硅基PN 结型光波导有效折射率的定量分析

孙圣现陈柏松李雨轩李盈祉张蓝萱陶 敏宋俊峰

(吉林大学a.电子科学与工程学院;b.集成光电子学国家重点实验室,长春 130012)

0 引 言

随着光通信技术的高速发展,人们对光电子集成器件的要求也越来越高。半导体光电子集成技术是制造性能优越、低成本的光电子器件的关键技术。硅基光电子技术将硅技术与集成光电子技术相结合,使硅技术的应用领域得以拓展。硅技术与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)技术具有很好的兼容性,是当前光电子集成器件发展的重要方向[1],并向高速化、小型化、大规模集成化迅猛发展。高速光调制器[2]、硅激光器[3]、光开关[4]和光波导放大器[5]等硅基光电子集成器件也在不断优化,性能不断提升。

硅光调制器是众多硅基光电子集成器件中最重要的一种。硅光调制器具备高速度、高传输带宽以及功耗低等特点[6]。由于硅基光波导不具备如铌酸锂晶体的电光效应,因此无法实现电光调制,其热光系数也不足以支持它实现高调制速度的热光调制。利用硅基光波导制备光调制器的研究多是通过载流子色散效应完成对光的调制。其电学结构主要有脊型波导的注入型PIN(Positive-Intrinsic-Negative)结构[7],金属氧化物半导体(MOS:Metal Oxide Semiconductor)电容结构[8]和耗尽型反偏PN结(Positive-Negative junction)结构[9]。其中基于注入式PIN结结构的光器件由于受载流子的扩撒速度的限制,一般只能实现10 GHz的调制速度,如2016年Kim等[10]研制的载流子注入式MZ(Mach–Zehnder)光调制器,采用预加重方法得到10 Gbit/s的调制速度。基于MOS电容结构的硅基光波导调制器依赖外加电场引起的载流子浓度的变化,其调制速度不同于PIN结构,可以达到几十GHz。……