光在集成电路中的应用
一、集成光电子的概念及研究意义
21世纪，人们将迈入一个高度信息化的社会。信息时代的特征是：信息大爆炸、信息传递非常快捷、信息处理十分迅速。其量化的标志是三“T”：信息传输速度将达到每秒万亿比特（Tb/s）；基于网络高速互联的计算机在人类活动中发挥着无与伦比的巨大贡献，单个计算机的数据处理速度将要达到每秒万亿次（T/s）的量级；超高密度的光存储技术将把海量信息浓缩在一片片小小的存储介质之中，单片存储器的存储容量将达到万亿字节（Tb）。由Tb/s信息传输、T/s信息处理、Tb信息存储所构成的三“T”模式将成为人类数字化生存最显著的标志。
由此可见，光电子技术在未来的信息社会中必将扮演重要的角色，将成为21世纪科技发展的基石和支柱之一。而这些都离不开集成光电子学的发展。
我们说20世纪是电子世纪。电是由电子传导的，电子带有电荷，电子的运动及电信号易受电磁场干扰；电子具有有限的质量和惯性，因而电子传输信号的速率也受到限制。而光波是波长非常短、频率极高的电磁波，光子的静止质量为零，因而光传输的速率为光速，非常高；光子又是一种电中性粒子，因此光子的运动及光信号不受电磁场干扰。而电子学的发展又为我们更好地控制和使用光波奠定了基础。第一，利用微电子学中的半导体p-n结和谐振腔相关技术产生激光，而且这种激光易于用电的方法控制；第二，利用电子学中的电磁波传输原理，发展包括光纤在内的光波导，实现光信号的传输包括远距离传输；第三，电子学在发展过程中所发展起来的整套电子学技术，包括真空电子技术、半导体技术和光电-电光转换技术，架起了电子和光信息技术的桥梁。凡此种种使得光电子技术在信息领域的应用中迅速发展且有独特的优势。
集成光电子学集中并发展了光学和微电子学的固有技术优势，将传统的由分立器件构成的庞大的光电子系统变革为集成光电子系统。由光电子学材料、光电子器件以及光电子器件集成化这三部分内容构成的集成光电子学系统具有宽带、高速、高可靠、抗电磁干扰、体积小、重量轻等优点，可以被广泛用于光纤通信、信息处理、传感技术、自动控制、电子对抗、光子计算机等高技术领域。集成光电子学已成为现代光电子学的一个重要分支，各国从事光电子、光信息系统研究的专家、学者都意识到了集成光电子学系统的重要性。
采用光纤连接可带来如下的优点： （1） 电磁干扰小。这是因为在光导纤维中传输的光信号通常不会与在其附近出现的
电信号相互作用。在彼此邻近的两根光纤之间也不会有显著的耦合。
（2） 因为在光纤中没有电流流动，不存在电的短路或接地问题。 （3） 在易燃区安全，不像电线或同轴电缆那样有发热及产生花火问题。 （4） 传输损耗小。光纤的损耗在一个相当宽的波长范围内非常小。而双绞线电缆及
同轴电缆的损耗随频率增加而迅速增加。
（5） 保密性好，难以窃听。 （6） 尺寸小，重量轻。 （7） 价格低廉，原材料丰富。制造光导纤维所用的SiO2是一种低廉而富的材料，
而产生电线所用的铜则是日益稀缺的材料，其成本不断增加。
（8） 带宽很宽。同样的传输长度，光纤的传输带宽为10GHz甚至更高，而同轴电缆
只有50MHz左右。因此，光纤的整个带宽可以用来同时传输许多信号。而且光纤很细，这
就意味着，即使不考虑其他方面的改善，经过相同横截面的传输通路，利用光纤可以传输
4的信号大约为用同轴电缆的10倍。
集成光电回路和集成光电子体系比集成电子体系具有更大的优越性。虽然计算机已经进入大规模和超大规模集成电路的时代，但计算速率始终局限在电子学所能达到的范围，而光
101118子计算机的理论计算速率可高达10次/秒至10次/秒，存储容量达到10Kb。它比目前计算速率最快的电子计算机高一百倍到一千倍，存储容量大一百万倍。如果用集成光电回路来实现光信号的逻辑运算、传送和处理，则可制成体积小、速度快、容量大的“全光计算机”。光子计算机比电子计算机有着并行处理、信号互补干扰、开关速度快、光速传递、宽带以及信息容量极大的优点。
集成光电回路具有同光纤类似的特征带宽，而且两种情形中的载体都是光波而不是电流，这样就避免了导线固有的电容和电感导致的频率限制效应。在集成光电回路中可以方便有效地实现将许多信号耦合进一个光波导。除了能把许多信号耦合到一个光波导之外，集成光电回路还可以用调制功能方便地把光信号从某个波导通到另一个波导。这能够用电光、声光或热光调制等多种方式来实现。
目前，集成光电子学已初具规模，并在光通信及光信息处理方面显示出电子学无法比拟的优越性。不单是比分立光学元器件系统具有巨大优越性，作为一种信息的处理与传输系统，与微电子系统相比，集成光电子学系统也具有其固有的巨大优越性。其优点可以分为两个方面：其一是与用集成光电回路代替集成电路有关；其二则与用光导纤维代替电线或者同轴电缆有关。
集成光电子学是在光电子学和微电子学发展的基础上，采用集成方法研究和发展光电子学器件和复合光电子学器件系统的一门新的学科。集成光电子学的出现是光电子器件和电子器件本身发展的必然结果，它的发展受到了微电子集成电路技术的启发和促进。
传统的光学系统体积大、稳定性差、调整和光束的准直困难，不能适应现代光电子技术发展的需求。现代的光电子技术中，对于信号的产生与处理的方式与微电子学不同，这里有两个重要的改变：首先是用光导纤维代替通常的电线或者同轴电缆进行信息的传输；其次是使用集成光路取代通常的集成电路。在集成光路上，各光电子学元件成型在一个衬底上，用衬底内部或表面上形成的光波导连接起来。采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件和电子元件以薄膜的形式集成在同一衬底上的集成光电子回路。这样的集成器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低、使用方便等优点。
集成光电子学是当今光电子学领域的发展前沿之一，它主要研究集成在一个平面上的光电子学器件和光电子系统的理论、技术与应用，是光子学发展的必由之路和高级阶段。集成光电子学以半导体激光器等光电子元件为核心集成起来，并以具有一定功能的体系为标志。目前，主要是研究和开发光通信、光传感、光学信息处理和光子计算机所需的多功能、稳定、可靠的光集成体系和光电子集成体系(OEIC: optical-electronic integrated circuit)；把激光器、调制器、探测器等有源器件集成在同一衬底上，并用光波导、隔离器、耦合器等无源器件连接起来构成的微型光学系统称为集成光路，以实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化。如果同时与电子器件集成，则构成复合光电子集成体系。集成光电子学的理论基础是光学和光电子学，涉及波动光学与信息光学、非线性光学和、半导体光电子学、晶体光学、薄膜光学、导波光学、耦合模与参量作用理论、薄膜光波导器件和体系等多方面的现代光学和光电子学内容；其工艺基础则主要是薄膜技术和微电子工艺技术。集成光电子学的应用领域非常广泛，除了光纤通信、光纤传感技术、光学信息处理、光计算机与光存储等之外，还在向其他领域，如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面渗透。
提到“集成”，人们首先想到集成电路(IC: integrated circuit)。毫无疑问，现在和将来的信息化社会，在很大程度上依赖以硅技术为基础的微电子学技术。现代微电子学起源于1947年发明的晶体管。在晶体管诞生10年后，德克萨斯仪器公司的基尔毕(Kriby)发明
了集成电路。最早的集成电路，只不过是把一个晶体管用导线与几个电阻等元件连接。被集
6成的晶体管个数，到1997年已经达到了1G-DRAM（约10个元器件）。现在，集成电路仍然以每3年增加10倍集成度的速度发展。微电子学的集成电路之所以取得如此爆炸性的进展，是由于充分发挥了集成化的优越性，从最早的去掉焊点提高可靠性开始，经过成品率和小型化的提高，从量的扩大引起质的变化“集成”成为了一种潜力难以估量的技术手段。目前集成光电子新技术自然还难以和微电子学集成技术相比较，后者已达到了很成熟的阶段。但是，从集成电路的飞速发展历程看来，我们有理由期望。在不久的将来，集成光电子学也会以迅速的速度实现高集成度、小型化、多功能化的目标。
目前集成光电子学也正以其独特的优点进入了迅速发展的阶段。所谓光电子器件，广义上讲是指通过以光电互相转换为主要形式的光效应完成信息或能量转换的功能性器件，它是光电系统及其应用的基础，它是光学和光电子学与其应用之间以及与其它学科之间联系的重要纽带，因此它对光学和光电子以及相关学科的发展起着关键性促进作用。集成光电子学的器件尺寸较大和集成度不高度一是困扰集成光电子学发展的一个重要问题。近来，微腔激光器、纳米光波导等新技术原理的出现为实现小尺寸和高集成度提供了理论基础，使得集成光电子学进入了高速发展的新阶段。
二、集成光电子的集成方式
目前已经研制成了很多对应于体分立光学元件的各种薄膜波导元件，如薄膜介质光波导、薄膜激光器、光耦合光调制器、光学双稳态器件、存储器等。包含多个元件的集成也已经实现，例如在同一个衬底上。实现激光器、光波导、探测器这三种典型元件的集成，多个分布反馈激光器的集成，多个探测器的集成，注入式激光器和场效应晶体管的集成等。集成光电子器件目前的集成规模，按集成的元件个数大约为几个到几百个。虽然不能和集成了上亿个晶体管的微电子器件相比较，但是和光学分立器件相比已经实现了小型化、低成本等技术飞跃。在光电子学的目前阶段，集成光电子学的重要性并不一定在于集成的规模。而且，集成光电子学不一定需要在一个衬底上集成所有光学元件；很多应用是有限几种元件的集成，甚至在一个衬底上做同种元件的集成。
集成光电子学器件的集成方式有两种：器件个数的集成和功能的集成。
1、功能集成
对于光电子学，所谓功能集成的发展方向就是通过把不同功能的元件集成在一起，制造出具有新的功能，或者功能强、性能高的器件。在集成电子学里，集成器件的最初目的是消除因元器件间连接引起的可靠性及其他问题。在光电子学集成特别是功能集成里，解决连接问题而引起的可靠性问题也是集成化的最初动机。和电子学中一样，伴随着“连接”问题的解决，可靠性问题也得以解决。分立元器件间的光连接主要用光纤、光波导等传输连接方式，以及直接向自由空间辐射光束连接等方法。无论采用哪种连接方法，都需要微米或亚微米级的空间连接精度。这种耦合调节需要花费大量的时间，而且难以保证连接精度，并使得制作成本加大。采用光电子集成，各光、电元器件间的连接，是通过微电子工艺的光刻技术及其后续工艺来实现并能够保证其连接精度的，这就可以将有关连接或耦合调节的工作时间大幅度地减少。这不仅可以降低成本，而且能够实现可靠性的提高。
利用功能集成实现的集成光电子器件或系统和分立元器件的单纯组合相比，集成化更容易实现小型化，低成本化以及高可靠性的目标。此外，光学系统的对准和对震动的敏感性等特有问题，在分立器件的光学系统中是很困难的问题，在集成光电子学中却可以很方便得到控制。在同一衬底上集成了半导体激光器和光调制器的带有调制器的集成光源就是功能集成
的典型实例。
以带有调制器的集成光源（如图1.1所示）和激光器与隔离器集成（如图1.2所示）为例，在10Gb/s以上的高速光信号光纤传输里，由电流直接调制引起的半导体激光器的波长不稳定即波长啁啾是限制传输距离的重要因素。为例解决这个问题，采用外部光调制器，用光调制器打开和关闭直流驱动的半导体激光器的输出光。在分立器件的组合中，取单独封装的半导体激光器和光调制器，把它们用光纤连接在一起（如图1.1（a）所示）。图1.1（b）是封装好的带有调制器的集成光源的实例示意图。通过图1.1（a）和图1.1（b）的对比可以看出，封装后，对于同一功能，集成的器件尺寸比分立元器件组合要小得多，紧凑的多。另外，对于光电子集成来说，比小型化更重要的可能是低成本化和高可靠性。由于图1.3所示的激光器与隔离器集成可以隔离半导体激光器中反向传输的光，提高了半导体激光器的性能，实现了工作的高可靠性。
图1.1 高速光通信的光源及其形成示例
图1.2 半导体激光器—光隔离器集成示意图
由于现代通信对通信系统的容量和速率的要求越来越高，为实现全光波长转换、波长路由等功能，多波长光源和波长可调谐光源必不可少。多波长激光器可以利用波导光栅路由器和半导体激光放大器阵列进行功能集成实现。波长可调谐光源可以使用半导体激光器与光纤光栅结合而产生波长调谐功能。另外，将半导体激光器、光接收器及输出光信号和接收光信号的分波器集成在一起的光收发信号器也是功能集成的重要例子。在本书的后面章节中，很多器件是利用功能集成实现了新的功能。
2、个数集成
除了功能集成外，还有把多个同样的光电子元器件集成的所谓个数集成。作为典型例子，
有集成多个半导体激光器或光接收等器件的阵列器件（这称之为光互联），同时并联连接到计算机或者交换机等，作为并联光输出的光源或者光接收器使用。在一列上集成十至数十个元器件时，称为一维阵列器件；而在一个平面上纵横集成十至数十个元器件的，称为二维阵列器件。图1.3是阵列器件的示意图。图1.3（a）为一维阵列器件，图1.3（b）为二维阵列器件。图1.4是一种个数集成矩阵式光开关的原理图。这是把多个输入光转换成多个输出光的路由光开关，是光信息网络里不可缺少的器件。在这种矩阵式光开关里，只是简单地集成多个转换光通道的元器件，根据路由光开关的光路构成法则由光波导进行各个光开关间的连接，来实现多通道的转换。例如，在8通道矩阵式开关里要集成64个开关元件并需要用光波导来连接。
图1.3 阵列集成光器件示意图
“个数集成”的最大优点是，把多个同样的器件集成在同一个基片上，实现了大幅度的小型化。例如，对于16通道并联传输用的光发射器，比较下列二种情况就可以看出上面的优点。一种方法是把图1.2（a）所示的封装好的半导体激光器组件排列16个；另一种方法是在集成了半导体激光器的半导体激光器阵列芯片上阵列光纤的并列传输光源。另外，制作阵列芯片上连接阵列光纤的组件的成本远低于制作16个单个组件所需要的成本。所以集成化的低成本也是一大优点。“功能集成”的高可靠性来着减少了连接点而导致的高可靠性。在“个数集成”中，在光集成器件内含有多个半导体激光器及光接收器等，所以芯片的自身可靠性比单个器件的可靠性要求更苛刻，因此，这种情况下不能一概而说由集成化带来高可靠性。在这种并联传输中，作为光收/发信号器用的阵列器件，在同一衬底上还集成了驱动半导体激光器的驱动电路和放大接收信号的放大器，所以小型化的优点更明显。这些都是光电子集成体系的重要指标。
图1.4 矩阵式光开关示意图
光在集成电路中的应用
