光电子集成

光纤通信技术术语

光电子集成是把光器件和电子器件集成在同一基片上的集成电路，简称OEIC。

历史

光电集成概念提出至今已有二十多年的历史。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、重量轻、工作稳定可靠、高速工作和高度平行性的光电子集成产生浓厚的兴趣，加之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/电和电子元件称为可能，并构成具有单一功能或多功能的光电子集成电路（OEIC）。OEIC的发展如同集成电路(IC)一样，先是从分离的光学、电子元件和简单功能的OEIC开始，而后再到多功能的超大规模的OEIC开始，例如，有源矩阵液晶显示（LCD）就是一种有代表性的大阵面OEIC。在这样的OEIC中，集成成千上万个电/光空间光调制器和成千上万只晶体管。这里所说的OEIC是指利用光电子技术和微电子技术将光电器件和电子元件集成在同一衬底上构成的单片光电子集成电路，包括光有源器件（如激光二极管、光电二极管、光调制器）与光无源器件（如光波导、耦合器、分离器、光栅）和电子元件（如场效应晶体管、双极晶体管、驱动电路、开关、放大器、再生器和复用/解复用器）。集成方式可以是上述光/电元件的部分组合或全部组合。

简介

按功能分主要有电光发射集成电路和光电接收集成电路。前者是由电光驱动电路、有源光发射器件、导波光路、光隔离器、光调制器和光开关等组成；后者是由光滤波器、光放大器、光-电转换器以及相应的接收电路和器件集合而成。

类型

光电子集成电路从结构上可分为单片集成型和混合集成型两类。

前者是把光和电功能的器件都集成在单片上；后者则侧重光学元件的集成，然后再引入相应电路的电子器件。

优点

光电子集成电路的优点是器件之间拼接紧凑，既能减弱因互连效应引起的响应延迟和噪声，从而提高传递信息的容量和高保真度，又能使器件微型化，便于信息工程的应用。

模块

用分立器件的管心集成称为混合集成OEIC模块；把光和电的元器件做在同一块半导体基片（如GaAs或InP）上，称单片集成OEIC组件。OEIC是集成光电子学系统的核心部件。20世纪90年代初混合集成较成熟，已有产品，单片集成尚属探索研制阶段，它代表未来的发展方向。光器件可以是激光器、发光二极管、光调制器、光放大器，光开关、光耦合器、光波导、光分/合束器及各类列阵等；电器件包含与光器件相搭配的驱动电路、控制电路、放大电路和其它电路等。集成减小了寄生电感和电容的影响，使组件和模块的调制速率大幅度提高、噪声降低很多，可靠性明显改进，只要设计和组装合理，各种功能的混合集成模块原则上都可实现。单片集成OEIC组件工艺难度很大，需要解决多种类型器件的工艺兼容性。单元结构的优化设计、不同层次的接点连结和降低功耗等。由此发展了许多相关工艺，如超晶格、量子阱结构材料生长、可变周期光栅、聚焦离子束扫描注入以及干法刻蚀等。

能供光纤通信使用或试验的OEIC有光发射器、光接收器和光中继器；l6：1/1：16时分复用及解复用组件；供光交换试验的多量子阱自电光效应（SEED）16×32光开关列阵；高集成度四路光开关由四路光发射器、四路光开关列阵加四路光接收器组成。正在致力研制的有光外差接收机组件（包含可调谐稳频激光器、光电控制器、波导定向耦合器、光频差分放大器及中频放大器等）和多信道频分复用组件（发射部分需集成多支不同频率的激光器并通过合束器汇集到集总波导里；接收部分需有光滤波器把不同信道的光分别取出并进入各自的分支波导）。

OEIC与IC的区别

OEIC与IC的重要区别在于，，OEIC除控制不同元件之间电子流动的功能外，还必须控制光子的流动。通常把使用半导体材料来控制光子流动的OEIC归入光子集成，把使用介质材料来控制光子流动的OEIC归入光学集成。OEIC的成功在很大程度上取决于所用材料和工艺，目前研究最多的材料是GaAs和InP。这些材料不仅具有良好的电光特性，既可用于制作光电器件，又可用于制作高速电子电路。此外，Si材料也是想望的材料，这种材料唯一的缺点是它不是理想的光电材料，很难用它制作光有源器件。目前，使用先进的工艺手段，如分子束外延(MBE)、金属有机化学气相淀积（MOCVD）和聚焦离子束微加工已能满足制作OEIC的要求。本文讨论涉及有关OEIC材料及工艺的若干问题，并讨论OEIC的潜在应用前景。

6.1 GaAs OEIC

最有代表性的GaAs OEIC是光纤(FO)光发射机OEIC，这类光发射机是在GaAs衬底上集成光有源器件(如激光二极管或发光二极管)和用做激光二极管的驱动电路。在GaAs衬底上集成一只ALGaAs隐埋异质结激光二极管(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阀值以上工作的偏流，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。这种OEIC设计是非平面的，这种结构的OEIC限制通过光刻可得到的最小特征尺寸，使电子线路的速度首先。因此这种OEIC光发射机的频响限制在几个GHz以下。想要获得高速工作的OEIC光发射，应采用平面型结构，这时应该将生长激光器位置的沟道通过刻蚀工艺将其降至到衬底里面，使最终生长的激光器层的最上层高度大体与MESFET顶层高度一致。迄今为止，实现高速工作的GaAs OEIC的工艺已成熟，并能满足CD-ROM和第一代FO发射机的要求。

6.2 InP OEIC

具有1.3μm和1.55μm波长范围输出和接收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思远化合物In-GaAsP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In-GaAs/InP的OEIC不宜使用MESFET。异质结双极晶体管(HBT)是InP OEIC最理想的电子元件。HBT与MESFET不同，它具有由一个叠层排列的发射极、基极和集成电极组成的垂直几何形状结构。鉴于InP OEIC光发射极构形和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相当大的电流。由于激光器与OEIC中的HBT的集电极相连接，因此通过调节HBT的发射极/基极电路的电流便可调节通过激光器的电流。

HBT不仅消除在InGaAsP/InP系统中因高栅泄漏电流的问题，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(MIS-FET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)和调制掺杂FET(MODFET)对InP OEIC也是有价值的。

尽管隐埋异质结构和法布里一拍罗(F-P)腔条形激光器具有很好的性能特性,但是解理的或腐蚀的反射镜面不仅使制造工艺复杂化,而且高的阐值电流还可能引起热相关的问题。一种较好的解决办法是使用分布反馈(DFB)和分布Bragg反射器(DBR)激光二极管,这类LD具有低的闭值电流和量子阱增益结构。此外,对高密度OEIC来说,低电流的垂直腔表面发射LD(VCSEL)是最理想的选择,在光计机互连网络中有巨大的应用市场。nIpOEIC另一个领域是光接收机。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nIP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。OECI光接收机也可采用水平集成构形,为解决各集成元件厚度的差异可采用预先腐蚀出沟或阱,而后在沟或阱上生长PD的半导体层,或者使用离子注入或扩散技术,使较厚的器件层沉没到预先的生长层中。然而,最直接的解决办法是使用平面光电二极管。遗憾的是MSMPD不能工作于窄带隙的nIGaAs/nIP系统。

6.3 SI OEIC

Si OECI一直是人们想望的OEIC,它的内容包括在Si衬底上制作出诸如Si的光波导、调制器、光开关、光发射器和光探测器,并构成具有功能作用的OEIC。1.3、1.6拜m波段的SIOEIC最引人注目。一旦这个设想获得成功,不仅可以解决大规模IC和OEIC之间存在的工艺兼容性问题,而且还解决它们之间的互连性,这对未来的高速信息处理、光计算和FO通信无疑有着极大的吸引力。但是要实现全Si的OECI,并非是件容易的事,问题的关键在于Si不是理想的光电材料,它不能呈现出线性的电光效应,很难用它制作出光的有源器件。

众所周知,Si是一种间接带隙材料,它阻止导带的电子与价带的空穴有效辐射复合,室温下电学注入1醉、105个载流子只能产生一个光子,即使在77K下也只能提高4倍的效率。已进行的研究表明,要克服低效率的限制,可以通过K守恒选择法则,强制性地给出带一带间的转换,这就是首先必须确定出Si中引入的杂质中心,以产生有效的亚带隙光发射。较有成效的研究是在Si中引入激活的光学转换杂质,且这种光学转换杂质的浓度必须相当的高。其中一种方法是使用等价的m族杂质来形成辐射的络合物,这种方法为红外波长Si发射器件开辟了一条道路。今后的工作是要提高其发光效率和辐射工作的温度。

完全集成的OEIC

所谓完全集成的OEIC是指该OEIC不仅具备控制不同元件间的电子流动的能力,而且具备控制光子流动的能力。控制光子流动的路径是光波导。如果将带有增益源和吸收介质的光波导称之为有源光波导,那么单纯传输光波的光波导则称之为无源光波导。我们把无源和有源光波导组合的OEIC称之为完全集成的OEIC。这里介绍两个为光纤通信而设计的完全集成的OEIC。一个是四路波分复用扭xWDM)的可调谐发射机。它由四个集成的多量子阱(MQW)DBR激光器组成,通过四个无源波导将四个激光器的光输出传送到MQW光输出放大器。为了达到波长调节和直接强度调制的目的,使用直接淀积在激光器结构上的分离控制电极。另一个是用于相干光纤通信的平衡外差接收机,它由无源的隐埋凸条波导、定向藕合器、MQW光电二极管和作为本机振荡器的MQWDBR激光器组成。为了达到调节波长和本机振荡器与入射光信号间的固有外差的目的,使用分离控制的Bragg反射器和相位部分装备MQW激光器。通过改变淀积到前、后Bragg反射器上电极的电压实现波长调节。同样,通过改变激光器相位部分上电极达到改变隐埋波导折射率的目的。通过另一电极的电/光控制,在定向辆合器上实现本机振荡器输出光和输入信号光的混合,然后通过隐埋光波导将来自栖合器的外差光引进到两个光电探测器中,将光信号转换为进一步电学处理的电信号。

OEIc的应用前景及存在的技术问题

OEIC的应用领域主要有两大类,一是信号传输,二是信号处理。在信号传输中,第9卷第6期光电子技术与信息996年月又可分为强度调制直接探测MDD)传输系统和相干传输系统。在信号处理中,又可分为开关系统和计算系统。IM/DD系统要求OEIC具备发射/探测、调制、波分复用和开关的功能;相干传输系统要求OEIC具备发射/探测、频分复用(FDM)、偏振控制和频率控制的功能。开关或计算系统要求OEIC具备发射/探测、波分复用、开关和存储的功能。由于OEIC的固有平行性、抗扰性和高速性使其还有许多应用领域,如平板显示和光存储。许多商用CD唱机目前加进完全集成的光电读出头,该光电读出头可以完成激光二极管、束分裂光栅、非涅尔聚焦光学、波导和光电二极管的组合功能。对OEIC来说,最具爆炸性影响的应用将是光计算机,下一代的光计算机将大量依赖光子开关、逻辑电路和大量平行光互连的

二维和三维的集成。要实现上述系统和功能,OEIC还必须解决以下儿个技术问题:.

实现亚微米量级的刻蚀技术,以减少光学器件和电子器件之间的高度差和间隔。

.解决光源的集成化问题。

·解决光学和电子器件间的工艺相容

性。

·提高成品率,克服制造和大批量生产

的困难。

·解决热隔离和电隔离间题。

·提高光藕合效率。

前景

OEIC技术已开始进入电子工业各领域,使电子工业出现一个大的技术革命。它的作用如同晶体管、CI对电子工业的影响。下个世纪将是光电子技术主宰电子工业的时代,包括通信、信息处理、显示、光计算将会出现一个崭新的面貌。

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