集成光电子学 唐天同 第一章 概论

第一章概论1.1集成光电子学的概论和研究范围集成光电子学是在光电子学和微电子学发展的基础上，采用集成方法研究和发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发展的必然结果，它的发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发展的需求。现代的光电子技术中，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行信息的传输；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，用衬底内部或表面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发展前沿之一，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，是光子学发展的必由之路和高级阶段。集成光电子学以半导体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-electronicintegratedcircuit)；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，则构成复合光电子集成体系。集成光电子学的理论基础是光学和光电子学，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内容；其工艺基础则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:integratedcircuit)。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基础的微电子学技术。现代微电子学起源于1947年发明的晶体管。在晶体管诞生10年后，德克萨斯仪器公司的基尔毕(Kriby)发明了集成电路。最早的集成电路，只不过是把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年已经达到了1G-DRAM（约610个元器件）。现在，集成电路仍然以每3年增加10倍集成度的速度发展。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始，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，后者已达到了很成熟的阶段。但是，从集成电路的飞速发展历程看来，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的优点进入了迅速发展的阶段。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发展的一个重要问题。进来，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基础，使得集成光电子学进入了高速发展的新阶段。1.2研究集成光电子学的意义上面说明了集成光电子学系统是什么随之而来的第二个问题是，人们为什么要研究集成光电子学，或者说研究集成光电子学的意义何在。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”：信息传输速度将达到每秒万亿比特（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贡献，单个计算机的数据处理速度将要达到每秒万亿次（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达到万亿字节（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。预计到2010年，这个世界将有足够的数字容量分配给每一个人，点播一部电影就像目前发送一封电子邮件一样容易。未来的大学将延伸为网络大学，未来的实验室可能会扩展为网络实验室，未来的图书馆可能演变为网络图书馆，未来的商务活动也将大量地采用电子商务的形式，未来的时代因此而被人们称作网络时代或信息时代。由此可见，三“T”技术的实现在某种程度上改变着人类的生存和发展方式。而这一切都离不开信息光电子技术。在现代战争中，基于信息光电子技术的激光雷达、红外夜视和激光精密制导等先进军事技术扮演了重要的角色。海湾战争、科索沃战争、美伊战争突出地向全世界展示了信息和信息光电子技术在现代战争中的重要地位。因此，信息光电子技术也是保障国防安全的核心技术之一。由此可见，光电子技术在未来的信息社会中必将扮演重要的角色，将成为21世纪科技发展的基石和支柱之一。而这些都离不开集成光电子学的发展。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。而电子学的发展又为我们更好地控制和使用光波奠定了基础。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，发展包括光纤在内的光波导，实现光信号的传输包括远距离传输；第三，电子学在发展过程中所发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发展且有独特的优势。集成光电子学集中并发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部分内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。目前，集成光电子学已初具规模，并在光通信及光信息处理方面显示出电子学无法比拟的优越性。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；其二则与用光导纤维代替电线或者同轴电缆有关。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）在易燃区安全，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范围内非常小。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）保密性好，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2SiO是一种低廉而富的材料，而产生电线所用的铜则是日益稀缺的材料，其成本不断增加。（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，经过相同横截面的传输通路，利用光纤可以传输的信号大约为用同轴电缆的410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达到的范围，而光子计算机的理论计算速率可高达1010次/秒至1110次/秒，存储容量达到Kb1018。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，则可制成体积小、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，这样就避免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。1.3光电子集成的发展方向随着光网络技术的发展，对光电子集成技术提出了更高的要求。多波长系统需要工作于不同波长的阵列激光器，光交换单元需要大规模的光开光阵列，密集波分复用/解复用器、波长转换器、可调谐滤波器等关键器件都依赖于光电子集成技术。在早期的光通信设备中，光发送单元和光接收单元的半导体激光器和光探测器都是分立元件。由电子器件构成的驱动电路、保护电路与激光器组成光发送机。类似地，由放大电路、判定电路与光探测器组成光接收机。随着传输速率的提高，电子电路的寄生效应成为影响系统性能的重要因素。为了改进高速光通信系统的性能，将电子器件与激光器集成在一个芯片之中，即可形成单片光发送机。进一步还可以将光探测器集成到光发送单元之中，此光探测器主要是用来检测激光器发光功率的变化情况，从而可以形成完整的集成光发送机。光电集成技术的另一个重要应用是将光发送机的外调制器与激光器集成在同一个基片上。从实用角度来讲，大部分光电子集成还处于初级阶段。其主要原因在于光电子器件和电子元器件/电路的结构不同。表1.1中列出了光电子器件和电子元器件的特征比较。光电子器件的基本作用、基本元器件、尺度及与其他元器件的连接方式等都与电子器件不同。这主要是因为光和电器件工作原理上的差异。对于光电子器件来说，在可靠性和元器件制作工艺方面不够理想。大部分光电子器件，为了满足可靠性要求，使用前都需要经历筛选试验。也就是说，在比分立元器件时的实际工作条件更严格的条件下，让所有的元器件同时运行，从其中挑选高可靠性元器件。这一点大大不同于电子元器件的筛选抽验的方法，这就是因为电子元器件的制作工艺已经比较成熟，在筛选试验中仅需要随机抽取部分产品进行检验即可。光电子器件的制作工艺要求每一个元器件的最优化，所以通常需要采用多种工艺及工艺技术。将表1.1的（f）和（g）结合起来看，不得不引进新的概念，就是把制作出的光电子元器件全部逐一排查，挑出性能优良的器件。目前，对大多数电子元器件来说，已经不需要逐一检查进行筛选了。否则，集成；了上千万个晶体管的集成电路难以实现实用化。综上所述，光电子器件与电子器件混合集成光电子集成可能会被容易出问题的“光”方面拖住，这也许会抵消二者集成时的优势。因此，提高光电子器件发的可靠性、提高和确立制作工艺是复合光电子集成未来发展需要关注的问题。大约十几年前，研究人员将光电子集成单片集成复杂程度的持续增长视为发展目标，并发表了很多相关内容的论文。如图1.1所示就是当时基于InP基片的结构的、十分复杂的光电子集成之一。该接收机由光波导构成偏振分束器和3dB耦合器并与半导体激光器（分布布喇格（Bragg）衍射式半导体激光器）、信号光纤和作为电子器件的场效应晶体管及电阻器相连。随着高复杂程度的光电子集成的开发及逐渐商品化，面临着使芯片