基于微环结构的硅基电光调制器及其调制方法

1.本发明涉及集成光电子的技术领域，尤其是一种基于微环结构的硅基电光调制器及其调制方法。


背景技术：

2.硅基光电子技术是以硅为主要材料的低成本、高速、低功耗光通信器件实现技术。光通信技术快速发展，在当前光通信系统和调制格式越来越复杂的情况下，光通信芯片和可插拔模块正在向800gbit/s快速发展。硅基光电子技术拥有光的极高带宽、超快速率和高抗干扰特性以及微电子技术在大规模集成、低能耗、低成本等方面的优势,能满足未来高速光通信系统和大容量光互连系统应用。
3.电光调制器作为光通信系统中的核心元器件，一直是光通信领域的研究热点。硅光调制器主要分为谐振型和干涉型。干涉型调制器比如马赫曾德尔调制器，主要是基于马赫曾德尔干涉结构，通过改变干涉光之间的相位差来改变干涉后的光强。谐振型调制器比如微环调制器，主要是基于微环谐振结构，通过调节谐振波长从而改变输出光强。干涉型调制器比较容易实现高的调制速率，并且工艺稳定性和热稳定性都较好，但是干涉型调制器的尺寸一般比较大；而谐振型调制器的尺寸比较小，容易实现更高密度的集成。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种提升硅基微环调制器带宽的方法，该硅基微环调制器通过将调制区分为若干段，若干段调制区通过位于每段调制区重掺杂区域上方的电极形成串联，通过结电容分段串联减小了总电容。虽然分段串联时电阻也会增加，但由于驱动电信号源内阻通常为50欧姆，所以系统整体的rc响应时间会减小，而调制器电学(ee)响应带宽反比于rc响应时间，因此调制电光(eo)响应带宽会增加。
5.本发明可以通过以下技术方案实现：
6.一种基于微环结构的硅基微环调制器，其特点在于包括一根直波导和一根环形波导，所述的环形波导有多段调制区。
7.进一步，所述的调制区采用耗尽型pn结构。
8.进一步，所述的多段调制区，第2n-1段调制区的p型掺杂区位于环形波导外侧，n型掺杂区位于环形波导内侧；第2n段调制区的p型掺杂区位于环形波导内侧，n型掺杂区位于环形波导外侧，n为正整数。
9.进一步，位于环形波导两侧重掺杂区上方均分布有通孔和金属电极相连。
10.进一步，第2n-1段调制区与第2n段调制区内侧重掺杂区上方的金属电极直接相连。第2n段调制区与第2n+1段调制区外侧重掺杂区上方的金属电极直接相连。
11.本发明还提供对于上述硅基微环调制器的调制电信号加载方法，包括
12.对于有偶数段调制区的环形波导，调制电信号加载到首段和末段调制区外侧重掺杂区上方的电极。对于有奇数段调制区的环形波导，调制电信号加载到首段调制区外侧重
掺杂区上方的电极和末段调制区内侧重掺杂区上方的电极。
13.本发明和现有技术相比，有益效果主要体现在如下方面：
14.本发明在现有工艺的基础上，通过将微环调制器环形波导的调制区分为若干段，通过位于调制区重掺杂区域上方的电极形成串联结构。利用pn结电容串联，减小了总电容，从而提升了硅基微环电光调制器的带宽。在常规微环调制器的基础上利用该分段串联电极设计可进一步提升带宽，能达到85ghz以上。
附图说明
15.图1为基于1段调制区的微环调制器总体结构示意图
16.图2为基于2段调制区的微环调制器总体结构示意图
17.图3为基于偶数段调制区的微环调制器总体结构示意图
18.图4为基于奇数段调制区的微环调制器总体结构示意图
19.图5为基于1-3段调制区的硅基微环调制器仿真eo响应带宽，
具体实施方式
20.下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。
21.图1是一段调制区的硅基微环调制器，包括直波导100和环形波导200，其中环形波导200包括一段调制区201。调制信号加载到调制区起始端位于微环外侧的电极和调制区末端位于微环内侧的电极。
22.光波从直波导100输入端输入，当传输到与环形波导耦合区域时，满足谐振条件(mλ＝n
eff
l，其中m为1,2
……
，λ为光波波长，n
eff
为环形波导的有效折射率，l为环形波导长度)的光能耦合进入到微环谐振腔中。直波导输出端输出的光场与输入光场之比由下式确定：其中e
t1
为输出光场，e
i1
为输入光场，t为耦合点直波导透射系数，α为光在环形波导内绕一圈的损耗系数，为光在环形波导内绕一圈的相位变化。
23.通过控制加载在调制区上的电压可以改变波导的有效折射率n
eff
，进而改变输出光场幅度，从而能达到光强调制的目的。
24.如图2所示，本发明采用将微环调制器调制区分段，通过电极将两段调制区串联，实现了减小电容的目的。具体的，包括直波导100，环形波导200，其中环形波导包括第一调制区201和第二调制区202。第一调制区201和第二调制区202通过位于环形波导内侧的电极直接相连，调制驱动电信号加载到第一调制区201和第二调制区202位于环形波导外侧的电极上。
25.图3、图4分别是基于偶数段调制区与奇数段调制区的微环调制器结构示意图，包括直波导100与环形波导200，其中环形波导包括多段调制区，对于有偶数段调制区的环形波导，调制电信号加载到首段和末段调制区外侧重掺杂区上方的电极；对于有奇数段调制区的环形波导，调制电信号加载到首段调制区外侧重掺杂区上方的电极和末段调制区内侧重掺杂区上方的电极。
26.图5给出了调制区分段与不分段的硅基微环调制器小信号电光响应曲线，微环谐振光学带宽取为52.5ghz(对应品质因子q＝3686)。从图中我们可以看出将调制区分段串联，可以有效提升电光带宽。调制区不分段对应的电光3db调制带宽是72ghz，将调制区分为两段后，带宽提升至83ghz。随着调制区分段的增加，所带来的电光带宽增加逐渐趋缓。由此可见，通过pn结分段串联的方式，减小了结电容，有效提升了硅基微环调制器的带宽，有利于实现更高码率的信号调制。
27.本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。


技术特征：
1.一种基于微环结构的硅基微环调制器，包括至少一条直波导及与之耦合的环形波导，其特征在于，所述的环形波导由至少一段调制区构成，所述调制区采用耗尽型pn结型结构，重型掺杂区域上方均分布有金属电极。2.根据权利要求1所述的硅基微环调制器，其特征在于，所述调制区为多段，且相邻两段调制区的p型掺杂区分别在环形波导内外两侧，n型掺杂区相反。3.根据权利要求2所述的硅基微环调制器，其特征在于，所述调制区为多段，第2n-1段调制区的p型掺杂区位于环形波导外侧、n型掺杂区位于环形波导内侧，其中n为正整数(n＝1,2,3
…
)；第2n段调制区的p型掺杂区位于环形波导的内侧、n型掺杂区位于位于环形波导的外侧。4.根据权利要求2或3所述的硅基微环调制器，其特征在于，第2n-1段调制区与2n段调制区通过位于环形波导内侧重掺杂区域上方的金属电极直接相连；和/或第2n段调制区与2n+1段调制区通过位于环形波导外侧重掺杂区域上方的金属电极直接相连。5.一种权利要求1-4任一所述的基于微环结构的硅基微环调制器的调制电信号加载方法，其特征在于，当调制区的段数为奇数时，将调制电信号加载到首段调制区外侧金属电极和末段调制区内侧金属电极上；当调制区的段数为偶数时，将调制电信号加载到首段调制区外侧金属电极和末段调制区外侧金属电极上；通过控制加载在调制区金属电极上的电压，改变环形波导的有效折射率，进而改变直波导的输出光场幅度，进而实现光强调制。

技术总结
一种基于微环结构的硅基电光调制器及其调制方法，所述硅基微环调制器包括一条直波导以及与其靠近的环形波导，所述的环形波导包括多段调制区，调制区采用耗尽型PN二极管结构，且相邻两段调制区的P型掺杂区分别在微环内外两侧，N型掺杂区相反。具体来讲，若该段调制区的P型掺杂区位于微环内侧，N型掺杂区位于微环外侧，则其相邻段调制区PN结的P型掺杂区位于微环外侧，N型掺杂区位于微环内侧。相邻两段调制区通过分布在重掺杂区上方的金属电极形成串联，本发明提供的硅基微环电光调制器，通过PN结分段串联的方式，减小了结电容，提升了硅基微环调制器的带宽，有利于实现更高码率的信号调制。号调制。号调制。


技术研发人员：周林杰 朱新喜 冉诗环 陆梁军 陈建平 刘娇
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.10.12
技术公布日：2023/1/13