基于Franz-Keldysh效应的倏逝波锗硅电吸收调制器设计*

李亚明 刘 智 薛春来 李传波 成步文 王启明

(中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室，北京 100083)

(2012年12月26日收到;2013年2月19日收到修改稿)

1 引言

硅材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上有着绝对的优势.随着人们对大容量、宽带宽、低成本信息传输系统的需求，有力推动了硅基光电子学的发展[1,2].硅基光调制器是这一系统中关键器件之一.近十年里调制器有了长足的发展[3-9]，器件的3 dB带宽最高已经高达至50 GHz[10].由于Si的弱电光效应，这些调制器大多基于自由载流子色散效应.在调制器中操控载流子的浓度变化以实现对光的调制难于实现3 dB带宽、消光比、光学带宽和功耗之间的平衡.而电吸收调制器并不依赖于载流子的浓度变化，同时能获得高3 dB带宽，低功耗，实用的光学带宽和消光比.但是由于硅的电光效应很弱，因此需要引入其他材料，而且这种材料需要满足以下特性：1)在C波段内有显著的电光效应;2)与传统的CMOS工艺完全兼容.锗完全满足了上述两个要求.首先我们已经观察到硅基锗二极管的显著FK效应，即当对Ge施加偏压时或改变材料内部电场时，锗的吸收谱红移，波长大于1.55µm(对应于锗的直接带隙)的一定波段内光的吸收系数有显著变化.而且这是一种电容作用，不需要操纵载流子浓度，因此这一显著FK效应可以用于片上光互连电吸收调制器.但是锗并不能直接使得器件工作在C波段，需要在锗中引入一定的硅……