光電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

3/3光電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀及前景0引言

電子技術(shù)的高速發(fā)展，集成電路的集成度越來(lái)越高，對(duì)器件開關(guān)速度的要求也越來(lái)越高，電子的速度也基本發(fā)揮到極致，人們開始探索速度更快的粒子——光子，光電子器件也運(yùn)應(yīng)而生。當(dāng)今信息系統(tǒng)的顯著特征是信息的采集、存取、處理和應(yīng)用的高速化，寬帶化以及大容量化。在這樣的信息系統(tǒng)中。關(guān)鍵器件己非光電子器件莫屬。

光電子器件的發(fā)展趨勢(shì)可用兩個(gè)方面概括：一方面是繼續(xù)通過能帶工程使各種新型的人構(gòu)改性半導(dǎo)體材料如異質(zhì)結(jié)構(gòu)、量子阱、量子線、量子點(diǎn)和超晶格材料等可望實(shí)現(xiàn)并用以研制高性能的器件。另一方面，也更為關(guān)鍵的是要像微電子一樣實(shí)現(xiàn)集成化。目前，將功能不同的若干光電子器件通過內(nèi)部光波導(dǎo)互連，優(yōu)化集成在一個(gè)芯片上的光子集成芯片(PIC)正在迅速發(fā)展。下一步將是研制光子集成芯片和微電子集成芯片的共融體即光電子集成芯片(OELC)。這將突破分立器件的功能局限，使芯片的功能提高、功耗降低和可靠性極大改善。

1半導(dǎo)體激光器件

1.1概述

目前，各種新型的光電子器件層出不窮。激光器、發(fā)光二極管、光探測(cè)器、光雙穩(wěn)器件、光放大器以及各種特性的光纖等光電子器件每天都有增長(zhǎng)。其中，半導(dǎo)體激光器是最為活躍，增長(zhǎng)最快的一類。半導(dǎo)體激光器(LD)以其體積小、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)在光纖通信、激光音像等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，己成為光電子產(chǎn)業(yè)中的重要支柱。前些年LD在輸出功率、波長(zhǎng)覆蓋等方面曾經(jīng)不如其他激光器。近年來(lái)，LD在提高輸出功率、波長(zhǎng)向可見光邁進(jìn)以及向遠(yuǎn)紅外擴(kuò)展等方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。而在非光纖通信方面激光器的應(yīng)用也更為突出。一方面，通信類半導(dǎo)體光電子器件已經(jīng)很成熟，基本能滿足各類光纖通信系統(tǒng)的需要；另一方面，光盤存貯、激光二極管泵浦固體激光器、激光醫(yī)療等方面的應(yīng)用刺激了可見光LD、大功率LD及其列陣的進(jìn)展。更為引人注目的就是基于超晶格量子阱的優(yōu)異性能而迅速發(fā)展起來(lái)的量子阱、量子線和量子點(diǎn)大功率激光器。

1.2幾種常見納米激光器

1.納米導(dǎo)線激光器

在2001年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員在只及人的頭發(fā)絲千分之一的納米導(dǎo)線上制造出了世界最小的激光器——納米導(dǎo)線激光器。這種激光器不僅能發(fā)射紫外激光，經(jīng)過調(diào)整后還能發(fā)射從藍(lán)光到深紫外的激光。研究人員使用一種稱為取向附生的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，用純氧化鋅晶體制造了這種激光器。他們先是制造納米導(dǎo)線，即在金層上形成直徑為20nm~150nm，長(zhǎng)度為10000nm的純氧化鋅導(dǎo)線。然后，當(dāng)研究人員在室溫下用另一種激光器將納米導(dǎo)線中的純氧化鋅晶體激活時(shí)，純氧化鋅晶體會(huì)發(fā)射波長(zhǎng)只有17nm的激光。這種納米激光器最終有可能被用于鑒別化學(xué)物質(zhì)，提高計(jì)算機(jī)磁盤和光子計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)量。2.紫外納米激光器

繼微型激光器、微碟激光器、微環(huán)激光器、量子雪崩激光器問世后，美國(guó)加利福尼亞伯克利大學(xué)的化學(xué)家楊佩東及其同事制成了室溫納米激光器。這種氧化鋅納米激光器在光激勵(lì)下能發(fā)射線寬小于0.3nm、波長(zhǎng)為385nm的激光，被認(rèn)為

是世界上最小的激光器，也是采用納米技術(shù)制造的首批實(shí)際器件之一。在開發(fā)的初始階段，研究人員就預(yù)言這種ZnO納米激光器容易制作、亮度高、體積小，性能等同甚至優(yōu)于GaN藍(lán)光激光器。由于能制作高密度納米線陣列，所以，ZnO納米激光器可以進(jìn)入許多今天的GaAs器件不可能涉及的應(yīng)用領(lǐng)域。為了生長(zhǎng)這種激光器，ZnO納米線要用催化外延晶體生長(zhǎng)的氣相輸運(yùn)法合成。這種納米線陣列可以作為天然的諧振腔，進(jìn)而成為理想的微型激光光源。研究人員相信，這種短波長(zhǎng)納米激光器可應(yīng)用在光計(jì)算、信息存儲(chǔ)和納米分析儀等領(lǐng)域中。

3.量子線激光器

科學(xué)家研制出功率比傳統(tǒng)激光器大1000倍的量子線激光器，從而向創(chuàng)造速度更快的計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備邁進(jìn)了一大步。這種激光器可以提高音頻、視頻、因特網(wǎng)及其他采用光纖網(wǎng)絡(luò)的通信方式的速度，它是由來(lái)自耶魯大學(xué)、位于新澤西洲的朗訊科技公司貝爾實(shí)驗(yàn)室及德國(guó)德累斯頓馬克斯·普朗克物理研究所的科學(xué)家們共同研制的。這些較高功率的激光器會(huì)減少對(duì)昂貴的中繼器的要求，因?yàn)檫@些中繼器在通信線路中每隔80km（50mile）安裝一個(gè)，再次產(chǎn)生激光脈沖，脈沖在光纖中傳播時(shí)強(qiáng)度會(huì)減弱（中繼器）。

4.量子點(diǎn)激光器

由直徑小于20nm的一堆物質(zhì)構(gòu)成或者相當(dāng)于60個(gè)硅原子排成一串的長(zhǎng)度的量子點(diǎn)，可以控制非常小的電子群的運(yùn)動(dòng)而不與量子效應(yīng)沖突?？茖W(xué)家們希望用量子點(diǎn)代替量子線獲得更大的收獲，但是，研究人員已制成的量子點(diǎn)激光器卻不盡人意。原因是多方面的，包括制造一些大小幾乎完全相同的電子群有困難。大多數(shù)量子裝置要在極低的溫度條件下工作，甚至微小的熱量也會(huì)使電子變得難以控制，并且陷入量子效應(yīng)的困境。但是，通過改變材料使量子點(diǎn)能夠更牢地約束電子，日本電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的松本和斯坦福大學(xué)的詹姆斯和哈里斯等少數(shù)幾位工程師最近已制成可在室溫下工作的單電子晶體管。但很多問題仍有待解決。因此，大多數(shù)科學(xué)家正在努力研制全新的方法，而不是仿照目前的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)量子裝置。

2激光器及其光電子器件的應(yīng)用前景

在信息網(wǎng)絡(luò)化方面，隨著電視、圖像、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的增加，對(duì)傳輸容量的需求日新月異地提高。密集波分復(fù)用技術(shù)已成為發(fā)展主流。其發(fā)展趨勢(shì)是通道數(shù)為數(shù)10個(gè)、每個(gè)通道數(shù)據(jù)率為2.5Gb/s10Gb/s或更高。給未來(lái)寬帶信息系統(tǒng)網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)巨大的沖擊，也給眾多中、小型企業(yè)在巨大的DWDM市場(chǎng)上帶來(lái)無(wú)限商機(jī)，這包括有元器件，如符合DWDM系統(tǒng)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的高速激光器，寬帶及有平坦增益譜的光纖放大器：大量的無(wú)源器件如高速調(diào)制器、波分復(fù)用與解復(fù)用器、光波分插復(fù)用器：以及為適應(yīng)高速傳輸發(fā)展的光纖色散補(bǔ)償其與色散補(bǔ)償技術(shù)，適應(yīng)高速網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的波長(zhǎng)變換器、光交叉互連器與光交換技術(shù)等，除了DWDM相關(guān)的元器件的巨大市場(chǎng)需求外，塑料光纖和塑料封裝的激光器及其他低價(jià)格的光電子器件和模塊也將有日益增長(zhǎng)的需求。

在光顯示和光存儲(chǔ)方面，LED與LD的發(fā)展迅猛。藍(lán)光LED的市場(chǎng)售價(jià)不斷下降。藍(lán)綠色發(fā)光器件有十分巨大的應(yīng)用市場(chǎng)，包括大型全色顯示屏，下一代DVD等，以藍(lán)光LED為基礎(chǔ)的白光“半導(dǎo)體燈”已成為世界上各大照明燈泡公司全力開發(fā)的節(jié)能光源，它的應(yīng)用普及將引起能源領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。以GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)在顯示、存儲(chǔ)和大功率、高溫、高速電子器件將形成新的經(jīng)濟(jì)生長(zhǎng)點(diǎn)。在平板顯示器領(lǐng)域，除LED屏之外，等離子體顯示、場(chǎng)發(fā)射顯示和被晶顯示技術(shù)也都在發(fā)展，爭(zhēng)奪數(shù)字高清晰度電視和監(jiān)視屏的大市場(chǎng)。

在紅外探測(cè)器方面，室溫紅外焦平面探測(cè)列陣技術(shù)將有較大發(fā)展，長(zhǎng)期以來(lái)，由于紅外探測(cè)器列陣技術(shù)難度高、制備困難，使用條件苛刻(需低溫制冷)，很難獲得民用市場(chǎng)，近年來(lái)隨著微加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，敏感元微型化，熱分離構(gòu)造的采用使非制冷紅外焦平面器件的靈敏度響應(yīng)和速度大幅度改善。

在設(shè)計(jì)與應(yīng)用軟件方面，目前能夠預(yù)測(cè)光電子器件之間復(fù)雜的相互作用以及內(nèi)部詳細(xì)的物理情況的CAD軟件還很少，但光電子器件和光纖通信系統(tǒng)的CAD軟件研究己越來(lái)越受到重視。國(guó)外一批商品軟件已面市，使光電子器件和系統(tǒng)得到模擬，包括半導(dǎo)體激光器、波導(dǎo)、光電二極管、光纖光柵等器件，光放大器、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、復(fù)用器、解復(fù)用器等部件以及光纖系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)等。

3結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前社會(huì)，信息產(chǎn)業(yè)已成為先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，光電子技術(shù)已成為信息產(chǎn)業(yè)的前沿學(xué)科。從以上的論述可以看出，光電子學(xué)的研究、開發(fā)和應(yīng)用的發(fā)展相當(dāng)迅速，器件和系統(tǒng)幾乎年年更新。理論的研究也在朝著更本質(zhì)更精細(xì)的方向發(fā)