[发明专利]一种电光调制系统和由其构成的电光开关或光衰减器

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成光电器件，尤其是一种电光调制系统和由其构成的电光开关或光衰减器。

背景技术

在基于电荷注入的PIN二极管中，对自由载流子浓度在PIN二极管本征区的浓度进行调制，会引起半导体材料折射率及吸收系数(折射率虚部)的变化。

目前已经有许多基于上述结构的硅基电光调制器和电光开关的文献和专利。这一技术的最大问题就是电荷注入效率太低。特别是当PIN二极管由正向电压驱动时，P型掺杂区的多子空穴和N型掺杂区的多子电子对本征区的注入受到P型掺杂区和N型掺杂区掺杂浓度的限制，这成为载流子注入的限制条件。如果想要向本征区注入更多的载流子，必须提高P型掺杂区和N型掺杂区的掺杂浓度，而这会增加光损耗。

而另一方面，基于这一技术的器件的功耗基本上与注入波导芯层(大致上即PIN二极管的本征区)的载流子(或者说电荷)总数成正比。同时，波导芯层的尺寸(约几微米)需要满足器件与光纤有良好的耦合效率的要求，并波导具有较小的偏振相关性。SOI波导的高折射率对比特性使得芯区尺寸大的单模波导横向限制较弱。当用脊波导来实现这样的结构时，波导脊不能太高。而这会引起两个问题：

1)由于波导横向限制很弱，为了减小光耗损，PIN结构的P型掺杂区和N型掺杂区必须足够远离芯区，这会增加本征区的长度。同时，为了维持一定的载流子浓度，所需要的总电荷就会增加，从而增加功耗。

2)脊高比较低，平板区就相对较厚，意味着载流子能够更容易地通过平板区与P型掺杂区的空穴复合，载流子在本征区的寿命较短，所以维持本征区一定载流子浓度所需要的电流较大，增加了功耗。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电光调制系统和由其构成的电光开关或光衰减器，解决现有技术中载流子注入效率不高的问题，降低器件总功耗，且具有高消光比。

本发明通过下述技术方案予以实现：

一种电光调制系统，包括电光PIN二极管波导和一对模式变换器，所述电光PIN二极管波导由在脊波导实施掺杂工艺构成，所述脊波导包括波导脊和平板区，其平板区的两侧分别为P型掺杂区和N型掺杂区，所述P型掺杂区为受主离子掺杂，所述N型掺杂区为施主离子掺杂，所述一对模式变换器包括输入模式变换器和输出模式变换器，其中，

所述脊波导由半导体材料构成，其波导芯区为芯区；所述平板区的高度可以小于所述波导脊高度的一半，使所述脊波导拥有强折射率对比，可以为多模波导，在一些实施例中，所述电光PIN二极管波导的脊波导的平板区的高度尽量小，可以小至保证所述平板区不被刻穿的工艺允许值；所述P型掺杂区和N型掺杂区紧靠所述脊波导的波导芯区，为高浓度掺杂，但仅限制于所述平板区而不进入所述波导芯区，当所述PIN二极管由正向电流驱动时，所述两个掺杂区作为载流子的注入源；所述波导脊的宽度与所述脊波导的总高度相近，波导传导的主模的绝大部分能量分布完全限制在其波导芯区；所述模式变换器的输入模式变换器连接所述电光PIN二极管波导的输入端，将输入单模波导的基模全部转换为所述电光PIN二极管波导的基模；所述模式变换器的输出模式变换器连接所述电光PIN二极管波导的输出端，将所述电光PIN二极管波导的基模全部转换为输出单模波导的基模。所述电管PIN二极管波导上方有外加电极，所述P型掺杂区和N型掺杂区各包括一个位于所述外加电极下方掺杂浓度高的重掺杂区。

一种由上述电光调制系统构成的电光开关或光衰减器，从输入到输出依次包括一个作为输入光分路器的输入Y分支耦合器，一对所述电光调制系统和一个作为输出光合束器的输出Y分支耦合器；所述一对电光调制系统包括第一电光调制系统和第二电光调制系统；所述输入Y分支耦合器由单模波导构成，包括输入单支波导，第一输出分支波导和第二输出分支波导，所述第一输出分支波导连接所述第一电光调制系统的输入模式变换器，所述第二输出分支波导连接所述第二电光调制系统的输入模式变换器；所述输出Y分支耦合器由单模波导构成，包括第一输入分支波导，第二输入分支波导和输出单支波导，所述第一输入分支波导连接所述第一电光调制系统的输出模式变换器，所述第二输入分支波导连接所述第二电光调制系统的输出模式变换器；所述一对电光调制系统中的输入模式变换器将所述输入Y分支耦合器的基模全部转换为所述一对电光调制系统中的电光PIN二极管波导的基模，所述一对电光调制系统中的输出模式变换器将所述电光PIN二极管波导的基模转化成所述输出Y分支耦合器的基模；所述一对电光调制系统中的电光PIN二极管波导可以分别由一对外加电极驱动。