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1、(10)申请公布号 CN 103562790 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103562790 A (21)申请号 201280012981.0 (22)申请日 2012.03.02 102011005422.7 2011.03.11 DE G02F 1/225(2006.01) G02F 1/025(2006.01) (71)申请人 柏林工业大学 地址 德国柏林 申请人 IHP有限责任公司/莱布尼茨创新微 电子研究所 (72)发明人 斯特凡梅斯特 奥斯阿尔 - 萨阿迪 汉斯约阿希姆埃希勒 比伦特弗兰克 拉尔斯齐默尔曼 伯恩特蒂利亚克 (74)专利代理机构 中原信达知识产。
2、权代理有限 责任公司 11219 代理人 鲁山 孙志湧 (54) 发明名称 电光调制器 (57) 摘要 本发明涉及一种用于调制预定波长的光学 辐射的电光调制器 (10)， 其中， 电光调制器 (10) 具有至少一个光学谐振器 (20)， 在该光学谐振器 (20) 中能够以预定波长形成驻波光波。根据本 发明， 提供了 ： 在该谐振器中布置至少两个掺杂 半导体部分 (33， 34)- 如在谐振器的纵向方向上 观察的 - 它们彼此隔开， 并且该至少两个掺杂半 导体部分分别局域地位于驻波光波的强度最小值 中。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2013.09.11 (86)PC。
3、T国际申请的申请数据 PCT/DE2012/200012 2012.03.02 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2012/122981 DE 2012.09.20 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103562790 A CN 103562790 A 1/2 页 2 1. 一种用于调制预定波长的光学辐射的电光调制器 (10)， 所述电光调制器 (10) 具有 至少一个光学谐振器 (20)， 在所述光学谐振器 (20) 中能够以。
4、所述预定波长形成驻波光波， 其特征在于 ： - 在所述谐振器中， 至少两个掺杂半导体部分 (33， 34)- 如在所述谐振器的纵向方向上 看到的 - 被布置成距彼此一定距离， 并且 - 所述至少两个掺杂半导体部分分别局域地位于所述驻波光波的强度最小值处。 2. 根据权利要求 1 所述的电光调制器， 其特征在于 - 由半导体材料组成的光波导 (100， 102) 存在于所述谐振器中， - 所述光波导的纵向方向沿着所述谐振器的纵向方向延伸， 并且 - 所述至少两个掺杂半导体部分分别由所述光波导的掺杂半导体部分形成。 3. 根据权利要求 2 所述的电光调制器， 其特征在于 所述光波导的所有掺杂半导体。
5、部分专有地位于所述驻波光波的强度最小值处。 4. 根据前述权利要求中的一项所述的电光调制器， 其特征在于 - 所述至少两个掺杂半导体部分中的一个是 p 掺杂的并且另一个是 n 掺杂的， 并且 - 所述掺杂半导体部分形成沿着所述谐振器的纵向方向延伸的 pn 或 pin 二极管。 5. 根据前述权利要求中的一项所述的电光调制器， 其特征在于 所述谐振器在其谐振器边界处分别包括反射镜部分 (21， 22)。 6. 根据权利要求 5 所述的电光调制器， 其特征在于 所述反射镜部分的至少一个由光波导部分 (101， 103) 形成， 在所述光波导部分 (101， 103) 中存在孔 (200)。 7. 。
6、根据权利要求 5 或 6 所述的电光调制器， 其特征在于 所述反射镜部分的至少一个由宽度和 / 或高度变化的光波导部分 (101， 103) 形成。 8. 根据前述权利要求中的一项所述的电光调制器， 其特征在于 所述电光调制器包括由半导体材料组成的光波导， 所述光波导以第一部分 (101) 形成 所述谐振器的第一反射镜部分 (21)， 以第二部分 (102) 布置在所述谐振器 (20) 内部， 并且 以第三部分 (103) 形成了所述谐振器的第二反射镜部分 (22)。 9. 根据前述权利要求 2-8 中的一项所述的电光调制器， 其特征在于 所述光波导是集成在 SOI 衬底中的硅波导 (100)。
7、。 10. 一种用于调制光学辐射的方法， 其中 -将所述光学辐射馈送到具有至少一个光学谐振器(20)的电光调制器(10)中， 使得在 所述谐振器中形成驻波光波， 并且 权 利 要 求 书 CN 103562790 A 2 2/2 页 3 - 电驱动至少两个掺杂半导体部分 (33， 34)， 所述至少两个掺杂半导体部分 (33， 34)- 如在所述谐振器的纵向方向上看到的 - 被布置成距彼此一定距离， 并且分别局域地位 于所述驻波光波的强度最小值处。 权 利 要 求 书 CN 103562790 A 3 1/6 页 4 电光调制器 技术领域 0001 本发明涉及具有根据专利权利要求 1 的预先描。
8、述的条款的特征的电光调制器。 背景技术 0002 在下文描述的范围内， 术语 “光” 将用于意指任何光学辐射， 不考虑该光学辐射是 否对于人是可见的。术语 “光” 或者 “光学辐射” 因此包括， 例如， 紫外辐射或者红外辐射。 同样也适用于术语 “光波导” ， 其意指用于光学辐射的波导。 0003 为了调制与波导相连接的光学信号， 存在很多应用领域， 例如在通信、 传感器技 术、 图像传输等中。特别是集成在半导体材料 ( 例如硅、 InP、 GaAs) 中的电光调制器在这种 情况下具有重要作用。基于硅波导的电光调制器的重要性在增强， 因为其代表着用于称为 芯片上、 芯片对芯片、 芯片对板的通信。
9、等的光学宽带传输的重要部件。 与以前传统的基于金 属的连接相比， 通过光学连接， 基本上能够以适中的能耗获得更高的带宽。 0004 用于这种传输路径的光调制元件的各种设计都是已知的。在高数据速率的电讯 中， 例如， 通常使用马赫 - 曾德调制器。在基于波导的马赫 - 曾德调制器 (Liu 等， Optics Express， 15， 660， 2007) 中， 光在该调制器的至少一个分支中通过电光材料行进。通过施加 电压能够改变电光材料的折射率 ( 或者吸收 )。因此， 在该分支中的光波经历相移。如果该 相移相对于通过该调制器的另一分支行进的光波是 ( 或者 是整数倍 )， 则在两个波叠 加的。
10、过程中会发生消光。为了获得 相移， 该光必须在电光材料中行进通过通常在毫米到 厘米的范围内的路径距离。马赫 - 曾德调制器的最小结构长度相应地大。 0005 此外， 环形谐振器也被用于调制光学信号 (Xu 等， Nature， 435， 325， 2005)。环形谐 振器的结构尺寸基本上小于马赫 - 曾德调制器的尺寸， 这是由于谐振器中的大量光环路， 所要求的在电光材料中的路径距离基本上较小 ( 对于可比较的电光常数 )。 0006 Schmidt 等 (Optics Express， 16， 334， 2008) 证明了一种基于使用称为一维光子 晶体(参见Foresi等(Nature， 39。
11、0， 143， 1997)所生产的法布里-珀罗结构的电光调制器。 在这种情况下， 采用通过电荷载流子注入来开关的 p-i-n 掺杂区域产生电光区域。但是， 这 种调制器只能够获得 250MHz 的调制频率。 0007 为了产生电光效应， 半导体材料中的在波导中或者接近波导的区域是掺杂的。因 此， 在绝缘体上的硅 (SOI) 波导中， 例如， 通过掺杂产生 p-i-n 或者 p-n 二极管结构 (Reed 等， Nature Photonics， 4， 518， 2010)。 借由这种结构， 能够改变在该波导中的电荷载流子浓 度。因此， 通过所谓自由载流子等离子体散射效应， 改变波导中的折射率和。
12、吸收 (Soref 等， IEEE J.Quant.Electrn.， 23， 123， 2004)。在这种情况下， 通过在正向方向上向该二极管施 加电压， 电荷载流子被注入到波导中 ( 称为注入 )， 或者通过在反向方向上向该二极管施加 电压， 从波导提取电荷载流子 ( 称为耗尽 )。已知的是， 通过提取电荷载流子 ( 耗尽 ) 能够 比通过注入电荷载流子获得更高的调制速度。 0008 在根据 “注入” 原理的电光光调制器的情况下， p 掺杂和 n 掺杂的区域被配置成接 近波导， 而该波导的核心区域基本上保持是非掺杂的(或者很轻微掺杂的)。 由于掺杂区域 说 明 书 CN 103562790。
13、 A 4 2/6 页 5 与波导的距离， 吸收损耗低并且能够配置成重掺杂。利用重掺杂的 p-i-n 结构， 能够获得高 电光效应。 在(Green等， Opt Express， 15， 17106， 2007)中， p掺杂和n掺杂分别是1020cm-3， 并且因此能够获得 4*10-3的折射率变化。折射率变化越高且电光效应越高， 则能够产生越 短的调制器长度或者谐振器长度。 0009 在根据耗尽原理的电光调制器的情况下， 波导核心本身是 p 掺杂和 / 或 n 掺杂的。 由于在波导核心内部配置掺杂区域， 吸收损耗相对地高， 因此仅能够配置成轻掺杂。 通过减 少光波导中的电荷载流子来执行光的调制。
14、。 发明内容 0010 本发明的目的是提供一种电光调制器， 其中能够获得高调制效果以及相对低的光 学衰减。 0011 根据本发明， 通过具有根据专利权利要求 1 的特征的电光调制器来实现这个目 的。在从属权利要求中， 描述了根据本发明的电光调制器的有利配置。 0012 相应地， 根据本发明， 在谐振器中， 至少两个掺杂半导体部分 - 如在谐振器的纵 向方向上看到的 - 被布置成距彼此一定距离， 该至少两个掺杂半导体部分分别局域地 (locally) 位于驻波光波的强度最小值处。 0013 根据本发明的电光调制器的重要优点是， 布置在谐振器中的两个掺杂半导体部分 能够被相对地重地掺杂， 以使得能。
15、够在谐振器中获得相对强的电光效应。 由于根据本发明， 特别是掺杂半导体部分分别位于谐振器中的驻波光波的强度最小值处， 掺杂半导体部分并 不引起在谐振器中传播的光的额外衰减， 或至少是可以忽略的程度。 根据本发明的原理是， 由于掺杂半导体部分布置在强度最小值的区域中， 可以避免由掺杂半导体部分的额外衰 减， 因为这些对在谐振器中传播的波而言不是 “光学地” 可见的。这使得能够在掺杂半导体 部分中提供相对重掺杂， 从而 - 取决于电光调制器的驱动 - 能够在谐振器中引发相对大的 电光效应。 通过改变在谐振器中的折射率， 例如能够偏移谐振器的谐振波长， 因此能够影响 谐振器的透射和 / 或反射， 使。
16、得例如能够引发光学开关效应。 0014 根据本发明的一个特定的优选配置， 由半导体材料组成的光波导存在于谐振器 中， 光波导的纵向方向沿着谐振器的纵向方向延伸， 并且该至少两个掺杂半导体部分分别 由光波导的掺杂半导体部分形成。由于其纵向方向与谐振器的纵向方向一致的光波导， 能 够以直接方式实现在谐振器的谐振器端之间的光波导。同时， 光波导的半导体材料能够用 于形成利用其引发谐振器的电光调制的该至少两个掺杂半导体部分。 0015 为了使光波导中的光波导衰减最小化， 光波导的所有掺杂半导体部分专有地 (exclusively) 位于驻波光波的强度最小值处被认为有利的。 0016 进一步地被认为是特。
17、别有利的是， 该至少两个掺杂半导体部分中的一个是 p 掺杂 而另一个是 n 掺杂， 并且为了使掺杂半导体部分形成 pn 或者 pin 二极管， 其 “掺杂顺序” 沿 着谐振器的纵向方向延伸。借由这种 pn 或者 pin 二极管结构， 掺杂半导体部分之间的电 荷载流子密度， 也即处于谐振器中的驻波光波的强度最大值， 能够以非常直接的方式增大 或者减小， 例如使得能够引发谐振器的谐振频率的偏移以及因而对在波导中引导的光的调 制。 0017 优选地， 通过在至少两个掺杂半导体部分上施加电压， 在至少两个掺杂半导体部 说 明 书 CN 103562790 A 5 3/6 页 6 分之间的折射率和 / 。
18、或吸收和 / 或电荷载流子密度能够被增大或减小， 从而能够调整谐振 器的光学性能。 0018 谐振器的谐振器边界优选地分别由反射镜部分限定。 反射镜部分可以分别由反射 镜层形成。然而， 反射镜部分的至少一个通过其中存在孔的光波导部分形成被认为是特别 有利的。 0019 附加地或者是替代地， 反射镜部分的至少一个可以是由宽度和 / 或高度变化的光 波导部分形成。孔以及宽度和 / 或高度的变化两者都可以通过光刻和 / 或刻蚀方法引入， 不需要额外材料以便形成反射镜部分， 从而反射镜部分的制造可以是非常廉价的并且同时 是非常可复制性的。 0020 在调制器的特别优选的配置中， 电光调制器包括由半导体。
19、材料组成的光波导， 其 以第一部分形成谐振器的第一反射镜部分， 以第二部分布置在谐振器内部， 并且以第三部 分形成谐振器的第二反射镜部分。 在该配置中， 波导由此通过谐振器， 在第二部分的区域中 或者在谐振器的区域中发生光的调制。 0021 光波导材料优选的是硅， 因为硅是商业上主要的半导体材料。为了生产调制器和 光波导， 特别优选地使用所谓的 SOI(SOI ： 绝缘体上的硅 ) 材料， 其在电子器件中广泛采用， 并且利用该 SOI 材料， 由于掩埋氧化硅层的折射率不连续性， 能够相对直接地产生良好引 导的光学光波导。 0022 以掺杂半导体部分的简单接触为目的而被视为有利的是， 在谐振器中。
20、， 多个掺杂 半导体部分 - 如在谐振器的纵向方向上看到的 - 被布置成距彼此一定距离， 并且掺杂半导 体部分通过掺杂半导体材料的梳状导体轨迹(comb-like conductor tracks)相接触， 该梳 状导体轨迹分别从光波导的驻波光波的强度最小值延伸出， 优选地是垂直地延伸。梳状导 体轨迹的掺杂类型 (n 或 p 掺杂 ) 优选地是分别与要被单独接触的掺杂半导体部分的掺杂 类型相同。 0023 本发明进一步地涉及光学辐射的调制方法， 其中， 将光学辐射馈送到具有至少一 个光学谐振器的电光调制器中， 使得在谐振器中形成驻波光波， 并且电驱动至少两个掺杂 半导体部分， 所述至少两个掺杂。
21、半导体部分 - 如在谐振器的纵向方向上看到的 - 被布置成 距彼此一定距离， 并且分别局域地位于驻波光波的强度最小值处。 附图说明 0024 下文中， 通过示例的方式， 借由示例性实施例更加详细地解释本发明 ： 0025 图 1 示出根据本发明的电光调制器的第一示例性实施例， 其具有用于形成谐振器 边界的两个反射镜层， 0026 图 2 示出根据本发明的调制器的第二示例性实施例， 其中谐振器边界由光波导部 分形成， 0027 图 3 示出根据本发明的调制器的第三示例性实施例， 其中谐振器的反射镜由其中 存在孔的光波导部分形成， 0028 图 4 示出根据本发明的调制器的第四示例性实施例， 其中。
22、谐振器的反射镜由其宽 度沿光波导纵向方向变化的光波导部分形成， 并且 0029 图 5 示出根据本发明的调制器的第五示例性实施例。 说 明 书 CN 103562790 A 6 4/6 页 7 0030 在这些图中， 为了清楚的目的， 相同的附图标记总是用于相同或者类似的元件。 具体实施方式 0031 图 1 示出电光调制器 10， 其包括谐振器 20。该谐振器 20 的谐振边界由两个反射 镜部分 21 和 22 形成。在该谐振器 20 中以及两个反射镜部分 21 和 22 之间存在光波导 23， 光波导 23 引导在谐振器 20 的纵向方向上以振幅 Pe 入射的光学辐射。 0032 在图 1。
23、 中， 能够看到在谐振器 20 中形成驻波光波。该光波的最大值在图 1 中以椭 圆形可视化， 其由标记 24 表示。 0033 由标记 30 表示的五个二极管被布置在谐振器 20 中。二极管的每一个分别包括由 标记 33 表示的 p 掺杂半导体部分， 和由标记 34 表示的 n 掺杂半导体部分。 0034 二极管 30 被并联电连接， 并且经过梳状导体轨迹 42 与两个接触端子 50 和 51 连 接。两个接触端子 50 和 51 具有向其施加的电压 U， 利用该电压电驱动电光调制器 20 并调 制谐振器 20 的谐振频率。 0035 梳状导体轨迹 40 分别由掺杂半导体材料形成， 用于接触 。
24、p 掺杂半导体部分 33 的 导体轨迹是 p 掺杂的， 用于接触 n 掺杂半导体部分 34 是 n 掺杂的。 0036 为了防止梳状导体轨迹 40 衰减光波导 23 中的光学辐射， 导体轨迹 40 优选地与谐 振器 20 的纵向方向垂直， 或者至少是近似垂直的， 因而其与波导 23 的纵向方向垂直， 或者 至少是近似垂直的。 0037 由于五个二极管 30 的 p 掺杂半导体部分 33 和 n 掺杂半导体部分 34 分别位于谐 振器 20 中的驻波光波的强度最小值处， 光波基本上不受到这些掺杂半导体部分的掺杂的 影响。 0038 如果二极管 30 是 pin 二极管， 则电光调制器 10 优选。
25、地在注入模式下操作。为此， 二极管 30 借由正向方向上施加的正向电压操作， 使得 p 掺杂半导体部分 33 和 n 掺杂半导 体部分 34 将以电子和空穴的形式的电荷载流子注入到位于掺杂半导体部分 33 和 34 之间 的未掺杂或者仅为轻掺杂的光波导部分中。这导致电荷载流子密度升高和折射率减小和 / 或光波导 23 中的吸收增大， 并且因而谐振器 20 的谐振频率失谐， 且离开谐振器 20 的光波 的振幅 Pa 改变。通过借由正向电压注入载流子， 从而实现光学辐射的调制。为了增加调制 速度， 在注入电荷载流子之后， 可以向二极管施加反向电压以提取注入的电荷载流子。 0039 在 p 掺杂半导。
26、体部分 33 和 n 掺杂半导体部分 34 之间的区域被同样地掺杂， 使得 二极管 30 为 pn 二极管， 则优选地向二极管施加反向电压。由于反向电压， 分别存在于掺杂 半导体区域 33 和 34 之间的空间电荷区增大， 并且因而能够形成具有非常低的电荷载流子 密度的相对大的区域。 如果反向电压接着被调制或者改变， 则空间电荷区的尺寸也会改变， 这继而会导致电荷载流子密度和光波导 23 中的折射率的变化， 并且因而导致谐振器 20 的 谐振频率的失谐。以这种方式， 以在调制谐振器 20 的输出处对光学辐射的振幅 Pa 的调制 的形式发生调制效应。 0040 图 2 示出电光调制器的第二示例性。
27、实施例。在该示例性实施例中， 存在三个光波 导部分 101， 102 和 103。 0041 第一光波导部分 101 在谐振器 20 的入口处形成第一反射镜部分 21。第三光波导 部分 103 在谐振器 20 的输出处形成第二反射镜部分 22。第二光波导部分 102 位于谐振器 说 明 书 CN 103562790 A 7 5/6 页 8 20 的内部并且在两个反射镜部分 21 和 22 之间的部分中引导光学辐射。 0042 光波导部分 101 和 103 例如可以包括内部光栅， 其在图 2 中没有示出。 0043 如果具有输入振幅 Pe 的光学辐射被发射到第一光波导部分 101 中并且耦合到。
28、谐 振器 20 中， 则在谐振器 20 内部形成驻波。五个二极管 30 的掺杂半导体部分 33 和 34 位于 光波的强度最大值之间的区域中， 或者在强度最小值的部分中， 如已结合图 1 详细地解释 的。二极管 30 经由从第二光波导部分 102 垂直延伸出的梳状导体轨迹 40 连接至接触端子 50 和 51， 电压 U 能够经由接触端子 50 和 51 施加到电光调制器 10。 0044 如果接着通过施加正向电压或者反向电压来改变谐振器 20 中的电荷载流子密 度， 则在调制器 10 的输出处的光学辐射的振幅 Pa 也会改变。 0045 在这点上， 参考上述结合图 1 的评论。 0046 图。
29、 3 示出了电光调制器 10 的第三示例性实施例。在该示例性实施例中， 存在连 续的 SOI 光波导 100， 其包括第一光波导部分 101、 第二光波导部分 102 和第三光波导部分 103。 0047 在 SOI 光波导 100 的第一光波导部分 101 和第三光波导部分 103 中， 存在由标记 200 表示的孔。由于孔 200， 在 SOI 光波导 100 中形成反射镜部分 21 和 22， 其形成谐振器 20 的谐振器边界。根据图 3 的电光调制器 10 的功能在其他方面均对应于根据图 2 的电光 调制器 10 的功能， 因而在这点上参考上述评论。 0048 图 4 示出电光调制器的。
30、第四示例性实施例。在该示例性实施例中， SOI 光波导 100 在第一光波导部分 101 和第三光波导部分 103 中的边缘具有凹槽， 从而形成用于谐振器 20 的反射镜部分 21 和 22。由于 SOI 光波导 100 上的凹槽， 在谐振器 20 中形成驻波光波， 该驻 波能够通过在电光调制器 10 的接触端子 50 和 51 施加电压来调制， 如已经在上文中结合图 1 至图 3 解释的。 0049 图 5 示出主要对应于根据图 1 的电光调制器 10 的电光调制器 10。与此相比较， 在 根据图 5 的电光调制器 10 中， 二极管 30 的 p 掺杂半导体部分 33 和 n 掺杂半导体部。
31、分 34 在波传播方向上、 也即在光波导23的纵向方向上没有重叠。 能够看出p掺杂半导体部分33 和 n 掺杂半导体部分 34 分别延伸进入光波导 23 中仅大约三分之一。 0050 附图标记列表 0051 10 电光调制器 0052 20 谐振器 0053 21 反射镜部分 0054 22 反射镜部分 0055 23 光波导 0056 24 驻波的强度最大值 0057 30 二极管 0058 33 p 掺杂半导体部分 0059 34 n 掺杂半导体部分 0060 40 导体轨迹 0061 50， 51 接触端子 0062 100 SOI 光波导 说 明 书 CN 103562790 A 8 。
32、6/6 页 9 0063 101-103 光波导部分 0064 200 孔 0065 Pe 入射的光学辐射 0066 Pa 输出处光学辐射 0067 U 电压 说 明 书 CN 103562790 A 9 1/5 页 10 图 1 说 明 书 附 图 CN 103562790 A 10 2/5 页 11 图 2 说 明 书 附 图 CN 103562790 A 11 3/5 页 12 图 3 说 明 书 附 图 CN 103562790 A 12 4/5 页 13 图 4 说 明 书 附 图 CN 103562790 A 13 5/5 页 14 图 5 说 明 书 附 图 CN 103562790 A 14 。