【Lumerical系列】硅基光电调制器（2）——常见的三种调制结构
上一期我们介绍了光学调制的基本概念并总结了电光调制中常用的物理效应，对于硅材料而言，主要的电光效应包括克尔效应、弗朗兹-－凯尔迪什（F-K）效应、量子限制斯塔克（QCSE）效应和等离子体色散（PD）效应等，但体硅材料中克尔效应和F-K效应都非常微弱，因此硅基高速电光调制一般都利用硅材料的等离子体色散效应来实现调制。
硅光子平台需要利用载流子注入来实现等离子体色散效应，通过在波导上外加偏置电压使自由载流子浓度发生变化，进而使输出光波的幅值和相位发生改变，最终实现电光调制，但受到载流子本身的复合寿命的限制，器件的开关速度只能达到MHz量级，接下来我们简单介绍下等离子体色散效应中的几种常见调制机制。1. 载流子注入型：
（图片来自文献1，2）
图1（b）载流子注入型原理示意图
1) 结构描述：早期的高速调制器的工作原理多为载流子注入型，采用横向PIN结构（也有垂直PIN结构），在波导两侧区域进行高浓度掺杂，而波导中掺杂浓度较低，通过正向偏置PIN结注入少数载流子。当波导横截面较小的上，基于载流子注入的调制器可获得较大的扩散电容（通常约为10 pF），因此可以实现相对较高的调制效率。2) 调制过程：施加正向偏置电压→波导中载流子浓度升高→波导折射率和吸收系数改变→实现电光调制。3) 电极结构：载流子注入型的结构约为几百微米，通常使用集总电极来驱动。4) 限制因素：
a) 注入的电子-空穴对的复合时间。
b) 驱动电极的输出电阻与P区（N区）掺杂区域的体电阻总和。
5) 结构优缺点：载流子注入型调制器工艺简单、对制备工艺要求低、器件插入损耗小，但相对而言，其电学响应速度较低，通常小于1 GHz。6) 应用范围：适用于对调制速度要求不高的片上传感等领域，具有较好的应用潜力。Ansys Lumerical中的案例为PIN Mach-Zehnder modulator
图2：PIN Mach-Zehnder modulator图3（a）载流子耗尽型结构示意图
图3（b）载流子耗尽型原理示意图
1) 结构描述：通过施加反向偏置电压来耗尽电子和空穴的载流子耗尽型结构是采用最广泛的方法结构 ，基于该结构的全硅调制器第一个达到40（50）Gb/s的调制速度。载流子耗尽型多由半导体-绝缘体-半导体 (SIS) 和PN结组成。与PIN结构组成的载流子注入型结构相比，基于多数载流子的载流子耗尽型结构更加适合高速调制。2) 调制过程：施加反向偏置电压→PN结空间电荷区变宽→耗尽区内载流子浓度减小→波导折射率和吸收系数改变→实现电光调制。3) 电极结构：为获得足够的调制深度，采用载流子耗尽型的调制器长度较长，通常为几个毫米，因此需要采用行波电极来驱动。4) 限制因素：采用耗尽型的调制器电容相对有限，因此调制效率受限，解决办法通常为缩小模式尺寸或减小耗尽区的宽度（更高的过渡电容）来增加电容，但前者由波导的几何形状决定，后者需要更高的掺杂浓度，但自由载流子的吸收损耗更大。可采用不同设计的PN结来解决上述问题并优化调制器调制速度、效率和损耗5) 结构优缺点：载流子耗尽型调制器是目前光通信中的主流器件，调制速度快，多采用马赫-曾德尔型结构，但器件尺寸相对较大，且由于对波导进行了掺杂带来了额外的光吸收损耗。与载流子注入型的调制器相比，其调制效率较低，器件消光比也较低。6) 应用范围：多应用于对调制速度有要求的硅基高速调制器。Ansys Lumerical中的案例为Interleaved junction microring modulator
图4：Interleaved junction microring modulator图5（a）载流子积累型结构示意图
图5（b）载流子积累型原理示意图
1) 结构描述：载流子积累型调制器的电学结构为一个电容，一般由多晶硅-二氧化硅-硅的结构构成电容，所以积累型调制器也称为SISCAP型调制器（Silicon-Insulator-Silicon Capicator）。积累型调制器的调制效率较高，调制带宽在载流子注入型调制器和载流子耗尽型调制器之间。2) 调制过程：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，从而实现电光调制。3) 电极结构：由于尺寸多为几百微米量级，因此可采用集总电极（长度小于0.5 mm）作为驱动。4) 限制因素：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。为了提高调制效率，需要增大电容，主要有以下三种方式。a) 减小电容上下表面的距离，如：将二氧化硅的厚度降低。
b) 增大上下表面的面积，适当增加波导的宽度。
c) 采用高介电常数的材料来替代二氧化硅。
但随着电容的增大，RC回路的3 dB带宽也将减小，因此设计者需要在调制效率于调制速度间权衡。5) 结构优缺点：与PIN结组成的载流子注入型调制器相比，载流子积累型基于多数载流子，更适合高速调制，但相比载流子耗尽型，载流子积累型需要氧化物来充当电容，增加了工艺难度，制造更为复杂。6) 应用范围：Ansys Lumerical中的案例为Semiconductor-insulator-semiconductor capacitor (SISCAP) Mach-Zehnder modulator
图6：Semiconductor-insulator-semiconductor capacitor (SISCAP) Mach-Zehnder modulator
以上是对基于等离子体色散效应的三种常见调制结构简单介绍与总结，并列出了Ansys lumerical 中的相关案例，感兴趣的读者可以点击链接，观看案例介绍并下载案例进行学习和研究。
文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。后面我们将继续介绍硅基光电调制器的性能指标，常用结构等内容，欢迎大家持续关注。参考文献：
[1] Rahim A, Hermans A, Wohlfeil B, et al. Taking silicon photonics modulators to a higher performance level: state-of-the-art and a review of new technologies[J]. Advanced Photonics, 2021, 3(2): 024003-024003.
[2] Kim Y, Han J H, Ahn D, et al. Heterogeneously-integrated optical phase shifters for next-generation modulators and switches on a silicon photonics platform: A review[J]. Micromachines, 2021, 12(6): 625.
[3] 周治平.硅基光电子学[M].科学出版社,2021.
[4] 牛超群, 庞雅青, 刘智, 等. 中红外硅基调制器研究进展 (特邀)[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(3): 20220021-1-20220021-11.
