电子与光子集成电路EPIC的简要介绍

电子与光子集成电路EPIC的简要介绍

EPIC发展背景

目前，微电子技术的发展非常迅速，电路功能齐全，性能完善，价格低廉，集成制造工艺成熟，在信息化处理和存储方面具有极强的优势。正迅速发展着的另一高新技术——光子集成技术能够告诉超大容量传输信息，并具有实时、高速并行处理与交换信息能力，与微电子技术紧密结合，相互补充，构成微光电子集成系统，可广泛的应用于信息技术领域。

光电集成概念提出至今已有二十多年的历史。把各种光子和电子元件集成在同一衬底上，除了要解决元件结构和工艺技术的兼容性外，还要选择满足两种元件性能要求的材料。为了使不同材料互补，按要求进行优化组合，又发展出一种复合衬底材料，即利用异质外延技术，在一种衬底材料上外延另一种衬底材料薄膜，如在硅片上异质外延砷化镓单晶薄膜，在衬底的硅面制作电子元件，在砷化镓薄膜上制作光子元件。其优点是可以把硅的大规模集成电路技术与砷化镓的光子元件技术结合，改善导热性能，降低成本，提高集成度。除在硅面上异质外延砷化镓外，还可在砷化镓晶片上异质外延磷化铟单晶薄膜。利用复合衬底材料，已制出一批光、电子元件，以及光电集成的光发射机和光接收机。随着光通信、光信息处理、光计算、光显示等学科的发展，人们对具有体积小、重量轻、工作稳定可靠、低功耗、高速工作和高度平行性的光电子集成产生浓厚的兴趣，加之材料科学和先进制造技术的进展使它在单一结构或单片衬底上集成光子器件和电子元件成为可能, 并构成具有单一功能或多功能的电子与光子集成电路（EPIC）。简言之，EPIC是完成光信息与电信息转换的一种集成电路。

1. EPIC的原理

电子与光子集成电路(EPIC)是指利用微电子和光电子的集成技术,在同一片半导体芯片上,将光学元件和电子元件单片集成的电路。它包括有源光器件(激光器、探测器、光电二极管、光调制器等)与无源光器件(波导、祸合器、分离器、透镜、光栅)和电子元件(晶体管、二极管、电阻、电容)的集成,其目的是要使单个元件具有相当多的功能。它代表了一种能满足先进通信系统(光纤通信)和超级计算机系统(光计算机)要求的器件技术。

EPIC与IC的重要区别在于,EPIC除控制不同元件之间电子流动的功能外,

还必须控制光子的流动。通常把使用半导体材料来控制光子流动的EPIC归入光子集成,把使用介质材料来控制光子流动的EPIC归入光学集成。EPIC的成功在很大程度上取决于所用材料和工艺,目前研究最多的材料是GaAs和InP。这些材料不仅具有良好的电光特性,既可用于制作光电器件,又可用于制作高速电子电路。此外,si材料也是想望的材料,这种材料唯一的缺点是它不是理想的光电材料,很难用它制作光有源器件。目前,使用先进的工艺手段,如分子束外延(MBE)、金属有机化学气相淀积(MOCVD)和聚焦离子束微加工已能满足制作EPIC的要求。

2. EPIC的应用与发展挑战

EPIC的应用领域主要有两大类,一是信号传输,二是信号处理。在信号传输中,又可分为强度调制/直接探测(IM/DD)传输系统和相干传输系统。IM/DD系统要求EPIC具备发射/探测、调制、波分复用和开关的功能;相干传输系统要求EPIC 具备发射/探测、频分复用(FDM)、偏振控制和频率控制的功能。开关或计算系统要求EPIC具备发射/探测、波分复用、开关和存储的功能。在信号处理中,又可分为开关系统和计算系统。由于EPIC的固有平行性、抗干扰性和高速性使其还有许多应用领域,如平板显示和光存储。许多商用CD唱机目前加进完全集成的光电读出头,该光电读出头可以完成激光二极管、束分裂光栅、菲涅尔聚焦光学、波导和光电二极管的组合功能。对EPIC来说,最具爆炸性影响的应用将是光计算机,下一代的光计算机将大量依赖光子开关、逻辑电路和大量平行光互连的二维和三维的集成。

要实现上述系统和功能,EPIC还必须解决以下几个技术问题:

（1）实现亚微米量级的刻蚀技术,以减少光学器件和电子器件之间的高度差和间隔；

（2）解决光源的集成化问题；

（3）解决光学和电子器件间的工艺相容性；

（4）提高成品率,克服制造和大批量生产的困难；

（5）解决热隔离和电隔离间题；

（6）提高光藕合效率；

电子与光子集成电路的发展将使一些电子技术应用领域包括通信、信息处理、显示、光计算将会出现一个崭新的面貌。

目前，在功能和性能方面均取得飞速发展的微光电子集成系统芯片是光子集

成和微电子技术相结合的重大发展，充分发挥出微电子技术的逻辑处理及存储能力和光子集成技术的高速高密度并行操作及输入输出能力，在光互连、光交换、光通信、图像信号处理、模式识别、神经网络、光信息处理和存储等领域具有广泛的应用前景。EPIC不仅具有光探测器构成的光输入和光调制器或光发射器构成的光输入功能，还具有电子的逻辑处理、存储、放大和智能控制功能，充分利用了，电子器件的逻辑控制多功能性、相当成熟的大规模集成技术和光子集成器件的高密度并行操作、高速光输入输出能力，将电子功能和光子功能巧妙的结合起来，构成具有逻辑功能智能化的高速大规模微光电集成系统。

参考文献

【1】Joel A. Kubby, Graham T. Reed ，“Electronic-photonic integrated circuits on the CMOS platform”Silicon Photonics,2006

【2】DARPA’S EPIC Program:Electronic and Photonic Integrated Circuits on Si

【3】廖先炳，“光电子集成技术及其应用”，1997.12

【4】喻兰鹰，“光电子集成技术的现状及其发展方向”，1993.11