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中国光学期刊网
综合
评述
Vol.44,No.2
Feb.2007
Review
www.opticsjournal.net
名家讲坛
硅基集成光电子器件的新进展
ProgressonSi-BasedOptoelectronicDevicesandIntegration
周治平
1,2
郜定山
1
汪毅
1
陈金林
1
冯俊波
1
1
武汉光电国家实验室,华中科技大学,武汉
430074
2
乔治亚理工学院电子和计算机工程系,亚特兰大
30332
美国
蓸 蔀
ZhouZhiping
1,2
GaoDingshan
1
WangYi
1
ChenJinlin
1
FengJunbo
1
1 WuhanNationalLaboratoryforOptoelectronics,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,
430074
2 SchoolofElectricalandComputerEngineering,GeorgiaInstituteofTechnology
,
Atlanta, 30332,USA
晌
尚
上
上
上
上
上
上
上
上
裳
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梢
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梢
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梢
梢
摘 要 综述了硅基微纳激光器、调制器、探测器及光传输控制器件的最新研究进展。重点阐述了表面等离子
体、量子阱、光子晶体及纳米光栅等新型结构在提高器件综合性能和降低器件尺寸方面的重大作用。同
时,还展示了用标准互补金属氧化物半导体
(CMOS)
技术,实 现 硅基光子器件和电子器件在同一基片上
微纳集成的巨大前景。
关键词 硅基光电子器件;微纳集成;激光器;调制器;探测器;纳米光栅
Abstract
ThispapersummarizestheprogressesinSi-basedmicro/nanolasers,modulators,detectors,and
opticalpropagatingandcontrollingdevices.Theemphasisisgiventodescribetheimportant
contributionsofsomenovelstructuressuchassurfaceplasmon,quantumwell,photoniccrystals
andnanogratingsonimprovingthepropertiesanddecreasingoverallsizesofoptoelectronic
devices.Theperspectiveofmicro/nanoscalemonolithicintegrationofopticaldevicesand
electronicdevicesonasinglechipbystandardcomplementarymentaloxidesemiconductor
(CMOS)technologiesisalsopresented.
Keywords siliconbasedoptoelectronicdevices;micro/nanointegration;laser;modulator;detector;nanograting
中图分类号
TN256
1
引言
光电子器件的发展影响到社
会诸多方面,从简单的家用电器、
多媒体系统到通讯、计算机和医
学设备等。下一代光通讯系统的
主要特征将是智能化、集成化、低
成本和高可靠性。同时,随着高性
能计算机的快速发展,中央处理
器
(CPU)
速率更快,内存存贮空间
要求更大、存贮速率要求更快,因
此,计算机系统内的高密度数据
通信已成为限制其发展的主要瓶
颈。目前,光互连被公认是实现计
算机间乃至芯片间高速通信的重
要发展方向。正是由于上述光通
讯和计算机发展的重大需求,人
们对于发展能提供更多新功能和
性能更强的微纳米尺寸器件产生
浓厚兴趣
[1]
。
然而,现有的光电子器件所
使用的材料五花八门,既有磷化
铟
(InP)
、砷 化 镓
(GaAs)
等
III-V
族化合物,又有硅
(Si)
、锗
(Ge)
等
郁
族材料,器件分立,工 艺 互 不兼
容,各种不同功能的器件难以集
成到一起。硅 材料价格低廉,并且
由硅基集成电路工业发展出来的
各种硅基微纳加工技术越来越成
熟,使得人们寄希望于制作出硅
基微纳光子器件,比如激光器、探
测器以及光子晶体器件,然后将
其与逻辑电路一起集成在一块芯
片上。这样,光 通信系统和计算机
31
中国光学期刊网
www.opticsjournal.net
Vol.44,No.2
Feb.2007
L
激光与光电子学进展
aser&OptoelectronicsProgress
系统的高密度数据通信性能将得
到大幅提高,同时系统的尺寸、功
耗和造价显著降低。
硅基光电子器件的发展长期
受到硅基发光效率低、调制特性
差等限制,一直没有显著进展。在
2004
年,英特尔公司相继报道了
他们在硅基拉曼激光器
[2]
和高速
调制器
[3]
方面的突出成果,引起业
界轰动。这些预示着硅基光电子
器件及其微纳集成技术即将迈向
高速发展。
2
硅基微纳激光器
2.1
硅基拉曼激光器
硅基拉曼激光器是利用受激
拉曼辐射原理在硅基波导内实现
连续受激拉曼光输出
[4]
。早期硅基
激光器的实验研究中,面临的最
大问题是双光子吸收诱导自由载
体的吸收
[5]
,腔内激光束自激放大
效应无法维持,实验仅限于脉冲
光抽运模式,无法实现硅基激光
的连续输出。
英特尔公司的研究人员采用
一种被称作
p-i-n
二极管结构克
服了技术瓶颈
[2]
。该
p-i-n
二极管
结构如图
1
所示。
p-i-n
二极管
分列于波导两侧,其主要成份是
硼与磷,掺杂原子数分数控制在
1伊10
20
cm
-3
。
p
区与
n
区的间隔约
为
6 滋m
。为了在
p-i-n
两端施加
偏置电压,
p
区与
n
区上附着了
导电铝膜。采用法布里
原
珀罗共振
方案测得整个波导的线性光透射
损失率仅为
0.35dBcm
-1
。当
p-
i-n
二极管外加偏置电压时,波导
内产生电场,该电场有助于移除
双光子吸收形成的电子
原
空穴对。
表征自由载体与波导内光模式作
用时间的有效载体寿命随外加偏
置电压增大而减小。当外加偏置
电压为
25V
时,有效载体寿命从
原来的数十纳秒减少到
1ns
左
右
,
非常有利于激光的自激放大,
形成激光连续输出。经过实验测
试,硅基拉曼激光器工作在单模
模式下,激光线宽稳定在
80MHz
以内。长度为
4.8cm
的波导导致
0.9GHz
的模式间隔也未在法布
里
原
珀罗干光谱分析仪的自由光
谱区
(8GHz)
内出现,说明受激拉
曼激光束的优良光学性质非常有
利于信息的加载与传输。
2.2
混合硅基倏逝激光器
利用倏逝波方案将
III-V
族
量子阱产生的激光耦合到硅基波
导中成为目前混合集成的具备较
好应用前景的方向之一。该方法
结合了
III-V
族元素的高增益特
性和硅材料制造工艺集成特性,
并解决了硅基无源器件的耦合问
题。器件的结构分为两部分:绝缘
图
1
硅基拉曼激光器波导截面图
图
2
混合硅基倏逝激光器结构图
(a)
;混合硅基倏逝激光器输出激光的光谱图
(b)
32
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