微光电子集成系统芯片的研究进展

微光电子集成系统芯片的研究进展＊

陈弘达

(集成光电子学国家重点联合实验室北京

　微光电子集成系统芯片

随着现代社会信息化和科学技术的高度发展交换传输是目前

世界各国普遍高度重视的研究热点之一以计算机技术和通信技术为代表的电子信息技术带来了一场彻底改变人类生活和工作的信息革命微电子技术发展非常迅速性能完善集成制造工艺相当成熟正迅速

发展着的另一门高新技术——光子集成技术能够高速超大容量传输信息高速并行处理与

交换信息能力相互渗透构成微光电子集成系统

将成为二十一世纪信息技术的重要支柱

如何使光子集成与微电子集成充分融合是发展超高速超大容量多功能微光电子集成系统的关键所在微光电子集成技术和微光电机械集成技术的发展人们力图将大量多种功能的器件集成于同一个芯片上

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Integrated System

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模电子信息处理和存储电路引入光信息处理系统微光电子集成系统芯片自九十年代出现以来美英德

象元构成器件性能改善光电集成

二

构成具有实用价值的光电子集成系统它是根据系统功能的要求

大规模集成在一块芯片上

以突破分立器件的功能局限性

(1) 光子集成器件要尽可能具备多功能性调制开关

(2) 光要垂直于表面照射在器件上或从器件表面发射

光子器件集成化是发展大规模微光电子集成系统的必由之路

例如偏置条件若是单片集成还要求光子集成器件与微电子器件的材料

(4) 要求光子集成器件具有较高的成品率和可靠性产业化所必需的

单片光电子集成电路

微光电子混合集成系统芯片体积小性能价格比大大提高

半导体多量子阱光探测器VCSEL

°ëµ¼Ìå¶àÁ¿×ÓÚå×Ôµç¹âЧӦÆ÷¼þ(Self Electro-Optic Effect Device, 简称SEED)是八十年代后期迅速发展起来的一种新颖的光电混合型光逻辑开关器件

它利用超晶格量子阱二维自由激子吸收在外电场作用下的非线性变化通过多量子阱电吸收及电色散效

应从而实现光调制开关功能

利用现有的较为成熟的微电子工艺制作器件及阵列可达ns量级或更低器件单位面积开关能耗可达10fJ/µm2量级特别是反射型SEED器

件具有结构简单极低能耗稳定性好可实现光探测

光开关光存储电光转换等多种功能

SEED器件及阵列是一种在GaAs/AlGaAs多量子阱材料上制作的电吸收光电子器件

也可用做光调制器也可与GaAs电子器件单片集成

可很方便地制作成大规模高密度二维集成面阵已研制成功64K

的SEED集成面阵

V ertical-Cavity Surface-Emitting Laser 及其阵列是一种新型

的半导体激光器垂直腔面发射激光器与侧向出光的边发射

激光器在结构上有着很大的不同这种独特的器件结构易于实现二维平面阵列

使得其与光纤的耦合效率大为提高在较宽的温度范围内易于得到单纵模工作微腔效应使得自发发射因子较普通边发射激光器

有几个量级的提高能够实现极低阈值或无阈值的激射

研制高密度大规模集成激光器面阵

与平面硅工艺完全兼容大规模制备这一现代工业的关键要求

目前研究机构研

究波长覆盖了从紫外到红外的各个波段在最近的两三年

0.85µm GaAs/AlGaAs及0.98µm InGaAs/GaAs系列的VCSEL已趋于成熟

２µm2腔面频率响应>40GHz以10Gb/s

速率传输今年美国Cielo 通讯

ｍ　ＶＣＳＥＬ领域取得了成功ｍ工业用垂直腔面发射激光器

在集成面阵方面

３４　ＶＣＳＥＬ集成面阵

三

微光电子集成系统芯片从1991年开始研究

1990年星球大战计划停止

光交换技术

在DARPA的支持下

已筹建好世界上第一条带光输入/光输出窗口的微光电子超大规模集成电路

即CMOS-SEED智能象素

芯片

共包含4352个SEED光输入/光输出窗口器件２５６美高速度数据传输

大容量自由空间光互连网络的多机群并行高性能计算机系统

1998年美国Honeywell研究中心已筹建好世界上第二条带光输入/光输出窗口的微光电子超大规模集成电路

即CMOS-MSM/VCSEL智能象素芯片

将MSM/VCSEL微光子集成芯片倒装焊接在CMOS 集成电路芯片上

所构成的微光电子集成系统芯片为有源激光器件并

包括具有一定逻辑处理和智能控制功能的微电子电路并发射光信号

VCSEL 微光电子集成系统芯片有较大的优势不需要外部偏置光源是比SEED微光电子集成系

统芯片等光无源集成系统芯片更加优越的智能光电子器件

成品率高可充分发挥光子集成器件和电子器件的性能

集成后的智能象素体积小性能价格比大大提高

HP公司的单信道智能象素Transceiver收发模块

可应用于高速并行光互连链路和ATM光交换系统中

结语

以SEED CMOS为基础器件的具有高速大容量高并行处理功能的微光电子集成系统芯片

具有重大的应用前景及很强的开拓性和探索性研究处于发展阶段世界各大公司都在积极开展研究

从应用与市场角度看这类研究在发展计算技术和通讯技术方

面具有战略意义发展速度惊人应用需求量很大

由微光电子集成系统芯片构成的光互连