半導體集成光路

將光學器件組合在一塊半導體基片上形成的光學系統。集成光路是在積體電路的啟示下，試圖把傳統的光學元件、器件組合在一塊固體上，以使光學系統縮小體積、減輕重量、增強抗振能力、減小功耗、提高可靠性、增加頻寬和降低噪聲。集成光路採用的材料有玻璃、電介質和半導體三大類。只有Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體材料既可製成無源器件（如光波導、耦合器等），又可製成有源器件（如做光源用的發光二極體、雷射器和調製器等），還有與光功能器件相配置的驅動和控制電子器件，因此可以把全部元件、器件都集成到一塊半導體基片或襯底上，這就使單片集成變為可能。這種思想是1972年開始形成的。由於不可避免地要有電子器件和光功能器件相配，早期的全光學集成的概念就發展成為“集成光電子迴路”（IOEC），也有人稱為“光電子集成迴路”（OEIC）。70年代初期，異質結雷射器的壽命問題獲得突破；低損耗石英光纖研製成功，使光纖通信變成現實。這些進展極大地推動了單片集成光路的研究。

基本介紹

• 中文名：半導體集成光路
• 外文名：semiconductor integrated optics

半導體集成光路 - 半導體集成光路設計思想

在光學器件和電子器件的集成中，首先考慮這兩類器件的相容性。半導體雷射器的閾值電流Ith一般在15～50毫安範圍,場效應電晶體(FET)通常在飽和區工作，所以必須妥善設計，使FET的飽和電流接近雷射器(LD)的閾值電流。此外，還要考慮不同類型的器件偏置的極性和大小的差異等。

單片集成光路多採用GaAs/AlGaAs和InP/InGaAsP異質結構,前者波長在0.7微米至0.9微米間，後者在1.3微米至 1.6微米間。為了獲得良好的電學性質、光學性質和可靠性等，異質結構晶格常數必須與半導體及與之相接的金屬和電介質的物理常數(如膨脹係數、折射率等)相匹配。

為實現高速調製運轉，光路中寄生阻抗和電容必須減至最低。為實現高的集成密度，必須降低功耗，解決熱消散問題。

半導體集成光路 - 半導體集成光路材料

Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體是最適於光通信器件的集成光學材料。例如，GaAs/AlGaAs體系是很好的雷射器材料，同時也適於製造探測器。此外，GaAs有相當高的電子遷移率，因而是製造場效應電晶體的優良材料。採用GaAs/AlGaAs系統材料的雷射器與場效應電晶體、雷射器與雙極電晶體、微解理雷射器與監測器等單片集成器件以及由探測器、場效應電晶體和雷射器組成的單片集成光學中繼器等已經研製成功。InGaAsP/InP體系是另一種有前途的雷射器材料,用這種材料可以製成波長落在石英光纖最低損耗視窗的雷射器。人們已製成雷射器和金屬絕緣柵半導體場效應電晶體、雷射器與分布布喇格反射器波導、發光二極體和透鏡等單片集成器件以及集成標準具干涉雷射器、集成分布反饋雷射器等。

半導體集成光路 - 典型結構

有半導體雷射器、PIN－FET光接收器、集成中繼器、分布反饋雷射器、波導開關陣列等。

半導體雷射器

為了便於集成並保證元件、器件間的電學隔離，最合理的設計是採用半絕緣體襯底並且電極處於上面的“正裝”組合。

半導體集成光路PIN-FET光接收器

與PIN/FET的混合集成相比,單片集成器件寄生參數小、可靠性高、體積小。

半導體集成光路單片集成中繼器

單片集成中繼器含有3個MESFET和1個LD。電晶體Q1是電源,Q2是探測器,Q3是LD的驅動器。當沒有光信號時，接近USS的一個負電壓加到Q3上並使Q2截止，通過LD的電流只是外加偏壓引起的;當光照到探測器上,在未被柵金屬覆蓋的構道上產生光生載流子,從而引起探測器I-U特性的變化。調整柵壓USS可以使Q2導通,並把LD驅動到閾值之上，因而產生光輸出。可以看出，這種中繼器實際上是把輸入探測器的光變成電信號，然後當探測器輸出這個電信號時,使原來偏置在閾值以下的LD轉到閾值之上工作,重新獲得雷射輸出。

分布反饋雷射器和分布布喇格反射雷射器

在70年代中發展起來的分布反饋雷射器 (DFB)和分布布喇格反射雷射器(DBR)具有選頻作用,已製成可以在高速調製下穩定地進行動態單模工作的集成結構，如隱埋異質結集成孿波導分布布喇格雷射器(BH-ITG-DBR)，隱埋異質結對接內建分布布喇格反射波導雷射器（BH-BJB-DBR）等（見半導體分布反饋雷射器）。BH-BJB-DBR雷射器已在1.5～1.6微米實現單模操作。

雷射器陣列

可用於光唱盤、光信息處理等的雷射器陣列。並列耦合多條雷射器可以輸出較大功率的相干光,並且光束較窄。在含有6個分布反饋雷射器的陣列中，適當選擇每個雷射器的光柵周期使其輸出波長相差20埃，從而可以單個輸出波導獲得不同波長分別調製的雷射束。

波導開關陣列

光纖通信系統必須配備快速的和有效的波導開關，以提供振幅調製和用不同波導傳送光信號。電光方向耦合(EDC)開關是適合這兩方面要求的功能元件。以GaAs為襯底材料的 EDC開關，有金屬間隙光帶、溝道停止條型波導、MOS脊型波導和肖特基脊型波導等種結構。前兩種結構效率有限；MOS結構截止頻率較低;肖特基脊型波導使用“分級”、“分檔”結構，因而提供了大的功率分離因子，工作時所需的外加電壓也較低。GaAs 肋型2×4開關陣列和 GaAs肖特基肋型2×2天關陣列都是波導開關陣列的例子。GaAs單塊集成光干涉儀的輸出部分由三個波導耦合器組成，二個有源臂是由單模P+N-N+平板耦合脊型波導組成。當其中一個臂上加有22伏電壓時，從中心波導輸出信號的消光比達14.5分貝。這種器件在5～10吉赫下仍能有較大的調製深度。

導體集成光路 - 半導體集成光學的套用

儘管各種集成光學器件大多數還只是一種演示器而未達到實用化，但由於半導體集成光學器件與分立器件系統或老式光學系統相比有明顯的優點而日益為人們所重視。例如，套用集成光學技術製成的耦合腔雷射器（包括解理耦合腔、短耦合腔、分別泵浦集成標準具干涉雷射器）在實現單縱模和波長調諧方面都取得明顯進展。在單片集成方面已製成初級集成化的光電子發射機（半導體雷射器與驅動電路、調製電路及監測器等的集成）和集成化的接收機（包括探測器、整形電路、放大器等）。半導體集成光學的發展勢必促進光纖通信、測距、印刷、光碟存儲、信號處理技術的發展。

半導體集成光路 - 發展趨勢

Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體遇到的困難和發展的途徑是：

①　適於集成光路的雷射器的耗散功率應儘可能小，為了集成,器件必須正裝,通常對單個雷射器的倒裝辦法不再適用。這就要求雷射器本身有更低的閾值電流，為此發展了橫向結條型雷射器(TJS)、短腔(腔長L<100微米)雷射器、隱埋雷射器等。除功耗要求之外,還希望集成雷射器能在較大的I/Ith下工作。

②　異質光波導損耗較大,通常為1分貝/毫米，約比一般介質光波導損耗大10倍以上，因而嚴重影響單片集成光路中各光學元件的聯接。為了解決這個困難，人們開始採用沉積-旋轉技術，在Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體襯底上形成介質光波導,使波導損耗降到0.1分貝/毫米左右。

③　光功能器件的很重要的一個功能是頻率調製。GaAs、InP等Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的電光係數比鈮酸鋰等小很多，製作調製器並不理想。人們用C3雷射器和一個放大調製器集成,在920兆比特/秒下實現單縱模工作，為實現光源、調製器的集成開闢了新的途徑。

④　集成光路的工藝精度和工藝複雜性，以及對原材料質量的要求，比大規模積體電路的要求還高。為了適應單片集成光路發展的需要，發展了許多技術，如在半絕緣襯底製造方面的液封直拉法（LEC方法）,超薄外延層製備方面的分子束外延(MBE)、金屬有機化合物汽相沉積(MO-CVD)，以及微細加工方面的離子注入、電子束曝光等技術。

光學邏輯元件發展迅速。例如，用C3雷射器實現了“與”、“或”、“異或”等功能。光學雙穩態的研究也引起重視。這些研究工作將會促進全光計算機的發展