单片集成光接收器件的研究(正文打印版)

摘要光电子集成器件较之分立封装的光电组件具有尺寸小、光电连接产生的寄生效应低、成本低、性能优越和可靠性高等诸多优点，因此成为全世界光通信和光电子领域科学家关注的热点和重大基础课题。本文主要讲述了单片集成光接收器件的组成、原理，讨论了各种光电探测器及前置放大器。此外，还列举了新型的光电探测器，如谐振腔增强型光电探测器。最后，预测了单片光电集成电路的发展趋势。关键词：单片集成光电接收器件；光电探测器；前置放大器；谐振腔增强型光电探测器；AbstractOptoelectronicintegratedcircuits(OEICs)arerapidlyreplacingmodulesbasedondiscretedevices,becausetheformeroffertheadvantagesofsmallerdimension,lowerparasitics,lowercost,betterperformanceandhigherreliabilitycomparedtothelatter.OEICshavealreadybecomeextremelyattractivedomainasthefundamentalresearchsubjectintheareaofopticalcommunicationsandopto-electronics.ThispapermainlydiscussthestructureandprincipleoftheMonolithicOEICphotoreceiverwhichisfollowedbythediscussionofvarioustypesofphotodectorandpre-amplifier.Inaddition,somenewkindsofphotodectorsareintrouced,forexampletheresonantcavityenhanced(RCE)photodetector.Atlast,thispaperpredictsthedevelopmenttendencyoftheMonolithicOEICphotoreceiver.KEYWORDS：MonolithicOEICPhotoreceiver;Photodector;Pre-amplifier;ResonantCavityEnhancedPhotodetector目录第一章绪论---------------------------------------------------------11.1光电集成电路的发展-------------------------------------------11.2光电集成电路的分类及发展单片OEIC的意义---------------------21.3单片OEIC光接收器件模块简介----------------------------------31.4单片OEIC光接收器件发展历程----------------------------------3第二章单片OEIC光接收器件各模块分析--------------------------------42.1光电探测器---------------------------------------------------42.2前置放大器--------------------------------------------------52.2.1前置放大器的分类---------------------------------------52.2.2前置放大器采用的晶体管---------------------------------72.3光电探侧器与电子器件的集成结构-------------------------------92.4不同集成组合的光接收器件灵敏度-------------------------------9第三章单片OEIC光接收器件所面临的问题及改进-----------------------103.1单片OEIC光接收器件所面临的问题-----------------------------103.2单片OEIC光接收器件的改进-----------------------------------113.2.1谐振腔增强型光电探测器--------------------------------113.2.2圆柱形半导体光电子器件--------------------------------123.2.3弧形吸收腔光电探测器----------------------------------13第四章单片OEIC光接收器件发展趋势---------------------------------14参考文献-----------------------------------------------------------14图表图1微电子与光电子的发展历程比较------------------------------------2图2光接收机模块框图------------------------------------------------3图3HPT器件---------------------------------------------------------5图4低阻放大器------------------------------------------------------6图5高阻前置放大器构成的光接收机前端--------------------------------6图6跨阻型前置放大器构成的光接收机前端------------------------------7图7HBT的能带示意图-------------------------------------------------8图8不同集成组合OEIC光接收器件的灵敏度-----------------------------10图9一镜斜置三镜腔型结构-------------------------------------------11图10四镜三腔型光探测器结构----------------------------------------12图11圆柱形光电探测器的结构----------------------------------------13图12弧形吸收腔光探测器的分析模型----------------------------------14表1目前OEIC光接收机前端的研制现状--------------------------------91第一章绪论1.1光电集成电路的发展1958年基比尔(Kirby)发明了硅基微电子集成电路(IntegratedCircuit,IC)，近半个世纪以来，这项革命性的技术深刻地影响了人类社会，彻底地改变了人们的生活方式，将人类社会由工业文明带入到信息文明时代。19世纪60年代初，恰值微电子集成技术革命爆发之时，光电子领域也发生了两个革命性的事件：其一，1962年半导体激光器问世；其二，1966年高锟先生作出低损耗光纤的预言。这两件事情催生了作为当今信息高速公路基石的光纤通信【1】。1970年被人们称作“光通信元年”，正是在这一年半导体激光器实现了室温连续运转、光纤损耗降低到可以商业应用的20dB/km以下。随着信息化时代的到来，社会对信息的需求量将呈爆炸式增长，极大地推动信息技术的飞越发展。而光电子技术是信息技术的核心载体，光纤通信、互联网以及信息处理技术的快速发展，导致对光电子器件的灵敏度、响应速率、集成化和多功能等诸多性能指标提出了更高的要求。然而，分立器件或者组件显然已经不能同时满足上述的要求，光电集成电路成为取代前者的最佳选择，原因在于光电集成电路相比于分立封装的光电组件具有体积小、寄生效应少、成本低、功能复杂和可靠性高等优点，满足光通信向微型化、高速、宽带和多功能发展的要求，成为光通信和光电技术领域里的研究热点之一。所谓光电集成电路(OptoElectronicIC,OEIC)是将大量的光电子器件连同相关的微电子电路集成在同一个微型芯片上。实现光电集成电路意义上的SoC(SystemonChip)成为科技发展的必然趋势。OEIC的发展可以追溯到20世纪70年代，1978年第一个单片集成光发射机芯片研制成功。然而，从大规模、多功能集成的角度而言，光电集成电路还远远不能与微电子集成电路相比。图1比较了光电子与微电子发展史上的重要成果，起点分别为1962年半导体激光器诞生与1947年晶体管诞生。OEIC发展较为缓慢的原因是多方面的，其中主要原因之一是由于受到材料、结构、工艺等方面的种种制约和束缚，远不能象微电子集成那样随心所欲。因此OEIC的全面突破还面临着一系列困难，有待深入的探索和攻坚。21.2光电集成电路的分类及发展单片OEIC的意义光电集成电路(OEIC)，即将光器件与电器件集成在同一芯片上而形成的具有光和电两种信号处理功能的集成电路。从类型上而言，光电集成电路主要有混合集成、准单片集成和单片集成。所谓的混合集成就是指将高性能的、属于不同功能模块的芯片通过光电连接器件以分立器件的方式耦合在一起。混合集成的缺点是不易实现小型化，并且具有较高的寄生效应。准单片集成是指采用晶片键合(waferbonding)工艺或者倒装焊(flip-chip)工艺将事先在两种或多种衬底材料上实现的器件或结构连接在一起，如GaAs基或InP基的光电子器件与Si基电路集成，实现优势互补，不仅极大地提高了模块规模和功能，而且在一定程度上缓解了寄生参数与速率带宽的矛盾，在传输速率低于10Gb/s具有非常明显的优势，但由于焊点仍然存在，寄生电容的影响无法彻底消除，因此在更高传输速率时依然受限制。单片集成是指在同一衬底上生长有源光器件、无源光器件以及电子电路。单片集成可以减小器件的寄生效应和尺寸，提高器件的速率和成品率，降低器件成本，恰好弥补混合集成的不足，是传输速率大于10GHz乃至更高速率的主流趋势【2】。从材料上而言，OEIC目前主要为GaAs基和InP基材料。GaAs基材料OEIC器件主要用于光接入网和信号处理等方面；InP基材料OEIC器件的应用领域为长距离光通信。从规模上来讲，当前OEIC的集成规模还远远低于微电子的超大规模集成(VeryLargeScaleIntegration,VLSI)电路，因而在大多数情况下，现有的微电子技术完全可以满足制备OEIC器件的需要。由于单片集成的巨大优势，其研究和发展成为OEIC的主要方向。单片集成3可分为异质兼容和同质兼容，就相对较为简单的同质兼容(同种材料系)OEIC器件而言，目前所面临的最大问题为：如何保证在同一衬底上生长的光器件和电器件，同时使材料生长及整体器件性能达到最优化。1.3单片OEIC光接收器件模块简介对于光通信系统而言，单片OEIC光接收器件是光电子集成领域的研究热点之一。完整的单片OEIC光接收器件，是将光电探测器(PhotodetectororPhotodiode，PD)、前置放大器、自动增益控制(AutomaticGainControl，AGC)主放放大电路、时钟恢复和数据判决电路和分接器集成在一个基片上，如图2所示。在接收机中，探测器感应光信号，输出微弱电流脉冲信号；而前置放大器的作用就是将此信号放大并转换成电压信号；主放大器将前置放大器输出的电压小信号放大至一个足够大而且恒定的幅度，以便驱动后续时钟恢复和数据的再生，最后分接器把高速数据流分接为低速数据流。在上图中，光电探测器和前置放大器的组成部分称为接收机前端(front-ends)，是整个光接收器件的关键部分。为了保证光接收机的灵敏度和正常工作，光电探测器要求具有高速、高灵敏度、高响应度、低噪声、小电容、易集成等优点，前置放大电路必须具有足够大的带宽、足够高的放大倍数和足够低的噪声。通常，基