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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