光有源器件中的光集成技術演變

光有源器件中的光集成技術演變T 、八—1刖言光集成器件由于其綜合成本低、體積小巧、易于大規(guī)?；匮b配生產(chǎn)、工作速率高、性能穩(wěn)定等等優(yōu)點，早在20世紀70年代就引起了世人的關注和研究。在隨后的三十多年里，隨著光波導制作技術以及各種精細加工技術的迅速發(fā)展，光集成器件正在大量地進入商用，尤其是基于PLC(PlanarLightwaveCircuit)平面光回路的一些光無源器件，如光分路器(Splitter)、陣列波導光柵(AWG)等等，目前已成為光通信市場上的熱門產(chǎn)品。在光有源器件的領域中，盡管世界上一些公司如NEC、Enablence、HoyaXponent公司等早已宣布了一些諸如Diplexer.Triplexer的產(chǎn)品()，但是，和光無源的產(chǎn)品比較起來，由于要將激光器(LD)、探測器(PD)等與一些無源器件集成在一個平臺上，這些有源的集成產(chǎn)品還遠遠未達到大規(guī)模的商用，多多少少在產(chǎn)品上遇到了可能來自以下幾方面的困難：要將相比而言價格高昂的LD和PD，與低成本的一些無源器件集成在一起，本身就增加了加工工藝的復雜性，同時兩者的波導材料不盡相同，因此，集成的難度大大增加；涉及到了有源器件的耦合問題，在高產(chǎn)能的情況下，器件的耦合的成品率是一個關鍵性的難題；集成后的器件的成本依然較高。在一些無源器件如基于PLC的AWG相對而言目前成本還較高的情況下，將LD，PD集成的器件，要大幅度地降低其成本，顯然也會遇到極大的挑戰(zhàn)。圖一一個典型的PLCTriplexer芯片(圖片來自HoyaXponent公司產(chǎn)品說明)綜上所述，時至今日，在有源光器件方面，市場上占據(jù)絕對主流的依然還是采用微光學(MicroOptics)技術的產(chǎn)品。微光學技術，有時也被稱為體形光學(BulkOptics)技術，屬第二代光學器件技術。而集成光器件屬于第三代光學器件技術，在光的形態(tài)上不再是傳統(tǒng)的射線光學，而是波動光學，在技術上和薄膜光學、精細加工等密不可分，毫無疑問代表著未來光器件的發(fā)展方向，只是，要全面取代微光學器件，無論在性能還是成本等方面，仍然任重道遠。2光集成技術在有源器件中的演變趨勢習慣上，光集成的技術流派可以分為三大類：一類是基于硅光平臺 (SiOB，SiliconOpticalBench)的，目前廣為流行的PLC技術當屬同一流派，只是在技術上更進了一步，不需要任何透鏡，并且用光波導替代了空間光路的傳播；一類是基于光子集成回路(PIC,PhotonicIntegrationCircuit)的，主要是光子器件的單片集成(MonolithicIntegration)路線；另外一類是基于光電子集成回路(OEIC,Optical&ElectronicIntegrationCircuit)的，是將光子器件和電子元件集成在一個芯片上。日本的OKI公司開發(fā)了一種稱為–BOSA的集成單纖雙向組件，其中裝在特制的氣密封裝的TO(TransistorOutline)CAN中的有源集成芯片，就是一種典型的基于SiOB的產(chǎn)品，。該集成芯片將微小透鏡、波分復用WDM濾光片等無源器件，與LD、PD等有源器件組裝在了一個基于硅的平臺上，從而在一個TOCAN上實現(xiàn)了單纖雙向功能。該BOSA的結構很獨特，所以其物料很多屬于專門定制，要想將成本做到很低看來需要付出極大的努力。武漢電信器件有限公司(WTD)的40Gb/sPIN/TIA接收組件，屬于國家863的課題，也是基于這種SiOB平臺開發(fā)的。PLC則是目前絕大多數(shù)光集成廠家熱衷于開發(fā)的技術，這些公司包括NEC，Enablence,HoyaXponent,Infinera,OKI,NeoPhotonics等。接入網(wǎng)中PON(無源光網(wǎng)絡)系統(tǒng)所用的核心器件，如單纖雙向組件BOSA(Bi-directionalOpticalSub-AssemblyX單纖三向組件Triplexer，由于降成本的巨大壓力，以及能集成較多的有源、無源元件、市場需求非常強勁等方面的考慮，而成為了眾多公司應用PLC技術的首選產(chǎn)品。圖二基于SiOB集成的BOSA組件示意圖(圖片來自OKI公司產(chǎn)品說明)在基于PLC的集成器件中，倒裝(Flip-chip)技術被廣泛使用，不光LD、PD要倒裝，背光探測器MPD(MonitorPhotodiode)，還有跨阻抗放大器TIA(TransimpedanceAmplifier)也要倒裝，甚至，借助于表面貼SMP(SurfaceMountPhotonics)技術，WDM濾光片、隔離器等也可以“倒裝”到同一平臺上。TOCAN的封裝以及薄膜濾光片TFF(ThinFilmFilter)是傳統(tǒng)光器件的兩大特色?，F(xiàn)在，在PLC的技術中，采用集成封裝后，TOCAN的封裝首先被取代了，接下來的關鍵難題就是TFF的集成。如果仍然采用將TFF外置的技術，那么，波導還是波導，濾光片還是濾光片，也就是說波導沒有WDM濾光功能，這樣，對技術發(fā)展的意義并不太大，因此，新的PLC濾波技術的開發(fā)及應用變得極為關鍵。采用先進的集成WDM技術，可以將WDM濾光片直接嵌入到PLC芯片中，如將一個級聯(lián)的馬赫一曾德干涉儀MZI(Mach-ZehnderInterferometer)和一個色散光橋光柵(DispersionBridgeGrating)組合在一起，集成在一個Triplexer的PLC芯片上，就取代了傳統(tǒng)的TFF()。圖三集成了WDM濾光片的Triplexer的PLC芯片(圖片來自Enablence公司產(chǎn)品說明)將有源、無源的光器件集成在一個芯片上是集成光學界長期的愿望，但這個想法真正實施起來并不容易，因為，LD、PD、調(diào)制器、AWG、波導、濾波器等等，所有這些的襯底材料并不相同，如：LD的材料一般為InP，而波導的材料一般為Si/SiO2或絕緣硅SOI(SiliconOnInsulator)。PIC和OEIC都是為了實現(xiàn)上述愿望而發(fā)展起來的先進的光集成技術，不同之處在于：PIC是將所有的器件(以有源光器件為主)集成在III-V族化合物半導體(多為InP)的襯底上，而OEIC則是將光子器件和電子元件集成在同一襯底(主要為Si基)上，多為系統(tǒng)集成。早在1978年，世界上第一個OEIC的器件就誕生了。總體看來，目前的OEIC可以歸結為兩個發(fā)展方向：一個是Si基的OEIC，采用標準的半導體集成電路的工藝制備，或僅僅對該工藝作微小的修改；另外一個是Si基的混合集成OEIC，將OEIC與PIC融合在一起，制作在一個Si基片上的SiO2基的光電芯片上。有公司利用0.8um的標準CMOS工藝，將LED、Si3N4波導、PD集成在了一個芯片上，實現(xiàn)了Si基的OEIC，其原理圖。圖四一種Si基的半導體工藝OEIC原理圖對于Si基的混合集成OEIC來說，將基于不同襯底的基本器件單獨制作完成后，還存在它們之間的相互連接、融合的問題。但是，換一個角度看來，混合集成的OEIC，又具有允許不同類別的器件分別選擇各自最合適的材料以及最佳的工藝以便取得最好性能的優(yōu)點。因此，Si基的混合集成OEIC在今后有可能會取得長足的進步。3光集成技術的展望雖然目前的有源器件市場以微光學技術封裝的器件占絕對統(tǒng)治地位，但光集成技術的優(yōu)勢是顯而易見的?；赑LC技術的有源器件正在逐漸步入實用化，但從長遠的發(fā)展角度來看，基于OEIC技術的器件則代表了光集成有源器件的未來。PIC技術由于受其應用范圍等限制，正在逐步融入到OEIC的平臺技術中。近年來，Si基的混合集成OEIC受到越來越多的重視。Si半導體工藝經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無論是材料、工藝，還是商業(yè)體系，都已是空前的成熟，因此，舍窕i半導體工藝而刻意追求m-v族化合物半導體的集成，在整個有源光電器件的范圍來講顯然是不可取的;與此同時，光集成也要考慮現(xiàn)實的技術情況：研究表明，Si基材料由于自身材料的一些固有特性，并不適用于用來制作商業(yè)級規(guī)模應用的有源光器件。雖然Si基的PD取得了一些可喜的進展，但無可否認的是，Si基的LD經(jīng)過多年的研究仍然沒有實質(zhì)性的進展，無論是器件性能還是工藝的成熟方面，在相當長的時間內(nèi)將難以逾越m-v族化合物半導體LD。以前，Si基的混合集成OEIC的實際制作工藝一直是相當復雜的，但近來，一些研究機構針對傳統(tǒng)倒裝為基礎的混合集成工藝作了改善，取得了較大進展。其中，最能引人矚目的成果有兩項:第一項是加州大學SantaBarbara分校與Intel公司合作研究的基于晶片(Wafer)級結合的混合集成器件;第二項是比利時根特(Ghent)大學的基于芯片(Chip)和晶片(Wafer)結合的混合集成器件。第一項器件的結構示意，其基本原理是先將未作后加工處理的m-v族化合物半導體晶片與做好了絕緣硅SOI波導的晶片通過膠粘結合在一起，然后再進行有源的后續(xù)加工工序，這樣，可以省掉有源器件與波導之間的耦合這樣一個對很多人來說很棘手的工序。圖五基于Wafer級結合的混合集成器件示意圖第二