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集成光电子学的现状与分析摘要集成光电子学是当今光电子学领域的发展前沿之一，随着光电子器件的发展与广泛应用，光电子集成也随即发展起来。而光电子集成也是光子学发展的必由之路和高级阶段。本论文将主要介绍光电集成器件、光电集成材料以及光电集成技术的发展现状及其前景。关键词：光电子器件、光电子集成（OEIC）技术、OEIC光发射机器件、OEIC光接收机器件、光中继器件、GaAs光电子集成技术、InP光电子集成技术、硅基光电子集成技术。一、引言集成光电子学是当今光电子学领域的发展前沿之一，它主要研究集成在一个平面上的光电子学器件和光电子系统的理论、技术与应用，是光子学发展的必由之路和高级阶段。集成光电子学以半导体激光器等光电子元件为核心集成起来，并以具有一定功能的体系为标志。目前，主要是研究和开发光通信、光传感、光学信息处理和光子计算机所需的多功能、稳定、可靠的光集成体系和光电子集成体系(OEIC:optical-electronicintegratedcircuit)；光学器件与电子器件集成在一起，则构成复合光电子集成体系。光电子集成（OEIC）技术和光子集成技术是光电子技术的基础，自从20世纪光电子集成的概念被提出以后，光电子集成技术的发展已经取得了一系列重大的突破。随着光电子集成器件的发展，其制造工艺不断向着简约化、标准化、系列化和自动化发展。集成光电子学的理论基础是光学和光电子学，涉及波动光学与信息光学、非线性光学和、半导体光电子学、晶体光学、薄膜光学、导波光学、耦合模与参量作用理论、薄膜光波导器件和体系等多方面的现代光学和光电子学内容；其工艺基础则主要是薄膜技术和微电子工艺技术。集成光电子学的应用领域非常广泛，除了光纤通信、光纤传感技术、光学信息处理、光计算机与光存储等之外，还在向其他领域，如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面渗透。二、典型的光电子器件简介[1]1、有源器件1)半导体发光二级管LED（lightingemittingdiode）早期的光纤通讯使用过LED作为光源。现在LED仍然广泛应用于许多领域，如大屏幕显示、交通指示灯等等。LED是基于半导体有源区材料自发辐射的光源，结构简单，制作方便，但是频谱很宽，且光束方向性差，功率小。2)半导体激光器LD（laserdiode）发展到今天，半导体激光器已经成为光纤通信系统的必选光源。它具有很多优势：体积小，功率转换效率高，激光单色性好，调制速度高。半导体激光器波长目前已经覆盖了从360nm到几十um的范围。半导体激光器的基本结构如图1。3)半导体光放大器SOASOA的结构几乎和LD相同，其本质区别在于SOA的两个端面都是完全抗反镀膜，即SOA没有谐振腔。由于不存在光的端面反馈，所以光在器件中以行波方式通过。SOA可用于宽带放大，3dB带宽可达40—50nm。虽然掺饵光纤放大器的出现限制了SOA的应用，但是SOA仍具有很强的优势：体积小，价格便宜，宽带放大，可用于制作光开关及列阵等。4)半导体光调制器半导体光调制器可分为强度调制器件和相位调制器件。由于目前光纤调制系统主要采用强度检测方式，所以强度光调制器占有绝大多数的份额。半导体强度调制器主要有两种，利用量子限制的斯塔克的电吸收调制器件和Mach-Zehnder（M-Z）型光调制器件。无外加偏压时，电吸收型调制器的吸收峰处于被调制光波长的短波长方向，光波吸收较少；外加反偏压时，电吸收型调制器的吸收峰向长波长方向移动，使被调制光的吸收增大。M-Z型光调制器有两个波导臂，其中一个加有电极，当电极加上电压后，这个臂上波导的折射率会发生改变，通过该臂的光的相位会发生变化。M-Z型光调制器结构示意图如图2所示。2、无源器件1)半导体光耦合器半导体光耦合器主要用于光功率分配，常用的耦合器有星型耦合器和基于多模干涉的耦合器，后者的耦合效率较高。2)复用/解复用器件基于半导体材料的复用/解复用器件主要有三种。一种是利用多层介质膜滤波器制作的复用/解复用器。第二种叫做曲面平面光栅，最后一种叫阵列波导光栅。3)半导体光开关在WDM光纤网络系统中光开关是非常关键的器件。目前有热光开关、M-Z型电光开关、基于SOA的光开关以及基于微光电机系统的光开关。图1半导体激光器的基本结构图2M-Z型光调制器结构示意图三、光电子集成技术目前集成光电子学的主要研究领域是是研究和开发光通信、光传感、光学信息处理和光子计算机所需的多功能、稳定、可靠的光集成体系和光电子集成体系(OEIC:optical-electronicintegratedcircuit)。把激光器、调制器、探测器等有源器件集成在同一衬底上，并用光波导、隔离器、耦合器等无源器件连接起来构成的微型光学系统称为集成光路，以实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化。如果同时与电子器件集成，则构成复合光电子集成体系。集成光电子学的理论基础是光学和光电子学，涉及波动光学与信息光学、非线性光学和、半导体光电子学、晶体光学、薄膜光学、导波光学、耦合模与参量作用理论、薄膜光波导器件和体系等多方面的现代光学和光电子学内容；其工艺基础则主要是薄膜技术和微电子工艺技术。集成光电子学的应用领域非常广泛，除了光纤通信、光纤传感技术、光学信息处理、光计算机与光存储等之外，还在向其他领域，如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面渗透。目前在光电子集成技术领域研究最多的是GaAs和InP光电子集成技术，另外，Si材料也是制作光电子集成器件的理想材料。对光电子集成器件的研究主要集中在OEIC光发射机器件、OEIC光接收机器件和光中继器件。随着光通信、光信息处理、光计算、光显示等学科的发展，人们对具有体积小、功耗低、工作速度高和高度平行性的光电子集成技术越来重视，同时，材料科学和先进制造技术的进展使它在单一结构或单片衬底上集成光学、光/电和电子元件成为可能，并构成单一功能或多功能的光电子集成电路。光电子集成电路由激光二极管(LD)、发光二极管(LED)、光电二极管(PD)、光调制器等光电子有源器件和光波导、耦合器、分离器、光栅等光无源器件以及诸如各种场效应晶体管、异质结双极晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、驱动电路、开关、放大器、再生器和复用／解复用器等电子元件构成。光电子集成[2]根据材料划分有GaAs光电子集成、InP光电子集成、Si光电子集成。光电子集成器件主要有OEIC光发射机器件、OEIC光接收机器件、光中继器件。OEIC的制作工艺现有的主要有分子束外延（MBE）、化学束外延（CBE）、金属有机化学汽相淀积（MOCVD）、金属有机汽相外延（MOVPE）等晶体生长技术以及一些亚微米级微加工技术。光电子器件和电子器件集成在同一衬底上通常采用两种方法。其一是分别设计二者的层结构，并用一步或重复生长的方法依次生长于衬底上，形成垂直结构。其优点是：电路简单，生产和制作工艺简单，通常将器件层堆积以提高集成度；其缺点是：设计灵活性差，不能实现高速工作，寄生电容大，不易获得好的绝缘性，平面性差，成品率底以及不适合大规模集成。其二是将两者水平排列在衬底上，形成二维水平结构。其优点是：寄生电容小，成品率高；其缺点是：加工复杂，由于光器件厚度相对电器件要厚，易形成台阶，产生细小图形较为困难。1、不同材料的光电子集成技术1)GaAs光电子集成光纤光发射机OEIC是GaAs光电子集成中最代表性的器件，这类光发射机是在GaAs衬底上集成光有源器件和用作激光二极管的驱动电路。在GaAs衬底上集成一只AlGaAs异质结激光二极管（BHLD）和两只金属--半导体场效应晶体管（MESFET）。两只MESFET的作用是控制通过激光器的电流，其中一只提供维持激光器在阈值以上工作的偏流，另一只提供激光器直接调制输出的调制电流。两个电流独立受控于MESFET的栅压。GaAsOEIc光接收机最近虽然少有提及，但就其性能而言，大大超过Si、SiGe基器件。GaAs基短波长OEIC光接收机一般采用MSM—PD与各种FET或HEMT互阻抗放大器结合的形式，这种设计可以利用MSM—PD的低本征电容和互阻抗放大器的宽动态范围特点。早在1988年，MSM／MESFET就获得了5GHz以上的带宽，1993年带宽达到11GHz。由于MODFET可对高速载流子进行有效调制并能减小寄生因素，1992年MSM—PD与MODFET结合接收机带宽超过8GHz的带宽。1991年MSM／HEMT光接收机，也成功地实现8GHz带宽、10Gb/s的工作速率。2)InP集成电路具有1.3um和1.55um波长范围输出和接受的激光二极管和光电二极管通常是由在InP衬底上生长的窄带隙四元化合物InAlGaP和三元化合物InGaAs所构成。遗憾的是，由这些材料构成的MESFET因较低的肖特基势垒，造成高的栅泄漏电流。因此，InGaAsP/InP的OEIC不宜使用MESFET。异质结双极晶体管（HBT）是InPOEIC最理想的电子元件。HBT与MESFET不同，它具有一个叠层排列的发射极、基极和集电极组成的垂直几何形状结构。鉴于InPOEIC光发射机和HBT结构的各层连接方式，由于跨接基极/发射极异质结产生一正向偏压，而集电极/发射极异质结经受一反向偏压。因此，当一小电流流经发射极/基极电路时，便在经基极的发射极/集电极电路中产生一个相当大的电流。HBT不仅消除在InGaAsP/InP系统中因高栅泄露电流的问题，而且它的垂直几何形状和高速性能很适合宽带FO通信器件的高密度集成。除HBT之外，其他类型的FET，如金属—绝缘体—半导体FET、高电子迁移率晶体管（HEMT）和调制掺杂FET对InPOEIC也是有价值的。InPOEIC另一个领域是光接收机。OEIC接收机具有低寄生参数、低成本和高可靠性的优点。以前由于实现在同一芯片上同时制作高质量的光、电器件的复杂性掩盖了这些优点,但是最近优异的研究结果表明已经不是以前的状况了。目前人们选择OEIC的其它主要原因还在于接收机的数据传输速率和带宽大于或等于10GHz，OEIC阵列。后者如果同作为输入的光纤阵列相结合的话,可以使得所有的光纤同所有的OEIC光电探测器同时对准，这意味着同以前一个一个光纤对准的方法相比具有更有效率的组装方法,因而降低了封装成本。这类接收机组合光电探测器和用做放大及信号处理的电子线路。适合OECI的光电探测器有两种，一种是p一i一n光电二极管，另一种是金属一半导体一金属(MSM)光电二极管，都具有高速工作的能力。在InP衬底上集成的p一i一n光电二极管(PD)和异质结双极晶体管(HBT)是一种垂直集成的OEIC光接收机。它的制作程序很明确，首先在nIP衬底上生长PD的半导体层，然后再生长HBT的半导体层。生长结束后，选择刻蚀出PD和HBT。最后，淀积接触金属层和用做隔离的聚酞亚胺膜。PD和HBT之间的电连接是通过分离的金属淀积实现的。3)Si基光电子集成在硅材料[3]上发展起来的集成电路对电子计算机等科技的发展起了关键的作用。利用适当的信号处理电路将激光二极管和光电探测器单片集成在GaAs基片上形成高级集成电路互联的集成光电子接自比混合或电子互联优越得多。除了结构紧凑、高可靠性外，集成光电子学提供了高速和低噪声特性，因为减少了与连接导线和焊接点相关的寄生电容和电感。但是硅集成电路受到尺寸的硅质材料中电子运动速度的限制，使它很难满足发展的要求。如果能在硅芯片上引入光电子集成技术[4]，用光波代替电子作为信息载体，可大大增强信息传输速度和处理能力。由于硅材料的发射率低，国外的研究人员提出和研究了多种硅基材料，如掺饵硅、多孔硅、纳米硅、硅基异质外延、超晶格和量子阱材料等，并取得了一些成果。例如Tsybeskov[5]等人和Hirschman[6]等人采用硅微电子工艺将双极晶体管和多孔硅发光管集成在一个硅片上。目前，研制硅基[7]单片光电子集成回路（如图3所示）所采用的主要工艺是SOI工艺和CMOS工艺。其中，COMS工艺与超大规模集成电路相兼容，工艺成熟，适宜大规模生产，但是要实现高效的光电子器件比较困难；而SOI工