光在集成电路中的应用.docx

1、光在集成电路中的应用光在集成电路中的应用一、集成光电子的概念及研究意义21世纪，人们将迈入一个高度信息化的社会。信息时代的特征是：信息大爆炸、信息传递非常快捷、信息处理十分迅速。其量化的标志是三“T：信息传输速度将到达每秒万亿比特Tb/s；基于网络高速互联的计算机在人类活动中发挥着无与伦比的巨大奉献，单个计算机的数据处理速度将要到达每秒万亿次T/s的量级；超高密度的光存储技术将把海量信息浓缩在一片片小小的存储介质之中，单片存储器的存储容量将到达万亿字节Tb。由Tb/s信息传输、T/s信息处理、Tb信息存储所构成的三“T模式将成为人类数字化生存最显著的标志。由此可见，光电子技术在未来的信息社会中

2、必将扮演重要的角色，将成为21世纪科技开展的基石和支柱之一。而这些都离不开集成光电子学的开展。我们说20世纪是电子世纪。电是由电子传导的，电子带有电荷，电子的运动及电信号易受电磁场干扰；电子具有有限的质量和惯性，因而电子传输信号的速率也受到限制。而光波是波长非常短、频率极高的电磁波，光子的静止质量为零，因而光传输的速率为光速，非常高；光子又是一种电中性粒子，因此光子的运动及光信号不受电磁场干扰。而电子学的开展又为我们更好地控制和使用光波奠定了根底。第一，利用微电子学中的半导体p-n结和谐振腔相关技术产生激光，而且这种激光易于用电的方法控制；第二，利用电子学中的电磁波传输原理，开展包括光纤在的光

3、波导，实现光信号的传输包括远距离传输；第三，电子学在开展过程中所开展起来的整套电子学技术，包括真空电子技术、半导体技术和光电-电光转换技术，架起了电子和光信息技术的桥梁。凡此种种使得光电子技术在信息领域的应用中迅速开展且有独特的优势。集成光电子学集中并开展了光学和微电子学的固有技术优势，将传统的由分立器件构成的庞大的光电子系统变革为集成光电子系统。由光电子学材料、光电子器件以及光电子器件集成化这三局部容构成的集成光电子学系统具有宽带、高速、高可靠、抗电磁干扰、体积小、重量轻等优点，可以被广泛用于光纤通信、信息处理、传感技术、自动控制、电子对抗、光子计算机等高技术领域。集成光电子学已成为现代光电

4、子学的一个重要分支，各国从事光电子、光信息系统研究的专家、学者都意识到了集成光电子学系统的重要性。采用光纤连接可带来如下的优点：（1）电磁干扰小。这是因为在光导纤维中传输的光信号通常不会与在其附近出现的电信号相互作用。在彼此邻近的两根光纤之间也不会有显著的耦合。（2）因为在光纤中没有电流流动，不存在电的短路或接地问题。（3）在易燃区平安，不像电线或同轴电缆那样有发热及产生花火问题。（4）传输损耗小。光纤的损耗在一个相当宽的波长围非常小。而双绞线电缆及同轴电缆的损耗随频率增加而迅速增加。（5）性好，难以窃听。（6）尺寸小，重量轻。（7）价格低廉，原材料丰富。制造光导纤维所用的是一种低廉而富的材料

5、，而产生电线所用的铜那么是日益稀缺的材料，其本钱不断增加。（8）带宽很宽。同样的传输长度，光纤的传输带宽为10GHz甚至更高，而同轴电缆只有50MHz左右。因此，光纤的整个带宽可以用来同时传输许多信号。而且光纤很细，这就意味着，即使不考虑其他方面的改善，经过一样横截面的传输通路，利用光纤可以传输的信号大约为用同轴电缆的倍。集成光电回路和集成光电子体系比集成电子体系具有更大的优越性。虽然计算机已经进入大规模和超大规模集成电路的时代，但计算速率始终局限在电子学所能到达的围，而光子计算机的理论计算速率可高达次/秒至次/秒，存储容量到达。它比目前计算速率最快的电子计算机高一百倍到一千倍，存储容量大一百

6、万倍。如果用集成光电回路来实现光信号的逻辑运算、传送和处理，那么可制成体积小、速度快、容量大的“全光计算机。光子计算机比电子计算机有着并行处理、信号互补干扰、开关速度快、光速传递、宽带以及信息容量极大的优点。集成光电回路具有同光纤类似的特征带宽，而且两种情形中的载体都是光波而不是电流，这样就防止了导线固有的电容和电感导致的频率限制效应。在集成光电回路中可以方便有效地实现将许多信号耦合进一个光波导。除了能把许多信号耦合到一个光波导之外，集成光电回路还可以用调制功能方便地把光信号从某个波导通到另一个波导。这能够用电光、声光或热光调制等多种方式来实现。目前，集成光电子学已初具规模，并在光通信及光信息

7、处理方面显示出电子学无法比较的优越性。不单是比分立光学元器件系统具有巨大优越性，作为一种信息的处理与传输系统，与微电子系统相比，集成光电子学系统也具有其固有的巨大优越性。其优点可以分为两个方面：其一是与用集成光电回路代替集成电路有关；其二那么与用光导纤维代替电线或者同轴电缆有关。集成光电子学是在光电子学和微电子学开展的根底上，采用集成方法研究和开展光电子学器件和复合光电子学器件系统的一门新的学科。集成光电子学的出现是光电子器件和电子器件本身开展的必然结果，它的开展受到了微电子集成电路技术的启发和促进。传统的光学系统体积大、稳定性差、调整和光束的准直困难，不能适应现代光电子技术开展的需求。现代的

8、光电子技术中，对于信号的产生与处理的方式与微电子学不同，这里有两个重要的改变：首先是用光导纤维代替通常的电线或者同轴电缆进展信息的传输；其次是使用集成光路取代通常的集成电路。在集成光路上，各光电子学元件成型在一个衬底上，用衬底部或外表上形成的光波导连接起来。采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件和电子元件以薄膜的形式集成在同一衬底上的集成光电子回路。这样的集成器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低、使用方便等优点。集成光电子学是当今光电子学领域的开展前沿之一，它主要研究集成在一个平面上的光电子学器件和光电子系统的理论、技术与应用，是光子学开展的必由之路和高级阶段。集成光电子学以半导体

9、激光器等光电子元件为核心集成起来，并以具有一定功能的体系为标志。目前，主要是研究和开发光通信、光传感、光学信息处理和光子计算机所需的多功能、稳定、可靠的光集成体系和光电子集成体系(OEIC: optical-electronic integrated circuit)；把激光器、调制器、探测器等有源器件集成在同一衬底上，并用光波导、隔离器、耦合器等无源器件连接起来构成的微型光学系统称为集成光路，以实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化。如果同时与电子器件集成，那么构成复合光电子集成体系。集成光电子学的理论根底是光学和光电子学，涉及波动光学与信息光学、非线性光学和、半导体光电子学、晶体光学、薄膜光

10、学、导波光学、耦合模与参量作用理论、薄膜光波导器件和体系等多方面的现代光学和光电子学容；其工艺根底那么主要是薄膜技术和微电子工艺技术。集成光电子学的应用领域非常广泛，除了光纤通信、光纤传感技术、光学信息处理、光计算机与光存储等之外，还在向其他领域，如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面渗透。提到“集成，人们首先想到集成电路(IC: integrated circuit)。毫无疑问，现在和将来的信息化社会，在很大程度上依赖以硅技术为根底的微电子学技术。现代微电子学起源于1947年创造的晶体管。在晶体管诞生10年后，德克萨斯仪器公司的基尔毕(Kriby)创造了集成电路。最早的集成电路，只不过是把

11、一个晶体管用导线与几个电阻等元件连接。被集成的晶体管个数，到1997年已经到达了1G-DRAM约个元器件。现在，集成电路仍然以每3年增加10倍集成度的速度开展。微电子学的集成电路之所以取得如此爆炸性的进展，是由于充分发挥了集成化的优越性，从最早的去掉焊点提高可靠性开场，经过成品率和小型化的提高，从量的扩大引起质的变化“集成成为了一种潜力难以估量的技术手段。目前集成光电子新技术自然还难以和微电子学集成技术相比较，后者已到达了很成熟的阶段。但是，从集成电路的飞速开展历程看来，我们有理由期望。在不久的将来，集成光电子学也会以迅速的速度实现高集成度、小型化、多功能化的目标。目前集成光电子学也正以其独特

12、的优点进入了迅速开展的阶段。所谓光电子器件，广义上讲是指通过以光电互相转换为主要形式的光效应完成信息或能量转换的功能性器件，它是光电系统及其应用的根底，它是光学和光电子学与其应用之间以及与其它学科之间联系的重要纽带，因此它对光学和光电子以及相关学科的开展起着关键性促进作用。集成光电子学的器件尺寸较大和集成度不高度一是困扰集成光电子学开展的一个重要问题。近来，微腔激光器、纳米光波导等新技术原理的出现为实现小尺寸和高集成度提供了理论根底，使得集成光电子学进入了高速开展的新阶段。二、集成光电子的集成方式目前已经研制成了很多对应于体分立光学元件的各种薄膜波导元件，如薄膜介质光波导、薄膜激光器、光耦合光

13、调制器、光学双稳态器件、存储器等。包含多个元件的集成也已经实现，例如在同一个衬底上。实现激光器、光波导、探测器这三种典型元件的集成，多个分布反应激光器的集成，多个探测器的集成，注入式激光器和场效应晶体管的集成等。集成光电子器件目前的集成规模，按集成的元件个数大约为几个到几百个。虽然不能和集成了上亿个晶体管的微电子器件相比较，但是和光学分立器件相比已经实现了小型化、低本钱等技术飞跃。在光电子学的目前阶段，集成光电子学的重要性并不一定在于集成的规模。而且，集成光电子学不一定需要在一个衬底上集成所有光学元件；很多应用是有限几种元件的集成，甚至在一个衬底上做同种元件的集成。集成光电子学器件的集成方式有

14、两种：器件个数的集成和功能的集成。1、功能集成 对于光电子学，所谓功能集成的开展方向就是通过把不同功能的元件集成在一起，制造出具有新的功能，或者功能强、性能高的器件。在集成电子学里，集成器件的最初目的是消除因元器件间连接引起的可靠性及其他问题。在光电子学集成特别是功能集成里，解决连接问题而引起的可靠性问题也是集成化的最初动机。和电子学中一样，伴随着“连接问题的解决，可靠性问题也得以解决。分立元器件间的光连接主要用光纤、光波导等传输连接方式，以及直接向自由空间辐射光束连接等方法。无论采用哪种连接方法，都需要微米或亚微米级的空间连接精度。这种耦合调节需要花费大量的时间，而且难以保证连接精度，并使得

15、制作本钱加大。采用光电子集成，各光、电元器件间的连接，是通过微电子工艺的光刻技术及其后续工艺来实现并能够保证其连接精度的，这就可以将有关连接或耦合调节的工作时间大幅度地减少。这不仅可以降低本钱，而且能够实现可靠性的提高。利用功能集成实现的集成光电子器件或系统和分立元器件的单纯组合相比，集成化更容易实现小型化，低本钱化以及高可靠性的目标。此外，光学系统的对准和对震动的敏感性等特有问题，在分立器件的光学系统中是很困难的问题，在集成光电子学中却可以很方便得到控制。在同一衬底上集成了半导体激光器和光调制器的带有调制器的集成光源就是功能集成的典型实例。以带有调制器的集成光源如图1.1所示和激光器与隔离器

16、集成如图1.2所示为例，在10Gb/s以上的高速光信号光纤传输里，由电流直接调制引起的半导体激光器的波长不稳定即波长啁啾是限制传输距离的重要因素。为例解决这个问题，采用外部光调制器，用光调制器翻开和关闭直流驱动的半导体激光器的输出光。在分立器件的组合中，取单独封装的半导体激光器和光调制器，把它们用光纤连接在一起如图1.1a所示。图1.1b是封装好的带有调制器的集成光源的实例示意图。通过图1.1a和图1.1b的比照可以看出，封装后，对于同一功能，集成的器件尺寸比分立元器件组合要小得多，紧凑的多。另外，对于光电子集成来说，比小型化更重要的可能是低本钱化和高可靠性。由于图1.3所示的激光器与隔离器集

17、成可以隔离半导体激光器中反向传输的光，提高了半导体激光器的性能，实现了工作的高可靠性。图1.1 高速光通信的光源及其形成例如图1.2 半导体激光器光隔离器集成示意图由于现代通信对通信系统的容量和速率的要求越来越高，为实现全光波长转换、波长路由等功能，多波长光源和波长可调谐光源必不可少。多波长激光器可以利用波导光栅路由器和半导体激光放大器阵列进展功能集成实现。波长可调谐光源可以使用半导体激光器与光纤光栅结合而产生波长调谐功能。另外，将半导体激光器、光接收器及输出光信号和接收光信号的分波器集成在一起的光收发信号器也是功能集成的重要例子。在本书的后面章节中，很多器件是利用功能集成实现了新的功能。2、

18、个数集成除了功能集成外，还有把多个同样的光电子元器件集成的所谓个数集成。作为典型例子，有集成多个半导体激光器或光接收等器件的阵列器件这称之为光互联，同时并联连接到计算机或者交换机等，作为并联光输出的光源或者光接收器使用。在一列上集成十至数十个元器件时，称为一维阵列器件；而在一个平面上纵横集成十至数十个元器件的，称为二维阵列器件。图1.3是阵列器件的示意图。图1.3a为一维阵列器件，图1.3b为二维阵列器件。图1.4是一种个数集成矩阵式光开关的原理图。这是把多个输入光转换成多个输出光的路由光开关，是光信息网络里不可缺少的器件。在这种矩阵式光开关里，只是简单地集成多个转换光通道的元器件，根据路由光

19、开关的光路构成法那么由光波导进展各个光开关间的连接，来实现多通道的转换。例如，在8通道矩阵式开关里要集成64个开关元件并需要用光波导来连接。图1.3 阵列集成光器件示意图“个数集成的最大优点是，把多个同样的器件集成在同一个基片上，实现了大幅度的小型化。例如，对于16通道并联传输用的光发射器，比较以下二种情况就可以看出上面的优点。一种方法是把图1.2a所示的封装好的半导体激光器组件排列16个；另一种方法是在集成了半导体激光器的半导体激光器阵列芯片上阵列光纤的并列传输光源。另外，制作阵列芯片上连接阵列光纤的组件的本钱远低于制作16个单个组件所需要的本钱。所以集成化的低本钱也是一大优点。“功能集成的

20、高可靠性来着减少了连接点而导致的高可靠性。在“个数集成中，在光集成器件含有多个半导体激光器及光接收器等，所以芯片的自身可靠性比单个器件的可靠性要求更苛刻，因此，这种情况下不能一概而说由集成化带来高可靠性。在这种并联传输中，作为光收/发信号器用的阵列器件，在同一衬底上还集成了驱动半导体激光器的驱动电路和放大接收信号的放大器，所以小型化的优点更明显。这些都是光电子集成体系的重要指标。图1.4 矩阵式光开关示意图三、光电子集成的途径在高度信息化的时代，数据流量不断增长，对于处理庞大数据流的先进的光通信系统的要求也在不断增加。这些系统要求本钱低、功能强的光学体系；要将传统的光学体系建立在由大量组件组成

21、的，含有激光二极管，透镜，反射镜、棱镜与光纤等光学元器件的根底上。这些元器件还需要有特殊设计的光具座或者载体以构成模块；其组件要通过精细的对准步骤进展监控。这个步骤虽然确保了微米或亚微米级的对准精度，却复杂而又消耗时间，所以就很难使常规的光学体系减少本钱。此外，使用微型光纤体系作为高功能器件，如多通道的波长或者频率选择器件等，是非常难以实现的。为了克制以上问题，必须开发一种新的光学体系技术，要求符合以下要求：第一，新的技术应减少光学体系组装本钱，并适用于大批量生产；第二，应用围广泛；第三，通常还希望光学体系的外形适合于电子组装工艺，因为目前多数光学体系都与电子电路组装到一起使用。在微电子学领域

22、，已经成功地提供了功能强大且本钱低廉的大规模集成电路LSI：large scale integrated circuit。借鉴微电子学的经历，光电子集成也把无源或有源光学元件与电子元件一起集成在衬底或芯片上。光电子集成有两个途径。一种是在半导体衬底或光学晶体衬底上，只经过制作工艺，把所有元器件集成在一起的“单片集成。另一种是用不同的制作工艺制作各局部元器件以后，组装在半导体衬底或光学晶体衬底上的“混合集成。混合光电子集成，广义上也包括把小的单个光学与电学元件用光学粘接剂固定在一起的光电子器件/回路。表1.1对单片集成和混合集成作出了比较。混合集成可以实现作为根底体系的光波导和有源器件较自由的结

23、合，所以很有可能成为实现各种功能的光电子集成器件。相反，因为单片集成用生产工艺来决定一切，所以一旦技术确定下来以后，可以大幅度地减低本钱，与芯片的小型化结合会有广泛的应用。通常，我们希望能较好地结合两种集成形式的优点、特点，制作出在光电子学开展中起重要作用的器件。表1.1 单片集成与混合集成的比较1、单片集成所有的光电子器件或系统，一般均要经过晶体生长、光刻、刻蚀及成膜等制作工艺而制成。一旦制作工艺技术确定，便可进展大批量生产以实现低本钱，是很有前途的集成形式。单片集成的有关工艺在硅系微电子学里已经很成熟。在光电子学里，根据将来的开展趋势，对单片集成已进展了广泛的研究与开发工作。单片集成的一般

24、优点由于集成电路和大规模集成电路而变得众所周知。集成电路已经经历了几十年的连接技术开发和工业生产。单片光电子集成曾一度被认为可以效仿集成电路的开发与制作。然而，在纯的电子集成与光电集成之间，有根本的不同。对于电子集成，绝大多数功能都可以在硅芯片上实现；电子集成的关键部件是晶体管，且集成密度越来越高。而光学功能的实现那么使用各种不同的材料如半导体，石英玻璃、等。因为大多数集成光电回路需要一个电源，所以很多单片集成光电回路只能制作在有源半导体材料上。虽然可以采用石英或等无源材料作为衬底，但这时必须设法用光学或机械方法把外部光源半导体激光器耦合在衬底上。光电子集成有源材料或材料组分的不同，会表现出不

25、同的能级间隙和不同的折射率。很多情况下光电子集成还要求还要求同时到达光学的、光电的、电学的各种性能。所以，与集成电路和大规模集成电路相比较，光电子器件的集成显得更为复杂。目前单片集成可以到达的元件个数、密度也受到限制，这是因为光路元件通常要求一定的尺寸。例如，波导的横向尺度必须大得足以形成传播模；某些光路元件如Y分支或定向耦合器等要求具有足够的长度；输入与输出波导的间隔应大于所连接的光纤的直径等。此外，光组件最终通常需要采用光纤连接，以便信号输入输出。这就要求光纤到单片集成体系的对准精度很高。因此，鉴于光电子器件在工作原理、所用材料、元器件间连接及应用市场规模等与电子器件说的不同，需要采用与电

26、子器件不同的方法和对策。现在，集成光电子学器件多数处于研究开发阶段，局部单片集成器件研究开场实用化。 与混合集成相比，单片集成性能更稳定，这相当于提高可靠性与降低本钱。但单片集成需要注意的是，不同的组件安置得相互很靠近的话，需要考虑相互之间的串扰电的、光的、热的。2、 混合集成在器件制作、装配技术根本成熟的条件下，光电混合集成技术能够提供各种光体系。当今，光通信系统要求各种类型的光体系，它们不仅本钱低廉而且功能强大。目前已经提出的几种光接入网方式，它们正随着实现所谓的光纤到层FTTF：fiber to the floor、光纤到办公室FTTO：fiber to the office或光纤到户F

27、TTH：fiber to the home的光通信网的目标而开展。成功普及利用这些网络的关键，是找到减少本钱建立的方法。其障碍之一，就是常规光体系本钱较高。此外，随着多媒体技术的开展，通信流量的增长要求有高性能的光传输、连接与开关系统。这些系统使用波分复用WDM：wavelength division multiplexer和时分复用TDM：timedivision multiplexer来使其运行流量扩展到每秒万亿比特围。所以，它们需要功能很强的光体系或者光电体系，能用波分复用和时分复用处理光信号。这些体系必须提供多方面的功能如提供光路由开关与波长选择，多波长光信号之间的变换。人们期待混合集

28、成技术对这些光系统提供微光组件。不仅是较简单的传输体系，而且还有用于光信号处理的多功能的体系，都可以通过混合集成技术来实现。图1.5是混合集成的一个典型例子。这是在硅衬底上形成的，石英系光波导上安装芯片的双向光通信用收发器的图1.5 一种混合光集成示意图光器件单元。半导体激光器、接收器等有源器件和搭载它的光波导根底光路采用不同的工艺制备，分别选择各自最适宜的材料与最适宜的器件形式；这也是混合集成的最大特征。其结果是，大多在研究初期就可以得到满足实用化条件的性能。在这个例子中，光波导根底光路采用了可以制作光波导的石英作为衬底，在其上附上了InP系半导体激光器和光接收器等。有源光器件和光波导间的精

29、细的位置调整和固定是混合集成低本钱的关键。除了上述形式的混合集成光路以外，有的还附装一些集成电子电路，如在光路上附装驱动光路中有源光器件的电路，或附装放大经光电转换后的电信号的电路。通过采用非常低本钱的集成电路，如Si-IC，可以实现整体低本钱的集成光电子学器件虽然混合光电集成被认为是很有前途的方法，然而在将光有源器件装配到无源波导衬底上的困难，却成为它开展的一个障碍。目前通过平面光波回路PLC：planar lightwave circuits平台的开展，无源对准技术和半导体器件都能适用于混合集成，这个困难正在被克制。图1.6是具有石英-硅台平面的所谓平面光波回路平台根本构造。这种用具有台面

30、区域的硅代替常图1.6 具有石英-硅台平面的所谓平面光波回路平台根本构造规的平坦的硅衬底的平面光波回路平台由三局部组成：平面光波回路区、器件装配区和电导线区。在平面光波回路区中，埋入式二氧化硅光波导形成在台面硅衬底的基平面上。在平面光波回路平台上的光波导的传播损耗很小0.1dB/cm。器件装配区含有硅台面，硅台面对于光电器件起了对准面和散热器的作用。在硅台面上形成大约厚度为0.5的作为电绝缘层，而在硅台面上的薄层上面形成的金电极与金锡薄焊料图形。通过设计使光波导区与光电子器件有源层距焊料外表的高度一样，通过把光电子器件倒置在焊料上，二氧化硅波导和光电子器件可以容易地垂直对准。在导线区，导线可做

31、在石英层上，而不是硅衬底上。这是一个优点，因为在硅衬底上的导线对于高速电信号有很大的传输损耗和很大的电容，这主要是由于硅外表的微弱的导电性，这个问题可在平面光波回路平台过在石英层上形成导线解决。所以，平面光波回路平台还可起到作为对于光电子器件的优异的导线基板的功能。图1.7所示为一个带有平面光波回路平台的混合集成的波分复用收发机模块的配置图。一个1.3模斑尺寸变换器SSC：spot-size converter-激光二极管LD：laser diode和两个波导WG：waveguide-光电二极管PD：photoguide，其中一个用作接收机光电二极管而另一个那么是监视器光电二极管，它们都是使用

32、无源对准技术压焊在平面光波回路平台上形成的硅台面上的倒装焊芯片。平面光波回路平台包括一个1.3/1.55波分复用滤波器和一个用于1.3光的Y形波导。含有两个光纤阵列的光纤体贴在平面光波回路的一个解理面上。图1.7 一种WDM收发机模块的配置示意图目前看来，在集成光电子学技术中，单片集成和混合集成各有特色，今后将会同时并进。包括半导体激光器/光调制器的单片集成中，半导体激光器今后将继续采用分布反应布喇格光栅和多量子阱等构造，并对诸如阱层厚度、阱数等构造、性能方面做进一步改良。混合集成今后主要是利用平面光波回路的混合光集成，这种集成光电子学技术的特点是本钱比较低，适于光用户系统使用。目前日本NTT日本电报公司正在对局部设封止盖的封顶发和用树脂隐埋光器件周围的浇注法和这些技术的可靠性进展研究。如果这些技术研制成功，混合光集成器件将会进一步降低本钱。总之，为了满足日益增长的各种需求，今后集成光电子学器件都将继续朝着高速、高可能性、小型、多功能、扩大集成规模、提高产量、降低本钱等方面开展。四、光电子