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载流子耗尽型硅基调制器的电学结构及工作原理

2021-09-10 光学小豆芽 阅读:
载流子耗尽型调制器(carrier-depletion silicon modulator)的电学结构为一个工作在反偏模式的PN结,零偏压时,波导区域有一定浓度的P和N型掺杂,当施加反向偏压时,耗尽区扩大,波导区域的载流子浓度变低,对应光波导的有效折射率变大,损耗变小。

前面的笔记已经分别整理过载流子注入型和积累型这两种类型的硅基调制器(注入型笔记链接和积累型笔记链接),这篇笔记整理下另一类硅基调制器——载流子耗尽型调制器QyQednc

载流子耗尽型调制器(carrier-depletion silicon modulator)的电学结构为一个工作在反偏模式的PN结,零偏压时,波导区域有一定浓度的P和N型掺杂,当施加反向偏压时,耗尽区扩大,波导区域的载流子浓度变低,对应光波导的有效折射率变大,损耗变小,如下图所示。QyQednc

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(图片来自文献1)QyQednc

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为了降低掺杂带来的损耗,典型的掺杂浓度在1e18 cm^-3左右。由于反偏PN结的结电容较小(典型值为0.2-0.8pF/mm),导致耗尽型调制器的调制效率不高,Vpi*L的典型值为1.5-2V*cm。但对应的RC带宽比较大,其调制带宽较大,目前已经可以实现100Gbs的NRZ调制。因此耗尽型调制器被广泛用于高速硅光模块中。另一方面,由于调制效率不高,耗尽型MZI调制器的尺寸一般在1-2mm左右,尺寸较大,限制了其在大规模集成光路中的应用。QyQednc

为了进一步提高耗尽型调制器的调制效率,人们提出了一些新颖的电学结构,主要有:QyQednc

1)交趾型(interleaved)QyQednc

该结构中的P和N型掺杂在波导传播方向上交替出现,形成传播方向上的耗尽区,使得波导模式与耗尽区的重叠积分增大,进而提高调制效率。典型的结构如下图所示,也可以理解为多个结电容并联,存储电荷的能力增强,使得调制效率变大。QyQednc

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(图片来自文献2)QyQednc

该类型的另一个变体是zig-zag型掺杂,如下图所示,QyQednc

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(图片来自文献3)QyQednc

Ayar Labs的微环调制器采用的正是交趾型的PN结,如下图所示,QyQednc

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(图片来自文献4)QyQednc
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2)L型与U型掺杂(L-shaped, U-shaped)QyQednc

该类型通过一定的离子注入方法,形成竖直方向上的PN结,使得PN结电容的面积增大,电容变大,进而提高调制效率。L型PN结的结构如下图所示,QyQednc

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(图片来自文献5)QyQednc

U型PN结的结构如下图所示,P掺杂与N掺杂的接触面形成U型,其结电容更大,调制效率更高。由于耗尽区与波导模式的重叠积分更大,其传输损耗变小。QyQednc

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(图片来自文献5)QyQednc

U型调制器的加工流程如下图所示,QyQednc

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(图片来自文献8)QyQednc

U型掺杂主要通过两次高低能量的N型掺杂形成。另外由于P掺杂的硼原子质量较低,往往是P型掺杂在相移器底部。QyQednc

Intel的微环调制器采用的是L型PN结,如下图所示,QyQednc

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(图片来自文献6)QyQednc

相比于注入型和积累型,耗尽型调制器的调制效率最低,但是由于其结电容较小,对应的RC带宽较大,功耗较低。对于Mach-Zehnder结构的调制器,相移器长度较长,往往需要设计行波电极(travelling-wave electrode), 使得射频信号与光波的群速度匹配,典型的结构如下图所示。QyQednc

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(图片来自文献7)QyQednc

以上是对载流子耗尽型调制器的简单总结,其工作在PN结的反偏电压模式下。施加反向偏压时,波导区域的载流子浓度降低,波导模式的折射率增加,损耗减小。为了降低传输损耗,其掺杂浓度一般在1e17-1e18cm^-3左右,因此载流子浓度变化较小,调制效率较低。但由于其结电容较小,调制带宽非常大,并且功耗较小,在硅光的光模块中得到了广泛的应用。为了提高其调制效率,人们在PN结的结构上做了很多花样,包括交趾型、L型和U型等。QyQednc


参考文献:QyQednc

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3. X. Xiao, et.al, "High-speed Silicon Microring Modulator based on Zigzag PN Junction", IEEE Photonics Conference 2012.QyQednc

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state-of-the-art CMOS process", OFC 2014QyQednc

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7. M. Pantouvaki, et.al., "Active Components for 50 Gb/s NRZ-OOK Optical Interconnects in a Silicon Photonics Platform", Journ. Light. Tech. 15,631(2017)QyQednc

8. G. Zhou, et.al., "32-Gb/s OOK and 64-Gb/s PAM-4 Modulation Using a Single-Drive Silicon Mach–Zehnder Modulator with 2 V Drive Voltage", IEEE Photonics Journal 11, 6603610(2019)QyQednc

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