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CN211236500U - 电光调制器和光子电路 - Google Patents

电光调制器和光子电路 Download PDF

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CN211236500U CN201921432986.4U CN201921432986U CN211236500U CN 211236500 U CN211236500 U CN 211236500U CN 201921432986 U CN201921432986 U CN 201921432986U CN 211236500 U CN211236500 U CN 211236500U
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Abstract

本公开涉及电光调制器和光子电路。在一个实施例中，电光调制器包括波导，波导具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面。腔体被设置在波导中。多个量子阱被设置在腔体中。本公开的实施例能够实现损耗小且结构紧凑的电光调制器。

Description

电光调制器和光子电路
技术领域
本公开一般地涉及光子(光学和/或光电)电路，并且更一般地涉及电光调制器。
背景技术
已知电光吸收调制器，其中根据由光信号穿过的材料的偏振，该材料的吸收系数以及因此的该信号的光学功率被调制。
实用新型内容
期望具有一种电光吸收调制器，从而克服已知的电光吸收调制器的全部或者部分缺点。
根据本公开的第一方面，提供了一种电光调制器。该电光调制器包括：波导，包括：第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面，被设置在波导中的腔体，其中腔体具有相对于波导的第二主表面的法线倾斜的壁，以及被设置在腔体中的多个量子阱。
在一个实施例中，波导被定向为在第一方向上传输光，并且其中腔体在横向于第一方向的第二方向上穿过波导。
在一个实施例中，腔体是从波导的第一主表面向波导的第二主表面延伸的贯通腔体。
在一个实施例中，多个量子阱包括沿着侧壁以与波导的第二主表面的法线不同的角度被定向的层。
在一个实施例中，波导包括第一半导体区域和第二半导体区域，其中腔体被设置在第一半导体区域和第二半导体区域之间，第一半导体区域和第二半导体区域被掺杂有不同的导电类型，并且其中第一半导体区域和第二半导体区域由硅制成。
在一个实施例中，多个量子阱包括由第一量子阻挡层和第二量子阱层构成的交替层。
在一个实施例中，第一量子阻挡层由硅-锗制成，第二量子阱层由锗制成。
在一个实施例中，第一量子阻挡层和第二量子阱层中的每个层与波导的第二主表面齐平。
在一个实施例中，波导置于第三层上并且与第三层接触，第三层是绝缘体上半导体型结构的绝缘层。
在一个实施例中，波导包括波带，波带被配置为引导通过波导而传播的光学信号。
在一个实施例中，腔体被设置在波带的中间部分中。
根据本公开的第二方面，提供了一种光子电路。该光子电路包括根据第一方面的电光调制器。
根据本公开的第三方面，提供了一种电光调制器。该电光调制器包括：绝缘体上硅衬底；波带，包括上游部分、中间部分和下游部分；
第一条带，被设置在波带的第一侧；第二条带，被设置在波带的第二侧，波带、第一条带和第二条带被设置在绝缘体上硅衬底的硅层中；腔体，被设置在波带的中间部分中；外延的第一量子阻挡层，包括被设置在腔体的侧壁上的硅和锗；以及外延的第一量子阱层，包括被设置在第一量子阻挡层的侧壁上的锗。
在一个实施例中，电光调制器进一步包括：外延的第二量子阻挡层，包括被设置在第一量子阱层的侧壁上的硅和锗；以及外延的第二量子阱层，包括被设置在第二量子阻挡层的侧壁上的锗。
在一个实施例中，腔体是从绝缘体上硅衬底的硅层的第一主表面向绝缘体上硅衬底的硅层的第二主表面延伸的贯通腔体。
一个实施例提供了电光吸收调制器，其中损耗比已知的电光调制器小。
一个实施例提供了比已知的电光调制器紧凑的电光调制器。
一个实施例提供了电光吸收调制器，其能够调制具有1310nm量级的一个波长或多个波长的信号的光学功率。
因此，一个实施例提供了包括波导的电光调制器，该波导包括在波导的腔体中的多个量子阱。
根据一个实施例，腔体横向地穿过波导。
根据一个实施例，腔体在波导的下表面的水平处出现。
根据一个实施例，腔体具有相对于波导的下表面的法线倾斜的壁。
根据一个实施例，波导包括位于腔体任一侧、优选地由硅制成的两个半导体区域，该两个区域掺杂有不同的导电类型。
根据一个实施例，多个量子阱通过第一量子阻挡层和第二量子阱层的交替而形成。
根据一个实施例，第一层由硅-锗制成，第二层由锗制成。
根据一个实施例，第一层和第二层中的每层与波导的下表面齐平。
根据一个实施例，波导置于第三层上并且与第三层接触，第三层优选是绝缘体上半导体型结构的绝缘层。
根据一个实施例，波导包括被配置为引导通过波导而传播的光信号的波带(band)。
根据一个实施例，腔体穿过波带。
一个实施例提供了光子电路，其包括诸如上文限定的调制器。
本公开的实施例能够实现损耗小且结构紧凑的电光调制器。
在以下对特定实施例的非限制性描述中将结合附图详细讨论前述和其他特征和优点。
附图说明
图1是电光调制器的一个实施例的部分简化俯视图；
图2示出了图1的调制器沿着图1的相应平面AA、BB和CC的部分简化横截面图A、B和C；
图3是图1的调制器的一个备选实施例沿着图1的平面BB的部分简化横截面图；以及
图4示出了部分简化横截面图A和B，其图示了制造电光调制器的方法的一个实施例的步骤。
具体实施方式
在不同附图中，相同的元件用相同的附图标记表示。特别地，不同实施例共有的结构和/或功能元件可以用相同的附图标记表示，并且可以具有相同的结构、尺寸和材料性质。
为了清楚，仅示出了并且详细描述了对理解所描述的实施例有用的那些步骤和元件。特别地，并未详细描述电光调制器可以被提供于其中的光子电路，下文描述的调制器与大部分的光子电路兼容。
在本公开中，术语“连接”用于指定电路元件之间的直接电连接，而没有除导体之外的其他中间元件，而术语“耦合”用于指定电路元件之间的以下电连接，该电连接可以是直接的，或者可以经由一个或多个中间元件。
在以下描述中，在提及限定绝对位置的术语(例如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等)或相对位置的术语(例如术语“上方”、“下方”、“上”、“下”等)、或限定方向的术语(例如术语“水平”、“竖直”等)时，指的是附图的定向。
在本文中，术语“大约”、“基本上”、“约”用于表示讨论中的值的正10％或负10％的公差，优选地是正5％或负5％的公差。
在下面的描述中，在提及横向横截面时，除非另有指定外，否则横向横截面与波导的纵向方向正交。
在以下描述中，考虑如下的电光调制器：该电光调制器被配置为调制光信号的光学功率，该光信号具有约等于1310nm(优选等于1310nm)的一个波长或者多个波长。此后作为示例而指示的波导的尺寸和材料被选择用于这样的波长，应该理解的是鉴于以下描述，使尺寸和材料适于其他波长在本领域技术人员的能力范围内。
本公开还提供了一种制造诸如上文限定的调制器的方法，该方法包括以下的连续步骤：a)在波导中蚀刻贯通腔体；以及b)通过在其中形成多个量子阱来填充该腔体。
根据一个实施例，步骤b)包括以下的连续步骤：b1)通过从波导的材料的选择性外延，在腔体中形成第一材料的第一层；b2)通过从先前层的外延，交替地形成第二材料的层和第一材料的层。
根据一个实施例，方法包括，在步骤b)之后的，对第一材料和第二材料的层从波导突出的部分的化学机械抛光的至少部分步骤。
图1是电光调制器1的一个实施例的部分简化俯视图；
图2示出了图1的调制器1沿着图1的相应平面AA、BB和CC的部分简化横截面图A、B和C。
调制器1包括波导101。波导101包括例如由硅制成的波带1010。波带1010例如具有矩形的横向横截面，其具有为宽度(在波带的侧向表面1012之间)和厚度(在波带的上表面1013和下表面1015之间，图2)的尺寸，该尺寸优选地被选择以使得旨在于波导101中传播的信号保持被限制在该波带内。
调制器进一步包括在波导101的腔体105中的多个量子阱103。
腔体105竖直地，即在与波导101的下表面1015正交的方向上，跨波导101的整个厚度延伸。更特别地，波带1010纵长上包括由腔体105竖直穿过的中间部分1010A(通过图1中的竖直虚线界定)。因此，腔体出现在波带1010的下表面1015的水平处，以及在波带1010的上表面1013的水平处。腔体被波带1010的材料竖直地围绕，或者换言之，在平行于波导101的下表面1015的横截平面中，腔体105完全地被波带1010的材料围绕。在平行于波导101的下表面1015的横截平面中，腔体105优选地在波导101的主(纵向)方向上延长，例如具有矩形形状。
在该实施例中，腔体105具有与波导101的下表面1015基本上正交(优选地正交)的竖直壁。
多个量子阱103通过量子阻挡层1030(例如，由硅-锗制成，优选地具有至少85％的锗浓度)和量子阱层1032(例如，由锗制成)的交替而形成。腔体105完全地被填充有层1030和1032。更特别地，在腔体105中，除了靠着腔体105的竖直壁而布置的层1030和1032之外，每个层1030和每个层1032被相应的层1032或层1030竖直地围绕。换言之，在平行于波导101的下表面1015的横截平面中，每个层1030和1032形成环，每个层1032优选地插入在两个层1030之间。每个层1030和1032与波导101的下表面1015的水平齐平。在所示的实施例中，每个层1030和1032与波导101的上表面1013齐平。在未示出的一个备选实施例中，层1030和1032的部分可以从波导101的上表面1013突出。
在示出的实施例中，波带1010的中间部分1010A具有比上游部分1010B和下游部分1010C的横向横截面宽的横向横截面，该上游部分1010B和下游部分1010C相对于波导101中信号的传播方向相应地布置在中间部分1010A的上游(例如，在图1的左侧)和下游(例如，在图1的右侧)。在该特定的实施例中，波带1010纵长上包括(图1)上游部分1010B、可选的上游中间部分1010D、被腔体105穿过的中间部分1010A、可选的下游中间部分1010E以及下游部分1010C。部分1010B、1010D、1010A、1010E和1010C(由图1中的竖直虚线界定)是端对端的。为了限制或者甚至抑制从上游部分1010B向下游部分1010C传播的光学信号的杂散反射，波导101在此被配置以使得针对通过波导101而传播的信号的给定光学模式，其有效光学指数从中间部分1010A或者一直向中间部分1010A渐进地变化。光学模式的有效指数被限定为在所考虑的波长该模式的传播常数与真空中的波矢量的比率。有效指数的渐进变化例如由于以下项而获得：可选的上游中间部分1010D从上游部分1010B到中间部分1010A的宽度的渐进变化，以及可选的下游中间部分1010E从中间部分1010A到下游部分1010C的宽度的渐进变化，如图1所示。
在未图示的一个备选实施例中，可选的下游/上游中间部分1010D和1010E被省略，故部分1010B、1010A和1010C是端对端的。作为结果，该波导更容易制造。在该变型中，部分1010B、1010A和1010C的横向横截面的尺寸优选地是相同的。
在该实施例中，波导101包括在波带1010任一侧的两个条带1014，其优选地由与波带1010相同的材料制成。波带1010和条带1014具有相同的主(纵向)方向。每个条带1014与不同的侧向表面1012接触。例如，在与波带1010的下表面1015正交的方向上测量的条带1014的厚度小于波带1010的厚度，例如约等于、优选地等于波带1010的厚度的一半。
在该实施例中，波导101进一步包括至少沿着腔体105的两个可选的波带1016，其优选地由与波带1010相同的材料制成。波带1016沿着条带1014布置。每个波带1016与不同的条带1014接触。波带1016的主(纵向)方向与波带1010和条带1014的主(纵向)方向相同。波带1016的厚度例如与波带1010的厚度基本相等，优选地相等。
波导101嵌入在材料(例如氧化硅)中，该材料具有与波带1010的光学指数不同的光学指数。在所示的示例中，波导101置于层107的顶部上并且接触层107(图2)，层107例如是氧化硅层。优选地，层107形成为绝缘体上半导体型(SOI)结构的绝缘层，并且例如置于诸如硅衬底的支撑108(图2)上。未示出的优选地由与层107相同的材料制成的层覆盖波导101。
调制器1包括沿着腔体105的任一侧并在其任一侧布置的接触，在该示例中为导电通孔111。通孔111与从腔体105侧向延伸的波导101的导电和/或半导体区域接触，以使得能够将控制电压施加到多个量子阱103。在所示的示例中，通孔111穿过覆盖波导的层(未示出)，一直到波带1016的上表面。此外，在所示的示例中，在横向横截面中，波带1010和1016以及条带1014的硅在腔体105的一侧(在图2中的左手侧，视图B)掺杂有第一导电类型(例如，P型)，并且在腔体105的另一侧(在图2中的右手侧，视图B)掺杂有第二导电类型(例如，N型)。优选地，波带1016的顶部至少在与通孔111的接触的水平处由硅化物113(图2)制成。
在操作中，控制电压被施加在布置在腔体105的一侧上的通孔111和布置在腔体105的另一侧上的通孔111之间。光学信号被提供给波导101并且以被引导的形式在波带1010中传播，该信号穿过量子阱103。对于零控制电压，量子阱103不吸收。换言之，进入部分1010A的光学信号的功率基本上等于从部分1010A出来的信号的功率。然而，对于非零控制电压，量子阱变成吸收。结果，从部分1010A出来的光学信号的功率相对于进入部分1010A的信号的功率减小例如至少3dB，优选地至少3dB。
图3是图1的调制器1的一个备选实施例沿着图1的平面BB的部分简化横截面图。
图3的调制器与关于图2描述的调制器的不同之处在于，腔体105的竖直壁相对于波导101的下表面1015的法线115倾斜。优选地，腔体105在波导101的上表面1013侧展开。作为一个示例，法线115与腔体105的每个壁之间的夹角α在从5度至20度的范围内，例如，基本上等于10度，优选地等于10度。优选地，角度α对于腔体的每个壁是相同的。
相较于包括量子阻挡层和量子阱层在置于波带1010的上表面上的中间层上的堆叠的电光吸收调制器来说，调制器1更紧凑，特别是更薄。此外，在这样的调制器中，待调制的光学信号应当离开波带，穿过中间层，穿过量子阱，在到达波带之前再次穿过中间层，这将导致相比于比调制器1中大的光学损耗，在调制器1中，多个量子阱布置在波带1010中，直接布置在光信号的路径上。此外，在这样的调制器中，形成用以将控制电压施加到多个量子阱的接触将比调制器1复杂。
图4示出了部分简化的横截面图A和B，其图示了制造电光调制器(例如，图1和2的调制器)的方法的一个实施例的步骤。应注意的是，视图A和B取自与图1的平面BB相对应的平面。
在图4所示的步骤中，在视图A中，通过在层117(例如，硅层)中蚀刻来限定波导101，层117在此置于层107(例如，氧化硅层)上。优选地，层117和107相应地对应于SOI型结构的半导体层和绝缘层。
波导101在期望形成腔体105的位置的全部或部分长度上纵长地延伸的部分在该位置的一侧(在图4中的左手侧)掺杂有第一掺杂类型(例如P型)，并且在该位置的另一侧(在图4中的右手侧)掺杂有第二掺杂类型(例如N型)。
然后，将腔体105蚀刻到波导101的波带1010中。更具体地，在该示例中，已经沉积了优选地由氧化硅制成的掩蔽层121以覆盖波导101，并且与期望形成腔体105的位置相对，开口123已经被蚀刻到层121中。然后通过开口123跨波带1010的整个厚度，波带1010被蚀刻，蚀刻优选地停止于层107上。作为一个示例，层121中的开口123可以利用通过沉积在层121上的掩模的对应开口来蚀刻层121而被形成，掩模例如由树脂制成。
因此，如图4的视图A所示，在横向横截面中，腔体105在一侧上与P型半导体区域横向接界，并且在另一侧上与N型半导体区域横向接界。
在未图示的一个备选实施例中，掺杂波导101的步骤可以在腔体105的蚀刻之后被执行。
在未图示的另一备选实施例中，当期望制造结合图3所描述的类型的调制器1时，通过开口123对波带1010的蚀刻被执行，使得腔体105朝向波带1010的上表面1013展开。
在图4的视图B图示的步骤，多个量子阱103已经形成在腔体105中，以完全填充腔体105。更具体地，第一量子阻挡层1030通过从波带101的暴露材料的选择性外延而形成。因此，在腔体105中，第一层1030完全覆盖波带1010的材料，但不覆盖腔体的底部，尽管与其相接触。然后通过从第一层1030的材料的选择性外延来形成第一量子阱层1032。层1030和1032通过从在腔体105中形成的相应上一层1032和1030的材料的选择性外延而交替地形成，以用层1030和1032的交替来填充腔体105。优选地，选择腔体105的宽度和/或层1030和1032的厚度和数目，使得在腔体中形成的最后一层是层1030，或者换言之，腔体中的中央层是层1030。
在未图示的一个备选实施例中，通过从波带1010在腔体105的侧壁的水平处暴露的材料的选择性外延而形成的第一层是量子阱层1032。然后，层1030和1032通过从在腔体105中形成的相应上一层1032和1030的材料的选择性外延而交替地形成，以填充腔体105。
在未图示的其中腔体105的壁是倾斜的情况下，可以观察到腔体105中形成的最后一层的材料中的位错数目、以及在波带1010的材料与在腔体中形成的第一层材料之间的位错数目的减少。位错数目的减少引起穿过多个量子阱103的光学信号的干扰的减小。
如图4的视图B所示，层1030和1032的一部分可以从波导101的上表面1013突出。因此，在未图示的后续步骤，可以提供对层1030和1032的这些部分的至少部分地去除，优选地整体去除，例如通过化学机械抛光，优选地一直去除到波带1010的上表面1013。
在未图示的后续步骤中，形成通过层121一直到条带1014的顶部的导电通孔111。根据一个特定实施例，为了形成通孔111，沉积与层121相同的材料的层，以覆盖波导101以及层1030和1032。在期望形成通孔111的位置处，孔被蚀刻该材料中，直到波带1016的顶部。波带1016的暴露部分随后可以硅化。然后通过用导电材料填充孔来获得通孔111。
尽管图4中示出了单个调制器1，但是例如在同一板(例如，SOI型板)的不同位置处可以同时形成多个调制器1，然后该板可以被切割以获得多个个体化的光子集成电路。
作为一个具体实施例，提供具有以下尺寸的电光调制器1，其中上游部分1010B和下游部分1010C的宽度在200nm至1000nm的范围内，例如，等于约400nm，优选地等于400nm。部分1010A的宽度在500nm至2300nm的范围内，例如，约等于约800nm，优选地等于800nm。腔体105的宽度在400nm至2000nm的范围内，例如，等于约600nm，优选地等于600nm。腔体105的长度在20μm至140μm的范围内，例如，等于约40μm，优选地等于40μm。波带1010的厚度在220nm至500nm的范围内，优选地等于约300nm，例如，等于300nm。条带1014的宽度在400nm至1800nm的范围内，例如，等于约1000nm，优选地等于1000nm。条带1014的厚度在50nm至160nm的范围内，例如，等于约150nm，优选地等于150nm。层1030的厚度在16nm的量级，优选等于16nm，以及层1032的厚在10nm的量级，优选等于10nm。
已经描述了各种实施例和变型。将由本领域技术人员理解的是，可以组合这些各种实施例和变型的某些特征，并且本领域技术人员可以想到其他变型。特别地，修改上文被指示为示例的尺寸和材料以获得能够调制处于除上文指示的波长之外的其他波长的光学信号的调制器在本领域技术人员的能力范围内。例如，为了调制处于大于1550nm的波长的光学信号，量子阻挡层可以由锡和锗的合金制成，并且量子阱层可以由锗制成。
最后，基于上文给出的功能指示，所描述的实施例和变型的实际实现在本领域技术人员的能力范围内。特别地，本领域技术人员可以基于仿真工具确定所描述的调制器的尺寸和/或材料，例如，利用时域有限差分计算(FDTD)的仿真工具。这样的仿真工具的一个示例由“Lumerical”公司商业化。
这样的改变、修改和改进旨在是本公开的一部分，并且旨在落入本实用新型的精神和范围内。因此，前面的描述仅作为示例，而不旨在是限制性的。

Claims (15)

1.一种电光调制器，其特征在于，包括：
波导，包括：
第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面，
被设置在所述波导中的腔体，其中所述腔体具有相对于所述波导的所述第二主表面的法线倾斜的壁，以及
被设置在所述腔体中的多个量子阱。
2.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述波导被定向为在第一方向上传输光，并且其中所述腔体在横向于所述第一方向的第二方向上穿过所述波导。
3.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述腔体是从所述波导的所述第一主表面向所述波导的所述第二主表面延伸的贯通腔体。
4.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述多个量子阱包括沿着侧壁以与所述波导的所述第二主表面的所述法线不同的角度被定向的层。
5.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述波导包括第一半导体区域和第二半导体区域，其中所述腔体被设置在所述第一半导体区域和所述第二半导体区域之间，所述第一半导体区域和所述第二半导体区域被掺杂有不同的导电类型，并且其中所述第一半导体区域和所述第二半导体区域由硅制成。
6.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述多个量子阱包括由第一量子阻挡层和第二量子阱层构成的交替层。
7.根据权利要求6所述的电光调制器，其特征在于，所述第一量子阻挡层由硅-锗制成，所述第二量子阱层由锗制成。
8.根据权利要求6所述的电光调制器，其特征在于，所述第一量子阻挡层和所述第二量子阱层中的每个层与所述波导的所述第二主表面齐平。
9.根据权利要求6所述的电光调制器，其特征在于，所述波导置于第三层上并且与所述第三层接触，所述第三层是绝缘体上半导体型结构的绝缘层。
10.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述波导包括波带，所述波带被配置为引导通过所述波导而传播的光学信号。
11.根据权利要求10所述的电光调制器，其特征在于，所述腔体被设置在所述波带的中间部分中。
12.一种光子电路，其特征在于，包括根据权利要求1所述的电光调制器。
13.一种电光调制器，其特征在于，包括：
绝缘体上硅衬底；
波带，包括上游部分、中间部分和下游部分；
第一条带，被设置在所述波带的第一侧；
第二条带，被设置在所述波带的第二侧，所述波带、所述第一条带和所述第二条带被设置在所述绝缘体上硅衬底的硅层中；
腔体，被设置在所述波带的所述中间部分中；
外延的第一量子阻挡层，包括被设置在所述腔体的侧壁上的硅-锗；以及
外延的第一量子阱层，包括被设置在所述第一量子阻挡层的侧壁上的锗。
14.根据权利要求13所述的电光调制器，其特征在于，进一步包括：
外延的第二量子阻挡层，包括被设置在所述第一量子阱层的侧壁上的硅-锗；以及
外延的第二量子阱层，包括被设置在所述第二量子阻挡层的侧壁上的锗。
15.根据权利要求13所述的电光调制器，其特征在于，所述腔体是从所述绝缘体上硅衬底的所述硅层的第一主表面向所述绝缘体上硅衬底的所述硅层的第二主表面延伸的贯通腔体。
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