光电子芯片-基础、应用及制造 课件全套 第1-9章 概述及理论基础 - - 光电子芯片制造技术与工艺

1光电子芯片

基础、应用及制造光电子芯片—基础、应用及制造2《光电子芯片——基础、应用及制造》简介半导体集成电路的核心是芯片，被称为“工业之米”。光电子芯片（PIC）是光电子技术和光电子产业的支柱，应用范围覆盖了从光通信到感知传感等多个领域，有望带动半导体产业变革式发展，有力支撑新一代高速光通信、国防装备、网络通信、人工智能、物联网、车联网等产业高质量发展。本书介绍了与能带理论、干涉理论、光电效应密切相关的发光器件、探测器件及各种阵列波导光栅（AWG）器件；与光程差及电光效应、热电效应密切相关的MZI光调制器；从直接带隙优于间接带隙理论出发说明为什么要在硅基上异质集成III-V族材料；从光热效应、光电荷效应出发，介绍了有关芯片在红外感知器、图像传感器、国防装备中的应用。接着，阐述了高速光纤通信系统芯片及光电子集成模块（400Gbit/s、800Gbit/s、1.6Tbit/s），及硅光集成电路（PIC）收发器（Tx/Rx）芯片；介绍了硅光技术、光电共封装（CPO）技术、光调制器的技术进展，以及光电子芯片在机器学习、人工智能（AI）、激光雷达测距、光子相控阵（OPA）雷达、量子计算、光子存储、光交换、汽车战车战机等方面的应用。最后，还给出光电子芯片制造技术、特别是Si基异质集成III-V族芯片制造技术与工艺，以及芯片封装技术的演化。本书概念清楚、由浅入深、系统性强，内容前后呼应、叙述通俗易懂、图文并茂、简明扼要。书后附有“名词术语索引”，以便读者检索感兴趣的内容。书中插有二维码“知识扩展”，以便读者深入了解书中的内容和光电子技术的有关知识。本书可供从事光电集成芯片、民用/军事光电系统/装备的研究教学、规划设计、管理维护有关人员参考，也可作为相关专业学生的教材。光电子芯片—基础、应用及制造3《光电子芯片——基础、应用及制造》简介（续）光电子芯片—基础、应用及制造4第1章概述及理论基础1.1概述

1.1.1光电子芯片技术和分类

1.1.2光电子芯片——光电技术和光电产业核心部件

1.1.3国家对集成电路产业跨越式发展极为重视

1.1.4光电子芯片基础——光电子学1.1.5光电子芯片产品的应用1.2光电子芯片理论基础1.2.1光电子芯片传输光的波动性和粒子性1.2.2光电子芯片光传播速度与器件介质折射率紧密相关1.2.3光电子芯片与光程差、相位差紧密相关1.2.4能带理论——发光器件、光感知探测器基础1.2.5III-V族材料与硅、锗材料比较——直接带隙优于间接带隙1.2.6半导体对光的吸收——光感知探测器、激光器、光放大器基础1.2.7载流子产生复合扩散和漂移——光电效应、光电荷效应、光电导效应基础光电子芯片—基础、应用及制造51.1.1光电子芯片技术和分类1.光子概述光子芯片的概念与电子集成芯片的概念类似，只不过电子芯片集成的是晶体管、电容器、电阻器、电子信号处理器等电子器件；光子芯片不仅集成电子器件，同时也集成光电器件，如光波导、激光器、光调制器、光感知探测器、光复用/解复用器、光放大器、光子信号处理器、光衰减器等，甚至同时集成两者，所以人们有时统称为光电子芯片，光电子芯片是光电子技术和光电子产业的核心部件；光电子微芯片应用范围涵盖了从光通信到感知传感、人工智能、光子存储交换等多个领域。1.1概述1.1.1光电子芯片技术和分类（续）2.无源/有源光电子芯片3.光电子芯片基底材料现有光电子芯片所采用的基底材料主要有硅（Si）、砷化镓（GaAs）、铌酸锂（LiNbO3）、磷化铟（InP）、氮化硅（Si3N4）4.单片集成/混合集成光电子芯片5.光电子芯片制造基本工艺6.光电子芯片性能与人工智能（AI）人工神经网络（ANN）通过建立输入参数（如几何形状和材料）与输出光学响应之间的隐式关系，为光电子设计提供了一种有力的方法。经过良好训练的ANN简化了复杂且耗时的数值模拟和优化设计过程。光电子芯片—基础、应用及制造61.1.2光电子芯片

——光电技术和光电产业核心部件半导体集成电路（IC）元件的核心是芯片，被称为“工业之米”。芯片已渗透到社会生活的各个领域。智能化机器具有人的感知，能收集、加工各种信息，主动地进行某种目的之操作，经过学习训练（机器学习）还能从事技术含量更高的工作等。而这一切，都以各种芯片为基础。时至今日，我国进口额最大的物资，不是石油、天然气，也不是粮食，而是芯片。装备制造业的芯片相当于人的心脏，心脏不强，体量再大也不算强。我国要在芯片技术上加快实现重大突破，勇攀世界半导体科技高峰。没有芯片的安全，就没有信息的安全。核心技术是买不来的，必须依靠自主创新。经过多年的努力，我国芯片研发已取得明显进步，一些领域已有重大突破，但与西方国家相比，我国的芯片产业依然有较大的差距。光电子芯片—基础、应用及制造7光电子芯片是实现光/电信号转换的基础元器件，有望带动半导体产业变革式发展，有力支撑新一代网络通信、武器装备、人工智能、物联网、车联网等产业高质量发展。光电子芯片包括高速光通信芯片、高性能光传感芯片、红外光传感芯片、高性能通信感知融合芯片、光子计算芯片、量子通信芯片、相控阵雷达芯片、神经网络（AI）芯片、光电混合集成芯片等，图1.1.1给出几种应用的芯片，本书第8章将介绍一些应用芯片。光电子芯片—基础、应用及制造8图1.1.1硅基光电子芯片的几种应用光电子芯片—基础、应用及制造91.1.3国家对集成电路产业

跨越式发展极为重视2014年6月，国务院印发《国家集成电路产业发展推进纲要》；2024年6月，工业和信息化部电子信息司发布了《中国光电子器件产业技术发展路线图（2023-2027年）》；2023年6月，国家自然科学基金委员会信息科学部、中国科学院信息技术科学部组织专家，充分参考了国家科技领域的发展规划与发展战略，多次调查和研讨后，由中国学科及前沿领域发展战略研究（2021—2035年）项目组编写出版了《中国集成电路与光电芯片2035发展战略》（科学出版社）；2024年9月29日，广东省人民政府制定了《广东省加快推动光芯片产业创新发展行动方案（2024—2030年）》。光电子芯片—基础、应用及制造101.1.4光电子芯片基础——光电子学光电子学是光子学和电子学结合而形成的技术学科。光子学是光频电子学，有时狭义地专指光/电转换器件和电/光转换器件及其应用领域。但广义上也包括光子学中的一些内容。光电子学是光子学和电子学的结合，在理论上，主要研究光与物质的相互作用特性；在应用上，主要研究光的产生、传输、控制、探测及各种应用。集成光电子技术将光学和电子学器件集成在单个芯片上，使得创造紧凑、高效的光电子系统成为现实，应用范围涵盖了从光通信到感知传感等多个领域，得到快速的发展。由此可见，光电子技术牵涉面很广，应用领域也很宽。本书从光电子学与光电子学理论出发，科普式系统性地阐述光电子芯片的基础知识、最新技术、典型应用和制造技术。光电子芯片—基础、应用及制造11光电子芯片—基础、应用及制造12图1.1.2a从光电技术衍生出多种学科和

应用领域光电子芯片—基础、应用及制造13图1.1.2b光电产业1.1.5光电子芯片产品的应用芯片除了在传统电脑、通信和互联网领域使用外，今后光电子芯片主要应用于消费电子芯片、汽车/战车/战机芯片、物联网芯片、人工智能芯片。深度求索（DeepSeek）是由杭州深度求索公司推出的一款国产AI对话助手App，它能够为用户在学习、工作以及生活上提供专业、高效的帮助，支持文字输入与文件上传两种方式，可以理解并解析自然语言，并快速作出响应提供详细的答复。多家国产芯片企业设备成功运行DeepSeekR17B模型，实现本地化部署。中国电信、中国移动、中国联通三家中国基础电信企业均全面接入DeepSeek开源大模型，实现在多场景、多产品中应用，助力国产大模型性能释放。光电子芯片—基础、应用及制造14光电子芯片—基础、应用及制造151.2光电子芯片理论基础1.2.1光电子器件传输光的波动性和粒子性英国物理学家麦克斯韦完成了19世纪最美妙的科学发现——电磁场理论，并预言了电磁波的存在，他的理论预言得到了赫兹的实验证实。1864年，麦克斯韦（Maxwell）通过理论研究指出，和无线电波、x射线一样，光是一种电磁波，光学现象实质上是一种电磁现象，光波就是一种频率很高的电磁波，光波是电磁波谱的一个组成部分，如图1.2.1所示。单频光称为单色光。光纤通信使用850~1550nm的近红外光波，海底潜艇通信使用400~500nm蓝绿可见光，热成像、制导、跟踪、探测使用1~15m的中红外光波，激光测距使用1.06m（Yd:YAG激光器）或10.6m（CO2激光器）光波。光电子芯片—基础、应用及制造16图1.2.1电磁波频率与波长的换算光电子芯片—基础、应用及制造17光的粒子性

——普朗克提出量子概念，爱因斯坦提出单色光的最小单位是光子光电子芯片—基础、应用及制造18当光通过强电磁场时，由于相互作用，它的运动轨迹要改变方向，电磁场越强，改变越大。当光通过比真空密度大的介质时，其传播速度要减慢。1.2.2光电子器件光传播速度

与器件介质折射率紧密相关图1.2.3

光通过密度大的介质时传播速度要减慢光电子芯片—基础、应用及制造19当光通过比真空密度大的介质时，其传播速度要减慢光电子芯片—基础、应用及制造201.2.3光电子器件与光程差、相位差紧密相关光是一种电磁波，它的电场和磁场随时间不断的变化，分别用Ex和Hy表示

，在空间沿着z方向总是相互正交传输，如图1.2.4所示。最简单的行波是正弦波，沿z方向传输的数学表达式为

（1.2.4）式中，是波的相位Ex和Hy

总是同时正交存在，今后凡提到光场就是指电场。光电子芯片—基础、应用及制造21图1.2.4电磁波是行波光电子芯片—基础、应用及制造22平面波的波前

是与传播方向正交的平面图1.2.5沿z方向传播的平面电磁波在指定平面上的任一点具有相同的Ex或Hy，所有电场在xy平面同向光电子芯片—基础、应用及制造23

相位差

我们经常对光波上给定时间被一定的距离分开的两点间的相位差感兴趣；比如由马赫-曾德尔（MZ）干涉仪构成的滤波器、复用/解复用器和调制器，由阵列波导光栅（AWG）构成的诸多器件（滤波器、波分复用/解复用器、光分插复用器和波长可调/多频激光器等），以及由电光效应制成的外调制器和由热光效应制成的热光开关等；它们的工作原理均用到这一相位差的概念，所以大家要特别给以关注，本书以后有关章节也会经常用到这一概念，并使用式（1.2.7）。光电子芯片—基础、应用及制造24图1.2.6光子学与光电子学经常用到的光程差和相位差举例光电子芯片—基础、应用及制造25相速度和介质折射率光电子芯片—基础、应用及制造261.2.4能带理论——

发光器件、光感知探测器基础图1.2.7原子中的电子能级分布a）单个原子中的电子是按壳层分布的b）离原子核较远的两个原子电子壳层常发生彼此交叠c）晶体中N个原子的能带图处于价带中的电子，受原子束缚不能参与导电。而处于导带中的电子，不受原子束缚是自由电子，能参与导电。价电子要跃迁到导带成为自由电子，至少要吸收禁带宽度的能量。所以，可用能带图来分析材料的导电性能。光电子芯片—基础、应用及制造27图1.2.8绝缘体、半导体和金属的能带图a）绝缘体b）半导体c）金属图1.2.8a表示的绝缘材料SiO2的Eg

5.2eV，导带中电子极少，所以导电性差；图1.2.8b表示的半导体Si的Eg

1.1eV，导带中有一定数量的电子，从而有一定的导电性；图1.2.8c表示的金属的导带与价带有一定程度的重叠，Eg=0，价电子可以在金属中自由运动，导电性好。光电子芯片—基础、应用及制造28本征半导体和非本征半导体本征半导体，结构完整、纯净的半导体，比如纯净的硅称为本征硅；非本征半导体，半导体中可人为掺入少量的杂质形成杂质半导体;非本征半导体包括N型半导体和P型半导体;半导体的导电性能介于绝缘体和金属之间，是制作光电器件的重要材料。

光电子芯片—基础、应用及制造29图1.2.9半导体原子结构和能带图a）本征半导体

b）N型半导体

c）P型半导体1.2.5III-V族材料

与硅、锗材

料比较——直接带隙图1.2.10光在不同种类半导体材料带隙中的吸收a）GaAs直接带隙b）Si间接带隙光电子芯片—基础、应用及制造301.2.6半导体对光的吸收

——光探测器、激光器、光放大器基础图1.2.10，在直接带隙半导体中，吸收光子能量hv后，只要Eg≤hv

，电子从价带上就直接激发到导带上。但在间接带隙半导体中，由于价带的峰值能量与导带的低谷能量并不像图1.2.10a表示的直接带隙半导体材料那样直接对应，所以电子从价带峰值点跃迁到导带的低谷点所需的光子能量hv大于Eg，其能量差要有声子能量hγ来填充，即hv=Eg

±

hγ

，

该声子由晶格振动产生。光电子芯片—基础、应用及制造31由于硅是间接带隙半导体，其光发射效率较低，难以直接制作高效的光源。元素周期表III-V族材料是直接带隙材料，将III-V族激光器集成到硅基上，具有极大的吸引力。因此，现代硅光技术通常采用III-V族半导体材料（如砷化镓GaAs或磷化铟InP）制作的激光器作为光源，通过异质集成或外部耦合的方式与硅基芯片进行连接，如图9.1.1所示。这种混合集成方案可以充分利用III-V族材料优异的发光效率，同时保持与硅基工艺的兼容性。光电子芯片—基础、应用及制造32光电子芯片—基础、应用及制造33图1.2.11半导体材料对光的吸收a）半导体表面对光的反射和吸收b）300K时一些半导体材料吸收系数与波长的关系光电子芯片—基础、应用及制造34本征吸收光电子芯片—基础、应用及制造35非本征吸收半导体吸收光子后，如果其光子能量不足以使价带中的电子激发到导带，就会产生非本征吸收。非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收和晶格吸收等。由于杂质的电离能一般比禁带宽度小得多，所以杂质吸收的光谱也就在本征吸收的截止波长以外，甚至发生在远红外区

。

在光探测器中，把光子能量大于禁带宽度的光波照射到占据低能带价带的电子上，则电子吸收该能量后被激励跃迁到较高的能带导带上。在半导体结上外加电场后，就可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流。

在激光器中，工作物质中的粒子从光或电泵浦源吸收能量后，从低能级跃迁到高能级，处于高能级的粒子从高能级跃迁到低能级时，就将其两能级的能级差以光的形式辐射出来。光电子芯片—基础、应用及制造36光电子芯片—基础、应用及制造371.2.7载流子的产生复合扩散和漂移

——光电、光导、光伏效应器件基础

图1.2.12光照产生电子-空穴对增量

半导体在热平衡状态下，载流子浓度是恒定的，但是如果外界条件发生变化，例如受光照、外电场作用和温度变化等，载流子浓度就要随之发生变化，这时系统的状态称为非平衡状态。光照射产生的非平衡载流子又称为光生载流子。半导体受光激发产生载流子的现象是光电效应和光导、光伏等效应器件的基础。光电子芯片—基础、应用及制造38载流子的产生、复合对半导体材料，施加外部作用，如光照，把价带电子激发到导带上去，产生电子-空穴对，使载流子浓度增加，这种运动称为产生；原来激发到导带的电子回到价带，与空穴又复合，使电子和空穴又成对消失，使载流子浓度减小，这种运动称为复合。

光电子芯片—基础、应用及制造39图1.2.13载流子的扩散和漂移a）光生载流子在N区和P区浓度不均匀引起扩散，建立内部电场b）内部电场引起载流子漂移，在外电路产生电流载流子因浓度不均匀而发生的定向运动称为扩散；载流子受电场的作用所发生的运动称为漂移。光电子芯片—基础、应用及制造40第2章光无源器件2.1波分复用/解复用器（WDM/DWDM）2.2光滤波器2.3微机电系统（MEMS）2.4波导光隔离器2.5阵列波导光栅（AWG）无源器件及其应用2.6光耦合器光电子芯片—基础、应用及制造41图2.1.1光栅型解复用器a）透射光栅b）普通透镜反射光栅

c）渐变折射率透镜反射光栅2.1

波分复用/解复用（WDM/DWDM）2.1.1

反射光栅解复用器（DWDM）2.1.2AWG复用/解复用器（WDM/DWDM）平板阵列波导光栅（AWG）复用/解复用器的基本原理是经过不同光程传输后光的干涉。光电子芯片—基础、应用及制造42图2.1.2由阵列波导光栅（AWG）组成的解复用器

芯片尺寸为600

μm

×

400

μm，包括0.8

μm宽的直波导和0.5

μm宽的弯曲波导，曲率半径为10

μm。在输入/输出波导两侧放置几个虚拟通道确保制造工艺均匀性，包括光刻、蚀刻和平面化。该AWG自由光谱范围为25nm，插入损耗2.26~2.6dB，串扰范围为－16.24~－17.39dB。图2.1.2c一种实际制造出的AWGWDM显微图光电子芯片—基础、应用及制造432.2光滤波器

2.2.1法布里-珀罗（F-P）谐振腔图2.2.1法布里-珀罗（F-P）谐振腔及其特性a）

反射波B和原波A干涉b）

只有满足m(/2)=L波长的腔模波长才能在谐振腔内存在c）

不同反射系数的驻波电场强度和频率的关系光电子芯片—基础、应用及制造44法布里-珀罗（F-P）谐振腔工作原理光电子芯片—基础、应用及制造45法布里-珀罗（F-P）光学谐振腔就是两块平行的反射镜。基本的谐振腔是由置于自由空间的两块平行镜面M1和M2组成，如图2.2.1a所示。光波在M1和M2间反射，导致这些波在空腔内相长干涉和相消干涉。从M1反射的A光向右传输，先后被M2和M1反射，也向右传输变成B光，它与A光的相位差是k（2L），式中k为波矢量[见式（1.2.7）]。如果相位差是2的整数倍,则B光和A光发生相长干涉，其结果是在空腔内产生了一列稳定不变的电磁波，我们把它称为驻波。显然，这种简单的镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器，它由法国物理学家法布里（Fabry,1867-1945）和玻罗（Perot,1863-1925）于1897年发明。π2.2.2

法布里-珀罗（F-P）

滤波器

图2.2.2F-P滤波器的传输特性a）传输特性b）N个信道经波分复用后加到滤波器输入端的频谱图

c）滤波器输出频谱图光电子芯片—基础、应用及制造462.2.3马赫-曾德尔干涉器（MZI）当两臂间的相位差

等于π时，两束光在C点出现了相消干涉，探测器输入光为零；当两臂的光程差为0或的倍数时，两束光在C点相长干涉，探测器输入光为最大。马赫-曾德尔波导干涉器已被广泛应用于光滤波器、光调制器、反潜声纳、矩阵乘法运算、人工智能（AI）、神经网络、量子通信等的核心部件中。光电子芯片—基础、应用及制造472.2.4MZI干涉滤波器马赫-曾德尔干涉滤波器的原理是基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。改变

既可以分别控制有效光通道的折射率n和长度差

，也可以同时控制。可以通过对热敏薄膜加热或者改变压电晶体的控制电压来达到。此外，马赫-曾德尔干涉器构成的可调谐滤波器制造成本低，对偏振很不灵敏，串音很低，但是调谐控制复杂，调谐速度较慢。光电子芯片—基础、应用及制造482.2.5布拉格光栅波导滤波器光栅滤波器的基本原理是折射率周期性变化的光栅反射共振波长附近的光。波导光栅可以通过刻蚀工艺实现。光栅的作用如同一个强的反射镜。如果布拉格光栅的共振波长为λB，正好与λ2相同，则该光栅反射λ2波长的光，而让其他波长的光通过，即滤除了λ2波长的光。光电子芯片—基础、应用及制造492.3微机电系统（MEMS）

2.3.1微机电系统（MEMS）简介微机电系统MEMS是基于微机械或微光电子技术的微型机电器件或系统，主要包括微传感器、微执行器、微系统等。它通常具有信息获取、信息处理与控制及制动等功能，其特征尺度介于微米和毫米之间，结合光电子器件和机械部件，采用集成电路工艺制作，集约了当今科学技术的许多新成果。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件，在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。光电子芯片—基础、应用及制造502.3.2微机电系统（MEMS）光开关图2.3.1可升降微反射镜MEMS光开关a）平行连接状态b）交叉连接状态光电子芯片—基础、应用及制造512.4波导光隔离器

2.4.1钇铁石榴石（Fe:YIG）MZI波导光隔离器图2.4.1钇铁石榴石（Fe:YIG）MZI波导光隔离器a）结构示意图 b）波长损耗特性光电子芯片—基础、应用及制造52钇铁石榴石（Fe:YIG）MZI

波导光隔离器工作原理基于马赫-曾德尔干涉（MZI）原理的波导光隔离器，如图2.4.1a所示，它在GaInAsP/InP基片上也集成了一个激光器LD。为了制作光隔离器，首先将钇铁柘榴石波片键合在马赫-曾德尔干涉器（MZI）波片（GaInAsP/InP）上，该隔离器由两个锥形耦合器、在两个干涉臂中的非互易相移器和在一个臂中的互易相移器组成。互易相移器由λ/4臂长差提供。MZI设计成在两个臂中传输的前向光波没有相差（同相），而后向传输的光波有180°的相差（反相）。这可以选择合适的MZI两臂波导长度，引入90°的非互易相移和90°的互易相移完成。因此，正向传输光在Y2输出端的总相移为零，两光相长干涉而增强；而反向传输光在Y1输出处时的总相移为180°，两光相消干涉而抵消。其工作原理与3.2.3节介绍的马赫-曾德尔（M-Z）调制器类似。这类器件无需精确的相位匹配和复杂的外加磁场控制，且波导结构设计灵活，工艺制作简单，更具有实际应用价值。光电子芯片—基础、应用及制造532.4.2微环磁光波导光隔离器图2.4.2微环法拉第介质磁光材料光隔离器a）法拉第介质微环光隔离器b）隔离器磁铁环横截面图光电子芯片—基础、应用及制造54图2.4.3非互易相移微环磁光波导光隔离器特性a）注入电流+/80mA时测量到的光谱

b）波长变化和隔离度与注入电流的关系光电子芯片—基础、应用及制造55法拉第介质磁光微环光隔离器原理该隔离器利用现有在芯片上产生磁场的技术。该微环半径只有35μm，几乎实现了与光纤的临界耦合，制成的光隔离器对TM光的隔离度为32dB（施加80mA电流），1555nm波长芯片损耗为2.3dB。制作该隔离器时，首先，将法拉第磁光单晶Ce:YIG生长在钆镓石榴石铁氧体（SGGG）衬底上，然后把SGGG衬底粘结在Si层上。所有材料在波长1555nm的损耗都很小，但是Ce:YIG单晶例外，它的传输损耗为60dB/cm，然而它的法拉第旋转角很大，可到4500o/cm。在SGGG衬底的底部，用离子束光刻技术沉积一个正对Si环的Ti/Au环，当Ti/Au沉积层总线接入电源有电流通过时，在Ti/Au波导环中将产生磁场H，如图2.4.2b所示，所以该Ti/Au环同时也视为一个磁铁环。借助这样的磁场，顺时针和反时钟磁场在Ce:YIG法拉第非旋光材料中，对入射光和反射光产生非互易相位差（NRPS），即反射光的相位移是入射光的两倍，与入射光进行了隔离。光电子芯片—基础、应用及制造562.5阵列波导光栅（AWG）

无源器件及其应用以阵列波导光栅（AWG）为基础的平面波导集成电路

（PLC）

是光纤通信器件的基础。以InP为基础的阵列波导光栅的显著特点是，尺寸小、成本低、设计灵活和易于和光纤耦合，具有平坦的频率响应，小于3dB的插入损耗，优于35dB串话电平，以及易于和光感知探测器、激光器、光调制器和半导体光放大器（SOA）集成，从而使光纤通信器件的体积进一步减小，可靠性进一步提高。本节将介绍AWG构成的PLC器件有，调谐滤波器、波分复用（WDM）/解复用器、多信道光发射机和接收机、光分插复用器（OADM）和WDM无源光网络（WDM-PON）使用的无色宽带光源等。光电子芯片—基础、应用及制造572.5.1AWG星形耦合器图2.5.1采用硅平面波导技术制成的多端星形耦合器a）相位中心星形耦合器外形原理图b）光栅圆-罗兰圆中心耦合区原理图c）光栅圆、罗兰圆中心耦合区示意图光电子芯片—基础、应用及制造582.5.2AWG工作原理图2.5.2阵列波导光栅（AWG）a）AWG构成原理图b）表示AWG频谱特性的传输特性光电子芯片—基础、应用及制造59AWG光栅工作原理是基于多个单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。从图2.5.2a可知，输出端口不同，光程差也不同，输出光的波长也不同，所以AWG可以从波分复用信号中分解出每个波长的信号。2.5.3AWG用于光滤波器图2.5.4基于AWG的路由器和SOA的数字选择波长滤波器a）单片集成原理图 b）只有一个信道被SOA接通输出频谱 c）SOA接通输出功率和输入信号波长的关系光电子芯片—基础、应用及制造60

滤波器工作原理：首先，把64路WDM波长信号分成8组，每组8个信号，由18AWG完成。信道组光频间距为400GHz，正好等于前端AWG的FSR。

其次，8个信号为1组的信号被第1级SOA选通，并由后端88AWG解复用。最后，8个信号为1组的每个信号被第2级SOA选通，并通过81MMI耦合器输出到功率增强SOA。通常SOA门的数量是2倍WDM信道数的平方根。图2.5.5WDM64信道AWG路由数字选择波长滤波器光电子芯片—基础、应用及制造612.5.4AWG用于多信道光接收机图2.5.6AWG波长解复用阵列PIN接收机

图2.5.7平面波导集成电路（PLC）多信道光接收机光电子芯片—基础、应用及制造62图2.5.6AWG的自由光谱范围（FSR）是800GHz（6.5nm），设计用于信道间距100GHz（0.81nm）

的8个信道的WDM解复用（100GHz8=800GHz）。

图2.5.88通道氮化硅（SiN）波导阵列光栅（AWG）WDM/DWDM、收发芯片a）芯片显微图 b）硅衬底膜板激光器光电子芯片—基础、应用及制造632.5.5AWG

用于宽谱

光源分割图2.5.9阵列波导光栅（AWG）对宽谱光进行光谱分割光电子芯片—基础、应用及制造64将AWG和半导体光放大器（SOA）集成在一起，制成WDM光源，提供ITU-T规定的通道间隔25GHz、50GHz或100GHz输出，输出光功率10dBm，波长1528~1600nm。2.5.6AWG用于ONU无色WDM-PON图2.5.10

ONU宽谱光源WDM

-

PON

系统的上行部分光电子芯片—基础、应用及制造65图2.5.11ONU中无光源（无色）WDM-

PON

上行系统光电子芯片—基础、应用及制造662.5.7AWG用于光交叉连接（OXC）图2.5.12光交叉连接器原理图光电子芯片—基础、应用及制造678.5.11节将介绍谷歌公司利用MEMS技术，在其数据中心中，建立了基于微机电系统的光电路交换（OCS）网络。图2.5.13波长选择光交叉连接（OXC）ROADM芯片a）ROADM原理图 b）非对称24x8OXC c）24x8ROADM芯片布局图光电子芯片—基础、应用及制造682.5.8AWG用于光正交频分复用

（O-OFDM）信号产生图2.5.14使用AWG的4信道O-OFDM发送机PIC原理图a）OFDM发送机原理框图b）OFDM发送机原理图 c）芯片图光电子芯片—基础、应用及制造692.5.9AWG用于傅里叶变换和逆变换（1）

——在人工智能（AI）光电子芯片中的应用1.傅里叶变换我们知道，傅里叶变换用来计算随时间变化的波形w(t)中包含的频率分量W(f)，利用AWG实现傅里叶变换的过程如下：输入信号：多波长信号W(f)光的时间波形w(t)通过输入波导进入AWG，如图2.1.2所示。衍射与干涉：信号光在自由传播区衍射，进入阵列波导。不同波长的光W(f)在阵列波导中经历不同的相位延迟[见式（2.1.1）]。聚焦与分离：经过相位延迟的光在输出自由传播区干涉，不同波长的光聚焦到不同输出波导，实现波长分离。输出信号：每个输出波导对应一个特定波长W(fi)，完成傅里叶变换。光电子芯片—基础、应用及制造70图2.5.15阵列波导光栅（AWG）

完成傅里叶变换和逆变换光电子芯片—基础、应用及制造712.5.9AWG用于傅里叶变换和逆变换（2）2.傅里叶逆变换傅里叶逆变换用来计算包含多个频率分量W(fi)的合成频率信号的时间波形w(t)。输入信号：分离的多个波长信号W(fi)的时域信号W(t)通过输出波导重新输入AWG。反向传播：信号在输出自由传播区衍射，进入阵列波导，经历与傅里叶变换相反的相位延迟。干涉与合成：光在输入自由传播区干涉，重新合成原始信号W(f)。输出信号：多波长信号W(f）的时间波形W(t)通过输入波导输出，完成逆傅里叶变换。由此可见，AWG中相邻波导间的相位差是实现傅里叶变换和逆变换的关键。由于AWG的结构的对称性，使其能同时支持傅里叶变换和逆变换。AWG被用来实现傅里叶变换和逆变换，可提高光神经网络在操作过程中分辨的矩阵维数，降低计算能耗。光电子芯片—基础、应用及制造722.6光耦合器图2.6.1光耦合器基本结构光电子芯片—基础、应用及制造73方向耦合器是一种具有方向性的功率分配器，其功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出；其传输特性由耦合模理论决定。图2.6.2几种硅和氮化硅波导无源器件光电子芯片—基础、应用及制造742.6.12×2波导光耦合器理想波导中，任意导波可以表达成本征模式的线性组合，波导纵向的非均匀性会引起各传导模式之间的相互影响，随着模式在波导内的传输，各模式之间会交换能量，从而实现模式耦合。耦合波导器件在集成光学中广泛应用于功率分配、波分复用、模式转换、偏振旋转等。光电子芯片—基础、应用及制造75图2.6.3波导方向耦合器a）波导方向耦合器 b）在输出端，分光比与两个波导宽带差的模拟关系 c）1×2光分路器图2.6.4制造出的平衡耦合器显微图光电子芯片—基础、应用及制造762.6.2波导多模干涉（MMI）分光/耦合器图2.6.6波导多模干涉（MMI）分光/耦合器a）波导多模干涉（MMI）1×4分光器

b）MMI分出的4路光分别送入4个PIN光敏探测器的I层吸收区光电子芯片—基础、应用及制造77

2.6.3

边缘耦合器（EC）图2.6.7氮化硅边缘（端面）耦合器（EC）芯片a)光纤输出光耦合进芯片锥形波导示意图b)波导中的光传播 c)透镜光纤与芯片端面的耦合光电子芯片—基础、应用及制造78氮化硅（Si3N4）作为光电子集成芯片的理想平台，具有传输损耗低、异质集成兼容性好、带宽大等优点，与Si绝缘体平台相比，在光刻和刻蚀过程中的误差容忍度更高。2.6.4光栅耦合器（GC）图2.6.8边缘耦合器（EC）与光栅耦合器（GC）与PIC耦合时的比较a）边缘（端面）耦合器b）光纤通过光栅耦合器与PIC连接

光电子芯片—基础、应用及制造79‌光栅耦合器（GC）的工作原理‌光栅耦合器（GC）的工作原理基于光栅的衍射作用，通过满足布拉格（‌Bragg）衍射条件[式（2.2.11）]来实现光信号的耦合。‌

当光波在波导表面传播时，如果2路光的相位差

（m为整数），则2路光发生相长干涉，光信号可以从光纤耦合到波导中。具体来说，光栅耦合器利用光栅的周期性结构，使得特定波导模式与倾斜入射在波导表面的非传导光束实现耦合。‌光栅结构‌：在平板波导薄膜上蚀刻出周期性的沟槽（图2.2.5），形成光栅结构。这些沟槽的节距（周期）、占空比和刻蚀深度会影响光栅的布拉格衍射条件，从而影响耦合效率。光电子芯片—基础、应用及制造80光电子芯片—基础、应用及制造81第3章激光器、光放大调制器3.1激光器、光放大器

3.2马赫-曾德尔干涉（MZI）光调制器

3.3电吸收波导调制器（EAM）

光电子芯片—基础、应用及制造82图3.1.1半导体激光器结构相当于一个法布里-珀罗谐振腔

a）半导体激光器 b）输出频谱

3.1激光器、光放大器3.1.1半导体激光器工作的必要条件使有源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器产生激光的首要条件。

半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡，这是半导体激光器产生激光的第2个条件。C3指的是切开的耦合腔，因为，所以L腔中的模式波长间距要比D腔中的密。这两腔的模式波长只有在较长的距离上才能完全一致，产生复合腔的发射模，如图3.1.2b所示。因此C3激光器可以实现单纵模工作。改变一个腔体的注入电流，C3激光器可以实现约为20nm范围的波长调谐。图3.1.2C3激光器的结构及其单纵模输出原理a）C3激光器结构b）C3激光器单纵模输出原理光电子芯片—基础、应用及制造833.1.2异质结半导体激光器

图3.1.3同质结、双异质结LD能级图及光子密度比较a）同质结b）双异质结光电子芯片—基础、应用及制造843.1.3量子限制激光器图3.1.4量子阱（QW）半导体激光器a）QW结构，很薄的GaAs有源层夹在两层很宽的AlGaAs半导体材料中b）导带电子在GaAl层中的x方向被Ec限制在范围d内，其能量被量化了c）两维QW器件的状态密度，状体密度在每个量子能级上是恒定的光电子芯片—基础、应用及制造85图3.1.5量子阱半导体激光器（LD）示意图a）单量子阱LD的状态密度b）多量子阱LD状态密度c）多量子阱LD的结构d）多量子阱LD的能级图光电子芯片—基础、应用及制造86图3.1.6各种半导体LD的结构形状以及允许占据的状态密度和能量的关系曲线比较a）双异质结LDb）多量子阱LDc）量子线LDd）量子点LD光电子芯片—基础、应用及制造873.1.4硅基异质集成量子点激光器图3.1.7Si基异质集成量子点分布反馈激光器（QD-DFB）光电子芯片—基础、应用及制造883.1.5分布反馈（DFB）激光器图3.1.9光栅在有源区上方的DFB激光器结构

a）激光器结构b）理想输出频谱c）典型的输出频谱光电子芯片—基础、应用及制造89DFB激光器工作原理，离不开光的衍射现象。除小孔衍射、裂缝衍射外，事实上，任何物体折射率的周期性变化，都可以作为衍射光栅。光的反馈就像DFB名称所暗示的那样，不仅在界面上，而且分布在整个腔体长度上。这是通过在腔体内构成折射率周期性变化的衍射光栅实现；图3.1.10DFB激光器结构a）光栅在有源区右侧b）光栅在有源区上方，反射光A和B的路径差为2Λ时才发生相长干涉光电子芯片—基础、应用及制造90只有当部分反射波A和B的路程差为2Λ时，它们才发生相长干涉，即只有当布拉格波长满足同相干涉条件

（3.1.3）时，相长干涉才会发生。图3.1.11单纵模DFB半导体激光器增益和损耗曲线a）DFB半导体激光器增益和损耗曲线

b）高功率输出DFB激光器芯片光电子芯片—基础、应用及制造91图3.1.12平面波导集成电吸收调制激光器（EML）a）平面波导集成电吸引调制激光器（EML）结构

b）DWDM10Gbit/sEML收发器光电子芯片—基础、应用及制造92图3.1.13多腔分布布拉格（DBR）激光器芯片光电子芯片—基础、应用及制造93它包括有源腔（SOA）、相位控制腔和布拉格光栅腔，每腔独立地注入电流偏置。注入布拉格腔的电流改变感应载流子的折射率n，从而改变布拉格波长。注入相位控制腔的电流也改变了该腔的感应载流子折射率，从而改变了DBR的反馈相位，实现了波长锁定。通过控制注入三腔的电流，激光器的波长可在5~7nm范围内连续可调。因为该激光器的波长由内部布拉格区的衍射光栅决定，所以它工作稳定。图3.1.14PIC波长可调激光器和调制器它由光放大器（SOA）、MQW有源区和位于有源区前后两端的两节布拉格光栅组成，有源区提供增益，前后布拉格光栅用做反射镜，相位控制腔提供波长锁定。通过调节注入前面提到的这4腔的电流来改变波长。光放大器（SOA）（3.1.8节）用于对DBR激光器输出光放大，MZ调制器（见3.2节）对光放大器的输出光进行调制。光电子芯片—基础、应用及制造943.1.6半导体光放大器（SOA）

半导体光放大器（SOA）通过受激发射，使入射光信号放大，其机理与激光器的相同。光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益，如图3.1.15所示。2024年，《NaturePhotonics》期刊发表了一篇瓦特级高功率硅光放大器的文章，报道了高功率硅光放大器芯片，该芯片在极小的4.4mm2面积内输出超过1W、净增益高达16.5dB的光功率。光电子芯片—基础、应用及制造953.1.7平面波导光栅波长可调激光器

图3.1.16阵列SOA平面波导光栅腔体波长可调激光器a）阵列SOA集成光栅腔体LD原理图b）一个SOA的典型发射光谱c）波长和有源条位置的关系

光电子芯片—基础、应用及制造96图3.1.17调谐光栅腔（TGC）PIC波长可调激光器芯片a）调谐光栅腔PIC波长可调激光器结构示意图

b）实测的输出功率和波长的关系该器件单片集成了6个半导体光放大器（SOA）、一个相位控制段（PCS）、一个色散控制元件（DE）和一个刻蚀出的衍射光栅。光电子芯片—基础、应用及制造97

3.1.8垂直腔表面发射激光器（VCSEL）如果组成电介质镜的高低介质层折射率满足,该电介质镜就对波长产生很强的选择性。从界面上反射的部分透射光相长干涉，使反射光增强，经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到1。因为这样的介质镜就像一个折射率周期变化的光栅，所以该电介质镜本质上是一个分布布拉格反射器。光电子芯片—基础、应用及制造98腔体两端的反射器是由多层电介质镜组成，即由厚度为

的高低折射率层交错组成。3.1.9硅基微环外腔波长可调半导体激光器

1.硅基微环外腔波长可调半导体激光器构成图3.1.19硅基微环波长可调外腔半导体激光器a）Si基上集成了2个反馈光的微环外腔激光器 b）硅光波导上集成了3个可调节波长的微环微环谐振器（MRR）用于调谐激光器的波长选择元件，这类激光器利用了其高的Q值，从而可以在非常窄的波长范围内选择性地放大光信号。调谐过程通过晶体的电光效应、热光效应，改变微环谐振器波导的有效折射率实现。光电子芯片—基础、应用及制造993.硅基微环波长

可调外腔半导体

激光器的工作原理在图3.1.19a中，氮氧化硅波导左右2个端面构成法布里-玻罗（F-P）光学谐振腔的2个反射面，从而构成了LD激光器的谐振腔，1路光和2路光的相位差是2的整数倍，即k(2L)=2m[见式（2.2.1）]时，则1路光和2路光发生相长干涉，其结果是在腔内产生了一列稳定不变的电磁波。当满足半导体LD工作的必要条件后，则就有光穿过氮氧化硅波导的左侧，进入SOA被放大输出。该输出光的波长是受1个环上的加热器控制的，即是可调谐的。光电子芯片—基础、应用及制造1002.热电效应——外部热源引起波导折射率n变化各向异性晶体材料折射率改变不但可以由外加电场引起（电光效应），而且也可以由外部热源引起。硅介质波导内的相位变化由热源引起的效应就是热电效应。在通电加热Cr薄膜时，引起它下面波导的折射率和相位变化[见式（1.2.7）]，其值分别为

（3.1.7）

为折射率受热变化系数，T为温度变化，L为薄膜加热器长度，如果温度变化是正弦函数，则折射率变化和相位变化也是正弦函数。光电子芯片—基础、应用及制造1013.2马赫-曾德尔干涉（MZI）光调制器

3.2.1电光效应

电光效应是外加电场引起各向异性晶体材料折射率n改变的效应。图3.2.1横向线性电光效应相位调制器光电子芯片—基础、应用及制造102（3.2.3）马赫-

曾德尔干涉器（MZI）MZI已被广泛应用于光滤波器、光调制器、反潜声纳、矩阵乘法运算、人工智能（AI）、神经网络、量子通信等的核心部件中。1994年，科学家发现利用马赫-曾德尔干涉器（MZI）可以执行矩阵乘法的重要数学运算。在数学上，每个MZI执行2×2个矩阵矢量乘积，MZI整个网格将使用N×N矩阵乘以N个元素的矢量。在光神经网络中，光学矩阵乘法通过MZI构成的内部移相器配置。一般的矩阵运算可用于经典计算、量子计算、数据路由、安全保障等方面。因此，光神经网络的训练权重矩阵可以通过集成光学元件一对一地物理实现。103光电子芯片—基础、应用及制造3.2.2电光相位调制器

1.铌酸锂（LiNbO3）晶体调制器

目前，大多数调制器是由铌酸锂（LiNbO3）晶体制成的，这种晶体在某些方向具有非常大的电光系数。图3.2.2x切割晶体集成相位调制器a）结构原理图b）结构截面图光电子芯片—基础、应用及制造104

正交技术产生的通用发送机中，载波信号发生器使用一个激光器，相乘器采用马赫-曾德尔调制器（MZM），分别接收

I信道信号和

Q信道信号的调制，从而实现IQ光调制，如图3.2.3所示。

在IQ光调制器内，IQ光信号经过2x1光耦合器，相当于通用发射机中的相加器，合成一路输出光信号。图3.2.3用马赫-曾德尔调制器（MZM）构成的通用正交调制光发送机光电子芯片—基础、应用及制造1053.2.3马赫-曾德尔干涉（MZI）光调制器图3.2.4马赫-曾德尔幅度调制器a）调制电压施加在两臂上b）调制电压施加在单臂上与硅和III-V族元素调制器相比，薄膜铌酸锂调制器具有设计自由度优势，能够同时实现低半波电压、大电光带宽，而不影响光损耗，并具有在宽波长范围内应用的潜力。光电子芯片—基础、应用及制造1063.2.4归零码差分正交相移键控

（RZ-DQPSK）MZI调制器图3.2.5RZ-DQPSK传输系统光收发机及芯片光电子芯片—基础、应用及制造107图3.2.5RZ-DQPSK传输系统光收发机及芯片设计图及器件模块光电子芯片—基础、应用及制造1083.2.5薄膜铌酸锂调制器薄膜铌酸锂是由铌酸锂（LiNbO₃）材料通过薄膜技术加工形成的微型化光电材料，具有优异的电光效应、非线性光学效应和声光效应。相比传统的铌酸锂晶体，薄膜铌酸锂具有更小尺寸、更低成本和更高的集成度，并且可以在更广泛的温度和电场条件下稳定工作。以上这些特点可以使薄膜铌酸锂在5G通信、量子计算、光纤通信和传感器等领域中具有更加广阔的应用前景。薄膜铌酸锂调制器可应用于800Gbit/s和1.6Tbit/s高速光模块中。国际上已推出200GBaud商用的薄膜铌酸锂产品，国内也取得显著成效，多家公司已经开发出800Gbit/s光模块。光电子芯片—基础、应用及制造1093.3电吸收波导调制器（EAM）

3.3.1电吸收波导调制器（EAM）工作原理

电吸收波导调制器（EAM）是一种P-I-N半导体器件，其I层由多量子阱（MQW）波导构成。I层对光的吸收损耗（即归一化透光强度）与外加调制电压（即反向偏置电压）有关。图3.3.1电吸收波导调制器的结构图

图3.3.2电吸收调制器透光率和反向偏压的关系光电子芯片—基础、应用及制造110

当调制电压使P-I-N反向偏置时，入射光完全被I层吸收，换句话说，因势垒的存在，入射光不能通过I层，相当于输出“0”码；反之，当偏置电压为零时，势垒消失，入射光不被I层吸收而通过它，相当于输出“1”码，从而实现对入射光的调制，如图3.3.3所示。

利用电吸收调制器的工作原理，可用制作成光可变衰减器（见3.1.5节）。在8.5.5节介绍的光电子人工智能（AI）芯片中，光学神经网络（ONN）中的光学矩阵乘法用光衰减器实现对角矩阵函数，其光衰减器就可由电吸收波导调制器完成。图3.3.3电吸收波导调制器的工作原理

图3.3.4电吸收调制器吸收系数和波长的关系光电子芯片—基础、应用及制造1113.3.2硅基III-V族波导电吸收调制器芯片

硅基III-V族波导电吸收调制激光器(EML)体积小、成本低，具有出色的带宽和输出功率，适用于高速数据中心应用。图3.3.5Broad-com公司制作的1.3µm波段电吸收调制激光器（EML）结构光电子芯片—基础、应用及制造112图3.3.6DFB-EAM-SOA光发射（TOSA）芯片a)芯片原理结构 b）发射机光芯片（TOSA）外形图

c）DFB输出功率和偏置电压与DFB偏置电流的关系

d）当SOA工作时，光芯片频谱图光电子芯片—基础、应用及制造113图3.3.7测试电吸收调制激光器（EML）芯片的系统图为了补偿光纤损耗，每40km光纤插入一个SOA。诺基亚实验室在Si衬底上集成了III-V族材料电吸收调制器（EML）和半导体光放大器（SOA），提供高达16mW的片上功率，22GHz带宽，以32Gbit/sNRZ-OOK信号传输了5km。光电子芯片—基础、应用及制造114115第4章光探测器及高速光接收机芯片4.1光探测概述

4.2光感知探测器

——光电效应把光信号转变为电信号4.3光接收机芯片

光电效应是半导体晶体材料吸收入射光子的能量后，产生电子的效应，这种现象最早是由德国物理学家赫兹在1887年研究电磁波的性质时偶然发现的，但当时人们用经典电磁理论无法对实验中得到的结果做出合理的解释。直到1905年，爱因斯坦用光量子的概念，从理论上才成功地解释了光电效应现象，为此爱因斯坦1912年获得了诺贝尔物理学奖。光电效应的主要应用是光感知探测器、光伏电池和电荷耦合器件（CCD）等。光感知探测器是吸收入射光子能量后把光信号转变为电信号，产生光生电流；光伏电池是将太阳能转换为电能；而CCD则是将图像光信号产生的电荷收集、存储和转移出去（见7.2.1节）。

光电子芯片—基础、应用及制造116图4.1.1光的受激发射和吸收a）激光器——光的受激发射b）光感知探测器——光的受激吸收4.1光探测概述4.1.1光探测原理——光的受激吸收如果把光子能量大于hv

的光波照射到占据低能带的电子上，则电子吸收该能量后被激励跃迁到较高的能带上。在半导体结上外加电场后，就可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流，如图4.1.1b所示，这就是光感知探测器件。光电子芯片—基础、应用及制造1174.1.2响应度和量子效率4.2光感知探测器

——光电效应把光信号转变为电信号

4.2.1PN结光感知二极管图4.2.1PN结光感知二极管a）PN结光感知二极管结构 b）光照反偏光感知二极管

c）利用电流-电压变换器直接将光生电流转换成电压

光电子芯片—基础、应用及制造1184.2.2PIN光感知二极管

——扩大增益带宽、提高量子效率图4.2.2PIN光感知二极管a）SiPIN光感知二极管 b）等效电路c）GePIN光感知二极管光电子芯片—基础、应用及制造119图4.2.3各种光感知探测器的波长响应曲线a）PIN光感知探测器b）APD光感知探测器光电子芯片—基础、应用及制造1204.2.3雪崩光感知二极管——倍增光生电流图4.2.4雪崩光感知二极管的结构和电场分布a）APD的结构b）PIN各区电场分布，在耗尽区产生不变的电场

c）APD各区电场分布，雪崩发生在P区，吸收发生在

л

区光电子芯片—基础、应用及制造121图4.2.5APD雪崩倍增原理图a）离子碰撞过程释放电子-空穴对，导致雪崩

b）具有能量的导带电子与晶格碰撞，转移该电子动能到一个原子价的电子上，并激发它到导带上光电子芯片—基础、应用及制造1224.2.4单行载流子光感知探测器

——只有电子充当载流子可减小渡越时间

只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移率远高于空穴，因而其载流子渡越时间比PIN的小。图4.2.6单行（电子）载流子光感知探测器（UTC-PD）a）PIN能带结构图b）UTC-PD能带结构图光电子芯片—基础、应用及制造123图4.2.7分支波导PIN和增加光耦合面积的斜边入射平板折射波导UTC光感知探测器

a）分支波导PINb）RF-UTC芯片结构图c）模块组件从结构图中可以看出，器件的另外一个显著特征是光在斜面上折射后斜入射到光吸收区，增大了光吸收长度和光吸收面积，提高了内量子效率，同时分散光吸收可以增大探测器的饱和光电流。光电子芯片—基础、应用及制造1244.2.5波导光感知探测器芯片

——内量子效率高、响应速度快图4.2.8面入射光感知探测器（PIN-PD）和边耦合光感知探测器（WG-PD）a）面入射PIN-PD光感知探测器b）边耦合波导光感知探测器（WG-PD）光电子芯片—基础、应用及制造125图4.2.9增加光耦合面积的分支波导探测器a）单模波导光经过光匹配层进入吸收层

b）串行光反馈波导探测器c）并行光反馈波导探测器

波导光感知探测器正好解除了PIN探测器的内量子效率和响应速度之间的制约关系，极大地改善了其性能，在一定程度上满足了光纤通信对高性能探测器的要求。光电子芯片—基础、应用及制造126图4.2.104个PIN构成光并行馈送行波阵列光感知探测器（TW-PD）光电子芯片—基础、应用及制造127图4.2.11光并行馈送行波阵列光感知探测器（TW-PD）结构图a）TW-PD芯片的微观结构b）TW-PD显微图（由4个PIN并联构成）c）多模干涉分光器（MMI）d）MMI分出4路光，从上到下依次进入相应PIN有源区光电子芯片—基础、应用及制造1284.2.6肖特基结光感知探测器

——金属-半导体-金属（MSM）结构图4.2.12肖特基结光感知探测器——MSM结构a）A和B两个金属电极沉淀在半导体表面，施加足够大的电压

b）指状电极光电子芯片—基础、应用及制造1294.2.7紫外光感知探测器图4.2.13PIN紫外光感知二极管a）探测元的典型结构b）光谱响应曲线光电子芯片—基础、应用及制造1304.2.8光感知晶体管

——具有光生电流增益的光感知探测器图4.2.14光感知晶体管a）光感知晶体管由两个PN结构成b）扩大输出电流电路

c）提高输出电压电路光电子芯片—基础、应用及制造1314.2.9硅基锗波导光感知探测器波导耦合型光感知探测器可以有效缓解响应度与带宽的矛盾，优化探测器的性能，提高其集成度，满足硅基光电子芯片发展的需求。波导耦合型光感知探测器发展迅速，已经逐渐成为硅基光感知探测器的研究重点，各种新型结构和新兴技术的应用正在不断拓宽硅基锗光感知探测器的应用前景。目前，关于硅基锗波导光感知探测器的研究内容主要是优化设计、改进工艺，以便提高响应度、降低暗电流和扩大带宽。光电子芯片—基础、应用及制造1321.面入射硅基锗波导光探测器图4.2.15硅基锗PIN光感知探测器a）硅基锗垂直结构（面入射）PIN光感知探测器

b）边耦合锗探测器阵列光电子芯片—基础、应用及制造1332.提高响应度的措施——消逝波耦合、边耦合图4.2.16优化耦合波导硅基锗光感知探测器a）消逝波耦合锗探测器 b）电极开孔减小损耗边耦合锗探测光电子芯片—基础、应用及制造1343.扩大带宽的的措施

——增强欧姆接触、引入电感扩大带宽图4.2.17改进设计提高硅基锗光感知探测器性能a）边耦合锗晶体顶端大量掺杂实现欧姆接触b）面入射锗光感知探测器引入电感扩大带宽

光电子芯片—基础、应用及制造1354.边耦合硅基锗光感知探测器

——提高响应度、扩大带宽

图4.2.18几种边耦合（横向光注入）硅基锗波导光感知探测器光电子芯片—基础、应用及制造1365.提高饱和功率的的措施

——单行载流子结构、并行光反馈波导、MMI分光传统的对接耦合波导探测器在高功率光输入时内部光场分布不均匀，增大了空间电荷效应和热效应，导致探测器的性能下降。针对该问题，已经提出了几种解决方案，包括利用单行载流子探测器结构、行波探测器结构及使用特定的光学结构增强锗区域的吸收。单行载流子探测器只有一种光生载流子（电子）用于形成漂移电流，可以降低载流子的峰值强度，抑制耗尽区的空间电荷效应，进而提高光感知探测器的带宽和饱和光电流。光电子芯片—基础、应用及制造1376.光栅导模共振硅基锗光感知探测器

——提高锗层光吸收图4.2.19光栅导模共振硅基锗光电探测器光电子芯片—基础、应用及制造1384.3光接收机芯片

4.3.1电子载流子（UTC）光接收机43Gbit/sDQPSK系统用的2信道平衡接收模块。1550nm波长的直流响应度是1A/W，非常高，这是因为光子吸收层很厚，约为1.2mm。光电子芯片—基础、应用及制造139图4.3.12信道双PD芯片（4PD阵列）平衡接收模块4.3.2AWG多信道光接收机芯片图4.3.3使用AWG波长解复用器和阵列PIN光感知探测器的PIC接收机a）原理结构图 b）波导PIN/HBT接收机c）解复用接收机频谱图光电子芯片—基础、应用及制造140图4.3.4平面波导集成电路（PIC）多信道光接收机芯片a）集成了AWG和PIN阵列的PLC多信道光接收机

b）PIC多信道光接收机模块c）AWG和PIN阵列显微图光电子芯片—基础、应用及制造1414.3.3107Gbit/sWG-PIN行波放大

PLC光接收机芯片图4.3.5107Gbit/s波导PIN/PIN行波放大器（TWA）光电集成芯片和模块a）PINWG-PD芯片b）PINWG-PD模块

c）PINTWA芯片d）PINTWA模块光电子芯片—基础、应用及制造142图4.3.6107Gbit/s用1/2解复用器a）1/2解复用器芯片b）1/2解复用器模块光电子芯片—基础、应用及制造143图4.3.7解复用光接收机BER和OSNR的关系

图4.3.8RZ-OOK解复用光接收模块用于107Gbit/s系统光电子芯片—基础、应用及制造1444.3.4单片集成相干接收芯片图4.3.9单片集成相干接收芯片原理图a）90o光混频I/Q输出InP单片集成相干接收芯片

b）具有单模光纤匹配模场转换器的集成平衡I信号探测器光电子芯片—基础、应用及制造1454.3.5硅基异质集成高速光接收机

前置放大器芯片随着光纤通信系统传输速率的