光有源器件中的光集成技术演变

光有源器件中的光集成技术演变T 、八—1刖言光集成器件由于其综合成本低、体积小巧、易于大规模化地装配生产、工作速率高、性能稳定等等优点，早在20世纪70年代就引起了世人的关注和研究。在随后的三十多年里，随着光波导制作技术以及各种精细加工技术的迅速发展，光集成器件正在大量地进入商用，尤其是基于PLC(PlanarLightwaveCircuit)平面光回路的一些光无源器件，如光分路器(Splitter)、阵列波导光栅(AWG)等等，目前已成为光通信市场上的热门产品。在光有源器件的领域中，尽管世界上一些公司如NEC、Enablence、HoyaXponent公司等早已宣布了一些诸如Diplexer.Triplexer的产品()，但是，和光无源的产品比较起来，由于要将激光器(LD)、探测器(PD)等与一些无源器件集成在一个平台上，这些有源的集成产品还远远未达到大规模的商用，多多少少在产品上遇到了可能来自以下几方面的困难：要将相比而言价格高昂的LD和PD，与低成本的一些无源器件集成在一起，本身就增加了加工工艺的复杂性，同时两者的波导材料不尽相同，因此，集成的难度大大增加；涉及到了有源器件的耦合问题，在高产能的情况下，器件的耦合的成品率是一个关键性的难题；集成后的器件的成本依然较高。在一些无源器件如基于PLC的AWG相对而言目前成本还较高的情况下，将LD，PD集成的器件，要大幅度地降低其成本，显然也会遇到极大的挑战。图一一个典型的PLCTriplexer芯片(图片来自HoyaXponent公司产品说明)综上所述，时至今日，在有源光器件方面，市场上占据绝对主流的依然还是采用微光学(MicroOptics)技术的产品。微光学技术，有时也被称为体形光学(BulkOptics)技术，属第二代光学器件技术。而集成光器件属于第三代光学器件技术，在光的形态上不再是传统的射线光学，而是波动光学，在技术上和薄膜光学、精细加工等密不可分，毫无疑问代表着未来光器件的发展方向，只是，要全面取代微光学器件，无论在性能还是成本等方面，仍然任重道远。2光集成技术在有源器件中的演变趋势习惯上，光集成的技术流派可以分为三大类：一类是基于硅光平台 (SiOB，SiliconOpticalBench)的，目前广为流行的PLC技术当属同一流派，只是在技术上更进了一步，不需要任何透镜，并且用光波导替代了空间光路的传播；一类是基于光子集成回路(PIC,PhotonicIntegrationCircuit)的，主要是光子器件的单片集成(MonolithicIntegration)路线；另外一类是基于光电子集成回路(OEIC,Optical&ElectronicIntegrationCircuit)的，是将光子器件和电子元件集成在一个芯片上。日本的OKI公司开发了一种称为–BOSA的集成单纤双向组件，其中装在特制的气密封装的TO(TransistorOutline)CAN中的有源集成芯片，就是一种典型的基于SiOB的产品，。该集成芯片将微小透镜、波分复用WDM滤光片等无源器件，与LD、PD等有源器件组装在了一个基于硅的平台上，从而在一个TOCAN上实现了单纤双向功能。该BOSA的结构很独特，所以其物料很多属于专门定制，要想将成本做到很低看来需要付出极大的努力。武汉电信器件有限公司(WTD)的40Gb/sPIN/TIA接收组件，属于国家863的课题，也是基于这种SiOB平台开发的。PLC则是目前绝大多数光集成厂家热衷于开发的技术，这些公司包括NEC，Enablence,HoyaXponent,Infinera,OKI,NeoPhotonics等。接入网中PON(无源光网络)系统所用的核心器件，如单纤双向组件BOSA(Bi-directionalOpticalSub-AssemblyX单纤三向组件Triplexer，由于降成本的巨大压力，以及能集成较多的有源、无源元件、市场需求非常强劲等方面的考虑，而成为了众多公司应用PLC技术的首选产品。图二基于SiOB集成的BOSA组件示意图(图片来自OKI公司产品说明)在基于PLC的集成器件中，倒装(Flip-chip)技术被广泛使用，不光LD、PD要倒装，背光探测器MPD(MonitorPhotodiode)，还有跨阻抗放大器TIA(TransimpedanceAmplifier)也要倒装，甚至，借助于表面贴SMP(SurfaceMountPhotonics)技术，WDM滤光片、隔离器等也可以“倒装”到同一平台上。TOCAN的封装以及薄膜滤光片TFF(ThinFilmFilter)是传统光器件的两大特色。现在，在PLC的技术中，采用集成封装后，TOCAN的封装首先被取代了，接下来的关键难题就是TFF的集成。如果仍然采用将TFF外置的技术，那么，波导还是波导，滤光片还是滤光片，也就是说波导没有WDM滤光功能，这样，对技术发展的意义并不太大，因此，新的PLC滤波技术的开发及应用变得极为关键。采用先进的集成WDM技术，可以将WDM滤光片直接嵌入到PLC芯片中，如将一个级联的马赫一曾德干涉仪MZI(Mach-ZehnderInterferometer)和一个色散光桥光栅(DispersionBridgeGrating)组合在一起，集成在一个Triplexer的PLC芯片上，就取代了传统的TFF()。图三集成了WDM滤光片的Triplexer的PLC芯片(图片来自Enablence公司产品说明)将有源、无源的光器件集成在一个芯片上是集成光学界长期的愿望，但这个想法真正实施起来并不容易，因为，LD、PD、调制器、AWG、波导、滤波器等等，所有这些的衬底材料并不相同，如：LD的材料一般为InP，而波导的材料一般为Si/SiO2或绝缘硅SOI(SiliconOnInsulator)。PIC和OEIC都是为了实现上述愿望而发展起来的先进的光集成技术，不同之处在于：PIC是将所有的器件(以有源光器件为主)集成在III-V族化合物半导体(多为InP)的衬底上，而OEIC则是将光子器件和电子元件集成在同一衬底(主要为Si基)上，多为系统集成。早在1978年，世界上第一个OEIC的器件就诞生了。总体看来，目前的OEIC可以归结为两个发展方向：一个是Si基的OEIC，采用标准的半导体集成电路的工艺制备，或仅仅对该工艺作微小的修改；另外一个是Si基的混合集成OEIC，将OEIC与PIC融合在一起，制作在一个Si基片上的SiO2基的光电芯片上。有公司利用0.8um的标准CMOS工艺，将LED、Si3N4波导、PD集成在了一个芯片上，实现了Si基的OEIC，其原理图。图四一种Si基的半导体工艺OEIC原理图对于Si基的混合集成OEIC来说，将基于不同衬底的基本器件单独制作完成后，还存在它们之间的相互连接、融合的问题。但是，换一个角度看来，混合集成的OEIC，又具有允许不同类别的器件分别选择各自最合适的材料以及最佳的工艺以便取得最好性能的优点。因此，Si基的混合集成OEIC在今后有可能会取得长足的进步。3光集成技术的展望虽然目前的有源器件市场以微光学技术封装的器件占绝对统治地位，但光集成技术的优势是显而易见的。基于PLC技术的有源器件正在逐渐步入实用化，但从长远的发展角度来看，基于OEIC技术的器件则代表了光集成有源器件的未来。PIC技术由于受其应用范围等限制，正在逐步融入到OEIC的平台技术中。近年来，Si基的混合集成OEIC受到越来越多的重视。Si半导体工艺经过几十年的发展，无论是材料、工艺，还是商业体系，都已是空前的成熟，因此，舍窕i半导体工艺而刻意追求m-v族化合物半导体的集成，在整个有源光电器件的范围来讲显然是不可取的;与此同时，光集成也要考虑现实的技术情况：研究表明，Si基材料由于自身材料的一些固有特性，并不适用于用来制作商业级规模应用的有源光器件。虽然Si基的PD取得了一些可喜的进展，但无可否认的是，Si基的LD经过多年的研究仍然没有实质性的进展，无论是器件性能还是工艺的成熟方面，在相当长的时间内将难以逾越m-v族化合物半导体LD。以前，Si基的混合集成OEIC的实际制作工艺一直是相当复杂的，但近来，一些研究机构针对传统倒装为基础的混合集成工艺作了改善，取得了较大进展。其中，最能引人瞩目的成果有两项:第一项是加州大学SantaBarbara分校与Intel公司合作研究的基于晶片(Wafer)级结合的混合集成器件;第二项是比利时根特(Ghent)大学的基于芯片(Chip)和晶片(Wafer)结合的混合集成器件。第一项器件的结构示意，其基本原理是先将未作后加工处理的m-v族化合物半导体晶片与做好了绝缘硅SOI波导的晶片通过胶粘结合在一起，然后再进行有源的后续加工工序，这样，可以省掉有源器件与波导之间的耦合这样一个对很多人来说很棘手的工序。图五基于Wafer级结合的混合集成器件示意图第二