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自 1987 年 Soref 和 Bennett 首次揭示了硅材料中载流子浓度与折射率变化之间的相关性以来，这一发现为光调制技术开辟了新的道路。通过在硅器件中调整载流子浓度，可以有效地调控光波的传播特性，进而实现对光信号的精确调制。
基于此效应，研究者们设计出了高速的 PN 结光调制器等关键光电子器件。如下图所示：
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具体来说，硅的折射率和吸收率的变化与电子和空穴的浓度紧密相关。
从上面的图也可以看出，我们总结出：与电子相比，空穴展现出较低的吸收特性，同时能够引起更显著的折射率变化。进一步地，如果考虑波长相关性时，折射率和吸收率都会随着波长的平方变化。这一特性使得空穴在光调制器设计中备受青睐，尤其是在偏置结设计中，如马赫-曾德尔调制器和微环调制器等。对于上面的PN结，有效折射率和光传输损耗也与偏置电压有关。随着反向偏置电压的增加，有效折射率增大，光传输损耗降低。这是因为波导区域的载流子浓度降低，通过施加的电压几乎被移除，导致耗尽区变宽。另外，PN 结的电阻 R 和电容 C 是也是器件的一个非常重要的因素，它可以影响 3dB截止频率 f 的大小：如果电容C减小，那么在施加相同电压的情况下，耗尽区的电荷可以更快地重新分布，导致耗尽区可以更快地扩展或收缩。如果电阻R减小，意味着耗尽区中的电流更容易流动，这也可以促进耗尽区的扩展，因为电荷可以更快地从PN结的一侧移动到另一侧。这些都意味着耗尽区将扩大。同时，我们从下图可以看出，截止频率随着施加的直流电压的增加而增加， PN 结的频率响应可以很容易超过几十 GHz。
但在使用长 PN 结（电容 C 较大）和大的源阻抗 R（如 50Ω ) 的情况下，RC 就会成为限制因素。这也是马赫－曾德尔调制器或相移器的基本原理。为了避免RC限制， 需要采用诸如行波电极，使得射频信号与光波的群速度匹配等。![]()
不过，PN 结的电阻可以通过优化掺杂浓度和掺杂剂与结的距离来降低。具体来说， 最大限度地减少从接触点到结的距离将导致 RC 时间常数的减少。考虑到掺杂接触的光传输损耗，典型的掺杂浓度在1e18 cm^-3左右。由于反偏PN结的结电容较小，典型值为0.2-0.8pF/mm，导致耗尽型调制器的调制效率不高，Vpi*L的典型值为1.5-2V*cm。
因此，为了提高调制效率，研究者们在PN结的结构上进行了许多创新，如采用交趾型、L 型和 U 型等结构。![]()
在这种设计中，P型和N型掺杂区域沿着波导的传播路径交替排布，创建了一个沿传播方向延伸的耗尽区。这种布局增加了波导模式与耗尽区的重叠程度，从而优化了光与物质的相互作用，有效地提升了调制性能。
采用特定的离子注入技术，该设计在垂直方向上构建了PN结，这增加了PN结电容的表面积，从而增加了电容值，这有助于提升调制效率。以下图示展示了L型PN结的结构特征。![]()
如下所述的结构图展示了 U 型 PN 结的设计，其中 P 型和 N 型掺杂区域的布局呈现出 U 字形。这种结构因其较大的结电容而能够实现更高的调制效率。得益于耗尽区与波导模式之间更大的重叠积分，该结构的传输损耗得到了降低。
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这些结构的优化有助于在保持高调制带宽和低功耗的同时，提升调制效率。
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