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党建引领

王启明:光纤通信有源器件的发展现状

发布日期:2016-08-03      来源:光电产业网      作者:苏州市光电产业商会      阅读:2309 次

1   引言


自从1966年高锟(Charles K Kao)博士提出石英光纤可以作为光传输介质以后,研制和开发光纤通信用有源半导体光子器件的工作,如雨后春笋大量涌现。其中,用于光纤低损耗窗口传输的激光器,从0.85 μm处的GaAs/AlGaAs短波长多模激光器,发展到了1.3 μm和1.55 μm处的InGaAsP/InP分布反馈(DFB)长波长单模激光器,时至今日,随着有源光子阵列与无源光波导、光合波分波器的单片集成芯片的实现,开创了以光子集成回路(PIC)为核心的光网新时代。


 

在光网中实现对光载波产生、调制、放大和检测功能的器件,主要包括激光器、光调制器、光放大器、光接收器和波长变换器等。DFB激光器和电吸收调制激光器(EML)是当今波分复用(WDM)光纤通信网络系统中不可或缺的关键器件,广泛应用于2.5 Gbit/s、10 Gbit/s、25 Gbit/s和100 Gbit/s(4×25 Gbit/s)的光网系统中。


 

光通信激光源的突破口首先是石英光纤的第1个低损耗窗口即0.85 μm短波长处。20世纪70年代初,采用液相外延技术,在GaAs基同质外延基础上,利用AlGaAs的高异质势垒,有效地阻挡住了GaAs有源区载流子的泄漏,同时又对传输光起到了空间限制的波导功能,研制成功GaAs/AlGaAs异质掩埋结构(BH)激光器,开拓了短距离光通信应用领域。


 

针对石英光纤的第2个低损耗窗口同时也是零色散的1.31 μm激光器以及更低损耗的第3个窗口的1.55 μm波长激光器的强烈需求,美国华裔学者谢肇金采用InGaAsP/InP材料体系和液相外延技术,在20世纪70年代末首先研制出用于光通信的长波长激光器。光纤通信开始从0.85 μm波段向1.31 μm和1.55 μm波段迈进。80年代,分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)等薄层量子阱超晶格生长技术取得了突破,多量子阱(MQW)以及应变MQW结构器件的制作成为现实,至80年代中期,含布拉格光栅的长波长DFB单模MQW激光器研制成功,长途光纤通信干线网开始建设。90年代,2.5 Gbit/s和10 Gbit/s的高速直调DFB激光器(DML)以及集成了外调制器的电吸收调制激光器(EML)都在商业上取得了快速发展,从而在20世纪末21世纪初将光纤通信事业推到了一个前所未有的高度。进入21世纪后,随着人们对信息量的无限追求,波分复用(WDM)、时分复用(TDM)以及纤分复用(FWDM)等Tbit/s甚至10 Tbit/s的超大容量光纤通信系统迅速发展,单纤单信道传输码率已突破了10 Gbit/s的门槛,向着更高速率的20~40 Gbit/s方向迈进。而高稳频宽带可调谐、高功率、无制冷DFB激光器的实现及其多路阵列集成、与无源合波/分波器集成以及与硅基混合集成的发展,对构建以多路复用为基础的实用化的Tbit/s级超大容量光通信系统做出了关键性的重大贡献。下面将简单介绍相关方面的最新发展。


 

2   光通信系统中宽带光载波的DFB激光器


2.1   光纤干线和网络中的高速率光载波激光器


时至今日,通信与网络干线系统中普遍使用的光载波激光器仍然是以InGaAsP/InP应变量子阱材料系为代表。量子阱的采用提高了有源材料的增益系数,降低了器件阈值电流和温度敏感性。而压应变的引入可使轻重空穴价带分离,价带顶重空穴能级上升,轻空穴能级下降,增加了TE模的增益,降低了阈值电流密度,提高了微分增益系数,进而也有利于提高张弛震荡频率和调制速率。之前20 Gbit/s以下系统中光载波对信息的载入是通过对激光器的的注入电流直接调制来实现的。但调制速率受激光器固有的张弛震荡的限制,一般只能达到25 Gbit/s,而传输距离又受激光器啁啾和光纤色散的影响,一般10 Gbit/s信号传输距离只能达到20 km。高速率以及更长距离的传输需要采用外调制技术。InGaAsP/InP量子阱材料中的带边激子吸收峰对入射光波的吸收存在强烈的调制效应,峰位随反偏电场移动,响应时间快达ps级别,可以研制出反偏工作的低功耗高速率电吸收光调制器(EAM),并且在工艺上很容易与DFB光源实现单片集成,成为电吸收调制DFB激光器(EML),信息载入则通过EAM实现。通过采用聚酰亚胺垫高电极或者行波电极方式,降低电回路的RC时延限制,提高调制带宽,EAM的调制带宽达到了30~40 GHz。中国科学院半导体研究所采用的选区外延(SAG)技术研制出调制速率达32 Gbit/s的EML,静态消光比达到30 dB,动态消光比达到8 dB。为了实现DFB和EAM的分别优化,随后开发出的选择区域外延双有源叠层(SAG-DSAL)技术,吸收了对接生长技术、SAG和双有源叠层(DSAL)技术的优点,以单次外延多有源层替代多次外延的单片集成技术,外延生长出电吸收调制器(EAM)和激光器(LD)双有源区多量子阱波导层结构,如图1(a)所示,研制出了阈值为20 mA、输出功率10 mW和消光比为15 dB的EML管芯,如图1(b)所示。该技术还可进一步拓展实现单次外延多有源区与无源波导材料的集成,对提高集成器件成品率和降低芯片成本做出了贡献。
 

 

 

2.2   波分复用和路由寻址的多波长和宽带可调谐DFB集成激光器


波分复用(WDM)是实现超大容量信息传输的最重要的途径。实用化的单信道传输码率为40 Gbit/s,对此,1个10 Tbit/s的传输干线就必须由250个不同波长的单信道复用来实现。通过阵列波导光栅复用器AWG把诸多信道光聚集有效耦合到单一的单模光纤中进行传输。但从工艺上要制作出模距严格一致的波长各异的众多激光器难度极大。因此需要发展一种波长可适度调谐的DFB激光器,通过调谐实现模匹配需求,它也是下一代波长寻址接入网系统中的关键器件。国内外均有报道,采用DFB或分布布拉格(DBR)多段式激光器、取样光栅(SG)DBR激光器、超结构光栅(SSG)DBR激光器等可以实现不同波长范围的调谐。日本富士通报道,可调双波导(TTG)DFB激光器可以实现连续无跳模的波长调谐。如图2(a)所示,这种器件为纵向PNP结构,上部PN结含有源MQW波导,可提供稳定的增益;下部NP结包含DFB光栅和调谐(tuning)波导层,可通过注入电流改变有效折射率。工作中TTG-DFB激光器的光栅布拉格反射峰与激光谐振腔纵模变化始终同步,从而能实现无跳模宽波长范围(8 nm)的调谐,如图2(b)所示。


 


 

可调谐分布放大(TDA)-DFB激光器亦能实现连续无跳模的波长调谐,其结构如图3(a)所示。尽管这种器件具有多段式结构,但只有两个正面电极。通过有源段和调谐段波导层的交叉分布,布拉格反射峰和纵模光谱可以保持同步,从而避免激光模式的跳变。图3(b)为6信道TDA-DFB激光器阵列与半导体光放大器(SOA)集成后获得的110个频率信道光谱(间隔为50 GHz),每个TDA-DFB激光器的连续可调波长范围达到7.5 nm。


 

 

2.3   窄线宽高稳频高功率DFB集成激光器


时分复用(TDM)技术是从光频域的不同初始相位上提取出多路载波光束,每路光束可分别独立地载入传输信息。把这些光束汇集输入传输光纤中,达到复用的目的。也可以缓解单一波分复用对激光器制作的苛刻要求,诸如放宽模距的调控精度等,因而也是实现超大容量信息传输的重要途径。一般单模光纤传输的入纤光功率为3~5 mW,如果引入10个信道的时分复用,则对光载波激光器的光功率输出至少应达500 mW以上。早期有用DFB激光器与半导体光放大器(SOA)的单片集成来实现,但成品率低、代价高。中国科学院半导体研究所的团队采用大光腔结构和非对称结构以及较长的腔长,配合采用较低耦合系数的DFB光栅实现了600 mW的光输出,又改善了光束质量,压窄了线宽,能够满足TDM应用的要求,同时在以空分接入的光网络终端系统中已得到实际应用。


 

2.4   多波长信道DFB载波激光器阵列模块化集成


实用化的波分复用系统中诸多激光源在时域中的高稳定性非常重要,同时它也是光通信系统硅基化光电混合集成的基础,已成为近些年来光子集成发展的热点。美国Infinera公司的光发射PIC芯片最具代表性,如图4所示为该公司成功开发的1.6 Tbit/s速率的40信道、每个信道满足40 Gbit/s码率的WDM PIC发射芯片结构及输出光谱。其结构中既包括有源器件,如可调谐DFB激光器、EAM、SOA和PD,也包括无源器件如弯曲波导(S-bend)、阵列波导光栅(AWG)和模斑转换器(SSC)等241个元件。


 

 

国内PIC的工作起步较晚,直至2014年,中国科学院半导体所才报道了100 Gbit/s EML PIC发射芯片。如图5所示,该芯片为10个10 Gbit/s码率的EML与多模干涉耦合器(MMI)的集成,为使输出波长匹配于国际电信联盟(ITU)的要求,在每个激光器旁制作了Ti电阻波长调节器。整个PIC芯片包含的元件数为31个。难能可贵的是,该多波长阵列芯片是采用廉价的全息曝光光栅技术实现的。


 

 

同年,该研究所还首次报道了能让各个信道的波长间隔适用于DWDM系统用的SAG上波导限制层(USCH)新技术,图6(a)即该技术的原理示意,图6(b)为由SAG-USCH技术在1.55 μm波段实现的波长间隔分别为0.2 nm(25 GHz)、0.4 nm(50 GHz)和0.8 nm(100 GHz)的多波长DFB激光器阵列光谱,亦采用全息曝光光栅技术完成。华中科技大学和光迅联合利用纳米压印和对接生长技术,在2015年研制出了16路DFB激光器阵列与AWG集成芯片,通道间隔为200 GHz。


 

 

3   中继放大器(EDFA)泵浦源用980 nm半导体高功率激光器


在光通信系统中,其损耗是限制光纤通信距离的主要原因之一。光放大器的应用,避免了光—电—光的转换时延太长和系统的复杂性,若用光放大器级连放大,传送距离还可更远。至今为止,成功研制的光放大器主要有喇曼光纤放大器、半导体光放大器、EDFA(erbium-doped amplifier,掺铒光纤放大器)。其中,EDFA是光纤传输技术最突出的成就之一,是激光通信技术和光纤制造技术巧妙结合的产物,在光纤和光通信领域中得到了迅速而广泛的应用。在980 nm泵浦作用下,EDF(掺铒光纤)的激光发射为三能级系统跃迁机制,参与工作的有3个能级:E1、E2和E3。在E1和E3能级之间通过受激吸收进行光泵浦,泵浦波长由E3和E1的能级差决定,受激吸收激发到E3能级的电子,经弛豫到E2能级后回到E1能级发出1.55 μm波长激光。因此980 nm泵浦激光器成为EDFA中除EDF(掺铒光纤)外最为重要的器件。20世纪80年代末、90年代初,InGaAs应变量子阱的出现使InGaAs量子阱激光器得到飞速发展,成为制作半导体激光器最佳的材料体系,迄今为止大功率半导体激光器各方面性能的纪录,如最大功率、最高效率、最长寿命等都由InGaAs保持。用于泵浦EDFA的980 nm大功率单模激光器同样有着非常优良的性能,并随着半导体量子阱材料生长技术、激光器芯片技术及封装技术的逐步完善,长寿命的980 nm激光器已非常成熟,国际上研制、生产高功率980 nm半导体激光器的公司主要有Lumentum(原JDSU光器件部分)、3S Photonics、Oclaro、Furukawa等。目前,国外已经有输出功率达到1.05 W的980 nm单模大功率光纤光栅泵浦源半导体激光器产品出售。图7为3S Photonics公司14 pin带制冷1 050 mW 980 nm 泵浦激光器模块和Lumentum 900 mW 14 pin 980 nm泵浦激光器模块,二者均使用fiber Bragg grating锁定发射波长。


 

国内用于EDFA的980 nm大功率单模激光器的研究开始于20世纪90年代初,研究单位主要包括中国科学院半导体研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、武汉邮电科学研究院、北京工业大学、长春理工大学以及清华大学电子工程系等。其中,由清华大学电子工程系与中国科学院半导体研究所、武汉邮电科学研究院两个团队共同承担的“863”计划的相关重点项目——掺饵光纤放大器用980 nm半导体激光泵浦源,该项目中的尾纤输出功率最高值在100~200 mW。目前国内980 nm半导体激光器尚无可靠的产品,与国外发达国家相比,还存在较大的差距,需要进一步加快成果转化。


 

980 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)由于受到光纤激光器、固体激光器泵浦、激光显示等重要应用的牵引,其研究得到快速的发展。2001年德国UIm大学采用大直径(320 μm)器件实现单管连续890 mW,19个直径80 μm器件列阵实现连续1.4 W(相当于功率密度1 kW/cm2)和纳秒窄脉冲10 W的光输出。美国加州大学采用1 000个直径45 μm的列阵实现脉冲5 W输出。2003年美国Novalux公司利用连续1 W输出的980 nm垂直腔面发射激光器,通过腔内倍频获得了42 mW的蓝光高功率输出。美国Sandia国家实验室光泵浦垂直腔单管器件,实现980 nm波长输出,脉冲功率达到4.4 W。


 

在国内,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在高功率980 nm VCSEL方面做了很多的研究工作,并取得系列突破性和国际先进的成果。2003年采用3个应变补偿的InGaAs/GaAsP量子阱为有源区得到高性能的987 nm VCSEL:口径为430 μm的器件室温连续输出超过1.5 W,激射峰半高宽仅为0.8 nm,瓦级输出器件远场发散角低于10°,特征温度超过220 K。随后优化器件结构和工艺,将0.98 μm面发射半导体激光器的输出功率刷新到1.95 W,脉冲输出10.5 W,是当时国内外报道中的最高水平。2009年研制出连续输出超过2.5 W的单管(效率20%)和脉冲输出达到千瓦的高密度集成列阵。


 

4   光载波信息检测的半导体光—电接收器


基于InGaAs/InP材料体系的半导体光电检测器,以其精准的晶格匹配度以及直接带隙In0.53Ga0.47As材料的高吸收系数,是光纤通信系统理想的检测器材料。


 

4.1   PIN型光电检测器


在检测器系列中,PIN型光电检测器是研究最为成熟以及商用最广泛的检测器,其器件结构由宽带隙P型和N型InP材料构成,中间I层为窄带隙In0.53Ga0.47As光吸收层。光吸收层为本征层,承受着PN结间的电场,光生载流子以饱和速度漂移并被两端电极分别收集。PIN检测器具有制备工艺简单、量子效率高、暗电流低的特点。


 

PIN检测器一般为面入射型,为了保证高量子效率而需要生长较厚的吸收层,因而其带宽受到限制,这是所有面入射器件不可避免的量子效率与带宽的相互制约关系。波导型检测器将光传输吸收与载流子的输运有效分离,能够很好地解决这种制约关系,在满足高响应度的同时还可以有效地减小器件的尺寸,降低器件电容及工作电压,利用这种结构可以实现微小电容结构的高响应器件,同时其侧面入的光结构使其非常适合于平面集成,为实现高度集成的高速光子学系统提供了一种很好的探测解决方案。1991年,Kato K等人为了增加波导检测器端面与光纤的耦合效率,提出了一种多模光波导结构,对入射1.55 μm波长获得了68%的量子效率,3 dB带宽达到了40 GHz。2002年,Demiguel S等人报道了一种带有20 μm长的平面多模波导结构的倏逝波耦合波导检测器,获得了1.02 A/W的响应度、48 GHz的带宽以及11 mA的饱和电流。2005年德国弗劳恩霍夫研究所的Beling A报道了一种倏逝波耦合PIN型波导检测器,如图8所示。在稀释波导之上构建一个2 μm宽的脊型单模波导结构,光通过单模波导传入向外延伸的光学匹配层中,继而进入PIN台面有源区被吸收。器件的响应度达到0.5 A/W,3 dB带宽主要受到渡越时间的限制,达到120 GHz。


 

国内也多有对InP基波导探测器的研究,2013年中国科学院半导体所报道了一种高线性度的倏逝波耦合波导探测器,3 dB带宽达到40 GHz,线性响应输出光电流超过20 mA;2015年报道了基于此种倏逝波耦合波导探测器的10×20 GHz的探测器阵列。


 

4.2   高饱和功率高速检测器


随着光纤通信网络的快速发展,人们不仅需要大量数据的快速传输,还希望能够随时随地通过无线网络传输大容量数据。光载微波通信(radio over fiber,RoF)技术的提出有效解决了多频段快速无线传输的问题,同时大大提高了信号覆盖能力,由于微波终端发射的是模拟信号,从覆盖面和保真度考虑,对光接收器件提出了新的要求——高饱和光功率的宽带检测器。


 

以接收端光电检测器为例,无论是传统PIN结构还是高灵敏度的APD结构,随着入射光功率的不断增加,光电流会很快达到饱和值,而不再随着光功率线性增加。其主要原因是耗尽区内的空间电荷屏蔽效应:当耗尽区内(APD结构中的倍增区)的光生载流子数量不断增长至超过背景掺杂时,载流子无法完全迅速被收集,因此逐渐在耗尽区内堆积(尤其是漂移速度较慢的空穴)并改变暗场时的电场分布,从而导致耗尽区电场被严重屏蔽,载流子漂移速度下降,器件响应度随即下降。


 

为减缓空间电荷屏蔽效应的影响,日本NTT电子实验室首次提出了“单载流子”光电检测器(uni-traveling-carrier photodiode,UTC-PD)结构,其能带结构如图9所示。该结构改变了传统PIN结构中的能带结构,调换本征区与P+区的材料,将本征区换成宽带隙InP材料,而P+区采用光吸收材料In0.53Ga0.47As。光生载流子直接产生于P+区,空穴不再经过耗尽的本征区而直接被P电极收集,只有电子漂移扫过本征区(收集区)。利用电子较高的漂移速度,甚至是过冲速度(2.0×107 cm/s),可以有效减缓载流子在本征区内的堆积,从而实现较高的饱和光功率。


 

如何在保证带宽的前提下,提高UTC结构的响应度与饱和光功率是人们的主要研究方向。虽然加宽吸收区厚度可以提高光吸收效率,但由于光生电子需由扩散通过P+吸收区到达收集区边界,过厚的吸收区宽度会大大增加电子的渡越时间,导致带宽下降。研究人员随即提出P+区渐变掺杂的方法,制造出吸收区内价带的倾斜,使电子从单纯的扩散方式转为扩散—漂移联合运动方式,从而减小了吸收区内的渡越时间。在此基础上,美国维吉尼亚大学Joe C Campbell研究小组对UTC结构做出了改进,在P+吸收区与收集层间加入一层本征或低掺的InGaAs吸收区与N型InP薄层,一方面通过加厚吸收层提高器件响应度,同时利用N型包层在本征吸收层中制造一个P-N结,反向电场使电子能快速通过该区域到达收集区边界。利用该方法,他们实现了饱和光电流为134 mA、带宽为20 GHz的面入射UTC-PD,其响应度高达0.82 A/W。2014年,他们采用级联方式集成4个相位匹配的UTC-PD,并采用倒装封装散热衬底的方式,研制出48 GHz下350 mA饱和光电流的检测器阵列。


 

另一种改进方法是由中国台湾中央大学吴衍祥研究小组提出的“近弹道输运”(near-ballistic)UTC结构。他们在收集区中插入一P型薄层,将收集区分隔成两部分,一部分是靠近收集区的低场区(弹道输运层);另一部分是靠近N+接触的高场区(电场承受层)。通过调节两部分的电场强度,可实现电子以过冲速度扫过低场区域,从而进一步降低渡越时间,如图10所示。他们于2012年报道了在110 GHz带宽下饱和光电流37 mA的器件性能。


 

2013年,清华大学报道了一种“背对背”式UTC结构,将两个UTC结构在N接触层背靠背对接,呈现出“PINIP”的掺杂结构,通过上下两个P接触与中间N接触实现两部分UTC结构同时探测的工作方式,在不牺牲带宽的前提下大幅提高了响应度。研究结果表明在24 GHz带宽下、饱和电流62 mA时,响应度可达到0.86 A/W。


 

4.3   雪崩光电二极管


雪崩光电二极管(avalanche photodiode,APD)是一种高灵敏度的检测器结构。它通过载流子与晶格的碰撞电离效应引入内增益机制,使器件灵敏度大大提高,平均比PIN检测器高5~10 dB。用于光纤通信接收器的APD通常工作于线性模式,此时倍增区的电势在击穿VB电压以下,一般具有十几到几十的增益。在器件结构上,早期APD采用同质结构,这种结构由于吸收和倍增均发生窄带材料,在高电场情况下,会产生很大的隧穿电流,使得器件性能难以提高。为了解决这一问题,人们提出了一种新型结构,即SAM(separated absorption and multiplication)APD结构,如图11所示。在这种结构中吸收区和倍增区相互分离,雪崩倍增发生在宽带隙材料中,而吸收则在窄带隙材料中完成,吸收区电场较小,产生的隧道电流也较小,从而达到降低暗电流的目的。为了进一步调节吸收层和增益层的电场分布,在器件设计中又引入了电荷层,发展了SACM(separated absorption charge multiplication)结构,大大提高了器件各方面的性能。


 

对线性模式APD的研究主要围绕通过改善器件结构和材料降低过剩噪声及增加增益—带宽积两方面。从外延层的电学结构上讲,为降低吸收区和倍增区异质结界面处载流子的堆积从而提高器件带宽,通常需加入InGaAsP层平滑异质结处能带结构(SAGM)。另外,通过在倍增区中加入电荷层,可以更加灵活地调节器件内电场分布(SAGCM),使电场集中在倍增区中,同时保证吸收区的电场强度满足载流子高权重漂移的要求。从器件结构上,也可以采用平面型器件结构以降低暗电流。进一步地,为了降低扩散掺杂带来的边缘击穿效应,人们又在提出了两步扩散、刻蚀坑与浮动扩散保护环等平面结构。2003年韩国世宗大学报道了采用刻蚀坑与浮动扩散保护环相结合的平面型SAGCM-APD器件,获得了80 GHz的增益—带宽积和约10 GHz的最大带宽。


 

由于APD的噪声和带宽在倍增材料k值(低离化率载流子与高离化率载流子的离化率比值)越低时性能越优,而InP相对较高的k值制约了100 GHz以上的增益—带宽积。随即,人们提出用In0.52Al0.48As材料作为低k值的倍增层代替InP材料。2010年阿尔卡特朗讯与泰雷兹联合实验室Ⅲ-V实验室报道了平面型InAlAs倍增层的APD器件,获得了11.8 GHz的最大带宽和240 GHz的增益—带宽积,其单位增益下的外量子效率高达0.73,k值在0.13~0.15。


 

为进一步降低过剩噪声,人们开始改善倍增区的结构,通过将宽、窄带隙材料相间的异质结构作为倍增区能带结构。载流子在宽带隙材料中不发生雪崩倍增,但可以积累较高的能量,以便在窄带隙材料中能够迅速引发碰撞电离,从而降低碰撞电离在空间上的不均匀性。这种设计被称为碰撞电离(impact ionization engineering,I2E)设计原理,k值可低到0.1。


 

线性模式的APD器件是光接收机中常用的检测器类型,如何改善其性能的研究一直未停下脚步。其本质是如何在保证一定增益下获得尽量高的带宽以及尽可能低的噪声。最近,日本NTT光子实验室又提出了一种新型“三台倒转P台面”APD器件结构,虽然是基于InAlAs倍增材料的SACM电学结构,但改善了原本的台面型结构,有效降低了倍增层侧壁的表面电场强度,大大提高了器件的稳定性与可靠性。研究制备出的单片集成四通道APD阵列在增益M=10的情况下,能够保证单个器件的高响应度为0.9 A/W与大带宽为18 GHz,可作为100 Gbit/s以太网光接收机芯片使用。


 

国内对于APD的研究从20世纪80年代就已经开始,主要针对光纤通信方面的应用,经过多年的研究,APD性能不断提高。2012年中国科学院半导体所报道了一种具有极低暗电流的平面型InGaAs/InP APD,直径30 μm的器件在室温下90%击穿电压下暗电流为0.1 nA,无减反膜时单位增益下响应度为0.65 A/W;2015年又提出了一种新型的APD结构,以InAlAs作为倍增材料,并采用三级台阶型结构,有效降低了器件表面电场强度,直径55 μm的器件在室温下90%击穿电压下暗电流为6 nA,无减反膜单位增益光响应为0.77 A/W。


 

目前,国际上商用高速光电检测器的供应商主要有美国的Finisar、Lumentum(原JDSU光器件部分),日本的滨松公司,NTT公司,德国的u2t公司等。它们不仅在检测器的研究与商用转化上处于国际领先低位,并且对很多新型高性能检测器的研究工作也处于国际领先水平。


 

国内的光电检测器生产研发机构主要包括武汉光迅科技、华工正源、深圳海思等公司,研究单位包括清华大学、中国科学院半导体研究所、北京邮电大学、重庆光电技术研究所、华中科技大学等。在高速检测器研究方面,国内已研制出40 Gbit/s波导检测器,但尚未形成产品,主要受限于高频封装。对于传统结构的检测器,国内已实现较好的产业化,PIN传输速率可达10 Gbit/s,APD速率可达2.5 Gbit/s,但在高性能检测器商用产品方面,仍然与国外有较大差距。


 

5   单片集成化接收机中的长波长硅基光电接收器


光纤通信波段的硅基长波长光电检测器的研究是从SiGe光电检测器开始的。由于Ge与Si晶格失配度达4.2%,生长高Ge组分的SiGe材料存在很大的挑战,SiGe光电检测器的探测波长只能拓展到1 310 nm左右,而采用Ge量子点材料,可以将探测波长拓展到1 550 nm,但是这两种光电检测器由于在1 310 nm和1 550 nm波段材料的吸收系数很低,器件的响应度差。为了提高响应度,在王启明院士的指导下,中国科学院半导体研究所研制出具有共振腔增强结构的SiGe和Ge量子点光电检测器,响应度提高了3倍,但是离实际的应用要求还有一定距离。随着硅衬底上高质量Ge材料外延生长的突破,硅基Ge光电检测器在短短几年内获得了快速发展,并在硅基光电子集成接收机芯片中获得应用,成为最主要的硅基光电检测器。


 

硅基锗光电检测器与Si CMOS工艺兼容,而且在光通信和光互连波段有高的响应度,是硅光子学的关键性器件。人们已经研制出了不同电学结构和光学结构的硅基锗光电检测器及其集成阵列,按照其光学结构不同,主要有面入射结构和波导结构两种,适用于不同的应用场景。按电学结构和工作原理不同,主要有PIN结构和APD结构两种器件。下面分别做简单的介绍。


 

5.1   PIN结构硅基锗光电检测器


PIN结构器件可以实现高速、高响应、低暗电流,是研究得最多、性能最好的硅基锗光电检测器结构。依照不同应用需求,PIN结构硅基Ge光电检测器主要有面入射结构和波导结构两种。图12是面入射结构和波导结构的硅基PIN Ge光电探测器示意。


 

面入射结构光电检测器的响应度与光吸收层厚度密切相关,而吸收层的厚度又决定了光生载流子的渡越时间,因此响应度与响应速度之间存在着制约的关系。想要获得高的响应速度,就得牺牲器件的响应度。例如,为了提高带宽,德国斯图加特大学将Ge吸收层的厚度降低,同时将器件直径减小到10 μm,在2009年研制出3 dB带宽达49 GHz的面入射结构Ge光电检测器。虽然器件的带宽很高,但由于光吸收层很薄,器件响应度很低,只有0.05 A/W,对应的量子效率只有4%,难以实用。需要根据应用的需求,兼顾速率和响应度的需要,不能只追求某一个指标。中国科学院半导体研究所于2009年研制出了国内首个硅衬底上的高速Ge光电检测器,对1 310 nm和1 550 nm波长的光响应度分别为0.38 A/W和0.21 A/W,在0  V和-3 V偏压下的3 dB带宽分别为4.72 GHz和6.28 GHz。2013年,又研制出SOI衬底上的高速高响应锗光电检测器,直径为20 μm的器件对于1 550 nm波长光的响应度为0.3 A/W,响应带宽为23.3 GHz,直径15 μm的器件响应带宽达到26.4 GHz,兼顾了器件的响应度和响应带宽的需求。


 

波导结构的Ge PIN光电检测器中光生载流子的输运方向可以设计成与光的传播方向垂直,在实现足够的光吸收的同时保持了较小的载流子渡越时间,解除响应速度与响应度之间相互制约的矛盾。再则,波导结构光电检测器也是光子集成回路所必需的。波导型Ge光电检测器按光耦合方式有两类主要结构:一种是Butt耦合结构,Ge光电检测器的Ge吸收层材料与Si波导直接对接,来自硅波导的光直接入射到端侧的Ge吸收层,从而实现对光的探测;另一种是消逝场耦合结构,Ge检测器吸收材料处于硅波导的上面,来自硅波导的光到达检测器后,由于Ge的折射率比硅大,光将通过消逝场耦合进入折射率比Si大的Ge吸收层,实现对光的吸收探测。前者工艺比较复杂,需要严格控制Ge外延区硅的腐蚀,还需要进行化学机械抛光等工艺。优点是较小器件长度就可以充分吸收入射光,由于器件尺寸小、电容小,速度可以更快。而消逝场耦合结构工艺比较简单,但是器件要求长一些,以保障足够的光响应。代表性的工作如法国巴黎第11大学研制出的与硅波导Butt耦合的波导型Ge光电检测器,器件长度为15 m,3 dB带宽在-4 V下达到42 GHz,1 520 nm波长下的响应达到1 A/W,在保障高速工作的同时,实现了高的响应,但是暗电流密度比较大,在-1 V下为60 mA/cm2,并在偏压增加时迅速增大。2012年,他们研制的Ge光电检测器由于减小了本征吸收区的厚度,在0 V偏压下实现了40 Gbit/s的探测速率,暗电流密度为80 A/cm2。为了进一步提高带宽,人们也做了一些有益的尝试,如采用Gain peaking技术,在电极引线上增加电感或者设计合适的键合金线,可以将器件带宽提高到约60 GHz,但响应度会有所降低。


 

5.2   Ge/Si异质结雪崩光电二极管


APD(avalanche photo diode)器件由于具有倍增效应,可以对弱光进行探测,可以降低对光探测模块中放大电路的要求,甚至免去放大电路,是光通信系统中的重要器件。由于硅的电子碰撞离化率远大于空穴的离化率、噪声低,是最好的雪崩倍增材料,但是由于其带隙决定了其不能对长波进行探测,而Ge对1 550 nm和1 310 nm的光具有高响应,所以,人们提出了以Ge为吸收区、以Si为倍增区的Ge/Si APD(Ge/Si SACM APD)结构。它综合利用Ge在1 550 nm和1 310 nm高响应和硅材料优异的雪崩倍增特性,实现对通信波段的弱光探测。Intel公司在2008年12月8日宣布其研究团队在采用Si衬底上外延生长的Ge材料成功研制出了基于硅的雪崩光电检测器,其增益带宽积达到了创记录的340 GHz,尔后他们又将这一记录提高到840 GHz,与其他化合物半导体的APD器件相比,显示出了明显的优势。图13是他们研制的Ge/Si SACM APD的增益带宽积测试结果。Ge/Si SACM APD也可以制备成波导结构,如Intel研制出Butt耦合和消逝场耦合的Ge/Si SACM APD,70 m长的消逝场耦合APD器件带宽为23 GHz,在10 Gbit/s速率、误码率在1×10-12以下时,灵敏度为-30.4 dBm。 30 m长的Butt耦合结构APD的带宽为29.5 GHz。新加坡微电子所研制出类似结构的波导结构Ge/Si SACM APD器件,3 dB带宽为20 GHz,1 550 nm波长下的响应为22 A/W,推算的灵敏度可达-30.5 dBm。


 


 

再则,利用硅衬底上制备的Ge材料,可以制备出MSM结构和PIN结构的Ge APD器件。器件虽然制备在硅衬底上,但Si材料并不参与光电检测器的工作。MSM结构的Ge APD器件首先由IBM于2010年研制成功。他们采用快速熔融法制备SiON上的Ge薄层,用叉指结构W金属与Ge接触形成一系列沿波导方向的肖特基结。当电压高于Ge击穿电压时,就可以实现APD工作。由于接触电极间距只有200 nm,在3.4 V偏压下,增益达到10,40 Gbit/s的眼图可以很好地张开。横向PIN结构的Ge APD由法国巴黎第11大学首先报道。在220 nm的SOI上制备波导,在波导的端头腐蚀Si到40 nm厚作为Ge外延区域,外延Ge后通过化学机械抛光将Ge层减薄到300 nm厚,制备横向结构的PIN器件,I层宽度为500 nm。器件在偏压在5 V下可以实现雪崩倍增。在无增益情况下,3 dB带宽大于40 GHz,增益为17时,带宽达11 GHz。值得一提的是,对于一般PIN结构的硅基Ge光电检测器,偏压加得足够高时,也会发生雪崩倍增,实现APD工作,也能满足某些方面的需求,但信噪比较差。如比利时的IMEC研制的硅基Ge波导结构APD器件,其电学结构就是普通的PIN结构,在低偏压下,3 dB带宽可以大于50 GHz;在6.2 V偏压下,带宽为10.4 GHz,增益为10.2,增益带宽积达到100 GHz。


 

综上所述,面入射结构的硅基Ge PIN光电检测器存在响应带宽与响应度之间的矛盾,需要根据实际应用需要找到平衡点,两者兼顾的典型器件性能是带宽25 GHz左右,1 550 nm波长下的响应度约为0.3 A/W。对于波导结构的硅基锗光电检测器,由于解除了响应度和带宽之间的制约,可以同时实现高响应度和高带宽,目前典型的研究结果是,带宽约40 GHz,1 550 nm波长下的响应度约为1 A/W。另外,为了实现对弱光的探测,硅基锗APD器件研究也是近年的研究热点。为了降低倍增中的过剩噪声,器件一般设计成吸收区与倍增区分离的结构,增益带宽积高达840 GHz。另外,为实现低偏压下工作的硅基Ge APD器件,人们也研制出了电极间距很短的硅基MSM结构和横向PIN结构Ge APD器件。


 

6   结束语


以上概要地展现和介绍了推动21世纪光纤通信系统迅速发展的主力——有源光电子器件和集成技术的概况。光纤通信的含义无疑已远远地超越了50年前的电信范畴。在传输信息的类别、传输功能的拓展、传输制式的多变、传输时域的加快和传输空域的扩大等方面,都有了前所未有的巨大跃变。数字光网络的实现、互联网的渗透与普及、量子密钥的采用、人工智能和虚拟现实的发展已使信息化社会迈向了智能化的新时代。


 

特大容量(Zbit/s)的数字化传输系统、ps级实时光交换和路由、低噪声高灵敏宽带接收机以及数字与模拟融合的超快信息处理技术将陆续登上舞台。其中,诸如密集波分复用(DWDM)技术的采用、ps级脉冲光频梳激光器、低噪声高灵敏的光电接收器、ps级波长变换器以及低功耗路由光开关、多波长发射的单光子发射与接收器将再次成为推动智能化时代发展的主力军。


 

在光电子信息传输系统的产业化规模化发展进程中,硅基材料将在系统集成中占据高位。硅基集成光电子将成为未来发展的主流。关键在于可与硅基CMOS电路兼容集成的激光器的突破性发展。硅微电子处理器芯片内的光互连无疑将取决于在硅基芯片中构建微型光网络的实现,它将对提升超快计算机运行速率做出划时代的奠基性贡献。


 

创新是人类社会发展的推动力,长江后浪推前浪是人类历史发展的真谛。