注入调制器的制作方法

对于结合波导来对光信号进行的调制，存在许多应用领域，如例如，在通信技术、传感器系统、图像传输等中。具体整合到半导体材料(如例如，硅、InP、GaAs)中的电光调制器在此发挥着重要作用。基于硅波导的电光调制器由于构成用于光学带宽传输以便进行所谓的片上通信、芯片到芯片通信、光纤通信等的关键部件而逐渐吸引兴趣。相比迄今为止惯用的基于金属的连接，使用光学连接有可能实现显著更高的带宽，具有适中的能耗。

已知用于这种传输链路的光调制器部件的各种设计。最有名的设计是马赫-曾德调制器(Mach-Zehnder Modulator)(Optics Express(《光学快报》)，2007年第15期第660页，刘等人)、，环形谐振器(《自然》(Nature)，2005年第435期第325页，许等人)、以及法布里-珀罗谐振器(Fabry-Perot Resonator)(《光学快报》，2008年第16期第334页，施密特等人)。

马赫-曾德调制器通常用于高数据速率的消息传输。马赫-曾德调制器的主要优点在于高光学带宽，即，谐振器相对于待调制的光的波长变化的高公差以及(消光比的)可实现的高调制深度。

在基于波导的马赫-曾德调制器(《光学快报》，2007年第15期第660页，刘等人)中，光穿过调制器的至少一个臂中的电光材料。可以通过施加电压来改变电光材料的折射率(或者吸收)。因此，光波在所述臂中经历相移。如果相对于穿过调制器的另一个臂的光波的相移是π(或π的奇数整数倍)，则当两个波叠加时，在马赫-曾德调制器的输出端处发生相消干涉。调制器可以在相长干涉状态与相消干涉状态之间进行操作，也被称为振幅调制。此外，调制器结构在相同振幅但不同相位的状态之间进行操作，也被称为相位调制。同样，还有可能在这些状态的组合之间进行切换。这通常用于增大可使用符号来传输的位(而且，更高调制格式)。为了实现π的相移，光在电光材料中必须穿过路径长度(通常在数毫米到数厘米的范围内)。马赫-曾德调制器的所述路径长度和因此最小结构长度取决于电光效应的强度。

为了生成电光效应，在半导体材料中，在波导中或附近的区域被掺杂。在此方面，通过示例的方式，在绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator，SOI)波导中，借助于掺杂来产生p-i-n或p-n二极管结构(Nature Photonics(《自然光子学》)，2010年第4期第518页，里德等人)。使用这种二极管结构，可以采用有针对性的方式来改变波导中的电荷载流子浓度。作为所谓的自由载流子等离子体色散效应的结果，这导致波导中的折射率和吸收行为的变化(IEEE J.Quant.Electron.(《IEEE量子电子学杂志》)，2004年第23期第123页，索里夫等人)。在这种情况下，通过在正向方向上向二极管施加电压，有可能将电荷载流子注入到波导中(被称为注入)，或者通过在相反方向上向二极管施加电压，有可能从波导中抽取电荷载流子(被称为耗尽)。

在根据“耗尽”原则的电光光调制器中，波导芯本身被p掺杂和/或n掺杂。通过减少光波导中的电荷载流子来调制光。已知的是，可以通过抽取耗尽调制器中的电荷载流子来实现非常高的调制速度。然而，对波导芯的掺杂导致高吸收并且因此导致高光损耗。

李Z.-Y.等人的出版物(《光学快报》，2009年第17期第15947页)公开了耗尽调制器中的p-n二极管的可以用于相对于波导而延长p-n结中的“耗尽区域”的长度的交替p掺杂区域和n掺杂区域。因此，电光效应可能增大，并且调制器的结构大小可能由此减小。调制器的调制速度无法通过这种安排来增大。

从出版物“CMOS Compatible Fully Integrated Mach-Zehnder Interferometer in SOI Technology(SOI技术中的CMOS兼容的完全集成的马赫-曾德干涉仪)”(IEEE Photonics Technology Letters(《IEEE光子技术快报》)，2000年6月第12卷第6期，P.戴恩斯等人)中已知具有根据专利权利要求1的前序部分所述的特征的注入调制器。

本发明基于对注入调制器进行说明的目的，在所述注入调制器中，有可能实现快速且大的调制效果以及同时相对低的光学衰减。

根据本发明借助于具有如专利权利要求1所述的特征的注入调制器来实现这种目的。在从属权利要求中说明了根据本发明的调制器的有利构型。

相应地，根据本发明提供了p掺杂部分位于所述波导的一侧上——如在所述波导的纵向方向上并且相对于波导中心而观察的，n掺杂半导体部分位于波导的另一侧上，并且中间部分位于所述波导中心的区域中，所述半导体部分在每种情况下都在所述波导的所述波导中心的方向上相对于所述波导纵向方向横向地延伸，并且所述p掺杂半导体部分——如在所述波导的所述纵向方向上所观察的——在每种情况下都不与所述n掺杂半导体部分重叠。

根据本发明的注入调制器的显著优点可以在以下事实中看出：所述p掺杂半导体部分和所述n掺杂半导体部分可以由于它们的根据本发明的安排而被相对高地掺杂，从而使得有可能在波导中实现相对强的电光效应。在这种情况下，高掺杂半导体部分由于它们的无重叠安排而仅引起很少附加衰减。

优选地，p掺杂半导体部分和n掺杂半导体部分分别并联地电连接。

对于所述波导和所述二极管结构的构型，如果所述波导是包括波导抬高的脊部分以及如在脊纵向方向上所观察的平行于所述脊部分走向的两个相邻腹板部分，所述p掺杂半导体部分位于所述两个腹板部分中的一个腹板部分中，所述n掺杂半导体部分位于两个腹板部分中的另一个腹板部分中，并且至少所述脊部分的中心不含所述p掺杂半导体部分和所述n掺杂半导体部分，则其被认为是特别有利的。

对于在调制区域中的最小波导衰减，如果整个脊部分不含所述p掺杂半导体部分和所述n掺杂半导体部分，则其被认为是有利的。

对于波导区域中的特别高的电场强度，如果所述p掺杂半导体部分形成p掺杂梳状结构的齿部分，所述p掺杂梳状结构的所述齿在所述波导纵向方向上被安排成距离彼此一定距离并且在每种情况下都从位于所述波导之外的公共接触连接开始延伸，在所述波导的所述波导中心的方向上相对于所述波导纵向方向从所述之外横向地延伸；并且所述n掺杂半导体部分形成n掺杂梳状结构的齿部分，所述n掺杂梳状结构的所述齿在所述波导纵向方向上被安排成距离彼此一定距离并且从位于所述波导之外的公共接触连接开始延伸，在每种情况下都在所述波导的所述波导中心的方向上相对于所述波导纵向方向从所述之外横向地延伸，则其被认为是有利的。

优选地，所述脊波导包括波导层以及下面的下包层。在所述脊波导的这种构型的情况下，如果对所述n掺杂半导体部分的掺杂和对所述p掺杂半导体部分的掺杂在每种情况下都从所述脊波导的所述波导层的表面延伸远至所述下包层，则其是有利的。

优选地，所述p掺杂半导体部分的宽度和所述n掺杂半导体部分的宽度在每种情况下都小于相同掺杂的相邻半导体部分之间的距离；这种构型将所述波导中的波导衰减保持很小。特别优选地，半导体部分的宽度与相邻半导体部分之间的距离的比率小于1/4。

对于所述半导体部分的构型和安排，如果所述p掺杂半导体部分形成第一梳状结构的构成部分并且所述n掺杂半导体部分形成第二梳状结构的构成部分，则其被认为是有利的。所述两个梳状结构的梳脊优选地平行于所述波导对准并且在每种情况下都优选地距离所述脊波导的所述抬高脊部分一定距离。

所述梳脊在每种情况下都优选地由金属接触连接形成或至少优选地还包括所述金属接触连接。在接触连接之下，同样优选地对半导体材料进行掺杂。由硅化物组成的进一步层例如可以位于接触连接与半导体材料之间。

对于最小波导损耗，如果在所述中间部分的区域中的掺杂如此低以至于所述弱掺杂或未掺杂中间部分中的本征电荷载流子密度大于在所述中间区域中的掺杂，则其被认为是有利的。

为了确保调制区域中的均匀调制，如果所述注入调制器不含谐振器并且所述波导总体上无谐振，则其被认为是有利的。

同样，对于所述波导纵向方向上的均匀调制，如果所述p掺杂半导体部分和所述n掺杂半导体部分——如在所述波导的所述纵向方向上所观察的——相对于彼此以相邻半导体部分之间的距离而偏移安排，则其被认为是有利的。换言之，所述p掺杂半导体部分中的至少一个p掺杂半导体部分——如在所述波导的所述纵向方向上所观察的——被中心地安排在倾斜地位于相对面的两个n掺杂半导体部分之间，并且所述n掺杂半导体部分中的至少一个n掺杂半导体部分——如在所述波导的所述纵向方向上所观察的——被中心地安排在倾斜地位于相对面的两个p掺杂半导体部分之间，则其是有利的。

在注入调制器的一个特别优选构型中，提供了所述p掺杂半导体部分形成p掺杂梳状结构或者其构成部分并且所述n掺杂半导体部分形成n掺杂梳状结构或者其构成部分。所述p掺杂梳状结构优选地被安排在所述波导的一侧上，并且所述n掺杂梳状结构被安排在所述波导的另一侧上。所述两个梳状结构的所述齿优选地在每种情况下都在所述波导的所述波导中心的方向上对准。所述p掺杂梳状结构的所述齿不与所述n掺杂梳状结构的所述齿重叠——如在所述波导的所述纵向方向上所观察的。

所述波导中心(优选地整个波导)优选地不含尖齿。在所述脊波导的情况下，优选地，所述脊波导的整个抬高的脊部分不含齿。

对于所述齿的构型，如果所述齿的宽度比所述齿的长度至少小四倍并且比相邻齿之间的距离至少小四倍，则其被认为是有利的。

所述注入调制器的所述波导优选地形成MZI(马赫-曾德干涉仪)结构。在这种构型的情况下，如果MZI结构的臂中的至少一个臂配备有用于注入电荷载流子的二极管结构，则其被认为是有利的。

可替代地，以环形调制器的环来安排所述注入调制器的所述波导。

本发明此外涉及一种安排，所述安排包括如以上已经描述的注入调制器以及辐射源。

在这种安排的情况下，如果所述p掺杂半导体部分彼此之间的距离以及所述n掺杂半导体部分彼此之间的距离在每种情况下都大于或小于所述辐射源的所述辐射的波长的一半或者大于或小于所述一半的整数倍，则其是有利的。所述半导体部分之间大于或小于所述辐射的波长的一半的距离确保：由于所述p掺杂半导体部分和所述n掺杂半导体部分的原因，有可能在经调制的波导部分内发生谐振形成并且实现了均匀调制——如在所述波导纵向方向上所观察的。

本发明此外涉及一种用于调制光辐射的方法，其中，使用注入二极管结构来将电荷载流子注入到波导的无谐振部分中，其中——除了波导衰减以外——在所述波导中引导的所述辐射的辐射强度恒定，或者从所述无谐振部分中抽取之前注入的电荷载流子。

根据本发明，关于这种方法，提供了借助于二极管结构从所述波导的一侧执行对空穴的注入或抽取并且从所述波导的另一侧执行对电子的注入或抽取，所述二极管结构包括至少两个p掺杂半导体部分、至少两个n掺杂半导体部分以及在所述p掺杂半导体部分与所述n掺杂半导体部分之间的至少一个弱掺杂或未掺杂中间部分，其中，所述p掺杂半导体部分位于所述波导的一侧上——如在波导纵向方向上并且相对于波导中心而观察的，所述n掺杂半导体部分位于所述波导的另一侧上，并且所述中间部分位于波导中心的区域中，其中，所述半导体部分在每种情况下都在所述波导的所述波导中心的方向上相对于所述波导纵向方向横向地延伸，并且

其中，所述p掺杂半导体部分——如在所述波导的所述纵向方向上所观察的——在每种情况下都相对于所述n掺杂半导体部分而偏移并且无重叠。

对于根据本发明的方法的优点，应当参照以上关于根据本发明的注入调制器而进行的解释。

以下在示例性实施例的基础上更详细地解释本发明；在此处的附图中，通过示例的方式：

图1示出了注入调制器的一个示例性实施例，在所述注入调制器中，注入二极管结构的梳状结构被安排在待调制的波导之外，

图2以横截面示出了根据图1的注入调制器，

图3示出了注入调制器的一个示例性实施例，在所述注入调制器中，半导体部分延伸到波导区域中，

图4以横截面示出了根据图3的注入调制器，

图5示出了注入调制器的一个示例性实施例，在所述注入调制器中，可借助于二极管结构来调制的波导形成马赫—曾德干涉仪结构，

图6示出了注入调制器的进一步示例性实施例，在所述注入调制器中，光波导形成马赫—曾德干涉仪结构，其中，干涉仪结构的两个臂都配备有二极管结构，并且

图7示出了环形谐振器的一个示例性实施例，在所述环形谐振器中，波导的无谐振部分配备有二极管结构。

在附图中，为清晰起见，相同的参考标记总是用于完全相同或可比较部件。

图1示出了包括光波导20和二极管结构30的注入调制器10。二极管结构30包括第一梳状结构100(图1中用于注入空穴的上梳状结构)和第二梳状结构200(图1中用于注入电子的下梳状结构)。

第一梳状结构100配备有在波导20的方向上以手指状方式从梳脊120开始延伸的p掺杂半导体部分110。优选地，p掺杂半导体部分110在波导20的方向上的程度的方向从梳脊120的纵向方向L开始或相对于波导20的纵向方向L是垂直的。优选地，梳脊120的纵向方向L和波导20的纵向方向L是平行的。波导20的纵向方向L与在波导中引导的光辐射P的传播方向相对应。

因此，以间隔开的方式并且优选地彼此平行地安排的p掺杂半导体部分110示意性地形成梳状结构100的齿，二极管结构30一被激活，所述梳状结构的尖端111就用于注入空穴。

第二梳状结构200配备有在波导20的方向上从梳脊220开始垂直于梳脊220的纵向方向L并且垂直于波导20的纵向方向L延伸的n掺杂半导体部分210。n掺杂半导体部分210以间隔开的方式并且优选地彼此平行地安排并且——在对二极管结构30的操作期间——与其尖端211一起用于将空穴注入到波导20中或从所述波导中抽取空穴。

为了实现对在波导20中引导的辐射的均匀调制，二极管结构30优选地被安排在波导20的无谐振部分中，其中——除了波导衰减以外——在波导20中引导的辐射P的辐射强度至少大约恒定。

同样地，对于对在波导20中引导的辐射P的均匀调制，在根据图1的示例性实施例中，提供了第一梳状结构100的p掺杂半导体部分110相对于第二梳状结构200的n掺杂半导体部分210而偏移。优选地，如在图1中所示出的，选择偏移，其方式为使得p掺杂半导体部分110的尖端111在每种情况下都位于n掺杂半导体部分210的尖端211之间，并且n掺杂半导体210的尖端211在每种情况下都位于p掺杂半导体部分110的指定尖端111之间。

优选地，第一梳状结构100的梳脊120由完全或至少部分地设有金属接触连接的p掺杂半导体部分形成。优选地，梳脊220相应地由完全或至少部分地设有金属接触连接的n掺杂半导体材料形成。

根据图1的注入调制器10可以例如被操作如下：

为了将电荷载流子注入到波导20的区域中，借助于电压源或电流源U向二极管结构30施加正向电压，其结果是，就p掺杂半导体部分110而言，在波导20的方向上以及在第二梳状结构200的方向上发射空穴，并且就n掺杂半导体部分210而言，在波导20的方向上以及在p掺杂半导体部分110的方向上发射电子。注入到波导20的区域中的空穴和电子对波导20内的折射率进行修改，从而使得发生相位调制和——由于电荷载流子的原因——在波导20中引导的辐射的某个衰减。

如果所注入的电荷载流子旨在被尽可能快速地从波导20的区域中抽取以便引起调制的切换，则优选地向二极管结构30施加反向电压，其结果是位于波导20的区域中的空穴和电子由第一梳状结构100和第二梳状结构200抽取。

图2以沿着根据图1的剖面线II-II的截面图示出了根据图1的注入调制器10。

可以看出，波导20优选地是在波导层21中具体化的脊波导。波导层21位于下包层22上，为了在垂直方向上进行波导的目的，所述下包层具有比波导层21更小的折射率。

为了横向波导的目的，波导20设有脊部分23，所述脊部分与在左侧和右侧的两个腹板部分24和25邻接——如在波导的纵向方向上所观察的。腹板部分24和25的腹板高度小于脊部分23中的高度。

图2此外示出了p掺杂半导体部分110和n掺杂部分210的安排。由于所选择的剖面的原因，仅p掺杂半导体部分110位于所展示的平面中，并且因此，仅使用实线来展示了此部分。n掺杂半导体部分210在空间上沿着所选择的观察方向被安排在p掺杂半导体部分110之后，并且因此仅使用虚线来进行展示。

换言之，在图2中所选的线的类型用于图形地将以下事实可视化：如已经关于图1而提及的，p掺杂半导体部分110和n掺杂半导体部分210不位于同一平面中，而是相对彼此偏移。

在根据图1和图2的示例性实施例中，对于在波导20中引导的辐射的最小衰减，选择这两个梳状结构100和200的安排，其方式为使得p掺杂半导体部分110和n掺杂半导体部分210的尖端111和211总是分别位于波导20的脊部分23之外。

对于尽可能有效地注入电子和空穴，选择对p掺杂半导体部分110的掺杂和对n掺杂半导体部分210的掺杂，其方式为使得从波导层21的表面21a向下延伸到达下包层22。这种掺杂深度确保可以在腹板部分24和25的整个腹板高度的区域中使用电荷载流子来均匀地填充波导20。

图3示出了就构造而言与根据图1和图2的注入调制器10相对应的注入调制器的一个示例性实施例。相比根据图1和图2的注入调制器，二极管结构30的两个梳状结构100和200被安排成更靠近波导20。在此方面，在图3中可以看出，分别地，两个梳状结构100和200的p掺杂半导体部分110和n掺杂半导体部分210的尖端111和211恰好突出到波导20中。仅两个梳状结构100和200的梳脊120和220位于波导20之外。

由于p掺杂半导体部分110与n掺杂半导体部分210之间的更小距离的原因，在对二极管结构30的操作期间，有可能实现波导20内的更大电场强度、由于对之前注入的电荷载流子的更快注入和抽取而产生的更高调制速度、以及在波导20内的更高电荷载流子密度。不利的是对波导20中的光辐射P的由突出到波导20中的p掺杂半导体部分110和n掺杂半导体部分210的那些部分引起的更高衰减；这是因为两个梳状结构100和200的齿端增大了波导衰减。

为了将衰减最小化，半导体部分110和210的宽度b被选择为比半导体部分之间的距离A小得多。

对于其余部分，关于图1和图2的解释在根据图3的示例性实施例的情况下相应地适用。

图4以横截面示出了根据图3的沿着剖面线IV-IV的注入调制器10。可以看出，p掺杂半导体部分110和n掺杂半导体部分210分别从腹板部分24和25开始恰好延伸到波导20的脊部分23中。然而，弱掺杂或未掺杂中间结构300仍在半导体部分110和210之间，所述中间结构将半导体部分彼此分开，并且光辐射——至少光辐射的主要部分——在所述中间结构中被引导。

在图4中，同样可以看出，n掺杂半导体部分210相对于p掺杂半导体部分110沿着波导纵向方向偏移。通过图4中的n掺杂半导体部分210的虚线来将这一点可视化。

图5示出了包括两个干涉仪臂410和420的MZI调制器400的一个示例性实施例。干涉仪臂之一(例如，干涉仪臂410)配备有如以上已经在图1至图4中通过示例的方式解释的注入调制器10。

一旦激活了注入调制器10，就有可能相对于在干涉仪臂420中所引导的辐射的相位而变更在干涉仪臂410中所引导的辐射的相位，从而使得在MZI调制器400的输出端处发生振幅调制。

图6示出了MZI调制器400的一个示例性实施例，在所述MZI调制器中，干涉仪臂410和420中的每个干涉仪臂都配备有如以上已经关于图1至图4而解释的注入调制器10。

图7示出了环形调制器500的一个示例性实施例，在所述环形调制器中，波导20形成环形谐振器。在波导20的无谐振部分中提供如已经关于图1至图4而解释的注入调制器10。因此，以上的解释相应地适用于根据图7的调制器10。

尽管已经更具体地借助于优选示例性实施例而详细地展示和描述了本发明，但是尽管如此本发明并不受限于所公开的示例，并且在不背离本发明的保护范围的情况下，本领域的技术人员可以从其中得出其他变型形式。

参考标记列表

10 注入调制器

20 波导

21 层

21a 表面

22 包层

23 脊部分

24 腹板部分

25 腹板部分

30 二极管结构

100 上梳状结构

110 p掺杂半导体部分

111 尖端

120 梳脊

200 下梳状结构

210 n掺杂半导体部分

211 尖端

220 梳脊

300 中间部分

400 MZI调制器

410 干涉仪臂

420 干涉仪臂

500 环形调制器

A 距离

b 宽度

L 纵向方向

P 光辐射

U 电压/电流源