20世纪以来, 以硅为主要材料的微电子器件已经应用到了人类生活的各个层面. 这些微电子器件具有低功耗、低成本、易集成等优点, 成为了信息行业不可或缺的支柱, 微电子技术按照摩尔定律飞速发展. 然而, 随着微电子器件尺寸的进一步减小, 微纳器件及集成度的进一步提高, 电互连所固有的局限性将促使芯片的发热量迅速增加, 引起串扰、噪声、功耗、时延等多方面的问题, 使得器件无法正常工作. 不仅如此, 由于现有的加工设备已经接近工艺极限, 通过减小线宽的方法来提高芯片的工作频率和集成度面临非常大的工艺问题. 当线宽进入深纳米尺寸时, 如何避免量子效应导致的相邻导线之间的量子隧穿, 也面临前所未有的挑战. 这些问题已经成为了微电子集成电路技术未来发展的重大障碍, 摩尔定律接近了极限. 因此, 为了满足更高的技术需求, 人们将目光投向了片上光互连技术. 与电子相比, 光子作为信息载体, 具有巨大的优势: 没有静止质量、光子之间没有干扰、光的不同波长可以用于多路同时通信等, 从而可以利用光子进行通信, 实现更大的带宽和更高的速率.

硅基光电子学是一门以硅为主要研究材料, 在其上研究并设计制备各类光学元器件, 实现光的发射、传输、接收等功能, 并最终实现全硅的光电集成的科学. 其核心内容就是研究如何将光子器件“小型化”、“硅片化”, 并与纳米电子器件相集成, 即利用硅或硅兼容的其他材料, 应用硅工艺, 在同一硅衬底上同时制作若干微纳量级、以光子、电子为载体的信息功能器件, 形成一个完整的具有综合功能的新型大规模集成芯片. 相比于传统的半导体, 硅在光通信或光互连中具有非常巨大的优势: 硅与传统的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)工艺具有很好的兼容性, 非常利于集成, 具有丰厚的工艺技术积累; 硅在地壳中含量极高, 从而减缓了人们对资源需求的压力; 硅对通信波段透明, 从而会有较低的光学损耗; 硅的折射率较大, 因此具有优秀的波导性能; 硅片尺寸大、机械性能好、易加工、相比于其他材料成本更低; 绝缘体上硅(Silicon On Insulator, SOI)在光学上具有很好的导光性能, 在电学上具有很好的抗辐射性能等.

硅基光电子器件包括很多种: 无源器件包括光栅、分束/合束、偏振旋转、波分复用/解复用等; 硅基光源包括光放大器、激光器、光学调制器、探测器等. 这些功能器件都已实现, 部分已产业化. 在这些元器件中, 目前还没有完全解决的是通信波段的硅基光源. 主要原因在于, 硅是间接带隙的半导体材料, 电子不能直接由导带底跃迁到价带顶发出光子. 为了满足动量守恒原理, 它只能通过发射或吸收一个声子间接跃迁到价带顶. 同时, 硅中存在两个很强的非辐射跃迁过程: 俄歇复合和自由载流子吸收. 因此硅的发光效率很低, 一直以来被认为不适合制作光源材料. 但由于其巨大的潜在价值, 人们一直没有放弃制备硅基光源. 硅基光源包括硅基光波导放大器和激光器. 其中, 硅基光波导放大器也是硅基激光器的基础, 它可以放大硅基光电子集成回路中微弱的光信号, 是硅基光电子集成回路中不可或缺的器件, 如果光波导放大器有足够高的净增益, 在光波导放大器的两端设计合适的谐振腔就可以获得光泵的激光.

硅基光波导放大器目前有两个主要的研究方向: 一种是基于传统半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier,SOA), 采用键合技术, 将SOA贴到基片上; 另一种方法是基于传统的掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)材料, 将其转换为掺铒平面光波导放大器(Erbium-Doped Waveguide Amplifier, EDWA).

硅基发光可以通过集成III-V族半导体, 或进行稀土离子掺杂等方法来实现. 前者需要有异质集成的过程, 例如晶片键合, 而后者允许通过各种方法在硅基底上直接进行晶片级别的沉积. 在过去的30年里, 微型光源基本被III-V族半导体材料主导, 这主要存在两个原因. 首先, 半导体材料的增益可以直接通过电泵浦获得, 使得基于这些材料的放大器和激光器自然要比必须由光泵浦的器件更高效. 其次, 由于激发态的去相干时间在半导体和稀土离子掺杂材料中处于相同数量级, 所以半导体中电子空穴对复合所允许的光跃迁会导致相关的跃迁横截面部分的数量级大于稀土离子4f原子壳层内的宇称禁戒跃迁的数量级. 因此, 硅基集成III-V族半导体光放大器可以提供数百dB/cm的每单位长度的增益, 通常比掺稀土离子光波导放大器的几个dB/cm增益高两个数量级.

然而, 具有长激发态寿命和长增益恢复时间的掺稀土离子放大器工作在非饱和、小信号增益状态下, 从而也允许其在高速状态下进行信号放大. 在硅基底上沉积掺铒氧化铝薄膜的波导放大器可以达到170 Gbit/s的速度, 在掺铒光纤中, 这一速度可以达到更高. 此外, 异质集成III-V族半导体器件通常会在工作过程中产生大量的热量, 这会造成不利的后果. 首先, 半导体器件的工作比他们的电介质对应物所受到温度的影响更大. 随着温度的增加, 增益光谱在波长上发生显著偏移, 这可能导致激光模式跳变. 温度和诱发的折射率变化、谐振器长度、以及布拉格光栅周期等的变化将会导致激光谱线偏移和线宽变宽. 其次, 当与同一芯片上的光学电路进行集成时, 产生的热量可能干扰其他光学器件的工作. 相对的, 对于稀土离子掺杂的电介质, 由于热量产生显著地减小, 因此温度的影响是可以完全避免的. 而且稀土离子激发过程中的折射率变化也显著小于III-V族半导体中的电子空穴对变化. 目前已经通过稀土离子掺杂, 制备出了窄至1.7 kHz的自由运行单纵模分布反馈激光器, 而市面上普遍存在的III-V族DFB激光器的典型线宽范围是1–10 MHz. 掺铒波导放大器的未来研究方向大致为, 通过在同一芯片上集成多个组件来开发铒敏化物以及增加器件功能等. 采用合适的致敏方法可以增强铒激发效率, 从而制备出更小更节能的器件, 这个方面目前正在深入研究.

总的来说, 异质集成III-V族半导体光放大器可以采用电泵浦的方式、需要的泵浦功率较小、最接近实用, 但具有集成度不高、制备工艺复杂、温度稳定性差、与CMOS工艺不兼容等缺点. 相比较而言, 掺稀土离子光波导放大器偏振不敏感、噪声小、温度稳定性好、大带宽、且与CMOS工艺兼容, 成本低, 但只能采用光泵浦的方式, 发光效率低, 每单位长度增益较小. 硅基光波导放大器近年来虽然取得了很大进展, 但所面临的挑战仍是多方面的, 还需要国内众多学者进行攻关.

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陈子萍  舒浩文  王兴军. 中国科学: 物理学力学天文学 47(12), 127301(2017)

http://engine.scichina.com/doi/10.1360/SSPMA2017-00001

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