(完整版)光子集成
光子集成技术和产品
关于One Chip产品目前，主要的BOSA封装技术如上图所示：第一种方式是采用分立器件，包括有源光器件如激光器芯片、光探测器芯片等，无源光器件如透镜，滤波片，隔离器等，再加机械结构部件，部件多达20来个。
第二种方式采用平面光波导技术（PLC）,无源器件部分集成到一片基于Si02-Si工艺的PLC器件中，有源器件部门任然采用分立器件，总的部件数为10个左右。
第三种方式采用光子集成电路（PIC）技术，把所有有源器件和无源器件都集成到一块芯片当中。
如上图所示，OneChip公司采用基于单片的磷化铟(InP)光子集成电路，把BOSA中的有源和无源器件集成到一块单片上。
该单片上主要包括如下器件：1，Spot-Size Converter(SSC):光斑转换器件，发射和接收的激光信号经过此器件和外部的光纤对接，作用类似于分立器件中的准直透镜。
2，2-λSplitter:用于1310nm和1490nm波长的复用和解复用，作用类似于分立器件中的45度滤波片。
3，DFB laser: 1310nm的DFB激光器，无论对于EPON还是GPON应用，OneChip都采用DFB 激光器，可能是为了兼容设计。
4，MPD:背光探测器，用于1310nm激光的背光探测。
5，PD:光探测器，用于1490nm的光接收。
6，SOA:半导体光放大器，OneChip采用SOA+PD的组合来实现APD的功能。
单芯片的设计消除了对收发器内部各个元件的校准需求，意味着收发器可以无须人工干涉就可以一条龙地制造、装配和测试。
唯一剩下的光学装配工作是将芯片与光纤对准，因此该芯片在设计之初就考虑将芯片直接贴到硅工艺的光学基座上，光纤通过光学基座上的卡槽直接可以和芯片出光口对准。
而这些靠机器人就可以完成，生产几乎是全部自动化。
基于PIC技术的模块制作过程如上图所示，主要分为BOSA和Transceiver两个制作过程。
BOSA制作：上述PIC芯片贴到光学基座之后，初步完成了光学对准，但对于BOSA来说还缺少前置放大器(TIA)。
片上光子集成电路技术及其应用前景
片上光子集成电路技术及其应用前景片上光子集成电路技术及其应用前景引言：随着信息技术的迅速发展，人们对于数据传输速度的要求也越来越高。
传统的铜线传输方式存在着带宽有限、传输距离短、功耗大等问题。
而光子集成电路（Photonic Integrated Circuit，PIC）作为一种新型的高速传输技术，可以满足高速、长距离、低功耗的要求，因而备受关注。
本文将对光子集成电路技术进行详细介绍，并展望其应用前景。
一、光子集成电路技术概述光子集成电路技术是利用光波导、光耦合器、光调制器、光放大器等元件相互组合在一起的技术，用于实现光信号的传输、调制、放大等功能。
光子集成电路的核心部件是光波导，它可以将光信号引导在芯片内部传输，并与其他组件进行耦合。
光调制器则可以实现对光信号的调制，将其转换为数字信号，以便进行处理和传输。
二、光子集成电路技术的优势1. 高速传输：使用光信号进行传输可以实现Gbps甚至Tbps级别的数据传输速率，远远超过了传统的铜线传输方式。
2. 长距离传输：光信号的传输损耗较低，可以在几十公里乃至几百公里的范围内传输，适用于光纤通信等远距离传输场景。
3. 低功耗：由于光信号在光波导中传输时的损耗较低，光子集成电路的功耗也相对较低，可以减少能源消耗。
4. 多功能集成：光子集成电路可以将多个光学器件集成在一个芯片上，实现多种功能，如光调制、分波器、复用器等，提高集成度和系统性能。
三、光子集成电路技术的应用前景1. 光通信领域：光子集成电路技术在光纤通信领域有着广泛的应用前景。
目前，主要的光纤通信设备中已经广泛采用了光子集成电路技术，例如光纤收发器、光交换机等。
光子集成电路的应用可以实现更高的传输速率和更远的传输距离，同时减少系统的功耗和体积。
2. 数据中心领域：随着云计算、大数据等技术的快速发展，数据中心对于高速、大容量的数据传输需求也越来越大。
光子集成电路技术可以实现数据中心内部的高速互联，提供更快的数据传输速率和更低的能耗，为云计算等应用提供支持。
PLC及光子集成技术简介
光网络系统是互联网的循环系统，它把从电脑、 光网络系统是互联网的循环系统，它把从电脑、电话 或其它网络装置接收到的电子信号转换成光，然后将这些 或其它网络装置接收到的电子信号转换成光， 光束通过光纤电缆传送到一个城市、 光束通过光纤电缆传送到一个城市、国家甚至是世界的另 一端。 一端。然而光网络系统的发展步伐远比不上诸如个人电脑 或者是移动电话等其它科技产品。 或者是移动电话等其它科技产品。一些处于传统光网络系 统核心的光设备，如激光器、调制器和光电二极管，仍然 统核心的光设备，如激光器、调制器和光电二极管， 是以独立装置的形式来生产、封装和部署的。 是以独立装置的形式来生产、封装和部署的。这使得传统 光系统体积庞大、结构复杂并且费用昂贵。 的光系统体积庞大、结构复杂并且费用昂贵。由于这些光 设备都需要与光纤连接，这令可靠性降低 可靠性降低。 设备都需要与光纤连接，这令可靠性降低。互联网基础设 施成本居高不下的原因之一， 施成本居高不下的原因之一，就是这些光学元件的性能相 对来说比较原始。 对来说比较原始。
平面光波导制作工艺和传统的半导体制作工艺兼容。 平面光波导制作工艺和传统的半导体制作工艺兼容。 PLC技术制作的光模块比传统光学组装工艺更加便宜， 技术制作的光模块比传统光学组装工艺更加便宜， 技术制作的光模块比传统光学组装工艺更加便宜 封装技术也比传统技术更好 平面光波导（PLC）技术帮助光学装配技术朝着迈入 平面光波导（ ） 印制电路板时代”迈出了第一步。 “印制电路板时代”迈出了第一步。
这种芯片（约2cm 宽）采用的是铟磷 化合物半导体
芯片上集成了240个 光学器件
平面光波导的两种基本结构
(a) 矩形光波导
(b) 脊形光波导
光子集成芯片技术进展
光子集成芯片技术进展光子集成芯片技术是一种将光学器件与电子器件相结合的新型集成电路技术。
它利用光子器件的高速传输和低能耗特性，将光信号转换为电信号或者电信号转换为光信号，从而实现高速、高容量、低功耗的数据传输和处理。
光子集成芯片技术在通信、计算、传感和生物医学等领域都具有广阔的应用前景。
本文将对光子集成芯片技术的进展进行介绍。
一、光子器件的发展光子器件是光子集成芯片技术的基础，在过去的几十年中，光子器件取得了显著的进展。
最典型的光子器件是激光器、光调制器、光探测器和光放大器。
激光器是光子集成芯片技术中的光源，用于产生高纯度的光信号；光调制器可以调制光信号的强度，实现光信号的调制和解调；光探测器可以将光信号转换为电信号；光放大器可以增强光信号的强度。
随着纳米技术和微纳加工技术的发展，光子器件变得更小巧、功耗更低、性能更稳定。
传统的光子器件是基于半导体材料，而新型的光子器件则采用了非线性光子晶体、硅基材料和量子点等材料，从而实现了更高的性能和更广泛的波长范围。
此外，光子器件的制备工艺也得到了极大的改进，如采用激光刻蚀技术、电子束曝光技术和电子束光刻技术等，提高了器件的制作精度和可靠性。
二、光子集成芯片的设计和制造光子集成芯片是将多个光子器件集成到一个芯片上，实现多功能的数据处理和通信。
光子集成芯片的设计和制造是光子集成芯片技术的关键。
目前，有两种主要的光子集成芯片架构，即片上光子集成技术和波导光子集成技术。
片上光子集成技术采用了标准的CMOS工艺，将光子器件和电子器件集成到同一块芯片上。
这种技术可以利用现有的CMOS工艺，降低制造成本，并且便于与电子器件进行集成。
目前，片上光子集成技术已经实现了多种光子器件的集成，如激光器、光调制器、光探测器和光放大器等。
这些器件在同一块芯片上可以实现复杂的光信号处理和通信功能。
波导光子集成技术是另一种常见的光子集成芯片技术，它采用波导结构来实现光信号的传输和处理。
光子集成芯片介绍
光子集成芯片介绍在美国硅谷实验室中，Infinera研发的创始人DavidWelch，手持着一个2厘米宽的金色的长方体，这就是用磷化铟等材料制成的半导体光子集成芯片。
在这个外表看似简单的芯片中，集成了大量的复杂的光电器件，使得光通信从此进入了一个更低成本更高容量的新时代。
光子集成技术是光纤通信最前沿、最有前途的领域。
自1990年以来，密集波分复用系统(DWDM)的大规模应用，使得光通信有了飞速发展。
DWDM系统中，多达80个不同波长的激光器调制的数据信号在光纤的一端复用，而后在一根细如发丝的光纤中传送。
在光纤的另一端，光信号被解复用为不同波长，不同波长的数据信号通过光电转换最终进入到计算机。
在信息传输的过程中，激光器进行发光，光复用器对信号进行复用/解复用，调制器对信号进行编码调制，检测器进行光电检测等等。
在传统DWDM系统中，这些器件都分离在不同的板卡中，整个系统庞大而又昂贵。
“没有人想过要将DWDM系统做在一个芯片上，也没有人试着这么做过”，Infinera将不可能的事情变成可能。
2004年，大规模光子集成芯片——一对集成了50个光子器件的芯片呈现在人们的面前。
此前，一些光芯片厂商只是做了一些少量器件的集成，现在，光子集成技术还成功地作出了400G和1.6T的芯片，实现了多达240个光器件的集成。
当人们还在固守着“全光通信”的思路的时候，网络已在悄然改变。
节点设备需要光电变换，通过“O-E-O”才能将信号进行整形和放大，从而传给计算机。
光子集成技术顺应了时代发展，光子集成比传统的分立“O-E-O”处理降低了成本和复杂性，带来的好处是，以更低的成本构建一个具有更多节点的全新的网络结构，更多的节点意味着更灵活的接入，更有效的维护和故障处理。
光子集成芯片制造并不是一件容易的事情。
光子器件具有三维结构，比二维结构的半导体集成要复杂得多。
将激光器、检测器、调制器和其他器件都集成到芯片中，这些集成需要在不同材料多个薄膜介质层上重复地沉积和蚀刻，这些材料包括砷化铟镓、磷化铟等。
《光电子集成》课件
利用雪崩二极管的倍增效应，将微弱 的光信号转换为较强的电信号，具有 较高的信噪比和检测限。
03
光电子集成应用
通信领域应用
高速光通信
光电子集成技术应用于光纤通信 系统，实现高速、大容量的数据 传输，满足互联网、云计算和大
数据等领域的通信需求。
信号处理
光电子集成器件在信号调制、解调 和转换等方面发挥重要作用，提升 通信系统的性能和稳定性。
06
光电子集成案例分析
案例一：硅基光电子集成芯片
总结词
硅基光电子集成芯片是当前光电子集成领域的重要研究方向，具有低成本、高集成度、易于规模化的优势。
详细描述
硅基光电子集成芯片采用CMOS工艺制备，将光子器件集成在硅基材料上，可以实现高速、低损耗的光信号传输 和处理。其应用范围广泛，包括光通信、光计算、生物医疗等领域。
光电子集成
• 光电子集成简介 • 光电子集成技术 • 光电子集成应用 • 光电子集成发展趋势与挑战 • 光电子集成前沿研究 • 光电子集成案例分析
01
光电子集成简介
定义与特点
定义
光电子集成（Optoelectronic Integration）是指将光电子器件和 电路集成在单一芯片上，实现光信号 的产生、传输、接收和处理等功能。
THANKS
感谢观看
光网络
光电子集成技术应用于构建光网络 ，实现网络的灵活组网、高速互联 和低延迟传输。
医疗领域应用
光学成像
光电子集成器件在医疗成像领域发挥关键作用，如光学显微镜、 内窥镜和光谱仪等，提高医疗诊断的准确性和效率。
激光治疗
光电子集成技术应用于激光治疗设备，如激光手术刀和激光美容仪 ，具有创伤小、恢复快等优点。
光电子集成（OEIC）
光电⼦集成（OEIC）光⼦集成（PIC）－－浅谈什么是OEIC和PIC？早在70年代初，以A.Yariv和K.Hayashi为代表的⼀批科学家就提出⼀个诱⼈的发展⽅向——光电⼦集成（OEIC）。
他们受到微电⼦集成辉煌成就的⿎舞，企望把光电⼦与微电⼦器件集成在⼀⽚基⽚上，从⽽获得在信息⼯程系统上的深远应⽤。
⼗年后，OEIC取得不少突破，其中显赫成就为：1. ⽆腔⾯分布反馈半导体激光器（DFB）2. 分⼦束外延技术（MBE）3. 量⼦阱和超晶格材料（QW，SL）4. 垂直腔半导体激光器（VCSEL）经过多年的努⼒，OEIC取得不少奠基性的成果，但近年来发展速度放慢，原因在于光器件和电器件在⼯艺上的差异性难以解决。
在OEIC的基础上，AT&T的科学家从提⾼通信速率和质量的⾓度出发致⼒于研究另⼀种相似的器件，光⼦集成（PIC）。
即将若⼲光器件集成在⼀⽚基⽚上，器件之间以半导体光波导连接，如集成外腔单稳频激光器，光⼦开关阵列，光外差接收机和光发射机等。
对于着眼于超⾼速光电⼦计算机的科学家⽽⾔，他们不仅考虑光电⼦与微电⼦器件的集成问题，还致⼒于集成度和集成规模的问题。
OEIC和PIC的成就经过多年研究OEIC和PIC已实现下列单元器件的应⽤系统的研究。
a. OEIC光发射机单元包含光源，调制器和驱动电路。
最简单者为激光器与FET的相容集成。
b. OEIC接收机单元包含光探测器，电放⼤器和驱动电路。
最简单者为PIN与低噪声FET的集成。
此外，还有激光器和探测器⾯阵。
c. LD+PD单元（PIC器件）⼜⼀个激光器（LD）和⼀个探测器（PD）构成，可实现对激光器的稳频，稳功率要求。
d. LD+MD单元（PIC器件）超⾼速通信要求激光器必须采⽤外调制⽅式，该单元即是将激光器和外调制器（MD）集成。
e. LD+OA单元（PIC器件）激光器和半导体光放⼤器的集成主要是为了满⾜⼤功率⾼线性度模拟光信息传输的需要（特别是CATV）。
光通信领域中的光子集成电路
光通信领域中的光子集成电路
光子集成电路是一种将光子学器件集成在单个芯片上的技术。
在光通信领域，光子集成电路可以用于实现光信号的调制、路由、放大和检测等功能。
光子集成电路通常由光波导、光调制器、光放大器、光分路器、光检测器等光子学器件组成。
这些器件可以通过微纳加工技术在芯片上制造出来，从而实现光子集成电路的功能。
光波导是光子集成电路的基本组成部分，用于在芯片内部传输光信号。
光波导可以通过调整其尺寸和形状来控制光信号的传输特性。
光调制器是一种用于调制光信号的器件，可以将电信号转换为光信号。
光调制器通常采用电光效应或强子-子耦合效应来实现光信号的调制。
光放大器是一种用于放大光信号的器件，可以增强光信号的强度。
光放大器通常采用半导体材料或光纤材料来实现光信号的放大。
光分路器是一种用于将光信号分配到不同路径的器件，可以实现光信号的路由和分配。
光分路器通常采用多模干涉或耦合器件来实现光信号的分配。
光检测器是一种用于检测光信号的器件，可以将光信号转换为电信号。
光检测器通常采用光电效应或光-电耦合效应来实现光信号的检
测。
通过将这些光子学器件集成在单个芯片上，光子集成电路可以实现高集成度、小尺寸、低功耗和高性能的光通信系统。
它在光通信、光传感和光计算等领域具有广泛的应用前景。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
25
Si-based OEIC
26
半导体光子技术
— 高科技竞争的焦点
半导体光子技术的研究已形成大学、研究所、公 司完整的研究体系，半导体光电子产品已形成非 常巨大的光产业市场，半导体光子技术应用已经 成为全世界高技术竞争的焦点。 未来的社会是信息社会，半导体光子技术是信息 社会的重要支柱；未来的世界是高科技竞争的世 界，半导体光电子技术是高科技竞争的焦点。 中华民族是一个自强不息的民族，将会抓住时机、 选准方向、有所创新、有所突破，一定能把我国 的半导体光子技术推向国际先进水平，为建设高 信息化的强大中国作出重大贡献，为发展国际的 半导体光子技术作出重大贡献。
13
激光器-合波器-光放大器-调制器单片集成结构示意图
14
多波长InGaAsP分布反馈（DFB）激光器阵列集成芯片
（a）多波长DFB激光器阵列+MMI合波器+光放大器集成芯
片制造工艺示意图
（b）DFB激光器阵列截面照片和结构图
15
28VCSEL阵列
16
可寻址VCSEL面阵列
(a) 面阵列结构示意图 (b) 8×8可寻址VCSEL面阵列照片
18
12.4光激电光子器器同件电的子集器成件、
主要功能 （1）获得足够的驱动电流或放大信号，使发光特性
更好、更强；
（2）同波导器件的集成实现分光、合波等功能，充 分发挥多波长的特性；
（3）同半导体光放大器的集成，对激光信号进行光 放大，获得更高的功率；
（4）同电吸收调制器的集成，实现动态单模。
总之，这些激光器同其它电子器件或光电子元器件 的集成既使器件结构紧凑、体积减小，又获得更 好的光电性能，因而是一举多得、事半功倍。
纵向集成结构、横向集成结构、平面集成结构
纵向集成结构中，不同结构的光电子器件连续生 长在同一半绝缘衬底上，再在器件之间腐蚀出隔 离槽，最后在表面上蒸Al膜形成桥式引线来实现 互联。
横向集成结构中，光电子器件并列生长在半绝缘 衬底上，由于不同器件的层厚等互不相同，因此 需要进行二次甚至三次，四次外延生长，工艺比 较复杂。
17
12.3 光电探测器阵列
光电探测器阵列不但用于光盘读出等应用项目，还 可以探测二维图像甚至三维立体图像。以一维线 阵列加上机械扫描，就能实现二维图像的探测。
利用不同波长响应的探测器，依一定间隔集成在线 阵列上，进而利用波长响应的特点可以探测不同 层次的信息，实现三维图像的探测。
进而应用探测器面阵列。作卫星、航天飞机的光测 空间定位，准确测定它们的方位坐标。在计算机 中，也需要光电探测器面阵列，以便实现对应节 点信息的转换和处理。
19
LD-HBT单片集成结构示意图
20
LD-PD-FET电路集成组件结构图
21
示 意 图
构
结
成集的 成集的
与与成
集
片
单
LD-FET
(a)AlGaAs/GaAs LD MESFET (b)InGaAsP/InP LD MISFET
23
24
12.5 光电子集成的发展与未来
OEIC通常有三种基本结构
27
信息化的未来在中国！
28
第十二章
半导体光子集成
Chapter 11
Semiconductor Photonic Integration
1
光子集成
核心是“集成”
✓如何集成地产生光、传输光、探测光、控 制光、应用光。
✓如何在同一芯片上将电能、电信号转换为 光能、光信号，如何用电来控制光，以及 它们的逆过程。
✓这是一个互动的过程，相互依存、相互促 进。
3
光电子集成分类
有源光电子集成 无源光电子集成 有源同无源的光电子器件集成 光电子器件和电子器件的集成
4
OEIC
单片光电子集成
混合光电子集成
有源光电子器件集成
无源光电子器件集成
光电子器件+电子器件集成
激光器 阵列
探测器 阵列
发光管 阵列
光开关 阵列
耦合器 阵列
波导光 栅阵列
激光器+ 电子器件
探测器+ 电子器件
2
12.1 OEIC
• 突出了光，强调了光电，落脚在集成上， 因而赋予了它真实的科学含义。
• 光电子集成回路是一类将半导体光电子器 件和电子器件集成在同一芯片或衬底上的 新型光电子器件，它具有比单个器件更多 的、更齐全的光电或电光转换功能，在体 积上非常浓缩紧凑，性能更加完善高级， 能直接安装进系统使用。集成者，在此是 集器件之大成，集功能之大成，也集应用 之大成。
6
7
光波导耦合器结构图
（a）脊形波导耦合器 （b）光栅耦合器
（c）Y分支分束器图
8
各种耦合的半导体激光器阵列的结构图
(a)衍射耦合阵列 (b) 、(c)“断条”阵列 (d) Y形结阵列 (e) X形结阵列。 9
增 益 导 引 激 光 器 阵 列 的 基 本 结 构
10
折 射 率 导 引 激 光 器 阵 列 的 基 本 结 构
11Biblioteka 近距反波导组成的半导体激光器阵列
（a）截面图，（b）等效折射率侧向分布图，（c）横向光限制因子的侧向分布图1。2
12.2.2 多波长激光器阵列
多波长激光器阵列是许多单个的激光二极管 集成在同一半导体基片上。
它们各自独立，互不干扰，每支激光器发射 出一种波长，并且可以分别驱动与调制。
它们一起构成了多波长激光器阵列，为密集 型波分复用光纤通信系统提供了可靠的光源。
增
折
线
面
N
X
Y
断
益
射
阵
阵
形
形
条
导
率
探
探
引 阵 列
导 引 阵 列
测 器 阵 列
测 器 阵 列
N 光 开 关 阵 列
耦 合
器 阵
列
耦 合
器 阵
列
波 导 阵 列
半导体光电子集成回路分类图
PIN+HBT
LD+FET FET AWG
12.2 半导体激光器阵列
12.2.1 锁相激光器阵列
在同一半导体基片上，同时制备出n个结构 相同的激光二极管，它们彼此之间的间距很 小，以至每个半导体激光二极管单元的光场 相互交叠，产生耦合作用，使其整体的光场 模式锁定，相位相关，频率确定，我们将这 种光电子器件称之为半导体锁相激光器阵列， 简称PLLA（Phase Locking Laser Array）。