硅基集成化的差分电光调制器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光互连与光通信技术领域，具体涉及用于光互连的一种硅基差分电光调制器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]以大马士革工艺为基础的铜互连技术在芯片中的应用正面临着随芯片特征尺寸的减小带来的各种问题，如带宽，延时，功耗等。片上光互连被认为是解决这一问题的核心技术。由于是在片上光互连的应用背景下，对用于片上光互连的电光调制器提出了诸多的要求，如小尺寸、高速度、低功耗、高可靠性、热不敏感等。对于芯片间和PCB板间层次的光互连同样也有以上要求。高速、低功耗、低成本、高可靠性的纯硅基电光调制器成为了研究的热点。
[0003]2004年，美国Intel公司在Nature上报道了调制速率达到GHz量级的MZI型硅基光调制器，制备工艺与CMOS技术兼容。2005年Cornell大学的研究人员在Nature上报道了基于SOI波导微环谐振器的高速电光调制器。2008年美国Luxtera公司向世人展示了世界上第一块在130nm CMOS生产线上制造的硅基单片集成高速CMOS光收发模块，采用WDM技术，数据传输速率4X10Gbps。同年Intel公司报道了采用调制器阵列和波分复用MUX/DeMUX的硅基光子集成芯片，数据传输速率为200Gbps。2010年美国Columbia大学与Cornell大学合作报道了利用硅基微环调制器进行长距离传输的实验结果。其利用一个半径为6微米的硅基微环电光调制器，成功实现了 12.5Gb/s数据的80km的传输。该文同时将微环电光调制器与LiNb03-MZI调制器进行了对比，表明硅基调制器性能已经接近实用水平。2012年，英国Surrey大学与美国Bell实验室相继报道了 50Gb/s的硅基调制器实验结果。同样在2013年，Alcatel-Lucent公司研究组报道了利用MZI型硅基电光调制器制作相干光调制器的硅基集成化方案。
[0004]为了降低调制器的功耗，采用差分调制的方式是一个有效的方法。Bell实验室率也尝试了采用差分调制器的方案，结果发表在Opitcs Express 20 (6)，2012 (High-speedlow-voltage single-drive push-pull silicon Mach-Zehnder modulators)上。虽然其实现差分调制的功能，但是他们实现差分调制的结构是串联式，驱动电压是以输入电压的一半加在两个调制臂上，从而有效值还是原来的输入电压，并不能降低驱动电压。
[0005]本发明针对以上问题，采用了并联式的调制结构，使得两个调制臂上均有与输入电压一样的有效电压，从而降低驱动电压，最终降低功耗。
【发明内容】
[0006]本发明的主要目的在于提供一种工艺简单，同时能够降低硅基电光调制器驱动电压的方法，从而达到实用化的目的。
[0007]为达到上述目的，本发明提供了一种新型的硅基集成化差分电光调制器结构，该结构采用G-S-G的输入电极形式，通过电容耦合的方式耦合到连接有PN结相移器的第二层金属，并且通过端接电阻吸收传输过调制器的高速信号，防止反射信号干扰调制信号。直流偏置网络给PN结提供合适的反向偏置，而电容耦合的结构使得加载直流偏置的直流网络不会被第一层的地极金属所短路。从而使得硅基电光调制器的两个调制臂均被输入电信号调制，最终实现差分调制。
[0008]本发明的突出优点是:采用了简单的半导体工艺，利用两层金属实现了硅基电光调制器的并联式差分调制，使得硅基调制器的两个调制臂上都有与输入电信号一样的调制幅值，从而使得驱动信号降低一半，交流功耗降低到单臂调制时的四分之一。
【附图说明】
[0009]图1为电容耦合型硅基马赫-曾德电光调制器的结构示意图；
[0010]图2为电容耦合型硅基马赫-曾德电光调制器的分布电路示意图；
[0011]图3为以多模干涉仪(mult1-mode interference，MMI)为基础的分束器与合束器工作示意图；
[0012]图4为调制臂波导的截面图，采用的是绝缘体上的硅衬底(SOI衬底)。
【具体实施方式】
[0013]从以下结合附图通过优选实施例的方式，进一步详细描述本发明，可使本发明的上述目的、方案和优点变得愈为清晰，其中:
[0014]图1为该集成化硅基差分调制器的顶视示意图。器件的光学结构采用马赫-曾德性干涉仪结构，电学结构采用行波电极的形式。行波电极的顶层金属采用GSG的形式，顶层金属与底层金属之间形成一个电容结构。行波电极底层金属与PN结相连，在行波电极的另一端集成端接电阻。加载在行波电极顶层金属的输入端交流信号通过行波电极的顶层金属与底层金属之间的电容结构，耦合到PN结上进行调制。通过对端接电阻加载直流电压，使得PN结工作在反向状态。
[0015]图2为该集成化硅基差分调制器的分布电路图。高速调制信号通过有双层金属构成电容结构耦合到两个PN结调制臂上(双层金属构成的分布电容远大于PN的反向结电容的情况下)，在末端被端接电阻吸收；同时该电容结构还起着隔直作用，从而使得器件工作在反向偏置的条件下时，整个电路网络没有短接通路。最终通过单个驱动信号同时调制两个调制臂。
[0016]图3为以多模干涉仪(mult1-mode interference，MMI)为基础的分束器与合束器工作示意图。入射激光通过一个MMI时，MMI的多模自干涉，从而在输出端口形成两个强度和相位均相同的映像。实现了 1:1的分束效果。MMI合束器工作过程是MMI分束器的逆过程。根据光路可逆原理，即可以实现一个相干的合束过程。
[0017]图4为调制臂波导的截面图，采用的是绝缘体上的硅衬底(SOI衬底)。首先在衬底上刻蚀出脊型波导结构，并做相应的掺杂，形成P-N-P-N的结构。淀积一层S12B成波导的上限制层，并且作为正负极的隔离层。最后刻蚀引线孔，并形成第一层金属电极图案。再淀积一层介电材料(如Si02，SiN等)作为两层金属之间的隔离层，在介电材料上淀积金属并刻蚀形成第二层金属的图案，最终形成电容耦合的行波电极结构。
[0018]单晶硅中最有效的电光效应就是等离子体色散效应。1987年，Soref等人利用Kramers-Kronig关系和光吸收谱的实验数据，得出了等离子色散效应的近似公式。对于波长为1.55 μ m的光，色散关系表达式为:
[0019]Δη = Δηβ+ΔηΗ= -[8.8X 10 22.Δ Ne+8.5X10 18.(ANh)0.8]
[0020]其中Δ n和分别为自由载流子浓度变化引起的折射率和吸收系数的变化，Δ凡和A \分别为电子和空穴的浓度变化，单位为cm 3O当载流子浓度改变为118Cm 3，所产生的折射率改变可达-10 3O比起Kerr效应或Franz-Keldysh效应，等离子色散效应产生的折射率变化高出了两个数量级。因此