随着计算机和通信技术的发展，现代社会对信息的需求量呈指数增长。在短距离通信方面，随着芯片尺寸的不断减小，速度不断提高，传统电互连面临寄生效应加剧、传输带宽受限等一系列瓶颈, 光互连因其具有不同信号之间传输互不干扰、巨大带宽等优势，已成为代替金属互连的理想解决方案。光调制器是这一领域的核心器件之一，能对不同波长光信号进行实时选择处理，因此研究高调制带宽、高消光比、低功耗、易集成及低成本的光调制器具有重要现实意义。
一、不同类型光调制器性能比较
光调制器按照其调制原理来讲，可分为电光、热光、声光、全光等，其中电光调制器在损耗、功耗、速度、集成性等方面都优于其他类型的调制器，因此最具前景并成为研究热点。电光调制器的原理是利用晶体的电光效应，通过控制外电场来改变晶体折射率或双折射率，从而改变输出光波的相位或强度。
目前电光调制器主要分为：利用直接电光效应的LiNbO3调制器、GaAs调制器、聚合物调制器、利用多量子阱电吸收原理的InP调制器，利用等离子色散效应的硅基电光调制器等。LiNbO3调制器具有较高的电光系数、较低的偏置电压，且技术成熟，目前商用LiNbO3调制器在光纤通信系统中已达到40Gb/s的传输速率。但其调制长度长，体积大，与传统微电子工艺兼容性差，不易实现高密度、低成本集成的缺点限制了其在短距离光互连通信中的应用。Ⅲ-Ⅴ族（GaAs、InP等）电光调制器，虽然体积小，易于和其它光电器件如Ⅲ-Ⅴ族激光器、探测器集成，但调制效率低，调制带宽小。聚合物调制器电光系数和调制速度近年来得到不断提高，较低的稳定性、较高的光损耗以及复杂的工艺条件仍制约其商用化的应用。而硅基光调制器的优点在于其低廉的制造成本以及高性能的光电子集成特性，与CMOS工艺的兼容性。
二、硅基光调制器原理
硅作为最常用的电场调制器件，具有中心反演对称的金刚石结构，所以不存在三阶张量的Pockels效应，故不具有线性电光效应，只存在kerr效应、Franz-Keldysh(F-K)效应以及自由载流子色散效应。但前两者对折射率和吸收变化的影响非常微弱，而等离子色散效应却可以使硅折射率发生显著改变，从而实现对光的调制。
Kerr效应是一种二阶电场效应，即材料折射率的变化与所加电场平方成正比（如图a）。由图a可知，在波长1.3μm处，室温下硅材料在100V/μm的强电场作用下，其折射率的变化值也只有10-4，因此光调制作用非常微弱。而F-K效应所加电场不仅能够导致折射率变化Δn（如图b、c），更能导致吸收的变化Δα（如图d）。在1μm波长处，F-K效应能够导致在20V/μm的电场下，材料折射率达到10-4，当波长延长至1.3μm处，Δn的值有所下降。F-K效应虽然比Kerr效应显著，但其作用仍无法达到足够程度。一种方法是利用硅的热光效应进行热调制，但这种方法对高频率的现代通信来说速度太慢。这些都成为早期硅基光电材料不被看好的原因。
但随着研究深入，人们发现单晶硅材料中的自由载流子色散效应所对应的折射率与吸收变化更大。可以计算得到，在1.55μm波长处，其折射率、吸收系数变化值与自由载流子浓度之间的关系为：
Δn=Δne+Δnh=-8.8×10-22ΔNe-8.5×10-18（ΔNh）0.8
Δα=Δαe+Δαh=8.5×10-18ΔNe+6.0×10-18ΔNh
Δne和Δnh即代表自由电子及自由空穴浓度变化对折射率的变化的贡献，而Δαe和Δαh即代表自由电子及自由空穴浓度变化对吸收系数变化的贡献。
同理，在波长1.3μm处，硅的折射率及吸收系数变化与自由载流子浓度之间存在以下关系：
Δn=Δne+Δnh=-6.2×10-22ΔNe-6.0×10-18（ΔNh）0.8
Δα=Δαe+Δαh=6.0×10-18ΔNe+4.0×10-18ΔNh
图e和图f分别显示了自由电子和自由空穴对光吸收系数α的影响，由图中可知，自由载流子色散效应能够更有效地应用于硅基集成光电调制器。
在基于等离子色散效应的硅基光电调制器中有三种典型的结构设计用于控制自由载流子浓度。（1）载流子沉积型（图g）：一层薄的绝缘SiO2层用于将波导一分为二形成电容结构；（2）载流子注入型（图h）：重掺杂的p和n的区域被波导形成的区域分开，正向偏置引起自由载流子和空穴被注入到该区域；（3）载流子耗尽型（图i）：轻掺杂的p型和n型区域在波导中紧邻并形成p-n结，其耗尽面积随着反向偏置电压越来越大。
三、几种典型光调制设备
利用自有载流子色散效应能够构筑干涉型和共振型的硅光调制器，前者以Mach-Zehnder干涉仪（MZI）为代表，它是通过调制光传输的两臂折射率差以调节相对相位，从而形成相干或相消来实现调制效果，而后者是在器件中引入共振结构，通过材料折射率变化来改变器件共振条件，实现调制效果。
1、集成硅Mach-Zehnder电光调制器
Mach-Zehnderg干涉仪利用电光调制并具有100μm-200μm的超小型长度。器件能够达到的调制优值为VΠ·L=0.36Vmm，调制速率可达10Gb/s，而功率消耗可降低至5pJ bit-1。
MZI干涉原理是基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。MZI 主要由前后两个3dB定向耦合器和与之相连的两个分支波导组成（如图k）。本征硅脊型波导的两侧分别是重掺杂的p型与n型硅作为阳极和阴极（如图l）。其工作原理如下：入射光进入MZI后，经过第一个3dB耦合器将入射光分成两束同相位、等功率的光束并沿两个分支传播，在经过调制区时，由于载流子注入改变了调制器一个臂的光学常数，使该波导上的光束相位发生改变，在第二个3dB耦合器处两光束干涉，发生振幅的叠加或相消。折射系数变化造成移相器相位改变可由下式给出：
其中L是移相器的有效长度，λ是自由空间光波长，Δneff则是波导中有效折射系数变化，也就是波导移相器在电荷积累前后有效折射系数差值。
2、微环共振型硅光调制器
第一个基于微环共振结构的高速硅光调制器在2005年被第一次报道（如图m）。微环的脊波导两侧注入了p-i-n结构，通过正向（注入）或反向（抽取）自由载流子来调制折射率的变化，掺杂浓度（磷和硼）分别为1019cm-3，微环的直径是12μm，脊型波导宽度450nm，高度250nm，而直波导与微环之间间隔200nm。
在波长1573.9nm处，实验发现，只要改变偏置电压0.3V，就能够达到97%（15dB）的调制效果（如图n），且该器件实现了1.5Gb/s的调制速率。
五、结语
Intel 公司于2004 年开创性地将硅基电光调制带宽提高到1GHz以上，越来越多的研究者将目光投向硅基电光调制器的研究。其中，最引人注目的是2006 年Luxtera公司报道了利用0.13μmCMOS 技术研制的20Gb/s全光电集成收发机模块，该芯片主要集成了双通道10 Gb/ s硅基电光调制器、10 Gb/s光电探测器及其各自的驱动电路，这是世界上迄今为止报道的集成度较高的CMOS 光电芯片；2007 年Intel 公司又将硅基电光调制器的调制带宽提高到20 GHz。这两项成果无疑使硅基电光调制器极具竞争实力, 因其与传统微电子集成电路CMOS 工艺兼容这一最大的优势，使得其在低成本、高密度光电单片集成方面更具广泛的应用前景。当然，与其他高速电光调制器相比，硅基电光调制器的调制效率及调制带宽仍偏低，因此要使其能在高速系统中得到商用化仍面临一系列问题有待解决。
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