| 单词 | 光集成与光电子集成 |
| 释义 | 【光集成与光电子集成】 把发射或者接收光信号的有源光子器件与无源波导器件(如分支器、耦合器、滤波器及光开关等)集成在单块半导体衬底上，即称为光集成(PIC)；把发射或者接收光信号的有源光子器件与处理电信号和控制光子器件的电子电路制作在单块半导体衬底上，即称为光电子集成(OEIC)。目前研制的光集成不包含电子器件和电子电路，所以又称全光集成。而光电集成也不包含无源波导及光互连问题，即目前只侧重于光发射端机和光接收端机的集成。但从发展趋势来看，它们将互相结合，将各类有源光子器件(激光器、发光二极管和探测器等)、光子控制器件(调制器，光开关等)、光子无源器件(光波导、耦合器、滤波器等)以及处理电信号(存储、放大、复用等)、控制光子器件的电子电路(驱动器、调制器等)制作在同一半导体衬底上，成为理想的光子电子集成电路。随着MOCVD、MBE等外延技术和纳米加工等相关工艺技术的进步，这一设想不久将成为现实。 无论是光集成还是光电集成都是发展超高速光纤通信、光计算机、光互联、光学宽带综合业务数字网以及光传感技术等的关键技术。光集成和光电集成块将使这些系统实现超高速、低噪声、多功能、低功耗、高可靠和低成本，从而改变通信产业面貌，改变传统产业的面貌并走向家庭，改变人们的生活方式。1969年米勒(MilLER)首先提出了“集成光学”(IO)的概念，指出集成光学可在无源衬底和有源衬底上制作。1971年亚力夫(Yariv)提出半导体衬底上制作的“集成光电子电路”(IOEC)的概念，并率先于1978年在半绝缘GaAs衬底上实现了一个激光器与耿氏(Gunn)二极管的集成。1983年哈亚什(Hayashi)将此类集成器件命名为“光电子集成”(OEIC)。半导体光电器件一出现，各国科学家就开始将注意力集中到光子器件与光子器件的集成(如半导体激光器阵列，半导体光源与探测器的集成等)和光子器件与微电子器件的集成(如PINFET)前置放大器，激光器驱动模块等)。单片光电集成和光集成不仅大大提高了整个光电系统的可靠性，大大减小了系统的体积和重量，更重要的是将大大提高光电子电路的工作速率和工作频率，使光电系统达到分立器件难以达到的高性能水平。70年代，光电集成(OEIC)是在砷化镓基底上制做的。主要应用于短波长(0．85μm)光纤通信系统。80年代初，随着长波长(1．3μm，1．55μm)光纤通信的迅速发展，磷化铟基的光电集成受到重视。1980年勒西(Leheny)等制做出第1个长波长光电集成接收器，它包括一个探测器和一个结型场效应晶体管。同时，克兹(J．Katz)制成了离子注入条型激光器和异质结双极晶体管的横向集成。早期研究者多采用液相外延技术。有的在低阻衬底上采用化学腐蚀挖槽的器件隔离方法，也有的生长一层高质量半绝缘外延层实现器件隔离，但更多采用的是半绝缘单晶衬底上的横向集成。哥拉奥斯(H．Grothe)在n型磷化铟上实现了晶体管与发光器件的纵向集成，但由于分布电容大，响应速度慢，不利于多器件的进一步集成，故在OEIC上很少使用。随着分子束外延技术(MBE)和金属有机化合物化学气相淀积技术(MOCVD)的出现和发展，光集成与光电集成均普遍采用这两种外延技术，不仅大大提高了异质结材料的结构精度和光电器件性能，而且大面积平整的外延表面有利于集成度的提高。更值得重视的是，这类原子级薄层外延技术，实现了量子阱和超晶格等量子化能带结构，出现各种新型量子化光电器件，提高并丰富了光电集成的功能和应用。光电子集成的另一重要发展方向是利用复合材料，将具有不同特点的半导体材料利用各种新技术“组合”在一起，分别发挥各自优点，共同实现集成化功能。例如，利用硅材料成熟的大规模集成工艺，利用砷化镓场效应器件的高频高速低噪声性能，利用磷化铟系光电器件的波长优势，组合成高速率、大规模集成的光电集成电路。80年代后期，硅基上生长砷化镓和砷化镓上生长磷化铟系合金材料取得令人瞩目的进展。1986年洪(K．Hong)等首先研制了硅衬底上的短波长(0．85μm)集成发射器。随之出现了砷化镓发光管与10只硅晶体管的单片集成发射器。1987年苏兹凯里(A．Suzuki)用MBE研制出第1个磷化铟／砷化镓复合材料长波长光接收器。1989年舒美兹(A．Shimizu)在半绝缘砷化镓上制做出具有长波长光电探测器和3级放大电路的集成光接收机，探测器用MOCVD，微电子器件用MBE，该机性能优于单一材料的单片集成光接收机。复合材料光电集成有着很好的前景，随着复合技术的完善，必将发展出集成密度高、功能完整、高速率的新一代集成化光端机。光电集成的关键是光子器件与微电子器件的共容结构设计。科学家们采用不同类型不同结构的微电子、光电子器件进行集成试验，目的就在于寻找最佳组合，使其既能保持各种器件的高性能又能提高集成度。1984年夷特欧(M．Ito)将金属肖特基光电探测器(MSM)与砷化镓场效应晶体管集成在一起。这种叉指栅平面探测器的结构层次与场效应管相同，金属电极在制做晶体管栅金属时同时完成。光电器件与成熟的砷化镓场效应管集成技术结合成功地研制了短波长光接收机。随着技术的完善，1988年哈德(Harder)制出了带宽5．2GHz的光接收机；1989年克拉乌(J．D．Crow)等制出用于光互联的四信道集成端机，集成的器件总数达8000多个，速率达1Gb／s。光电集成中光电器件及微电子器件之间为了隔离和减小寄生参量往往采用台面结构，这不利于较大规模集成工艺。因此平面或准平面工艺和结构就成为研究的重点。1985年瓦达(O．Wada)的小组将较厚的激光器“镶嵌”在砷化镓衬底上的沟槽内，电子器件则在平面上制做，芯片表面基本为平面，易于集成布线。也有人将集成光接收器的两次选择外延生长简化为衬底沟槽内一次外延生长，利用精确化学选择腐蚀或等离子体干法刻蚀技术在平面上制做电子器件，在沟槽内制做较厚的光电探测器。其它将不同结构不同厚度的光电子器件进行平面集成的方法也在探索之中。长波长(1．3μm，1．55m)磷化铟系光电集成中，由于不易制做场效应晶体管，最佳选择是采用新型的高增益、低电容的高电子迁移率晶体管(HEMT)或者异质结双极晶体管(HBT)与光电器件的集成。MBE和MOCVD的完善，结合高能离子注入、干法刻蚀、电子束直接刻写等纳米级加工技术的进步，使这类光电集成发展十分迅速。阿克特苏(Y．Akatsu)等制出了10Gb／s速率的集成光接收端机。其中HEMT的跨导为630ms／mm，小面积探测器(PIN)减小了前端电容。也有人用MSM-HEMT或者HBT制成磷化铟系全功能互阻抗四信道集成光接收机阵列，它包括88个元器件，功耗200mW，芯片尺寸3．7×3．2mm2。光电集成发射机要求激光器不仅有低工作电流特性和解决芯片散热和稳定的温度特性，而且需要新型激光器成腔技术。通常用解理方法形成的法布罗腔限制了芯片尺寸，因此多数集成激光器采用低阈值、高速率的量子阱激光器和内成腔技术(如：化学腐蚀成腔，等离子刻蚀成腔、局部微解理成腔，分布布拉格光栅反射器等)。1987年瓦达等将一个复杂的梯度折射率分别限制砷化镓量子阱激光器嵌在用氩离子刻蚀出的阱里生长，内腔面用微解理形成，并将激光器与监控探测器及有3个场效应晶体管的驱动器集成为光发射器。1986年雷(S．Ray)等研制了一个单片光发射接收两用机，激光器用微解理技术，同时包含监控探测器和500门的砷化镓高速集成电路，速率达到1Gb／s。另外，光电器件倒装技术(flip-chip)日益受到重视，即将性能完好的光电器件用自对准工艺倒装于平面集成电路上，是一种特殊的表面安装技术。1988年亥姆古提(H．Hamagodi)将一个长波长探测器倒装于砷化镓集成放大电路上，得到与混合集成光接收机相近的性能指标。1991年皮德告菲(Redroffi)用同样的方法将长波长激光器倒装在砷化镓异质结双极晶体管单片驱动电路上，调制带宽高达6GHz。光电集成技术已日趋成熟，在高频高速应用方面表现出独到的优越性。80年代后期，光栅器件和量子阱器件的出现和发展为光子集成(PIC)的发展奠定了基础。在有源器件与无源波导的高效率光耦合方面也有长足进步。索达(H．Soda)1990年制做了一个长波长半绝缘电流限制分布反馈激光器与电吸收调制器的集成。在10Gb／s调制下频移小于0．01nm，是理想的长途光通信光源。其中波导的对接是由局部有源区被腐蚀、在原位经外延半绝缘的无源波导来实现的。为达到理想耦合，减少对接处的台阶对耦合效率的影响，考伦(U．Koron)采用深、浅两次腐蚀与3次外延相结合，激光器半绝缘电流限制层与无源波导顶部包层同时长成的方法做出具有3个独立信道的波分复用光发射机。3个可调谐量子阱激光器通过无源波导合波器馈入一个单波导，再通过一个光放大器输出，每个信道独立调制。这种波分复用光发射机进行了36km2Gb／s光纤传输实验。由于量子阱波导电吸收效应比体材料高50倍，吸收损耗小，光子集成(PIC)一般都采用量子阱结构的光器件和波导。1989年考兹(T．L．Koch)做出的第一个进行实际数据传输的集成光外差接收机，就是以多量子阱分布布拉格反馈激光器为光源，用相同的量子阱层制做波导探测器。该接收机实现了105Mb／s，52．5km光通信传输。光集成还包括激光器阵列、探测器阵列、光开关阵列、多区可调谐量子阱激光器等内容，它们是多信道相干光网络和光互联、光计算的基础元件。恩特包兹(G．Unterborsch)1992年研制出的双向传输用户链模块，就是在磷化铟基底上集成双向耦合光波导、光探测器以及场效应晶体管电路，达到实用的要求。光集成和光电集成的趋势是在单一基片上实现光源、探测器、光波导、光开关集成，实现功能电路的复杂系统的光电子、微电子纳米级集成。目前光接收端机基本达到实用化生产阶段，单片光发射机尚在继续研制中。研究集中在大尺寸、高纯度、低位错半绝缘单晶材料；单片集成所需的新型共容光电器件结构；兼容工艺；高可靠非解理成腔的激光器；低阈值量子阱激光器与量子化电子器件；集成光波导器件；复合材料外延技术及集成技术；适于单片光电集成的光耦合及封装技术；单片光集成和光电集成的应用开发等诸多领域。预计21世纪前期，几乎所有通信系统、计算机系统和信息处理系统都将广泛应用光集成和光电集成技术，数据传输速率将达到10Gb／s以至100Gb／s，形成一个极为重要的高技术领域和产业。【参考文献】：1 Lee C P，A P L．1978，32∶8062 Leheny R．EL，1980，16∶(10)3543 Sonada T．A．P．L，1985，46，226～2284 Ito M．IEEE E．D．L，1984，5∶(12)5315 Akatsu Y．Tech．Dig，OEC’92，2366 Hong K．IEEE E．D．C，1986，7，(9)5007 Pedrotti K P．Techh．Dig．OFC’92，2418 Koch T L，EL．1989，25∶(24)16219 Soda H．EL．，1990，26∶(1)910 Unterborsch G．Tech．Dig OFC，92，237(机械电子工业部第十三研究所梁春广、黄以明、方瑞禹撰) |
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