上一期我們介紹了光學調制的基本概念并總結了電光調制中常用的物理效應，對于硅材料而言，主要的電光效應包括克爾效應、弗朗茲-－凱爾迪什（F-K）效應、量子限制斯塔克（QCSE）效應和等離子體色散（PD）效應等，但體硅材料中克爾效應和F-K效應都非常微弱，因此硅基高速電光調制一般都利用硅材料的等離子體色散效應來實現調制。

硅光子平臺需要利用載流子注入來實現等離子體色散效應，通過在波導上外加偏置電壓使自由載流子濃度發生變化，進而使輸出光波的幅值和相位發生改變，最終實現電光調制，但受到載流子本身的復合壽命的限制，器件的開關速度只能達到MHz量級，接下來我們簡單介紹下等離子體色散效應中的幾種常見調制機制。

等離子體色散效應中常見的三種調制結構（調制機制）

1. 載流子注入型：

圖1（a）載流子注入型結構示意圖（圖片來自文獻1，2）

圖1（b）載流子注入型原理示意圖（圖片來自文獻1，2）

1) 結構描述：

早期的高速調制器的工作原理多為載流子注入型，采用橫向PIN結構（也有垂直PIN結構），在波導兩側區域進行高濃度摻雜，而波導中摻雜濃度較低，通過正向偏置PIN結注入少數載流子。當波導橫截面較小的上，基于載流子注入的調制器可獲得較大的擴散電容（通常約為10 pF），因此可以實現相對較高的調制效率。

2) 調制過程：

施加正向偏置電壓→波導中載流子濃度升高→波導折射率和吸收系數改變→實現電光調制。

3) 電極結構：

載流子注入型的結構約為幾百微米，通常使用集總電極來驅動。

4) 限制因素：

a) 注入的電子-空穴對的復合時間。

b) 驅動電極的輸出電阻與P區（N區）摻雜區域的體電阻總和。

5) 結構優缺點：

載流子注入型調制器工藝簡單、對制備工藝要求低、器件插入損耗小，但相對而言，其電學響應速度較低，通常小于1 GHz。

6) 應用范圍：

適用于對調制速度要求不高的片上傳感等領域，具有較好的應用潛力。Ansys Lumerical中的案例為PIN Mach-Zehnder modulator（相關鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042327854-PIN-Mach-Zehnder-modulator）

圖2：PIN Mach-Zehnder modulator

2. 載流子耗盡型：

圖3（a）載流子耗盡型結構示意圖（圖片來自文獻1，2）

圖3（b）載流子耗盡型原理示意圖（圖片來自文獻1，2）

1) 結構描述：

通過施加反向偏置電壓來耗盡電子和空穴的載流子耗盡型結構是采用最廣泛的方法結構 ，基于該結構的全硅調制器第一個達到40（50）Gb/s的調制速度。載流子耗盡型多由半導體-絕緣體-半導體 (SIS) 和PN結組成。與PIN結構組成的載流子注入型結構相比，基于多數載流子的載流子耗盡型結構更加適合高速調制。

2) 調制過程：

施加反向偏置電壓→PN結空間電荷區變寬→耗盡區內載流子濃度減小→波導折射率和吸收系數改變→實現電光調制。

3) 電極結構：

為獲得足夠的調制深度，采用載流子耗盡型的調制器長度較長，通常為幾個毫米，因此需要采用行波電極來驅動。

4) 限制因素：

采用耗盡型的調制器電容相對有限，因此調制效率受限，解決辦法通常為縮小模式尺寸或減小耗盡區的寬度（更高的過渡電容）來增加電容，但前者由波導的幾何形狀決定，后者需要更高的摻雜濃度，但自由載流子的吸收損耗更大。可采用不同設計的PN結來解決上述問題并優化調制器調制速度、效率和損耗

5) 結構優缺點：

載流子耗盡型調制器是目前光通信中的主流器件，調制速度快，多采用馬赫-曾德爾型結構，但器件尺寸相對較大，且由于對波導進行了摻雜帶來了額外的光吸收損耗。與載流子注入型的調制器相比，其調制效率較低，器件消光比也較低。

6) 應用范圍：

多應用于對調制速度有要求的硅基高速調制器。Ansys Lumerical中的案例為Interleaved junction microring modulator（相關鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042327594-Interleaved-junction-microring-modulator）

圖4：Interleaved junction microring modulator

3. 載流子積累型：

圖5（a）載流子積累型結構示意圖（圖片來自文獻1，2）

圖5（b）載流子積累型原理示意圖（圖片來自文獻1，2）

1) 結構描述：

載流子積累型調制器的電學結構為一個電容，一般由多晶硅-二氧化硅-硅的結構構成電容，所以積累型調制器也稱為SISCAP型調制器（Silicon-Insulator-Silicon Capicator）。積累型調制器的調制效率較高，調制帶寬在載流子注入型調制器和載流子耗盡型調制器之間。

2) 調制過程：

當施加電壓時，電容的上下表面分別積累正負電荷，載流子濃度的變化引起波導模式的有效折射率變化，從而實現電光調制。

3) 電極結構：

由于尺寸多為幾百微米量級，因此可采用集總電極（長度小于0.5 mm）作為驅動。

4) 限制因素：

由于載流子的變化主要集中在電容的上下表面，因此積累型調制器的調制效率比注入型略低，但是比耗盡型高。為了提高調制效率，需要增大電容，主要有以下三種方式。

a) 減小電容上下表面的距離，如：將二氧化硅的厚度降低。

b) 增大上下表面的面積，適當增加波導的寬度。

c) 采用高介電常數的材料來替代二氧化硅。

但隨著電容的增大，RC回路的3 dB帶寬也將減小，因此設計者需要在調制效率于調制速度間權衡。

5) 結構優缺點：

與PIN結組成的載流子注入型調制器相比，載流子積累型基于多數載流子，更適合高速調制，但相比載流子耗盡型，載流子積累型需要氧化物來充當電容，增加了工藝難度，制造更為復雜。

6) 應用范圍：

Ansys Lumerical中的案例為Semiconductor-insulator-semiconductor capacitor (SISCAP) Mach-Zehnder modulator（相關鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042326774-Semiconductor-insulator-semiconductor-capacitor-SISCAP-Mach-Zehnder-modulator）

圖6：Semiconductor-insulator-semiconductor capacitor (SISCAP) Mach-Zehnder modulator

4. 三種不同結構的比較

總結

以上是對基于等離子體色散效應的三種常見調制結構簡單介紹與總結，并列出了Ansys lumerical 中的相關案例，感興趣的讀者可以點擊鏈接，觀看案例介紹并下載案例進行學習和研究。

文中如果有任何錯誤和不嚴謹之處，還望大家不吝指出，歡迎大家留言討論。后面我們將繼續介紹硅基光電調制器的性能指標，常用結構等內容，歡迎大家持續關注摩爾芯創的更新。

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