光電子集成

把光器件和電子器件集成在同一基片上的積體電路。簡稱OEIC。

基本介紹

• 中文名：光電子集成
• 外文名：optoelectronic integrated circuit
• 套用學科：光纖通信技術

歷史

廣電集成概念提出至今已有二十多年的歷史。隨著光通信、光信息處理、光計算、光顯示等學科的發展，人們對具有體積小、重量輕、工作穩定可靠、高速工作和高度平行性的光電子集成產生濃厚的興趣，加之材料科學和先進制造技術的進展使它在單一結構或單片襯底上集成光學、光/電和電子元件稱為可能，並構成具有單一功能或多功能的光電子積體電路（OEIC）。OEIC的發展如同積體電路(IC)一樣，先是從分離的光學、電子元件和簡單功能的OEIC開始，而後再到多功能的超大規模的OEIC開始，例如，有源矩陣液晶顯示（LCD）就是一種有代表性的大陣面OEIC。在這樣的OEIC中，集成成千上萬個電/光空間光調製器和成千上萬隻電晶體。這裡所說的OEIC是指利用光電子技術和微電子技術將光電器件和電子元件集成在同一襯底上構成的單片光電子積體電路，包括光有源器件（如雷射二極體、光電二極體、光調製器）與光無源器件（如光波導、耦合器、分離器、光柵）和電子元件（如場效應電晶體、雙極電晶體、驅動電路、開關、放大器、再生器和復用/解復用器）。集成方式可以是上述光/電元件的部分組合或全部組合。

簡介

按功能分主要有電光發射積體電路和光電接收積體電路。前者是由電光碟機動電路、有源光發射器件、導波光路、光隔離器、光調製器和光開關等組成；後者是由光濾波器、光放大器、光-電轉換器以及相應的接收電路和器件集合而成。

類型

光電子積體電路從結構上可分為單片集成型和混合集成型兩類。

前者是把光和電功能的器件都集成在單片上；後者則側重光學元件的集成，然後再引入相應電路的電子器件。

優點

光電子積體電路的優點是器件之間拼接緊湊，既能減弱因互連效應引起的回響延遲和噪聲，從而提高傳遞信息的容量和高保真度，又能使器件微型化，便於信息工程的套用。

模組

用分立器件的管心集成稱為混合集成OEIC模組；把光和電的元器件做在同一塊半導體基片（如GaAs或InP）上，稱單片集成OEIC組件。OEIC是集成光電子學系統的核心部件。20世紀90年代初混合集成較成熟，已有產品，單片集成尚屬探索研製階段，它代表未來的發展方向。光器件可以是雷射器、發光二極體、光調製器、光放大器，光開關、光耦合器、光波導、光分/合束器及各類列陣等；電器件包含與光器件相搭配的驅動電路、控制電路、放大電路和其它電路等。集成減小了寄生電感和電容的影響，使組件和模組的調製速率大幅度提高、噪聲降低很多，可靠性明顯改進，只要設計和組裝合理，各種功能的混合集成模組原則上都可實現。單片集成OEIC組件工藝難度很大，需要解決多種類型器件的工藝兼容性。單元結構的最佳化設計、不同層次的接點連結和降低功耗等。由此發展了許多相關工藝，如超晶格、量子阱結構材料生長、可變周期光柵、聚焦離子束掃描注入以及乾法刻蝕等。

能供光纖通信使用或試驗的OEIC有光發射器、光接收器和光中繼器；l6：1/1：16時分復用及解復用組件；供光交換試驗的多量子阱自電光效應（SEED）16×32光開關列陣；高集成度四路光開關由四路光發射器、四路光開關列陣加四路光接收器組成。正在致力研製的有光外差接收機組件（包含可調諧穩頻雷射器、光電控制器、波導定向耦合器、光頻差分放大器及中頻放大器等）和多信道頻分復用組件（發射部分需集成多支不同頻率的雷射器並通過合束器匯集到集總波導里；接收部分需有光濾波器把不同信道的光分別取出並進入各自的分支波導）。

OEIC與IC的區別

OEIC與IC的重要區別在於，，OEIC除控制不同元件之間電子流動的功能外，還必須控制光子的流動。通常把使用半導體材料來控制光子流動的OEIC歸入光子集成，把使用介質材料來控制光子流動的OEIC歸入光學集成。OEIC的成功在很大程度上取決於所用材料和工藝，目前研究最多的材料是GaAs和InP。這些材料不僅具有良好的電光特性，既可用於製作光電器件，又可用於製作高速電子電路。此外，Si材料也是想望的材料，這種材料唯一的缺點是它不是理想的光電材料，很難用它製作光有源器件。目前，使用先進的工藝手段，如分子束外延(MBE)、金屬有機化學氣相澱積（MOCVD）和聚焦離子束微加工已能滿足製作OEIC的要求。本文討論涉及有關OEIC材料及工藝的若干問題，並討論OEIC的潛在套用前景。

6.1 GaAs OEIC

最有代表性的GaAs OEIC是光纖(FO)光發射機OEIC，這類光發射機是在GaAs襯底上集成光有源器件(如雷射二極體或發光二極體)和用做雷射二極體的驅動電路。在GaAs襯底上集成一隻ALGaAs隱埋異質結雷射二極體(BHLD)和兩隻金屬—半導體場效應電晶體(MESFET)。兩隻MESFET的作用是控制通過雷射器的電流，其中一隻提供維持雷射器在閥值以上工作的偏流，另一隻提供雷射器直接調製輸出的調製電流。兩個電流獨立受控於MESFET的柵壓。這種OEIC設計是非平面的，這種結構的OEIC限制通過光刻可得到的最小特徵尺寸，使電子線路的速度首先。因此這種OEIC光發射機的頻響限制在幾個GHz以下。想要獲得高速工作的OEIC光發射，應採用平面型結構，這時應該將生長雷射器位置的溝道通過刻蝕工藝將其降至到襯底裡面，使最終生長的雷射器層的最上層高度大體與MESFET頂層高度一致。迄今為止，實現高速工作的GaAs OEIC的工藝已成熟，並能滿足CD-ROM和第一代FO發射機的要求。

6.2 InP OEIC

具有1.3μm和1.55μm波長範圍輸出和接收的雷射二極體和光電二極體通常是由在InP襯底上生長的窄帶隙思遠化合物In-GaAsP和三元化合物InGaAs所構成。遺憾的是，由這些材料構成的MESFET因較低的肖特基勢壘，造成高的柵泄漏電流。因此In-GaAs/InP的OEIC不宜使用MESFET。異質結雙極電晶體(HBT)是InP OEIC最理想的電子元件。HBT與MESFET不同，它具有由一個疊層排列的發射極、基極和集成電極組成的垂直幾何形狀結構。鑒於InP OEIC光發射極構形和HBT結構的各層連線方式，由於跨接基極/發射極異質結產生一正向偏壓，而集電極/發射極異質結經受一反向偏壓。因此，當一小電流流經發射極/基極電路時，便在經基極的發射極/集電極電路中產生一相當大的電流。由於雷射器與OEIC中的HBT的集電極相連線，因此通過調節HBT的發射極/基極電路的電流便可調節通過雷射器的電流。

HBT不僅消除在InGaAsP/InP系統中因高柵泄漏電流的問題，而且它的垂直幾何形狀和高速性能很適合寬頻FO通信器件的高密度集成。除HBT之外，其他類型的FET，如金屬-絕緣體-半導體FET(MIS-FET)、高電子遷移率電晶體(HEMT)和調製摻雜FET(MODFET)對InP OEIC也是有價值的。

儘管隱埋異質結構和法布里一拍羅(F-P)腔條形雷射器具有很好的性能特性,但是解理的或腐蝕的反射鏡面不僅使製造工藝複雜化,而且高的闡值電流還可能引起熱相關的問題。一種較好的解決辦法是使用分布反饋(DFB)和分布Bragg反射器(DBR)雷射二極體,這類LD具有低的閉值電流和量子阱增益結構。此外,對高密度OEIC來說,低電流的垂直腔表面發射LD(VCSEL)是最理想的選擇,在光計機互連網路中有巨大的套用市場。nIpOEIC另一個領域是光接收機。這類接收機組合光電探測器和用做放大及信號處理的電子線路。適合OECI的光電探測器有

兩種,一種是p一i一n光電二極體,另一種是金屬一半導體一金屬(MSM)光電二極體,都具有高速工作的能力。在nIP襯底上集成的p一i一n光電二極體(PD)和異質結雙極電晶體(HBT)是一種垂直集成的OEIC光接收機。它的製作程式很明確,首先在nIP襯底上生長PD的半導體層,然後再生長HBT的半導體層。生長結束後,選擇刻蝕出PD和HBT。最後,澱積接觸金屬層和用做隔離的聚酞亞胺膜。PD和HBT之間的電連線是通過分離的金屬澱積實現的。OECI光接收機也可採用水平集成構形,為解決各集成元件厚度的差異可採用預先腐蝕出溝或阱,而後在溝或阱上生長PD的半導體層,或者使用離子注入或擴散技術,使較厚的器件層沉沒到預先的生長層中。然而,最直接的解決辦法是使用平面光電二極體。遺憾的是MSMPD不能工作於窄帶隙的nIGaAs/nIP系統。

6.3 SI OEIC

Si OECI一直是人們想望的OEIC,它的內容包括在Si襯底上製作出諸如Si的光波導、調製器、光開關、光發射器和光探測器,並構成具有功能作用的OEIC。1.3、1.6拜m波段的SIOEIC最引人注目。一旦這個構想獲得成功,不僅可以解決大規模IC和OEIC之間存在的工藝兼容性問題,而且還解決它們之間的互連性,這對未來的高速信息處理、光計算和FO通信無疑有著極大的吸引力。但是要實現全Si的OECI,並非是件容易的事,問題的關鍵在於Si不是理想的光電材料,它不能呈現出線性的電光效應,很難用它製作出光的有源器件。

眾所周知,Si是一種間接帶隙材料,它阻止導帶的電子與價帶的空穴有效輻射複合,室溫下電學注入1醉、105個載流子只能產生一個光子,即使在77K下也只能提高4倍的效率。已進行的研究表明,要克服低效率的限制,可以通過K守恆選擇法則,強制性地給出帶一帶間的轉換,這就是首先必須確定出Si中引入的雜質中心,以產生有效的亞帶隙光發射。較有成效的研究是在Si中引入激活的光學轉換雜質,且這種光學轉換雜質的濃度必須相當的高。其中一種方法是使用等價的m族雜質來形成輻射的絡合物,這種方法為紅外波長Si發射器件開闢了一條道路。今後的工作是要提高其發光效率和輻射工作的溫度。

完全集成的OEIC

所謂完全集成的OEIC是指該OEIC不僅具備控制不同元件間的電子流動的能力,而且具備控制光子流動的能力。控制光子流動的路徑是光波導。如果將帶有增益源和吸收介質的光波導稱之為有源光波導,那么單純傳輸光波的光波導則稱之為無源光波導。我們把無源和有源光波導組合的OEIC稱之為完全集成的OEIC。這裡介紹兩個為光纖通信而設計的完全集成的OEIC。一個是四路波分復用扭xWDM)的可調諧發射機。它由四個集成的多量子阱(MQW)DBR雷射器組成,通過四個無源波導將四個雷射器的光輸出傳送到MQW光輸出放大器。為了達到波長調節和直接強度調製的目的,使用直接澱積在雷射器結構上的分離控制電極。另一個是用於相干光纖通信的平衡外差接收機,它由無源的隱埋凸條波導、定向藕合器、MQW光電二極體和作為本機振盪器的MQWDBR雷射器組成。為了達到調節波長和本機振盪器與入射光信號間的固有外差的目的,使用分離控制的Bragg反射器和相位部分裝備MQW雷射器。通過改變澱積到前、後Bragg反射器上電極的電壓實現波長調節。同樣,通過改變雷射器相位部分上電極達到改變隱埋波導折射率的目的。通過另一電極的電/光控制,在定向輛合器上實現本機振盪器輸出光和輸入信號光的混合,然後通過隱埋光波導將來自棲合器的外差光引進到兩個光電探測器中,將光信號轉換為進一步電學處理的電信號。

OEIc的套用前景及存在的技術問題

OEIC的套用領域主要有兩大類,一是信號傳輸,二是信號處理。在信號傳輸中,第9卷第6期光電子技術與信息996年月又可分為強度調製直接探測MDD)傳輸系統和相干傳輸系統。在信號處理中,又可分為開關係統和計算系統。IM/DD系統要求OEIC具備發射/探測、調製、波分復用和開關的功能;相干傳輸系統要求OEIC具備發射/探測、頻分復用(FDM)、偏振控制和頻率控制的功能。開關或計算系統要求OEIC具備發射/探測、波分復用、開關和存儲的功能。由於OEIC的固有平行性、抗擾性和高速性使其還有許多套用領域,如平板顯示和光存儲。許多商用CD唱機目前加進完全集成的光電讀出頭,該光電讀出頭可以完成雷射二極體、束分裂光柵、非涅爾聚焦光學、波導和光電二極體的組合功能。對OEIC來說,最具爆炸性影響的套用將是光計算機,下一代的光計算機將大量依賴光子開關、邏輯電路和大量平行光互連的

二維和三維的集成。要實現上述系統和功能,OEIC還必須解決以下兒個技術問題:.

實現亞微米量級的刻蝕技術,以減少光學器件和電子器件之間的高度差和間隔。

.解決光源的集成化問題。

·解決光學和電子器件間的工藝相容

性。

·提高成品率,克服製造和大批量生產

的困難。

·解決熱隔離和電隔離間題。

·提高光藕合效率。

前景

OEIC技術已開始進入電子工業各領域,使電子工業出現一個大的技術革命。它的作用如同電晶體、CI對電子工業的影響。下個世紀將是光電子技術主宰電子工業的時代,包括通信、信息處理、顯示、光計算將會出現一個嶄新的面貌。