集成光電子學(xué)的現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析.doc

集成光電子學(xué)的現(xiàn)狀與分析摘要 集成光電子學(xué)是當(dāng)今光電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展前沿之一，隨著光電子器件的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，光電子集成也隨即發(fā)展起來。而光電子集成也是光子學(xué)發(fā)展的必由之路和高級階段。本論文將主要介紹光電集成器件、光電集成材料以及光電集成技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其前景。 關(guān)鍵詞：光電子器件、光電子集成（OEIC）技術(shù)、OEIC光發(fā)射機(jī)器件、OEIC光接收機(jī)器件、光中繼器件、GaAs光電子集成技術(shù)、InP光電子集成技術(shù)、硅基光電子集成技術(shù)。 一、引言 集成光電子學(xué)是當(dāng)今光電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展前沿之一，它主要研究集成在一個平面上的光電子學(xué)器件和光電子系統(tǒng)的理論、技術(shù)與應(yīng)用，是光子學(xué)發(fā)展的必由之路和高級階段。集成光電子學(xué)以半導(dǎo)體激光器等光電子元件為核心集成起來，并以具有一定功能的體系為標(biāo)志。目前，主要是研究和開發(fā)光通信、光傳感、光學(xué)信息處理和光子計算機(jī)所需的多功能、穩(wěn)定、可靠的光集成體系和光電子集成體系(OEIC:optical-electronicintegratedcircuit)；光學(xué)器件與電子器件集成在一起，則構(gòu)成復(fù)合光電子集成體系。光電子集成（OEIC）技術(shù)和光子集成技術(shù)是光電子技術(shù)的基礎(chǔ)，自從20世紀(jì)光電子集成的概念被提出以后，光電子集成技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)取得了一系列重大的突破。隨著光電子集成器件的發(fā)展，其制造工藝不斷向著簡約化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和自動化發(fā)展。集成光電子學(xué)的理論基礎(chǔ)是光學(xué)和光電子學(xué)，涉及波動光學(xué)與信息光學(xué)、非線性光學(xué)和、半導(dǎo)體光電子學(xué)、晶體光學(xué)、薄膜光學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、耦合模與參量作用理論、薄膜光波導(dǎo)器件和體系等多方面的現(xiàn)代光學(xué)和光電子學(xué)內(nèi)容；其工藝基礎(chǔ)則主要是薄膜技術(shù)和微電子工藝技術(shù)。集成光電子學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，除了光纖通信、光纖傳感技術(shù)、光學(xué)信息處理、光計算機(jī)與光存儲等之外，還在向其他領(lǐng)域，如材料科學(xué)研究、光學(xué)儀器、光譜研究等方面滲透。二、典型的光電子器件簡介11、有源器件1) 半導(dǎo)體發(fā)光二級管LED（lighting emitting diode）早期的光纖通訊 使用過LED作為光源?，F(xiàn)在LED仍然廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如大屏幕顯示、交通指示燈等等。LED是基于半導(dǎo)體有源區(qū)材料自發(fā)輻射的光源，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，但是頻譜很寬，且光束方向性差，功率小。2) 半導(dǎo)體激光器LD（laser diode）發(fā)展到今天，半導(dǎo)體激光器已經(jīng)成為光纖通信系統(tǒng)的必選光源。它具有很多優(yōu)勢：體積小，功率轉(zhuǎn)換效率高，激光單色性好，調(diào)制速度高。半導(dǎo)體激光器波長目前已經(jīng)覆蓋了從360nm到幾十um的范圍。半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖1。3) 半導(dǎo)體光放大器SOASOA的結(jié)構(gòu)幾乎和LD相同，其本質(zhì)區(qū)別在于SOA的兩個端面都是完全抗反鍍膜，即SOA沒有諧振腔。由于不存在光的端面反饋，所以光在器件中以行波方式通過。SOA可用于寬帶放大，3dB帶寬可達(dá)4050nm。雖然摻餌光纖放大器的出現(xiàn)限制了SOA的應(yīng)用，但是SOA仍具有很強(qiáng)的優(yōu)勢：體積小，價格便宜，寬帶放大，可用于制作光開關(guān)及列陣等。4) 半導(dǎo)體光調(diào)制器半導(dǎo)體光調(diào)制器可分為強(qiáng)度調(diào)制器件和相位調(diào)制器件。由于目前光纖調(diào)制系統(tǒng)主要采用強(qiáng)度檢測方式，所以強(qiáng)度光調(diào)制器占有絕大多數(shù)的份額。半導(dǎo)體強(qiáng)度調(diào)制器主要有兩種，利用量子限制的斯塔克的電吸收調(diào)制器件和Mach-Zehnder（M-Z）型光調(diào)制器件。無外加偏壓時，電吸收型調(diào)制器的吸收峰處于被調(diào)制光波長的短波長方向，光波吸收較少；外加反偏壓時，電吸收型調(diào)制器的吸收峰向長波長方向移動，使被調(diào)制光的吸收增大。M-Z型光調(diào)制器有兩個波導(dǎo)臂，其中一個加有電極，當(dāng)電極加上電壓后，這個臂上波導(dǎo)的折射率會發(fā)生改變，通過該臂的光的相位會發(fā)生變化。M-Z型光調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。2、 無源器件1) 半導(dǎo)體光耦合器半導(dǎo)體光耦合器主要用于光功率分配，常用的耦合器有星型耦合器和基于多模干涉的耦合器，后者的耦合效率較高。2) 復(fù)用/解復(fù)用器件 基于半導(dǎo)體材料的復(fù)用/解復(fù)用器件主要有三種。一種是利用多層介質(zhì)膜濾波器制作的復(fù)用/解復(fù)用器。第二種叫做曲面平面光柵，最后一種叫陣列波導(dǎo)光柵。3) 半導(dǎo)體光開關(guān)在WDM光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中光開關(guān)是非常關(guān)鍵的器件。目前有熱光開關(guān)、M-Z型電光開關(guān)、基于SOA的光開關(guān)以及基于微光電機(jī)系統(tǒng)的光開關(guān)。 圖1 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu) 圖2 M-Z型光調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖3、 光電子集成技術(shù) 目前集成光電子學(xué)的主要研究領(lǐng)域是是研究和開發(fā)光通信、光傳感、光學(xué)信息處理和光子計算機(jī)所需的多功能、穩(wěn)定、可靠的光集成體系和光電子集成體系(OEIC:optical-electronicintegratedcircuit)。把激光器、調(diào)制器、探測器等有源器件集成在同一襯底上，并用光波導(dǎo)、隔離器、耦合器等無源器件連接起來構(gòu)成的微型光學(xué)系統(tǒng)稱為集成光路，以實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的薄膜化、微型化和集成化。如果同時與電子器件集成，則構(gòu)成復(fù)合光電子集成體系。集成光電子學(xué)的理論基礎(chǔ)是光學(xué)和光電子學(xué)，涉及波動光學(xué)與信息光學(xué)、非線性光學(xué)和、半導(dǎo)體光電子學(xué)、晶體光學(xué)、薄膜光學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、耦合模與參量作用理論、薄膜光波導(dǎo)器件和體系等多方面的現(xiàn)代光學(xué)和光電子學(xué)內(nèi)容；其工藝基礎(chǔ)則主要是薄膜技術(shù)和微電子工藝技術(shù)。集成光電子學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，除了光纖通信、光纖傳感技術(shù)、光學(xué)信息處理、光計算機(jī)與光存儲等之外，還在向其他領(lǐng)域，如材料科學(xué)研究、光學(xué)儀器、光譜研究等方面滲透。 目前在光電子集成技術(shù)領(lǐng)域研究最多的是GaAs和InP光電子集成技術(shù)，另外，Si材料也是制作光電子集成器件的理想材料。對光電子集成器件的研究主要集中在OEIC光發(fā)射機(jī)器件、OEIC光接收機(jī)器件和光中繼器件。隨著光通信、光信息處理、光計算、光顯示等學(xué)科的發(fā)展，人們對具有體積小、功耗低、工作速度高和高度平行性的光電子集成技術(shù)越來重視，同時，材料科學(xué)和先進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)展使它在單一結(jié)構(gòu)或單片襯底上集成光學(xué)、光/電和電子元件成為可能，并構(gòu)成單一功能或多功能的光電子集成電路。光電子集成電路由激光二極管(LD)、發(fā)光二極管(LED)、光電二極管(PD)、光調(diào)制器等光電子有源器件和光波導(dǎo)、耦合器、分離器、光柵等光無源器件以及諸如各種場效應(yīng)晶體管、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)、高電子遷移率晶體管(HEMT)、驅(qū)動電路、開關(guān)、放大器、再生器和復(fù)用解復(fù)用器等電子元件構(gòu)成。光電子集成2根據(jù)材料劃分有GaAs光電子集成、InP光電子集成、Si光電子集成。光電子集成器件主要有OEIC光發(fā)射機(jī)器件、OEIC光接收機(jī)器件、光中繼器件。OEIC的制作工藝現(xiàn)有的主要有分子束外延（MBE）、化學(xué)束外延（CBE）、金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積（MOCVD）、金屬有機(jī)汽相外延（MOVPE）等晶體生長技術(shù)以及一些亞微米級微加工技術(shù)。光電子器件和電子器件集成在同一襯底上通常采用兩種方法。其一是分別設(shè)計二者的層結(jié)構(gòu)，并用一步或重復(fù)生長的方法依次生長于襯底上，形成垂直結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是：電路簡單，生產(chǎn)和制作工藝簡單，通常將器件層堆積以提高集成度；其缺點是：設(shè)計靈活性差，不能實現(xiàn)高速工作，寄生電容大，不易獲得好的絕緣性，平面性差，成品率底以及不適合大規(guī)模集成。其二是將兩者水平排列在襯底上，形成二維水平結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是：寄生電容小，成品率高；其缺點是：加工復(fù)雜，由于光器件厚度相對電器件要厚，易形成臺階，產(chǎn)生細(xì)小圖形較為困難。1、不同材料的光電子集成技術(shù)1) GaAs光電子集成 光纖光發(fā)射機(jī)OEIC是GaAs光電子集成中最代表性的器件，這類光發(fā)射機(jī)是在GaAs襯底上集成光有源器件和用作激光二極管的驅(qū)動電路。在GaAs襯底上集成一只AlGaAs異質(zhì)結(jié)激光二極管（BHLD）和兩只金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET）。兩只MESFET的作用是控制通過激光器的電流，其中一只提供維持激光器在閾值以上工作的偏流，另一只提供激光器直接調(diào)制輸出的調(diào)制電流。兩個電流獨立受控于MESFET的柵壓。 GaAs OEIc光接收機(jī)最近雖然少有提及，但就其性能而言，大大超過Si、SiGe基器件。GaAs基短波長OEIC光接收機(jī)一般采用MSMPD與各種FET或HEMT互阻抗放大器結(jié)合的形式，這種設(shè)計可以利用MSMPD的低本征電容和互阻抗放大器的寬動態(tài)范圍特點。早在1988年，MSMMESFET就獲得了5GHz以上的帶寬，1993年帶寬達(dá)到11GHz。由于MODFET可對高速載流子進(jìn)行有效調(diào)制并能減小寄生因素，1992年MSMPD與MODFET結(jié)合接收機(jī)帶寬超過8 GHz的帶寬。1991年MSMHEMT光接收機(jī)，也成功地實現(xiàn)8 GHz帶寬、10 Gb/s的工作速率。2) InP集成電路 具有1.3um和1.55um波長范圍輸出和接受的激光二極管和光電二極管通常是由在InP襯底上生長的窄帶隙四元化合物InAlGaP和三元化合物InGaAs所構(gòu)成。遺憾的是，由這些材料構(gòu)成的MESFET因較低的肖特基勢壘，造成高的柵泄漏電流。因此，InGaAsP/InP的OEIC不宜使用MESFET。異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）是InP OEIC最理想的電子元件。HBT與MESFET不同，它具有一個疊層排列的發(fā)射極、基極和集電極組成的垂直幾何形狀結(jié)構(gòu)。鑒于InP OEIC光發(fā)射機(jī)和HBT結(jié)構(gòu)的各層連接方式，由于跨接基極/發(fā)射極異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生一正向偏壓，而集電極/發(fā)射極異質(zhì)結(jié)經(jīng)受一反向偏壓。因此，當(dāng)一小電流流經(jīng)發(fā)射極/基極電路時，便在經(jīng)基極的發(fā)射極/集電極電路中產(chǎn)生一個相當(dāng)大的電流。HBT不僅消除在InGaAsP/InP系統(tǒng)中因高柵泄露電流的問題，而且它的垂直幾何形狀和高速性能很適合寬帶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(dǎo)體FET、高電子遷移率晶體管（HEMT）和調(diào)制摻雜FET對InP OEIC也是有價值的。 InP OEIC另一個領(lǐng)域是光接收機(jī)。OEIC接收機(jī)具有低寄生參數(shù)、 低成本和高可靠性的優(yōu)點。 以前由于實現(xiàn)在同一芯片上同時制作高質(zhì)量的光、電器件的復(fù)雜性掩蓋了這些優(yōu)點 , 但是最近優(yōu)異的研究結(jié)果表明已經(jīng)不是以前的狀況了。目前人們選擇O EIC的其它主要原因還在于接收機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬大于或等于10GHz，O EIC 陣列。后者如果同作為輸入的光纖陣列相結(jié)合的話 , 可以使得所有的光纖同所有的 OEIC光電探測器同時對準(zhǔn) ，這意味著同以前一個一個光纖對準(zhǔn)的方法相比具有更有效率的組裝方法 , 因而降低了封裝成本。這類接收機(jī)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光電二極管，另一種是金屬一半導(dǎo)體一金屬(MSM)光電二極管，都具有高速工作的能力。在 In P襯底上集成的p一i一n光電二極管(PD)和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)是一 種垂直集成的OEIC光接收機(jī)。它的制作程序很明確，首先在nI P襯底上生長PD的半導(dǎo)體層，然后再生長HBT的半導(dǎo)體層。生長結(jié)束后，選擇刻蝕出PD和HBT。最后，淀積接觸金屬層和用做隔離的聚酞亞胺膜。PD和HBT之間的電連接是通過分離的金屬淀積實現(xiàn)的。3) Si基光電子集成 在硅材料3上發(fā)展起來的集成電路對電子計算機(jī)等科技的發(fā)展起了關(guān)鍵的作用。利用適當(dāng)?shù)男盘柼幚黼娐穼⒓す舛O管和光電探測器單片集成在GaAs基片上形成高級集成電路互聯(lián)的集成光電子接自比混合或電子互聯(lián)優(yōu)越得多。除了結(jié)構(gòu)緊湊、高可靠性外，集成光電子學(xué)提供了高速和低噪聲特性，因為減少了與連接導(dǎo)線和焊接點相關(guān)的寄生電容和電感。但是硅集成電路受到尺寸的硅質(zhì)材料中電子運動速度的限制，使它很難滿足發(fā)展的要求。如果能在硅芯片上引入光電子集成技術(shù)4，用光波代替電子作為信息載體，可大大增強(qiáng)信息傳輸速度和處理能力。由于硅材料的發(fā)射率低，國外的研究人員提出和研究了多種硅基材料，如摻餌硅、多孔硅、納米硅、硅基異質(zhì)外延、超晶格和量子阱材料等，并取得了一些成果。例如Tsybeskov5等人和Hirschman6等人采用硅微電子工藝將雙極晶體管和多孔硅發(fā)光管集成在一個硅片上。 目前，研制硅基7單片光電子集成回路（如圖3所示）所采用的主要工藝是SOI工藝和CMOS工藝。其中，COMS工藝與超大規(guī)模集成電路相兼容，工藝成熟，適宜大規(guī)模生產(chǎn)，但是要實現(xiàn)高效的光電子器件比較困難；而SOI工藝比較容易實現(xiàn)高效的光電子器件，適宜用來提高單片光電子集成回路的性能，但是目前還不能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。目前，比較成熟的光電子器件大部分是用SOI工藝制作的。但是，將這些光電子器件集成起來還沒有實現(xiàn)，主要是因為在這些光電器件的制作中用到的工藝不經(jīng)相同。 圖3 硅基單片光電子集成電路 硅基光電集成技術(shù)發(fā)展包括三個階段13。早期是以重?fù)诫s襯底上外延非摻雜高阻單晶硅層,并形成脊形光波導(dǎo),但由于載流子的吸收作用，傳輸損耗在12dBPcm以上；第二階段是移用超大規(guī)模集成電路的SOI技術(shù)，該方法大大降低了光波的傳輸損耗（最低達(dá)到011dB/Pcm），不過，其缺點是光波導(dǎo)仍然制作在硅單晶的材料上，光波導(dǎo)的上下限制層分別為空氣和SiO2，它們的折射率與硅單晶折射率相差太大，迫使光波導(dǎo)數(shù)值孔徑太高,由于SOI材料制作工藝較成熟,目前繼續(xù)采用。當(dāng)前的第三階段，Si1-xGex/Si發(fā)展迅速，可以研制性能更加符合傳輸損耗低，光波導(dǎo)截斷面尺寸與光纖相連（脊高57um,脊寬710um）且光波導(dǎo)數(shù)值孔徑很適合（約210）的集成光波導(dǎo)器件。由于，SiGex/Si量子阱材料在電場作用下存在藍(lán)移現(xiàn)象，從而獲得較大的電光效應(yīng)，在高速調(diào)制與光開關(guān)方面有良好的應(yīng)用前景。 由于硅的發(fā)射率低，通過其他方法來突破硅材料的限制對硅基電子集成或硅基器件都有重要的意義。使用的方法8主要有使用多孔硅材料、硅納米晶體、摻餌硅納米晶材料等，以期獲得實用高效的硅基光源。多孔硅是采用HF電解液，以硅單晶為陽極進(jìn)行電化學(xué)腐蝕制備出來的、共有孔狀結(jié)構(gòu)的硅無序固體材料。多孔硅的發(fā)光機(jī)制是多年來一直研究的悶題，已有多個模型教提出解釋多孔硅的發(fā)光現(xiàn)象9，目前已得到廣泛認(rèn)可的有量子限制模型(QC）以及結(jié)合量子限制模型的量子限制一發(fā)光中心模型(QCLC)10等。多孔硅是由許多納米量級的硅晶粒組成的無序固體，量子限制模型認(rèn)為納米量級的晶體結(jié)構(gòu)使電子和空穴被限制在一個很小的空間范圍內(nèi)，使得本來是間接帶隙的硅晶體中電子與空穴直接復(fù)合的概率增加，從而提高了發(fā)光效率。硅納米晶體是直徑在幾個納米范圍內(nèi)的硅晶體顆粒，目前被廣泛研究的是嵌埋于SiO2基體里面的硅納米晶體。制備軌納米晶體的主要方法有離子注入、濺射、等離子體激勵式化學(xué)氣相(PECVD)鉑和脈沖激光燒蝕等，但這些方法制備出來的硅納米晶體通常具有較寬的尺寸分布。不利于光學(xué)性質(zhì)的研究和應(yīng)用。尺寸可控的硅納米晶體制備方法也被提出。例如分離硅烷，然后從氣相獲得硅原子。經(jīng)重組后獲得硅顆粒，或者在SiO2/SiOx中通過退火使極薄的SiOx層發(fā)生相分離而獲得尺寸受到SiOx薄層厚度限制的硅納米晶體顆粒，以上方法制備的硅納米晶體其尺寸分布的半峰全寬(FWHM)均可以控制在1 nm左右。 硅基單片光電子集成回路的各部件中硅基光探測器與硅基光波導(dǎo)的制作技術(shù)相對比較成熟 研究的主要困難在于實現(xiàn)高效的硅基光發(fā)射器， 如何將硅基光探測器、硅基光波導(dǎo)、硅基光發(fā)射器有效的集成在一個個芯片上是硅基單片光電子集成回路的重點所在。 以上是光電子集成技術(shù)使用的3種類型的主要的發(fā)光材料。而且，Si、Ga、InP不經(jīng)具有良好的觀點特性，而且還可以制作電子電路，因而它們是很好的OEIC材料。關(guān)于OEIC制作工藝，現(xiàn)有的分子束外延(MBE)、化學(xué)束外延(CBE)、金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積(MOCVD)、金屬有機(jī)汽相外延(MOVPE)等晶體生長技術(shù)和先進(jìn)的亞微米級微加工技術(shù)已能滿足一定要求。OEIC器件主要包括OEIC光發(fā)射機(jī)器件、OEIC光接收機(jī)器件和光中繼器件。 OEIC光發(fā)射機(jī)器件11是由激光二極管（LD）、發(fā)光管（LED）及驅(qū)動電路構(gòu)成，一般有三種集成類型：光源和驅(qū)動電路的集成；光源和探測器的集成；光源和驅(qū)動電路及探測器的集成。OEIC光發(fā)射機(jī)器件研究的重點是高速率LD和驅(qū)動電路的集成。光發(fā)射機(jī)器件對LD的需求是：低閾值、大功率、窄線寬、模式穩(wěn)定、高特征溫度，并且便于集成。適合OEIC光發(fā)射機(jī)器件的激光器有以下兩種，隱埋異質(zhì)結(jié)（BH）和法布里-珀羅（FP）腔條形激光器：其性能好，但閾值電流高可引起熱相關(guān)問題，并且解理或腐蝕的反射鏡面使制作工藝復(fù)雜化。分布反饋（DFB）和分布布喇格反射器（DBR）激光器：有低閾值電流（Ith）和量子阱增益結(jié)構(gòu)。驅(qū)動電路的作用是控制通過光源的電流和提供高速調(diào)制所需的電功率,有FET、HBT二種。FET輸入阻抗高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單，HBT有較高的增益特性和較快的響應(yīng)速度。在InP長波長中，一般采用金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）FET和調(diào)制摻雜（MOD）FET。20世紀(jì)90年代以來，具有高互阻、高跨導(dǎo)、低噪聲的HBT和HEMT逐步代替各種FET成為主流，使OEIC發(fā)射器件性能得到極大提高。特別是HBT消除了高柵泄漏電流，并且其垂直幾何形狀和高速性能非常適合高密度集成。自O(shè)EIC技術(shù)誕生以來，主要致力于光發(fā)射機(jī)器件和光接收機(jī)器件的研究，但OEIC光發(fā)射機(jī)比光接收機(jī)的進(jìn)展緩慢。目前，GaAs基OEIC發(fā)射機(jī)已接近實用，InP基OEIC發(fā)射機(jī)正在研究中。4.92nm波長的GaInAsP OEIC發(fā)射機(jī)3dB帶寬已達(dá)6.6GHz，采用HEMT的OEIC光發(fā)射機(jī)調(diào)制速率達(dá)10Gb/s。2、 光電子集成器件1) OEIC光發(fā)射機(jī)12 OEIC光發(fā)射機(jī)主要由LD、LED及其驅(qū)動電路組成。驅(qū)動電路通常是用各種FET和HBT制作其作用是控制通過光源的電流。LD一般要求低閾值，因而具有低閾值和量子增益結(jié)構(gòu)的分布反饋(DFB)和分布布喇格反射器(DBR)以及量子阱LD是OEIC光發(fā)射機(jī)理想的光源，另外，低電流的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)對于高密度OEIC尤為重要。然而，OEIC光發(fā)射機(jī)進(jìn)展緩慢，同OEIC光接收機(jī)的進(jìn)步極不相稱，為數(shù)不多的報道僅限于20世紀(jì)90年代初期，且光源多采用LD，襯底多采用GaAs和InP，雖然也有Si上集成GaAs/AlGaAs LD/MESFET和采用LED作光源的OEIC光發(fā)射機(jī)的報道，但沒有有價值的參數(shù)。2) OEIC光接收機(jī) OEIC光接收機(jī)器件11主要由探測器和電子放大電路（晶體管放大器）構(gòu)成，將光信號經(jīng)探測器轉(zhuǎn)換成電信號并經(jīng)放大器放大處理后輸出。要獲得高靈敏度、高量子效率的OEIC光接收機(jī),則要提高探測器和晶體管放大器的性能。對探測器的需求是：高速度、高靈敏度、高響應(yīng)度、低噪聲、小電容、易集成；對放大器的需求是：高跨導(dǎo)、高互阻、高電流增益截止頻率和最大振蕩頻率。探測器：有雪崩光電二極管（APD）和PIN光電二極管（PD）兩種。APD雖有倍增作用，但因頻響限制，使用較少。使用最多的是低電容、低暗電流的PIN PD，但他和FET集成較為困難。為適應(yīng)高速率、寬頻帶響應(yīng)的需求，PIN有所改進(jìn)。目前已制出具有高速能力的金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）PD，其電容更低、工藝簡單，但暗電流稍大（10nA以上）。更有一種多模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（WG）PD，不僅具有大帶寬和高量子效率，而且易于和其他波導(dǎo)器件耦合及和光器件集成，因而倍受重視。晶體管：用作放大器的晶體管有FET、HBT、HEMT等。大多采用FET，但由于他本身的缺陷使接收機(jī)性能不高，和PIN PD集成較困難。采用改進(jìn)頻帶型MODFET雖增加了帶寬（最高達(dá)18.5GHz）和靈敏度（最高達(dá)-19.5dBm）、減少了寄生，但仍難以滿足大容量、高速化通信的需要。HBT具有高速、高電流驅(qū)動能力，更有高跨導(dǎo)和十分均勻的閾值，并可進(jìn)行較高密度封裝。OEIC光接收機(jī)的發(fā)展趨勢是高數(shù)字速率和寬頻帶響應(yīng)。1 短波長OEIC光接收機(jī) 短波長OEIC光接收機(jī)是低帶寬、短距離光通信如局域網(wǎng)、計算機(jī)互連以及家用光纖傳輸?shù)氖走x接收機(jī)，具有成本低、可靠性高等優(yōu)點。材料除了較為成熟的Si、GaAs外，正在積極開發(fā)SiGe這一新型材料，并已表明：它可制作更高速器件，而且同樣可實現(xiàn)低成本、高可靠性。Si OEIC接收機(jī)的研制近年較為活躍，1998年貝爾實驗室用0.35um CMOS工藝，首次實現(xiàn)達(dá)1Gb/s工作速率。最高性能是1999年初德克薩斯大學(xué)實現(xiàn)的工作速率為1 Gb/s，靈敏度為一22. 8 dBm(622 Mb/s)、一15 dBm(900 Mb/s)、一93血dBm(1Gb/s)。1998年美國密執(zhí)安大學(xué)首次用一步MBE制作成迄今唯一的SiGe OEIC PIN/HTB光接收機(jī)。HBT的fT=23 GHz，fmax=34 GHz，互阻增益為522dB，光接收機(jī)帶寬460 MHz，輸入噪聲電流8.2 pA(1 GHz)，在05、1 Gb/s(850 nm波長)時靈敏度分別為一24.4、一22.8 dBm。2 長波長OEIC接收機(jī) 各種場效應(yīng)晶體管同PINPD、MSMPD的結(jié)合代表了OEIC接收機(jī)發(fā)展的一個重要階段。早在1988年便制作出了13155um InGaAs PIN/FET單片集成接收機(jī)，經(jīng)改善，1992年速度達(dá)到了10 Gb/s。但由于FET本身的缺陷，以此作電子放大器的光接收機(jī)性能較差，最大帶寬是MSM/MODFET的18.5 GHz和PIN/MODFET的10GHz，10 Gb/s速率時的最佳靈敏度是MSM/MODFET的-16.5 dBm和PIN/MODFET的-19.5dBm?？梢娺@類器件難以滿足日益大容量、高速化的光通信需要。3 長波長PIN基OEIC光接收機(jī) 1991年德國Crawford Hill實驗室制作了PIN/HBT OEIC接收機(jī)，首次實現(xiàn)5 Gb/s速率之后，1995年又相繼率先實現(xiàn)12 Gb/s、15 Gb/s、20 Gb/s速率。1997年日本NTT系統(tǒng)電子實驗室首先使這類器件工作速率達(dá)到40 Gb/s，日本NTT光電子實驗室和德國Fraunhofer應(yīng)用固體物理研究所早在1989年，采用接收機(jī)便實現(xiàn)了10 Gb/s速率和-24dBm靈敏度，1995年瑞士FederaI技術(shù)研究所又率先實現(xiàn)了18GHz帶寬，同年，NTT光電子實驗室首次引入多模WGPD，使邊入射型OEIC接收機(jī)取得了重大突破。隨后將這種WGPD同分布補(bǔ)償性HEMT放大器結(jié)合，有實現(xiàn)了46.5GHZ和52GHZ帶寬。GaAs基PIN/HEMT方面以德國Fraunhofer應(yīng)用固體物理研究所的研究成果為代表，繼1997年首次實現(xiàn)10Gb/s速率之后，1998年又實現(xiàn)了36.5GHz帶寬、40Gb/s速率，制成帶寬58GHZ的毫米波OEIC光接收機(jī)。4 長波長MSM基OEIC光接收機(jī) 長波長MSM基OEIC光接收機(jī)主要由MSMPD同各類FETHEMT組成。1992年貝爾通信研究所首次報道GaAs基MSM/HEMT后，1996年德國Fraunhofer應(yīng)用固體物理研究所用0.3 um柵長AIGaAs/GaAs HEMT工藝制作了第一個10 Gb/s速率的OEIC接收機(jī)，為改善PD響應(yīng)度和頻率特性，1997年該研究所通過引入In0.53Ga0.47AS吸收層和組分漸變的AlGaInAs四元緩沖層，并改進(jìn)電路設(shè)計和減小叉指寬度、間距(分別從1 um、1.5um減至0.75um、1um)，率先實現(xiàn)20Gb/s速率、16.5 GHz帶寬。從事InP基MSM/HEMT光接收機(jī)研究的主要有柏林通信技術(shù)股份公司、H赫茲研究所、伊利諾斯大學(xué)等，并于1998年H赫茲研究所實現(xiàn)了MSM/HEMT的最大帶寬38 GHz。5 OEIC陣列接收機(jī) OEIC陣列接收機(jī)在波分復(fù)用大容量光通信以及并行信號處理、光互連中得到廣泛的應(yīng)用，其發(fā)展幾乎與單信道的OEIC接收機(jī)同步，但進(jìn)展緩慢。3、光中繼器件OEIC光中繼器是將光發(fā)射器件、光接收器件和放大電路器件集成在一起，兼有光發(fā)射、接收和放大功能。其特點是不必將光信號檢波后再放大，而是直接進(jìn)行光放大。已獲得在GaAs襯底上制作的PIN PD/FET/BH LD單片集成光中繼器，其增益帶寬乘積為178MHz。OEIC光中繼器的研究重點是4.27ftm的光-電-光PIN/FET-FET/LD單片集成。在Si-InP襯底上制作的PIN/FET/LD單片集成光中繼器中，光接收和光放大功能由InGaAs PIN PD/FET完成，電光轉(zhuǎn)換功能由FET/LD完成。目前正在研制多路OEIC光中繼器，已獲得28Gb/s速率和-15.5dBm靈敏度。發(fā)展目標(biāo)是將LD、PD、光開關(guān)、光復(fù)用器/解復(fù)用器及幾種電子電路集成在一起，可實現(xiàn)OEIC 波分復(fù)用（WDM）光中繼功能。4、光電子集成技術(shù)的前景由于OEIC的固有平行性、抗擾性和高速性等使其還有許多應(yīng)用領(lǐng)域, 如平板顯示和光存儲。許多商用CD 唱機(jī)目前加進(jìn)完全集成的光電讀出頭, 該光電讀出頭可以完成激光二極管、束分裂光柵、非涅爾聚焦光學(xué)、波導(dǎo)和光電二極管的組合功能。對OEIC來說, 最具爆炸性影響的應(yīng)用將是光計算機(jī), 下一代的光計算機(jī)將大量依賴光子開關(guān)、邏輯電路和大量平行光互連的二維和三維的集成。光電集成將繼微電子技術(shù)之后再次推動人類科學(xué)技術(shù)的革命。目前光電集成的發(fā)展跟不上光電需求的發(fā)展，因此光電子器件及光電集成電路的材料研究已越來越受到重視。OEIC技術(shù)已開始進(jìn)入電子工業(yè)各領(lǐng)域, 使電子工業(yè)出現(xiàn)一個大的技術(shù)革命，它的作用如同晶體管、IC 對電子工業(yè)的影響。下個世紀(jì)將是光電子技術(shù)主宰電子工業(yè)的時代, 包括通信、信息處理、顯示、光計算將會出現(xiàn)一個嶄新的面貌。4、 總結(jié) 集成光電子學(xué)集中并發(fā)展了光學(xué)和微電子學(xué)的固有技術(shù)優(yōu)勢，將傳統(tǒng)的由分立器件構(gòu)