硅基光電子學(xué)與光電子器件應(yīng)用

王嘉翊

摘 要：本文介紹了光子晶體的概念，回顧了硅基光子學(xué)的發(fā)展歷史，分析了其發(fā)展現(xiàn)狀和面臨問題。光電子器件以光子代替電子傳遞信息，因為光子的輸運特性便具有熱損小、功率損失低、占用體積小、傳遞信息速率高的特點，因而受到人們的廣泛關(guān)注。要實現(xiàn)“全光子化”傳遞信息需要實現(xiàn)集成光回路。本文分析了用硅基光子器件集成光回路的可能性以及目前存在技術(shù)難點最后本文對展望了硅基光子學(xué)和光電子器件的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：光子晶體；硅基光電子學(xué)；集成光回路

中圖分類號：TN256 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）08-0230-01

1 光子晶體

光子在傳播時，遇到周期排布的介電常數(shù)材料，將會產(chǎn)生布拉格散射，因而會產(chǎn)生光子能帶與帶隙，使光子晶體具有光半導(dǎo)體的性質(zhì)[1-2]。目前來說，我們主要靠對于缺陷的引入來實現(xiàn)對光子的局域化控制。缺陷有兩種基本形式：線缺陷和點缺陷。當(dāng)引入線缺陷時，對于處在光子晶體禁帶能量的光子，它不能逃逸進(jìn)入周圍的光子晶體當(dāng)中，因而只能沿著線缺陷的確定路徑傳播。光子晶體波導(dǎo)對于光的傳輸性能強(qiáng)過傳統(tǒng)的波導(dǎo)物質(zhì)，例如光纖。光纖依靠全反射作用來實現(xiàn)光的傳輸，但在較大轉(zhuǎn)彎角處由于不再滿足全反射條件而會有光子逃逸。在微納尺度上使用光子晶體波導(dǎo)的傳輸效率更高。光子晶體憑借它的特點，被廣泛研究。例如一些應(yīng)用于各個不同的光頻段，有的看重更低的損耗、小限制的傳播窗口，還有一些則具有特殊用途（減緩光速）。

自從光子晶體的概念被提出以來，它就和它的蘊(yùn)含的巨大應(yīng)用價值聯(lián)系在一起。[3]它那特有光子帶隙能夠抑制物質(zhì)的自發(fā)輻射，而這可以用于制作全反射鏡。另外，我們在其中引入缺陷，可以制成缺陷模，而缺陷?？梢杂弥谱魑⑶?、波導(dǎo)、光開關(guān)、甚至人們熟知的激光器和探測器等等?？傊晒怆娮訉W(xué)是光子晶體主要的活躍范圍，但是同時光子晶體在其他各個方面也有著重要的應(yīng)用價值，它可以提高現(xiàn)今不斷走進(jìn)我們?nèi)粘Ｉ畹陌l(fā)光二極管的工作效率。

2 硅基光電子學(xué)

由于硅基半導(dǎo)體集成電路在生產(chǎn)規(guī)模和成本方面具有明顯的優(yōu)勢， 所以現(xiàn)階段人們嘗試用硅作為制作納米級電子器件的主要材料，來縮減在Ⅲ-Ⅴ族元素中尋找材料制作具有相同目的的微納光電子器件的成本，現(xiàn)階段人們憑借已知的硅在1.3～1.5μm通信波段具有的低功耗的優(yōu)勢，并以此為基礎(chǔ)，已經(jīng)成功生產(chǎn)出大量的硅基微納光電子器件，就比如說此類的耦合器、光波導(dǎo)器件等。雖然說現(xiàn)階段硅基微納光電子器件已經(jīng)具有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢，但為了它在具體應(yīng)用的過程中保證夠達(dá)到預(yù)期的應(yīng)用效果，我們需要對其部分性能進(jìn)行有效的優(yōu)化。只要硅基微納光電子器件在性能方面能夠不斷地優(yōu)化、我們的技術(shù)能夠不斷完善，它的應(yīng)用空間就會得到擴(kuò)展。

在對硅光晶體的研究中，我們已經(jīng)看到：在硅基材料中引入光子晶體可以明顯的提高它的發(fā)光效率。憑借這我們可以預(yù)見：隨著新型硅基高效發(fā)光材料研究的不斷深入，新型制備技術(shù)如電注入泵浦方法的突破和光子晶體物理性質(zhì)研究的深入，以及對于高效硅基材料的發(fā)光特性使用光子晶體的局域光效應(yīng)加以控制，就很有可能提高硅基材料的發(fā)光增益，以此實現(xiàn)擁有低閾值的硅基激光器制備，進(jìn)而可以在微電子芯片中利用光子替代電子作為載體來實現(xiàn)光耦合互聯(lián)，消除電子傳播發(fā)熱的劣勢，這樣就可以突破電子瓶頸效應(yīng)。[4]

3 集成光回路

和普通的信息處理相似，信息處理“全光子化”，就是指利用光來進(jìn)行信息傳遞。它的概念包涵了光信號的發(fā)出、它的調(diào)節(jié)、對光信號的接收、對于信號的處理、信號的返回的整個過程。作為光信號的來源的有源發(fā)光器以光子晶體為基礎(chǔ)，光信號又受到光子晶體制成的光開關(guān)調(diào)節(jié)和制約。光子晶體波導(dǎo)還能實現(xiàn)對于信號的傳輸與分流的作用，根據(jù)第二節(jié)提到線缺陷波導(dǎo)的傳輸優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率低損耗，每個分路又要經(jīng)波分復(fù)用器件下載，各個分路中的光信號在各自受到新的調(diào)制后，重新匯聚到干路， 回到接收裝置。因為每一部分的各個部件在所用材料與大小上近乎一致，我們知道，傳統(tǒng)光學(xué)器件的大小在厘米尺寸，微小的加工誤差都會導(dǎo)致其工作頻率的較大改變，因而產(chǎn)生光模式不匹配的問題，都會有較大的功率損耗，微型化的光子器件能避免這一問題。同時相同材質(zhì)大小統(tǒng)一也方便光路一體化的實現(xiàn)。再加之與日益成熟的制備技術(shù)相適應(yīng)，將會為全光路信息傳遞集成化鋪就道路。

4 問題分析與展望

二十多年過去了，經(jīng)過這些年的發(fā)展，光子晶體理論已經(jīng)不斷發(fā)展完善，我們也已經(jīng)在其原理、設(shè)計取得了不斷進(jìn)步。二維光子晶體的制備相對容易，已有諸如反應(yīng)離子刻蝕和深紫外曝光等成熟技術(shù)。相對來說，對于集成光路更重要的三維光子晶體制備技術(shù)目前還不成熟，已有一些方法但還不能大規(guī)模集成化應(yīng)用，因此是關(guān)鍵發(fā)展方向。但是現(xiàn)有制備技術(shù)還是不完美，仍然有許多難題、核心關(guān)鍵有待克服。例如，二維晶體中的誤差控制，由于我們使用的光子頻率都在納米量級，晶體中幾何上的微小誤差都會導(dǎo)致對調(diào)制頻率的影響，進(jìn)而影響發(fā)射接收以及模式匹配。而我們需要將制備技術(shù)的精度提升到亞納米量級，才可以制備出高Q值的微腔，我們需要這樣一個可行的、簡便的方法。隨著光子晶體各種特殊現(xiàn)象、性質(zhì)在被不斷發(fā)現(xiàn)，一些新的研究方向隨之提出，或許一些新的性質(zhì)會隨著人們對于光子晶體的不斷發(fā)掘而被發(fā)現(xiàn)。

在硅基有源器件方面：我們?nèi)詫τ跐M足電泵浦、通信波段、產(chǎn)品化的硅基光源探尋不深，其中就包括擁有低閾值特性的III-V鍵合光源，十分穩(wěn)定的、使用低電壓驅(qū)動的鍺激光器，還有以Er離子為基礎(chǔ)的電泵硅激光器；我們?nèi)孕柙谡{(diào)制器上努力以滿足需求。鍺探測器的暗電流制約其發(fā)展，為能夠大規(guī)模量產(chǎn)，需新技術(shù)降低暗電流。

在硅基無源器件方面：問題之一就是硅基波導(dǎo)材料實現(xiàn)低損耗需要特殊工藝處理，因而無法實現(xiàn)大規(guī)模電路集成；其二為實現(xiàn)光柵的高耦合效率需要增加反射層，使得工藝更為復(fù)雜；這些器件的加工工藝急需簡化，使其能用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制備。在硅基光電集成方面：怎樣將光纖和波導(dǎo)高效耦合是一個難題；因為硅基光電子器件的多樣性，所以需要化為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。另外加工平臺成本較高。此外，硅的高熱光系數(shù)使得其光學(xué)性能受溫度影響，這一點是器件設(shè)計上的難題。封裝也不容忽視。因此，為了硅基光電子集成投入量產(chǎn)，我們需要在材料、工藝、設(shè)計等方面進(jìn)行研究。

展望未來它將幫助我們實現(xiàn)高速、低能耗的探測器設(shè)計；擁有低損耗的硅基激光器；十分高效的硅基光電子集成；高計算速率的光電接口；大能夠投入量產(chǎn)的大規(guī)模集成設(shè)備。

5 結(jié)語

在科學(xué)研究興盛的當(dāng)下，人們對于生產(chǎn)生活的需要往往能帶動一種新的科學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，沒有人們需求的推動新的學(xué)說只是空想。新興生產(chǎn)技術(shù)的完善與發(fā)展也是需要科研工作者們堅持不懈的探索與嘗試。光子晶體獨特的性質(zhì)備受關(guān)注，全世界的科研人員都對它抱有濃厚興趣，最初的概念現(xiàn)今已經(jīng)拿出了實體成果，我們可以看出對于它的研究人們走過的路程。在光子晶體的實用方面，我們以降低制作難度，減小制作成本，降低不確定性與不穩(wěn)定性為目標(biāo)，這也是為實現(xiàn)光學(xué)集成所必須做出的雖然這里仍有許多難題等待突破，但是我們?nèi)栽跒橹畩^斗。

參考文獻(xiàn)

[1]彭英才，Seiichi Miyazaki，徐駿，陳坤基.面向21世紀(jì)的Si基光子學(xué)Chinese Journal of Nature.

[2]倪培根.光子晶體制備技術(shù)和應(yīng)用研究進(jìn)展.物理學(xué)報，第59卷第1期2010（1）.

[3]唐海俠，王啟明.光子晶體在Si基發(fā)光器件中的應(yīng)用.功能材料與器件學(xué)報，2007.1007-4252（2007）02-0185-06.

[4]王興軍，蘇昭棠，周治平.硅基光電子學(xué)的最新進(jìn)展.中國科學(xué)：物理學(xué)，力學(xué)，天文學(xué)，2015.45卷（1）014201.