过在器件的欧姆接触之间的整个距离以便将 器件激活和去激活，所以这些器件的响应速度也是有限的。由于在正 向偏压的状态下，器件的响应速度受到跨过器件本征区的载流子的扩 散速度的限制，所以会发生这种情况。此外，现有器件具有严格的带 宽限制，并且产生与它们的光折射率的变化相对应的相对大的光损耗。
因此，本领域中所需要的是一种克服现有技术的某些限制的增强 设计。

发明内容
为了解决现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种光波导调制
器。在一个实施例中，光波导调制器包括半导体平面光波导芯；以
及位于与芯的相对侧相邻的位置并能够在芯的两端施加电压的掺杂半
导体连接路径，其中，光波导芯和连接路径形成具有背对背PN半导体 结的结构。在另一实施例中，光波导调制器包括包括脊形部分在内
的半导体光波导芯，其中，有至少一个PN半导体结位于该脊形部分中。
光波导调制器还包括位于与脊形部分横向相邻的位置并能够向脊形部分施加电压的一个或多个掺杂半导体连接路径。
另一方面，本发明提供了一种操作半导体平面光波导的方法。该 方法包括将光信号发送至波导的半导体光波导芯中。该方法还包括: 对在芯的宽度或高度两端施加的电压进行调制，使得当信号沿着芯传 播时，对与背对背PN半导体结相邻的载流子密度进行调制，其中，每 个PN半导体结的一部分位于芯中。
上述己概述了本发明的优选和可选特征，使得本领域技术人员可 以更好地理解以下对本发明的详细描述。下文将描述本发明的附加特 征，这些附加特征构成了本发明权利要求的主题。本领域的技术人员 应当理解，本领域技术人员可以容易地使用所公开的构思和特定实施
例，作为对用于实现与本发明相同的目的的其他结构进行设计或修改 的基础。本领域的技术人员还应当意识到，这样的等同结构没有背离 本发明的精神和范围。


为了更完整地理解本发明，现在结合附图参照以下描述，在附图
中
图l示出了根据本发明原理构造的光波导调制器的示意图2A是根据本发明原理构造的光波导调制器的实施例的截面图， 其中，图中示出了在没有施加电压的情况下模拟的空穴载流子分布；
图2B是描述了图2A的光波导调制器200的等效电路的图2C提供了针对不同的施加电压示出在图2A的光波导芯205中模 拟调制空穴电荷浓度的截面图3A是根据本发明原理构造的半导体光波导调制器的备选实施 例的截面图3B是根据本发明原理构造的半导体光波导调制器的另一实施 例的截面图4A提供了光波导调制器的备选实施例的截面图，其中，图A和 图B示出了在没有施加电压的情况下模拟空穴和电子载流子在光芯中 的分布；图4B提供了图4A的调制器的附加截面图，该附加截面图针对不同 的施加电压示出了对于调制后的电荷载流子在光波导芯405中的分布 的模拟；
图5是根据本发明原理构造的半导体光波导调制器的实施例的截 面图；以及
图6是根据本发明原理执行的、操作光波导的方法的流程图。
具体实施例方式
这里，可以通过传统微制造方法根据不同的半导体(例如，硅或 复合半导体)制造不同的半导体结构。
这里，可以利用一个或多个顶部光学覆盖层(例如石英玻璃层) 来覆盖不同的光波导芯。
这里，电极可以是通过传统微制造方法由金属和或重掺杂半导体 (例如，掺杂多晶硅)来制成的。
这里，在所描述的半导体结构中，正和负电荷载流子的最大引用 浓度提供相应的p型和n型掺杂物的浓度的下限。
具体地，本发明的实施例非常适于通信系统或子系统的高速、高 度集成、节约成本、大规模的应用。这种设计的COMS兼容性使其适 于大量制造。在器件响应时间和非线性响应方面的显著改进使其适用 于高比特率数字通信领域。波导的非线性响应还可以用于提高模拟传 输应用的调制器线性度。
首先参照图l，图l示出了根据本发明原理构造的、 一般由100表 示的光波导调制器的示意图。光波导调制器100包括半导体光波导芯 105以及分别与第一和第二电极120、125接触的第一和第二导电连接路 径IIO、 115，即，重掺杂半导体路径。半导体光波导芯被配置为基于 芯内的场激活区对穿过芯的光信号进行调制。芯提供场激活区，其中， 所施加的电调制信号可以改变芯的折射率。所述电调制信号施加在第 一和第二电极120、 125之间。
由于电荷载流子仅需要穿过跨过欧姆接触之间的距离的部分路 径，所以本发明实施例的响应时间明显比现有技术快。由于电荷迁移主要是场辅助的而并非必须依赖于载流子扩散，因此发生这种改进。 此外，根据新设计的实施例不需要DC功耗，从而提供优于当前设计的 功耗改进。
可以将本发明的实施例构造为仅采用作为载流子的空穴而不是 电子和空穴的组合来实现光调制。仅采用空穴可以显著地降低与波导 中光折射率的变化相关联的光损耗。由于实施例可以采用物理对称并 且电荷基本上不会混合，因此避免了电屏蔽问题，从而允许电荷移动
成为场致的。
此外，半导体光波导调制器ioo的电光响应明显比传统方法更加
非线性。对于数字应用，由于发送器或系统带宽限制，半导体光波导 调制器100的响应的非线性可以用来减轻信号劣化。对于模拟应用，非 线性可以用来消除调制器非线性，从而产生更加线性化的调制器响应。
例如，该特征可以用来抵消从Mach-Zehnder调制器、环形谐振腔调制 器或二者组合的本征响应得到的本征非线性调制器结构。
半导体光波导芯105可以掺杂一种类型的物质(施主或受主掺杂 剂)。此外，可以在掺杂有例如相对类型物质(分别是受主或施主掺杂 剂)的脊形波导附近构造欧姆接触。当没有向器件施加偏压时，这种 结构在光波导芯105中提供可测量的电荷载流子。
然后可以通过第一和第二电极120、 125来施加偏压，来对波导内 电荷载流子的分布进行调制，这调制了器件的光学特性。这是可以在 最小的AC功耗和没有DC功耗的情况下实现的。波导光学特性的调制
然后可以用来对波导中光的光强或相位进行调制。
现在转向图2A，图2A示出了根据本发明原理构造的、 一般由200
表示的半导体光波导调制器的实施例的截面图。该截面图表示了可以 通过如图1所示的光波导调制器100中心的截面。光波导调制器200包括 半导体光波导芯205，半导体光波导芯205具有脊形区域以及与芯205 的相对侧相邻的第一和第二重掺杂半导体连接路径210、 215。调制器 200还包括与相应的第一和第二重掺杂半导体连接路径210、215接触的 第一和第二电极220、 225。
在所示的实施例中，如所示的，半导体光波导芯205包括背对背PN半导体结206、 207，位于与光波导芯205的相对侧接近的位置。 一般地，背对背PN半导体结可以位于光波导芯205中更为中心的位置， 或者甚至不对称地位于光波导芯205中，这可以被认为有利于所采用的 特定极性或电荷浓度。背对背PN半导体结206、 207被配置为提供与所 施加的电调制信号相对应的场激活区。
在所示的实施例中，半导体光波导芯205在脊形区—域中包括P型掺 杂剂，第一和第二导电连接路径210、 215包括位于与其相邻位置的N 型掺杂剂。然而，本领域技术人员将认识到，光波导芯205以及第一和 第二导电连接路径210、 215的其他实施例可以使这些极性反向，以相 应地包括N型掺杂剂和P型掺杂剂。
在操作期间，光波导芯205在不同的空间区域中可以具有电荷浓 度范围。图2A示出了针对零偏置条件的模拟空穴电荷载流子分布。波 导中所示的电荷载流子浓度可以在从大约每立方厘米3X10"电荷的 浓度到大约每立方厘米lX10's电荷的浓度的范围内。典型地，第一和 第二导电连接路径210、215的实质部分是具有更高电荷载流子密度(在 从大约每立方厘米l X 1019到1 X 102()电荷的范围内)的重掺杂半导体。
现在转向图2B，图2B示出了可以针对图2A的光波导调制器200而 采用的、 一般由240表示的等效电路的图。等效电路240包括使第一和 第二端子250a、 250b相连接的第一和第二背对背半导体二极管245a、 245b。与光波导调制器200的掺杂剂相对应来定向第一和第二背对背半 导体二极管245a、 245b。如所示的，电信号发生器255可以连接在第一 和第二端子250a、 250b之间。
电信号发生器255可以提供与具有零DC偏压的AC信号相对应的 电调制信号。这种无DC偏置的AC信号将对穿过光波导芯205的光信号 进行调制，以包含电调制信号频率两倍的频率，从而提供光信号中电 调制的倍频。如果电调制信号提供DC偏置的AC信号，其中，DC偏置 始终对于同一个PN半导体结进行反向偏置，不会存在光信号的倍频。
现在转向图2C，图2C示出了图2A的半导体光波导芯205中一般由 260表示的调制后电荷载流子分布的模拟。图2C的截面图与半导体光 波导芯205中针对电调制信号290的电荷浓度相对应。电调制信号290是在正负5伏之间切换的、不具有DC偏置的AC电压波形。在图2C中， 将电调制信号290表示为代表第一和第二电极电压2卯a、 290b的波形， 其中，如所示的，第一和第二电极电压290a、 290b的电压差与它们之 间带有极性的电势差相对应。当然， 一个电极可以实际上接地，而另 一个电极采用它们之间带有相应极性的电势差。
截面图265示出了与跨过零伏的电调制信号290相对应的模拟对 称电荷浓度，从而与针对光波导芯205的零偏置条件相对应。随着第一 和第二电极电压290a、 290b之间的电势差从零伏开始移动并向负10伏 前进，半导体光波导芯205中的正电荷分布开始偏向其更负的第一电 极。截面图270示出了光波导芯205中已达到高对称分布的模拟正电荷 分布。该分布与在时刻t,分别达到了负5伏和正5伏电平的第一和第二 电极电压290a、 290b相对应。
然后，随着第一和第二电极电压290a、 290b变成极性反向，截面 图265的模拟对称电荷载流子浓度再次达到零偏压。随着第二和第一电 极电压290b、 2卯a之间的电势差从零伏开始移动并向负IO伏前进(即， 在沿着与之前相反的方向)，光波导芯205中的正电荷载流子分布开始 偏向其更负第二电极。截面图280示出了光波导芯205中在t2时刻沿着 反方向达到了高度对称电荷分布的模拟正电荷载流子分布。
在所示的实施例中，当再次达到零伏电平时，完成了电调制信号 290的完整周期。截面图270、 280各与穿过半导体光波导芯205的光信 号的峰值调制相对应，从而针对电调制信号290的单个周期给出了光信 号调制的两个周期。该动作因此在调制后的光信号中产生电调制信号 的倍频。假定保持正或负偏压(即，不用跨过零伏)的电调制信号与 调制后的光信号相对应，所述调制后的光信号具有与该电调制信号相 同的调制频率。
现在转向图3A，图3A示出了根据本发明原理构造的、 一般由300
表示的半导体光波导调制器的可选实施例的截面图。该截面图表示可 以通过如图1所示光波导调制器100中心的截面。光波导调制器300包括 半导体光波导芯305，半导体光波导芯305具有脊型区域并且包含在半 导体光波导芯305内形成背对背PN结311、 312的交替掺杂区306、 307、308。
在该实施例中，在半导体光波导芯305的两侧上示出了包含多个 第一电极320的重掺杂半导体连接路径310。可选实施例可以仅采用包 含一个电极320的一个重掺杂半导体连接路径310。如所示的，所示的 实施例包括位于所示半导体光波导芯305上方的第二电极325。第一和 第二电极320、 32允许5垂直在半导体光波导芯305两端施加调制电压。 当然，可以使掺杂极性反向以适于特定应用。
现在转向图3B，图3B示出了根据本发明原理构造的、 一般由340
表示的半导体光波导调制器的另一实施例的截面图。同样，该截面图 表示通过如图1所示光波导调制器100中心的截面。如所示的，光波导 调制器340包括具有脊部分并包含特殊掺杂区的半导体光波导芯345。
光波导调制器340采用背对背PN半导体结346、 347，其中，如所 示的，PN半导体结346包含在第一半导体板A与半导体光波导芯345的 侧面之间。包含第一电极360的第一重掺杂半导体连接路径350与PN半 导体结346相关联。PN半导体结347包含在第二半导体板B与半导体光 波导芯345的顶部之间。包含第二电极360的第二重掺杂半导体连接路 径355与PN半导体结347相关联。
光波导调制器340釆用半导体光波导芯345的脊形部分，该脊形部 分的高度比第一和第二板A、 B的组合层的厚度大。光波导调制器340 的操作类似于图2A的光波导调制器340。然而，该结构有利地将第一 和第二电极360、365之间调制电压的场效应施加于半导体光波导芯345
中的载流子浓度，从而提供增强的波导性能。
现在转向图4A，图4A示出了根据本发明原理构造的、 一般由400 表示的光波导调制器的可选实施例的截面图。如前所述，该截面图表 示通过如图1所示光波导调制器100中心的截面。在图4A中，以相同实 施例的两个图示(图示A和B)示出了单个光波导调制器400。图示A 和图示B分别示出了在半导体光波导芯两端施加零电压时半导体光波 导芯405中空穴载流子和电子的模拟示例分布。光波导调制器400包括 半导体光波导芯405，半导体光波导芯405具有脊形区域以及第一和第 二导电连接路径410、 415 (即，与光波导芯405的脊形区域的相对侧相邻的重掺杂半导体路径)。光波导调制器405还包括分别位于光波导芯
405脊形部分的侧面并与该脊形区域相邻的第一和第二电极420、 425。 半导体光波导芯405包括位于其脊形区域内部的PN半导体结406， 即，PN半导体结的P型和N型侧均位于光波导芯405的脊形区域中。PN
半导体提供对所施加的电调制信号作出响应的场激活区。尽管在可选 实施例中PN半导体结406可以非对称地位于脊形区域中，但在所示的 实施例中，PN半导体结406位于光波导芯405的中心。半导体光波导芯 405中可以具有一定范围的电荷载流子分布。所示的电荷载流子分布是 针对小的负偏压(例如，0.2伏)的。正和负中心电荷浓度407、 408 可以具有大约每立方厘米2X 10|7电荷的平均值，并可以减少至大约每 立方厘米3X10's电荷的结面积电荷浓度，即，在结的电荷势垒区中。 第一和第二重掺杂半导体连接路径410、415可以具有大约每立方厘米1 X 1019电荷的高电荷载流子浓度。
现在转向图4B，图4B是示出了光波导芯405中针对不同施加电压 的调制后电荷载流子浓度的模拟(通常由450表示)的附加截面图。图 4B的截面图与光波导芯405中针对提供反向偏压460的电调制信号的 电荷浓度相对应。在不同图示中，反向偏压460在大约0.2伏和5伏之间 切换，并且施加于光波导调制器400以始终对PN半导体结406进行反向 偏置。
图示A和B同样示出了针对大约0.2伏反向偏压的相应空穴和电子 电荷载流子分布的模拟。图示C和D示出了针对PN半导体结406两端5 伏反向偏置的相应空穴和电子电荷载流子分布的模拟。光调制频率与 电调制频率相同。
现在转向图5，图5示出了根据本发明原理构造的、 一般由500表 示的半导体光波导调制器的实施例的截面图。光波导调制器500的一般 操作类似于图4A的光波导调制器400。然而，在结构上，如所示的， 第一和第二本征半导体层530、535与光波导芯405脊形区域附近的重掺 杂半导体路径中的每一个重掺杂半导体路径串联放置。可选地，绝缘 材料可以用作层530、535并与光波导芯405脊形区域附近的重掺杂半导 体路径中的每一个重掺杂半导体路径串联放置。现在转向图6，图6示出了根据本发明原理执行的、 一般由600表 示的操作光波导(例如图2A、 3A、 3B、 4A和5的装置)的方法的流程 图。方法600可以一般地用于例如修改半导体光波导中的光信号，并始 于步骤605。然后，在步骤610中，提供穿过半导体光波导芯的光信号， 并且在步骤615中，由半导体光波导芯内的场激活区(BP，电光激活区) 来调制该光信号。
在一个实施例中，半导体光波导芯包括背对背PN半导体结，所述 背对背PN半导体结位于与光波导芯的相对侧相邻的位置，提供场激活 区，例如，如图2A所示的。背对背PN半导体结在半导体光波导芯中包 括P型掺杂剂，该P型掺杂剂可以在光波导芯的至少一部分中提供零偏 压条件下每立方厘米l X 10"到8X 1017载流子的电荷载流子浓度。该浓 度取决于应用器件的几何形状和期望的驱动电压。相应地，在至光芯 的连接路径中釆用N型掺杂剂，其中，连接路径能够承载电调制信号。 在所述连接路径中，在零偏压的条件下，平均电荷载流子浓度可以是 至少每立方厘米l X 1019载流子。
可选地，背对背PN半导体结可以在光波导芯中包括N型掺杂剂， 并在对至/自光芯的电调制信号的电流予以承载的连接路径中包括P型 掺杂剂。在这些实施例中，电荷载流子浓度可以具有类似的值和分布， 除了空穴和电子浓度可以相互交换以外。此外，在一些实施例中，背 对背PN半导体结中的至少一个还可以在PN半导体结区域中包括本征 半导体或绝缘层，§卩，未掺杂的Si或石英玻璃层。
在另一实施例中，半导体光波导芯包括提供场激活区的PN半导体 结，其中，该PN半导体结位于光波导芯的中心位置。光波导芯的至少 一部分内的电荷载流子浓度是与零偏压条件相对应的大约每立方厘米 2X10"载流子。相应地，至电调制信号的连接路径内的电荷浓度是与 零偏压条件相对应的至少每立方厘米1X10^载流子。可选地，PN半导 体结还可以在结中包括本征层，从而形成PIN结。
然后，在步骤620中，与电调制信号相对应调制场激活区。在一 个实施例中，背对背PN半导体结合作产生光信号中电调制信号的倍 频。这种情况发生在电调制信号可选地对每一个背对背PN半导体结加进行反向偏置时。如果在施加AC电调制信号期间对背对背PN半导体
结连续处于反向偏置的条件，则不提供光信号中电调制信号的倍频。
在对场激活区进行调制的同时单个PN半导体结保持连续反向偏置的 实施例中，这也是适用的。在步骤625中，方法600结束。
尽管参照以特定顺序执行的特定步骤描述和示出了这里所公开 的方法，但是将理解，在不背离本发明教导的前提下，可以对这些步 骤进行组合、再划分或重新排序，以形成等同的方法。因此，除非这 里特别指示，否则步骤的顺序或分组不限制本发明。
尽管详细描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不背 离本发明广义形式上的精神和范围的前提下，可以进行各种改变、代 替或修改。
权利要求
1、一种装置，包括半导体平面光波导芯；掺杂半导体连接路径，位于与芯的相对侧相邻的位置并能够在芯的两端施加电压；其中，光波导芯和连接路径形成具有背对背PN半导体结的结构。
2、 根据权利要求l所述的装置，还包括位于光波导芯顶部之上 的电极，使得能够经由在该电极与跟掺杂半导体连接路径当中的至少 一个相接触的另一电极之间施加的电压，来调整光波导芯中的折射率。
3、 根据权利要求l所述的装置，还包括在位于光波导芯的脊型 部分的顶部之上的顶部掺杂半导体连接路径中的电极，使得能够经由 在该电极与跟掺杂半导体连接路径当中的至少一个相接触的另一电极 之间施加的电压，来调整光波导芯的脊型部分中的折射率。
4、 根据权利要求3所述的装置，其中，所述光波导芯的脊形部分 大于顶部板和底部板的组合厚度，所述顶部板和底部板提供所述顶部 惨杂半导体连接路径以及所述掺杂半导体连接路径当中的所述至少一 个掺杂半导体连接路径。
5、 一种操作半导体平面光波导的方法，包括 将光信号发送至波导的半导体光波导芯中；对在芯的宽度或高度两端施加的电压进行调制，使得当信号沿着芯传播时对邻近背对背PN半导体结的载流子密度进行调制；以及其中，每个PN半导体结的一部分位于芯中。
6、 根据权利要求5所述的方法，其中，所述背对背PN半导体结位于与光波导芯的相对侧相邻的位置。
7、 根据权利要求5所述的方法，其中，所述背对背PN半导体结当 中的至少一个还包括夹在掺杂半导体层之间的层。
8、 一种装置，包括半导体光波导芯，包括脊形部分，有至少一个PN半导体结位于所 述脊形部分中；一个或更多个掺杂半导体连接路径，横向邻近脊形部分并能够向 脊形部分施加电压。
9、 根据权利要求8所述的装置，还包括位于脊形部分的顶部之 上的电接触，使得能够经由在该电极与跟一个或多个掺杂半导体连接 路径中的至少一个掺杂半导体连接路径相接触的另一电极之间施加的 电压，来调整脊形部分中的折射率。
10、 根据权利要求8所述的装置，其中，所述电接触的横向宽度大于脊形部分的横向宽度。
全文摘要
本发明提供了一种光波导调制器。在一个实施例中，光波导调制器包括半导体平面光波导芯；以及掺杂半导体连接路径，与芯的相对侧相邻并能够在芯两端施加电压。光波导芯和连接路径形成具有背对背PN半导体结的结构。在另一实施例中，光波导调制器包括包括脊形部分在内的半导体光波导芯，其中，有至少一个PN半导体结位于脊形部分中。光波导调制器还包括一个或多个掺杂半导体连接路径，横向邻近脊形部分并能够向脊形部分施加电压。
文档编号G02F1/025GK101622570SQ200780051941
公开日2010年1月6日 申请日期2007年10月30日 优先权日2007年3月1日
发明者克里斯托弗·Dw·琼斯, 尼尔斯·京特·魏曼, 桑贾伊·尚蒂拉尔·帕特尔, 道格拉斯·M·吉尔, 马哈茂德·拉斯拉斯 申请人:朗讯科技公司