光电集成的发展及前景

光电集成的发展及前景

摘要 (1)

1 引言 (1)

2 光电集成的分类 (2)

3 光电集成器件 (2)

3.1 OEIC光发射机器件 (3)

3.2 OEIC光接收机器件 (4)

3.3 光中继器件 (5)

4 GaAs OEIC和InP OEIC (5)

5 光电集成的优点及技术问题 (7)

6 光电集成的前景 (8)

参考文献 (8)

光电集成的应用及前景

摘要

光电集成技术是继微电子集成技术之后，近十几年来迅速发展的高技术，已吸引了广大人们关注。本论文主要是介绍光电集成电路的分类和光电集成的器件，简要的分析了两种材料的光电集成电路，并展望了未来广电集成的应用前景。关键字：光电器件；光电集成；OEIC；

Abstract

Photoelectric integration technology is the rapid development of high technology after the microelectronics integration technology, nearly ten years.It has attracted people`s attention. This paper introduces the classification of optoelectronic integrated circuit,and has a briefly analysis of two kinds of material of photoelectric integrated circuits, and discusses the future of the application of photoelectric integration technology

1 引言

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光电子集成电路（OEIC）。简言之，光电集成电路是完成光信息与电信息转换的一种集成电路。

2 光电集成的分类

光电电集成电路总体可分为两类：

一类是完成光信息到电信息转换的电路，它由光电探测器、放大器及偏置电路组成。常见的接收器件有光电晶体管、硅光电池等。OEIC光接收机器件主要由探测器和电子放大电路（晶体管放大器）构成，将光信号经探测器转换成电信号并经放大器放大处理后输出。要获得高灵敏度、高量子效率的OEIC光接收机,则要提高探测器和晶体管放大器的性能。对探测器的需求是：高速度、高灵敏度、高响应度、低噪声、小电容、易集成；对放大器的需求是：高跨导、高互阻、高电流增益截止频率和最大振荡频率。

另一类是完成电信息到光信息转换的电路，由光发射器件、驱动电路及偏置电路组成。常见的发射器件有发光管、激光管、液晶等。OEIC光发射机器件是由激光二极管（LD）、发光管（LED）及驱动电路构成,一般有三种集成类型：光源和驱动电路的集成；光源和探测器的集成；光源和驱动电路及探测器的集成。OEIC 光发射机器件研究的重点是高速率LD和驱动电路的集成。

3 光电集成器件

OEIC器件是利用光电子技术和微电子技术将光子器件和电子元件单片集成

在同一衬底上的单片光电子集成电路器件,主要由LD、发光二极管（LED）、光电二极管（PD）、调制器等光电子有源器件和光波导、耦合器、分裂器、光栅等无源器件，及各种场效应晶体管（FET）、异质结双极晶体管（HBT）、高电子迁移率晶体管（HEMT）驱动电路、放大器等电子元件构成，其集成方式是上述光电器件的部分组合或全部组合，通常采用垂直结构和二维水平结构等基本结构。

垂直集成结构是分别设计光和电子器件结构，将不同的光电器件以垂直块形式一层挨一层地放置，光电器件的外延层是逐次外延生长的，并用绝缘层进行电隔离。这种叠层结构的特点是所有层都能在衬底上用一步或重复生长方法依次生长，并可实现三维集成功能。其好处是：电路简单,生产和制作工艺简单，通过将器件层堆叠提高了实际集成度。缺点是：设计灵活性差,不能实现高速工作，寄生电容大,不易获得好的隔离和绝缘而使互连困难、平面性差所引起的非平面电互连困难、成品率低及不适合于大规模集成，所以较少采用。

二维水平集成结构是将光器件和电器件水平排列于衬底上，采用一步生长的方法完成集成。该结构的特点是利用了光器件和电器件相同的晶体层一步生长完成集成。其好处是：寄生电容小,成品率高。缺点是加工复杂，由于光器件厚度比电器件厚得多，易形成台阶，产生细小图像较为困难。二维水平结构是OEIC 器件最感兴趣的结构形式，他可将单元间的电容耦合降到最低，但由于工艺较为复杂，设计时往往要在分离器件性能方面进行折中处理。

OEIC器件主要包括OEIC光发射机器件、OEIC光接收机器件和光中继器件。

3.1 OEIC光发射机器件

OEIC光发射机器件是由激光二极管（LD）、发光管（LED）及驱动电路构成，一般有三种集成类型：光源和驱动电路的集成；光源和探测器的集成；光源和驱动电路及探测器的集成。OEIC光发射机器件研究的重点是高速率LD和驱动电路的集成。光发射机器件对LD的需求是：低阈值、大功率、窄线宽、模式稳定、高特征温度，并且便于集成。适合OEIC光发射机器件的激光器有以下两种，隐埋异质结（BH）和法布里-珀罗（FP）腔条形激光器：其性能好，但阈值电流高可引起热相关问题，并且解理或腐蚀的反射镜面使制作工艺复杂化。分布反馈（DFB）和分布布喇格反射器（DBR）激光器：有低阈值电流（Ith）和量