光电子集成和光子集成器件

2019-11-03 18:10:35

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信息产业部电子44所　张瑞君    光电器件和光电子集成及光子集成（OEIC及PIC）是光电子技术的基础，也是整机性能优劣的标志，所以提高OEIC器件性能水平是发展光电子技术的关键。OEIC的概念于1971年首次提出，多年来一直是热门研究课题。70年代末，OEIC进展取得一系列重大突破，1978年，美国第一次成功研制出无腔面的适合于集成要求的DFB激光器，并将一个0.85　m GaAs激光二极管（LD）和一个GaAs耿氏二极管构成世界上第一个OEIC器件，同时发展了特别适合于异质选择外延生长各种优质光电子器件和高速电子器件的分子束外延（MBE）生长技术，开创了以量子阱、超晶格结构为基础的新一代OEIC器件和的新时代。近年来，光通信系统的大容量、高速化又促进了OEIC的进一步发展。

    OEIC器件可分为光电子集成（OEIC）器件和光子集成（PIC）器件两大类。PIC是现代光电子学的一个重要分支，一门新兴科学。

    OEIC器件为系统集成，是利用光电子技术和微电子技术将光子器件和电子元件单片集成在同一衬底上的单片光电子集成电路器件,主要由LD、发光二极管（LED）、光电二极管（PD）、调制器等光电子有源器件和光波导、耦合器、分裂器、光栅等无源器件，以及各种场效应晶体管（FET）、异质结双极晶体管（HBT）、高电子迁移率晶体管（HEMT）驱动电路、放大器等电子元件构成，其集成方式可以是上述光电器件的部分组合或全部组合。

    PIC是以光电子器件的功能组合集成为主，将光电子器件制备在一个基片上，以实现提高速度、压缩线宽、扩展响应等功能。

    值得一提的是新发展的一种器件——Si基混合集成器件。它是将OEIC和PIC融合在一起，即将光有源器件、光无源波导网络和电学布线都集成制作在一个Si基片上的SiO2基平面回路（PLC）光电电路板上，以获得低成本、实用、多功能的器件。这种混合集成器件在光通信和光计算中有很大的应用潜力。

    OEIC器件通常采用垂直结构和二维水平结构等基本结构。

    垂直集成结构是分别设计光和电子器件结构，将不同的光电器件以垂直块形式一层挨一层地放置，光电器件的外延层是逐次外延生长的，并用绝缘层进行电隔离。这种叠层结构的特点是所有层都能在衬底上用一步或重复生长方法依次生长，并可实现三维集成功能。其优点是：电路简单,生产和制作工艺简单,通过将器件层堆叠提高了实际集成度。缺点是：设计灵活性差,不能实现高速工作,寄生电容大,不易获得好的隔离和绝缘而使互连困难、平面性差所引起的非平面电互连困难、成品率低及不适合于大规模集成，所以较少采用。

    二维水平集成结构是将光器件和电器件水平排列于衬底上，采用一步生长的方法完成集成。该结构的特点是利用了光器件和电器件相同的晶体层一步生长完成集成。其优点是：寄生电容小,成品率高。缺点是加工复杂，由于光器件厚度有5　10　m，比电器件厚得多，易形成台阶，产生细小图形较为困难。

    二维水平结构是OEIC器件最感兴趣的结构形式，它可将单元间的电容耦合降到最低，但由于工艺较为复杂，设计时往往要在分离器件性能方面进行折衷处理。

    1.OEIC器件

    OEIC器件主要包括OEIC光发射机器件、OEIC光接收机器件和光中继器件。

    OEIC光发射机器件

    OEIC光发射机器件是由激光二极管（LD）、发光管（LED）及驱动电路构成,一般有三种集成类型：光源与驱动电路的集成；光源与探测器的集成；光源与驱动电路及探测器的集成。OEIC光发射机器件研究的重点是高速率LD与驱动电路的集成。

    光发射机器件对LD的要求是：低阈值、大功率、窄线宽、模式稳定、高特征温度，并且便于集成。适合OEIC光发射机器件的激光器有以下两种。

    隐埋异质结（BH）和法布里-珀罗（FP）腔条形激光器：其性能好，但阈值电流高可引起热相关问题，并且解理或腐蚀的反射镜面使制作工艺复杂化。

    分布反馈（DFB）和分布布喇格反射器（DBR）激光器：有低阈值电流（Ith）和量子阱增益结构，InP基LD Ith<10mA（　1kA/cm2），GaAs基LD Ith<1mA（　<200A/cm2）。量子阱（QW）LD不仅有极低的Ith，可望在10倍Ith下工作，还有高微分增益和高调制速率，是OEIC光发射器件的理想光源。

    驱动电路的作用是控制通过光源的电流和提供高速调制所需的电功率,有FET、HBT二种。FET输入阻抗高、功耗低、结构简单，HBT有较高的增益特性和较快的响应速度。在GaAs短波长中多采用金属-合金-半导体（MES）FET。在InP长波长中，一般采用金属-绝缘体-半导体（MIS）FET和调制掺杂（MOD）FET。20世纪90年代以来，具有高互阻、高跨导、低噪声的HBT和HEMT逐步代替各种FET成为主流，使OEIC发射器件性能得到极大提高。特别是HBT消除了高栅泄漏电流，并且其垂直几何形状和高速性能很适合高密度集成。

    自OEIC技术诞生以来，主要致力于光发射机器件和光接收机器件的研究，但OEIC光发射机比光接收机的进展缓慢。目前，GaAs基OEIC发射机已接近实用，InP基OEIC发射机正在研究中。1.5　m波长的GaInasp OEIC发射机3dB带宽已达6.6GHz，采用HEMT的OEIC光发射机调制速率达10Gb/s。

    OEIC光接收机器件

    OEIC光接收机器件主要由探测器与电子放大电路（晶体管放大器）构成，将光信号经探测器转换成电信号并经放大器放大处理后输出。要获得高灵敏度、高量子效率的OEIC光接收机,则要提高探测器和晶体管放大器的性能。对探测器的要求是：高速度、高灵敏度、高响应度、低噪声、小电容、易集成；对放大器的要求是：高跨导、高互阻、高电流增益截止频率和最大振荡频率。

    探测器：有雪崩光电二极管（APD）和PIN光电二极管（PD）两种。APD虽有倍增作用，但因频响限制，使用较少。使用最多的是低电容、低暗电流的PIN PD，但它与FET集成较为困难。为适应高速率、宽频带响应的要求，PIN有所改进。目前已制出具有高速能力的金属-半导体-金属（MSM）PD，其电容更低、工艺简单，但暗电流稍大（10nA以上）。还有一种多模波导结构（WG）PD，不仅具有大带宽和高量子效率，而且易于与其它波导器件耦合及与光器件集成，因而倍受重视。

    晶体管：用作放大器的晶体管有FET、HBT、HEMT等。大多采用FET，但由于它本身的缺陷使接收机性能不高，与PIN PD集成较困难。采用改进频带型MODFET虽增加了带宽（最高达18.5GHz）和灵敏度（最高达-19.5dBm）、减少了寄生，但仍难以满足大容量、高速化通信的需要。HBT具有高速、高电流驱动能力，还有高跨导和十分均匀的阈值，并可进行较高密度封装。

    OEIC光接收机的发展趋势是高数字速率和宽频带响应。目前，最新的OEIC光接收机主要由PIN PD和MSM PD与HBT和HEMT组成。GaAs基PIN/HEMT已获得36.5 GHz带宽,40 Gb/s速率,改进后可制成58 GHz带宽的毫米波OEIC光接收机。 MSM PD/HEMT OEIC光接收机的最大带宽达38 GHz。InGaAs/ InP PIN与 InGaAs/InAlAs/InP HEMT 集成的PIN PD/HEMT 光接收机的速率达40～50Gb/s，频带宽达40GHz，可望达60 GHz。若在输入端加半导体光放大器和可调谐滤波器，可获得高灵敏度（-18.5 dBm）、高增益（0.7V/　W）的OEIC光接收机。据预测，这种PIN PD/HEMT OEIC光接收机最佳化设计后速率可望达到100 Gb/s，截止频率可望达到100 GHz。多模WG PD使边入射型OEIC光接收机也获重大突破,将WG PD与分布补偿型HEMT放大器集成,获得了46.5 GHz和52 GHz带宽。

    OEIC光中继器

    OEIC光中继器是将光发射器件、光接收器件和放大电路器件集成在一起，兼有光发射、接收和放大功能。其特点是不必将光信号检波后再放大，而是直接进行光放大。

    已获得在GaAs衬底上制作的PIN PD/FET/BH LD单片集成光中继器，其增益带宽乘积为178MHz。OEIC光中继器的研究重点是1.3　m的光-电-光PIN/FET-FET/LD单片集成。在Si-InP衬底上制作的PIN/FET/LD单片集成光中继器中，光接收和光放大功能由InGaAs PIN PD/FET完成，电光转换功能由FET/LD完成。

    目前正在研制多路OEIC光中继器，已获得28Gb/s速率和-15.5dBm灵敏度。发展目标是将LD、PD、光开关、光复用器/解复用器及几种电子电路集成在一起，可实现OEIC 波分复用（WDM）光中继功能。

    2．PIC器件

    PIC的器件比较多，有无源、有源二大类器件。PIC无源器件有：单纯传输光波的光波导、Y分支波导、耦合器、分裂器、移相器、滤波器、复用器/解复用器、功率均衡器、可变化衰减器、波导光栅器件等。PIC有源器件有调制器、光开关、光源、探测器等。这些器件及专用芯片已应用于或将应用于光信息传输和处理。

    电光调制器和光开关

    电光调制器是利用电子折射和电子吸收机理调制连续发射的激光载波,可实现幅度、相位、频率调制，有纵向调制和横向调制两种。大都采用工艺较成熟的LiNbO3材料制作电光调制器。宽带电光调制器按波导外形结构有Y分支和M-Z干涉仪型两种。该器件优点是：宽带宽,工作电压低,消光性能好,线性动态范围大,阻抗匹配,插入损耗低,高调制度。

    1997年以色列通用微波公司的1.55　m高速LiNbO3调制器(M-Z干涉仪型)获得3dB带宽为40GHz,RF驱动功率低至44～70mW；NTT采用Ti扩散LiNbO3脊形共平面波导电极结构，研制出1.55　m波长的毫米波电光调制器，获得3dB带宽30GHz（电信号）和50GHz（光信号），驱动电压为3.5V。另一种宽带宽型电光调制器3dB带宽70GHz（电信号）和105GHz（光信号），驱动电压为5.1V。其发展方向是波导结构向脊形波导发展，LiNbO3材料向Z切发展，电极由单段向多段发展，提高调制带宽，降低高频驱动电压，带宽目标是40～100Gb/s，驱动电压目标是4V以下，光开关的工作机理与电光调制器类似，可作为电光调制器的极限工作状态的特例，但结构和用途却大相径庭，往往做成阵列，用于光路中对光信号的开通、关断及光信号路径的转换，既可用作光节点间可编程互连，也可用作多路处理器，可大大减少光源和探测器的数量，提高了带宽并降低了成本。光开关也采用LiNbO3材料，有开关速度快（纳秒级）、串音小、插入损耗低、易于制作大矩阵开关。

    目前光开关带宽达5GHz，插入损耗<5dB。8??光开关的开关电压<15V、带宽>500MHz、串音-20dB、插入损耗-8dB。已有256??56光开关矩阵，光开关矩阵消光比达54.4dB，可望超过80dB。开发的重点是提高集成度、降低损耗和成本。

    阵列化PIC器件

    阵列化PIC器件是将同种类型的光有源器件或无源器件按一维或二维结构进行排列制成的器件，即可将LD阵列、PD阵列等与光波导耦合集成在一起。光波导以Si材料为衬底，SiO2为缓冲层。它具有将一维空间信息变为按时间分配的时序信号的功能。

    典型的器件为垂直腔表面发射（VCSEL）LD。这是一种微型F-P激光器，在垂直于p-n结的方向上发射激光，由约10　m的垂直短腔和反射率为99%以上的反射镜构成，有源层直径最小为2　m，发射相干光及发射角小，非常适合于大面积二维阵列集成。该器件性能优于端面发射的LD，驱动电流低、转换效率高（10%）、价廉、多信道、可高密度集成。

    目前美欧各国的PIC发射机已达实用水平，调制速率在20Gb/s。已制作出集成10路LD阵列与合波器、光放大器的芯片和集成10路PD阵列与合波器、光放大器的芯片。还研制出采用InGaAs量子阱和AlGaAs/GaAs反射器的VCSEL PIC发射阵列，这种高性能的可独立寻址的多波长发射器阵列可把多通道信号直接耦合进多模光纤。其工作波长为0.98　m，Ith约为1.7mA，最大输出功率为7.3mW，所集成的8个LD与类似形状的波长选择增强PD阵列结合，可获得每一个信道的响应。目前NEC已制出集成40个发射波长的LD阵列，其目标是集成100个发射波长的LD阵列，以便进行9.5THz超大容量通信。已开发出在光计算机互联网络中有巨大应用市场的4??　32??2元单独寻址阵列。还开发出0.85　m GaAs 1　256线阵器件，目标是开发从短波长移向1.3　m长波长、降低工作电流和电压、开发独立寻址的大面积阵列，预计将来可实现数万　数十万个VCSEL的大面积单片集成器件。

    VCSEL是光通信中革命性光发射器件，被认为是未来数字式光通信中光发射的关键器件之一。阵列化PIC器件已用于WDM大容量通信、并行信号处理和计算机的光互连。在未来DWDM中，高速宽带多波长阵列LD将成为主流。

    目前光接收机已发展到在衬底上切沟槽，把波导、光耦合器和光开关集成在同一芯片上。下一步将研制激光器和相关控制调制电路，以便制出完全集成的光接收机。

摘自《世界电子元器件》

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