超低电压宽调制带宽低光学损耗光学强度或相位调制器的制作方法

文档序号：18089422发布日期：2019-07-06 10:41阅读：2986来源：国知局

本申请要求2013年6月9日申请的第61/832,940号美国临时申请案、2013年6月11日申请的第61/833,488号美国临时申请案和2013年12月10日申请的第61/913,945号美国临时申请案的优先权，以上申请案的内容全部以引用的方式并入本文中。

技术领域

本申请涉及一种超低电压宽调制带宽低光学损耗光学强度或相位调制器。

背景技术：

本发明涉及半导体光子学、离散光学器件、集成光学器件和光电子装置。确切地说，本发明涉及能够通过电信号调制光束强度或相位的集成光学调制器。需要此些调制器以用于将电信号转换为光学信号以使得光束可用以经由光学通信系统发射信息。光学通信系统中的光源通常是半导体激光且光的传输通常是经由光纤。

当前可用的典型光学调制器，例如基于铌酸锂(LiNbO3)晶体、硅中自由载流子或化合物半导体中的半导体量子阱的调制器，通常具有约5伏特的高调制电压，约6dB(75％)装置插入损耗(意味着仅25％的光学功率将通过装置)，其中调制频率能够高达40千兆赫兹(40GHz)，其中1GHz是10⁹Hz。以5V的调制电压将光学调制器加电所需的射频(RF)功率是P＝V²/R，其中R通常是50欧的传输线路阻抗。因此5V调制电压将对应于0.5瓦(5²/50瓦)的调制器射频功率。此功率尤其当调制器在电子光子集成电路(EPIC)或光子集成电路(PIC)中使用时极高，因为具有数百万晶体管的大电子微处理器芯片的总功率消耗仅为几瓦。将调制器视为仅一个主动装置，其功率要求当与单个电子晶体管相比时极高，考虑如下事实：典型微处理器型电子芯片中的电子晶体管的典型功率消耗在1GHz的操作速度下每晶体管在0.2到1微瓦(200到1,000毫微瓦)范围中。CMOS电压也快速变为低于1伏特。因此，将对能够在低于1伏特下操作的调制器感兴趣以使其与CMOS电路兼容。虽然已经存在减少调制电压的努力，但它们通常是通过使装置长度较长而实现，这常常导致高光学损耗(>75％损耗)。除不合意的长装置长度之外，高损耗和“低电压”不是很有用，因为其将意味着将需要较高功率激光来获得相同光学功率调制且较高功率激光也将消耗高电功率。

虽然存在具有不同功能性的各种调制器装置，但它们可共享产生高装置操作效率或装置性能的相同的一般装置结构(例如，能够具有超低电压、宽调制带宽、低光学损耗的调制器)。能够产生高装置效率或高装置性能的此一般装置结构是本发明的焦点。

应用的另一领域称为射频光子学(RF光子学)。RF光子学使得能够经由调制光束而输送高频电信号且将其传输通过光纤。随后以高速光学功率检测器恢复所述电信号。在RF光子学中，还合意的是使调制器电压变为低于1伏特(优选地低于0.5伏特)，对于光束具有<75％的低装置处理量损耗。在所有这些应用中，超出1千兆赫兹(GHz)、高达几十GHz、优选地到达100GHz的高调制带宽也是大体上合意的。在许多芯片上应用中，需要调制器的物理长度短于约1mm。虽然关于光学强度或相位调制器的现有技术能够达到合意的性质中的一者或两者，例如高调制带宽(>1GHz)或低光学功率处理量损耗(<75％)，但它们通常不能够达到全部合意的性质，包含全部在一个光学强度或相位调制器装置中的低调制电压、高调制带宽、低光学处理量损耗和紧凑的装置大小。

调制器优值和本发明的优点

如所提到，单独实现低调制器电压VMOD对于这些应用是不足够的。调制器必须具有低装置插入损耗(即高光学处理量功率)或高光学功率透射率T，其经界定为调制器的输出光学功率除以输入光学功率，TMOD＝(光学功率输出)/(光学功率输入)。调制器装置的光学处理量功率中的任何损耗等效于低电信号功率到光学信号功率转换，其是合意的调制器的优值中将考虑的重要因数。由于经调制光学功率的量与调制器电压成比例，在信号发射噪声比方面，1/TMOD²等效于VMOD²(或1/TMOD等效于VMOD)，其也是合意的调制器的优值中将考虑的重要因数。即，TMOD减少2倍等效于VMOD增加2倍，且对于在信号调制和发射中实现低信噪比同等地不合意。类似论断涉及调制器的调制深度(MD)，其经界定为调制器正改变的光学功率的百分比。在信号发射噪声比方面，1/(MD²)等效于VMOD²，且将为合意的调制器的优值中将考虑的重要因数。

通常，调制器带宽BW较高(以GHz计)，调制器越好，且是在优值中将考虑的因数。并且，调制器装置长度LMOD越短，其越好。装置长度与调制器电压之间通常存在线性折衷，因此(LMOD²)等效于VMOD²，为优值中将考虑的因数。最后，在不损失调制性能的情况下调制器可采取的最大光学功率MP(以毫瓦计)也是重要的，且是优值中将考虑的因数。这有时称为调制器的光学饱和功率且调制饱和度可由于通过调制器材料的高光学功率的载流子激励而发生。在电信号到光学信号功率传送方面，光学功率越高，在光检测器端处电信号可从调制光束转换回RF电压越多。因此1/(MP²)等效于VMOD²，为调制器优值中将考虑的因数。带宽(BW)和调制功率(或每单位时间能量)在优值方面成反比例。应注意，2倍调制带宽意味着在时间周期减半时发射的每数据二分之一RF能量。因此信噪比实际上变差2倍，但数据速率快2倍，意味着较高调制的优点在一定程度上被较高噪声抵消，但我们将不精确考虑优值中的噪声。所有较快脉冲经历相同的低功率和高噪声折衷(即，其对调制器不是固有的)。我们仍将看见较大BW作为类似于较小RF功率的优点(1/VMOD²)。

组合全部上述因数，当比较调制器性能时，在以下“调制器优值”方面比较它们是有用的，调制器优值是在上文所提及的量方面如下界定：

MFOM＝TMOD²xMD²xMP²xBW/(VMOD²x LMOD²)， (1)

其中以上方程式中的“x”意味着数学“乘法”且“/”意味着数学“除法”。对于本专利中的论述，我们为简单起见将忽略MP因数(即我们将设定MP＝1)。VMOD中的平方是由于功率考虑。其它因数在其等效于VMOD中完成。以此方式界定，MFOM的值越高，调制器对于实现大频率带宽、低装置光学功率处理量损耗、小装置大小、低调制电压、高调制深度和高装置光学功率容限的目的来说越好。此MFOM将与下文界定的“理想光学强度和相位调制器”的MFOM进行比较。为了于RF光子学和EPIC的目的，我们将参考“理想光学调制器”界定为具有以下特性的调制器：TMOD＝0.25、VMOD＝0.5(V)、LMOD＝1(mm)、BW＝40(GHz)、MD＝0.9。表示为“MIFOM”的此理想调制器的MFOM随后如下给定：

MIFOM＝0.25²x0.9²x40²/(0.5²*1²)(mW²x GHz/(V²xmm²))＝8(GHz/(V²xmm²))。 (2)

光学调制器的MFOM与MIFOM之间的比率备受关注，因为其将为所讨论的调制器与“理想调制器”的接近程度或其超越理想调制器多少的指示。此比率可被称为调制器的相对于理想FOM或相对调制器优值(RMFOM)，其如下界定：

RMFOM＝(MFOM/MIFOM)。 (3)

当此值接近于1或高于1时，光学调制器称为在调制器性能方面有利地与目标理想调制器相当。另一方面，当此值比1小得多时，光学调制器与目标理想调制器的性能未良好地相当。

现有技术的“基于化合物半导体”的调制器的典型性能具有TMOD＝0.25、VMOD＝5(V)、LMOD＝2(mm)、BW＝40(GHz)、MD＝0.9。现有技术的此典型调制器的MFOM如下给出：

MFOM＝0.25²x0.9²x40/(5²*2²)(GHz/(V²xmm²))＝0.02(GHz/(V²xmm²))。(4)

其RMFOM则如下给出：

RMFOM＝0.02/8＝0.0025＝(1/400)。 (5)

这比目标理想光学调制器差400倍。用于实现光学调制器的现有技术因此在实现理想调制器的目标性能方面高度不足。

现有技术的“基于硅的”调制器的典型性能具有TMOD＝0.25、VMOD＝2(V)、LMOD＝5(mm)、BW＝10(GHz)、MD＝0.9。现有技术的此典型硅调制器的MFOM则如下给出：

MFOM＝0.25²x0.9²x10/(2²*5²)(mW²x GHz/(V²xmm²))＝0.005(mW²x GHz/(V²xmm²))。 (6)

其RMFOM则如下给出：

RMFOM＝0.005/8＝0.000625＝(1/1600)。 (7)

这比目标理想光学调制器差1600倍。用于实现基于硅的光学调制器的现有技术因此在实现理想调制器的目标性能方面高度不足。

在本发明中，克服现有技术的主要局限性，使得本发明的光学调制器可能具有范围从0.01到超过2.5的RMFOM，其大体上在优值方面比基于现有技术的典型光学调制器高超过10到1,000倍。这是本发明比基于现有技术的光学强度或相位调制器好的极重要优点。

现有技术中的示范性调制器

用于调制材料的本发明的示范性实施例是基于利用由于化合物半导体中的载流子带填充和其它电光效果所致的折射率改变的近带隙效果，从而得到电光(EO)调制器。用于调制材料的本发明的另一示范性实施例是基于利用化合物半导体中的电吸收效果，从而得到电吸收(EA)调制器。

光束的电吸收调制是基于由于施加电压所致的光学吸收改变，其是所属领域的技术人员众所周知的。电吸收调制可通过在施加电压下半导体带隙能量的移位引起，或通过可改变半导体材料的光学吸收或增益性质的载流子注入-耗尽而引起。用于电吸收调制的这些机制是相对直接的且是现有技术中众所周知的。

对于电光调制器，涉及的机制更复杂。因此所关注的是审阅下文的基于硅的调制器和基于化合物半导体的调制器中的折射率改变的物理学。

基于硅的调制器中的折射率改变的物理学

对于在光纤通信的1550nm波长范围下的操作，基于化合物半导体的调制器与硅调制器之间的主要差异在于硅具有吸收带隙，其处于900nm，远离1550nm的操作波长。因此，硅的折射率改变不是由于与带隙能量相关的效果，而是由于自由载流子等离子效果。自由载流子等离子可在宽波长范围上改变折射率，并且将造成光学吸收。因此，自由载流子等离子效果具有缺点在于当由于自由载流子所致的折射率改变高时，自由载流子吸收的量也高，因此当由自由载流子等离子引起的相移高时存在减少光束强度的大量光学吸收。在硅中，由于自由载流子等离子效果所致的折射率改变是所属领域的技术人员已知的，如以下给定：

Δn等离子＝-(8.8x 10^-22ΔNe+8.85x 10^-18ΔNh^0.8)， (8)

其中ΔNe是以(1/cm³)计的电子载流子密度，且ΔNh是以(1/cm³)计的空穴载流子密度。举例来说，在10¹⁸/cm³的载流子密度的情况下，由Δn等离子表示的活性P-N结区的折射率改变可为对于空穴的约Δn等离子＝0.002和对于电子的Δn等离子＝0.0009。这些是限制基于硅的光学调制器的低电压性能的相对低值。

基于化合物半导体的调制器中的折射率改变的物理学

下文中，如果可通过施加电压、电流或者载流子的注入或耗尽而更改材料的折射率，那么将所述材料称为活性调制器材料或更精确地称为活性电光(EO)材料。如果可通过施加电压、电流或者载流子的注入或耗尽而更改材料的光学吸收或光学增益，那么可将所述材料称为活性电吸收(EA)材料。活性EO或EA材料更一般化地称为活性调制器材料或媒介(ACM)或称为活性区域或简单地称为活性媒介。在活性EO材料中，折射率改变可随后用以移位光束的光学相位或改变光束的强度(使用例如所属领域的技术人员众所周知的马赫曾德尔干涉仪)。所述调制称为由电光调制引起(与其中调制器材料的光学吸收更改的电吸收调制相反)。EO调制器的优点一般来说在于其可具有随着施加电压稍微成线性变化的强度改变，或者可由外部电路校正以使调制为线性的。此线性强度调制能力对于射频光子学(RF光子学)领域的应用是重要的。

在化合物半导体中，化合物半导体的能带隙无论其是块体化合物半导体还是量子阱都可经设计以接近于操作波长。举例来说，在例如电光调制等一些情形中，有利的是将带隙设计为处于1350nm以用于在1550nm波长范围的操作。在例如电吸收调制等其它情形中，有利的是将带隙设计为1450nm以用于在1550nm波长范围的操作。现有技术最频繁地利用的显要的折射率改变效果是量子限制斯塔克效应(QCSE)，其由于跨越量子阱施加的使量子阱的跃迁能移位的强电场而改变折射率，其随后导致折射率的改变。其纯粹是电场效应且不涉及电子或空穴载流子。由于QCSE所致的折射率改变给定为：

ΔnQCSE＝(1/2)n³KQCSE E²， (9)

其中对于InGaAsP量子阱来说KQCSE＝～0.3x10^-18m²/V²，n是量子阱材料的折射率，且E是以伏特/米计的所施加电场。QCSE是二次电光(QEO)效应，因为其取决于电场的平方。另一折射率移位效应是由于化合物半导体材料的固有电光系数，称为普克尔斯效应。此效应也被称作晶体的线性电光效应(LEO)。对于InP，其如下给出：

Δn普克尔斯＝(1/2)n³r41E， (10)

其中对于InP材料来说r41＝～2x10^-12m/V。假定跨越200nm厚活性调制器材料的2V施加电压给出电场强度E＝1V/(100nm)＝10⁷V/m，那么n＝3.4的上式将给出ΔnQCSE＝0.0005且Δn普克尔斯＝0.00033。在4V的较高电压下，QCSE将大体上超过普克尔斯效应且变成主要效应，从而给出ΔnQCSE＝0.002。因此在典型化合物半导体调制器设计中，QCSE是用于实现折射率移位的主要效应。QCSE和普克尔斯效应两者仅需要施加的场(即不需要载流子)，其常常视为实现低光学损耗的优点(载流子可造成自由载流子光学吸收损耗)。

在基于化合物半导体的调制器中很少使用的其它效应取决于电子或空穴载流子。一个效应是载流子等离子效应，其也由如上文所论述的硅调制器使用。由于载流子等离子(PL)效应所致的折射率改变如下给出：

Δn等离子＝[(-e²λ0²)/(8π2c2ε0n)]*(ΔNd/me^*)。 (11)

如果掺杂Nd的量子阱(或块体材料)经n掺杂有约Nd＝Ne＝1x10¹⁷/cm³的电子掺杂密度，那么其在相同施加电场下具有类似于普克尔斯效应的值。另一效应是由于载流子填满传导带(或价带)。其称为带填充(BF)效应。图1a说明其中电子载流子填满传导带的情况，导致吸收能量从接近于带隙能量Eg移位到大于带隙能量Eg+ΔE(或在波长Δg-Δλ中)。如图1b中所示，从吸收曲线αEg(λ)到αEg+ΔE(λ)的“吸收能量边缘”的此改变由于所属领域的技术人员称为克莱默-克朗尼格关系的原因而导致材料的折射率的改变Δn(λ)，所述关系称随波长(λ)而变的吸收频谱的改变Δα(λ)＝αEg+ΔE(λ)-αEg(λ)必然导致随波长而变的折射率频谱的改变Δn(λ)。这导致由于吸收边缘改变(比方说在λg＝1350nm)所致的光束在λB(比方说在1550nm)的操作波长下的折射率或其对应光束光子能量EB的改变，原因是载流子填满半导体能量带(例如，其可为填充传导带的电子或填充价带的空穴)。在操作波长下的折射率改变可表达为：

Δn带填充＝R带填充(λ)xΔNe， (12)

其中比例系数R带填充(λ)取决于光学波长λ且其值与在远离带边缘的其值相比将在接近于带边缘处较高。在Ne＝10¹⁷/cm³的掺杂密度下，当带边缘在远离1550nm的操作波长的1350nm或200nm时Δn带填充可比在III-V(例如，InP/InGaAsP)材料系统的同一施加电压下的Δn等离子或Δn普克尔斯高2-3倍，但随着QCSE随电场的平方按比例缩放而在足够高的施加电压V下可低于nQCSE且与V²成比例，而包含Δn带填充的折射率的其它改变仅与V成比例。通常现有技术的光学调制器结构中Δn带填充由于几个原因而无法过高。

第一，ΔnQCSE可在足够高的电压或足够高的施加场下始终为主导的，因为其与V²成比例。

第二，在现有技术中，量子阱(或块体)活性材料(ACM)未掺杂或低掺杂有载流子，掺杂密度通常低于大约1x10¹⁷/cm³。不掺杂或低掺杂是由于现有技术的调制器设计中的问题，即，高载流子掺杂密度将大体上增加通过整个调制器的光束的光学吸收损耗。在现有技术的调制器设计中，光学损耗将不仅仅发生在折射率或吸收经设计以在施加电压下改变的活性调制器区段，而且例如以马赫-曾德尔干涉仪几何形状发生在连接区的其余部分中。这导致全部掺杂有高载流子掺杂密度的长波导区段，其随后由于来自掺杂的高自由载流子密度而导致光学损耗光学损耗。举例来说，虽然活性调制器区可具有0.5mm的长度，但具有马赫-曾德尔干涉仪几何形状的整个调制器可具有2-5mm的总物理光束传播长度。

第三，高度掺杂量子阱区将减小所属领域的技术人员已知的P-N结的载流子耗尽宽度dPN，其中不存在或存在很少载流子的在P掺杂区与N掺杂区之间的区。耗尽宽度dPN越小，装置电容越大，因为所述宽度界定电容的电介质宽度，其中一个电容器板是N掺杂区且另一电容器板是P掺杂区，且这两个板通过耗尽宽度dPN分隔开。如所属领域的技术人员所知，“板分离”越小，电容CPN越大。大P-N结电容CPN将部分由于RC频率截止而大幅度减少光学调制器的调制带宽，其中R将为装置的有效串联电阻Rser且RC调制器频率截止将为fRC＝1/(2πRser CPN)。因此现有技术中的量子阱通常未掺杂且如果其掺杂，那么将其保持到1x10¹⁷/cm³或更低的掺杂密度或由于将导致低调制器RC截止频率fRC的较高装置电容CMOD(给定现有技术中可实现的典型装置串联电阻RSer)而将难以实现调制器的大调制带宽。1x10¹⁷/cm³掺杂水平给出在零到几伏特的施加电压下近似约100-300nm的耗尽宽度，其为常规基于半导体的调制器的大约活性区域和波导芯厚度。变为比1x10¹⁷/cm³高的掺杂将被视为低效设计，因为耗尽宽度将太小而无法覆盖活性区域和波导芯厚度，并且还由于较高结电容而将不必要地降低调制带宽。在本发明中，克服了此限制，从而得到大体上较低的调制电压，同时维持高调制频率截止。

现有技术中的示范性调制器

图2展示现有技术的电光(EO)调制器。具体来说是由III-V化合物半导体材料制成的调制器。现有技术中的电吸收调制器将具有类似的光学和电结构，不同的是活性材料被可造成电吸收的材料(即，在施加电压、电流或者载流子的注入或耗尽下可更改光学吸收的材料)代替。出于现有技术的调制器的说明的目的，我们将描述EO调制器。

EO调制器利用半导体量子阱的量子限制斯塔克效应作为主要电光(EO)效应。在外加电场下，量子阱的宽度有效地变窄且将能级推动为较高，从而由于能带隙的增加而导致折射率的减小。电场的方向不重要，因此其为二次电光效应。对于1550nm操作，图2中展示典型调制器结构，其展示装置10000。在装置10000中，所述装置制造于半导体衬底SUB 10010上。在示范性装置中，衬底SUB 10010是N掺杂InP，具有N＝3x 10¹⁸/cm³的N型掺杂密度。衬底上方是下部电欧姆接触层LOHC 10020。在示范性装置中，LOHC 10020是N掺杂InGaAs，具有N＝1x 10¹⁸/cm³的N型掺杂密度和0.1μm的厚度。LOHC 10020上方是下部传导波导包层(LCWCd)10030。在示范性装置中，LCWCd 10030是N掺杂InGaAs，具有N＝1x 10¹⁸/cm³的N型掺杂密度和1.5μm的厚度。LCWCd 10030上方是下部波导芯单独限制异质结构(SCH)层(LWCoSCH)10040。在示范性装置中LWCoSCH 10040是N掺杂InGaAlAs，具有1.3μm的能带隙波长和N＝1x 10¹⁷/cm³的N型掺杂密度、0.1μm的厚度。LWCoSCH 10040上方是活性电光和波导芯层(AEOWCo)10050。在示范性装置中，AEOWCo 10050包括由InGaAlAs材料制成的14个量子阱(8nm厚)和15个障壁层(5nm厚)，不具有掺杂或具有低掺杂(称为半征半导体或I型半导体)，从而得到层AEOWCo 10050的0.182μm的总厚度。量子阱层具有相对于InP晶格的35％压缩应变，且障壁层具有相对于InP晶格的40％拉伸应变。AEOWCo 10050上方是上部波导单独限制异质结构(SCH)层(UWCoSCH)10060。在示范性装置中，UWCoSCH 10060是P掺杂InGaAlAs，具有1.3μm的能带隙波长和P＝1x 10¹⁷/cm³的P型掺杂密度、0.1μm的厚度。UWCoSCH 10060上方是上部传导波导包层(UCWCd)10070。在示范性装置中，UCWCd 10070是P掺杂InP，具有0.9μm的能带隙波长和P＝1x 10¹⁸/cm³的P型掺杂密度、1.5μm的厚度。UCWCd 10070上方是上部电欧姆接触层UOHL 10080。在示范性装置中，UOHC 10080是P掺杂InGaAs，具有P＝1x 10¹⁹/cm³的P型掺杂密度和0.1μm的厚度。UOHC 10080上方是上部金属接触层UMC 10090。在示范性装置中，UMC 10090是由层UM110091、UM210092、UM310093、…表示的单层或多层金属，其中UM1层直接在UOHC 10080之上。在一个示范性实施例中，UM1是20nm的Ti，UM2是50nm的Pt，UM3是1000nm的Au。LOHC 10020上方的下部侧上是下部金属接触层LMC 10100。LMC 10100是由层LM110101、LM210102、LM310103、…表示的单层或多层金属，其中LM1层直接在LOHC 10020之上。在一个示范性实施例中，LM1是17nm的Au，LM2是17nm的Ge，LM3是17nm的Au，LM 4是17nm的Ni，LM5是1000nm的Au。

强度或相位调制器中的现有技术的局限性的概述

下文中，我们通过使用基于半导体的调制器的实例进一步概述调制器中的现有技术的局限性。典型半导体调制器具有约2-5V的切换电压，具有几毫米的装置长度。光学模式受在垂直方向上的弱导引结构限制，其中有效模式大小为0.5-1μm且厚光学包层为大约1.5μm以防止导引的光学能量以高金属光学吸收损耗到达顶部或底部金属电极。波导芯通常具有量子阱(QW)以在施加电场下增强折射率调制。基于此结构，已经使用QW和PIN(P掺杂、本征(即，未掺杂或为本征半导体材料)、N掺杂)型结构实现具有40GHz调制带宽的化合物半导体EO调制器，其中V为2-3V(给出调制器马赫曾德尔干涉仪(MZI)中的总相对相移的电压)。图3展示此PIN调制器结构的一般横截面，其是图2中所示的较详细示范性装置结构的一般示意图。调制器性能给出3V的调制器电压、30GHz的调制带宽以及1mm的调制器长度(参见[参考1])。此处提到的全部带宽是模拟3dB光学功率带宽(不是以需要较小模拟带宽的数字Gb/s)。

通常存在对半导体调制器的电光调制的四个贡献：(1)线性电光效应(LEO)；(2)二次电光效应(QEO)，包含当使用量子阱时的量子限制斯塔克效应(QCSE)；(3)带填充效应(BF)；(4)等离子效应(PL)。文献中较好地描述这些。具有QW的大多数调制器利用LEO+QCSE作为主效应。一些可涉及BF和PL作为额外效应。

电压在现有技术中通常为高(2-5V)，部分地因为这些常规EO调制器使用具有通常1.5微米厚度的厚包层的弱限制波导结构以避免金属光学吸收损耗。这导致在半高全宽(FWHM)功率点处具有近似0.5到1μm的宽度的垂直光学模式，但全光学能量在大小上垂直地延伸到2-3微米。如果整个光学模式区填充有活性EO材料，例如量子阱(利用QCSE)，那么电极间距将为在间距中大约2到3微米(或2,000nm到3,000nm)，这是较大的。PIN结构的使用可减少电极间距到比如约200-300nm，但随后200-300nm厚电光媒介与1,000nm大光束模式能量和RF场重叠的百分比(称为模式-媒介重叠因数)将较小(低到大约10％)。施加的RF电场通常在活性电光媒介中稍微均匀地分布。因此，10倍高的电场的优点(由于电极间距从2,000nm到3,000nm减少到200nm到300nm)被成比例地减少的模式-媒介重叠因数(从近似100％减少到大约10％)抵消。因此，调制电压不会因PIN结构的使用而改变许多。

由于如经由现有技术中的EO调制器所说明的上述原因中的一或多者，常规半导体EO或EA调制器取决于其装置长度和在四个主效应(LEO、QCSE、BF或PL效应)当中使用的非线性电光效应而具有2-5V的高调制电压。通常以2-3mm长装置可实现2V到3V Vπ。如果使用全部四个效应，那么其可以2V到3V Vπ减少到大约1mm长装置。调制器电压无法小得多且长度无法短得多且仍维持10GHz或更高的高调制带宽。

在本发明中，克服了现有技术的以上局限性，从而得到具有相对优值RMFOM的小装置大小的宽带低电压调制器，所述优值大体上比现有技术中的调制器高超过10到1,000倍。

技术实现要素：

本发明的目的是提供紧凑的强度或相位调制器，其具有极低切换电压、高调制带宽、低光学损耗、短调制器装置长度、高光学饱和强度，从而得到具有比基于现有技术的调制器高大体上超过10倍到1,000倍的极其高调制器相对优值的强度或相位调制器。

本发明的另一目的是使用集成技术或自由空间和离散光学器件提供紧凑的调制器装置，其可用作具有集成可能性的隔离的光学调制器或用作隔离的光学组件。

紧凑的调制器装置可以离散光学和机械组件构造或可集成于光子集成电路或电子光子集成电路(EPIC)中。

本发明公开实现将具有广泛范围的实用性且可用作芯片上装置的调制器装置的方式，包含但不限于光子集成电路(PIC)或EPIC及其制作方法。

本发明已克服现有技术关于调制器的前述局限性。在本发明的涉及半导体作为电活性层(ECL)的一个实施例中，通过不使用QCSE而是利用可基于载流子带填充效应以较大数量级极大地增强折射率改变的结构来克服所述局限性，本发明通过采用由量子阱或块体半导体材料组成的活性材料(ACM)的大体上较高载流子掺杂密度而实现此目的。

通常，在现有技术中，虽然可由于较高载流子引起的折射率改变而产生较高调制，但由于高自由载流子吸收损耗并且还由于可减少频率响应的较高PN结电容CPN而有意避免此高载流子掺杂密度区。

本发明克服所述缺点且可不管高载流子掺杂(且因此低调制电压)而实现高调制频率和装置插入的低光学损耗，从而得到超低电压高速低损耗超紧凑的光学强度和相位调制器。

出于说明而不是限制的目的，这些例如首先通过利用例如带边缘带填充效应的“近带隙折射率改变结构”而实现，其具有高折射率改变(且因此较低调制电压)，其中使用主要n型载流子(具有较低光学自由载流子吸收损耗)且使用仅实现经掺杂装置的短长度的装置结构(例如，经由多层被动-主动装置集成结构(ML-APDI))，从而得到低总光学损耗；其次通过采用高速电结构而实现，例如通过使用薄得多的包层降低调制器中的波导包层的电阻且通过使用用于包层中的导电的主要n掺杂剂来降低装置串联电阻Rser。较低Rser将由于高载流子掺杂密度而平衡增加的P-N或P-I-N结电容CPN，且因此维持高RC截止频率fRC，其取决于R和C的乘积：fRC＝1/(2πRser CPN)；第三，通过使用具有高波导芯与包层折射率比率(也被称为折射率对比度)的薄得多的垂直波导结构，从而得出与折射率改变层(即调制器活性层)的高光学模式能量重叠或也被称作高模式-媒介重叠因数，从而导致光束的每单位传播距离的光学相移的较高改变且因此较低调制电压；和/或第四，通过消除可造成光学吸收损耗的顶部和底部金属接触件。光学模式能量与调制器活性层(例如，活性EO或EA材料层)和施加RF字段或电流重叠的百分比也被称为“光学模式能量与活性层重叠因数”或“模式-媒介重叠因数”。施加RF电场或电流通常在活性材料层中稍微均匀地分布。

以上有利因数中的一或多者可单独地或联合地采用且当联合地应用这些因数中的一者以上时它们可相互彼此增强。举例来说，每单位传播距离的光学相位的较高改变意味着装置长度可较短，也导致随着传播长度增加的较低总光学自由载流子吸收损耗，从而实现也超紧凑的超低电压高速低损耗光学强度和相位调制器。

虽然上文论述电光(EO)调制器，但本发明中的若干上述优点可通过将活性EO材料改变为电吸收(EA)材料而相等地应用于电吸收(EA)调制器，且可使用非半导体材料作为EO或EA材料(即，作为活性材料(ACM))。

由本发明产生的调制器能够实现比基于现有技术的调制器的优值好(即，高)10到1,000倍的相对调制器优值RMFOM。因此，本发明具有集成光学调制器的超过基于现有技术的集成光学调制器的性能的重要性能优点。现有技术中的调制器大部分尚未达到此高RMFOM的事实表明本发明对于所属领域的技术人员不是当前显而易见的，因为在大部分光学调制器应用中高RMFOM是始终合意的。

本发明的额外实施例是调制器与基于绝缘体上硅(SOI)衬底的电子-光子(EPIC)集成电路平台的兼容性。此实施例是出于说明而不是限制的目的。举例来说，可使用例如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)等其它类型的衬底，只要满足本发明中的调制器的一般结构要求即可。

在本发明的一个方面中，通过采用大体上更薄波导层而克服现有技术中的量子阱的低“模式能量与活性EO材料重叠因数”或简单地称为“模式-媒介重叠因数”，所述波导层在垂直方向(垂直于衬底的方向)上在波导芯与包层之间具有大体上较高折射率对比度。这是例如通过消除顶部和底部金属接触件来实现，其使得能够通过以低折射率欧姆透明导电(LRI-OTC)材料代替常见金属接触件而减少顶部和底部包层的厚度而不会造成由于金属所致的光学损耗，所述LRI-OTC材料具有低光学折射率以充当到P掺杂或N掺杂半导体的低电阻电接触件。

通常，此薄波导层可增加装置插入损耗，因为难以用光学方式将光耦合到层中，尤其是从光纤耦合。本发明克服所述缺点且可实现高装置效率(具有低功耗或小装置大小或低装置光学插入损耗)。本发明通过采用高效光束模式耦合结构以将输入/输出透明波导之间的光耦合到含有活性增益/吸收媒介的波导(称为向上/向下耦合器)来实现此目的。

在本发明的另一方面中，所述向上/向下耦合器具有低对准敏感性。

在本发明的另一方面中，所述低折射率欧姆透明导电(TCO)材料能够通过使电子功函数合理地匹配到邻近于TCO材料的P型或N型半导体而实现“欧姆接触”。

在本发明的另一方面中，所述低折射率欧姆透明导电材料是透明导电氧化物(TCO)或大带隙半导体，具有合理地匹配到紧靠其的P型或N型半导体的费米(Fermi)能级以使得可在所述TCO与P型或N型半导体层之间实现欧姆接触。

在本发明的又一方面中，用于N侧欧姆接触的低折射率欧姆透明导电氧化物是氧化铟(InO)、氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、氧化锌铟锡(ZITO)、氧化镓铟(GIO)、氧化镓铟锡(GITO)和氧化镉(CdO)或含有这些氧化物中的任何一或多者的材料。

在本发明的又一方面中，用于P侧面欧姆接触的低折射率欧姆透明导电氧化物是氧化铟(InO)、氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、氧化锌铟锡(ZITO)、氧化镓铟(GIO)、氧化镓铟锡(GITO)和氧化镉(CdO)，或含有这些氧化物中的任何一或多者的材料。

在本发明的方面中，通过使用用于到顶部P掺杂或N掺杂半导体的顶部金属接触件的侧面导电结构而克服量子阱的现有技术的低模式-媒介重叠因数。

在本发明的另一方面中，波导包层中的折射率与波导芯中的折射率之间的差处于极强到中等强波导区中以用于垂直于衬底的方向中的波导限制。

在本发明的另一方面中，波导包层中的折射率与波导芯中的折射率之间的差处于弱波导区中以用于在垂直于衬底的方向中的波导限制。

在本发明的另一方面中，称为电活性波导芯的活性层结构(ALS)中的中心波导芯的厚度处于超薄或极薄机制中。

在本发明的另一方面中，称为电活性波导芯的活性层结构(ALS)中的中心波导芯的厚度处于超薄、极薄或中等薄机制中。

在本发明的另一方面中，称为电活性波导芯的活性层结构(ALS)中的中心波导芯的厚度处于薄机制中。

在本发明的另一方面中，所述电活性波导结构将处于极强导引机制中，且电活性波导芯的厚度将处于超薄机制或极薄机制中。

在本发明的另一方面中，电活性波导芯结构将处于中等强导引或极强导引机制中，且电活性芯的厚度将处于超薄机制、极薄机制或中等薄机制中。

在本发明的另一方面中，电活性波导芯结构将处于弱导引机制中，且电活性波导芯的厚度将处于超薄、极薄、中等薄或薄机制中。

在本发明的又一方面中，通过低折射率欧姆透明导电材料制得的接触件优选地到装置结构的顶部和底部部分处的N掺杂半导体，因为N掺杂半导体具有比P掺杂半导体低的电阻并且还具有比P掺杂半导体低的光学吸收损耗。

在本发明的又一方面中，顶部和底部接触件中的仅一者采用经由低折射率欧姆透明导电材料的接触。

在本发明的又一方面中，一对掺杂薄P-N层充当空穴到电子PN改变的PN结或PN隧道结以便将与P掺杂半导体的金属接触改变为与N掺杂半导体的金属接触，其实现欧姆接触电阻的急剧减少，因为N掺杂半导体更容易实现低欧姆接触电阻。

在本发明的方面中，通过使用用于到顶部P掺杂或N掺杂半导体的顶部金属接触件的侧面导电结构而克服量子阱的现有技术的低模式-媒介重叠因数。侧面导电几何形状使得波导层较薄从而得出高模式-媒介重叠因数且还维持低光学损耗，因为光束能量将不接触已经移动到侧面的光学损耗金属。常常可使此些薄波导结构中的顶部包层为空气或某种低折射率电介质材料。在本发明的又一方面中，金属在与尽可能大的区域的接触的两侧上沉积以减少欧姆接触电阻。侧面导电层高度掺杂以减少侧面导电电阻，但不会太高度掺杂而造成由于自由载流子所致的过量光学吸收损耗。

在本发明的又一方面中，顶侧导电结构优选地为具有比P掺杂半导体低的电阻的N掺杂半导体并且还具有比P掺杂半导体低的光学吸收损耗。

在本发明的又一方面中，通过使用用于到底部P掺杂或N掺杂半导体的底部金属接触件的侧面导电结构而克服量子阱的现有技术的低模式-媒介重叠因数。侧面导电几何形状使得波导层较薄从而得出高模式-媒介重叠因数且还维持低光学损耗，因为光束能量将不接触已经移动到侧面的光学损耗金属。常常可使此些薄波导结构中的底部包层为空气或某种低折射率电介质材料。

在本发明的又一方面中，底侧导电结构优选地为具有比P掺杂半导体低的电阻的N掺杂半导体并且还具有比P掺杂半导体低的光学吸收损耗。

在本发明的又一方面中，顶部和底部侧面导电结构两者优选地是具有比P掺杂半导体低的电阻的N掺杂半导体并且还具有比P掺杂半导体低的光学吸收损耗。

在本发明的又一方面中，顶部和底部接触件中的仅一者采用侧面导电结构。

在本发明的又一方面中，侧面导电结构包含顶部透明电介质区，其上方和两侧上沉积有金属以得到机械稳健性。

在本发明的又一方面中，顶部透明电介质区充当横向限制肋状物波导结构。

在本发明的又一方面中，底部透明电介质区充当横向限制肋状物波导结构。

在本发明的又一方面中，中心电介质区充当横向限制肋状物波导结构。

在本发明的又一方面中，宽顶部接触区用以减少装置接触电阻和导电电阻，且与顶部金属侧面接触件结构一起用以增加与活性媒介的光学模式能量重叠。

在本发明的又一方面中，波导结构用以将光束传播到调制器结构中且避免高度掺杂量子阱或块体材料延伸到透明波导区，进而减少通过具有高光学吸收的量子阱或块体材料区的光束传播长度。这减少通过调制器装置的总光束吸收损耗。

在本发明的又一方面中，波导结构向下成锥形到小于波导材料中的波长的宽度以便朝向量子阱或块体材料强推送模式远离下部透明波导结构，进而增加与量子阱或块体材料的光学模式能量重叠。

在本发明的另一方面中，实现光学调制所需的光束区域中的折射率改变是通过从N掺杂或P掺杂活性区域耗尽载流子或对其注入载流子且更改光跃迁能量边缘而更改。这导致其中光跃迁可发生的最小能量的改变。其中光跃迁可发生的最小能量的此改变更改媒介的折射率。

在本发明的一个方面中，此载流子耗尽或注入是来自或去往波导光束能量区域中的一或多个量子阱。

在本发明的一个方面中，此载流子耗尽或注入是来自或去往波导光束能量区域中的块体半导体材料。

在本发明的另一方面中，活性媒介由化合物半导体组成，其中材料组成经选择以导致合理地接近光学操作波长的能带隙而导致由于带填充所致的足够高的折射率改变。

在本发明的另一方面中，活性媒介的能带隙小于远离光子操作能量的光子能量的30％而导致足够高的折射率改变。

在本发明的又一方面中，可通过例如硅-锗(SiGe)量子阱或SiGe块体材料等非III-V材料形成活性调制器活性材料(ACM)。

在本发明的又一方面中，活性媒介(ACM)具有P型或N型掺杂的高级掺杂载流子密度以及高于2x10¹⁷/cm³且低于5x10¹⁷/cm³的掺杂密度，主要但非排他地用于低调制电压VMOD或低调制RF功率PMOD(低意味着VMOD<1.75伏特或PMOD<60mW)，以及低损耗高频调制器应用。通常，VMOD和PMOD通过R负载传输线电阻或负载电阻而近似相关：PMOD＝VMOD²/R负载。在一示范性实施例中，R负载是约50欧。

在本发明的又一方面中，量子阱具有P型或N型掺杂的中等-高级掺杂载流子密度以及高于或等于5x10¹⁷/cm³且低于1.5x10¹⁸/cm³的掺杂密度，主要但非排他地用于中等-低调制电压VMOD或中等-低调制RF功率PMOD(中等-低意味着VMOD<1伏或PMOD<20mW)，以及低损耗高频调制器应用。

在本发明的又一方面中，量子阱具有P型或N型掺杂的极高级掺杂载流子密度以及高于或等于1.5x10¹⁸/cm³且低于5x10¹⁸/cm³的掺杂密度，主要但非排他地用于极低调制电压VMOD或极低调制RF功率PMOD(低意味着VMOD<0.6伏或PRF<7mW)，以及低损耗高频调制器应用。

在本发明的又一方面中，量子阱具有P型或N型的超高级掺杂载流子密度以及高于或等于5x10¹⁸/cm³的掺杂密度，主要但非排他地用于超低调制电压VMOD或超低调制RF功率PMOD(超低意味着VMOD<0.3伏或PMOD<2mW)，以及低损耗高频调制器应用。

在本发明的又一方面中，量子阱可为有应变、无应变、双阱或多阱量子阱。

作为示范性实施例，低电压/功率情况可实现RMFOM>0.05且超低电压/功率情况可实现RMFOM>2.5，而现有技术可仅实现RMFOM<0.005。

附图说明

下文将结合为了说明而不是限制本发明而提供的附图来描述本发明的优选实施例，其中相同标号表示相同元件，且其中：

图1a是说明其中电子载流子填满传导带从而导致吸收能量从接近带隙能量Eg移位到大于带隙能量Eg+ΔE(或以波长λγ-Δλ)的情况的图；

图1b是展示从吸收曲线αEg(λ)到αEg+ΔE(λ)的“吸收能量边缘”的改变导致材料的折射率改变Δn(λ)的图。

图2是展示现有技术的电光(EO)调制器的图。具体来说由III-V化合物半导体材料制成的调制器。

图3是说明PIN调制器结构的横截面的图。

图4a是展示“调制器输入光束耦合器结构(IBCS)”、“活性层结构(ALS)”和“调制器输出光束耦合器结构(OBCS)”的位置的图。

图4b是输入波导区的横截面的示范性示意图。由光束(OB)占据的区展示为阴影区。

图4c是IBCS区或OBCS区的横截面的示范性示意图。由光束(OB)占据的区展示为阴影区。

图4d是展示活性材料(ACM)层、电活性层(ECL)和波导层的ALS区的横截面的示范性示意图。由光束(OB)占据的区展示为阴影区。

图5a是展示一对电容性加载行波电极的图。

图5b是展示图5a中的横截面d-d'的图，说明两个相位调制器的底部部分是连接的。

图6a是展示对沿着马赫曾德尔干涉仪的两个分支的两个相位调制器供电的一对电容性加载行波电极(CL-TWE)的等效集总元件电路的图。

图6b是展示用于行波电极的CL-TWE线的俯视图的图。

图7a/b是说明如何使用两个锥形将来自SOI波导的光束耦合到薄膜调制器结构中的图

图8a是展示侧面导电层(SCL)情况的横截面的图。

图8b是展示欧姆透明导体(OmTC)情况的横截面的图。

图9是展示用于示范性NIN调制器的详细结构的图。

图10是展示示范性NPNN调制器的详细结构的图。

图11是展示用于NIN情况的调制BW的图，具有2μm宽活性区域因此wCAP＝2μm。

图12展示用于NPNN情况的调制带宽，具有2μm宽活性区域因此wCAP＝2μm。

图13是说明本发明的EO调制器的一般几何形状的图。图13b是图13a的半透明说明。

图14展示说明包围输入连接波导芯的材料的图。

图15展示说明输入光束耦合器结构(IBCS)的图。图15a展示输入光束耦合器结构(IBCS)包括大体上从宽到窄成锥形的至少锥形波导区段。任选地，输入锥形波导区段之上的活性层结构ALS也可呈向上锥形的形式(在朝向活性层结构ALS的方向中从窄到宽成锥形)。参见例如图15b。

图16展示说明用于顶部金属接触垫放置的几个示范性情况的图。

图17展示说明电活性波导芯结构EWCoS 22600的特定示范性实施例的图。

图18展示说明输出连接波导结构的图。

图19展示说明输出连接波导包层划分为四个不同区的图。

图20展示说明输出光束耦合器结构(OBCS)的图

图21展示说明电活性层(ECL)的图。

图22a展示说明PqN、NqN或PN结周围的结构的图。

图22b展示说明具有PN改变PN结的围绕PqN、NqN或PN结的结构的图。

图23展示说明涉及在远离层TVSCOC 21700的中心区的侧面上具有金属欧姆接触件的替代结构的图。

图24展示说明涉及具有“具有金属接触件的顶部横向导电几何形状”并且具有低损耗电介质材料作为层21810的替代结构的图。

图25展示说明其中金属可甚至到达顶部低损耗电介质材料区TDMR21810之上以使此顶部横向导电结构机械上稳健的替代结构的图。

图26展示说明例如通过使用顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层TVSCOC21700来横向地限制模式而具有低电容并且具有低光学损耗的替代结构的图。

所属领域的技术人员将了解，图中的元件仅为简单和清晰起见而进行说明，且不一定按比例绘制。举例来说，图式中的一些元件的尺寸可相对于其它元件夸大，以帮助改善本发明的实施例的理解。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

本发明的动机

各种应用存在对于超低RF功率超宽RF带宽低光学损耗高光学功率调制器的各种需要。采用本发明的示范性实施例的某些示范性调制器能够具有超低电压、超高调制带宽、低光学损耗或高光学功率，或以上多者。另外，它们大体上是超紧凑的，可与半导体激光集成，且可基于质量可产生硅光子平台而制作，上所述平台具有EPIC(电子光子集成电路)能力而实现未来扩展以与RF电路或其它芯片上的光子装置集成。

对紧凑的宽带宽低功率低损耗调制器的需要

通信和感测中的新应用需要高频电子信号的发射。超快速数字数据经由光纤系统的发射对于下一代数据中心也是重要的。为了解决此些需要，能够具有低切换电压(低于0.5到1V)、宽RF带宽(BW)(高于20GHz；优选地超过100GHz)、低装置光学功率损耗(优选地<6dB)且能够承受几百毫瓦的光学功率的光学相位或强度调制器将为合意的。EO调制器中的现有技术不能够实现此些调制器。举例来说，市场中的通常可用的铌酸锂调制器可变成高达40-100GHz，但无法达到低于1V的足够低的调制电压。聚合物调制器可产生超过100GHz的较宽带宽，但仍具有高切换电压。而且它们无法承受高光学功率。基于半导体的调制器在其较小大小和较短物理长度方面具有各种优点，但它们还不能够同时产生低于1V的调制电压、高于20GHz的宽调制带宽以及小于6dB的低装置光学处理量损耗。

下文描述的本发明的示范性实施例将利用经组合以完全解决上述问题的几个关键因数，从而同时得到低调制电压和宽调制带宽。在一些优选实施例中，所得调制器也具有短物理装置长度和低光学损耗。

本发明的广泛概述

光学调制器装置可划分成构成调制器的几个关键组件。输入光束必须有效地导通到调制器的活性材料媒介(ACM)而无所述光束的光学功率的太多损耗。在常规EO调制器中，这仅通过将输入波导接合到调制器波导而完成。在本发明的EO调制器中，由于调制器中的小光学模式，在一个示范性实施例中，此输入结构是本发明的调制器的一体式部分。我们将此称为“调制器输入光束耦合器结构(IBCS)”。图4中展示说明此IBCS的图。图4b展示输入波导区的横截面的示范性示意图。图4c展示此IBCS区的横截面的示范性示意图。图4b和图4c中由光束(OB)占据的区展示为阴影区。

所述调制器输入光束耦合器结构将光束从波导带入调制器的主波导，其含有活性电光(EO)材料或电吸收(EA)材料。活性EO(或EA)材料是可通过施加电场或电流更改折射率(或吸收或增益)的材料。此EO或材料将共同地称为活性材料或媒介(ACM)。所述活性媒介通常嵌入作为调制器的活性层结构(ALS)的部分。图4d展示此ALS的示范性示意图。活性媒介(ACM)加紧靠其的用于施加所需电场或引入所需电流的紧邻连接结构称为电活性层(ECL)。图4d展示此ECL的示范性示意图。

另外，更广泛导电结构与所述电活性层和波导结构集成以使得可将电场或电流带入包含所述活性材料的电活性层，且同时波导结构将导引光束以使得其光束功率的部分与EO/EA材料重叠。这使得光束能够经历通过EO材料层中的折射率改变或EA材料层中的光学吸收(或在某些情况下光学增益)的改变引起的相移的改变。

紧邻连接且紧靠活性材料的用于施加所需电场或引入所需电流的最常使用的结构是PIN结构，意味着到活性材料的导电是以P掺杂半导体接着是固有(“I”)半导体，且随后接着是另一N掺杂半导体。图4d展示此PIN结构的示范性示意图。所述活性媒介通常在I层中，但也可在P或N层中的任一者中，包含I与P和N层中的任一者之间的过渡区，或在多个这些层中。所述活性媒介可为所述层自身，或量子阱结构，或嵌入所述层中的其它活性媒介结构。最通常地，所述活性材料是本征层中的量子阱。本征层中具有此PIN结构和量子阱作为电活性层的大多数EO和EA调制器在到此PIN结构的反向偏压下操作(其中负电压施加于P侧且正电压施加于N侧)。反向偏压将不会带入许多电流到活性材料但将带入强电场到活性材料。作用于量子阱上的电场随后在光束的光学波长下改变其折射率或吸收。在一些情形中，调制器可以增益操作且可将正向偏压施加于此PIN结构(其中正电压施加于P侧且负电压施加于N侧)。正向偏压将强注入电流带到活性材料。激发量子阱中的载流子的电流随后在光束的光学波长下改变其折射率或增益(或吸收)。通常，基于正向偏压的调制器具有缓慢断开特性，原因是在电压断开之后活性媒介中的激发载流子的缓慢纳秒衰退。因此，通常反向偏压情况将引起比正向偏压情况快得多的调制速度。

对于具有例如PIN结或类似物的调制器，电活性层(ECL)将所述EO/EA材料以及紧邻的P和N掺杂区或类似物。图4d展示具有PIN结构和EO/EA活性材料(ACM)层的此ECL的示范性示意图。

所述整个较大结构在下文称为活性层结构(或ALS)。简单地说，包括(1)波导层；(2)电活性层；以及(3)其它导电层的所述整个结构在本发明中称为调制器的活性层结构(ALS)。图4d展示此ALS的示范性示意图。在许多情形中，电活性层的部分或其它导电层的部分也服务于波导层的双重功能部分。因此，每一这些层常常本身充当多功能层。

ALS中的光学波导称为活性波导，以便将其区分于不具有活性EO/EA材料的输入和输出波导。在另一示范性实施例中，本发明是关于独立于输入和输出模式耦合结构的活性层结构的特定结构。图4中展示此ALS层的位置。

在输出处，我们具有“调制器输出光束耦合器结构(OBCS)”，其将光束从调制器活性层结构有效地耦合到主要被动输出光学波导中。在此上下文中被动意味着波导主要用以发射光束能量。主要被动意味着其也可为主动的(例如，具有光学增益、吸收或调制)，但出于本发明的目的，被动光束发射功能是利用的功能。在又一示范性实施例中，此输出结构是本发明的调制器的一体式部分。图4中展示此OBCS的位置。OBCS的横截面类似于IBCS的横截面。图4c展示此OBCS区的横截面的示范性示意图。由光束(OB)占据的区展示为阴影区。

出于说明而不限制的目的，提供采用本发明的示范性调制器装置的概述是有用的。本发明的示范性EO调制器中的活性层结构可利用多达六个主要关键元件，即：(1)使用高效耦合波导平台(EC-WG)；(2)低光学损耗欧姆接触(LOL-OC)，例如使用透明导体和侧面导电几何形状，(3)低光学损耗和高导电性波导结构(LOL-HEC-WS)，例如使用PN改变PN结或PN隧道结以减少具有P掺杂的区，(4)高响应活性材料，例如在施加电压、电流或者载流子的注入或耗尽下具有高EO或EA响应的材料(HR-AM)；在本发明的示范性实施例中，这是以量子阱中的适当高载流子掺杂实现，和(5)高度限制薄膜电活性波导(TF-ECW)，以便增加光学模式能量与活性材料之间的重叠量。

为了概述这些少数优点，本发明的调制器涵盖以上五个主要关键元件中的一或多者，包含光束输入/输出耦合波导、欧姆接触、波导导电结构、活性层和强限制薄膜活性波导中的优点。为了一般参考，利用以上五个主要因数中的几个的光电或光子装置结构将大体上称为WOCAT装置结构。虽然此处的WOCAT结构应用于光学相位和强度调制器，但其具有超出光学调制器的应用，例如应用于光学放大器、光检测器、激光、发光装置、光学切换和逻辑装置以及光学信号处理装置。

作为示范性实施例，出于说明而不是限制的目的，本发明的EO调制器能够实现以下重要优点：超低电压(典型<0.5V)，宽RF带宽(20-100GHz)，低光学损耗(<6dB)，短装置长度(<1mm)，或高光学功率(>100mW)，或以上多者。作为示范性说明而不是限制，此调制器可在其结构中利用以下少数关键因数中的一或多者。

关键因数I：经由强模式限制的低电压

出于论述的目的而不是限制，对于1550m的操作光学波长，示范性方法将基于InP/InAlGaAs材料系统(简单地称为InP/III-V)。当用作1550nm EO材料时，InP/III-V材料系统将涉及在1300-1400nm波长范围下的量子阱(QW)，其足够接近于1550nm操作波长从而得到高EO相移，但仍远离1550nm以使得光学载流子激励将为低，从而实现高光学功率(>100mW)。这将导致高最大光学功率或高MP值(在调制器优值：MFOM中使用)。当用作1550nm EA调制材料时，InP/III-V材料系统将涉及在1400-1550nm波长范围的量子阱(QW)，其足够接近于1550nm操作波长从而得到高电吸收，且在一些情况下得到光学增益(吸收和增益两者可用以调制光束的强度)。然而在此情况下，由于光束能量被吸收且使吸收量子阱饱和，MP值将较小，从而当光束功率高时减少由于电吸收所致的光学调制量。

为了实现极低调制电压，一种方法是使光学模式限制很严格以便大幅度减少电压施加电极之间的有效距离。这将使得能够以成比例较低的施加电压实现相同电场强度(假定模式-媒介重叠因数接近100％且无法进一步增加)。如果模式-媒介重叠因数小，那么得出小模式大小的较强模式限制将增加所述重叠，其也将甚至以相同电场强度增加调制相移或吸收。在任一情况下，电压由于较高电场或较高模式-媒介重叠而降低。

对于常规半导体EO或EA调制器，垂直模式大小(FWHM)为大约0.5μm到1μm。通过使用具有高折射率(n为大约3到4)的半导体作为由具有n为大约1到2的低折射率的空气、电介质材料或聚合物作为波导包层包围的波导芯的高折射率收缩材料，有可能将垂直模式大小减少大约2.5倍到10倍，达到大约0.1-0.2μm(在λ＝1550nm)。举例来说，使用具有n为大约3.5的III-V半导体的高折射率作为波导芯且空气作为包层将得到大约0.2μm的单模式强限制波导物理高度，由dSM～λ/(2n)＝1500nm/(2*3.5)＝0.214μm给出。这给出大约0.1μm的垂直模式大小，其为模式大小的5到10倍减少或模式-媒介重叠因数的5到10倍增加。假设其它因数保持相同，调制电压与模式-媒介重叠因数成反比例。因此，5到10倍高的模式-媒介重叠因数将使调制电压减少5到10倍，且通过使用本发明的具有强模式限制的结构，典型常规调制器结构的5V调制电压可减少到低于1伏特。

出于说明的目的而不是限制，除非另行说明，否则本发明中给定的例如模式大小和结构大小等全部尺寸数字都假定操作光学波长是约1550nm的波长。所属领域的技术人员众所周知，当在其它波长操作时全部这些尺寸在成比例地按比例缩放以使得如果操作波长是约750nm，那么全部物理尺寸将为针对1550nm波长情况给定的尺寸的大约二分之一。本发明适用于全部其它波长且不限于1550nm的示范性操作波长。

关键因数II：到强限制波导中的高效耦合

在本发明中，垂直模式限制减少到<0.2-0.3μm。挑战是如何实现到亚微米波导的高效光束耦合。我们将使用可制造于衬底上的锥形波导解决此问题，且其上的ALS薄膜可在波导制造之后经由晶片结合方法或其它方法附接。此锥形波导耦合结构可实现超过90％-95％光学功率耦合效率。

关键因数III：经由低欧姆接触电阻和低光学损耗高传导性波导结构的高调制带宽；以及经由增强EO响应的高调制带宽

为了以强光学模式限制实现对调制器装置中的电流注入和电压传导，作为在本发明中的示范性实施例，使用透明导电(TC)材料，其具有低折射率且还可实现以极低接触电阻与N掺杂InP半导体材料的极好欧姆接触。我们将这些称为电阻透明导电(OmTC)材料。这些TC材料通常是金属氧化物(In2O3、ZnO、InSnO、CdO、ZnInSnO、InGaO等)或掺杂金属氧化物(例如，以上列出的金属氧化物掺杂有镁Mg或锌Zn等)，最熟悉的一种是LCD显示屏中广泛使用的ITO(氧化铟锡；InSnO)。它们称为透明导电氧化物(TCO)。举例来说，通过适当过程，有可能实现In2O3或CdO与N掺杂InP之间的良好欧姆接触。我们将称这些为电阻TCO(OmTCO)。OmTCO将使得能够实现也具有高模式限制的稳健电结构。

替代地，我们可使用侧面导电层(SCL)将电压带入用于低电压调制器的顶部层中。侧面导电几何形状使得波导层较薄从而得出高模式-媒介重叠因数且还维持低光学损耗，因为光束能量将不接触已经移动到侧面的光学损耗金属。常常可使此些薄波导结构中的顶部包层为空气或某种低折射率电介质材料。

OmTCO或SCL两者可用于顶部接触件。当所述结构与SCL相比较薄时，用于顶部接触件的OmTCO的使用在制造容易方面具有优点并且还潜在地改善装置性能，因为金属接触面积可较大。

然而，解决导电是物质的仅二分之一。常规半导体EO或EA调制器的调制速度是大约20-40GHz。期望以电压<1V达到100GHz。可如何实现此情况呢？显然p掺杂材料与金属的高接触电阻、即与金属的高P欧姆接触电阻是限制较高调制频率的主要问题。P欧姆接触通常具有比N欧姆接触高10倍的电阻(具有可产生合理地低接触电阻的其相应适当欧姆接触金属)。

我们应注意在相同掺杂剂密度下，P掺杂包层通常也具有比其为N掺杂的情况高大约10倍的电阻。虽然包层电阻通常尤其由于活性层结构薄而小于P欧姆接触电阻，但当高频调制电压脉冲(或电信号)沿着调制器结构传播时P掺杂包层可造成射频(RF)损耗。在自由载流子光学吸收方面，在相同掺杂剂密度下，P掺杂包层也比N掺杂高大约10倍。如果通过增加载流子掺杂密度减少P掺杂包层电阻，那么也将增加光学损耗，从而使得难以实现低电压所需要的长调制器长度，从而得出低电压(需要低掺杂密度)与高频率(需要高密度)之间的折衷。

为了得到用于调制器的较高电调制频率响应，重要的是通过将P欧姆接触和包层电阻替代地改变为N接触件和N掺杂包层而减少P欧姆接触和包层电阻。几个示范性结构可实现此情况。这些结构广义上分类为下文论述的替代的电活性层结构A、B、C和D。

替代的电活性层结构A：NIN结构

除上文提到的可用作ALS中的电活性层结构的常见PIN结构以外，还存在可具有某些优点的ALS结构中的其它替代的电活性层。首先是ALS结构中的NIN电活性层的使用，意味着到活性媒介的导电是借助N掺杂半导体接着是本征(“I”)半导体，且随后接着是另一N掺杂半导体。所述活性媒介通常在I层中，但也可在两个N层中的任一者中，包含I与所述两个N层中的任一者之间的过渡区，或在多个这些层中。所述活性媒介可为层自身，或量子阱结构，或嵌入电活性层中的其它活性媒介结构。

在本发明中的调制器装置大部分仅需要将电场施加于活性媒介以影响活性媒介的折射率或光学吸收(或光学增益)的情形中，使用此NIN结构作为活性层是适当的。

与常规PIN结构的使用相比，此NIN结构将使欧姆接触电阻减少10倍，因为金属接触件的两侧将仅接触到N掺杂层。应注意在NIN中，有时引入薄P掺杂层以使得其形成NPIN，其中P层有助于阻挡电流。“NIN”此处广义地包含NPIN。对于NPIN情况，施加于NP侧的N层的正电压将在NP结处造成反向偏压且因此截止任何电流(PIN侧变成正向偏压)。施加于PIN侧的N层的正电压将在PIN结处造成反向偏压且因此也截止任何电流。到PIN结的此反向偏压情况通常是优选的，因为其将更接近地模仿到常规PIN结构的反向偏压情况，其中电压降主要跨越结构的PIN部分(而不是结构的NP部分)。

NIN结构还将由于P掺杂包层所致的RF损耗减少5到10倍。这使得受RF损耗截止限制的调制器的最大长度能够达到超过1cm的较长长度(对于40GHz带宽)。RF损耗对调制器的电容加载敏感。电容主要由“结电容区”的横向宽度决定，下文称为调制器-电容器横向宽度(标记为wCAP或wEC)。横向是垂直于光束传播方向且平行于衬底表面的方向。

对于具有界定“结电容器板的有效分离”的典型大约200nm厚活性区域的调制器，所需的调制器电容器横向宽度必须为wEC<2-μm以便对于1cm长调制器达到大约40GHz BW。在100GHz，此RF损耗有限调制器长度可为约3-5mm(对于相同的2-μm调制器电容器宽度)。

可使由于NIN中的N掺杂包层所致的光学吸收损耗有限长度(在2dB衰减以便保持总损耗小于6dB)达到长于0.5-1cm以使得长度将不受光学损耗限制(因为其具有比P掺杂低的光学损耗)。如果我们放入仅使用LEO而使非线性响应增加大约3倍的QW结构，那么用于此NIN结构的调制器长度可为大约1.5到3mm以用于实现1V。如果我们随后还将调制器电容器横向宽度减少到1μm或小于1μm(以增加频率响应)，那么与用于1V的较短长度组合，可随后同时达到100GHz和1V。

这些替代的NIN和NPIN(以及常规PIN)结构良好用于在反向偏压下操作的调制器装置，且是本发明中的调制器的替代示范性实施例。其它替代的变化包含反向偏压NP‘I’N、N‘P’IN、N‘P’‘I’N、NP‘I’N、P‘I’N、P‘I’N、P‘I’N、‘P’‘I’N或P‘I’‘N’结构；或PNIP、PN‘I’P、P‘N’IP、P‘N’‘I’P、PN‘I’P或PIP、P‘I’P、‘P’‘I’P、N‘I’N、‘N’‘I’N结构；其中量子阱放置于‘P’、‘N’和‘I’层(倒逗号中的那些层‘X’)中。

替代的电活性层结构B：P‘N’N结构

PIN(或NIN，NPIN)结构虽然以某些方式有吸引力，但经受其超过1mm的相对长装置长度的问题，这在尝试达到例如100GHz等极高频率时将变为挑战，如在电极的RF速度与光学速度的匹配将必须良好的情况下那样，这对于工程师潜在地是可能的但将使制造更复杂且昂贵。期望的是将调制器长度减少到短得多的长度。实现<0.5V的较低电压也是合意的。显然通过使用下文描述的P‘N’N结构有可能实现此情况。

本发明的调制器结构中的活性层结构的另一示范性实施例利用具有或不具有QW的新颖P‘N’N结构。再次使用强限制波导来将电压减少例如5倍。

P‘N’N结构的使用涉及具有或不具有QW的掺杂层。反向偏压施加于P‘N’N结(其中正电压施加到N侧)。中心‘N’层掺杂有或无QW。所述掺杂使得能够使用载流子带填充和等离子效应来增加相移。其使得除LEO效应之外还能够使用BF+PL还有QCSE效应。当恰当地设计时，这使得非线性EO响应比使用LEO加典型QW QCSE的情况高许多倍。对于EA调制，这使得EA响应比使用典型QW QCSE的情况高许多倍。

基本上如所属领域的技术人员所知，在P’N’结处存在载流子耗尽层(载流子耗尽是在垂直于P’N’结的方向中，从而产生小的无载流子区“D”，导致在载流子密度分布方面的PD’N’，其中D被耗尽载流子)。在反向偏压下，耗尽区(D)的宽度将增加。这意味着D区中的载流子带填充经修改，从而导致由于BF效应所致的折射率改变(在1550nm的波长处)。如果量子阱放置于D区中，那么它们将增强由于BF所致的折射率改变。如果使用量子阱，那么还由于带填充也将存在光学吸收的改变(在高于量子阱的最低能级的能量处)。当作为EO调制器操作(即，基于折射率改变)时，操作波长将处于远低于量子阱的最低能级的能量，因此光学吸收或光学吸收调制将最小，且主光学调制效应将是由于折射率调制。

进一步优化QW结构和掺杂的设计可将电光或电吸收响应推动到甚至更高，但优化P’N’N结构的代价是较高的光学损耗，其将调制器的长度限制为短于1.0mm。然而，EO或EA响应越高，较短长度的组成越多。我们针对用于EO响应的P’N’N+QW结构已计算的良好设计在0.2mm长度和50GHz带宽下给出1伏特(在wEC＝0.7μm的调制器-电容器宽度处)。所述长度短于50GHz RF波长，其为约2mm。因此，其减少RF光学速度匹配要求且使得制造更容易且更容易达到50GHz。其也带来各种激发可能性。举例来说，当使用小于1.0mm的较长装置长度时0.25V也是可实现的。

此P‘N’N调制器将为本发明的调制器的活性层结构的另一示范性实施例。其它替代的变化包含反向偏压P‘P’N结构(通常N掺杂优选用于中间层以较低光学损耗，但P掺杂也是可能的)。其它变化包含‘P’‘N’N或P‘P’‘N’，其中量子阱放置于‘P’和‘N’层两者中。

替代的电活性层结构C：NP‘N’N结构

通过利用下文描述的NP‘N’N结构，P‘N’N结构的短装置长度优点可与NPIN(或NIN)结构的较低光学损耗和较低电接触电阻优点组合从而得到低光学损耗和高调制两者。NPIN(或NIN)结构仅需要N个欧姆接触件，因为接触金属接触件的两个其它层都是N掺杂。因为不需要P欧姆接触，所以其将大体上减少调制器结构的总电串联电阻，从而导致较高频率响应。具有P掺杂剂的材料层也将较薄或较少，其也将减少自由载流子引起的光学吸收损耗并且进一步还减少电串联电阻(与具有相同载流子掺杂密度的N掺杂层相比P掺杂层通常具有10倍高的光学吸收和10倍高的电阻)。

本发明的调制器结构中的活性层结构的另一示范性实施例利用具有或不具有QW的新颖NP’N’N结构。再次使用强限制波导来将电压减少例如5倍。

如果使用，那么量子阱通常在‘N’层中但也可在N或P层中的任一者中，包含‘N’与两个P或N层中的任一者之间的过渡区，或在多个这些层中。所述活性媒介可为所述层(N或P或‘N’层)中的一或多者，或量子阱结构，或嵌入电活性层中的其它活性媒介结构，或来自量子阱和所述层(N或P或‘N’层)中的一或多者的效应的组合。

NP‘N’N结构的使用涉及具有或不具有QW的掺杂层。反向偏压通常施加于P‘N’结，但两侧为N接触件(其中正电压在P’N’结的N侧上)。因此NP结经正向偏压。中心‘N’层具有含或不含QW的掺杂层。所述掺杂使得能够使用载流子带填充和等离子效应来增加相移。其使得除LEO效应之外还能够使用BF+PL还有QCSE效应。当恰当地设计时，这使得非线性EO响应比使用LEO加典型QW QCSE的情况高许多倍。对于EA调制，这使得EA响应比使用典型QW QCSE的情况高许多倍。

进一步优化QW结构和掺杂的设计可将电光或电吸收响应推动到甚至更高，但优化NP‘N’N结构的代价是较高的光学损耗，其将调制器的长度限制为短于1.0mm。然而，EO或EA响应越高，较短长度的组成越多。我们针对用于EO响应的NP‘N’N+QW结构已计算的良好设计在0.2mm长度和100GHz带宽下给出1伏特(在wEC＝0.7μm的调制器-电容器宽度处)。所述长度短于100GHz RF波长，其为约1mm。因此，其减少RF光学速度匹配要求且使得制造更容易且更容易达到100GHz。其也带来各种激发可能性。举例来说，当使用小于1.0mm的较长装置长度时0.25V也是可实现的。另外，其可实现比P‘N’N结构低的光学损耗和低的电接触电阻。

此NP‘N’N调制器将为本发明的调制器的活性层结构的另一示范性实施例。NIN更简单但NP‘N’N具有更好的低电压和高频性能并且还具有几乎与NIN结构一样低的光学损耗和一样低的电接触电阻。其它替代的变化包含反向偏压NP‘P’N结构(通常优选用于‘X’层的N掺杂以实现较低光学损耗，但P掺杂也是可能的)。

再其它替代的变化包含N‘P’‘N’N、N‘P’NN，其中如果使用QW，那么它们将在‘P’和‘N’层两者中。对于N‘P’‘N’N情况，在反向偏压下，‘P’‘N’结之间的耗尽宽度将加宽且将从‘P’侧和‘N’侧两者中的量子阱扫掠出载流子，从而导致与例如NP‘N’N结构中量子阱仅在‘N’层中的情况相比两倍的折射率改变。

其它替代的变化包含反向偏压NP‘P’N；或PNIP、PN‘P’P、P‘N’PP、P‘N’‘P’P或PN‘N’P结构；其中量子阱放置于‘P’、‘N’和‘I’层(倒逗号中的那些层‘X’)中。

替代的电活性层结构D：正向偏压NN(+)P(+)PIN结构

在正向偏压情况中，通过利用下文描述的NN(+)P(+)PIN结构可实现NIN结构的低光学损耗和低电电阻优点。

本发明的调制器结构中的活性层结构的另一示范性实施例利用新颖的NN(+)P(+)PIN结构。再次使用强限制波导来将电压减少例如5倍。

活性媒介通常在I层中但也可在N或P层中的任一者中，包含I与N或P层中的任一者之间的过渡区，在另一掺杂N(+)或P(+)或N或P层中，或在多个这些层中。所述活性媒介可为层自身，或量子阱结构，或嵌入电活性层中的其它活性媒介结构。

正向偏压通常施加于PIN结(其中正电压在PIN结的P侧上)。在此情况下，N(+)P(+)结形式上处于反向偏压下，其通常将不具有许多电流。然而，如所属领域的技术人员所知，当N(+)和P(+)层高度掺杂(通常对于N和P材料两者以高于大约1x10¹⁸/cm³的掺杂密度且优选地高于1x10¹⁹/cm³时，载流子可实际上在反向偏压下隧穿通过，从而导致通过N(+)P(+)结的电流，进入正向偏压的PIN结区域。在此情况下，N(+)P(+)结通常称为载流子隧穿结(或简单地称为隧道结)。此隧道结可极薄，其中N(+)和P(+)层各自仅为数十纳米的厚度。净结果是在NN(+)侧的层N处的层P到N欧姆接触处的P欧姆接触的改变。如上所述，N欧姆接触大体上具有比P欧姆接触低得多(10倍低)的接触电阻。使用此对N(+)P(+)隧道结层因此使得能够在装置的两侧上具有N欧姆接触件。如果仅在活性媒介处希望电场(即，PIN结在反向偏压下)，那么此结构也起作用。

此NN(+)P(+)PIN结构将为本发明的装置的活性层结构的另一示范性实施例。其它替代的变化包含NN(+)P(+)IN、N(+)P(+)PIN、N(+)P(+)IN结构和类似物或通常在本征层中的活性媒介层中具有一些掺杂，得到NN(+)P(+)P‘N’N、NN(+)P(+)‘P’‘N’N、NN(+)P(+)‘N’N、N(+)P(+)P‘N’N、N(+)P(+)‘P’‘N’N、N(+)P(+)‘N’N、NN(+)P(+)P‘P’N、NN(+)P(+)‘P’N、N(+)P(+)P‘P’N或N(+)P(+)‘P’N结构；或PIN、PP(+)N(+)NIP、PP(+)N(+)N‘P’P、PP(+)N(+)‘N’‘P’P、PP(+)N(+)‘P’P、P(+)N(+)N‘P’P、P(+)N(+)‘N’‘P’P、P(+)N(+)‘P’P、PP(+)N(+)N‘N’P、PP(+)N(+)‘N’P、P(+)N(+)N‘N’P或P(+)N(+)‘N’P结构；其中量子阱放置于‘P’、‘N’和‘I’层(倒逗号中的那些层‘X’)中。它们对于在用于PIN(或P(+)IN或PIN(+)或P(+)IN(+))结的正向偏压下操作的装置是良好的。它们对于在用于PIN(或P(+)IN或PIN(+)或P(+)IN(+))结的反向偏压下操作的装置也是良好的，且是本发明中的活性光子装置的替代示范性实施例。

当下文的上下文清楚时，我们将使以上电活性层结构中的‘N’或‘P’指定中的倒逗号降低。以上实例是出于说明的目的而不是限制。举例来说，各种掺杂结构也可以为形成级联结构的位于彼此之上的接合点。所属领域的技术人员将知道其它显而易见的变化，其为以上各种掺杂结构的实例的使用或不使用量子阱的变化。

用于速度+阻抗匹配的慢波电极结构

在例如行波调制器等某些应用中，行波RF传输线电极结构应沿着装置波导制造。常常需要此行波RF传输线电极结构以便实现调制器的10-100Gb/s或更高的高频响应。下文描述此行波电极及其优化以匹配光束和RF波的传播速度。在此行波电极中，常常有利的是工程设计电极阻抗为约50Ω的标准阻抗或取决于应用的某个其它优选值。

由于III-V半导体中的RF介电常数在光学频率下接近于其介电常数，且在半导体调制器的情况下的RF波趋向于具有向具有较低介电常数的周围材料的电场边缘化，因此RF波趋向于以比光波快的速度传播。这可通过使用如图5a中所示的可调整的慢波电容性加载行波(CL-TWE)RF传输线结构来管理。代价是较长的长度，折衷了主要光学损耗(不是许多RF损耗)但其允许阻抗匹配。

显然慢波结构也使得能够自由地将同时阻抗匹配工程设计为50Ω，因为存在选择其填充因数“F”的自由，其将改变其有效电感-长度乘积L和每单位长度电容C。其通常以与允许阻抗低于50Ω的情况相比稍微较大的电压-长度乘积结束，从而导致用于相同调制电压的较长长度。以上大多数结构具有吸收较长长度的大量空间。因此，可工程设计速度匹配和50Ω。然而，当调制器短于0.2mm时速度匹配较不重要，因为在100GHz下的RF波长是大约1mm。

本发明的调制器的示范性装置

下文的示范性装置说明本发明的EO调制器的特定示范性实施例，包含行波电极、马赫曾德尔干涉仪以及推拉几何形状。图4中说明用于调制器的一般方案。在此调制器的一个示范性实施例和实现中，所述调制器可制造于用于在约1550nm的光纤通信波长下操作的“硅光子学”平台上。调制器制造于绝缘体上硅(SOI)晶片上，其中硅的薄层(大约300nm厚)预先接合到热氧化硅层上，其中在底部硅衬底之上生长1-2微米的厚度。SOI晶片上的300nm厚顶部层硅充当芯片上光学波导，其可制造为图4b中所示的通道波导，其中光束在如图4b所示的通道波导中传播。在此特定实施例中，通道波导芯由高折射率硅(具有n芯大约3.6的一折射率)制成。波导芯由充当波导包层的具有n包层大约1到1.5的低得多的折射率的二氧化硅或空气包围。使用硅作为波导使得能够在同一芯片上制造电子集成电路。此些波导是所属领域的技术人员众所周知的且常常称为“硅光子学”平台。如果随后制造例如调制器等活性光子装置，那么整个平台有时候称为电子光子集成电路(EPIC)。

对于图5a中所示的调制器，一对行波RF传输线电极用以沿着EO调制器传播RF电信号。这些电极经设计以使得RF波以接近于调制器的光学波导中的光波速度的速度传播。这称为速度匹配传输线。如所属领域的技术人员所知，当调制器长度与RF波长相比较长以使得光束中可实现最大调制时速度匹配是合意的。

在EO调制器几何形状的情况的此实例中，光束进一步分裂成两个传播分支，其形成马赫曾德尔光学干涉仪(MZI)。每一分支具有EO相位调制器。如所属领域的技术人员所知，其通常经布置以使得RF波将在所述分支中的一者中造成正相位移位且在另一分支中造成负相位移位，从而导致用于调制器的被称为“推挽式”配置的配置。如所属领域的技术人员所知，除推挽式配置之外可使用若干配置。因此此些RF电极和MZI几何形状是仅出于说明的目的而不是限制来展示。

本发明的实施例集中于EO相位调制器的实现上，其可如MZI几何形状中所示而使用或作为用于所属领域的技术人员众所周知的各种应用的隔离的相位调制器。RF电极说明本发明的调制器的特定应用中的示范性实施例。

对于此特定示范性实施例，RF电极是一对电容性加载行波电极(CL-TWE)。CL-TWE的每一分支与沿着基于光学波导的EO光学相位调制器行进的电极电接触。EO光学相位调制器由DC施加电压反向偏压。因此存在两个相位调制器，每一分支对一个相位调制器供电。所述两个光学波导分支随后形成用于输入光束的马赫曾德尔光学干涉仪(MZI)几何形状。输入光束以去往每一分支的功率的二分之一分裂。在输出处，随后再次组合来自两个相位调制器输出的相位调制光束，从而得出MZI的光学输出。所属领域的技术人员众所周知，MZI使得能够在MZI的光束组合光学输出处将相位调制转换成光学强度调制。在推挽式几何形状的情况下，如所属领域的技术人员所知，所述两个分支将接收相反的光学相移，从而实现同一施加电压下到两个相位调制器的双重强度调制，MZI的每一分支上一个调制。

为了实现推挽式几何形状，在对马赫曾德尔干涉仪(MZI)的两个分支供电方面，所说明的方案遵循PIN调制器的方案。如图5a中所示，将RF波从CL-TWE的一个末端发射到CL-TWE中。分段周期性对的T形电极将电压从主槽形电极带到调制器装置。每一对是通过周期性长度lp＝lm+lg分隔开且所述T形片段中的每一者具有长度lm。填充因数F经界定为F＝lm/lp(参见图5a)，其中“A/B”表示A“除以”B的除法。通常lp＝50-100μm。沿着间隙lg＝lp-lm，调制器区段不具有施加电压。

在此特定示范性实施例中，两个相位调制器的底部部分是连接的。这在图5b中展示，其展示图5a中的横截面f-f'。因此，施加的任何电压Vs分裂为形成相位调制器的推挽式对的两个分支上的+Vs/2和-Vs/2。不同于常规推挽式调制器，不存在减少二分之一的净电压，因为线路电压Vs是施加于每一调制器的电压Vs/2的两倍。然而两个相位调制器的结电容(图5a中的Cj)串联连接，从而减少总电容或增加频率，因此在较宽频率响应中(以较高电压为代价)存在超过常规推挽式EO调制器的增益。

图6a中展示对所述两个相位调制器供电的此CL-TWE的等效集总元件电路，其中标记为“传输线”的点线表示CL-TWE的基本未加载传输线模型。标记为“装置负载”的实线部分考虑全部调制器结构元件的RF传播损耗，包含：(1)金属欧姆接触电阻和电容Zm；(2)掺杂波导层的电阻和电容Zd，包含TCO材料(如果使用TCO)中的那些层；(3)调制器活性区电容Cj；(4)半导体结构中的横向和纵向电流损耗两者均包含。所述模型给出受RF损耗(对于长调制器)或受RC时间常数(对于短调制器)限制的频率带宽，和传输线阻抗。其还给出实现速度匹配所需要的CL-TWE填充因数F。

图6b展示用于行波电极的CL-TWE线的俯视图。图6b中的连接于底部共同接触件与调制器中的一者的顶部之间的电压Vb(得出Vb1＝Vb2＝Vb(当Vs＝0时))用以将调制器反向偏压。Vs中的DC偏移给出差分偏压，其可用以通过调谐由所述两个相位调制器沿着其两个分支施加的差分相移而调谐马赫曾德尔光学干涉仪的操作点。

如所属领域的技术人员所知，存在可使用的许多其它电极结构。以上说明行波结构的一个实施例，其可减慢RF波的传播速度以便实现与调制器中的光束的较好速度匹配(其有时候称为慢波RF行波结构)。此速度匹配将帮助实现较高频率响应，如所属领域的技术人员所知。关于行波电极的以上示范性实施例是出于说明而不是限制的目的来展示。

在光束方面，其从光纤进入硅波导。如所属领域的技术人员所知，存在许多方式将来自光纤的光束耦合到硅波导，例如经由硅上的集成模式大小变换器，称为超高数值孔径渐变折射率(SuperGRIN)透镜，其将来自光纤的光束功率有效耦合到SOI衬底上的300nm厚硅波导(SOI波导)。如所属领域的技术人员众所周知，也可使用例如锥形向下波导或表面光栅等硅波导耦合器的替代光纤。

来自SOI波导的光束随后使用两个锥形(一个在活性材料层(例如，InP/III-V)上，一个在主要被动波导层(例如，Si)上——参见俯视图)耦合到如图7a/b所示的薄膜调制器结构中。由于用于在1550nm波长范围的操作的InP/III-V调制器的活性层结构的薄厚度(仅300-400nm厚)，此锥形区段可极短(例如取决于厚度而为5-30m)且超过95％的能量可传递到薄膜调制器装置中。回到光纤中的输出经由两个输出锥形(一个在活性材料层(例如，InP/III-V)上，一个在主要被动波导层(例如，Si)上--参见俯视图)通过反向过程以将光束带到主要被动波导层(例如，Si)且随后带到输出光纤耦合透镜。

用于NIN和NPNN调制器的一般结构也是类似的。其之间的区别是具体层结构。存在两个版本的一般结构，一种使用侧面导电层(SCL)，另一种使用欧姆透明导体(OmTC)。

SCL情况。在应用于1550nm波长范围的特定示范性实施例中，图8a中展示SCL情况的横截面。在底部，调制器具有对此特定示范性实施例大约为100nm厚的高度掺杂下部层。此层用以将电压传导离开且称为“底侧导电层”(BSCL)。如上所述，在用于特定示范性实施例的推挽式调制器电路方案中，此层在MZI的另一分支处连接到相位调制器。

此BSCL上方是对于NIN和NPNN将不同的活性EC层结构。随后接着是100nm厚的顶部层。此顶部层大部分是N掺杂且用以将电压传导离开且称为“顶侧导电层或TSCL”。在此之上在中间沉积300nm厚低折射率SiO2。TSCL的两侧沉积有金属。中心SiO2层防止波导中的光学能量接触光学损耗的金属。

中心活性EC层必须宽度较窄以使装置电容小，因为其宽度wEC将界定调制器-电容器宽度wCAP＝wEC。为了实现制造，一种方法是使用可被化学选择性蚀刻掉的材料用于此活性EC层而无需蚀刻形成BSCL或TSCL层的材料。只要实现用于wEC的小宽度(例如，通过蚀刻用于wEC的所需宽度，随后沉积用于形成TSCL层所需的材料)便可使用其它制造方案。为了实现高频响应，示范性调制器结构需要wEC为约2μm＝2000nm或窄达0.7μm＝700nm。虽然其可看来较小(使得其制造具挑战性)，但其仍大于具有300-400nm的厚度的此薄膜调制器结构的典型厚度。因此，宽度wEC仍具有与其它附近结构参数的低纵横比(<1:3)。低纵横比使得其不太难以制造。其可通过对蚀刻的谨慎控制而完成。金属接触件的两侧将为约2μm＝2000nm以便具有与金属的足够大的欧姆接触区域以便具有足够小的金属接触电阻。

OmTC情况。在应用于1550nm波长范围的特定示范性实施例中，图8b中展示OmTC情况的横截面。在基于OmTC的结构的情况下，将不存在TSCL。因此，在此特定示范性实施例中，顶部层厚度可减少大约60nm，留下40nm用于与一般来说TC(透明导体)材料或具体来说TCO(透明导电氧化物)材料的欧姆接触。此60nm厚度可添加到底部BSCL，使得其160nm厚带来较低电阻和更稳健的结构。接触TC的顶部层经N掺杂以用于实现良好欧姆接触。在此特定示范性实施例中，TC是In2O3。由于TC大体上具有低折射率(例如，n为大约1.7)，因此光场能量将在TC中快速衰退且将不接触金属太多。由于可在干式蚀刻之后沉积TC以形成电活性(EC)层所需要的宽度wEC，因此不需要中心电活性层(ECL)的侧面蚀刻。我们仅需要垂直地蚀刻需要的厚度且随后以聚合物平面化，随后以TC沉积。因此，此OmTC情况将实现比SCL情况更稳健、具有更低电阻且更容易制造的结构。

用于NIN和NPNN调制器的具体结构

NIN结构。在用于应用于1550nm波长范围的特定示范性实施例中，图9中展示用于NIN调制器的具体结构。在此特定示范性实施例中，所述结构具有大约120nm厚的高度掺杂底部InP N层(这变成BSCL)接着是由AlGaInAs QW结构制成的195nm厚本征层(其中λQW～1350nm)，且随后是用于与金属的侧面接触的大约125nm厚的另一高度掺杂顶部InP N层。这给出440nm的总厚度。对于此结构，活性EO区宽度wEC或由其界定的调制器-电容器宽度wCAP(wCAP＝wEC)选择为2,000nm(2μm)。此宽度也给出如图10b所示的横向光学模式限制。在图10a中，我们展示作为比较的常规调制器的模式。图10b中的NIN模式在垂直方向上小4倍，从而得出约4倍大的模式-媒介重叠因数。

针对Vπ＝1V和F＝1的计算调制器长度是LMOD＝2mm。

表1展示用于此基于NIN结构的调制器的材料层结构，具有用于其顶部接触件的侧面金属接触件，指明具有各种掺杂密度和应变的每一层中的化合物半导体材料的厚度和带隙能量(InP作为衬底)。

表1

NPNN结构。在用于应用于1550nm波长范围的特定示范性实施例中，如图10中所展示，NPNN结构具有大约160nm厚的高度掺杂底部InP N层，接着是由AlGaInAs QW结构制成的115nm厚活性电活性层(ECL)，随后是InP P掺杂层的薄层(约25nm)，随后是大约80nm厚的高度掺杂顶部InP N层用于到Om-TCO的顶部接触。这给出380nm的总厚度。电活性区宽度wEC选择为2,000nm(2μm)。

表2

如图10中所展示，与NIN情况相比，NPNN情况的此特定示范性实施例的主要差异在于活性EC层具有也掺杂有N型载流子的QW且其紧靠底部p掺杂层。在反向偏压下，p掺杂层与N掺杂QW区之间的耗尽宽度随电压放大。跨越此耗尽区的电压降随后对QW强加恒定电场。相移的增加是因为当电压增加时以电场施加更多QW。掺杂载流子还由于带填充(BF)和等离子(PL)效应造成相移。当优化时，BF+PL+LEO+QCSE可导致与LEO+QCSE相比大3-5倍的相移。与440nm的NIN相比的380nm的更薄结构也将调制器长度再减少20％。针对Vπ＝1V的计算调制器长度是LMOD＝0.4mm。

表2展示用于此基于NPNN结构的调制器的材料层结构，具有用于其顶部接触件的Om-TCO接触件，指明具有各种掺杂密度和应变的每一层中的化合物半导体材料的厚度和带隙能量(InP作为衬底)。

用于速度和阻抗匹配的F的作用

在用于应用于1550nm波长范围的特定示范性实施例中，图6a中所示的集总元件模型用以估计调制器装置性能。我们使用表来概述不同情况。我们将使用关于SCL的NIN情况和关于OmTC的NPNN情况说明一些绘图。

关于SCL的NIN。在特定示范性实施例中，图11中展示用于NIN情况的调制BW，其具有2μm宽活性区域因此wCAP＝2μm。

计算展示对于NIN结构，为了达到1V调制电压，调制器长度应为2mm。图11a展示受RF损耗限制的净频率响应(以dB/mm计)。采取图11a中的3.24dB/mm损耗线，针对具有侧面金属导电的NIN结构找到60GHz的频率响应带宽。这些是针对wCAP＝2μm。图11b展示针对随频率而变的不同F值的阻抗。图11c展示针对随频率而变的不同F值的沿着RF传输线的RF波的传播折射率，其说明F大约为0使得RF折射率接近3.5，其近似匹配调制器中的光束的传播折射率(通常约n大约为3到3.5)，其对于速度匹配是需要的。

关于OmTC的NPNN情况。在特定示范性实施例中，图12中展示用于NPNN情况的调制带宽，具有2μm宽活性区域因此wCAP＝2μm(此宽度决定调制器电容Cj)。

计算展示对于NPNN结构，为了达到1V调制电压，调制器长度应为0.4mm。图12a展示受RF损耗限制的净频率响应(以dB/mm计)。采取图12a中的34.2dB/mm损耗线，针对具有欧姆TCO作为顶部接触件的NPNN结构找到100GHz的频率响应带宽。这些是针对2μm的活性区宽度。图12b展示针对随频率而变的不同F值的阻抗。图12c展示针对随频率而变的不同F值的沿着RF传输线的RF波的传播折射率，其说明F大约为0.4使得RF折射率接近3.5，其近似匹配调制器中的光束的传播折射率(通常约n大约为3到3.5)，其对于速度匹配是需要的。

本发明的各种实施例的较详细描述

图13中展示示出本发明的活性光子装置的一般几何形状的示意图。图13a和13b展示具有调制区段或下文称为“活性层结构ALS 22500”区段的活性光子装置20000，其耦合到输入连接波导芯ICWCo 22200。图13b是图13a的半透明说明。输入连接波导芯ICWCo 22200制造于安置在衬底SUB 21100上的输入连接波导底部包层材料ICWBCd 22200B上。

在图14中所示的一个示范性实施例中，说明图13的位置A-A'处的横截面的示范性实施例，进一步以输入连接波导顶部包层材料ICWTCd 22200T沉积到输入连接波导芯的顶部。底部指代更接近衬底的方向且顶部指代远离衬底的方向。在图14中，还以输入连接波导左边包层材料ICWLCd 22200L沉积到输入连接波导芯的左边，且以输入连接波导右边包层材料ICWRCd 22200R安置到波导芯的右边。通过将光束传播方向取为前方向来界定右边或左边，且右边或左边是相对于此前方向而言。所述包层划分为四个不同材料区是出于论述而不是限制的目的，因为这些可全部为相同材料或可存在形成多个不同区的4个以上区，只要这些区充当具有小于波导芯ICWCo 22200的有效折射率的有效折射率的波导包层材料以使得光束功率主要在波导芯ICWCo 22200的区中被限制，如所属领域的技术人员众所周知。包层材料是可包含“空气”或“真空”或任何透明电介质材料作为材料的一般指定。

输入连接波导区

输入连接波导芯ICWCo 22200由具有平均材料折射率nICWCo 22200n的材料或材料混合物组成，具有厚度dICWCo 22200d，和宽度WICWCo 22200w。假设底部输入连接波导底部包层材料的折射率为nICWBCd 22200Bn。假设顶部包层材料ICWTCd 22200T的折射率为nICWTCd22200Tn，左边包层材料ICWLCd 22200L的折射率为nICWLCd 22200Ln，且右边包层材料ICWRCd 22200R的折射率为nICWRCd 22200Rn。波导芯22200和包层22200T、22200B、22200R、22200L一起形成输入连接波导ICWG 22200WG。

光束的垂直限制是由于顶部和底部波导包层与波导芯之间的折射率差，且包层大体上具有比波导芯的折射率低的折射率以使得nICWTCd<nICWCo且nICWBCd<nICWCo。光束的水平限制是由于左边和右边波导包层与波导芯之间的折射率差，且包层大体上具有比波导芯的折射率低的折射率以使得nICWRCd<nICWCo且nICWLCd<nICWCo。垂直方向是垂直于衬底平面的方向且水平方向是平行于衬底平面的方向。

展示波导包层可划分成不同材料区(具有四个主材料区的以上情况中)的输入连接波导ICWG 22200WG的示范性实施例的以上说明是出于说明而不是限制的目的。如所属领域的技术人员所知，波导包层可由一种单个材料或多个材料区组成，只要大多数包层材料区的折射率低于波导芯的折射率nICWCo。这也大体上适用于下文在本发明中描述的其它光学波导的其它波导包层情形。

折射率对比度和包层折射率平均化的定义

在波导模式限制方面的重要量是波导芯的平均折射率与其紧邻周围的包层材料之间的折射率对比度，称为折射率差nRd，其由nRd²＝nCo²-nCd²)界定，其中nCo是波导芯的折射率(例如，nCo＝nICWCo)且nCd是波导包层的折射率(例如，nCd＝nICWBCd或nICWTCd或nICWRCd或nICWLCd)或其平均由naICWCd 22200aCdn给定。

折射率平均化作为其平方值的平均而更准确地完成，所述平方值是其介电常数ε＝n²。这是因为描述偶极强度的介电常数彼此线性地相加，如所属领域的技术人员所知。因此例如naICWCd²可通过以包层区中的每一者中的光束能量的分数将不同包层区中的每一者中的折射率平方加权而计算。因此：

naICWCd²＝(nICWBCd²x AICWBCd+nICWTCd²x AICWTCd+nICWRCd²AICWRCd+nICWLCd²AICWLCd)/(AICWBCd+AICWTCd+AICWRCd+AICWLCd)， (13)

其中在等式(13)中，AICWBCd是用于底部包层材料中的光学功率的一些有效横截面加权(例如，由总光束功率的百分比给定)，AICWTCd是用于顶部包层材料中的光学功率的一些有效横截面加权，AICWRCd是用于右边包层材料中的光学功率的一些有效横截面加权，AICWLCd是用于左边包层材料中的光学功率的一些有效横截面加权。AICWBCd、AICWTCd、AICWRCd和AICWLCd称为波导包层材料的相应区中的有效光束功率分布区域。这些横截面加权中的每一者具有与用于导引光束的材料的所述区中的分数光学功率(在所述区的光束横截面积上积分的光束功率)成比例的值，或通过假定在短传播长度上取得体积在材料的所述区的体积上对光束能量密度(每单位体积的能量)的积分而给出。这些是标记有指示“A”的有效横截面加权的一些定义。可使用有效横截面加权“A”的许多其它等效但近似的定义。应注意，如果这些加权大约相等，那么naICWCd²～(nICWBCd²+nICWTCd²+nICWRCd²+nICWLCd²)/4。

同样波导芯也可大体上由一个或多个材料组成，且nICWCo＝naICWCo也可为组成波导芯材料的具有稍微不同折射率nICWCo1,nICWCo2,nICWCo3…nICWCom的“m”数目的材料的平均折射率，其中

naICWCo²＝(nICWCo1²x AICWCo1+nICWCo2²x AICWCo2+nICWCo3²AICWCo3+…+nICWCom²AICWCom)/(AICWCo1+AICWCo2+AICWCo3+…+AICWCom)， (14)

在等式(14)中，AICWCo1,…,AICWCom中的每一者是用于具有折射率nICWCoj的芯材料中的光学功率的一些有效横截面加权AICWCoj，其中j是1,…,m中的一者。AICWCo1+AICWCo2+AICWCo3+…+AICWCom称为波导芯材料的相应区中的有效光束功率分布区域。

输入光束

如图13中所展示，将输入光束IBM 22140发射到输入连接波导芯ICWCo 22200中。由于如所属领域的技术人员所知输入连接波导ICWG 22200WG或实际上任何波导的包层区通常经不良界定(光束功率可进入包层中的各种深度和方向)，因此发射到波导ICWG 22200WG中的输入光束IBM 22140意味着其以其功率基本上以波导芯22200为中心而发射，因此对波导22200WG或波导芯22200中的光束的参考在下文将大体上可互换地使用。如所属领域的技术人员所知，输入光束IBM 22140将在具有“传播折射率”nIBM 22140n的波导22200中传播。此传播折射率nIBM 22140n大体上具有小于波导芯ICWCo 22200的材料折射率nICWCo22200n的值以使得nIBM<nICWCo如所属领域的技术人员所知。并且，传播折射率nIBM 22140n大体上具有大于波导包层ICWQCd 22200Q的材料折射率nICWQCd 22200Qn的值，其中Q＝T、B、L或R以使得对于大部分Q，nIBM>nICWQCd以实现波导，如所属领域的技术人员所知。光束具有由PIBM22140P给定的光学功率、由EIBM 22140E给定的电场极化，以及由AIBM 22140A给定的光束有效面积。

在本发明中，传播光束大体上假定具有以操作波长λIBM 22140L为中心的光学波长的传播。为了说明而不是限制，光束可呈一串光学脉冲的形式以发射数字信息。光束也可以由一个或多个(N)不同频率通道(λIBM1,λIBM2,λIBM3,…,λIBMN)的光波组成，其中N是整数。当光束由多个频率通道组成时，光传输系统或装置大体上被称为波分多路复用(WDM)光学系统或装置。大体上，光束由围绕中心操作波长λIBM的光谱宽度的光的光束组成。

输入光束耦合器结构(IBCS)区

图15a展示输入光束耦合器结构(IBCS)包括连接到输入波导的至少锥形波导区段(优选地从宽到窄成锥形但也可维持相同宽度或从窄到宽成锥形，如下文将阐述)。任选地，输入锥形波导区段之上的活性层结构ALS也可呈向上锥形的形式成锥形(优选地在朝向活性层结构ALS的方向中从窄到宽成锥形，但也可维持相同宽度或从宽到窄成锥形)。参见例如图15b。

具体来说，输入光束IBM 22140从输入连接波导芯ICWCo 22200进入输入连接波导锥形区段，具有通过位置z1参数化的输入锥形波导芯ITWCo 22300(图15a)，ITWCo-z1 22300z1，其中从锥形的开始点测得的在距离z1处锥形波导芯wITWCo-z1 22300w-z1的宽度从在wITWCo-z1＝0＝wICWCo 22200的z1＝0wITWCo-z1＝0 22300w-z1＝0处的其输入值改变到在z1>0wITWCo-z1>0 22300w-z1>0处的另一宽度(可为相同宽度)。锥形波导芯的厚度是dITWCo-z122300d-z1且其折射率是nITWCo-z1 22300n-z1。通常但不总是，dITWCo-z1 22300d-z1和nITWCo-z122300n-z1是z1中的恒定值因此我们可下降z1标号，其中dITWCo-z1＝dITWCo 22300d且nITWCo-z1＝nITWCo 22300n。在优选实施例中，dITWCo-z1是大约与dICWCo相同的值。所述锥形可以使得wITWCo-z1是z1的线性函数或z1的二次函数(即，取决于z1²)，但也可为z1的任何曲线函数。假设gITWCo 22300g表示此锥形波导的总长度。

波导芯的宽度是wITWCo-g 22300w-g的z1＝gITWCo 22300g处的锥形的末端连接到输入支撑结构ISTR 21200。虽然说明为具有窄宽度且空气或其它低折射率材料围绕其侧面的连接波导材料的延续的线，但所述支撑结构可为随机点或任何形状的少量任何材料，其具有在水平方向上延伸的层内的“有效折射率”或小“平均折射率”(例如，如由等式(13)界定)，由层平均折射率nlaISTR 21200nla给定。在其充当底部波导包层的情况下，nlaISTR具有比下文界定的电活性波导芯结构EWCoS 22600中的波导芯nWCo22600Con的折射率低的值。取决于应用情形，输入支撑结构ISTR 21200可继续导引波或仅充当支撑结构。

在示范性实施例中，输入支撑结构ISTR 21200是窄线。在所述特定情况中，我们可将其描述为具有宽度wISTR 21200w、厚度dISTR 21200d和长度gISTR 21200g。长度gSTR 21200g可为零。在此情况下，输入支撑结构ISTR 21200不存在(薄ALS膜仍可以某种方式例如由其拐角或侧面支撑，但不直接在下方)。在优选实施例中，dISTR是大约与dICWCo相同的值。

沿着ALS区外部的区中的锥形，光束的垂直限制是由于波导芯与在位置z1的顶部和底部锥形波导包层之间的折射率差，如上文所界定的：ITWTCd-z1 22300T-z1(折射率nITWTCd-z1 22300Tn-z1)和ITWBCd-z1 22300B-z1(折射率nITWBCd-z1 22300Bn-z1)和波导芯，且包层具有比波导芯的折射率低的折射率以使得折射率nITWTCd-z1<nITWCo-z1且nITWBCd-z1<nITWCo-z1。光束的水平限制是由于在z1处左边和右边波导包层：ITWLCd-z1 22300L-z1(折射率nITWLCd-z1 22300Ln-z1)和ITWRCd-z1 22300R-z1(折射率nITWRCd-z1 22300Rn-z1)之间的折射率差，且波导包层具有比波导芯的折射率低的折射率以使得nICWRCd-z1<nICWCo-z1且nICWLCd-z1<nICWCo-z1。垂直方向是垂直于衬底平面的方向且水平方向所述平行于衬底平面的方向。再次，可存在一个或多个包层材料区，且出于说明而不是限制的目的提到四个包层区。

在示范性实施例中，nITWTCd-z1＝nITWBCd-z1＝nITWLCd-z1＝nITWRCd-z1＝nICWTCd且nICWTCd＝nICWBCd＝nICWLCd＝nICWRCd，因此锥形区和输入连接波导区中的全部包层折射率全部近似相等。举例来说，这些包层区可填充有具有n大约为1.45的折射率的二氧化硅材料。波导芯nITWCo-z122300n-z1的折射率可为硅以使得nITWCo＝nICWCo～3.6，其中nICWCo 22200n是用于输入连接波导的波导芯的折射率。

在开始于z1＝z1ALS 22300z1ALS的输入锥形波导芯ITWCo 22300之上放有活性层结构ALS。通常z1ALS在gITWCo 22300g之前以使得0<z1ALS<gITWCo。开始于z1ALS的活性层结构也可具有向上锥形，其具有在朝向ALS结构的方向中从窄到宽成锥形的宽度。下文将更详细描述此活性层结构ALS 22500的各种实施例。

对准不敏感的输入光束耦合器结构(AI-IBCS)

(1)加宽输入区，优选地比模式3窄。

(2)首先顶部锥形

(3)接近相等宽度

(4)使下部一者变窄

(5)使顶部一者变窄

(6)Z形情形

活性层结构-输送进入结构的光束

底侧导电和欧姆接触层

图16a、16b和16c展示活性层结构ALS 22500的示范性实施例，其是在图15a或图15b的位置B-B'处的示范性横截面。在ALS 22500中，至少底侧导电和欧姆接触层BSCOC 21300安置在输入支撑结构ISTR 21200的部分上方的某处。具有厚度dBSC 21300d、折射率nBSC 21300n、总宽度wBSC 21300w的层BSCOC 21300用以将电流和电压从接触区传导到电活性层(ECL)。

底部间杂材料层

在层BSCOC 21300与ISTR 21200之间可存在具有厚度dBIM 21250d、总宽度wBIM21250w和折射率nBIM 21250n的其它底部间杂材料层BIM 21250。此层可为导电的或电绝缘的。dBIM的值可在零厚度上取得，在此情况下底部间杂材料层BIM 21250不存在。底部间杂材料层BIM 21250的存在因此是任选的。

底部金属接触垫

在底侧导电和欧姆接触层BSCOC 21300之上和左侧沉积具有厚度dFBLM 21900Ld、宽度wFBLM 21900Lw和长度gFBLM 21900Lg的至少第一左下金属接触垫FBLM 21900L。

底侧导电和欧姆接触层BSCOC 21300之上和右侧沉积具有厚度dFBRM 21900Rd、宽度wFBRM 21900Rw和长度gFBLM 21900Rw的至少第一右下金属接触垫FBRM 21900R。在示范性实施例中，仅第一左下或第一右下金属接触垫存在。在另一示范性实施例中，多个此些底部金属接触垫存在。这些金属接触垫的确切位置除展示的左边或右边位置之外可在许多其它位置中，只要所述金属接触垫与底侧导电和欧姆接触层BSCOC 21300成电接触即可。

底部金属电极

第一左下金属接触垫FBLM 21900L之上是第一左下金属电极FBLME 21120L。第一右下金属接触垫FBRM 21900R之上是第一右下金属电极FBRME 21120R。在示范性实施例中，仅第一左下或第一右下金属电极存在。在另一示范性实施例中，多个此些底部金属电极存在。这些底部金属电极的确切位置除展示的左边或右边位置之外可在许多其它位置中，只要所述底部金属电极与相应底部金属接触垫成电接触即可。

底部间杂电介质电流传导层

层BSCOC 21300的中心区(即，支撑结构21200上方或附近的区)之上沉积具有厚度dBIDC 21350d、层宽度wBIDC 21350w和平均折射率nBIDC 21350n的底部间杂电介质电流传导层BIDC 21350。层宽度wBIDC是在垂直于光束传播方向的水平方向中所述层的尺寸。此层是任选的，因为当厚度dBIDC 21350d是零时此层不存在。

底部垂直电流传导层

底部间杂电介质电流传导层BIDC 21350之上沉积具有厚度dBVC 21400d、层宽度wBVC 21400w和平均折射率nBVC 21400n的底部垂直电流传导层BVC 21400。层宽度wBVC是在垂直于光束传播方向的水平方向中所述层的尺寸。

电活性层

底部垂直电流传导层BVC 21400之上沉积具有厚度dEC 21500d、宽度wEC 21500w、由nEC 21500n给定的整个层的平均折射率以及由αEC 21500a给定的整个层的平均吸收系数的电活性层EC 21500。以与等式(13)说明相似的方式给定折射率平均化。描述电活性层的每单位光束传播长度吸收的能量的分数的折射率nEC或光学吸收系数αEC(αEC>0意味着光学吸收且αEC<0意味着光学增益)可通过电活性层中的施加电场、电流或者载流子的注入或耗尽而更改。此电活性波导芯结构EWCoS 22600中的电活性层BEC 21140中的导引光束具有传播折射率nBEC 21140n。虽然在下文描述的优选实施例中，EC层由半导体制成，但根据本发明的各种实施例其也可为任何其它活性材料。举例来说，其可为铁电电光材料(例如，LiNbO3或BaTiO3)或有机电光或电吸收材料，其折射率或光学强度增益和吸收系数αEC(αEC<0意味着光学增益且αEC>0意味着光学吸收)可在施加电场或电流或光学激发光束下更改，如所属领域的技术人员众所周知。

在电光调制器的情况下，电活性层EC 21500的平均折射率中的小平均递增或递减表示为dnEC 21500dn以使得其新平均折射率变成nEC(新)＝nEC+dnEC将致使传播折射率nBEC21140n通过dnBEC 21140dn从nBEC改变为nBEC(新)＝nBEC+dnBEC，原因是光束能量与其中dn非零的材料区的重叠。

在光学放大器或电吸收调制器的情况下，电活性层EC 21500的平均光学强度吸收/增益系数中的小平均递增或递减表示为dαEC 21500da以使得其新平均光学强度损耗/增益系数变成αEC(新)＝αEC+dαEC将致使光束的吸收/增益系数αBEC 21140a通过dαBEC 21140da从αBEC改变为αBEC(新)＝αBEC+dαBEC，原因是光束能量与其中dα非零的材料区的重叠。

顶部垂直电流传导层

电活性层EC 21500之上沉积具有厚度dTVC 21600d、宽度WTVC 21600w和平均折射率nTVC 21600n的顶部垂直电流传导层TVC 21600

顶部间杂电介质电流传导层

顶部垂直电流传导层TVC 21600之上沉积具有厚度dTIDC 21650d、宽度wTIDC 21650w和平均折射率nTIDC 21650n的顶部间杂电介质导电层TIDC21650。此层是任选的，因为当厚度dTIDC 21650d是零时此层不存在。

顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层

顶部间杂电介质导电层TIDC 21650之上沉积具有厚度dTVSC 21700d、宽度wTVSC21700w和平均折射率nTVSC 21700n的顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层TVSCOC 21700。

顶部金属接触垫

在一个实施例中(图16a)，顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层TVSCOC 21700之上沉积具有厚度dFTRM 21800Rd、宽度wFTRM 21800Rw和长度gFTRM 21800Rg的第一右上金属接触垫FTRM 21800R。FTRM 21800R通常在TVSCOC 21700之上的右端。在另一个实施例中(图16b)，顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层TVSCOC 21700之上沉积具有厚度dFTLM 21800Ld、宽度wFTLM21800Lw和长度gFTLM 21800Lg的第一左上金属接触垫FTLM 21800L。FTLM 21800L通常在TVSCOC 21700之上的左端。在又一实施例中(图16C)，顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层TVSCOC 21700之上沉积具有厚度dFTMM 21800Md、宽度wFTMM 21800Mw和长度gFTMM 21800Mg的第一顶部中间金属接触垫FTMM 21800M。FTMM 21800M通常在TVSCOC 21700的顶部上的中间部分。中间部分是最接近于光束BEC 21140的部分。图16C展示的此情况具体来说当顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层TVSCOC 21700是欧姆透明导体(OTC)或低折射率欧姆透明导体(LRI-OTC)时适用。

在示范性实施例中，仅第一左上、第一顶部中间或第一右上金属接触垫存在。在另一示范性实施例中，多个此些顶部金属接触垫存在。这些顶部金属接触垫的确切位置除展示的左边或右边位置之外可在许多其它位置中，只要所述顶部金属接触垫与顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层TVSCOC 21700成电接触即可。

顶部金属电极

第一左上金属接触垫FTLM 21800L之上是第一左上金属电极FTLME 21130L。第一顶部中间金属接触垫FTMM 21800M之上是第一顶部中间金属电极FTMME 21130M。第一右上金属接触垫FTRM 21800R之上是第一右上金属电极FTRME 21130R。在示范性实施例中，仅第一左上、第一顶部中间或第一右上金属电极存在。在另一示范性实施例中，多个此些顶部金属电极存在。这些顶部金属电极的确切位置除展示的左边或右边位置之外可在许多其它位置中，只要所述顶部金属电极与相应顶部金属接触垫成电接触即可。

电活性波导芯结构和中心波导芯层

在空间上接近于电活性层EC 21500的一层或若干层形成电活性波导芯结构EWCoS 22600，其至少一部分含有中心波导芯层WCo 22600Co。出于说明的目的且不加限制，电活性波导芯结构EWCoS 22600的特定示范性实施例通过底部垂直电流传导层BVC 21400、顶部垂直电流传导层TVC 21600和电活性层EC 21500形成，如图17所示。然而，此电活性波导芯结构也可通过任何其它层或层的集合形成，只要其在空间上接近于电活性层，以使得由其导引的光束将在电活性层中具有合理量的光学能量。中心波导芯层WCo 22600Co具有高于其周围大部分材料之折射率的平均折射率nWCo 22600Con。正如所属领域的技术人员所知，波导芯仅需要其折射率通常高于其周围大部分材料的折射率，以便限制和导引光束(例如，此些波导的一个实例通常被称为“肋形波导”或“脊形波导”)。为了说明且不加限制，在示范性实施例中，中心波导芯层WCo 22600Co为电活性层EC 21500。正如所属领域的技术人员所知，中心波导芯层WCo 22600Co也可为层21400或层21600的部分。

中心波导芯层WCo 22600Co具有高于其周围大部分的折射率的平均折射率nWCo22600Con，且限制被称作光束电活性或光束EC的光束BEC 21140在垂直和水平方向上的光束能量，以使得光束强度的峰值在中心波导芯层22600Co内或附近，且光束被称为导引光束。此电活性波导芯结构EWCoS 22600中的导引光束BEC 21140具有小于中心波导芯层nWCo22600Con的材料折射率的传播折射率nBEC 21140n，以使得nBEC<nWCo。此准则可被视为组成波导芯的材料区的定义(即其为材料折射率高于光束传播折射率nBEC的区)。

光束EC的电活性波导芯和包层区

正如所属领域的技术人员所知，光束EC的整个电活性波导芯区为由光束EC、BEC 21140占据的材料区，其中材料的折射率通常高于nBEC 21140n。同样正如所属领域的技术人员所知，光束EC的电活性波导包层区为由光束占据的材料区，其中材料的折射率通常低于nBEC。出于论述的目的，可以采取上文所提及的如由此电光波导芯区界定的电活性波导芯结构EWCoS 22600。

因此，电活性层22500可为或可不为在EC层BEC 21140中导引的光束的波导芯区的部分，只要电活性层22500在空间上接近于EC层光束BEC 21140的波导芯区，以使得合理量的光束的光学能量在电活性层中。即使电活性层22500为波导芯区的部分，其仍不一定为EC层光束BEC 21140的整个波导芯区。

到电活性波导芯结构的光束输送

经由z1＝z1ALS 22300z1ALS与z1＝gITWCo 22300g之间的输入锥形波导区将输入光束IBM 22140的大部分输入光束能量从输入锥形波导芯ITWCo 22300输送到电活性波导芯结构EWCoS 22600，其中锥形波导芯宽度wITWCo-z1 22300w-z1从其在z1＝z1ALS 22300z1ALS处的值变化为z1＝gITWCo 22300g处的值wITWCo-g(其值可等于、小于或大于其在z1＝z1ALS 22300z1ALS处的值)。在优选实施例中，出于说明的目的且不加限制，此情形通过使锥形波导芯宽度从约等于或大于由λbm/(2*nITWCo)给出的波导芯的光学波长的一半的值减小到远低于由λbm/(2*nITWCo)给出的波导芯的光学波长的一半来实现，以使得WITWCo-g<<λbm/(2*nITWCo)，其中*为数值乘法。更确切地说，其从为使得光学能量能够刚好在波导芯ITWCo 22300进入ALS 22500之前被良好地限制在所述波导芯中的宽度的宽度减小到一定的宽度(在所述波导芯进入ALS 22500之后)，以使得在所述波导芯ITWCo 22300进入ALS 22500之后，光学能量不再被良好地限制在所述波导芯中(不再被良好限制的宽度在锥形波导芯进入ALS 22500之后由光束限制界定)。被良好限制意味着超过50％的光束能量在波导芯ITWCo 22300中。取决于应用情形，此情形可意味着较小的宽度(例如在EC层的折射率约等于或低于输入锥形波导的折射率的情况下)。其也可维持相同宽度，或甚至达到较大宽度(例如在EC层的折射率高于输入锥形波导的折射率的情况下)。

在将能量输送到含有电活性层EC 21500的电活性波导芯结构EWCoS 22600之后，将光束表示为电活性区中的光束或EC层光束BEC 21140。

输出连接波导

输出连接波导芯OCWCo 28200。在安置于衬底SUB 21100上的输出连接波导底部包层材料OCWBCd 28200B上制造输出连接波导芯OCWCo 28200(图18)。

在图19中所示的一个示范性实施例(其说明在图18的位置C-C'处的横断面的示范性实施例)中，在输出连接波导芯的顶部进一步沉积有输出连接波导顶部包层材料OCWTCd 28200T(图19)。底部是指更靠近衬底的方向，且顶部是指远离所述衬底的方向。在输入连接波导芯的左侧沉积有输出连接波导左边包层材料OCWLCd 28200L，且在波导芯的右侧安置有输出连接波导右边包层材料OCWRCd 28200R。右或左将光束传播的方向视为正面方向，且右或左是相对于此正面方向而言的。出于论述的目的且不加限制，如图19所说明，将包层划分成四个不同材料区，因为这些材料区可皆具有相同材料，或可存在4个以上材料区，从而形成多个不同材料区，只要这些区充当波导包层材料，其中有效折射率通常小于波导芯OCWCo 28200的有效折射率，以使得光束功率被限制在波导芯OCWCo 28200的区附近，正如所属领域的技术人员所熟知。包层材料为可包含“空气”或“真空”或透明电介质材料作为材料的统称。

输出连接波导区

输出连接波导芯OCWCo 28200由具有平均材料折射率nOCWCo 28200n的材料或材料混合物组成，具有厚度dOCWCo 28200d和宽度WOCWCo 28200w。使底部输入连接波导底部包层材料的折射率为nOCWBCd 28200Bn。使顶部包层材料OCWTCd 28200T的折射率为nOCWTCd 28200Tn，使左边包层材料OCWLCd 28200L的折射率为nOCWLCd 28200Ln，且使右边包层材料OCWRCd 28200R的折射率为nOCWRCd 28200Rn。波导芯28200和包层28200T、28200B、28200R、28200L一起形成输出连接波导OCWG 28200WG。

输出连接波导中的被称作输出光束OBM 28140的光束的垂直限制是归因于顶部和底部波导包层与波导芯之间的折射率差，且包层通常具有比波导芯的折射率低的折射率，以使得nOCWTCd<nOCWCo且nOCWBCd<nOCWCo。光束的水平限制是归因于左边和右边波导包层之间的折射率差，且波导包层通常具有比波导芯的折射率低的折射率，以使得nOCWRCd<nOCWCo且nOCWLCd<nOCWCo。垂直方向为垂直于衬底平面的方向，且水平方向为平行于衬底平面的方向。输出光束具有由nOBM 28140n给出的传播折射率。

在波导模限制方面的重要量为波导芯的平均折射率与其被称作由nRd²＝(nCo²-nCd²)界定的折射率差nRd的紧邻周围包层材料之间的折射率对比度，其中nCo为波导芯的折射率(例如nCo＝nOCWCo)，且nCd为波导包层的折射率(例如nCd＝nOCWBCd或nOCWTCd或nOCWRCd或nOCWLCd)或其由naOCWCd 28200aCdn给出的平均折射率。折射率平均化更准确地进行为其平方值(平方值为其介电常数ε＝n²)的平均值，如等式(13)所说明。

同样，波导芯也可由一个或多个材料组成，且nOCWCo＝naOCWCo也可为由波导芯材料组成的具有稍有不同的折射率nOCWCo1、nOCWCo2、nOCWCo3、……、nOCWCom的“m”个材料的平均折射率。

输出光束耦合器结构(OBCS)区

图20展示输出光束耦合器结构(OBCS)，其至少包括连接到输入波导的锥形波导截面(优选地从宽逐渐变窄，但也可维持相同宽度，或从窄逐渐变宽，如下文将详述)。任选地，在输出锥形波导截面的顶部的活性层结构ALS也可为锥形的，呈上锥形形式(优选地在朝向活性层结构ALS的方向上从窄逐渐变宽，但也可维持相同宽度，或从宽逐渐变窄)。例如参见图20b。

具体来说，电活性波导芯结构EWCoS 22600中的电活性光束BEC 21140的能量经由传播穿过输出连接波导锥形区与输出连接波导芯OCWCo 28200中的输出光束IBM 28140能量有效地耦合。输出连接波导锥形区具有输出锥形波导芯OTWCo 28300。在位置z2处的输出锥形波导芯由OTWCo-z2 28300z2(图19a)表示，在该处，锥形波导芯的宽度由wOTWCo-z228300w-z2表示。由从锥形的开始点(其在沿着输出连接波导芯OCWCo 28200的点处，通常在ALS区之外(或远离)ALS区)测量的距离给出距离或位置参数z2。其从其在z2＝0处的输入值wOTWCo-z2＝0＝wOCWCo 28200的wOTWCo-z2＝0 28300w-z2＝0改变为z2>0处的另一宽度(其可为相同宽度)wOTWCo-z2>0 28300w-z2>0。锥形波导芯的厚度为dOTWCo-z1 28300d-z2，且其折射率为nOTWCo-z1 28300n-z2。通常(但并非总是如此)，dOTWCo-z2 28300d-z2和nOTWCo-z2 28300n-z2为z2的常量值，因此可去掉z2标识得到dOTWCo-z2＝dOTWCo 28300d和nOTWCo-z2＝nOTWCo 28300n。在优选实施例中，dOTWCo-z2大约为与dOCWCo相同的值。锥形可使得wOTWCo-z2为z2的线性函数或z2的二次函数(即取决于z2²)，但也可为z2的任何曲线函数。使gOTWCo表示此锥形波导的总长度。

在z2＝gOTWCo 28300g处的锥形的端部(通常在(或朝向)波导芯的宽度为wOTWCo-g28300w-g的ALS区的内部)连接到输出支撑结构OSTR 29200，所述输出支撑结构可为从输入支撑结构ISTR 21200的延续且以某种方式物理上连接到所述输入支撑结构，或可独立于所述输入支撑结构。虽然被说明为是具有窄宽度的连接波导材料和其侧周围的空气或其它低折射率材料的延续的线，但输出支撑结构可为随机点或与电活性波导芯结构EWCoS 22600中的波导芯nWCo 22600Con的折射率相比较具有低“有效折射率”或小“平均折射率”的任何形状的少量任何材料(例如，如由等式(13)界定)，正如所属领域的技术人员所知，从而导致支撑结构的此整个层的有效平均折射率naOSTR 29200na。输出支撑结构OSTR 29200可继续导引波或仅充当支撑结构，这取决于应用情境。

在示范性实施例中，输出支撑结构OSTR 29200为窄线。在所述特定情况下，可将其描述为具有宽度wOSTR 29200w、厚度dOSTR 29200d和长度gOSTR 29200g。长度gOSTR 29200g可为零。在所述情况下，不存在输出支撑结构OSTR 29200(薄ALS膜仍可由其角或侧支撑，但不在正下方)。在优选实施例中，dOSTR大约为与dOCWCo相同的值。在某一点处，输出支撑结构OSTR 29200与输入支撑结构ISTR 21200合并，且因此ISTR 21200和OSTR 29200可互换使用。

在ALS区之外的区中，沿着锥形的光束的垂直限制是归因于锥形波导芯与上文所界定的在位置z处的顶部和底部锥形波导包层之间的折射率差：OTWTCd-z2 28300T-z2(折射率nOTWTCd-z1 28300Tn-z2)和OTWBCd-z1 28300B-z2(折射率nOTWBCd-z1 28300Bn-z2)，且波导芯和包层通常具有比波导芯的折射率低的折射率，以使得折射率nOTWTCd-z2<nOTWCo-z2且nOTWBCd-z2<nOTWCo-z2。光束的水平限制是归因于z2处的左边和右边波导包层之间的折射率差：OTWLCd-z2 28300L-z2(折射率nOTWLCd-z2 28300Ln-z2)和OTWRCd-z2 28300R-z2(折射率nOTWRCd-z2 28300Rn-z2)，且波导包层通常具有比波导芯的折射率低的折射率，以使得nOCWRCd-z2<nOCWCo-z2且nOCWLCd-z2<nOCWCo-z2。垂直方向为垂直于衬底平面的方向，且水平方向为平行于衬底平面的方向。又，可存在一个或多个包层材料区，且出于说明的目的且不加限制，提到四个包层材料区。

在示范性实施例中，nOTWTCd-z2＝nOTWBCd-z2＝nOTWLCd-z2＝nOTWRCd-z2＝nOCWTCd，且nOCWTCd＝nOCWBCd＝nOCWLCd＝nOCWRCd，因此锥形区和输入连接波导区中的所有包层折射率皆大致相等。举例来说，这些包层区可充满具有折射率n～1.45的二氧化硅材料。波导芯nOTWCo-z2 28300n-z2的折射率可为硅，使得nITWCo＝nOCWCo～3.6，其中nOCWCo 28200n为用于输入连接波导的波导芯的折射率。

在z2＝z2ALS 28300z2ALS处开始的锥形波导芯OTWCo 28300的顶部放置有活性层结构ALS 22500。通常，z2ALS在gOTWCo之前，以使得0<z2ALS<gOTWCo。“活性层”为可得到光学增益或光学吸收或折射率的改变的材料层。上文已经描述此活性层结构ALS 22500的各种实施例。

活性层结构-从结构到输出的光束输送

经由通常位于z2＝gOTWCo 28300g与z2＝z2ALS 28300z2ALS之间的ALS区内部的输出锥形波导区，将光束OBM 28140的大部分输出光束能量从电活性波导芯结构EWCoS 22600输送到输出锥形波导芯OTWCo 28300，其中锥形波导芯宽度wOTWCo-z1 28300w-z2从z2＝gOTWCo28300g处的值wOTWCo-g变化为z2＝z2ALS 28300z2ALS处的值wOTWCo-z2ALS(其可为等于、小于或大于其在z2＝z2ALS 28300z2ALS处的值的值)。在优选实施例中，出于说明的目的且不加限制，此情形通过将z2＝z2ALS 28300z2ALS处的锥形波导芯宽度从约等于或大于由λbm/(2*nOTWCo)给出的波导芯中的光学波长的一半改变为远低于由λbm/(2*nOTWCo)给出的在z2＝gOTWCo28300g处的波导芯中的光学波长的一半来实现，以使得WOTWCo-g<<λbm/(2*nOTWCo)，其中*为数字乘法。更确切地说，其从波导芯OTWCo 28300中并未良好地限制光学能量(未良好限制的宽度由波导芯OTWCo 28300中的光束限制界定)的窄宽度(在ALS 22500内部的区中)增加到使得光学能量能够刚好在波导芯OTWCo 28300离开ALS 22500区时被良好地限制在所述波导芯中的更宽宽度。

被良好限制意味着超过50％的光束能量在波导芯OTWCo 28300中。取决于应用情形，此情形可意味着较小的宽度(例如在EC层的折射率约等于或低于输入锥形波导的折射率的情况下)。其也可维持相同宽度，或甚至达到较大宽度(例如在EC层的折射率高于输入锥形波导的折射率的情况下)。

在将能量从含有电活性层EC 21500的电活性波导芯结构EWCoS 22600向下输送到z2＝Z2ALS处的输出锥形且进一步传播到z2＝0处的锥形开始位置(其中锥形芯宽度为wOTWCo-z2＝0 28300w-z2＝0和wOTWCo-z2＝0＝wOCWCo 28200)之后，光束被表示为输出光束或光束OBM 28140。应注意，在z2＝0处，将输出锥形波导芯OTWCo-z2 28300z2接合到输出连接波导芯OCWCo 28200。

活性层结构的长度

活性层结构ALS从在z1＝z1ALS处的输入锥形波导芯ITWCo 22300延行一定的长度到在z2＝z2ALS处的输出锥形波导芯OTWCo 28300。沿着ALS结构，将距z1＝z1ALS的距离参数化为坐标z。因此，位置z测量沿着活性层结构ALS 22500的长度的特定位置。从z1＝z1ALS到z2＝z2ALS的ALS 22500的总长度被称作调制器的结构长度SLmod 22550。坐标z在z2＝z2ALS处结束，在该处，z＝SLmod。

沿着z，ALS中的层中的每一者的各种宽度和厚度可变化，且不一定必须保持恒定。正如所属领域的技术人员所知，宽度和厚度的此变化将不影响调制器的一般性能。另外，除指定的层之外，ALS中可存在较多或较少层，只要指定的那些层的功能性由额外或较少层等效地执行。正如所属领域的技术人员所知，此些变化将不影响调制器的一般性能。因此，如上文所描述的各种ALS结构变化是出于说明的目的且不加限制。

活性层结构-电活性层

EC层21500中的活性材料ACM 21500M可为正如所属领域的技术人员所知的任何活性材料，其中施加电场将改变其折射率或在材料的至少一部分中的光学吸收或光学增益。上文所描述的整个结构可供层21500中的任何活性材料使用。虽然下文说明了特定半导体活性材料，但其仅为许多可能性中的一者，且用以说明本发明中的强度或相位调制器的特定优选实施例。其不意欲限制本发明的范围。

半导体EC材料层

如所指出，电活性层EC不必由半导体材料制成。作为示范性实施例，在电活性层由基于半导体的材料制成(如图21中所示)的情况下，电活性层中的结构可包括PN结21500PN，其中具有P型载流子掺杂剂或所谓P掺杂剂(即从掺杂剂原子所得的载流子为空穴)和由P1给出的掺杂剂密度21500P1的第一P层21500LP1物理上垂直连接(垂直意味着在垂直于衬底平面的方向上；水平意味着在平行于衬底平面的方向上)到具有N型载流子掺杂剂或所谓N掺杂剂(即从掺杂剂原子所得的载流子为电子)和由N1给出的掺杂剂密度21500N1的第一N层21500LN1。取决于应用情形，电活性层可为整个PN结构自身，或可为PN结构的部分，或可仅电连接到PN结构。

或者，电活性层结构还可包括PqN结21500PqN，其中具有P掺杂剂和由P1给出的掺杂剂密度21500P1的第一P层21500LP1连接到具有N掺杂剂、P掺杂剂或为标记为21500MLqm(例如，其将在其为本征(即未掺杂或为本征半导体材料)的情况下被标记为21500MLIm，在其经N掺杂的情况下被标记为21500MLNm，且在其经P掺杂的情况下被标记为21500MLPm；m为给层数再加标记的整数的本征“I”(即通常意味着具有极低掺杂剂或没有掺杂剂或为本征半导体材料)和由Mqm给出的掺杂剂密度21500Mqm(例如其将在其为本征I1的情况下被标记为21500MI1，在其经N1掺杂的情况下被标记为21500MN1，且在其经P1掺杂的情况下被标记为21500MP1)的中间q层，且中间q层进一步连接到具有N1掺杂剂和由N1给出的掺杂剂密度21500N1的第一N层21500LN1。此中间q层可由多个一或多个掺杂层21500MLq1、21500MLq2、……、21500MLqT组成，其中T为指定层数的整数。取决于应用情形，电活性层可为整个PqN结构自身，或可为PN结构的部分，或可仅电连接到PqN结构。

又或者，电活性层结构可包括NqN结21500NqN，其中具有N掺杂剂和由N1给出的掺杂剂密度21500N1的第一N层21500LN1连接到具有N掺杂剂、P掺杂剂或为标记为21500MLqm(例如，其将在其为本征(即未掺杂或为本征半导体材料)的情况下被标记为21500MLIm，在其经N掺杂的情况下被标记为21500MLNm，且在其经P掺杂的情况下被标记为21500MLPm；m为给层数再加标记的整数)的本征“I”(即通常意味着具有极低掺杂剂或没有掺杂剂或为本征半导体材料)和由Mqm给出的掺杂剂密度21500Mqm(例如其将在其为本征I1的情况下被标记为21500MI1，在其经N1掺杂的情况下被标记为21500MN1，且在其经P1掺杂的情况下被标记为21500MP1)的中间q层，且中间q层进一步连接到具有N2掺杂剂和由N2 21500N2给出的掺杂剂密度的第二N层21500LN2。此中间q层可由多个一或多个掺杂层21500MLq1、21500MLq2、……、21500MLqT组成，其中T为指定层数的整数。取决于应用情形，电活性层可为整个NqN结构自身，或可为NqN结构的部分，或可仅电连接到NqN结构。

又或者，电活性层结构可包括XqY结21500NqN，其中第一X层21500LX1连接到具有N掺杂剂、P掺杂剂或为标记为21500MLqm(例如，其将在其为本征(即未掺杂或为本征半导体材料)的情况下被标记为21500MLIm，在其经N掺杂的情况下被标记为21500MLNm，且在其经P掺杂的情况下被标记为21500MLPm；m为给层数再加标记的整数)的本征“I”(即通常意味着具有极低掺杂剂或没有掺杂剂或为本征半导体材料)和由Mqm给出的掺杂剂密度21500Mqm(例如其将在其为本征I1的情况下被标记为21500MI1，在其经N1掺杂的情况下被标记为21500MN1，且在其经P1掺杂的情况下被标记为21500MP1)的中间q层，且中间q层进一步连接到第二Y层21500LY1。此中间q层可由多个一或多个掺杂层21500MLq1、21500MLq2、……、21500MLqT组成，其中T为指定层数的整数。取决于应用情形，电活性层可为整个XqY结构自身，或可为XqY结构的部分，或可仅电连接到XqY结构。在上文中，X1和Y1各自可经N掺杂、P掺杂或为本征“I”半导体，且X1和Y1可以不同掺杂剂类型不同地掺杂。

P和N掺杂剂可具有在其掺杂密度方面在空间上变化的量变曲线(每一单位体积的掺杂剂载流子的数目)，且不同应用的量变曲线可不同。虽然存在用于活性材料的各种操作模式，但常用模式为在上述PN或PqN层上施加反向偏压电压VR 21500VR(在P侧上具有负电压，且在N侧上具有正电压)，以使得产生越过EC层21500的部分的电场EEC。

取决于应用，对于上述PN或PqN或NqN或XqY结构，N1掺杂层可在P1掺杂层的上方或下方(上方意味着进一步远离衬底，且下方意味着更靠近衬底)。EC层21500可具有结构中的量子阱，其通常在q层中或靠近于PN结。第一P层、第一N层或中间q层中的至少一者含有至少一个量子阱。一或多个量子阱也可在第一P层和第一N层两者中，或在所有三个层中：第一P层、第一N层和中间q层，或仅在中间q层中。量子阱可为有应变、无应变或双阱或多阱量子阱，正如所属领域的技术人员所知。其也可不具有量子阱。

作为示范性说明，在无量子阱且在q层中未掺杂载流子的情况下，在EO调制的情况下，主电光相移将主要归因于线性电光(LEO)效应。如果q掺杂有载流子(N或P)，那么其将添加等离子体(PL)和能带填充(BF)效应。如果q层具有量子阱，那么将添加量子限制斯塔克效应(QCSE)以增强EO相移。如果PqN为正向偏压，那么许多载流子将被注入到q层中，从而造成归因于载流子注入或耗尽的折射率改变。此情形可得到电活性(EC)材料层中的显著相移，这仅仅是归因于PL和BF效应。然而，此调制器将为缓慢的，因为移除载流子为缓慢的过程，其通常处于纳秒速度或更慢(例如<1GHz)。为了达到高调制频率(例如>1GHz)，施加通常经修改的偏压。在所述情况下，q层中的电场将致使载流子耗尽，这还将引起PL或BF效应，且电场将导致LEO效应(具有或不具有量子阱)以及QCSE(在使用量子阱的情况下)。PL、BF、QCSE也可致使吸收系数αEC改变(αEC>0产生光学吸收)，从而导致电吸收调制，这取决于操作波长。正如所属领域的技术人员所知，对于电吸收调制，操作光学波长通常相对靠近于频带边缘(材料或量子阱带隙的边缘)。对于电光调制，操作光学波长通常相对远离频带边缘(材料或量子阱带隙的边缘)。通过载流子注入，其也可产生粒子数反转，从而导致光学增益(αEC<0产生光学增益)，且因此产生光学增益诱发的光学强度或相位调制。归因于αEC的改变的这些效应将产生基于电吸收或增益的调制器，来代替电光调制器，且为本发明的特定实施例。

折射率dnEC 21500dn的平均递增改变或半导体电活性层21500中的材料的至少部分的光学强度损耗/增益系数dαEC 21500da的改变可由施加电场EEC 21500E、电流CEC21500C或电活性层21500中的载流子的注入或耗尽导致(注意到dnEC 21500dn与nEC 21500n并不相同，nEC 21500n为在不存在电场时整个EC层21500的平均折射率)。

到电活性层的电压和电流传导

如图21中所示，半导体电活性层EC 21500在顶侧上电连接到顶部垂直电流传导层TVC21600，且在底侧上电连接到底部垂直电流传导层BVC 21400。底侧为更靠近衬底21100的侧。如果可在两个材料之间通过电流，那么两个材料电连接，其中总电阻乘以面积低于约10Ω-cm²，因此对于10,000μm²面积，总接触电阻小于约100,000Ω＝100kΩ(10,000μm²面积为长为相对大的5mm宽为2μm的调制器装置的面积)。

使用正向偏压PN结或隧道PN结来降低P掺杂剂光学损耗

作为说明但不加限制，对于EC 21500层，如果其N层在P层的下方，那么底部垂直电流传导层BVC 21400可为(并非总是)N掺杂半导体材料，且顶部垂直电流传导层TVC 21600可为(并非总是)P掺杂半导体材料，从而实现容易的电流传导，而不会有显著的电压下降。问题在于P掺杂材料具有比处于相同掺杂剂密度下的N掺杂材料的电阻和光学吸收高得多(通常10倍)的电阻和光学吸收。

如下文将注意到，此情形可通过“正向偏压PN结”的使用来处理，有可能与具有相反掺杂剂类型的区进行电连接，而不会有显著电压下降，且其可能具有某些优点。吾人将会将此称作“PN改变PN结”(标记为PNCPN结)，以将其与EC层21500内部的PN结进行区分。此PNCPN结将在其经正向偏压时传导电流或电压。应注意，如果此PN改变PN结具有高度掺杂P和N层，那么其也可传导电力，甚至是在其受到反向偏压时。在所述情况下，吾人将其称作隧道结，因为电流传导是取决于经反向偏压结上的某一类型的载流子隧穿，正如所属领域的技术人员所熟知。接着，在所述情况下，其可在EC层21500PN结内部的PN结为反向或正向偏压时使用。因此，在吾人将其称作“PN改变PN结”时，通常将在以下情况下提到所述结：在所涉及的PN层为正向偏压且传导电流时或在其经高度掺杂且经反向偏压，但充当电流传导隧穿结时。

举例来说，如图22a中所示，假设在上述PN或PqN或XqY结构中，N掺杂层在P掺杂层的下方，那么在所述情况下，顶部垂直电流传导层TVC 21600也可为N2掺杂(下标2仅用来给此层中的掺杂加标记)半导体材料，其与经P1掺杂的EC层21500的顶部层(被称作层21500LP1)接触，从而产生标记为21600-21500PNCPN的在层21600与21500之间的PNCPN结。

或者，如图22b中所示，层TVC 21600可以具有掺杂剂密度P2、21600P2的P掺杂层(被称作层21600LP2)开始，其连接到具有掺杂剂密度P1的层EC 21500的顶部P掺杂层，且P掺杂层21600LP2还连接到经N掺杂的具有掺杂剂密度N2、21600N2的另一层(被称作层21600LN2)，从而产生标记为21600PNCPN的层21600中的PNCPN结。接着，其中将负电压施加于N2掺杂层TVC 21600的施加电压将得到在N2P2结上的正向偏压，且将电压传输到形成P1q N1结构的部分的EC层21500的顶部P1掺杂层，从而产生在EC层21500中的P1q N1结上的反向偏压。在所述情况下，N2P2层充当PN改变PN结。同样，如果EC 21500层上的P1q N1结在连接到N2掺杂层BVC 21400的底部处具有P1，那么具有标记为21500-21400PNCPN结的在21400与21500之间的PNCPN结，从而形成结构N2P1qN1(参见图22a)；或可具有标记为21400PNCPN结的在21400内部的PNCPN结，从而形成结构N1P2P1qN1(参见图22b)。

经由此P-N改变PN结将P掺杂有效地改变为N掺杂层的原因是因为N掺杂层通常可经掺杂以具有比P掺杂半导体材料低得多的电阻，其中有两个原因：(1)N掺杂剂的掺杂剂密度通常可高于P掺杂剂的掺杂剂密度；(2)甚至在相同掺杂剂密度处，N掺杂材料的电导率通常可比P掺杂材料的电导率高大约10倍。应注意，同样正如所属领域的技术人员所熟知，N掺杂半导体材料通常还具有比P掺杂半导体材料低得多的光学吸收，即使N型材料经掺杂到与P型材料相同的电阻(光学吸收通常可低大约10倍)。

此情形使得能够使用层21300、21350和21400(从下半部向上)和21700、21650和21600(从上半部向下)的具有低电阻的高度N掺杂层，从而实质上降低调制器结构的串联电阻。低串联电阻将得到高调制频率。

上文实例是出于说明的目的且不加限制。举例来说，电活性层EC 21500中的PqN或PN结可在顶部而非在底部具有P掺杂侧，且使用PN改变PN结，以使得顶部层可变为N掺杂材料。因此，在使用PN改变PN结时存在各种变化，如所属领域的技术人员应显而易见。

顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层

具有厚度dTVSC 21700d和宽度wTVSC 21700w的顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层TVSCOC 21700还在其底部经由顶部间杂电介质导电层TIDC 21650电连接到顶部垂直电流传导层TVC 21600，且在其顶部电连接到左上/中间/右金属接触垫FT(L/M/R)M 21800(L/M/R)或任何顶部金属接触垫FTXM 21800X(X是指多个顶部金属接触垫中的任一者)。

活性层结构的上部和下部波导包层

在一个实施例中，具有平均折射率nTVSC 21700n的顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层TVSCOC 21700形成顶部电活性波导包层22600TCd的部分，其中nTVSC 21700n小于中心波导芯22600Co的折射率nWCo 22600Con。在一个示范性实施例中，TVSCOC 21700为低折射率欧姆透明导体(LRI-OTC)(参见图16中的说明)

在另一示范性实施例中，具有平均折射率nTIDC 21650n的顶部间杂电介质导电层TIDC 21650还形成顶部电活性波导包层22600TCd的部分，其中nTIDC 21650n小于中心波导芯22600Co的折射率nWCo 22600Con。

在又一实施例中，通过层TVSCOC 21700上方的空气或电介质区(例如下文中稍后描述的图24中的电介质区TDMR 21810)形成顶部电活性波导包层。

在一个实施例中，在输入支撑结构ISTR 21200的宽度wISTR很窄的情况下，底部电活性波导包层22600BCd的部分可由底部垂直电流传导层BVC 21400下方的输入支撑结构ISTR 21200加上其左侧和右侧的包层材料组成，具体如下：输入支撑结构ISTR 21200由具有材料折射率nISTR 21200n的材料或材料混合物组成。

在优选实施例中，出于说明的目的且不加限制，通常输入连接波导芯ICWCo 22200、输入锥形波导芯ITWCo 22300和输入支撑结构ISTR 21200皆具有类似底部、左边和右边包层材料，但其也可具有不同包层材料。对于输入支撑结构ISTR 21200，使左边包层材料ISTRLCd 21200L的折射率为nISTRLCd 21200Ln，且使右边包层材料ISTRRCd 21200R的折射率为nISTRRCd 21200Rn。支撑结构21200、左边包层21200L和右边包层21200R一起形成具有为nISTR 21200n、nISTRLCd 21200Ln和nISTRRCd 21200Rn的加权平均值的有效层平均折射率nlaISTR21200nla的材料区，这类似于由等式(13)给出的平均折射率的计算。用于平均化的加权是取决于在这些材料区内部的导引光束BEC 21140的光束能量的分配，这类似于由等式(13)给出的情况。区21200、21200L、21200R中的导引光束BEC 21140所经历的层平均材料折射率nlaISTR 21200nla通常小于中心波导芯22600Co的折射率nWCo 22600Con。在所述情况下，其形成底部电活性波导包层22600BCd的部分。

然而，在输入支撑结构ISTR 21200的宽度WISTR相对较宽的情况下，底部电活性波导包层22600BCd的部分将主要由具有平均折射率nISTRBCd 21200Bn的输入支撑结构ISTR 21200下方的底部包层ISTRBCd 21200B组成，作为实施例的部分，其将充满具有小于中心波导芯22600Co的折射率nWCo 22600Con的nISTRBCd的材料。在所述情况下，大量光学能量可在输入支撑结构STR 21200中，且输入支撑结构STR 21200可变为光束BEC 21140的波导芯的部分。

在另一实施例中，底部电活性波导包层22600BCd的部分也可由具有折射率nBIM21250n的底部间杂材料层BIM 21250(如果其存在的话)组成。在一个示范性实施例中，BIM 21250为低折射率欧姆透明导体(LRI-OTC)。

在又一实施例中，底部电活性波导包层22600BCd的部分也可由具有折射率nBIDC21350n的底部间杂电介质电流传导层BIDC 21350组成。

在又一实施例中，底部电活性波导包层22600BCd的部分也可由具有折射率nBSCOC21300n的底侧面导电和欧姆接触层BSCOC 21300组成。

在又一实施例中，底部电活性波导包层22600BCd的部分也可由具有折射率nISTRBCd21200Bn的底侧面导电和欧姆接触层ISTRBCd 21200B组成。

关于哪一层应被视为波导包层在于在波导包层材料区(环绕波导芯的材料区)中，导模的能量密度应在远离波导芯的方向上以指数方式大大地衰减，正如所属领域的技术人员所知。此“波导包层区”可由材料的单层或点(即小集群)或连接材料(包含空气作为材料)的多个层或点的集合(即小丛集)制成。点为材料体积的三维集群。波导包层折射率nCd(例如在下一章中使用)应被视为可具有一个层/点或多个层/点的包层材料的多个层/点的此集合的平均折射率。波导芯应被视为靠近于光束的中心能量部分的材料区，其中材料折射率nMAT大于或等于光束传播折射率nBEC，且波导芯折射率nCo(例如在下一章中使用)应被视为整个核材料区的平均折射率(其又可由材料的层或点组成)。出于说明的目的且不加限制，其可用于将包层区划分为位于波导芯上方的顶部波导包层、位于波导芯下方的底部波导包层、位于波导芯左侧的左边波导包层和位于波导芯右侧的右边波导包层。

高折射率对比度和模式-媒介重叠

出于定义的目的，可用于界定如下文所描述的折射率对比度参数。如果波导芯折射率为nCo，且紧邻波导芯的波导包层(如由上文指数能量衰减界定)具有折射率nCd，那么可将波导芯到包层折射率差平方界定为nrd²＝(nCo²-nCd²)，且将折射率对比率界定为：Rcts＝nrd²/(nCo²+nCd²)。出于定义的目的且不加限制，将极强波导引机制界定为在Rcts>0.5或Rcts＝0.5时。还可用于将中等强波导引机制界定为在0.5>Rcts>0.2或Rcts＝0.2时，将弱导引机制界定为在0.2>Rcts>0.02或Rcts＝0.02时，且将极弱导引机制界定为在0.02>Rcts时。

在优选实施例中，电活性波导芯结构EWCoS 22600至少在垂直方向(垂直于衬底的方向)上处于极强导引或中等强导引机制，其中由Rcts＝(nCo²-nCd²)/(nCo²+nCd²)给出的具有紧邻电活性波导芯的顶部和底部包层的波导芯层的折射率对比度大于或等于约0.2或大于或等于约0.5，其中nCd为顶部或底部包层的折射率。在波导芯结构EWCoS 22600的情况下，nCo＝nWCo，其中nWCo 22600Con为中心波导芯层WCo 22600Co的平均折射率，且nCd为nBIM、nBIDC、nlaISTR或nISTRBCd，这取决于哪一(些)者为底部包层。

此在垂直方向上的强波导将实现高得多的模式限制，其将会将较高分率的光束能量推到电活性层中。结果，在施加电压下由nBEC 21140n的改变给出的导引光束BEC 21140中的相移将较大。此情形将产生实质上较低的切换电压。为了增加此模式-媒介重叠因数，可用于减小电活性波导芯的总厚度。

更精确地，可用于将电活性波导芯的厚度dCORE界定为第一顶部边界与第一底部边界之间的距离。第一顶部边界为波导芯与紧邻波导芯的顶部包层之间的边界，且第一底部边界为波导芯与紧邻波导芯的底部包层之间的边界。如果dCORE小于(λbm/(2*nCo))，那么波导芯据称处于超薄机制。如果dCORE小于或等于(λbm/nCo)且大于(λbm/(2*nCo))，那么波导芯据称处于极薄机制。如果dCORE小于或等于(1.5*λbm/nCo)且大于(λbm/nCo)，那么波导芯据称处于中等薄机制。如果dCORE小于(3*λbm/nCo)且大于(1.5*λbm/nCo)，那么波导芯据称处于薄机制。如果dCORE大于(3*λbm/nCo)，那么波导芯据称处于厚机制。

在本发明的调制器的优选实施例中，为了实现额外增强(例如极低调制电压)，电活性波导芯结构EWCoS 22600应处于极强导引机制，且dCORE应处于超薄机制或极薄机制。

在本发明的调制器的优选实施例中，为了实现额外增强性能(例如低调制电压)，电活性波导芯结构EWCoS 22600应处于中等强导引或极强导引机制，且dCORE应处于超薄机制、极薄机制或中等薄机制。

在本发明的调制器的另一优选实施例中，电活性波导芯结构EWCoS 22600应处于弱导引机制，且dCORE应处于超薄、极薄、中等薄或薄机制。

举例来说，如果λbm＝1550nm，nEC＝3.0，那么如果dCORE小于或等于(λbm/nCo)＝517nm，那么其处于极薄机制，且如果nCd＝1.5，那么其还具有Rcts>0.5，且因此也处于极强波导引机制，这将满足协同要求。必须满足两种要求以便得到本发明的示范性益处，以便增强调制器的低电压性能。

可用于更精确地界定电活性字段重叠因数。使光束BEC 21140的导模的电场分配由EOPT(x,y)21140E给出，其中EOPT为电场强度，且x和y为光束的截面积中的坐标。模式m通常为基谐导模，其在光束中心区处具有单个强度峰值。使Δn 21140dn为在施加电场EEC(x,y)21500E下由光束经历的光学传播折射率的改变(在恒定电场EEC(x,y)～VEC/DEC的情况下，其中VEC 21500VEC为施加电压，且DEC 21500DEC为施加电压VEC的有效物理距离)，其又具有取决于x-y截面坐标的值量变曲线。在折射率调制的情况下，在施加电压V(zo,t)21500Vzo下传播穿过调制器的光束经历的相移Δφ21140Ph通过以下公式给出，其中zo为沿着调制的传播距离：

其中VEC为产生EEC(x,y)、rEO(x,y)的施加RF电压，21500rEO为描述材料的折射率在施加电场下改变了多少的有效电光系数，neff为传播光学模式的有效折射率(与nBEC相同)。量Γ21500ROMOF因此被称作RF电场、光学模式和活性媒介重叠因数(也被简称为模式-媒介重叠因数)。其独立于VEC，因为EEC(x,y)与VEC成比例。电压V(z,t)为可随着传播距离z和时间t改变的实际施加电压。

整个调制器VMOD的电压大致由VEC给出，其假设电活性层与顶部或底部电极之间的电压降与VEC相比较小。

虽然在电光(EO)调制器的情况下说明上文模式-媒介重叠因数，但存在更适合于其它应用的模式-媒介重叠因数的各种其它定义，例如在电吸收(EA)调制器的情况下，或在涉及光学吸收和增益媒介的情况下，正如所属领域的技术人员所熟知。模式-媒介重叠因数的这些其它定义应在适当时使用，且模式-媒介重叠因数的特定定义并不意欲限制本发明。

低折射率欧姆透明导体与金属接触件情况

获得高模式-媒介重叠或紧模式限制的难处在于如果顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层TVSCOC为常见掺杂半导体，那么光学模式将必然触碰到金属接触垫。在本实施例中，解决此问题的一种方式为利用低折射率欧姆透明导体(LRI-OTC)，其导电但具有低折射率(在“电活性区中的高折射率对比度模式限制结构”上的截面中界定低折射率准则)。在所述情况下，模式可被强行限制在电活性波导芯结构EWCS 22600区中，且将在顶部电活性波导包层22600UC中快速衰减。层22600UC基本上为顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层TVSCOC 21700。这将仅当nTVSC与中心波导芯层WCo 22600Co的折射率nWCo 22600Con相比较小时才有可能。然而，现由透明导体制成的层TVSCOC 21700应与可为半导体的顶部垂直导电层TVC 21600具有类欧姆接触是重要的。

作为一实施例，层TVSCOC 21700为低折射率透明导体，其具有与层TVC 21600的欧姆接触能力。在所述情况下，层TVSCOC 21700的材料将被称作“低折射率欧姆透明导体”(LRI-OTC)。欧姆透明导体不同于仅仅透明导体，因为所述欧姆透明导体必须具有与同其接触的下一导电层的“低电接触电阻”，以将电流向下传递到电活性层，而不会导致接触表面上的高电压。出于说明的目的且不加限制，下一导电层通常为N掺杂或P掺杂半导体。优选地，其还应具有与适当金属电极的低“低电接触电阻”。LRI-OTC的材料包含但不限于透明导电氧化物(TCO)材料，例如In2O3(或各种氧化铟)、ZnO(氧化锌)、ITO(氧化铟锡)、GITO(氧化镓铟锡)、氧化铟镓(GIO)、ZITO(氧化锌铟锡)、CdO(氧化镉)或含有这些氧化物中的任一者或一者以上的材料。

在又一实施例中，层TVSCOC 21700也可为低折射率透明导体。在所述情况下，层TVSCOC 21700的材料将被称作“低折射率透明导体”(LRI-TC)。透明导体(TC)不同于欧姆透明导体(OTC)，因为所述透明导体不需要具有与同其接触的下一导电层的“低电接触电阻”。举例来说，透明导体可具有调制器，其中层TVSCOC 21700将电场直接施加到活性材料，而不用将电压进一步向下传导到下一层。在所述情况下，其它层(例如层TVC 21600)可未掺杂，或为不传导电压或电流的本征半导体。

在另一实施例中，为了达成高频响应，层TVC 21600与TVSCOC 21700之间的欧姆接触具有低欧姆接触电阻也是合乎需要的。类欧姆接触意味着电压与电流之间的关系大部分是线性的。出于说明的目的且不加限制，任何两个材料A与B之间的低欧姆接触电阻通常意味着材料A与材料B之间的电流的电压对电流比实质上并不比将影响调制器的频率响应的其它电阻的总和更差。

在一个示范性实施例中，金属垫在具有LRI-OTC材料的层TVSCOC 21700的顶部，所述金属垫给出与所使用的LRI-OTC材料良好的金属欧姆接触。在实施例中，金属垫为第一顶部中间金属接触垫FTMM 21800M，其具有厚度dFTMM 21800Md、宽度wFTMM 21800Mw和长度gFTMM21800Mg。

此情况被称作“顶部LRI-OTC金属接触件情况”。

侧面导电和金属接触件情况

其它替代接触包含使层TVSCOC 21700侧向延伸，且使侧方的金属欧姆接触远离层TVSCOC 21700的中心区，如图23中所示。在所述情况下，可实现从金属到层TVSCOC 21700的欧姆接触，且光学模式将不会触碰到金属，这可使光学模式保持低损耗。此情形被称作“顶侧面导电金属接触件情况”。

又一替代结构涉及具有“具有金属接触的顶部横向传导几何形状”，而且还具有顶部低损耗电介质材料区TDMR 21810，如图24中所示。此电介质材料可经选择具有低折射率，且因此充当顶部电活性波导包层。或者，金属可甚至在TDMR 21810的顶部，从而使此顶部横向传导结构在机械上强健，如图25中所示。因此，存在实现吾人将什么称作“具有金属接触的顶部横向传导几何形状”的各种方式。

又一替代结构涉及具有“底部LRI-OTC”，因为具有厚度dBIM 21250d的在底侧面导电与欧姆接触层BSCOC 21300和ISTR 21200之间的底部间杂材料层BIM 21250是由LRI-OTC制成。此情形实现较粗层，其用于从底部电极传导电流和电压，其中电极在LRI-TOC层的底部，或将LRI-TOC层的顶部(例如使用ALS的一侧或两侧上的顶部通孔经由层21300接触LRI-TOC层)，或在底侧面导电和欧姆接触层BSCOC 21300的正上方。

横向光学模式限制

应注意在另一实施例中，层21700的宽度wTVSC 21700w可横向地作用于导引光束BEC 21140的光学模式，以便限制光学模式。此横向模式限制被称作“肋形波导”结构，所述结构已知具有低光学损耗。因此，在实施例中，层21700还形成肋形波导结构。

必须理解存在横向地限制光学模式的各种方式，包含被称作“横向模式限制”结构的电活性层21500的小垂直部分的小横向宽度wEC 21500w，其也可横向地限制光学模式。因此，在另一实施例中，电活性层为“横向模式限制”结构。

类似地，层21600或21400的小垂直部分的小横向宽度wSVC 21600w或wFVC 21400w也可横向地限制光学模式。因此，在另一实施例中，底部垂直导电层BVC 21400为“横向模式限制”结构。在又一实施例中，顶部垂直导电层TVC 21600为“横向模式限制”结构。

在又一实施例中，具有厚度dBIDC 21350d、层宽度wBIDC 21350w和平均折射率nBIDC21350n的底部间杂电介质电流传导层BIDC 21350为“横向模式限制”结构。

在又一实施例中，具有厚度dBIM 21250d、层宽度wBIM 21250w和平均折射率nBIM21250n的底部间杂电介质电流传导层BIM 21250为“横向模式限制”结构。

在又一实施例中，具有厚度dISTR 21200d、层宽度wISTR 21200w和折射率nISTR21200n的输入支撑结构ISTR 21200为“横向模式限制”结构。

在又一实施例中，具有厚度dOSTR 29200d、层宽度wOSTR 29200w和折射率nOSTR29200n的输出支撑结构OSTR 29200为“横向模式限制”结构。

在又一实施例中，具有厚度dTDMR 21810d、层宽度wTDMR 21810w和平均折射率nTDMR21810n的顶部低损耗电介质材料区TDMR 21810为“横向模式限制”结构。

在又一实施例中，具有厚度dTIDC 21650d、层宽度wTUDC 21650w和平均折射率nTIDC21650n的顶部间杂电介质导电层TIDC 21650为“横向模式限制”结构。

减小调制器结电容

在优选实施例中，电活性层EC 21500的小垂直部分的小横向宽度wEC 21500W充当“横向模式限制”结构，但同时还减小调制器结构中的顶部和底部电场施加结之间的电容。这是因为电容与板面积成比例，且横向宽度wEC 21500W将界定跨越层21500中的PN(或PqN)层的有效电容板面积，其中P侧充当一个电容板，且N侧充当另一电容板，其以P和N掺杂材料区之间的载流子耗尽宽度间隔开，正如所属领域的技术人员所知。减小调制器结电容可增加调制器频率响应。此情形将被称作经由EC层宽度降低的电容降低。如果负责总装置电容的部分的PN结在层21400或21600中，那么此情形也可适用于层21400或层21600。在所述情况下，应小心地选择层21400或21600或这两者的宽度以减小总装置电容。

单独横向模式限制和调制器结电容降低

应注意，有可能实施此“经由EC层宽度降低的电容降低”且在较窄宽度的其它层与此EC层宽度相当或小于此EC层宽度的情况下，仍使用较窄宽度的其它层横向地限制光学模式。此情形可具有某一优点：具有低电容并且使用顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层TVSCOC21700**(或此层与层ISTR 21200之间的任何其它层，包含层ISTR 21200自身，但不包含EC层)横向地限制模式。在图26中展示此情况。(**例如在层21700为欧姆透明导体情况时；对于侧面金属接触件情况，将难以使用层21700限制光束模式。在所述情况下，可以选择性地使用顶部间杂电介质导电层TIDC 21650横向地限制光学模式)

针对较低调制电压使用高度掺杂量子阱

此结构使得能够使用高载流子掺杂大幅度减小调制电压。虽然可使用N和P掺杂两者，但出于说明的目的且不加限制，优选实施例为使用作用中电活性区中的N掺杂作为P掺杂将导致光学吸收损耗比处于相同掺杂剂密度下的N掺杂高。掺杂密度越高，在PN结处的载流子耗尽宽度越小，且PN结电容越大。对于常规调制器，掺杂密度限于N＝10¹⁷/cm³，否则高结电容将开始严重限制调制器的频率带宽。在下文应用中，对可存在或可不存在量子阱的EC层进行掺杂。量子阱的存在可增强归因于在施加电压下量子阱中的载流子能带填充的改变的折射率改变。然而，不存在量子阱也将起作用，因为折射率也将归因于在施加电压下载流子能带填充的改变而改变。因此，在提到量子阱时，其是出于说明的目的且不加限制。量子阱的存在还实现归因于量子限制斯塔克效应(如上所指出)的折射率改变，这可进一步增加在施加电压下折射率的改变。量子阱可为有应变、无应变、双阱或多阱量子阱，正如所属领域的技术人员所知。

在本发明中，在一个应用区域中，主要(但非排他地)针对低调制电压VMOD 20000V或低调制RF功率PMOD 20000P和低损耗高频调制器应用，EC层具有区，该区具有掺杂有P型或N型的高级掺杂载流子密度和处于或高于2x10¹⁷/cm³且低于5x10¹⁷/cm³的掺杂密度。在示范性实施例中，为了说明且不加限制，低意味着VMOD<2伏特或PMOD<80mW。通常，VMOD和PMOD大致由RLOAD 20000R传输线电阻或负载电阻相关：PMOD＝VMOD²/RLOAD。在示范性实施例中，RLOAD＝50欧。此被称作具有处于高度掺杂机制的量子阱。

在另一应用区域中，主要(但非排他地)针对中等-低调制电压VMOD或中等低调制RF功率PMOD和低损耗高频调制器应用，EC层具有区，该区具有掺杂有P型或N型的中等高级掺杂载流子密度和处于或高于5x10¹⁷/cm³且低于1.5x10¹⁸/cm³的掺杂密度。在示范性实施例中，为了说明且不加限制，中等低意味着VMOD<1伏特或PMOD<20mW。此情形被称作具有处于中等高度掺杂机制的量子阱。

在又一应用区域中，主要(但非排他地)针对极低调制电压VMOD或极低调制RF功率PMOD和低损耗高频调制器应用，EC层具有区，该区具有掺杂有P型或N型的极高级掺杂载流子密度和处于或高于1.5x10¹⁸/cm³且低于5x10¹⁸/cm³的掺杂密度。在示范性实施例中，为了说明且不加限制，极低意味着VMOD<0.6伏特或PRF<7mW。此情形被称作具有处于极高度掺杂机制的量子阱。

在又一应用区域中，主要(但非排他地)针对超低调制电压VMOD或超低调制RF功率PMOD和低损耗高频调制器应用，EC层具有区，该区具有掺杂有P型或N型的超高级掺杂载流子密度和处于或高于5x10¹⁸/cm³的掺杂密度。在示范性实施例中，为了说明且不加限制，超低意味着VMOD<0.2伏特或PMOD<0.8mW。此情形被称作具有处于超高度掺杂机制的量子阱。

量子阱可为有应变、无应变、双阱量子阱或多阱，正如所属领域的技术人员所知。

虽然说明和描述本发明的优选实施例和优点，但将显而易见本发明不仅仅限于这些实施例和优点。所属领域的技术人员将显而易见众多修改、改变、变化、替代物和等效物，而不脱离如所描述的本发明的精神和范围。

为了进一步说明本发明，出于说明的目的且不加限制，下文描述几个示范性装置。

具有侧面导电几何形状的电光调制器的第一示范性装置

示范性装置的优选实施例为具有以下规范的调制器装置20000，其被称作具有侧面导电几何形状的电光调制器的第一示范性装置：

衬底SUB 21100为厚度约为0.3mm的硅晶片衬底。输入连接波导芯ICWCo 22200由硅制成，其中硅的平均材料折射率nICWCo 22200n约为nICWCo＝3.6，厚度dICWCo 22200d为dICWCo＝250nm，且宽度WICWCo 22200w为WICWCo＝400nm。

输入连接波导底部包层材料ICWBCd 22200B为二氧化硅(SiO2)，其中二氧化硅的折射率nICWBCd 22200Bn为nICWBCd＝1.45。

输入连接波导顶部包层材料ICWTCd 22200T为二氧化硅(SiO2)，其中二氧化硅的折射率nICWTCd 22200Tn为1.45。

输入连接波导左边包层材料ICWLCd 22200L为二氧化硅(SiO2)，其中二氧化硅的折射率nICWLCd 22200Ln为1.45

输入连接波导右边包层材料ICWRCd 22200R为二氧化硅(SiO2)，其中二氧化硅的折射率nICWRCd 22200Rn为1.45

上文形成输入连接波导ICWG 22200WG。波导ICWG 22200WG的由nRd²＝(nCo²-nCd²)界定的芯-包层折射率差nRd为nRd²＝(3.6²-1.45²)＝10.86，其中nCo＝3.6且nCd＝1.45。其平均包层折射率通过以下公式给出：naICWCd＝(nICWBCd²x AICWBCd+nICWTCd²x AICWTCd+nICWRCd²AICWRCd+nICWLCd²AICWLCd)/(AICWBCd+AICWTCd+AICWRCd+AICWLCd)⁰.⁵＝1.45。其平均芯折射率通过以下公式给出：naCo＝(nCo1²x ACo1+nCo2²x ACo2+nCo3²ACo3+…+nCom²ACom)/(ACo1+ACo2+ACo3+…+ACom)^0.5＝3.6。

输入光束IBM 22140具有传播折射率nIBM 22140n，其中nIBM约为2.8，其中光学功率Pbm 22140P约为1mW，电场极化Ebm 22140E在水平方向上平行于衬底表面。其具有光束有效面积Abm 22140A，Abm＝0.04μm²，和中心位于λbm 22140L的光学波长，λbm＝1550nm，其具有中心位于λbm＝1550nm的多个(N个)频道λbm1＝1548nm、λbm2＝1549nm、λbm3＝1550nm、λbm4＝1551nm及λbm3＝1552nm。

输入光束耦合器结构(IBCS)区

输入锥形波导芯ITWCo 223000由硅制成。其在位置z1处的宽度ITWCo-z1 22300z1经表示为宽度wITWCo-z1 22300w-z1。此宽度从在z1＝0处的宽度wITWCo-z1＝0 22300w-z1＝0(其具有值wITWCo-z1＝0＝400纳米(nm))以线性方式逐渐变窄到在z1>0处的宽度wITWCo-z1>022300w-z1>0，其比400nm更窄。

由硅制成的锥形波导芯dITWCo-z1 22300d-z1的厚度为dITWCo-z1＝250nm，其中折射率nITWCo-z1 22300n-z为nITWCo-z1＝3.6。

锥形波导的总长度gITWCo 22300g为gITWCo＝20微米(μm)。在锥形在z1＝gITWCo处结束时波导芯的宽度为wITWCo-g 22300w-g，其中wITWCo-g＝50nm。

输入支撑结构ISTR 21200具有宽度wISTR 21200w(其中wISTR＝50nm)和厚度dISTR21200d(其中dISTR＝250nm)和长度gISTR 21200g(其中gISTR＝20微米)。其具有有效层平均折射率nlaISTR 21200nla，其中nlaISTR<2.5。

左边包层材料ISTRLCd 21200L为空气，且具有由nISTRLCd＝1给出的折射率nISTRLCd21200Ln，且右边包层材料ISTRRCd 21200R为空气，且具有由nISTRRCd＝1给出的折射率nISTRRCd21200Rn。其底部包层ISTRBCd 21200B为二氧化硅(此为典型绝缘体上硅SOI晶片中的内埋氧化物BOX层的部分)，其中平均折射率nISTRBCd 21200Bn为nISTRBCd＝1.45。

在进入ALS区之前的顶部包层ITWTCd-z1 22300T-z1为二氧化硅(SiO2)，具有折射率nITWTCd-z1 22300Tn-z1，其中nITWTCd-z1＝1.45。

在进入ALS区之前的底部包层ITWBCd-z1 22300B-z1为二氧化硅(SiO2)，具有折射率nITWBCd-z1 22300Bn-z1，其中nITWBCd-z1＝1.45。

在进入ALS区之前的左边包层ITWLCd-z1 22300L-z1为二氧化硅(SiO2)，具有折射率nITWLCd-z1 22300Ln-z1，其中nITWLCd-z1＝1.45。

在进入ALS区之前的右边包层ITWRCd-z1 22300R-z1为二氧化硅(SiO2)，具有折射率nITWRCd-z1 22300Rn-z1，其中nITWRCd-z1＝1.45。

在此示范性实施例中，nITWTCd-z1＝nITWBCd-z1＝nITWLCd-z1＝nITWRCd-z1＝nICWTCd且nICWTCd＝nICWBCd＝nICWLCd＝nICWRCd。在z1＝z1ALS 22300z1ALS处开始的输入锥形波导芯ITWCo 22300(其中z1ALS＝10微米)放置有活性层结构ALS 22500。0<z1ALS<gITWCo。

活性层结构-输送进入结构的光束

由下文表3-1展示活性层结构ALS 22500：

表3-1

在表中，如果未指定有应变，那么材料为无应变(其中InP作为衬底)。指定的波长将为所涉及的四元材料的材料带隙波长(需要材料组份的恰当选择以在InP衬底上生长时达成所需要的材料带隙和应变)。

底侧导电和欧姆接触层

活性层结构ALS 22500具有底侧导电和欧姆接触层BSCOC 21300，其为具有厚度dBSC 21300d(其中dBSC＝100nm)和宽度wBSC 21300w(其中沿着ALS的大部分长度，wBSC约为54微米)的由表3-1中的层1给出的InGaAsP层。其折射率nBSC 21300n为nBSC＝3.4。

底部间杂材料层

底部间杂材料层BIM 21250由低折射率欧姆透明导电(LRI-OTC)材料(由氧化铟(In2O3)组成)制成，其中厚度dBIM 21250d等于dBIM＝100nm，宽度wBIM 21250w等于wBIM＝54微米，且平均折射率nBIM 21250n等于nBIM＝1.7。

底部金属接触垫

第一左下金属接触垫FBLM 21900L为由(17nm Au，后跟着17nm Ge，后跟着17nm Au，后跟着17nm Ni，后跟着1000nm Au)组成的多层金属，其沉积在由表3-1中的层1给出的n掺杂层21300的顶部表面的顶部。金属接触垫的总厚度为dFBLM 21900Ld(其中dFBLM＝1068nm)和宽度wFBLM 21900Lw(其中wFBLM约为20微米)。金属接触垫gFBLM 21900Lg的长度约为500微米。

第一右下金属接触垫FBRM 21900R为由(17nm Au，后跟着17nm Ge，后跟着17nm Au，后跟着17nm Ni，后跟着1000nm Au)组成的多层金属，其沉积在由表3-1中的层1给出的n掺杂层21300的顶部表面的顶部。金属接触垫的总厚度为dFBRM 21900Rd(其中dFBRM＝1068nm)和宽度wFBRM 21900Rw(其中wFBRM约为20微米)。金属接触垫gFBRM 21900Rg的长度约为500微米。

底部金属电极

在第一左下金属接触垫FBLM 21900L的顶部沉积第一左下金属电极FBLME 21120L，其为厚度约为2微米的金。

在第一右下金属接触垫FBRM 21900R的顶部沉积第一右下金属电极FBRME 21120R，其为厚度约为2微米的金。

底部间杂电介质电流传导层

底部间杂电介质电流传导层BIDC 21350为由表3-1中的层2给出的n掺杂InP，其中厚度dBIDC 21350d等于dBIDC＝40nm，宽度wBIDC 21350w等于wBIDC＝54微米，且平均折射率nBIDC21350n约等于nBIDC＝3.0。

底部垂直电流传导层

底部垂直电流传导层BVC 21400为由表3-1中的层3给出的n掺杂InGaAsP，其中厚度dBVC 21400d等于dBVC＝20nm，宽度wBVC 21400w等于wBVC＝2微米，且平均折射率nBVC 21400n等于nBVC＝3.4。

电活性层

电活性层EC 21500由具有由nEC 21500n给出的整个层的平均折射率的表3-1中的层4、5、6、7、8、9、10组成，其中nEC约等于nEC＝3.4。在施加电场下，将存在平均折射率dnEC21500dn的改变。平均折射率变为nEC(新)＝nEC+dnEC。

此电活性层的总厚度dEC 21500d为dEC＝114.5nm。其宽度wEC 21500w等于wEC＝2微米。

电活性层具有在层4到10处的PqN结，其中层4为层21500LN1，其经N掺杂有21500N1＝1x10¹⁹/cm³的掺杂剂密度，且层10为层21500LP1，其经P掺杂有21500P1＝1x10¹⁸/cm³的掺杂剂密度

中间层21500MLNm皆经N掺杂有21500MNm＝4x10¹⁷/cm³的掺杂剂密度。

施加电场EEC 21500E(其可致使电流CEC 21500C流动)跨越整个电活性层，其中将负电压施加于顶部，且将正电压施加于此整个电活性层的底部，被所属领域的技术人员称作电压VR 21500VR反向偏压(相对于电活性层中的PN结)，因此施加电活性VEC 21500VEC为VR。

施加到调制器VMOD 20000V的电极的电压大约由VEC给出。

顶部垂直电流传导层

顶部垂直电流传导层TVC 21600通过由InGaAsP层组成的表3-1中的层11和12给出，所述InGaAsP层是由经P掺杂有掺杂剂密度21600P2＝1x10¹⁸/cm³的25nm厚的层21600LP2、后跟着具有掺杂剂密度21600N2＝1x10¹⁹/cm³的20nm厚的经N掺杂InGaAsP层21600LN2组成。TVC 21600的总厚度为dTVC 21600d，其中dTVC＝45nm。其宽度为WTVC 21600w，等于WTVC＝2微米，且其平均折射率为nTVC 21600n等于nTVC＝3.4。此N2P2结形成正向偏压PN结(或隧道PN结)。其形成PN改变PN结(被称作PNCPN结)21600PNCPN。

顶部间杂电介质电流传导层

顶部间杂电介质导电层TIDC 21650为由表3-1中的层13给出的N掺杂InP层，其中厚度dTIDC 21650d等于dTIDC＝20nm，宽度wTIDC 21650w等于wTIDC＝8微米，且平均折射率nTIDC21650n等于nTIDC＝3.0。

顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层

顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层TVSCOC 21700由表3-1中的层14给出的InGaAsP组成，其中厚度dTVSC 21700d等于dTVSC＝40nm，宽度wTVSC 21700w等于wTVSC＝8微米，且平均折射率nTVSC 21700n等于nTVSC＝3.4。

顶部金属接触垫

第一左上金属接触垫FTLM 21800L为由(17nm Au，后跟着17nmGe，后跟着17nm Au，后跟着17nm Ni，后跟着1000nm Au)组成的多层金属，其沉积在由表3-1中的层14给出的n掺杂层21700的顶部表面的顶部。金属接触垫的总厚度为dFTLM 21800Ld(其中dFTLM＝1068nm)和宽度wFTLM 21800Lw(其中wFTLM约为3微米)。金属接触垫gFTLM 21800Lg的长度约为500微米。

第一右上金属接触垫FTRM 21800R为由(17nm Au，后跟着17nm Ge，后跟着17nm Au，后跟着17nm Ni，后跟着1000nm Au)组成的多层金属，其沉积在由表3-1中的层14给出的n掺杂层21700的顶部表面的顶部。金属接触垫的总厚度为dFTRM 21800Rd(其中dFTRM＝1068nm)和宽度wFTRM 21800Rw(其中wFTRM约为3微米)。金属接触垫gFTRM 21800Rg的长度约为500微米。

不存在顶部中间金属接触垫FTMM 21800M。

顶部金属电极

在第一左上金属接触垫FTLM 21800L的顶部沉积第一左上金属电极FTLME 21130L，其为厚度约为2微米的金。

在第一右上金属接触垫FTRM 21800R的顶部沉积第一右上金属电极FTRME 21130R，其为厚度约为2微米的金。

到电活性波导芯结构的光束输送

z1＝z1ALS 22300z1ALS与z1＝gITWCo 22300g之间的输入锥形波导区，锥形波导芯宽度wITWCo-z 22300w从其在z1＝z1ALS 22300z1ALS处的值向下变化为在z1＝gITWCo 22300g处的较小值wITWCo-g＝50nm。

显而易见，WITWCo-g<<λbm/(2*nITWCo)，其中λbm＝1550nm且nITWCo＝3.6，其中*为数字乘法。

输出连接波导

输出连接波导芯OCWCo 28200具有平均折射率nOCWCo＝naOCWCo＝3.6，厚度dOCWCo28200d为dOCWCo＝250nm，且宽度WOCWCo 28200w为WOCWCo＝400nm。

输出连接波导OCWG 28200WG具有输出连接波导底部包层材料OCWBCd 28200B，其为二氧化硅(SiO2)，其中折射率nOCWBCd 28200Bn为nOCWBCd＝1.45。

输出连接波导顶部包层材料OCWTCd 28200T为二氧化硅，其中折射率nOCWTCd28200Tn为nOCWTCd＝1.45。

输出连接波导左边包层材料OCWLCd 28200L为二氧化硅，其中折射率nOCWLCd28200Ln为nOCWLCd＝1.45。

输出连接波导右边包层材料OCWRCd 28200R为二氧化硅，其中折射率nOCWRCd28200Rn为nOCWRCd＝1.45。

所得平均包层折射率naOCWCd 28200aCdn为naOCWCd＝1.45。

输出光束OBM 28140

输出光束耦合器结构(OBCS)区

输出锥形波导芯OTWCo 28300由硅制成。其在位置z2OTWCo-z2处的宽度经表示为宽度wOTWCo-z2 28300w-z2。此宽度从在z2＝0处的宽度wOTWCo-z2＝0 28300w-z2＝0(其具有值wOTWCo-z2＝0＝400nm)以线性方式逐渐变窄到在z2>0处的宽度wOTWCo-z2>0 28300w-z2>0(其比400nm更窄)。

由硅制成的锥形波导芯dOTWCo-z2 28300d-z2的厚度为dOTWCo-z2＝250nm，其中折射率nOTWCo-z2 28300n-z2为nOTWCo-z2＝3.6。

锥形波导的总长度gOTWCo 28300g为gOTWCo＝20微米(μm)。在锥形在z2＝gOTWCo处结束时波导芯的宽度为wOTWCo-g 28300w-g，其中wOTWCo＝50nm。

输出支撑结构OSTR 29200具有宽度wOSTR 29200w(其中wOSTR＝50nm)和厚度dOSTR29200d(其中dOSTR＝250nm)和长度gOSTR 29200g(其中gOSTR＝20微米)。其具有有效层平均折射率nlaOSTR 29200nla，其中nlaOSTR<2.5。

在进入ALS区之前，顶部包层OTWTCd-z2 28300T-z2为二氧化硅(SiO2)，具有折射率nOTWTCd-z2 28300Tn-z2，其中nOTWTCd-z2＝1.45。

底部包层OTWBCd-z2 28300B-z2为二氧化硅(SiO2)，具有折射率nOTWBCd-z228300Bn-z2，其中nOTWBCd-z2＝1.45。

左边包层OTWLCd-z2 28300L-z2为二氧化硅(SiO2)，具有折射率nOTWLCd-z228300Ln-z2，其中nOTWLCd-z2＝1.45。

右边包层OTWRCd-z2 28300R-z2为二氧化硅(SiO2)，具有折射率nOTWRCd-z228300Rn-z2，其中nOTWRCd-z2＝1.45。

在此示范性实施例中，nOTWTCd-z2＝nOTWBCd-z2＝nOTWLCd-z2＝nOTWRCd-z2＝nOCWTCd且nOCWTCd＝nOCWBCd＝nOCWLCd＝nOCWRCd

在z2＝z2ALS 28300z2ALS处开始的输出锥形波导芯OTWCo 28300放置有活性层结构ALS22500。0<z2ALS<gOTWCo。

经由在z2＝z2ALS 28300z2ALS与z2＝gOTWCo 28300g之间的输出锥形波导区，将光束OBM 28140的大部分输出光束能量从电活性波导芯结构EWCoS 22600输送到输出锥形波导芯OTWCo 28300，其中输出锥形波导芯宽度wOTWCo-z2 28300w-z2从其在z2＝z2ALS,28300z2ALS处的值向下变化为在z2＝gITWCo 28300g处的较小值wOTWCo-g。锥形波导芯宽度减少到远低于由λbm/(2xnOTWCo)给出的波导芯中的光学波长的一半，以使得wOTWCo-g<<λbm/(2xnOTWCo)。在将能量从含有电活性层EC 21500的电活性波导芯结构EWCoS 22600向下输送到在z2＝0处的输出锥形(其中锥形芯宽度为wOTWCo-z2＝0 28300w0和wOTWCo-z2＝0＝wOCWCo 28200)之后，光束被表示为输出光束或光束OBM 28140。

活性层结构的长度

活性层结构的长度SLmod 22550约为500微米。

高折射率对比度和模式重叠

对于底部包层：

波导芯折射率为nco＝3.6

波导底部包层为nBCd＝1.45(由层ISTRBC给出，其中nISTRBCd＝1.45)

波导芯对包层折射率差平方为nrd²＝(nco²-nBCd²)＝10.86。

折射率对比率为：Rcts＝nrd²/(nco²+nBCd²)＝0.7，其处于极强导引机制。

对于顶部包层：

波导芯折射率为nco＝3.6

波导底部包层为nTCd＝1(由是空气的TVSCOC层上方的材料给出，其中n＝1)

波导芯对包层折射率差平方为nrd²＝(nco²-nTCd²)＝11.96。

折射率对比率为：Rcts＝nrd²/(nco²+nTCd²)＝0.86，其处于极强导引机制。

具有透明导体几何形状的电吸收调制器的第二示范性装置

示范性装置的优选实施例为具有以下规范的调制器装置20000(其被称作具有欧姆透明导体几何形状的电吸收调制器的第二示范性装置)：此示范性装置与第一示范性装置之间的主要差异在表3-2中，其中活性层经设计用于电吸收调制。而且，不存在左边和右上金属接触垫，仅存在中间金属接触垫。

输入连接波导底部包层材料ICWBCd 22200B为二氧化硅(SiO2)，其中二氧化硅的折射率nICWBCd 22200Bn为nICWBCd＝1.45。

输入连接波导顶部包层材料ICWTCd 22200T为二氧化硅(SiO2)，其中二氧化硅的折射率nICWTCd 22200Tn为1.45。

输入连接波导左边包层材料ICWLCd 22200L为二氧化硅(SiO2)，其中二氧化硅的折射率nICWLCd 22200Ln为1.45

输入连接波导右边包层材料ICWRCd 22200R为二氧化硅(SiO2)，其中二氧化硅的折射率nICWRCd 22200Rn为1.45

上文形成输入连接波导ICWG 22200WG。波导ICWG 22200WG的由nRd²＝(nCo²-nCd²)界定的芯-包层折射率差nRd为nRd²＝(3.6²-1.45²)＝10.86，其中nCo＝3.6且nCd＝1.45。其平均包层折射率通过以下公式给出：naICWCd＝(nICWBCd²x AICWBCd+nICWTCd²x AICWTCd+nICWRCd²AICWRCd+nICWLCd²AICWLCd)/(AICWBCd+AICWTCd+AICWRCd+AICWLCd)^0.5＝1.45。其平均芯折射率通过以下公式给出：naCo＝(nCo1²x ACo1+nCo2²x ACo2+nCo3²ACo3+…+nCom²ACom)/(ACo1+ACo2+ACo3+…+ACom)^0.5＝3.6。

输入光束耦合器结构(IBCS)区

由硅制成的锥形波导芯dITWCo-z1 22300d-z1的厚度为dITWCo-z1＝250nm，其中折射率nITWCo-z1 22300n-z为nITWCo-z1＝3.6。

锥形波导的总长度gITWCo 22300g为gITWCo＝20微米(μm)。在锥形在z1＝gITWCo处结束时波导芯的宽度为wITWCo-g 22300w-g，其中wITWCo-g＝50nm。

在进入ALS区之前的顶部包层ITWTCd-z1 22300T-z1为二氧化硅(SiO2)，具有折射率nITWTCd-z1 22300Tn-z1，其中nITWTCd-z1＝1.45。

在进入ALS区之前的底部包层ITWBCd-z1 22300B-z1为二氧化硅(SiO2)，具有折射率nITWBCd-z1 22300Bn-z1，其中nITWBCd-z1＝1.45。

在进入ALS区之前的左边包层ITWLCd-z1 22300L-z1为二氧化硅(SiO2)，具有折射率nITWLCd-z1 22300Ln-z1，其中nITWLCd-z1＝1.45。

在进入ALS区之前的右边包层ITWRCd-z1 22300R-z1为二氧化硅(SiO2)，具有折射率nITWRCd-z1 22300Rn-z1，其中nITWRCd-z1＝1.45。

活性层结构-输送进入结构的光束

由下文表3-2展示活性层结构ALS 22500：

表3-2

底侧导电和欧姆接触层

活性层结构ALS 22500具有底侧导电和欧姆接触层BSCOC 21300，其为具有厚度dBSC 21300d(其中dBSC＝100nm)和宽度wBSC 21300w(其中沿着ALS的大部分长度，wBSC约为54微米)的由表3-2中的层1给出的InGaAsP层。其折射率nBSC 21300n为nBSC＝3.4。

底部间杂材料层

底部金属接触垫

第一左下金属接触垫FBLM 21900L为由(17nm Au，后跟着17nmGe，后跟着17nm Au，后跟着17nm Ni，后跟着1000nm Au)组成的多层金属，其沉积在由表3-2中的层1给出的n掺杂层21300的顶部表面的顶部。金属接触垫的总厚度为dFBLM 21900Ld(其中dFBLM＝1068nm)和宽度wFBLM 21900Lw(其中wFBLM约为20微米)。金属接触垫gFBLM 21900Lg的长度约为500微米。

第一右下金属接触垫FBRM 21900R为由(17nm Au，后跟着17nm Ge，后跟着17nm Au，后跟着17nm Ni，后跟着1000nm Au)组成的多层金属，其沉积在由表3-2中的层1给出的n掺杂层21300的顶部表面的顶部。金属接触垫的总厚度为dFBRM 21900Rd(其中dFBRM＝1068nm)和宽度wFBRM 21900Rw(其中wFBRM约为20微米)。金属接触垫gFBRM 21900Rg的长度约为500微米。

底部金属电极

在第一左下金属接触垫FBLM 21900L的顶部沉积第一左下金属电极FBLME 21120L，其为厚度约为2微米的金。

在第一右下金属接触垫FBRM 21900R的顶部沉积第一右下金属电极FBRME 21120R，其为厚度约为2微米的金。

底部间杂电介质电流传导层

底部间杂电介质电流传导层BIDC 21350为由表3-2中的层2给出的n掺杂InP，其中厚度dBIDC 21350d等于dBIDC＝40nm，宽度wBIDC 21350w等于wBIDC＝54微米，且平均折射率nBIDC21350n约等于nBIDC＝3.0。

底部垂直电流传导层

底部垂直电流传导层BVC 21400为由表3-2中的层3给出的n掺杂InGaAsP，其中厚度dBVC 21400d等于dBVC＝20nm，宽度wBVC 21400w等于wBVC＝2微米，且平均折射率nBVC 21400n等于nBVC＝3.4。

电活性层

此电活性层的总厚度dEC 21500d为dEC＝160nm。其宽度wEC 21500w等于wEC＝2微米。

中间层21500MLNm皆未掺杂(本征)。

施加到调制器VMOD 20000V的电极的电压大约由VEC给出。

顶部垂直电流传导层

顶部垂直电流传导层TVC 21600通过由InGaAsP层组成的表3-2中的层11和12给出，所述InGaAsP层是由经P掺杂有掺杂剂密度21600P2＝1x10¹⁸/cm³的25nm厚的层21600LP2、后跟着具有掺杂剂密度21600N2＝1x10¹⁹/cm³的20nm厚的经N掺杂InGaAsP层21600LN2组成。TVC 21600的总厚度为dTVC 21600d，其中dTVC＝45nm。其宽度为WTVC 21600w，等于WTVC＝2微米，且其平均折射率为nTVC 21600n等于nTVC＝3.4。此N2P2结形成正向偏压PN结(或隧道PN结)。其形成PN改变PN结(被称作PNCPN结)21600PNCPN。

顶部间杂电介质电流传导层

顶部间杂电介质导电层TIDC 21650为由表3-2中的层13给出的N掺杂InP层，其中厚度dTIDC 21650d等于dTIDC＝20nm，宽度wTIDC 21650w等于wTIDC＝2微米，且平均折射率nTIDC21650n等于nTIDC＝3.0。

顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层

顶部垂直/侧面导电和欧姆接触层TVSCOC 21700由表3-2中的层14给出的低折射率欧姆透明导体(LRI-OTC)(In2O3)组成，其中厚度dTVSC21700d等于dTVSC＝240nm，宽度wTVSC21700w等于wTVSC＝2微米，且平均折射率nTVSC 21700n等于nTVSC＝1.7。

顶部金属接触垫

第一顶部中间金属接触垫FTMM 21800M为由(17nm Au，后跟着17nm Ge，后跟着17nm Au，后跟着17nm Ni，后跟着1000nm Au)组成的多层金属，其沉积在由表3-2中的层14给出的n掺杂层21700的顶部表面的顶部。金属接触垫的总厚度为dFTMM 21800Md(其中dFTMM＝1068nm)和宽度wFTMM 21800Mw(其中wFTMM约为2微米)。金属接触垫gFTMM 21800Mg的长度约为500微米。

不存在左上或右边金属接触垫FTLM 21800L或FTRM 21800R。

顶部金属电极

在第一顶部中间金属接触垫FTMM 21800M的顶部沉积第一顶部中间金属电极FTMME 21130M，其为厚度约为2微米的金。