硅基电光调制器基础

这篇笔记整理一下硅光芯片中的电光调制器。最近在做相关的设计，理解还不是很深刻。

调制器的作用是基于一定的物理效应，将信号加载到光信号上。硅是中心材料，不存在Pockell效应(线性电光效应)，其Kerr效应比较弱（二次电光效应）。硅基电光调制器所应用的物理效应为等离子体色散效应(plasma dispersion effect)，其物理机制是硅的折射率(实部和虚部)都随着载流子浓度的变化而变化，1550nm波长时的关系式如下，

（来自文献1)

从上式可以看出，随着载流子浓度的增加，硅的折射率实部减小、虚部增加，对应于光场的相位减小、损耗增大。

通过设计不同的电学结构，可以达到改变载流子浓度的目的，进而实现相位的改变，实现对光场的调制。典型的电学结构分为三种, 如下图所示，

(图片来自文献2)

1）载流子注入型（carrier injection modulator）

在脊形波导两侧进行掺杂，形成PIN结。施加正向电压后，p区的空穴与n区的电子在电场作用下，注入进中间的i区，波导中心i区（光场模式的中心区域）的载流子浓度增加，进而波导的折射率实部减小，虚部增大。由于注入的少数载流子具有一定的扩散长度，折射率发生变化的区域与模场具有较大的交叠，因而该类型调制器的调制效率较高，V_pi*L_pi约为0.03V.cm，调制器的长度只需要几百微米。但是受限于电子-空穴对的复合时间，其调制速率不是很高，只能达到几个GHz。该类型调制器的插损较小。

2) 载流子耗尽型 （carrier depletion modulator）

该类型的波导结构与注入型类似，在脊形波导不同区域进行掺杂，形成PN结。不同的是，此时PN结工作在反偏模式。当施加反偏电压后，PN结内的耗尽区（depletion region）增大，内建电场增强。耗尽区内没有自由载流子，波导的折射率实部增大，虚部减小。由于载流子浓度发生变化的区域比较小，集中在pn结附近的耗尽区，因而该类型调制器的调制效率不高，V_pi*L_pi为2-3V.cm, 典型的调制器长度为2-4mm。但是它的调制速率非常高，可以达到几十个GHz，满足高速高模块的需求。目前基于硅光的光模块产品，都是采用该类型的调制器。另外，由于波导中心区域也进行了掺杂，因而该类型的调制器插损较大，约为4-5dB。

以上两种调制器，只需对脊形波导不同区域进行不同程度的掺杂，foundry一般都会提供相应的PDK。由于掺杂浓度不能随意改变，在做器件设计时，能够调整的参数只有掺杂区域的宽度。

3) 载流子积累型（carrier accumulation modulator）

该类型又称为MOS型调制器，在p型区域和n型区域中间生长一层教薄的SiO2, 形成MOS电容（MOS电容的金属对应多晶硅，O为SiO2）。施加电压后，多数载流子聚集在MOS电容的两侧，载流子浓度增加，进而带来折射率的增加。该类型调制器的调制效率较高，V_pi*L_pi约为0.2V.cm，其调制速率也比较高。但是它对加工工艺的要求比较高，需要生长多晶硅以及SiO2薄层，而多晶硅会引入额外的损耗。

简单从几个方面比较下下这三种电学结构构成的调制器，如下图所示，

(圆圈越少，表示相应的参数越小/越低)

这几种电学结构都是典型的半导体器件结构， 两者间可以相互借鉴。

常用的调制器光学结构为Mach-Zehnder干涉器型和微环型。

1) Mach-Zehnder型

典型的结构如下图所示，

整个调制器由分束器、合束器以及两个相移器（可以只在某一臂中存在相移器构成。分束器与合束器也就是50/50分光器（可参看 光芯片中的分束器 ）。相移器可以为上述的三种电学结构）。通过调节两臂的电压，改变两路的相位差，从而调节最终的输出光强。上下两臂的长度可以相等，也可以不等。不等臂的目的是为了观测到不同波长的相应。如果等臂长，整个调制器可以工作在较宽的波段。两种情况的透过率曲线如下图所示，不等臂MZI的透过率曲线随着电压的变化会发生平移，而等臂MZI的透过率曲线包络不随电压变化，电压影响的是系统的插损，此时调制器可以工作在较宽的波长范围内。

（图片来自文献3）

2）Micro-ring型

微环型调制器的典型结构如下图所示，

（图片来自文献1）

当施加电压时，环形波导的折射率发生改变，导致其共振波长发生平移，共振峰附近某一特定波长的强度会发生较大的改变，从而达到强度调制的目的，如上右图所示。

微环调制器的尺寸小，功耗低，调制效率高。但是它的工艺容差小，并且对温度敏感，并不适用于实际产品。

以上是对硅基电光调制器基础的简单总结。硅基电光调制器的基本原理比较简单，改变载流子浓度，导致折射率变化，进而影响光场的强度。调制器是一个相对复杂的器件，实际设计时，有很多细节问题需要考虑。对于高速调制器，还需要对RF电极进行特殊的设计（参看Mach Zehnder电光调制器：集总电极与行波电极）。每一个细节考虑不周全，都可能导致最终的器件性能达不到产品要求。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

参考文献：

1. G. T. Reed, et.al., "Silicon optical modulators", Nature Photonics 4, 518(2010)
2. C.R.Doerr, "Silicon photonic integration in telecommunications ", Frontiers in Physics 3,37(2015)
3. T. Ferroti, "Design, fabrication and characterization of a hybrid III-V on silicon transmitter for high-speed communications", PhD thesis