一种基于分光比可调MMI的高消光比的硅基MZI调制器

一种基于分光比可调mmi的高消光比的硅基mzi调制器
技术领域
1.本实用新型涉及一种基于分光比可调mmi的高消光比的硅基mzi调制器，属于半导体硅基光电子通信器件集成技术领域。


背景技术：

2.电光调制器是硅光子中最关键的器件之一，因其具有高速，高效等特点受到数字电路及模拟光纤链路的广泛关注。在调制器中通常采用相位调制或者幅度调制的方式，其中相位调制主要通过改变载流子浓度从而改变材料的折射率，进而改变光在波导中的传播常数。幅度调制主要利用物理方式改变材料的吸收系数从而改变出射光的强度。目前最常见的方式是将两者结合，在相位调制的基础上，通过马赫曾德尔或者微环结构将相位变化转换为幅度的变化，这种方式可以更加容易的通过探测器直接检测到。
3.但对于硅基的马赫曾德尔结构的调制器，由于单晶硅是中心反演对称晶体，因而不具备线性的电光效应。这使得纯硅基的调制器目前主要的通过等离子色散效应，利用半导体材料中的载流子变化，从而改变材料的折射率，引起光相位变化，实现光相位调制。其在1550波段下变化如下公式所示：
4.δn＝8.8
×
10
‑
22
δn
e
+8.5
×
10
‑
18
(δn
h
)
0.8
5.δα＝8.5
×
10
‑
18
δn
e
+6.0
×
10
‑
18
δn
h
6.其中n为材料的折射率，α为材料的吸收系数，ne为材料中电子的掺杂浓度，nh为材料中空穴的掺杂浓度。从上式可以看出，当材料中的载流子浓度发生变化时，往往也会伴随着材料吸收系数的改变。因此，对于马赫曾德尔结构的硅光调制器，当一束光信号经过3db分束器后，分成光强相同的两束光，但当其中一调制臂进行调制后，由于吸收系数的不同，这种伴随的强度调制将会在两臂之间产生不同的光场衰减,合束时的两束光的强度不再相等,从而使干涉仪输出端的调制深度下降(开关器件则降低了消光比)。同时,载流子吸收将会使器件工作时产生额外的吸收损耗。所以，对于传统的基于等离子色散效应的马赫曾德尔调制器，由于消光比低，误码率高等问题，严重阻碍了其广泛应用的可能性。
7.鉴于上述硅光子调制器出现的问题，本实用新型提出了一种高消光比的硅基马赫曾德尔调制器结构。


技术实现要素：

8.针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种基于分光比可调mmi的高消光比的硅基mzi调制器，本实用新型通过对多模干涉分路器及多模干涉耦合器进行操作，可以有效的解决当前基于马赫曾德尔型硅光调制器消光比低的问题。
9.本实用新型技术方案是：一种基于分光比可调mmi的高消光比的硅基mzi调制器，包括光输入通道1、与光输入通道1相连接的多模干涉分路器2、光输出通道3、与光输出通道3相连接的多模干涉耦合器4；所述多模干涉分路器2及多模干涉耦合器4通过光传输波导5连接，且光传输波导5上附有能负载信号的调制移相臂6；多模干涉分路器2还包括位于顶部
的第一附载电极7、第一多模干涉波导23及两个多模干涉分路器输出端口8，多模干涉耦合器4同样包括位于顶部的第二附载电极7、第二多模干涉波导23及两个多模干涉耦合器输入端口9。
10.作为本实用新型的进一步方案，所述多模干涉分路器2及多模干涉耦合器4分别通过第一附载电极7、第二附载电极7进行分光比调节。
11.作为本实用新型的进一步方案，所述多模干涉分路器2及多模干涉耦合器4的多模干涉波导23形状为扇形结构，且宽度沿光传输方向变化。
12.作为本实用新型的进一步方案，所述多模干涉分路器输出端口8及多模干涉耦合器输入端口9为锥形结构，宽度沿光的传播方向变化。
13.作为本实用新型的进一步方案，所述光传输波导5的横截面为条形或者脊型结构。
14.作为本实用新型的进一步方案，所述调制移相臂6采用pn结移相臂，pn结移相臂为反向“掺杂补偿”型，即在pn结(是指p型掺杂区13、n型掺杂区14和p+型掺杂区16、n+型掺杂区17)的两侧进行掺杂补偿，形成中心的p型掺杂区13、n型掺杂区14及两侧的本征区15；其中本征区15距离pn结中心位置为100nm；调制移相臂6的光波导11下层采用p+型掺杂区16和n+型掺杂区17分别与p++型重掺杂区18以及n++型重掺杂区19连接；反向“掺杂补偿”型pn结移相臂的p++型重掺杂区18和n++型重掺杂区19分别引出电极短接金属材料作为器件的阴极和阳极，即图3中，位于两侧的金属电极22，上述金属电极材料可以为al，cu或w等，金属电极22上面设置电极接触孔10。
15.作为本实用新型的进一步方案，所述光波导11的横截面为条形或者脊型结构。
16.本实用新型通过对多模干涉分路器2及多模干涉耦合器4进行光功分比的调节，使mzi在调制时两个臂的光强保持在同一水平上，提高了器件输出时的消光比。
17.作为本实用新型的进一步方案，光传输波导5、光波导11的横截面为脊型结构，使光信号在器件中保持单模传输。
18.本实用新型的有益效果是：
19.1、本实用新型所提出的高消光比的硅基马赫曾德尔调制器是采用可调光功分比的光分路器和耦合器与调制臂相连接。即该调制器包括光输入通道，与光输入通道相连接的多模干涉分路器、光输出通道，与光输出通道相连接的多模干涉耦合器，多模干涉分路器及多模干涉耦合器通过光传输波导连接，且光波导上附有可以负载信号的调制移相臂。
20.2、本实用新型中的多模干涉分路器还包括位于顶部的调节分光比的附载电极及两个输出端口，多模干涉耦合器同样包括位于顶部的调节分光比的附载电极及两个输入端口。当其中一调制臂处于调制模式时，其光强与未调制的另一臂的光强将产生差异，为使两臂中的光强保持一致，可以对多模干涉分路器及多模干涉耦合器施加电压，增大损耗大的相移臂的分光比，减小损耗低的相移臂的分光比，可使得两调制臂的光强相同，实现输出端干涉消光比增强，提高调制器性能。
附图说明
21.图1是本实用新型调制器基本结构示意图；
22.图2是本实用新型调制器的调制移相臂俯视图；
23.图3是本实用新型调制器的调制移相臂截面示意图；
24.图4是多模干涉分路器及多模干涉耦合器的俯视图；
25.图5是本实用新型的仿真结果。
26.图1
‑
5中各标号：1
‑
光输入通道，2
‑
多模干涉分路器，3
‑
光输出通道，4
‑
多模干涉耦合器，5
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光传输波导，6
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调制移相臂，7
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附载电极，8
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多模干涉分路器输出端口，9
‑
多模干涉耦合器输入端口，10
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电极接触孔，11
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光波导，12
‑
行波电极，13
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p型掺杂区，14
‑
n型掺杂区，15
‑
本征区，16
‑
p+型掺杂区，17
‑
n+型掺杂区，18
‑
p++型重掺杂区，19
‑
n++型重掺杂区，20
‑
埋氧层，21
‑
二氧化硅包层，22
‑
金属电极，23
‑
多模干涉波导。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。
28.实施例1：如图1
‑
5所示，一种基于分光比可调mmi的高消光比的硅基mzi调制器，包括光输入通道1、mzi结构中的光功分比可调的且与光输入通道1相连接的多模干涉分路器2、光输出通道3、光功分比可调的且与光输出通道3相连接的多模干涉耦合器4；所述多模干涉分路器2及多模干涉耦合器4通过光传输波导5连接，且光传输波导5上附有能负载信号的、且能进行光调制的调制移相臂6；多模干涉分路器2还包括位于顶部的第一附载电极7、第一多模干涉波导23及两个多模干涉分路器输出端口8，多模干涉耦合器4同样包括位于顶部的第二附载电极7、第二多模干涉波导23及两个多模干涉耦合器输入端口9。
29.作为本实用新型的进一步方案，所述多模干涉分路器2及多模干涉耦合器4分别通过第一附载电极7、第二附载电极7进行分光比调节。
30.作为本实用新型的进一步方案，所述多模干涉分路器2及多模干涉耦合器4的多模干涉波导23形状为扇形结构，且宽度沿光传输方向变化。
31.作为本实用新型的进一步方案，所述多模干涉分路器输出端口8及多模干涉耦合器输入端口9为锥形结构，宽度沿光的传播方向变化。
32.作为本实用新型的进一步方案，所述光传输波导5的横截面为条形或者脊型结构。
33.光传输波导5的横截面为脊形波导，其中脊高130nm，平板层高90nm。脊形波导宽度为500nm；
34.作为本实用新型的进一步方案，所述调制移相臂6包括光波导11、行波电极12；光波导11包括p型掺杂区13、n型掺杂区14、本征区15、p+型掺杂区16、n+型掺杂区17、p++型重掺杂区18、n++型重掺杂区19；行波电极12包括电极接触孔10、金属电极22；如图3所示，上述组成的调制移相臂6为脊型结构，调制移相臂6上下层的使用环境分别为二氧化硅包层21、埋氧层20；
35.所述调制移相臂6采用pn结移相臂，pn结移相臂为反向“掺杂补偿”型，即在pn结(是指p型掺杂区13、n型掺杂区14和p+型掺杂区16、n+型掺杂区17)的两侧进行掺杂补偿，形成中心的p型掺杂区13、n型掺杂区14及两侧的本征区15；其中本征区15距离pn结中心位置为100nm；调制移相臂6的光波导11下层采用p+型掺杂区16和n+型掺杂区17分别与p++型重掺杂区18以及n++型重掺杂区19连接；反向“掺杂补偿”型pn结移相臂的p++型重掺杂区18和n++型重掺杂区19分别引出电极短接金属材料作为器件的阴极和阳极，即图3中，位于两侧的金属电极22，上述金属电极材料可以为al，cu或w等，金属电极22上面设置电极接触孔10。
36.作为本实用新型的进一步方案，所述光波导11的横截面为条形或者脊型结构。
37.本实用新型通过对多模干涉分路器2及多模干涉耦合器4进行光功分比的调节，使mzi在调制时两个臂的光强保持在同一水平上，提高了器件输出时的消光比。
38.作为本实用新型的进一步方案，光传输波导5、光波导11的横截面为脊型结构，使光信号在器件中保持单模传输。
39.本实用新型的工作原理是：
40.反向“掺杂补偿”型调制移相臂(6)是由两侧进行了掺杂补偿形成本征区域的脊行光波导。脊中心区域为p型掺杂区13与n型掺杂区14形成的反向pn结，两侧为本征区15。与下层平板层相连接，平板层由p+型掺杂区16和n+型掺杂区17组成，并与外部p++型重掺杂区18、n++型重掺杂区19连接。p++型重掺杂区及n++型重掺杂区上方沉积金属电极22，形成欧姆接触。在金属电极上方开有电极接触孔10，与外部调制信号相连接。其中p型掺杂区13、p+型掺杂区16、p++型重掺杂区18的注入离子为硼粒子，其浓度分别为4e17cm
‑3，6e17cm
‑3，1e20cm
‑3。n型掺杂区14、n+型掺杂区17、n++型重掺杂区19的注入离子为磷粒子，其浓度分别为4e17cm
‑3，6e17cm
‑3，1e20cm
‑3。金属电极为al材料，接触孔的直径为5微米。
41.光信号从光输入通道1输入，经过光功分比可调的多模干涉分路器2，当无外加信号电压时，两臂的光强处于平衡状态，这时不需调节多模干涉分路器2及多模干涉耦合器4就能获得较大的消光比，当有外加信号接入行波电极12时，此时信号接入的调制臂中的光信号会发生п相移，但与此同时，该臂的光信号还会伴随着由载流子浓度引起的吸收损耗的变化，这时调节位于多模干涉分路器2及多模干涉耦合器4顶部的附载电极7，改变进入两臂的功分比，使吸收损耗较小的臂的功分比减小，吸收损耗较大的臂的功分比增大，这使得两臂的光强仍处于平衡状态，这将使得在光输出通道3的消光比增大
42.图5为该结构在2微米波段下的器件仿真的光透射图谱。可见，通过可调功分比多模干涉分路器及多模干涉耦合器的引入，使得两臂的光在输出端可以发生完全干涉，提高了器件的消光比，减小了器件的误码率，提高了调制器的信号传输效率。
43.当在调制臂上施加正偏压时，pn结处于注入状态，耗尽层减少，过大的载流子浓度将会引起波导的吸收系数增大，导致波导中的传输光信号的光强减弱，而未调制的传输波导的光强不变，因此在输出端耦合时，会因为两臂光强的不同导致干涉效率降低，影响器件的消光比。如果在多模干涉分路器以及多模干涉耦合器上施加一个合适的电压，使调制臂的光强在调制之前大于未调制臂的光强。这样在输出端耦合时，两臂的光强将保持一致，从而提高器件的消光比。
44.当在调制臂上施加负偏压时，pn结处于抽空状态，耗尽层增大，过大的载流子浓度将会引起波导的吸收系数减少，导致波导中的传输光信号的光强相对于未调制的臂增大，而未调制的传输波导的光强不变，因此在输出端耦合时，会因为两臂光强的不同导致干涉效率降低，影响器件的消光比。如果在多模干涉分光器以及多模干涉耦合器上施加一个合适的电压，使调制臂的光强在调制之前小于未调制臂的光强。这样在输出端耦合时，两臂的光强将保持一致，从而提高器件的消光比。
45.上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本实用新型的保护范围之内。
46.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存
在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
47.上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。