硅基光电子学的最新进展-王兴军

中国科学:物理学力学天文学2015年第45卷第1期:014201SCIENTIASINICAPhysica,Mechanica&Astronomicaphys.scichina.com引用格式:王兴军,苏昭棠,周治平.硅基光电子学的昀新进展.中国科学:物理学力学天文学,2015,45:014201WangXJ,SuZT,ZhouZP.Recentprogressofsiliconphotonics(inChinese).SciSin-PhysMechAstron,2015,45:014201,doi:10.1360/SSPMA2014-00300《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS评述硅基光电子学的最新进展王兴军*,苏昭棠,周治平北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家实验室,北京100871*联系人,E-mail:[e-mail]收稿日期:2014-08-08;接受日期:2014-10-29国家高技术研究发展计划(编号:2011AA010302)、国家自然科学基金(批准号:61036011,61377056,61120106012)及教育部新世纪优秀人才计划资助项目摘要随着人们对信息容量、速度以及成本的迫切要求,低成本、高度集成的硅基光电子学蓬勃发展,成为光通信、高速计算机等领域的研究热点和非常有前景的关键技术.硅基光电子学是一种可以用硅基集成电路上的投资、设施、经验以及技术来设计、制造、封装光器件和光电集成电路,在集成度、可制造性和扩展性方面达到集成电路的水平,从而在成本、功耗、尺寸上取得突破的一种技术.最近几年,硅基光电子集成技术已经发展到了一个崭新的阶段,各个关键的硅基光电子器件都已经达到商用化的标准,部分性能甚至超过目前的商用器件,引起了产业界的广泛关注.本文从硅基光电子学的几个关键器件入手,包括波导、光栅、偏振分束器、混频器、滤波器、调制器、探测器和激光器,详细介绍了该方向的研究进展,特别是最近5年的重大突破;随后介绍了硅基光电子学在光互连、光通信、光传感、太阳能电池等几方面的重大应用;最后提出硅基光电子学未来发展方向和目前面临的主要挑战.关键词硅基光电子学,硅基发光,硅基调制器,锗探测器,无源器件PACS:42.82.-m,85.60.Jb,42.79.Hp,85.60.Gz,42.79.Gndoi:10.1360/SSPMA2014-003001引言信息技术是当今世界经济社会发展的重要驱动力,在信息技术的发展进程中,以硅为主的微电子技术扮演着重要角色,超大规模、高性能的微处理芯片为海量信息处理提供了核心技术支撑.40多年来,微电子技术正按照“摩尔定律”飞速发展,但随着特征尺寸减小到10nm以下,微电子产业能否再依照“摩尔定律”前进则面临挑战1).在高性能计算领域,微处理芯片由单核单线程向多核多线程发展,芯片中/间的互连技术变得越来越重要.互连技术正朝着高速率和高密度集成发展,以满足多核间以及芯片与外部间高效、大容量信息传输的需要.然而,随着微电子技术的进一步发展,现有的电互连技术将无法满足微处理芯片功能增长的需求,这主要是因为金属互连的寄生效应在高速率1)王兴军等.中国科学:物理学力学天文学2015年第45卷第1期014201-2传输中会引起电信号的剧烈衰减和功耗大幅上升[1].为了满足高性能计算机高速发展的技术需求,片上光互连技术已经成为急待解决的关键性技术.为此,将微电子和光电子结合起来,充分发挥硅基微电子先进成熟的工艺技术、高密度集成及价格低廉以及光子极高带宽、超快传输速率和高抗干扰性的优势的硅基光电子学已经成为了信息技术发展的必然和业界的普遍共识,被认为是片上光互连昀具有潜力的方案[2–4].在光通信领域,光通信的每一个里程碑式发展都依赖于基础光电子器件的突破.当前光通信的一个发展趋势是,类似于电的集成电路和片上系统一样,光通信系统也将逐渐集成在单一光电子芯片上,只有集成化才能实现高密度、低成本、低能耗,满足未来信息社会环保绿色的需求[5].目前用于光通信的光电子器件种类繁多,价格昂贵,一直制约其大规模的应用,而目前“国家宽带战略”的实施,迫切需要大规模的低成本器件来实现光纤到户.例如,爱立信公司2009年公布的吉无源光网络(G-PON)中的关键组成单元之一——光路终端(ONU)光模块中的成本表明,光发射和接收组件的成本占整个光模块的70%以上,随着传输速率的提高,光器件成本所占的比例将会更高.由此可见,光发射和接收器件的成本很大程度上决定了ONU光模块的成本.因此,降低光发射和接收器件的成本是降低整个ONU光模块的关键.随着制作工艺技术的发展,高密度的硅基光电集成是光电器件实现低能耗、低成本发展的必然趋势.另外,从基于硅材料的微电子工业本身来考虑,众多的专业公司使得硅基光电子学更加具备了坚实的工业背景和光明的市场前景.因此,发展硅基光电子学,成为光通信领域里的研究热点和重要发展方向.国际三大光通信国际会议(OFC2),ECOC3),ACP4))近几年也都在会议中增加了硅基光电子学主题,充分体现了硅基光电子学是光通信的重要发展趋势之一.硅基光电子学的发展可以追溯到20世纪80年代中期由Soref等人[6,7]的开拓性工作.他们的工作主要集中在硅上波导、开关和调制器的研究.昀近几年,硅基光电子集成技术已经发展到了一个崭新的阶段,新技术新器件层出不穷,有关硅的各种传统观念被新的实验结果一一突破.2004年Intel公司在Nature上报道了调制带宽超过1GHz的硅基高速光波导调制器[8];2005年Intel公司研制出了1550nm光泵浦的激射波长为1686nm的连续硅基拉曼激光器[9];2006年Intel公司和加州大学联合研制成功了世界上首个电泵浦连续激射硅基III-V族混合集成激光器[10];2007年Intel公司将硅基电光调制器的3dB带宽扩展到30GHz,实现了40Gbits/s的信号传输,达到商用III-V族和铌酸锂外调制器的水平[11];2008年美国Luxtera公司向世人展示了世界上第一块在130nmCMOS生产线上制造的硅基单片集成高速CMOS光子收发模块,采用WDM技术,数据传输速率4×10Gbps[12].2012年阿尔卡特朗讯的Bell实验室的Doerr等人[13]和Dong等人[14]研制成功了112Gb/s的QPSK调制格式的光发射机和同样高速率的相干接收机.2013年IBM报道了在90nmCMOS工艺线集成了电路和光路的25Gb/sWDM系统,第一次实现了真正意义的单片光电集成[15].在国内,近年来在国家重点基础研究发展计划、国家高技术研究发展计划、国家自然科学基金等支持下,中国科学院半导体研究所、北京大学、浙江大学、南京大学、华中科技大学、上海交通大学等单位从多方面对硅基光电子技术开展了研究,取得了一定的研究成果.在硅基调制器方向上,中科院半导体所研制出世界上速率昀快的硅基调制器和低能耗的调制器[16],在探测器方向上,中科院半导体所实现了在低温下生长缓冲层上生长锗材料,并能实现12路锗-硅光电探测器阵列的制造,其探测带宽在20GHz以上,性能良好[17].在片上集成方面,北京大学正在研制100Gbs硅基相干发射及传输系统.已经证明单路发射与接收可以达到30Gb/s,并在80km传输情况下显示了比其他技术有更好的能耗效率[18,19].本文的目的是一方面回顾硅基光电子学这个领域的历史,另一方面旨在通过描述近5年来的昀新突破来评估硅基光电子学潜在的影响及目前的挑战.下面具体从激光器与放大器、无源器件、调制器、探测器以及系统集成5个方面分别进行描述.2)))王兴军等.中国科学:物理学力学天文学2015年第45卷第1期014201-32激光器与放大器硅基光源是硅基光电子学元器件中的重中之重.由于硅是间接带隙的半导体,发光效率不高,因此硅一直以来被认为不适合制作光源材料,但由于其巨大的潜在价值,人们一直没有放弃在硅上制备激光器的努力,从20世纪90年代发现多孔硅的室温发光,2000年观察到纳米硅的增益,直到昀近几年硅拉曼激光器、III-V族-硅混合激光器、锗硅激光器,无不引起世界光电子研究学者的极大关注,给大家显示出成功制备硅基激光器的曙光.图1给出了硅的能带结构[20].由图可见,硅导带和价带的极值对应于不同的波矢k,是间接带隙的半导体,辐射复合几率很低,同时存在两个强非辐射跃迁过程:俄歇复合和自由载流子吸收.电子-空穴对的辐射寿命长(毫秒量级),一个电子-空穴对需要毫秒才能复合.在此期间,电子和空穴移动的体积达到10µm3.这样他们很容易遇到缺陷或俘获中心,载流子就会发生非辐射复合.在硅中,典型的非辐射寿命是纳秒量级,因此内量子效率η约为105–106.许多具有战略性的研究正在开展来克服这种硅限制,它们大部分都属于以下5种类型:(1)使用量子限制效应来克服硅的间接带隙结构;(2)引入稀土掺杂作为发光中心;(3)使用拉曼散射获得光学增益;(4)利用外延技术或键合技术制备基于III-V混合集成的激光器;(5)利用能带工程把间接带隙变成直接带隙.2.1量子限制因为硅的辐射复合寿命比非辐射复合寿命要长很多,所以受激载流子有足够的时间在穿过硅中的图1(网络版彩图)硅的能带图Figure1(Coloronline)Thediagramofsiliconbandgap.一些缺陷和泵浦的热损耗前获得合适的声子.一个常见的克服这个问题的方法是利用量子限制效应.1990年,Canham[21]报道了多孔硅在室温下可以辐射较强的可见光.从此,以深入研究多孔硅发光性能为起点,人们开始了对纳米硅光源的研究热潮.一个很流行的方法是利用纳米硅富硅氧化物薄膜上实现量子限制,富硅氧化物薄膜中的纳米硅因为量子限制效应可以增加载流子的辐射跃迁几率,提高电子-空穴的注入效率.另外还可以通过控制纳米晶的尺寸控制受激发射的波长.采用这种硅基低维材料制作的硅发光二极管,已获得从红外到紫外光波长范围的强光发射,室温下的外量子效率可高达1.6%[22].如果将硅纳米晶粒置入一个具有强光限制效应的微腔结构中,还可以实现某一波长范围的窄谱线强光发射[23].富硅氧化硅材料发光特性和纳米硅晶的浓度、尺寸以及退火温度有很强的关系,而控制纳米硅晶的浓度和尺寸的工艺比较复杂.同时,纳米硅的发射光带宽极限于800–900nm,这仍然是在1320nm和1550nm的两个光通信窗口之外.2.2稀土离子掺杂在硅中掺入一定浓度的稀土元素,充分利用稀土元素丰富的粒子能级结构发出不同波长的光来满足实际的需要.其中稀土铒(Er)可以发出1.53μm的光,对应于光纤通信中的石英玻璃吸收的昀小值,且该波长的能量受激发功率和所处环境温度影响较小,是硅基光电子学的标准波长.因而,掺Er硅发光是一种很有发展前途的硅基发光材料.目前有两个方向正在开展,一个是掺Er富硅氧化硅(氮化硅)[24–26],另一个是用Er的硅酸盐化合物[27–32].与掺铒硅相比,富硅氧化硅中的硅纳米晶是一个很好的Er敏化剂,能量转移效率可以达到70%.目前报道的昀好结果是韩国Shin教授研究小组[33]制备掺Er富硅氧化硅放大器,在1cm长的波导中获得了4dB的光增益.但该系统还存在一些问题,如Er和硅纳米晶的耦合仍然不完全,报道仅有5%的Er被耦合纳米硅晶,其他通过Er的直接吸收激发.而且,光增益和纳米硅晶的浓度密切相关,控制纳米硅晶尺寸和浓度的工艺较复杂;并且由于纳米硅晶的存在,它受载流子吸收的限制,即使通过精确控制Er和纳米硅晶的浓度,吸收仍很大,很难获得高增益.但昀近经过科学家的不断努力也