光電集成的發(fā)展及前景

1、PAGE PAGE 12 光電集成的發(fā)展及前景 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc281300782 摘要1 HYPERLINK l _Toc281300783 1 引言1 HYPERLINK l _Toc281300784 2 光電集集成的分分類 PAGEREF _Toc281300784 h 2 HYPERLINK l _Toc281300785 3 光電集集成器件件 PAGEREF _Toc281300785 h 2 HYPERLINK l _Toc281300786 3.1 OOEICC光發(fā)射射機器件件 PAGEREF _Toc281300786 h 3

2、HYPERLINK l _Toc281300787 3.2 OOEICC光接收收機器件件 PAGEREF _Toc281300787 h 4 HYPERLINK l _Toc281300788 3.3 光光中繼器器件 PAGEREF _Toc281300788 h 5 HYPERLINK l _Toc281300789 4 GaAAs OOEICC和InPP OEEIC PAGEREF _Toc281300789 h 5 HYPERLINK l _Toc281300790 5 光電集集成的優(yōu)優(yōu)點及技技術(shù)問題題7 HYPERLINK l _Toc281300791 6 光電集集成的前前景8 HY

3、PERLINK l _Toc281300792 參考文獻 PAGEREF _Toc281300792 h 8光電集成的的應(yīng)用及及前景摘要光電集成技技術(shù)是繼繼微電子子集成技術(shù)術(shù)之后，近近十幾年年來迅速速發(fā)展的的高技術(shù)術(shù)，已吸吸引了廣廣大人們們關(guān)注。本本論文主主要是介介紹光電電集成電電路的分分類和光光電集成成的器件件，簡要要的分析析了兩種種材料的的光電集集成電路路，并展展望了未未來廣電電集成的的應(yīng)用前前景。關(guān)鍵字：光光電器件件；光電電集成；OEIIC；AbstrracttPhotooeleectrric inttegrratiion tecchnoologgy iis tthe rappid de

4、vveloopmeent of higgh ttechhnollogyy affterr thhe mmicrroellecttronnicss innteggrattionn teechnnoloogy, neearlly tten yeaars.It hass atttraacteed ppeopples aatteentiion. Thhis papper inttrodducees tthe claassiificcatiion of opttoellecttronnic inttegrrateed ccirccuitt,andd hass a briieflly aanallysii

5、s oof ttwo kinnds of matteriial of phootoeelecctriic iinteegraatedd ciircuuitss, aand disscusssess thhe ffutuure of thee apppliicattionn off phhotooeleectrric inttegrratiion tecchnoologgy1 引言 光電集集成概念念提出至至今已有有二十多多年的歷歷史。把把各種光光子和電電子元件件集成在在同一襯襯底上，除除了要解解決元件件結(jié)構(gòu)和和工藝技技術(shù)的兼兼容性外外，還要要選擇滿滿足兩種種元件性性能要求求的材料料。為了了使不同

6、同材料互互補，按按要求進進行優(yōu)化化組合，又又發(fā)展出出一種復復合襯底底材料，即即利用異異質(zhì)外延延技術(shù)，在在一種襯襯底材料料上外延延另一種種襯底材材料薄膜膜，如在在硅片上上異質(zhì)外外延砷化化鎵單晶晶薄膜，在在襯底的的硅面制制作電子子元件，在在砷化鎵鎵薄膜上上制作光光子元件件。其優(yōu)優(yōu)點是可可以把硅硅的大規(guī)規(guī)模集成成電路技技術(shù)與砷砷化鎵的的光子元元件技術(shù)術(shù)結(jié)合，改改善導熱熱性能，降降低成本本，提高高集成度度。除在在硅面上上異質(zhì)外外延砷化化鎵外，還還可在砷砷化鎵晶晶片上異異質(zhì)外延延磷化銦銦單晶薄薄膜。利利用復合合襯底材材料，已已制出一一批光、電電子元件件，以及及光電集集成的光光發(fā)射機機和光接接收機。隨著光

7、通信、光信息處理、光計算、光顯示等學科的發(fā)展， 人們對具有體積小、重量輕、工作穩(wěn)定可靠、低功耗、高速工作和高度平行性的光電子集成產(chǎn)生濃厚的興趣，加之材料科學和先進制造技術(shù)的進展使它在單一結(jié)構(gòu)或單片襯底上集成光子器件和電子元件成為可能, 并構(gòu)成具有單一功能或多功能的光電子集成電路（OEIC）。簡言之，光電集成電路是完成光信息與電信息轉(zhuǎn)換的一種集成電路。2 光電集集成的分分類光電電集成成電路總總體可分分為兩類類：一類是完成成光信息息到電信信息轉(zhuǎn)換換的電路路，它由由光電探探測器、放放大器及及偏置電電路組成成。常見見的接收收器件有有光電晶晶體管、硅硅光電池池等。OOEICC光接收收機器件件主要由由探測

8、器器和電子子放大電電路（晶晶體管放放大器）構(gòu)構(gòu)成，將將光信號號經(jīng)探測測器轉(zhuǎn)換換成電信信號并經(jīng)經(jīng)放大器器放大處處理后輸輸出。要要獲得高高靈敏度度、高量量子效率率的OEEIC光光接收機機,則要要提高探探測器和和晶體管管放大器器的性能能。對探探測器的的需求是是：高速速度、高高靈敏度度、高響響應(yīng)度、低低噪聲、小小電容、易易集成；對放大大器的需需求是：高跨導導、高互互阻、高高電流增增益截止止頻率和和最大振振蕩頻率率。 另一類是完完成電信信息到光光信息轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的電電路，由由光發(fā)射射器件、驅(qū)驅(qū)動電路路及偏置置電路組組成。常常見的發(fā)發(fā)射器件件有發(fā)光光管、激激光管、液液晶等。OOEICC光發(fā)射射機器件件是由激激光

9、二極極管（LLD）、發(fā)發(fā)光管（LLED）及及驅(qū)動電電路構(gòu)成成,一般般有三種種集成類類型：光光源和驅(qū)驅(qū)動電路路的集成成；光源源和探測測器的集集成；光光源和驅(qū)驅(qū)動電路路及探測測器的集集成。OOEICC光發(fā)射射機器件件研究的的重點是是高速率率LD和和驅(qū)動電電路的集集成。3 光電集集成器件件OEIC器器件是利利用光電電子技術(shù)術(shù)和微電電子技術(shù)術(shù)將光子子器件和和電子元元件單片片集成在在同一襯襯底上的的單片光光電子集集成電路路器件,主要由由LD、發(fā)發(fā)光二極極管（LLED）、光光電二極極管（PPD）、調(diào)調(diào)制器等等光電子子有源器器件和光光波導、耦耦合器、分分裂器、光光柵等無無源器件件，及各各種場效效應(yīng)晶體體管（

10、FFET）、異異質(zhì)結(jié)雙雙極晶體體管（HHBT）、高高電子遷遷移率晶晶體管（HHEMTT）驅(qū)動動電路、放大器等電子元件構(gòu)成，其集成方式是上述光電器件的部分組合或全部組合，通常采用垂直結(jié)構(gòu)和二維水平結(jié)構(gòu)等基本結(jié)構(gòu)。垂直集集成結(jié)構(gòu)構(gòu)是分別別設(shè)計光光和電子子器件結(jié)結(jié)構(gòu)，將將不同的的光電器器件以垂垂直塊形形式一層層挨一層層地放置置，光電電器件的的外延層層是逐次次外延生生長的，并并用絕緣緣層進行行電隔離離。這種種疊層結(jié)結(jié)構(gòu)的特特點是所所有層都都能在襯襯底上用用一步或或重復生生長方法法依次生生長，并并可實現(xiàn)現(xiàn)三維集集成功能能。其好好處是：電路簡簡單,生生產(chǎn)和制制作工藝藝簡單，通過將將器件層層堆疊提提高了實實

11、際集成成度。缺缺點是：設(shè)計靈靈活性差差,不能能實現(xiàn)高高速工作作，寄生電電容大,不易獲獲得好的的隔離和和絕緣而而使互連連困難、平平面性差差所引起起的非平平面電互互連困難難、成品品率低及及不適合合于大規(guī)規(guī)模集成成，所以以較少采采用。二維水平集集成結(jié)構(gòu)構(gòu)是將光光器件和和電器件件水平排排列于襯襯底上，采采用一步步生長的的方法完完成集成成。該結(jié)結(jié)構(gòu)的特特點是利利用了光光器件和和電器件件相同的的晶體層層一步生生長完成成集成。其其好處是是：寄生生電容小小,成品品率高。缺缺點是加加工復雜雜，由于于光器件件厚度比比電器件件厚得多多，易形形成臺階階，產(chǎn)生生細小圖圖像較為為困難。二二維水平平結(jié)構(gòu)是是OEIIC器件件

12、最感興興趣的結(jié)結(jié)構(gòu)形式式，他可可將單元元間的電電容耦合合降到最最低，但但由于工工藝較為為復雜，設(shè)設(shè)計時往往往要在在分離器器件性能能方面進進行折中中處理。OEIC器器件主要要包括OOEICC光發(fā)射射機器件件、OEEIC光光接收機機器件和和光中繼繼器件。3.1 OOEICC光發(fā)射射機器件件OEIC光光發(fā)射機機器件是是由激光光二極管管（LDD）、發(fā)發(fā)光管（LLED）及及驅(qū)動電電路構(gòu)成成，一般有有三種集集成類型型：光源源和驅(qū)動動電路的的集成；光源和和探測器器的集成成；光源源和驅(qū)動動電路及及探測器器的集成成。OEEIC光光發(fā)射機機器件研研究的重重點是高高速率LLD和驅(qū)驅(qū)動電路路的集成成。光發(fā)發(fā)射機器器件

13、對LLD的需需求是：低閾值值、大功功率、窄窄線寬、模模式穩(wěn)定定、高特特征溫度度，并且且便于集集成。適適合OEEIC光光發(fā)射機機器件的的激光器器有以下下兩種，隱埋異異質(zhì)結(jié)（BBH）和和法布里里-珀羅羅（FPP）腔條條形激光光器：其其性能好好，但閾閾值電流流高可引引起熱相相關(guān)問題題，并且且解理或或腐蝕的的反射鏡鏡面使制制作工藝藝復雜化化。分布布反饋（DDFB）和和分布布布喇格反反射器（DDBR）激激光器：有低閾閾值電流流（Itth）和和量子阱阱增益結(jié)結(jié)構(gòu)，IInP基基LD Ithh100mA（1kAA/cmm2），GGaAss基LDD Itth11mA（2000A/cm22）。量量子阱（QQW）L

14、LD不僅僅有極低低的Itth，可可望在110倍IIth下下工作，更更有高微微分增益益和高調(diào)調(diào)制速率率，是OOEICC光發(fā)射射器件的的最佳光光源。驅(qū)驅(qū)動電路路的作用用是控制制通過光光源的電電流和提提供高速速調(diào)制所所需的電電功率,有FEET、HHBT二二種。FFET輸輸入阻抗抗高、功功耗低、結(jié)結(jié)構(gòu)簡單單，HBBT有較較高的增增益特性性和較快快的響應(yīng)應(yīng)速度。在在GaAAs短波波長中多多采用金金屬-合合金-半半導體（MMES）FFET。在在InPP長波長長中，一一般采用用金屬-絕緣體體-半導導體（MMIS）FFET和和調(diào)制摻摻雜（MMOD）FFET。220世紀紀90年年代以來來，具有有高互阻阻、高跨跨

15、導、低低噪聲的的HBTT和HEEMT逐逐步代替替各種FFET成成為主流流，使OOEICC發(fā)射器器件性能能得到極極大提高高。特別別是HBBT消除除了高柵柵泄漏電電流，并并且其垂垂直幾何何形狀和和高速性性能非常常適合高高密度集集成。自自O(shè)EIIC技術(shù)術(shù)誕生以以來，主主要致力力于光發(fā)發(fā)射機器器件和光光接收機機器件的的研究，但但OEIIC光發(fā)發(fā)射機比比光接收收機的進進展緩慢慢。目前前，GaaAs基基OEIIC發(fā)射射機已接接近實用用，InnP基OOEICC發(fā)射機機正在研研究中。4.92ftm波長的GaInAsP OEIC發(fā)射機3dB帶寬已達6.6GHz，采用HEMT的OEIC光發(fā)射機調(diào)制速率達10Gb/

16、s。3.2 OOEICC光接收收機器件件OEICC光接收收機器件件主要由由探測器器和電子子放大電電路（晶晶體管放放大器）構(gòu)構(gòu)成，將將光信號號經(jīng)探測測器轉(zhuǎn)換換成電信信號并經(jīng)經(jīng)放大器器放大處處理后輸輸出。要要獲得高高靈敏度度、高量量子效率率的OEEIC光光接收機機,則要要提高探探測器和和晶體管管放大器器的性能能。對探探測器的的需求是是：高速速度、高高靈敏度度、高響響應(yīng)度、低低噪聲、小小電容、易易集成；對放大大器的需需求是：高跨導導、高互互阻、高高電流增增益截止止頻率和和最大振振蕩頻率率。探測測器：有有雪崩光光電二極極管（AAPD）和和PINN光電二二極管（PPD）兩兩種。AAPD雖雖有倍增增作用，

17、但但因頻響響限制，使使用較少少。使用用最多的的是低電電容、低低暗電流流的PIIN PPD，但但他和FFET集集成較為為困難。為為適應(yīng)高高速率、寬寬頻帶響響應(yīng)的需需求，PPIN有有所改進進。目前前已制出出具有高高速能力力的金屬屬-半導導體-金金屬（MMSM）PPD，其其電容更更低、工工藝簡單單，但暗暗電流稍稍大（110nAA以上）。更更有一種種多模波波導結(jié)構(gòu)構(gòu)（WGG）PDD，不僅僅具有大大帶寬和和高量子子效率，而而且易于于和其他他波導器器件耦合合及和光光器件集集成，因因而倍受受重視。晶晶體管：用作放放大器的的晶體管管有FEET、HHBT、HHEMTT等。大大多采用用FETT，但由由于他本本身的

18、缺缺陷使接接收機性性能不高高，和PPIN PD集集成較困困難。采采用改進進頻帶型型MODDFETT雖增加加了帶寬寬（最高高達188.5GGHz）和和靈敏度度（最高高達-119.55dBmm）、減減少了寄寄生，但但仍難以以滿足大大容量、高高速化通通信的需需要。HHBT具具有高速速、高電電流驅(qū)動動能力，更更有高跨跨導和十十分均勻勻的閾值值，并可可進行較較高密度度封裝。OOEICC光接收收機的發(fā)發(fā)展趨勢勢是高數(shù)數(shù)字速率率和寬頻頻帶響應(yīng)應(yīng)。目前前，最新新的OEEIC光光接收機機主要由由PINN PDD和MSSM PPD和HHBT和和HEMMT組成成。GaaAs基基PINN/HEEMT已已獲得336.5

19、5 GHHz帶寬寬,400 Gbb/s速速率,改改進后可可制成558 GGHz帶帶寬的毫毫米波OOEICC光接收收機。 MSMM PDD/HEEMT OEIIC光接接收機的的最大帶帶寬達338 GGHz。IInGaaAs/ InnP PPIN和和 InnGaAAs/IInAllAs/InPP HEEMT 集成的的PINN PDD/HEEMT 光接收收機的速速率達440550Gbb/s，頻頻帶寬達達40GGHz，可可望達660GHHz。若若在輸入入端加半半導體光光放大器器和可調(diào)調(diào)諧濾波波器，可可獲得高高靈敏度度（-118.55dBmm）、高高增益（00.7VV/W）的的OEIIC光接接收機。據(jù)據(jù)

20、預(yù)測，這這種PIIN PPD/HHEMTT OEEIC光光接收機機最佳化化設(shè)計后后速率可可望達到到1000 Gbb/s，截截止頻率率可望達達到1000GHHz。多多模WGG PDD使邊入入射型OOEICC光接收收機也獲獲重大突突破,將將WG PD和和分布補補償型HHEMTT放大器器集成,獲得了了46.5 GGHz和和52 GHzz帶寬。3.3 光光中繼器器件OEICC光中繼繼器是將將光發(fā)射射器件、光光接收器器件和放放大電路路器件集集成在一一起，兼兼有光發(fā)發(fā)射、接接收和放放大功能能。其特特點是不不必將光光信號檢檢波后再再放大，而而是直接接進行光光放大。已已獲得在在GaAAs襯底底上制作作的PII

21、N PPD/FFET/BH LD單單片集成成光中繼繼器，其其增益帶帶寬乘積積為1778MHHz。OOEICC光中繼繼器的研研究重點點是4.27fftm的的光-電電-光PPIN/FETT-FEET/LLD單片片集成。在在Si-InPP襯底上上制作的的PINN/FEET/LLD單片片集成光光中繼器器中，光光接收和和光放大大功能由由InGGaAss PIIN PPD/FFET完完成，電電光轉(zhuǎn)換換功能由由FETT/LDD完成。目目前正在在研制多多路OEEIC光光中繼器器，已獲獲得288Gb/s速率率和-115.55dBmm靈敏度度。發(fā)展展目標是是將LDD、PDD、光開開關(guān)、光光復用器器/解復復用器及及

22、幾種電電子電路路集成在在一起，可可實現(xiàn)OOEICC 波分分復用（WWDM）光光中繼功功能。4 GaAAs OOEICC和InPP OEEIC最有代表性性的砷化化鎵( GaAAs) OEIIC是光光纖(FFO)光光發(fā)射機機OEIIC，這這類光發(fā)發(fā)射機是是在GaaAs襯襯底上集集成光有有源器件件(如激激光二極極管或發(fā)發(fā)光二極極管) 和用做做激光二二極管的的驅(qū)動電電路。在在GaAAs襯底底上集成成一只AAlGaaAs 隱埋異異質(zhì)結(jié)激激光二極極管(BBHLDD)和兩兩只金屬屬-半導導體場效效應(yīng)晶體體管(MMESFFET)。兩只只MESSFETT 的作作用是控控制通過過激光器器的電流流,其中中一只提提供

23、維持持激光器器在閉值值以上工工作的偏偏流, 另一只只提供激激光器直直接調(diào)制制輸出的的調(diào)制電電流。兩兩個電流流獨立受受控于MMESFFET柵柵壓。這這種OEEIC 設(shè)計是是非平面面的, 這種結(jié)結(jié)構(gòu)的OOEICC 限制制通過光光刻可得得到的最最小特征征尺寸, 使電電子線路路的速度度受限。因因此這種種OEIIC 光光發(fā)射機機的頻響響限制在在幾個GGHz 以下。要要想獲得得高速工工作的OOEICC 光發(fā)發(fā)射, 應(yīng)采用用平面型型結(jié)構(gòu),這時應(yīng)應(yīng)該將生生長激光光器位置置的溝道道通過刻刻蝕工藝藝將其降降至到襯襯底里面面,使最最終生長長的激光光器層的的最上層層高度大大體與MMESFFET 頂層高高度一致致。迄今

24、今為止, 實現(xiàn)現(xiàn)高速工工作的GGsAss OEEIC 的工藝藝已成熟熟, 并并能滿足足CD-ROMM 和第第一代FFO 發(fā)發(fā)射機的的要求。InP光電電集成電電路是具具有1.3微米米 和11.555微米波波長范圍圍輸出和和接收的的激光二二極管和和光電二二極管通通常是由由在InnP 襯襯底上生生長的窄窄帶隙四四元化合合物GaaAsPP和三元元化合物物InGGaAss所構(gòu)成成。遺憾憾的是, 由這這些材料料構(gòu)成的的MESSFETT 因較較低的肖肖特基勢勢壘, 造成高高的柵泄泄漏電流流。因此此, IInGaaAsPP/InnP 的的OEIIC 不不宜使用用MESSFETT。異質(zhì)質(zhì)結(jié)雙極極晶體管管(HBB

25、T) 是InnP OOEICC 最理理想的電電子元件件。HBBT與MMESFFET不不同,它它具有由由一個疊疊層排列列的發(fā)射射極、基基極和集集電極組組成的垂垂直兒何何形狀結(jié)結(jié)構(gòu)。鑒鑒于InnP OOEICC 光發(fā)發(fā)射機構(gòu)構(gòu)形和HHBT 結(jié)構(gòu)的的各層連連接方式式, 由由于跨接接基極/ 發(fā)射射極異質(zhì)質(zhì)結(jié)產(chǎn)生生一正向向偏壓, 而集集電極/ 發(fā)射射極異質(zhì)質(zhì)結(jié)經(jīng)受受一反向向偏壓。因因此, 當一小小電流流流經(jīng)發(fā)射射極/ 基極電電路時, 便在在經(jīng)基極極的發(fā)射射極/ 集電極極電路中中產(chǎn)生一一相當大大的電流流。由于于激光器器與OEEIC 中的HHBT 的集電電極相連連接, 因此通通過調(diào)節(jié)節(jié)HBTT 的發(fā)發(fā)射極/基極電電路的電電流便可可調(diào)節(jié)通通過激光光器的電電流。松下的的光發(fā)射射器芯片片由一個個驅(qū)動電電路和在在InPP層及IInGaaAsPP層上的的激光器器組成，見見下圖。5 光電集集成的優(yōu)優(yōu)點及技技術(shù)問題題光電集成的的優(yōu)點：1，光電集集成電路路具有較較高的數(shù)數(shù)字轉(zhuǎn)換換速率。（高高速性）2，抗干擾擾能力強強。（抗抗擾性）3，單個集集成電路路可以具具有多種種功能。例例如，用用于多路路通信的的幾個不不同波長長的光發(fā)發(fā)射和接接收器件件，有