光电子器件的发展现状及前景

0引言

电子技术的高速发展，集成电路的集成度越来越高，对器件开关速度的要求也越来越高，电子的速度也基本发挥到极致，人们开始探索速度更快的粒子——光子，光电子器件也运应而生。当今信息系统的显著特征是信息的采集、存取、处理和应用的高速化，宽带化以及大容量化。在这样的信息系统中。关键器件己非光电子器件莫属。

光电子器件的发展趋势可用两个方面概括：一方面是继续通过能带工程使各种新型的人构改性半导体材料如异质结构、量子阱、量子线、量子点和超晶格材料等可望实现并用以研制高性能的器件。另一方面，也更为关键的是要像微电子一样实现集成化。目前，将功能不同的若干光电子器件通过内部光波导互连，优化集成在一个芯片上的光子集成芯片(PIC)正在迅速发展。下一步将是研制光子集成芯片和微电子集成芯片的共融体即光电子集成芯片(OELC)。这将突破分立器件的功能局限，使芯片的功能提高、功耗降低和可靠性极大改善。

1半导体激光器件

1.1 概述

目前，各种新型的光电子器件层出不穷。激光器、发光二极管、光探测器、光双稳器件、光放大器以及各种特性的光纤等光电子器件每天都有增长。其中，半导体激光器是最为活跃，增长最快的一类。半导体激光器(LD)以其体积小、效率高、寿命长等优点在光纤通信、激光音像等系统中得到广泛应用，己成为光电子产业中的重要支柱。前些年LD在输出功率、波长覆盖等方面曾经不如其他激光器。近年来，LD在提高输出功率、波长向可见光迈进以及向远红外扩展等方面有了长足的进展。而在非光纤通信方面激光器的应用也更为突出。一方面，通信类半导体光电子器件已经很成熟，基本能满足各类光纤通信系统的需要；另一方面，光盘存贮、激光二极管泵浦固体激光器、激光医疗等方面的应用刺激了可见光LD、大功率LD及其列阵的进展。更为引人注目的就是基于超晶格量子阱的优异性能而迅速发展起来的量子阱、量子线和量子点大功率激光器。

1.2 几种常见纳米激光器

1.纳米导线激光器

在2001年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在只及人的头发丝千分之一的纳米导线上制造出了世界最小的激光器——纳米导线激光器。这种激光器不仅能发射紫外激光，经过调整后还能发射从蓝光到深紫外的激光。研究人员使用一种称为取向附生的标准技术，用纯氧化锌晶体制造了这种激光器。他们先是制造纳米导线，即在金层上形成直径为20nm~150nm，长度为10000nm的纯氧化锌导线。然后，当研究人员在室温下用另一种激光器将纳米导线中的纯氧化锌晶体激活时，纯氧化锌晶体会发射波长只有17nm的激光。这种纳米激光器最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量。2.紫外纳米激光器

继微型激光器、微碟激光器、微环激光器、量子雪崩激光器问世后，美国加利福尼亚伯克利大学的化学家杨佩东及其同事制成了室温纳米激光器。这种氧化锌纳米激光器在光激励下能发射线宽小于0.3nm、波长为385nm的激光，被认为

是世界上最小的激光器，也是采用纳米技术制造的首批实际器件之一。在开发的初始阶段，研究人员就预言这种ZnO纳米激光器容易制作、亮度高、体积小，性能等同甚至优于GaN蓝光激光器。由于能制作高密度纳米线阵列，所以，ZnO纳米激光器可以进入许多今天的GaAs器件不可能涉及的应用领域。为了生长这种激光器，ZnO纳米线要用催化外延晶体生长的气相输运法合成。这种纳米线阵列可以作为天然的谐振腔，进而成为理想的微型激光光源。研究人员相信，这种短波长纳米激光器可应用在光计算、信息存储和纳米分析仪等领域中。

3.量子线激光器

科学家研制出功率比传统激光器大1000倍的量子线激光器，从而向创造速度更快的计算机和通信设备迈进了一大步。这种激光器可以提高音频、视频、因特网及其他采用光纤网络的通信方式的速度，它是由来自耶鲁大学、位于新泽西洲的朗讯科技公司贝尔实验室及德国德累斯顿马克斯·普朗克物理研究所的科学家们共同研制的。这些较高功率的激光器会减少对昂贵的中继器的要求，因为这些中继器在通信线路中每隔80km（50mile）安装一个，再次产生激光脉冲，脉冲在光纤中传播时强度会减弱（中继器）。

4.量子点激光器

由直径小于20nm的一堆物质构成或者相当于60个硅原子排成一串的长度的量子点，可以控制非常小的电子群的运动而不与量子效应冲突。科学家们希望用量子点代替量子线获得更大的收获，但是，研究人员已制成的量子点激光器却不尽人意。原因是多方面的，包括制造一些大小几乎完全相同的电子群有困难。大多数量子装置要在极低的温度条件下工作，甚至微小的热量也会使电子变得难以控制，并且陷入量子效应的困境。但是，通过改变材料使量子点能够更牢地约束电子，日本电子技术实验室的松本和斯坦福大学的詹姆斯和哈里斯等少数几位工程师最近已制成可在室温下工作的单电子晶体管。但很多问题仍有待解决。因此，大多数科学家正在努力研制全新的方法，而不是仿照目前的计算机设计量子装置。

2 激光器及其光电子器件的应用前景

在信息网络化方面，随着电视、图像、计算机数据等业务的增加，对传输容量的需求日新月异地提高。密集波分复用技术已成为发展主流。其发展趋势是通道数为数10个、每个通道数据率为2.5Gb/s10Gb/s或更高。给未来宽带信息系统网的发展带来巨大的冲击，也给众多中、小型企业在巨大的DWDM市场上带来无限商机，这包括有元器件，如符合DWDM系统规定标准波长的高速激光器，宽带及有平坦增益谱的光纤放大器：大量的无源器件如高速调制器、波分复用与解复用器、光波分插复用器：以及为适应高速传输发展的光纤色散补偿其与色散补偿技术，适应高速网络发展的波长变换器、光交叉互连器与光交换技术等，除了DWDM相关的元器件的巨大市场需求外，塑料光纤和塑料封装的激光器及其他低价格的光电子器件和模块也将有日益增长的需求。

在光显示和光存储方面，LED与LD的发展迅猛。蓝光LED的市场售价不断下降。蓝绿色发光器件有十分巨大的应用市场，包括大型全色显示屏，下一代DVD等，以蓝光LED为基础的白光“半导体灯”已成为世界上各大照明灯泡公司全力开发的节能光源，它的应用普及将引起能源领域的一场革命。以GaN为代表的宽禁带半导体技术在显示、存储和大功率、高温、高速电子器件将形成新的经济生长点。在平板显示器领域，除LED屏之外，等离子体显示、场发射显示和被晶显示技术也都在发展，争夺数字高清晰度电视和监视屏的大市场。

在红外探测器方面，室温红外焦平面探测列阵技术将有较大发展，长期以来，由于红外探测器列阵技术难度高、制备困难，使用条件苛刻(需低温制冷)，很难获得民用市场，近年来随着微加工技术的不断进步，敏感元微型化，热分离构造的采用使非制冷红外焦平面器件的灵敏度响应和速度大幅度改善。

在设计与应用软件方面，目前能够预测光电子器件之间复杂的相互作用以及内部详细的物理情况的CAD软件还很少，但光电子器件和光纤通信系统的CAD 软件研究己越来越受到重视。国外一批商品软件已面市，使光电子器件和系统得到模拟，包括半导体激光器、波导、光电二极管、光纤光栅等器件，光放大器、波长转换器、复用器、解复用器等部件以及光纤系统和网络等。

3 结束语

在当前社会，信息产业已成为先导产业，光电子技术已成为信息产业的前沿学科。从以上的论述可以看出，光电子学的研究、开发和应用的发展相当迅速，器件和系统几乎年年更新。理论的研究也在朝着更本质更精细的方向发展，并会为实际应用提供最大的理论基础。光电器件，例如激光器和量子点激光器都是人们研究的热点问题。光电子集成电路也将朝着高速，高灵敏度，高可靠性，小型，多功能，扩大集成规模，提高产量，降低成本等方面发展。光电子产业将成为国民经济中举足轻重的一个重要部分。人们的生活也会更加紧密地与光电子学联系在一起，使我们的生活更加现代化和智能化。