DE102004007251A1 - Electro-optical modulator for use in waveguide applications has a waveguide that forms an electrical capacitor with two oppositely doped semiconductor areas separated by a non-conducting capacitor insulation layer - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung geht von einem elektrooptischen Modulator aus.The The invention is based on an electro-optical modulator.
Ein vorbekannter elektrooptischer Modulator ist beispielsweise in der Druckschrift „Low Power-Consumption Short-Length and High-Modulation-Depth Silicon Electrooptic Modulator" (Carlos Angulo Barrios, Vilson Rosa de Almeida, Michal Lipson; Journal of Lightwave Technology, Vol 21, No. 4, April 2003) beschrieben. Der vorbekannte Modulator weist einen Wellenleiter auf der Basis von Silicon-On-Insulator (SOI)-Material auf. Der Wellenleiter bildet eine Rippenstruktur. Benachbart zu der Rippenstruktur des Wellenleiters sind eine p-dotierte und eine n-dotierte Zone angeordnet. Durch Anlegen einer „Flussspannung" werden mit den beiden dotierten Zonen Ladungsträger in den Wellenleiterbereich bzw. in die Rippenstruktur injiziert, wodurch die Brechzahl im Wellenleiter abgesenkt wird. In dieser Weise lässt sich das optische Verhalten des Wellenleiters verändern und das im Wellenleiter propagierende Licht modulieren. Die erreichbare Modulationsfrequenz des vorbekannten Modulators wird durch die Lebensdauer der injizierten Minoritätsladungsträger begrenzt.One Previously known electro-optical modulator is for example in the Reference "Low Power Consumption Short-Length and High-Modulation-Depth Silicon Electrooptic Modulator "(Carlos Angulo Barrios, Vilson Rosa de Almeida, Michal Lipson; Journal of Lightwave Technology, Vol 21, no. 4, April 2003). Of the Previously known modulator has a waveguide based on Silicon On Insulator (SOI) material on. The waveguide forms a rib structure. Adjacent to the rib structure of the waveguide are arranged a p-doped and an n-doped zone. By Applying a "forward voltage" will be with the two doped zones charge carriers injected into the waveguide region or into the rib structure, whereby the refractive index is lowered in the waveguide. In this Way can be change the optical behavior of the waveguide and that in the waveguide modulate propagating light. The achievable modulation frequency of Previously known modulator is injected through the life of the Minority carrier limited.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrooptischen Modulator anzugeben, mit dem sich besonders hohe Grenzfrequenzen erreichen lassen.Of the Invention is based on the object, an electro-optical modulator be specified, with the reach particularly high cut-off frequencies to let.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrooptischen Modulator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulators sind in Unteransprüchen angegeben.These The object is achieved by a Electrooptical modulator with the characterizing features of Patent claim 1 solved. advantageous Embodiments of the electro-optical modulator according to the invention are in dependent claims specified.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein Wellenleiter des elektrooptischen Modulators einen elektrischen Kondensator bildet. Hierfür weist der Wellenleiter zumindest zwei wellenführende Halbleiterbereiche auf, die durch eine nichtleitende Schicht voneinander elektrisch getrennt sind. Die nichtleitende Schicht bildet eine Kondensatorisolationsschicht des elektrischen Kondensators.After that is inventively provided that at least one waveguide of the electro-optical modulator forms electrical capacitor. For this purpose, the waveguide at least two wave leading Semiconductor areas formed by a non-conductive layer from each other are electrically isolated. The non-conductive layer forms a Capacitor insulation layer of the electric capacitor.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulators ist darin zu sehen, dass sich mit diesem sehr hohe Grenzfrequenzen bei der Modulation des sich im Wellenleiter ausbreitenden Lichts erreichen lassen. Dies wird konkret durch die im Wellenleiter vorhandene elektrische Kondensatorstruktur erreicht, mit der sich elektrische Ladungen im Wellenleiter sehr schnell aufbauen und abbauen lassen. Da die Brechzahl und der Absorptionskoeffizient in Halbleitermaterialien aufgrund des Plasmaeffektes von der jeweiligen Ladungsträgerdichte abhängen, führt eine Änderung der Ladungsträgerdichte zu einer Modulation des Lichts im Wellenleiter; dabei ist die Modulation der Phase in der Regel dominant. Die Grenzfrequenz des erfindungsgemäßen Modulators ist im wesentlichen durch das von dem Kondensator gebildete RC-Glied begrenzt. Das RC-Glied ergibt sich durch den Ohmschen Widerstand der beiden Halbleiterbereiche des Wellenleiters sowie durch den Kapazitätswert, der durch die Kondensatorisolationsschicht bestimmt wird. Eine 3dB-Grenzfrequenz über 30 Gigahertz lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Modulator ohne weiteres erreichen.One significant advantage of the electro-optical modulator according to the invention can be seen in the fact that with this very high cutoff frequencies in the modulation of the propagating light in the waveguide achieve. This is specifically due to the existing in the waveguide achieved electrical capacitor structure, with which electrical charges build up in the waveguide very quickly and degrade. Because the Refractive index and the absorption coefficient in semiconductor materials due to the plasma effect of the respective charge carrier density depend, leads a change the carrier density to a modulation of the light in the waveguide; Here is the modulation the phase is usually dominant. The cutoff frequency of the modulator according to the invention is essentially by the RC element formed by the capacitor limited. The RC element results from the ohmic resistance the two semiconductor regions of the waveguide and by the Capacitance value, which is determined by the capacitor insulation layer. A 3dB cutoff frequency over 30 gigahertz let yourself with the modulator according to the invention easily reach.
Im Unterschied zu dem eingangs erwähnten, vorbekannten Modulator, bei dem die Modulationsfrequenz durch die Lebensdauer der in die pin-Diodenstruktur injizierten Ladungsträger begrenzt wird, ist bei dem erfindungsgemäßen Modulator die Grenzfrequenz von der Lebensdauer der Ladungsträger in den beiden Halbleiterbereichen unabhängig.in the Difference to the aforementioned, previously known Modulator, where the modulation frequency through the lifetime limited the injected into the pin diode structure charge carriers is is in the inventive modulator the cutoff frequency of the lifetime of the charge carriers in the independent of both semiconductor regions.
Als Halbleitermaterial für die wellenführenden Halbleiterbereiche sind beispielsweise Silizium, SiGe-Legierungen, III-V-Halbleitermaterial oder II-VI-Halbleitermaterial geeignet.When Semiconductor material for the wave-leading Semiconductor regions are, for example, silicon, SiGe alloys, III-V semiconductor material or II-VI semiconductor material suitable.
Bevorzugt liegen die beiden Halbleiterbereiche des Wellenleiters auf einer gemeinsamen Trägerschicht auf. Die Trägerschicht kann beispielsweise elektrisch isolierend sein und/oder zur Wellenführung (z. B. vertikale Wellenführung) dienen. Die Trägerschicht kann beispielsweise durch ein Substrat gebildet sein.Prefers the two semiconductor regions of the waveguide lie on one common carrier layer on. The carrier layer may for example be electrically insulating and / or waveguide (z. B. vertical waveguide) serve. The carrier layer may be formed for example by a substrate.
Die Trägerschicht und die Kondensatorisolationsschicht stehen bevorzugt unter einem vorgegebenen Winkel zueinander. Beispielsweise kann die Kondensatorisolationsschicht senkrecht zur Trägerschicht angeordnet sein. Alternativ kann die Kondensatorisolationsschicht auch parallel zur Trägerschicht liegen.The backing and the capacitor insulation layer are preferably one predetermined angle to each other. For example, the capacitor insulation layer perpendicular to the carrier layer be arranged. Alternatively, the capacitor insulation layer also parallel to the carrier layer.
Die Kondensatorisolationsschicht weist vorzugsweise im Querschnitt eine „mäanderförmige" Struktur auf; eine „mäanderförmige" Struktur erhöht den Wirkungsgrad des Modulators erheblich, da die Überlappung des optischen Feldes des Lichts im Wellenleiter mit den Ladungen in den sich ausbildenden Ladungsschichten des Kondensators deutlich vergrößert wird.The The capacitor insulation layer preferably has a "meandering" structure in cross section, and a "meandering" structure increases the efficiency of the modulator considerably, because the overlap of the optical field of light in a waveguide with charges in forming Charge layers of the capacitor is significantly increased.
Besonders kostengünstig ist Silizium-Halbleitermaterial, so dass es als vorteilhaft angesehen wird, wenn die beiden Halbleiterbereiche des Wellenleiters aus Silizium bestehen. Bei der Herstellung des elektrooptischen Modulators kann dann auf die bekannte Silizium-Halbleitertechnologie zurückgegriffen werden, so dass äußerst kostengünstige Modulatoren herstellbar sind.Especially economical is silicon semiconductor material, so it is considered advantageous when the two semiconductor regions of the waveguide made of silicon consist. In the manufacture of the electro-optical modulator can then resorted to the well-known silicon semiconductor technology be, so that extremely cost-effective modulators can be produced.
Um zu erreichen, dass die Kondensatorladungen zu der Kondensatorisolationsschicht schnell zugeführt (bzw. von dieser abgeführt) werden können, werden die beiden Halbleiterbereiche unterschiedlich dotiert. Dies bedeutet, dass eine der beiden Halbleiterbereiche p-dotiert und der andere der beiden Halbleiterbereiche n-dotiert wird. Das Ansteuern des Kondensators erfolgt dann derart, dass an den p-dotierten Halbleiterbereich ein größeres Spannungspotential als an den n-dotierten Halbleiterbereich angelegt wird. Beispielsweise liegt der n-dotierte Halbleiterbereich auf Masse, und der p-dotierte Halbleiterbereich wird durch Beaufschlagen mit einer positiven Spannung angesteuert. Durch diese Art der Ansteuerung des Kondensators wird erreicht, dass die Kondensatorladungen auf beiden Seiten der Kondensatorisolationsschicht durch Majoritätsträger des jeweiligen Halbleiterbereichs gebildet werden.Around to achieve that the capacitor charges to the capacitor insulation layer fed quickly (or removed from this) can be the two semiconductor regions are doped differently. This means that one of the two semiconductor regions p-doped and the other of the two semiconductor regions is n-doped. The driving of the capacitor is then such that to the p-doped semiconductor region a greater voltage potential as applied to the n-doped semiconductor region. For example the n-doped semiconductor region is grounded, and the p-doped semiconductor region is controlled by applying a positive voltage. This type of activation of the capacitor is achieved that the capacitor charges on both sides of the capacitor insulation layer by majority carriers of the respective Semiconductor region are formed.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Wellenleiter des elektrooptischen Modulators um einen einmodigen Wellenleiter, um eine optimale „Modulationstiefe" beim Modulieren des im Wellenleiter propagierenden Lichts zu erreichen.Preferably it is the waveguide of the electro-optical modulator to a single-mode waveguide to an optimal "modulation depth" when modulating to reach the light propagating in the waveguide.
Vorzugsweise ist die Kondensatorisolationsschicht derart im Wellenleiter angeordnet, dass die elektrischen Kondensatorladungen, die in den zur Kondensatorisolationsschicht benachbarten Halbleiterzonen bzw. Halbleiterschichten der beiden Halbleiterbereiche „angesammelt" werden, im Bereich maximaler optischer Feldintensität des optischen Wellenleiters liegen. Zu optimieren ist also das Maß der Überlappung zwischen den Ladungsträgern des Kondensators und dem optischen Feld im Wellenleiter, damit ein optimaler Modulationswirkungsgrad erreicht wird.Preferably the capacitor insulation layer is arranged in the waveguide in this way, that the electrical capacitor charges that in the capacitor insulation layer adjacent semiconductor zones or semiconductor layers of the two Semiconductor areas are "accumulated" in the area maximum optical field intensity of the optical waveguide. To optimize is therefore the degree of overlap between the carriers of the capacitor and the optical field in the waveguide, with it optimum modulation efficiency is achieved.
Besonders einfach und kostengünstig lassen sich beispielsweise Rippenwellenleiter herstellen, so dass es als vorteilhaft angesehen wird, wenn der Wellenleiter ein Rippenwellenleiter ist. Zur vertikalen Wellenführung wird beispielsweise eine Schicht mit einer niedrigeren Brechzahl als der Brechzahl im Rippenwellenleiter verwendet. Die Schicht für die vertikale Wellenführung kann im Übrigen auch eine Doppelfunktion haben und die oben bereits erwähnte elektrisch isolierende Trägerschicht bilden.Especially easy and inexpensive For example, rib waveguides can be produced so that it is considered advantageous if the waveguide is a ridge waveguide is. For vertical wave guidance For example, a layer with a lower refractive index than the refractive index used in the rib waveguide. The layer for the vertical wave guide can by the way also have a dual function and the above already mentioned electrically insulating carrier layer form.
Falls es sich bei dem wellenführenden Material des Rippenwellenleiters um Silizium handelt, so kann die Schicht zur vertikalen Wellenführung beispielsweise aus porösem Silizium bestehen. Alternativ kann die Schicht durch eine Oxidschicht (z. B. Buried Oxide: vergrabene Oxidschicht) gebildet sein; in diesem Falle handelt es sich bei dem Rippenwellenleiter um einen sogenannten SOI (SOI: Silicon-On-Insulator)-Rippenwellenleiter.If it is the wave leading Material of the rib waveguide is silicon, so can the Layer for vertical wave guidance for example, porous Consist of silicon. Alternatively, the layer may be covered by an oxide layer (eg Buried Oxide: buried oxide layer) may be formed; in this Trap is in the rib waveguide to a so-called SOI (Silicon On Insulator) rib waveguide.
Um
aus einer Phasenmodulation des im Wellenleiter geführten Lichts
eine Amplitudenmodulation zu erhalten, stehen die üblichen
optischen Anordnungen zur Verfügung:
Beispielsweise
kann der elektrooptische Modulator eine MZI(MZI: Mach-Zehnder-Interferometer)-Wellenleiterstruktur
aufweisen, wenn aus einer Phasenmodulation eine Amplitudenmodulation
erzeugt werden soll.In order to obtain an amplitude modulation from a phase modulation of the light guided in the waveguide, the usual optical arrangements are available:
For example, the electro-optic modulator may have an MZI (MZI: Mach-Zehnder interferometer) waveguide structure if amplitude modulation is to be generated from a phase modulation.
Alternativ oder zusätzlich kann der Modulator auf resonanten Strukturen basieren, die beidseitig verspiegelt bzw. teilverspiegelt sind, und/oder in Längsrichtung des Wellenleiters eine Gitterstruktur, insbesondere eine Bragg-Gitterstruktur, aufweisen. Dadurch wird sowohl die effektive optische Wechselwirkungslänge erhöht, ohne dabei die elektrische Kapazität zu erhöhen, und das Bauelement wird wellenlängenselektiv.alternative or additionally For example, the modulator can be based on resonant structures that are mirrored on both sides or partially mirrored, and / or in the longitudinal direction of the waveguide a lattice structure, in particular a Bragg lattice structure. This will both increases the effective optical interaction length without sacrificing the electrical capacity to increase, and the device becomes wavelength selective.
Zur Erläuterung der Erfindung zeigen:to explanation of the invention show:
In
der
Die
beiden Wellenleiterarme
Den
beiden Wellenleiterarmen
Durch
Anlegen einer Spannung an die Elektroden
Die
Wellenleiterstruktur der beiden Wellenleiterarme
Der
Rippenwellenleiter
Die
beiden Halbleiterbereiche
Zur
lateralen Wellenführung
weist der SOI-Rippenwellenleiter
In
der
Die
Dicke der Kondensatorisolationsschicht
Die
Dicke der Kondensatorisolationsschicht
Die
Länge des
SOI-Rippenwellenleiters
In
der
Der
elektrisch negativen Ladungsschicht
Durch
Ein- und Ausschalten der an den beiden Elektroden
Wie
sich beispielsweise der Druckschrift „Electrooptical Effects in
Silicon" (Richard
A. Soref, Brian R. Bennett; IEEE Journal of Quantum Electronics,
Vol. QE-23, No. 1, January 1987) entnehmen lässt, wird die Brechzahl in
Silizium bei Vorhandensein zusätzlicher
Ladungsträger
abgesenkt. Durch Anlegen der in der
Zusammengefasst
lassen sich also durch die Spannung U die Ladungsträgerdichte
in den Ladungsschichten
Die
Kapazität
C des durch die beiden Halbleiterbereiche
Dabei
bezeichnet ε0 die Dielektrizitätskonstante im Vakuum und εSiO2 die
relative Dielektrizitätskonstante
von SiO2 (εSiO2 3,9).
Alternativ kann für
die Kondensatorisolationsschicht
Der
elektrische „Zuleitungswiderstand" R zu dem durch die
beiden Halbleiterbereiche
Wie sich der letztgenannten Formel entnehmen lässt, ist der elektrische Widerstand R des durch den Kondensator gebildeten RC-Gliedes deutlich kleiner als 10 Ω.As The last-mentioned formula is the electrical resistance R of the RC element formed by the capacitor significantly smaller as 10 Ω.
Im
Ergebnis erhält
man somit eine 3dB-Grenzfrequenz von circa:
Die
in den beiden Ladungsschichten
Die
volumenbezogene Ladungsträgerdichte N3D in den beiden Ladungsschichten
In
der
Man
erkennt, dass die beiden Halbleiterbereiche
In
der
Man
erkennt, dass in den Randbereichen
Trotz
der niedrigen Brechzahl in der Kondensatorisolationsschicht
Γ1 = 8.1% (äußeres Dielektrikum)
Γ2 =
34.4% (Halbleiterbereich
Γ3 =
5.0% (Ladungsschicht
Γ4 =
4.9% (Kondensatorisolationsschicht
Γ5 =
5.0% (Ladungsschicht
Γ6 =
34.4% (Halbleiterbereich
Γ7 =
8.1% (äußeres Dielektrikum).Despite the low refractive index in the capacitor insulation layer
Γ 1 = 8.1% (outer dielectric)
= 2 = 34.4% (semiconductor area
Γ 3 = 5.0% (charge layer
= 4 = 4.9% (capacitor insulation layer
Γ 5 = 5.0% (charge layer
Γ 6 = 34.4% (semiconductor area
Γ 7 = 8.1% (outer dielectric).
Der
Lichtanteil, der in den beiden Ladungsschichten
Bei
einer Spannung U = 2 V ergibt sich somit eine Änderung Δn der effektiven Brechzahl im SOI-Rippenwellenleiter
Für Δn erhält man damit:
Mit
dieser Brechzahländerung
(z. B. bei differentieller Ansteuerung mit ± 2 V und einer DC-Bias-Spannung
bzw. Offset-Spannung
von +2 V) ergibt sich eine Phasenverschiebung ΔΦ zwischen den beiden Wellenleiterarmen
Erreichbar ist eine 3dB-Grenzfrequenz von 31 GHz, ohne dass es eines „Travelling Wave Concepts" bedarf.Reachable is a 3dB cutoff frequency of 31 GHz, without it being a "traveling Wave Concepts "needs.
In
der
Wie
sich in der
Aufgrund
der Gitterstruktur
In
der
In the
Wie
sich der
Durch
die resonate Ausführung
des Modulators
In
den
Die
Elektroden
Der
obere Halbleiterbereich
Die
Elektrode
Die
optische Dämpfung
aufgrund der Elektrode
Alternativ
kann der obere Halbleiterbereich
Die
Kondensatorisolationsschicht
Die
In
der
In
der
Um
die mechanische Stabilität
des Wellenleiters
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- Wellenleiterarmwaveguide arm
- 6060
- Zweite Y-VerzweigungSecond Y-branch
- 7070
- AusgangswellenleiterOutput waveguides
- 100,110,100,110,
- 120,130120.130
- Elektrodenelectrodes
- 300300
- SOI-RippenwellenleiterSOI ridge waveguide
- 310310
- N-dotierter HalbleiterbereichN-doped Semiconductor region
- 320320
- P-dotierter HalbleiterbereichP-doped Semiconductor region
- 330330
- SiO2-TrägerschichtSiO 2 carrier layer
- 340340
- KondensatorisolationsschichtCapacitor insulating layer
- 400400
- Ladungsschichtstratified
- 410410
- Ladungsschichtstratified
- 600600
- Modulatormodulator
- 610610
- Wellenleiterwaveguides
- 615615
- Gitterstrukturlattice structure
- 620,630620.630
- Elektrodenelectrodes
- 700700
- Modulatormodulator
- 705705
- Wellenleiterwaveguides
- 710710
- KondensatorisolationsschichtCapacitor insulating layer
- 715715
- vergrabene Oxidschicht des SOI-Materialsburied Oxide layer of the SOI material
- 720720
- oberer wellenführender Halbleiterbereichupper wave leading Semiconductor region
- 725725
- unterer wellenführender Halbleiterbereichlower wave leading Semiconductor region
- 730730
- Elektrodeelectrode
- 735735
- Elektrodeelectrode
- 740740
- Ripperib
- 745745
- Stegbereichweb region
- 750750
- Zwischenschichtinterlayer
- 760760
- Halbleiter-StegeSemiconductor webs
- 765765
- Trennstegedividers
- 770770
- Ladungsschichtstratified
- 780780
- Ladungsschichtstratified
- 800800
- Deckschichttopcoat
- 805805
- Linieline
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8131 | Rejection |