一种电光开关或光衰减器

摘要

本发明公开了一种电光开关或光衰减器，包括一个由并行的第一波导臂和第二波导臂构成的MZI结构，所述第一波导臂和第二波导臂均包括一个波导电容器结构。所述第一波导臂外接第一电信号源，所述第二波导臂外接第二电信号源。在外接电信号源作用下，所述第一波导臂的脊波导的本征区有较大量载流子注入，而所述第二波导臂的脊波导的本征区无注入载流子或较少量载流子注入；所接电信号源同时在两个波导臂引起温度变化，在所述第二波导臂所引起的温度变化和第一波导臂相同或无限接近。本发明公开的电光开关或光衰减器能减小由于两条波导臂温度差异所引起的热效应下折射率的变化差异，提高器件效率。

权利要求

1.一种电光开关或光衰减器，包括一个MZI结构，所述MZI结构包括两条并行的波导臂，即第一波导臂和第二波导臂，所述第一波导臂和第二波导臂均包括一个波导电容器结构，其特征在于：所述第一波导臂外接第一电信号源，所述第二波导臂外接第二电信号源；

在所述第一电信号源作用下，所述第一波导臂的波导电容器结构内载流子浓度发生变化；

在所述第二电信号源作用下，所述第二波导臂的波导电容器结构内载流子浓度不发生变化，或该载流子浓度变化小于所述第一波导臂的波导电容器结构内载流子浓度变化；

在所述第一电信号源和第二电信号源作用下，所述第一波导臂和第二波导臂的温度变化相同或相近。

2.根据权利要求1所述的电光开关或光衰减器，其特征在于，所述第一波导臂和第二波导臂上的波导电容器结构均为以半导体本征区作为芯区的脊波导结构；

所述第一波导臂的脊波导的两侧平板区的掺杂区的掺杂类型相反；

所述第二波导臂的脊波导的平板区包括两个或两个以上的掺杂区，分列所述脊波导的波导脊的两侧，所述掺杂区的掺杂类型可以相同或相反。

3.根据权利要求2所述的电光开关或光衰减器，其特征在于，所述第一波导臂的脊波导的波导脊两侧的掺杂区的掺杂类型相反，构成PIN二极管结构；

所述第二波导臂的脊波导的波导脊两侧的掺杂区的掺杂类型相反，构成PIN二极管结构，所述第二波导臂的掺杂区的掺杂浓度小于所述第一波导臂的掺杂区的掺杂浓度。

4.根据权利要求2所述的电光开关或光衰减器，其特征在于，所述第一波导臂的脊波导的波导脊两侧的掺杂区的掺杂类型相反，构成PIN二极管结构；

所述第二波导臂的脊波导的波导脊两侧的掺杂区的掺杂类型相同，构成NIN或者PIP结构。

5.根据权利要求2所述的电光开关或光衰减器，其特征在于，所述第二波导臂的脊波导的平板区包括三个掺杂区，其中第一掺杂区位于所述脊波导的波导脊靠近所述第一波导臂的一侧，第二掺杂区和第三掺杂区位于所述脊波导的波导脊远离所述第一波导臂的一侧；

所述第二掺杂区相对于第三掺杂区在靠近所述第一波导臂的一侧；

所述第一掺杂区和第二掺杂区掺杂与所述第二波导臂的脊波导的衬底半导体类型相同的掺杂物，所述第三掺杂区掺杂与前述衬底半导体类型相反的掺杂物。

6.根据权利要求1或2所述的电光开关或光衰减器，其特征在于，所述第一波导臂与第二波导臂上方覆盖有一层氧化物层，所述氧化物层通过刻蚀形成电极接触孔，所述电极接触孔内填充有作为电极的金属材料；

所述氧化物层和所述金属材料上方沉积半导体材料；

通过对所述半导体材料进行掺杂，使所述半导体材料内部在正负电极之间形成反向偏置的PN结，从而所述氧化物层上的半导体材料成为良好的导热层但不会在电极间引入电流。

7.根据权利要求6所述的电光开关或光衰减器，其特征在于，所述半导体材料为多晶硅。

说明书

一种电光开关或光衰减器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种集成光电器件，尤其是一种电光开关或光衰减器。

背景技术

[0002] 采用马赫-泽恩德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，简称MZI)结构构成光波导开关是一种常见的技术。通过对MZI结构的其中一条波导臂即第一波导臂进行相位调制，使两条波导臂产生相位差，从而实现电光开关或光衰减的功能。在美国专利7817881中，引入了波导电容器的概念，在这种波导电容器的波导芯区中能够储存自由载流子，用来调制波导材料的折射率。第一波导臂的相位调制是基于自由载流子色散效应。MZI结构的第一波导臂在电信号源的驱动下，有自由载流子注入到光传播的通道，使该通道材料的折射率发生改变，即第一波导臂中的光信号的相位发生改变。

[0003] 然而，由于电信号源驱动只加载在MZI结构第一波导臂上，第一波导臂中有载流子注入的同时，其温度也会上升，而另一条波导臂即第二波导臂上没有加载电信号源，因此两条波导臂之间存在温度差异。温度引起材料的折射率变化(即热效应)和电信号源驱动下注入载流子所引起材料的折射率变化(即电效应)的趋势是相反的，这给基于电效应的电光开关或光衰减器的工作效率造成不利影响，即两条波导臂之间的温度差异使得两条波导臂之间的折射率差异无法达到预期值，导致了器件效率低下。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电光开关或光衰减器，解决以绝缘体上硅SOI为基片的电光开关或光衰减器中MZI结构的两 条波导臂工作温度差异大的问题，抵消或减小因温度差异(即热效应)对两条波导臂的折射率的影响，使得两条波导臂的折射率变化差异由外加电信号源引起的第一波导臂中载流子浓度变化决定，从而提高器件效率。

[0005] 本发明通过下述技术方案予以实现：

[0006] 一种电光开关或光衰减器，包括一个MZI结构，所述MZI结构包括两条并行的波导臂，即第一波导臂和第二波导臂，所述第一波导臂和第二波导臂均包括一个波导电容器结构，其中，所述第一波导臂外接第一电信号源，所述第二波导臂外接第二电信号源；在所述第一电信号源作用下，所述第一波导臂的波导电容器结构内载流子浓度发生变化；在所述第二电信号源作用下，所述第二波导臂的波导电容器结构内载流子浓度不发生变化，或该载流子浓度变化小于所述第一波导臂的波导电容器结构内载流子浓度变化；在所述第一电信号源和第二电信号源作用下，所述第一波导臂和第二波导臂的温度变化相同或相近。

[0007] 如上所述的电光开关或光衰减器，其中，所述第一波导臂和第二波导臂上的波导电容器结构均为以半导体本征区作为芯区的脊波导结构；所述第一波导臂的脊波导的两侧平板区的掺杂区的掺杂类型相反；所述第二波导臂的脊波导的平板区包括两个或两个以上的掺杂区，分列所述脊波导的波导脊的两侧，所述掺杂区的掺杂类型可以相同或相反。在一些实施例中，所述第一波导臂的脊波导的波导脊两侧的掺杂区的掺杂类型相反，构成PIN二极管结构，所述第二波导臂的脊波导的波导脊两侧的掺杂区的掺杂类型相反，构成PIN二极管结构，所述第二波导臂的掺杂区的掺杂浓度小于所述第一波导臂的掺杂区的掺杂浓度。在另一些实施例中，所述第一波导臂的脊波导的波导脊两侧的掺杂区的掺杂类型相反，构成PIN二极管结构，所述第二波导臂的脊波导的波导脊两侧的掺杂区的掺杂类型相同，构成NIN或者PIP结构。在其他实施例中，所述第二波导臂的脊波导的平板区包括三个掺杂区，其中第一掺杂区位于所述脊波导的波导脊靠近所述第一波导臂的一侧，第二掺杂区和第三掺杂区位于所述脊波导的波导脊远离所述第一波导臂的一侧；所述第二掺杂区相对于第三掺杂区在靠近所述第一波导臂的一侧；所述第一掺杂区和第二掺杂区掺杂与所述第二波导臂的 脊波导的衬底半导体类型相同的掺杂物，所述第三掺杂区掺杂与前述衬底半导体类型相反的掺杂物。

[0008] 如上所述的电光开关或光衰减器，其中，所述第一波导臂与第二波导臂上方覆盖有一层氧化物层，所述氧化层通过刻蚀形成电极接触孔，所述电极接触孔内填充有作为电极的金属材料；所述氧化物层和所述金属材料上方沉积半导体材料；通过对所述半导体材料进行掺杂，使所述半导体材料内部在正负电极之间形成反向偏置的PN结，从而所述氧化层上的半导体材料成为良好的导热层但不会在电极间引入电流。在一些实施例中，所述半导体材料为多晶硅。

[0009] 由于采用上述技术方案，本发明提供的硅基电光开关或光衰减器的热平衡方法具有这样的有益效果：在相同的外接电信号源下，电光开关或光衰减器的MZI结构的第一波导臂的脊波导的本征区有较大量载流子注入，而第二波导臂的脊波导的本征区无注入载流子或较少量载流子注入，即相对于第二波导臂，在第一波导臂中由于载流子浓度变化而引起的折射率变化显著得多；同时，外接电信号源同时在两个波导臂引起温度变化，且第二波导臂和第一波导臂的温度变化相同或无限接近。这样，第一波导臂和第二波导臂的折射率变化差异仅由外加电信号源引起的第一波导臂中载流子浓度变化决定，从而使电光开关或光衰减器的工作状态由第一波导臂的电信号源驱动精确控制。

附图说明

[0010] 图1是本发明公开的电光开关或光衰减器的结构示意图。

[0011] 图2是本发明公开电光开关或光衰减器的一个实施例在图1中AA’截面处的示意图。

[0012] 图3是本发明公开电光开关或光衰减器的另一个实施例在图1中AA’截面处的示意图。

[0013] 图4是本发明公开电光开关或光衰减器的另一个实施例在图1中AA’截面处的示意图。

[0014] 图5是本发明公开电光开关或光衰减器的另一个实施例在图1中AA’ 截面处的示意图。

具体实施方式

[0015] 下面通过具体实施例并结合附图对本发明进行详细地说明：

[0016] 电光开光或光衰减器是一种半导体材料的波导器件。波导的主要导光层是半导体材料，例如硅。为了解决现有硅基电光PIN二极管构成的电光开关或光衰减器中的热平衡问题和工作效率问题，提供了基于本发明热平衡方法的几种结构所构成的单模工作的电光开关或光衰减器。

[0017] 图1是本发明公开的电光开关或光衰减器的结构示意图。如图1所示，电光开关或光衰减器80包括一个MZI结构81，MZI结构81包括两条并行的波导臂，即第一波导臂1和第二波导臂2。第一波导臂1包括波导电容器结构13，第二波导臂2包括波导电容器结构14。第一波导臂1外接第一电信号源15，第二波导臂2外接第二电信号源16。在第一电信号源15作用下，第一波导臂1的波导电容器结构13内载流子浓度发生较大变化；在第二电信号源16作用下，第二波导臂的波导电容器结构14内载流子浓度不发生变化，或该载流子浓度变化小于第一波导臂1的波导电容器结构13内载流子浓度变化。在第一电信号源15和第二电信号源16共同作用下，第一波导臂1和第二波导臂2的温度变化相同或相近。

[0018] 在一些实施例中，第一波导臂1的波导电容器结构13和第二波导臂2的波导电容器结构14是如美国专利7817881中公开的波导电容器结构。

[0019] 在另一些实施例中，第一波导臂1的波导电容器结构13和第二波导臂2的波导电容器结构14是以半导体本征区作为芯区的脊波导结构。第一波导臂1的脊波导的两侧平板区的掺杂区的掺杂类型相反；第二波导臂2的脊波导的平板区包括两个或两个以上的掺杂区，分列所述脊波导的波导脊的两侧，所述掺杂区的掺杂类型可以相同或相反。

[0020] 图2是本发明公开电光开关或光衰减器的一个实施例在图1中AA’截面处的示意图。如图2所示，在此实施例中，第一波导臂1和第二波导臂2的脊波导的波导脊两侧的掺杂区的类型相反，均构成PIN二极管结构，脊波导10包括作为波导芯区的波导脊11，脊波导20包括作为波导芯区的 波导脊21。脊波导10的P型掺杂区5由平板区12左侧经掺杂P型半导体构成；脊波导10的N型掺杂区7由平板区12右侧经掺杂N型半导体构成；脊波导10的P型掺杂区5上方有一个外加电极6，并且N型掺杂区7上方有一个外加电极8，可以通过对外加电极6和8下方的区域进行重掺杂来确保欧姆接触。脊波导20的P型掺杂区33由平板区22右侧经掺杂P型半导体构成；脊波导20的N型掺杂区31由平板区22左侧经掺杂N型半导体构成；脊波导20的P型掺杂区33上方有一个外加电极34，并且N型掺杂区31上方有一个外加电极32，可以通过对外加电极34和32下方的区域进行重掺杂来确保欧姆接触。

[0021] 图2中，脊波导10与脊波导20的最大区别在于它们的两侧平板区12和22的掺杂区的掺杂浓度不同，脊波导20的平板区22的掺杂区的掺杂浓度低于脊波导10的平板区12的掺杂区的掺杂浓度。脊波导10的P型掺杂区5上方的电极6连接一个电信号源；脊波导10的N型掺杂区7上方的电极8和脊波导20的N型掺杂区31上方的电极32相连接，并且接器件的地线；脊波导20的P型掺杂区33上方的电极34连接另一个电信号源。由于P型掺杂区和N型掺杂区的掺杂浓度是本征区可以维持的最高载流子浓度，P型掺杂区和N型掺杂区的掺杂可以看成是载流子注入源。当本征区的载流子浓度与掺杂浓度(即P型掺杂区和N型掺杂区多数载流子的浓度)相同时，PIN二极管会进入电极注入模式，此时载流子需要填充位于外加电极之间的整个硅材料区域，从而使得器件的总功耗急剧上升。在两条波导臂的功率相同情况下，波导脊21的温度变化量与波导脊11的差别很小可以忽略不计，因此由温度引起的两条波导臂的折射率变化量一致。由于第二波导臂2的掺杂区的掺杂浓度比第一波导臂1的掺杂区的掺杂浓度低，脊波导20的本征区内载流子浓度变化量比脊波导10小几个数量级(由脊波导
20的两侧掺杂浓度决定)，从而脊波导20由载流子浓度变化量所引起的折射率变化量就比脊波导10的小很多。如此，保证了电光开关或光衰减器在工作的情况下脊波导10与脊波导
20之间的热平衡，温度对两条臂的折射率变化的影响被大大削弱，即MZI结构的第一波导臂
1和第二波导臂2之间的折射率变化差异由外加电信号源引起的第一波导 臂1中载流子浓度变化决定，从而保证了电光开关或光衰减器的工作效率。

[0022] 图3是本发明公开电光开关或光衰减器的另一个实施例在图1中AA’截面处的示意图。脊波导10的P型掺杂区5由波导脊11左侧平板区经掺杂P型半导体构成；脊波导10的N型掺杂区7由波导脊11右侧平板区经掺杂N型半导体构成；脊波导10的P型掺杂区5上方有一个外加电极6，并且N型掺杂区7上方有一个外加电极8，可以通过对外加电极6和8下方的区域进行重掺杂来确保欧姆接触。波导脊21的两侧平板区22的掺杂区的掺杂类型相同，即掺杂区35和掺杂区37由波导脊21左右两侧的平板区分别掺杂P型半导体构成，而且掺杂区35和37上方各有一个外加电极36和38，可以通过外加电极36和38下方的区域进行重掺杂来确保欧姆接触。请注意，在此实施例中，脊波导20的衬底为P型。

[0023] 图3中，脊波导20的波导脊21两侧的平板区22的掺杂区的掺杂类型皆为P型掺杂，即波导脊21与两侧掺杂区35和37构成一个PIP结构，相当于电阻。脊波导10的P型掺杂区5上方的电极6连接一个电信号源；脊波导10的N型掺杂区7上方的电极8和脊波导20的左侧掺杂区35上方的电极36相连接，并且接器件的地线；脊波导20的右侧掺杂区37上方的电极38连接另一个电信号源。

[0024] 在其他实施例中，若脊波导20的衬底为N型，则脊波导20的波导脊21两侧平板区22的掺杂区的掺杂类型均为N型，从而构成一个NIN结构，相当于电阻。

[0025] 在图3所示的实施例中，脊波导10为一个PIN二极管，而脊波导20为一个PIP结构，即电阻。在两条波导臂的功率相同情况下，脊波导10与脊波导20的温度变化量差别很小可以忽略不计，从而由温度引起的两条波导臂折射率变化是一致的，同时在脊波导10的本征区内载流子浓度会明显增加，而脊波导20的本征区内载流子浓度不会发生变化。如此，保证了电光开关或光衰减器在工作的情况下脊波导10与脊波导20之间的热平衡，温度对两条臂的折射率变化的影响被抵消，即MZI结构的第一波导臂1和第二波导臂2之间的折射率变化差异由外加电信号源引起的第一波导臂1中载流子浓度变化决定，从而保证了电光开关或光衰减器的工作 效率。

[0026] 图4是本发明公开电光开关或光衰减器的另一个实施例在图1中AA’截面处的示意图。如图4所示，脊波导10的P型掺杂区5由平板区12右侧掺杂P型半导体构成；脊波导10的N型掺杂区7由平板区12左侧掺杂N型半导体构成；脊波导10的P型掺杂区5上方有一个外加电极6，并且N型掺杂区7上方有个外加电极8，可以通过对外加电极6和8下方的区域进行重掺杂来确保欧姆接触。脊波导20的平板区22包括三个掺杂区，第一掺杂区39位于波导脊21靠近脊波导10(即靠近第一波导臂1)的一侧，第二掺杂区41和第三掺杂区43位于波导脊21远离脊波导10(即远离第一波导臂1)的一侧，并且第二掺杂区41相对于第三掺杂区43在靠近脊波导10(即靠近第一波导臂1)的一侧，第二掺杂区41和第三掺杂区43之间相隔一段距离。在此实施例中，第一掺杂区39和第二掺杂区41掺杂与第二波导臂2的脊波导20的衬底半导体类型相同的掺杂物，第三掺杂区43掺杂与前述衬底半导体类型相反的掺杂物，即当脊波导20的衬底为P型时，第一掺杂区39和第二掺杂区41均掺杂P型掺杂物，第三掺杂区43掺杂N型掺杂物；当脊波导20的衬底为N型时，第一掺杂区39和第二掺杂区41均掺杂N型掺杂物，第三掺杂区43掺杂P型掺杂物。脊波导20的第一掺杂区39和第二掺杂区41上方各有一个外加电极40和42，第三掺杂区43上方也有个外加电极44，可以对通过外加电极40、42和44下方的区域进行重掺杂来确保欧姆接触。在其他实施例中，可以对第二波导臂2的结构做些变化，例如增加掺杂区和调整掺杂区的位置，但是应该都落在本发明公开的范围内。

[0027] 在图4所示的实施例中，以脊波导20的衬底P型为例，脊波导20为一个PIP结构，相当于电阻，而第二掺杂区41和第三掺杂区43以及它们之间的距离共同构成了一个PIN二极管。脊波导10的N型掺杂区7上方的电极8连接器件的地线；脊波导10的P型掺杂区5上方的电极6和脊波导20的第一掺杂区39、第二掺杂区41上方的电极40、42相连接，并且分别连接一个电信号源，为脊波导10和脊波导20提供电信号；脊波导20的第三掺杂区43上方的电极44连接器件的地线。脊波导10与P型掺 杂区5和N型掺杂区7构成一个PIN二极管，并且脊波导20右侧的第二掺杂区41和第三掺杂区43也构成一个PIN二极管。在脊波导10的PIN二极管和位于脊波导20远离脊波导10一侧的PIN二极管的功率相同的情况下，脊波导10的本征区温度变化量同脊波导20的本征区温度变化量差别很小，从而达到热平衡。并且，由于脊波导20两侧的掺杂区39和41皆经掺杂P型半导体构成，所以脊波导20在电信号源的作用下，脊波导
20的本征区内载流子浓度不会发生变化。如此，保证了电光开光或光衰减器在工作的情况下脊波导10与脊波导20之间的热平衡，温度对两条臂的折射率变化的影响被抵消，即MZI结构的第一波导臂1和第二波导臂2之间的折射率变化差异由外加电信号源引起的第一波导臂1中载流子浓度变化决定，从而保证了电光开关或光衰减器的工作效率。

[0028] 图5是本发明公开电光开关或光衰减器的另一个实施例在图1中AA’截面处的示意图。如图5所示，脊波导10与脊波导20上方覆盖一层氧化物层26，并且氧化物层26有若干通过刻蚀形成电极接触孔，然后在接触孔内填充作为电极的金属材料，从而形成电极23，24，27和28，即脊波导10的两侧掺杂区上方各有一个穿过氧化物层26的外加电极27和28，可以通过对外加电极27和28下方的区域进行重掺杂来确保欧姆接触。脊波导20的两侧掺杂区上方各有一个穿过氧化物层26的外加电极23和24，可以通过对外加电极23和24下方的区域进行重掺杂来确保欧姆接触。在氧化物层26和各电极上方沉积半导体材料25，如多晶硅，锗，III-V族化合物半导体等适合的材料。并且，通过对半导体材料25进行掺杂，使半导体材料
25内部在正负电极之间形成反向偏置的PN结，从而氧化物层26上的半导体材料25成为良好的导热层，但不会在电极间引入电流。

[0029] 在图5所示的实施例中，与普通电光开关结构的最大区别在于它的氧化物层26和电极金属层上方沉积了半导体材料25。因为沉积的半导体材料25包覆了热传导率极好的电极金属层，使得脊波导10处下方衬底材料的热能通过电极金属层和半导体材料传输到脊波导20处，所以除了通过衬底材料传导热能之外，这种半导体材料25成为了脊波导10和脊波导20之间的另外一条导热通道。如前所述，图5所示的一种实施例结构，通过 在氧化物层和电极金属层上方沉积半导体材料，来减小脊波导10和脊波导20之间的温度差，从而减小了由温度引起的折射率变化差异。电光开关或光衰减器的第一波导臂1和第二波导臂2之间的折射率变化差异由外加电信号源引起的第一波导臂1中载流子浓度变化决定，从而保证了电光开关或光衰减器的工作效率。在一些实施例中，也可以在图4所示的结构基础上沉积半导体材料，加强对温度影响的抵消，提高器件的效率。

[0030] 以上实施方式对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施方式中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。