使用pn二极管进行高速硅光调制的方法和设备的制作方法

专利名称：使用pn二极管进行高速硅光调制的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及光学器件，更具体地，本发明涉及硅光调制器。
背景技术：
因特网与网络数据业务增长推动朝向光基数据通信。密集波分复用(DWDM)系统和吉比特以太网(GBE)系统中相同光纤上多个光信道的传输提供了使用由光纤光学器件提供的较高数据容量(信号带宽)的简单方式。数据通信系统中通常使用的光部件包括波分复用(WDM)发送器和接收器、光学滤光器，诸如衍射光栅、薄膜滤光器、光纤布拉格光栅、 阵列波导光栅、光分插复用器、调制器、激光器、以及光开关。许多这些积木式光学部件能够实施于半导体器件中。在电光开关器件中，将电压施加于器件的选择的部分以在器件内产生电场。电场改变器件内选择的材料的光学性质， 并且电光效应导致开关动作。电光器件典型地使用结合光学透明性和电压可变光学行为的电光材料。电光开关器件中使用的单晶电光材料的一个典型的种类是铌酸锂(LiNbO3)。诸如InP和GaAs的III-V半导体化合物也已用于高速调制器。硅光子集成电路提供用于从电信至芯片-芯片互连范围的应用的低成本光电子解决方案。光调制器是任何光通信链的关键部件，然而，在硅中实现高速光调制是有挑战性的。当前，自由载流子等离子色散效应对于硅中的高速光调制是有利的。在此方法中，硅波导中自由载流子密度的变化导致材料折射率的变化。折射率变化改变通过的光的光相位。 能够用以进行此调至的速度部分限制于自由载流子能够多块地注入到波导中或从波导中去除，以及部分限制于行进的光学模式占据的区域。


以示例并非限制性的方式在附图中示例了本发明。图1是根据本发明的教导的相位调制器的一个实施例的横截面视图；图2A是根据本发明的教导的图1的相位调制器中在施加OV时折射率的等高线图 (contour plot)的图示；图2B是根据本发明的教导的图1的相位调制器中在施加0. 9V时折射率的等高线图的图示；图3是示例包括具有根据本发明的教导的实施例的用于调制光束的光相位调制器的光器件的系统的图示。
具体实施例方式在以下描述中，阐明了许多具体细节，以提供对本发明的全面的理解。然而，明显地，对本领域技术人员来说，不必采用具体细节来实践本发明。在其它实例中，不详细描述公知的材料或方法，以避免使本发明难理解。整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。从而，整个此说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必全指相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合于一个或多个实施例中。另外，应当理解，这里提供的附图是为向本领域技术人员解释的目的，并且附图不必按照比例绘制。此外，还应当理解，这里示例的具体尺度、系数值、材料等是为解释目的，并且也可以根据本发明的教导使用其它合适的尺度、系数值、材料等。在本发明的一个实施例中，能够使用作为光波导的反偏pn 二极管高速调制光信号。对于水平或竖直pn结，在电荷载流子与通过波导的光的光模式之间存在相对弱的交叠或相互作用。对于波长约1.55 μ m的光，这经常将相位效率减小至不好于3V· cm。通过以精确的位置控制将pn结设置于波导内，能够提高这些设计的效率。然而，该精度要求使得调制器难以制造。在本发明的一个实施例中，通过改变pn 二极管的形状，能够提高效率，而无需精确的位置控制。例如Z形的pn 二极管设计是更有效的，因为其能够在水平和竖直两个方向上提供电荷载流子耗尽。在此情况下，总的耗尽区随驱动电压的变化大于仅仅是水平结或竖直结时耗尽区域随驱动电压的变化。能够对1. 3 μ m的光容易地实现约1. 6V -cm的相位调制效率。可以使用低能倾斜注入制造下述配置，无需对光刻配准控制进行严格要求。图1示出了绝缘体上硅(SOI)基底上的高速光调制器101的横截面图。基底具有硅层109，由掩埋氧化物(BOX)层107覆盖，然而可以替代地使用各种其它层。调制器使用沉积于BOX层107之上的Z形pn 二极管设计103、105，其中，pn结147靠近光波导127的边缘。参照图1中的η掺杂硅区域103，其形状类似于字母Ζ，其左边的顶部部分越过中心脊129的顶部，Z的中间部分沿中心脊的右侧向下延伸，并且Z的底座从中心脊水平延伸并离开中心脊，到达右边。pn 二极管具有用于外部连接的两个金属接触部117、119。图1中所示的pn 二极管左侧的一个金属接触部117通过金属焊垫142耦合至ρ型高掺杂(ρ++)区域141，金属焊垫142经由通孔151连接至接触部。图1中所示的pn 二极管的右侧的另一金属接触部 119通过金属焊垫144耦合至η型高掺杂(η++)区域143，金属焊垫144经由通孔153连接至接触部。高掺杂区域141、143嵌入于pn 二极管105、103中。左侧高掺杂ρ++区域嵌入于二极管的P型区域105中，且右侧高掺杂η++区域嵌入于二极管的η型区域103中。在两个区域的近似中心是包括中心脊的波导127。中心脊向上竖直延伸远离BOX 层。形成pn 二极管以充满(fill)此中心脊以及中心脊以下和中心脊任一侧上的通孔以下的水平层。代替提供例如P型水平层，在图1的范例中，对于η型脊，P型区域从P++区域水平延伸越过中心脊并且竖直延伸向上进入中心脊。pn 二极管的η型部分充满从η++区域水平越过P型区域的区域。如图1的范例中所示，η型区域也占据中心脊的周边，然而这对本发明不是必需的。通过首先执行P掺杂，并然后在波导的周边附近和右侧的η掺杂区域中产生η掺杂区， 可以形成此配置。替代地，可以首先形成η掺杂区域，然后产生波导周边附近的P掺杂区。 在示例的范例中，过渡在靠近波导的中心脊的顶部具有水平或横向范围或行程且沿中心脊的右侧具有竖直范围或行程。换句话说，光速在两个正交侧上经历Pn结。结果，通过水平和竖直延伸，相对于许多其它设计，pn结充满波导的更大部分。
图1的波导可以用0.4μπι宽、0.4μπι高以及0. 15μπι的条构成。然而，可以配置
特定尺度以适合于特定环境。更详细地考虑图1，光波导127在ρη结界面147具有耗尽区域133，其水平和竖直延伸。ρη结中的耗尽宽度取决于掺杂密度分布和施加的外部电压。当施加外部驱动电压时，耗尽宽度增大。从而，根据本发明的教导，包含ρη结的波导中的电荷密度根据施加于ρη 结的射频(RF)源145变化。对于一个范例，在耗尽区域133中基本没有自由电荷载流子， 而归因于η型和ρ型掺杂，在耗尽区域133外存在自由电荷载流子。如范例中所示，光器件101包括光波导127，光波导127包括具有相反掺杂类型的半导体材料的邻接区域103和105。在示例的范例中，光波导127示为包括脊形区域1 和条形区域131的脊形波导。如示例的范例中能够看到的，通过光波导127的光束的传播光模式121的强度在光波导的脊形区域129的“较上角”和条形区域131的“侧边”趋于零地小。光束示为传播“进入页面”通过光波导127。在其它范例中，应当理解，可以采用其它类型的合适的波导。在一个范例中，半导体材料包括硅(Si)。例如，区域103可以包括η型硅，且区域 105可以包括ρ型硅，使得耗尽区域133外部的η型硅中的自由电荷载流子为电子且耗尽区域133外部的ρ型硅中的自由电荷载流子为空穴。在其它范例中，半导体材料可以包括其它合适类型的半导体材料，诸如例如锗(Ge)、Si/Ge等。在一个范例中，区域103和105具有的掺杂浓度使得区域103和105之间的ρη结界面147由于内建电场而反向偏置。在另一范例中，根据本发明的教导，可以反转区域103和105的掺杂的极性(η和ρ)。如上述，光器件101可以形成于绝缘体上硅(SOI)晶片上，并且因此包括设置于另一半导体层109和掺杂区域103、105的半导体材料之间的掩埋氧化物层107。如所示，光器件101还包括掺杂区域以上的也用作光波导127的包层材料的缓冲层绝缘材料123。较高掺杂区域141和143在通过光波导127的光模式121的光路外。将较高掺杂区域141和 143设置在通过光波导127的光模式121的光路外，减小了光损耗。较高掺杂区域141和 143的掺杂浓度比沿光波导127的光模式121的光路内的区域103和105的掺杂浓度高。如所示，较高掺杂区域141和143对称邻接并耦合至ρη 二极管区域103、105的相应相对横向(lateral)侧。光器件101还包括接触焊垫117和119，这些接触焊垫通过缓冲层绝缘材料123分别经由通孔151和153分别耦合至较高掺杂区域141和143。如所示， 接触部117和119也位于通过光波导127的光模式121的光路外。对于一个范例，接触部 117和119包括具有高电导率和低电阻的金属。在一个范例中，根据本发明的教导，接触部 117和119被组合并与设计用于高频行波信号传输的金属电极连接。如示例的范例中所示，在波导的一端的接触部119的一端耦合为接收来自RF源 145的行波信号。波导的另一端的接触部119的另一端(未示出)端接负载阻抗或耦合至诸如地的参考电压的终端负载。另外，接触部117耦合至诸如地的参考电压。结果，利用通过行波信号155并通过较高掺杂区域141、143施加外部驱动电压，调整了区域105和103之间的Pn结或界面147的偏压。根据本发明的教导，较高掺杂区域141和143的较高掺杂浓度有助于改善共面接触部117、119与半导体材料区域105、103的电耦合。在另一范例中， RF信号可以施加于接触部117和119之间。在此情况下，ρη结用作与来自RF源的源电阻器串联的电容器。
改善的电耦合减小了金属接触焊垫117、119和半导体材料区域105、103之间的接触电阻，这减小了行波信号155的RF衰减。根据本发明的教导，减小的接触电阻改善了光器件101的电性能。减小的RF衰减和良好的光电波速匹配使得能够实现较快的开关时间和器件速度。在示例的范例中，根据本发明的教导，通过RF源145将行波信号155施加于接触部119的一端，以调整光波导127的η和ρ掺杂区域103、105之间的ρη结界面147处的耗尽区域133的尺寸或厚度。如所示，耗尽区域133与传播通过光波导127的光束的光模式 121交叠。光波和RF微波沿波导共同传播(co-propagate)。当RF相速与光群速匹配时， 响应于施加的电场，光束经历相移。因此，器件速度不像一些其它器件中那样受到RC时间常数的限制。可以选择耦合至接触部117和119的较高掺杂区域141和143的相应宽度、高度以及相对位置以获得速度匹配。例如，RF相速通常由器件电感和电容确定。通过改变金属接触部几何结构和半导体以及介电层厚度，能够改变电感和电容值，并且依次，RF相速能够与光群速匹配。这称作“真”相速匹配。在另一范例中，可以通过例如使用反相电极设计“假 (artificially)”匹配相速。另外，可以设计掺杂分布和金属电极，以获得小的RF衰减。例如，小于6dB足以获得使用行波驱动方案的益处。当不存在外部驱动电压或当来自行波信号155的外部驱动电压基本为零时，光波导127的区域103、105之间的ρη结界面147处的耗尽区域133是由掺杂区域103、105的掺杂浓度引起的内建电场的结果。然而，根据本发明的教导，当经由行波信号1 施加非零外部驱动电压时，光波导127的掺杂区域103、105之间的ρη结界面147处的反偏压增大， 这导致对应的耗尽区域133基本更大或更厚。可以通过以反偏压操作ρη结而将载流子密度变化用于光调制。反偏压对应于载流子耗尽模式。载流子耗尽在某些环境下相比于载流子注入(如正偏压)可以提供益处。 载流子耗尽内在地更快并且不受注入的总体慢的载流子动力学限制。在图1的范例中，ρ型Si可以设计为比η型Si具有更低的掺杂浓度。因此，大部分耗尽宽度变化发生在P型材料内，靠近波导的中心。如图ι中所示，P型Si充满波导中心的大部分。与ρ型Si耗尽的较好的模式交叠典型地增大折射率的变化量。因为发生在 ρ型材料中的空穴耗尽比电子耗尽导致更大的折射率变化，所以这发生。因此，能够调整交叠量以实现期望的效果。 Z型ρη结设计同时耗尽竖直和水平方向上的Si (空穴耗尽)。这增强了光模式-电荷相互作用，改善了相位调制效率。该器件对1. 3 μ m的波长可以具有1. 6V -cm的效率，且对于6dB的调制深度可以具有小于3dB的光损耗。由载流子动力学确定的此器件的固有调制带宽可以超过IOGHz。 图2A和2B是通过对图1的ρη 二极管的折射率对跨两个接触部117、119施加的电压的响应进行建模产生的等高线图的图示。图2Α示出了从施加OV得到的等高线，且图 2Α示出了施加0. 9V的反偏压的相同二极管。在图2Α和2Β中，ρ掺杂区域105在靠近左金属接触部142并水平延伸至波导处具有非常低的折射率。类似地，η掺杂区域103在靠近右金属接触部并水平延伸至波导处具有低的折射率165。两个低折射率区延伸到波导中，η 掺杂区的低折射率区向上延伸到中心脊中且在P掺杂区域附近。
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在波导的中心是近似于高折射率区167。折射率如中间系数区169所示地迅速下降。随着施加电压，空穴迅速耗尽，并且如比较图2A和2B能够看见的，高系数区显著增长， 将低的和非常低的系数区163、165推出波导外并减小了中间系数区169的尺寸。如所示， 载流子浓度的变化主要在行进通过波导的光模式127的中心。图2A和2B的等高线图未示出折射率的实际值。相反，系数的可能范围被归一化为 0至1的范围。这示出了耗尽电荷增大了系数。如附图中能够看到的，与对于OV的等高线图相比，对于0. 9V的等高线图示出了波导的较大区域归因于电荷耗尽而具有较高折射率。 此变化主要靠近波导中心。也能够对图1的调制器的瞬时响应进行建模。模型示出了 30ps量级的上升时间和下降时间。此外，波导几何结构的修改和电极的布置能够按照超过20GHz的速度规定此器件。对于10(ibpS的操作，诸如10(ΛΕ(吉比特以太网)，估计此调制器对于施加的< IV的电压，消耗 IOmW的电功率。此调制器性能的组合使得此器件特别适合于高速、低损耗、以及低功率应用，诸如聚合(converged) I/O。图3示出了根据本发明的实施例的包括光发送器181和光接收器189以及包括光相位调制器的光器件185的系统的一个实施例的框图。具体地，图3示出了光系统180包括光发送器181和光接收器189。光系统包括光耦合于发送器与接收器之间的光器件185。 发送器发送由光器件185接收的光束183，例如连续波束。光器件包括相位调制器101，诸如图1的相位调制器，以响应于外部驱动电压Vd191而移动光束183的相位。在示例的范例中，光纤187光耦合于光器件185与光接收器189之间。输出光波导包括在光器件中的锥形，以改善至输出183的光耦合。可以在包括诸如图3中所示的光器件185的光器件的单个集成电路芯片上以全集成方案设置基于半导体的光幅度调制器。在图3的范例中，光相位调制器101包括在光器件的两个臂之一中。其光耦合于设置于半导体材料中的马赫-曾德干涉仪(MZI)配置的级联Y分支耦合器之间。操作中，将光束183引导至光器件的输入端中，如所示地引导至MZI 配置中。对光束进行分束，使得将光束的第一部分引导通过MZI配置的一个臂，且将光束的第二部分引导通过MZI配置的另一个臂。如描绘的实施例中所示，MZI配置的一个臂包括光移相器或相位调制器，其响应于外部驱动电压Vd调整光束的第一部分与第二部分之间的相对相位差。光束的第一和第二部分然后并入半导体基底中，使得作为相长或相消干涉的结果，光束在MZI配置的输出端被调制。理想地，输出至接收器的光随驱动电压的变化被开通和关断。在描述的实施例中，相位调制器能够充分迅速地响应于电压变化，以用足以用于 GbE (吉比特以太网)、USB 3 (通用串行总线，版本3)、显示端口、以及其它高速数据接口的速度开关光束。在示例的范例中，仅MZI配置的一个臂包括光相位调制器。替代地，MZI配置的两个臂均可以包括光相位调制器。例如，对于一个实施例，插入于MZI配置的两个臂中的光相位调制器能够使用推挽驱动方案在输出端提供大于12dB的消光比。在前述详细描述中，参照本发明的方法和设备的具体范例实施例描述了本发明的方法和设备。然而，明显地，可以不脱离本发明的宽广精神和范围对其进行各种修改和改变。本发明的说明书和附图因此视为示例性的而非限制性的。
权利要求
1.一种设备，包括光波导，其具有相反掺杂类型的第一掺杂半导体区域和第二掺杂半导体区域，所述第一区域和所述第二区域在结处彼此邻接，所述结在两个不同的方向上延伸通过所述波导；所述光波导的光路外的第一较高掺杂半导体区域，所述第一较高掺杂区域的内部部分邻接并耦合至所述光波导的所述第一掺杂区域，所述第一较高掺杂区域的掺杂浓度比所述光波导的所述光路中的掺杂浓度高；以及所述光波导的光路外的第二较高掺杂半导体区域，所述第二较高掺杂区域的内部部分邻接并耦合至所述光波导的所述第二掺杂区域，所述第二较高掺杂区域的掺杂浓度比所述光波导的所述光路中的掺杂浓度高。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述光波导具有条形区域和脊形区域，并且其中， 所述结在所述两个不同的方向中的一个方向上延伸越过所述条形区域，并且在所述两个不同的方向中的另一个方向上延伸到所述脊形区域中。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述第一掺杂半导体区域基本充满所述波导。
4.如权利要求2所述的设备，其中，所述两个不同的方向水平和竖直通过所述波导。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述两个不同的方向彼此垂直。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述结在至少两个侧面上围绕所述波导的周边。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述结延伸越过所述波导的顶部和一侧。
8.如权利要求1所述的设备，其中，所述结是Z形的。
9.如权利要求1所述的设备，还包括在所述波导中在所述第一掺杂区域与所述第二掺杂区域之间的界面处的耗尽区域，所述波导的所述第一掺杂区域和所述第二掺杂区域具有各自的掺杂浓度，使得在没有外部施加给所述光波导的驱动电压时存在所述耗尽区域。
10.如权利要求9所述的设备，其中，响应于外部施加给所述光波导的驱动电压，所述光波导的所述第一区域与所述第二区域之间的所述界面处的所述耗尽区域的尺寸增大，更完全地充满所述波导。
11.如权利要求1所述的设备，还包括沿所述光波导设置并邻接所述第一较高掺杂区域的外部部分的第一缓冲区，所述第一接触部具有邻接所述第一缓冲区的外部部分，其中， 所述第二较高掺杂区域的外部部分邻接所述第一缓冲区，并且所述第一接触部具有邻接所述第一缓冲区的外部部分。
12.如权利要求1所述的设备，还包括第一接触部，其具有邻接并耦合至所述第一较高掺杂区域的内部部分；以及第二接触部，其具有邻接并耦合至所述第二较高掺杂区域的内部部分。
13.一种方法，包括将光束投射通过光波导，所述光波导具有相反掺杂类型的第一掺杂半导体区域和第二掺杂半导体区域，所述第一区域和所述第二区域在结处彼此邻接，所述结在两个不同的方向上延伸通过所述波导；通过所述光波导的光路外的第一较高掺杂半导体区域和所述光波导的光路外的第二较高掺杂半导体区域驱动所述第一掺杂半导体区域和所述第二掺杂半导体区域，以调制通过所述波导的所述光束的相位，所述第一较高掺杂区域的内部部分邻接并耦合至所述光波导的所述第一掺杂区域，所述第一较高掺杂区域的掺杂浓度比所述光波导的所述光路中的掺杂浓度高，所述第二较高掺杂区域的内部部分邻接并耦合至所述光波导的所述第二掺杂区域，所述第二较高掺杂区域的掺杂浓度比所述光波导的所述光路中的掺杂浓度高。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述光波导具有条形区域和脊形区域，并且其中，所述结在一个方向上水平延伸越过所述条形区域，并且在另一个方向上竖直延伸到所述脊形区域中。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述两个不同的方向包括水平和竖直通过所述波导。
16.如权利要求13所述的方法，其中，驱动包括施加驱动电压，以使得耗尽区域的尺寸在所述第一掺杂区域与所述第二掺杂区域之间的界面处交替地或多或少完全充满所述波导，所述波导的所述第一掺杂区域和所述第二掺杂区域具有各自的掺杂浓度，使得在没有外部施加给所述光波导的驱动电压时存在所述耗尽区域。
17.一种系统，包括光发送器，用于生成光束；光接收器，其光耦合以接收所述光束；光器件，其光耦合于所述光发送器与所述光接收器之间，所述光器件包括光耦合至光纤以调制所述光束的相位的光相位调制器，所述光相位调制器包括光波导，其具有邻接的第一掺杂半导体区域和第二掺杂半导体区域，所述第一区域和所述第二区域具有相反掺杂类型，所述第一掺杂区域在两个不同的方向上延伸通过所述波导，形成通过所述光波导的载流子耗尽区；所述光波导的光路外的第一较高掺杂半导体区域，所述第一较高掺杂区域的内部部分邻接并耦合至所述光波导的所述第一掺杂区域，所述第一较高掺杂区域的掺杂浓度比所述光波导的所述光路中的掺杂浓度高；所述光波导的光路外的第二较高掺杂半导体区域，所述第二较高掺杂区域的内部部分邻接并耦合至所述光波导的所述第二掺杂区域，所述第二较高掺杂区域的掺杂浓度比所述光波导的所述光路中的掺杂浓度高。
18.如权利要求17所述的系统，其中，响应于向所述第一掺杂区域和所述第二掺杂区域施加的外部驱动电压，所述耗尽区域的尺寸受到调整。
全文摘要
使用PN二极管描述了用于高速硅光调制的一种方法和设备。在一个范例中，光波导具有邻接的第一和第二掺杂半导体区域。所述第一和第二区域具有相反的掺杂类型，且所述第一掺杂区域在两个垂直的方向上延伸通过所述波导。
文档编号G02B6/26GK102165346SQ200980137448
公开日2011年8月24日 申请日期2009年9月25日 优先权日2008年9月30日
发明者A·刘, L·廖, Y·谢特立 申请人:英特尔公司