上一期我們介紹了光學(xué)調(diào)制的基本概念并總結(jié)了電光調(diào)制中常用的物理效應(yīng)，對于硅材料而言，主要的電光效應(yīng)包括克爾效應(yīng)、弗朗茲-－凱爾迪什（F-K）效應(yīng)、量子限制斯塔克（QCSE）效應(yīng)和等離子體色散（PD）效應(yīng)等，但體硅材料中克爾效應(yīng)和F-K效應(yīng)都非常微弱，因此硅基高速電光調(diào)制一般都利用硅材料的等離子體色散效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)調(diào)制。

硅光子平臺需要利用載流子注入來實(shí)現(xiàn)等離子體色散效應(yīng)，通過在波導(dǎo)上外加偏置電壓使自由載流子濃度發(fā)生變化，進(jìn)而使輸出光波的幅值和相位發(fā)生改變，最終實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制，但受到載流子本身的復(fù)合壽命的限制，器件的開關(guān)速度只能達(dá)到MHz量級，接下來我們簡單介紹下等離子體色散效應(yīng)中的幾種常見調(diào)制機(jī)制。

等離子體色散效應(yīng)中常見的三種調(diào)制結(jié)構(gòu)（調(diào)制機(jī)制）

1. 載流子注入型：

1) 結(jié)構(gòu)描述：

早期的高速調(diào)制器的工作原理多為載流子注入型，采用橫向PIN結(jié)構(gòu)（也有垂直PIN結(jié)構(gòu)），在波導(dǎo)兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行高濃度摻雜，而波導(dǎo)中摻雜濃度較低，通過正向偏置PIN結(jié)注入少數(shù)載流子。當(dāng)波導(dǎo)橫截面較小的上，基于載流子注入的調(diào)制器可獲得較大的擴(kuò)散電容（通常約為10 pF），因此可以實(shí)現(xiàn)相對較高的調(diào)制效率。

2) 調(diào)制過程：

施加正向偏置電壓→波導(dǎo)中載流子濃度升高→波導(dǎo)折射率和吸收系數(shù)改變→實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。

3) 電極結(jié)構(gòu)：

載流子注入型的結(jié)構(gòu)約為幾百微米，通常使用集總電極來驅(qū)動。

4) 限制因素：

a) 注入的電子-空穴對的復(fù)合時(shí)間。

b) 驅(qū)動電極的輸出電阻與P區(qū)（N區(qū)）摻雜區(qū)域的體電阻總和。

5) 結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)：

載流子注入型調(diào)制器工藝簡單、對制備工藝要求低、器件插入損耗小，但相對而言，其電學(xué)響應(yīng)速度較低，通常小于1 GHz。

6) 應(yīng)用范圍：

適用于對調(diào)制速度要求不高的片上傳感等領(lǐng)域，具有較好的應(yīng)用潛力。Ansys Lumerical中的案例為PIN Mach-Zehnder modulator（相關(guān)鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042327854-PIN-Mach-Zehnder-modulator）

2. 載流子耗盡型：

1) 結(jié)構(gòu)描述：

通過施加反向偏置電壓來耗盡電子和空穴的載流子耗盡型結(jié)構(gòu)是采用最廣泛的方法結(jié)構(gòu) ，基于該結(jié)構(gòu)的全硅調(diào)制器第一個(gè)達(dá)到40（50）Gb/s的調(diào)制速度。載流子耗盡型多由半導(dǎo)體-絕緣體-半導(dǎo)體 (SIS) 和PN結(jié)組成。與PIN結(jié)構(gòu)組成的載流子注入型結(jié)構(gòu)相比，基于多數(shù)載流子的載流子耗盡型結(jié)構(gòu)更加適合高速調(diào)制。

2) 調(diào)制過程：

施加反向偏置電壓→PN結(jié)空間電荷區(qū)變寬→耗盡區(qū)內(nèi)載流子濃度減小→波導(dǎo)折射率和吸收系數(shù)改變→實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。

3) 電極結(jié)構(gòu)：

為獲得足夠的調(diào)制深度，采用載流子耗盡型的調(diào)制器長度較長，通常為幾個(gè)毫米，因此需要采用行波電極來驅(qū)動。

4) 限制因素：

采用耗盡型的調(diào)制器電容相對有限，因此調(diào)制效率受限，解決辦法通常為縮小模式尺寸或減小耗盡區(qū)的寬度（更高的過渡電容）來增加電容，但前者由波導(dǎo)的幾何形狀決定，后者需要更高的摻雜濃度，但自由載流子的吸收損耗更大?？刹捎貌煌O(shè)計(jì)的PN結(jié)來解決上述問題并優(yōu)化調(diào)制器調(diào)制速度、效率和損耗

5) 結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)：

載流子耗盡型調(diào)制器是目前光通信中的主流器件，調(diào)制速度快，多采用馬赫-曾德爾型結(jié)構(gòu)，但器件尺寸相對較大，且由于對波導(dǎo)進(jìn)行了摻雜帶來了額外的光吸收損耗。與載流子注入型的調(diào)制器相比，其調(diào)制效率較低，器件消光比也較低。

6) 應(yīng)用范圍：

多應(yīng)用于對調(diào)制速度有要求的硅基高速調(diào)制器。Ansys Lumerical中的案例為Interleaved junction microring modulator（相關(guān)鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042327594-Interleaved-junction-microring-modulator）

3. 載流子積累型：

1) 結(jié)構(gòu)描述：

載流子積累型調(diào)制器的電學(xué)結(jié)構(gòu)為一個(gè)電容，一般由多晶硅-二氧化硅-硅的結(jié)構(gòu)構(gòu)成電容，所以積累型調(diào)制器也稱為SISCAP型調(diào)制器（Silicon-Insulator-Silicon Capicator）。積累型調(diào)制器的調(diào)制效率較高，調(diào)制帶寬在載流子注入型調(diào)制器和載流子耗盡型調(diào)制器之間。

2) 調(diào)制過程：

當(dāng)施加電壓時(shí)，電容的上下表面分別積累正負(fù)電荷，載流子濃度的變化引起波導(dǎo)模式的有效折射率變化，從而實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。

3) 電極結(jié)構(gòu)：

由于尺寸多為幾百微米量級，因此可采用集總電極（長度小于0.5 mm）作為驅(qū)動。

4) 限制因素：

由于載流子的變化主要集中在電容的上下表面，因此積累型調(diào)制器的調(diào)制效率比注入型略低，但是比耗盡型高。為了提高調(diào)制效率，需要增大電容，主要有以下三種方式。

a) 減小電容上下表面的距離，如：將二氧化硅的厚度降低。

b) 增大上下表面的面積，適當(dāng)增加波導(dǎo)的寬度。

c) 采用高介電常數(shù)的材料來替代二氧化硅。

但隨著電容的增大，RC回路的3 dB帶寬也將減小，因此設(shè)計(jì)者需要在調(diào)制效率于調(diào)制速度間權(quán)衡。

5) 結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)：

與PIN結(jié)組成的載流子注入型調(diào)制器相比，載流子積累型基于多數(shù)載流子，更適合高速調(diào)制，但相比載流子耗盡型，載流子積累型需要氧化物來充當(dāng)電容，增加了工藝難度，制造更為復(fù)雜。

6) 應(yīng)用范圍：

Ansys Lumerical中的案例為Semiconductor-insulator-semiconductor capacitor (SISCAP) Mach-Zehnder modulator（相關(guān)鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042326774-Semiconductor-insulator-semiconductor-capacitor-SISCAP-Mach-Zehnder-modulator）

4. 三種不同結(jié)構(gòu)的比較

總結(jié)

以上是對基于等離子體色散效應(yīng)的三種常見調(diào)制結(jié)構(gòu)簡單介紹與總結(jié)，并列出了Ansys lumerical 中的相關(guān)案例，感興趣的讀者可以點(diǎn)擊鏈接，觀看案例介紹并下載案例進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究。

文中如果有任何錯(cuò)誤和不嚴(yán)謹(jǐn)之處，還望大家不吝指出，歡迎大家留言討論。后面我們將繼續(xù)介紹硅基光電調(diào)制器的性能指標(biāo)，常用結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，歡迎大家持續(xù)關(guān)注公眾號的更新。

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[4] 牛超群, 龐雅青, 劉智, 等. 中紅外硅基調(diào)制器研究進(jìn)展 (特邀)[J]. 紅外與激光工程, 2022, 51(3): 20220021-1-20220021-11.

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