一种电光调制系统和由其构成的电光开关或光衰减器技术方案

本发明专利技术公开了一种电光调制系统和由其构成的电光开关或光衰减器，所述电光调制系统包括电光PIN二极管波导和一对模式变换器，所述电光PIN二极管波导由脊波导构成，其平板区的两侧分别为高浓度掺杂的P型掺杂区和N型掺杂区。所述脊波导的平板区高度小于所述脊波导脊高度的一半。所述脊波导的脊宽与所述脊波导的总高度相近，波导传导的主模的主要能量限制在芯区。所述电光开关或光衰减器，从输入到输出依次包括一个输入Y分支耦合器、一对输入模式变换器、一段由两支并行的电光PIN二极管波导构成的有源波导区、一对输出模式变换器、和一个输出Y分支耦合器。本发明专利技术结构能提高载流子注入效率，降低器件总功耗，且具有高消光比。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种集成光电器件，尤其是一种电光调制系统和由其构成的电光开关或光衰减器。
技术介绍
在基于电荷注入的PIN 二极管中，对自由载流子浓度在PIN 二极管本征区的浓度进行调制，会引起半导体材料折射率及吸收系数(折射率虚部)的变化。目前已经有许多基于上述结构的硅基电光调制器和电光开关的文献和专利。这一技术的最大问题就是电荷注入效率太低。特别是当PIN 二极管由正向电压驱动时，P型掺杂区的多子空穴和N型掺杂区的多子电子对本征区的注入受到P型掺杂区和N型掺杂区掺 杂浓度的限制，这成为载流子注入的限制条件。如果想要向本征区注入更多的载流子，必须提高P型掺杂区和N型掺杂区的掺杂浓度，而这会增加光损耗。而另一方面，基于这一技术的器件的功耗基本上与注入波导芯层(大致上即PIN二极管的本征区)的载流子(或者说电荷)总数成正比。同时，波导芯层的尺寸(约几微米)需要满足器件与光纤有良好的耦合效率的要求，并波导具有较小的偏振相关性。SOI波导的高折射率对比特性使得芯区尺寸大的单模波导横向限制较弱。当用脊波导来实现这样的结构时，波导脊不能太高。而这会引起两个问题I)由于波导横向限制很弱，为了减小光耗损，PIN结构的P型掺杂区和N型掺杂区必须足够远离芯区，这会增加本征区的长度。同时，为了维持一定的载流子浓度，所需要的总电荷就会增加，从而增加功耗。2)脊高比较低，平板区就相对较厚，意味着载流子能够更容易地通过平板区与P型掺杂区的空穴复合，载流子在本征区的寿命较短，所以维持本征区一定载流子浓度所需要的电流较大，增加了功耗。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电光调制系统和由其构成的电光开关或光衰减器，解决现有技术中载流子注入效率不高的问题，降低器件总功耗，且具有高消光比。本专利技术通过下述技术方案予以实现—种电光调制系统,包括电光PIN 二极管波导和一对模式变换器,所述电光PIN 二极管波导由在脊波导实施掺杂工艺构成，所述脊波导包括波导脊和平板区，其平板区的两侧分别为P型掺杂区和N型掺杂区，所述P型掺杂区为受主离子掺杂，所述N型掺杂区为施主离子掺杂，所述一对模式变换器包括输入模式变换器和输出模式变换器，其中，所述脊波导由半导体材料构成，其波导芯区为芯区；所述平板区的高度可以小于所述波导脊高度的一半，使所述脊波导拥有强折射率对比，可以为多模波导，在一些实施例中，所述电光PIN 二极管波导的脊波导的平板区的高度尽量小，可以小至保证所述平板区不被刻穿的工艺允许值；所述P型掺杂区和N型掺杂区紧靠所述脊波导的波导芯区，为高浓度掺杂，但仅限制于所述平板区而不进入所述波导芯区，当所述PIN 二极管由正向电流驱动时，所述两个掺杂区作为载流子的注入源；所述波导脊的宽度与所述脊波导的总高度相近，波导传导的主模的绝大部分能量分布完全限制在其波导芯区；所述模式变换器的输入模式变换器连接所述电光PIN 二极管波导的输入端，将输入单模波导的基模全部转换为所述电光PIN 二极管波导的基模；所述模式变换器的输出模式变换器连接所述电光PIN 二极管波导的输出端，将所述电光PIN 二极管波导的基模全部转换为输出单模波导的基模。所述电管PIN 二极管波导上方有外加电极，所述P型掺杂区和N型掺杂区各包括一个位于所述外加电极下方掺杂浓度高的重掺杂区。—种由上述电光调制系统构成的电光开关或光衰减器，从输入到输出依次包括一个作为输入光分路器的输入Y分支稱合器，一对所述电光调制系统和一个作为输出光合束器的输出Y分支稱合器；所述一对电光调制系统包括第一电光调制系统和第二电光调制系统；所述输入Y分支I禹合器由单模波导构成，包括输入单支波导，第一输出分支波导和第二输出分支波导，所述第一输出分支波导连接所述第一电光调制系统的输入模式变换器，所述第二输出分支波导连接所述第二电光调制系统的输入模式变换器；所述输出Y分支耦合·器由单模波导构成，包括第一输入分支波导，第二输入分支波导和输出单支波导，所述第一输入分支波导连接所述第一电光调制系统的输出模式变换器，所述第二输入分支波导连接所述第二电光调制系统的输出模式变换器；所述一对电光调制系统中的输入模式变换器将所述输入Y分支耦合器的基模全部转换为所述一对电光调制系统中的电光PIN 二极管波导的基模，所述一对电光调制系统中的输出模式变换器将所述电光PIN 二极管波导的基模转化成所述输出Y分支I禹合器的基模；所述一对电光调制系统中的电光PIN 二极管波导可以分别由一对外加电极驱动。上述电光开关或光衰减器，其中，构成所述输入、输出Y分支耦合器的单模波导包含一段对高次弱导模有高损耗的弯曲波导部分。所述第一电光调制系统中的电光P IN 二极管波导有载流子注入，所述第二电光调制系统没有或者有较少载流子注入；所述输入Y分支率禹合器的第一输出分支波导输出的光功率高于其第二输出分支波导输出的光功率，且该光功率差异等于所述第一电光调制系统中的电光PIN二极管波导产生的额外光损耗。所述输入Y分支耦合器的第一输出分支波导的起点在光传播方向上位于其第二输出分支波导的起点前方。所述输入Y分支耦合器的第一输出分支波导与其输入单支波导之间的垂直于光传播方向上的间隔，小于其第二输出分支波导与其输入单支波导之间的垂直于光传播方向上的间隔。本专利技术技术方案具有以下有益效果I、提高载流子注入效率、降低功耗本专利技术结构中的波导脊区高度远高于现有结构的波导脊区高度，注入的载流子会在整个脊区积聚，并只能通过厚度较薄的平板区离开脊区。由于少子在硅材料中寿命很长，所以当N型掺杂区注入的电子进入脊区后，通过平板区提供的狭窄通道进入P型掺杂区、并与P型掺杂区的多子空穴复合的比例很小，增加了载流子在本征区的寿命。此外，由于本专利技术结构的平板区厚度较小，所以维持本征区一定载流子浓度所需要的电流较小。同时，平板区厚度较小，且波导的脊高比较高，增加了横向限制，脊波导的主模主要被限制在波导脊区，在波导平板区的横向扩展很小，因此不会由于P、N型掺杂区的高掺杂浓度而引起很大的光吸引损耗。掺杂区与脊区的间距也可以缩小。因此，这一结构能够有效地提高本征区的载流子注入效率、降低器件的总体功耗。2、高消光比在本专利技术结构中，通过调整输入Y分支耦合器的输入单支波导和两支输出分支波导的相对位置来实现不均匀分光，使得输入Y分支耦合器与有源波导区加电的一支电光PIN 二极管波导相连的那一支输入分支波导中光功率略高于另外一支,用于补偿这支电光PIN 二极管波导由于载流子注入引起的额外光损耗。这样可以使得两支电光PIN 二极管波导中的光束进入输出Y分支耦合器的两支输出分支波导时的光功率相同。当有源波导区两支电光PIN 二极管波导中的光信号之间有180度相位差时,两束输出光正好相互抵消,输出Y分支耦合器的输出端光功率为零。附图说明 图I是由本专利技术公开的电光调制系统构成的电光开关或光衰减器的示意图。图2(a)是图I中A-A截面示意图，同时也是本专利技术公开电光调制系统的电光PIN二极管波导的截面示意图。图2(b)是图I中B-B截面示意图，同时也是本专利技术中输入模式变换器的截面示意图。图3是本专利技术公开的输入Y分支耦合器的结构示意图。具体实施例方式下面通过具体实施例并结合附图对本专利技术进行详细地说明为了解决现有电光P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电光调制系统，包括电光PIN二极管波导和一对模式变换器，所述电光PIN二极管波导由在脊波导实施掺杂工艺构成，所述脊波导包括波导脊和平板区，其平板区的两侧分别为P型掺杂区和N型掺杂区，所述P型掺杂区为受主离子掺杂，所述N型掺杂区为施主离子掺杂，所述一对模式变换器包括输入模式变换器和输出模式变换器，其特征在于，所述脊波导由半导体材料构成，其波导芯区为本征区；所述平板区的高度可以小于所述波导脊高度的一半，使所述脊波导拥有强折射率对比，可以为多模波导；所述P型掺杂区和N型掺杂区紧靠所述脊波导的波导芯区，为高浓度掺杂，但仅限制于所述平板区而不进入所述波导芯区，当所述PIN二极管由正向电流驱动时，所述两个掺杂区作为载流子的注入源；所述波导脊的宽度与所述脊波导的总高度相近，波导传导的主模的绝大部分能量分布完全限制在其波导芯区；所述模式变换器的输入模式变换器连接所述电光PIN二极管波导的输入端，将输入单模波导的基模全部转换为所述电光PIN二极管波导的基模；所述模式变换器的输出模式变换器连接所述电光PIN二极管波导的输出端，将所述电光PIN二极管波导的基模全部转换为输出单模波导的基模。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：李冰，
申请(专利权)人：上海硅通半导体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：