光發射器集成

由光源（雷射器或發光二極體）及其驅動電路（有時也加監控或其它電路）組成的具有光發射功能的混合集成模組或單片集成組件。

基本介紹

• 中文名：光發射器集成
• 外文名：integrated optical transmitter
• 套用學科：光纖通信技術

簡介

由光源（雷射器或發光二極體）及其驅動電路（有時也加監控或其它電路）組成的具有光發射功能的混合集成模組或單片集成組件。驅動電路必須提供足夠的電流，因此要求搭配大電流的電器件。光發射器製作的關鍵問題是降低雷射器的閾值電流。GaAs系量子阱（QW）雷射器閾值電流為毫安量級，GaAs MESFET（金屬一肖特基勢壘場效應管）可提供符合要求的驅動電流，已有GaAs系光發射器集成。但適合1.3μm，1.5μm波長光纖通信傳送電路用的InP系雷射器（不論是異質結構還是量子阱結構），閾值電流還較高，達十幾毫安，只製成了混合集成系列光發射器模組。單片集成的電器件很不成熟，工藝難度很大。對MISFET（金屬-絕緣體-半導體場效應管）、JFET（結型場效應管）或異質結雙極電晶體（HBT）進行了實驗。將它們和雷射器集成在InP基片上的工藝兼容性還有許多問題尚待解決。

此外，研究最多的是發射波長為1.55μm的帶穩頻的波長可調諧的分布反饋雷射器列陣，它是頻分復用及相干光通信系統迫切需要的光發射器集成組件。

發射器類型

最適宜製作各種短波長和長波長雷射器的GaAs和InP材料,同時又是製作微波電晶體等高速電子線路以及雪崩光電二極體(APD)等高速光電探測器的良好材料。OEIc繼承了GaAs和IoP積體電路的高速性和光電器件的功能性,因而具有更強的功能和突出的優越性。由於在Ga人s襯底上已經得到了性能優良的結型探測器、雷射器(LD)和場效品體管F(ET),並且製作工藝也較成熟。1978年Ya:vi實驗室率先在GaAs襯底上實現了GaAIAs雷射器和一個耿氏(Gu,In)器件的集成。此後許多實驗室相繼做出了各種結構的OEIC,文實現了LD/F（ET）的集成，得到了光電探測器與FET的集成和中繼器的單片集成。OEIC具有許多優越性。它不僅由於集成了光電的多功能性，而且降低了寄生電容和寄生電感而極大地提高了速度,降低了噪聲。另外,多元件的單片集成減少了系統結構所需要的元件數目,而且有更好的密集性和高度的可靠性,同時也減小了功耗。自1969年Millc:等191提出“集成光學”的概念以來,主要沿著兩個方向發展,一個方向是OEIC。另一個方向是集成光路(OIC)它是在一塊固體基片上,把光學元、器件集成一體,使之成為具有某種高級功能的光迴路。l[前主要是在具有強光電效應的LINbO3(泥酸銼),錯體上集成。但期望的是在G。A、和nIP襯底上製做光學元、器件,從而製作具有更強功能的OEIC。

OEIC的發展將使超大容量光通信、超高速信息處理、高精度測距等一系列領域產生質的飛躍。目前,國際上已經設計製作了多種結構的OEIC發射器(包括LD或LED、驅動電路和監控電路)、中繼器(包括LD、電晶體放大器、光電探測器)和接收器(包括光電探測器和低噪聲前置放大器)。從目前情況來看,GaAs光電子集成發射器最有希望早日達到實用化程度。通過近幾年來對OEIC的探索與研究,關於它的可能套用前景已越來越明朗了,所涉及的領域將是非常廣泛的,譬如超高速計算機內各晶片及各功能片之間的連線、計算機網、長途高速率光纖通信(對於GaAs系列可以用於光纖通信系統的局部網)、光纖感測和未來的光計算機等等。

OEIC發射器對襯底、

首先在SI襯底上腐蝕出一個槽而,讓槽的深度等於雷射器的厚度。在槽里生長雷射器的外延層,然後二次外延生長FE獷r結構。這裡由於採用了二次外延技術,增加了工藝的難度,因而降低了可乖復性。光電子器件的厚度為3一6“m,比電子器件大許多倍,這給光刻和連線帶來了困難,為解決這一矛後採用了電化學拋光和選擇腐蝕。襯底材料和外延層對OEIC的製造都非常重要,為了獲得長壽命和較好的工作特性,要求襯底材料必須具有大面積均勻、高純度及較低的位惜和缺陷密度。外延層通常用於製作光電器件,目前用LFE法生長的雷射器和探測器已可以得到較高的量子效率,用MBE和MOCVD的方法不僅可以得到較高光學質量的晶體,而且具有高均勻性和可重複性,因而更適合於OEIC的製作。雷射器是OEIC中非常重要的一部分,它必須滿足以下要求:(1)低閥值電流,(2)閥值電流對溫度的依存關係較弱,(3)穩定的單模和窄譜線輸出,(4)高調製速率。從低閥值電流的角度來看,掩埋型異質結構(EH)雷射器較為理想,而且許多已做出的OEIC就是採用的BH-LD,不過由於BH-LD製作複雜,所以也採用了許多結構簡單的雷射器。

OEIC基礎工藝

由於OEIC需要將光電器件和IC做在一個單片上,且光電器件一般是縱}勺多層結構,而電子器件一般是平而橫向結構,需要高質量的SI襯底。這樣就對兩者的製造提出了新的要求。而我們就近年來在OEIC製作中採用的一些新工藝作簡要介紹。

外延新工藝

日前,LD的製作主要採用液相外延生長(LPE)技術,LPE技術雖然鼓成熟、成本

低、也較方便,但是用它無法製作結構精細的器件。近年來,為了進一步提高LD的性能,保證高重複性、高均勻性和高可靠性,國際上發展了一些新的外延方法。

分子束外延(MBE)生長技術

MBE是70年代在真空蒸發的墓礎上迅速發展起來的製備極薄單晶薄膜的新技術。其原理是在超高真空中.將組成化合物的各元素分別裝入幾個噴射爐內,面對噴射爐放置襯底,襯底加熱到幾百度,從加熱的噴射爐噴出的熱分子束,噴射到襯底表面,與表面反應產生單晶薄膜。和液相外延及氣相外延相比,MBE具有以下特點:

(1)由於在雜質氣壓很低的超高真空中結晶生長,因此可製作高純度單晶。(2)生長速度慢,為0.1-10個/秒,可以達到以單原子層精度生長超薄層薄膜。(3)生長溫度低(對GaAs低於63。℃)。生長過程中主體原子和摻雜物質的擴散效應小,可以獲得十分陡峭的組分變化。(4)權據二維結晶生長機理,可以得到原子級平整的異質結界面。(5)通過改變噴射爐溫度很容易改變組分比和雜質的濃度。(6)利用電子束、離子束等各種表而分析技術可直接進行現場觀測。

前景

二十一世紀是光電子學時代，OEIC的進一步發展和實用化,將給許多領域帶來一場新技術革命。