(完整版)光子集成
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纵向集成结构、横向集成结构、平面集成结构
纵向集成结构中，不同结构的光电子器件连续生 长在同一半绝缘衬底上，再在器件之间腐蚀出隔 离槽，最后在表面上蒸Al膜形成桥式引线来实现 互联。
横向集成结构中，光电子器件并列生长在半绝缘 衬底上，由于不同器件的层厚等互不相同，因此 需要进行二次甚至三次，四次外延生长，工艺比 较复杂。
11
近距反波导组成的半导体激光器阵列
（a）截面图，（b）等效折射率侧向分布图，（c）横向光限制因子的侧向分布图1。2
12.2.2 多波长激光器阵列
多波长激光器阵列是许多单个的激光二极管 集成在同一半导体基片上。
它们各自独立，互不干扰，每支激光器发射 出一种波长，并且可以分别驱动与调制。
它们一起构成了多波长激光器阵列，为密集 型波分复用光纤通信系统提供了可靠的光源。
第十二章
半导体光子集成
Chapter 11
Semiconductor Photonic Integration
1
光子集成
核心是“集成”
✓如何集成地产生光、传输光、探测光、控 制光、应用光。
✓如何在同一芯片上将电能、电信号转换为 光能、光信号，如何用电来控制光，以及 它们的逆过程。
✓这是一个互动的过程，相互依存、相互促 进。
19
LD-HBT单片集成结构示意图
20
LD-PD-FET电路集成组件结构图
21
示 意 图
构
结
成集的 成集的
与与成
集
片
单
LD-FET
(a)AlGaAs/GaAs LD MESFET (b)InGaAsP/InP LD MISFET
23
24
12.5 光电子集成的发展与未来
OEIC通常有三种基本结构
27
信息化的未来在中国！
28
3
光电子集成分类
有源光电子集成 无源光电子集成 有源同无源的光电子器件集成 光电子器件和电子器件的集成
4
OEIC
单片光电子集成
混合光电子集成
有源光电子器件集成
无源光电子器件集成
光电子器件+电子器件集成
激光器 阵列
探测器 阵列
发光管 阵列
光开关 阵列
耦合器 阵列
波导光 栅阵列
激光器+ 电子器件
探测器+ 电子器件
13
激光器-合波器-光放大器-调制器单片集成结构示意图
14
多波长InGaAsP分布反馈（DFB）激光器阵列集成芯片
（a）多波长DFB激光器阵列+MMI合波器+光放大器集成芯
片制造工艺示意图
（b）DFB激光器阵列截面照片和结构图
15
28VCSEL阵列
16
可寻址VCSEL面阵列
(a) 面阵列结构示意图 (b) 8×8可寻址VCSEL面阵列照片
增
折
线
面
N
X
Y
断
益
射
阵
阵
形
形
条
导
率
探
探
引 阵 列
导 引 阵 列
测 器 阵 列
测 器 阵 列
N 光 开 关 阵 列
耦 合
器 阵
列
耦 合
器 阵
列
波 导 阵 列
半导体光电子集成回路分类图
PIN+HBT
LD+FET FET AWG
12.2 半导体激光器阵列
12.2.1 锁相激光器阵列
在同一半导体基片上，同时制备出n个结构 相同的激光二极管，它们彼此之间的间距很 小，以至每个半导体激光二极管单元的光场 相互交叠，产生耦合作用，使其整体的光场 模式锁定，相位相关，频率确定，我们将这 种光电子器件称之为半导体锁相激光器阵列， 简称PLLA（Phase Locking Laser Array）。
17
12.3 光电探测器阵列
光电探测器阵列不但用于光盘读出等应用项目，还 可以探测二维图像甚至三维立体图像。以一维线 阵列加上机械扫描，就能实现二维图像的探测。
利用不同波长响应的探测器，依一定间隔集成在线 阵列上，进而利用波长响应的特点可以探测不同 层次的信息，实现三维图像的探测。
进而应用探测器面阵列。作卫星、航天飞机的光测 空间定位，准确测定它们的方位坐标。在计算机 中，也需要光电探测器面阵列，以便实现对应节 点信息的转换和处理。
平面集成的结构中，所有光电子器件处于同一平 面上，可以通过腐蚀和集成电路的各种平面工艺 技术来实现光电子集成。
25
Si-based OEIC
26
半导体光子技术
— 高科技竞争的焦点
半导体光子技术的研究已形成大学、研究所、公 司完整的研究体系，半导体光电子产品已形成非 常巨大的光产业市场，半导体光子技术应用已经 成为全世界高技术竞争的焦点。 未来的社会是信息社会，半导体光子技术是信息 社会的重要支柱；未来的世界是高科技竞争的世 界，半导体光电子技术是高科技竞争的焦点。 中华民族是一个自强不息的民族，将会抓住时机、 选准方向、有所创新、有所突破，一定能把我国 的半导体光子技术推向国际先进水平，为建设高 信息化的强大中国作出重大贡献，为发展国际的 半导体光子技术作出重大贡献。
6
7
光波导耦合器结构图
（a）脊形波导耦合器 （b）光栅耦合器
（c）Y分支分束器图
8
wenku.baidu.com种耦合的半导体激光器阵列的结构图
(a)衍射耦合阵列 (b) 、(c)“断条”阵列 (d) Y形结阵列 (e) X形结阵列。 9
增 益 导 引 激 光 器 阵 列 的 基 本 结 构
10
折 射 率 导 引 激 光 器 阵 列 的 基 本 结 构
18
12.4光激电光子器器同件电的子集器成件、
主要功能 （1）获得足够的驱动电流或放大信号，使发光特性
更好、更强；
（2）同波导器件的集成实现分光、合波等功能，充 分发挥多波长的特性；
（3）同半导体光放大器的集成，对激光信号进行光 放大，获得更高的功率；
（4）同电吸收调制器的集成，实现动态单模。
总之，这些激光器同其它电子器件或光电子元器件 的集成既使器件结构紧凑、体积减小，又获得更 好的光电性能，因而是一举多得、事半功倍。
2
12.1 OEIC
• 突出了光，强调了光电，落脚在集成上， 因而赋予了它真实的科学含义。
• 光电子集成回路是一类将半导体光电子器 件和电子器件集成在同一芯片或衬底上的 新型光电子器件，它具有比单个器件更多 的、更齐全的光电或电光转换功能，在体 积上非常浓缩紧凑，性能更加完善高级， 能直接安装进系统使用。集成者，在此是 集器件之大成，集功能之大成，也集应用 之大成。
纵向集成结构中，不同结构的光电子器件连续生 长在同一半绝缘衬底上，再在器件之间腐蚀出隔 离槽，最后在表面上蒸Al膜形成桥式引线来实现 互联。
横向集成结构中，光电子器件并列生长在半绝缘 衬底上，由于不同器件的层厚等互不相同，因此 需要进行二次甚至三次，四次外延生长，工艺比 较复杂。
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近距反波导组成的半导体激光器阵列
（a）截面图，（b）等效折射率侧向分布图，（c）横向光限制因子的侧向分布图1。2
12.2.2 多波长激光器阵列
多波长激光器阵列是许多单个的激光二极管 集成在同一半导体基片上。
它们各自独立，互不干扰，每支激光器发射 出一种波长，并且可以分别驱动与调制。
它们一起构成了多波长激光器阵列，为密集 型波分复用光纤通信系统提供了可靠的光源。
第十二章
半导体光子集成
Chapter 11
Semiconductor Photonic Integration
1
光子集成
核心是“集成”
✓如何集成地产生光、传输光、探测光、控 制光、应用光。
✓如何在同一芯片上将电能、电信号转换为 光能、光信号，如何用电来控制光，以及 它们的逆过程。
✓这是一个互动的过程，相互依存、相互促 进。
19
LD-HBT单片集成结构示意图
20
LD-PD-FET电路集成组件结构图
21
示 意 图
构
结
成集的 成集的
与与成
集
片
单
LD-FET
(a)AlGaAs/GaAs LD MESFET (b)InGaAsP/InP LD MISFET
23
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12.5 光电子集成的发展与未来
OEIC通常有三种基本结构
27
信息化的未来在中国！
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3
光电子集成分类
有源光电子集成 无源光电子集成 有源同无源的光电子器件集成 光电子器件和电子器件的集成
4
OEIC
单片光电子集成
混合光电子集成
有源光电子器件集成
无源光电子器件集成
光电子器件+电子器件集成
激光器 阵列
探测器 阵列
发光管 阵列
光开关 阵列
耦合器 阵列
波导光 栅阵列
激光器+ 电子器件
探测器+ 电子器件
13
激光器-合波器-光放大器-调制器单片集成结构示意图
14
多波长InGaAsP分布反馈（DFB）激光器阵列集成芯片
（a）多波长DFB激光器阵列+MMI合波器+光放大器集成芯
片制造工艺示意图
（b）DFB激光器阵列截面照片和结构图
15
28VCSEL阵列
16
可寻址VCSEL面阵列
(a) 面阵列结构示意图 (b) 8×8可寻址VCSEL面阵列照片
增
折
线
面
N
X
Y
断
益
射
阵
阵
形
形
条
导
率
探
探
引 阵 列
导 引 阵 列
测 器 阵 列
测 器 阵 列
N 光 开 关 阵 列
耦 合
器 阵
列
耦 合
器 阵
列
波 导 阵 列
半导体光电子集成回路分类图
PIN+HBT
LD+FET FET AWG
12.2 半导体激光器阵列
12.2.1 锁相激光器阵列
在同一半导体基片上，同时制备出n个结构 相同的激光二极管，它们彼此之间的间距很 小，以至每个半导体激光二极管单元的光场 相互交叠，产生耦合作用，使其整体的光场 模式锁定，相位相关，频率确定，我们将这 种光电子器件称之为半导体锁相激光器阵列， 简称PLLA（Phase Locking Laser Array）。
17
12.3 光电探测器阵列
光电探测器阵列不但用于光盘读出等应用项目，还 可以探测二维图像甚至三维立体图像。以一维线 阵列加上机械扫描，就能实现二维图像的探测。
利用不同波长响应的探测器，依一定间隔集成在线 阵列上，进而利用波长响应的特点可以探测不同 层次的信息，实现三维图像的探测。
进而应用探测器面阵列。作卫星、航天飞机的光测 空间定位，准确测定它们的方位坐标。在计算机 中，也需要光电探测器面阵列，以便实现对应节 点信息的转换和处理。
平面集成的结构中，所有光电子器件处于同一平 面上，可以通过腐蚀和集成电路的各种平面工艺 技术来实现光电子集成。
25
Si-based OEIC
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半导体光子技术
— 高科技竞争的焦点
半导体光子技术的研究已形成大学、研究所、公 司完整的研究体系，半导体光电子产品已形成非 常巨大的光产业市场，半导体光子技术应用已经 成为全世界高技术竞争的焦点。 未来的社会是信息社会，半导体光子技术是信息 社会的重要支柱；未来的世界是高科技竞争的世 界，半导体光电子技术是高科技竞争的焦点。 中华民族是一个自强不息的民族，将会抓住时机、 选准方向、有所创新、有所突破，一定能把我国 的半导体光子技术推向国际先进水平，为建设高 信息化的强大中国作出重大贡献，为发展国际的 半导体光子技术作出重大贡献。
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7
光波导耦合器结构图
（a）脊形波导耦合器 （b）光栅耦合器
（c）Y分支分束器图
8
wenku.baidu.com种耦合的半导体激光器阵列的结构图
(a)衍射耦合阵列 (b) 、(c)“断条”阵列 (d) Y形结阵列 (e) X形结阵列。 9
增 益 导 引 激 光 器 阵 列 的 基 本 结 构
10
折 射 率 导 引 激 光 器 阵 列 的 基 本 结 构
18
12.4光激电光子器器同件电的子集器成件、
主要功能 （1）获得足够的驱动电流或放大信号，使发光特性
更好、更强；
（2）同波导器件的集成实现分光、合波等功能，充 分发挥多波长的特性；
（3）同半导体光放大器的集成，对激光信号进行光 放大，获得更高的功率；
（4）同电吸收调制器的集成，实现动态单模。
总之，这些激光器同其它电子器件或光电子元器件 的集成既使器件结构紧凑、体积减小，又获得更 好的光电性能，因而是一举多得、事半功倍。
2
12.1 OEIC
• 突出了光，强调了光电，落脚在集成上， 因而赋予了它真实的科学含义。
• 光电子集成回路是一类将半导体光电子器 件和电子器件集成在同一芯片或衬底上的 新型光电子器件，它具有比单个器件更多 的、更齐全的光电或电光转换功能，在体 积上非常浓缩紧凑，性能更加完善高级， 能直接安装进系统使用。集成者，在此是 集器件之大成，集功能之大成，也集应用 之大成。