光纖通信有源器件的發(fā)展現(xiàn)狀

王啟明 ，趙玲娟 ，朱洪亮 ，韓勤 ，成步文

（1.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100045；2.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100045）

光纖通信有源器件的發(fā)展現(xiàn)狀

王啟明1，趙玲娟2，朱洪亮2，韓勤1，成步文1

（1.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100045；2.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100045）

光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展使其成為當(dāng)今信息社會(huì)的重要支柱。其發(fā)展的基石是有源和無(wú)源半導(dǎo)體光電子器件。綜述了幾種主要的有源光電子器件的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，包括高速調(diào)制DFB激光器及其集成芯片、EDFA泵浦源用980 nm半導(dǎo)體高功率激光器、化合物半導(dǎo)體光電探測(cè)器、硅基長(zhǎng)波長(zhǎng)光電探測(cè)器等。

光纖通信；有源器件；DFB激光器；泵浦激光器；光電探測(cè)器；雪崩光電探測(cè)器

1 引言

自從1966年高錕（Charles K Kao）博士提出石英光纖可以作為光傳輸介質(zhì)以后，研制和開(kāi)發(fā)光纖通信用有源半導(dǎo)體光子器件的工作，如雨后春筍大量涌現(xiàn)。其中，用于光纖低損耗窗口傳輸?shù)募す馄?，?.85 μm處的GaAs／AlGaAs短波長(zhǎng)多模激光器，發(fā)展到了1.3 μm和1.55 μm處的 InGaAsP／InP分布反饋（DFB）長(zhǎng)波長(zhǎng)單模激光器，時(shí)至今日，隨著有源光子陣列與無(wú)源光波導(dǎo)、光合波分波器的單片集成芯片的實(shí)現(xiàn)，開(kāi)創(chuàng)了以光子集成回路（PIC）為核心的光網(wǎng)新時(shí)代。

在光網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)光載波產(chǎn)生、調(diào)制、放大和檢測(cè)功能的器件，主要包括激光器、光調(diào)制器、光放大器、光接收器和波長(zhǎng)變換器等。DFB激光器和電吸收調(diào)制激光器（EML）是當(dāng)今波分復(fù)用（WDM）光纖通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中不可或缺的關(guān) 鍵 器 件 ，廣 泛 應(yīng) 用 于 2.5 Gbit／s、10 Gbit／s、25 Gbit／s 和100 Gbit／s（4×25 Gbit／s）的光網(wǎng)系統(tǒng)中。

光通信激光源的突破口首先是石英光纖的第1個(gè)低損耗窗口即0.85 μm短波長(zhǎng)處。20世紀(jì)70年代初，采用液相外延技術(shù)，在GaAs基同質(zhì)外延基礎(chǔ)上，利用AlGaAs的高異質(zhì)勢(shì)壘，有效地阻擋住了GaAs有源區(qū)載流子的泄漏，同時(shí)又對(duì)傳輸光起到了空間限制的波導(dǎo)功能，研制成功GaAs／AlGaAs異質(zhì)掩埋結(jié)構(gòu)（BH）激光器，開(kāi)拓了短距離光通信應(yīng)用領(lǐng)域。

針對(duì)石英光纖的第2個(gè)低損耗窗口同時(shí)也是零色散的1.31 μm激光器以及更低損耗的第3個(gè)窗口的1.55 μm波長(zhǎng)激光器的強(qiáng)烈需求，美國(guó)華裔學(xué)者謝肇金采用InGaAsP／InP材料體系和液相外延技術(shù)，在20世紀(jì)70年代末首先研制出用于光通信的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器。光纖通信開(kāi)始從0.85 μm 波段向 1.31 μm和 1.55 μm 波段邁進(jìn)。80年代，分子束外延（MBE）和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等薄層量子阱超晶格生長(zhǎng)技術(shù)取得了突破，多量子阱（MQW）以及應(yīng)變MQW結(jié)構(gòu)器件的制作成為現(xiàn)實(shí)，至80年代中期，含布拉格光柵的長(zhǎng)波長(zhǎng)DFB單模MQW激光器研制成功，長(zhǎng)途光纖通信干線網(wǎng)開(kāi)始建設(shè)。90年代，2.5 Gbit／s和10 Gbit／s的高速直調(diào) DFB激光器（DML）以及集成了外調(diào)制器的電吸收調(diào)制激光器（EML）都在商業(yè)上取得了快速發(fā)展，從而在20世紀(jì)末21世紀(jì)初將光纖通信事業(yè)推到了一個(gè)前所未有的高度。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著人們對(duì)信息量的無(wú)限追求，波分復(fù)用（WDM）、時(shí)分復(fù)用（TDM）以及纖分復(fù)用（FWDM）等 Tbit／s甚至 10 Tbit／s的超大容量光纖通信系統(tǒng)迅速發(fā)展，單纖單信道傳輸碼率已突破了10 Gbit／s的門(mén)檻，向著更高速率的20～40 Gbit／s方向邁進(jìn)。而高穩(wěn)頻寬帶可調(diào)諧、高功率、無(wú)制冷DFB激光器的實(shí)現(xiàn)及其多路陣列集成、與無(wú)源合波／分波器集成以及與硅基混合集成的發(fā)展，對(duì)構(gòu)建以多路復(fù)用為基礎(chǔ)的實(shí)用化的Tbit／s級(jí)超大容量光通信系統(tǒng)做出了關(guān)鍵性的重大貢獻(xiàn)。下面將簡(jiǎn)單介紹相關(guān)方面的最新發(fā)展。

2 光通信系統(tǒng)中寬帶光載波的DFB激光器

2.1 光纖干線和網(wǎng)絡(luò)中的高速率光載波激光器

時(shí)至今日，通信與網(wǎng)絡(luò)干線系統(tǒng)中普遍使用的光載波激光器仍然是以InGaAsP／InP應(yīng)變量子阱材料系為代表。量子阱的采用提高了有源材料的增益系數(shù)，降低了器件閾值電流和溫度敏感性。而壓應(yīng)變的引入可使輕重空穴價(jià)帶分離，價(jià)帶頂重空穴能級(jí)上升，輕空穴能級(jí)下降，增加了TE模的增益，降低了閾值電流密度，提高了微分增益系數(shù)，進(jìn)而也有利于提高張弛震蕩頻率和調(diào)制速率。之前20 Gbit／s以下系統(tǒng)中光載波對(duì)信息的載入是通過(guò)對(duì)激光器的的注入電流直接調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但調(diào)制速率受激光器固有的張弛震蕩的限制，一般只能達(dá)到25 Gbit／s，而傳輸距離又受激光器啁啾和光纖色散的影響，一般10 Gbit／s信號(hào)傳輸距離只能達(dá)到20 km。高速率以及更長(zhǎng)距離的傳輸需要采用外調(diào)制技術(shù)。InGaAsP／InP量子阱材料中的帶邊激子吸收峰對(duì)入射光波的吸收存在強(qiáng)烈的調(diào)制效應(yīng)，峰位隨反偏電場(chǎng)移動(dòng)，響應(yīng)時(shí)間快達(dá)ps級(jí)別，可以研制出反偏工作的低功耗高速率電吸收光調(diào)制器（EAM），并且在工藝上很容易與DFB光源實(shí)現(xiàn)單片集成，成為電吸收調(diào)制DFB激光器（EML），信息載入則通過(guò)EAM實(shí)現(xiàn)。通過(guò)采用聚酰亞胺墊高電極或者行波電極方式，降低電回路的RC時(shí)延限制，提高調(diào)制帶寬，EAM的調(diào)制帶寬達(dá)到了30～40 GHz。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所采用的選區(qū)外延（SAG）技術(shù)研制出調(diào)制速率達(dá)32 Gbit／s的EML，靜態(tài)消光比達(dá)到30 dB，動(dòng)態(tài)消光比達(dá)到8 dB。為了實(shí)現(xiàn)DFB和EAM的分別優(yōu)化，隨后開(kāi)發(fā)出的選擇區(qū)域外延雙有源疊層（SAG-DSAL）技術(shù)［1］，吸收了對(duì)接生長(zhǎng)技術(shù)、SAG 和 雙有源 疊層 （DSAL）技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，以單次外延多有源層替代多次外延的單片集成技術(shù)，外延生長(zhǎng)出電吸收調(diào)制器（EAM）和激光器（LD）雙有源區(qū)多量子阱波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示，研制出了閾值為20 mA、輸出功率10 mW和消光比為15 dB的EML管芯，如圖1（b）所示。該技術(shù)還可進(jìn)一步拓展實(shí)現(xiàn)單次外延多有源區(qū)與無(wú)源波導(dǎo)材料的集成，對(duì)提高集成器件成品率和降低芯片成本做出了貢獻(xiàn)。

2.2 波分復(fù)用和路由尋址的多波長(zhǎng)和寬帶可調(diào)諧DFB集成激光器

波分復(fù)用（WDM）是實(shí)現(xiàn)超大容量信息傳輸?shù)淖钪匾耐緩?。?shí)用化的單信道傳輸碼率為40 Gbit／s，對(duì)此，1個(gè)10 Tbit／s的傳輸干線就必須由250個(gè)不同波長(zhǎng)的單信道復(fù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)陣列波導(dǎo)光柵復(fù)用器AWG把諸多信道光聚集有效耦合到單一的單模光纖中進(jìn)行傳輸。但從工藝上要制作出模距嚴(yán)格一致的波長(zhǎng)各異的眾多激光器難度極大。因此需要發(fā)展一種波長(zhǎng)可適度調(diào)諧的DFB激光器，通過(guò)調(diào)諧實(shí)現(xiàn)模匹配需求，它也是下一代波長(zhǎng)尋址接入網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。國(guó)內(nèi)外均有報(bào)道，采用DFB或分布布拉格（DBR）多段式激光器、取樣光柵（SG）DBR激光器、超結(jié)構(gòu)光柵（SSG）DBR激光器等可以實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)范圍的調(diào)諧。日本富士通報(bào)道，可調(diào)雙波導(dǎo)（TTG）DFB 激光器［2］可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)跳模的波長(zhǎng)調(diào)諧。如圖2（a）所示，這種器件為縱向PNP結(jié)構(gòu)，上部PN結(jié)含有源MQW波導(dǎo)，可提供穩(wěn)定的增益；下部NP結(jié)包含DFB光柵和調(diào)諧（tuning）波導(dǎo)層，可通過(guò)注入電流改變有效折射率。工作中TTG-DFB激光器的光柵布拉格反射峰與激光諧振腔縱模變化始終同步，從而能實(shí)現(xiàn)無(wú)跳模寬波長(zhǎng)范圍（8 nm）的調(diào)諧，如圖2（b）所示。

圖1 選擇區(qū)域外延雙有源疊層（SAG-DSAL）技術(shù)制作的EML器件

圖2 可調(diào)雙波導(dǎo)（TTG）-DFB激光器

可調(diào)諧分布放大 （TDA）-DFB激光器亦能實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)跳模的波長(zhǎng)調(diào)諧［3］，其結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。盡管這種器件具有多段式結(jié)構(gòu)，但只有兩個(gè)正面電極。通過(guò)有源段和調(diào)諧段波導(dǎo)層的交叉分布，布拉格反射峰和縱模光譜可以保持同步，從而避免激光模式的跳變。圖3（b）為6信道TDA-DFB激光器陣列與半導(dǎo)體光放大器 （SOA）集成后獲得的110個(gè)頻率信道光譜（間隔為50 GHz），每個(gè)TDA-DFB激光器的連續(xù)可調(diào)波長(zhǎng)范圍達(dá)到7.5 nm。

2.3 窄線寬高穩(wěn)頻高功率DFB集成激光器

時(shí)分復(fù)用（TDM）技術(shù)是從光頻域的不同初始相位上提取出多路載波光束，每路光束可分別獨(dú)立地載入傳輸信息。把這些光束匯集輸入傳輸光纖中，達(dá)到復(fù)用的目的。也可以緩解單一波分復(fù)用對(duì)激光器制作的苛刻要求，諸如放寬模距的調(diào)控精度等，因而也是實(shí)現(xiàn)超大容量信息傳輸?shù)闹匾緩?。一般單模光纖傳輸?shù)娜肜w光功率為3～5 mW，如果引入10個(gè)信道的時(shí)分復(fù)用，則對(duì)光載波激光器的光功率輸出至少應(yīng)達(dá)500 mW以上。早期有用DFB激光器與半導(dǎo)體光放大器（SOA）的單片集成來(lái)實(shí)現(xiàn)，但成品率低、代價(jià)高。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的團(tuán)隊(duì)采用大光腔結(jié)構(gòu)和非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)以及較長(zhǎng)的腔長(zhǎng)，配合采用較低耦合系數(shù)的DFB光柵實(shí)現(xiàn)了600 mW的光輸出，又改善了光束質(zhì)量，壓窄了線寬，能夠滿(mǎn)足TDM應(yīng)用的要求，同時(shí)在以空分接入的光網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)中已得到實(shí)際應(yīng)用。

圖3 可調(diào)諧分布放大（TDA）DFB激光器

2.4 多波長(zhǎng)信道DFB載波激光器陣列模塊化集成

實(shí)用化的波分復(fù)用系統(tǒng)中諸多激光源在時(shí)域中的高穩(wěn)定性非常重要，同時(shí)它也是光通信系統(tǒng)硅基化光電混合集成的基礎(chǔ)，已成為近些年來(lái)光子集成發(fā)展的熱點(diǎn)。美國(guó)Infinera公司的光發(fā)射PIC芯片［4］最具代表性，如圖4所示為該公司成功開(kāi)發(fā)的1.6 Tbit／s速率的40信道、每個(gè)信道滿(mǎn)足40 Gbit／s碼率的WDM PIC發(fā)射芯片結(jié)構(gòu)及輸出光譜。其結(jié)構(gòu)中既包括有源器件，如可調(diào)諧DFB激光器、EAM、SOA和PD，也包括無(wú)源器件如彎曲波導(dǎo)（S-bend）、陣列波導(dǎo)光柵（AWG）和模斑轉(zhuǎn)換器（SSC）等241個(gè)元件。

國(guó)內(nèi)PIC的工作起步較晚，直至2014年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所才報(bào)道了 100 Gbit／s EML PIC 發(fā)射芯片［5］。如圖 5所示，該芯片為10個(gè)10 Gbit／s碼率的EML與多模干涉耦合器（MMI）的集成，為使輸出波長(zhǎng)匹配于國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的要求，在每個(gè)激光器旁制作了Ti電阻波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器。整個(gè)PIC芯片包含的元件數(shù)為31個(gè)。難能可貴的是，該多波長(zhǎng)陣列芯片是采用廉價(jià)的全息曝光光柵技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

圖4 1.6 Tbit／s速率的40信道WDM PIC發(fā)射芯片

圖5 100 Gbit／s速率的10信道EML PIC發(fā)射芯片

同年，該研究所還首次報(bào)道了能讓各個(gè)信道的波長(zhǎng)間隔適用于DWDM系統(tǒng)用的SAG上波導(dǎo)限制層 （USCH）新技術(shù)，圖 6（a）即該技術(shù)的原理示意，圖 6（b）為由SAG-USCH 技術(shù)在1.55 μm波段實(shí)現(xiàn)的波長(zhǎng)間隔分別為0.2 nm（25 GHz）、0.4 nm（50 GHz）和 0.8 nm（100 GHz）的多波長(zhǎng) DFB 激光器陣列光譜，亦采用全息曝光光柵技術(shù)完成。華中科技大學(xué)和光迅聯(lián)合利用納米壓印和對(duì)接生長(zhǎng)技術(shù)，在2015年研制出了16路DFB激光器陣列與AWG集成芯片，通道間隔為200 GHz。

圖6 選擇區(qū)域外延上波導(dǎo)限制層（SAG-USCH）技術(shù)

3 中繼放大器（EDFA）泵浦源用980 nm半導(dǎo)體高功率激光器

在光通信系統(tǒng)中，其損耗是限制光纖通信距離的主要原因之一。光放大器的應(yīng)用，避免了光—電—光的轉(zhuǎn)換時(shí)延太長(zhǎng)和系統(tǒng)的復(fù)雜性，若用光放大器級(jí)連放大，傳送距離還可更遠(yuǎn)。至今為止，成功研制的光放大器主要有喇曼光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器、EDFA（erbium-doped amplifier，摻鉺光纖放大器）。其中，EDFA是光纖傳輸技術(shù)最突出的成就之一，是激光通信技術(shù)和光纖制造技術(shù)巧妙結(jié)合的產(chǎn)物，在光纖和光通信領(lǐng)域中得到了迅速而廣泛的應(yīng)用。在980 nm泵浦作用下，EDF（摻鉺光纖）的激光發(fā)射為三能級(jí)系統(tǒng)躍遷機(jī)制，參與工作的有3個(gè)能級(jí)：E1、E2和E3。在E1和E3能級(jí)之間通過(guò)受激吸收進(jìn)行光泵浦，泵浦波長(zhǎng)由E3和E1的能級(jí)差決定，受激吸收激發(fā)到E3能級(jí)的電子，經(jīng)弛豫到E2能級(jí)后回到E1能級(jí)發(fā)出1.55 μm波長(zhǎng)激光。因此980 nm泵浦激光器成為EDFA中除EDF（摻鉺光纖）外最為重要的器件。20世紀(jì)80年代末、90年代初，InGaAs應(yīng)變量子阱的出現(xiàn)使InGaAs量子阱激光器得到飛速發(fā)展，成為制作半導(dǎo)體激光器最佳的材料體系，迄今為止大功率半導(dǎo)體激光器各方面性能的紀(jì)錄，如最大功率、最高效率、最長(zhǎng)壽命等都由InGaAs保持。用于泵浦EDFA的980 nm大功率單模激光器同樣有著非常優(yōu)良的性能，并隨著半導(dǎo)體量子阱材料生長(zhǎng)技術(shù)、激光器芯片技術(shù)及封裝技術(shù)的逐步完善，長(zhǎng)壽命的980 nm激光器已非常成熟，國(guó)際上研制、生產(chǎn)高功率980 nm半導(dǎo)體激光器的公司主要有Lumentum（原JDSU 光器件部分）、3S Photonics、Oclaro、Furukawa 等 。目前，國(guó)外已經(jīng)有輸出功率達(dá)到1.05 W的980 nm單模大功率光纖光柵泵浦源半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品出售。圖7為3S Photonics公司14 pin帶制冷1 050 mW 980 nm泵浦激光器模塊和Lumentum 900 mW 14 pin 980 nm泵浦激光器模塊，二者均使用fiber Bragg grating鎖定發(fā)射波長(zhǎng)。

圖7 3S Photonics公司14pin帶制冷1 050 mW 980 nm泵浦激光器模塊和Lumentum 900 mW14pin980 nm泵浦激光器模塊

國(guó)內(nèi)用于EDFA的980 nm大功率單模激光器的研究開(kāi)始于20世紀(jì)90年代初，研究單位主要包括中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、武漢郵電科學(xué)研究院、北京工業(yè)大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)以及清華大學(xué)電子工程系等。其中，由清華大學(xué)電子工程系與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、武漢郵電科學(xué)研究院兩個(gè)團(tuán)隊(duì)共同承擔(dān)的“863”計(jì)劃的相關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目——摻餌光纖放大器用980 nm半導(dǎo)體激光泵浦源，該項(xiàng)目中的尾纖輸出功率最高值在100～200 mW。目前國(guó)內(nèi)980 nm半導(dǎo)體激光器尚無(wú)可靠的產(chǎn)品，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在較大的差距，需要進(jìn)一步加快成果轉(zhuǎn)化。

980 nm垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）由于受到光纖激光器、固體激光器泵浦、激光顯示等重要應(yīng)用的牽引，其研究得到快速的發(fā)展。2001年德國(guó)UIm大學(xué)采用大直徑（320 μm）器件實(shí)現(xiàn)單管連續(xù) 890 mW，19 個(gè)直徑 80 μm 器件列陣實(shí)現(xiàn)連續(xù)1.4 W（相當(dāng)于功率密度1 kW／cm2）和納秒窄脈沖10 W的光輸出［6］。美國(guó)加州大學(xué)采用1 000個(gè)直徑45 μm 的列陣實(shí)現(xiàn)脈沖 5 W 輸出［7］。2003 年美國(guó) Novalux 公司利用連續(xù)1 W輸出的980 nm垂直腔面發(fā)射激光器，通過(guò)腔內(nèi)倍頻獲得了42 mW的藍(lán)光高功率輸出。美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室光泵浦垂直腔單管器件，實(shí)現(xiàn)980 nm波長(zhǎng)輸出，脈沖功率達(dá)到4.4 W。

在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與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國(guó)際先進(jìn)的成果。2003年采用3個(gè)應(yīng)變補(bǔ)償?shù)腎nGaAs／GaAsP量子阱為有源區(qū)得到高性能的987 nm VCSEL［8］：口徑為 430 μm 的器件室溫連續(xù)輸出超過(guò) 1.5 W，激射峰半高寬僅為0.8 nm，瓦級(jí)輸出器件遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角低于10°，特征溫度超過(guò)220 K。隨后優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和工藝，將0.98 μm面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的輸出功率刷新到1.95 W，脈沖輸出10.5 W，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外報(bào)道中的最高水平［9］。2009年研制出連續(xù)輸出超過(guò)2.5 W的單管（效率20%）和脈沖輸出達(dá)到千瓦的高密度集成列陣［10］。

4 光載波信息檢測(cè)的半導(dǎo)體光—電接收器

基于InGaAs／InP材料體系的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器，以其精準(zhǔn)的晶格匹配度以及直接帶隙In0.53Ga0.47As材料的高吸收系數(shù)，是光纖通信系統(tǒng)理想的檢測(cè)器材料。

4.1 PIN型光電檢測(cè)器

在檢測(cè)器系列中，PIN型光電檢測(cè)器是研究最為成熟以及商用最廣泛的檢測(cè)器，其器件結(jié)構(gòu)由寬帶隙P型和N型InP材料構(gòu)成，中間I層為窄帶隙In0.53Ga0.47As光吸收層。光吸收層為本征層，承受著PN結(jié)間的電場(chǎng)，光生載流子以飽和速度漂移并被兩端電極分別收集。PIN檢測(cè)器具有制備工藝簡(jiǎn)單、量子效率高、暗電流低的特點(diǎn)。

PIN檢測(cè)器一般為面入射型，為了保證高量子效率而需要生長(zhǎng)較厚的吸收層，因而其帶寬受到限制，這是所有面入射器件不可避免的量子效率與帶寬的相互制約關(guān)系。波導(dǎo)型檢測(cè)器將光傳輸吸收與載流子的輸運(yùn)有效分離，能夠很好地解決這種制約關(guān)系，在滿(mǎn)足高響應(yīng)度的同時(shí)還可以有效地減小器件的尺寸，降低器件電容及工作電壓，利用這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)微小電容結(jié)構(gòu)的高響應(yīng)器件，同時(shí)其側(cè)面入的光結(jié)構(gòu)使其非常適合于平面集成，為實(shí)現(xiàn)高度集成的高速光子學(xué)系統(tǒng)提供了一種很好的探測(cè)解決方案。1991年，Kato K等人［11］為了增加波導(dǎo)檢測(cè)器端面與光纖的耦合效率，提出了一種多模光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對(duì)入射1.55 μm波長(zhǎng)獲得了68%的量子效率，3 dB帶寬達(dá)到了40 GHz。2002 年，Demiguel S 等人［12］報(bào)道了一種帶有 20 μm 長(zhǎng)的平面多模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的倏逝波耦合波導(dǎo)檢測(cè)器，獲得了1.02 A／W的響應(yīng)度、48 GHz的帶寬以及11 mA的飽和電流。2005年德國(guó)弗勞恩霍夫研究所的Beling A［13］報(bào)道了一種倏逝波耦合PIN型波導(dǎo)檢測(cè)器，如圖8所示。在稀釋波導(dǎo)之上構(gòu)建一個(gè)2 μm寬的脊型單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，光通過(guò)單模波導(dǎo)傳入向外延伸的光學(xué)匹配層中，繼而進(jìn)入PIN臺(tái)面有源區(qū)被吸收。器件的響應(yīng)度達(dá)到0.5 A／W，3 dB帶寬主要受到渡越時(shí)間的限制，達(dá)到120 GHz。

國(guó)內(nèi)也多有對(duì)InP基波導(dǎo)探測(cè)器的研究，2013年中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所報(bào)道了一種高線性度的倏逝波耦合波導(dǎo)探測(cè)器，3 dB帶寬達(dá)到40 GHz，線性響應(yīng)輸出光電流超過(guò)20 mA［14］；2015年報(bào)道了基于此種倏逝波耦合波導(dǎo)探測(cè)器的 10×20 GHz 的探測(cè)器陣列［15］。

4.2 高飽和功率高速檢測(cè)器

隨著光纖通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，人們不僅需要大量數(shù)據(jù)的快速傳輸，還希望能夠隨時(shí)隨地通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸大容量數(shù)據(jù)。光載微波通信（radio over fiber，RoF）技術(shù)的提出有效解決了多頻段快速無(wú)線傳輸?shù)膯?wèn)題，同時(shí)大大提高了信號(hào)覆蓋能力，由于微波終端發(fā)射的是模擬信號(hào)，從覆蓋面和保真度考慮，對(duì)光接收器件提出了新的要求——高飽和光功率的寬帶檢測(cè)器。

以接收端光電檢測(cè)器為例，無(wú)論是傳統(tǒng)PIN結(jié)構(gòu)還是高靈敏度的APD結(jié)構(gòu)，隨著入射光功率的不斷增加，光電流會(huì)很快達(dá)到飽和值，而不再隨著光功率線性增加。其主要原因是耗盡區(qū)內(nèi)的空間電荷屏蔽效應(yīng)：當(dāng)耗盡區(qū)內(nèi)（APD結(jié)構(gòu)中的倍增區(qū)）的光生載流子數(shù)量不斷增長(zhǎng)至超過(guò)背景摻雜時(shí)，載流子無(wú)法完全迅速被收集，因此逐漸在耗盡區(qū)內(nèi)堆積（尤其是漂移速度較慢的空穴）并改變暗場(chǎng)時(shí)的電場(chǎng)分布，從而導(dǎo)致耗盡區(qū)電場(chǎng)被嚴(yán)重屏蔽，載流子漂移速度下降，器件響應(yīng)度隨即下降。

為減緩空間電荷屏蔽效應(yīng)的影響，日本NTT電子實(shí)驗(yàn)室［16］首次提出了“單載流子”光電檢測(cè)器（uni-traveling-carrier photodiode，UTC-PD）結(jié)構(gòu)，其能帶結(jié)構(gòu)如圖9所示。該結(jié)構(gòu)改變了傳統(tǒng)PIN結(jié)構(gòu)中的能帶結(jié)構(gòu)，調(diào)換本征區(qū)與P+區(qū)的材料，將本征區(qū)換成寬帶隙 InP材料，而 P+區(qū)采用光吸收材料In0.53Ga0.47As。光生載流子直接產(chǎn)生于P+區(qū)，空穴不再經(jīng)過(guò)耗盡的本征區(qū)而直接被P電極收集，只有電子漂移掃過(guò)本征區(qū)（收集區(qū)）。利用電子較高的漂移速度，甚至是過(guò)沖速度（2.0×107 cm／s），可以有效減緩載流子在本征區(qū)內(nèi)的堆積，從而實(shí)現(xiàn)較高的飽和光功率。

圖8 倏逝波耦合波導(dǎo)檢測(cè)器示意

圖9 單載流子探測(cè)器能帶示意

如何在保證帶寬的前提下，提高UTC結(jié)構(gòu)的響應(yīng)度與飽和光功率是人們的主要研究方向。雖然加寬吸收區(qū)厚度可以提高光吸收效率，但由于光生電子需由擴(kuò)散通過(guò)P+吸收區(qū)到達(dá)收集區(qū)邊界，過(guò)厚的吸收區(qū)寬度會(huì)大大增加電子的渡越時(shí)間，導(dǎo)致帶寬下降。研究人員隨即提出P+區(qū)漸變摻雜的方法，制造出吸收區(qū)內(nèi)價(jià)帶的傾斜，使電子從單純的擴(kuò)散方式轉(zhuǎn)為擴(kuò)散—漂移聯(lián)合運(yùn)動(dòng)方式，從而減小了吸收區(qū)內(nèi)的渡越時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)維吉尼亞大學(xué)Joe C Campbell研究小組對(duì)UTC結(jié)構(gòu)做出了改進(jìn)，在P+吸收區(qū)與收集層間加入一層本征或低摻的InGaAs吸收區(qū)與N型InP薄層，一方面通過(guò)加厚吸收層提高器件響應(yīng)度，同時(shí)利用N型包層在本征吸收層中制造一個(gè)P-N結(jié)，反向電場(chǎng)使電子能快速通過(guò)該區(qū)域到達(dá)收集區(qū)邊界。利用該方法，他們實(shí)現(xiàn)了飽和光電流為134 mA、帶寬為20 GHz的面入射UTC-PD，其響應(yīng)度高達(dá)0.82 A／W。2014年，他們采用級(jí)聯(lián)方式集成4個(gè)相位匹配的UTC-PD，并采用倒裝封裝散熱襯底的方式，研制出48 GHz下350 mA飽和光電流的檢測(cè)器陣列［17］。

另一種改進(jìn)方法是由中國(guó)臺(tái)灣中央大學(xué)吳衍祥研究小組［18］提出的“近彈道輸運(yùn)”（near-ballistic）UTC 結(jié)構(gòu)。他們?cè)谑占瘏^(qū)中插入一P型薄層，將收集區(qū)分隔成兩部分，一部分是靠近收集區(qū)的低場(chǎng)區(qū)（彈道輸運(yùn)層）；另一部分是靠近N+接觸的高場(chǎng)區(qū)（電場(chǎng)承受層）。通過(guò)調(diào)節(jié)兩部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)電子以過(guò)沖速度掃過(guò)低場(chǎng)區(qū)域，從而進(jìn)一步降低渡越時(shí)間，如圖10所示。他們于2012年報(bào)道了在110 GHz帶寬下飽和光電流37 mA的器 件 性 能［19］。

2013年，清華大學(xué)報(bào)道了一種“背對(duì)背”式UTC結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)UTC結(jié)構(gòu)在N接觸層背靠背對(duì)接，呈現(xiàn)出“PINIP”的摻雜結(jié)構(gòu)，通過(guò)上下兩個(gè)P接觸與中間N接觸實(shí)現(xiàn)兩部分UTC結(jié)構(gòu)同時(shí)探測(cè)的工作方式，在不犧牲帶寬的前提下大幅提高了響應(yīng)度。研究結(jié)果表明在24 GHz帶寬下、飽和電流 62 mA 時(shí)，響應(yīng)度可達(dá)到 0.86 A／W［20］。

4.3 雪崩光電二極管

雪崩光電二極管（avalanche photodiode，APD）是一種高靈敏度的檢測(cè)器結(jié)構(gòu)。它通過(guò)載流子與晶格的碰撞電離效應(yīng)引入內(nèi)增益機(jī)制，使器件靈敏度大大提高，平均比PIN檢測(cè)器高5～10 dB。用于光纖通信接收器的APD通常工作于線性模式，此時(shí)倍增區(qū)的電勢(shì)在擊穿VB電壓以下，一般具有十幾到幾十的增益。在器件結(jié)構(gòu)上，早期APD采用同質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由于吸收和倍增均發(fā)生窄帶材料，在高電場(chǎng)情況下，會(huì)產(chǎn)生很大的隧穿電流，使得器件性能難以提高。為了解決這一問(wèn)題，人們提出了一種新型結(jié)構(gòu)，即 SAM（separated absorption and multiplication）APD 結(jié)構(gòu)，如圖11所示。在這種結(jié)構(gòu)中吸收區(qū)和倍增區(qū)相互分離，雪崩倍增發(fā)生在寬帶隙材料中，而吸收則在窄帶隙材料中完成，吸收區(qū)電場(chǎng)較小，產(chǎn)生的隧道電流也較小，從而達(dá)到降低暗電流的目的。為了進(jìn)一步調(diào)節(jié)吸收層和增益層的電場(chǎng)分布，在器件設(shè)計(jì)中又引入了電荷層，發(fā)展了SACM（separated absorption charge multiplication）結(jié)構(gòu)，大大提高了器件各方面的性能。

圖10 近彈道輸運(yùn)UTC能帶示意

對(duì)線性模式APD的研究主要圍繞通過(guò)改善器件結(jié)構(gòu)和材料降低過(guò)剩噪聲及增加增益—帶寬積兩方面。從外延層的電學(xué)結(jié)構(gòu)上講，為降低吸收區(qū)和倍增區(qū)異質(zhì)結(jié)界面處載流子的堆積從而提高器件帶寬，通常需加入InGaAsP層平滑異質(zhì)結(jié)處能帶結(jié)構(gòu)（SAGM）。另外，通過(guò)在倍增區(qū)中加入電荷層，可以更加靈活地調(diào)節(jié)器件內(nèi)電場(chǎng)分布（SAGCM），使電場(chǎng)集中在倍增區(qū)中，同時(shí)保證吸收區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度滿(mǎn)足載流子高權(quán)重漂移的要求。從器件結(jié)構(gòu)上，也可以采用平面型器件結(jié)構(gòu)以降低暗電流。進(jìn)一步地，為了降低擴(kuò)散摻雜帶來(lái)的邊緣擊穿效應(yīng)，人們又在提出了兩步擴(kuò)散、刻蝕坑與浮動(dòng)擴(kuò)散保護(hù)環(huán)等平面結(jié)構(gòu)。2003年韓國(guó)世宗大學(xué)［21］報(bào)道了采用刻蝕坑與浮動(dòng)擴(kuò)散保護(hù)環(huán)相結(jié)合的平面型SAGCM-APD器件，獲得了80 GHz的增益—帶寬積和約10 GHz的最大帶寬。

圖11 分離吸收過(guò)渡電荷倍增雪崩光電檢測(cè)器外延結(jié)構(gòu)示意

由于APD的噪聲和帶寬在倍增材料k值 （低離化率載流子與高離化率載流子的離化率比值）越低時(shí)性能越優(yōu)，而InP相對(duì)較高的k值制約了100 GHz以上的增益—帶寬積。隨即，人們提出用In0.52Al0.48As材料作為低k值的倍增層代替InP材料。2010年阿爾卡特朗訊與泰雷茲聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室Ⅲ-V實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了平面型InAlAs倍增層的APD器件，獲得了11.8 GHz的最大帶寬和240 GHz的增益—帶寬積，其單位增益下的外量子效率高達(dá)0.73，k值在 0.13～0.15［22］。

為進(jìn)一步降低過(guò)剩噪聲，人們開(kāi)始改善倍增區(qū)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)將寬、窄帶隙材料相間的異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為倍增區(qū)能帶結(jié)構(gòu)。載流子在寬帶隙材料中不發(fā)生雪崩倍增，但可以積累較高的能量，以便在窄帶隙材料中能夠迅速引發(fā)碰撞電離，從而降低碰撞電離在空間上的不均勻性。這種設(shè)計(jì)被稱(chēng)為碰撞電離（impact ionization engineering，I2E）設(shè)計(jì)原理，k 值可低到 0.1［23］。

線性模式的APD器件是光接收機(jī)中常用的檢測(cè)器類(lèi)型，如何改善其性能的研究一直未停下腳步。其本質(zhì)是如何在保證一定增益下獲得盡量高的帶寬以及盡可能低的噪聲。最近，日本NTT光子實(shí)驗(yàn)室又提出了一種新型“三臺(tái)倒轉(zhuǎn)P臺(tái)面”APD器件結(jié)構(gòu)，雖然是基于InAlAs倍增材料的SACM電學(xué)結(jié)構(gòu)，但改善了原本的臺(tái)面型結(jié)構(gòu)，有效降低了倍增層側(cè)壁的表面電場(chǎng)強(qiáng)度，大大提高了器件的穩(wěn)定性與可靠性。研究制備出的單片集成四通道APD陣列在增益M=10的情況下，能夠保證單個(gè)器件的高響應(yīng)度為0.9 A／W 與大帶寬為 18 GHz，可作為 100 Gbit／s以太網(wǎng)光接收機(jī)芯片使用［24］。

國(guó)內(nèi)對(duì)于APD的研究從20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開(kāi)始，主要針對(duì)光纖通信方面的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)多年的研究，APD性能不斷提高。2012年中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所報(bào)道了一種具有極低暗電流的平面型 InGaAs／InP APD，直徑 30 μm的器件在室溫下90%擊穿電壓下暗電流為0.1 nA，無(wú)減反膜時(shí)單位增益下響應(yīng)度為 0.65 A／W［25］；2015年又提出了一種新型的APD結(jié)構(gòu)，以InAlAs作為倍增材料，并采用三級(jí)臺(tái)階型結(jié)構(gòu)，有效降低了器件表面電場(chǎng)強(qiáng)度，直徑55 μm的器件在室溫下90%擊穿電壓下暗電流為6 nA，無(wú)減反膜單位增益光響應(yīng)為 0.77 A／W［26］。

目前，國(guó)際上商用高速光電檢測(cè)器的供應(yīng)商主要有美國(guó)的 Finisar、Lumentum（原 JDSU光器件部分），日本的濱松公司，NTT公司，德國(guó)的u2t公司等。它們不僅在檢測(cè)器的研究與商用轉(zhuǎn)化上處于國(guó)際領(lǐng)先低位，并且對(duì)很多新型高性能檢測(cè)器的研究工作也處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

國(guó)內(nèi)的光電檢測(cè)器生產(chǎn)研發(fā)機(jī)構(gòu)主要包括武漢光迅科技、華工正源、深圳海思等公司，研究單位包括清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、北京郵電大學(xué)、重慶光電技術(shù)研究所、華中科技大學(xué)等。在高速檢測(cè)器研究方面，國(guó)內(nèi)已研制出40 Gbit／s波導(dǎo)檢測(cè)器，但尚未形成產(chǎn)品，主要受限于高頻封裝。對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)器，國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)較好的產(chǎn)業(yè)化，PIN傳輸速率可達(dá) 10 Gbit／s，APD速率可達(dá)2.5 Gbit／s，但在高性能檢測(cè)器商用產(chǎn)品方面，仍然與國(guó)外有較大差距。

5 單片集成化接收機(jī)中的長(zhǎng)波長(zhǎng)硅基光電接收器

光纖通信波段的硅基長(zhǎng)波長(zhǎng)光電檢測(cè)器的研究是從SiGe光電檢測(cè)器開(kāi)始的。由于Ge與Si晶格失配度達(dá)4.2%，生長(zhǎng)高Ge組分的SiGe材料存在很大的挑戰(zhàn)，SiGe光電檢測(cè)器的探測(cè)波長(zhǎng)只能拓展到1 310 nm左右，而采用Ge量子點(diǎn)材料，可以將探測(cè)波長(zhǎng)拓展到1 550 nm，但是這兩種光電檢測(cè)器由于在1 310 nm和1 550 nm波段材料的吸收系數(shù)很低，器件的響應(yīng)度差。為了提高響應(yīng)度，在王啟明院士的指導(dǎo)下，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研制出具有共振腔增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的 SiGe 和 Ge 量子點(diǎn)光電檢測(cè)器［27，28］，響應(yīng)度提高了3倍，但是離實(shí)際的應(yīng)用要求還有一定距離。隨著硅襯底上高質(zhì)量Ge材料外延生長(zhǎng)的突破，硅基Ge光電檢測(cè)器在短短幾年內(nèi)獲得了快速發(fā)展，并在硅基光電子集成接收機(jī)芯片中獲得應(yīng)用，成為最主要的硅基光電檢測(cè)器。

硅基鍺光電檢測(cè)器與Si CMOS工藝兼容，而且在光通信和光互連波段有高的響應(yīng)度，是硅光子學(xué)的關(guān)鍵性器件。人們已經(jīng)研制出了不同電學(xué)結(jié)構(gòu)和光學(xué)結(jié)構(gòu)的硅基鍺光電檢測(cè)器及其集成陣列，按照其光學(xué)結(jié)構(gòu)不同，主要有面入射結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)兩種，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。按電學(xué)結(jié)構(gòu)和工作原理不同，主要有PIN結(jié)構(gòu)和APD結(jié)構(gòu)兩種器件。下面分別做簡(jiǎn)單的介紹。

5.1 PIN結(jié)構(gòu)硅基鍺光電檢測(cè)器

PIN結(jié)構(gòu)器件可以實(shí)現(xiàn)高速、高響應(yīng)、低暗電流，是研究得最多、性能最好的硅基鍺光電檢測(cè)器結(jié)構(gòu)。依照不同應(yīng)用需求，PIN結(jié)構(gòu)硅基Ge光電檢測(cè)器主要有面入射結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)兩種。圖12是面入射結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的硅基PIN Ge光電探測(cè)器示意。

面入射結(jié)構(gòu)光電檢測(cè)器的響應(yīng)度與光吸收層厚度密切相關(guān)，而吸收層的厚度又決定了光生載流子的渡越時(shí)間，因此響應(yīng)度與響應(yīng)速度之間存在著制約的關(guān)系。想要獲得高的響應(yīng)速度，就得犧牲器件的響應(yīng)度。例如，為了提高帶寬，德國(guó)斯圖加特大學(xué)將Ge吸收層的厚度降低，同時(shí)將器件直徑減小到10 μm，在2009年研制出3 dB帶寬達(dá)49 GHz的面入射結(jié)構(gòu)Ge光電檢測(cè)器［29］。雖然器件的帶寬很高，但由于光吸收層很薄，器件響應(yīng)度很低，只有0.05 A／W，對(duì)應(yīng)的量子效率只有4%，難以實(shí)用。需要根據(jù)應(yīng)用的需求，兼顧速率和響應(yīng)度的需要，不能只追求某一個(gè)指標(biāo)。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所于2009年研制出了國(guó)內(nèi)首個(gè)硅襯底上的高速Ge光電檢測(cè)器［30］，對(duì) 1 310 nm和1 550 nm波長(zhǎng)的光響應(yīng)度分別為0.38 A／W和0.21 A／W，在0 V和-3V偏壓下的3dB帶寬分別為4.72GHz和6.28 GHz。2013年，又研制出SOI襯底上的高速高響應(yīng)鍺光電檢測(cè)器［31］，直徑為 20 μm 的器件對(duì)于 1 550 nm 波長(zhǎng)光的響應(yīng)度為 0.3 A／W，響應(yīng)帶寬為 23.3 GHz，直徑 15 μm 的器件響應(yīng)帶寬達(dá)到26.4 GHz，兼顧了器件的響應(yīng)度和響應(yīng)帶寬的需求。

圖12 硅基PIN Ge光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意

波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的Ge PIN光電檢測(cè)器中光生載流子的輸運(yùn)方向可以設(shè)計(jì)成與光的傳播方向垂直，在實(shí)現(xiàn)足夠的光吸收的同時(shí)保持了較小的載流子渡越時(shí)間，解除響應(yīng)速度與響應(yīng)度之間相互制約的矛盾。再則，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光電檢測(cè)器也是光子集成回路所必需的。波導(dǎo)型Ge光電檢測(cè)器按光耦合方式有兩類(lèi)主要結(jié)構(gòu)：一種是Butt耦合結(jié)構(gòu)，Ge光電檢測(cè)器的Ge吸收層材料與Si波導(dǎo)直接對(duì)接，來(lái)自硅波導(dǎo)的光直接入射到端側(cè)的Ge吸收層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光的探測(cè)；另一種是消逝場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)，Ge檢測(cè)器吸收材料處于硅波導(dǎo)的上面，來(lái)自硅波導(dǎo)的光到達(dá)檢測(cè)器后，由于Ge的折射率比硅大，光將通過(guò)消逝場(chǎng)耦合進(jìn)入折射率比Si大的Ge吸收層，實(shí)現(xiàn)對(duì)光的吸收探測(cè)。前者工藝比較復(fù)雜，需要嚴(yán)格控制Ge外延區(qū)硅的腐蝕，還需要進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光等工藝。優(yōu)點(diǎn)是較小器件長(zhǎng)度就可以充分吸收入射光，由于器件尺寸小、電容小，速度可以更快。而消逝場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)工藝比較簡(jiǎn)單，但是器件要求長(zhǎng)一些，以保障足夠的光響應(yīng)。代表性的工作如法國(guó)巴黎第11大學(xué)［32］研制出的與硅波導(dǎo)Butt耦合的波導(dǎo)型Ge光電檢測(cè)器，器件長(zhǎng)度為15 m，3 dB帶寬在-4 V下達(dá)到42 GHz，1 520 nm波長(zhǎng)下的響應(yīng)達(dá)到1 A／W，在保障高速工作的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了高的響應(yīng)，但是暗電流密度比較大，在-1 V下為 60 mA／cm2，并在偏壓增加時(shí)迅速增大。2012年，他們研制的Ge光電檢測(cè)器由于減小了本征吸收區(qū)的厚度，在0 V偏壓下實(shí)現(xiàn)了 40 Gbit／s的探測(cè)速率，暗電流密度為 80 A／cm2。為了進(jìn)一步提高帶寬，人們也做了一些有益的嘗試，如采用Gain peaking技術(shù)，在電極引線上增加電感［33］或者設(shè)計(jì)合適的鍵合金線，可以將器件帶寬提高到約60 GHz，但響應(yīng)度會(huì)有所降低。

5.2 Ge／Si異質(zhì)結(jié)雪崩光電二極管

APD（avalanche photo diode）器件由于具有倍增效應(yīng)，可以對(duì)弱光進(jìn)行探測(cè)，可以降低對(duì)光探測(cè)模塊中放大電路的要求，甚至免去放大電路，是光通信系統(tǒng)中的重要器件。由于硅的電子碰撞離化率遠(yuǎn)大于空穴的離化率、噪聲低，是最好的雪崩倍增材料，但是由于其帶隙決定了其不能對(duì)長(zhǎng)波進(jìn)行探測(cè)，而Ge對(duì)1 550 nm和1 310 nm的光具有高響應(yīng)，所以，人們提出了以Ge為吸收區(qū)、以Si為倍增區(qū)的Ge／Si APD（Ge／Si SACM APD）結(jié)構(gòu)。它綜合利用 Ge 在1 550 nm和1 310 nm高響應(yīng)和硅材料優(yōu)異的雪崩倍增特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信波段的弱光探測(cè)。Intel公司在2008年12月8日宣布其研究團(tuán)隊(duì)在采用Si襯底上外延生長(zhǎng)的Ge材料成功研制出了基于硅的雪崩光電檢測(cè)器，其增益帶寬積達(dá)到了創(chuàng)記錄的340 GHz，爾后他們又將這一記錄提高到840 GHz［34］，與其他化合物半導(dǎo)體的 APD 器件相比，顯示出了明顯的優(yōu)勢(shì)。圖13是他們研制的Ge／Si SACM APD的增益帶寬積測(cè)試結(jié)果。Ge／Si SACM APD也可以制備成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如Intel研制出 Butt耦合和消逝場(chǎng)耦合的Ge／Si SACMAPD，70m長(zhǎng)的消逝場(chǎng)耦合APD器件帶寬為23 GHz，在10 Gbit／s速率、誤碼率在 1×10-12以下時(shí)，靈敏度為-30.4 dBm。30m長(zhǎng)的Butt耦合結(jié)構(gòu)APD的帶寬為29.5 GHz。新加坡微電子所研制出類(lèi)似結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)Ge／Si SACM APD器件［35］，3 dB帶寬為20 GHz，1 550 nm波長(zhǎng)下的響應(yīng)為 22 A／W，推算的靈敏度可達(dá)-30.5 dBm。

圖13 Intel與UCSB合作研制的Ge／Si SACM APD的增益帶寬積測(cè)試結(jié)果

再則，利用硅襯底上制備的Ge材料，可以制備出MSM結(jié)構(gòu)和PIN結(jié)構(gòu)的Ge APD器件。器件雖然制備在硅襯底上，但Si材料并不參與光電檢測(cè)器的工作。MSM結(jié)構(gòu)的Ge APD器件首先由IBM于2010年研制成功［36］。他們采用快速熔融法制備SiON上的Ge薄層，用叉指結(jié)構(gòu)W金屬與Ge接觸形成一系列沿波導(dǎo)方向的肖特基結(jié)。當(dāng)電壓高于Ge擊穿電壓時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)APD工作。由于接觸電極間距只有 200 nm，在 3.4 V 偏壓下，增益達(dá)到 10，40 Gbit／s的眼圖可以很好地張開(kāi)。橫向PIN結(jié)構(gòu)的Ge APD由法國(guó)巴黎第11大學(xué)首先報(bào)道［37］。在220 nm的SOI上制備波導(dǎo)，在波導(dǎo)的端頭腐蝕Si到40 nm厚作為Ge外延區(qū)域，外延Ge后通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光將Ge層減薄到300 nm厚，制備橫向結(jié)構(gòu)的PIN器件，I層寬度為500 nm。器件在偏壓在5 V下可以實(shí)現(xiàn)雪崩倍增。在無(wú)增益情況下，3 dB帶寬大于40 GHz，增益為17時(shí)，帶寬達(dá)11 GHz。值得一提的是，對(duì)于一般PIN結(jié)構(gòu)的硅基Ge光電檢測(cè)器，偏壓加得足夠高時(shí)，也會(huì)發(fā)生雪崩倍增，實(shí)現(xiàn)APD工作，也能滿(mǎn)足某些方面的需求，但信噪比較差。如比利時(shí)的IMEC［38］研制的硅基Ge波導(dǎo)結(jié)構(gòu)APD器件，其電學(xué)結(jié)構(gòu)就是普通的PIN結(jié)構(gòu)，在低偏壓下，3 dB帶寬可以大于50 GHz；在 6.2 V偏壓下，帶寬為 10.4 GHz，增益為10.2，增益帶寬積達(dá)到100 GHz。

綜上所述，面入射結(jié)構(gòu)的硅基Ge PIN光電檢測(cè)器存在響應(yīng)帶寬與響應(yīng)度之間的矛盾，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要找到平衡點(diǎn)，兩者兼顧的典型器件性能是帶寬25 GHz左右，1 550 nm波長(zhǎng)下的響應(yīng)度約為0.3 A／W。對(duì)于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的硅基鍺光電檢測(cè)器，由于解除了響應(yīng)度和帶寬之間的制約，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)度和高帶寬，目前典型的研究結(jié)果是，帶寬約40 GHz，1 550 nm波長(zhǎng)下的響應(yīng)度約為1 A／W。另外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)弱光的探測(cè)，硅基鍺APD器件研究也是近年的研究熱點(diǎn)。為了降低倍增中的過(guò)剩噪聲，器件一般設(shè)計(jì)成吸收區(qū)與倍增區(qū)分離的結(jié)構(gòu)，增益帶寬積高達(dá)840 GHz。另外，為實(shí)現(xiàn)低偏壓下工作的硅基Ge APD器件，人們也研制出了電極間距很短的硅基MSM結(jié)構(gòu)和橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge APD器件。

6 結(jié)束語(yǔ)

以上概要地展現(xiàn)和介紹了推動(dòng)21世紀(jì)光纖通信系統(tǒng)迅速發(fā)展的主力——有源光電子器件和集成技術(shù)的概況。光纖通信的含義無(wú)疑已遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超越了50年前的電信范疇。在傳輸信息的類(lèi)別、傳輸功能的拓展、傳輸制式的多變、傳輸時(shí)域的加快和傳輸空域的擴(kuò)大等方面，都有了前所未有的巨大躍變。數(shù)字光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)、互聯(lián)網(wǎng)的滲透與普及、量子密鑰的采用、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展已使信息化社會(huì)邁向了智能化的新時(shí)代。

特大容量（Zbit／s）的數(shù)字化傳輸系統(tǒng)、ps級(jí)實(shí)時(shí)光交換和路由、低噪聲高靈敏寬帶接收機(jī)以及數(shù)字與模擬融合的超快信息處理技術(shù)將陸續(xù)登上舞臺(tái)。其中，諸如密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)的采用、ps級(jí)脈沖光頻梳激光器、低噪聲高靈敏的光電接收器、ps級(jí)波長(zhǎng)變換器以及低功耗路由光開(kāi)關(guān)、多波長(zhǎng)發(fā)射的單光子發(fā)射與接收器將再次成為推動(dòng)智能化時(shí)代發(fā)展的主力軍。

在光電子信息傳輸系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化規(guī)?；l(fā)展進(jìn)程中，硅基材料將在系統(tǒng)集成中占據(jù)高位。硅基集成光電子將成為未來(lái)發(fā)展的主流。關(guān)鍵在于可與硅基CMOS電路兼容集成的激光器的突破性發(fā)展。硅微電子處理器芯片內(nèi)的光互連無(wú)疑將取決于在硅基芯片中構(gòu)建微型光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，它將對(duì)提升超快計(jì)算機(jī)運(yùn)行速率做出劃時(shí)代的奠基性貢獻(xiàn)。

創(chuàng)新是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)力，長(zhǎng)江后浪推前浪是人類(lèi)歷史發(fā)展的真諦。

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Progress in active devices for optical fiber communication

WANG Qiming1，ZHAO Lingjuan2，ZHU Hongliang2，HAN Qin1，CHENG Buwen1
1.State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics，Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100045，China 2.Key Laboratory of Semiconductor Materials，Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100045，China

The rapid progress of optical fiber communication makes it become the key technology for the information society.The active and passive optoelectronic devices are the foundation of the optical communication.The progress and development trend of the key active optoelectronic devices were reviewed，including DFB laser，photonic integrated circuit，980 nm high power laser for EDFA pumping，compound semiconductor photodetector and Si-based long wavelength photodetector.

optical fiber communication，active device，DFB laser，pumping laser，photodetector，avalanche photo diode

TN36

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016141

2016-03-03；

2016-05-09

王啟明（1934-），男，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員、院士，主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體光電子學(xué)。

趙玲娟（1964-），女，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員、博士生導(dǎo)師，主要從事InP基半導(dǎo)體激光器及光子集成芯片技術(shù)的研究工作，包括高速DFB激光器、電吸收調(diào)制器、半導(dǎo)體光放大器、半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器、全光時(shí)鐘恢復(fù)等光子信息處理器件、光生微波集成芯片以及寬帶混沌光集成芯片的研究工作。

朱洪亮（1957-），男，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員、博士生導(dǎo)師，主要從事InP基光子集成芯片技術(shù)的研究工作，包括高速DFB激光器、電吸收調(diào)制DFB激光器、激光器陣列集成發(fā)射芯片等研究工作。

韓勤（1965-），男，博士，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣怆娮硬牧?、器件和多功能光電集成芯片，包括高速Ⅲ／Ⅴ族半?dǎo)體光探測(cè)器、高飽和電流模擬光探測(cè)器、線性／蓋格模式APD及焦平面 APD陣列、高性能Ⅲ／Ⅴ族半導(dǎo)體光放大器和激光器；用于光纖通信、接入網(wǎng)和光互連的InP基及Si基多功能光電集成芯片。

成步文（1967-），男，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣杌愘|(zhì)結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和器件研制，包括硅襯底上SiGe、Ge、GeSn等Ⅳ族材料的外延生長(zhǎng)，并利用這些材料開(kāi)展硅基高效發(fā)光器件、高速高靈敏度光電探測(cè)器、低功耗電光調(diào)制器、新型高遷移率MOSFET等光電子和微電子器件和芯片的研制。