单片光电子集成技术

单片集成就是在将集成电路和光电子器件制作在同一材料上，将微电子与光电子技术的优势相互结合，以期达到最佳性能。单片集成的光电子集成回路具有结构紧凑、器件一体化、集成度较高等特点，但由于光子器件和电子器件无论是材料和器件结构方面，还是在制作工艺方面差异都非常大，实现光子器件和电子器件在材料、结构和工艺等都具有很好的兼容性还需要大量的研究工作。

利用硅作为基本材料，采用成熟的标准集成电路工艺制作光电子器件和光电子集成回路，在成本上和工艺成熟度上具有无可比拟的优势，必将成为制作光电子芯片和解决电互连问题的首选方案。硅基光电子器件和单片集成芯片的发展得益于材料科学、计算机科学、微细加工技术、现代化学等方面的进步，同时它的进展又极大地促进了相邻学科的交叉和持续发展。众多的科研机构在与标准集成电路工艺兼容的硅基光学器件方面开展了广泛而深入的研究工作，已经取得了显著研究成果，许多关键技术获得重大突破。硅基光电子集成回路是通过将光发射器、光波导／调制器、光电探测器及驱动电路和接收器电路等模块制作在同一衬底上而实现了单片集成。所有器仵均采用标准集成电路工艺制备，或是仅仅对工艺进行微小的修改，从而实现全光互连与超大规模集成电路的单片集成，易于大规模生产。与标准集成电路工艺兼容的硅基光电子集成回路研究为克服电互连芯片内部串扰、带宽和能耗等问题提供了有效的解决途径。

硅和二氧化硅之间具有较大的折射率差，有利于实现小尺寸低损耗的脊形波导。大折射率差的脊形波导对光具有较强的限制作用，有利于对光的传输方向进行控制，其转弯半径只有微米量级，因此能够实现结构紧凑的集成光电子器件。例如在sol衬底上制作的环形谐振腔半径可以达到6μm，该结构的调制器具有速度快、调制效率高和尺寸小等优点。此外，基于硅衬底的锗硅集成电路工艺也有利于实现光电子器件的单片集成。锗和硅也具有较大的折射率差，同样可以形成优质波导。更为重要的是锗的禁带宽度窄能吸收通信波段的光，弥补了硅探测器无法吸收长波长光的不足。将SOl衬底和锗硅集成电路工艺相结合，有望成为单片集成光电子技术研究的方向之一。

硅基光源问题仍是研究中的最大难点，如何提高电光转换效率，研制适于进行单片集成的硅发光器件是研究的重要目标。硅基光波导/调制器研究取得了突破进展，在获得高调制速率、减小面积，以及与其他器件的集成技术方面有着很大研究空间。硅基光电探测器/接收器的进展比较快，提高探测度和响应速度是研究的重点。单片硅基光电子集成回路的研究处于初始阶段，耦合技术、匹配技术、集成技术等多方面难题有待解决。但是，随着信息技术的飞速发展，与标准集成电路工艺兼容的硅基光电子器件的研究必将对信息领域的发展起到推动作用，从而实现全硅光互连和全硅光电子集成芯片，开创硅基光学信息时代。