[科普中國]-集成光路

介紹

集成光路是指將傳統(tǒng)的一系列分立光學(xué)器件如棱鏡、透鏡、光柵、光耦合器等平面化、微型化後形成的一種集成化了的光學(xué)系統(tǒng)。集成光路有許多集成電路無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。例如，集成光路以光頻為載波工作，頻率比電子學(xué)頻率高出1000倍以上，因此其處理的信息容量要比集成電路大得多；集成電路僅以一維時(shí)間順序處理信息，而集成光路除了可以一維時(shí)間順序處理信息之外，還具有空間并行處理信息的能力，即集成光路可進(jìn)行多維信息處理，因此，集成光路的信息處理速度要比集成電路快得多；集成光路的開關(guān)響應(yīng)速度很高；集成光路的抗電磁干擾能力強(qiáng)，保密性強(qiáng)。

集成光路由許多光波導(dǎo)器件構(gòu)成。這些光波導(dǎo)器件可分為無源器件和有源器件兩大類。無源光波導(dǎo)器件主要包括波導(dǎo)棱鏡、透鏡、反射鏡、光分束器和檢偏器等波導(dǎo)幾何光學(xué)器件和波導(dǎo)型定向耦合器、濾波器、光隔離器，衰減器、集成光學(xué)調(diào)制器、光開關(guān)等；有源光波導(dǎo)器件是指含有光源的集成光學(xué)器件。1

集成光路材料集成光路由許多光波導(dǎo)器件構(gòu)成，這些光波導(dǎo)器件可分為無源器件和有源器件兩大類。無源光波導(dǎo)器件主要包括波導(dǎo)棱鏡、透鏡、反射鏡、光分束器和檢偏器等波導(dǎo)幾何光學(xué)器件和波導(dǎo)型定向耦合器、濾波器、光隔離器、衰減器、集成光學(xué)調(diào)制器、光開關(guān)等。有源光波導(dǎo)器件是指含有光源的集成光學(xué)器件。

集成光路材料實(shí)際上是指一些光波導(dǎo)薄膜材料和它們的襯底材料。不同功能的集成光學(xué)器件需要不同的光波導(dǎo)薄膜材料，因此要選用不同的襯底材料。一般無源光波導(dǎo)器件主要選用LiNbO3、石英或硅材料、玻璃等作襯底。其中，普通無源器件可選用玻璃、石英、SiO2等，電光調(diào)制器或聲光調(diào)制器通常都采用電光系數(shù)和光彈性系數(shù)高的LiNbO3，含探測(cè)器的無源器件必須使用硅等半導(dǎo)體材料。有源光波導(dǎo)器件則主要選用GaAs、InP以及其他一些Ⅲ一V族或Ⅱ一Ⅵ族直接帶隙半導(dǎo)體為襯底材料。

光波導(dǎo)薄膜材料可以通過真空濺射、擴(kuò)散、外延、質(zhì)子轟擊、離子注入等成膜技術(shù)來制備，可根據(jù)光波導(dǎo)器件類型和襯底材料種類可選用合適的成膜技術(shù)。

對(duì)普通無源器件而言，若以玻璃或其他無定形材料為襯底，可采用真空濺射技術(shù)在襯底上形成光波導(dǎo)，所采用的光波導(dǎo)材料主要有Ta_2O_5、Nb_20_5、Si_3N_4等。對(duì)於需要采用晶體材料為襯底的光波導(dǎo)器件，可采用擴(kuò)散的方法在襯底上形成光波導(dǎo)，即將雜質(zhì)和襯底置於700~1000℃的高溫環(huán)境中，雜質(zhì)在高溫下?lián)]發(fā)并且向襯底擴(kuò)散，通過調(diào)節(jié)擴(kuò)散溫度和時(shí)間來控制擴(kuò)散深度等。如以LiNb03晶體為襯底的光波導(dǎo)器件就可通過向LiNb03中擴(kuò)散Ti或Ta等形成摻Ti或摻Ta的LiNbO3波導(dǎo)，以ZnS、ZnSe等晶體為襯底的則可向這些晶體擴(kuò)散Cd形成摻Cd的ZnS或ZnSe波導(dǎo)。可用擴(kuò)散技術(shù)形成光波導(dǎo)的襯底材料還有Si、GaAs、LiTa03等晶體材料。

有些晶體材料例如CdTe、GaP、ZnTe等作為襯底時(shí)，可用離子注入法將需要摻入的雜質(zhì)離子如Be+等加速到幾十千伏至幾百千伏來轟擊襯底表面，將離子注入襯底替代襯底晶體材料中的某些原子以形成波導(dǎo)。另一些襯底材料如熔石英等，則可用離子注入法將H、Li或Bi等摻人襯底材料的晶格間隙中使晶格畸變，導(dǎo)致襯底上被轟擊部位的折射率增大而形成波導(dǎo)。用離子注入法形成的波導(dǎo)一般都要進(jìn)行褪火處理，以消除晶格缺陷、降低波導(dǎo)的光損耗。

GaAs、GaP、ZnTe、ZnSe等半導(dǎo)體晶體材料作為襯底時(shí)，可用質(zhì)子轟擊法在襯底表面轟擊質(zhì)子，產(chǎn)生深能級(jí)陷阱中心，使被轟擊區(qū)的載流子濃度降低，從而提高該區(qū)的折射率，形成波導(dǎo)。質(zhì)子轟擊法形成的波導(dǎo)也要進(jìn)行退火處理，以降低損耗。

在制作集成光學(xué)調(diào)制器和光開關(guān)時(shí)，一般以LiNbO3等電光晶體為襯底材料，采用向LiNbO3襯底擴(kuò)散Ti的方法和各種刻蝕技術(shù)(如化學(xué)腐蝕或離子束刻蝕等)來形成各種條波導(dǎo)和光波導(dǎo)器件。

在制作單塊(即激光器、波導(dǎo)和光探測(cè)器等都集成在一塊基板上)有源集成光學(xué)器件時(shí)，一般都以半導(dǎo)體晶體材料如GaAs、InP等為襯底，采用分子束外延、液相外延、氣相外延或金屬有機(jī)氣相沉積等外延生長(zhǎng)法在襯底表面形成多層結(jié)構(gòu)，其中包括發(fā)光器件、波導(dǎo)和探測(cè)器件等。2

優(yōu)點(diǎn)

|| || 集成光路的優(yōu)點(diǎn)

集成光路與集成電路的比較目前還處於發(fā)展階段的集成光學(xué)的地位了。目前，集成光學(xué)已初具規(guī)模，并在光通信及光信息處理方面顯示出電子學(xué)無法比擬的優(yōu)越性。不單是比離散元器件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)具有巨大優(yōu)越性，作為一種信息的處理與傳輸系統(tǒng)，與微電子系統(tǒng)相比，集成光學(xué)系統(tǒng)也具有其固有的重大優(yōu)越性。

光集成的優(yōu)點(diǎn)可以分為兩個(gè)方面，其一是用集成光學(xué)體系(集成光路)代替集成電子體系(集成電路)，其二則與導(dǎo)光波的光學(xué)纖維和介質(zhì)平面光波導(dǎo)代替電線或者同軸電纜傳輸信號(hào)有關(guān)。

在集成光路上，各光學(xué)元件形成在一個(gè)晶片襯底上，用襯底內(nèi)部或表面上形成的光波導(dǎo)連接起來。采用類似於半導(dǎo)體集成電路的方法，把光學(xué)元件以薄膜形式集成在同一襯底上的集成光路，是解決原有光學(xué)系統(tǒng)小型化和提高整體性能問題的重要途徑。這樣的集成器件具有體積小、性能穩(wěn)定可靠、效率高、功耗低，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

與集成電子體系相比，集成光學(xué)體系具有其獨(dú)特的優(yōu)越性。首先，集成光路與光纖一樣，信號(hào)的載體是光波，光波的頻率比電子手段產(chǎn)生的電磁振蕩(包括微波)高得多，因而可能載入頻帶寬度極寬的信號(hào)；而且避免了電路的導(dǎo)線固有的電容和電感導(dǎo)致的頻率限制效應(yīng)。這樣，集成光路的光信號(hào)的傳輸帶寬及與此相應(yīng)的傳輸信息量，比電子電路系統(tǒng)的電信號(hào)的傳輸帶寬和信息量超過若干數(shù)量級(jí)。其次，雖然電子電腦已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的時(shí)代，但其運(yùn)算速率始終受限於固體電子器件中電子運(yùn)動(dòng)的速度，而光子電腦以光速運(yùn)動(dòng)的光子為工作的基礎(chǔ)，其理論計(jì)算速率可高達(dá)10^{10}一10^{11}次/s，它比目前計(jì)算速率最陜的電子電腦高100-~1000倍。第三，空間上多道陣列、多頻(波分復(fù)用)以致三維立體的光學(xué)存儲(chǔ)及處理的特點(diǎn)，使光存儲(chǔ)和處理的容量可達(dá)到1018Kbit的“海量信息”。如果用集成光路來實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的邏輯運(yùn)算、傳送和處理，則可制成體積小、速度快、容量大的“全光電腦”。光子電腦比電子電腦有著并行處理、信號(hào)互不干擾、開關(guān)速度快、光速傳遞、寬頻以及信息容量極大的優(yōu)點(diǎn)。

總的來說，用集成光路代替集成電路的優(yōu)點(diǎn)包括帶寬增加，波分復(fù)用，多路開關(guān)，耦合損耗小，尺寸小，重量輕，功耗小，成批制備經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高等。由於光和物質(zhì)的多種相互作用，還可以在集成光路的構(gòu)成中，利用諸如光電效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、熱光效應(yīng)等多種物理效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)新型的器件功能。3