载流子积累型硅基调制器

接着载流子注入型硅光调制器的讨论，这篇笔记整理下载流子积累型硅基调制器(carrier accumulation modulator)的相关知识点与进展。

载流子积累型调制器的电学结构为一个电容，当施加电压时，电容的上下表面分别积累正负电荷，载流子浓度的变化引起波导模式的有效折射率变化。该结构一般由多晶硅-二氧化硅-硅构成电容，所以积累型调制器也称为SISCAP型调制器(Silicon-Insulator-Silicon Capicator)。载流子积累型调制器的典型结构如下图所示，

（图片来自文献1）

由于载流子的变化主要集中在电容的上下表面，因此积累型调制器的调制效率比注入型略低，但是比耗尽型高。典型的Vpi*L值为0.25V*cm。从提高调制效率的角度看，有几个途径可以增大电容：1) 减小上下表面的距离, 将SiO2的厚度降低到几纳米，2）增大上下表面的面积，波导的宽度适当增加，3）选用高介电常数的材料取代SiO2。但是随着电容的增大，RC回路的3dB带宽减小。因此调制器效率与调制速率之间存在一个tradeoff, 需要根据应用场景选择一个合适的参数。文献1中实现的信号速率为28Gbps。

上述SISCAP型调制器为竖直方向的结构，也可以设计成水平方向的SISCAP结构，如下图所示，

（图片来自文献2）

水平方向的SISCAP结构将会形成slot模式，受限于工艺条件，中间SiO2的宽度至少在几十纳米量级，因此横向的SISCAP型调制器的效率并不高，典型值为1.5V*cm, 与耗尽型调制器的调制效率相当。

近年来采用III-V与Si混合集成的SISCAP调制器成为了研究热点，典型结构如下图所示，

(图片来自文献3）

将电容的一个平板替换成InGaAsP材料，由于InGaAsP有更强的电光效应和更大的载流子迁移率，可以引起更大的折射率改变。该类型的调制效率为0.09V*cm, 调制器的尺寸可以大大缩小。其理论3dB带宽为37GHz。但是该技术对工艺要求较高，目前还无法产业化。

简单总结一下，积累型调制器的调制效率在注入型和耗尽型之间，调制带宽也在两者之间，地位有些尴尬，有点像班级里的中等生，各方面都不太突出。因此现在对SISCAP调制器的研究和产业化都相对较少，思科布局了很多SISCAP调制器相关的专利，但是并没有在其产品中实际使用。从工艺的角度看，虽然在传统CMOS工艺中，添加一层多晶硅层难度不大，但是目前大部分硅光Foundry都没有提供多晶硅层。另外工艺上也需要控制好多晶硅与单晶硅层之间SiO2的厚度，如果厚度较大，对应的电容就无法达到设计值，调制效率会打折扣。

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。也欢迎大家向我提问，小豆芽会尽自己的能力给出解释。另外，微信讨论3群还有空位，有需要的朋友可以加入进来讨论硅光技术。大家也可以添加我的个人微信photon_walker。

参考文献：

1. M. Webster, et al., ”An Efficient MOS-Capacitor based Silicon Modulator and CMOS Drivers for Optical Transmitters”, in IEEE 11th Conference on Group IV Photonics, pp.1-2, (2014).
2. K. Debnath, et.al., "All-silicon carrier accumulation modulator basedon a lateral metal-oxide-semiconductor capacitor", Photonics Research 6, 373(2018)
3. T. Hiraki, et.al., "Heterogeneously integrated III–V/Si MOS capacitor Mach–Zehnder modulator", Nature Photonics 11,482(2017)