光在集成電路中的應(yīng)用

1、光在集成電路中的應(yīng)用一、集成光電子的概念及研究意義21世紀(jì)，人們將邁入一個高度信息化的社會。信息時代的特征是：信息大爆炸、信息傳遞非?？旖?、信息處理十分迅速。其量化的標(biāo)志是三“T”：信息傳輸速度將達(dá)到每秒萬億比特（Tb/s）；基于網(wǎng)絡(luò)高速互聯(lián)的計(jì)算機(jī)在人類活動中發(fā)揮著無與倫比的巨大貢獻(xiàn)，單個計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度將要達(dá)到每秒萬億次（T/s）的量級；超高密度的光存儲技術(shù)將把海量信息濃縮在一片片小小的存儲介質(zhì)之中，單片存儲器的存儲容量將達(dá)到萬億字節(jié)（Tb）。由Tb/s信息傳輸、T/s信息處理、Tb信息存儲所構(gòu)成的三“T”模式將成為人類數(shù)字化生存最顯著的標(biāo)志。由此可見，光電子技術(shù)在未來的信息社會中必將

2、扮演重要的角色，將成為21世紀(jì)科技發(fā)展的基石和支柱之一。而這些都離不開集成光電子學(xué)的發(fā)展。我們說20世紀(jì)是電子世紀(jì)。電是由電子傳導(dǎo)的，電子帶有電荷，電子的運(yùn)動及電信號易受電磁場干擾；電子具有有限的質(zhì)量和慣性，因而電子傳輸信號的速率也受到限制。而光波是波長非常短、頻率極高的電磁波，光子的靜止質(zhì)量為零，因而光傳輸?shù)乃俾蕿楣馑?，非常高；光子又是一種電中性粒子，因此光子的運(yùn)動及光信號不受電磁場干擾。而電子學(xué)的發(fā)展又為我們更好地控制和使用光波奠定了基礎(chǔ)。第一，利用微電子學(xué)中的半導(dǎo)體p-n結(jié)和諧振腔相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生激光，而且這種激光易于用電的方法控制；第二，利用電子學(xué)中的電磁波傳輸原理，發(fā)展包括光纖在內(nèi)的光波

3、導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)光信號的傳輸包括遠(yuǎn)距離傳輸；第三，電子學(xué)在發(fā)展過程中所發(fā)展起來的整套電子學(xué)技術(shù)，包括真空電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和光電-電光轉(zhuǎn)換技術(shù)，架起了電子和光信息技術(shù)的橋梁。凡此種種使得光電子技術(shù)在信息領(lǐng)域的應(yīng)用中迅速發(fā)展且有獨(dú)特的優(yōu)勢。集成光電子學(xué)集中并發(fā)展了光學(xué)和微電子學(xué)的固有技術(shù)優(yōu)勢，將傳統(tǒng)的由分立器件構(gòu)成的龐大的光電子系統(tǒng)變革為集成光電子系統(tǒng)。由光電子學(xué)材料、光電子器件以及光電子器件集成化這三部分內(nèi)容構(gòu)成的集成光電子學(xué)系統(tǒng)具有寬帶、高速、高可靠、抗電磁干擾、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可以被廣泛用于光纖通信、信息處理、傳感技術(shù)、自動控制、電子對抗、光子計(jì)算機(jī)等高技術(shù)領(lǐng)域。集成光電子學(xué)已成為現(xiàn)代光電

4、子學(xué)的一個重要分支，各國從事光電子、光信息系統(tǒng)研究的專家、學(xué)者都意識到了集成光電子學(xué)系統(tǒng)的重要性。采用光纖連接可帶來如下的優(yōu)點(diǎn)：（1） 電磁干擾小。這是因?yàn)樵诠鈱?dǎo)纖維中傳輸?shù)墓庑盘柾ǔ２粫c在其附近出現(xiàn)的電信號相互作用。在彼此鄰近的兩根光纖之間也不會有顯著的耦合。（2） 因?yàn)樵诠饫w中沒有電流流動，不存在電的短路或接地問題。（3） 在易燃區(qū)安全，不像電線或同軸電纜那樣有發(fā)熱及產(chǎn)生花火問題。（4） 傳輸損耗小。光纖的損耗在一個相當(dāng)寬的波長范圍內(nèi)非常小。而雙絞線電纜及同軸電纜的損耗隨頻率增加而迅速增加。（5） 保密性好，難以竊聽。（6） 尺寸小，重量輕。（7） 價格低廉，原材料豐富。制造光導(dǎo)纖維所用

5、的是一種低廉而富的材料，而產(chǎn)生電線所用的銅則是日益稀缺的材料，其成本不斷增加。（8） 帶寬很寬。同樣的傳輸長度，光纖的傳輸帶寬為10GHz甚至更高，而同軸電纜只有50MHz左右。因此，光纖的整個帶寬可以用來同時傳輸許多信號。而且光纖很細(xì)，這就意味著，即使不考慮其他方面的改善，經(jīng)過相同橫截面的傳輸通路，利用光纖可以傳輸?shù)男盘柎蠹s為用同軸電纜的倍。集成光電回路和集成光電子體系比集成電子體系具有更大的優(yōu)越性。雖然計(jì)算機(jī)已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的時代，但計(jì)算速率始終局限在電子學(xué)所能達(dá)到的范圍，而光子計(jì)算機(jī)的理論計(jì)算速率可高達(dá)次/秒至次/秒，存儲容量達(dá)到。它比目前計(jì)算速率最快的電子計(jì)算機(jī)高一百倍

6、到一千倍，存儲容量大一百萬倍。如果用集成光電回路來實(shí)現(xiàn)光信號的邏輯運(yùn)算、傳送和處理，則可制成體積小、速度快、容量大的“全光計(jì)算機(jī)”。光子計(jì)算機(jī)比電子計(jì)算機(jī)有著并行處理、信號互補(bǔ)干擾、開關(guān)速度快、光速傳遞、寬帶以及信息容量極大的優(yōu)點(diǎn)。集成光電回路具有同光纖類似的特征帶寬，而且兩種情形中的載體都是光波而不是電流，這樣就避免了導(dǎo)線固有的電容和電感導(dǎo)致的頻率限制效應(yīng)。在集成光電回路中可以方便有效地實(shí)現(xiàn)將許多信號耦合進(jìn)一個光波導(dǎo)。除了能把許多信號耦合到一個光波導(dǎo)之外，集成光電回路還可以用調(diào)制功能方便地把光信號從某個波導(dǎo)通到另一個波導(dǎo)。這能夠用電光、聲光或熱光調(diào)制等多種方式來實(shí)現(xiàn)。目前，集成光電子學(xué)已初具

7、規(guī)模，并在光通信及光信息處理方面顯示出電子學(xué)無法比擬的優(yōu)越性。不單是比分立光學(xué)元器件系統(tǒng)具有巨大優(yōu)越性，作為一種信息的處理與傳輸系統(tǒng)，與微電子系統(tǒng)相比，集成光電子學(xué)系統(tǒng)也具有其固有的巨大優(yōu)越性。其優(yōu)點(diǎn)可以分為兩個方面：其一是與用集成光電回路代替集成電路有關(guān)；其二則與用光導(dǎo)纖維代替電線或者同軸電纜有關(guān)。集成光電子學(xué)是在光電子學(xué)和微電子學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，采用集成方法研究和發(fā)展光電子學(xué)器件和復(fù)合光電子學(xué)器件系統(tǒng)的一門新的學(xué)科。集成光電子學(xué)的出現(xiàn)是光電子器件和電子器件本身發(fā)展的必然結(jié)果，它的發(fā)展受到了微電子集成電路技術(shù)的啟發(fā)和促進(jìn)。傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)體積大、穩(wěn)定性差、調(diào)整和光束的準(zhǔn)直困難，不能適應(yīng)現(xiàn)代光電子

8、技術(shù)發(fā)展的需求?，F(xiàn)代的光電子技術(shù)中，對于信號的產(chǎn)生與處理的方式與微電子學(xué)不同，這里有兩個重要的改變：首先是用光導(dǎo)纖維代替通常的電線或者同軸電纜進(jìn)行信息的傳輸；其次是使用集成光路取代通常的集成電路。在集成光路上，各光電子學(xué)元件成型在一個襯底上，用襯底內(nèi)部或表面上形成的光波導(dǎo)連接起來。采用類似于半導(dǎo)體集成電路的方法，把光學(xué)元件和電子元件以薄膜的形式集成在同一襯底上的集成光電子回路。這樣的集成器件具有體積小、性能穩(wěn)定可靠、效率高、功耗低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。集成光電子學(xué)是當(dāng)今光電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展前沿之一，它主要研究集成在一個平面上的光電子學(xué)器件和光電子系統(tǒng)的理論、技術(shù)與應(yīng)用，是光子學(xué)發(fā)展的必由之路和高級階

9、段。集成光電子學(xué)以半導(dǎo)體激光器等光電子元件為核心集成起來，并以具有一定功能的體系為標(biāo)志。目前，主要是研究和開發(fā)光通信、光傳感、光學(xué)信息處理和光子計(jì)算機(jī)所需的多功能、穩(wěn)定、可靠的光集成體系和光電子集成體系(OEIC: optical-electronic integrated circuit)；把激光器、調(diào)制器、探測器等有源器件集成在同一襯底上，并用光波導(dǎo)、隔離器、耦合器等無源器件連接起來構(gòu)成的微型光學(xué)系統(tǒng)稱為集成光路，以實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的薄膜化、微型化和集成化。如果同時與電子器件集成，則構(gòu)成復(fù)合光電子集成體系。集成光電子學(xué)的理論基礎(chǔ)是光學(xué)和光電子學(xué)，涉及波動光學(xué)與信息光學(xué)、非線性光學(xué)和、半導(dǎo)體光電

10、子學(xué)、晶體光學(xué)、薄膜光學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、耦合模與參量作用理論、薄膜光波導(dǎo)器件和體系等多方面的現(xiàn)代光學(xué)和光電子學(xué)內(nèi)容；其工藝基礎(chǔ)則主要是薄膜技術(shù)和微電子工藝技術(shù)。集成光電子學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，除了光纖通信、光纖傳感技術(shù)、光學(xué)信息處理、光計(jì)算機(jī)與光存儲等之外，還在向其他領(lǐng)域，如材料科學(xué)研究、光學(xué)儀器、光譜研究等方面滲透。提到“集成”，人們首先想到集成電路(IC: integrated circuit)。毫無疑問，現(xiàn)在和將來的信息化社會，在很大程度上依賴以硅技術(shù)為基礎(chǔ)的微電子學(xué)技術(shù)?，F(xiàn)代微電子學(xué)起源于1947年發(fā)明的晶體管。在晶體管誕生10年后，德克薩斯儀器公司的基爾畢(Kriby)發(fā)明了集成電路。最

11、早的集成電路，只不過是把一個晶體管用導(dǎo)線與幾個電阻等元件連接。被集成的晶體管個數(shù)，到1997年已經(jīng)達(dá)到了1G-DRAM（約個元器件）。現(xiàn)在，集成電路仍然以每3年增加10倍集成度的速度發(fā)展。微電子學(xué)的集成電路之所以取得如此爆炸性的進(jìn)展，是由于充分發(fā)揮了集成化的優(yōu)越性，從最早的去掉焊點(diǎn)提高可靠性開始，經(jīng)過成品率和小型化的提高，從量的擴(kuò)大引起質(zhì)的變化“集成”成為了一種潛力難以估量的技術(shù)手段。目前集成光電子新技術(shù)自然還難以和微電子學(xué)集成技術(shù)相比較，后者已達(dá)到了很成熟的階段。但是，從集成電路的飛速發(fā)展歷程看來，我們有理由期望。在不久的將來，集成光電子學(xué)也會以迅速的速度實(shí)現(xiàn)高集成度、小型化、多功能化的目標(biāo)

12、。目前集成光電子學(xué)也正以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入了迅速發(fā)展的階段。所謂光電子器件，廣義上講是指通過以光電互相轉(zhuǎn)換為主要形式的光效應(yīng)完成信息或能量轉(zhuǎn)換的功能性器件，它是光電系統(tǒng)及其應(yīng)用的基礎(chǔ)，它是光學(xué)和光電子學(xué)與其應(yīng)用之間以及與其它學(xué)科之間聯(lián)系的重要紐帶，因此它對光學(xué)和光電子以及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展起著關(guān)鍵性促進(jìn)作用。集成光電子學(xué)的器件尺寸較大和集成度不高度一是困擾集成光電子學(xué)發(fā)展的一個重要問題。近來，微腔激光器、納米光波導(dǎo)等新技術(shù)原理的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)小尺寸和高集成度提供了理論基礎(chǔ)，使得集成光電子學(xué)進(jìn)入了高速發(fā)展的新階段。2、 集成光電子的集成方式目前已經(jīng)研制成了很多對應(yīng)于體分立光學(xué)元件的各種薄膜波導(dǎo)元件，如薄膜

13、介質(zhì)光波導(dǎo)、薄膜激光器、光耦合光調(diào)制器、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件、存儲器等。包含多個元件的集成也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，例如在同一個襯底上。實(shí)現(xiàn)激光器、光波導(dǎo)、探測器這三種典型元件的集成，多個分布反饋激光器的集成，多個探測器的集成，注入式激光器和場效應(yīng)晶體管的集成等。集成光電子器件目前的集成規(guī)模，按集成的元件個數(shù)大約為幾個到幾百個。雖然不能和集成了上億個晶體管的微電子器件相比較，但是和光學(xué)分立器件相比已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小型化、低成本等技術(shù)飛躍。在光電子學(xué)的目前階段，集成光電子學(xué)的重要性并不一定在于集成的規(guī)模。而且，集成光電子學(xué)不一定需要在一個襯底上集成所有光學(xué)元件；很多應(yīng)用是有限幾種元件的集成，甚至在一個襯底上做同種元件的集

14、成。集成光電子學(xué)器件的集成方式有兩種：器件個數(shù)的集成和功能的集成。1、功能集成 對于光電子學(xué)，所謂功能集成的發(fā)展方向就是通過把不同功能的元件集成在一起，制造出具有新的功能，或者功能強(qiáng)、性能高的器件。在集成電子學(xué)里，集成器件的最初目的是消除因元器件間連接引起的可靠性及其他問題。在光電子學(xué)集成特別是功能集成里，解決連接問題而引起的可靠性問題也是集成化的最初動機(jī)。和電子學(xué)中一樣，伴隨著“連接”問題的解決，可靠性問題也得以解決。分立元器件間的光連接主要用光纖、光波導(dǎo)等傳輸連接方式，以及直接向自由空間輻射光束連接等方法。無論采用哪種連接方法，都需要微米或亞微米級的空間連接精度。這種耦合調(diào)節(jié)需要花費(fèi)大量的

15、時間，而且難以保證連接精度，并使得制作成本加大。采用光電子集成，各光、電元器件間的連接，是通過微電子工藝的光刻技術(shù)及其后續(xù)工藝來實(shí)現(xiàn)并能夠保證其連接精度的，這就可以將有關(guān)連接或耦合調(diào)節(jié)的工作時間大幅度地減少。這不僅可以降低成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性的提高。利用功能集成實(shí)現(xiàn)的集成光電子器件或系統(tǒng)和分立元器件的單純組合相比，集成化更容易實(shí)現(xiàn)小型化，低成本化以及高可靠性的目標(biāo)。此外，光學(xué)系統(tǒng)的對準(zhǔn)和對震動的敏感性等特有問題，在分立器件的光學(xué)系統(tǒng)中是很困難的問題，在集成光電子學(xué)中卻可以很方便得到控制。在同一襯底上集成了半導(dǎo)體激光器和光調(diào)制器的帶有調(diào)制器的集成光源就是功能集成的典型實(shí)例。以帶有調(diào)制器的集成

16、光源（如圖1.1所示）和激光器與隔離器集成（如圖1.2所示）為例，在10Gb/s以上的高速光信號光纖傳輸里，由電流直接調(diào)制引起的半導(dǎo)體激光器的波長不穩(wěn)定即波長啁啾是限制傳輸距離的重要因素。為例解決這個問題，采用外部光調(diào)制器，用光調(diào)制器打開和關(guān)閉直流驅(qū)動的半導(dǎo)體激光器的輸出光。在分立器件的組合中，取單獨(dú)封裝的半導(dǎo)體激光器和光調(diào)制器，把它們用光纖連接在一起（如圖1.1（a）所示）。圖1.1（b）是封裝好的帶有調(diào)制器的集成光源的實(shí)例示意圖。通過圖1.1（a）和圖1.1（b）的對比可以看出，封裝后，對于同一功能，集成的器件尺寸比分立元器件組合要小得多，緊湊的多。另外，對于光電子集成來說，比小型化更重要

17、的可能是低成本化和高可靠性。由于圖1.3所示的激光器與隔離器集成可以隔離半導(dǎo)體激光器中反向傳輸?shù)墓猓岣吡税雽?dǎo)體激光器的性能，實(shí)現(xiàn)了工作的高可靠性。圖1.1 高速光通信的光源及其形成示例圖1.2 半導(dǎo)體激光器光隔離器集成示意圖由于現(xiàn)代通信對通信系統(tǒng)的容量和速率的要求越來越高，為實(shí)現(xiàn)全光波長轉(zhuǎn)換、波長路由等功能，多波長光源和波長可調(diào)諧光源必不可少。多波長激光器可以利用波導(dǎo)光柵路由器和半導(dǎo)體激光放大器陣列進(jìn)行功能集成實(shí)現(xiàn)。波長可調(diào)諧光源可以使用半導(dǎo)體激光器與光纖光柵結(jié)合而產(chǎn)生波長調(diào)諧功能。另外，將半導(dǎo)體激光器、光接收器及輸出光信號和接收光信號的分波器集成在一起的光收發(fā)信號器也是功能集成的重要例子。

18、在本書的后面章節(jié)中，很多器件是利用功能集成實(shí)現(xiàn)了新的功能。2、個數(shù)集成除了功能集成外，還有把多個同樣的光電子元器件集成的所謂個數(shù)集成。作為典型例子，有集成多個半導(dǎo)體激光器或光接收等器件的陣列器件（這稱之為光互聯(lián)），同時并聯(lián)連接到計(jì)算機(jī)或者交換機(jī)等，作為并聯(lián)光輸出的光源或者光接收器使用。在一列上集成十至數(shù)十個元器件時，稱為一維陣列器件；而在一個平面上縱橫集成十至數(shù)十個元器件的，稱為二維陣列器件。圖1.3是陣列器件的示意圖。圖1.3（a）為一維陣列器件，圖1.3（b）為二維陣列器件。圖1.4是一種個數(shù)集成矩陣式光開關(guān)的原理圖。這是把多個輸入光轉(zhuǎn)換成多個輸出光的路由光開關(guān)，是光信息網(wǎng)絡(luò)里不可缺少的器

19、件。在這種矩陣式光開關(guān)里，只是簡單地集成多個轉(zhuǎn)換光通道的元器件，根據(jù)路由光開關(guān)的光路構(gòu)成法則由光波導(dǎo)進(jìn)行各個光開關(guān)間的連接，來實(shí)現(xiàn)多通道的轉(zhuǎn)換。例如，在8通道矩陣式開關(guān)里要集成64個開關(guān)元件并需要用光波導(dǎo)來連接。圖1.3 陣列集成光器件示意圖“個數(shù)集成”的最大優(yōu)點(diǎn)是，把多個同樣的器件集成在同一個基片上，實(shí)現(xiàn)了大幅度的小型化。例如，對于16通道并聯(lián)傳輸用的光發(fā)射器，比較下列二種情況就可以看出上面的優(yōu)點(diǎn)。一種方法是把圖1.2（a）所示的封裝好的半導(dǎo)體激光器組件排列16個；另一種方法是在集成了半導(dǎo)體激光器的半導(dǎo)體激光器陣列芯片上陣列光纖的并列傳輸光源。另外，制作陣列芯片上連接陣列光纖的組件的成本遠(yuǎn)低

20、于制作16個單個組件所需要的成本。所以集成化的低成本也是一大優(yōu)點(diǎn)。“功能集成”的高可靠性來著減少了連接點(diǎn)而導(dǎo)致的高可靠性。在“個數(shù)集成”中，在光集成器件內(nèi)含有多個半導(dǎo)體激光器及光接收器等，所以芯片的自身可靠性比單個器件的可靠性要求更苛刻，因此，這種情況下不能一概而說由集成化帶來高可靠性。在這種并聯(lián)傳輸中，作為光收/發(fā)信號器用的陣列器件，在同一襯底上還集成了驅(qū)動半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電路和放大接收信號的放大器，所以小型化的優(yōu)點(diǎn)更明顯。這些都是光電子集成體系的重要指標(biāo)。圖1.4 矩陣式光開關(guān)示意圖三、光電子集成的途徑在高度信息化的時代，數(shù)據(jù)流量不斷增長，對于處理龐大數(shù)據(jù)流的先進(jìn)的光通信系統(tǒng)的要求也在不

21、斷增加。這些系統(tǒng)要求成本低、功能強(qiáng)的光學(xué)體系；要將傳統(tǒng)的光學(xué)體系建立在由大量組件組成的，含有激光二極管，透鏡，反射鏡、棱鏡與光纖等光學(xué)元器件的基礎(chǔ)上。這些元器件還需要有特殊設(shè)計(jì)的光具座或者載體以構(gòu)成模塊；其組件要通過精密的對準(zhǔn)步驟進(jìn)行監(jiān)控。這個步驟雖然確保了微米或亞微米級的對準(zhǔn)精度，卻復(fù)雜而又耗費(fèi)時間，所以就很難使常規(guī)的光學(xué)體系減少成本。此外，使用微型光纖體系作為高功能器件，如多通道的波長或者頻率選擇器件等，是非常難以實(shí)現(xiàn)的。為了克服以上問題，必須開發(fā)一種新的光學(xué)體系技術(shù)，要求符合以下要求：第一，新的技術(shù)應(yīng)減少光學(xué)體系組裝成本，并適用于大批量生產(chǎn)；第二，應(yīng)用范圍廣泛；第三，通常還希望光學(xué)體系的

22、外形適合于電子組裝工藝，因?yàn)槟壳岸鄶?shù)光學(xué)體系都與電子電路組裝到一起使用。在微電子學(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)成功地提供了功能強(qiáng)大且成本低廉的大規(guī)模集成電路（LSI：large scale integrated circuit）。借鑒微電子學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，光電子集成也把無源或有源光學(xué)元件與電子元件一起集成在襯底或芯片上。光電子集成有兩個途徑。一種是在半導(dǎo)體襯底或光學(xué)晶體襯底上，只經(jīng)過制作工藝，把所有元器件集成在一起的“單片集成”。另一種是用不同的制作工藝制作各部分元器件以后，組裝在半導(dǎo)體襯底或光學(xué)晶體襯底上的“混合集成”。混合光電子集成，廣義上也包括把小的單個光學(xué)與電學(xué)元件用光學(xué)粘接劑固定在一起的光電子器件/回路。表

23、1.1對單片集成和混合集成作出了比較。混合集成可以實(shí)現(xiàn)作為基礎(chǔ)體系的光波導(dǎo)和有源器件較自由的結(jié)合，所以很有可能成為實(shí)現(xiàn)各種功能的光電子集成器件。相反，因?yàn)閱纹捎蒙a(chǎn)工藝來決定一切，所以一旦技術(shù)確定下來以后，可以大幅度地減低成本，與芯片的小型化結(jié)合會有廣泛的應(yīng)用。通常，我們希望能較好地結(jié)合兩種集成形式的優(yōu)點(diǎn)、特點(diǎn)，制作出在光電子學(xué)發(fā)展中起重要作用的器件。表1.1 單片集成與混合集成的比較1、單片集成所有的光電子器件或系統(tǒng)，一般均要經(jīng)過晶體生長、光刻、刻蝕及成膜等制作工藝而制成。一旦制作工藝技術(shù)確定，便可進(jìn)行大批量生產(chǎn)以實(shí)現(xiàn)低成本，是很有前途的集成形式。單片集成的有關(guān)工藝在硅系微電子學(xué)里已經(jīng)很

24、成熟。在光電子學(xué)里，根據(jù)將來的發(fā)展趨勢，對單片集成已進(jìn)行了廣泛的研究與開發(fā)工作。單片集成的一般優(yōu)點(diǎn)由于集成電路和大規(guī)模集成電路而變得眾所周知。集成電路已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的連接技術(shù)開發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)。單片光電子集成曾一度被認(rèn)為可以效仿集成電路的開發(fā)與制作。然而，在純的電子集成與光電集成之間，有根本的不同。對于電子集成，絕大多數(shù)功能都可以在硅芯片上實(shí)現(xiàn)；電子集成的關(guān)鍵部件是晶體管，且集成密度越來越高。而光學(xué)功能的實(shí)現(xiàn)則使用各種不同的材料如半導(dǎo)體，石英玻璃、等。因?yàn)榇蠖鄶?shù)集成光電回路需要一個電源，所以很多單片集成光電回路只能制作在有源半導(dǎo)體材料上。雖然可以采用石英或等無源材料作為襯底，但這時必須設(shè)法用光學(xué)

25、或機(jī)械方法把外部光源（半導(dǎo)體激光器）耦合在襯底上。光電子集成有源材料或材料組分的不同，會表現(xiàn)出不同的能級間隙和不同的折射率。很多情況下光電子集成還要求還要求同時達(dá)到光學(xué)的、光電的、電學(xué)的各種性能。所以，與集成電路和大規(guī)模集成電路相比較，光電子器件的集成顯得更為復(fù)雜。目前單片集成可以達(dá)到的元件個數(shù)、密度也受到限制，這是因?yàn)楣饴吩ǔＲ笠欢ǖ某叽?。例如，波?dǎo)的橫向尺度必須大得足以形成傳播模；某些光路元件（如Y分支或定向耦合器等）要求具有足夠的長度；輸入與輸出波導(dǎo)的間隔應(yīng)大于所連接的光纖的直徑等。此外，光組件最終通常需要采用光纖連接，以便信號輸入輸出。這就要求光纖到單片集成體系的對準(zhǔn)精度很高。因

26、此，鑒于光電子器件在工作原理、所用材料、元器件間連接及應(yīng)用市場規(guī)模等與電子器件說的不同，需要采用與電子器件不同的方法和對策?，F(xiàn)在，集成光電子學(xué)器件多數(shù)處于研究開發(fā)階段，部分單片集成器件研究開始實(shí)用化。 與混合集成相比，單片集成性能更穩(wěn)定，這相當(dāng)于提高可靠性與降低成本。但單片集成需要注意的是，不同的組件安置得相互很靠近的話，需要考慮相互之間的串?dāng)_（電的、光的、熱的）。2、 混合集成在器件制作、裝配技術(shù)基本成熟的條件下，光電混合集成技術(shù)能夠提供各種光體系。當(dāng)今，光通信系統(tǒng)要求各種類型的光體系，它們不僅成本低廉而且功能強(qiáng)大。目前已經(jīng)提出的幾種光接入網(wǎng)方式，它們正隨著實(shí)現(xiàn)所謂的光纖到層（FTTF：fi

27、ber to the floor）、光纖到辦公室（FTTO：fiber to the office）或光纖到戶（FTTH：fiber to the home）的光通信網(wǎng)的目標(biāo)而發(fā)展。成功普及利用這些網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，是找到減少成本建設(shè)的方法。其障礙之一，就是常規(guī)光體系成本較高。此外，隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，通信流量的增長要求有高性能的光傳輸、連接與開關(guān)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)使用波分復(fù)用（WDM：wavelength division multiplexer）和時分復(fù)用（TDM：time division multiplexer）來使其運(yùn)行流量擴(kuò)展到每秒萬億比特范圍。所以，它們需要功能很強(qiáng)的光體系或者光電體系，

28、能用波分復(fù)用和時分復(fù)用處理光信號。這些體系必須提供多方面的功能（如提供光路由開關(guān)與波長選擇，多波長光信號之間的變換）。人們期待混合集成技術(shù)對這些光系統(tǒng)提供微光組件。不僅是較簡單的傳輸體系，而且還有用于光信號處理的多功能的體系，都可以通過混合集成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。圖1.5是混合集成的一個典型例子。這是在硅襯底上形成的，石英系光波導(dǎo)上安裝芯片的雙向光通信用收發(fā)器的圖1.5 一種混合光集成示意圖光器件單元。半導(dǎo)體激光器、接收器等有源器件和搭載它的光波導(dǎo)基礎(chǔ)光路采用不同的工藝制備，分別選擇各自最合適的材料與最合適的器件形式；這也是混合集成的最大特征。其結(jié)果是，大多在研究初期就可以得到滿足實(shí)用化條件的性能。在

29、這個例子中，光波導(dǎo)基礎(chǔ)光路采用了可以制作光波導(dǎo)的石英作為襯底，在其上附上了InP系半導(dǎo)體激光器和光接收器等。有源光器件和光波導(dǎo)間的精密的位置調(diào)整和固定是混合集成低成本的關(guān)鍵。除了上述形式的混合集成光路以外，有的還附裝一些集成電子電路，如在光路上附裝驅(qū)動光路中有源光器件的電路，或附裝放大經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電信號的電路。通過采用非常低成本的集成電路，如Si-IC，可以實(shí)現(xiàn)整體低成本的集成光電子學(xué)器件雖然混合光電集成被認(rèn)為是很有前途的方法，然而在將光有源器件裝配到無源波導(dǎo)襯底上的困難，卻成為它發(fā)展的一個障礙。目前通過平面光波回路（PLC：planar lightwave circuits）平臺的發(fā)展，無

30、源對準(zhǔn)技術(shù)和半導(dǎo)體器件都能適用于混合集成，這個困難正在被克服。圖1.6是具有石英-硅臺平面的所謂平面光波回路平臺基本結(jié)構(gòu)。這種用具有臺面區(qū)域的硅代替常圖1.6 具有石英-硅臺平面的所謂平面光波回路平臺基本結(jié)構(gòu)規(guī)的平坦的硅襯底的平面光波回路平臺由三部分組成：平面光波回路區(qū)、器件裝配區(qū)和電導(dǎo)線區(qū)。在平面光波回路區(qū)中，埋入式二氧化硅光波導(dǎo)形成在臺面硅襯底的基平面上。在平面光波回路平臺上的光波導(dǎo)的傳播損耗很小（<0.1dB/cm）。器件裝配區(qū)含有硅臺面，硅臺面對于光電器件起了對準(zhǔn)面和散熱器的作用。在硅臺面上形成大約厚度為0.5的作為電絕緣層，而在硅臺面上的薄層上面形成的金電極與金錫薄焊料圖形。通

31、過設(shè)計(jì)使光波導(dǎo)區(qū)與光電子器件有源層距焊料表面的高度相同，通過把光電子器件倒置在焊料上，二氧化硅波導(dǎo)和光電子器件可以容易地垂直對準(zhǔn)。在導(dǎo)線區(qū)，導(dǎo)線可做在石英層上，而不是硅襯底上。這是一個優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵诠枰r底上的導(dǎo)線對于高速電信號有很大的傳輸損耗和很大的電容，這主要是由于硅表面的微弱的導(dǎo)電性，這個問題可在平面光波回路平臺中通過在石英層上形成導(dǎo)線解決。所以，平面光波回路平臺還可起到作為對于光電子器件的優(yōu)異的導(dǎo)線基板的功能。圖1.7所示為一個帶有平面光波回路平臺的混合集成的波分復(fù)用收發(fā)機(jī)模塊的配置圖。一個1.3模斑尺寸變換器（SSC：spot-size converter）-激光二極管（LD：laser

32、 diode）和兩個波導(dǎo)（WG：waveguide）-光電二極管（PD：photoguide），其中一個用作接收機(jī)光電二極管而另一個則是監(jiān)視器光電二極管，它們都是使用無源對準(zhǔn)技術(shù)壓焊在平面光波回路平臺上形成的硅臺面上的倒裝焊芯片。平面光波回路平臺包括一個1.3/1.55波分復(fù)用濾波器和一個用于1.3光的Y形波導(dǎo)。含有兩個光纖陣列的光纖體貼在平面光波回路的一個解理面上。圖1.7 一種WDM收發(fā)機(jī)模塊的配置示意圖目前看來，在集成光電子學(xué)技術(shù)中，單片集成和混合集成各有特色，今后將會同時并進(jìn)。包括半導(dǎo)體激光器/光調(diào)制器的單片集成中，半導(dǎo)體激光器今后將繼續(xù)采用分布反饋布喇格光柵和多量子阱等結(jié)構(gòu)，并對諸如

33、阱層厚度、阱數(shù)等結(jié)構(gòu)、性能方面做進(jìn)一步改進(jìn)?；旌霞山窈笾饕抢闷矫婀獠ɑ芈返幕旌瞎饧?，這種集成光電子學(xué)技術(shù)的特點(diǎn)是成本比較低，適于光用戶系統(tǒng)使用。目前日本NTT（日本電報(bào)電話公司）正在對局部設(shè)封止蓋的封頂發(fā)和用樹脂隱埋光器件周圍的澆注法和這些技術(shù)的可靠性進(jìn)行研究。如果這些技術(shù)研制成功，混合光集成器件將會進(jìn)一步降低成本。總之，為了滿足日益增長的各種需求，今后集成光電子學(xué)器件都將繼續(xù)朝著高速、高可能性、小型、多功能、擴(kuò)大集成規(guī)模、提高產(chǎn)量、降低成本等方面發(fā)展。4、 光電子器件1、納米光電子器件： 1.1紫外納米激光器 繼微型激光器、微碟激光器、微環(huán)激光器、量子雪崩激光器問世之后，美國加利福尼

34、亞伯克利大學(xué)的化學(xué)家楊佩東及其同事制作成室溫納米激光器。它在光激勵下，發(fā)射線寬小于03nm，波長385nm的激光。這種氧化鋅(ZnO)納米激光器被認(rèn)為時世界上最小的激光器，也是納米技術(shù)的首批實(shí)際器件之一。由于能制作高密度納米線陣列，所以ZnO納米激光器能開發(fā)許多今天的GaAs器件不可能涉及的應(yīng)用領(lǐng)域。這種短波長納米激光器可應(yīng)用于光計(jì)算、信息存儲和納米分析領(lǐng)域。 1.2 微型激光器2010年左右，蝕刻到半導(dǎo)體上線條的寬度將窄到100nm以下。在這些電路中穿行的將只有少數(shù)幾個電子，因此增加一個或者減少一個電子都會造成很大差異，這就明確地把片制造商放到了量子世界中。 1.3量子阱激光器由直徑小于20

35、rim的一堆堆物質(zhì)構(gòu)成或者相當(dāng)于60個硅原子排成一串的長度的量子點(diǎn)，可以控制非常小的電子群的運(yùn)動而不與怪異的量子效應(yīng)沖突。量子阱激光器是由兩層其他材料夾著一層超薄的半導(dǎo)體材料制成的。處在中間的電子被圈在一個量子平原上，只能夠在兩堆空間中移動。這使得為產(chǎn)生激光而向這些電子注入能量變得容易一些。其結(jié)果是，用較少的能量可以產(chǎn)生較多的激光。 1.4量子點(diǎn)激光器科學(xué)家們希望用量子點(diǎn)方法代替量子線方法來獲得更大的收獲，但是研究人員已制成的量子點(diǎn)激光器卻不盡人意。原因是多方面的，包括制造一些大小幾乎完全相同的電子群有困難。大多數(shù)量子裝置要在極低的溫度條件下工作。甚至微小的熱量也會使電子變得難以控制，并且陷入

36、量子效應(yīng)的困境。但是，最近已制成可在室溫下工作的單電子晶體管。不過很多問題仍有待解決。因此，大多數(shù)科學(xué)家正在努力研制全新的方法，而不是試圖仿照目前的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)量子裝置。 專家預(yù)言，有朝一日數(shù)以十億計(jì)的量子點(diǎn)可能會堆在平常傳統(tǒng)的硅片上，這有望成為一臺尖端的超級計(jì)算機(jī)。這一前景使得量子點(diǎn)激光器成為最熱門的研究開發(fā)課題。 1.5 微碟激光器微碟激光器是貝爾實(shí)驗(yàn)室的Richart ESlusber及其同事們開發(fā)出來的。運(yùn)用先進(jìn)的腐蝕工藝，刻出了直徑只有幾微米、厚度只有l(wèi)OOnm的極薄的微碟。這些半導(dǎo)體碟的周圍是空氣，下面靠一個微小的底座支撐(類似于制造計(jì)算機(jī)芯片 時使用的光刻技術(shù))。由于半導(dǎo)體和空氣的折射率相差很大，微碟內(nèi)產(chǎn)生的光在此結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)射，直到所產(chǎn)生的光波積累足夠多的能量后，沿著它的邊緣掠射出去，這種激光器工作