單片光電子集成技術

單片集成就是在將集成電路和光電子器件制作在同一材料上，將微電子與光電子技術的優勢相互結合，以期達到最佳性能。單片集成的光電子集成回路具有結構緊湊、器件一體化、集成度較高等特點，但由于光子器件和電子器件無論是材料和器件結構方面，還是在制作工藝方面差異都非常大，實現光子器件和電子器件在材料、結構和工藝等都具有很好的兼容性還需要大量的研究工作。

利用硅作為基本材料，采用成熟的標準集成電路工藝制作光電子器件和光電子集成回路，在成本上和工藝成熟度上具有無可比擬的優勢，必將成為制作光電子芯片和解決電互連問題的首選方案。硅基光電子器件和單片集成芯片的發展得益于材料科學、計算機科學、微細加工技術、現代化學等方面的進步，同時它的進展又極大地促進了相鄰學科的交叉和持續發展。眾多的科研機構在與標準集成電路工藝兼容的硅基光學器件方面開展了廣泛而深入的研究工作，已經取得了顯著研究成果，許多關鍵技術獲得重大突破。硅基光電子集成回路是通過將光發射器、光波導／調制器、光電探測器及驅動電路和接收器電路等模塊制作在同一襯底上而實現了單片集成。所有器仵均采用標準集成電路工藝制備，或是僅僅對工藝進行微小的修改，從而實現全光互連與超大規模集成電路的單片集成，易于大規模生產。與標準集成電路工藝兼容的硅基光電子集成回路研究為克服電互連芯片內部串擾、帶寬和能耗等問題提供了有效的解決途徑。

硅和二氧化硅之間具有較大的折射率差，有利于實現小尺寸低損耗的脊形波導。大折射率差的脊形波導對光具有較強的限制作用，有利于對光的傳輸方向進行控制，其轉彎半徑只有微米量級，因此能夠實現結構緊湊的集成光電子器件。例如在sol襯底上制作的環形諧振腔半徑可以達到6μm，該結構的調制器具有速度快、調制效率高和尺寸小等優點。此外，基于硅襯底的鍺硅集成電路工藝也有利于實現光電子器件的單片集成。鍺和硅也具有較大的折射率差，同樣可以形成優質波導。更為重要的是鍺的禁帶寬度窄能吸收通信波段的光，彌補了硅探測器無法吸收長波長光的不足。將SOl襯底和鍺硅集成電路工藝相結合，有望成為單片集成光電子技術研究的方向之一。

硅基光源問題仍是研究中的最大難點，如何提高電光轉換效率，研制適于進行單片集成的硅發光器件是研究的重要目標。硅基光波導/調制器研究取得了突破進展，在獲得高調制速率、減小面積，以及與其他器件的集成技術方面有著很大研究空間。硅基光電探測器/接收器的進展比較快，提高探測度和響應速度是研究的重點。單片硅基光電子集成回路的研究處于初始階段，耦合技術、匹配技術、集成技術等多方面難題有待解決。但是，隨著信息技術的飛速發展，與標準集成電路工藝兼容的硅基光電子器件的研究必將對信息領域的發展起到推動作用，從而實現全硅光互連和全硅光電子集成芯片，開創硅基光學信息時代。