本发明实施例涉及硅基光电子技术领域，尤其是涉及一种耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器。
背景技术：
硅基光电子集成采用传统微电子领域的硅材料作为光电子功能材料，具有尺寸小、成本低、易集成、与cmos工艺兼容、稳定性好等优点，被视为光通信中光互连成本和功耗瓶颈的理想解决方案。硅基电光调制器是硅基光电子集成中的代表性器件，成为学术界研究的热点。由于硅是中心反演对称晶体，没有线性电光效应，而高阶电光效应又非常微弱，只能通过其他效应来实现光调制。硅基电光调制往往利用硅材料中的自由载流子的等离子色散效应，即当硅中自由载流子浓度发生变化时，硅的折射率就会随之发生变化。
载流子浓度调制方式有注入式、积累式和耗尽式，光学结构主要有马赫曾德干涉仪(mzi)和微环谐振腔两种。注入式结构通常在波导平板区做p型和n型掺杂，中间脊型区作为i区，在外加正偏电压的作用下，载流子(电子和空穴)从波导两侧的平板区注入到脊型区，从而引起波导有效折射率的变化。注入式结构其载流子的改变区与光波导中的光场模式有很大的重叠积分，具有较高的调制效率，但是受限于较缓慢的载流子注入过程，调制速率仅仅能达到几ghz。积累式结构通常需要在脊型波导内形成一个氧化层，平板区做p型和n型掺杂，形成一种近似电容的结构，外加正向电压，产生近似于电容充放电的效应，改变氧化层附近的载流子浓度。该结构可以实现较高的调制速率，然后由于载流子浓度改变的区域与光场重叠较少，该结构调制效率受限。耗尽式结构需要在波导的平板区和脊型区都进行掺杂，脊型区内形成pn结。外加反偏电压，随着pn结反偏电压的升高，载流子耗尽区越来越大，从而导致波导有效折射率的变化。基于反偏pn结结构载流子的耗尽速度很快，因此调制速率通常较高，可以达到几十ghz，能应用于高速数据传输。然而，该结构由于调制速率有限，因此器件长度较大，通常需要结合行波电极结构。
在实现本发明实施例的过程中，发明人发现现有的耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器未充分利用行波电极进行电光调制，调制效率较低。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是如何解决现有的耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器未充分利用行波电极进行电光调制，调制效率较低的问题。
针对以上技术问题，本发明的实施例提供了一种耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器，包括行波电极、波导结构、第一耦合器和第二耦合器；
所述行波电极包括第一地线，在所述第一地线的一侧沿着第一方向依次设置的第一信号线和第二地线，以及在所述第一地线的另一侧沿着第二方向依次设置的第二信号线和第三地线；
所述波导结构为连接第一耦合器输出端和第二耦合器输入端并且在行波电极的各地线和信号线的各个间隙中穿过的波导结构。
可选地，所述波导结构包括设置在所述第一地线和所述第一信号线之间的第一调制区波导、设置在所述第一信号线和所述第二地线之间的第二调制区波导、设置在所述第一地线和所述第二信号线之间的第三调制区波导、设置在所述第二信号线和所述第三地线之间的第四调制区波导；
所述波导结构还包括第一连接波导和第二连接波导，所述第一连接波导连通所述第一耦合器的第一输出端、所述第一调制区波导、所述第二调制区波导和所述第二耦合器的第一输入端，使得由所述第一输出端输出的第一分光经过所述第一调制区波导和所述第二调制区波导后从所述第一输入端输入所述第二耦合器；
所述第二连接波导连通所述第一耦合器的第二输出端、所述第三调制区波导、所述第四调制区波导和所述第二耦合器的第二输入端，使得由所述第二输出端输出的第二分光经过所述第三调制区波导和所述第四调制区波导后从所述第二输入端输入所述第二耦合器；
其中，所述第一方向和所述第二方向相反。
可选地，所述第一连接波导连通所述第一耦合器的第一输出端、所述第一调制区波导、所述第二调制区波导和所述第二耦合器的第一输入端，包括：
所述第一输出端连接所述第一调制区波导的第一端，所述第一调制区波导的第二端连接所述第二调制区波导的第二端，所述第二调制区波导的第一端连接所述第一输入端；
其中，所述第一调制区波导的第一端和所述第二调制区波导的第一端均靠近所述第一输出端；所述第一调制区波导的第二端和所述第二调制区波导的第二端均靠近所述第一输入端。
可选地，所述第二调制区波导的第一端连接所述第一输入端，包括：
所述第二调制区波导的第一端由从所述第二地线中远离所述第一地线的一侧绕过所述第二地线的第一连接波导连接至所述第一输入端。
可选地，所述第二连接波导连通所述第一耦合器的第二输出端、所述第三调制区波导、所述第四调制区波导和所述第二耦合器的第二输入端，包括：
所述第二输出端连接所述第三调制区波导的第一端，所述第三调制区波导的第二端连接所述第四调制区波导的第二端，所述第四调制区波导的第一端连接所述第二输入端；
其中，所述第三调制区波导的第一端和所述第四调制区波导的第一端均靠近所述第二输出端；所述第三调制区波导的第二端和所述第四调制区波导的第二端均靠近所述第二输入端。
可选地，所述第四调制区波导的第一端连接所述第二输入端，包括：
所述第四调制区波导的第一端由从所述第三地线中远离所述第一地线的一侧绕过所述第三地线的第二连接波导连接至所述第二输入端。
可选地，包括：
输入到所述第一耦合器的输入光经所述第一耦合器分为第一分光和第二分光；
所述第一分光经所述第一调制区波导和所述第二调制区波导调制后，从所述第一输入端输入所述第二耦合器，所述第二分光经所述第三调制区波导和所述第四调制区波导调制后，从所述第二输入端输入所述第二耦合器；
所述第二耦合器将由第一输入端和第二输入端输入的两束光合并为输出光输出。
可选地，所述第一调制区波导、所述第二调制区波导、所述第三调制区波导和所述第四调制区波导均为脊形波导。
可选地，所述第一调制区波导、所述第二调制区波导、所述第三调制区波导和所述第四调制区波导中的任一波导结构均包括重掺杂p区、重掺杂n区、轻掺杂p区和轻掺杂n区；
其中，重掺杂p区和重掺杂n区均分别与所述行波电极中的金属电极形成欧姆接触，轻掺杂p区和轻掺杂n区的交界处形成pn结电学调制结构，轻掺杂p区和重掺杂p区交界处、轻掺杂n区和重掺杂n区交界处均为平板波导。
可选地，还包括：
所述第一地线和所述第二地线之间的掺杂区域关于所述第一信号线对称，所述第一地线和所述第三地线之间的掺杂区域关于所述第二信号线对称。
可选地，所述第一耦合器包括y分支波导，所述第二耦合器包括多模干涉仪。
本发明的实施例提供了一种耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器，该电光调制器的波导结构在gsgsg的行波电极的各地线和信号线的各个间隙中穿过，对每一分光进行至少一次调制，充分利用了行波电极结构。与现有的每一束分光仅进行一次调制，调制区域的长度为行波电极长度的电光调制器相比，本实施例提供的电光调制器在电光调制器整体尺寸未增加的条件下，提高了耗尽型硅基电光调制器调制区的调制效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例提供的耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器结构俯视图；
图2是本发明另一个实施例提供的图1中耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器沿着a-a线的剖视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本实施例提供的耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器结构俯视图，参见图1，该电光调制器包括行波电极、波导结构、第一耦合器106和第二耦合器107；
所述行波电极包括第一地线101，在所述第一地线101的一侧沿着第一方向依次设置的第一信号线102和第二地线103，以及在所述第一地线101的另一侧沿着第二方向依次设置的第二信号线104和第三地线105；
所述波导结构为连接第一耦合器106输出端和第二耦合器107输入端并且在行波电极的各地线和信号线的各个间隙中穿过的波导结构。
地线和信号线之间的间隙可以作为对光进行调制的调制区域，本实施例提供的电光调制器结构中，波导结构的设置应尽可能的穿过所有能够对光进行调制的调制区域，以最大限度的利用行波电极，提高对光进行调制的效率。
本实施例提供了一种耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器，该电光调制器的波导结构在gsgsg的行波电极的各地线和信号线的各个间隙中穿过，对每一分光进行至少一次调制，充分利用了行波电极结构。与现有的每一束分光仅进行一次调制，调制区域的长度为行波电极长度的电光调制器相比，本实施例提供的电光调制器在电光调制器整体尺寸未增加的条件下，提高了耗尽型硅基电光调制器调制区的调制效率
进一步地，在上述实施例的基础上，如图1所示，所述波导结构包括设置在所述第一地线101和所述第一信号线102之间的第一调制区波导、设置在所述第一信号线102和所述第二地线103之间的第二调制区波导、设置在所述第一地线101和所述第二信号线104之间的第三调制区波导、设置在所述第二信号线104和所述第三地线105之间的第四调制区波导；
所述波导结构还包括第一连接波导和第二连接波导，所述第一连接波导连通所述第一耦合器106的第一输出端、所述第一调制区波导、所述第二调制区波导和所述第二耦合器的第一输入端，使得由所述第一输出端输出的第一分光经过所述第一调制区波导和所述第二调制区波导后从所述第一输入端输入所述第二耦合器107；
所述第二连接波导连通所述第一耦合器106的第二输出端、所述第三调制区波导、所述第四调制区波导和所述第二耦合器107的第二输入端，使得由所述第二输出端输出的第二分光经过所述第三调制区波导和所述第四调制区波导后从所述第二输入端输入所述第二耦合器107；
其中，所述第一方向和所述第二方向相反。
图1中的g表示行波电极中的地线，s表示行波电极中的信号线，本实施例中的行波电极采用gsgsg结构。图2是图1中耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器沿着a-a线的剖视图，参见图1和图2，本实施例提供的电光调制器中，每一组地线和信号线之间均设置有调制区波导，在行波电极的四个槽中总共设置了4个调制区波导。从电光调制器的端口in输入的输入光经第一耦合器106分成相同的两束光，第一分光和第二分光。第一分光沿着如图1所示的第一耦合器左侧的波导，先进入第一调制区波导再进入第二调制区波导进行调制，经过两次调制后输入第二耦合器107。第二分光沿着如图1所示的第一耦合器右侧的波导，先进入第三调制区波导再进入第四调制区波导进行调制，经过两次调制后输入第二耦合器107。经第二耦合器107的合成从端口out输出。
需要说明的是，本实施例提供的方法不对第一连接波导具体布线进行限制，只要能够使得第一分光经过两次调制进入第二耦合器即可，例如，可以先使得第一分光经过第二调制区波导，再经过第一调制区波导。同理，本实施例提供的方法也不对第二连接波导具体布线进行限制，只要能够使得第二分光经过两次调制进入第二耦合器即可，例如，可以先使得第二分光经过第四调制区波导，再经过第三调制区波导。第一方向和第二方向通常均垂直于第一地线所在矩形的长边。
本实施例提供了一种耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器，该电光调制器在gsgsg的行波电极的4个槽中均设置用于对光进行调制的调制区波导。通过第一连接波导使得从第一耦合器输出的第一分光经过第一调制区波导和第二调制区波导调制后进入第二耦合器，通过第二连接波导使得从第一耦合器输出的第二分光经过第三调制区波导和第四调制区波导调制后进入第二耦合器，对第一分光和第二分光均进行了两次调制。与现有的每一束分光仅进行一次调制，调制区域的长度为行波电极长度的电光调制器相比，本实施例提供的电光调制器在电光调制器整体尺寸未增加的条件下，提高了耗尽型硅基电光调制器调制区的调制效率。
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述第一连接波导连通所述第一耦合器的第一输出端、所述第一调制区波导、所述第二调制区波导和所述第二耦合器的第一输入端，包括：
所述第一输出端连接所述第一调制区波导的第一端，所述第一调制区波导的第二端连接所述第二调制区波导的第二端，所述第二调制区波导的第一端连接所述第一输入端；
其中，所述第一调制区波导的第一端和所述第二调制区波导的第一端均靠近所述第一输出端；所述第一调制区波导的第二端和所述第二调制区波导的第二端均靠近所述第一输入端。
如图1所示，第一连接波导按照第一调制区波导的第一端、第一调制区波导的第二端、第二调制区波导的第二端到第二调制区波导的第一端的顺序，使得第一分光在输入到第二耦合器107之前经过两次调制。第二连接波导按照第三调制区波导的第一端、第三调制区波导的第二端、第三调制区波导的第二端到第四调制区波导的第一端的顺序，使得第二分光在输入到第二耦合器107之前也经过两次调制。
本实施例提供的耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器，在第一地线的左侧，依照行波电极的结构通过最短的线路使得两束分光均两次经过调制区波导，简化了电光调制器的结构。
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述第二调制区波导的第一端连接所述第一输入端，包括：
所述第二调制区波导的第一端由从所述第二地线中远离所述第一地线的一侧绕过所述第二地线的第一连接波导连接至所述第一输入端。
本实施例提供的耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器，在第一地线的左侧，使得第一连接波导绕过第二地线连接到第一输入端，提供了最为节省线路也不影响其他波导的布线方式。
相应地，在第一地线的另一侧，在上述各实施例的基础上，所述第二连接波导连通所述第一耦合器的第二输出端、所述第三调制区波导、所述第四调制区波导和所述第二耦合器的第二输入端，包括：
所述第二输出端连接所述第三调制区波导的第一端，所述第三调制区波导的第二端连接所述第四调制区波导的第二端，所述第四调制区波导的第一端连接所述第二输入端；
其中，所述第三调制区波导的第一端和所述第四调制区波导的第一端均靠近所述第二输出端；所述第三调制区波导的第二端和所述第四调制区波导的第二端均靠近所述第二输入端。
本实施例提供的耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器，在第一地线的右侧，依照行波电极的结构通过最短的线路使得两束分光均两次经过调制区波导，简化了电光调制器的结构。
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述第四调制区波导的第一端连接所述第二输入端，包括：
所述第四调制区波导的第一端由从所述第三地线中远离所述第一地线的一侧绕过所述第三地线的第二连接波导连接至所述第二输入端。
本实施例提供的耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器，在第一地线的右侧，使得第一连接波导绕过第二地线连接到第一输入端，提供了最为节省线路也不影响其他波导的布线方式。
本实施例提供的耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器，在第一地线的右侧，使得第一连接波导绕过第二地线连接到第一输入端，提供了最为节省线路也不影响其他波导的布线方式。
进一步地，在上述各实施例的基础上，包括：
输入到所述第一耦合器的输入光经所述第一耦合器分为第一分光和第二分光；
所述第一分光经所述第一调制区波导和所述第二调制区波导调制后，从所述第一输入端输入所述第二耦合器，所述第二分光经所述第三调制区波导和所述第四调制区波导调制后，从所述第二输入端输入所述第二耦合器；
所述第二耦合器将由第一输入端和第二输入端输入的两束光合并为输出光输出。
本实施例提供的耗尽型行波硅基马赫增德尔电光调制器，第一耦合器用于分光得到第一分光和第二分光，第一分光和第二分光均经过两次调制后，输入到第二耦合器，经第二耦合器合成后输出。由于改变调制区有效折射率会带来两倍相位差的改变，因此带来输出光强的变化，实现光强调制。
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述第一调制区波导、所述第二调制区波导、所述第三调制区波导和所述第四调制区波导均为脊形波导。
进一步地，在上述各实施例的基础上，如图2所示，所述第一调制区波导、所述第二调制区波导、所述第三调制区波导和所述第四调制区波导中的任一波导结构均包括重掺杂p区、重掺杂n区、轻掺杂p区和轻掺杂n区；
其中，重掺杂p区和重掺杂n区均分别与所述行波电极中的金属电极形成欧姆接触，轻掺杂p区和轻掺杂n区的交界处形成pn结电学调制结构，轻掺杂p区和重掺杂p区交界处、轻掺杂n区和重掺杂n区交界处均为平板波导。
进一步地，在上述各实施例的基础上，还包括：
所述第一地线和所述第二地线之间的掺杂区域关于所述第一信号线对称，所述第一地线和所述第三地线之间的掺杂区域关于所述第二信号线对称。
进一步地，构成所述波导结构的半导体材料为硅、soi材料、np或者gaas。
本实施例提供的电光调制器的结构同样适用于其它半导体材料，如inp(铟磷)，gaas(砷化镓)。本实施例中的调制区波导通过等离子色散效应对光进行调制。
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述第一耦合器包括y分支波导，所述第二耦合器包括多模干涉仪(mmi)。
作为一种具体的实施例，如图1所示，本实施例提供的耗尽型波硅基马赫增德尔电光调制器包括gsgsg行波电极结构、两个掺杂了的波导作为硅基电光调制器调制区波导结构、两个耦合器，该波导为脊型光波导结构。波导结构有轻掺杂p区、重掺杂p区、轻掺杂n区和重掺杂n区，轻掺杂p区和轻掺杂n区的边缘均位于平板波导区域。重掺杂p区与重掺杂n区分别与金属电极相连。光波导结构在gsgsg行波电极的四个槽中通过。其中，脊型波导结构的结构参数由芯片尺寸和刻蚀工艺来定义。轻掺杂p区和轻掺杂n区的交界处形成pn结电学调制结构。轻掺杂p区与轻掺杂n区的两侧为平板波导部分。重掺杂p区与重掺杂n区与金属电极形成欧姆接触。该掺杂结构相对于s电极呈对称结构。
耦合器可以采用y分支或者多模干涉仪(mmi)。输入光通过第一耦合器106将输入光平均分配到两个脊型波导结构中，两束光通过第二耦合器107结构合并成为一束光。光波导结构在从行波电极结构的一个槽中通过后继续进入相邻的另一槽中，实现二次调制。对于马赫增德尔结构的两个光波导均两次通过行波电极区域，实现两次调制。
本实施例提供的本发明提供的电光调制器由于光波导结构两次经过行波电极结构，实现了对光波的两次调制，在器件整体尺寸为增加的条件下，提高了耗尽型硅基电光调制器调制区的调制效率。
另一方面，该结构的器件制造工艺与传统的超大规模集成电路cmos工艺兼容，无需特殊工艺，有利于器件的大规模制造和成本的降低。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。